Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Разработана и опробирована методика по формированию пучка ионов тория-232 и-229 с целью дальнейшей загрузки квадрупольной ионной ловушки линейной конфигурации (линейная ловушка Пауля). В качестве метода получения ионов тория с различной кратностью заряда была выбрана лазерная абляция. При лазерной абляции наблюдается большее количество ионов в единицу времени, чем при других методах, например электронно-лучевом испарении, а, следовательно, и более высокая эффективность загрузки ионов в ловушку линейной конфигурации. Также метод лазерной абляции обеспечивает локальность испарения мишени, что идеально подходит для работы с ограниченным количеством мишени (торий-229 доступен в количествах до нескольких микрограмм). В работе использовался твердотельный Nd:YAG лазер с двухламповой накачкой и водным охлаждением, работающий в режиме модуляции добротности по схеме кольцевого резонатора. Длительность лазерного импульса, измеренная с помощью лавинного фотодиода, составила 25 нс, энергия в импульсе, измеренная при помощи измерителя мощности, составила 350 мДж. По измеренной зависимости мощности лазерного пучка от времени задержки между вспышками ламп и моментом открытия затвора были подобраны оптимальные параметры работы лазера, обеспечивающие максимальную мощность. После оптимизации параметров лазерной системы расходимость лазерного пучка составила 0.2 мрад, что позволило сфокусировать лазерный луч на образце в пятно с диаметром 50 мкм. Плотность мощности при этом составила ~50 ГВт/см2, чего достаточно для получения многозарядных ионов тория. При формировании пучка ионов с помощью лазерной абляции важным аспектом является верный подбор аблируемой минени. В работе используется методика локального электрохимического осаждения. Локальное формирование торий-содержащих покрытий позволяет получать образцы с хорошей адгезией, значительно превышающей адгезию образцов полученных с помощью формирования мишеней путем прямого нанесения раствора Th(NO3)4 на подложку. Благодаря хорошей адгезии методика локального электрохимического осаждения позволяет получать толстые пленки оксида тория на поверхности SiO2/Si., подходящие для аблирования мишени. Подобраны оптимальные параметры локального электрохимического осаждения для получения плотных ториевых покрытий. Использование данных мишеней позволяет сформировать плотный пучок ионов тория 3+ и ввести их через диафрагму в секцию квадрупольной радиочастотной ловушки. Экспериментально восстановлена диаграмма стабильности для ионов Th3+ и определены оптимальные значения потенциалов на стержнях квадрупольной ловушки для частоты 1.2 МГц и f = 2.5 МГц. Доработана и внутрь квадруполя добавлена пара “запирающих колец”. Расположение колец внутри квадруполя, в непосредственной близости к области локализации ионов, позволяет избежать экранирования потенциала стержнями ловушки и уменьшить прикладываемый к кольцам потенциал. Данная система колец позволила значительно уменьшить зону локализации ионов в направлении параллельном оси ловушки и, как следствие, увеличить эффективность их взаимодействия с лазерным излучением. Подача потенциалов на кольца осуществляется с помощью высоковольтного источника питания HV-2000P (“Мантигора”, Россия), имеющего возможность подачи потенциала величиной до 2 кВ с временем нарастания фронтов ~ 50 нс. Возможность быстрой подачи потенциалов позволила использовать измеренные времяпролетные характеристики для подбора задержки между импульсом абляционного лазера и подачей “запирающих” потенциалов на кольца для времяпролетной фильтрации ионов с необходимой зарядностью и увеличить эффективность улавливания торий3+ на порядок. Отработана методика лазерного охлаждения ионов тория 3+, захваченных в ловушку и формирования кулоновских кристаллов для дальнейшей спектроскопии квантовых состояний тория. Захват ионов осуществлялся с помощью оригинальной многосекционной квадрупольной ионной ловушки линейной конфигурации. Предварительное охлаждение до комнатных температур достигалось напуском в вакуумную камеру ловушки буферного газа до давлений ~ 1е-3 Торр. В качестве буферного газа использовался гелий высокой чистоты, прокачанный через азотную ловушку для дополнительной очистки. Благодаря более простой структуре уровней изотопа 232Th3+, было решено использовать именно его для отработки методики лазерного охлаждения и симатического охлаждения ионов 229Th3+. Удобными для доплеровского охлаждения являются следующие переходы: циклический переход 5F5/2 → 6D3/2 ( 1088 нм, ширина линии перехода 145 кГц), переходы с уровня 6D5/2 на подуровни тонкой структуры основного состояния 5F5/2 ( 690 нм, ширина линии перехода 28 кГц) и 5F7/2 (984 нм, ширина линии перехода 234 кГц). Коэффициент ветвления