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

Abstract

Precise atomic mass measurements are very important in many disciplines of science, e.g. in physics, biochemistry, medicine, archaeology and environmental research. In nuclear physics, mass measurements of nuclides are essential for testing nuclear mass models. From the knowledge of the mass of a nuclide the nuclear binding energy can be derived. The mass measurements provide a better knowledge of the strong interaction between the constituents in the nucleus. In nuclear astrophysics, mass measurements of exotic nuclides are of great importance for our understanding of the synthesis of the elements. In biochemistry and medicine, mass measurement methods are helpful in a structural analysis of complex biomolecules. Mass measurement techniques are widely used in the trace analysis of poisonous substances in environmental research. Leak searchers and rest gas analysers are also based on the principles of mass measurements. The most precise methods of mass measurements, employed in nuclear physics, are based either on the determination of the time of flight (TOF), the revolution frequency (RF), or cyclotron frequency (CF) of the ion in mass spectrometers. Nowadays, there are several scientific centers such as GSI, CERN, GANIL and ANL employing these techniques. The RF-technique is realized at GSI in the Experimental Storage Ring (ESR) [Fra87] (Schottky Mass Spectrometry SMS and Isochronous Mass Spectrometry IMS) for ions produced in the in-flight FRagment Separator (FRS) [Gei92]. At GANIL, the TOF-technique is employed at the Second Separated-Sector Cyclotron (CSS2) and at the Spectrométre á Perte d Energie du Ganil (SPEG) [Bia89,Aug94]. The CF-technique is implemented in MISTRAL [Lun01] and in Penning traps ISOLTRAP [Bol87, Her03] at ISOLDE (CERN). The CF- technique is also used at SHIPTRAP [Dil01,Sik03] at GSI and at the Canadian Penning Trap (CPT), coupled to the Argonne Tandem Linac Accelerating System (ATLAS) at ANL [Sav01]. In the following diagram 1, the relative accuracy of mass determination achieved by the above mentioned techniques and typical half-lives reached by each method are presented. 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 denSHIPTRAP 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 doppeltmagischen 100Sn Isotope die mit hohen Produktionsquerschnitten in Fusionsreaktionen gebildet werden, auch der Spektroskopie zugänglich gemacht werden. Obwohl 100Sn 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 längereTradition, jedoch waren die Anwendungsgebiete und damit die Anforderungen sehrverschieden. 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, wurde es erfolgreich auch als Diagnosegerät für die Charakterisierung und Optimierung der SHIPTRAP Gaszelle in Experimenten am Münchner Tandem -Beschleuniger eingesetzt. Gerade für die Analyse der möglichen chemischen Reaktionen in der Gaszelle sind solche Messungen essentiell. Die maximale Effizienz des hier entwickelten Ortho-TOF-MS beträgt 1% und 3% jeweils für den kontinuierlichen und den gepulsten Betrieb. Dieses Ergebnis entspricht den theoretischen Abschätzungen und ist durchaus für Experimente am SHIP geeignet. Die erreichte maximale Präzision in einer Massenbestimmung mit den Pb-Isotopen ist besser als 0,7 ppm, entsprechend etwa 100 keV. Theoretische Vorhersagen mit mikroskopischen Modellen sind derzeit noch um Faktoren von 5 bis 10 schlechter für exotische Kerne, so daß mit einer solchen Messgenauigkeit noch gute Beiträge zum besseren Verständnis der Kernbindungsenergie geleistet werden können. Die on-line Massenmessungen von stabilen 107Ag Projektilionen am Münchner Tandem-Beschleuniger erreichten eine Präzision von 1.3 ppm, entsprechend 130 keV und sind somit etwas schlechter als die off-line Pb-Experimente. Jedoch sind die Präzision und die absolute Genauigkeiten in Zukunft leicht mit den gewonnen Erkenntnissen aus dieser Arbeit zu verbessern.