Skip to main content
Log in

PENTATRAP: a novel cryogenic multi-Penning-trap experiment for high-precision mass measurements on highly charged ions

  • Published:
Applied Physics B Aims and scope Submit manuscript

Abstract

The novel five-Penning-trap mass spectrometer Pentatrap is developed at the Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK), Heidelberg. Ions of interest are long-lived highly charged nuclides up to bare uranium. Pentatrap aims for an accuracy of a few parts in 1012 for mass ratios of mass doublets. A physics program for Pentatrap includes Q-value measurements of β-transitions relevant for neutrino physics, stringent tests of quantum electrodynamics in the regime of extreme electric fields, and a test of special relativity. Main features of Pentatrap are an access to a source of highly charged ions, a multi-trap configuration, simultaneous measurements of frequencies, a continuous precise monitoring of magnetic field fluctuations, a fast exchange between different ions, and a highly sensitive cryogenic non-destructive detection system. This article gives a motivation for the new mass spectrometer Pentatrap, presents its experimental setup, and describes the present status.

This is a preview of subscription content, log in via an institution to check access.

Access this article

Price excludes VAT (USA)
Tax calculation will be finalised during checkout.

Instant access to the full article PDF.

Fig. 1
Fig. 2
Fig. 3
Fig. 4
Fig. 5
Fig. 6
Fig. 7
Fig. 8
Fig. 9
Fig. 10
Fig. 11
Fig. 12
Fig. 13

Similar content being viewed by others

References

  1. K. Blaum, Phys. Rep. 425, 1 (2006)

    Article  ADS  Google Scholar 

  2. B. Franzke, M. Geissel, G. Münzenberg, Mass Spectrom. Rev. 27, 428 (2008)

    Article  Google Scholar 

  3. K. Blaum, Yu.N. Novikov, G. Werth, Contemp. Phys. 51, 149 (2010)

    Article  ADS  Google Scholar 

  4. D. Lunney, J.M. Pearson, C. Thibault, Rev. Mod. Phys. 75, 75 (2003)

    Article  Google Scholar 

  5. K. Blaum, G. Audi, D. Beck, G. Bollen, F. Herfurth, A. Kellerbauer, H.-J. Kluge, E. Sauvan, S. Schwarz, Phys. Rev. Lett. 91, 260801 (2003)

    Article  ADS  Google Scholar 

  6. A. Kankainen, T. Eronen, D. Gorelov, J. Hakala, A. Jokinen, V.S. Kolhinen, M. Reponen, J. Rissanen, A. Saastamoinen, V. Sonnenschein, J. Äystö, Phys. Rev. C 82, 052501 (2010)

    Article  ADS  Google Scholar 

  7. C. Weber, V.-V. Elomaa, R. Ferrer, C. Fröhlich, D. Ackermann, J. Äystö, G. Audi, L. Batist, K. Blaum, M. Block, A. Chaudhuri, M. Dworschak, S. Eliseev, T. Eronen, U. Hager, J. Hakala, F. Herfurth, F.P. Heßberger, S. Hofmann, A. Jokinen, A. Kankainen, H.J. Kluge, K. Langanke, A. Martín, G. Martínez-Pinedo, M. Mazzocco, I.D. Moore, J.B. Neumayr, Yu.N. Novikov, H. Penttilä, W.R. Plaß, A.V. Popov, S. Rahaman, T. Rauscher, C. Rauth, J. Rissanen, D. Rodríguez, A. Saastamoinen, C. Scheidenberger, L. Schweikhard, D.M. Seliverstov, T. Sonoda, F.-K. Thielemann, P.G. Thirolf, G.K. Vorobjev, Phys. Rev. C 78, 054310 (2008)

    Article  ADS  Google Scholar 

  8. S. Baruah, G. Audi, K. Blaum, M. Dworschak, S. George, C. Guénaut, U. Hager, F. Herfurth, A. Herlert, A. Kellerbauer, H.-J. Kluge, D. Lunney, H. Schatz, L. Schweikhard, C. Yazidjian, Phys. Rev. Lett. 101, 262501 (2008)

    Article  ADS  Google Scholar 

  9. M. Dworschak, G. Audi, K. Blaum, P. Delahaye, S. George, U. Hager, F. Herfurth, A. Herlert, A. Kellerbauer, H.-J. Kluge, D. Lunney, L. Schweikhard, C. Yazidjian, Phys. Rev. Lett. 100, 072501 (2008)

