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Laser spectroscopy of nickel isotopes with a new data acquisition system at ISOLDE

Kaufmann, Simon (2019):
Laser spectroscopy of nickel isotopes with a new data acquisition system at ISOLDE.
Darmstadt, Technische Universität, [Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Laser spectroscopy of nickel isotopes with a new data acquisition system at ISOLDE
Language: English
Abstract:

Collinear laser spectroscopy is a versatile technique to study properties of nuclear ground states by the signature of nuclear structure encoded in the optical spectrum. Its sensitivity has been recently improved by the combination with bunched and cooled beams delivered from gas filled radio frequency quadrupole ion traps. In this work a new data acqusition system called TILDA (Triga Laser Data Acquisition) was developed at the TRIGA research reactor in Mainz and transferred to the COLLAPS experiment at ISOLDE/CERN where it was applied for the first time for laser spectroscopy of Ni isotopes. TILDA is based on an field programmable gate array and allows to resolve the time structure of the resonance signal while the bunch traverses the optical detection region with a time resolution of 10 ns. This allows for a detailed analysis of the bunch structure during the measurement but also in the off-line analysis. With the new data acquisition system, the proton magic nickel (Z=28) chain was investigated and the isotopes 58-68,70-Ni were measured at the COLLAPS experiment in the [Ar]3d9[2D5/2]4s 3D3 -> [Ar]3d9[2D5/2]4p 3P2 transition of neutral nickel. The change in the mean-square charge radius drc2 was extracted relative to the reference isotope 60-Ni. An increase in the differential change in drc2 across the neutron sub-shell gap at N=40 is observed. Results are compared with nuclear density functional theory calculations and show surprisingly less agreement than in other elements across shell closures in Ca, Cd, Sn or Pb. The isotope 68-Ni is of special interest. It is now the first short-lived isotope in which the root-mean-square charge radius rc and the dipole polarizability are known and this provides a benchmark to investigate the predictive power of several interactions based on chiral effective field theory embodied in coupled-cluster calculations. This is shown in this work in comparison to a similar test case in the doubly magic 48-Ca. In both cases, theory matched the experimental findings when 3-particle-3-hole excitations in the ground state were included in the coupled-cluster calculations. The determined hyperfine structure constants agree with the literature and are up to two orders of magnitude more precise than the previous values. The extracted moments indicate a strongly mixed wave-function especially at the I=3/2 states but a single-particle like behavior in the I=1/2 isotopes especially for 67-Ni right at the sub-shell closure.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Kollineare Laserspektroskopie ist eine vielseitige Technik zur Untersuchung von Kern Grundzustandseigenschaften anhand der Signaturen die durch die Kernstruktur im optischen Spektrum, hervorgerufen wird. Die Empfindlichkeit/Leistungsfähigkeit dieser Technik konnte zuletzt durch die Verwendung von gepulsten gekühlten Ionenstrahlen mittels Gas gefüllter linearen Radiofrequenz-Quadrupol-Ionenfallen, die dem Akkumulieren und Kühlen der Ionen dienen, signifikant gesteigert werden. In dieser Arbeit wurde ein neues Datenaufnahmesystem mit dem Namen TILDA (Triga Laser Data Acquisition) am TRIGA Forschungsreaktor in Mainz entwickelt. Dieses wurde dann an das COLLAPS Experiment, welches sich an ISOLDE/CERN befindet, übertragen und kam dort im Rahmen der Laserspektroskopie an Nickel zu seinem ersten Einsatz. TILDA basiert auf rekonfigurierbarer Hardware (FPGA) und erlaubt eine zeitliche Auflösung der Fluoreszenzsignale von bis zu 10 ns. Dies ermöglicht eine detaillierte Analyse der zeitlichen Struktur der Ionenpulse, die sowohl bei der experimentellen Optimierung als auch bei der späteren Analyse extrem hilfreich ist. Mit dem neuen Datenaufnahmesystem wurden die Nickelisotope (Z=28) 58-68,70-Ni an ISOLDE untersucht. Die Spektroskopie erfolgte im [Ar]3d9[2D5/2]4s 3D3 -> [Ar]3d9[2D5/2]4p 3P2 Übergang neutraler Nickelatome. Die Änderung des mittleren quadratischen Ladunsgradius drc2 relativ zum Referenzisotop 60-Ni wurde aus der Isotopieverschiebung extrahiert. Der Trend der Ladungsradien zeigt einen leichten Knick bei 68-Ni (N=40), welches ein Indiz für einen Unterschalenabschluss darstellt. Die Ergebnisse wurden mit Berechnungen der Kern-Dichtefunktionaltheorie (nDFT) verglichen. Diese waren in der Beschreibung der Ladungsradien von Ca, Cd, Ni und Pb überaus erfolgreich, können die Daten der Nickelisotope aber nicht in vergleichbarer Güte wiedergeben. Die Ergebnisse für das Isotop 68-Ni sind von besonderen Interesse: es ist das erste kurzlebige Isotop, für das nun sowohl der Kern-Ladungsradius rc, als auch die Dipol-Polarisierbarkeit gemessen wurde. Damit stellt es einen hervorragenden Test für die Vorhersagekraft verschiedener Wechselwirkungen der chiralen effektiven Feldtheorie (chEFT) im Rahmen von Coupled-Cluster Berechnungen dar. In dieser Arbeit wird dieser Vergleich parallel zu dem sehr ähnlichen Fall des doppelt magischen 48-Ca präsentiert. Es zeigt sich in beiden Fällen, dass eine Berücksichtigung von 3-Teilchen-3-Loch Anregungen die Berechnungen deutlich beeinflussen und zu einer besseren Übereinstimmung mit den experimentellen Werten führen. Die ermittelten Hyperfeinstrukturkonstanten stimmen sehr gut mit den Literaturwerten überein und sind bis zu zwei Größenordnungen genauer. Die extrahierten Momente weisen auf stark gemischte Wellenfunktionen für die I=3/2 Zustände hin und deutlich reinere ein-Teilchen-dominierte Wellenfunktionen für die I=1/2 Zustände insbesondere für 67-Ni.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Experimentelle Kernphysik > Atom- und Kernphysik radioaktiver Nuklide
Date Deposited: 15 Nov 2019 15:41
Last Modified: 15 Nov 2019 15:41
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-92866
Referees: Nörtershäuser, Prof. Dr. Wilfried and Aumann, Prof. Dr. Thomas
Refereed: 4 November 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/9286
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