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Kollineare Laserspektroskopie an Calcium und Zinn an TRIGA-LASER und ISOLDE

Christian, Gorges :
Kollineare Laserspektroskopie an Calcium und Zinn an TRIGA-LASER und ISOLDE.
[Online-Edition: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/6241]
Technische Universität , Darmstadt
[Dissertation], (2017)

Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/6241

Kurzbeschreibung (Abstract)

Aus den optischen Spektren der Ionen und Atome lassen sich der Spin, die Änderung des Kernladungsradius, magnetische Dipolmomente sowie elektrische Quadrupolmomente extrahieren. Zur Untersuchung dieser Eigenschaften stellt die kollineare Laserspektroskopie eine besonders geeignete Methode dar, die universell einsetzbar und sehr effizient ist und zudem erlaubt, auch kurzlebige Teilchen mit Lebensdauern im Bereich von Millisekunden und Produktionsraten von wenigen hundert Teilchen pro Sekunde zu untersuchen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Kontrollsystem (TRITON) für die kollineare Laserspektroskopie LASPEC an FAIR entwickelt, welches einen verteilten Zugriff auf die verschiedenen Steuerelemente erlaubt und dadurch sehr flexibel ist. Entwickelt und erprobt wurde es am LASPEC Prototyp, dem TRIGA-LASER Experiment am Forschungsreaktor TRIGA Mainz. Unter Verwendung von TRITON wurden dort dann die Isotopieverschiebungen der stabilen Calciumisotope 40,42,44,48Ca im 4s1/2 -> 4p3/2- Übergang mit einer Genauigkeit gemessen, die die bisherigen Literaturwerte um etwa eine Größenordnung übertraf. Diese Daten waren Grundlage zur präzisen Bestimmung der Ladungsradien der Calciumisotope 49-52Ca aus Messungen am kollinearen Laserspektroskopieaufbau COLLAPS an ISOLDE/CERN. Des Weiteren wurden an COLLAPS Entwicklungsarbeiten für die Spektroskopie an 53,54Ca ausgeführt, bei denen TRITON ebenfalls zum Einsatz kam. Die Produktionsraten für 54Ca liegen bei etwa einem Ion pro Sekunde und ein optischer Nachweis ist nicht mehr möglich. Stattdessen wurde die Technik des optischen Pumpens mit nachfolgendem zustandsselektiven Ladungsaustausch und beta-Detektion einzelner Ionen an COLLAPS implementiert und erfolgreich an 52Ca demonstriert. Mit diesen Anwendungen wurde die Leistungsfähigkeit und Einsatzbereitschaft des LASPEC-Kontrollsystems für FAIR erfolgreich demonstriert. Im zweiten Teil der Arbeit wurde am COLLAPS Experiment Spektroskopie an den Zinnisotopen 109,112-134Sn durchgeführt. Dabei konnte die Genauigkeit mehrerer elektromagnetischer Momente im Bereich des N = 82 Schalenabschlusses mit einer zehnfach höheren Genauigkeit bestimmt werden als mit den früher durchgeführten Experimenten. Darüber hinaus konnten mit 133,134Sn erstmals zwei Isotope jenseits des Neutronenschalenabschlusses untersucht werden und damit der Verlauf der Ladungsradien über den Schalenabschluss hinweg etabliert werden. Ebenso wurde eine Reihe an bekannten Isomeren vermessen, namentlich die Isomere mit ungerader Neutronenzahl 113m,117m-131mSn, sowie die I = 7-Isomere 128mSn und 130mSn. Aus der gemessenen Isotopieverschiebung und der Hyperfeinstruktur konnten die Kernladungsradien, magnetischen Dipolmomente, elektrischen Quadrupolmomente und Isomerieverschiebungen bestimmt werden. Unterhalb des N = 82 Schalenabschlusses verlaufen die Ladungsradien analog zu denen des Elements Cadmium und können sehr gut mit dem Modell von Zamick und Talmi beschrieben werden. Der „Knick“ am Schalenabschluss ist stärker ausgeprägt als beim Element Tellur (Z = 52) und damit deutlich größer als von theoretischen Modellen erwartet. Auch die Evolution der elektrischen Quadrupolmomente der Isotope mit Valenzneutronen in der h11/2-Schale verläuft ähnlich linear wie bei Cadmium und entlang einer deutlich längeren Kette als für das Fassungsvermögen der h11/2 Schale erwartet. Auch für die Unterschiede im Ladungsradius zwischen den 11/2-Intruderzuständen und den Zuständen gewöhnlicher Parität ergeben sich ähnliche Verläufe. Die hier präsentierten vorläufigen Ergebnisse sollen in künftigen Strahlzeiten an COLLAPS an einem zusätzlichen Übergang noch weiter untermauert werden.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2017
