Advances in laser spectroscopy of superheavy elements: Resonance ionization spectroscopy on 253,254,255Es and a new gas-jet based high-resolution spectroscopy setup

Abstract

The first part aims towards the construction and development of a new gas-jet apparatus for high-resolution laser spectroscopy of heavy and superheavy elements. Here, laser spectroscopy is performed in a well-collimated, supersonic gas-jet created by a nozzle emerging from a high-pressure buffer gas stopping cell. From design and simulation studies, a first layout was assembled and off-line and on-line studies performed on natYb and 154-156Yb, leading to major design changes. After the implementation of these changes further measurements on natYb and 174Yb were performed, resulting in a spectral resolution of ≤ 400 MHz. The second part is dedicated to laser spectroscopy performed on the rare isotopes 253,254,255Es. With sample sizes ranging down to femtograms, ten ground-state transitions were investigated in 254Es with the hyperfine structure being resolved in five. The ground-state transition at 351.5 nm was measured additionally in 253,255Es, giving access to the isotope shifts for 253-255Es. Out of the hyperfine-structure analysis the hyperfine structure constants A and B were deduced for all three isotopes. From these constants the magnetic dipole moments and the spectroscopic electric quadrupole moments were derived. Additionally, the so far tentatively assigned nuclear spins were experimentally determined to I(254Es) = 7 and I(255Es) = 7/2.

Der erste Teil dieser Arbeit handelt vom Aufbau und der Entwicklung eines neuen Gas-Jet basierten Aufbaus für hochauflösende Laserspektroskopie an schweren und superschweren Elementen. Laserspektroskopie wird hierbei in einem stark gebündelten Überschallgeschwindigkeits-Gas-Jet durchgeführt, der von einer Düse erzeugt wird und aus einer Hochdruck-Puffergas-Stoppzelle entsteht. Von Design- und Simulations-Studien wurde ein erster Entwurf der Apparatur aufgebaut und offline und online Studien an natYb und 174Yb durchgeführt. Diese Messungen zeigten, dass bedeutende Design-Änderungen nötig waren. Nach deren Einbau wurden weitere Messungen an natYb und 174Yb durchgeführt, wobei eine spektrale Auflösung von ≤ 400 MHz erzielt werden konnte. Der zweite Teil der Arbeit handelt von Laserspektroskopie an den seltenen Isotopen 253,254,255Es. Mit Probengrößen bis zu Femtogramm-Mengen wurden zehn Grundzustandsübergänge in 254Es untersucht und die Hyperfeinstruktur in fünf von diesen aufgelöst. Der Grundzustandsübergang bei 351.5 nm wurde zusätzlich in den Isotopen 253,255Es gemessen und lieferte Informationen über die Isotopieverschiebungen. Aus der Hyperfeinstrukturanalyse konnten die Hyperfeinstrukturkonstanten A und B für alle drei Isotope bestimmt werden. Aus diesen Konstanten konnten die magnetischen Dipolmomente sowie die spektroskopischen elektrischen Quadrupolmomente experimentell extrahiert werden. Weiterhin konnten die bisher vorläufig zugeordneten Kernspins experimentell als I(254Es) = 7 und I(255Es) = 7/2 bestimmt werden.