Applied Physics B

, Volume 107, Issue 4, pp 983–996 | Cite as

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

  • J. Repp
  • C. Böhm
  • J. R. Crespo López-Urrutia
  • A. Dörr
  • S. Eliseev
  • S. George
  • M. Goncharov
  • Y. N. Novikov
  • C. Roux
  • S. Sturm
  • S. Ulmer
  • K. Blaum


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.


Cyclotron Frequency Cyclotron Motion Trap Electrode Tank Circuit Magnetic Field Fluctuation 
These keywords were added by machine and not by the authors. This process is experimental and the keywords may be updated as the learning algorithm improves.



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.


  1. 1.
    K. Blaum, Phys. Rep. 425, 1 (2006) ADSCrossRefGoogle Scholar
  2. 2.
    B. Franzke, M. Geissel, G. Münzenberg, Mass Spectrom. Rev. 27, 428 (2008) CrossRefGoogle Scholar
  3. 3.
    K. Blaum, Yu.N. Novikov, G. Werth, Contemp. Phys. 51, 149 (2010) ADSCrossRefGoogle Scholar
  4. 4.
    D. Lunney, J.M. Pearson, C. Thibault, Rev. Mod. Phys. 75, 75 (2003) CrossRefGoogle Scholar
  5. 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) ADSCrossRefGoogle Scholar
  6. 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) ADSCrossRefGoogle Scholar
  7. 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) ADSCrossRefGoogle Scholar
  8. 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) ADSCrossRefGoogle Scholar
  9. 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) ADSCrossRefGoogle Scholar
  10. 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) ADSCrossRefGoogle Scholar
  11. 11.
    J.C. Hardy, I.S. Tower, Phys. Rev. C 79, 055502 (2009) ADSCrossRefGoogle Scholar
  12. 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) ADSCrossRefGoogle Scholar
  13. 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) ADSCrossRefGoogle Scholar
  14. 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) ADSCrossRefGoogle Scholar
  15. 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) ADSCrossRefGoogle Scholar
  16. 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) ADSCrossRefGoogle Scholar
  17. 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) ADSCrossRefGoogle Scholar
  18. 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) ADSCrossRefGoogle Scholar
  19. 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) ADSCrossRefGoogle Scholar
  20. 20.
    G. Gabrielse, A. Khabbaz, D.S. Hall, C. Heimann, H. Kalinowsky, W. Jhe, Phys. Rev. Lett. 82, 3198 (1999) ADSCrossRefGoogle Scholar
  21. 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) ADSCrossRefGoogle Scholar
  22. 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) ADSCrossRefGoogle Scholar
  23. 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) ADSCrossRefGoogle Scholar
  24. 24.
    R.S. Van Dyck Jr., S.L. Zafonte, S. Van Liew, D.B. Pinegar, P.B. Schwinberg, Phys. Rev. Lett. 92, 220802 (2004) CrossRefGoogle Scholar
  25. 25.
    R.S. Van Dyck Jr., D.B. Pinegar, S. Van Liew, S.L. Zafonte, Int. J. Mass Spectrom. 251, 231 (2006) CrossRefGoogle Scholar
  26. 26.
    S. Rainville, J.K. Thompson, D.E. Pritchard, Science 303, 334 (2004) ADSCrossRefGoogle Scholar
  27. 27.
    W. Shi, M. Redshaw, E.G. Myers, Phys. Rev. A 72, 022510 (2005) ADSCrossRefGoogle Scholar
  28. 28.
    M. Redshaw, J. McDaniel, E.G. Myers, Phys. Rev. Lett. 100, 093002 (2008) ADSCrossRefGoogle Scholar
  29. 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) ADSCrossRefGoogle Scholar
  30. 30.
    I. Bergström, M. Björkhage, K. Blaum, H. Bluhme, T. Fritioff, Sz. Nagy, R. Schuch, Eur. Phys. J. D 22, 41 (2003) ADSCrossRefGoogle Scholar
  31. 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) ADSCrossRefGoogle Scholar
  32. 32.
    G. Gräff, H. Kalinowsky, J. Traut, Z. Phys., A Hadrons Nucl. 297, 35 (1980) Google Scholar
  33. 33.
    D.J. Wineland, H.G. Dehmelt, J. Appl. Phys. 46, 919 (1975) ADSCrossRefGoogle Scholar
  34. 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) ADSCrossRefGoogle Scholar
  35. 35.
    A. de Rújula, M. Lusignoli, Phys. Lett. B 118, 429 (1982) ADSCrossRefGoogle Scholar
  36. 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. 37.
    E.W. Otten, C. Weinheimer, Rep. Prog. Phys. 71, 086201 (2008) ADSCrossRefGoogle Scholar
  38. 38.
    Th. Stöhlker, H.F. Beyer, A. Gumberidze, A. Kumar, D. Liesen, R. Reuschl, U. Spillmann, M. Trassinelli, Hyperfine Interact. 172, 135 (2006) ADSCrossRefGoogle Scholar
  39. 39.
    L.S. Brown, G. Gabrielse, Rev. Mod. Phys. 58, 233 (1986) ADSCrossRefGoogle Scholar
  40. 40.
    G. Gabrielse, L. Haarsma, S.L. Rolston, Int. J. Mass Spectrom. Ion Process. 88, 319 (1989) CrossRefGoogle Scholar
  41. 41.
    G. Gabrielse, Int. J. Mass Spectrom. 279, 107 (2009) ADSCrossRefGoogle Scholar
  42. 42.
    Y. Liua, M. Hobein, A. Solders, M. Suhonen, R. Schuch, Int. J. Mass Spectrom. 294, 28 (2010) CrossRefGoogle Scholar
  43. 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) ADSCrossRefGoogle Scholar
  44. 44.
    R.S. Van Dyck Jr., D.L. Farnham, S.L. Zafonte, P.B. Schwinberg, Rev. Sci. Instrum. 70, 1665 (1999) ADSCrossRefGoogle Scholar
  45. 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) ADSCrossRefGoogle Scholar
  46. 46.
    M. Levine, R. Marrs, J. Henderson, D. Knapp, M. Schneider, Phys. Scr. T 22, 157 (1988) ADSCrossRefGoogle Scholar
  47. 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) ADSCrossRefGoogle Scholar
  48. 48.
    R.E. Marrs, S.R. Elliott, D.A. Knapp, Phys. Rev. Lett. 72, 4082 (1994) ADSCrossRefGoogle Scholar
  49. 49.
    R.E. Marrs, P. Beiersdorfer, D. Schneider, Phys. Today 47, 27 (1994) CrossRefGoogle Scholar
  50. 50.
    P. Beiersdorfer, S.R. Elliott, J.R. Crespo López-Urrutia, K. Widmann, Nucl. Phys. A 626, 357 (1997) ADSCrossRefGoogle Scholar
  51. 51.
    V.P. Ovsyannikov, G. Zschornack, Rev. Sci. Instrum. 70, 2646 (1999) ADSCrossRefGoogle Scholar
  52. 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) CrossRefGoogle Scholar
  53. 53.
  54. 54.
    J.R. Crespo López-Urrutia, B. Bapat, B. Feuerstein, A. Werdich, J. Ullrich, Hyperfine Interact. 127, 497 (2000) ADSCrossRefGoogle Scholar
  55. 55.
    J.R. Crespo López-Urrutia, B. Bapat, I. Draganic, A. Werdich, J. Ullrich, Phys. Scr. T 92, 110 (2001) ADSGoogle Scholar
  56. 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) ADSCrossRefGoogle Scholar
  57. 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) ADSCrossRefGoogle Scholar
  58. 58.
    D.J. Manura, D.A. Dahl, SIMION TM Version 8.0 User Manual (Scientific Instrument Services, Inc., Ringoes, 2007) Google Scholar
  59. 59.
    S. Stahl, J. Alonso, S. Djekic, H.-J. Kluge, W. Quint, J. Verdu, M. Vogel, G. Werth, J. Phys. B 38, 297 (2005) ADSCrossRefGoogle Scholar
  60. 60.
    S. Sturm, A. Wagner, B. Schabinger, K. Blaum, Phys. Rev. Lett. 107, 143003 (2011) ADSCrossRefGoogle Scholar
  61. 61.
    D. Allan, Proc. IEEE 54, 221 (1996) CrossRefGoogle Scholar
  62. 62.
    See: for a program to calculate the Allan deviation
  63. 63.
    J. Verdú, S. Kreim, K. Blaum, H. Kracke, W. Quint, S. Ulmer, J. Walz, New J. Phys. 10, 103009 (2008) ADSCrossRefGoogle Scholar
  64. 64.
    G. Gabrielse, F.C. MacKintosh, Int. J. Mass Spectrom. 57, 1 (1984) CrossRefGoogle Scholar
  65. 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. 66.
    S.R. Jefferts, T. Heavner, P. Hayes, G.H. Dunn, Rev. Sci. Instrum. 64, 737 (1993) ADSCrossRefGoogle Scholar
  67. 67.
    S. Ulmer, H. Kracke, K. Blaum, S. Kreim, A. Mooser, W. Quint, C.C. Rodegheri, J. Walz, Rev. Sci. Instrum. 80, 123302 (2009) ADSCrossRefGoogle Scholar
  68. 68.
    E.A. Cornell, R.M. Weisskoff, K.R. Boyce, D.E. Pritchard, Phys. Rev. A 41, 312 (1990) ADSCrossRefGoogle Scholar
  69. 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) ADSCrossRefGoogle Scholar
  70. 70.
    D. Beck, H. Brand, GSI Sci. Rep. 2002, 210 (2003) Google Scholar
  71. 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) ADSCrossRefGoogle Scholar