    Article  ADS  Google Scholar 

  10. V.-V. Elomaa, G.K. Vorobjev, A. Kankainen, L. Batist, S. Eliseev, T. Eronen, J. Hakala, A. Jokinen, I.D. Moore, Yu.N. Novikov, H. Penttilä, A. Popov, S. Rahaman, J. Rissanen, A. Saastamoinen, H. Schatz, D.M. Seliverstov, C. Weber, J. Äystö, Phys. Rev. Lett. 102, 252501 (2009)

    Article  ADS  Google Scholar 

  11. J.C. Hardy, I.S. Tower, Phys. Rev. C 79, 055502 (2009)

    Article  ADS  Google Scholar 

  12. A. Kellerbauer, G. Audi, D. Beck, K. Blaum, G. Bollen, B.A. Brown, P. Delahaye, C. Guénaut, F. Herfurth, H.J. Kluge, D. Lunney, S. Schwarz, L. Schweikhard, C. Yazidjian, Phys. Rev. Lett. 93, 072502 (2004)

    Article  ADS  Google Scholar 

  13. M. Mukherjee, A. Kellerbauer, D. Beck, K. Blaum, G. Bollen, F. Carrel, P. Delahaye, J. Dilling, S. George, C. Guénaut, F. Herfurth, A. Herlert, H.-J. Kluge, U. Köster, D. Lunney, S. Schwarz, L. Schweikhard, C. Yazidjian, Phys. Rev. Lett. 93, 150801 (2004)

    Article  ADS  Google Scholar 

  14. G. Savard, F. Buchinger, J.A. Clark, J.E. Crawford, S. Gulick, J.C. Hardy, A.A. Hecht, J.K.P. Lee, A.F. Levand, N.D. Scielzo, H. Sharma, K.S. Sharma, I. Tanihata, A.C.C. Villari, Y. Wang, Phys. Rev. Lett. 95, 102501 (2005)

    Article  ADS  Google Scholar 

  15. G. Bollen, D. Davies, M. Facina, J. Huikari, E. Kwan, P.A. Lofy, D.J. Morrissey, A. Prinke, R. Ringle, J. Savory, P. Schury, S. Schwarz, C. Sumithrarachchi, T. Sun, L. Weissman, Phys. Rev. Lett. 96, 152501 (2006)

    Article  ADS  Google Scholar 

  16. T. Eronen, V. Elomaa, U. Hager, J. Hakala, A. Jokinen, A. Kankainen, I. Moore, H. Penttilä, S. Rahaman, J. Rissanen, A. Saastamoinen, T. Sonoda, J. Äystö, J.C. Hardy, V.S. Kolhinen, Phys. Rev. Lett. 97, 232501 (2006)

    Article  ADS  Google Scholar 

  17. S. George, S. Baruah, B. Blank, K. Blaum, M. Breitenfeldt, U. Hager, F. Herfurth, A. Herlert, A. Kellerbauer, H.-J. Kluge, M. Kretzschmar, D. Lunney, R. Savreux, S. Schwarz, L. Schweikhard, C. Yazidjian, Phys. Rev. Lett. 98, 162501 (2007)

    Article  ADS  Google Scholar 

  18. T. Eronen, V.-V. Elomaa, U. Hager, J. Hakala, J.C. Hardy, A. Jokinen, A. Kankainen, I.D. Moore, H. Penttilä, S. Rahaman, S. Rinta-Antila, J. Rissanen, A. Saastamoinen, T. Sonoda, C. Weber, J. Äystö, Phys. Rev. Lett. 100, 132502 (2008)

    Article  ADS  Google Scholar 

  19. T. Eronen, V.V. Elomaa, J. Hakala, J.C. Hardy, A. Jokinen, I.D. Moore, M. Reponen, J. Rissanen, A. Saastamoinen, C. Weber, J. Äystö, Phys. Rev. Lett. 103, 252501 (2009)

    Article  ADS  Google Scholar 

  20. G. Gabrielse, A. Khabbaz, D.S. Hall, C. Heimann, H. Kalinowsky, W. Jhe, Phys. Rev. Lett. 82, 3198 (1999)

    Article  ADS  Google Scholar 

  21. V.M. Shabaev, O.V. Andreev, A.N. Artemyev, S.S. Baturin, A.A. Elizarov, Y.S. Kozhedub, N.S. Oreshkina, I.I. Tupitsyn, V.A. Yerokhin, O.M. Zherebtsov, Int. J. Mass Spectrom. 251, 109 (2006)