переходов с уровня 6D5/2 на уровни 5F5/2 и 5F7/2 составляют 1:8 соответственно. Переходы с длинами волн 690 нм и 984 нм образуют закрытую трехуровневую систему. С учетом структуры энергетических уровней и доступных для лазерного охлаждения переходов система лазерного охлаждения сформирована с использованием трех лазеров с внешним резонатором: ● Лазер с длиной волны 1088 нм ECDL-10960R (VitaWave). Выходная мощность 60 мВт. При этом возможна ее отстройка на 20 нм в коротковолновую и на 2 нм в длинноволновую сторону. Диапазон непрерывной перестройки частот составляет 67 ГГц. ● Лазер с длиной волны 690 нм ECDL-6915R (VitaWave). Выходная мощность 22 мВт. Возможна отстройка на 1 нм, как в коротковолновую, так и в длинноволновую сторону. Диапазон непрерывной перестройки частот составляет ~ 20 ГГц. ● Лазер с длиной волны 984 нм ECDL-98100R (VitaWave). Выходная мощность 100 мВт. Возможна отстройка на 2 нм в коротковолновую и на 20 нм в длинноволновую сторону. Диапазон непрерывной перестройки частот составляет ~ 60 ГГц. Диапазон непрерывной перестройки частот имеющихся лазеров составляет 20 ГГц и охватывает изотопический сдвиг, а также все интервалы сверхтонкого расщепления, что позволяет использовать их экспериментах по работе с двумя изотопами тория 232Th и 229Th. Стабилизация лазеров осуществляется по измерителю длин волн Bristol 871A-VIS, который позволяет проводить измерения с абсолютной точностью ± 60 МГц. Для возможности стабилизации нескольких лазеров по одному измерителю длин волн была реализована сервосистема с программным обеспечением. Сервоситстема состоит из набора шаговых двигателей, позволяющих перекрывать лазерные пучки таким образом, чтобы в измеритель длин волн всегда попадало излучение только от одного лазера. Значение частоты лазерного излучения полученное измерителем длин волн отправляется на многофункциональную плату Red Pitaya, которая формирует сигнал ошибки используемый для стабилизации каждого из лазеров. Стабилизации частоты охлаждающих лазеров по измерителю длин волн с точностью нескольких десятков МГц, недостаточно для глубокого охлаждения ионов на переходе с естественной шириной около 200 кГц. Поэтому в дальнейшем планируется стабилизация лазеров по внешнему высокостабильному резонатороу методом Паунда-Древера-Холла. Впервые исследован процесс возбуждения ядра 229Th на аномально низко лежащее изомерное состояние 3/2+ (8.27 +/- 0.17 эВ) по механизму обратного электронного моста через непрерывную часть электронного спектра. Оболочка атома или иона играет в этом случае роль усиливающего промежуточного звена между фотоном и ядром. Механизм усиления в электронном мосте возникает вследствие малой области интегрирования амплитуд процесса (она ограничена размерами атома или иона) и полюсного характера фотонного пропагатора при сверхнизких энергиях ядерного перехода. Установлено важнейшее отличие электронных мостов через дискретную и непрерывную части спектра: в схеме с континуумом всегда возможно резонансное возбуждение ядра независимо от расположения электронных уровней атома или иона. Это делает указанный подход наиболее предпочтительным при экспериментальных исследованиях возбуждения изомера 229mTh фотонами в ловушках, особенно на первых этапах работ, когда с недостаточно хорошо известна не только структура возбужденных состояний атома (ионов) тория, но и сама энергия ядерного перехода. Полученные формулы для сечения возбуждения ядра 229Th лазерным излучением показывают, что в резонансе сечение процесса может быть достаточно большим и сравнимым по величине с сечением фотоионизации атома тория. Ссылка: P.V. Borisyuk, N.N. Kolachevsky, A.V. Taichenachev, E.V. Tkalya, I.Yu. Tolstikhina, V.I. Yudin, Excitation of the low energy 229mTh isomer in the electron bridge process via continuum, Physical Review C 100 (4), 044306, 2019. DOI: 10.1103/PhysRevC.100.044306 Впервые исследован уникальный процесс распада низколежащего изомерного уровня 3/2+ (8.27 +/- 0.17 эВ) ядра 229Th по каналу внутренней электронной конверсии на ридберговских состояниях. Показано, что уже в ридберговском атоме, то есть в системе «ион 229mTh+ плюс электрон в ридберговском состоянии» внутренняя конверсия возможна только через ридберговский электрон. Это связано с тем, что при переходе одного из валентных электронов атома тория (например, одного из 7s электронов) на возбужденное состояние, энергия связи всех остальных электронов, включая валентные, возрастает по абсолютной величине. И когда один из валентных электронов оказывается в высоковозбужденном состоянии (например 9s), энергия связи оставшихся электронов становится больше энергии изомерного ядерного уровня. Соответственно, распад ядерного изомера 229mTh по каналу внутренней электронной конверсии через такие «сильно связанные» состояния