Autor(en): Christian, Gorges
Titel: Kollineare Laserspektroskopie an Calcium und Zinn an TRIGA-LASER und ISOLDE
Sprache: Deutsch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Aus den optischen Spektren der Ionen und Atome lassen sich der Spin, die Änderung des Kernladungsradius, magnetische Dipolmomente sowie elektrische Quadrupolmomente extrahieren. Zur Untersuchung dieser Eigenschaften stellt die kollineare Laserspektroskopie eine besonders geeignete Methode dar, die universell einsetzbar und sehr effizient ist und zudem erlaubt, auch kurzlebige Teilchen mit Lebensdauern im Bereich von Millisekunden und Produktionsraten von wenigen hundert Teilchen pro Sekunde zu untersuchen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Kontrollsystem (TRITON) für die kollineare Laserspektroskopie LASPEC an FAIR entwickelt, welches einen verteilten Zugriff auf die verschiedenen Steuerelemente erlaubt und dadurch sehr flexibel ist. Entwickelt und erprobt wurde es am LASPEC Prototyp, dem TRIGA-LASER Experiment am Forschungsreaktor TRIGA Mainz. Unter Verwendung von TRITON wurden dort dann die Isotopieverschiebungen der stabilen Calciumisotope 40,42,44,48Ca im 4s1/2 -> 4p3/2- Übergang mit einer Genauigkeit gemessen, die die bisherigen Literaturwerte um etwa eine Größenordnung übertraf. Diese Daten waren Grundlage zur präzisen Bestimmung der Ladungsradien der Calciumisotope 49-52Ca aus Messungen am kollinearen Laserspektroskopieaufbau COLLAPS an ISOLDE/CERN. Des Weiteren wurden an COLLAPS Entwicklungsarbeiten für die Spektroskopie an 53,54Ca ausgeführt, bei denen TRITON ebenfalls zum Einsatz kam. Die Produktionsraten für 54Ca liegen bei etwa einem Ion pro Sekunde und ein optischer Nachweis ist nicht mehr möglich. Stattdessen wurde die Technik des optischen Pumpens mit nachfolgendem zustandsselektiven Ladungsaustausch und beta-Detektion einzelner Ionen an COLLAPS implementiert und erfolgreich an 52Ca demonstriert. Mit diesen Anwendungen wurde die Leistungsfähigkeit und Einsatzbereitschaft des LASPEC-Kontrollsystems für FAIR erfolgreich demonstriert. Im zweiten Teil der Arbeit wurde am COLLAPS Experiment Spektroskopie an den Zinnisotopen 109,112-134Sn durchgeführt. Dabei konnte die Genauigkeit mehrerer elektromagnetischer Momente im Bereich des N = 82 Schalenabschlusses mit einer zehnfach höheren Genauigkeit bestimmt werden als mit den früher durchgeführten Experimenten. Darüber hinaus konnten mit 133,134Sn erstmals zwei Isotope jenseits des Neutronenschalenabschlusses untersucht werden und damit der Verlauf der Ladungsradien über den Schalenabschluss hinweg etabliert werden. Ebenso wurde eine Reihe an bekannten Isomeren vermessen, namentlich die Isomere mit ungerader Neutronenzahl 113m,117m-131mSn, sowie die I = 7-Isomere 128mSn und 130mSn. Aus der gemessenen Isotopieverschiebung und der Hyperfeinstruktur konnten die Kernladungsradien, magnetischen Dipolmomente, elektrischen Quadrupolmomente und Isomerieverschiebungen bestimmt werden. Unterhalb des N = 82 Schalenabschlusses verlaufen die Ladungsradien analog zu denen des Elements Cadmium und können sehr gut mit dem Modell von Zamick und Talmi beschrieben werden. Der „Knick“ am Schalenabschluss ist stärker ausgeprägt als beim Element Tellur (Z = 52) und damit deutlich größer als von theoretischen Modellen erwartet. Auch die Evolution der elektrischen Quadrupolmomente der Isotope mit Valenzneutronen in der h11/2-Schale verläuft ähnlich linear wie bei Cadmium und entlang einer deutlich längeren Kette als für das Fassungsvermögen der h11/2 Schale erwartet. Auch für die Unterschiede im Ladungsradius zwischen den 11/2-Intruderzuständen und den Zuständen gewöhnlicher Parität ergeben sich ähnliche Verläufe. Die hier präsentierten vorläufigen Ergebnisse sollen in künftigen Strahlzeiten an COLLAPS an einem zusätzlichen Übergang noch weiter untermauert werden.

