Messung des Land��-gJ-Faktors im Grundzustand von Ca + und Untersuchung des Speicherverhaltens von Elektronen in einem Penningk��fig

Ionenk��fige und speziell Penningfallen stellen sich in der Atomphysik als au��ergew��hnliche Werkzeuge heraus. Zum einen bieten diese 'Teilchencontainer' die M��glichkeit atomphysikalische Pr��zisionsmessungen durchzuf��hren und zum anderen stellen Penningfallen schwingungsf��hige Systeme dar, in welchen nichtlineare dynamische Prozesse an gespeicherten Teilchen untersucht werden k��nnen. In einem ersten Teil der Arbeit wurde mit der in der Atomphysik bekannten Methode der optischen Mikrowellen-Doppelresonanz Spektroskopie der elektronische g-Faktor von Ca+ mit einer Genauigkeit von 4*10^{-8} zu gJ=2,00225664(9) bestimmt. g-Faktoren von Elektronen in gebundenen ionischen Systemen sind fundamentale Gr����en der Atomphysik, die Informationen ��ber die atomare Wellenfunktion des zu untersuchenden Zustandes liefern. In einem zweiten Teil der Arbeit wurde hinsichtlich der Untersuchungen zur nichtlinearen Dynamik von parametrisch angeregten gespeicherten Elektronen beobachtet, dass ab bestimmten kritischen Teilchendichten in der Penningfalle die gespeicherten Elektronen kollektive Eigenschaften manifestieren. Weiterhin wurde bei der Anregung der axialen Eigenbewegung ein Schwellenverhalten der gemessenen Subharmonischen zur 2*omega_z-Resonanz beobachtet. Dieser Schwelleneffekt l��sst sich mit der Existenz eines D��mpfungsmechanismus erkl��ren, der auf die Elektronenwolke einwirkt, so dass eine Mindestamplitude der Anregung erforderlich ist, um diese D��mpfung zu ��berwinden. Durch Bestimmung der charakteristischen Kurven der ged��mpften Mathieuschen Differentialgleichung konnte das beobachtete Ph��nomen theoretisch verstanden werden.

Development of an experiment for ultrahigh-precision g-factor

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und dem Aufbau eines Experiments zur hochpr��zisen Bestimmung des g-Faktors gebundener Elektronen in hochgeladenen Ionen. Der g-Faktor eines Teilchens ist eine dimensionslose Konstante, die die St��rke der Wechselwirkung mit einem magnetischen Feld beschreibt. Im Falle eines an ein hochgeladenes Ion gebundenen Elektrons, dient es als einer der genausten Tests der Quantenelektrodynamik gebundener Zustande (BS-QED). Die Messung wird in einem dreifach Penning-Fallen System durchgef��hrt und basiert auf dem kontinuierlichen Stern-Gerlach-Effekt. Der erste Teil dieser Arbeit gibt den aktuellen Wissensstand ��ber magnetische Momente wieder. Der hier gew��hlte experimentelle Aufbau wird begr��ndet. Anschlie��end werden die experimentellen Anforderungen und die verwendeten Messtechniken erl��utert. Das Ladungsbr��ten der Ionen - einer der wichtigsten Aufgaben dieser Arbeit - ist dargestellt. Seine Realisierung basiert auf einer Feld-Emissions-Spitzen-Anordnung, die die Messung des Wirkungsquerschnitts f��r Elektronensto��ionisation erm��glicht. Der letzte Teil der Arbeit widmet sich der Entwicklung und dem Aufbau des Penning-Fallen Systems, sowie der Implementierung des Nachweisprozesses. Gegenw��rtig ist der Aufbau zur Erzeugung hochgeladener Ionen und der dazugeh��rigen Messung des g-Faktors abgeschlossen, einschlie��lich des Steuerprogramms f��r die erste Datennahme. Die Ionenerzeugung und das Ladungsbr��ten werden die n��chsten Schritte sein.

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 ��-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 (��< 1 ��b), 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.

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 gef��hrt. 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 ��c=qB/(2��m). Sie wird mit Flugzeitmethode (TOF-ICR) bestimmt, wobei eine relative Massenungenauigkeit ��m/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 m��glich. 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) f��r hochpr��zise 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���.

