[論文レビュー] Decay-assisted collinear resonance ionization spectroscopy: Application to neutron-deficient francium

K. M. Lynch, J. Billowes+18 more|Research Explorer (The University of Manchester)|Feb 18, 2014

Mass Spectrometry Techniques and ApplicationsChemistry参考文献 1被引用数 17

ひとこと要約

本研究では、CERNのISOLDE施設におけるCRIS実験で、中性子不足の francium同位体 202–206Fr のハイパーファイン構造および核性質を測定するために、崩壊補助型コリネア・レゾナンスイオン化分光法を提案する。高分解能レーザー分光法とアルファ崩壊タグ付きを組み合わせることで、202,204Frにおけるハイパーファイン成分およびイソメリック状態の明確な同定が可能となり、正確な磁気モーメントおよび平均二乗電荷半径が得られた。203Frでは集団的性質の始まりが示唆された。

ABSTRACT

This paper reports on the hyperfine-structure and radioactive-decay studies of the neutron-deficient francium isotopes $^{202-206}$Fr performed with the Collinear Resonance Ionization Spectroscopy (CRIS) experiment at the ISOLDE facility, CERN. The high resolution innate to collinear laser spectroscopy is combined with the high efficiency of ion detection to provide a highly-sensitive technique to probe the hyperfine structure of exotic isotopes. The technique of decay-assisted laser spectroscopy is presented, whereby the isomeric ion beam is deflected to a decay spectroscopy station for alpha-decay tagging of the hyperfine components. Here, we present the first hyperfine-structure measurements of the neutron-deficient francium isotopes $^{202-206}$Fr, in addition to the identification of the low-lying states of $^{202,204}$Fr performed at the CRIS experiment.

研究の動機と目的

• 短寿命の中性子不足 francium 同位体（202–206Fr）のハイパーファイン構造および核性質を高感度で測定すること。
• アルファ崩壊タグ付きを用いて、イソメリック状態のレーザー分光における重複するハイパーファイン成分を解消すること。
• 202,204Fr の低励起イソメリック状態の磁気モーメント、平均二乗電荷半径、分岐比を決定すること。
• 中性子不足の francium 同位体における核の変形の始まりと、陽子のイントラーダ配置の役割を調査すること。
• 将来の測定における精度向上のため、キングプロット解析を用いて 422.7-nm 遷移の原子的要因を補正すること。

提案手法

• 高分解能レーザー分光法と効率的なイオン検出を組み合わせた、ISOLDE施設におけるコリネア・レゾナンスイオン化分光法（CRIS）を用いた。
• アルファ崩壊をタグするための崩壊分光ステーションを活用し、レーザー走査中のハイパーファイン成分が特定されたイソメリック状態を同定可能となった。
• Francium の 7s 2S₁/₂ → 8p 2P₃/₂ 遷移に対してレーザー励起を実施し、ハイパーファイン A 要因を測定し、キングプロット解析を用いて原子的パラメータを補正した。
• 1.5 GHz のレーザー線幅を適用して、下準位のハイパーファイン分裂を解像し、A_S₁/₂ 要因を抽出した。
• CRIS装置の高い検出効率と低バックグラウンドを活かし、1秒間に1原子程度の収率の同位体をも対象とした。
• レーザー分光と核崩壊タグ付きを統合することで、ハイパーファインピークが特定のイソメリック状態に帰属されることを明確にした。

Figure 1: Schematic diagram of the CRIS beam line. Laser ions can be deflected to a copper plate and the corresponding secondary electrons detected by the MCP, or implanted into a carbon foil for alpha-decay spectroscopy. (Inset) The decay spectroscopy station (DSS) ‘windmill’ system for alpha-decay

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中性子不足の francium 同位体 202–206Fr のハイパーファイン構造パラメータおよび磁気モーメントは何か？
• RQ2 アルファ崩壊タグ付きにより、202,204Fr のイソメリック状態における重複するハイパーファイン成分を解消できるか？
• RQ3 francium同位体系列における集団的性質の始まりは、どの中性子数で現れるか？
• RQ4 202,204Fr の低励起イソメリック状態の性質は何か。それらの磁気モーメントは、単粒子的または集団的挙動をどのように反映しているか？
• RQ5 分光学的四極子モーメントを抽出できれば、これらの核における変形が静的か動的かを特定できるか？

主な発見

• 202–206Fr のハイパーファイン構造測定が初めて達成され、202Fr では1秒間に100原子の収率で測定された。
• アルファ崩壊タグ付きにより、204Fr の3つの低励起イソメリック状態の明確な同定と、それらの分岐比の決定が可能となった。
• 422.7-nm 遷移のフィールド要因 F₄₂₂ は −20.670(210) GHz/fm²、質量要因 M₄₂₂ は +750(330) GHz amu として決定された。
• 平均二乗電荷半径の分析から、203Fr（N = 116）で集団的性質の始まりが示唆されたが、変形の性質を確認するには分光学的四極子モーメントの測定が必要である。
• 磁気モーメントの結果は、大部分の状態が単粒子的記述に従うことを示唆しているが、206m²Fr の 10− イソメリック状態を除き、変動が観察され、集団的性質の可能性を示唆している。
• 1.5 GHz のレーザー線幅により、下準位のハイパーファイン分裂が解像され、A_S₁/₂ 要因の抽出が可能となった。今後、より狭帯域のレーザーを用いることで、上準位の分裂が解像され、B_P₃/₂ 要因の抽出が期待される。

Figure 2: Collinear resonance ionization spectroscopy of 204 Fr relative to 221 Fr. The hyperfine structure of the 3 (+) ground state of 204g Fr is shown in blue, the 7 + state of 204m1 Fr is shown in green and the (10 - ) state of 204m2 Fr is shown in red.