TRIGA-Trap (Mainz)
TRIGA-Trap [1] ist ein Doppel-Penningfallen Massenspektrometer am TRIGA-Forschungsreaktor Mainz.
Das System bietet sowohl die allgemein verwendeten Flugzeit- und Phase-Imaging-Ionenzyklotronresonanz-Methoden als auch die schmalbandige FT-ICR-Technik. Innerhalb des TRIGA-Trap Projekts haben wir erstmals eine Penningfalle an einem Kernreaktor installiert, um Zugriff auf neutronenreiche Spaltprodukte zu haben. Darüber hinaus stehen Proben von schweren Elementen oberhalb von Uran für off-line Messungen zur Verfügung. Die Massen dieser Nuklide sind von großer Bedeutung, u.a. für zuverlässige Nukleosynthese-Berechnungen in der nuklearen Astrophysik und zur Untersuchung der Kernstruktur.
Momentan erfolgt die Inbetriebnahme einer Hochtemperatur-Oberflächen-Ionenquelle, die in Verbindung mit einem Gas-Jet Transportsystem den Zugang zu bestimmten Spaltprodukten ermöglichen wird [2]. Hierzu wurde eine 30 kV-Hochspannungsplattform installiert. Die Massenseparation nach der Ionenquelle erfolgt mittels eines 90°-Dipolmagneten mit einer Auflösung von ca. 300. Der Kühler und Buncher COLETTE [3], der vom CERN nach TRIGA-Trap transferiert wurde, dient dazu, gekühlte Ionenpulse für die angeschlossenen Experimente zu liefern [4].
TRIGA-Trap ist eine der Entwicklungsplattformen für das Zukunftsexperiment MATS innerhalb NUSTAR an FAIR. Wir entwickeln und testen Geräte und experimentelle Prozeduren für MATS.
Die Forschungsarbeiten im Rahmen des TRIGA-Trap Projekts stehen in enger Verbindung mit der Zielsetzung des Extreme Matter Institutes (EMMI) an der GSI/Darmstadt. Das Institut wurde von der im November 2007 geschlossenen Helmholtz Allianz "Extremes of Density and Temperature: Cosmic Matter in the Laboratory" errichtet. Diese Allianz verbindet die GSI mit 7 nationalen Partnern (darunter das Max-Planck-Institut für Kernphysik) sowie 4 internationalen Partnern. Mit EMMI soll eine in Europa einmalige Struktur zur interdisziplinären Erforschung von Materie unter extremen Bedingungen entstehen.
Einsatzmöglichkeiten für Massenmessungen mit TRIGA-Trap
Die chemische Zusammensetzung unseres Universums birgt viele Überraschungen: warum kommt Eisen so viel häufiger vor als schwerere Elemente wie z.B. Gold? Warum gibt es überhaupt schwere Elemente und wie sind sie entstanden? Die Eigenschaften von Atomkernen, besonders ihre Massen, spielen eine entscheidende Rolle bei der Beantwortung dieser grundlegenden Fragen an der Verbindungsstelle von Kern- und Astrophysik. TRIGA-Trap ermöglicht Massenmessungen an neutronenreichen Kernen, die sich in der am wenigsten erforschten Region der Nuklidkarte (siehe Abb. unten) befinden und für den Einfang schneller Neutronen (r-Prozess) wichtig sind. Außerdem können schwere Nuklide oberhalb von Uran off-line untersucht werden. Der hochpräzise Massenwert liefert die gesamte Kernbindungsenergie der Kerne, die für Kernstrukturuntersuchungen bedeutsam ist, da die Bindungsenergie das Ergebnis der im Kern vorhandenen Kräfte ist.
