Лабораториякороткоживущихядер ОФВЭ ПИЯФhepd.pnpi.spb.ru/hepd/events/abstract/fedorov.pdf · Mean square charge radii behavior at N=126 and N=104?

ДД..ВВ. . ФедоровФедоров

D. Fedorov PNPI, 15.06.2010

ИсследованиеИсследование изотоповизотопов 191191--218218PoPo ввлазерномлазерном ионномионном источникеисточнике нанаустановкеустановке ISOLDEISOLDE ((ЦЕРНЦЕРН).).

СтатусСтатус новогонового лазерноголазерного комплексакомплексаИРИСИРИС..

Лаборатория короткоживущих ядер, ОФВЭ, ПИЯФ

ПЛАНПЛАН


ЭкспериментЭксперимент IS 456IS 456 попо лазернойлазернойспектроскопииспектроскопии ядерядер полонияполония нана установкеустановкеISOLDEISOLDE ((ЦЕРНЦЕРН). ). РаботыРаботы вв 2007 2007 ии 2009, 2009, предварительныепредварительные результатырезультаты 2010.2010.

НоваяНовая лазернаялазерная установкаустановка комплексакомплексаИРИСИРИС. . ОписаниеОписание, , запускзапуск, , offoff--line line ии onon--lineline тестытесты вв 2009.2009.


2008Collaboration:CERN/ISOLDEIKS Leuven, BelgiumMainz University, GermanyPNPI Gatchina, RussiaIPN Orsay, France

A.N. Andreyev, S. Antalic, A.E. Barzakh, B. Bastin, J. Billowes, J. Büscher, T.E. Cocolios, I. Darby, W. Dexters, D.V. Fedorov, V.N. Fedosseev, K. Flanagan, S. Franchoo, S. Fritzsche, G. Huber, M. Huyse, M. Keupers, U. Köster, Yu. Kudryavtsev, B.A. Marsh, P. Molkanov, M.D. Seliverstov, M. Sjödin, J. Van de Walle, P. Van Duppen, M. Venhart, S. Zemlyanoy, Yu. Volkov


MotivationsShape coexistence effects across theZ = 82 proton shell closure is an area of research of high interest to modern nuclearphysics.

The initial discovery of large isotope shiftsand isomeric shifts in the neutron-deficientmercury isotopes (Z = 80) from themeasurement of the meansquare chargeradii illustrated the complexity of thenuclear structure between the N = 82 and N = 126 neutron shell closures and theimportance of excitations through the Z = 82 proton shell closure.

G. Ulm et al., Z. Phys. A 325 (1986) 247.


95 100 105 110 115 120 125 130 135-1,5

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

N =

126

N =

104

δ ⟨r

2⟩ ,

fm2

Pb (Z = 82)

Spherical Droplet model

N

This parabolic behaviour of δ<r2> may be caused by the subtle interplay of the spherical ground state mixing with oblate and prolate low-lying 0+ states

95 100 105 110 115 120 125 130 135-0,15

-0,10

-0,05

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

N =

126

N =

104

δ ⟨r

2⟩ ex

p-δ ⟨r

2⟩ D

M , f

m2 Pb (Z = 82)

Spherical Droplet model

N

IS-407: “ Study of the Neutron Deficient 182-190Pb Isotopes by Simultaneous Atomic and Nuclear Spectroscopy”

A. Andreev et. al., Nature 405, 430 (2000)


1. Intruder states and shape coexistence in Po at N=110 ?

A.N. Andreyev et al., Phys. Rev. Lett. 82 (1999) 1819.

100 105 110 115 120 125 130

Pt (Z = 78)

Bi (Z = 83)

Po (Z = 84)

Hg (Z = 80)

N =

104

N =

126

⟨r 2

⟩ , fm

2

N

, Ground states , Isomers

Pb (Z = 82)= 0.1 fm2

2. Mean square charge radii behavior at N=126 and N=104?

3. Electromagnetic moments of the odd Po isotopes in this region?

6p4 3P2

6p37s 5S2

6p37p 5P2

Continuum

Po ground state

λ1 =255.8 nm

λ2 = 843.38 nm

λ3 = 510.6 nm (CVL) or 535 nm (Nd:YAG)

hfs0

hfs1

hfs2

8.4168 eV

target

Ion source

Laser beams

to Mass separator

Isotope shift, δ ⟨r 2⟩

μI , Q S

Detection:Faraday Cupα-detection (Windmill)β-detection (tape-station)γ-detection (tape-station)

*

*This tranistion was already used for optical spectroscopy (Kowalewska et al, Phys. Rev. A, 44 R1442, 1991.)