Ein Experiment zur Bestimmung des g-Faktors des gebundenen Elektrons in wasserstoff- und lithium��hnlichen mittelschweren Ionen

In dieser Arbeit werden der experimentelle Aufbau und erste Messungen f��r die Bestimmung des g-Faktors des Elektrons gebunden in wasserstoff- und lithium��hnlichen mittelschweren Ionen beschrieben. Mit dem hochpr��zisenWert des g-Faktors k��nnen theoretische Berechnungen der Quantenelektrodynamik gebundener Zust��nde ��berpr��ft werden. Die Messungen werden in einem Dreifach-Penningfallen-System durchgef��hrt. Dort wurden im Rahmen dieser Arbeit auch erstmals hochgeladene Ionen bis 28Si13+ in einer hierf��r entwickelten Elektronenstrahl-Ionenquelle/-falle erzeugt. F��r die Bestimmung des g-Faktors werden die freie Zyklotronfrequenz und die Larmorfrequenz ben��tigt. Erstere wird aus den drei Eigenfrequenzen des in der Pr��zisionsfalle gespeicherten Ions berechnet. Um das Ion bei den Messungen nicht zu verlieren, werden die Eigenfrequenzen des Ions durch Kopplung an einen radiofrequenten Nachweisschwingkreis nicht-destruktiv nachgewiesen. Die freie Zyklotronfrequenz konnte dabei mit einer relativen Genauigkeit von wenigen 10E���9 bestimmt werden. Zur Bestimmung der Larmorfrequenz ist die genaue Kenntnis der Spinrichtung des Elektrons im Magnetfeld notwendig. Diese wird durch den kontinuierlichen Stern-Gerlach-Effekt in der sogenannten Analysefalle bestimmt. Hierzu muss eine hohe Stabilit��t der axialen Frequenz des Ions erreicht werden. Um dies sowie die Hochpr��zisionsmessungen in der Pr��zisionsfalle zu erreichen, wurden in dieser Arbeit beide Fallen hinsichtlich ihrer elektrischen und magnetischen Eigenschaften charakterisiert.

The g-factor of the electron bound in 28 Si 13+ : the most stringent test of bound-state quantum electrodynamics

This thesis describes the ultra-precise determination of the g-factor of the electron bound to hydrogenlike 28Si13+. The experiment is based on the simultaneous determination of the cyclotron- and Larmor frequency of a single ion, which is stored in a triple Penning-trap setup. The continuous Stern-Gerlach effect is used to couple the spin of the bound electron to the motional frequencies of the ion via a magnetic bottle, which allows the non-destructive determination of the spin state. To this end, a highly sensitive, cryogenic detection system was developed, which allowed the direct, non-destructive detection of the eigenfrequencies with the required precision.rnThe development of a novel, phase sensitive detection technique finally allowed the determination of the g-factor with a relative accuracy of 40 ppt, which was previously inconceivable. The comparison of the hereby determined value with the value predicted by quantumelectrodynamics (QED) allows the verification of the validity of this fundamental theory under the extreme conditions of the strong binding potential of a highly charged ion. The exact agreement of theory and experiment is an impressive demonstration of the exactness of QED. The experimental possibilities created in this work will allow in the near future not only further tests of theory, but also the determination of the mass of the electron with a precision that exceeds the current literature value by more than an order of magnitude.

Production of antihydrogen via double charge exchange

Spectroscopy of the 1S-2S transition of antihydrogen confined in a neutral atom trap and comparison with the equivalent spectral line in hydrogen will provide an accurate test of CPT symmetry and the first one in a mixed baryon-lepton system. Also, with neutral antihydrogen atoms, the gravitational interaction between matter and antimatter can be tested unperturbed by the much stronger Coulomb forces.rnAntihydrogen is regularly produced at CERN's Antiproton Decelerator by three-body-recombination (TBR) of one antiproton and two positrons. The method requires injecting antiprotons into a cloud of positrons, which raises the average temperature of the antihydrogen atoms produced way above the typical 0.5 K trap depths of neutral atom traps. Therefore only very few antihydrogen atoms can be confined at a time. Precision measurements, like laser spectroscopy, will greatly benefit from larger numbers of simultaneously trapped antihydrogen atoms.rnTherefore, the ATRAP collaboration developed a different production method that has the potential to create much larger numbers of cold, trappable antihydrogen atoms. Positrons and antiprotons are stored and cooled in a Penning trap in close proximity. Laser excited cesium atoms collide with the positrons, forming Rydberg positronium, a bound state of an electron and a positron. The positronium atoms are no longer confined by the electric potentials of the Penning trap and some drift into the neighboring cloud of antiprotons where, in a second charge exchange collision, they form antihydrogen. The antiprotons remain at rest during the entire process, so much larger numbers of trappable antihydrogen atoms can be produced. Laser excitation is necessary to increase the efficiency of the process since the cross sections for charge-exchange collisions scale with the fourth power of the principal quantum number n.rnThis method, named double charge-exchange, was demonstrated by ATRAP in 2004. Since then, ATRAP constructed a new combined Penning Ioffe trap and a new laser system. The goal of this thesis was to implement the double charge-exchange method in this new apparatus and increase the number of antihydrogen atoms produced.rnCompared to our previous experiment, we could raise the numbers of positronium and antihydrogen atoms produced by two orders of magnitude. Most of this gain is due to the larger positron and antiproton plasmas available by now, but we could also achieve significant improvements in the efficiencies of the individual steps. We therefore showed that the double charge-exchange can produce comparable numbers of antihydrogen as the TBR method, but the fraction of cold, trappable atoms is expected to be much higher. Therefore this work is an important step towards precision measurements with trapped antihydrogen atoms.

