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Development of an Electrostatic Ion Beam Trap for Laser Spectroscopy of Short-lived Radionuclides

  • Due to its high accuracy and resolution, collinear laser spectroscopy (CLS) is a powerful tool to measure nuclear ground state properties such as nuclear spins, electromagnetic moments and mean-square charge radii of short-lived radionuclides. Performing CLS with fast beams (>30 keV) provides an excellent spectral resolution approaching the natural linewidth. However, its fluorescence-light detection limits its successful application to nuclides with yields of more than several 100 to 10,000 ions/s, depending on the specific case and spectroscopic transition. To extend its reach to the most exotic nuclides with very low production yields far away from stability, more sensitive methods are needed. For this reason, the novel Multi Ion Reflection Apparatus for CLS (MIRACLS) is currently under development at ISOLDE/CERN. This setup aims to combine the high resolution of conventional fluorescence based CLS with a high experimental sensitivity, enhanced by a factor of 30 to 700 depending on the mass and lifetime of the studied nuclide. By repetitively reflecting the ion beam between the electrostatic mirrors of an electrostatic ion beam trap, often also called Multi-Reflection Time of Flight (MR-ToF) device, the laser beam probes the ion bunch during each revolution. Therefore, the observation time is extended and the experimental sensitivity is enhanced compared to conventional single-passage CLS. As part of this thesis, a MIRACLS proof-of-principle apparatus has been constructed around an MR-ToF system, operating at ~1.5 keV beam energy, which has been upgraded for the purpose of CLS. The goal of this setup is to demonstrate the potential of the MIRACLS concept, to benchmark simulations that are employed to design a future device operating at 30 keV, and to further develop the technique. For this purpose, CLS measurements with ions of stable magnesium and calcium isotopes are performed. This data serves to characterise the performance of the new method, especially in terms of gain in sensitivity and measurement accuracy.
  • Kollineare Laserspektroskopie (CLS) ist aufgrund ihrer hohen Genauigkeit und Auflösung eine leistungsstarke Methode zur Vermessung von Eigenschaften kurzlebiger Radionukliden wie Kernspin, elektromagnetische Momente oder Ladungsradius. Die Durchführung von CLS mit beschleunigten Ionenstrahlen (> 30 keV) bietet eine hervorragende spektrale Auflösung, die sich der natürlichen Linienbreite des spektroskopischen Übergangs annähert. Der optische Nachweis von Fluoreszenz beschränkt die erfolgreiche Anwendung von CLS jedoch auf Radionuklide mit Produktionsraten von mehr als 100 bis 10.000 Ionen pro Sekunde, abhängig vom speziellen Fall und dem benutzten spektroskopischen Übergang. Um die CLS Reichweite auf die “exotischsten” Nuklide mit sehr geringen Produktionsausbeuten auszudehnen, sind empfindlichere Methoden erforderlich. Aus diesem Grund wird derzeit das neuartige Multi-Ionen-Reflexionsgerät für CLS (MIRACLS) am europäischen Kernforschungszentrum CERN entwickelt. Dieser Aufbau zielt darauf ab, die hohe Auflösung herkömmlicher fluoreszenzbasierter CLS mit einer hohen experimentellen Empfindlichkeit zu kombinieren, die je nach Masse und Lebensdauer des untersuchten Nuklids um den Faktor 30 bis 700 erhöht wird. Durch wiederholtes Reflektieren des Ionenstrahls zwischen den elektrostatischen Spiegeln einer elektrostatischen Ionenstrahlfalle, die oft auch als MR-ToF-Vorrichtung (Multi-Reflection Time of Flight) bezeichnet wird, prüft der Laserstrahl das eingefangene Ionenbündel während jedem Umlauf im MR-ToF Gerät. Daher wird die Beobachtungszeit verlängert und die experimentelle Empfindlichkeit im Vergleich zu herkömmlichem CLS mit einer einzelnen Passage erhöht. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein MIRACLS Pilotexperiment um ein MR-ToF-System herum aufgebaut, welches mit Ionen mit einer Strahlenregie von ≈1,5 keV operierte und das für CLS-Zwecke erweitert wurde. Ziel dieses Aufbaus was es, das Potenzial des MIRACLS-Konzepts zu demonstrieren, Simulationen zu bewerten, die zum Entwurf eines zukünftigen 30-keV Geräts verwendet werden, und die MIRACLS Technik generell weiterzuentwickeln. Zu diesem Zweck wurden CLS-Messungen mit Ionen stabiler Magnesium- und Calciumisotope durchgeführt. Diese Daten dienten dazu, die Leistung der neuen Methode zu charakterisieren, insbesondere im Hinblick auf die Erhöhung der Empfindlichkeit und der Messgenauigkeit.

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Metadaten
Author: Varvara Lagaki
URN:urn:nbn:de:gbv:9-opus-46260
Title Additional (German):Entwicklung einer elektrostatischen Ionenstrahlfalle für die Laserspektroskopie kurzlebiger Radionuklide
Referee:Prof. Dr. Lutz Schweikhard, Prof. Dr. Gerald Gwinner
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2021
Date of first Publication:2021/06/08
Granting Institution:Universität Greifswald, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2021/04/28
Release Date:2021/06/08
Tag:MR-ToF device; laser spectroscopy
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 530 Physik