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...

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Weiterer 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
Weitere Beteiligte: Frekers, Dieter (Gutachter)
Dokumenttypen:Dissertation/Habilitation
Medientypen:Text
Erscheinungsdatum:2015
Publikation in MIAMI:06.11.2015
Datum der letzten Änderung:03.01.2023
Angaben zur Ausgabe:[Electronic ed.]
Schlagwörter:Verzweigungsverhältnisse; doppelter Betazerfall; Kernmatrixelemente; Ionenfalle; hochgeladenen Ionen highly-charged radioactive ions; branching ratios; double-beta decay; nuclear matrix elements; ion trap
Fachgebiet (DDC):530: Physik
Lizenz:InC 1.0
Sprache:English
Format:PDF-Dokument
URN:urn:nbn:de:hbz:6-87289563285
Permalink:https://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:hbz:6-87289563285
Onlinezugriff:diss_lennarz.pdf
Inhaltsverzeichnis:
  • 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.

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