In-trap decay spectroscopy for ββ [beta-beta] decays [Elektronische Ressource] / Thomas Brunner

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• Publié par: technische_universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 21
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 12 Mo

Extrait

In-Trap Decay Spectroscopy
for ββ Decays
Dissertation
von
Thomas Brunner
Lehrstuhl E12 fur Experimentalphysik¨
Technische Universitat Munchen¨ ¨Technische Universit¨at Mu¨nchen
Physik-Department E12
In-Trap Decay Spectroscopy for
ββ Decays
Thomas Brunner
Vollst¨andiger Abdruck der von der Fakult¨at fu¨r Physik der Technischen Universit¨at
Munchen zur Erlangung des akademischen Grades eines¨
Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)
genehmigten Dissertation.
Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr. A. Ibarra
Prufer der Dissertation:¨
1. Univ.-Prof. Dr. R. Kru¨cken
2. Univ.-Prof. Dr. P. Fierlinger
Die Dissertation wurde am 14.12.2010 bei der Technischen Universit¨at Mu¨nchen ein-
gereicht und durch die Fakultat fur Physik am 18.01.2011 angenommen.¨ ¨Zusammenfassung
ImRahmendieserArbeitwurdeamTRIUMFinVancouver,Kanada,eineneueMe-
¨thode entwickelt, die zum Ziel hat, Elektroneneinfangintensit¨aten (ECBR) von Uber-
gangskerneninββ Zerfallenzubestimmen.DieseMessungtragtzumtieferenVerstand-¨ ¨ ¨
nis der dem ββ Zerfall zu Grunde liegenden Kernphysik bei.
DieneuartigeMethodeverwendeteinePenning-IonenfallendesTITAN(TRIUMF’s
Ion Traps for Atomic and Nuclear science) Experiments fur die Zerfallsspektroskopie.¨
Hierbei werden radioaktive Ionen in der Ionenfalle gespeichert und deren radioaktive
Zerfallebeobachtet.DasstarkeMagnetfeldderFallefuhrtdieausβ Zerfallenstammen-¨ ¨ ¨
den Elektronen entlang der Feldlinien aus der Falle, w¨ahrend einem Elektroneneinfang
folgende Ro¨ntgenstrahlen isotrop abgestrahlt werden. Dies erm¨oglicht eine r¨aumliche
Trennung von Rontgen- und β Detektion, wobei es fur die Elektronen aufgrund des¨ ¨
starken magnetischen Feldes nicht m¨oglich ist, den R¨ontgendetektor zu erreichen. Dies
ermoglicht es, sehr schwache ECBR zu messen. Zudem werden die Ionen in der Falle¨
gespeichert, ohne sie in ein Tr¨agermaterial zu implantieren. Dadurch werden die emit-
tierten Rontgenquanten nicht zusatzlich abgeschwacht. Dies, und die raumliche Tren-¨ ¨ ¨ ¨
nung vonβ und Ro¨ntgendetektion, bieten deutliche Vorteile gegenu¨ber herk¨ommlichen
Methoden.
Diese Methode wurde im Rahmen dieser Arbeit implementiert und deren Machbar-
107keit wurde mit der Messung der Elektroneneinfangverzweigungsverh¨altnisses von In
124 124 126und Cs demonstriert. Im Fall von Cs wurde Cs w¨ahrend des selben Experi-
126mentes gemessen. Die gemessenen Rontgenintensitaten von Cs wurden dann ver-¨ ¨
wendet, um die Nachweiseffizienz des R¨ontgendetektors zu bestimmen. Hierbei wur-
5den bis zu 2.65(32) · 10 Ionen pro Puls in der Falle gespeichert und deren Zer-
124fall beobachtet. Die gemessene Intensita¨t des Elektroneneinfanges bei Cs betr¨agt
(17.8±2.5(stat.)±15(syst.))%undstimmtmitdemLiteraturwertvon10(9)%[NND10]
u¨berein. Durch unterschiedliche Impedanzen von Vorverst¨arker und Datenaufnahme
ergibt sich die systematische Unsicherheit von 15%. Trotzdem konnte der statistische
Fehler um einen Faktor drei reduziert werden. W¨ahrend dieser Messungen wurde das
erste Mal ein Elektroneneinfang an Kernen gemessen, die in einer Penningfalle ge-
speichert waren. Durch diese erfolgreichen Messungen wurde demonstriert, dass die
Zerfallsspektroskopie an in einer Penningfalle gespeicherten Ionen m¨oglich ist und in
¨zukunftigen Messungen die Elektroneneinfangintensitaten von Ubergangskernen in ββ¨ ¨
Zerf¨allen gemessen werden k¨onnen.Abstract
The presented work describes the implementation of a new technique to measure
electron-capture(EC)branchingratios(BRs)ofintermediatenucleiinββ decays. This
technique has been developed at TRIUMF in Vancouver, Canada. It facilitates one of
TRIUMF’sIonTrapsforAtomicandNuclearscience(TITAN),theElectronBeamIon
Trap (EBIT) that is used as a spectroscopy Penning trap.
Radioactiveions,producedattheradioactiveisotopefacilityISAC,areinjectedand
stored in the spectroscopy Penning trap while their decays are observed. A key feature
of this technique is the use of a strong magnetic field, required for trapping. It radially
confines electrons from β decays along the trap axis while x-rays, following an EC, are
emitted isotropically. This provides spatial separation of x-ray and β detection with
almost no β-induced background at the x-ray detector, allowing weak EC branches to
be measured. Furthermore, the combination of several traps allows one to isobarically
