Authors:	Heinke, Reinhard Matthias
Title:	In-source high-resolution spectroscopy of holmium radioisotopes - On-line tailored perpendicular laser interaction at ISOLDE's Laser Ion Source and Trap LIST
Online publication date:	23-Oct-2019
Year of first publication:	2019
Language:	english
Abstract:	The combination of resonant laser ionization and electromagnetic mass separation has become an extremely powerful and versatile tool for the study of atomic and nuclear physics properties of exotic species over the last decades. It exploits step-wise resonant excitation and subsequent ionization by laser light precisely tuned to unique, fingerprint-like resonances in the electronic shell as a technique, which is both highly efficient and inherently element-selective. It is applied at the majority of large scale radioactive ion beam facilities world-wide, directly coupled to the production of radioactive species which are presented to laser ionization in a hot atomic vapor cavity. This ion source type is an excellent environment for direct laser spectroscopic investigations on the atomic structure. Fundamental ground state properties of the nucleus can be derived from minute effects arising from interactions with the electronic shell. Most commonly, such hyperfine structure investigations are prevented by the limited spectral resolution due to Doppler broadening in the hot atomic vapor. This thesis comprises the development, characterization and first-time application of a laser ion source specialized for high resolution laser spectroscopy. It is based on the Perpendicularly Illuminated Laser Ion Source and Trap (PI-LIST), which was recently developed in the LARISSA group, and uses a perpendicular geometry between incident laser light and the atomic beam effusing from a hot cavity to overcome Doppler limitations. As this previous setup relies on lateral laser in-coupling through windows at the source vacuum vessel, the upgrade presented here is tailored for installation at radioactive ion beam facilities such as CERN-ISOLDE, where access to the highly radioactive front end area is impossible. With this novel tool, high resolution hyperfine structure studies on long-lived, radioactive holmium isotopes were performed at the RISIKO mass separator at Mainz University. The extremely dense spectra arising from the coupling of both high nuclear spin and total angular momenta of the atomic states demanded high spectral resolution far beyond the capabilities of a standard hot cavity laser ion source. With outstanding experimental line widths as low as 100 MHz FWHM, the first-time extraction of nuclear structure parameters of 166mHo was possible. Its nuclear spin was confirmed as I = 7. Additionally, the results on the magnetic dipole moment, the spectroscopic quadrupole moment and the first determination of the change in mean square charge radii towards the neutron-rich side of the holmium isotopic chain resolve inconsistencies in literature data and confirm the pronounced prolate deformation in this mid-shell region of the nuclear chart. The PI-LIST with internal reflection proved to be completely competitive to the previous mode with external lateral laser incoupling in all operational parameters. On dedicated characterization experiments, ultimate line widths of as low as 60 MHz were achieved, and an overall efficiency of the setup of up to the 10^(-4) regime was confirmed. The PI-LIST is thus proven to be ready for installation at on-line facilities. Die Kombination von resonanter Laserionisation mit elektromagnetischer Massenseparation hat sich über die letzten Jahrzehnte zu einem leistungsfähigen und vielseitigen Werkzeug zum Studium der Atom- und Kernphysik exotischer Spezies entwickelt. Die Methode nutzt schrittweise, resonante Anregung mit abschließender Ionisation durch präzise abgestimmte Laserstrahlung über die spezifischen optischen Übergänge der Atomhülle und stellt damit eine sowohl hocheffiziente als auch inhärent elementselektive Technik dar. Sie wird weltweit an Isotopenfabriken verschiedener Großforschungseinrichtungen eingesetzt, wo direkte Kopplung an die Erzeugung radioaktiver Spezies besteht, die als Atomdampf in einer heißen Kavität zur Ionisation zur Verfügung gestellt werden. Diese Geometrie ist gleichermaßen eine exzellente Umgebung für laserspektroskopische Untersuchungen der Atomstruktur. Fundamentale Grundzustandseigenschaften des Kerns können über ihre Wechselwirkung mit der Elektronenhülle abgeleitet werden. Gewöhnlich verhindert die durch die Dopplerverbreiterung in der heißen Kavität begrenzte spektrale Auflösung jedoch solche Untersuchungen. Die vorliegende Arbeit beinhaltet die Entwicklung, vollständige Charakterisierung sowie erstmalige Anwendung einer Laserionenquelle, die auf hochauflösende Laserspektroskopie spezialisiert ist. Sie basiert auf der ebenfalls in der LARISSA-Arbeitsgruppe entwickelten Perpendicular Illuminated Laser Ion Source and Trap (PI-LIST) und verwendet transversal zum aus der heißen Kavität austretenden Atomstrahl eingestrahltes Laserlicht, um die Doppler-Limitierung zu überwinden. Während dieser vormalige Aufbau auf seitlicher Lasereinkopplung durch Fenster an der Quellenvakuumkammer beruht, ist das hier vorgestellte Upgrade maßgeschneidert für eine Installation an Einrichtungen zur Erzeugung radioaktiver Ionenstrahlen, an denen Zugriff auf den hochradioaktiven Quellenbereich unmöglich ist. Mit diesem neuen Aufbau wurden hochauflösende Hyperfeinstrukturuntersuchungen an langlebigen radioaktiven Holmiumisotopen am RISIKO-Massenseparator der Universtität Mainz durchgeführt. Die extrem dichten Spektren, die in der Kopplung von sowohl hohem Kernspin als auch hohem Gesamtdrehimpuls der zugänglichen atomaren Zustände begründet sind, erfordern spektrale Auflösung weit jenseits der Doppler-verbreiteten Situation in einer Standardionenquelle mit heißer Kavität. Durch herausragende experimentelle Linienbreiten bis unterhalb von 100 MHz gelang die erstmalige Bestimmung von Kernstrukturparametern von 166mHo. Der Kernspin wurde mit $I$ = 7 bestätigt. Weiterhin lösen die Ergebnisse für das magnetische Dipolmoment, das spektroskopische Quadrupolmoment sowie die erstmalige Bestimmung der Änderung des mittleren quadratischen Ladungsradius auf der neutronenreichen Seite der Holmium-Isotopenkette Unstimmigkeiten in den verfügbaren Literaturdaten und bestätigen die stark prolate Kerndeformation in diesem Bereich der Nuklidkarte. Die PI-LIST mit interner Laserreflektion hat sich bezüglich aller operativer Parameter als vollständig ebenbürtig zu dem vormals verwendeten Modus mit externer seitlicher Lasereinstrahlung gezeigt. In dedizierten Experimenten wurden spektrale Linienbreiten von bis zu 60 MHz erreicht, und eine Gesamteffizienz des Aufbaus bis in den Bereich von 10^(-4) wurde bestätigt. Damit steht die PI-LIST einer Installation an on-line-Einrichtungen zur Verfügung. Die Arbeit wird abgerundet durch eine Zusammenstellung verschiedener weiterer Entwicklungen im Bereich der Ionenquellen mit heißer Kavität. Dabei stehen die Optimierung von Effizienz sowie die Ionenstrahlreinheit im Vordergrund.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-2346
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000031296
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	XII, 161 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen