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Advancements in MR-ToF Technology and Implementation of Doppler and Sympathetic Cooling for the Study of Radioactive Ions

  • Ion traps such as Paul traps and MR-ToF (multi-reflection time-of-flight) devices are indispensable tools at radioactive ion beam facilities for the preparation of high-quality radioactive ion beams for subsequent experiments or for precise measurements of the properties of radioactive ions, such as nuclear binding energies or nuclear charge radii. Within the work of this thesis, Doppler- and sympathetic cooling is implemented in a linear Paul-trap cooler-buncher enabling a reduction of the longitudinal emittance of radioactive ion beams resulting in a significant improvement of the ion beam quality. Moreover, a next-generation MR-ToF device is conceptualized in order to achieve isobaric pure beams with a higher ion intensity than state-of-the-art MR-ToF devices can provide. Once fully constructed and commissioned, it will operate at an unprecedented ion beam energy of 30 keV. Both of these advances are expected to become important for a wide range of experimental programs pursued at low-energy branches of RIB facilities ranging from fundamental symmetry studies, nuclear structure, rare isotope studies with antimatter, searches of physics beyond the standard model to material science and the production of medical isotopes. The next-generation MR-ToF mass separator is based on MIRACLS’ 30-keV MR-ToF device for highly sensitive and high-resolution collinear laser spectroscopy. By storing the ions in the Multi Ion Reflection Apparatus for Collinear Laser Spectroscopy (MIRACLS), the same ion bunch is probed by a spectroscopic laser for thousands of times compared to a single passage in traditional collinear laser spectroscopy (CLS). Dedicated simulation studies show that the accuracy and resolution will be close to traditional single-passage CLS while the sensitivity is significantly enhanced. Hence, measurements of nuclear properties via fluorescence-based CLS of very rare radionuclides as well as highly sensitive and high-precision measurements of electron affinities via laser-photodetachment-threshold spectroscopy of negatively-charged (radioactive) ions will become possible. First measurement campaigns employing MIRACLS’ 1.5-keV MR-ToF device confirm the outstanding boost in signal sensitivity and provide confidence in the application of the MIRACLS technique for the measurement of scarcely produced radioactive ions that have been so far beyond the reach of conventional techniques. Furthermore, the electron affinity of 35Cl was measured, which is in perfect agreement with the literature value. These measurements will serve as important benchmarks for modern atomic and nuclear theory, especially in its description of nuclear charge radii. In summary, the implementation of Doppler and sympathetic cooling at RIB facilities, the conceptualization of a 30-keV MR-ToF apparatus for highly selective and high-flux mass separation as well as for highly sensitive and high-resolution fluorescence-based laser spectroscopy and the expansion of the MIRACLS technique for the study of negatively-charged ions will enable unprecedented new measurement opportunities at RIB facilities.
  • Ionenfallen wie Paulfallen und MR-ToF (Multi-Reflection Time-of-Flight) Instrumente sind unverzichtbare Geräte um kurzlebige, radioaktive Ionen zu untersuchen. Im Rahmen dieser Arbeit wird Doppler und sympathetisches Kühlen in einer linearen Paulfalle implementiert, um die longitudinale Emittanz des radioaktiven Ionenstrahls und somit die Strahlqualität maßgeblich zu verbessern. Darüber hinaus wird ein MR-ToF Instrument der nächsten Generation konzipiert, um isobar reine Ionenstrahlen mit einer hohen Ionenintensität für nachfolgende Experimente zur Verfügung zu stellen. Sobald das Gerät vollständig aufgebaut und in Betrieb genommen ist, wird es mit einer beispiellosen Ionenstrahlenergie von 30 keV betrieben. Diese beiden Weiterentwicklungen werden fuer ein breites Spektrum experimenteller Programme an radioaktiven Ionenstrahleinrichtungen wichtig werden, wie z.B. zur Untersuchung von fundamentalen Symmetrien und der Kernstruktur, Forschungen zur Physik jenseits des Standardmodels, Studien von radioaktiven Nukliden mit Antimaterie, Materialwissenschaften oder der Produktion von medizinischen Isotopen. Dieser neuartige 30-keV MR-ToF Massenseparator basiert auf MIRACLS‘ 30-keV MR-ToF Instrument für hochsensitive und hochauflösende Laserspektroskopie. Durch die Speicherung der Ionen im Multi Ion Reflection Apparatus for Collinear Laser Spectroscopy (MIRACLS) wird derselbe Ionenstrahl tausende Male von einem spektroskopischen Laser untersucht, verglichen mit einem einzigen Durchgang bei der herkömmlichen kollinearen Laserspektroskopie (CLS). Simulationsstudien zeigen, dass die Genauigkeit und Auflösung nahe an der herkömmlichen CLS liegen, während die Sensitivität deutlich verbessert wird. Dadurch werden Messungen von Kerneigenschaften mittels fluoreszenzbasierter CLS von Radionukliden sowie hochsensitive und hochpräzise Messungen von Elektronenaffinitäten mittels Laser-Photodetachment-Thresholdspektroskopie von negativ geladenen (radioaktiven) Ionen ermöglicht. Erste Messkampagnen mit MIRACLS‘ 1,5-keV-MR-ToF Gerät bestätigen die herausragende Steigerung der experimentellen Sensitivität und geben Vertrauen in die Anwendung der MIRACLS-Technik zur Messung von radioaktiven Ionen, die nur in sehr geringen Mengen produziert werden können und somit bisher außerhalb der Reichweite herkömmlicher Techniken liegen. Ausserdem konnte die Elektronenaffinität von 35Cl gemessen werden, die in perfekter Übereinstimmung mit dem Literaturwert ist. Diese Messungen werden als wichtige Maßstäbe für die moderne Atom- und Kerntheorie dienen, insbesondere für die Beschreibung der Kernladungsradien. Die Implementierung von Doppler- und sympathischer Kühlung von radioaktiven Ionen, die Konzeptualisierung eines 30-keV-MR-ToF Geräts für die hochselektive Massentrennung mit hoher Ionenintensität sowie für hochsensitive und hochauflösende fluoreszenzbasierte Laserspektroskopie und die Erweiterung der MIRACLS-Technik zur Untersuchung negativ geladener Ionen werden beispiellose neue Messmöglichkeiten an radioaktiven Ionenstrahleinrichtungen ermöglichen.

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Metadaten
Author: Franziska Maria MaierORCiD
URN:urn:nbn:de:gbv:9-opus-87532
Title Additional (German):Weiterentwicklung der MR-ToF Technologie und Implementierung von Doppler und Sympathetischem Kühlen zur Untersuchung von radioaktiven Ionen
Referee:Prof. Dr. Lutz SchweikhardORCiD, Prof. Dr. Maxime Brodeur
Advisor:Prof. Dr. Maxime Brodeur
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2023
Date of first Publication:2023/08/30
Granting Institution:Universität Greifswald, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2023/07/21
Release Date:2023/08/30
Tag:Doppler cooling; MR-ToF device; ion traps; laser spectroscopy; mass separation; photodetachment spectroscopy; radioactive nuclei; space charge
GND Keyword:MR-ToF device, space charge, mass separation, radioactive nuclei, Doppler cooling, laser spectroscopy
Page Number:127
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 530 Physik