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Dissertation
submitted to the
Combined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematics
of the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germany
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
presented by
Manas Mukherjee, MSc
born in: Durgapur, India
Oral examination: 15.12.200422The mass of Mg
and
a concept for a novel laser ion source trap
Referees: Prof. Dr. H.-Jurgen Kluge
Prof. Dr. Andreas Wolf22The mass of Mg and a concept for a novel laser ion source trap:
Clean and high-quality radioactive ion beams can be prepared by combining ion
trap and resonance laser ionization techniques. A feasibility study for such a laser
ion source trap has been carried out which shows enormous improvement in the
beam emittance, purity, and in addition allows for a variation of the ion beam time
structure.
Direct high-precision mass measurements around mass number A = 22 are of
22utmost importance. First, the masses of the superallowed emitter Mg and its
22daughter Na are needed to test the conserved-vector-current (CVC) hypothesis and
the Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) matrix unitarity, both being predictions
21 22of the Standard Model. Second, to calculate the reaction rate of Na(p; ) Mg the
involved masses are required very accurately. This rate is needed in order to extract
an upper limit on the amount of a characteristic radiation emitted from classical
nova bursts which has been searched for but not yet detected. At the triple trap mass
21 22 22spectrometer ISOLTRAP at ISOLDE/CERN, the masses of Na, Na, and Mg
8have been measured with relative uncertainties of better than 1:510 . This solved
22a con ict between two available mass values for Mg. The mass measurements as
well as their impact are discussed. In addition a vivid description of the present
ISOLTRAP setup along with the standard experimental procedure is described.
Special emphasis has been made on the development of a carbon cluster ion source
for absolute mass measurements at ISOLTRAP.
22Die Masse von Mg und ein Konzept fur eine neuartige Laser-
Ionenquelle:
Reine radioaktive Ionenstrahlen mit hoher Strahlqualit at k onnen pr apariert wer-
den, indem man Ionenfallen mit der Laser-Resonanzionisationstechnik kombiniert.
Eine Machbarkeitsstudie fur eine solche Laser-Ionenfallenquelle, die eine deutliche
Verbesserung der Emittanz und darub er hinaus eine variable zeitstruktur des Ionen-
strahls erm oglicht, wurde durchgefuhrt.
Direkte, hochpr asise Massenmessungen um die Massenzahl A = 22 sind von beson-
22derem Interesse: Erstens wird die Masse des ub ererlaubten Emitters Mg und
22seiner Tochter Na zum Test der Vectorstromerhaltungs (CVC)-Hypothese und
der Unitarit at der Quarkmischungsmatrix (CKM) - beides Vorhersagen des Stan-
dardmodells - ben otigt. Zweitens sind die Massenwerte wichtige Parameter, um
21 22die Reaktionsrate Na(p; ) Mg zu berechnen. Diese Rate wird ben otigt, um eine
obere Grenze fur die charakteristische Strahlung, die in klassischen Nova-Bursts
emittiert wird, zu extrahieren. Diese Strahlung wurde zwar gesucht, aber bisher
noch nicht beobachtet. Mit dem Dreifallen-Massenspektrometer ISOLTRAP wur-
21 22 22den die Massen von Na, Na, und Mg mit einer relativen Massengenauigkeit von
8besser als 1; 510 gemessen. Dies l oste einen Kon ikt zweier vorhandener Massen-
22werte fur Mg. Die Massenmessungen und ihre Konsequenzen werden vorgestellt.
Ein besonderes Augenmerk wurde auf die Entwicklung einer Kohlensto -Cluster-
Laserionenquelle fur absolute Massenmessungen bei ISOLTRAP gelegt.Contents
1 Introduction 1
2 Complimentary techniques for the production and separation of
radionuclides 3
2.1 The in- igh t separation technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.1 The SHIP technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.2 The Fragment Separator technique . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 The isotope separator on-line (ISOL) technique . . . . . . . . . . . . 5
2.2.1 The laser ion source trap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Principle of a laser ion source trap . . . . . . . . . . . . . . . 8
Simulation studies and the RFQ trap design . . . . . . . . . . 10
E ciency estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Radial and longitudinal cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Beam extraction and emittance . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3 Other techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3 The triple trap mass spectrometer ISOLTRAP 19
3.1 Principles of the ISOLTRAP mass spectrometer . . . . . . . . . . . . 21
3.1.1 An RFQ trap for cooling and bunching . . . . . . . . . . . . . 22
Bu er gas cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.1.2 Ideal Penning trap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.1.3 Real Penning trap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Electric eld imperfections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Misalignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Magnetic eld instabilities and imperfections . . . . . . . . . . 30
Storage of more than one ion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.1.4 Excitation of the ion motion and the cyclotron resonance de-
tection technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Dipolar excitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Quadrupolar excitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34viii CONTENTS
Viscous damping in a Penning trap . . . . . . . . . . . . . . . 35
Mass-selective bu er gas centering . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Time-of- igh t ion cyclotron resonance technique . . . . . . . . 37
3.2 Experimental setup of ISOLTRAP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2.1 Production of radioactive beams at ISOLDE . . . . . . . . . . 40
3.2.2 ISOLTRAP RFQ cooler and buncher . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2.3 Ion transport between the RFQ cooler and buncher and the
Puri cation Penning Trap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2.4 The Puri cation Penning Trap . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Space charge e ect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2.5 The mass spectrometer section . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Ion transfer section between the two Penning traps . . . . . . 50
The Precision Penning Trap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
The time-of- igh t drift section . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.2.6 O -line ion sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
Surface ion source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
Previously used carbon cluster ions source . . . . . . . . . . . 55
Present carbon cluster ion source . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.2.7 The beam diagnostic system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.2.8 Control system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.3 Experimental mass measurement procedure at ISOLTRAP . . . . . . 61
3.3.1 Time sequence for single measurement cycle . . . . . . . . . . 61
3.3.2 Cleaning processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.3.3 Magnetron phase lock mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.3.4 Tuning of the trap parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
Capture timing to the Precision Trap . . . . . . . . . . . . . . 66
Magnetic- eld optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
Electric- eld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.4 Determination of the systematic uncertainty and data analysis . . . . 69
3.4.1 Determination of the systematic uncertainty . . . . . . . . . . 70
3.4.2 ISOLTRAP’s standard analysis procedure . . . . . . . . . . . 72
3.5 Performance of the ISOLTRAP spectrometer . . . . . . . . . . . . . . 74
3.5.1 Absolute mass measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.5.2 Accuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.5.3 E ciency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.5.4 Half-life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.5.5 Resolving power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.5.6 Applicability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

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