Precision mass spectrometry of neutron-rich rare-earth isotopes and commissioning of HIBISCUS for preparation of exotic beams - Jaries, Arthur (2025)
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 152,153La, 169Tb ja 170,171Dy 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.