Photoionization scheme for PoT.E. Cocolios et al. NIM B 266 (2008) 4403

Laser Ion Source (LIS)



Ноябрь 2006 . Поиск наиболее эффективной схемы ионизацииполония on-line.

4 суток

Использование ускорительного времени для IS456:

Июль-август 2007. Измерены изотопические сдвиги и сверхтонкаяструктура для цепочки изотопов 194-204Po.

9 суток

Июль 2009. Измерены дополнительно изотопические сдвиги исверхтонкая структура для 191-193Po, 204-212Po и 216, 218Po.

9 суток

11853.2 11853.4 11853.6 11853.8 11854.00

50

100

Wavenumber, cm-1

192Po

0.0

0.5

1.0

194Po

0

50000

196Po

0

2000

4000

198Po

020004000

200Po

0

1000020000

202Po

0

1000

2000204Po

0.0

0.2

0.4206Po

0.0

0.4

0.8208Po

0.00.20.40.6

210Po

0400

800216Po

0500

10001500

218Po

io

n cu

rrent

Rms charge radius :

λA,A’ ≈ 0.93 δ<r 2>

AA ΔνΔνA,196 A,196 , , MHzMHz TT1/21/2, s, s DetectionDetection

192192 ––1037(150)1037(150) 32 ms32 ms αα

194194 ––372(120)372(120) 392 ms392 ms αα

196196 00 5.56 s5.56 s αα

198198 ––162 (130)162 (130) 1.77 m1.77 m αα

200200 ––905(40)905(40) 11.5 m11.5 m γγ

202202 ––2009(100)2009(100) 44.7 m44.7 m ββ

204204 ––3315(50)3315(50) 3.53 h3.53 h γγ

206206 ––4692(60)4692(60) 8.8 d8.8 d FCFC

208208 ––6104(60)6104(60) 2.9 a2.9 a FCFC

210210 ––7735(45)7735(45) 138 d138 d FCFC

216216 ––16555(55)16555(55) 145 ms145 ms αα

218218 ––19259(75)19259(75) 3.1 m3.1 m αα

TT1/21/2 =33 ms=33 ms<1 ion/s<1 ion/s

Isotope shift ΔνA,A’:δνA,A’= F * λA,A’ + (NMS+SMS)

0 20000 40000 60000 800000

-10000

-20000

-30000

-40000

ΔσA,A'843

ΔσA,A'255

King plot:

F255 =29140 MHz/fm2

F843 = -12976 MHz/fm2

F843/F255= 0.44

Limited knowledge on the atomic structure of polonium: the electronic F-factor for the transition of interest in unknown.

Large-scale electronic computations by S. Fritzscheusing the GRASP code also give the F-factor from a theoretical approach for both transitions.

ΔσA,A’ = ΔνA,A’ AA’/(A-A’)F843/F255= 0.45(3) from King plot


255 nm - Kowalewska et al, Phys. Rev. A, 44 R1442, 1991 843 nm – this experiment

105 110 115 120 125 130 135

-0,6

-0,4

-0,2

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0⟨β 2

2⟩1/2= 0.25

⟨β 2

2⟩1/2= 0.2

⟨β 2

2⟩1/2= 0.15

⟨β 2

2⟩1/2= 0.1

δ

⟨r2 ⟩ , fm

2

N

Our data (2009) Our data (2008)

N = 126

The experimental error bars are smaller than the symbol size.


95 100 105 110 115 120 125 130

Pt (Z = 78)

Po (Z = 84)

Hg (Z = 80)

N =

104

N =

126

⟨r

2⟩ ,

fm2

N

Ground state Isomer Spherical Droplet

model prediction

Pb (Z = 82)

= 0.1 fm2

The experimental error bar issmaller than the symbol size. The distance between thedifferent chains is chosenarbitrarily for better display. One minor division on thevertical scale corresponds to 0.1 fm2

115 120 125 130 135 140 145 150

Rn (Z = 86)

Po (Z = 84)

Ra (Z = 88)N =

126

⟨r 2

⟩ , fm

2

N

Pb (Z = 82)

= 0.1 fm2

ElementElementΔ<Δ<r r 2>N,N2>N,N--2(N>126)2(N>126)––––––––––––––––––––––––––––––––ΔΔ<<r r 2>2>N,NN,N--22((NN<126)<126)

