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.

E-ToF-Messungen mit kalorimetrischen Tieftemperatur-Detektoren zur Bestimmung spezischer Energieverluste und zur Massenidentifikation niederenergetischer Schwerionen

Kalorimetrische Tieftemperatur-Detektoren (Calorimetric Low Temperature Detectors, CLTDs) wurden erstmals in Messungen zur Bestimmung des spezifischen Energieverlustes (dE/dx) niederenergetischer Schwerionen beim Durchgang durch Materie eingesetzt. Die Messungen wurden im Energiebereich unterhalb des Bragg-Peaks, mit 0.1 - 1.4 MeV/u 238U-Ionen in Kohlenstoff und Gold sowie mit 0.05 - 1.0 MeV/u 131Xe-Ionen in Kohlenstoff, Nickel und Gold, durchgeführt. Die Kombination der CLTDs mit einem Flugzeitdetektor ermöglichte dabei, kontinuierliche dE/dx-Kurven über größere Energiebereiche hinweg simultan zu bestimmen. Im Vergleich zu herkömmlichen Meßsystemen, die Ionisationsdetektoren zur Energiemessung verwenden, erlaubten die höhere Energieauflösung und -linearität der CLTDs eine Verringerung der Kalibrierungsfehler sowie eine Erweiterung des zugänglichen Energiebereiches der dE/dx-Messungen in Richtung niedriger Energien. Die gewonnen Daten können zur Anpassung theoretischer und semi-empirischer Modelle und somit zu einer Erhöhung der Präzision bei der Vorhersage spezifischer Energieverluste schwerer Ionen beitragen. Neben der experimentellen Bestimmung neuer Daten wurden das alternative Detektionsprinzip der CLTDs, die Vorteile dieser Detektoren bezüglich Energieauflösung und -linearität sowie der modulare Aufbau des CLTD-Arrays aus mehreren Einzeldetektoren genutzt, um diese Art von Messung auf potentielle systematische Unsicherheiten zu untersuchen. Unter anderem wurden hierbei unerwartete Channeling-Effekte beim Durchgang der Ionen durch dünne polykristalline Absorberfolien beobachtet. Die koinzidenten Energie- und Flugzeitmessungen (E-ToF) wurden weiterhin genutzt, um das Auflösungsvermögen des Detektor-Systems bei der direkten in-flight Massenbestimmung langsamer und sehr schwerer Ionen zu bestimmen. Durch die exzellente Energieauflösung der CLTDs konnten hierbei Massenauflösungen von Delta-m(FWHM) = 1.3 - 2.5 u für 0.1 - 0.6 MeV/u 238U-Ionen erreicht werden. In einer E-ToF-Messung mit Ionisationsdetektoren sind solche Werte in diesem Energie- und Massenbereich aufgrund der Limitierung der Energieauflösung durch statistische Schwankungen von Verlustprozessen beim Teilchennachweis nicht erreichbar.

Development of a multi-species method by GC-coupling with inductively coupled plasma isotope dilution mass spectrometry for the simultaneous determination of alkylated lead, mercury and tin compounds

An accurate and sensitive species-specific GC-ICP-IDMS (gas chromatography inductively coupled plasma isotope dilution mass spectrometry) method for the determination of trimethyllead and a multi-species-specific GC-ICP-IDMS method for the simultaneous determination of trimethyllead, methylmercury, and butyltins in biological and environmental samples were developed. They allow the determination of corresponding elemental species down to the low ng g-1 range. The developed synthesis scheme for the formation of isotopically labeled Me3206Pb+ can be used for future production of this spike. The novel extraction technique, stir bar sorptive extraction (SBSE), was applied for the first time in connection with species-specific isotope dilution GC-ICP-MS for the determination of trimethyllead, methylmercury and butyltins. The results were compared with liquid-liquid extraction. The developed methods were validated by the analysis of certified reference materials. The liquid-liquid extraction GC-ICP-IDMS method was applied to seafood samples purchased from a supermarket. The methylated lead fraction in these samples, correlated to total lead, varied in a broad range of 0.01-7.6 %. On the contrary, the fraction of methylmercury is much higher, normally in the range of 80-98 %. The highest methylmercury content of up to 12 µg g-1 has been determined in shark samples, an animal which is at the end of the marine food chain, whereas in other seafood samples a MeHg+ content of less than 0.2 µg g-1 was found. Butyltin species could only be determined in samples, where anthropogenic contaminations must be assumed. This explains the observed broad variation of the butylated tin fraction in the range of <0.3-49 % in different seafood samples. Because all isotope-labelled spike compounds, except trimethyllead, are commercially available, the developed multi-species-specific GC-ICP-IDMS method has a high potential in future for routine analysis.

