German Title: Massenmessungen an hochgeladenen Blei und Uran Ionen mit dem Penningfallen-Massenspektrometer Pentatrap

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Abstract

With the Penning-trap mass spectrometer Pentatrap it is possible to carry out mass ratio determinations with a relative uncertainty of a few times 10^(−12). This is achieved by using a stack of five cylindrical Penning traps in a strong, homogeneous 7T magnetic field, stabilized against environmental influences, which allows phase-sensitive detection methods on single highly charged ions. The core of this thesis are three peer-reviewed publications that present measurements with the mass spectrometer Pentatrap. The first and second publication present the determination of the atomic mass of lead-208 and uranium-238 to an unparalleled precision in the heavy mass sector of 7 and 6*10^(−11), respectively. These results directly contribute to the mass “backbone”, a number of nuclides whose mass is known to high precision, allowing one to improve relative mass measurements in the range of heavy and superheavy nuclides as well as to determine the g-factor of the bound electron in heavy, hydrogenlike ions. In the third article, a metastable state with an excitation energy of around 31 eV was measured in 208Pb41+ as a mass difference on top of the absolute mass of the lead ion of ≈194 GeV/c^2 and compared to two ab initio multiconfiguration Dirac-Hartree-Fock atomic-structure calculations.

Translation of abstract (German)

Mit dem Penningfallen-Massenspektrometer Pentatrap ist es möglich, Massenverhältnisse mit einer relativen Ungenauigkeit von einigen 10^(−12) zu bestimmen. Erreicht wird dies durch die Verwendung eines Stapels von fünf zylindrischen Penningfallen in einem starken, homogenen 7 T-Magnetfeld, das gegen Umwelteinflüsse stabilisiert ist und dadurch phasensensitive Nachweisverfahren für einzelne hochgeladene Ionen ermöglicht. Kernstück dieser Arbeit sind drei begutachtete Publikationen, die Messungen des Massenspektrometers Pentatrap beschreiben. Die erste Publikation stellt die Bestimmung der Atommasse von Blei-208 dar und die zweite beschreibt die Messung der Atommasse von Uran-238. Beide Messungen erfolgten mit bisher unerreichten Präzisionen im schweren Massenbereich von 7 bzw. 6*10^(−11). Diese Ergebnisse tragen direkt zum “Massen-Rückgrat” bei, einer Reihe von Nukliden, deren Masse mit hoher Präzision bekannt ist, was eine Verbesserung der relativen Massenmessungen im Bereich der schweren und superschweren Nuklide, sowie die Bestimmung des g-Faktors des gebundenen Elektrons in schweren, wasserstoffähnlichen Ionen ermöglicht. In der dritten Publikation wird die Messung eines metastabilen Zustandes mit einer Energie von etwa 31 eV in 208Pb41+ als Massendifferenz relativ zur absoluten Masse des Blei-Ions von ≈194 GeV/c2 gezeigt und mit zwei ab initio Multikonfigurations-Dirac-Hartree-Fock-Atomstrukturberechnungen verglichen.