Single-ion mass spectrometry at 100 ppt and beyond

S. Rainville, J.K. Thompson, and D.E. Pritchard
Can. J. Phys./Rev. can. phys. 80(11): 1329-1336 (2002)

Full text (PDF 101 kb)    

Abstract: Using a Penning trap single-ion mass spectrometer, we measured the atomic masses of 14 isotopes with a fractional accuracy of ~10^–10. The precision on these measurements was limited by the temporal fluctuations of our magnetic field. By trapping two different ions in the same Penning trap at the same time, we have recently been able to virtually eliminate that source of error. We can now simultaneously measure the ratio of the two ion's cyclotron frequencies (from which we obtain their atomic mass ratio) with a precision of about 10^–11 in only a few hours. To perform these comparisons, we must be able to measure and control all three normal modes of motion of each ion — cyclotron, axial, and magnetron — and have developed novel techniques to do so. This new technique shows promise of expanding the precision of mass spectrometry by an order of magnitude beyond the current state-of-the-art.

PACS Nos.: 32.10Bi, 06.20Jr, 06.30Dr, 07.75+h, 07.77-n

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Texte intégral (PDF de 101 ko)    

Résumé : Utilisant un spectromètre à piège Penning simple, nous avons mesuré les masses de 14 isotopes avec une précision fractionnaire d'environ 10^–10. La précision était limité par les fluctuations dans le temps du champ magnétique. Récemment, en capturant simultanément deux types d'atomes dans le piège Penning, nous avons pratiquement fait disparaître cette source d'erreur. En quelques heures, nous pouvons maintenant mesurer le rapport de fréquence du cyclotron pour deux ions (dont nous tirons le rapport de masse atomique) avec une précision de 10^–11. Pour obtenir ces résultats, nous devons mesurer et contrôler les trois modes normaux de mouvement de chaque ion — cyclotron, axial et magnétron — et nous avons développé une technique pour y arriver. Cette technique a la possibilité d'améliorer la précision de la spectrométrie de masse par un ordre de grandeur par rapport aux meilleures méthodes actuelles.

[Traduit par la Rédaction]

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