запрещен энергетически. И процесс внутренней конверсии вынужден идти только через высоковозбужденное состояние. Поскольку ридберговский электрон поляризует оболочку тория, то наиболее надежные результаты расчетов получаются для системы «229mTh4+ плюс ридберговский электрон». В этом случае мы имеем ядро 229mTh, окруженное замкнутой оболочкой радона, с относительно удаленным ридберговским электроном. Показано, что в такой системе конверсионный распад изомера 229mTh можно практически остановить в состояниях ридберговского электрона даже с относительно небольшими значениями главного квантового числа n=30-40 и орбитального момента l=5-6. Установлено, что вероятность внутренней конверсии на ns состояниях сначала быстро убывает с ростом n, а при n=150 выходит на характерную для водородоподобных атомов зависимость и становится обратно пропорциональна кубу главного квантового числа. Обнаружено, что при n=10-30 имеет место скачкообразное изменение на три порядка величины вероятности конверсии как функции орбитального момента ридберговского электрона при переходе от l=3 к l=4. Оно вызвано качественным изменением соотношения между центробежным и экранирующим потенциалами в в указанной области величин орбитальных моментов. Полученные результаты указывают на возможность управления распадом ядерного изомерного состояния 229mTh. Ссылка: E.V. Tkalya, Decay of the low-energy nuclear 229mTh isomer via atomic Rydberg states, Physical Review C 100 (5), 054316, 2019. DOI: 10.1103/PhysRevC.100.054316 Проведена отработка предложенной ранее методики измерения энергии возбуждения изомерного состояния 229Th, основанной на использовании электронной спектроскопии. Исследования проводились на экспериментальном комплексе, созданном на основе электронного спектрометра XSAM-800. Для отработки методик измерения проведены модельные исследования фотоионизации на рабочей структуре Th:SiO2/Si с использованием внешних источников УФ излучения (D, Xе и Kr разрядные лампы) энергия фотонов которых близка к ожидаемой спектральной линии излучения, возникающей при распаде возбужденного состояния 229Th. В рамках развития экспериментального комплекса был спроектирован и изготовлен дифракционный спектрометр нормального падения для измерения спектральных характеристик излучения в области вакуумного ультрафиолета (ВУФ) и дальнего ультрафиолета (ДУФ) со спектральным диапазоном =120300 нм. Была сформирована серия образцов, на которых проводилась имплантация 232Th в пленки SiO2 разной толщины и проведены исследования их физико-химических свойств. Определен профиль распределения Th в пленке SiO2 и установлено, что имплантированный торий находится в окисленном состоянии со степенью окисления 4+. Измерена ширина запрещенной зоны для пленок Th:SiO2 c разной концентрацией тория. При измерениях электронных спектров после имплантации Th в пленки SiO2 разной толщины был обнаружен паразитный эффект излучения электронов из структуры Th:SiO2/Si, причиной которого является автоэлектронная эмиссии из подложки Si. Определены параметры эксперимента при которых этот эффект может быть исключен.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Исследованием возможности прямого возбуждения низколежащего изомерного перехода в ядре тория-229 лазерным излучением занимается несколько передовых научных коллективов в мире. Для поиска перехода необходимо иметь большое количество ионов тория при низких температурах и лазер для возбуждения ядерного перехода. Исследования этого года покрывают часть этих задач. Большое количества ионов в ловушке не только позволяет лучше регистрировать слабый сигнал люминесценции от облака ионов, являющегося основным инструментом для контроля параметров лазерного охлаждения и процесса улавливания, но и облегчает исследование низколежащего ядерного состояния. Для увеличения количества ионов был реализован процесс дозагрузки с применением буферного газа. Для дозагрузки ионов можно использовать до нескольких сот импульсов лазерной абляции, в результате чего мы получаем до миллиона ионов тория в ловушке. Ионы охлаждаются до комнатной температуры в результате взаимодействия с буферным газом и могут удерживаться в ловушке на макроскопических временах в десятки секунд и более. Процесс дозагрузки применим для любых изотопов тория, в том числе ионов тория-229. Буферный газ позволяет охлаждать ионы до комнатной температуры. Для получения более низких температур была собрана лазерная система прямого охлаждения ионов тория. Произведена характеризация стабильности лазерной системы: стабильность частоты каждого из трех лазеров находится на уровне лучше 10 МГц и ограничена измерителем длин волн. Выполнено теоретическое моделирование для определения наиболее эффективного способа охлаждения ионов тория-229. Сравнивалось