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In-trap decay spectroscopy on highly charged radioactive ions towards measurements on intermediate nuclei in beta beta decay

Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung und Inbetriebnahme einer neuen Zerfallsspektroskopieanlage mit dem Ziel die schwachen Elektroneneinfangs-Verzweigungsverhältnisse der uu-Zwischenkerne im doppelten Betazerfall zu bestimmen. Die experimentell gewonnenen Daten sind von Bedeutung für theoretische Schalenmodellrechnungen, zur Bestimmung der Kernmatrixelemente des doppelten Betazerfalls. Hauptbestandteil der neuartigen Anlage ist eine Elektronenstrahl-Ionenfalle des TITAN (TRIUMF's Ion Trap for Atomic and Nuclear science) Experiments am TRIUMF in Vancouver, Kanada, mit welcher radioaktive Ionen durch eine Kombination aus elektrischen und magnetischen Felder und ohne Implantierung auf einem Trägermaterial gespeichert werden können. Neben der effektiven Reduzierung des Untergrunds, bietet die Verwendung der EBIT den Vorteil einer nahezu verlustfreien Speicherung von hochgeladenen Ionen, wodurch eine präzise Messung von Halbwertszeiten ermöglicht wird.

This thesis presents the development and commissioning of a novel experimental setup to perform in-trap decay spectroscopy on highly-charged radioactive ions. The primary objective for such a device is the measurement of the weak electron-capture branching ratios of the odd-odd intermediate nuclei in double-beta decay. Those ratios will provide experimental input to benchmark theoretical shell-model calculations for the nuclear matrix elements in double-beta decay. The setup is part of the TITAN (TRIUMF's Ion Trap for Atomic and Nuclear science) facility at TRIUMF in Vancouver, Canada. The apparatus employs an open-access electron-beam ion trap to provide a low-background environment as well as backing-free ion storage, and is surrounded radially by seven low-energy planar silicon-lithium drifted photon detectors. Employing an electron beam for charge breeding optimizes the ion-cloud confinement and increases the ion storage time in the trap, thereby allowing half-life measurements.

Titel: In-trap decay spectroscopy on highly charged radioactive ions towards measurements on intermediate nuclei in beta beta decay
Weitere Titel In-trap decay spectroscopy on highly-charged radioactive ions towards measurements on intermediate nuclei in ββ decay - In-trap decay spectroscopy on highly charged radioactive ions towards measurements on intermediate nuclei in ββ decay - In-trap decay spectroscopy on highly-charged radioactive ions towards measurements on intermediate nuclei in beta beta decay
Verfasser: Lennarz, Annika GND
Gutachter: Frekers, Dieter GND
Organisation: FB 11: Physik
Dokumenttyp: Dissertation/Habilitation
Medientyp: Text
Erscheinungsdatum: 2015
Publikation in MIAMI: 06.11.2015
Datum der letzten Änderung: 09.11.2015
Schlagwörter: Verzweigungsverhältnisse; doppelter Betazerfall; Kernmatrixelemente; Ionenfalle; hochgeladenen Ionen
highly-charged radioactive ions; branching ratios; double-beta decay; nuclear matrix elements; ion trap
Fachgebiete: Physik
Sprache: Englisch
Format: PDF-Dokument
URN: urn:nbn:de:hbz:6-87289563285
Permalink: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:hbz:6-87289563285
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Inhalt:
DEDICATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v
CURRICULUM VITAE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii
ABSTRACT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix
ZUSAMMENFASSUNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi
ACKNOWLEDGEMENTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii
List of Figures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvii
List of Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xix
I THEORETICAL BACKGROUND . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1 Double-beta decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.1 The 2νβ−β− -decay process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.2 The 0νβ−β− -decay process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.3 Neutrino oscillations and the neutrino-mass hierarchy . . . . . . . . 9
1.2 Nuclear matrix elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3 Electron-capture branching ratios (ECBRs) . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4 Electron-capture subshell ratios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.5 Internal conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.6 Fluorescence yield . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.7 Atomic-structure effects in highly-charged ions . . . . . . . . . . . . . . . . 21
II EXPERIMENTAL SETUP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.1 The TRIUMF-ISAC facility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2 The TITAN facility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.1 Measurement Penning trap (MPET) . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2.2 The Electron-BeamIon Trap (EBIT) . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3 The TITAN-EC decay-spectroscopy setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3.1 EBIT operation and ion storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.3.2 Geometric acceptance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
III LITHIUM-DRIFTED SILICON (SI(LI)) DETECTORS . . . . . . . . . 45
3.1 Specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2 Pulsed-reset preamplifier and output signals . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.3 Cryogenic operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.4 Power Supplies and DAQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.4.1 Preamplifier non-linearity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.5 Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.5.1 Detection efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.5.2 Energy resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.5.3 Peak shape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.5.4 Magnetic-field studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.5.5 High-voltage studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.5.6 Performance dependence on temperature fluctuations . . . . . . . . 78
3.5.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.6 Vibration-induced noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.6.1 Vibration diagnostics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.6.2 Vibration-damping materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.6.3 Results of tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.7 Background reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.7.1 Passive background shielding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.7.2 Active Compton background suppression . . . . . . . . . . . . . . . 94
IV COMMISSIONING EXPERIMENTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.1 124Cs electron-capture decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.1.1 Setup and beamdelivery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.1.2 Trapping cycle and time dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.1.3 EBIT extraction efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.1.4 Beam-tune stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.2 A=116 in-trap decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.2.1 Setup and beamdelivery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.2.2 Trapping cycle and peak identification . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.2.3 Beam-tune stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.2.4 Background studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
V DATA ANALYSIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
5.1 Data selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
5.2 Generating the spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
5.3 Energy calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.3.1 124Cs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.3.2 116In . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
5.4 Fitting routine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
5.4.1 Background function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
5.4.2 Low-energy tail . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
5.5 124Cs electron-capture decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
5.5.1 Fitted spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
5.5.2 Time-dependent fittingmethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
5.5.3 Half-lives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
5.5.4 Comparison to simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
5.5.5 Cross check of the ECBR normalization . . . . . . . . . . . . . . . 155
5.5.6 Suppression of the 511 keV annihilation radiation . . . . . . . . . . 158
5.5.7 Atomic-structure effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
5.5.8 Beam composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
5.6 A=116 in-trap decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
5.6.1 Fitting routine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
5.6.2 Half-life of the 116In 8− isomer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
5.6.3 Decay of the long-lived 116m1In 5+ isomer . . . . . . . . . . . . . . 190
5.6.4 The 116Sn X-ray . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
5.6.5 Atomic-structure effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
5.6.6 Multiple-injection technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
VI FURTHER APPLICATIONS OF IN-TRAP SPECTROSCOPY . . . . 215
6.1 In-trap feeding for Penning trap mass spectrometry . . . . . . . . . . . . . 215
6.1.1 EBIT operation and cycling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
6.1.2 Identifying transitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
6.1.3 30Mg half-life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
6.1.4 Count-rate dependence on charge-breeding time . . . . . . . . . . . 222
6.1.5 Count-rate dependence on electron-beam energy . . . . . . . . . . . 222
6.1.6 Background studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
6.1.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
6.2 Investigation of highly-charged ions and their decay properties . . . . . . . 236
VII CONCLUSIONS AND OUTLOOK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
Appendix A — DRAWINGS - BERYLLIUM WINDOWS . . . . . . . . 245
Appendix B — DRAWINGS - DAMPING MATERIAL SHEETS . . . 251
Appendix C — RECORD OF DETECTOR STATUS . . . . . . . . . . . . 255
Appendix D — FAC FILES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285