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Abstract

The ECHo and HOLMES experiments investigate the effective electron neutrino mass following the least model-dependent approach by studying the kinematic of the electron capture in 163-Ho using cryogenic microcalorimeters. Possible systematic shifts in the calorimetric measurements can originate from the decay of 163-Ho within the solid gold absorber material of the calorimeter. In order to assess if such a systematic shift is present on the current sensitivity level of those experiments, the Q-value of this decay from microcalorimetry is compared to an independently measured one. This cumulative thesis is based on the experimental developments towards and the independent measurement of the Q-value of 163-Ho electron capture using Penning-trap mass spectrometry. In the first part of this thesis, an injection system for an electron beam ion trap capable of operating with rare isotopes, specifically the artificially produced 163-Ho, was developed for the creation of highly charged ions. For the Penning-trap measurement, a single highly charged ion in the correct charge state is required and has to be selected from the different charge states produced within in the electron beam ion trap. A Bradbury-Nielsen gate and a very fast high-voltage push-pull switch based on silicon carbide MOSFETs was developed within this thesis to separate the different charge states according to their time-of-flight in the beamline following the electron beam ion trap. These technical developments allowed a measurement of the Q-value of 163-Ho with the Penning-trap mass spectrometer PENTATRAP as the main result of this thesis.

Translation of abstract (German)

Die Experimente ECHo und HOLMES untersuchen die effektive Elektron-Neutrino-Masse indem sie die Kinematik des Elektroneneinfangs in 163-Ho mit kryogenen Mikrokalorimetern untersuchen, was den am wenigsten modellabhängigen Ansatz darstellt. Mögliche systematische Abweichungen in den kalorimetrischen Messungen können durch den Zerfall von 163-Ho innerhalb des Goldabsorbermaterials des Kalorimeters entstehen. Um zu beurteilen, ob eine solche systematische Abweichung auf dem derzeitigen Empfindlichkeitsniveau dieser Experimente vorhanden ist, wird der Q-Wert dieses Zerfalls aus der Mikrokalorimetrie mit einem unabhängig gemessenen Q-Wert verglichen. Diese kumulative Arbeit basiert auf den experimentellen Entwicklungen und der unabhängigen Messung des Q-Wertes des 163-Ho Elektroneneinfangs mit Hilfe der Penning-Fallen-Massenspektrometrie. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde ein Injektionssystem für eine Elektronenstrahlionenfalle zur Erzeugung hochgeladener Ionen entwickelt, um mit seltenen Isotopen, insbesondere dem künstlich hergestellten 163-Ho, arbeiten zu können. Für die Messung mit der Penningfalle wird nur ein einzelnes hochgeladenes Ion im richtigen Ladungszustand benötigt, das aus den verschiedenen in der Elektronenstrahlionenfalle erzeugten Ladungszuständen separiert werden muss. Ein Bradbury-Nielsen-Gate und ein sehr schneller Hochspannungs-Schalter auf der Basis von Siliziumkarbid-MOSFETs wurden im Rahmen dieser Arbeit entwickelt, um die verschiedenen Ladungszustände entsprechend ihrer Flugzeit in der der Elektronenstrahl-Ionenfalle folgenden Beamline zu trennen. Diese technischen Entwicklungen ermöglichten eine Messung des Q-Wertes von 163-Ho mit dem Penningfallen-Massenspektrometer PENTATRAP als Hauptergebnis dieser Arbeit.