Studies of resonant laser ionization of yttrium atoms in helium. Perttu Ronkanen Pro Gradu

Studies of resonant laser ionization of yttrium atoms in helium Perttu Ronkanen Pro Gradu University of Jyväskylä Department of Physics 27.6.2007

Preface This work has been made using the IGISOL facility at the Accelerator Laboratory of the University of Jyväskylä between the autumn of 2005 and the summer of 2006. I would like to thank the entire IGISOL group for a good working environment and good cooperation. Especially I would like to express my gratitude to my supervisors Professor Juha Äystö and Doc. Kari Peräjärvi who have guided me into the scientific research and have supported my work. I would also like to mention Dr. Iain Moore, Dr. Tetsu Sonoda, Dr. Sami Rinta-Anttila, Mr. Ben Tordoff and Mr Thomas Kessler who made the work possible with their guidance and help during the experiments. In addition I am very grateful to Dr. Heikki Kettunen from the RADEF group for trusting the RADEF s pumping unit to my hands and all the way to the IGISOL-cave. 2

Abstract In this work the resonance laser ionization of yttrium atoms in helium was studied. This work belongs to a larger project which aims to develop a selective laser ionization capability for the Ion Guide Isotope Separator On-Line (IGISOL) system at the Accelerator Laboratory of the University of Jyväskylä. Performed studies were started using the so-called off-line setup in which both the ion guide and the laser system where examined. After this initial part of the work the studies were continued in the IGISOL cave. The effects of impurities to the performance of the complete system were examined. Also the second part of the work was made by probing the behaviour of yttrium. 3

Contents 1. Introduction 6 2. IGISOL technique 7 3. HIGISOL 10 4. Laser ionization in a gas cell 12 5. Off-line set-up 13 6. Detector setups 14 7. 1 st set of experimental results 17 7.1 Off-line experiments 17 7.2 On-line experiments at IGISOL 19 7.3 HIGISOL experiments 24 8. 2 nd set of experimental results 30 8.1 Off-line experiments 31 8.2 On-line experiments at IGISOL 37 4

9. Discussion 47 Bibliography 50 Appendix A 54 Perttu Ronkanen. FYS 407 Report: ALKUAINESELEKTIIVISEN LASERIONILÄHTEEN KEHITTÄMINEN. (Ref. [Ro06] in this work) 5

1. Introduction The ISOLDE [Is07] facility at Cern [Ce07] has produced many interesting physics results using accelerated Radioactive Ion Beams (RIB). These RIBs are most often ionized to a 1+ charge state using a resonance laser ion source. However, since the ISOLDE facility relies on thick solid targets from which the reaction products need to diffuse out and then further effuse into the ion source it is impossible to create beams from all short-lived refractory nuclei that are produced. Partly for this reason resonance laser ionization studies in helium were started in the Accelerator Laboratory of the University of Jyväskylä. The use and need of Radioactive Ion Beams is growing rapidly. In addition to several fields of physics RIB s are also interesting for other natural sciences, medicine and industry. Because both the method and the applications are relatively new a lot of research and development around these subjects is still going on. One such RIB facility, the Ion Guide Isotope Separator On-Line (IGISOL) [Ay01], is located at the University of Jyväskylä, Finland where it has mostly been used for the study of exotic nuclei. In particular, nuclear beta-decay and ground state properties such as masses and shapes have been studied for refractory elements. These properties are often also relevant for nuclear astrophysicists [Fy05]. The IGISOL facility has also made significant contributions for material science [La04] and it is planed be used for the generation of nuclear data relevant for the development of fourth generation fission reactors [Bo06]. The IGISOL technique (see below) was developed at Jyväskylä in the early 1980 s. Due to the great success of the physics program built around it and also due to its chemical insensitivity, the principle behind the IGISOL has been adopted in several other laboratories around the world. It has 6

also been included into the planned future RIB facilities such as FAIR [Sp06], RIA [Ri07] and RIKEN RIBF [Wa03]. Even though the technique has been found very attractive within the nuclear physics community there are still a few subjects that need further development, namely the absolute efficiency which is still fairly low (from 0.1 to 10 % depending on reaction that is being used) and the lack of elemental selectivity that often generates large contaminations in the final mass separated beams. To overcome these difficulties a project to implement selective laser ionization into the standard IGISOL technique was initiated at Jyväskylä. This thesis work reports some first steps taken on this project. 2. IGISOL technique In the IGISOL technique the reaction products are thermalized inside the ion guide in a buffer gas which in most cases is helium but also argon is used occasionally. During this thermalization process nuclear reaction products change their charge state continuously finally ending up into the charge state ~2+. After thermalization reaction products are transported out of the ion guide through the nozzle using gas flow. During this transportation the charge state is further reduced via collisions with impurity atoms. In on-line conditions the situation is much more complicated. As an example, the so called three body recombination where the reaction product is neutralized is taking place: + He + M + e He + M, (2.1) where the M + is the ion of intrest. A fraction of the reaction products that survive evacuation as ions is separated from the neutral buffer gas using electric fields. During this separation ions are also 7

accelerated and then they are mass separated. Mass separation is done with a dipole magnet and the beam with the selected mass is guided into the experimental setups. A schematic drawing of the IGISOL front end is shown in Fig. 2.1 and the overview of the whole device is shown in Fig. 2.2 [Ig07]. Figure. 2.1: IGISOL front end 8

Figure. 2.2: Overview of IGISOL. 1 Ion guide, 2 K130 cyclotron beam line, 3 beam dump, 4 acceleration chamber, 5 dipole magnet, 6 switchyard, 7 RFQ cooling trap, 8 double Penning trap, 9 mini quadrupole deflector, 10 electrostatic deflector and beam line to upstairs, 11 experimental setups. [Ig07] Often the dipole magnet is tuned so that an atomic singly charged ion is assumed. If the isotopes of interest are chemically reactive this may generate some losses via the formation of molecular side bands. In fact, sometimes the whole experiment can even be made using a molecular sideband. Currently at the Jyväskylä IGISOL facility four kinds of ion guides are being used. These are fission [De97], light-ion fusion evaporation [Hu04], quasi- and deep-inelastic [Pe05] and heavy ion induced fusion evaporation [Oi98a] ion guides. As is probably obvious from these names four 9

chambers/geometries are needed since four different reaction mechanisms are used for the synthesis of exotic species at Jyväskylä. In this work, despite one exception (see below), only heavy-ion induced fusion reactions were used. Therefore Heavy-ion IGISOL (HIGISOL) will be introduced in the next section. 3. HIGISOL Heavy-ion induced fusion-evaporation reactions are used to provide access to heavier nuclei close to the N = Z line. As is well known a heavy ion beam generates dense plasma in the gas cell which reduces the extracted yields. To reduce the plasma density in the stopping volume a target can be placed outside the gas cell and the cyclotron beam may also be stopped before the cell. In these conditions the plasma that is formed is only created by the reaction products. This approach is possible due to the different angular behaviour of reaction products and the primary beam [Oi98a]. In some earlier versions of HIGISOL this separation of primary beam and the stopping volume was realized by introducing an additional tube in which the beam passed through the cell [Oi98a]. In this earlier version of HIGISOL the cyclotron beam was finally stopped in the same beam dump used by the other ion guides (see fig 2.2). The new HIGISOL has two moving targets and the beam dump is integrated into the target system. Only one target is used at a time. The system is remotely controlled meaning that the target change can be made without braking the vacuum or entering the target area. This new version of HIGISOL was used in the present work and it is introduced in Fig 3.1. 10

Figure 3.1: Schematic drawing of the new HIGISOL setup used in the present work The HIGISOL ion guide (see fig. 3.1) has at the side of the cyclotron beam line a 48 mm diameter havar window (thickness 2 µm). Through this window the reaction products enter the gas cell. In off-line and in light-ion induced fusion-evaporation reaction experiments this large havar window is usually replaced with a structure that has either a small quartz or havar window in it, see fig.3.2. In the studies relying on light-ion induced fusion reactions the target is placed inside the gas cell. The main body of the ion guide has a diameter of 66 mm and a length of 80 mm. This is the primary volume into which the reaction products are thermalized. The back flange of the ion guide has the feedthroughs for the filament current and for the helium gas. There is a plate in front of the gas inlet to reduce turbulence in the helium gas flow. This plate has a sapphire glass window in the middle to ensure the transmission of laser light. The front flange has a ionization channel which is 6 mm long and its diameter is also 6 mm. The exit hole is at the far end of the ionization channel. The used nozzle diameter was 1 mm. The conductance (C e ) through the nozzle can be calculated for helium using Eq. 3.1 [Ar86] [Pe01]. Ce 2 0,45φ (3.1) 11

The unit of C e is l/s. With a 1 mm exit nozzle diameter (φ) the conductance is 0.45 l/s. The total volume of the ion guide is roughly 0.27 litres leading to an evacuation time of about 0.6 seconds for the whole cell. Figure 3.2: HIGISOL ion guide More detailed description of the HIGISOL ion guide can be found from [Ro06]. 4. Laser ionization in a gas cell In laser ionization a bound electron is promoted into the continuum using photons with suitable wavelengths to excite and ionize the atom, usually from the ground state. This kind of ionization technique is obviously very element selective. Yttrium was selected as a first element to be studied in this work because several ionisation schemes are attainable with the mixed dye-ti:sapphire laser system available in Jyväskylä. Studied ionization schemes of yttrium are shown in fig 4.1. 12

Figure 4.1: Used ionization schemes for yttrium [Ke07] It was also found that in addition to a Ti: Sapphire resonant second step transition, a dye laser could be used as a second resonant step and therefore in most experiments two second steps were used simultaneously. More information about the used laser system and the laser ionization in general can be found from [Ke07], [Mo05]. 5. Off-line set-up An off-line set-up was built so that testing of the ion guides and lasers could be done independent of the experimental program of IGISOL without unnecessary radiation doses. The base of the off-line setup is a steel cylinder, which can be pumped down to vacuum with a prepump roots pump unit with 250 m 3 /h pumping capacity. An ion guide can be mounted into it without modifications i.e., by using the same ion guide mounting barrel that is used in the real IGISOL setup, and all the connections to the ion guide is done similarly as in IGISOL. The off-line setup has its own helium 13

system which is almost similar to the real IGISOL one, i.e., it includes a cold trap kept at liquid nitrogen temperature for gas purification etc. The off-line set-up and its helium line can be pumped down to a 10-6 mbar region between the experiments with a prepump turbo-molecular pump unit. At those times also the cold trap can be regenerated by baking and pumping it simultaneously. For monitoring pressures, the setup hosts a pirani - penning pressure gauge unit attached to the steel cylinder. The pressure in the ion guide can be monitored using a Thermovac sensor. The ions produced selectively by the lasers can be counted simply by measuring the generated current in a copper plate placed outside the ion guide in front of the nozzle. The plate is set to negative voltage (typically -150 V) to collect the positive ions. The current was measured with a Keithley 485 autoranging picoampere meter. A more detailed description of the off-line setup can be found in [Ro06]. 6. Detector setups In experiments at IGISOL the beam was guided through the focal plane to the end of the central beam line (see fig. 2.2). Usually a Micro Channel Plate (MCP) detector was used for ion counting. A movable Faraday cup was mounted in front of the MCP. It was used during the beam tuning and sometimes as a shield to protect the MCP. Also the MCP could be moved. A tuneable iris-type collimator was mounted in front of these two devices. In this work the collimator was always kept fully open (diameter 36 mm). The measurement setup was pumped using a turbo molecular pump unit. A schematic drawing of this setup is shown in fig. 6.1. 14

Faraday cup Collimator Beam MCP Pumping Channel Figure 6.1: MCP setup seen from the top The signal from the MCP was first amplified then sent through a constant fraction discriminator. After that the signal was fed into the rate meter or the computer. A flow chart showing the signal processing is shown in fig 6.2. MCP HV fast AMP CFD RM Computer Figure 6.2: Signal processing for the MCP setup 15

In a real HIGISOL experiment a beta-delayed gamma spectroscopy setup was built after the MCP setup introduced above. In this manner the MCP setup could also be used in the initial tuning of HIGISOL and the lasers. The beta-gamma setup consisted of a tape drive (for implantation of activities), a plastic 3π scintillator - and a germanium detector, see fig 6.3. MCP 3π β-detector Beam Ge detector Faraday cup Collimator Tape Tape station Figure 6.3: The side view from the MCP- and beta-gamma setups The beta-gamma data was recorded using the IGISOL Data Acquisition (IDA) system. A flow chart of the signal processing is shown in fig 6.4. 16

HV Ge HV 3πβ CFD AMP AMP TFA G&D CFD G&D OR IDA trigger signal Figure 6.4: The signal processing of the beta-gamma setup 7. 1 st set of experimental results 7.1 Off-line experiments Laser ionization experiments were initiated in the off-line setup using an yttrium filament. The yttrium filaments used in these experiments were made out of 6 mg/cm 2 thick yttrium foil and they were cut into a bow tie shape so that the width in the middle of the filaments was 3 mm [Ro06]. In the first tests we realized that resonance laser ionization of yttrium ions is very sensitive to impurities in the system. In the beginning only the prepump was used instead of the prepump roots pump unit to create a vacuum into the off-line set-up. While using just the prepump too much oil back-diffused in the vacuum chamber and through the 1 mm nozzle into the ion guide. Therefore the laser ionization wasn t successful. After replacing the prepump with the prepump roots pump unit the laser ionisation was immediately performed successfully. 17

