[논문 리뷰] Decay-assisted collinear resonance ionization spectroscopy: Application to neutron-deficient francium

K. M. Lynch, J. Billowes외 18명|Research Explorer (The University of Manchester)|2014. 02. 18.

Mass Spectrometry Techniques and ApplicationsChemistry참고 문헌 1인용 수 17

한 줄 요약

이 연구는 CERN의 CRIS 실험에서 중성자 부족 프라운시우ム 동위원소 202–206Fr의 초미세구조 및 핵성질을 측정하기 위해 붕괴 보조 쌍방향 공진 이온화 분광법을 제시한다. 고해상도 레이저 분광법과 알파 붕괴 태깅을 융합함으로써, 202,204Fr에서 초미세구조 성분과 이소메르 상태를 처음으로 명확히 규명하였으며, 정밀한 자화모멘트와 평균제곱전하반경을 도출하였다. 203Fr에서 집단성의 시작 증거가 확인되었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 짧은 수명을 지닌 중성자 부족 프라운시우姆 동위원소(202–206Fr)의 초미세구조 및 핵성질을 높은 민감도로 측정하기 위해.
• 이소메르 상태의 레이저 스펙트럼에서 겹치는 초미세구조 성분을 알파 붕괴 태깅을 통해 해결하기 위해.
• 202,204Fr의 낮은 에너지 이소메르 상태에 대한 자화모멘트, 평균제곱전하반경, 분획비를 결정하기 위해.
• 중성자 부족 프라운시우姆 동위원소에서 핵의 비대칭성과 양성자 이입자 구성을 어떻게 설명할 수 있는지 조사하기 위해.
• 향후 측정의 정밀도를 향상시키기 위해 422.7-nm 전이의 원자 인자에 대한 캘리브레이션을 킹 플롯 분 析를 통해 수행하기 위해.

제안 방법

• 고해상도 레이저 분광법과 효율적인 이온 탐지 기술을 융합한 ISOLDE 시설에서의 쌍방향 공진 이온화 분광법(CRIS)을 사용하였다.
• 이소메르 상태에서의 알파 붕괴를 태깅하기 위해 붕괴 분광학 스테이션을 활용하여, 레이저 스캔에서의 초미세구조 성분을 식별할 수 있도록 하였다.
• 프라운시우움에서 7s 2S₁/₂ → 8p 2P₃/₂ 전이에 대해 레이저를 자극하고, 초미세구조 A-요인을 측정하며, 킹 플롯 분석을 통해 원자적 매개변수를 캘리브레이션하였다.
• 하향 상태의 초미세분열을 해소하고 A_S₁/₂ 요인을 추출하기 위해 1.5 GHz 레이저 대역폭을 적용하였다.
• CRIS 장치의 높은 탐지 효율성과 낮은 배경 잡음 덕분에 1초당 1개의 원자 이하의 수율을 가진 동위원소를 연구할 수 있었다.
• 레이저 분광법과 핵 붕괴 태깅을 통합하여, 특정 이소메르 상태에 대한 초미세피크의 명확한 할당을 달성하였다.

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

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중성자 부족 프라운시우움 동위원소 202–206Fr의 초미세구조 매개변수와 자화모멘트는 무엇인가?
• RQ2 알파 붕괴 태깅을 통해 202,204Fr의 이소메르 상태에서 겹치는 초미세구조 성분을 해결할 수 있는가?
• RQ3 프라운시우움 동위원소 계에서 집단성이 나타나기 시작하는 중성자 수는 얼마인가?
• RQ4 202,204Fr의 낮은 에너지 이소메르 상태의 성격은 무엇이며, 그 자화모멘트는 단일 입자 또는 집단적 행동을 어떻게 반영하는가?
• RQ5 스펙트로스코픽 구형모멘트를 추출하여, 이 핵에서 비대칭성이 정적인지 동적인지 확인할 수 있는가?

주요 결과

• 202–206Fr에 대한 최초의 초미세구조 측정이 이루어졌으며, 202Fr는 1초당 100개의 원자 수율로 측정되었다.
• 알파 붕괴 태깅을 통해 204Fr의 세 개의 낮은 에너지 이소메르 상태를 명확히 규명하고 그 분획비를 결정할 수 있었다.
• 422.7-nm 전이에 대해 현상학적 인자 F₄₂₂는 −20.670(210) GHz/fm²로, 질량 인자 M₄₂₂는 +750(330) GHz amu로 결정되었다.
• 평균제곱전하반경 분석 결과, 203Fr(N = 116)에서 집단성의 시작이 나타나는 것으로 나타났지만, 변형성의 성격을 확인하기 위해 스펙트로스코픽 구형모멘트 측정이 필요하다.
• 자화모멘트 측정 결과 대부분의 상태는 단일 입자 기술이 유지됨을 시사하지만, 206m²Fr의 10− 이소메르 상태는 편차를 보이며 가능성을 고려한 집단성의 징후를 보였다.
• 1.5 GHz 레이저 대역폭은 하향 상태의 초미세분열을 해소하고 A_S₁/₂ 요인 추출을 가능하게 하였으며, 향후 더 좁은 대역폭 레이저를 사용하면 상향 상태 분열을 해소하고 B_P₃/₂ 요인을 추출할 수 있을 것으로 기대된다.

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.