Referenzen
| [1] | J. Ketelaer et al., Nucl. Instrum. Meth. A 594, 162-177 (2008) |
| [2] | J. Grund et al., Nucl. Instrum. Meth. A 972, 164013 (2020) |
| [3] | D. Lunney et al., Nucl. Instrum. Meth. A 598, 379-387 (2009) |
| [4] | T. Beyer et al., Appl. Phys. B 114, 129-136 (2014) |
| [5] | J. J. Cowan et al., Phys. Today 57, 47 (2004) |
Der Forschungsreaktor TRIGA Mainz
Der TRIGA (Training Research Isotope General Atomics) Forschungsreaktor der Universität Mainz kann in einem stationären Modus mit einer Maximalleistung von 100 kWtherm oder im gepulsten Modus mit einer Pulsdauer von 30 ms (Halbwertsbreite) bei einer Leistungsspitze von 250 MWtherm betrieben werden. Vier horizontale Strahlrohre erlauben den Zugang zum stärksten Neutronenfluss nahe des Reaktorkerns (1.8x1011 cm-2s-1) [1]. Dort wird ein Gas-Jet-System eingesetzt, für den kontinuierlichen Transport von Spaltprodukten, ausgehend von einem spaltbaren Target (U-235, Pu-239 oder Cf-249), das nahe des Reaktorkerns montiert ist, durch das biologische Schild hin zu einer auf einer HV-Plattform befindlichen Ionenquelle.
Gas-Jet Transport der Spaltprodukte
TRIGA-Trap verwendet ein mit einem Aerosol gefülltes Gas-Jet System für den Transport der Spaltprodukte, siehe Abb. 2. Die Spaltprodukte werden in einer aerodynamischen Linse kollimiert, in einer Hochtemperatur-Oberflächenionenquelle ionisiert, beschleunigt, mit einem 90 deg. Dipolmagneten massensepariert, in einer gasgefüllten Radiofrequenz Quadrupolstruktur gekühlt und gebuncht, in einer gepulsten Driftröhre abgebremst und zum Penningfallen-Massenspektrometer transportiert [2].
Hochtemperatur-Oberflächenionenquelle
Zurzeit ist eine Hochtemperatur-Oberflächenionenquelle [2] verfügbar, die in Verbindung mit einem Gas-Jet-Transportsystem Zugriff auf bestimmte Spaltprodukte ermöglicht. Hierzu wurde eine 30 kV HV-Plattform installiert. Die Kathode ist ein zylindrischer Tantal-Ionisator, der indirekt durch Elektronenbeschuss aus zwei heißen Filamenten aufgeheizt wird.
Der Ionisator kann in kurzer Zeit auf jede Temperatur bis zu 2500 °C aufgeheizt werden. Die gewählte Temperatur kann mit lediglich geringen Fluktuationen im Bereich von 4 °C in 24 h konstant gehalten werden. Die Komponenten der Ionenquelle sind langzeitstabil, sodass sie ohne Wartung für zwei oder mehr Wochen betrieben werden kann.
Massenseparator
Der Massenseparator ist ein 90 deg. Dipolmagnet mit einem Krümmungsradius von 0.5 m und einer Massenauflösung von etwa 300. Die computergesteuerte DANFYSIK Stromversorgung liefert 250 A mit einer Stabilität von 10 ppm, wodurch sich eine B-Feldstärke von 1.1 T ergibt. Hinter dem Magneten befindet sich ein mittels Schrittmotor angetriebenes Split-Pair System.
Kühler und Buncher
COLETTE (Cooler for Emittance Elimination) ist ein segmentierter Radiofrequenz-Quadrupol, der für die Kühlung kontinuierlicher radioaktiver Strahlen für die Injektion in das MISTRAL-Spektrometer an CERN-ISOLDE entworfen wurde [4]. Das Gerät ist zu TRIGA-Trap transferiert worden und ist in die Strahllinie integriert [5]. COLETTE transformiert den kontinuierlichen 30 keV Strahl in Bündel und kühlt das eingeschlossene Ionen-Ensemble durch Puffergas, um das Phasenraumvolumen zu verkleinern.
Referenzen
| [1] | K. Eberhardt, A. Kronenberg, Kerntechnik 65, 5 (2000). |
| [2] | J. Grund et al., Nuclear Instrum. Meth. A 972, 164013 (2020) |
| [3] | M. Liehr et al., Rev. Sci. Instrum. 63, 2541 (1992) |
| [4] | D. Lunney et al., Nucl. Instrum. Meth. A 598, 379 (2009) |
| [5] | T. Beyer et al., Appl. Phys. B 114, 129-136 (2014) |
Die MiniRFQ Laserablationsionenquelle
Da sich das Experiment innerhalb des kontrollierten Bereiches des TRIGA-Forschungsreaktors Mainz befindet, können radioaktive Proben ausreichend langlebiger Nuklide und schwerer Elemente über Uran off-line gemessen werden.