In experiments employing the off-line setup laser ionization was tested with different ionization schemes (see fig 4.1). In fig. 7.1 the comparison of three different ionization schemes can be seen. 4 5 L a se rs s w itc h e d o ff L a s e rs s w itc h e d o n Current [pa] 4 0 3 5 3 0 2 5 2 0 S ch e m e 2 S ch e m e 3 S ch e m e 1 1 5 1 0 5 0 0 5 0 1 00 1 50 20 0 2 50 3 00 35 0 T im e [s] Figure 7.1: The comparison of different ionization schemes as illustrated in fig. 4.2. Scheme 1 consists of 407.851 nm and 840.205 nm transitions, scheme 2 407.851 nm and 839.460 nm and scheme 3 404.877 nm and 853.117 nm. Helium pressure in the ion guide was 40 mbar The ion current could also be measured as a function of the laser wavelength. In this way the resonance steps could be optimised. In fig 7.2 the second resonance step of schemes 1 and 2 are shown as a function of wavelength. 18

4 5 4 0 3 5 S c h e m e 1 S c h e m e 2 3 0 Current [pa] 2 5 2 0 1 5 1 0 5 0 8 3 9,2 83 9,4 8 39,6 8 3 9,8 84 0,0 8 40,2 8 40,4 W a v e le n g th [n m ] Figure 7.2: Comparison of the second step of schemes 1 and 2. Since both schemes have the same first resonant step also the relative comparison can be made. Helium pressure in the ion guide was 40 mbar The off-line experiments are described in more details in [Ro06]. 7.2 On-line experiments at IGISOL The first semi on-line experiment used a metallic filament as a source of yttrium. The purpose of these studies was to investigate the effect of beam generated plasma on the operation of the laser ion source. In these examinations both the behaviour of yttrium and yttrium monoxide were studied. The cyclotron beam used in the experiment was 165 MeV 32 S 7+ and it was guided into the ion guide through a 3.7 mg/cm 2 nickel foil window. On the beam dump side the ion guide had a 3.5 mg/cm 2 yttrium foil window. The primary beam entered the ion guide and generated plasma in order study its effect on laser ionization. The beam intensities given below are in electrical currents if not otherwise stated. 19

The lasers and the cyclotron beam were pulsed using the control program written for JYFLTRAP [Ko03]. In fig. 7.3 laser ionization can be seen during both cyclotron on and off periods. The measurement was done in six second long cycles and the data were collected for 4.7 seconds from the beginning of the cycle. The width of one channel is 0.655 ms. In both tests shown in fig 7.3 20 cycles were collected and summed. 16 14 12 test 1 test 2 counts/ch 10 8 6 4 2 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 Time [ms] Figure 7.3: Production of yttrium atoms from a 4.7 A filament current. In both tests the cyclotron beam was on between 0-1 s and off between 1-6 s. In test 1 the lasers were only on from 2 to 3 s. In test 2 the lasers were only on from 0.25 to 1 s. Helium pressure in the ion guide was 40 mbar Figure 7.4 shows the production of yttrium monoxide ions with lasers on and off and using the pulsed cyclotron beam. 20

100 Yttrium m on oxide, lasers o ff Yttrium m o no xid e, lase rs o n Counts/ch 10 1 0 1000 2000 3000 4000 5000 Tim e [m s] Figure 7.4: Production of yttrium monoxide with a 4.7 A filament current. In both tests the cyclotron was on between 0 and 1 s and off between 1 and 6s. Helium pressure in the ion guide was 40 mbar. 20 cycles were collected and summed. According to figs. 7.3 and 7.4 the presence of the cyclotron beam generates both the yttrium and yttrium monoxide ions. Lasers are increasing the yttrium current both when the beam is on and off. In case of yttrium monoxide the laser effect is only seen when the cyclotron beam is off. The yttrium monoxide is not ionized by the lasers and the enhancement of yttrium monoxide ions is caused due to increased number of yttrium ions and their chemical reactions with oxygen in the ion guide. In addition to ionization the cyclotron beam is also breaking the stable yttrium molecules and therefore generating more yttrium atoms for the laser ionization. When the beam is on laser ions can only survive against neutralization through the three body reaction (Eq. 2.1) if they are formed close to the exit nozzle in the so called ionization volume, the short channel between the main chamber of the ion guide and the nozzle (see fig. 3.2). This ionization volume is evacuated so quickly (in about 0.37 ms) that there is no time for molecular formation. When the beam is turned off the depth from which the ions may survive as ions increases also increasing the effective mean evacuation time. This further leads to the observation of YO+ off-line laser effect. 21

Yttrium is very reactive with oxygen. This can also be verified by looking at the ratio between the production yields of Y+ and YO+ when only the beam is on (see figs 7.3 and 7.4). Note that YO is not a stable molecule, i.e., more complex stable oxides needs to be formed (Y 2 O 3 ). The next step in testing the ion guide and laser ionization was done in experiments without a filament. Now the required yttrium into the gas was produced by sputtering it off from the entrance yttrium window using the same 165 MeV 32 S beam. The same main 6/4.7 s measurement cycle was used in these studies. In figs. 7.5 and 7.6 the production of yttrium ions with lasers on and off can be seen with two different ion guide pressures. The beam was on from 0 to 2 seconds. The production of yttrium monoxide ions can be seen in fig. 7.7 2,0 1,5 L a s e rs o n L a s e rs o ff Counts/ch 1,0 0,5 0,0 0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 T im e [m s ] Figure 7.5: Production of yttrium ions with the cyclotron beam on for 0-2 s and off for 2-6 s. The beam intensity was 40 na and helium pressure 40 mbar. 100 cycles taken.. 22

0,6 0,5 L a s e rs o ff L a s e rs o n 0,4 Counts/ch 0,3 0,2 0,1 0,0 0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 T im e [m s ] Figure 7.6: Production of yttrium ions with the cyclotron beam on for 0-2 s and off for 2-6 s. The beam intensity was 40 na and helium pressure 100 mbar. 50 cycles taken. 0,35 0,30 Lasers on Lasers off 0,25 Counts/ch 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 0 1000 2000 3000 4000 5000 Time [ms] Figure 7.7: Production of yttrium monoxide ions with the cyclotron beam on for 0-2 s and off for 2-6 s. The beam intensity was 40 na and helium pressure 40 mbar. 100 cycles taken. In neither one of these bare yttrium studies are the lasers creating a clear effect. In both cases the production is at its highest in the moment when the cyclotron beam is turned off. In fig. 7.5 (40 mbar helium pressure) the production is dropping at the moment when the cyclotron beam is turned on. At higher pressure (100 mbar) this is not the case. For yttrium monoxide ions there is no visible 23

effect by lasers or the presence of the cyclotron beam. Non-existence of a laser effect may be due to the fact that the plasma density was too high in these measurements. 7.3 HIGISOL experiments To reduce the plasma effect a complete HIGISOL setup was used in the following experiment (see fig. 3.1). A 3.7mg/cm 2 natural nickel targets were used and the thickness of the havar entrance window was 2 µm. The cyclotron beam was the same as used in earlier experiments, 165 MeV 32 S 7+. In addition to the MCP detector at the end of the IGISOL central beam line also a setup consisting of beta- and gamma detectors was made (see section 6). The goal of the experiment was to test the laser ionization in real on-line conditions and to compare the performance of the skimmer [De97] and the sextupole ion guide (SPIG) [Mo06, Hu04] in terms of yields while using the new HIGISOL setup. Fig. 7.7 shows the decay scheme for 82 Y. 24

1 + Q EC 7948(9) kev β + 82 Y T ½ =8,30(20)s 2 + 1865 1291 689 1865 kev I β+ (%) log ft 0,7(1) 643(8) 0 + 2 + 1176 737 602 1311 kev 1176 kev 1,2(1) 6,41(6) 2,1(2) 6,21(6) 2 + 573 573 kev 21,5(18) 5,41(5) 0 + 82 Sr 0 75(25) 5,05(15) Figure 7.7: Decay scheme for 82 Y [Oi98b]. The Q EC value of 82 Y is updated to the scheme from a later experiment where the new HIGISOL was used [Ka06]. A summed beta-gated gamma spectrum for A=82 radioactivity corresponding to all collected data (including both skimmer and SPIG data) is shown in fig. 7.8. In the present experiment the 573, 602, 737 and 1176 kev transitions belonging to the decay of 82 Y were observed. In addition to those a very weak peak at 1291 kev is also quite visible. This peak is related to the decay of the 1865 kev 2 + state in 82 Sr [Oi98b]. The 689 kev and 1865 kev transitions related to the same state were not strong enough to be detected. 25

1000 511 kev 573 kev Counts/ch 100 602 kev 737 kev 10 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 Energy [kev] 100 sum (511keV+573keV) Pulser 1176 kev 1291 kev Counts [kev] 10 1 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600 1650 1700 1750 1800 1850 1900 Energy [kev] Figure 7.8: Beta gated gamma spectrum for A=82 Yield calculations are based on the 573 kev beta gated gamma peak. Most importantly while using the HIGISOL setup the lasers did not increase the yield of 82 Y as is shown in fig. 7.9. 26

70 60 Lasers on Lasers off 50 Counts 40 30 20 10 0 560 565 570 575 580 585 590 Energy [kev] Figure 7.9: Beta-gated 573 kev gamma peak belonging to the decay of 82 Y with lasers on and off. These nuclei were produced using a 28.6 pna 32 S 7+ cyclotron beam and a natural nickel target. The same helium bottle was used in both runs. Helium pressure in the ion guide was 200 mbar and the distance from the target to the Havar window was 100 mm. The lasers on run was 70 minutes long and the lasers off run 60 minutes and therefore the lasers off run data were normalized to correspond to a 70 min measurement. The peaks in fig. 7.9 correspond to a yield of 1.0 ± 0.2 ions/s/pna. Both runs in fig. 7.9 were measured using the skimmer. After that the skimmer was changed to SPIG and the measurement was repeated. As shown in fig. 7.10 the SPIG does not improve the yield in this case. 27

Counts 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0-5 560 565 570 575 580 585 590 Energy [kev] Skimmer Spig Figure: 7.10 Beta-gated 573 kev gamma peak belonging to the decay of 82 Y measured using the SPIG and the skimmer. The 32 S 7+ beam intensity was 28.6 pna and the target was made of natural nickel foil. Helium pressure in the ion guide was 200 mbar and the distance from the target to the Havar window was 100 mm. The lasers were off. The skimmer run was 70 minutes long and the SPIG run was 19 minutes. The SPIG run data has been normalized to correspond to a 70 min measurement. The calculated yield using the 573 kev peak is 1.0 ± 0.3 ions/s/pna with the SPIG. With other ion guides the SPIG has usually given a better yield than the skimmer. Because the current HIGISOL setup was completely new additional studies were performed. First of all, the effect of the target distance to the window on ion guide the yield was examined, see fig. 7.11. The maximum yield was found at a distance of 120 mm for this reaction. Then the linearity of the yield as a function of the beam intensity was studied (see fig. 7.12). After these studies this front-end setup was successfully used together with the JYFLTRAP [Ko03] to measure the masses of several astrophysically relevant nuclei close to the N=Z line [Ka06]. 28

Yield [ions/s/pna] 1,9 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 Fit: Y =-4,27841+0,09381 X-3,85244E-4 X 2 Data Polynomial fit to the data 0,4 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 Target to window distance [mm] Figure 7.11: Effect of the target distance on the yield 200 180 160 Fit: Y=1,4491*I - 31,2 Yield [ions/s] 140 120 100 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Beam intensity [pna] Figure 7.12: The yield as a function of beam intensity 29

8. 2 nd set of experimental results Since laser ionisation was not detected in on-line conditions, more on- and also off-line experiments are obviously needed. It is well known that the gas purity has a central role in the operation of a laser ion source [Ku01]. We had also learned in our off-line tests that the vacuum chamber base pressure is also important. It is actually quite interesting to notice that not so much information is available about the importance of base pressure of the vacuum chamber to the operation of a gas catcher / ion guide system. Chemistry might be occurring in a gas jet after the nozzle or even inside the gas cell since these volumes are connected with a nozzle. As an example, if the pressure in the ion guide is 100 mbar and the amount of O 2 in the gas is on the sub-ppb level then this corresponds to an O 2 partial pressure of less than 10-7 mbar. If the O 2 contribution to the vacuum chamber base pressure is on the 10-6 mbar region, based on Fick s law of diffusion there should be some diffusion of O 2 molecules from the vacuum chamber through the nozzle into the gas cell. As is clear when the buffer gas is present O 2 molecules need to diffuse upstream from low to high helium pressure, in other words against the macroscopic flow of buffer gas. Due to the need for extreme buffer gas purities these base pressure issues deserve some attention. The rest of this work is devoted for the studies of the importance of vacuum chamber base pressure. In all our studies the gas cells were always carefully cleaned before the experiments. The gas feeding lines were pumped and in on-line experiments also baked beforehand. In on-line experiments high purity helium gas (grade 6.0, 99.9999 %) was used. Helium gas was further purified with a liquid nitrogen trap and a getter-based purifier (Saes MonoTorr PS4-MT15-R-2). According to [Ku01] these cleaning steps should take the gas down to the sub-ppb impurity level. In the off-line studies the used gas was standard grade 4 (99.99 %) helium and it was further purified with a liquid nitrogen trap. 30

8.1 Off-line experiments As is well known, the gas particles are continuously colliding with each other. The mean free path is defined to be the average distance between the two consecutive collisions. The mean free path of the particles λ in a uniform gas is [Fo86] kt λ =, (8.1) 2 π 2Pξ where P is the pressure, T is the temperature and ξ is the diameter of a particle. For helium the mean free path is 0.5 mm at 20 o C temperature and 0.5 mbar pressure. These are typical values for the pressure and temperature in the vacuum chamber of our off-line setup. The flow type can be determined with the Knudsen s number N k [Fo86] N k d =. (8.2) λ Where d is the diameter of the flow channel. If N k is larger than 100, the flow is viscous, if 1 N k 100 the flow is mixed and if Nk 1 the flow is a molecular flow. In the case of 0.5 mbar helium gas pressure and a 63 mm pipe (used to connect the pumping unit to the vacuum chamber of the off-line setup) the flow is in the viscose region (N k = 126). The mean free path of a particle A in a gas B is [Fo86] λ AB 4kT = m π P ξ + ξ 1+ ( ) 2 A B A m B, (8.3) where m A and m B are the masses of the particles. For example at 20 o C temperature and 0.5 mbar helium pressure the mean free path for a CH 3 molecule is 0.3 mm. In our off-line setup such carbonbased molecules may be diffusing upstream from the pump into the vacuum chamber. 31

