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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:gbv:9-001607-5
URL: http://ub-ed.ub.uni-greifswald.de/opus/volltexte/2013/1607/
Wolf, Robert

First on-line applications of a multi-reflection time-of-flight mass separator at ISOLTRAP and the mass measurement of 82Zn

pdf-Format:
Diss_Wolf_Robert.pdf (10,856 KB)

Kurzfassung in Englisch

This thesis describes the implementation and first on-line application of a multi-reflection time-of-flight (MR-ToF) mass analyzer for high-resolution mass separation at the ISOLTRAP mass spectrometer at ISOLDE/CERN. On the one hand, the major objective was to improve ISOLTRAPs mass-measurement capabilities with respect to the ratio of delivered contaminating ions to ions of interest. On the other hand, the time necessary to purify wanted from unwanted species should be reduced as much as possible to enable access to even more exotic nuclei. The device has been set up, optimized and tested at the University of Greifswald before its move to ISOLTRAP. The achieved performance comprises mass resolving powers of up to 200000 reached at observation times of 30ms and a contamination suppression of about four orders of magnitude by use of a Bradbury-Nielsen gate. With the characteristics, it outperforms clearly the so far state-of-the-art purification method of a gas-filled Penning trap. To improve the utilization of the MR-ToF mass analyzer, the in-trap lift method has been developed. It simplifies the application and optimization of the device, which is a crucial time factor in an on-line experiment. The device was the first of its kind successfully applied to radioactive ion beams for a mass analysis, for a mass separation (in combination with the Bradbury-Nielsen gate) as a preparatory step for a subsequent Penning-trap mass measurement and as a high-precision mass spectrometer of its own. The later was recently used for the first mass measurement of the neutron-rich calcium isotopes 53Ca and 54Ca. The so-far achieved mass-resolving power of 200000 belongs to the highest reported for time-of-flight mass analyzers at all. The first successful application of the MR-ToF system as the only mass separator at ISOLTRAP resulted in the mass measurement of 82Zn. The new mass value has been compared to mass extrapolations of the most recent Hartree-Fock-Bogoliubov (HFB) mass models, HFB-19 to HFB-21, of the BRUSLIB collaboration. The mass of the nuclide is of high interest for the compositions and depth profile of the outer crust of neutron stars. In the classical model of the outer crust of a cold, non-accrediting and non-rotating neutron star, the sequence of nuclides found within this parts is determined mainly by the binding energy of exotic nuclides. The crustal compositions determined with the three HFB mass models differed with respect to the appearance of a layer of 82Zn, originating from different mass extrapolations of this mass. With the new experimental data, the extrapolations could be evaluated. It was found that the HFB-21 mass value differs less from the experimental data than the ones from HFB-19 and 20. Therefore, in the classical model, 82Zn does not appear anymore in the outer crust. Due to its high resolution and very fast measurement time, the MR-ToF mass analyzer will be an important instruments for future activities at ISOLTRAP, at the ISOLDE facility in general, and at other radioactive ion-beam facilities.

Kurzfassung in Deutsch

Die Arbeit beschreibt die Entwicklung, Implementierung und Inbetriebnahme eines Multireflektions-Flugzeitmassenanalysators (multi-reflection time-of-flight mass analyzer, MR-ToF-MS) zur hochaufgelösten Massenseparation und Massenspektrometrie kurzlebiger Atomkerne am Präzisionspenningfallenmassenspektrometer ISOLTRAP an ISOLDE/CERN. Als erste Anwendung der neuen Teilapparatur wurde ein mit isobaren Rubidium-82 Ionen kontaminierter Zink-82 Ionenstrahl der ISOLDE gesäubert, was die erste hintergrundfreie Präzisionspenningfallenmassenmessung des Isotopes Zink-82 ermöglichte. Der daraus ermittelte Masse- und Bindungsenergiewert wurde mit Kernmasseberechnungen modernster Energiedichtefunktionaltheorie verglichen. Die Abweichung der Theoriewerte beträgt je nach Massenmodell bis zu 650 keV/c^2. Der neue Massewert ersetzt die bis dato theoretischen Kernmassewerte verschiedener Modelle zur Berechnung der Zusammensetzung und Isotopenabfolge von Neutronensternkrusten. Daraus ergibt sich, dass Zink-82, welches von vielen Kernmodellen als Bestandteil der Kruste von Neutronensternen vorausgesagt wurde, nicht darin vorkommt. Stattdessen folgt z. B. Nickel-78 nach Zink-80, von letzterem wurde die Tiefe in der Neutronensternkruste ebenfalls mit der neuen Massenmessung und nachfolgenden Berechnungen revidiert. Das MR-ToF-MS ist eine relativ neue Entwicklung auf dem Gebiet der Massenspektrometrie. Es ermöglicht Massenauflösungsvermögen von über R = m/Delta m = 100000, welche in wenigen 10 Millisekunden erreicht werden können. Damit ist dieses Gerät um einen Faktor 10-100 hochauflösender im Vergleich zu anderen Flugzeitmassenspektrometern und zugleich einen Faktor 10-100 schneller im Erreichen des höchsten Massenauflösungsvermögens im Vergleich zu Penningfallenmassenspektrometern. Dadurch wird die Untersuchung bisher unzugänglicher Regionen kurzlebiger Nuklide mit dem Penningfallenmassenspektrometer ermöglicht, da die benötigte Zeit zur vorangehenden Massenselektion der wenigen interessanten Ionen aus der Vielzahl der im ISOLDE-Strahl gelieferten Kontaminationsionen erheblich verkürzt wird. Zum anderen ermöglicht das Gerät durch seine sehr hohe Massenauflösung und zugleich sehr kurze Analysezeit die Optimierung einer Vielzahl von Produktions- und Ionisationsparametern kurzlebiger Nuklide, zugleich auch die qualitative und quantitative Analyse von sehr kurzlebigen Ionenstrahlen (Halbwertszeit < 100 ms) mit geringsten Produktionsraten (< 100 Ionen /s). Das für das ISOLTRAP Experiment entwickelte MR-ToF-MS stellt das erste Gerät seiner Art im Einsatz an einer ISOL-Anlage dar. Die Arbeit beschreibt die Funktionsweise, den Aufbau, die Implementierung und diverse Anwendungen des Instruments. Insbesondere wird, wie bereits erwähnt, auf die Revidierung der Neutronensternkruste eingegangen. Ein erster Einsatz des MR-ToF-MS als eigenständiges Massenspektrometer, d.h. nicht nur zur Separation der Ionen sondern ihrer Massenbestimmung, wird ebenfalls beschrieben und verdeutlicht dessen Leistungsfähigkeit im Vergleich zu den weitaus aufwändigeren Penningfallen- und Speicherring-Massenbestimmungen an kurzlebigen Nukliden.

SWD-Schlagwörter: Massenspektrometrie , Flugzeitmassenspektrometrie , Kernphysik , Astrophysik , Neutronenstern
Fakultät: Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät
Institut: Institut für Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Betreuer: Schweikhard, Lutz (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 23.09.2013
Erstellungsjahr: 2013
Publikationsdatum: 11.10.2013

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