Messung der Th-229 Isomerenergie mit einem Mikrokalorimeter

Die Kernstruktur von Thorium-229 weist mit hoher Wahrscheinlichkeit einen langlebigen Isomerzustand auf, der energetisch extrem nahe am Grundzustand liegt. Der derzeit angenommene Wert für die Isomerenergie beträgt 7.8 eV, entsprechend einer Wellenlänge von 160 nm. Vermutlich der niedrigste angeregte Kernzustand überhaupt, könnte dieser Isomerzustand durch Laserlicht gezielt angeregt werden. Diese sollte eine Vielzahl faszinierender Experimente im Überlappbereich von Atom- und Kernphysik ermöglichen. Bedauerlicherweise wurde bisher kein eindeutiger Nachweis über die Existenz dieses Isomerzustandes gefunden und die exakte Anregungsenergie ist bestenfalls nur sehr grob bekannt. Fortschritte bei der Bestimmung dieser Übergangsenergie gehen einher mit Fortschritten in der Technologie von Gamma-Detektoren. Alle bisher verfügbaren Vorhersagen basieren auf Messungen der Thorium Kernstruktur bei hohen Energien (10-1000 keV), welche im Alpha-Zerfall von Uran-233 bevölkert werden. Die Isomerenergie wird dann über Differenzbildung von weiteren Gamma-Zerfallskanälen bestimmt. Da eine sehr geringe Energie durch Differenzbildung sehr hoher Energien bestimmt wird, ist die Ungenauigkeit entsprechend groß. Zusätzlich gehen in die Energieabschätzung Zerfallskanäle ein, die nicht experimentell beobachtet wurden und die nur theoretisch abgeschätzt werden können. Dementsprechend ist der aktuelle Wert von 7.8 eV umstritten. Wir schlagen vor, eines der weltweit fortschrittlichsten magnetischen Mikrokalorimeter zu verwenden, um das 29.19 keV Duplet in 229 Th aufzulösen. Dieses Duplet zerfällt direkt entweder in den Thorium Isomer- oder den Grundzustand, seine Messung entspricht daher einer Energiemessung ohne zusätzliche theoretische Eingangsparameter und einem eindeutigen Nachweis der Existent des Isomers. Das Projekt wird als internationale Kollaboration der TU Wien (Projektleiter) und der Universität Heidelberg durchgeführt. Das Projektteam vom Wiener Atominstitut wird die Uran-233 Probe produzieren und charakterisieren, die Messung in Heidelberg unterstützen und die Daten auswerten. Das Heidelberger Team stellt das kryogene Mikrokalorimeter zur Verfügung, optimiert es für die geplante Anwendung und vollführt die eigentliche Messung. Die Projektpartner haben in einer gemeinsamen Machbarkeitsstudie (arXiv:1306.3069) gezeigt, dass eine solche Messung mit bereits in Heidelberg vorhandenen Detektoren realistisch ist, ein speziell gefertigter Detektor lässt eine noch größere Auflösung erwarten. Das gemeinsame Projekt kombiniert optimal bestehende Ressourcen und Kompetenzen in Wien, so dass das Projekt in nur 18 Monaten und mit sehr wenig apparativem Aufwand durchgeführt werden kann.

Das Radioisotop Thorium-299 besitzt einen langlebigen angeregten Kernzustand (Isomer) mit sehr niedriger Anregungsenergie, Schätzungen liegen bei 7.8 eV. Vermutlich der niedrigste aller bekannten Kernzustände, kann 229Th Isomer evtl. durch Laser manipuliert werden und spannt so eine einzigartige Brücke zwischen Atom- und Kernphysik. Momentan ist die Unsicherheit der Anregungsenergie im Bereich von 0.5 eV noch zu groß, um mit Laserspektroskopie zu beginnen.Um die Unsicherheit zu reduzieren haben wir ein Hochleistungs-Mikrokalorimeters entwickelt, um das 29.19 keV Doublet aufzulösen, welches lediglich in den Grund- bzw. den Isomerzustand zerfallen kann. Dabei handelt es sich um ein Kollaborationsprojekt der TU Wien und der Universität Heidelberg: TU Wien produziert und charakterisiert radioaktive 233U Proben, unterstützt Messungen in Heidelberg und analysiert die Daten. Heidelberg entwickelt und charakterisiert das Hochleistungsspektrometer und führt die Messungen durch.Das Projekt wurde stark verzögert, als sich herausstellte, dass der Hersteller der dc-SQUIDS (PTB) diese nicht mehr in der gewohnten Qualität herstellen konnte. Entsprechend wurde die Produktion nach Heidelberg verlagert, es konnten genug Magnetometer für die 32 Verstärkerkanäle des Detektors hergestellt werden. Neben der Verzögerung war auch das Rauschverhalten dieser ersten Generation um einen Faktor 10 höher als ursprünglich angenommen. Daher konnte die Unsicherheit in der Isomerenergie nicht während der Projektdauer reduziert werden.Nichtsdestotrotz wurde im Projekt das erste 2D array magnetischer Mikrokalorimeter für die hochauflösende Spektroskopie von einzelnen Röntgen und Gamma Photonen realisiert. Der maXs-30 Detektor hat 8x8 Detektorpixel, jeder aus 15 m Gold, mit einer Gesamtdetektionsfläche von 4x4 mm, optimiert für Energien im Bereich 30 eV. Die instrumentelle Linienbreite entspricht 77.8 eV (FWHM Gauss). Dies sind weltweit einzigartige Performance-Parameter, ideal für die Spektroskopie von 229Th und weitere Anwendungen der Atom- und Kernphysik.An der TU Wien haben wir Prozeduren zur Entwicklung fester (Elektroplating) und flüssiger Proben entwickelt, sowie eine rasche chemische Reinigung des Probenmaterials. Eine effiziente Entfernung der radioaktiven Tochterprodukte ist entscheidend für jegliche Spektroskopie mit niedrigem Hintergrund. Mittlerweile ist auch die Produktion rauscharmer SQUIDS gelungen, so dass alle Elemente für eine erfolgreiche Messung leider nicht mehr innerhalb der Projektzeit bereitstehen. Wir sind optimistisch, hier 2017 einen Wert liefern zu können.