clean the sample prior to the in-trap decay spectroscopy measurement.
This technique has been developed to measure ECBRs of transition nuclei in ββ
decays. Detailed knowledge of these electron capture branches is crucial for a better
understanding of the underlying nuclear physics in ββ decays. These branches are
−5typically of the order of 10 and therefore difficult to measure. Conventional mea-
surements suffer from isobaric contamination and a dominating β background at the
x-ray detector. Additionally, x-rays are attenuated by the material where the radioac-
tive sample is implanted. To overcome these limitations, the techniqueof in-trap decay
spectroscopy has been developed.
In this work, the EBIT was connected to the TITAN beam line and has been com-
missioned. Using the developed beam diagnostics, ions were injected into the Penning
trapandsystematicstudiesoninjectionandstorageoptimizationwereperformed. Fur-
thermore, Gedetectors, forthedetectionofx-rays, weretestedandinstalled. Severalβ
detectorsweretestedandmountedonespeciallydesignedholders. Thefeasibilityofthe
in-trapdecayspectroscopytechniquehas beendemonstratedby successfullymeasuring
107 124 126the EC branching ratios of In and Cs. In the latter case, Cs was measured
124at the same time as Cs and used to calibrate the detection efficiency of the x-ray
5detector. During this measurement, up to 2.65(32)·10 ions/bunch were stored in the
124trap while their decays were observed. Based on this measurement, the ECBR of Cs
wasdeterminedtobe(17.8±2.5(stat.)±15(syst.))%. Thelargesystematicuncertainty
arises from an impedance mismatch between preamplifier and x-ray detector that was
discovered after the experiment. Nevertheless, the new value agrees with the literature
value of 10(9)% [NND10] and the statistical error was reduced by a factor of three.
These measurements demonstrated the feasibility of this new method of in-trap decay
spectroscopy. It was for the first time that an electron capture decay was observed of
ions stored in a Penning trap. In the future, this technique will be applied to perform
ECBR measurements of transition nuclei in double beta decays.Contents
List of Figures iii
List of Tables ix
1 Introduction and Theoretical Description 1
1.1 The neutrino in modern physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Double beta decay and its implications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.1 Two neutrino double beta decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.2 Neutrino less double beta decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
+ + +1.2.3 β β , β EC, and ECEC decay. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3 ββ decay and the matrix element problem . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4 Conventional electron-capture branching ratio techniques . . . . . . . . 17
1.5 TITAN-EC – electron-capture branching ratio measurements at TITAN 18
2 TITAN Overview 21
2.1 Radioactive isotope production at ISAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2 The TITAN facility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.1 Ion trapping techniques at TITAN . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.2 Cooling and bunching of ions in the RFQ . . . . . . . . . . . . . 28
2.2.3 Measurement Penning Trap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.2.4 Electron Beam Ion Trap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3 In-Trap Decay-Spectroscopy Setup at TITAN 35
3.1 Spectroscopy Penning trap. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.1.1 Magnet system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.1.2 A magnetic bottle effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.1.3 Electrode structure of the trap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.1.4 Ultra-high vacuum system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.1.5 Detection chamber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2 MCP detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3 Beta detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3.1 In-trap β-trajectory simulations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3.2 Passivated Implanted Planar Silicon detector . . . . . . . . . . . 49
3.3.3 PIPS detector mounting system. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.4 X-ray detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53ii Contents
3.4.1 Be window . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.4.2 Ge detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.4.3 LeGe detector. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.5 Data acquisition system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4 S