PbPb 1.91.9

PoPo 2.12.1

RnRn 2.22.2

RaRa 2.22.2



0

5000

10000

15000

E

0

10000

20000

High spin spin (13/2)

Low spin (3/2)

11853.6 11853.8 11854.0 11854.2

0

20

40

195Po

193Po

11853.6 11853.8 11854.0 11854.20

102030405060

Wavenumber, cm-1Wavenumber, cm-1

0

500

1000

1500

2000

2500

197Po

0

10000

20000


100 102 104 106 108 110 112 114 116 118 120 122 124-1,6

-1,4

-1,2

-1,0

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

3p3/2

μ

( n.m

.)

N

, Pb, I = 13/2, Pb, I = 3/2

Hg, I = 13/2 Po, I = 3/2 Po, I = 13/2

1i13/2

Lit. data

Estimations (preliminary) of magnetic moments (193-197Po):


ПроведеныПроведены лазернолазерно--спектроскопическиеспектроскопические исследованияисследования длиннейшейдлиннейшей цепочкицепочки изотоповизотоповвв рамкахрамках одногоодного экспериментаэксперимента -- сс 191191PoPo попо 218218PoPo..ПолученыПолучены данныеданные попо изотопическимизотопическим сдвигамсдвигам четныхчетных изотоповизотопов полонияполония ((191922--218218PoPo).).ИзвлеченыИзвлечены значениязначения среднеквадратичныхсреднеквадратичных зарядовыхзарядовых радиусоврадиусов. . РаботаРабота продолжаетсяпродолжается..НаблюдаетсяНаблюдается значительноезначительное ии ««раннеераннее»» отклонениеотклонение ходахода изотопическойизотопической зависимостизависимостиСКЗРСКЗР отот предсказанийпредсказаний ««капельнойкапельной моделимодели»» вв областиобласти нейтронодефицитныхнейтронодефицитных изотоповизотоповполонияполония..ВВ областиобласти NN = 126= 126 напротивнапротив наблюдаетсянаблюдается полноеполное соответствиесоответствие известнойизвестной систематикесистематике. . ПрисутствуетПрисутствует оболочечныйоболочечный эффектэффект, , аналогичныйаналогичный другимдругим известнымизвестным изотопическимизотопическимцепочкамцепочкамПолученыПолучены спектрыспектры сверхтонкойсверхтонкой структурыструктуры нечетныхнечетных изотоповизотопов 191191--211211PoPo. . ПродолжаетсяПродолжаетсяработаработа попо извлечениюизвлечению изотопическихизотопических сдвиговсдвигов ии константконстант сверхтонкогосверхтонкого расщеплениярасщепления. . ПоПо предварительнымпредварительным даннымданным наблюдаетсянаблюдается значительноезначительное отклонениеотклонение изотопическойизотопическойзависимостизависимости дипольныхдипольных магнитныхмагнитных моментовмоментов 191933--119797PoPo отот аналогичныханалогичных зависимостейзависимостей PbPbии HgHg..

Заключение


СтатусСтатус новогонового лазерноголазерного комплексакомплексаИРИСИРИС..

НоваяНовая лазернаялазерная установкаустановка длядля лазернолазерно--ядерногоядерного комплексакомплекса ИРИСИРИС проектироваласьпроектировалась сс

цельюцелью::

ЗначительноЗначительно расширитьрасширить областьобласть получаемыхполучаемыхнана массмасс--сепараторесепараторе ИРИСИРИС изотоповизотопов. . НеобходимоНеобходимообеспечитьобеспечить резонанснуюрезонансную ионизациюионизацию атомоватомовэлементовэлементов сс потенциаламипотенциалами ионизацииионизации вплотьвплоть додо9.4 9.4 эВэВ..ОбеспечитьОбеспечить проведениепроведение экспериментовэкспериментов попо

лазернойлазерной спектроскопииспектроскопии вв ионномионном источникеисточнике. . ВВсоставесоставе установкиустановки должендолжен бытьбыть узкополосныйузкополосныйлазерлазер сс возможностьювозможностью сканированиясканирования длиныдлиныволныволны..

