Laser spectroscopy of fermium isotopes and development of an actinide ion mobility spectrometer

Abstract

Research on heavy and superheavy elements deepens the understanding of the limits of nuclear existence and gives an insight of the underlying structure of atoms. Atoms beyond fermium ($Z$=100) owe their existence to nuclear shell effects. However, the access to heavy actinides and transactinides is challenging due to low production yields and short half-lifes. To investigate both the electronic and nuclear structure of an element, laser Resonance Ionization Spectroscopy (RIS) provides a model-independent technique. This work covers the spectroscopic isotope shift measurement of an atomic transition of the fermium isotopes $^{248,249,250}$Fm. Moreover, isotope shift values obtained from broad band spectroscopy on off-line available $^{255,257}$Fm are included. From the isotope shifts, the mean-square charge radii (mscr) are extracted on both sides of the deformed neutron shell gap $N$=152. The experimental data are compared with different nuclear models. To investigate the electronic structure of actinides, ion mobility spectrometry (IMS) can provide an alternative approach. Previous IMS measurements on lanthanide ions revealed the dependence of ion-atom interactions on the underlying electronic configuration. For an extension of IMS to the actinides, an actinide ion mobility spectrometer has been developed. An implemented cryogenic drift cell allows systematic mobility measurements at varying temperatures and pressures.

Die Forschung an schweren und superschweren Elementen vertieft das Verständnis der Grenzen der nuklearen Existenz und gibt Einblicke in die zugrunde liegende Struktur der Atome. Atome jenseits von Fermium ($Z$=100) verdanken ihre Existenz Kernschaleneffekten. Der Zugang zu schweren Aktiniden und Transaktiniden ist jedoch aufgrund der geringen Produktionsausbeute und der kurzen Halbwertszeiten schwierig. Zur Untersuchung sowohl der elektronischen als auch der nuklearen Struktur eines Elements stellt die Laser-Resonanz-Ionisations-Spektroskopie (RIS) eine modellunabhängige Technik dar. Diese Arbeit umfasst die spektroskopische Messung der Isotopieverschiebung eines atomaren Übergangs der Fermiumisotope $^{248,249,250}$Fm. Darüber hinaus werden Werte der Isotopieverschiebung aus der Breitband-Spektroskopie an off-line verfügbaren $^{255,257}$Fm-Isotopen mit einbezogen. Aus der Isotopieverschiebungen können die mittleren quadratischen Ladungsradien (mscr) auf beiden Seiten der deformierten Neutronenschalenlücke $N$=152 extrahiert werden. Die experimentellen Daten werden mit verschiedenen Kernmodellen verglichen. Um die elektronische Struktur von Aktiniden zu untersuchen, kann die Ionenmobilitätsspektrometrie (IMS) einen alternativen Ansatz bieten. Frühere IMS-Messungen an Lanthaniden-Ionen konnten die Abhängigkeit von Ionen-Atom-Wechselwirkungen in Bezug auf zugrunde liegende elektronische Konfigurationen offenlegen. Für eine Erweiterung der IMS zu den Aktiniden wurde ein Mobilitätsspektrometer für Aktiniden-Ionen entwickelt. Eine eingebaute kryogene Driftzelle ermöglicht systematische Mobilitätsmessungen bei unterschiedlichen Temperaturen und Drücken.