прямое охлаждение и симпатическое с помощью тория-232 и иона стронция-88 с более сильным охлаждающим переходом. Прямое охлаждение позволяет получать более низкую конечную температуру порядка 20 мкК, но работает медленнее. При этом оно требует сложной системы фазовых электрооптических модуляторов на высоких частотах. Симпатическому охлаждению с использованием тория-232 соответствуют похожие скорости и конечные температуры. Сложность лазерной системы значительно упрощается, но эффективность передачи энергии от одних ионов другим сильно зависит от их взаимной концентрации. Наконец, симпатическое охлаждение с использованием других ионов с сильным охлаждающим переходом работает значительно быстрее, но позволяет достичь лишь несколько более высоких температур в несколько мК. В качестве первой стадии охлаждения симпатический метод кажется лучше. В качестве ионов для симпатического охлаждения предлагается использовать однократно заряженные ионы стронция-88. Для нахождения оптимальных параметров будущего эксперимента по охлаждению ионов тория-229 проведены теоретические расчеты лазерного охлаждения и симпатического охлаждения ионами стронция. Представлен эскиз лазерного источника для возбуждения изомерного ядерного перехода в тории-229. В схеме используется процесс 4-волнового смешения в газе ксенона излучения 250 нм и дополнительного излучения от перестраиваемого в широком спектральном диапазоне лазера. Для генерации излучения 141-152 нм предлагается использовать титан-сапфировый лазер и лазер на красителях с удвоением, а для 148-179 нм - другой лазер на красителях. Получаемой в таких схемах импульсное излучение в диапазоне вакуумного ультрафиолета 141-179 нм перекрывает диапазон, который в три раза превышает доверительный интервал длины волны ядерного перехода, принятый мировым научным сообществом в настоящее время. В рамках твердотельной концепции была осуществлена модернизация исследовательского комплекса, сконструирован и установлен блок регистрации фотонов на основе фотоэлектронного умножителя, в котором используется канальный вторично-электронный умножитель с CsI покрытием. Такой ФЭУ открытого типа позволяет регистрировать все фотоны жесткого вакуумного ультрафиолета. Предложена модель автоэлектронной эмиссии, возникающей при имплантации ионов в диэлектрическую матрицу. Результаты исследования направлены в Laser Physics Letters и будут использоваться в дальнейшей работе для интерпретации получаемых результатов. Экспериментально исследована физическая система на основе имплантированных возбужденных ионов 229Th в пленки благородных газов. Для ее реализации был сконструирован и изготовлен криогенный шток для охлаждения образцов в вакуумной камере исследовательской установки до температуры 4 K. Получены пленки Ne, Ar и Xe в твердой фазе при давлении 5*10^(-6) Торр. Получены РФЭС и REELS спектры твердой фазы Ne, Ar и Xe. Впервые зарегистрирован фотонный сигнал в ВУФ диапазоне после лазерной имплантации 229Th в диэлектрические пленки конденсированных Ne и Ar. На текущий момент продолжаются работы по регистрации и анализу оптического спектра данного фотонного сигнала. Для этой цели были подготовлены технические требования и на их основе изготовлен высокочувствительный детекторный модуль для ВУФ дифракционного спектрометра нормального падения. Высокая чувствительность достигается за счет использования ПЗС матрицы Hamamatsu S7031-0906 открытого типа (без защитного стекла). Предложен метод решения критически важной для исследований часового оптического перехода в ядре 229Th проблемы эффективного нерезонансного возбуждения низколежащего изомерного состояния 3/2+(8.10+/-0.17 эВ) путем пропускания электрического тока через образец, содержащий ядра 229Th. Сечения неупругого рассеяния электронов сверхнизких энергий на атомах 229Th и низкозарядных ионах 229Th1+, 229Th4+ достигают значений, обеспечивающих необходимый выход изомера. Это открывает новые возможности для разработки источника ядерного когерентного излучения в диапазоне вакуумного ультрафиолета и ядерного стандарта времени и частоты на 229Th. Сечение обратного процесса дает расчетное время распада изомера 229Th в металле через электроны проводимости примерно в 10^(-6) с, что совпадает с новыми экспериментальными данными по распаду 229Th в сверхпроводнике. Ссылка: E.V. Tkalya, Excitation of 229mTh at Inelastic Scattering of Low Energy Electrons, Physical Review Letters 124 (24), 242501, 2020. DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.242501 Комплекс 229mTh- [ядерный изомер 229mTh (3/2+, 8.10+/-0.17 эВ) в анионе тория (Th-)] является единственным и уникальным в своем роде объектом, на котором возможно наблюдение внутренней электронной конверсии (ВК) на валентных электронах аниона. Несмотря на появление дополнительного валентного электрона в 6d или 7s состояниях ВК изомера 229mTh в анионе тория уменьшается, а период полупаспада через электроны основного (6d)^3(7s)^2 и возбужденного (6d)^2(7s)^2(7p)^1 состояний аниона оказывается примерно в 1.5 и 1.1 раз больше, чем через основное состояние (6d)^2(7s)^2 атома тория. Этот контринтуитивный результат является следствием уменьшения амплитуд 6d и 7s волновых функций в окрестности ядра благодаря росту их диффузности вследствие присоединения к атому тория дополнительного электрона. Ссылка: E.V. Tkalya and R. Si, Internal conversion of the low-energy 229mTh isomer in the thorium anion, Physical Review C 101 (5), 054602, 2020. DOI: 10.1103/PhysRevC.101.054602 Атом тория, находящийся внутри фуллерена, менее подвержен влиянию внешнего химического окружения. Это может стать важным фактором для использования молекул 229Th@C60, 229Th@C20 и аналогичных им в метрологических разработках. Положения атомов Th в фуллеренах и энергии валентных электронов рассчитывались методом Хартри-Фока с поправкой МР2. Расчеты показали, что внутренняя конверсия изомера 229mTh в С60 и С20 энергетически запрещена, и ядерный изомер будет распадаться либо через электронный мост, либо с излучением реального фотона непосредственно ядром. Ссылка: A. V. Bibikov, A. V. Nikolaev, and E.V. Tkalya, Chemical bonding between thorium atoms and a carbon hexagon in carbon nanomaterials, Physical Chemistry Chemical Physics, 22 (39), 22501—22507, 2020. DOI: 10.1039/d0cp03970e

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В рамках эксперимента по охлаждению ионов тория были получены распределение удерживаемых ионов по энергии и спектр охлаждающего перехода на длине волны 1088 нм. Доплеровское уширение перехода составило 5 ГГц, что согласуется с распределением по энергии и соответствует температуре горячей плазмы после лазерной абляции ~105 K. Для эффективного охлаждения большого числа частиц в вакуумную камеру была добавлена стронциевая мишень для экспериментального исследования возможности симпатического охлаждения Th3+ вместо прямого охлаждения на слабом переходе. Естественная ширина охлаждающего перехода в тории составляет 145 кГц, а для стронция - 22 МГц. Температура ионов стронция после лазерной абляции теми же методами оценки оказалась того же порядка, хотя и немного ниже. Тем не менее, сильный охлаждающий переход в Sr+ позволил получить холодное облако ионов. Облако формируется в течение 10-20 с после импульса лазерной абляции. Дополнительные импульсы лазерной абляции в методе дозагрузки частиц позволяют увеличивать количество частиц Sr+ в облаке, а также добавлять к ним ионы Th3+, если импульса лазерной абляции направлять на ториевую мишень. После таких дополнительных импульсов согласно изображению с камеры в облаке холодных ионов возникает возмущение, но через 10-20 с лазерного охлаждения ситуация восстанавливается. В таком методе симпатического охлаждения работа с ионами тория-232 и тория-229 полностью идентична, за исключением последующей спектроскопии. Температура холодных ионов позволяет оценить доплеровские уширения переходов в Th3+, которые используются для лазерного охлаждения и определения квантового состояния ядра по сверхтонкому расщеплению. Определение температуры по сигналу люминесценции перехода 984 нм в тории дало результат 20 мК. Уширения для трёх переходов (1088 нм, 984 нм и 690 нм) составляют 2-3 МГц, что много меньше сверхтонкого расщепления в тории-229 (сотни МГц). Тем не менее, температуру ионов Th3+ можно уменьшить ещё с помощью второй стадии охлаждения, непосредственно на слабых оптических переходах в тории. Систематизированы и адаптированы для создающейся в рамках проекта экспериментальной установки результаты теоретических работ предыдущих лет по возбуждению изомерных ядер 229mTh фотонами по механизму обратного электронного моста (ОЭМ). Необходимость такой работы продиктована сформировавшимся в настоящее время в научном сообществе мнением, что ОЭМ является наиболее перспективным процессом для получения достаточных как для работы ядерных часов, так и для лазера на ядерном переходе количеств изомерных ядер 229mTh(8.19 эВ) непосредственно из основного состояния 229Th(0.0). Впервые в мире был подготовлен и реализован эксперимент по накачке ионов тория-229 в возбужденное изомерное состояние ядра электронным пучком. Проведено исследование воздействия каскада вторичных электронов на ядра тория, которыми допирована мишень, состоящая из оксида кремния. С помощью воздействия электронного пучка на такую мишень можно реализовать широкополосный режим возбуждения изомерного состояния ядер тория-229. Этот метод имеет определенные преимущества по сравнению со случаем, когда возбуждение ядер тория осуществляется с помощью синхротронного