Mass measurements of 238U-projectile fragments for the first time with a Multiple-Reflection Time-Of-Flight Mass Spectrometer

Abstract

Mass measurements of short-lived uranium projectile fragments were performed for the first time with a Multiple-Reflexion-Time-of-Flight Mass Spectrometer (MR-TOF-MS). A major part of this doctoral work was a novel development of a data analysis method for the MR-TOF-MS mass measurements of exotic nuclei at the fragment separator FRS at GSI. The developed method was successfully applied to the data obtained from two pilot experiments with the MR-TOF-MS at the FRS in 2012 and 2014. A substantial upgrade of the experimental setup of the MR-TOF-MS was also performed in the frame work of this doctoral thesis after the first run.In the experiments projectile fragments were created with 1000 MeV/u 238U ions in a Be/Nb target at the entrance of the in-flight separator FRS. The exotic nuclei were spatially separated, energy bunched and slowed down with the ion-optical system of the FRS combined with monoenergetic and homogeneous degraders. At the final focal plane of the FRS the fragments were completely slowed down and thermalized in a cryogenic stopping cell (CSC) filled with 3-5 mg/cm^2 pure helium gas. The exotic nuclei were fast extracted from the CSC to enable mass measurements of very short-lived fragments with the MR-TOF-MS. The achievement of this goal was successfully demonstrated with the mass measurement of 220Ra ions with a half-life of 17.9 ms and 11 detected events. The mass measurements of the isobars 211Fr, 211Po and 211Rn have clearly demonstrated the scientific potential of the MR-TOF-MS for the investigation of exotic nuclei and the power of the data analysis system. Difficult measurements with overlapping mass distributions with only a few counts in the measured spectra were the challenge for the new data analysis method based on the maximum likelihood method.The drifts during the measurements were corrected with the developed time-resolved calibration method. After the improvements of the setup as a consequence of the experience of the first experiment in 2012 and the applied time-resolved calibration method a mass resolving power of 400,000 has been achieved in the experiment in 2014. The achieved mass accuracy in these pilot experiments were about $mathsf{1cdot 10^{-6}}$. The contribution of the software and the resulting systematic errors were in the 10$^{-8}$ range. The reliability of the present analysis method was carefully checked in detailed simulations with a realistic peak shape approximated by an exponentially modified Gaussian distribution. Both list mode data and measured histograms were treated in the data analysis. The analysis method was tested with strongly overlapping mass distributions and low count rates including a variable amount of back ground. In summary, the experimental setup for mass measurements of very rare and short-lived nuclei and the corresponding data analysis have reached with this work and results of the present thesis a great potential for high-resolution measurements in future experiments. There mass measurements with 10 events can be performed with a residual uncertainty of $mathsf{4.5 cdot 10^{-7}}$ at a mass resolving power of 400,000. Im Rahmen dieser Arbeit wurden erstmal mit einem Multireflexions Flugzeit-Massenspektrometer (MR-TOF-MS) Massenmessungen an kurzlebigen Uran-Projektilfragmenten durchgeführt. Ein Hauptteil dieser Arbeit war die Entwicklung einer Datenauswertemethode für die MR-TOF-MS Massenmessungen exotischer Kerne am Fragmentseparator FRS der GSI. Das entwickelte Verfahren wurde erfolgreich auf die Daten zweier Pilotexperimente des MR-TOF-MS am FRS 2012 und 2014 angewandt, in denen die Massen der Isotope 211Rn, 211Po und 220Po erstmalig direkt gemessen wurden. Ebenfalls wurden umfangreiche Verbesserungen am MR-TOF-MS nach dem ersten Experiment im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt.In den Experimenten wurden Projektilfragmente mit 1000 MeV/u 238U Ionen in einem Be/Nb Target am Eingang des im-Flug Separators FRS erzeugt. Die exotischen Kerne wurden räumlich separiert, in der Energie komprimiert und abgebremst mit dem Ionenoptischen System des FRS in Verbindung mit monoenergetischen und homogenen Degradern. Die Fragmente wurden am finalen Fokus des FRS mittels einer kryogenen Stoppzelle (CSC) vollständig abgebremst und thermalisiert. Die CSC war dabei mit 3-5 mg/cm^2 reinem Heliumgas gefüllt. Die exotischen Kerne wurden schnell aus der CSC extrahiert, um Massenmessungen sehr kurzlebiger Fragmente mit dem MR-TOF-MS zu ermöglichen. Das Erlangen dieses Ziels wurde erfolgreich durch die Massenmessung von 220Ra Ionen mit einer Lebensdauer von 17,9 ms und 11 detektierten Ereignissen demonstriert. Die Massenmessungen der Isobare 211Fr, 211Po und 211Rn haben klar das wissenschaftliche Potential des MR-TOF-MS für die Untersuchung exotischer Kerne und die Fähigkeiten des Datenauswerteverfahrens aufgezeigt. Die Herausforderung des neuen Datenauswerteverfahrens, das auf der Maximum Likelihood Methode beruht, bestand in den Messungen mit überlappenden Verteilungen und nur wenigen Ereignissen in den Spektren. Die Drifts während der Messungen wurden mit der neu entwickelten Zeit-aufgelösten Kalibration korrigiert. Nach den Verbesserungen des Aufbaus als Konsequenz des ersten Experiments 2012 und der Anwendung der Zeit-aufgelösten Kalibration wurde im zweiten Experiment 2014 ein Massenauflösungsvermögen von 400.000 erreicht. Zusätzlich wurde eine Elektronenstoßquelle installiert, um Kalibranten aus Gasen wie Xe und SF6 erzeugen zu können. Die Verfügbarkeit zahlreicher Kalibranten ist eine Voraussetzung für Messungen über große Massenbereiche.Die erreichten Massengenauigkeiten dieser Pilotexperimente betrugen ungefähr 1*10E-6. Der Beitrag des Datenauswerteverfahrens und der resultierende systematische Fehler befanden sich im Bereich von 10E-8. Die Zuverlässigkeit der gegenwärtigen Auswertemethode wurde reiflich in detaillierten Simulationen untersucht. Die gemessene Verteilungsfunktion wurde durch die exponentiell modifizierte Gauß-Funktion angenähert. Mittels stark überlappender Massenverteilungen, niedrigen Zählraten und variablen Mengen an Untergrund wurde die Auswertemethode getestet.Zusammengefasst haben der experimentelle Aufbau für Massenmessungen sehr seltener und kurzlebiger Kerne und die zugehörige Datenauswertemethode im Rahmen dieser Dissertation ein großes Potential für hoch-aufgelöste Messungen in zukünftigen Experimenten erreicht.