    Article  ADS  Google Scholar 

  22. Th. Stöhlker, A. Gumberidze, M. Trassinelli, V. Andrianov, H.F. Beyer, S. Kraft-Bermuth, A. Bleile, P. Egelhof (The FOCAL Collaboration), Lect. Notes Phys. 745, 157 (2008)

    Article  ADS  Google Scholar 

  23. S. Rainville, J.K. Thompson, E.G. Myers, J.M. Brown, M.S. Dewey, E.G. Kessler, R.D. Deslattes, H.G. Börner, M. Jentschel, P. Mutti, D.E. Pritchard, Nature 438, 1096 (2005)

    Article  ADS  Google Scholar 

  24. R.S. Van Dyck Jr., S.L. Zafonte, S. Van Liew, D.B. Pinegar, P.B. Schwinberg, Phys. Rev. Lett. 92, 220802 (2004)

    Article  Google Scholar 

  25. R.S. Van Dyck Jr., D.B. Pinegar, S. Van Liew, S.L. Zafonte, Int. J. Mass Spectrom. 251, 231 (2006)

    Article  Google Scholar 

  26. S. Rainville, J.K. Thompson, D.E. Pritchard, Science 303, 334 (2004)

    Article  ADS  Google Scholar 

  27. W. Shi, M. Redshaw, E.G. Myers, Phys. Rev. A 72, 022510 (2005)

    Article  ADS  Google Scholar 

  28. M. Redshaw, J. McDaniel, E.G. Myers, Phys. Rev. Lett. 100, 093002 (2008)

    Article  ADS  Google Scholar 

  29. I. Bergström, C. Carlberg, T. Fritioff, G. Douysset, J. Schönfelder, R. Schuch, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A, Accel. Spectrom. Detect. Assoc. Equip. 487, 618 (2002)

    Article  ADS  Google Scholar 

  30. I. Bergström, M. Björkhage, K. Blaum, H. Bluhme, T. Fritioff, Sz. Nagy, R. Schuch, Eur. Phys. J. D 22, 41 (2003)

    Article  ADS  Google Scholar 

  31. J. Dilling, R. Baartman, P. Bricault, M. Brodeur, L. Blomeley, F. Buchinger, J. Crawford, J.R. Crespo López-Urrutia, P. Delheij, M. Froese, G.P. Gwinner, Z. Ke, J.K.P. Lee, R.B. Moore, V. Ryjkov, G. Sikler, M. Smith, J. Ullrich, J. Vaz, Int. J. Mass Spectrom. 251, 198 (2006)

    Article  ADS  Google Scholar 

  32. G. Gräff, H. Kalinowsky, J. Traut, Z. Phys., A Hadrons Nucl. 297, 35 (1980)

    Google Scholar 

  33. D.J. Wineland, H.G. Dehmelt, J. Appl. Phys. 46, 919 (1975)

    Article  ADS  Google Scholar 

  34. S. Eliseev, C. Roux, K. Blaum, M. Block, C. Droese, F. Herfurth, H.-J. Kluge, M.I. Krivoruchenko, Yu.N. Novikov, E. Minaya Ramirez, L. Schweikhard, V.M. Shabaev, F. Šimkovic, I.I. Tupitsyn, K. Zuber, N.A. Zubova, Phys. Rev. Lett. 106, 052504 (2011)

    Article  ADS  Google Scholar 

  35. A. de Rújula, M. Lusignoli, Phys. Lett. B 118, 429 (1982)

    Article  ADS  Google Scholar 

  36. E. Ferri, C. Arnaboldi, G. Ceruti, C. Kilbourne, S. Kraft-Bermuth, A. Nucciotti, G. Pessina, D. Schaeffer, AIP Conference Proceedings, vol. 1185 (2009)

    Google Scholar 

  37. E.W. Otten, C. Weinheimer, Rep. Prog. Phys. 71, 086201 (2008)

    Article  ADS  Google Scholar 

  38. Th. Stöhlker, H.F. Beyer, A. Gumberidze, A. Kumar, D. Liesen, R. Reuschl, U. Spillmann, M. Trassinelli, Hyperfine Interact. 172, 135 (2006)