Der g-Faktor des Protons

In dieser Arbeit wird die bisher pr��ziseste und erste direkte Hochpr��zisionsmessung des g-Faktors eines einzelnen Protons pr��sentiert. Die Messung beruht auf der nicht-destruktiven Bestimmung der Zyklotronfrequenz und der Larmorfrequenz eines in einer Penning-Falle gespeicherten Protons. Zur Bestimmung der Larmorfrequenz wird die Spin-Flip-Wahrscheinlichkeit als Funktion einer externen Spin-Flip-Anregung aufgenommen. Zu diesem Zweck wird der kontinuierliche Stern-Gerlach Effekt verwendet, welcher zu einer Kopplung des Spin-Moments an die axiale Bewegung des Protons f��hrt. Ein Spin-Flip zeigt sich dabei in einem Sprung der axialen Bewegungsfrequenz. Die Schwierigkeit besteht darin, diesen Frequenzsprung auf einem Hintergrund axialer Frequenzfluktuationen zu detektieren. Um diese Herausforderung zu bew��ltigen, wurden neuartige Methoden und Techniken angewandt. Zum einen wurden supraleitende Nachweise mit h��chster Empfindlichkeit entwickelt, welche schnelle und damit pr��zise Frequenzmessungen erlauben. Zum anderen wurde eine auf dem statistischen Bayes Theorem basierende Spin-Flip-Analyse-Methode angewandt. Mit diesen Verbesserungen war es m��glich, einzelne Spin-Flips eines einzelnen Protons zu beobachten. Dies wiederum erm��glichte die Anwendung der sogenannten Doppelfallen-Methode, und damit die eingangs erw��hnte Messung des g-Faktors mit einer Pr��zision von 4.3 10^-9.

The AEgIS experiment at CERN for the measurement of antihydrogen gravity acceleration

The Antihydrogen Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy (AEgIS) experiment is conducted by an international collaboration based at CERN whose aim is to perform the first direct measurement of the gravitational acceleration of antihydrogen in the local field of the Earth, with ��g/g = 1% precision as a first achievement. The idea is to produce cold (100 mK) antihydrogen ( ��H) through a pulsed charge exchange reaction by overlapping clouds of antiprotons, from the Antiproton Decelerator (AD) and positronium atoms inside a Penning trap. The antihydrogen has to be produced in an excited Rydberg state to be subsequently accelerated to form a beam. The deflection of the antihydrogen beam can then be measured by using a moir��e deflectometer coupled to a position sensitive detector to register the impact point of the anti-atoms through the vertex reconstruction of their annihilation products. After being approved in late 2008, AEgIS started taking data in a commissioning phase in 2012. This paper presents an outline of the experiment with a brief overview of its physics motivation and of the state-of-the-art of the g measurement on antimatter. Particular attention is given to the current status of the emulsion-based position detector needed to measure the ��H sag in AEgIS.

Mg/Ca ratios of Neogloboquadrina pachyderma (s) and Globigerina bulloides in Irminger Sea sediment trap time series

iven the importance of high-latitude areas in the ocean-climate system, there is need for a paleothermometer that is reliable at low temperatures. Here we assess the applicability of the Mg/Ca-temperature proxy in colder waters (5-10?��C) by comparing for the first time the seasonal Mg/Ca and d18O cycles of N. pachyderma (s) and G. bulloides using a sediment trap time-series from the northern North Atlantic. While both species show indistinguishable seasonal d18O patterns that clearly track the near surface temperature cycle, their Mg/Ca are very different. G. bulloides Mg/Ca is high (2.0-3.1 mmol/mol), but varies in concert with the seasonal temperature cycle. The Mg/Ca of N. pachyderma (s), on the other hand, is low (1.1-1.5 mmol/mol) and shows only a very weak seasonal cycle. The d18O patterns indicate that both species calcify in the same depth zone. Consequently, depth habitat differences cannot explain the contrasting Mg/Ca patterns. The elevated Mg/Ca in pristine G. bulloides might be due to the presence of high Mg phases that are not preserved in fossil shells. The contrasting absence of a seasonal trend in the Mg/Ca of N. pachyderma (s) confirms other studies where calcification temperatures were less well constrained. The reason for this absence is not fully known, but may include species-specific vital effects. The very different seasonal patterns of both species' Mg/Ca underscore the importance of parameters other than temperature in controlling planktonic foraminiferal Mg/Ca. Our results therefore lend further caution in the interpretation of Mg/Ca-temperature reconstructions from high northern latitudes.

