First direct mass measurements on nobelium and lawrencium with the Penning trap mass spectrometer SHIPTRAP [Elektronische Ressource] / von Michael Gerhard Dworschak

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• Publié le: 01 janvier 2009
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Extrait

First direct mass measurements on
nobelium and lawrencium
with the Penning trap mass spectrometer
SHIPTRAP
Dissertation zur Erlangung des Grades
Doktor der Naturwissenschaften
am Fachbereich 08: Physik, Mathematik und Informatik
der Johannes Gutenberg-Universit˜at Mainz
von
Michael Gerhard Dworschak
geboren in Miltenberg
Mainz 20091. Gutachter:
2.hter:
Tag der mundlic˜ hen Prufung:˜ 08.12.2009ErstedirekteMassenmessungenanNobelium-undLawrenciumisotopen
mit dem Penningfallen-Massenspektrometer SHIPTRAP
Das Pektrometer SHIPTRAP wurde gebaut um Hochpr˜azi-
sionsmassenmessungen an schweren Radionukliden durchzufuhren,˜ die in Fusions-
reaktionenproduziertundvomGeschwindigkeitsfllterSHIPvomPrim˜arstrahlsepa-
riert werden. Es besteht aus einer Gaszelle zur Abbremsung der hochenergetis-
chen Reaktionsprodukte, einem RFQ-Kuhler˜ und Buncher zur Kuhlung˜ und Akku-
mulation der Ionen und einem Doppel-Penningfallen-System um Massenmessungen
durchzufuhren.˜ Die Masse wird durch die Messungen der Zyklotronfrequenz des
entsprechenden Ions in einem starken homogenen Magnetfeld bestimmt. Diese Fre-
quenz wird mit der Frequenz eines wohlbekannten Referenzions verglichen. Mit
¡8dieser Methode k˜onnen relative Fehler in der Gr˜o…enordnung von 10 erreicht wer-
252¡254den. Kurzlic˜ h konnten die Massen der Nobeliumisotope No (Z=102) und des
255Lawrenciumisotops Lr(Z=103)erstmalserfolgreichgemessenwerden. Dieswaren
die ersten direkten Massenmessungen an Transuranen. Die Produktionrate dieser
Atome lag bei etwa eins pro Sekunde und weniger. Die Ergebnisse der Massenmes-
sungen an Nobelium best˜atigen die fruheren˜ Massenwerte, die aus Q -Messungenfi
255abgeleitet wurden. Im Fall von Lr wurde der Massenexzess, der bis dahin nur aus
systematischen Trends abgesch˜atzt wurde, zum ersten Mal direkt bestimmt. Diese
Ergebnisse sind ein erster Schritt fur˜ die an SHIPTRAP geplante Erforschung der
Region der Transurane. Das Hauptziel ist hierbei die Bestimmung der Endpunkte
derfi-Zerfallsketten,dieinsuperschwerenElementeninderN˜ahedervorhergesagten
Stabilit˜atsinsel ihren Ursprung nehmen.
First direct mass measurements on nobelium and lawrencium with the
Penning trap mass spectrometer SHIPTRAP
The Penning trap mass sp at GSI Darmstadt was set up for
high-precision mass measurements of heavy radionuclides produced in fusion evap-
oration reactions and separated from the primary beam by the velocity fllter SHIP.
It consists of a gas stopping cell for the deceleration of the high energetic reaction
products, an RFQ cooler and buncher for cooling and accumulation of the ions,
and a double Penning trap system to perform mass measurements. The mass is
determined by measuring the cyclotron frequency of the ion of interest in a strong
homogeneous magnetic fleld and comparing it to the frequency of a well-known ref-
¡8erence ion. With this method relative uncertainties in the order of 10 can be
252¡254achieved. Recently, mass measurements of the three nobelium isotopes No
255(Z=102) and the lawrencium isotope Lr (Z=103) were performed successfully.