Copyright information

© Springer-Verlag 2011

Authors and Affiliations

  • J. Repp
    • 1
    • 2
  • C. Böhm
    • 1
    • 2
    • 3
  • J. R. Crespo López-Urrutia
    • 1
  • A. Dörr
    • 1
    • 2
  • S. Eliseev
    • 1
  • S. George
    • 1
    • 6
  • M. Goncharov
    • 1
    • 2
  • Y. N. Novikov
    • 3
    • 4
  • C. Roux
    • 1
    • 2
  • S. Sturm
    • 1
    • 5
  • S. Ulmer
    • 1
    • 2
    • 5
    • 7
  • K. Blaum
    • 1
    • 2
  1. 1.Max-Planck-Institut für KernphysikHeidelbergGermany
  2. 2.Fakultät für Physik und AstronomieRuprecht-Karls-UniversitätHeidelbergGermany
  3. 3.Helmholtz GemeinschaftExtreMe Matter Institute EMMIDarmstadtGermany
  4. 4.Petersburg Nuclear Physics InstituteGatchinaRussia
  5. 5.Institut für PhysikJohannes Gutenberg-Universität MainzMainzGermany
  6. 6.National Superconducting Cyclotron LaboratoryMSUEast LansingUSA
  7. 7.RIKEN Advanced Science InstituteHirosawa, WakoJapan

Personalised recommendations