СхемыСхемы лазернойлазерной ионизацииионизации атомоватомов

CVLλλ =2

DLλλ21

1 = DLλλ21

1 =

DLλλ21

1 =

DLλλ21

2 =

DLλλ31

1 =DLλλ

31

1 =

DLλλ =2

DLλλ =2DLλλ

21

2 =

DLλλ =3

DLλλ =1

DLλλ =2

DLλλ =3CVLλλ =3

CVLλλ =3Al (5.99 eV)Ca (6.11 eV)Ga (6.00 eV)In (5.79 eV)Tl (6.11 eV)

Cu (7.73 eV)Bi (7.29 eV)

Li (5.39 eV)Na (5.14 eV)Sr (5.69 eV)Ce (5.54 eV)Nd (5.52 eV)Sm (5.64 eV)Eu (5.67 eV)Gd (6.15 eV)Tb (5.86 eV)Ho (6.02 eV)Tm (6.18 eV)Yb (6.25 eV)Lu (5.43 eV)Actinides…

Mg (7.65 eV)Sc (6.56 eV)Mn (7.43 eV)Co (7.86 eV)Ni (7.64 eV)Cu (7.73 eV)Y (6.22 eV)Ag (7.58 eV)Tc (7.28 eV)Sn (7.34 eV)Pb (7.42 eV)Bi (7.29 eV)

Be (9.32 eV)Zn (9.39 eV)Cd (8.99 eV)Sb (8.61 eV)

Be (9.32 eV)


ParametersParameters ISOLDEISOLDE IRIS (old)IRIS (old) IRIS (new)IRIS (new)

Repetition rateRepetition rate

Pulse widthPulse width

Pump powerPump power

Dye powerDye power

UV power 2UV power 2ωω ≤≤1.5 W1.5 W nono ≤≤2 W2 W

UV power 3UV power 3ωω ≤≤0.15 W0.15 W nono ≤≤0.2 W0.2 W

Wavelength rangeWavelength range

11 kHz11 kHz 99--12 kHz12 kHz 99--12 kHz12 kHz

15 ns15 ns 10 ns10 ns 88--10 ns10 ns

60 60 –– 80 W80 W 30 W30 W 100100--110 W110 W

≤≤8 W8 W ≤≤1.5 W1.5 W ≤≤10 W10 W

217 217 –– 425 nm425 nm530 530 –– 850 nm 850 nm

540540--670 nm670 nm 210 210 –– 425 nm425 nm530 530 –– 850 nm850 nm

СравнениеСравнение параметровпараметров лазерныхлазерныхустановокустановок длядля резонанснойрезонансной ионизацииионизации



Wavelength stabilizationand scanning controlNew IRIS

laser set-up

S nchronizationpower control

y and

Copper VaporLasers (CVL 1,2,3)

Mass-separator IRIS

Dye laser 2

Dye laser 3

Dye laser 1 (scanning)

Dye amplifier 1

BBOcrystal

LensPrism

Target - ion source unit

Ion beamextraction-focusing

system

Copper-vapor laser set-up:

CVL 1- master oscillator, CVL 2,3 - amplifiers,laser power - 40 W each, wavelength - 510 nm and 578 nm,repetition rate - 10 kHz,laser pulse - 10 ns

Dye laser set-up:

Dye laser 1 - narrow band (500 MHz),with wavelength stabilizationand scanning control Dye laser 2,3 - broad band (20 G zH )Dye amplifiers 1,2,3,4

Laser power - up to 10W (with two amplifiers)Wavelength range:530 - 850 nm ( ), 210 - 425 nm (2 )ω ω

Proton beam:synchrocyclotron

1 GeV0.1 A50 Hz

μ

Ion beams to detection stations:Alpha-, beta-, gamma-detectors at two tape-stations

Magnet Switch-yard

Wavelength stabilizationand scanning control

New IRISLaser set-up

S nchronizationpower control

y and

Copper VaporLasers (CVL 1,2,3)

Mass-separator IRIS

Dye laser 1 (scanning)

Dye amplifier 1

BBOcrystal

LensPrism

Target - ion source unit

Ion beamextraction-focusing

system

Copper-vapor laser set-up:

CVL 1- master oscillator, CVL 2,3 - amplifiers,laser power - 40 W each, wavelength - 510 nm and 578 nm,repetition rate - 10 kHz,laser pulse - 10 ns

Dye laser set-up:

Dye laser 1 - narrow band (500 MHz),with wavelength stabilizationand scanning control

Laser power - up to 5W ( one amplifier)Wavelength range:530 - 850 nm ( ), 265 - 425 nm (2 )ω ω

Proton beam:synchrocyclotron

1 GeV0.1 A50 Hz

μ

Ion beams to detection stations:Alpha-, beta-, gamma-detectors at two tape-stations

Magnet Switch-yard

Status 2010




НоваяНовая системасистема автоматическогоавтоматического сканированиясканирования иистабилизациистабилизации длиныдлины волныволны лазерноголазерного излученияизлучения

Система сканирования способна в автоматическом режиме управлятьшаговыми двигателями приводов дифракционной решетки иинтерферометра Фабри-Перо резонатора узкополосного лазера покритериям данной длины волны и чистоты оптической линии наанализаторе спектра.