    Article  ADS  Google Scholar 

  39. L.S. Brown, G. Gabrielse, Rev. Mod. Phys. 58, 233 (1986)

    Article  ADS  Google Scholar 

  40. G. Gabrielse, L. Haarsma, S.L. Rolston, Int. J. Mass Spectrom. Ion Process. 88, 319 (1989)

    Article  Google Scholar 

  41. G. Gabrielse, Int. J. Mass Spectrom. 279, 107 (2009)

    Article  ADS  Google Scholar 

  42. Y. Liua, M. Hobein, A. Solders, M. Suhonen, R. Schuch, Int. J. Mass Spectrom. 294, 28 (2010)

    Article  Google Scholar 

  43. C. Droese, M. Block, M. Dworschak, S. Eliseev, E. Minaya Ramirez, D. Nesterenko, L. Schweikhard, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A, Accel. Spectrom. Detect. Assoc. Equip. 632, 157 (2011)

    Article  ADS  Google Scholar 

  44. R.S. Van Dyck Jr., D.L. Farnham, S.L. Zafonte, P.B. Schwinberg, Rev. Sci. Instrum. 70, 1665 (1999)

    Article  ADS  Google Scholar 

  45. H.-J. Kluge, T. Beier, K. Blaum, L. Dahl, S. Eliseev, F. Herfurth, B. Hofmann, O. Kester, S. Koszudowski, C. Kozhuharov, G. Maero, W. Nörtershäuser, J. Pfister, W. Quint, U. Ratzinger, A. Schempp, R. Schuch, Th. Stöhlker, R.C. Thompson, M. Vogel, G. Vorobjev, D.F.A. Winters, G. Werth, Adv. Quantum Chem. 53, 83 (2008)

    Article  ADS  Google Scholar 

  46. M. Levine, R. Marrs, J. Henderson, D. Knapp, M. Schneider, Phys. Scr. T 22, 157 (1988)

    Article  ADS  Google Scholar 

  47. M. Levine, R.E. Marrs, J.N. Bardsley, P. Beiersdorfer, C.L. Bennett, M.H. Chen, T. Cowan, D. Dietrich, J.R. Henderson, D.A. Knapp, A. Osterheld, B.M. Penetrante, M.B. Schneider, J.H. Scofield, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B, Beam Interact. Mater. Atoms 43, 431 (1989)

    Article  ADS  Google Scholar 

  48. R.E. Marrs, S.R. Elliott, D.A. Knapp, Phys. Rev. Lett. 72, 4082 (1994)

    Article  ADS  Google Scholar 

  49. R.E. Marrs, P. Beiersdorfer, D. Schneider, Phys. Today 47, 27 (1994)

    Article  Google Scholar 

  50. P. Beiersdorfer, S.R. Elliott, J.R. Crespo López-Urrutia, K. Widmann, Nucl. Phys. A 626, 357 (1997)

    Article  ADS  Google Scholar 

  51. V.P. Ovsyannikov, G. Zschornack, Rev. Sci. Instrum. 70, 2646 (1999)

    Article  ADS  Google Scholar 

  52. G. Zschornack, M. Kreller, A. Silze, V.P. Ovsyannikov, F. Grossmann, R. Heller, U. Kentsch, M. Schmidt, A. Schwan, F. Ullmann, Rev. Sci. Instrum. 81, 02A507 (2010)

    Article  Google Scholar 

  53. http://www.dreebit.com

  54. J.R. Crespo López-Urrutia, B. Bapat, B. Feuerstein, A. Werdich, J. Ullrich, Hyperfine Interact. 127, 497 (2000)

    Article  ADS  Google Scholar 

  55. J.R. Crespo López-Urrutia, B. Bapat, I. Draganic, A. Werdich, J. Ullrich, Phys. Scr. T 92, 110 (2001)

    ADS  Google Scholar 

  56. J.R. Crespo López-Urrutia, J. Braun, G. Brenner, H. Bruhns, A. Lapierre, A.J. González Martínez, V. Mironov, R. Soria Orts, H. Tawara, M. Trinczek, J. Ullrich, Rev. Sci. Instrum. 75, 1560 (2004)

