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Atom Trap Trace Analysis of Ar-39

Welte, Joachim

German Title: Atomfallen-Spurenstoffanalyse von Ar-39

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Abstract

Entwurf und Umsetzung eines Systems zum Einzelatomnachweis von Argon-39 Der Nachweis von 39Ar in natürlichen Wasserproben kann zur radiometrischen Altersbestimmung auf Zeitskalen von 50 bis 1000 Jahren vor heute verwendet werden. Diese experimentelle Forschungsarbeit stellt den Aufbau einer Atomstrahl- und Fallenapparatur vor, welche 39Ar-Atome mittels der laserkühlungsbasierten Methode “Atom Trap Trace Analysis” einfängt und nachweist. Auf diese Art könnten die bestehenden Beschränkungen des indirekten Nachweises über Zerfallsprodukte (“low-level counting”) bezüglich Probengröße und Messdauer aufgehoben werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Hyperfeinstrukturspektrum des Kühlübergangs 1s5-2p9 experimentell bestimmt. Desweiteren wurde ein optisch kollimierter, hochintensiver Strahl kalter metatabiler Argonatome erzeugt und der Nachweis einzelner 39Ar-Atome über Fluoreszenzmessung realisiert. Bislang wurden 39Ar-Zählraten von 1 Atom in ungefähr 4 Stunden für atmosphärisches Argon erreicht. Neueste Verbesserungen deuten außerdem darauf hin, dass Zählraten von 1 Atom/h möglich sind.

Translation of abstract (English)

Design and realization of a detection system for single argon-39 atoms Detection of 39Ar in natural water samples can be employed for radiometric dating on a timescale of 50 to 1000 years before present. This experimental work comprises the setup of an atomic beam and trap apparatus that captures and detects 39Ar atoms by the laser-cooling technique “Atom Trap Trace Analysis”. With this approach, the limitations of low-level counting, regarding sample size and measurement time, could be overcome. In the course of this work, the hyperfine structure spectrum of the cooling transition 1s5-2p9 has been experimentally determined. A high intensity, optically collimated beam of slow metastable argon atoms has been set up and fluorescence detection of individual 39Ar atoms in a magneto-optical trap is realized. 39Ar count rates of 1 atom in about 4 hours have been achieved for atmospheric argon. Recent improvements further suggest that even higher count rates of 1 atom/hour are within reach.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Oberthaler, Prof. Dr. Markus K.
Date of thesis defense: 14 December 2011
Date Deposited: 16 Jan 2012 14:51
Date: 2011
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Kirchhoff Institute for Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Magnetooptische Atomfalle, Spurenstoff, Argon, Argon-39, Atomoptik, Fluoreszenz, Laserinduzierte Fluoreszenz, Laserkühlung
Uncontrolled Keywords: magneto-optical trap , single atom , argon-39 , fluorescence detection , laser cooling
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