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Measurements of exotic calcium isotopes by multi-reflection time-of-flight mass spectrometry and further developments and applications

  • This thesis describes mass measurements at ISOLTRAP/ISOLDE/CERN in the region of the neutron-rich calcium isotopes. For the less exotic and more abundantly produced isotopes 51Ca and 52Ca the Penning trap based ToF-ICR technique could be used to validate the available mass data and to improve their precision. For the isotopes 53Ca and 54Ca, a Multi-Reflection Time-of-Flight Mass Spectrometer (MR-ToF MS) was used to determine the mass of these exotic isotopes for the first time experimentally. This also represents the first time an MR-ToF MS was applied to derive the masses of previously unknown radioactive ions from the high precision time-of-flight data that can be gathered with the device. The mass data was then used to benchmark the strength of the N=32 neutron subshell closure and at the same time to compare to state-of-the-art shell-model calculations. Furthermore, the capability of the MR-ToF device to deliver isobarically pure beams to a subsequent experiment was developed further and studied in detail. The new technique is based on the in-trap lift, which is normally used to in- and eject ions into and from the device. With this new selective ejection technique after separation of the ion ensemble in the MR-ToF trap, no external components are required. Additionally, a new stabilization system for voltages supplies, based on a PI-algorithm, was developed and thoroughly tested. The stabilized voltage supply was then used to supply the most sensitive mirror voltage of the MR-ToF MS to significantly increase the short term and long-term mass resolving power of the apparatus.
  • Diese Arbeit beschriebt Massenmessungen, welche in der Region der neutronenreichen Kalzium Isotope durchgeführt wurden. Für die weniger exotischen und häufiger produzierten Isotope 51Ca und 52Ca wurde die ToF-ICR-Technik genutzt, welche auf die Verwendung von Penningfallen basiert. Damit konnten die bisherigen Messungen bestätigt und die Genauigkeit der Daten verbessert werden. Für die Isotope 53Ca und 54Ca wurde ein Multi-Reflexions-Flugzeit-Massenspektrometer (MR-ToF MS) eingesetzt und ihre Masse erstmalig experimental bestimmt. Dies war außerdem die erste Anwendung eines MR-ToF-MS zur Bestimmung vorher unbekannter Nuklidmassen aus der präzisen Flugzeitinformation der radioaktiven Ionen. Mit den neuen experimentellen Daten wurde die Stärke des Unterschalenabschlusses bei N=32 bestimmt. Weiter ermöglichten sie einen Vergleich mit aktuellen Schalenmodelrechnungen. Zusätzlich wurde die Fähigkeit des MR-ToF-Gerätes untersucht, isobar gereinigte Ionen an nachgeschaltete Experimente zu senden. Die dabei entwickelte neue Technik basiert auf der „in-trap Lift“-Methode, welche üblicherweise zum Einfangen und Auswerfen der Ionen Verwendung findet. Bei dem neuartigen selektiven Auswerfen der separierten Ionen wird keine zusätzliche Hardwarekomponente gebraucht. Weiterhin wurde ein neues Stabilisierungssystem für Spannungsversorgungen, basierend auf einem PI-Algorithmus, entwickelt und getestet. Die damit stabilisierten Hochspannungsgeräte wurden für die für Schwankungen empfindlichsten Spiegelspannung des MR-ToF-MS verwendet, was zu einer signifikanten Verbesserung der Kurzeit- und Langzeitmassenauflösung führte.

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Metadaten
Author: Frank Wienholtz
URN:urn:nbn:de:gbv:9-opus-27792
Title Additional (German):Messung von exotischen Kalzium-Isotopen mit einem Multireflexions-Flugzeit-Massenspektrometer sowie dessen Weiterentwicklung und weitere Anwendungen
Referee:Prof. Dr. Lutz Schweikhard, Prof. Dr. Michael Block
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2019
Date of first Publication:2019/07/22
Granting Institution:Universität Greifswald, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2019/05/17
Release Date:2019/07/22
GND Keyword:ISOLTRAP, Multi-reflection time-of-flight mass spectrometry, magic number, mass separation, neuron-rich calcium isotopes, precision mass measurements, short-lived nuclides, voltage stabilization
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 530 Physik