    Article  ADS  Google Scholar 

  57. A.J. González Martínez, J.R. Crespo López-Urrutia, J. Braun, G. Brenner, H. Bruhns, A. Lapierre, V. Mironov, R. Soria Orts, H. Tawara, M. Trinczek, J. Ullrich, J.H. Scofield, Phys. Rev. Lett. 94, 203201 (2005)

    Article  ADS  Google Scholar 

  58. D.J. Manura, D.A. Dahl, SIMION TM Version 8.0 User Manual (Scientific Instrument Services, Inc., Ringoes, 2007)

    Google Scholar 

  59. S. Stahl, J. Alonso, S. Djekic, H.-J. Kluge, W. Quint, J. Verdu, M. Vogel, G. Werth, J. Phys. B 38, 297 (2005)

    Article  ADS  Google Scholar 

  60. S. Sturm, A. Wagner, B. Schabinger, K. Blaum, Phys. Rev. Lett. 107, 143003 (2011)

    Article  ADS  Google Scholar 

  61. D. Allan, Proc. IEEE 54, 221 (1996)

    Article  Google Scholar 

  62. See: http://www.alamath.com/ for a program to calculate the Allan deviation

  63. J. Verdú, S. Kreim, K. Blaum, H. Kracke, W. Quint, S. Ulmer, J. Walz, New J. Phys. 10, 103009 (2008)

    Article  ADS  Google Scholar 

  64. G. Gabrielse, F.C. MacKintosh, Int. J. Mass Spectrom. 57, 1 (1984)

    Article  Google Scholar 

  65. C. Roux, C. Böhm, A. Dörr, S. Eliseev, S. George, M. Goncharov, Y.N. Novikov, J. Repp, S. Sturm, S. Ulmer, K. Blaum, Appl. Phys. B (2011). doi:10.1007/s00340-011-4825-4

    Google Scholar 

  66. S.R. Jefferts, T. Heavner, P. Hayes, G.H. Dunn, Rev. Sci. Instrum. 64, 737 (1993)

    Article  ADS  Google Scholar 

  67. S. Ulmer, H. Kracke, K. Blaum, S. Kreim, A. Mooser, W. Quint, C.C. Rodegheri, J. Walz, Rev. Sci. Instrum. 80, 123302 (2009)

    Article  ADS  Google Scholar 

  68. E.A. Cornell, R.M. Weisskoff, K.R. Boyce, D.E. Pritchard, Phys. Rev. A 41, 312 (1990)

    Article  ADS  Google Scholar 

  69. E.A. Cornell, R.M. Weisskoff, K.R. Boyce, R.W. Flanagan, G.P. Lafyatis, D.E. Pritchard, Phys. Rev. Lett. 63, 1674 (1989)

    Article  ADS  Google Scholar 

  70. D. Beck, H. Brand, GSI Sci. Rep. 2002, 210 (2003)

    Google Scholar 

  71. D. Beck, K. Blaum, H. Brand, F. Herfurth, S. Schwarz, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A, Accel. Spectrom. Detect. Assoc. Equip. 527, 567 (2004)

    Article  ADS  Google Scholar 

Download references

Acknowledgements

This work is supported by the Max Planck Society and by the Deutsche Forschungsgemeinschaft under contract BL 981/2-1. We thank D. Beck, C. Diehl, F. Herfurth, M. Höcker, J. Ketter, H.-J. Kluge, D. Pinegar, W. Quint, S. Streubel and R. Zirpel for stimulating discussions. Yu.N. and Ch.B. acknowledge the support from the ExtreMe Matter Institute (EMMI). S.U. acknowledges support from the Imprs-qd. The excellent work by the MPIK construction office, and the mechanics and electronics workshop is highly acknowledged.

Author information

Authors and Affiliations

Authors

Corresponding author

Correspondence to J. Repp.

Rights and permissions

Reprints and permissions

About this article

Cite this article

Repp, J., Böhm, C., Crespo López-Urrutia, J.R. et al. PENTATRAP: a novel cryogenic multi-Penning-trap experiment for high-precision mass measurements on highly charged ions. Appl. Phys. B 107, 983–996 (2012). https://doi.org/10.1007/s00340-011-4823-6

Download citation

  • Received:

  • Revised:

  • Published:

  • Issue Date:

  • DOI: https://doi.org/10.1007/s00340-011-4823-6

Keywords

Navigation