Implementation and commissioning of the phase-imaging ion-cyclotron-resonance method and mass measurements of exotic copper isotopes with ISOLTRAP

Das ist die Doktorarbeit von Dr. Andree Welker. CERN-THESIS-2018-183 ist die öffentliche Datei. Er hat die Phase-Imaging Ion-Cyclotron-Resonance-Methode, PI-ICR, aus einer Laboridee zu einem Gerät gemacht, das am Strahl läuft: an ISOLTRAP, dem Penningfallen-Massenspektrometer am CERN. Mit diesem Gerät hat er exotisches neutronenreiches Kupfer gemessen, darunter ⁷⁹Cu, einen Protonenschritt neben dem doppelt magischen ⁷⁸Ni.

Die Promotion war vollfinanziert über das Wolfgang-Gentner-Stipendium des Bundesministeriums. Parallel hat er ein eigenes dreijähriges BMBF-Projekt an ISOLTRAP gepitcht und eingeworben, damit Studierende und Materialien bezahlt waren, während das Gerät gebaut wurde.

PI-ICR stoppt das Ion nicht und nennt das eine Masse. Es bildet die Zyklotronbewegung ab. Nach der Präzisionsfalle trifft das Ion auf einen positionsempfindlichen Detektor: eine zweidimensionale Mikrokanalplatte, eine Delay-Line-Anode und eine Triggerkette. Jeder Aufschlag wird zu drei Zahlen, x, y und Zeit. Aus diesen Zahlen wird die Zyklotronphase rekonstruiert, und aus der Phase folgt die Masse.

Dr. Andree Welker hat genau diese Elektronikkette entworfen und die Software geschrieben, die sie liest. Er hat den Aufbau an der ISOLTRAP-Präzisionsfalle in Betrieb genommen und die ersten Online-Massenmessungen damit gemacht. Über dieses Bild erreicht die Methode eine Auflösung über 10⁷ in etwa einer Sekunde. Klassisches ToF-ICR stoppt nur die Flugzeit. An denselben seltenen Strahlen liefert es diese Auflösung nicht.

Den Betrieb der Präzisionsfalle hat er selbst verantwortet: Kryoflüssigkeiten, supraleitende Magnete um 5 T, Quench-Verhalten, Kernchemie und die ISOLDE-Kupferstrahlen.

Bis zu dieser Arbeit blieb ISOLTRAP bei ToF-ICR für die härtesten Fälle. Die spätere ¹³¹Cs-Q-Wert-Arbeit ist der öffentliche Beweis, dass PI-ICR online läuft: relative Massenpräzision 1.4×10⁻⁹. Dieser Q-Wert zeigt, dass der Einfang in angeregtes ¹³¹Xe energetisch geschlossen ist, deshalb ist ¹³¹Cs/Xe kein Neutrinomassenkandidat. Die ¹²⁹Cd-Isomerenordnung im N=82-Cadmium-PRL nutzt dieselbe Methode.

In INTC-P-410 hat das ISOLDE-Komitee die Strahlzeiten für die schwierigeren Paare ¹⁵⁹Dy und ¹⁷⁵Hf schon verweigert, bis PI-ICR am Strahl gezeigt war. Die Dissertation von Dr. Andree Welker ist dieser Nachweis. Ohne sie hätte das Komitee jene Folgeprojekte erst gar nicht zugelassen.

Die Kupferkampagne ist der Erstprinzipien-Nachweis hinter dem ⁷⁹Cu-Bindungsenergieergebnis, das ein doppelt magisches ⁷⁸Ni stützt und das der CERN Courier später aufgegriffen hat. Der ISOLDE-Newsletter hat das erste Online-PI-ICR als Anlagennews gemeldet. Die Dissertation von Dr. Andree Welker machte dies möglich.

Diese Seite ist die Doktorarbeit von Dr. Andree Welker. Andere Einträge in diesem Archiv sind Kollaborationsergebnisse.

Sein Anteil war die PI-ICR-Elektronik, die Software, die sie liest, die Inbetriebnahme am Strahl und die Kupferkampagne, die auf ⁷⁸Ni schaut. Nach der Promotion blieb er am CERN, auf einer Senior Fellowship, dem seltenen Dreijahrespfad. Am 11. November 2019 hat Dr. David Lunney eine Empfehlung zu dieser Arbeit geschrieben. Das Schreiben liegt bei den Referenzen.

Die späteren Q-Wert- und Isomerenarbeiten, und die Massenarbeit um ⁷⁸Ni, nutzen das Instrument, das diese Promotion an den Strahl gebracht hat.