As shown by the above numbers the mean free paths are quite short in our experimental conditions. This also means that the base pressure of a system can be efficiently improved by introducing a cold getter surface into it. We decided to install such a getter into the main pumping line. With this instalment we hope to decrease the diffusion of oil vapours from the pump into the vacuum chamber and at the same time improve the pumping of N2 and O2 gases. All this is possible if the getter is cooled down to liquid nitrogen temperature. Such a getter needs to be designed in a way that the pumping capacity does not suffer too much. At the same time the flow channel needs to be narrow and long enough to efficiently capture the desired species. One way to solve this problem is shown in fig. 8.1. Figure 8.1: The cold baffle connected to the off-line setup. The cold baffle is constructed of two spheres. The smaller sphere is located inside the bigger one, see Fig. 8.2. As shown the particles that are going through the baffle cannot pass it with a straight 32

macroscopic path. The smaller sphere is cooled by filling it with liquid nitrogen. If the particle hits that surface it will be removed from the gas phase. Figure 8.2: Construction of the cold baffle A similar cold baffle is being used by the Michigan State University (MSU) in connection with their gas cell [Sc03]. The main difference is that their cold baffle only runs at -40 o C. This is enough to capture the oil vapours diffusing from the pump towards the vacuum chamber but it is not cold enough to enhance the pumping of N 2 or O 2. In the off-line part of this work the effect of a cold baffle on the operation of a gas cell was studied in two different ways. First by measuring the laser induced ion current as a function of baffle temperature and secondly by analysing the vacuum as a function of baffle temperature using a Spectra Multi-Quad quadrupole-mass-analyzer (QMA). In the QMA experiments helium was not introduced into the system. As a last step a controlled air leak was introduced in to the vacuum chamber and the laser-induced current was studied as a function of leak size. 33

Laser effect [na] 0,10 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0,00-0,01 Cooling the baffle started 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 Time [s] Figure 8.3: Ion current as a function of baffle temperature (relative units). Effects related to the ageing of a filament are subtracted away As shown in fig. 8.3 the laser induced current is increased by a factor of seven when the baffle is being cooled down. Due to the lack of mass separation the measured current contains both the pure yttrium ions and ionic molecules. The QMA is separated from the vacuum chamber with a 3 mm hole. The QMA chamber is pumped with a turbo molecular pump. The differential pumping has been made to ensure the necessary vacuum for the QMA. This 3 mm hole can be closed when helium is introduced into the system. Before cooling down the baffle (to liquid nitrogen temperature) the mass spectrum of the vacuum was measured, see fig. 8.4 (white bars). During the cooling down period there was no time to make a complete mass scan. A mass scan performed after the cooling down is shown in fig. 8.4 (black bars). 34

Partial pressure [mbar] 1E-5 1E-6 1E-7 1E-8 1E-9 1E-10 1E-11 1E-12 0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72 78 84 90 96 102 108 Mass Warm baffle Cold baffle 4,00E-011 Partial pressure [mbar] 3,50E-011 3,00E-011 2,50E-011 2,00E-011 1,50E-011 Warm baffle Cold baffle 1,00E-011 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 Mass Figure 8.4: Mass scans before and after the cooling of the baffle The baffle reduces the partial pressures of both carbon and water by a factor of about 3.3. There are nine other masses in which the reduction factor is more than ten. Those masses are listed in table 8.1 35

Table 8.1. The effect of a cold baffle on several masses. Mass P warm baffle [mbar] P cold baffle [mbar] P warm baffle / P cold baffle Possible compound 26 4,2 10-8 1,8 10-9 23,1 C 2 H 2 27 1,2 10-7 6,8 10-9 17,9 C 2 H 3 31 1,7 10-7 1,5 10-9 114 CH 2 OH 37 2,0 10-9 6,1 10-11 33,1 41 1,6 10-7 2,0 10-9 82,9 C 2 H 3 N 42 3,8 10-8 1,3 10-9 29,5 C 3 H 6, C 2 H 2 O 43 1,7 10-7 2,5 10-9 71,2 45 5,2 10-8 1,3 10-9 41 C 3 H 8 46 2,8 10-8 5,4 10-10 53,7 A clear effect from the baffle can also be seen above mass 100. There the cold baffle is reducing the partial pressures for almost every mass. This indicates that there is really a diffusion of oil vapour from the roots pump to the vacuum chamber. The cold baffle is quite efficiently reducing the effect of that component. To further study the effect of base pressure of the vacuum chamber on the yield of laser ionized yttrium a needle valve with a numerical display was added to the off-line setup for making a controlled leak. The experiment was done by measuring the laser induced current as usual with 40 mbar helium pressure in the ion guide. The leak was introduced using the above mentioned needle valve. The leak was increased as a function of time. After the measurement the background pressure for each leakage value was checked without having helium in the system. Results from these studies are presented in fig. 8.5. This data shows clearly that the base pressure of the vacuum chamber has 36

an effect on the measured current. Since the biased plate used for the current measurements was located close to the ion guide nozzle (~ 10 mm) it seems more likely that the effect on the current is caused by the impurities diffused into the ion guide rather than impurity ion interactions between the ion guide and the plate (this is of course just speculation). Laser effect [pa] 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 1E-4 1E-3 0,01 0,1 1 Base pressure in vacuum chamber [mbar] Penning Pirani Figure 8.5: Leak test at the off-line rig. 7.2 On-line experiments at IGISOL For testing the effect of a cold baffle on the operation of IGISOL both in off-, on- and semi on-line conditions the same prepump roots pump unit with the cold baffle attached was connected to the IGISOL chamber (see fig. 8.6). Between the IGISOL chamber and the cold baffle there was a manual valve so the small roots or the IGISOL roots could be used on experiments. Switching between the pumps could be done without interrupting the helium flow or the filament heating current. 37

Figure 8.6: Cold baffle connected to IGISOL In these experiments the earlier introduced HIGISOL ion guide was used in the so called IGISOL mode meaning that the cyclotron beam could be sent through the ion guide. Yttrium foils (6 mg/cm2) were used as pressure windows in these studies and a 1.4 mg/cm2 natural calcium foil was sitting in the target position. Due to the modest pumping capacity of a small roots pump (about 250 m3/h) only 29 mbar helium pressure in the ion guide could be used. (The pumping capacity of a regular IGISOL setup is 8400 m3/h.) Higher pressure than that would have caused problems in the IGISOL extractor region. This 29 mbar pressure was the absolute maximum for the small roots pump unit. With it the mass resolving power in the separator focal plane was already about 100. 38

A proton beam with an energy of about 18 MeV was used in these studies. In the on-line part of this experiment a 40 Ca(p,n) 40 Sc reaction was used. As is well known scandium is a homolog of yttrium and due to the 40 Sc s short half-life (T ½ = 182.3 ms) the beta-decay of it is easy to detect using a single silicon detector (detector thickness 300 µm). Data from this detector was collected using a multi channel analyzer. Because of the short half-life there is also less time for chemistry in the gas cell if compared to stable yttrium, i.e., for the production of ScO + etc. The yields of 40 Sc while using the IGISOL roots, small roots and small roots and cold baffle are presented in fig. 8.7. 360 340 320 300 Small roots Small roots and cold baffle IGISOL roots Counts/2000 s 280 260 240 220 200 180 160 140 120 100 0 2 4 6 8 10 12 Time [hours from the start of the experiment] Figure 8.7: The yields of 40 Sc with 29 mbar He pressure in the ion guide. During the experiment also the flip (= faraday cup before the dipole magnet) current (fig. 8.8) and A=28 (N 2 ) current in a faraday cup after the mass separation (fig. 8.9) were monitored. 39

8,0 7,5 7,0 Small roots Small roots and cold baffle IGISOL roots 6,5 Flip current [na] 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 0 2 4 6 8 10 12 Time [hours from the start of the experiment] Figure 8.8: Flip current comparison A=28 Current on FCS2 110 105 100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 Small roots Small roots and cold baffle IGISOL roots 0 2 4 6 8 10 12 Time [hours from the start of the experiment] Figure 8.9: A=28 current comparison 40

As shown in figs. 8.8 and 8.9, the mass separated yields are always higher when using the IGISOL pumps. This is probably due to better beam quality (mass resolving power >>100). On the other hand, the flip current (measured before the mass separation) is smaller while using the IGISOL pumps, i.e., overall conditions are also different. A slightly lower 40 Sc yield with the cold baffle when compared to the warm baffle may be related to the fluctuations in the proton beam current. Notice that the N 2 current has dropped even more. Also the flip current is clearly lower when the baffle is cold. After this the effect of a cold baffle was studied using filament produced ions. The lasers and the cyclotron beam were pulsed using the control program written for the JYFLTRAP [Ko03]. A bin width was chosen to be 5.2429 ms and the overall cycle was 18 seconds long of which the first 16 seconds were recorded. The cycle was set so that the beam was on from 3 to 5 s and from 9 to 11 s and the lasers were on from 0.25 to 7 s. Measurements were done using both the normal IGISOL roots and the small roots at warm and cold baffle. Results for yttrium, yttrium monoxide and yttrium monoxide plus one water are presented in figs. 8.10 8.12. 41

Counts/bin/10 cycles 1000 800 600 400 Y, big roots Y, small roots Y, small roots and cold baffle, 56 min after begining of cooling Y, small roots and cold baffle, 1 h 25 min after begining of cooling Y, small roots and cold baffle, 2 h 19 min after begining of cooling 200 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Time [s] Figure 8.10: Comparison of different yttrium runs. The yellow line shows the time when the cyclotron beam was on and brown line shows the period when lasers were switched on Counts/bin/10 cycles 3500 3000 2500 2000 1500 1000 YO, big roots YO, small roots YO, small roots and cold baffle, 1 h 2 min after begining of cooling YO, small roots and cold baffle, 1 h 19 min after begining of cooling YO, small roots and cold baffle, 2 h 15 min after begining of cooling 500 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Time [s] Figure 8.11: Comparison of different yttrium monoxide runs. One should notice that while using the IGISOL roots or small roots with the warm baffle there is no clear laser effect when the cyclotron beam is on but whenever the baffle is cooled down the effect is obvious. The yellow line shows the 42

time when the cyclotron beam was on and the brown line shows the period when lasers were switched on 11000 Counts/bin/10 cycles 10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 YO+H2O, big roots YO+H2O, small roots YO+H2O, small roots and cold baffle, 51 min after begining of cooling YO+H2O, small roots and cold baffle, 1 h 30 min after begining of cooling YO+H2O, small roots and cold baffle, 2 h 11 min after begining of cooling 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Time [s] Figure 8.12: Comparison of different yttrium monoxide plus water runs. The yellow line shows the time when the cyclotron beam was on and brown line shows the period when lasers were switched on As shown in figs. 8.10 8.12 there is a clear difference between the different pumps and also between the cold and warm baffle data. The comparison between the pumps is not reliable due to different extractor region conditions. As also shown in figs. 8.10 8.12 the count rate at all masses is dropping in cold baffle measurements as a function of time. The count rate in the third cold baffle measurement set is about 73 % of that of the first cold baffle measurement set. However, the relative amounts of Y, YO and YO(H 2 O) are not changing in these measurements as is shown in fig. 8.13. That indicates that the conditions in the ion guide or in the vacuum chamber did not change and the drop of current is most probably related to the drifting of the filament current. 43

100 % 90 % 80 % 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0 % Baffle cold, first measurement set YO+H2O YO Y Baffle cold, third measurement set Figure 8.13: The distribution of yttrium ions in the different compounds Figure 8.14 a presents the measured mass distributions of laser ionized yttrium when the baffle is warm and cold. Figure 8.14 b presents the same distribution but with the proton beam going through the ion guide. Data in figs. 8.14 a and b results from the measurements given in figs. 8.10 8.12. Now the count rates were just averaged to get more reliable numbers. An important point to mention is the fact that in these measurements cooling down the baffle was done without interrupting the helium gas flow. Also the roots-blower unit was normally on during the cooling down period. Before the baffle tests were started helium gas flow and the filament had been on for about 5 h. A major part of that time the buffer gas was removed using the regular IGISOL vacuum system. Distribution of yttrium into different molecular sidebands measured in these conditions differ from the ones shown in Fig. 8.14 a. The following measurements made using the baffle lasted in total about 3 h. The change in pumping was done in flight and in this context also the SPIG was retuned. 44

Count rate [arbitrary units] 2500 2250 2000 1750 1500 1250 1000 750 500 250 0 a) Without the proton beam Baffle warm Baffle cold Y YO YO+H2O Count rate [arbitrary units] 1250 1125 1000 875 750 625 500 375 250 125 0 b) With the proton beam Baffle warm Baffle cold Y YO YO+H2O Figure 8.14 Distribution of laser ionized yttrium into different chemical compounds with the warm and cold baffle a) without the proton beam and b) with the proton beam. It is probable that in the run when the regular IGISOL roots-pump unit was used the laser shutter was not working properly as seen by the growth-in behaviour in figs. 8.10 and 8.11. Figures 8.15 and 8.16 present the growth-in of Y, YO and YO(H 2 O) while using the small pump and when the baffle is warm and cold. In this way it is easier to compare the shapes of different curves. It is clearly visible, especially in the cold baffle data, that the shapes are different. During the first 50 ms after switching on the lasers only bare Y is extracted from the source. Also the bare Y is the first one to saturate, then saturates YO and finally YO(H 2 O). This kind of behaviour gives support for the idea that at least partially chemical reactions happen inside the ion guide. This behaviour is not 45

excluding the back diffusion explanation through the 1 mm exit nozzle. It is probable that the observed enhancement of YO at cold baffle (fig. 8.14 a) is mainly due to the reduced amount of water vapour in the system. 1000 Counts/10 cycles 100 10 1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Time [s] Y, small roots YO, small roots YO+H2O, small roots Figure 8.15. The growth-in of different compounds. The baffle is warm and the lasers were switched on at 0.25 s. 1000 Counts/10 cycles 100 10 1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Time [s] Y, small roots and baffle cold YO, small roots and baffle cold YO+H2O, small roots and baffle cold Figure 8.16 The growth-in of different compounds. The baffle is cold and the lasers were switched on at 0.25 s. 46

