Development of the MARA-LEB Facility

Abstract

The Mass Analyzing Recoil Apparatus Low-Energy Branch (MARA-LEB) is a new facility under development at the Accelerator Laboratory of the University of Jyväskylä, Finland, that has been designed to obtain isotopically pure radioactive beams of exotic nuclei and perform high-precision experiments to study their nuclear structure. The design of MARA-LEB is discussed, delineating the similarities and inspirations from other nuclear research facilities around the world, along with the unique set of components that differentiates it from other devices. The elements that comprise the facility are outlined in terms of their design concepts and their role in the experimental objectives of the MARA-LEB scientific programme. Simulations and preliminary tests of instruments are presented. Namely, the MARA-LEB gas cell is characterised in depth via window material simulations and gas flow simulations and experiments, including investigation on both transport efficiency and evacuation time. Simulations of the ion-optical transport and acceleration system are also shown, focused on obtaining preliminary working settings and investigating the transmission efficiency through the beamline. Experiments performed at both the IGISOL and MARA facilities ares howcased. At the IGISOL facility, in-gas-cell resonance laser ionisation of naturalt inisotopes was performed with the MARA-LEB gas cell. A characterisation of the resonant lineshapes and their response to different buffer gas pressures is reported. Two experiments performed using the MARA separator served as a source of information on production rates for different nuclei in the nuclear regions of interest for MARA-LEB. Yields of actinide elements via multi-nucleon transfer reactions at MARA are shown for the first time. Data on reaction product dispersion at the MARA focal plane was also collected, informing design aspects of the gas cell entrance window, which are also presented.

Massa-Analysoivaan Rekyyli Aparaattiin liitettävä matalan energian haara (MARA- LEB) on uusi kehitteillä oleva koelaitteisto Jyväskylän yliopiston fysiikan laitoksen kiihdytinlaboratoriossa (JYFL-ACCLAB). Laitteisto on suunniteltu tuottamaan isotooppisesti puhtaita eksoottisista ytimistä koostuvia radioaktiivisia hiukkassuihkuja. Näitä hiukkasuihkuja toimitetaan eri mittausasemille, missä voidaan suorittaa ydinrakennetutkimusta suurella tarkkuudella. Tässä väitöskirjassa kuvaillaan MARA-LEB, vertaillaan MARA-LEB:iä muihin vastaaviin laitteistoihin toisissa kiihdytinlaboratorioissa ja selvitetään MARA-LEB:n vahvuudet. Laitevertailua ja suunniteltua kokeellista ohjelmaa käytettiin pohjana, kun laitteistoa suunniteltiin. Väitöskirjassa esitellään alustavien kokeiden ja simulaatioiden avulla saatuja tuloksia. MARA-LEB:n LEB-laitteiston ensimmäinen osa koostuu kaasutäytteisestä pysäytyskammiosta. MARA:lla eroteltujen rekyylien syvyysprofiileja pysäytyskaasussa simuloidaan ottaen huomioon käytetty ikkunamateriaali, käytetty kaasu ja sen massavirtaus. Kaikki nämä vaikuttavat siihen, kuinka tehokkaasti ja nopeasti rekyylit saadaan ulos kammiosta seuraavaa vaihetta varten. Seuraavassa vaiheessa radioaktiiviset ionit kiihdytetään uudelleen ja siirretään eteenpäin käyttäen ionioptisia siirtolinjoja ja tätä simuloitiin myös tässä työssä. Simulointien tarkoituksena on löytää alustavat laitteiston työskentelyasetukset maksimoiden koko systeemin siirtotehokkuudet. Alustavia kokeita suoritettiin IGISOL ja MARA koeasemilla. IGISOL koeasemalla ionisoitiin pysyviä tinaisotooppeja resonanssilaasereilla MARA-LEB pysäytyskammiossa. Resonanssimuodot ja niiden muutoksia eri pysäytyskaasun paineilla on raportoitu tässä työssä. MARA-erottimella tehtiin kaksi koetta. Näiden kokeiden tarkoituksena oli selvittää eksoottisten ytimien tuottoja, jotka ovat relevantteja liittyen suunniteltuun MARA-LEB kokeelliseen ohjelmaan. Ensimmäistä kertaa MARA:lla tutkittiin aktinidiytimien tuottoja käyttäen monen-nukleonin-siirto-reaktioita (MNT). Toisessa kokeessa tuotetiin ytimiä käyttäen fuusiohöyrystysreaktioita ja selviteltiin, miten LEB-osan pysäytyskammio saadaan kytkettyä mahdollisimman tehokkaasti MARA-erottelijaan.