German Title: Der Aufbau des Hochpräzisions-Penningfallen-Massenspektrometers PENTATRAP und erste Studien zur Produktion von hochgeladenen Ionen

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Abstract

The five-Penning-trap mass spectrometer PENTATRAP is a novel high-precision experiment located at the Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg. PENTATRAP aims for an accuracy of up to a few parts in 10^12 for mass ratios of long-lived highly charged nuclides up to uranium. A physics program for PENTATRAP includes, e.g., measurements of Q-values of relevant beta-transitions for neutrino physics, stringent tests of quantum electrodynamics in extreme electromagnetic fields, and a test of special relativity. Thanks to a multi-trap configuration various fast measurement schemes comprising simultaneous frequency measurements can be applied. Further main features of PENTATRAP are highly sensitive cryogenic non-destructive detection systems and the access to highly charged ions via the small PENTATRAP-EBIT and the Heidelberg-EBIT.

In the context of the present thesis, the assembly of this world-wide unique facility was started and was considerably put forward. The ion transport and capture in the Penning-traps was simulated and a multitude of operational test, e.g., the investigation of the magnetic field of the superconducting magnet were performed. A magnetic field compensation system and the instrumentally challenging cryogenic translation and tilt system were built up and characterized. Furthermore, the highly tolerated Penning traps were designed, built and assembled. The first installation of the cryogenic assembly including the first cabling of the Penning traps finally allowed the first cool down of the experiment. Moreover, the successful installation of the PENTATRAP-EBIT was performed and the first production of highly charged rhenium and osmium ions which are required for Q-value measurements was demonstrated and optimized.

Translation of abstract (German)

Das Fünf-Penningfallen-Massenspektrometer PENTATRAP ist ein neues Hochpräzisions-Experiment, welches am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg ansässig ist. Das Ziel von PENTATRAP ist es Massenverhältnisse von langlebigen und hochgeladenen Nukliden bis hin zu Uran mit einer Genauigkeit von bis zu einigen 10^−12 zu bestimmen. Die physikalischen Anwendungsgebiete umfassen Messungen des Q-Wertes von relevanten Übergängen in der Neutrinophysik, zwingende Tests der Quantenelektrodynamik in starken elektromagnetischen Feldern und ein Test der speziellen Relativitätstheorie. Dank des Mehrfallenaufbaus können verschiedene Messschemata, die gleichzeitige Frequenzmessungen umfassen, angewendet werden. Weitere Hauptmerkmale von PENTATRAP sind hochsensitive, kryogene, nichtdestruktive Detektionssysteme und der Zugang zu hochgeladenen Ionen über die kleine PENTATRAP-EBIT und die Heidelberg-EBIT.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit startete der Aufbau dieser weltweit einzigartigen Anlage und wurde wesentlich vorangebracht. Der Ionentransport und der Einfang in die Penningfallen wurde simuliert und eine Vielzahl von Funktionstests, wie z.B. die Untersuchung des Magnetfeldes des supraleitenden Magneten, durchgeführt. Ein Magnetfeldkompensationssystem und die technologisch anspruchsvolle kryogene Justagevorrichtung wurden aufgebaut und charakterisiert. Darüber hinaus wurden die hoch tolerierten Penningfallen konstruiert, hergestellt und aufgebaut. Die Montage des gesamten kryogenen Aufbaus, welche die Verkabelung der Penningfallen beinhaltete, ermöglichte ein erstes Abkühlen des Experiments. Abschließend konnte die PENTATRAP-EBIT erfolgreich in Betrieb genommen und die erste Produktion von hochgeladenen Rhenium- und Osmium-Ionen, die für Q-Wert-Messungen von Interesse sind, demonstriert werden.