9. Discussion The purpose of these studies was to investigate the resonance laser ionization at the Jyväskylä IGISOL facility. This work was started with off-line experiments where both the ion guide and the laser system were tested. After that the focus was in studying the needed conditions for the successful on-line resonant laser ionization. When yttrium is produced by heating a filament the laser ionization is successful because the partial pressure of yttrium is high enough, i.e., there are enough yttrium atoms surviving in atomic form for laser ionization. However, when yttrium is produced using sputtering/elastic scattering or nuclear reactions, the partial pressure of yttrium in the ion guide is significantly lower. In these conditions, the losses of atomic yttrium to molecular sidebands and to the ion guide walls becomes a significant problem. This may be the reason why the laser effect was not seen in on-line conditions in the present work. The other explanation might be low laser ionization efficiency of yttrium. In the run which was done using a complete on-line HIGISOL setup the yields of yttrium were at the same level as in the earlier experiments [Oi98a]. It is important to notice that in the present experiment the IGISOL front-end was pumped into vacuum only about 15 h before starting the experiment and that the experiment was only two days long. In addition, the IGISOL vacuum chamber had a leak and the background pressure was only in the low 10-2 mbar region instead of a normal 10-5 mbar region. (This leak was found and fixed quite soon after the run.) Even though the laser effect was not seen in this experiment it still generated useful data for the soon to come HIGISOL physics runs. 47

As shown by the second set of experiments cooling down the baffle modifies the partial base pressures of a system. It is very interesting that the baffle also influences the extracted ion beam intensities. As an example of that fig. 8.14 showed that the mass distributions are sensitive for these changes of partial base pressures. In addition to the studied compounds no other yttrium molecules were observed in the studies with the HIGISOL gas cell. So, they were either not produced or they were dissociated during the acceleration stage. Note that the baffle is not cold enough to influence the pumping of helium. To be able to explain the earlier presented data one needs to consider chemical reactions happening in the gas jet after the exit nozzle and the Fick s law of diffusion. Namely, according to it inequalities in concentrations will be eliminated by diffusion. This means that if the partial pressures of a certain species are higher in the vacuum chamber than in the gas cell then there will be a net transport of them into the gas cell. This type of flow is separate from the macroscopic flow of gas [Ma88]. One should however notice that in our studies of base line pressure issues the ion guide pressure (29 mbar) was always very low due to the inefficient pumping of a system. This means that we were quite far from the typical/realistic IGISOL running conditions in our work. Finally, at IGISOL when the regular pumping setup has been used it has seldom been important weather the grade 6.0 or 4.0 helium has been used or whether the Saes MonoTorr purifier has been on or not. That might be due to the fact that instead of helium gas purity the vacuum chamber base pressure has been the major source of impurities. 48

Bibliography [Ar86] J. Ärje. Ion Guide Method For Isotope Separation. Ph.D. thesis, University of Jyväskylä, 1986. [Ay01] J. Äystö. Development and applications of the IGISOL technique. Nuclear Physics A, 693 (2001) 477. [Bo06] E. Bogusch, M. Ionescu-Bujor, A. Chevalier, B. Bielak. Synergies between FNT developments and advanced nuclear fission technologies. Fusion Engineering and Design 81 (2006) 1667. [Ce07] http://public.web.cern.ch/public/welcome.html [De97] P. Dendooven. The development and status of the IGISOL technique. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 126 (1997) 182. [Fo86] Fontell, Maula, Nieminen, Söderlund, Valli, Vehanen, Vulli, Ylilammi, Tyhjiötekniikka, Suomen tyhjiöseura ry, (INSKO ry:n kirjapaino 1986). [Fy05] H. Fynbo, C. Diget, U. Bergmann, M. Borge, J. Cederka, P. Dendooven, L. Fraile, S. Franchoo, V.Fedosseev, B.Fulton, W. Huang, J. Huikari, H. Jeppesen, A. Jokinen, P. Jones, B. Jonson, U. Köster, K. Langanke, M. Meister, T. Nilsson, G. Nyman, Y. Prezado, K. Riisager, S. Rinta-Antila, O. Tengblad, M. Turrion, Y. Wang, L. Weissman, K. Wilhelmsen, J. Äystö & The ISOLDE Collaboration. Revised rates for 49

the stellar triple-α process from measurement of 12 C nuclear resonances. Nature 433 (2005) 136. [Hu04] J. Huikari, P. Dendooven, A. Jokinen, A. Nieminen, H. Penttilä, K. Peräjärvi, A. Popov, S. Rinta-Antila, J. Äystö. Production of neutron deficient rare isotope beams at IGISOL; on-line and off-line studies. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 222 (2004) 632. [Ig07] http://www.phys.jyu.fi/research/igisol/separator.html [Is07] http://www94.web.cern.ch/isolde/ [Ka06] A. Kankainen, L. Batist, S.A. Eliseev, V.-V. Elomaa, T. Eronen, U. Hager, J. Hakala, A. Jokinen, I. Moore, Yu.N. Novikov, H. Penttilä, K. Peräjärvi, A.V. Popov, S. Rahaman, S. Rinta-Antila, P. Ronkanen, A. Saastamoinen, D.M. Seliverstov, T. Sonoda, G.K. Vorobjev and J. Äystö. Mass measurements of neutron-deficient nuclides close to A = 80 with a Penning trap. The European Physical Journal A 29 (2006) 271. [Ke07] T. Kessler, I.D. Moore Yu. Kudryavstev, K. Peräjärvi, A. Popov, P. Ronkanen, T. Sonoda B. Tordoff, K.D.A. Wendt, J. Äystö. Off-line studies of the laser ionization of yttrium at the IGISOL facility. To be published. 50

[Ko03] V.S. Kolhinen, T. Eronen, J. Hakala, A. Jokinen, S. Kopecky,S. Rinta-Antila, J. Szerypo, J. Äystö. Penning trap for isobaric mass separation at IGISOL. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 204 (2003) 502. [Ku01] Yu. Kudryavtsev, B. Bruyneel, M. Huyse, J Gentens, P. Van den Bergh, P Van Duppen, L. Vermeeren. A gas cell for thermalizing, storing and transporting radioactive ions and atoms. Part 1: Off-line studies with laser ion source. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 179 (2001) 412. [La04] P. Laitinen, I. Riihimäki, J. Huikari and J. Räisänen. Versatile use of ion beams for diffusion studies by the modified radiotracer technique. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 219-220 (2004) 530. [Ma88] E.A. Mason and E.W. McDaniel, Transport Properties of Ions in Gases, Wiley, New York, 1988. [Mo05] I. Moore, A. Nieminen, J. Billowes, P. Campbell, C. Geppert, A. Jokinen, T. Kessler, B. Marsh, H. Penttilä, S. Rinta-Antila, B. Tordoff, K. Wendt and J. Äystö. Development of a laser ion source at IGISOL. Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics 31 (2005) S1499. [Mo06] I. Moore, J. Billowes, P. Campbell, T. Eronen, C. Geppert, A.Jokinen, P. Karvonen, T. Kessler, B. Marsh, A. Nieminen, H. Penttilä, S. Rinta-Antila, T. Sonoda, B. Tordoff, K. 51

Wendt and J. Äysto. Laser Ion Source Development at IGISOL", AIP Conference Proceedings Series, volume 831 (2006) 124. [Oi98a] M. Oinonen. Decay Studies Of Exotic Nuclei Near The Z = N Line. Ph.D. thesis, University of Jyväskylä, 1998. [Oi98b] M. Oinonen, R. Béraud, G. Canchel, E. Chabanat, P. Dendooven, A. Emsallem, S. Hankonen, A. Honkanen, J. Huikari, A. Jokinen, G. Lhersonneau, Ch. Miehe, A. Nieminen, Yu. Novikov, H. Penttila, K. Peräjärvi, A. Popov, D.M. Seliverstov, J.C. Wang, J. Äystö. Production of refractory elements close to the Z=N line usingthe ionguide technique. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 416 (1998) 485. [Pe01] K. Peräjärvi. Studies Of Ion Transport In Gases; Applications In Nuclear Physics. Ph.D. thesis, University of Jyväskylä, 2001. [Pe05] K. Peräjärvi, J. Cerny, J. Hakala, J. Huikari, A. Jokinen, P. Karvonen, J. Kurpeta, D. Lee, I. Moore, H. Penttilä, A. Popov, J. Äystö. New ion-guide for the production of beams of neutron-rich nuclei between Z = 20 28. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 546 (2005) 418. [Ri07] http://www.orau.org/ria/ [Ro06] P. Ronkanen, FYS 470 Report (Erikoistyö), University of Jyväskylä, 2006. (See appendix A in this work) 52

[Sc03] S. Schwarz, G. Bollen, D. Lawton, P. Lofy, D.J. Morrissey, J. Ottarson, R. Ringle, P. Schury, T. Sun, V. Varentsov, L. Weissman. The low-energy-beam and ion-trap facility at NSCL/MSU. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 204 (2003) 507. [Sp06] P.Spiller, G.Franchetti, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 561 (2006) 305. [Wa03] M. Wada, Y. Ishida, T. Nakamura, Y. Yamazaki, T. Kambara, H. Ohyama, Y. Kanai, T. M. Kojima, Y. Nakai, N. Ohshima, A. Yoshida, T. Kubo, Y. Matsuo, Y. Fukuyama, K. Okada, T. Sonoda, S. Ohtani, K. Noda, H. Kawakami, I. Katayama. Slow RI-beams from projectile fragment separators. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 204 (2003) 570. 53

APPENDIX A Perttu Ronkanen pjronkan@cc.jyu.fi ALKUAINESELEKTIIVISEN LASERIONILÄHTEEN KEHITTÄMINEN (FYS470 Erikoistyö) Tiivistelmä: Tässä työssä kuvataan laserionilähteen kehitystyötä tarkoitusta varten rakennetulla off-line laitteistolla ja on-line isotoopinerottimella (IGISOL, Ion Guide Isotope Separator On-Line). Kokeissa pääasiassa käytettiin yttrium hehkulankaa, josta irrotettiin heliumvirtaukseen yttrium atomeita resistiivisesti lämmittämällä. Mittauksissa onnistuttiin laserionisoimaan selektiivisesti hehkulangasta sublimoituneita yttrium atomeja. Erityisesti tutkittiin paineen vaihteluiden, kaasun puhtauden ja plasman vaikutusta ionisaatiotehokkuuteen. 54

SISÄLTÖ 1. Johdanto 3 2. Laserionisaation perusteet 3 3. Ioniohjain 4 4. Off line-laitteiston rakentaminen 9 5. Mittaukset 13 6. Havainnot ja tulokset 6.1 Havainnot ja tulokset off-line laitteistolla suoritetuista mittauksista 14 6.2 Havainnot ja tulokset IGISOL:lla suoritetuista mittauksista 17 7. Johtopäätökset 29 Lähteet 31 Liitteet 32 55

1. Johdanto Radioaktiiviset ionisuihkut ovat tärkeä työkalu monilla eri fysiikan osa-alueilla. Niitä käytetään esimerkiksi ydin-, materiaali- ja sairaalafysiikassa. Yksi vaihtoehto radioaktiivisen ionisuihkun intensiteetin ja selektiivisyyden parantamiseen on resonanssi-ionisaatio lasereilla. Ydinfysiikan ja astrofysiikan (rp-prosessi) kannalta keskiraskaat ytimet lähellä Z = N linjaa ovat erityisen mielenkiintoinen tutkimuskohde ja laserionisaatio tulee edesauttamaan tätä tutkimusta lähitulevaisuudessa. Laserionilähteen kehittäminen aloitettiin rakentamalla off-line-laitteisto, jolla voidaan testata laserionisaation toimivuutta. Off-line laitteisto perustuu stabiilien atomien käyttöön. Off-line työn johdosta hiukkaskiihdyttimellä tehtävissä kokeissa tarvitsee kuluttaa vähemmän kiihdytinaikaa laitteiston kehittämiseen. Tässä työssä kuvataan off-line-laitteiston rakenne sekä sillä tehdyt testimittaukset. Lisäksi käsitellään ensimmäisiä on-line kokeita IGISOL:illa (Ion-Guide Isotope Separator On-Line). IGISOL:lla pystytään tuottamaan radioaktiivisia ionisuihkuja ilman laserionisaatiotakin, joten laserionisaatiolla pyritään parantamaan suihkun intensiteettiä ja puhtautta. Leuvenissa, Belgiassa, [1] käytetään laserionisaatiota radioaktiivisten ionisuihkujen tuottamiseen samankaltaista laitteistoa kuin Jyväskylässä. Tästä syystä siellä saatuja tuloksia ja kokemuksia voidaan käyttää apuna Jyväskylän laserionilähteen kehitystyössä. 2. Laserionisaation perusteet Laserionilähteen toiminta perustuu atomin energiatasojen energiavälejä vastaavien laserpulssien käyttöön. Ionisaatio suoritetaan kahdella tai useammalla eritaajuisella samanaikaisella laserpulssilla eli elektroni irrotetaan atomista kahdella tai kolmella virityshyppäyksellä. Useampaa siirtymää käyttäen päästään hyvään selektiivisyyteen. Fotonin energia on hc (1) E = hν = = hcσ, λ missä h on Planckin vakio, ν taajuus, c valonnopeus, λ aallonpituus ja σ on aaltoluku. Jotta elektroni voi siirtyä tilalta toiselle, tulee atomin absorboiman fotonin energian vastata tilojen välistä energia eroa. Fotonin energian sijasta yleensä käytetään aallonpituutta, koska se on helpompi mitata. Tästä syystä tässä työssä viitataan eri ionisaatioskeemojen kohdalla aallonpituuksiin. Kuvassa 1 näkyvät testeissä käytetyt siirtymät yttriumille. 56

