Ausbau und Optimierung des MLLTRAP-Penningfallensystems: Komplettierung des Multi-Passage-Spektrometers als Abschluss der Inbetriebnahme und Charakterisierung sowie Aufbau einer Kohlenstoff-Clusterionenquelle
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das hier abschliessend dargestellte Fördervorhaben hatte als Fortsetzung einer vorhergehenden Förderphase das Ziel der Erweiterung der Leistungsfähigkeit des MLLTRAP-Penning-Ionenfallen-Massenspektrometers, das am Maier-Leibnitz-Labor von LMU und TU München in Garching aufgebaut wurde, durch die Komplettierung des Aufbaus eines magnetischen q/A-Separators. Damit sollen die Voraussetzungen für einen späteren Betrieb des Fallensystems mit hochgeladenen Ionen aus einem Ladungsbrüter nach Injektion einfach geladener Start-Ionen geschaffen werden. Damit liesse sich das ultimate Ziel eines Betriebs der Ionenfalle zur hochgenauen Massenmessung exotischer Isotope jenseits einer Genauigkeit von ∆m/m=10^-8 realisieren. Herzstück des q/A-Separators ist ein bereits in der ersten Förderphase beschaffter Dipolmagnet mit rundem Polschuh, laminiertem Joch und innerhalb von 50 ms schnell verfahrbarem Magnetfeld. Dieses Magnetfeld wurde in der ersten Förderphase bereits mit über 2 Millionen Messpunkten in 3D im Innen- wie Aussenbereich des Feldes vermessen, allerdings hatte dies aus geometrischen Gründen abschnittsweise zu erfogen. In der ersten Arbeitsphase des Fortsetzungsprojekts mussten nun diese Magnetfeld-Segmente zu einer gemeinsamen Karte zusammengefügt werden, die als Grundlage nachfolgender Simulationsstudien zum Ionentransport erforderlich war. Hier zeigten sich unerwartete Komplikationen durch Unstetigkeiten im Übergangsbereich verschiedener Segmente, lokale Fehlmessungen und die Notwendigkeit, durch geeignete Interpolationen die im Innenund Aussenbereich unterschiedlich feine Schrittweite der Messdaten zu harmonisieren. Dieser Arbeitsschritt erforderte höheren Zeitaufwand als zunächst veranschlagt. Nach Abschluss dieser Arbeiten wurden mittels des SIMION-Simulationsprogramms Trajektorienrechnungen zum Ionentransport unter dem Einfluss des Magnetfeldes und verschiedenen Fokussierungsbedingungen der in den drei 90o-Transportarmen untergebrachten elektrostatischen Linsensysteme für hochgeladene Ionen über einen weiten Massenbereich hinweg durchgeführt. Damit wurden die Spezifikationen der Linsen (Länge, Durchmesser, Potentiale) optimiert und mit der Konstruktion der Vakuumkammer des Dipolmagneten abgestimmt. Zur vereinfachung des Linsenaufbaus und seiner Justierung auf die zentrale Achse der Ionenflugbahn wurde ein Design gewählt, bei dem die Ansatz-Stutzen der 3 Linsenarme bereits das erste, auf Massenpotential liegende Segment der Einzellinse darstellen. Entsprechend geringe Fertigungstoleranzen ergaben sich daraus für die Planarität und Winkligkeit der Kammerzu- und abgänge. Angesichts unvermeidlichen Schweissverzugs stellte die Forderung einer Präzision der Achslagen auf besser als einen halben Millimeter eine hohe Anforderung an potentielle Hersteller der (in unmagnetischem Edelstahl und im Bereich des Polschuhs mit nur 2 mm Wandstärke herzustellenden) Vakuumkammer. Entsprechend konnte auch nur 1 Hersteller diese Anforderungen im Rahmen des verfügbaren Budgets erfüllen, es bedurfte zudem zahlreicher Iterationen mit der Konstruktionsabteilung des Hersteller bis zur Lieferung der in hervorragender Qualität hergestellten Kammer. Nach positivem Eingangs-Vakuumtest wurde der Dipolmagnet durch Abheben der oberen Jochhälfte zerlegt und die Kammer eingebaut, zusammen mit den Anbaukomponenten zur Aufnahme des Linsensystems, der Vakuum- und Ionendiagnostik, von Test-Ionenquelle und verschiebbarer Blende. Vor Ausführung der nun eigentlich fälligen Charakterisierungsmessungen des Ablenk- und Fokussierungsverhaltens einfach geladener Testionen wurde völlig unerwartet das Garchinger Maier-Leibnitz-Labor Anfang März 2015 aufgrund von Mängeln im baulichen Brandschutz von einem Tag auf den anderen geschlossen, bei Untersagung experimenteller Arbeiten. So konnten diese abschliessenden Messungen im Rahmen der Laufzeit des Projekts nicht mehr ausgeführt werden. Um das MLLTRAP-Fallensystem seiner eigentlichen Bestimmung der Massenmessungen exotischer Isotope zuführen zu können, wird es im Frühjahr 2016 nach Frankreich an die ALTO-Beschleunigeranlage in Orsay als Vorstufe für den endgültigen Einsatz an der im Aufbau befindlichen DESIR-Anlage bei SPIRAL2 in Caen transferiert. Es wird erwogen, die ausstehenden Rest-Arbeiten am q/A-Separator als Teil der Aufbau- und Inbetriebnahmemassnahmen von MLLTRAP bei ALTO durchzuführen. Damit besitzt MLLTRAP weiter die Aussicht auf einen künftigen Betrieb mit hochgeladenen Ionen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Developments in Penning Trap (Mass) Spectrometry at MLLTRAP: Towards In-trap Decay Spectroscopy, Int. Jour. Mass Spectrometry 349, 270 (2013)
C. Weber, P. Müller, P.G. Thirolf
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Recent Developments at MLLTRAP: Improving the System for Mass Measurements and In-Trap Observation of Nuclear Decays, Nucl. Instr. Meth. B 317, 532 (2013)
C. Weber, T. Meißner, P. Müller, P.G. Thirolf
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Status of the MLLTRAP setup and future plans, Hyperfine Interactions 227, 247 (2014)
C. Weber, R. Meissner, P. Müller, P.G. Thirolf