Ort: Darmstadt
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 05 Fachbereich Physik > Institut für Kernphysik
05 Fachbereich Physik > Institut für Kernphysik > Experimentelle Kernphysik
05 Fachbereich Physik > Institut für Kernphysik > Experimentelle Kernphysik > Experimentelle Kernstrukturphysik, Radioaktive Ionenstrahlen
05 Fachbereich Physik > Institut für Kernphysik > Experimentelle Kernphysik > Experimentelle Kernstrukturphysik mit exotischen Ionenstrahlen
Hinterlegungsdatum: 28 Mai 2017 19:55
Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/6241
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-62417
Gutachter / Prüfer: Nörtershäuser, Prof. Dr. Wilfried ; Aumann, Prof. Dr. Thomas
Datum der Begutachtung bzw. der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 10 Mai 2017
Alternatives oder übersetztes Abstract:
AbstractSprache
From the optical spectra of the ions and atoms we can extract the spin, the change in mean square charge radius, the magnetic dipole moments, and the electric quadrupole moments. To investigate these properties, collinear laser spectroscopy is a particular appropriate method because it is universally applicable, very efficient and allows to investigate short-lived particles with lifetimes in the range of milliseconds and production rates of a few hundred particles per second. Within the scope of this work, a control system (TRITON) was developed for the collinear laser spectroscopy experiment LASPEC at FAIR, which allows distributed access to the various control elements and is therefore very flexible. It was developed and tested on the LASPEC prototype, the TRIGA-LASER experiment at the research reactor TRIGA Mainz. Using TRITON, the isotope shifts of the stable calcium isotopes 40,42,44,48Ca have been measured in the 4s1/2 -> 4p3/2 transition with an accuracy, which exceeded the previous literature values by about one order of magnitude. These data were the basis for the precise determination of the nuclear charge radii of the calcium isotopes 49-52Ca from collinear laser spectroscopy installation COLLAPS at ISOLDE/CERN. Furthermore, developments for spectroscopy on 53,54Ca at COLLAPS have been carried out, where TRITON was also used. The production rates for 54Ca are about one ion per second and optical detection is no longer possible. Instead, the technique of optical pumping with state selective charge exchange and beta-detection of single ions was implemented at COLLAPS and successfully demonstrated at 52Ca. With these applications, the performance and operational readiness of the LASPEC control system for FAIR was successfully demonstrated. In the second part of the work, spectroscopy on the tin isotopes 109,112-134Sn has been performed at the COLLAPS experiment. Several electromagnetic moments close to the N = 82 shell closure have been determined with a tenfold higher accuracy than within earlier experiments. In addition, with the investigation of the isotopes 133,134Sn, the evolution of the nuclear charge radii could be established beyond the shell closure for the first time. A number of well-known isomers have also been measured, namely the isomers with odd neutron number 113m,117m-131mSn, and the I = 7 isomers 128mSn and 130mSn. From the measured isotope shifts and the hyperfine structure, the nuclear charge radii, magnetic dipole moments, electric quadrupole moments, and isomer shifts were determined. Below the N = 82 shell closure, the charge radii are similar to those of the element cadmium and can be described very well with the model of Zamick and Talmi. The "kink" at the shell closure is more pronounced than on the tellurium (Z = 52) and therefore much stronger than expected by theoretical models. The evolution of the electric quadrupole moments of the isotopes with valence neutrons in the h11/2 shell is similar to that of cadmium. Both show a linear trend along a much longer chain than expected for the h11/2 shell. Similar curves are also obtained for the differences in the charge radii between the 11/2 intruder states and the states of ordinary parity. The preliminary results presented here are to be further underlined in future beam times at COLLAPS on a different transition.Englisch
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