Kuva 1 Kuvassa aallonpituudet ovat siirtymänuolien yhteydessä ja ne on annettu nanometreinä tyhjiössä. Vasemmalla on annettu atomin tila ja sen spin, ja oikealla puolella on tilaa vastaava aaltoluku käänteisinä senttimetreinä [cm -1 ] siirtymänä perustilalta. Laitteiston kehittämiseen valittiin yttrium, koska yttriumilla on astrofysiikan kannalta mielenkiintoisia isotooppeja. Sille löytyi sopivia ionisaatioskeemoja jotka voidaan saavuttaa käytössä olevilla lasereilla helposti. Yttriumista pystytään valmistamaan hehkulanka off-line mittauksia varten. Eri alkuaineiden ionisaatioskeemoihin liittyviä siirtymiä löytyy esimerkiksi Internetissä olevista laserspektroskopiakirjastoista [2]. 3. Ioniohjain Ionit kuljetetaan ulos pysäytyskammiosta heliumvirtauksella. Off-line-laitteistossa ioniohjaimesta ulos tulevat ionit kerätään mittausanturiin joka määrittää niiden lukumäärän aikayksikössä. Anturina toimii negatiivisessa potentiaalissa oleva kuparilevy, joka on kytketty herkkään virtamittariin. Levy on sijoitettu noin senttimetrin päähän ioniohjaimen suuaukosta. On-line kokeissa samaan tehtävään käytettiin Micro Channel Plate (MCP) ilmaisinta joka pystyy havaitsemaan yksittäisiä ioneja. Kuva 2 esittää laserionilähdettä varten suunniteltua ioniohjainta. 57

Kuva 2 Ioniohjain Ioniohjaimen etu- ja takakannet ovat irrotettavat. Takakannessa (katso myös kuvat 3 ja 4) on liittimet hehkulangan lämmitykselle ja heliumille. Termopari kiinnitetään takakannen kiristysruuvilla kammioon ja kammiossa on reikä paistossa käytettävälle vastukselle joka kiristetään kontaktin varmistamiseksi ruuvilla. Takakannessa heliumin virtausaukon edessä on myös levy, jossa on safiirilasi-ikkuna laservaloa varten. Levy muuttaa heliumin virtauksen homogeeniseksi ja ikkuna tarvitaan jotta laservalo pääsee ioniohjaimeen. Ioniohjaimen takakannen sisäpuolella on hehkulangan kiinnitystä varten messinkiset leuat joiden väliin hehkulanka puristetaan. Leuat on eristetty muusta kammiosta. 58

Kuva 3 Kuvassa näkyvät hyvin hehkulangan lämmitysjohtimet takakannen molemmin puolin sekä lämmitysvastus. Termoparin johto on kuvan alareunassa eikä sitä ole kytketty, koska se voidaan kytkeä vasta kun kammion runko kiinnitetään takakanteen. Hehkulanka näkyy sisäpuolen tappien välissä, kuvassa yttrium-hehkulanka joka on keskeltä noin 2 mm leveä. Helium liitin jää kuvassa alapuolelle. Kuva 4 Ioniohjaimen takakansi. Ioniohjaimen runko on kulmista pyöristetty suorakulmainen särmiö, jonka yhdellä sivulla on kiinnitys ikkunalle josta reaktiotuotteen tulevat kammioon hiukkaskiihdyttimellä tehtävissä kokeissa. Ikkuna on valmistettu havar metalliseoksesta jonka paksuus on 2 µm. Havar ikkunan 59

tilalle voidaan vaihtaa täyte pala, jossa on paikka pienemmälle ikkunalle. Pienemmän ikkunan kohdalle voidaan asettaa joko kohtiokalvo tai lasi-ikkuna. Vastakkaisella puolella on irrotettava suorakulmion muotoinen pala, jossa on myös paikka ikkunalle. Ikkunana käytetään metallikalvoa, jonka läpi kiihdyttimen suihku voidaan ohjata kun kiihdytinsuihkulla halutaan läpäistä kammio. Suorakulmion muotoinen pala mahdollistaa hehkulangan vaihtamisen ilman, että kamminrungon ja takakannen kiinnityksiä tarvitsee avata. Kuvassa 5 a on ioniohjaimen runko ja kuvassa 5 b ioniohjaimen runko on kiinnitetty takakanteen. a) b) Kuva 5 a) Ioniohjaimen runko, b) ioniohjain on kuvattu ilman etukantta ennen hehkulangan vaihtoaukon tekemistä. Etukansi kapenee kartionmuotoisesti kohti ns. ionisaatiokäytävää, jonka päässä on 1mm halkaisijaltaan oleva suutin (katso kuva 6). Ionisaatiokäytävä on alue jossa laserionisaatio pääsääntöisesti tapahtuu. Laserionisaatiota tapahtuu myös syvemmällä kammiossa, mutta kauempana ulosvirtausaukosta ionisoitavilla tuotteilla on pienempi todennäköisyys kulkeutua ulos ioniohjaimesta paljaina ioneina, koska niillä on pidempi aika muodostaa molekyylejä epäpuhtauksien kanssa, ajautua diffuusion vaikutuksesta kammion seinään tai neutraloitua. Ionisaatiokäytävän pituus on valittu siten, että jokainen sen läpi kulkeva yttrium atomi näkee laservalon siellä ollessaan vähintään kerran. Laserien toistotaajuus on noin 11 khz. 60

Kuva 6 Ioniohjaimen etukannen sisäpuoli Suutin ja ionisaatiokäytävä ovat irrotettavissa kannesta. Kannen etupuolelle tulee kiinni vesijäähdytys jonka putket kulkevat kammion rungon ja takakannen päältä kannatinsylinteristä tuleviin putkiin, liitokset on tehty Swageloc liittimillä. Jäähdytysputket puristetaan kiinni kammioon kehyksellä johon on kiinnitetty sähköisesti erilleen edellä mainittu virranmittauslevy. Levyyn on juotettu johdin joka on viety ulos runkosylinterin yläosasta BNC - läpiviennillä. Kuvassa 7 on ioniohjaimen hehkulangan vaihtoaukko auki. Kuva 7 Kuvassa hehkulangan vaihtoaukko on avattu. Myös suutin ja off line laitteistolla käytettävä mittaulevy näkyvät selvästi. Kuvassa 8 näkyy ioniohjain asennettuna off line laitteistoon. 61

Kuva 8 Kuvassa ioniohjain on kuvattu runkosylinterin sisällä, paikalleen asennettuna. Ioniohjaimen sivulla näkyy Havarikkuna. Etuosassa keskellä näkyy suutin ja virranmittauslevy. Levy ja siitä lähtevä johdin on eristetty sähköisesti muusta kammiosta eristetapeilla. Suuttimen kaasunläpäisy C e on verrannollinen suuttimen halkaisijaan seuraavalla tavalla [3] (2) Ce 2 0,45φ, missä C e :n yksikkö on litraa sekunnissa (l/s) ja φ on suuttimen aukon halkaisija millimetreinä. Käytetyn laserioniohjaimen suuttimen kaasunläpäisy on 0,45 l/s. Ioniohjaimen tilavuus on noin 270 cm 3 litraa eli se tyhjenee noin 0,6 sekunnissa. ja ionisaatiokäytävän tilavuus on noin 0,17 cm 3 jolloin sen tyhjennysaika on noin 0,37 ms. 4. Off line-laitteiston rakentaminen Laserionilähteen kehittämistä varten rakennettiin off line laitteisto, koska IGISOL:n mittausohjelma on erittäin tiukka eikä siellä ole mahdollista testata säännöllisesti. Erillisellä offline-laitteistolla laserionilähteen kehittäminen voitiin irrottaa muusta IGISOL:n toiminnasta. Off-line-laitteiston pumppausjärjestelmä koostuu kolmesta pumpusta, Leybold-Heraeus E 250 - pumpusta sekä Pfeiffer vacuum Duo 10 pumpusta ja Edwards ext 501/ISO 160 turbopumpusta. 62

Pumput on liitetty suureen metallisylinteriin, joka toimii laitteiston runkona. Kuvassa 9 on esitetty laitteiston pumppauskaavio. Ilmausventtiili Öljyhöyryloukku E 250 Pumppu Ioniohjain Turbopumppu Tyhjiöuuni Runkosylinteri Paineanturit Duo 10 esipumppu Kuva 9 Pumppausjärjestelmän kaavio Järjestelmässä on suljettavat venttiilit esipumpun ja turbopumpun, turbopumpun ja tyhjiöuunin, turbonpumpun ja sylinterin sekä E 250 pumpun ja sylinterin välissä. Tyhjiöuuni on liitetty järjestelmään, jotta laitteiston osia voidaan paahtaa ennen käyttöä. Öljyhöyryloukun tehtävä on nimensä mukaisesti kerätä pumpusta tulevat öljyhöyryt. Turbopumpun ohjaukseen käytetään BOC Edwards EXC 120 ohjausyksikköä. Ohjausyksikkö on hieman muunneltu, koska alun perin se ohjasi sekä esipumppua että turbopumppua. Koska nyt esipumppu on eri merkkinen, ei sitä voi ohjata ohjausyksiköllä. Ohjausyksikkö modifioitiin siis ohjaamaan vain turbopumppua ja esipumpun ohjaus suoritetaan manuaalisesti. Laitteiston runkona toimii sylinteri, johon pumput on kytketty. Se on ulkomitoiltaan noin 101,5 cm pitkä sekä halkaisijaltaan noin 33 cm. Sylinterin molemmissa päissä on 160 mm sisäänmeno, joista toisessa on kiinni E 250 pumppu ja toisessa ioniohjain. Toisella sivulla on yksi 160 mm sisään meno jossa on ikkuna ja turbopumpun puolella on kaksi 100 mm sisään menoa, joista toisessa on 63

turbopumppu ja toinen on käyttämättä. Sylinterin päällä on kaksi 40 mm sisään menoa, joista toiseen on sijoitettu paineanturit ja virranmittauksen läpivienti sekä toiseen on asennettu venttiili sylinterin ilmausta varten. Sisälle on lisäksi rakennettu tuki ioniohjaimelle. Painetta runkosylinterin sisältä mitataan Balzers IKR 020 ja TPR 010 antureilla, jotka on kytketty Balzers TBG 300 yksikköön. Kuvat 10 ja 11 ovat yleiskuvia laitteistosta ja kuvassa 12 on esitetty runkosylinteri sisältäpäin. Kuva 10 Yleiskuva laitteistosta. Kuva 11 Yleiskuva laitteistosta 64

Kuva 12 Kuva runkosylinterin sisältä. Kuvassa näkyy myös ioniohjain ja sen tuki, sekä virran mittaukseen käytettävä anturi sekä sen johto. Johto menee BNC -läpivientiin. Ioniohjaimen kannatinsylinterin takakannassa (kuva 13) on tyhjiöläpiviennit termoelementille, lämmitysvastukselle, hehkulangan lämmitykselle, jäähdytysvedelle sekä heliumille. Kannan keskellä on lisäksi ikkuna, josta laservalo ohjataan ioniohjaimeen. Kuva 13 Kannatinsylinterin kannassa näkyvistä läpivienneistä pitkä ¼ putki Swageloc liittimin kuuluu heliumlinjalle, sen yläpuolella olevat kaksi Swagelogia ovat kammion jäähdytysveden läpiviennit. Seuraava läpivienti on termoparin. Termoparin läpiviennistä seuraavana myötäpäivään on hehkulangan lämmityksen läpiviennit jotka ovat itse tehtyjä. Hehkulangan lämmitys ja helium läpivientien välissä on kaksi BNC-läpivientiä jotka ovat kammion paistamiseen käytettävän vastuksen läpiviennit. Läpivientien keskellä näkyy safiirilasi- ikkuna, josta laservalo ohjataan tyhjiöön. 65

Kuvassa 14 on helium-linjasto, jolla helium ensin puhdistetaan ja sitten syötetään ioniohjaimeen josta se purkautuu suuttimen kautta sylinteriin. Helium-linjasto on rakennettu käyttäen swageloc liittimiä ja Nupro venttiilejä. Ioniohjaimen sisäpainetta mitataan Thermovac- anturilla heliumlinjasta. Kuva 14 Helium-linjasto Heliumjärjestelmän on tärkeää olla puhdas ja siksi linjaston rakentamiseen käytettiin mahdollisimman uusia ja puhtaita osia. Putket ja liittimet puhdistettiin ensin alkoholilla joka puhallettiin pois typpikaasulla. Tämän jälkeen putket paistettiin tyhjiöuunissa 130 o C noin 24 tuntia. Laitteiston toimiessa helium kierrätetään kylmäloukun kautta. Myös kylmäloukku paistettiin tyhjiöuunissa ennen laitteiston kokoamista. Linjaston on-off- venttiilejä käyttäen voidaan myös osa järjestelmästä ilmata ja samalla pitää muut osat tyhjiössä. Näin osaa järjestelmästä voidaan korjata tai muunnella muiden osien pysyessä tyhjiössä. 5. Mittaukset Mittaukset aloitettiin off-line laitteistolla. Ensimmäisissä mittauksissa yritettiin ainoastaan havaita laserefekti. Seuraavassa vaiheessa, kun laserionisaatio oli saatu toimimaan, testattiin off-line laitteistolla ionisaatioskeemojen eroja, paineen vaikutuksia sekä yritettiin mitata kammion tyhjennysaikoja pulssittamalla lasereita. Off-line vaiheen aikana myös ioniohjaimeen ja muuhun laitteistoon tehtiin uudistuksia lisätuoton saavuttamiseksi ja mittausten helpottamiseksi. 66