Determination of trace elemental species in periostracum of Cypraea shells

n this work, three Cypraea species (C. talpa, C. tigris and C. zebra) were exhaustively studied. The shells have been separated in the structural layers. The mineralogy, ultra- and micro-structure of each layer were analyzed by Confocal Laser Scanning Microscopy (CLSM), Scanning Electron Microscopy (SEM), X-Ray Diffractometry (XRD) and Raman Spectroscopy (RS). The presence of biologically relevant trace metals (Mn, Co, Fe, Zn, Cr, etc.) has been investigated using Instrumental Neutron Activation Analysis (INAA) and Inductively Coupled Plasma – Mass Spectrometry (ICP-MS) as detection tool. A new method has been developed and optimized to extract and analyze the soluble organic matrix (SOM) of the shell. Although the molecular nature of the SOM is not really known, it contains at least large protein fraction, if not only consists of proteins. The extracted matrices were compared between layers and species using Size Exclusion High Performance Liquid Chromatography coupled with Ultra Violet Spectrometry (SE-HPLC-UV), Gel electrophoresis (GE) and protein quantification tests. For the first time to our knowledge the association of trace elements to the protein in the SOM of the shell was studied using hyphenated on line as well as combined off line techniques and validated through inter-comparison tests between the different methods applied. Interesting correlations between the trace element concentration, the microstructure and the protein content were directly and indirectly detected. The metals Cu, Ni, Co and Zn have shown to bind to the SOM extracted from C. talpa, C. tigris and C. zebra shells. Within the conclusions of this work it was demonstrated that these protein-metal-complexes (or metal containing proteins) change from one layer to the other and are different between the three snails analyzed. In addition, the complexes are clearly related only to certain protein fractions of the SOM, and not to the whole SOM observed. These fractions and show not to be very metal-specific (i.e. some of these fractions bind two or three different metals).

Determination of the gluon polarisation from open charm production at COMPASS

One of the main goals of the COMPASS experiment at CERN is the determination of the gluon polarisation in the nucleon. It is determined from spin asymmetries in the scattering of 160 GeV/c polarised muons on a polarised LiD target. The gluon polarisation is accessed by the selection of photon-gluon fusion (PGF) events. The PGF-process can be tagged through hadrons with high transverse momenta or through charmed hadrons in the final state. The advantage of the open charm channel is that, in leading order, the PGF-process is the only process for charm production, thus no physical background contributes to the selected data sample. This thesis presents a measurement of the gluon polarisation from the COMPASS data taken in the years 2002-2004. In the analysis, charm production is tagged through a reconstructed D0-meson decaying in $D^{0}-> K^{-}pi^{+}$ (and charge conjugates). The reconstruction is done on a combinatorial basis. The background of wrong track pairs is reduced using kinematic cuts to the reconstructed D0-candidate and the information on particle identification from the Ring Imaging Cerenkov counter. In addition, the event sample is separated into D0-candidates, where a soft pion from the decay of the D*-meson to a D0-meson, is found, and the D0-candidates without this tag. Due to the small mass difference between D*-meson and D0-meson the signal purity of the D*-tagged sample is about 7 times higher than in the untagged sample. The gluon polarisation is measured from the event asymmetries for the for the different spin configurations of the COMPASS target. To improve the statistical precision of the final results, the events in the final sample are weighted. This method results in an average value of the gluon polarisation in the x-range covered by the data. For the COMPASS data from 2002-2004, the resulting value of the gluon polarisation is $=-0.47+-0.44 (stat)+-0.15(syst.)$. The result is statistically compatible with the existing measurements of $$ in the high-pT channel. Compared to these, the open charm measurement has the advantage of a considerably smaller model dependence.

