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Isotope shift measurements in Ti+ transitions using laser-ablated and thermalized ions

Ratajczyk, Tim (2022):
Isotope shift measurements in Ti+ transitions using laser-ablated and thermalized ions. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00020307,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Isotope shift measurements in Ti+ transitions using laser-ablated and thermalized ions
Language: English
Abstract:

Collinear laser spectroscopy has been used for many years to investigate atomic and nuclear properties with high precision all over the nuclear chart. It will be increasingly used at in-flight facilities like FRIB and FAIR to study short-lived isotopes of refractory metals and transition metals that have not been investigated so far due to the limited availability at ISOL facilities. In this work a versatile and compact ion source has been developed that is able to produce ions from a wide range of elements and in particular from the transition metals. It will serve for preparatory work on such ion beams and as a source for reference measurements of stable isotopes during on-line campaigns. Ions are produced by laser ablation inside a buffer gas cell and then extracted through a compact RF-only funnel and an RF+DC buncher into high-vacuum conditions. The new ion source was tested and benchmarked at the Collinear Apparatus for Laser Spectroscopy and Applied Science (COALA) at TU Darmstadt. Its functionality has been demonstrated for calcium, titanium, iron, and copper ions, for which beams with sufficient intensity are produced. Typical average ion currents between 3 and 20 pA at the optical detection region were established at 100 Hz ablation rate. However, unexpectedly large amounts of material ejection onto the funnel electrodes limited the operation time for some materials (Ca, Fe) to a few hours, while for others (Cu, Ti) the source operated for several days. Laser spectroscopy in the D1 transition of Ca+ ions was used to benchmark the ion source and, a linewidth of about 60 MHz with an insignificant drift of the center frequency within the ion bunch duration was demonstrated, competitive with surface ion sources and outperforming other laser ablation sources. As a first application of the ion source, collinear laser spectroscopy was performed on three J → J + 1 transitions of the 3d2(3F)4s 4F_J → 3d2(3F)4p 4G_J′ fine-structure multiplett in Ti+ ions for all five stable isotopes. Isotope shifts were extracted with precision between 1 and 2 MHz. Those are required to model lineshapes in astronomical investigations of absorption lines in quasar spectra to search for variations of the fine-structure constant in early times of our universe. Measurements of the hyperfine structure of the stable odd-isotopes proved that the J = 3/2 → J′ = 5/2 transition is the best choice for on-line collinear laser spectroscopy measurements planned at FRIB, since all hyperfine lines are separated. Finally, the mass-shift factor and the field shift factor were extracted, which are crucial for the extraction of nuclear charge radii from online measurements of short lived nuclei.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die kollineare Laserspektroskopie wird seit Jahrzehnten eingesetzt, um atomare Spektren zu untersuchen und Kerneigenschaften insbesondere kurzlebiger Isotope zu bestimmen. Zukünftig wird die Methode verstärkt an den Anlagen zur sogenannten “in-flight Fragmentation” wie FRIB und FAIR angewendet werden. Diese erlauben das Studium der Isotope vieler Übergangsmetalle, die an konventionellen (ISOL) Anlagen kaum zur Verfügung stehen. In dieser Arbeit wurde eine vielseitige und kompakte neue Ionenquelle entwickelt, die in der Lage ist, solche Ionen für die kollineare Laserspektroskopie in guter Strahlqualität zur Verfügung zu stellen. Sie soll für vorbereitende Untersuchungen aber auch für die Spektroskopie der Referenzisotope während der Strahlzeiten zur Verfügung stehen. Die Ionen werden mittels Laserablation in einer Gaszelle erzeugt, durch einen Radiofrequenz (RF)-Funnel sowie einen (RF+DC) buncher in ein Hochvakuum extrahiert. Die Ionenquelle wurde an der kollinearen Apparatur für Laserspektroskopie und angewandte Physik (KOALA) an der TU Darmstadt getestet und spezifiziert. Ihre Funktionalität wurde durch die Erzeugung von Ionenstrahlen der Elemente Kalzium, Titan, Eisen und Kupfer mit ausreichender Intensität für die kollineare Laserspektroskopie demonstriert. Typische mittlere Ströme von 3-20 pA an der optsichen Nachweisstrecke wurden bei einer Ablationsrate von 100 Hz erzeugt. Allerdings begrenzten unerwartet starke Materialablagerungen an den Funnel-Elektroden die Einsatzdauer für einige Materialien (Ca, Fe) auf wenige Stunden, während die Quelle mit anderen Elementen (Cu, Ti) über mehrere Tage betrieben werden konnte. Die Spezifikation der Ionenquelle erfolgte mittels Laserspektroskopie auf dem D1 Übergang in Ca+ Ionen, wobei eine Linienbreite von etwa 60 MHz (FWHM) und eine vernachlässigbare Drift der Zentralfrequenz über den Verlauf des Ionenpulses beobachtet wurde. Dies ist vergleichbar mit Linienbreiten aus Oberflächenionenquellen und eine deutliche Verbesserung gegenüber anderen Ablationsquellen, die bislang zur kollinearen Spektroskopie eingesetzt wurden. Als erste Anwendung wurde die neue Ionenquelle zur kollinearen Laserspektroskopie von drei J → J + 1 Übergängen des 3d2(3F)4s 4F_J → 3d2(3F)4p 4G_J′ Feintrukturmultipletts in Ti+ Ionen eingesetzt und alle fünf stabilen Isotope gemessen. Die Isotopieverschiebungen wurden erstmals und mit einer Unsicherheit zwischen 1 und 2 MHz bestimmt. Die erhaltenen Informationen können zur Modellierung der Linienformen in astronomischen Beobachtungen eingesetzt werden, bei denen man in den Absorptionsspektren der Quasare nach Veränderungen der Feinstrukturkonstante während des frühenUniversums sucht. Weiterhin konnte durch die Messung der Hyperfeinstruktur der beiden ungeraden stabilen Titanisotope, der J = 3/2 → J = 5/2 Übergang als beste Wahl für die geplanten Messungen mit kollinearer Laserspektroskopie an FRIB bestimmt werden, da hier alle Hyperfeinlinien aufgelöst werden. Schlussendlich konnten aus den gemessenen Isotopieverschiebungen noch die atomaren Faktoren des Masseneffektes und des Volumeneffektes bestimmt werden, die entscheidend für die Bestimmung der Ladungsradien kurzlebiger Isotope sind.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 120, xx Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Experimentelle Kernphysik
Date Deposited: 21 Jan 2022 07:53
Last Modified: 21 Jan 2022 07:54
DOI: 10.26083/tuprints-00020307
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-203072
Referees: Nörtershäuser, Prof. Dr. Wilfried ; Enders, Prof. Dr. Joachim
Date of oral examination: 20 October 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/20307
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