Construction and commissioning of a collinear laser spectroscopy setup at TRIGA Mainz and laser spectroscopy of magnesium isotopes at ISOLDE (CERN) [Elektronische Ressource] / Jörg Krämer

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• Publié le: 01 janvier 2010
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Extrait

Construction and Commissioning of a
Collinear Laser Spectroscopy Setup
at TRIGA Mainz
and
Laser Spectroscopy of Magnesium Isotopes
at ISOLDE (CERN)
Dissertation
zur Erlangung des Grades
”Doktor der Naturwissenschaften”
im Promotionsfach Chemie
am Fachbereich Chemie, Pharmazie und Geowissenschaften
der Johannes Gutenberg-Universit¨at
in Mainz
J¨org Kr¨amer
geb. in Alzey
Mainz, den 22. Juli 2010.ii
Abstract
Collinear laser spectroscopy has been used as a tool for nuclear physics for more than 30 years.
The model-independent extraction of nuclear ground-state properties from optical spectra de-
livers important physics results to test the predictive power of nuclear models. A study of the
isotope shift allows the extraction of the change in the mean square nuclear charge radius as
a measure for nuclear size. Odd-proton or odd-neutron number isotopes have a non-vanishing
total nuclear angular momentum (spin) and therefore exhibit a hyperfine structure in the elec-
tronic transition. The detailed analysis of this property yields the nuclear spin I, the nuclear
dipole moment , and in special cases also the electric quadrupole moment Q. Collinear laser
spectroscopy combines this experimental method with the spectroscopy on fast ion or atom
beams, which is ideally suited for the study of short-lived isotopes and can be readily adapted
to specific experimental needs.
In this work the construction and the commissioning of a new collinear laser spectroscopy
setup at the TRIGA research reactor at the University of Mainz is presented together with the
experimental investigation of magnesium isotopes with this experimental method at the COL-
LAPS beamline at ISOLDE (CERN). In the neutron-rich regime of the magnesium isotopes the
limits of the so-called ”island of inversion” are situated, which marks a region with a significant
amountofintruderconfigurationsmixingtothenucleargroundstatesandleadingtounexpected
spins and moments on which the charge radii should shed more light on.
TRIGA-LASER is one of two main branches of the TRIGA-SPEC experiment. The goal of
the laser branch is to study the evolution of the nuclear shape aroundN ≈60 for elements with
Z >42. The neutron-rich isotopes will be produced by neutron-induced fission near the reactor
core and transported to an ion source by a gas-jet system. The collinear laser spectroscopy
beamline will be presented in detail and specified by extensive test measurements. A detection
efficiency of 1 photon / 356 atoms is reached and the hyperfine structure and the isotope shift
of the two stable rubidium isotopes could be determined with an uncertainty of 7MHz and are
in excellent agreement with literature values.
Besides the nuclear physics investigations the TRIGA-LASER setup serves as a development
platform for thefuture LASPECexperimentatthe FAIRfacilityandfor otherexperiments, e.g.
COLLAPS at ISOLDE (CERN) or BECOLA at NSCL (MSU).
The versatility of the collinear laser spectroscopy technique is exploited in the second part
of this thesis to gain information on the ground-state properties of Mg isotopes. The nuclear
21spin and the magnetic moment of the neutron-deficient isotope Mg were measured applying
optical pumping and β-NMR. The results are in good agreement with shell-model calculations.
24−32In the region of the neutron-rich isotopes the isotope shifts of the isotopes Mg were deter-
mined. Therefore, several different detection methods had to be combined. Besides the classical
fluorescence spectroscopy the photon-ion coincidence technique was applied. Furthermore, the
β-asymmetry detection was for the first time used for the measurement of the isotope shift at
low production rates. This requires a good understanding of the observed line profiles for theβ
detection to extract the centers of gravity of the hyperfine structures correctly. This allowed for
31the measurement of the isotope shift of Mg with sufficient precision, which has a production
5 −1rateofonly1.5×10 s . Theradiigiveaninsightintheevolutionofnucleardeformationatthe
transition to the ”island of inversion” and will be discussed with respect to nuclear deformation
and to nuclear model predictions.iii
Zusammenfassung
Die kollineare Laserspektroskopie ist seit u¨ber 30 Jahren ein wichtiges Instrument fu¨r die Unter-
suchung der Grundzustandseigenschaften kurzlebiger Atomkerne. Die Extraktion dieser Eigen-
schaften aus optischen Spektren ist kernmodellunabha¨ngig und die so gewonnenen Daten be-
sitzen ein besonders großes Gewicht beim Test der Vorhersagekraft von Kernmodellen. Die
¨Messung der Isotopieverschiebung erlaubt es, die Anderung des mittleren quadratischen Kern-
ladungsradius als Maß fu¨r die Kerngro¨ße zu extrahieren. Die Analyse der Hyperfeinstruktur
von Atomen ermo¨glicht die Bestimmung des Kernspins sowie des magnetischen Dipolmoments
und des elektrischen Quadrupolmoments. Die kollineare Laserspektroskopie kombiniert diese
Untersuchungsmethoden mit der fu¨r kurzlebige Isotope sehr gu¨nstigen und vielf¨altig variier-
baren Technik der Spektroskopie am schnellen Ionen- bzw. Atomstrahl.
