The buffer-gas cell and the extraction RFQ for SHIPTRAP [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Jürgen Benno Neumayr

Neumayr, Juergen Benno

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• Physik

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• Publié par: ludwig-maximilians-universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2004
• Nombre de lectures: 16
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 13 Mo

Extrait

The buffer-gas cell
and the extraction RFQ
for SHIPTRAP


Dissertation der Fakultät für Physik
der
Ludwig-Maximilians-Universität München





vorgelegt von



Jürgen Benno Neumayr
aus Wasserburg am Inn





München, den 28.04.2004













































1. Gutachter: Prof. Dr. D. Habs

2. Gutachter: Prof. Dr. G. Graw

Tag der mündlichen Prüfung: 08.07.2004
ii

Summary

SHIPTRAP is a new ion trap system for high-precision mass measurements of
transuranium recoil-ions from the SHIP facility at GSI. The system consists of a
buffer-gas cell to thermalise the incoming ions, an extraction system to separate the
ions from the buffer gas, an RFQ buncher to cool and accumulate the ions and a
tandem Penning-trap system for isobaric purification and high-precision mass
measurements. The buffer-gas cell and the extraction RFQ were developed,
assembled and tested within this thesis at the MLL (Maier-Leibnitz Laboratory) in
Garching and at the GSI.

The main requirements given for the gas-cell/extraction-RFQ system are a fast and
effective extraction of the stopped recoil ions. Therefore besides the purity of the
system preventing recombination and molecule formation, ensured by the use of only
non-organic material inside the cell and a highly efficient gas purification, especially
the interaction between guiding electric fields and the gas flow inside the system has
been optimised. The design optimisation of the different parts of the system was
achieved using simulation programs like the VARJET code (gas flow), the SIMION
code (ion trajectories in electric fields), a combination of both and the SRIM code
(stopping ranges of ions in matter).

In the actual set-up of buffer-gas cell/extraction-RFQ the ions enter the cell through a
thin metallic entrance foil (~4 µm thick, Ø 60 mm) and are stopped in the helium buffer
gas (~50 – 200 mbar). The thermalised ions are then accelerated by electric fields
(~10 V/cm) created by a segmented DC electrode inside the gas cell towards a
funnel-shaped ring electrode structure. This funnel guides the ions by the applied RF
and DC fields towards the extraction nozzle (Ø 0.6 mm) which acts as an interface
between the stopping chamber and the extraction chamber. At the nozzle the buffer
-1 -3gas expands into the extraction chamber (10 – 10 mbar) creating a supersonic gas
jet and dragging the extracted ions. Inside the extraction-RFQ structure the ions are
separated from the buffer gas and are cooled during the transport. In order to
guarantee an optimum purity, the set-up is bakeable and a hydrocarbon-free pumping
equipment is used.

For characterisation measurements of the set-up both stable and radioactive ions
were used.
For off-line measurements stable Er ions were created inside the buffer-gas cell by
using a focused pulsed laser beam. These ions were used for field optimisations and
the determination of the extraction time of the gas cell. Depending on the field
strength mean extraction times of around 5 ms at a He pressure of 50 mbar were
achieved.
A completely experimental determination of the overall efficiency of the gas-
cell/extraction-RFQ system could be achieved using the characteristic α decay of
152 121 35 152Er ions. This isotope was produced via the reaction Sb( Cl,4n) Er at the MLL
116 40 152and via Sn( Ar,4n) Er at GSI. The measurements at the MLL were done in a
longitudinal configuration, where the ions entered the gas cell along the extraction
iii

axis. A maximum efficiency, including stopping efficiency and extraction efficiency, of
about 8 % could be achieved.
The on-line measurements with stable Ag ions were performed in collaboration with
the Gießen group and their Ortho-TOF mass spectrometer. Besides an overall
efficiency of the gas-cell/extraction-RFQ system of about 4 %, including the transfer
efficiency between the extraction RFQ and the TOF spectrometer, the efficiency
dependence on the beam intensity stopped in the cell was studied. Space-charge
8 limitations at intensities beyond 2.5·10 ions/s were observed.
The measurements at GSI were performed in the actual SHIPTRAP configuration
with an ion injection nearly perpendicular (82.5°) to the cell axis. In addition the
measurements were done with and without the SHIPTRAP RFQ buncher coupled to
the extraction RFQ. These measurements showed an overall efficiency of the gas-
cell/extraction-RFQ system of almost 5 %, while together with the RFQ buncher
around 3 % in transmission mode and in bunching mode were achieved.
With this efficiency the SHIPTRAP gas cell ranges amongst the leading facilities for
stopping and cooling of radioactive ions world wide, thus enabling the start of the
experimental physics program at the SHIPTRAP facility.