Für die off-line Ionenerzeugung haben wir an TRIGA-Trap eine neuartige Laserablationsionenquelle entwickelt, bei sich der das Laserablationstarget [1] in einem gasgefüllten Miniatur Radiofrequenz-Quadrupol (MiniRFQ) [2] befindet.
Der Laserablationsprozess wird durch einen gepulsten, frequenzverdoppelten Nd:YAG Laser getrieben, der Pulse mit einer Länge von 5 ns und Energien von bis zu 12 mJ bei einer Wellenlänge von 532 nm und einer Wiederholungsrate von 15 Hz liefern kann.
Referenzen
| [1] | D. Renisch et al., Nucl. Instrum. Methods A 676, 84–89 (2012) |
| [2] | F. Schneider et al., Eur. Phys. J. A 51, 89 (2015) |
Abb. 1 zeigt das TRIGA-Trap Massenspektrometer. Nach Ionisation der interessierenden Nuklide in der Hochtemperatur-Oberflächenionenquelle, Massenseparation im Dipolmagneten sowie Kühlung und Akkumulation im RFQ-Buncher und Abbremsung in einer gepulsten Driftröhre, werden die Ionen zuerst in einer zylindrischen Penningfalle gespeichert, um sie mittels Helium Puffergas massenselektiv zu kühlen und damit die Bewegungsamplituden zu reduzieren und die Strahlreinheit zu erhöhen. Anschließend werden die interessierenden Ionen zu einer Hochpräzisions-Penningfalle transferiert, um dort die Massenmessung durchzuführen. Diese beruht auf der Bestimmung der Zyklotronfrequenz des Ions mit dem Ladung-zu-Masse-Verhältnis q/m, das im Magnetfeld der Stärke B = 7 T gespeichert ist [1].
Der DLD40 MCP-Detektor ermöglicht den Einsatz der sog. Phase-Imaging Ionen-Zyklotron-Resonanz Technik.
Für die FT-ICR Methode kann ein SL-Quartz Kristall zwischen die Fallenelektroden und den elektronischen Verstärker parallel angeschlossen werden, um die Empfindlichkeit der Messung von ν+ und seiner Frequenzmodulation zu verbessern [2].
Das komplette System wird durch das auf LabView basierende CS (Control System) gesteuert, das von der GSI Darmstadt und dem CS Developer Team gewartet wird. Dieses System wird auch bei zahlreichen anderen Penningfallen-Anlagen eingesetzt, unter denen reger Wissensaustausch besteht.
Referenzen
| [1] | K. Blaum, Phys. Rep. 425, 1-78 (2006) |
| [2] | S. Lohse et al., Rev. Sci. Instrum. 91, 093202 (2020) |
TRIGA-Trap Mitglieder
Gruppenleiter
Prof. Dr. Klaus Blaum, Max-Planck-Institut für Kernphysik Heidelberg
Email, Tel.: +49 6221 516-851Dr. Szilard Nagy, Max-Planck-Institut für Kernphysik Heidelberg
Email, Tel.: +49 6131 39-29691
Gruppenmitglieder
Stanislav Chenmarev, Max-Planck-Institut für Kernphysik Heidelberg
Email, Tel.: +49 6131 39-29694
Kollaborateure
Prof. Dr. Michael Block, Department Chemie - Standort TRIGA, Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Dr. Klaus Eberhardt, Department Chemie - Standort TRIGA, Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Prof. Dr. Christoph Düllmann, Institut für Kernchemie, Universität Mainz
Dr. Frank Herfurth, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH, Darmstadt
Dr. Dennis Neidherr, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH, Darmstadt
Prof. Dr. Wilfried Nörtershäuser, Institut für Kernphysik, Technische Universität Darmstadt
Sven Sturm, Max-Planck-Institut für Kernphysik Heidelberg
