Please use this identifier to cite or link to this item: http://doi.org/10.25358/openscience-1049
Authors: Schmidt, Stefan Michael Walter
Title: Untersuchung mesoskopischer Coulomb-Kristalle zum sympathischen Kühlen hochgeladener Ionen und direkte Bestimmung der Massendifferenz von 123Te und 123Sb
Online publication date: 14-Nov-2016
Language : german
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.
In this work, by means of a dedicated experimental apparatus to store and manipulate charged particles, the formation and geometric structure of mesoscopic Coulomb crystals of singly charged magnesium ions was analyzed. For this purpose the ions were produced in a compact ion source for low-energy bunches of singly charged atomic ions and were subsequently loaded into a cylindrical Penning trap. The ion number was determined from a non-destructive measurement of the induced charge signal when the ion bunch enters the trap. To that end, a dedicated low-noise charge amplifier detector was built, characterized and operated. In addition, the obtained timing signal was used to simplify the overall capture process. Measurements of low-energy highly charged ions passing through the corresponding pick-up electrode of the Penning trap are shown. The sensitivity of the device was found to be of the order of 16000 elementary charges. In order to demonstrate rapid crystallization of externally produced magnesium ions, a combination of buffer gas cooling and Doppler laser cooling was used to reduce the ion kinetic energy by eight orders of magnitude from several hundreds of eV to well below 10^6 eV within seconds. The presented studies include detailed investigations of the evolution of the fluorescence signal during the formation process of ion Coulomb crystals. The obtained results are consistent with the predictions of a cooling model developed within this work. The model represents a realistic description of the effect of combined buffer gas and laser cooling of a single particle confined in a one-dimensional harmonic potential. With ion numbers of up to 10^5 ions, such cooling leads to the formation of ion crystals, which display a characteristic shell structure. The observations are in good agreement with theory of non-neutral plasmas. The magnesium ion crystals have been used to demonstrate sympathetic cooling of singly and highly charged ions as well as to show the formation of two-species ion crystals. The results are an important prerequisite for the precision laser spectroscopy on highly charged ions as a fundamental test of the bound-state quantum electrodynamics. In addition, a direct and precise determination of the mass difference of the isobars 123Te and 123Sb was performed with the Penning trap mass spectrometer SHIPTRAP using the recently developed phase-imaging ion-cyclotron-resonance technique. The obtained mass difference is 51.912(67) keV/c^2. The measurement confirmes the AME value, but is about 40 times more precise. Based on the masses of the neutral ground states, the influence of the electron capture process on the decay properties of 123Te is discussed for astrophysical conditions. The results have profound consequences for the theoretical description of the decay properties of the pure s-process nuclide 123Te and deepen our understanding of the formation processes of heavy elements in massive stars.
DDC: 540 Chemie
540 Chemistry and allied sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-1049
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: VIII, 205 Seiten
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