These were the flrst direct mass measurements of transuranium elements ever per-
formed. The production rate of the atoms of interest was about one per second or
less. Theresultsofthemeasurementsonnobeliumconflrmthepreviousmassvalues
255which were deduced from Q values. In the case of Lr the mass excess value,fi
which was previously only estimated from systematic trends, was for the flrst time
directly measured. These results mark the flrst step in the exploration of the region
of transuranium elements which is planned at SHIPTRAP. The main objective is to
flx the endpoints of fi decay chains which are originating from superheavy elements
close to the predicted island of stability.Contents
1 Introduction 1
2 Nuclear mass models 5
2.1 The liquid-drop model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 The macroscopic-microscopic model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.1 The approach of Myers and Swiatecki . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.2 The Strutinsky ansatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.3 The flnite-range liquid-drop model . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.4 The droplet model . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3 Microscopic models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3.1 The Hartree-Fock approximation . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3.2 The Ritz variation principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.3 The Hartree-Fock method with Skyrme interaction . . . . . . 16
2.4 Predictions of the mass models for superheavy nuclei . . . . . . . . . 21
3 The high-precision Penning trap mass spectrometer SHIPTRAP 27
3.1 The velocity fllter SHIP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2 The gas cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3 The RFQ buncher. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.4 The Penning traps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.4.1 Principle of a Penning trap. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.4.2 The real Penning trap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.4.3 Excitation of the ion motions in a Penning trap . . . . . . . . 41
3.4.4 Bufier gas cooling of the stored ions . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.4.5 Mass measurement in a Penning trap . . . . . . . . . . . . . . 47
3.5 The detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.5.1 Silicon detectors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.5.2 MCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.5.3 The Channeltron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.5.4 The position sensitive MCP detector . . . . . . . . . . . . . . 55
4 Mass measurements on nobelium and lawrencium 63
4.1 The production of superheavy elements . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.1.1 Theoretical description of the production of SHE . . . . . . . 64
4.1.2 Production of nobelium isotopes at SHIP . . . . . . . . . . . . 66
4.2 The nobelium mass measurement procedure . . . . . . . . . . . . . . 69
4.3 Results of the masst on nobelium isotopes . . . . . . . . 72
iiiContents
4.4 Mass determination of superheavy nuclides by fi-decay energies . . . 76
4.5 Comparison of experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.6 of the experimental results with the theoretical predictions 86
4.7 The flrst direct mass measurement on lawrencium . . . . . . . . . . . 88
5 Summary and outlook 91
ivList of Figures
1.1 Regions of interest at SHIPTRAP on the chart of nuclides . . . . . . 2
2.1 Deviation of the mass values predicted by von Weizs˜acker and the
experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Sketch for the illustration of the flssion barrier in the liquid drop model 22
2.3 Sketch for the comparison of the sum of surface and Coulomb energy
for the liquid drop model and the macroscopic-microscopic model . . 23
2542.4 Binding energy of No as a function of the deformation . . . . . . . 24
2702.5 of Ds as a of the . . . . . . . 24
2.6 Nuclear deformation in the region of heavy and superheavy nuclides . 25
3.1 Overview over the SHIPTRAP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2 Sketch of the velocity fllter SHIP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.3 Sketch of the gas cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.4 Sketch of the RFQ buncher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.5 The Penning trap system at SHIPTRAP . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.6 Assembly of a Penning trap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.7 Characteristic motion of an ion in a Penning trap. . . . . . . . . . . . 36
3.8 Energy scheme of a harmonic oscillator in an ideal Penning trap. . . . 38
3.9 Radial segmentation of the ring electrode . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.10 Phase between dipole fleld and ion motion . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.11 Magnetron radius as a function of the dipole excitation time . . . . . 43
3.12 Conversion from magnetron motion to reduced cyclotron motion . . . 44
3.13 Radial ion motion in a Penning trap fllled with bufier gas . . . . . . . 45
3.14 Mass selective cooling in the preparation trap . . . . . . . . . . . . . 46
3.15 Magnetic fleld gradient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
133 +3.16 Time-of- ight resonance of Cs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.17 Working principle of a silicon detector . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2533.18 Spatial distribution of the fi decays of No in the silicon strip detector 52
3.19 SketchofthevoltagedividerusedtoapplyvoltagestoanMCP 53
3.20 Layout of the delay-line detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.21 Operation principle of the delay-line detector . . . . . . . . . . . . . . 55
3.22 x-y-position measurement for difierent magnetron excitation times . . 56
3.23 Ionsrecordedwiththedelay-linedetectorfordifierentmagnetronphases 57
85 + 87 +3.24 Separation of Rb and Rb with the delay-line detector. . . . . . 58
3.25 Time-of- ight spectrum corresponding to Fig.3.24 . . . . . . . . . . . 60
vList of Figures
85 + 87 +3.26 Time-of- ight resonance for Rb with additionally trapped Rb
acting as contamination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61