Single planktonic foraminiferal Mg/Ca ratios of samples from sediment trap CBi3 upper off Cape Blanc (NW-Africa)

The data shows Mg/Ca ratios of single specimens of the planktonic foraminifera Globigerinoides ruber (pink and white variety) and Globorotalia Inflata from a sediment trap anchored off Cape Blanc (NW-Africa). Mg/Ca ratios were determined on an ICP-MS and ICP-OES at the University of Bremen, after flow-through cleaning. Additionally, shells sizes and calculated shell weights are provided.

Grain refinement studies on Mg and Mg-Al based alloys

Demand on magnesium and its alloys is increased significantly in the automotive industry because of their great potential in reducing the weight of components, thus resulting in improvement in fuel efficiency of the vehicle. To date, most of Mg products have been fabricated by casting, especially, by die-casting because of its high productivity, suitable strength, acceptable quality & dimensional accuracy and the components produced through sand, gravity and low pressure die casting are small extent. In fact, higher solidification rate is possible only in high pressure die casting, which results in finer grain size. However, achieving high cooling rate in gravity casting using sand and permanent moulds is a difficult task, which ends with a coarser grain nature and exhibit poor mechanical properties, which is an important aspect of the performance in industrial applications. Grain refinement is technologically attractive because it generally does not adversely affect ductility and toughness, contrary to most other strengthening methods. Therefore formation of fine grain structure in these castings is crucial, in order to improve the mechanical properties of these cast components. Therefore, the present investigation is ���GRAIN REFINEMENT STUDIES ON Mg AND Mg-Al BASED ALLOYS���. The primary objective of this present investigation is to study the effect of various grain refining inoculants (Al-4B, Al- 5TiB2 master alloys, Al4C3, Charcoal particles) on Pure Mg and Mg-Al alloys such as AZ31, AZ91 and study their grain refining mechanisms. The second objective of this work is to study the effect of superheating process on the grain size of AZ31, AZ91 Mg alloys with and without inoculants addition. In addition, to study the effect of grain refinement on the mechanical properties of Mg and Mg-Al alloys. The thesis is well organized with seven chapters and the details of the studies are given below in detail.

Estudo das propriedades supercondutoras e da microestrutura do supercondutor Mg'B IND. 2' puro e dopado com compostos de carbono

Conselho Nacional de Desenvolvimento Cient��fico e Tecnol��gico (CNPq)

Evolu����o termocronol��gica por tra��os de fiss��o em apatita e zirc��o das Bacias da Transi����o Proteroz��ico-Faneroz��ico de Camaqu�� (RS), Castro (PR), Eleut��rio (SP/MG), Jaibaras e Cococi (CE)

P��s-gradua����o em Geologia Regional - IGCE

Efeito de adi����es de Ni e Mg sobre o comportamento t��rmico, mec��nico e el��trico de ligas Al-Cu-Fe solidificadas unidirecionalmente

Este trabalho estudou a influ��ncia dos teores dos solutos Mg e Ni na modifica����o das propriedades t��rmicas, el��tricas e mec��nicas de uma liga Al-Cu-Fe para aplica����o como condutor de energia el��trica. Para a realiza����o do presente estudo, as ligas foram obtidas por fundi����o unidirecional horizontal, a partir da base do alum��nio de pureza comercial com adi����o dos teores 0,05%p Cu e [0,24 a 0,28]%p Fe. Tal base foi modificada em uma primeira etapa com teores de 0,45, 0,60 e 0,80%p Mg. As ligas obtidas com estes teores tiveram suas propriedades estudadas para que se selecionasse um teor de Mg para posterior adi����o de Ni �� liga. O estudo destas propriedades na primeira etapa passou pela an��lise das propriedades t��rmicas: velocidade de solidifica����o (V_L) e taxa de resfriamento (���). A caracteriza����o el��trica estudou a propriedade condutividade el��trica (��) e o levantamento das propriedades mec��nicas: limite de resist��ncia �� tra����o (��) e microdureza Vickers (HV). A liga com adi����o de Ni passou por tratamentos t��rmicos de envelhecimento, por 1, 4 e 8h. Estas amostras foram analisadas em um microsc��pio eletr��nico de varredura - MEV pelos sinais de el��trons retroespalhados ��� ERE e espectroscopia de energia dispersiva ��� EDS. Como resultados do estudo, encontrou-se que adi����es de Mg influenciaram significativamente a viscosidade das ligas, elevando as velocidades de solidifica����o nos instantes finais. Os ensaios de microdureza das amostras envelhecidas mostraram que houve um acr��scimo significativo de dureza na quarta hora de envelhecimento, da mesma forma que as an��lises de EDS mostraram que a concentra����o de Ni tamb��m elevou-se nesta condi����o de tratamento.