Design, construction and commissioning of an ortho-TOF mass spectrometer for investigations of exotic nuclei [Elektronische Ressource] / prepared by Sergey Eliseev

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• Publié par: justus-liebig-universitat_giessen
• Publié le: 01 janvier 2005
• Nombre de lectures: 15
• Langue: English
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Extrait

Design, Construction and Commissioning of an
Ortho-TOF Mass Spectrometer for Investigations
of Exotic Nuclei






In Partial Fulfilment of the Requirements for
the Degree of Doctor rer. nat.
II. Physical Institute
Justus-Liebig University Giessen




Prepared by:
Sergey Eliseev
St. Petersburg, Russia

Giessen, Germany
2004

























Supervisor and Examiner: Prof. Dr. Geissel
Examiner: Prof. Dr. Metag
Examiner: Prof. Dr. Scheid


Contents

Introduction ....................................................................................... 1
Chapter 1 Basic principles of modern time-of-flight mass
spectrometers..................................................................................... 5
1.1 Time-of-flight mass spectrometry.............................................................5
1.2 Radio-frequency quadrupole: ion trapping and cooling .........................13
1.2.1 Introduction13
1.2.2 Theory of trapping and cooling.........................................................15
1.3 Ion sources ..............................................................................................19
1.3.1 Electrospray ion source......................................................................19
1.3.2 Alkali and Alkali Earths ion source ...................................................21
1.3.3 Laser ionization ion source ................................................................24
Chapter 2 Experimental set-up .................................................... 25
2.1 Ion source................................................................................................25
2.2 Quadrupole..............................................................................................33
2.3 Einzel lens ...............................................................................................37
2.4 Time-of-flight analyzer ...........................................................................39
2.5 Detection system.....................................................................................42
2.6 Vacuum system .......................................................................................46
Chapter 3 Experimental results and discussion........................... 48
3.1 Investigation of cooling and trapping of the ions in the radio-frequency
quadrupole......................................................................................................48
3.1.1 Continuous mode ...............................................................................50
3.1.2 Bunch mode .......................................................................................56
3.2 Precision of mass determination ..............................................................68
3.3 Investigation of the efficiency and mass resolving power of the
Ortho-TOF mass spectrometer..................................................................74
3.3.1 Efficiency of the Ortho-TOF mass spectrometer...............................74
3.3.2 Mass resolving power of the Ortho-TOF mass spectrometer ............77 Chapter 4 Theoretical investigation of the Ortho-TOF mass
spectrometer .................................................................................... 79
4.1 Mass resolving power ..............................................................................79
4.2 Efficiency .................................................................................................89
4.3 Further improvement of the Ortho-TOF mass spectrometer ...................89
Chapter 5 Experiment to characterize the SHIPTRAP gas cell ... 91
5.1 Experiment with the Er-laser source........................................................93
107 17+5.2 On-line experiment with Ag -beam provided from a tandem
accelerator ......................................................................................................95
5.2.1 Efficiency of the gas cell vs the intensity of the primary Ag-beam...95
5.2.2 Study of the chemical reactions in the gas cell ................................105
107Chapter 6 On-line mass measurement of Ag ................. 110
Summary and outlook .............................................................. 113
Appendix 1: Principle of time-of-flight mass spectrometer..........I
Appendix 2: Einzel lens ................................................... VIII
Appendix 3: Space charge effect on an ion capacity of the
linear RFQ trap ............................................. XII
Appendix 4: Space charge of He-ions, created in the stopping
volume of the gas cell during the stopping of the
primary beam .......................................... XVIII
Appendix 5: Geometry and electrical settings of the Ortho-
TOF mass spectrometer ..............................XXVI
Acknowledgement ................................................... XXVIII
References.................................................................... XXX