СхемыСхемы ионизацииионизации,,доступныедоступные кк 20102010


СхемыСхемы ионизацииионизации,,требующиетребующие наименьшихнаименьшихдополнительныхдополнительных вложенийвложений


OffOff--line line тесттест. . НоябрьНоябрь 20092009

ЛазернаяЛазерная ионизацияионизация TlTl ИзотопическийИзотопический сдвигсдвиг ии сверхтонкаясверхтонкаяструктураструктура 203 205203 205 TlTl

Tl results: IS = 1170(200) MHz from our fit, 038.5 1 MHz

205,203IS = 1 ( ) from G.Hermann et al., Z.Phys. D28, 127 (1993)205,203


OnOn--line line тесттест. . ДекабрьДекабрь 20092009

ИзотопическиеИзотопические сдвигисдвиги ии сверхтонкаясверхтонкаяструктураструктура изотоповизотопов InIn

[1] J. Eberz, U. Dinger, G. Huber, et al., Nucl. Phys. A464, 9 28 (1987)-


ЗаключениеЗаключение

••ЗапущенаЗапущена перваяпервая очередьочередь новойновой лазернойлазерной установкиустановки комплексакомплексаИРИСИРИС. . ПолученаПолучена принципиальнаяпринципиальная возможностьвозможность исследованияисследованиякороткоживущихкороткоживущих изотоповизотопов некоторыхнекоторых элементовэлементов, , недоступныхнедоступныхранееранее. .

••ПроведеныПроведены offoff--lineline тестытесты системысистемы длядля исследованияисследования изотоповизотопов TlTl..

••ПроведенПроведен onon--lineline экспериментэксперимент попо измерениюизмерению изотопическихизотопическихсдвиговсдвигов ии сверхтонкойсверхтонкой структурыструктуры длядля изотоповизотопов 119, 120, 121119, 120, 121In. In. ПриПриэтомэтом -- впервыевпервые нана переходепереходе 303 303 нмнм..

••АнализАнализ полученныхполученных данныхданных показываетпоказывает удовлетворительноеудовлетворительноесоответствиесоответствие сс ранееранее измереннымиизмеренными, , чточто указываетуказывает нана отсутствиеотсутствиезначительныхзначительных систематическихсистематических погрешностейпогрешностей схемысхемыэкспериментаэксперимента. .


КаналКанал ГЭКГЭК 66--66’’ –– установкаустановка ИРИНАИРИНАНуклид Z T 1/2 ИРИНА SPIRAL2

сек ат./ сек ат./ сек

74Ni 28 0,9 4,58E+06 2,75E+05

78Cu 29 0,342 1,09E+07 1,15E+06

80Zn 30 0,545 2,42E+08 2,64E+09

84Ga 31 0,085 1,11E+10 1,24E+07

85Ge 32 0,535 2,13E+09 4,09E+08

87As 33 0,49 5,27E+10 8,60E+09

91Se 34 0,27 6,66E+08 2,71E+08

93Br 35 0,102 3,09E+09 3,35E+09

95Kr 36 0,78 7,19E+09 4,45E+09

100Rb 37 0,051 3,48E+10 1,79E+07

102Sr 38 0,069 1,73E+08 9,02E+07

102Y 39 0,3 2,68E+11 1,02E+10

120Pd 46 0,5 2,71E+09 1,06E+10

127Ag 47 0,109 1,58E+02 1,71E+01

130Cd 48 0,195 8,78E+10 8,03E+04

133In 49 0,18 1,71E+08 1,06E+08

134Sn 50 1,12 1,77E+10 2,62E+09

120Pd 46 0,5 2,71E+09 1,06E+10

127Ag 47 0,109 1,58E+02 1,71E+01

130Cd 48 0,195 8,78E+10 8,03E+08

Documents

Лабораториякороткоживущихядер ОФВЭ ПИЯФhepd.pnpi.spb.ru/hepd/events/abstract/fedorov.pdf · Mean square charge radii behavior at N=126 and N=104?