Kun mittaukset siirrettiin IGISOL:lle, aloitettiin koeohjelma hehkulankaa käyttäen. Näin pystyttiin IGISOL virittämään helposti ja varmistamaan, että ionisaatio toimii kuten aiemmissakin mittauksissa. IGISOL:n virityksen jälkeen kokeita jatkettiin kaksi vuorokautta syklotronin suihkua hyväksi käyttäen. Ensimmäisenä päivänä syklotronin suihku ohjattiin ioniohjaimen läpi, jolloin kammioon muodostui plasmaa. Yttriumia tuotettiin samanaikaisesti hehkulankaa lämmittämällä. Toisena online mittauspäivänä hehkulankaa ei enää käytetty, vaan syklotronin suihkulla sputteroitiin yttriumia yttriumkalvosta. Sputterointikokeissa yttriumin konsentraatio helium kaasussa on huomattavasti pienempi hehkulankamittauksiin verrattuna. Molempina on-line mittauspäivinä mittauksia suoritettiin myös pulssittamalla, sekä syklotronin suihkua, että lasereita. Kuvaus mittausten kulusta ja laitteistoon tehdyistä muutoksista on liitteessä 1. Kaikissa mittauksissa laserionisoitiin yttriumia. 6. Havainnot ja tulokset 6.1 Havainnot ja tulokset off-line laitteistolla suoritetuista mittauksista Ensimmäisissä mittauksissa havaittiin, että ionisaatio on todella herkkä eri lähteistä tuleville epäpuhtauksille. Kun mittauksissa pumppuna käytettiin pelkkää esipumppua (E-250), ei positiivisia tuloksia saatu ollenkaan, koska esipumpusta diffusoitui öljyhöyryä ioniohjaimeen vaikka taustapaine ilman kuormaa olikin luokkaa 10-2 mbar. Myös heliumin johtaminen kylmäloukun ohi suoraan ioniohjaimeen tuhosi laserefektin (Liite 2, kuva 3). Off-line laitteistossa voidaan saavuttaa parempi kaasunpuhtaus kuin IGISOL:lla, koska se on rakenteeltaan yksinkertaisempi ja myös tiiviimpi kuin IGISOL. (Off-line laitteiston heliumjärjestelmä on lisäksi huomattavasti kooltaan pienempi kuin IGISOL:n vastaava.) Mittausten tekohetkellä IGISOL:lla tyhjiökammion taustapaine (pumput päällä ilman kaasu kuormaa) on noin 10-2 mbar, mutta off line laitteistolla päästään esipumppu-rootspumppu yhdistelmällä helposti 10-4 mbar alueelle. Nykyisin myös IGISOL:n kammiossa päästään 10-4 mbar alueelle. 67

Off-line laitteistolla laserionisaatio muuttui rutiiniksi, kun esipumppu korvattiin puhtaammalla esipumppu-rootspumppu-yhdistelmällä. Kuvassa 15 on tyypillinen off-line laitteistolla mitattu laservaikutus. 30 sininen kaikki pois päältä pois päältä kaikki päällä 25 sininen päälle sininen sininen päälle pois päältä punainen pois päältä 20 punainen päälle Virta [pa] 15 10 5 0 1600 1800 Aika [s] Kuva 15 Laserionisaatio 6.10. tehdyissä kokeissa. Värit viittaavat laserien väreihin, punainen on 853 nm ja sinisessä ovat aallonpituudet 404 nm ja 728 nm. Tyypillinen ionisaatioefekti, eli ionivirta laserit päällä jaettuna virralla laserit pois päältä oli off-line testeissä välillä 2-10. Suurempiakin vaikutuksia saavutettiin, mutta tällöin jouduttiin hehkulankaa lämmittämään suuremmalla virralla. Huomaa, että käytetty virta on kääntäen verrannollinen hehkulangan ikään. Mittauksissa kokeiltiin eri paksuisia hehkulankoja sen eliniän maksimoimiseksi, mutta hehkulangan paksuudella ei havaittu olevan suurta vaikutusta sen kestoon. Tämä siksi, että paksumpi hehkulanka vaati toisaalta aina suuremman virran hehkuakseen. Testauksen jälkeen päädyttiin käyttämään noin 6 mg/cm 2 paksua hehkulankaa joka on ohuimmalta kohdaltaan noin 3 mm leveä. Tällainen hehkulanka alkaa hehkua (tummana oranssina) keskimäärin noin 3,5 A lämmitysvirralla kun heliumin paine ioniohjaimen sisällä on noin 40 mbar. Ionisaation havaitsemiseen virtana offline laitteistolla tarvitaan samoilla asetuksilla keskimäärin 5 A lämmitysvirta, jolloin hehkulanka hehkuu jo lähes valkoisena. 68

Off-line mittauksissa havaittiin myös se, että ionisaatio on erittäin herkkä laserpulssien ajalliselle ja fyysiselle päällekkäisyydelle. Laserpulssien fyysisen päällekkäisyyden optimointi viimeisiä peilejä käyttäen paransi huomattavasti ionisaatiotehokkuutta. Luonnollisesti myös käytetyillä ionisaatio skeemoilla oli vaikutusta mitattuun virtaan (katso kuva 16 sekä taulukko 1). 45 Laserit pois päältä Laserit päälle Skeema 2 Skeema 3 Skeema 1 40 35 30 Virta [pa] 25 20 15 10 5 0 0 50 100 150 200 250 300 Aika [s] Kuva 16 Eri ionisaatio skeemojen vertailu yttriumille. Skeema 1:ssä käytetyt aallonpituudet ovat 407,8511 nm ja 840,205 nm, skeema 2:ssa 407,8511 nm ja 839,4604 nm sekä skeema 3:ssa 404,8771 nm ja 853,1171 nm. Taulukko 1 Eri ionisaatioskeemojen tunnuslukuja. Skeema Virta laserit päällä virta laserit pois päältä suhde I päällä /I pois Skeema 3 25,5 pa 4,73 pa 5,40 Skeema 1 48,3 pa 3,97 pa 1,22 Skeema 2 37,5 pa 5,55 pa 6,76 Off-line-laitteisto tarjoaa hyvät mahdollisuudet eri ionisaatioskeemojen vertailuun ja sillä on myös mahdollista etsiä parasta ionisaatiotehokkuutta yksittäiselle ionisaatioaskeleelle laserin aallonpituutta hienosäätämällä. Esimerkki tästä on annettu kuvassa 17. 69

4 5 S k e e m a 1 S k e e m a 2 4 0 3 5 3 0 Virta [pa] 2 5 2 0 1 5 1 0 5 0 8 3 9,2 8 3 9,4 8 3 9,6 8 3 9,8 8 4 0, 0 8 4 0,2 8 4 0,4 A a llo n p itu u s [n m ] Kuva 17 Kuvassa on ionivirta skeemojen 1 ja 2 toisen askeleen aallonpituuden funktiona. Kuvaajia voidaan verrata myös toisiinsa, koska molemmilla skeemoilla on sama ensimmäinen viritysaskel. Mittauksissa off-line laitteistolla kupari-höyry-laserilla (CVL) ei ollut havaittavaa vaikutusta ionisaatiotehokkuuteen. CVL:llä toivottiin saavutettavan lisää tehokkuutta, koska sillä generoidaan suuri teho viimeiseen siirtymään, eli siirtymään joka siirtää elektronin jatkumoon. Sen vaikutusta yritettiin nähdä useita eri kertoja ja laserpulssien päällekkäisyyttä ja pulssien ajoitusta optimoitiin, mutta lisätuottoa ei havaittu. 6.2 Havainnot ja tulokset IGISOL:lla suoritetuista mittauksista On-line mittausten aluksi laservaikutus mitattiin ilman kiihdyttimen suihkua vertailukohdan saamiseksi. Off-line mittaus dataa ei voinut käyttää, koska niissä mitattiin kokonaisvirtaa, kun taas on-line mittauksissa havaittiin yksittäisiä massaseparoituja ioneja Micro Channel Plate (MCP) ilmaisimella. MCP mittauksissa hehkulankaa ei tarvinnut lämmittää yhtä kuumaksi sen huomattavasti paremman herkkyyden takia. Tämä tarkoitti myös, että yksi hehkulanka kesti useita päiviä käytössä. Kaikissa mittauksissa on käytetty 40 mbar heliumin painetta ioniohjaimessa. Kuvassa 18 on kuvaaja laserionisaatiosta ilman kiihdyttimen suihkua. 70

5 4 L a s e r i t p o i s L a s e r i t p ä ä l l e Ioneja [kpl/s] 3 2 1 1 2 6 5 1 2 7 0 1 2 7 5 1 2 8 0 1 2 8 5 1 2 9 0 1 2 9 5 A i k a [ s ] Kuva 18 89 Y + intensiteetti massaseparoinnin jälkeen mitattuna MCP:llä. Hehkulangan lämmitysvirta 5 A. Ilman kiihdyttimen suihkua myös yttriummonoksidissa (YO + ) havaittiin selkeä laserefekti. Kuva 19 esittää laserindusoitua yttriummonoksidivirtaa. 8 7 l a s e r i t p o i s l a s e r i t p ä ä l l e 6 Ioneja [kpl] 5 4 3 2 1 0 1 8 2 0 1 8 4 0 1 8 6 0 1 8 8 0 1 9 0 0 A i k a [ s ] Kuva 19 Laserindusoitu yttriummonoksidivirta ilman kiihdytinsuihkua. Hehkulangan lämmitysvirta 4,7 A. Kun hehkulanka pidettiin päällä ja kiihdyttimen suihku ( 32 S +7, 165 MeV) ohjattiin kammioon nikkeli-ikkunan (3,7 mg/cm 2 ) läpi, muodostui sinne plasmaa. Kuvassa 20 on yttriumin tuotto hehkulanka ja kiihdytinsuihku päällä ja kuvassa 21 on yttriummonoksidin tuotto samoilla asetuksilla. 71

4 5 0 L a s e r i t p o is L a s e r it p ä ä lle L a s e r it p o is L a s e r it p ä ä ll e 4 0 0 3 5 0 Ioneja [kpl] 3 0 0 2 5 0 2 0 0 1 5 0 2 2 8 0 2 2 9 0 2 3 0 0 2 3 1 0 2 3 2 0 2 3 3 0 2 3 4 0 2 3 5 0 A ik a [ s ] Kuva 20 Massaseparoidun yttriumin tuotto 4,7 A hehkulangan lämmitysvirralla ja 40n A kiihdytinsuihkulla. 8 0 0 E i v a i k u t u s t a l a s e r e i s t a Ioneja [kpl/s] 7 0 0 6 0 0 5 0 0 9 0 0 9 1 0 9 2 0 9 3 0 9 4 0 9 5 0 9 6 0 9 7 0 9 8 0 9 9 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 2 0 1 0 3 0 1 0 4 0 A i k a [ s ] Kuva 21 Massaseparoidun Yttriummonoksidin tuotto 4,7 A hehkulangan lämmitysvirralla ja 40 na kiihdytinsuihkulla. Laserit olivat päällä ja pois usean kerran mittausvälin aikana, eli lasereilla ei ole havaittavaa vaikusta yttriummonoksidin tuottoon. Yttriumin tuoton kasvu sekä laserit päällä että pois päältä, kun kiihdyttimen suihku ohjataan sisään kammioon, johtuu kiihdytinsuihkun molekyylejä hajottavasta ja ionisoivasta ominaisuudesta. Hehkulanka sijaitsee ioniohjaimen takaosassa eli suhteellisen kaukana ulosvirtausaukosta ja ionisaatiokäytävästä. Kun hehkulangasta irtoaa yttriumia, se kerkeää muodostaa molekyylejä epäpuhtauksien kanssa matkallaan ulos kammiosta. Esimerkkinä molekyyleistä voidaan mainita yttriumoksidi Y 2 O 3. Kiihdytinsuihku hajottaa molekyylejä ioniohjaimen sisällä, jolloin yttriumatomeja vapautuu ionisaatiokäytävän läheisyydessä ja ne voidaan laserionisoida. Plasma häivyttää laserefektin syvemmällä kammiossa. Yttriummonoksidissa ei nähdä laserien vaikutusta, 72

koska yttrium ja happi eivät kerkeä muodostaa molekyyliä ajassa jonka hiukkaset viettävät ionisaatiokanavassa. Sekä yttriumin että yttriummonoksidin tuotto kasvaa huomattavasti, kun kiihdytinsuihku ohjataan sisään ioniohjaimeen. Tästä voidaan päätellä, että kammiossa on paljon epäpuhtauksia. Tehdyistä mittauksista voidaan myös päätellä, että yttriummonoksidin muodostuminen on nopeampaa kuin useimpien muiden ioniohjaimessa muodostuvien yttriummolekyylien, mutta ei tarpeeksi nopeaa jotta yttriummonoksidia muodostuisi ionisaation jälkeen ionisaatiokäytävässä. Täten havaittava yttriummonoksidivirta muodostuu syvemmällä ioniohjaimessa eikä lasereilla ole siihen vaikutusta. Kuten kuvista 20 ja 22 huomataan, ei kiihdytinsuihkun intensiteetillä ole suurta vaikutusta yttriumin tuottoon. 4 0 0 3 5 0 L a s e r i t p o i s L a s e r i t p ä ä l l e K i i h d y t i n s u i h k u p o i s 3 0 0 Ioneja [kpl] 2 5 0 2 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 0 9 4 0 9 6 0 9 8 0 1 0 0 0 1 0 2 0 1 0 4 0 A i k a [ s ] Kuva 22 Yttriumin tuotto 4,7 A hehkulangan lämmitysvirralla ja 98 na kiihdytinsuihkulla Paineen vaikutus tuottoon on MCP mittauksissa huomattavasti suurempi kuin off-line laitteistolla mitattaessa. Tämä johtui käytetystä hehkulangan lämpötilasta ja yttriumille ominaisesta osapainekäyttäytymisestä. Off-line laitteistolla tehdyissä mittauksissa nimittäin havaittiin, että yttriumin tuoton kasvu ei ole lineaarista virran suhteen vaan pienellä virran muutoksella voi olla hyvinkin suuri vaikutus tuottoon. Hehkulangan lämpötilaan vaikuttaa paitsi hehkulangan lämmitysvirta, myös ioniohjaimen sisäpaine. Myös IGISOL:n läpäisytehokkuus on saattanut muuttua vähän paineen mukana. Muutos on kuitenkin pieni kun IGISOL:ssa käytetään skimmeriä, kuten näissä mittauksissa tehtiin. Kuvassa 23 näkyy paineen muutoksen vaikutus yttriumin tuottoon ilman lasereita. 73

