Untersuchung mesoskopischer Coulomb-Kristalle zum sympathischen Kühlen hochgeladener Ionen und direkte Bestimmung der Massendifferenz von 123Te und 123Sb
Date issued
Authors
Editors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
License
Abstract
In dieser Arbeit ist die Erzeugung und die geometrische Struktur mesoskopischer Coulomb-Kristalle einfach geladener Magnesiumionen mit Hilfe einer geeigneten experimentellen Apparatur zur Speicherung und Manipulation geladener Teilchen untersucht worden. Hierzu wurden die Ionen in einer externen, gepulsten Elektronenstoß-Ionisationsquelle produziert und anschließend in eine zylindrische Penningfalle geladen. Die Anzahl an ankommenden Ionen wurde durch die Entwicklung eines dedizierten, zerstörungsfreien Detektors präzise bestimmt. Zudem vereinfachte die erhaltene Zeitinformation den Ladeprozess der Falle. Zu diesem Zweck wurde der rauscharme Detektor zum nicht-resonanten Nachweis geladener Teilchen charakterisiert und getestet. Es werden Messungen induzierter Ladungssignale niederenergetischer hochgeladener Ionen beim Durchflug durch die entsprechende Pick-up-Elektrode der Ionenfalle gezeigt. Anhand der spektralen Rauschdichte wurde die Empfindlichkeit des Detektors bestimmt. Diese beträgt bei Raumtemperatur ca. 16000 Elementarladungen, was einer spektralen Rauschamplitude von 2,7 mVrms entspricht.
Zur Erzeugung mesoskopischer Coulomb-Kristalle muss die Energie der Ionen nach dem Ladeprozess, um mehr als acht Größenordnungen von einigen hundert eV auf weniger als 10^6 eV, reduziert werden. Dazu wurde eine Kombination aus Puffergas- und Laserkühlen eingesetzt, um Kühlzeiten im Bereich weniger Sekunden zu erzielen. Zur Untersuchung der Dynamik des Kühlprozesses wurden detaillierte Studien zur zeitlichen Entwicklung des Fluoreszenzsignals während der Erzeugung von Coulomb-Kristallen durchgeführt. Diese Ergebnisse sind im Einklang mit einem ebenfalls in dieser Arbeit entwickelten Kühlmodell. Mit bis zu 10^5 Ionen weisen diese Coulomb-Kristalle in Übereinstimmung mit den Vorhersagen der Theorie nichtneutraler Plasmen eine charakteristische Schalenstruktur auf.
Weiterhin wurden die Ionenkristalle zur Demonstration des sympathetischen Kühlens sowie zur Erzeugung mehrkomponentiger Ionenkristalle verwendet. Die Ergebnisse stellen einen wichtigen Schritt zur Laserspektroskopie an Wenig-Elektronen-Systemen zum Test der Quantenelektrodynamik in gebundenen Systemen dar.
Darüber hinaus wurde am SHIPTRAP Penningfallen-Massenspektrometer die Massendifferenz der Isobare 123Te und 123Sb mit Hilfe der Technik zur phasensensitiven Messung der Zyklotronfrequenz erstmalig direkt bestimmt. Der erhaltene Wert für die Massendifferenz beträgt 51,912(67) keV/c^2 und stellt eine vierzigfache Verbesserung, gegenüber dem bisher aus (n,γ)-Reaktionen in der Datenbank der Atommassen ermittelten Wert, dar. Das Ergebnis hat wichtige Konsequenzen für die theoretische Beschreibung der Zerfallseigenschaften von 123Te unter verschiedenen astrophysikalischen Bedingungen und vertieft unser Verständnis der Entstehung schwerer Elemente in massiven Sternen.