Mit einem breitbandigem Fourier-Transformation Ionen-Zyklotron-Resonanz (FT-IZR) Massenspektrometer kann die Masse von Atomen und Molekulen in einem Bereich von einer bis hin zu einigen tausend atomaren Masseneinheiten bestimmt werden. Die Masse kann innerhalb einer kurzen Zeitdauer von ungefahr einer Sekunde mit einer Prazision von ca. 1ppm gemessen werden. Weiterhin konnen auch Ionensorten mit einer geringen Haufigkeit ab einigen tausend Ionen detektiert werden. In dieser Arbeit wird der Aufbau und die Charakterisierung eines FT-IZR Massenspektrometers prasentiert, welches am Max-Planck-Insitut fur Kernphysik in Heidelberg installiert ist. Das Massenspektrometer ist gezielt konstruiert um grundlegende Untersuchungen zu Detektions- und Anregungsschemata durchzufuhren. Dazu wurde ein neues FT-ICR Detektionssystem erfolgreich aufgebaut. Es werden Untersuchungen zur Wechselwirkung von Ein- und Zwei-Puls Quadrupol-Anregungsfeldern mit Lithium-Ionen prasentiert. Da fur den Nachweis viele Ionen notwendig sind, spielen Coulombwechselwirkungen zwischen den gespeicherten Ionen eine bedeutende Rolle. Die beobachteten Phanomene, wie Abschirmung von Anregungsfeldern und Ion-Ion-Wechselwirkung, werden diskutiert. Um diese Effekte qualitativ zu verstehen, wurden Vielteilchensimulationen durchgefuhrt. Weiterhin wurde die Genauigkeit und Prazision des Massenspektrometers aus Frequenzverhaltnismessungen bestimmt.

The novel Penning-trap mass spectrometer Pentatrap aims for mass-ratio measure- ments of highly-charged ions with a relative precision of a few parts in 10^12. As the key part, an innovative trap assembly was designed. It consists of five cylindrical traps allowing for simultaneous measurements of two ion species and for continuous moni- toring of the trapping conditions. This promises a substantial reduction of systematic errors. Moreover, in the course of this thesis a detection system was developed and characterized, which will enable fast and accurate measurements through its single-ion sensitivity and high signal-to-noise ratio. In neutrino physics, the detection of neutrinoless double-electron capture would un- ambiguously prove the Majorana nature of neutrinos. In search for a suitable nuclide for the observation of this process, precise information about the total decay energy (Q-value) is needed in order to find a transition with a resonant enhancement of the decay rate. The mass ratios of 152Sm/152Gd and 164Dy/164Er were measured to a relative uncertainty of ∼ 10^−9 at Shiptrap. This presents the first directly determined Q-values for the corresponding transitions.

Jungst haben Neutrinooszillationen die Existenz von massiven Neutrinos bewiesen. Seitdem ist die Messung der Ruhemasse der Neutrinos von gross em Interesse. Das Ziel des Karlsruher Tritium Neutrino Experiments (KATRIN) ist es, die Ruhemasse des Anti-Elektron-Neutrinos mit einer Empfindlichkeit von 0,2,eV in einem Konfidenzintervall von 95$%$ zu bestimmen. In der Strahlfuhrung von KATRIN werden verschiedene positive Ionen (T$^+$, He$^+$, ($^3$HeT)$^+$, T$_2^+$)) durch $beta$-Zerfall und Ionisationsprozesse gebildet. Nachfolgend bilden sich uber chemische Reaktionen T$_3^+$ , T$_5^+$ und gross ere Cluster. Diese Kontaminationen werden uberwiegend innerhalb des Transportabschnitts des Experiments entfernt. Zur Analyse des $beta$-Spektrums mussen die Existenz und die Konzentration dieser Kontaminationen bekannt sein. Zur Identifikation und Messung der Konzentration der Verunreinigungen werden zwei identische Penningfallensysteme, die die Fourier-Transform Ionen-Zyklotron-Resonanz (FT-IZR) Methode anwenden, in der Strahlfuhrung von KATRIN installiert. Der Fokus der vorliegenden Arbeit liegt auf der Offline-Inbetriebnahme dieser Penningfallen. Ein Testaufbau, welcher es ermoglichte, eine dreipolige zylindrische Penningfalle und die zugehorige Elektronik innerhalb eines 4.7-T supraleitenden Magneten zu testen, wurde am Max-Planck-Institut fur Kernphysik in Heidelberg entwickelt und in Betrieb genommen. Teil der Charakterisierung sind Messungen der Koharenzzeit der Ionenbewegung bei verschiedenen Drucken, die Ermittlung der Nachweisgrenze der getesteten Penningfalle und der Elektronik sowie eine Massenmessung zur Bestimmung der mit dieser Penningfalle erreichbaren Genauigkeit.

Die Ionisationsenergie ist für jedes Atom einzigartig und charakterisiert es wie ein Fingerabdruck. Am Pacific Northwest National Laboratory in Richland, USA, ist es nun erstmalig gelungen, mittels hochauflösender Laserspektroskopie an dem Element der Seltenen Erden Gadolinium die Ionisationsenergie auf wenige Nanoelektronenvolt genau zu bestimmen [1].