излучения (СИ), источник которого надо настраивать на частоту изомерного перехода, что существенно усложняет схему эксперимента. Проведена регистрация УФ спектров флуоресценции при распаде изомерных ядер Th229. Ядра тория имплантированные в пленку SiO2 переводились в возбужденное состояние потоком вторичных электронов низкой энергии. В результате зарегистрирована линия с длиной волны 181 нм. Получена зависимость нарастания интенсивности этой линии от времени. Результаты экспериментов являются предварительными и требуют тщательной проверки. Продолжена работа по созданию системы регистрации распада изомерных ядер Th229. На предыдущем этапе был изготовлен ВУФ дифракционный спектрометр нормального падения (рис.5.1 приложения) и проведены его тестовые испытания. Спектрометр предназначен для регистрации спектров малоинтенсивных потоков излучения. В отчетный период проведена модернизация спектрометра, которая привела к расширению спектрального диапазона: ВУФ диапазон, λ =120-240 нм. Модуль состоит из следующих частей: корпус модуля; ПЗС матрица Hamamatsu S7031-0906; электронная плата для матрицы; система охлаждения для матрицы на основе холодильника Пелтье; контроллер для матрицы. Высокая чувствительность достигается за счет использования ПЗС матрицы Hamamatsu S7031-0906 открытого типа (без защитного стекла, рис. 5.2). Имеются два варианта матрицы: с антиотражающим покрытием (ARC) и без ARC. Матрица с ARC имеет резкое снижение квантовой эффективности в области 120 нм однако на остальном участке спектра ее эффективность выше чем у матрицы без ARC (рис.5.3). Проведены тестовые измерения и юстировка спектрометра с обеими матрицами. Для калибровки спектрометра на экспериментальной установке была установлена резонансная лампа вакуумного ультрафиолета с помощью, которой можно получать узкие линии резонансного возбуждения в газах Xe, He, H. Для получения максимальной оптической силы спектрометра были изготовлены линзы из MgF с фокусными расстояниями 45, 50 и 55 мм. В рамках экспериментальной реализации системы резонансного возбуждения в проекте рассматривается процесс обратной внутренней конверсии (ОВЭК) в лазерной плазме. Ранее этот метод нами был описан в проекте. В этом процессе электроны плазмы из состояний непрерывного спектра с энергией E заселяют уровни иона, т.е. переходят в состояния дискретного спектра с энергией Ef. Ядро при этом возбуждается виртуальным фотоном. Рассмотренный процесс является обратным к процессу распада изомерного ядерного состояния по каналу внутренней электронной конверсии гамма-лучей. Сечение ОВЭК носит выраженный резонансный характер, к возбуждению приводят к возбуждению ядер, только те электроны в спектре плазмы, энергия которых совпадает в пределах конверсионной ширины ядерного состояния с разностью энергии ядерного перехода и абсолютной величины энергии связи на заселяемой атомной оболочке. Эффективность механизма ОВЭК при резонансном возбуждении ядер в плазме составляет 10^-5-10^-6, при этом число возбуждаемых ядер за один лазерный импульс в области взаимодействия используемого в эксперименте лазера составит величину 10^9-10^10/ Это выглядит весьма перспективным и делает метод лазерной имплантации уникальным, так как позволяет совместить сразу два важных процесса: 1) возбуждение изомерных ядер тория-229; 2) имплантацию этих возбужденных ядер в матрицу широкополосного диэлектрика. Регистрация распада изомерного состояния Th229 была осуществлена в аналитической камере исследовательского комплекса на базе спектрометра XSAM-800 была установлена высокочувствительная система регистрации УФ излучения. Для регистрации излучения используется ФЭУ. Были проведены испытания системы регистрации излучения при резонансном возбуждении ядер Th в лазерной плазме реализуемого по каналу обратной внутренней электронной конверсии. Получены кривые затухания возбужденного состояния Th229 при имплантации в матрицу SiO2. В проекте прорабатывается также возможность резонансного возбуждения изомерных ядер 229mTh когерентным лазерным излучением. Но экспериментальная реализация такого подхода пока не находит теоретического подтверждения её успешности. Принципиально важной нерешенной до настоящего времени проблемой является эффективное возбуждение изомера 229mTh. Наиболее естественным и многообещающим выглядит возбуждение 229mTh резонансными фотонами при настройке лазерного излучения непосредственно на энергию ядерного перехода. Однако, проведенное нами детальное исследование вопроса показало, что на этом пути могут возникнуть определенные трудности, в результате которых, наработка ядер 229mTh когерентным излучением в некоторых случаях становится практически невозможной. Причина - «замерзание» системы в основном состоянии вследствие эффекта Зенона. В результате измерения УФ спектров, полученных при возбуждении изомерного состояния Th229 в пленке SiO2 электронным пучком уточнены значения частоты изомерного перехода. Длины волны составляет 181 nm. Дополнительно была проведена оценка времени жизни возбужденного состояния в ядре тория-229. Установлено, что время жизни 229mTh относительно гамма-распада в вакууме примерно в 2 раза выше, чем наблюдаемое в эксперименте время выхода на плато сигнала в детекторе, составляющее около 20 мин. Период полураспада 229mTh по гамма-каналу близкий к 40 мин для фотонов с энергиями 7-8 эВ находится в согласии с величиной приведенной вероятности ядерного перехода Bw.u.