Nuclear charge radius determination of 7,10 Be and the one-neutron halo nucleus 11 Be

The only nuclear model independent method for the determination of nuclear charge radii of short-lived radioactive isotopes is the measurement of the isotope shift. For light elements (Z < 10) extremely high accuracy in experiment and theory is required and was only reached for He and Li so far. The nuclear charge radii of the lightest elements are of great interest because they have isotopes which exhibit so-called halo nuclei. Those nuclei are characterized by a a very exotic nuclear structure: They have a compact core and an area of less dense nuclear matter that extends far from this core. Examples for halo nuclei are 6^He, 8^He, 11^Li and 11^Be that is investigated in this thesis. Furthermore these isotopes are of interest because up to now only for such systems with a few nucleons the nuclear structure can be calculated ab-initio. In the Institut für Kernchemie at the Johannes Gutenberg-Universität Mainz two approaches with different accuracy were developed. The goal of these approaches was the measurement of the isotope shifts between (7,10,11)^Be^+ and 9^Be^+ in the D1 line. The …first approach is laser spectroscopy on laser cooled Be^+ ions that are trapped in a linear Paul trap. The accessible accuracy should be in the order of some 100 kHz. In this thesis two types of linear Paul traps were developed for this purpose. Moreover, the peripheral experimental setup was simulated and constructed. It allows the efficient deceleration of fast ions with an initial energy of 60 keV down to some eV and an effcient transport into the ion trap. For one of the Paul traps the ion trapping could already be demonstrated, while the optical detection of captured 9^Be^+ ions could not be completed, because the development work was delayed by the second approach. The second approach uses the technique of collinear laser spectroscopy that was already applied in the last 30 years for measuring isotope shifts of plenty of heavier isotopes. For light elements (Z < 10), it was so far not possible to reach the accuracy that is required to extract information about nuclear charge radii. The combination of collinear laser spectroscopy with the most modern methods of frequency metrology …finally permitted the …first-time determination of the nuclear charge radii of (7,10)^Be and the one neutron halo nucleus 11^Be at the COLLAPS experiment at ISOLDE/ CERN. In the course of the work reported in this thesis it was possible to measure the absolute transition frequencies and the isotope shifts in the D1 line for the Be isotopes mentioned above with an accuracy of better than 2 MHz. Combination with the most recent calculations of the mass effect allowed the extraction of the nuclear charge radii of (7,10,11)^Be with an relative accuracy better than 1%. The nuclear charge radius decreases from 7^Be continuously to 10^Be and increases again for 11^Be. This result is compared with predictions of ab-initio nuclear models which reproduce the observed trend. Particularly the "Greens Function Monte Carlo" and the "Fermionic Molecular Dynamic" model show very good agreement.

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“.

Boron determination in biological samples - Intercomparison of three analytical methods to assist development of a treatment protocol for neoplastic diseases of the liver with Boron Neutron Capture Therapy

Die Bor-Neuroneneinfang-Therapie (engl.: Boron Neutron Capture Therapy, BNCT) ist eine indirekte Strahlentherapie, welche durch die gezielte Freisetzung von dicht ionisierender Strahlung Tumorzellen zerstört. Die freigesetzten Ionen sind Spaltfragmente einer Kernreaktion, bei welcher das Isotop 10B ein niederenergetisches (thermisches) Neutron einfängt. Das 10B wird durch ein spezielles Borpräparat in den Tumorzellen angereichert, welches selbst nicht radioaktiv ist. rnAn der Johannes Gutenberg-Universität Mainz wurde die Forschung für die Anwendung eines klinischen Behandlungsprotokolls durch zwei Heilversuche bei Patienten mit kolorektalen Lebermetastasen an der Universität Pavia, Italien, angeregt, bei denen die Leber außerhalb des Körpers in einem Forschungsreaktor bestrahlt wurde. Als erster Schritt wurde in Kooperation verschiedener universitärer Institute eine klinische Studie zur Bestimmung klinisch relevanter Parameter wie der Borverteilung in verschiedenen Geweben und dem pharmakokinetischen Aufnahmeverhalten des Borpräparates initiiert.rnDie Borkonzentration in den Gewebeproben wurde hinsichtlich ihrer räumlichen Verteilung in verschiedenen Zellarealen bestimmt, um mehr über das Aufnahmeverhalten der Zellen für das BPA im Hinblick auf ihre biologischen Charakteristika zu erfahren. Die Borbestimung wurde per Quantitative Neutron Capture Radiography, Prompt Gamma Activation Analysis und Inductively Coupled Plasma Mass Spectroscopy parallel zur histologischen Analyse des Gewebes durchgeführt. Es war möglich zu zeigen, dass in Proben aus Tumorgewebe und aus tumorfreiem Gewebe mit unterschiedlichen morphologischen Eigenschaften eine sehr heterogene Borverteilung vorliegt. Die Ergebnisse der Blutproben werden für die Erstellung eines pharmakokinetischen Modells verwendet und sind in Übereinstimmung mit existierenden pharmakokinetische Modellen. Zusätzlich wurden die Methoden zur Borbestimmung über speziell hergestellte Referenzstandards untereinander verglichen. Dabei wurde eine gute Übereinstimmung der Ergebnisse festgestellt, ferner wurde für alle biologischen Proben Standardanalyseprotokolle erstellt.rnDie bisher erhaltenen Ergebnisse der klinischen Studie sind vielversprechend, lassen aber noch keine endgültigen Schlussfolgerungen hinsichtlich der Wirksamkeit von BNCT für maligne Lebererkrankungen zu. rn

