| Yhteenveto: | Atomiytimen yksi perusominaisuuksista on sen massa. Ytimen massa ja sidosenergia
voidaan määrittää suurella tarkkuudella Penningin loukulla tehtävistä atomimassamittauksista.
Ytimen sidosenergia on tärkeä tutkiessa, kuinka ydinrakenne
muuttuu kauempana stabiileista isotoopeista. Näillä ominaisuuksilla on myös
astrofysikaalista merkitystä, sillä niiden tarkka määrittäminen vaikuttaa malleihin,
jotka kuvaavat alkuaineiden tuottoa tähdissä.
Tutkimus toteutettiin Jyväskylän yliopiston kiihdytinlaboratorion Ion Guide
Isotope Separator On-Line (IGISOL) -laitteistolla käyttäen JYFLTRAP -Penningin
loukkua tarkkoihin atomimassamittauksiin. Atomimassat määritettiin yhteensä
19 neutronirikkaalle isotoopille, jotka sijaitsevat massalukujen A = 150 ja A =
170 välillä harvinaisten maametallien alueella. Mittauksissa käytettiin uusinta,
ionin vaiheen kuvantamiseen perustuvaa, niin kutsuttua PI-ICR tekniikkaa. Isotooppien
<sup>152,153</sup>La, <sup>169</sup>Tb ja <sup>170,171</sup>Dy atomimassat määritettiin kokeellisesti ensimmäistä
kertaa maailmassa. Tutkittujen isotooppiketjujen kahden neutronin
irrotusenergiat määritettiin paljon aiempaa tarkemmin, mikä paljasti erityisesti
harvinaisen ja odottamattoman voimakkaan kummun neutroniluvuilla N = 92−
94 lantaaniketjussa. Tutkittu alue protoniluvun Z ≈ 66 ja neutroniluvun N ≈
104 ympäristössä on tärkeä astrofysikaalisille laskuille. Tehdyt tarkat massamittaukset
auttavat parantamaan nopean neutroninsieppausprosessin (r-prosessin)
mallintamista ja ymmärtämään harvinaisten maametallien muodostumista siinä.
Tulos on merkittävä, sillä astrofysikaalinen r-prosessi tuottaa noin puolet rautaa
raskaampien alkuaineiden määrästä Aurinkokunnassa.
Radioaktiivisten ionien tuottomenetelmien kehittyessä voidaan tutkia yhä
eksoottisempia ytimiä ja laajentaa tietämystä niiden ominaisuuksista. Saksassa
rakenteilla oleva Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) avaa uusia mahdollisuuksia
harvinaisten ja erittäin neutronirikkaiden ytimien tutkimiseen. Jotta
sen ainutlaatuiset tuotantokyvyt voitaisiin hyödyntää täysin, tasavirtaiset ionisuihkut
on hidastettava ja vapautettava ajallisesti erotettuina, lyhyinä ionikimppuina
massaspektrometria- ja laserspektroskopiamittauksia varten. Tätä tarkoitusta
varten kehitettiin uusi ionien jäähdytin-kimputin nimeltään HIBISCUS. Tässä
väitöskirjatyössä HIBISCUS-laite suunniteltiin, rakennettiin ja otettiin käyttöön.
Laite tulee sijoittumaan FAIR-laboratorion NUSTAR-kokeen matalan energian
osastolle. HIBISCUS-laitteen yksityiskohtaiset ominaisuudet ja suorituskyky
esitetään tässä väitöskirjassa.
One of the fundamental properties of an atomic nucleus, its mass, can be probed
with high precision by means of Penning trap mass spectrometry. The related nuclear
binding energy is important for studying how the nuclear structure evolves
further away from stability. This property is also of astrophysical interest, as its
precise determination impacts the models describing the processes responsible
for stellar nucleosynthesis.
This research was carried out at the Ion Guide Isotope Separator On-Line
(IGISOL) facility of the Accelerator Laboratory in Jyväskylä, using the JYFLTRAP
double Penning trap mass spectrometer. In this thesis work, a total of 19 masses
of neutron-rich isotopes, located around A = 150 and A = 170 in the rareearth
region of the nuclide chart, were measured using a state-of-the-art detection
method, the Phase-Imaging Ion-Cyclotron-Resonance technique (PI-ICR). These
results extend the experimentally-known masses of the lanthanum, terbium and
dysprosium isotopic chains with the first mass determination of the nuclides
<sup>152,153</sup>La, <sup>169</sup>Tb and <sup>170,171</sup>Dy. The trends in two-neutron separation energies of
these chains were pinned down with unprecedented precision and notably revealed
a rare and unexpected strong bump at neutron numbers N = 92 − 94
in the lanthanum chain. The precision mass measurements in the doubly midshell
region around proton number Z ≈ 66 and neutron number N ≈ 104 also
provide valuable astrophysical inputs, to better model the formation of the rareearth
abundance peak in the rapid neutron-capture process, responsible for the
production of half of the heavy-element abundances in the Solar system.
As new radioactive ion beam facilities emerge to push further the boundaries
of experimentally-reachable exotic nuclei, so do opportunities for studying
and extending the knowledge on their properties. The upcoming Facility for Antiproton
and Ion Research (FAIR) will give access to the study of rare and extremely
neutron-rich nuclei. In order to fully utilize its unique production capabilities,
the continuous beams will have to be slowed down and released as
temporally-short ion bunches for the mass spectrometry and laser spectroscopy
experiments placed downstream. For this purpose, HIBISCUS, a new ion beam
cooler-buncher, was developed and commissioned offline in the context of this research
work, as a Finnish in-kind contribution to the low-energy branch of FAIR.
Its detailed characteristics and performance are reported in this thesis.
|
|---|