iv

Zusammenfassung

SHIPTRAP ist ein neues Ionenfallensystem für hochpräzise Massenmessungen an
Transuranen, die am SHIP-Aufbau an der GSI hergestellt werden. Das System
besteht aus einer Puffergas-Zelle zur Thermalisierung der erzeugten Ionen, einem
Extraktionssystem, um die Ionen vom Puffergas zu separieren, einem RFQ-Buncher
zum Kühlen und Akkumulieren der Ionen und einem Tandem-Penning-Fallensystem
zur Trennung des isobaren Untergrundes und zur hochpräzisen Massenmessung. Im
Rahmen dieser Dissertation wurden die Puffergas-Zelle und der Extraktions-RFQ
entwickelt, gebaut und am MLL (Maier-Leibnitz-Laboratorium) in Garching und an der
GSI getestet.

Die Hauptanforderung an das System aus Zelle und RFQ ist eine schnelle und
effektive Extraktion der gestoppten Ionen. Neben der Reinheit des Systems, die die
Vermeidung von Rekombination und Molekülbildung gewährleistet und durch den
ausschließlichen Gebrauch von anorganischen Materialien in der Zelle und einer
sehr effizienten Gasreinigung erreicht wird, galt es in besonderem Maße das
Zusammenspiel zwischen den elektrischen Führungsfeldern und dem Gasfluß im
System zu optimieren. Die Optimierung des Designs der verschiedenen Systemteile
wurde durch den Einsatz von Simulationsprogrammen erreicht. Dazu gehören
VARJET (Gasfluß), SIMION (Ionentrajektorien in elektrischen Feldern), eine Kom-
bination beider und SRIM (Ionenstoppverteilungen).

Beim aktuellen Aufbau von Zelle und RFQ treten die Ionen durch eine dünne
metallische Eintrittsfolie (~4 µm Dicke, Ø 60 mm) in die Zelle ein und werden im
Helium-Puffergas (~50 – 200 mbar) gestoppt. Die thermalisierten Ionen werden dann
durch elektrische Felder (~10 V/cm), die durch eine segmentierte DC-Elektrode
innerhalb der Zelle erzeugt werden, auf eine trichterförmige Ringelektrodenstruktur
(Funnel) hin beschleunigt. Dieser Funnel führt die Ionen durch die angelegten Gleich-
und Wechselspannungsfelder zur Extraktionsdüse (Ø 0.6 mm), die als Verbindung
zwischen Zelle und Extraktionskammer dient. An der Düse expandiert das Puffergas
-1 -3in die Extraktionskammer (10 – 10 mbar), wobei ein Gasstrahl mit Überschall-
geschwindigkeit erzeugt wird, der die Ionen mit sich zieht und extrahiert. Im Extrak-
tions-RFQ werden die Ionen vom Puffergas separiert und während des Transportes
gekühlt. Um eine optimale Reinheit zu gewährleisten, ist der Aufbau ausheizbar und
das verwendete Vakuumsystem kohlenwasserstofffrei.

Die Messungen zur Charakterisierung des Aufbaus wurden sowohl mit stabilen, als
auch mit radioaktiven Ionen durchgeführt.
Für Off-line-Messungen wurden dabei stabile Er-Ionen innerhalb der Zelle mit einem
fokussierten und gepulsten Laserstrahl erzeugt. Diese Ionen dienten der Optimierung
der Felder und der Ermittlung von Extraktionszeiten aus der Zelle. Je nach Feld-
stärke wurden so mittlere Extraktionszeiten von etwa 5 ms bei einem Heliumdruck
von 50 mbar erreicht.
Eine ausschließlich experimentelle Bestimmung der Gesamteffizienz des Systems
152Zelle/RFQ konnte mithilfe des charakteristischen Alphazerfalls von Er-Ionen er-
121 35 152reicht werden. Dieses Isotop wurde mit den Reaktionen Sb( Cl,4n) Er am MLL
v

116 40 152und Sn( Ar,4n) Er an der GSI erzeugt. Bei den Messungen am MLL wurde eine
longitudinale Ausrichtung verwendet, bei der die Ionen entlang der Extraktionsachse
in die Zelle eintraten. Für die Effizienz wurde dabei ein Maximum von 8 % ermittelt,
wobei dieser Wert die Stop- und die Extraktionseffizienz enthält.
Die On-line-Messungen mit stabilen Silberionen wurden in Zusammenarbeit mit der
Giessener Gruppe und ihrem Ortho-TOF-Massenspektrometer durchgeführt. Neben
der Bestimmung der Gesamteffizienz für Zelle und RFQ von etwa 4 %, wobei hier die
Transfereffizienz zwischen Extraktions-RFQ und dem TOF-Spektrometer beinhaltet