Determination of effective charge of flexible polyelectrolytes by light scattering

The most important property controlling the physicochemical behaviour of polyelectrolytes and their applicability in different fields is the charge density on the macromolecular chain. A polyelectrolyte molecule in solution may have an effective charge density which is smaller than the actual charge density determined from its chemical structure. In the present work an attempt has been made to quantitatively determine this effective charge density of a model polyelectrolyte by using light scattering techniques. Flexible linear polyelectrolytes with a Poly(2-Vinylpyridine) (2-PVP) backbone are used in the present study. The polyelectrolytes are synthesized by quaternizing the pyridine groups of 2-PVP by ethyl bromide to different quaternization degrees. The effect of the molar mass, degree of quaternization and solvent polarity on the effective charge is studied. The results show that the effective charge does not vary much with the polymer molar mass or the degree of quaternization. But a significant increase in the effective charge is observed when the solvent polarity is increased. The results do not obey the counterion condensation theory proposed by Manning. Based on the very low effective charges determined in this study, a new mechanism for the counterion condensation phenomena from a specific polyelectrolyte-counterion interaction is proposed

Development and application of mass-spectrometric methods for the quantification and characterization of organic compounds in ice cores

Eisbohrkerne stellen wertvolle Klimaarchive dar, da sie atmosphärisches Aerosol konservieren. Die Analyse chemischer Verbindungen als Bestandteil atmosphärischer Aerosole in Eisbohrkernen liefert wichtige Informationen über Umweltbedingungen und Klima der Vergangenheit. Zur Untersuchung der α-Dicarbonyle Glyoxal und Methylglyoxal in Eis- und Schneeproben wurde eine neue, sensitive Methode entwickelt, die die Stir Bar Sorptive Extraction (SBSE) mit der Hochleistungsflüssigchromatographie-Massenspektrometrie (HPLC-MS) kombiniert. Zur Analyse von Dicarbonsäuren in Eisbohrkernen wurde eine weitere Methode entwickelt, bei der die Festphasenextraktion mit starkem Anionenaustauscher zum Einsatz kommt. Die Methode erlaubt die Quantifizierung aliphatischer Dicarbonsäuren (≥ C6), einschließlich Pinsäure, sowie aromatischer Carbonsäuren (wie Phthalsäure und Vanillinsäure), wodurch die Bestimmung wichtiger Markerverbindungen für biogene und anthropogene Quellen ermöglicht wurde. Mit Hilfe der entwickelten Methoden wurde ein Eisbohrkern aus den Schweizer Alpen analysiert. Die ermittelten Konzentrationsverläufe der Analyten umfassen die Zeitspanne von 1942 bis 1993. Mittels einer Korrelations- und Hauptkomponentenanalyse konnte gezeigt werden, dass die organischen Verbindungen im Eis hauptsächlich durch Waldbrände und durch vom Menschen verursachte Schadstoffemissionen beeinflusst werden. Im Gegensatz dazu sind die Konzentrationsverläufe einiger Analyten auf den Mineralstaubtransport auf den Gletscher zurückzuführen. Zusätzlich wurde ein Screening der Eisbohrkernproben mittels ultrahochauflösender Massenspektrometrie durchgeführt. Zum ersten Mal wurden in diesem Rahmen auch Organosulfate und Nitrooxyorganosulfate in einem Eisbohrkern identifiziert.