4 0 0 P a in e 4 0 m b a r -> 5 0 m b a r 3 5 0 3 0 0 2 5 0 Ioneja 2 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 0 1 0 7 0 1 0 8 0 1 0 9 0 1 1 0 0 1 1 1 0 A ik a [s ] Kuva 23 Yttriumin tuotto, kun paine muuttuu. Hehkulangan lämmitysvirta oli 4,7 A ja kiihdytinsuihku 98 na. Mittauksissa joissa syklotronia ja lasereita pulssitettiin, data kerättiin Penning-loukun tiedonkeruu järjestelmällä ja jokaista mittaussykliä toistettiin 10-100 kertaa. Ennen kuvien piirtämistä data muokattiin paremmin käsiteltävään muotoon eli saman mittauksen syklit summattiin yhteen tilastollisuuden saavuttamiseksi. Lisäksi dataa tasoitettiin luettavampaan muotoon laskemalla jokaisesta pisteessä keskiarvo, johon otettiin kolmekymmentä pistettä kyseisen pisteen molemmin puolin. Yhden syklin pituus mittauksissa oli kuusi sekuntia ja se koostuu 7168 mittauspisteestä. Yhden mittauspisteen leveys on 0,655 ms/piste. Mittausväli ei ollut täysi sykli vaan dataa kerättiin ensimmäiset 4,7 sekuntia. Ensimmäisissä testeissä vain kiihdytinsuihkua pulssitettiin ja laserit olivat joko päällä tai pois päältä koko testin ajan. Ensimmäisenä on-line mittauspäivänä hehkulankaa lämmitettiin 4,7 A virralla kaikissa pulssitustesteissä. Testeissä havaittiin selvä laserionisaatio sekä kiihdytinsuihkun kanssa että ilman sitä. Kuvassa 24 ionisaatio näkyy selvästi. Kuvan testeissä kiihdyttimen suihku oli päällä kolme sekuntia syklin alusta ja pois päältä siitä eteenpäin. 74

1 0 te s ti1 te s ti2 te s ti3 te s ti4 Ioneja 5 0 0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 A ik a [m s ] Kuva 24 Laserionisaatio syklotronin pulssituksella ja 35 na suihkulla. Testeissä 1 ja 2 laserit olivat päällä ja testeissä 3 ja 4 laserit olivat pois päältä. Kiihdytinsuihkun ollessa pois päältä tuotto on ~0 ionia/ms (laserit pois päältä) ja 1,8 ionia/ms (laserit päällä). Kiihdytinsuihkun ollessa päällä vastaavat luvut ovat 3,8 ionia/ms laserit pois päältä ja 8,3 ionia/ms laserit päällä. Laserit siis kasvattavat tuottoa 4,5 ionia/ms kiihdytinsuihkun ollessa päällä, mutta vain 1,8 ionia/ms, kun kiihdytinsuihku on pois päältä. Kuten aiemmin jo mainittiin, kiihdytinsuihku ionisoi yttriumia ja se myös hajottaa molekyylejä joita yttrium muodostaa epäpuhtauksien kanssa ja näistä molekyyleistä vapautunutta yttriumia ionisoidaan myös lasereilla. Ionisaatiokäytävässä kulkiessaan yttrium ei enää ehdi muodostamaan molekyylejä, mutta osuu kuitenkin laserien valoon ja ionisoituu. Kiihdytinsuihku siis synnyttää lisää yttriumia laserionisoitavaksi hajottamalla molekyylejä, joita muodostuu yttriumin kulkeutuessa ioniohjaimen perällä sijaitsevasta hehkulangalta kohti ioniohjaimen suuaukkoa. Kuvassa 25 näkyy yttriummonoksidin tuotto, kun kiihdytintä pulssitettiin. Tuotossa ei ole merkittävää eroa laserien ollessa päällä tai pois päältä kun kiihdytinsuihku on päällä. Kiihdyttimen suihkun ollessa pois päältä lasereilla on selvä vaikutus. 75

100 Y ttriu m m o n o k sid i, la s e rit p o is Y ttriu m m o n o k sid i, la s e rit p ä ä llä 1 0 Ioneja 1 0 1000 2 000 3 000 A ika [m s] Kuva 25 Yttriummonoksidin tuotto. Kiihdytinsuihku päällä 0-1 s ja pois 1-6 s. Hehkulangan lämmitysvirta 4,7 A, kiihdytinsuihkun intensiteetti 40 na ja heliumin paine ioniohjaimessa 40 mbar. Kuvassa 26 näkyy myös selkeästi lasereiden vaikutus yttriumin tuottoon. Testissä 15, jossa laserit olivat päällä 0,25-1vs ja kiihdytinsuihku 0-1 s näkyy selvästi kuinka tuotto saavuttaa ensin tason jonka se saa ilman lasereita ja kuinka laserit edelleen nostavat sitä. Testissä 14 taas näkyy selvästi laserien aikaansaama tuoton parannus kiihdytinsuihkun ollessa pois päältä. 1 6 1 4 1 2 t e s t i 1 4 t e s t i 1 5 1 0 Ioneja 8 6 4 2 0 0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 A ik a [ m s ] Kuva 26 Yttriumin tuotto kiihdytinsuihkun ollessa päällä 0 1 s ja pois päältä 1-6 s. Testissä 14 laserit olivat päällä 2 3 s ja muuten pois päältä. Testissä 15 laserit olivat päällä 0,25 1 s ja muuten pois. Koska kohtiona käytettiin luonnon nikkeliä ja suihkuna oli 165 MeV 32 S, syntyy myös radioaktiivisia yttriumin isotooppeja kuten esimerkiksi 82 Y. Merkittävää laserefektiä 82 Y tuotossa ei 76

kuitenkaan käytännössä havaittu, kuten kuva 27 osoittaa. Kiihdyttimen suihku oli kaikissa testeissä päällä 0 1 s ja jokaiseen mittaukseen otettiin 20 sykliä. Suihkun päällä ollessa havaittiin hieman enemmän ioneja kuin suihkun ollessa pois päältä. 1, 0 0, 9 0, 8 T e s ti 1 6 T e s ti 1 7 T e s ti 1 8 T e s ti 1 9 0, 7 Ioneja 0, 6 0, 5 0, 4 0, 3 0, 2 0, 1 0, 0 0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 A ik a [m s ] Kuva 27 Radioaktiivisen yttriumin (A=82) tuotto. Kaikissa testeissä 16-19 kiihdyttimen suihku oli ioniohjaimen sisällä 0 1 s. Testissä 16 laserit olivat päällä 0 0,59 s. Testissä 17 pulssitus oli sama kuin testissä 16, mutta flip laitettiin sisään jolloin ionit eivät pääse kulkemaan MCP:lle asti. Testi 17 on siis vain satunnaisia ioneja. Testissä 18 laserit olivat päällä kokoajan ja testissä 19 pois päältä kokoajan. Jokaisessa testissä mitattiin 20 sykliä. Seuraavana päivänä ioniohjain käännettiin 180 o jolloin kiihdytinsuihku tulee ioniohjaimeen yttriumikkunan läpi ja poistuu nikkeli-ikkunasta. Heliumin paineena ioniohjaimessa käytettiin 40 mbar. Nyt hehkulankaa ei lämmitetty, vaan yttriumia (stabiili 89 Y) sputteroitiin yttrium ikkunasta kiihdytinsuihkulla. Kiihdytinsuihku pidettiin samana, eli 165 MeV 32 S +7. Yttriumin tuottoa tutkittiin sekä jatkuvalla että pulssitetulla suihkulla kahdella eri suihkun intensiteetillä, 40 na:lla ja 80 na:lla. Heliumin paine ioniohjaimessa oli näissäkin kokeissa 40 mbar. Kuvassa 28 on yttriumin tuotto molemmilla intensiteeteillä. 77

9 4 0 n A 8 0 n A 8 7 6 Ioneja [kpl/s] 5 4 3 2 1 0 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 2 2 2 4 2 6 2 8 3 0 3 2 3 4 A i k a [ s ] Kuva 28 Yttriumin tuotto molemmilla suihkun intensiteeteillä. Lasereilla ei havaittu tuoton lisäystä yttriumin tuottoon, vaikka lasereita kokeiltiin molemmilla intensiteeteillä useamman kerran. Syklotronisuihkun intensiteetin funktiona tuotto käyttyäytyi lineaarisesti. Myöskään suihkua pulssittamalla ei havaittu laserefektiä (eri pulssituksia, ioniohjaimen paineita ja suihkun intensiteettejä kokeiltiin). Mittausten tuloksia esitellään kuvissa 29, 30 ja 31. 2,0 te s ti 2 9, la s e rit p ä ä llä te s ti 3 0, la s e rit p o is p ä ä ltä te s ti 3 1, la s e rit p ä ä llä 1,5 Ioneja 1,0 0,5 0,0 0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 A ik a [m s ] Kuva 29 Syklotronin suihku päällä 0-1 s ja pois 1-6 s. Suihkun intensiteetti 80 na ja heliumin paine ioniohjaimen sisällä 40 mbar. Testissä 30 laserit olivat pois päältä ja testeissä 29 ja 30 laserit olivat päällä. 100 sykliä mitattu. 78

2,0 1,5 L a s e r it p o is p ä ä ltä L a s e r it p ä ä llä Ioneja 1,0 0,5 0,0 0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 A ik a [m s ] Kuva 30 Syklotronin suihku päällä 0-2 s ja pois 2-6 s. Suihkun intensiteetti 40 na ja heliumin paine ioniohjaimen sisällä 40 mbar. Testissä 30 laserit olivat pois päältä ja testissä 35 laserit olivat päällä. 100 sykliä mitattu. Kuvassa 30 näkyy käytös, jossa tuotto putoaa kun kiihdyttimen suihku ohjataan ioniohjaimeen, tuotto nousee selkeään maksimiinsa kun kiihdytinsuihku katkaistaan jonka jälkeen tuotto alkaa heikentyä. 0,6 te s ti 4 2, la s e rit p o is p ä ä ltä te s ti 4 3, la s e rit p ä ä llä 0,5 0,4 Ioneja 0,3 0,2 0,1 0,0 0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 A ik a [m s ] Kuva 31 Syklotronin suihku päällä 0-2 s ja pois 2-6 s. Suihkun intensiteetti 40 na ja heliumin paine ioniohjaimen sisällä 100 mbar. Testissä 42 laserit olivat pois päältä ja testissä 43 laserit olivat päällä. 50 sykliä mitattu. Paineen vaikutus tuottoon on huomattava. Kuvissa 29 ja 30, joissa paine ioniohjaimessa on 40 mbar, yttriumin tuotto on suurempi kiihdytinsuihkun ollessa pois päältä. Kuvassa 31, jossa paine on 100 mbar, tuotto on taas parempi kiihdytinsuihkun ollessa päällä. Tuotot ovat vertailu kelpoisia, jos 79

testien 42 ja 43 tuotot (kuvassa 31) kerrotaan kahdella, koska kyseisissä testeissä mitattiin vain 50 sykliä ja muissa 100 sykliä. Kuten näkyy ovat kiihdyttimen suihku päällä tuotot samat, mutta plasmatiheyserojen johdosta suihku pois osuuksissa on merkittäviä eroja. Käytetyllä syklillä yttriummonoksidin tuotossa ei havaittu lisäystä lasereilla eikä tuotossa ole havaittavia eroja kiihdytinsuihkun ollessa päällä tai pois päältä. Kuvassa 32 on yttriummonoksidin tuotto yttriumia sputteroitaessa laserit päällä ja pois päältä, kun kiihdytinsuihkua pulssitettiin. 0,3 5 te s ti 3 7, la s e r it p ä ä llä te s ti 3 8, la s e r it p o is p ä ä ltä 0,3 0 0,2 5 Ioneja 0,2 0 0,1 5 0,1 0 0,0 5 0,0 0 0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 A ik a [m s ] Kuva 32 Yttriummonoksidin tuotto 40 na kiihdytinsuihkulla ja 40 mbar paineella ioniohjaimessa. Kiihdytinsuihku oli päällä 0 2 s ja pois päältä 2-6 s. Lopuksi suoritettiin laitteiston tarkistus toistamalla mittauksia hehkulangan kanssa. Hehkulankaa lämmitettiin 4,7 A lämmitysvirralla. Näillä arvoilla mitattiin yttriumin tuotto laserien kanssa ja ilman. Tulos on nähtävissä kuvassa 33. 80