(M1)=(3+/-1)*10^(-2). Важно, что приведенные значения Bw.u.(M1) представляют собой известные величины, входящие в допустимый диапазон для исследуемого низкоэнергетического перехода в ядре 229Th. Проведены установочные эксперименты по возбуждению изомерных ядер тория-229 медленными электронами в МДП структуре типа Pd/SiO2:Th/Si при инжекции валентных электронов. Предложена методика возбуждения изомерных ядер Th229 медленными электронами в МДП-структуре Me/Th-SiO2/Si. Торий имплантировался в слой SiO2 толщиной 10-20 нм. Количество имплантированного Th229 варьировалось от 1 до 5 импульсов лазерного испарения (1013 атомов за импульс). При напряжениях в МДП структурах больше 8 V наблюдается интенсивный выход электронов из образца, что регистрируется электронным спектрометром и наблюдается свечение в видимой области спектра. Накопление спектров на УФ спектрометре производилось при постоянных напряжениях 14 и 15V. Максимальное время накопления составляло 60 мин. Время накопления ограничивалось устойчивостью верхнего электрода. Длительное пропускании тока при постоянном напряжении приводит к постепенному увеличению тока с последующим пробоем. Деградация структуры может быть связана с диффузией атомов электрода в диэлектрик приводящей к увеличению токов утечки. Измерения на УФ спектрометра не зарегистрировали линий излучение в области спектра 62-200 нм. Одной из причин низкой интенсивности сигнала может быть сильное поглощение излучения в металлическом электроде. Для устранения этой проблемы был апробирован способ возбуждения ядра Th229 потоком электронов. Проведены установочные эксперименты по регистрации фотонов, образующиеся при распаде возбужденного изомерного состояния Th229 после имплантации его в кристаллический Ne, с помощью УФ спектрометра. Измерения УФ спектров проводились на конденсированных пленках Ne толщиной 10-20 nm после лазерной имплантации в них Th229. Имплантация поводится в электрическом поле 100V между мишенью и подложкой с конденсированной на ней пленкой. Сразу после имплантации (1-3 лазерных импульса) образец перемещался в течение 20 сек в камеру анализатора, где проводилась регистрация УФ спектров на УФ спектрометре. Интенсивность сигнала в таком эксперименте оказалась не достаточной для регистрации на УФ спектрометре. Низкая интенсивность требует большого времени регистрации сигнала. Предлагается продолжить эксперименты по регистрации излучения Th229 имплантированного в пленку Ne. Для достижения более высокой интенсивности излучения в дальнейших экспериментах предлагается увеличить количество Th. Для этого в процессе роста пленки последовательно производить имплантацию Th получив равномерное распределение по всей глубине пленки. Исследованы нейтральная (Th) и положительно заряженная (а именно, Th^n+, где n=1-4) примесь тория в твердом аргоне. Изучена природа химической связи в двухатомной молекуле ThAr и в кластерах ThAr_4, ThAr_12, Th^n+ Ar_18 с помощью численного кода на базе метода Хартри-Фока с поправкой второго порядка (MP2), учитывающей силы Ван-дер-Ваальса. Показано, что химическая связь формируется из валентных состояний тория и поляризованных состояний аргона в кластерах с Th^n+ (n = 0, 1, 2, 3) и исключительно из поляризованных состояний аргона и тория в кластерах с Th^4+. Во всех случаях с двумя или более валентными электронами Th основным состоянием является высокоспиновое состояние. Для кластера Th^4+ Ar_18 обнаружены две конформации (кубическая и ромбическая). Средняя длина связи Th-Ar в кластерах В Th^n+ Ar_18 уменьшается с увеличением n, тогда как энергия связи увеличивается. Это объясняется ослаблением отталкивания Th-Ar и усилением поляризация. Длины связей Th-Ar оказались очень близки к длинам связей Ar-Ar в ГЦК решетке. Поэтому твердый аргон, являющийся широкозонным диэлектриком, хорошо подходит для аккомодации примесей тория и проведения оптических экспериментов с 229Th. Ссылка: A.V. Nikolaev and E.V. Tkalya, Neutral and charged thorium impurity in solid argon, Physical Review A 104 (3), 032819 (2021). DOI: 10.1103/PhysRevA.104.032819 Теоретически рассчитаны рентгеновские фотоэлектронные спектры