基于钍-229三价离子库伦晶体探测6d3/2->7p(1/2,3/2)以及6d5/2->7p3/2电子跃迁的研究

The first nuclear excited state of Thorium-229 (229Th) is only 7.8eV above the ground state, which can be used for a new time-frequency standard research. One possible scheme to detect this nuclear excited state is to coupling the electron transition and nuclear transition, which is called electron bridge transition. Since the probability of electron bridge transition is 20 times larger than the direct nuclear transition, it is easier to reach the first nuclear excited state of 229Th3+. This project uses a linear quadrupole ion trap to confine and laser cooling the 229Th3+ into an ordered structure called coulomb crystal. The Doppler effect will be greatly reduced and it can be stably and longtime confined, which makes the 229Th3+ coulomb crystal a favorable system for Th-229 nuclear transition detection. Based on the 229Th3+ coulomb crystal, this project will measure three transition lines between 6d->7p, obtain their transition frequencies in high precision and produce Th-229 at electron state 7p(1/2,3/2). This project will be preliminary work for realizing the electron bridge transition and measure the first nuclear excitation energy of 229Th3+.

钍（Th）-229第一核激发态能量比基态高出仅7.8eV，可应用于新型基于核跃迁时间频率标准的研究。钍-229第一核激发态探测的一个可行方案是通过电子跃迁与核跃迁耦合实现电子桥跃迁，其跃迁几率是直接核跃迁几率的20倍，易于获得钍-229的第一核激发态跃迁频率。本项目将在线型离子阱中激光冷却钍-229三价离子并形成具有有序结构的库伦晶体，其多普勒效应较小，可长时间稳定囚禁，是探测钍离子中核激发态跃迁的优良体系。在此基础上，项目将通过测量6d->7p的三条跃迁谱线，获得高精度跃迁频率，从而制备处于7p(1/2,3/2)电子态的钍-229，为实现电子桥跃迁，测量其第一核激发态能量打下良好的实验基础。

利用激光对原子或者分子的电子态进行相干激发是现代谱学与计量学的核心技术。然而，要将这个技术应用到核态，将会是一个很大的挑战。幸运的是，钍-229原子核的第一核激发态能量仅为8.12±0.11eV，原理上可使用波长为152.7±2.1nm的相干激光来激发。钍-229是目前最有可能实现使用激光来精密调控“核量子态”的核子。.钍-229原子核第一激发态的寿命为数小时，因而其线宽非常小，约为10-5 Hz，要在几十纳米宽的波段里寻找如此窄的激光激发共振峰相当困难。钍-229第一核激发态探测的一个可行方案是通过电子跃迁与核跃迁耦合实现电子桥跃迁，其跃迁几率是直接核跃迁几率的20倍，易于获得钍-229的第一核激发态跃迁频率。经过离子阱囚禁和激光冷却的钍-229离子，由于离子间的强耦合相互作用会逐渐发生相变，最后形成一种有序结构，即“库伦晶体”。库伦晶体中的钍-229离子，其多普勒展宽效应被大大减小。同时，库伦晶体处于一个与外界隔绝的、干扰较小的超冷环境中，其与光的相互作用时间被大大延长，可以增加相应跃迁的探测成功率。由此可见，钍-229离子的库伦晶体，将会是核跃迁探测的良好测量体系。.本项目在线型射频阱中，结合多普勒激光冷却技术，囚禁与冷却229Th3+至mK量级，获得其库伦晶体。并通过该库伦晶体探测与钍-229三价离子电子桥跃迁有关的电子跃迁。研究内容可以分为1）钍-229三价离子库伦晶体的制备，具体包括钍-229三价离子的产生，囚禁，激光冷却以及纯化和2）与钍-229三价离子电子桥跃迁有关的电子跃迁的测量。.在本项目的执行过程中，我们设计并加工了用于钍-229三价离子囚禁的离子阱系统以及控制离子阱极杆电压的射频源。在真空系统中测试了这套离子阱系统。针对钍三价离子载入离子阱的问题，进行了大量的测试工作。基本确定了激光溅射钍靶产生三价钍离子，并使用缓冲气体对其进行减速，载入离子阱的方案。我们将用接下来的时间，将钍三价离子载入离子阱，获得其库伦晶体，并基于钍三价离子库伦晶体对钍-229中6d3/2->7p(1/2,3/2)以及6d5/2->7p3/2的跃迁频率进行测量。以完成本项目的研究目标。