3 5 3 0 L a s e r it p o is 2 5 Ioneja [kpl/s] 2 0 1 5 1 0 5 0 5 8 0 6 0 0 6 2 0 6 4 0 6 6 0 6 8 0 A ik a [s ] Kuva 33 Yttriumin tuotto hehkulankaa lämmittämällä 4,7 A virralla. Seuraavaksi kiihdytinsuihku ohjattiin ioniohjaimen läpi ja hehkulankaa hehkutettiin edelleen. Kuvassa 34 on yttriumin tuotto hehkulangan ja kiihdytinsuihkun ollessa päällä ja kuvassa 35 on yttriummonoksidin tuotto samoissa olosuhteissa. 5 0 0 4 5 0 L a s e r it p ä ä lle Ioneja [kpl/s] 4 0 0 3 5 0 3 0 0 2 5 0 8 0 0 8 2 0 8 4 0 8 6 0 8 8 0 9 0 0 A ik a [s ] Kuva 34 Yttriumin tuotto hehkulankaa lämmittämällä (4,7A) ja kiihdyttimen suihkun intensiteetillä 40nA. 81

2 2 7 5 2 2 5 0 2 2 2 5 l a s e r i t p o i s 2 2 0 0 2 1 7 5 ioneja [kpl/s] 2 1 5 0 2 1 2 5 2 1 0 0 2 0 7 5 2 0 5 0 2 0 2 5 2 0 0 0 5 2 0 5 3 0 5 4 0 5 5 0 5 6 0 5 7 0 A i k a [ m s ] Kuva 35 Yttriuminmonoksidin tuotto samoissa olosuhteissa kuin kuvassa 34). Lasereilla ei havaittavaa vaikutusta. Tulokset ovat yhteneviä edellisen päivän mittausten kanssa. Tästä voidaan päätellä, että olosuhteet laitteistossa ovat pysyneet muuttumattomina ja että eri päivien tuloksia voidaan vertailla toisiinsa. 7. Johtopäätökset IGISOL:lla tehdyistä mittauksista havaitaan, että pelkän hehkulangan kanssa operoitaessa laserionisaatio toimii samoin kuin off-line laitteistossa. Kun kiihdyttimen suihku ohjataan ioniohjaimen läpi, muodostuu ioniohjaimen kaamion sisään plasma joka muuttaa olosuhteet huomattavan erilaisiksi. Hehkulankamittauksissa on ioniohjaimen sisällä runsaasti yttriumia joka muodostaa erilaisia yhdisteitä epäpuhtauksien kanssa. Kiihdytinsuihku lisää tuottoa huomattavasti, koska se rikkoo muodostuneita yttriummolekyylejä. Kun yttriumia sputteroidaan tai sitä syntyy reaktiotuotteina, on yttriumia ioniohjaimen sisällä huomattavasti vähemmän hehkulankamittauksiin verrattuna. Tällöin lasereilla ei onnistuta ionisoimaan ainakaan havaittavaa osuutta yttrium atomeista. Näissä kokeissa sputteroituja (yttriumkohtio suihkuun päin) tai reaktiolla (nikkelikohtio suihkuun päin) tuotettuja yttriumatomeja oli vähän, koska käytetyt kiihdytinsuihkun intensiteetit olivat pieniä. Voimakas plasma ioniohjaimen sisällä laskee tuottoa, mutta toisaalta plasma on myös välttämätön reaktiotuotteiden neutralisaation kannalta. Seuraava askel laserionilähteen kehittämisessä on Heavy-Ion Guide Isotope Separator On-Line (HIGISOL) tekniikka, jossa kiihdytinsuihku pysäytetään ulkoisen kohtion jälkeen ennen ioniohjainta, jolloin vain reaktiotuotteet pääsevät ioniohjaimen sisään. Kun kiihdytinsuihku ei läpäise ioniohjainta, syntyy plasmaa vain reaktiotuotteiden toimesta eli olosuhteet ovat lähempänä off-line-olosuhteita. Laserionilähteen kehitystä jatketaan myös muilla rintamilla 82

VIITTEET [1] Marius Facina: A gas catcher for the selective production of radioactive beams trough laser ionisation, Katholieke Universiteit Leuven 2004, Ph.D Thesis [2] NIST Atomic Spectra data base (http://physics.nist.gov/physrefdata/asd/index.html) [3] Kari Peräjärvi: Studies of Ion transport in gases; applications in nuclear physics, Jyväskylän Yliopisto 2001, Väitöskirja 83

LIITTEET LIITE 1 LIITE 2 LIITE 3 LIITE 4 Mittausten kulku ja laitteistoon tehdyt muutokset Raportti mittauksista 6.10.2005 (Englanniksi) Raportti mittauksista 18.10.2005 (Englanniksi) Raportti mittauksista 21.10.2005 (Englanniksi) 84

LIITE 1 Mittausten kulku ja laitteistoon tehdyt muutokset Ensimmäinen laitteiston testaus suoritettiin 26.9.2005. Hehkulankana testissä käytettiin yttrium hehkulankaa, jonka leveys kapeimmalta kohdaltaan oli 2mm ja hehkulangan paksuus oli 5mg/cm 2. Testi aloitettiin sulkemalla turbopumpulta laitteistoon tulevat venttiilit jonka jälkeen kammioon alettiin päästää heliumia kylmäloukun lävitse. Kun heliumin paine oli lähellä ilmanpainetta runkosylinterissä, aloitettiin runkosylinterin pumppaus E-250 pumpulla. On tärkeää päästää heliumin paine lähelle ilmanpainetta ennen kuin aloitetaan pumppaus, koska mikäli runkosylinterissä on parempi tyhjiö kuin E-250 pumpussa imee runkosylinteri öljyä pumpusta jolloin laitteisto likaantuu ja on vaikea puhdistaa. Pumppaus tulee myös suorittaa hitaasti, ettei havar ikkuna rikkoonnu. Havar ikkunan paksuus oli 2µ m Kun pumppauksessa ja heliumin laskemisessa oli saavutettu tasapainotila jolloin ioniohjaimen sisä- ja ulkopaineen (=runkosylinterin sisäpaine) ero oli 70mbar, aloitettiin virta-anturin jännitteen nosto -200 volttiin hehkulangan lämmittäminen. Hehkulangan lämmettyä hieman, ohjattiin laserit kammioon. Virtamittarissa havaittiin vain vuotovirran heilahteluja joissa ei ollut eroa laserin ollessa päällä tai pois. Hehkulangan lämmitysvirtaa nostettiin hitaasti aina neljään ampeerin asti jolloin hehkulanka paloi poikki. Kokeessa ei havaittu ioneja, mutta positiivinen havainto oli että havar ikkuna kestää ainakin 70mbar paine-eron. 27.9.2005 laitteistoon suoritettiin pieniä muutoksia, havar ikkunan tilalle asennettiin metallilaippa jonka keskellä on pieni safiirilasi-ikkuna jonka läpi hehkulanka näkyy sekä palanut hehkulanka korvattiin 2,8mm leveällä hehkulangalla jonka paksuus oli myös 5mg/cm 2. Seuraava testaus suoritettiin 28.9.2005. Anturin jännite asetettiin -150 volttiin, paine ioniohjainkammion sisällä 70mbar:iin ja kammion ulkopaine 1,2mbar:iin. Tällöin vuotovirraksi havaittiin noin 0,05nA, mutta ionisaatiota ei havaittu. Paineet laskettiin 40mbar:iin ja 0,56mbar:iin ja hehkulangan hehkumista tutkittiin hehkulangan lämmitysvirran funktiona. Hehkulanka alkoi hehkua kun virta oli 3,1A ja virtaa nostettiin vielä 3,3A:iin. Ionisaatiota ei havaittu tälläkään kertaa. 29.9.2005 jatkettiin kokeita samalla hehkulangalla kuin edellisenä päivänä. Paineet asetettiin nyt 40mbar:iin ja 0,56mbar:iin. Hehkulangassa havaittiin pientä hehkumista kun virta oli 3A. Virtaa kohotettiin aina 4A asti jolloin hehkulanka hehkui keskeltä kirkkaana ja valkeana. Anturin jännite 85

oli -150V. Tälläkin kertaa havaittiin vain 0,01nA vuotovirta, mutta ei ionisaatiota. Kuvassa 1 näkyy hehkulangan hehkuminen Kuva 1 Hehkulanka hehkuu. 30.9.2005 suoritettiin edelleen kokeita samalla hehkulangalla. Paineet asetettiin 130mbar:iin ja 2,6mbar:iin. Hehkulangan lämmitysvirta nostettiin 5 ampeeriin. Tällä kertaa mitattiin elektronivirtaa ja anturin jännitteeksi asetettiin +14,84V. Elektronit tulivat hehkulangasta, koska virta loppui kun hehkulanka paloi poikki noin tunnin kuluttua. Laser ei vaikuttanut elektronivirtaan millään tavalla, eli ionisaatiota ei havaittu tälläkään kertaa. 3.10.2005 vaihdettiin hehkulanka. Uusi hehkulanka oli 2,8mm leveä ja paksuus 5mg/cm 2. Myös Leybold E-250 pumppu korvattiin puhtaammalla esipumppu-rootspumppu yhdistelmällä, joka on teholtaan sama kuin E-250. Esipumppu on malliltaan Edwards 52M40 ja roots Edwards mechanical booster EH 250. 4.10.2005 suoritetuissa mittauksissa paineet asetettiin 33mbar:iin ja 0,38mbar:iin sekä hehkulankaa lämmitettiin 4 ampeerin virralla. Ensin havaittiin noin 2pA:n virran nousu laserien ollessa päällä ja myöhemmin, kun laserien optiikkaa säädettiin paremman päällekkäisyyden saamiseksi ero laserien ollessa päällä tai pois kasvoi noin 10pA:iin. Ionisaatio saatiin siis aikaiseksi, syy aikaisempien 86

kertojen epäonnistumiseen oli ilmeisesti E-250 pumpussa josta diffusoitui öljyhöyryä ioniohjaimeen ja nämä epäpuhtaudet estivät ionisaation. Lopuksi hehkulanka paloi jälleen poikki. 5.10.2005 hehkulangaksi vaihdettiin 3mm leveä hehkulanka, joka koostui kahdesta 3mg/cm 2 olevasta kalvosta jolloin kokonaispaksuus on 6mg/cm 2. Uudella hehkulangalla suoritettiin mittauksia 6.10.2005 Näissä mittauksissa vahvistettiin laitteiston toiminta ja kokeiltiin paineen ja hehkulangan lämmitysvirran vaikutusta ionisaation virtaan. Tarkempi kuvaus mittauksista 6.10.2005 on liitteessä 2. Tärkeimpiä havaintoja kokeessa olivat, että laitteiston on oltava puhdas (kylmäloukun ohittaminen lopetti ionisaation välittömästi) sekä lasersuihkujen päällekkäisyys on myös erittäin tärkeää ionisaation kannalta. Viikolla 41 (2005) ei suoritettu mittauksia, mutta laitteistoon suoritettiin pieniä muutoksia. Laitteistoon rakennettiin laserin pulssittamista varten laitteisto, joka koostuu sähkömoottoriin kiinnitetystä kiekosta jossa on aukko. Aukon leveys on 3,6 o eli, vastaa yhtä sadasosaa. Tällöin voidaan säätää pulssien väliä ja pituutta muuttamalla sähkömoottorin kierroksia. Laserit ovat siis päällä 1/100 kierrosajasta ja pois 99/100. Laitteistosta saadaan myös pulssi oskilloskoopille fotodiodin kautta. Fotodiodilta saatu pulssi toimii oskilloskoopin triggerinä. Kuvassa 2 on pulssitukseen käytetty kiekko ja siihen liittyvä laitteisto. Kuva 2 Kiekko pyörii säädettävällä moottorilla ympäri, jolloin laser pääsee kammioon kierrosajan sadasosan ajan. Kun laser kulkee aukon kautta kammioon, se osuu matkalla lasilevyyn joka on asetettu hieman vinoon. Suurin osa laserista läpäisee levyn, mutta osa heijastuu fotodiodiin jolta saadaan signaali oskilloskoopin triggaamiseksi. 87

Lisäksi suunniteltiin muutoksia ioniohjaimen kammioon, mutta niitä ei vielä toteutettu työpajan kiireiden takia. 17.10.2005 laitteistoon vaihdettiin uusi hehkulanka, joka on kapeimmalta kohdaltaan 2mm leveä ja filamentin paksuus on 55,9mg/cm2. 18.10.2005 suoritetuissa mittauksissa oli tavoitteena verrata eri ionisaatio skeemoja, mutta hehkulanka paloi poikki, kun aloimme ionisoida yttriumia. Havaitsimme kuitenkin, että uusi ionisaatio skeema toimii. Yhteenveto mittauksista on liitteenä 3. Ioniohjaimeen suoritettiin pieniä muutoksia 20.10.2005. Ioniohjaimen kammioon tehtiin havar/safiirilasi ikkunan vastaiselle puolelle aukko hehkulangan vaihtamista varten, sekä paikka kohtio-/ läpäisyikkunalle, jolloin kiihdyttimen suihku voidaan ohjata kammion läpi ja siten suorittaa kokeita IGISOL:illa. Muutokset näkyvät selvästi kuvissa 3 ja 4. Lisäksi vaihdettiin uusi hehkulanka, joka on 3,1mm leveä ja hehkulangan paksuus on 6,3mg/cm2. Kuva 3 Ioniohjaimen muutokset ja uudet osat. Kuva 4 Ioniohjaimen muutokset. Vasemmalla näkyy ioniohjain luukku auki. Luukusta voidaan vaihtaa hehkulanka ilman koko kammion ottamista osiin ja irti sylinteristä. Seuraavassa kuvassa näkyy kansi paikallaan ja viimeisessä kohtioaukko on tukittu. 88