11.06.2018
Väitösuutiset

Väitös: 15.6.2018: Tarkempaa aikaa etsimässä (Pohjalainen)

Aika:

15.6.2018 12:00 — 15:00


Sijainti: Ylistonrinne, FYS1
Jyväskylän yliopiston fysiikan laitoksen kiihdytinlaboratoriossa on kehitetty menetelmää reaktiivisten raskaiden alkuaineiden erottelemiseksi. Näistä ns. aktinideista erityisen mielenkiintoinen on 229Th, jonka avulla voidaan mitata aikaa jopa tarkemmin kuin atomikellolla. Tutkimuksessa todettiin, että menetelmässä käytettyjen helium- ja argonkaasujen puhdistaminen paransi menetelmän tehokkuutta.

Ajan mittaaminen on ajan mittaan käynyt yhä tarkemmaksi. Kellojen tarkentuessa myös mittayksikön määritelmää on jouduttu moneen kertaan uusimaan. Nykyisin sekunti perustuu kesiumatomista saatavan mikroaaltosäteilyn taajuuteen, joka asettaa rajan määritelmän tarkkuudelle. Parempi tarkkuus voidaan saavuttaa sitomalla sekunti johonkin suurempaan taajuuteen. Eräs ehdotus on käyttää 229Th -isotoopin ytimessä olevan viritystilan purkautumisessa syntyvän säteilyn taajuutta. Näin saataisiin erittäin tarkka ydinkello. Tätä mahdollisuutta selvitetään kansainvälisenä yhteistyönä Euroopan unionin rahoittamassa nuClock tutkimusprojektissa.

Puhdasta kaasua
229Th isotoopin tutkimiseksi se täytyy tuottaa ja eristää.  Jyväskylän yliopiston fysiikan laitoksella jo 1980-luvulla kehitetty ioniohjainmenetelmä sopii tähän tarkoitukseen. Ilkka Pohjalainen keskittyi fysiikan alan väitöskirjatutkimuksessaan ioniohjaimissa käytettävien heliumin ja argonin puhdistukseen, ja niissä tapahtuvaan ionikemiaan. Merkittävä osa työtä oli kaasujen puhdistustekniikan parantaminen, siten että miljardia käytetyn kaasun atomia kohti on vähemmän kuin yksi epäpuhtausatomi. Kaasujen puhtaus on oleellisen tärkeää, koska aktinoidit reagoivat äärimmäisen herkästi kaikkien muiden aineiden kuin juuri heliumin ja argonin kanssa.

Ytimien ominaisuuksien tutkimista
229Th eristäminen ei suinkaan ollut työn ainoa tavoite. Aktinoidien ja transaktinoidien ytimien ominaisuuksien tutkiminen optisella spektroskopialla on useiden muidenkin ydinfysiikan tutkimuslaboratorioiden tavoitteena.

- Tavoitteena oli tehokas ionisuihkujen tuotto, jossa aktinoidit kuten thorium tai plutonium ovat yksittäin, eivät molekyylimuodossa. Silloin niiden ytimien ominaisuuksia voidaan tutkia laserspektroskopialla. Tällainen mittaus kertoo esimerkiksi, minkä muotoinen ydin on: pallo vai lätty, kertoo Pohjalainen.

Myös ionisuihkujen tuottamiseen käytettiin lasereita. Tutkittavat aktinoidit höyrystettiin kuumennettavasta hehkulangasta ioniohjaimen sisällä, ja ionisoitiin laserresonanssi-ionisaatiolla.

- Havaitsin tutkimuksessa kaasuatomien sekä ionisoitavien plutonium- ja toriumatomien välisten törmäyksien vaikuttavan olennaisesti laserionisaatioprosessiin ja sen tehokkuuteen, kertoo Pohjalainen.

