First Ramsey-type mass measurements with ISOLTRAP and design studies of the new PENTATRAP project

Der Einsatz von Penningfallen in der Massenspektrometrie hat zu einem einmaligen Genauigkeitssprung geführt. Dadurch wurden Massenwerte verschiedenster Atome zu wichtigen Eingangsparametern bei immer mehr physikalischen Fragestellungen. Die Massenspektrometrie mit Hilfe von Penningfallen basiert auf der Bestimmung der freien Zyklotronfrequenz eines Ions in einem homogenen Magnetfeld νc=qB/(2πm). Sie wird mit Flugzeitmethode (TOF-ICR) bestimmt, wobei eine relative Massenungenauigkeit δm/m von wenigen 10^-9 bei Nukliden mit Lebensdauern von <500 ms erreicht wird. Dies wurde durch die im Rahmen dieser Arbeit erstmals in der Penningfallen-Massenspektrometrie eingesetzten Ramsey-Methode möglich. Dabei werden zeitlich separierte, oszillierenden Feldern zur resonanten Ionenanregung genutzt, um die Frequenzmessung durch die Flugzeitmethode zu verbessern. Damit wurden am Penningfallenmassenspektrometer ISOLTRAP an ISOLDE/CERN die Massen der Nuklide 26,27Al und 38,39Ca bestimmt. Alle Massen wurden in die „Atomic Mass Evaluation“ eingebettet. Die Massenwerte von 26Al und 38Ca dienten insbesondere zu Tests des Standardmodells. Um mit Massenwerten fundamentale Symmetrien oder die Quantenelektrodynamik (QED) in extremen Feldern zu testen wurde ein neues Penningfallenprojekt (PENTATRAP) für hochpräzise Massenmessungen an hochgeladenen Ionen konzipiert. In dieser Doktorarbeit wurde vornehmlich die Entwicklung der Penningfallen betrieben. Eine Neuerung bei Penningfallenexperimenten ist dabei die permanente Beobachtung des Magnetfeldes B und seiner zeitlichen Fluktuationen durch so genannte „Monitorfallen“.

The application of Penning traps for mass spectrometry has led to a major step in the mass precision. Consequently, atomic masses became more and more important as input parameters in different research fields. Penning trap mass spectrometry is based on the determination of the free cyclotron frequency νc=qB/(2πm) of an ion confined in a homogeneous magnetic field B by applying a time-of-flight detection method (TOF-ICR). Thereby a relative mass uncertainty δm/m of a few parts in 10^-9 is achieved by the implementation of the Ramsey method in Penning trap mass spectrometry within this work, here the application of time-separated oscillatory fields for resonant ion motion excitation. The masses of the nuclides 26Al and 38Ca serve as input parameters for stringent tests of the Standard Model. To exploit precise mass values to test fundamental symmetries or to study quantum electrodynamics (QED) in extreme fields a new Penning trap project (PENTATRAP) for mass measurements on highly-charged ions has recently been started. The main contribution within this thesis was the design of the Penning traps. For the first time so called “monitor traps” has been developed in order to observe permanently the magnetic field B and its time-dependent fluctuations.