In dieser Arbeit werden der Aufbau und erste Testmessungen einer neuen Apparatur fu¨r die
kollineare Laserspektroskopie am TRIGA Forschungsreaktor der Universit¨at Mainz vorgestellt
und experimentelle Untersuchungen an Magnesiumisotopen mit dieser Methode an der Strahl-
strecke COLLAPS an ISOLDE (CERN) pr¨asentiert. Im neutronenreichen Bereich der Magne-
siumisotope liegen die Grenzen der ”Island of Inversion”, welche durch das Vorhandensein von
sogenannten ”intruder”-Zusta¨nden im Grundzustand der zugh¨origen Isotope ausgezeichnet ist.
Diese Grundzusta¨nde fu¨hren zu unerwarteten Spins und Momenten, u¨ber die die Ladungsradien
weiter Aufschluss geben sollen.
TRIGA-LASER ist einer von zwei Zweigen des TRIGA-SPEC Experiments. Ein Ziel des
LaserzweigsistdieUntersuchungderKerndeformationbeiN ≈60fu¨rElementemitZ >42. Die
neutronenreichenIsotopesollendabeidurchneutroneninduzierteSpaltungnaheamReaktorkern
produziert und durch ein Gas-Jet Transportsystem zu einer Ionenquelle transportiert werden.
Der Aufbau der kollinearen Strahlstrecke wird hier im Detail vorgestellt und durch ausfu¨hrliche
Testmessungen mit stabilen Rubidiumisotopen spezifiziert. Dabei wird eine Nachweiseffizienz
der Fluoreszenzphotonen von 1 Photon/356 Atome erreicht. Die Hyperfeinstruktur und die
Isotopieverschiebung der beiden stabilen Rubidiumisotope konnte mit einer Genauigkeit von
¨7MHz bestimmt werden und ist in ausgezeichneter Ubereinstimmung mit Literaturdaten.
Neben den kernphysikalischen Untersuchungen bei neutronenreichen Kernen, stellt TRIGA-
LASERaucheineEntwicklungsplattformfu¨rdaszuku¨nftigeLASPECExperimentbeiFAIRund
andere Experimente, z.B. COLLAPS bei ISOLDE (CERN) oder BECOLA am NSCL (MSU)
dar.
Die ausgesprochene Vielseitigkeit der kollinearen Laserspektroskopie wird im zweiten Teil
dieser Arbeit ausgenutzt, um Informationen u¨ber die Grundzustandseigenschaften von Mg Iso-
topen zu erhalten. Einerseits wurde der Kernspin und das magnetische Moment des neutronen-
21armen Isotops Mg nach optischem Pumpen mittels β-NMR bestimmt. Die Ergebnisse sind
¨in guter Ubereinstimmung mit Schalenmodellrechnungen. Im Bereich der neutronenreichen Iso-
24−32topewurdendieIsotopieverschiebungenderIsotope Mgbestimmt. Dabeimusstenmehrere
Nachweismethoden eingesetzt werden: Neben der klassischen Fluoreszenzspektroskopie kam die
Photon-Ion Koinzidenz-Methode zum Einsatz. Daru¨ber hinaus wurde erstmals der Nachweis
der β-Asymmetrie nach optischem Pumpen fu¨r die Messung von Isotopieverschiebungen einge-
setzt. DiessetzteingutesVerst¨andnisderbeobachtetenLinienprofilebeimAsymmetrienachweis
voraus, um die Schwerpunkte der Hyperfeinstruktur korrekt zu extrahieren. Damit konnte die
31 5 −1Isotopieverschiebung noch fu¨r das Isotop Mg mit einer Produktionsrate von 1.5×10 s aus-
reichend genau bestimmt werden. Die gewonnenen Kernladungsradien geben Einblick in die
¨Entwicklung der Kerndeformation beim Ubergang in die ”Island of Inversion” und werden im
Hinblick auf die Vorhersagen bestehender Kernmodelle diskutiert.Contents
1. Introduction 1
2. Theory 3
2.1. Atomic Physics and Laser Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.1. Hyperfine Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.2. Isotope Shift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.3. Atoms in External Magnetic Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.4. Rate Equations and the Interaction of Atoms with Laser Light . . . . . . 8
2.1.5. Optical Pumping with Lasers and Atomic Polarization . . . . . . . . . . . 10
2.2. Nuclear Physics - Nuclear Ground State Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.1. The Nuclear Shell Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.2. The Nuclear Charge Radius . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.3. Nuclear Moments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3. Experimental Techniques 17
3.1. Production of Radioactive Isotopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.1.1. Ion Beam Production at ISOLDE. . . . . . . . . . . .