Dr. Dennis Renisch, Department Chemie - Standort TRIGA, Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Prof. Dr. Norbert Trautmann, Department Chemie - Standort TRIGA, Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Institute
21 First application of the phase-imaging ion-cyclotron resonance technique at TRIGA-Trap
S. Chenmarev, S. Nagy, J. J. W. van de Laar, K. Blaum, M. Block, and C.. E. Düllmann
European Physical Journal A 59, 29 (2023)
20 Quartz resonators for penning traps toward mass spectrometry on the heaviest ions
S. Lohse, J. Berrocal, S. Böhland, J. van de Laar, M. Block, S. Chenmarev, C.. E. Düllmann, S. Nagy, J. G. Ramírez, and D. Rodríguez
Review of Scientific Instruments 91, 093202 (2020)
19 First online operation of TRIGA-TRAP
J. Grund, M. Asai, K. Blaum, M. Block, S. Chenmarev, C..E. Düllmann, K. Eberhardt, S. Lohse, Y. Nagame, S. Nagy, P. Naubereit, J.J.W. van de Laar, F. Schneider, T.K. Sato, N. Sato, D. Simonovski, K. Tsukada, and K. Wendt
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 972, 164013 (2020)
18 Implementation of an aerodynamic lens for TRIGA-SPEC
J. Grund, C..E. Düllmann, K. Eberhardt, S. Nagy, J.J.W. van der Laar, D. Renisch, and F. Schneider
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms 376, 225-228 (2016)
17 Preparatory studies for a high-precision Penning-trap measurement of the 163Ho electron capture Q-value
F. Schneider, T. Beyer, K. Blaum, M. Block, S. Chenmarev, H. Dorrer, C..E. Düllmann, K. Eberhardt, M. Eibach, S. Eliseev, J. Grund, U. Köster, S. Nagy, Y..N. Novikov, D. Renisch, A. A.Türler, and K. Wendt
European Physical Journal A 51, 89 (2015)
16 TRIGA-SPEC: the prototype of MATS and LaSpec
S. Kaufmann, T. Beyer, K. Blaum, M. Block, C..E. Düllmann, K. Eberhardt, M. Eibach, C. Geppert, C. Gorges, J. Grund, M. Hammen, J. Krämer, S.. Nagy, W. Nörtershäuser, D. Renisch, F. Schneider, and K. Wendt
Journal of Physics: Conference Series 599, 012033 (2015)
15 Direct high-precision mass measurements on 241,243Am, 244Pu, and 249Cf
M. Eibach, T. Beyer, K. Blaum, M. Block, C..E. Düllmann, K. Eberhardt, J. Grund, S. Nagy, H. Nitsche, W. Nörtershäuser, D. Renisch, K.P. Rykaczewski, F. Schneider, C. Smorra, J. Vieten, M. Wang, and K. Wendt
Physical Review C 89, 064318 (2014)
14 An RFQ cooler and buncher for the TRIGA-SPEC experiment
T. Beyer, K. Blaum, M. Block, C..E. Düllmann, K. Eberhardt, M. Eibach, C. Frömmgen, N. Geppert, C. Gorges, J. Grund, M. Hammen, S. Kaufmann, A. Krieger, S. Nagy, W. Nörterhäuser, D. Renisch, C. Smorra, and E. Will
Applied Physics B: Lasers and Optics 114, 129-136 (2014)
13 Q value and half-life of double-electron capture in 184Os
C. Smorra, T.R. Rodríguez, T. Beyer, K. Blaum, M. Block, C..E. Düllmann, K. Eberhardt, M. Eibach, S. Eliseev, K. Langanke, G. Martínez-Pinedo, S. Nagy, W. Nörtershäuser, D. Renisch, V.M. Shabaev, I.I. Tupitsyn, and N.A. Zubova
Physical Review C 86, 044604, 1-5 (2012)
12 Targets on superhydrophobic surfaces for laser ablation ion sources
D. Renisch, T. Beyer, K. Blaum, M. Block, C..E. Düllmann, K. Eberhardt, M. Eibach, S. Nagy, D. Neidherr, W. Nörtershäuser, and C. Smorra