Zusammenfassung

Präzise Messungen atomarer Massen sind für viele wissenschaftliche Bereiche und
technische Anwendungen sehr wichtig. In der Kernphysik sind Massenmessungen
von kurzlebigen Nukliden fern ab vom Stabilitätstal von großer Bedeutung zum
besseren Verständnis der starken Wechselwirkung. In der nuklearen Astrophysik
haben Massen- und Lebensdauermessungen von Kernen entlang den Pfaden für die
Elementsynthese (bspw. r-, rp-Prozesse) in den Sternen eine zentrale Rolle, um den
Ursprung und die Zusammensetzung der sichtbaren Materie im Universum zu
verstehen. Für Biochemie und Medizin sind Massenmessungen in der
Strukturanalyse von komplexen Biomolekülen unverzichtbar. In der
Umweltwissenschaft werden Massenmessungen in der Spurenanalyse zur Indikation
von Giftstoffen verwendet.

Die präzisesten Massenmessungen an exotischen Nukliden sind entweder auf die
Bestimmung der Flugzeit (TOF), der Umlauffrequenz (RF) oder der
Zyklotronfrequenz (CF) eines Ions in den elektromagnetischen Feldern der
Massenspektrometer zurückzuführen.


Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde ein Flugzeitmassenspektrometer mit
orthogonaler Extraktion (Ortho-TOF MS) aufgebaut und in ersten Experimenten
erfolgreich eingesetzt. Ziele der Doktorarbeit waren, das Ortho-TOF MS
aufzubauen und ausführliche experimentelle Untersuchungen damit durchzuführen.
Dabei wurden die Ergebnisse mit Modellrechnugen verglichen, um die Funktionen
der verschiedenen Anteile der Spektrometerabschnitte zu verstehen. Der geplante
Einsatzbereich der Apparatur sind Massenmessungen und Spektroskopie an
exotischen Nukliden.

Das Ortho-TOF MS kann am Wienfilter SHIP für die Massenmessungen von
kurzlebigen Fusionsprodukten verwendet werden. Es kann komplementär zu den
SHIPTRAP Penning-Fallen benutzt werden, da diese aufgrund der Meßtechnik
keinen Zugang zu den kurzlebigsten superschweren Kernen haben. Der große
Massenbereich des Ortho-TOF-MS in einem Spektrum ermöglicht es darüber hinaus,
dieses als diagnostisches Gerät für die neue Generation von gasgefüllten Ion-Catcher
zu verwenden.
Andere Anwendungen, die in der Zukunft realisiert werden können, sind die
Untersuchung von chemischen Reaktionen der superschweren Kerne und die
massenaufgelöste Zerfallspektroskopie von Nukliden. Beispielsweise können die
100doppeltmagischen Sn Isotope die mit hohen Produktionsquerschnitten in
Fusionsreaktionen gebildet werden, auch der Spektroskopie zugänglich gemacht
100werden. Obwohl Sn Ionen am Fragmentseparator FRS entdeckt wurden, so ist die
Häufigkeit dieser Reaktionsprodukte an der Coulomb Barriere etwa um einen Faktor
1000 größer. Jedoch fehlt in diesem Energiebereich die selektive Separation. In
Zukunft wird eine solche Spektroskopie mit einem entsprechenden Massenfilter nach
dem Ortho-TOF Prinzip von unserer Gruppe angestrebt.
.
Die Entwicklung der Flugzeitspektrometer hat in unserem Institut schon eine längere
Tradition, jedoch waren die Anwendungsgebiete und damit die Anforderungen sehr
verschieden. So nützt es wenig, wenn eine hohe Massenauflösung erreicht wird, aber
die niedrige Akzeptanz und Transmission für die exotischen Kerne nicht adäquat
sind. Deshalb wurde zunächst eine ausführliche Untersuchung der Kühlungs- und
Speicherverhalten des RF-Quadrupoles durchgeführt. Der RF-Quadrupol hat eine
zentrale Rolle im Massenspektrometer, da er den Eingangsphasenraum präpariert
und festlegt.

Da das Ortho-TOF-MS ein universelles Gerät mit einem großen Massenbereich ist,