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Penning-Trap Mass Spectrometry of Radioactive, Highly Charged Ions: Measurements of neutron-rich Rb and Sr nuclides for nuclear astrophysics and the development of a novel Penning trap for cooling highly charged ions

Simon, Vanessa Véronique

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PDF, English (Dissertation Vanessa Simon)
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Abstract

High-precision atomic mass measurements are vital for the description of nuclear structure, investigations of nuclear astrophysical processes, and tests of fundamental symmetries. The neutron-rich A ≈ 100 region presents challenges for modeling the astrophysical r-process because of sudden nuclear shape transitions. This thesis reports on high-precision masses of short-lived neutron-rich 94,97,98Rb and 94,97-99Sr isotopes using the TITAN Penning-trap mass spectrometer at TRIUMF. The isotopes were charge-bred to q = 15+; uncertainties of less than 4 keV were achieved. Results deviate by up to 11σ compared to earlier measurements and extend the region of nuclear deformation observed in the A ≈ 100 region. A parameterized r-process model network calculation shows that mass uncertainties for the elemental abundances in this region are now negligible. Although beneficial for the measurement precision, the charge breeding process leads to an increased energy spread of the ions on the order of tens of eV/q. To eliminate this drawback, a Cooler Penning Trap (CPET) has been developed as part of this thesis. The novel multi-electrode trap structure of CPET forms nested potentials to cool HCI sympathetically using either electrons or protons to increase the overall efficiency and precision of the mass measurement. The status of the off-line setup and initial commissioning experiments are presented.

Translation of abstract (German)

Die Messung atomarer Massen mit hoher Genauigkeit spielt eine große Rolle bei der Beschreibung der Struktur von Kernen, Untersuchungen astrophysikalischer Prozesse und Tests fundamentaler Symmetrien. Die Modellierung astrophysikalischer Prozesse, die im r-Prozess berücksichtigt werden müssen, ist in der neutronen-reichen Massenregion um A ≈ 100 aufgrund abrupt auftretender Änderungen der Kerndeformationen äußerst schwierig. Für diese Arbeit wurden hochpräzise Massenmessungen von kurzlebigen, neutronen-reichen 94,97,98Rb- und 94,97-99Sr-Isotopen durchgeführt, die am TITAN Penningfallen-Massenspektrometer am TRIUMF stattfanden. Die Nuklide wurden zu einem Ladungszustand q = 15+ gebrütet; Messunsicherheiten von besser als 4 keV wurden erreicht. Die Resultate unterscheiden sich bis zu 11σ von Literaturwerten und der Bereich bekannter Kerndeformierungen in der A ≈ 100 Massenregion wurde erweitert. Eine parametrisierte r-Prozess Modelrechnung wurde durchgeführt und zeigt, dass Unsicherheiten der Massenmessungen nun keinen Einfluss mehr auf die modellierten Elementhäufigkeiten dieser Region haben. Obwohl das Ladungsbrüten die Präzision der Massenmessung erhöht, führt der Prozess auch zu einer größeren Energiebreite der Ionen, in der Größenordnung von Dutzenden von eV/q. Um diesen Nachteil zu beseitigen, wurde im Rahmen dieser Dissertation eine Kühler-Penningfalle (CPET) für TITAN entwickelt. Die neuartige multi-Elektroden Fallenstruktur der CPET ermöglicht sympathetisches Kühlen hochgeladener Ionen mittels Elektronen oder Protonen in eingebetteten Potentialen. Eine Verbesserung der Gesamteffizienz und Präzision der Massenmessung wird erwartet. Der Status des Offline-Experimentieraufbaus und erste Testexperimente werden gezeigt.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Simon, Vanessa Véronique
Date of thesis defense: 7. November 2012
Date Deposited: 19. Nov 2012 09:15
Date: 13. November 2012
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Subjects: 500 Natural sciences and mathematics
530 Physics
Controlled Keywords: Nuclear Structure, Nuclear Astrophysics, Penning trap, highly charged ions
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