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First mass measurements with the MPIK/UW-PTMS

Diehl, Christoph

German Title: Erste Massenmessungen mit der MPIK/UW-PTMS

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Abstract

The precise determination of the 3H-3He mass ratio, and hence the tritium Q-value, is of relevance for the measurement of the electron anti-neutrino mass performed by the Karlsruhe Tritium Neutrino experiment (KATRIN). By determining this ratio to an uncertainty of better than 1 part in 10^10 , systematic errors of the endpoint energy in the beta-decay of 3H to 3He can be checked in the data analysis of KATRIN. To reach this precision, a Penning Trap Mass Spectrometer (MPIK/UW-PTMS) was constructed at the University of Washington, which has been transferred to the Max-Planck-Institute for Nuclear Physics in Heidelberg. Here, a dedicated tritium laboratory was set up. Special care was taken to stabilize several environmental parameters, such as the magnetic field or the temperature. The experiment was commissioned and extensive measurements with the test ion 12C4+ were carried out in order to characterize the spectrometer and to optimize the experimental procedures. Finally, the first mass measurements with the spectrometer were performed on 1H+ and 16O6+, yielding an uncertainty of some parts in 10^8 , but also showing the potential of the spectrometer to reach a precision below 1 part in 10^10 in the near future.

Translation of abstract (German)

Die genaue Bestimmung des 3H-3He Massenverhältnisses und daraus resultierend des Q-Wertes von Tritium, trägt zur Bestimmung der Elektron-Antineutrinomasse durch das Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment (KATRIN) bei. Eine Bestimmung des Massenverhältnisses mit einer Genauigkeit von besser als 1 · 10^-10 erlaubt einen Test des systematischen Fehlers der Endpunktsbestimmung des Betazerfalls von 3H zu 3He in der Datenanalyse von KATRIN. Um diese Präzision zu erreichen wurde ein Penningfallenmassenspektrometer (MPIK/UW-PTMS) an der University of Washington konstruiert und ans Max-Planck-Institut für Kernphysik transferiert. Hier wurde ein spezielles Tritiumlabor eingerichtet, in dem mehrere Umweltparameter, wie zum Beispiel das Magnetfeld und die Temperatur, stabilisiert werden. Das Experiment wurde in Betrieb genommen und ausführliche Messungen zur Charakterisierung des Spektrometers und zur Optimierung experimenteller Prozeduren wurden am Testion 12C4+ durchgeführt. Erste Massenmessungen mit dem Spektrometer wurden mit 1H+ und 16O6+ durchgeführt. Diese lieferten eine Genauigkeit der Messungen von einigen 10^-8 , zeigen aber auch das Potential des Spektrometers bald eine Präzision von besser als 1·10^-10 zu erreichen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Blaum, Prof. Dr. Klaus
Date of thesis defense: 11 May 2011
Date Deposited: 01 Jun 2011 10:24
Date: 2011
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Nuclear Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Atommasse, Kernmasse, Penning-Käfig, Tritium, Helium-3, KATRIN-Experiment, Massenspektrometer
Uncontrolled Keywords: Atomic mass , Penning trap , KATRIN-Experiment , Mass spectrometer , Nuclear mass
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