English Title: Conceptual Design of a Cryogenic Penning Trap Set-Up for SHIPTRAP and Mass Determination of Radionuclides around the Z = 82 - Shell Closure with ISOLTRAP

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Abstract

Mit den Penningfallen-Massenspektrometern SHIPTRAP/GSI und ISOLTRAP/CERN können präzise Massenbestimmungen von instabilen, exotischen Nukliden durchgeführt werden. Folgende Nachweismethoden werden vorgestellt: die destruktive Flugzeitmethode (TOF-ICR) und die zerstörungsfreie Fouriertransformations-Ionenzyklotronresonanz-Methode (FT-ICR). An SHIPTRAP sind Experimente an transuranen Elementen geplant. Ihre niedrigen Erzeugungsraten stellen jedoch eine Limitierung für experimentelle Untersuchungen dar. Der empfindliche FT-ICR-Nachweis erlaubt eine Identifizierung der gespeicherten Ionen sowie die Massenbestimmung an einem einzelnen, einfach geladenen und schweren Ion. Ziel dieser Arbeit war es, ein solches System aufzubauen. Es besteht aus einer mit flüssigem Stickstoff gekühlten Vakuumapparatur in der Bohrung eines supraleitenden Magneten mit einem System aus zwei Penningfallen - Reinigungsfalle und Messfalle - und einem flüssig Helium-Dewar zum Betreiben einer supraleitenden Induktivität, die für den hochempfindlichen Nachweis notwendig ist. An ISOLTRAP erfolgt der Nachweis der resonanten Anregung der Zyklotronfrequenz mit der Flugzeitmethode. Es wurden die atomaren Massen der Radionuklide 145,147 Cs, 181,183,186m,187x,196m,205 Tl, 187,187m,197,208 Pb, 190-197,209,215,216 Bi, 203,205,229 Fr und 214,229,230 Ra experimentell bestimmt. Die relative Massenunsicherheit beträgt typischerweise einige 10E-8. Die Messergebnisse wurden in die Datentabelle der "Atomic Mass Evaluation" integriert und eine atomare Massenanpassung durchgeführt. Die Separationsenergien zeigen den erwarteten globalen Trend, allerdings werden bei den Thallium- und Quecksilberisotopen Abweichungen vom linearen Verlauf beobachtet. Diese können auf unerwartete Kernstruktureffekte hindeuten, wie sie auch in kern- und laserspektroskopischen Experimenten beobachtet wurden.

Translation of abstract (English)

The Penning trap mass spectrometers SHIPTRAP/GSI and ISOLTRAP/CERN enable precise mass determination of unstable, exotic nuclei. The following detection methods are presented: the destructive time-of-flight method (TOF-ICR) and the non-destructive Fourier Transform-Ion Cyclotron Resonance method (FT-ICR). Planned experiments with SHIPTRAP focus on transuranium elements whose low production limit their experimental investigation. The sensitive FT-ICR-detection allows the identification of stored ions as well as their mass determination. Within this thesis, a cryogenic Penning trap set-up has been designed and constructed, in order to detect and to observe the cyclotron frequency of a single singly-charged heavy ion. It consists of a vacuum system at liquid nitrogen temperature in the bore of a superconducting magnet housing a double trap set-up, a purification trap and a measurement trap. A superconducting inductivity in a liquid-helium dewar provides extreme sensitivity for detection of the cyclotron frequency. At ISOLTRAP the resonant excitation at the cyclotron frequency is detected by the time-of-flight method. Atomic masses of the radionuclides 145,147 Cs, 181,183,186m,187x,196m,205 Tl, 187,187m,197,208 Pb, 190-197,209,215,216 Bi, 203,205,229 Fr and 214,229,230 Ra were determined experimentally with a relative mass uncertainty of typically some 10E-8. The results were included into the Atomic Mass Evaluation and a mass adjustment was conducted. Resulting separation energies show the expected global trend, whereas thallium and mercury isotopes reveal a deviation from this linear behaviour. This could point to unexpected nuclear structure effects as observed in nuclear and laser spectroscopic experiments.