English Title: Determination of the isomeric energy of 229Th with the high-resolution microcalorimeter array maXs30

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Abstract

Der Isomerzustand des Thoriumisotops 229Th ist der niedrigste bekannte angeregte Kernzustand und ist daher ein vielversprechender Kandidat für Präzisionstests der zeitlichen Konstanz von Naturkonstanten und für eine neue Generation von Zeitstandards. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Unsicherheit des experimentellen Werts der Isomerenergie weiter verbessert, um den zu durchsuchenden Wellenlängenbereich bei der lasergetriebenen Anregung aus dem Grundzustand zu reduzieren und die wegen der geringen Linienbreite des Zustands langwierige Suche zu beschleunigen. Hierfür wurde ein hochauflösendes Mikrokalorimeter-Array vom Typ maXs30 basierend auf metallischen magnetischen Kalorimetern (MMC) entworfen, im Reinraum hergestellt und zur hochaufgelösten Messung des Gammaspektrums von 229Th eingesetzt. Ein MMC besteht aus einem Teilchenabsorber und einem paramagnetischen Temperatursensor. Die Temperaturänderung durch die Absorption eines Photons im Absorber wird in eine Magnetisierungsänderung des Paramagneten umgewandelt und über ein SQUID-Magnetometer ausgelesen. Die Detektorkanäle des hier diskutierten Detektors besitzen eine exzellente Linearität, sowie Energieauflösungen von ∆E = 7,9 eV im Limes kleiner Energien und ∆E = 9,8 eV bei 60 keV, was dem derzeit weltweit besten Auflösungsvermögen von über 6000 entspricht. Das aufgenommene Gammaspektrum entsteht aus 229Th im angeregten Zustand, welches durch α-Zerfall einer chemisch gereinigten 233U-Quelle erzeugt wird. Aus dem Gesamtspektrum konnte die Isomerenergie konsistent auf drei Wegen bestimmt werden und lieferte ein Ergebnis von Eiso = (8,09 ± 0,13 (stat)+0,05 -0,14 (syst)) eV.

Translation of abstract (English)

The thorium isotope 229Th has the isomeric state with the lowest nuclear excitation known and is thereby a good candidate for investigating the stability of universal constants and a new generation of time-standards. In the framework of this thesis the uncertainty of the experimental value of the isomeric energy has been further improved to reduce the wavelength range that needs to be scanned in a laserdriven excitation and to speed up the lengthy search due to the small linewidth. A high-resolution microcalorimeter-array of maXs30-type based on metallic magnetic calorimeters (MMC) has been designed, fabricated in the cleanroom and used to measure the gamma-spectrum of 229Th. An MMC consists of a particle absorber and a paramagnetic sensor. A change of temperature caused by an absorbed photon is converted to a change of magnetization by the paramagnetic material and read out by a SQUID. This detector shows excellent linearity and energy resolutions of 7:9 eV (FWHM) at small energies and 9,8 eV at 60 keV, corresponding to a resolving power above 6000. The gamma-spectrum of excited 229Th is produced by the α-decay of a chemically purified 233U-source. On three different ways the isomeric energy could be extracted consistently from the spectrum resulting in Eiso = (8,09 ± 0,13 (stat)+0,05 -0,14 (syst)) eV.