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PENTATRAP: A novel Penning-trap system for high-precision mass measurements

Dörr, Andreas

German Title: PENTATRAP: Ein neuartiges Penningfallensystem für hochpräzise Massenmessungen

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Abstract

The novel Penning-trap mass spectrometer PENTATRAP aims at mass-ratio determinations of medium-heavy to heavy ions with relative uncertainties below 10^−11. From the mass ratios of certain ion species, the corresponding mass differences will be determined with sub-eV/c^2 uncertainties. These mass differences are relevant for neutrino-mass experiments, a test of special relativity and tests of bound-state QED. Means to obtain the required precision are very stable trapping fields, the use of highly-charged ions produced by EBITs, a non-destructive cyclotron-frequency determination scheme employing detectors with single-ion sensitivity and a five-trap tower, that allows for measurement schemes being insensitive to magnetic field drifts.

Within this thesis, part of the detection electronics was set up and tested under experimental conditions. A single-trap setup was realized. A Faraday cup in the trap tower enabled the proper adjustment of the settings of the beamline connecting the EBIT and the Penning-trap system, resulting in the first trapping of ions at PENTATRAP. A stabilization of switched voltages in the beamline and detailed studies of ion bunch characteristics allowed for reproducible loading of only a few ions. Detection of the axial oscillation of the trapped ions gave hints that in some cases, even single ions had been trapped. Furthermore, valuable conclusions about necessary modifications of the setup could be drawn.

Translation of abstract (German)

Das neuartige Penningfallen-Massenspektrometer PENTATRAP hat die Bestimmung von Massenverhältnissen mittelschwerer bis schwerer Ionen mit relativen Ungenauigkeiten < 10^−11 zum Ziel. Mit den Massenverhältnissen bestimmter Ionen werden die entsprechenden Massendifferenzen mit sub-eV/c^2-Unsicherheiten bestimmt werden. Diese Massendifferenzen sind für Neutrinomassen-Experimente, einen Test der speziellen Relativitätstheorie und Tests der QED gebundener Zustände von Bedeutung. Die benötigte Präzision soll mit den folgenden Mitteln erreicht werden: Sehr stabile Speicherfelder, hochgeladene Ionen aus EBITs, ein nicht-destruktives Zyklotronfrequenzbestimmungsschema, welches Detektoren mit Einzelionensensitivität nutzt, und ein Fünffallenturm, der Messschemata ermöglicht, die insensitiv gegenüber Magnetfelddrifts sind.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Teil der Detektionselektronik aufgebaut und unter Experimentbedingung getestet. Ein Einzelfallenaufbau wurde realisiert. Mit Hilfe eines Faradaybechers im Fallenturm konnten die passenden Einstellungen der Strahlführung zwischen der EBIT und dem Penningfallenaufbau gefunden werden, was zum ersten Speichern von Ionen an PENTATRAP führte. Die Stabilisierung gepulster Spannungen in der Strahlführung und die detailierte Untersuchung der Eigenschaften von Ionenpaketen ermöglichte reproduzierbares Laden von nur wenigen Ionen. Der Nachweis axialer Oszillationen gefangener Ionen gab Hinweise darauf, dass in einigen Fällen sogar einzelne Ionen geladen worden waren. Zudem konnten wertvolle Schlüsse über notwendige Modifikationen des Aufbaus gezogen werden.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Blaum, Prof. Dr. Klaus
Date of thesis defense: 21 January 2015
Date Deposited: 09 Mar 2015 14:19
Date: 2015
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Nuclear Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Massenspektrometrie, Penning-Käfig, Ionenfalle, Mehrfach geladenes Ion, Neutrino, Quantenelektrodynamik, Holmium-163, Rhenium-187, Chlor-35
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