Mass measurements on neutron-deficient nuclides at SHIPTRAP and commissioning of a cryogenic narrow-band FT-ICR mass spectrometer

The dissertation presented here deals with high-precision Penning trap mass spectrometry on short-lived radionuclides. Owed to the ability of revealing all nucleonic interactions, mass measurements far off the line of ß-stability are expected to bring new insight to the current knowledge of nuclear properties and serve to test the predictive power of mass models and formulas. In nuclear astrophysics, atomic masses are fundamental parameters for the understanding of the synthesis of nuclei in the stellar environments. This thesis presents ten mass values of radionuclides around A = 90 interspersed in the predicted rp-process pathway. Six of them have been experimentally determined for the first time. The measurements have been carried out at the Penning-trap mass spectrometer SHIPTRAP using the destructive time-of-fligh ion-cyclotron-resonance (TOF-ICR) detection technique. Given the limited performance of the TOF-ICR detection when trying to investigate heavy/superheavy species with small production cross sections (σ< 1 μb), a new detection system is found to be necessary. Thus, the second part of this thesis deals with the commissioning of a cryogenic double-Penning trap system for the application of a highly-sensitive, narrow-band Fourier-transform ion-cyclotron-resonance (FT-ICR) detection technique. With the non-destructive FT-ICR detection method a single singly-charged trapped ion will provide the required information to determine its mass. First off-line tests of a new detector system based on a channeltron with an attached conversion dynode, of a cryogenic pumping barrier, to guarantee ultra-high vacuum conditions during mass determination, and of the detection electronics for the required single-ion sensitivity are reported.

Die vorgelegte Doktorarbeit behandelt hochpräzise Massenspektrometrie an kurzlebigen Radionukliden mittels Penningfallen. Aufgrund der Fähigkeit alle Kernwechselwirkungen zu Tage zu bringen, können Massenmessungen weitab der ß-Stabilitätslinie neue Einsichten zum gegenwärtigen Wissen über nukleare Eigenschaften liefern und die Vorhersagemacht von Massenmodellen sowie -gleichungen testen. Auf dem Gebiet der nuklearen Astrophysik dienen atomare Massen als grundlegende Parameter um Kernsynthese in stellarem Umfeld zu verstehen. In dieser Arbeit werden zehn Massenwerte von Radionukliden um A = 90 vorgestellt, die den vorhergesagten Pfad des rp-Prozesses durchsetzen. Sechs davon wurden zum ersten Mal experimentell bestimmt. Die Messungen wurden am Penningfallenmassenspektrometer SHIPTRAP durchgeführt unter Ausnutzung der destruktiven Flughzeit-Ionenzyklotronresonanz (TOF-ICR) Nachweismethode. Da die Leistungsmerkmale des TOF-ICR Nachweises der Erforschung von schweren/superschweren Spezien mit kleinen Produktionsquerschnitten (σ< 1 μb) Grenzen setzt, wurde ein neues Nachweissystem unentbehrlich. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird die Inbetriebnahme eines kryogenen Doppel-Penningfallensystems diskutiert, in dem eine hochsensitive, schmalbandige Fouriertransformation-Ionenzyklotronresonanz (FT-ICR) Nachweismethode zur Anwendung gebracht wird. Mit der nicht-destruktiven FT-ICR Nachweismethode liefert ein einzelnes, einfach geladenes gespeichertes Ion bereits die notwendige Information um dessen Masse zu bestimmen. Es wird berichtet über erste "off-line" Experimente mit einem neuen Detektorsystem basierend auf einem "Channeltron" mit angehängter Konversionsdynode, mit einer kryogenen Pumpsperre, die ultrahohe Vakuumbedingungen während der Massenbestimmung garantiert, und schließlich mit der für die Einzelionnensensitivität benötigten Nachweiselektronik.