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 676, 84-89 (2012)
11 Direct mass measurements of cadmium and palladium isotopes and their double-β transition Q values
C. Smorra, T. Beyer, K. Blaum, M. Block, C..E. Düllmann, K. Eberhardt, M. Eibach, S. Eliseev, S. Nagy, W. Nörtershäuser, and D. Renisch
Physical Review C 85, 027601, 1-4 (2012)
10 Mass measurements on stable nuclides in the rare-earth region with the Penning-trap mass spectrometer TRIGA-TRAP
J. Ketelaer, G. Audi, T. Beyer, K. Blaum, M. Block, B. R. Cakirli, R. Casten, C. Droese, M. Dworschak, K. Eberhardt, M. Eibach, F. Herfurth, E. Minaya Ramirez, S. Nagy, D. Neidherr, W. Nörtershäuser, C. Smorra, and M. Wang
Physical Review C 84, 014311, 1-8 (2011)
9 First investigation of phase-shifted Ramsey excitation in Penning trap mass spectrometry
M. Eibach, T. Beyer, K. Blaum, M. Block, K. Eberhardt, F. Herfurth, J. Ketelaer, S. Nagy, D. Neidherr, W. Nörtershäuser, and C. Smorra
International Journal of Mass Spectrometry 303, 27-30 (2010)
8 Accuracy studies with carbon clusters at the Penning trap mass spectrometer TRIGA-TRAP
J. Ketelaer, T. Beyer, K. Blaum, M. Block, K. Eberhardt, M. Eibach, F. Herfurth, C. Smorra, and S. Nagy
European Physical Journal D 58, 47-52 (2010)
7 Transport of fission products with a helium gas-jet at TRIGA-SPEC
M. Eibach, T. Beyer, K. Blaum, M. Block, K. Eberhardt, F. Herfurth, C. Geppert, J. Ketelaer, J. Ketter, J. Krämer, A. Krieger, K. Knuth, S. Nagy, W. Nörtershäuser, and C. Smorra
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 613, 226-231 (2010)
6 A broad-band FT-ICR Penning trap system for KATRIN
M. Ubieto-Diaz, D. Rodriguez, S. Lukic, S. Nagy, S. Stahl, and K. Blaum
International Journal of Mass Spectrometry 288, 1-5 (2009)
5 A carbon-cluster laser ion source for TRIGA-TRAP
C. Smorra, K. Blaum, K. Eberhardt, M. Eibach, J. Ketelaer, J. Ketter, K. Knuth, and S. Nagy
Journal of Physics B 42, 154028, 1-6 (2009)
4 High-accuracy Penning trap mass measurements with stored and cooled exotic ions
K. Blaum, S. Nagy, and G. Werth
Journal of Physics B 42, 154015, 1-9 (2009)
3 Position-sensitive ion detection in precision Penning trap mass spectrometry
G. Eitel, M. Block, A. Czasch, M. Dworschak, S. George, O. Jagutzki, J. Ketelaer, J. Ketter, S. Nagy, D. Rodríguez, C. Smorra, and K. Blaum
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 606, 475-483 (2009)
2 Recent developments in ion detection techniques for Penning trap mass spectrometry at TRIGA-TRAP
J. Ketelaer, K. Blaum, M. Block, K. Eberhardt, M. Eibach, R. Ferrer, S. George, F. Herfurth, J. Ketter, S. Nagy, J. Repp, L. Schweikhard, C. Smorra, S. Sturm, and S. Ulmer
European Physical Journal A 42, 311-317 (2009)
1 TRIGA-SPEC: A setup for mass spectrometry and laser spectroscopy at the research reactor TRIGA Mainz
J. Ketelaer, J. Krämer, D. Beck, K. Blaum, M. Block, K. Eberhardt, G. Eitel, R. Ferrer, C. Geppert, S. George, F. Herfurth, J. Ketter, S.. Nagy, D. Neidherr, R. Neugart, W. Nörtershäuser, J. Repp, C. Smorra, N. Trautmann, and C. Weber
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 594, 162-177 (2008)