и воспроизведены спектры потерь энергии отраженных электронов (REELS) твердого аргона, конденсированного в тонкую пленку на поверхности золота. REELS воспроизведен с учетом обоих гранецентрированной кубической и гексагональной плотноупакованной решеток твердого аргона с использованием теории функционала плотности (DFT), приближения GW, приближения случайных фаз (RPA) и уравнения Бете – Солпитера. В расчетах учитывались диэлектрическая экранировка локального поля, квазичастицы и экситонные эффекты. Экситонные пики в REELS появляются при энергиях около 12 эВ, тогда как рассчитанная электронная запрещенная зона составляет 14.3–14.4 эВ как для ГЦК, так и для ГПУ решеток. Наши результаты показывают, что сплошная пленка аргона является широкозонным диэлектриком, наиболее подходящим для имплантации Th и изучения его низкоуровневого ядерного перехода в 229Th с энергией в районе 8.19 эВ. Ссылка: U.N. Kurelchuk, P.V. Borisyuk, E.V. Chubunova, S.Z. Karazhanov, N.N. Kolachevsky, Yu.Yu. Lebedinskii, D.A. Myzin, A.V. Nikolaev, E.V. Tkalya, Spectroscopic studies of solid Ar condensed on a gold surface, Materials Letters 306, 130930 (2022). DOI: https://doi.org/10.1016/j.matlet.2021.130930 Исследовано нерезонансное возбуждение ядра 229Th на низколежащее изомерное состояние 3/2+(8.19+/-0.12 эВ) в процессе неупругого рассеяния медленных мюонов с энергиями 9–100 эВ. Сечение неупругого рассеяния рассчитано в рамках второго порядка теории возмущений для квантовой электродинамики. Преобладающий вклад в возбуждение низкоэнергетического изомера 229mTh вносит E2 мультиполь. Сечение возбуждения достигает значения 10^-21 cm^2 в области энергий около 10 эВ. Эта величина на четыре-пять порядков больше, чем сечение электронного возбуждения, и достаточна для эффективного возбуждения Th на мюонном пучке следующего поколения мюонных коллайдеров. Ссылка: E.V. Tkalya, Cross section of the Coulomb excitation of 229mTh by low energy muons, Chinese Physics C 45 (9), 094102 (2021), DOI: 10.1088/1674-1137/ac0b3a

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В ходе разработки технических требований к экспериментальному образцу ядерного стандарта частоты были предложены схемы активного и пассивного стандартов частоты с возможностью сравнения их работы друг относительно друга. В случае работы лишь одного из двух типов стандартов частоты необходимо сравнение его работы с оптическими часами на других частицах. Сами технические требования включают в себя обеспечение высокого вакуума, низкий уровень нагрева ионов в ловушке, стабильную работу системы охлаждения, чувствительную систему регистрации отдельных ионов тория в ловушке. Особое внимание следует уделить созданию лазера для возбуждения часового перехода: узкая спектральная линия, высокая стабильность, достаточная мощность излучения. Для поиска часового перехода может потребоваться гораздо большая мощность лазерного излучения, хотя и меньшие требования на ширину линии и стабильность частоты. Для покрытия широкого диапазона потенциальных длин волн, соответствующих часовому переходу, может потребоваться даже несколько различных лазеров. Также в работе предложена схема ядерного источника света в рамках твердотельной концепции, в которой помещенные в широкозонный диэлектрик ядра тория-229 сначала возбуждаются протекающим через устройство током низкоэнергетических электронов, а затем излучают фотоны VUV диапазона с длиной волны примерно 149 нм. Ссылка: E. V. Tkalya, P. V. Borisyuk, M. S. Domashenko, Yu. Yu. Lebedinskii. Proposal for a Nuclear Light Source. Chinese Physics C Vol. 47, No. 2 (2023) 024103. DOI: 10.1088/1674-1137/ac9f0a Предложены наименьшие 20-ти атомные стабильные BN-фуллерены B12N8 и B8N12. Согласно расчетам, Th располагается примерно в центре этих структур. Молекула Th@B12N8 не меняет свою форму по сравнению с фуллереном без тория, а молекула Th@B8N12 существенно деформируется. Плоская структура B12N12H12 в присутствии тория становится гофрированной. Ссылка: U. N. Kurelchuk, A. V. Nikolaev, P. V. Borisyuk, and E. V. Tkalya. Chemical bonding between thorium and novel BN nanomaterials. J. Appl. Phys. 132, 124302 (2022); doi: 10.1063/5.0102419 Показано, что твердая пленка аргона, намороженная на поверхности золота при температурах 5 К и 20 К, является диэлектриком с шириной запрещенной зоны около 14.3 эВ. Это делает ее пригодной для имплантации 229Th и изучения его низкоэнергетического ядерного перехода с энергией 8.3 эВ. Ссылка: U.N. Kurelchuk, P.V. Borisyuk, E.V. Chubunova, S.Z. Karazhanov, N.N. Kolachevsky, Yu.Yu. Lebedinskii, D.A. Myzin, A.V. Nikolaev, E.V. Tkalya. Spectroscopic studies of solid Ar condensed on a gold surface. Materials Letters 306 (2022) 130930. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matlet.2021.130930