Torium isotoopilla mitataan aikaa tarkasti
Yksi mielenkiintoisimmista aktinoidi-isotoopeista on toriumin isotooppi 229Th, jossa tiedetään olevan erittäin matalaenerginen ydinisomeeri eli atomin ytimen pitkäikäinen viritystila. Tälle vasta havaitulle isomeerille on esitetty useita kiehtovia sovelluksia kuten perinteisten atomikellojen kaltainen, mutta niitä kertaluokkaa tarkempi, ydinkello ja isomeerisen tilan käyttämistä tiettyjen luonnonvakioiden aikariippuvuuden havaitsemiseen.

- Tutkin myös tämän torium isotoopin ja sen isomeerin tuottamista kiihdytin suihkun avulla ja 233U alfarekyylilähteillä ioniohjainmenetelmää käyttäen, sekä näiden lähteiden ominaisuuksia, jotka vaikuttavat 229Th-rekyylilähteen tehokkuuteen, sanoo Pohjalainen.

FM Ilkka Pohjalaisen fysiikan väitöskirjan ”Gas-phase chemistry, recoil source characterization and in-gas-cell resonance laser ionization of actinides at IGISOL” tarkastustilaisuus on 15.6.2018 klo 12:00 Jyväskylän yliopiston fysiikan laitoksen FYS1 salissa. Vastaväittäjänä professori Dave Morrissey (National Superconducting Cyclotron Laboratory, Michigan State University, United States) ja kustoksena professori Iain Moore (Jyväskylän yliopisto). Väitöstilaisuus on englanninkielinen.

Ilkka Pohjalainen valmistui ylioppilaaksi Imatran kaupungin Vuoksenniskan yhteiskoulun lukiosta vuonna 2004. Hän aloitti fysiikan opinnot Helsingin yliopiston fysiikan laitoksella syksyllä 2005 ja valmistui luonnontieteiden kandidaatiksi 2009. Tämän jälkeen hän siirtyi Jyväskylän yliopistoon ja valmistui filosofian maisteriksi vuonna 2010. Pohjalainen on tämän jälkeen työskennellyt tohtoriopiskelijana fysiikan laitoksella kiihdytinlaboratoriossa vuodesta 2011.

Englanninkielinen abstrakti:
Gas-phase chemistry, recoil source characterization and in-gas-cell resonance laser ionization of actinides at IGISOL

The underlying theme of this thesis focuses on buffer gas purification and relevant gas-phase ion chemistry which critically affects ion beam purity at gas cell-based radioactive ion beam facilities. The achievement of attaining a sub-parts-per-billion level of impurity at the IGISOL facility has enabled subsequent gas cell developments for production of the actinide elements, plutonium and thorium, required for a programme of high-resolution optical spectroscopy. Firstly, the construction and characterization of the new IGISOL buffer gas purification system is presented. Off-line ion beam production of plutonium and thorium using in-gas-cell laser resonance ionization combined with filament dispensers has resulted in successful collinear laser spectroscopy of several long-lived plutonium isotopes and has revealed unique collisional phenomena significantly affecting resonance laser ionization in gaseous environments.

Thorium is of particular interest due to 229Th and its low-energy nuclear isomeric state. By stopping 229Th recoils from the alpha decay of 233U in a helium-filled gas cell, a 229Th ground and isomeric state ion beam can be produced. The recoil efficiency determination of two 233U sources using direct and implantation foil gamma- and alpha-ray spectroscopy as well as surface characterization by Rutherford back scattering (RBS) measurements have shown the importance of good source quality. The development of a new gas cell to house several such recoil sources is also presented, emphasizing the interplay between gas pressure, size of the gas cell, and diffusion losses during extraction. Finally, this thesis presents the first on-line experiments for the production of 229Th via proton-induced fusion-evaporation reactions using a 232Th target.

Lisätietoja

Ilkka Pohjalainen

tohtorikoulutettava

fysiikan laitos

ilkka.pohjalainen@jyu.fi

+358 40 805 4362