German Title: Weiterentwicklung der Argon Trap Trace Analysis – Entscheidende Merkmale und Charakterisierungsinstrumente für zuverlässige Routinemessungen

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Abstract

Argon Trap Trace Analysis resolves 39Ar concentrations at the 10−16 level. Perfect selectivity is achieved by exploiting the isotopic shift and a high number of photon scattering processes for detection. However, good measurement precision requires high count rates of39Ar atoms. Therefore, this work presents crucial features and characterization tools for reliable routine measurements. A new instrument for absolute quantization of the metastable 40Ar flux is developed and put into operation. The magneto-optical trap loading rate is evaluated and established as a standard characterization tool. It is part of the new collimator alignment procedure that resulted in a factor of 1.5 higher 39Ar count rate. Other improved alignment procedures are presented. In addition, a new laboratory control and monitoring system for stable day-to-day measurements is developed and installed. The second part focuses on the study of sources of metastable atoms. Two radio frequency (RF) antennas and two cooling devices are presented and their main features are analyzed. A new LN2-dewar for cooling reduces the amount of liquid nitrogen consumed by a factor of 3 to 5. In combination with the established RF antenna, increasing the source pressure to 2.0 × 10−5 mbar leads to 50% higher metastable flux, while the atoms slow down longitudinally.

Translation of abstract (German)

Die Argon Trap Trace Analysis löst 39Ar-Konzentrationen auf dem 10−16-Niveau auf. Perfekte Selektivität wird erreicht, indem die Isotopenverschiebung und eine hohe Anzahl von Photonenstreuprozessen für den Nachweis ausgenutzt werden. Für eine gute Messgenauigkeit sind jedoch hohe Zählraten von 39Ar-Atomen erforderlich. Daher werden in dieser Arbeit entscheidende Merkmale und Charakterisierungswerkzeuge für zuverlässige Routinemessungen vorgestellt. Ein neues Instrument zur absoluten Quantifizierung des metastabilen 40Ar-Flusses wird entwickelt und in Betrieb genommen. Die Beladungsrate der magneto-optischen Falle wird evaluiert und als Standardinstrument zur Charakterisierung etabliert. Sie ist Teil des neuen Verfahrens zur Ausrichtung des Kollimators, das zu einer um den Faktor 1,5 höheren 39Ar-Zählrate führte. Weitere verbesserte Ausrichtungsverfahren werden vorgestellt. Darüber hinaus wird ein neues Laborsteuerungs- und Überwachungssystem für stabile tagtägliche Messungen entwickelt und installiert. Der zweite Teil befasst sich mit der Untersuchung von Quellen für metastabile Atome. Es werden zwei Hochfrequenzantennen (HF-Antennen) und zwei Kühlvorrichtungen vorgestellt und ihre Hauptmerkmale analysiert. Ein neuer LN2-Dewar zur Kühlung reduziert die Menge des verbrauchten flüssigen Stickstoffs um den Faktor 3 bis 5. In Kombination mit der etablierten HF-Antenne führt eine Erhöhung des Quelldrucks auf 2.0 × 10−5 mbar zu einem 50% höheren metastabilen Fluss, während die Atome in Längsrichtung langsamer werden.