Relativistic ab initio calculations for ion-atom collisions

Within the independent particle model we solve the time-dependent single-particle equation using ab initio SCF-DIRAC-FOCK-SLATER wavefunctions as a basis. To reinstate the many-particle aspect of the collision system we use the inclusive probability formalism to answer experimental questions. As an example we show an application to the case of S{^15+} on Ar where experimental data on the K-K charge transfer are available for a wide range of impact energies from 4.7 to 90 MeV. Our molecular adiabatic calculations and the evaluation using the inclusive probability formalism show good results in the low energy range from 4.7 to 16 MeV impact energy.

Precision laser spectroscopy of the ground state hyperfine splitting of hydrogenlike ^209 Bi^82+

The first direct observation of a hyperfine splitting in the optical regime is reported. The wavelength of the M1 transition between the F = 4 and F = 5 hyperfine levels of the ground state of hydrogenlike ^209 Bi^82+ was measured to be \lamda_0 = 243.87(4) nm by detection of laser induced fluorescence at the heavy-ion storage ring ESR at GSI. In addition, the lifetime of the laser excited F = 5 sublevel was determined to be \tau_0 = 0.351(16) ms. The method can be applied to a number of other nuclei and should allow a novel test of QED corrections in the previously unexplored combination of strong magnetic and electric fields in highly charged ions.

Präzisionsmessung des magnetischen Moments des Elektrons in wasserstoffähnlichem Kohlenstoff

In dieser Arbeit wird eine Messung des magnetischen Moments des Elektronsin wasserstoffähnlichem Kohlenstoff vorgestellt. Das Ergebnis derMessungen an einem einzelnen gespeicherten¹²C⁵⁺-Ionist: g = 2,001 041 596 4 (8)(6)(44). Der erste Fehler bezeichnet die statistischeUnsicherheit, der zweite Fehler die systematische Unsicherheit. Der letzteFehler resultiert aus der Unsicherheit des Verhältnisses der Massedes ¹²C⁵⁺-Ions und der des Elektrons. Die hohe Genauigkeitder Messung wurde durch die räumliche Trennung des Nachweises derAusrichtung des Spins und des Induzierens der spin-flips erreicht. DieMessung stellt die bisher genaueste Bestimmung eines atomaren g-Faktorsdar und bestätigt den theoretischen Wert der Göteborger Theoriegruppeauf 7*10^-9. Zusammen mit diesen Rechnungen verifiziert sie dieBound-State-QED-Korrekturen genauer als 1%. Somit ist der g-Faktor desin¹²C⁵⁺ gebunden Elektrons neben Messungen der Lambshiftin schweren hochgeladenen Ionen der genaueste Test der Bound-State-QED.
Wird auf die Richtigkeit der Berechnung des g-Faktors des gebundenenElektrons vertraut, kann folgender Wert für die atomare Masse desElektrons gewonnen werden: m_e= 0,000 548 579 912 8 (15) u.

Development of an experiment for ultrahigh-precision g-factor

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und dem Aufbau eines Experiments zur hochpräzisen Bestimmung des g-Faktors gebundener Elektronen in hochgeladenen Ionen. Der g-Faktor eines Teilchens ist eine dimensionslose Konstante, die die Stärke der Wechselwirkung mit einem magnetischen Feld beschreibt. Im Falle eines an ein hochgeladenes Ion gebundenen Elektrons, dient es als einer der genausten Tests der Quantenelektrodynamik gebundener Zustande (BS-QED). Die Messung wird in einem dreifach Penning-Fallen System durchgeführt und basiert auf dem kontinuierlichen Stern-Gerlach-Effekt. Der erste Teil dieser Arbeit gibt den aktuellen Wissensstand über magnetische Momente wieder. Der hier gewählte experimentelle Aufbau wird begründet. Anschließend werden die experimentellen Anforderungen und die verwendeten Messtechniken erläutert. Das Ladungsbrüten der Ionen - einer der wichtigsten Aufgaben dieser Arbeit - ist dargestellt. Seine Realisierung basiert auf einer Feld-Emissions-Spitzen-Anordnung, die die Messung des Wirkungsquerschnitts für Elektronenstoßionisation ermöglicht. Der letzte Teil der Arbeit widmet sich der Entwicklung und dem Aufbau des Penning-Fallen Systems, sowie der Implementierung des Nachweisprozesses. Gegenwärtig ist der Aufbau zur Erzeugung hochgeladener Ionen und der dazugehörigen Messung des g-Faktors abgeschlossen, einschließlich des Steuerprogramms für die erste Datennahme. Die Ionenerzeugung und das Ladungsbrüten werden die nächsten Schritte sein.

First Ramsey-type mass measurements with ISOLTRAP and design studies of the new PENTATRAP project

Der Einsatz von Penningfallen in der Massenspektrometrie hat zu einem einmaligen Genauigkeitssprung geführt. Dadurch wurden Massenwerte verschiedenster Atome zu wichtigen Eingangsparametern bei immer mehr physikalischen Fragestellungen. Die Massenspektrometrie mit Hilfe von Penningfallen basiert auf der Bestimmung der freien Zyklotronfrequenz eines Ions in einem homogenen Magnetfeld νc=qB/(2πm). Sie wird mit Flugzeitmethode (TOF-ICR) bestimmt, wobei eine relative Massenungenauigkeit δm/m von wenigen 10^-9 bei Nukliden mit Lebensdauern von <500 ms erreicht wird. Dies wurde durch die im Rahmen dieser Arbeit erstmals in der Penningfallen-Massenspektrometrie eingesetzten Ramsey-Methode möglich. Dabei werden zeitlich separierte, oszillierenden Feldern zur resonanten Ionenanregung genutzt, um die Frequenzmessung durch die Flugzeitmethode zu verbessern. Damit wurden am Penningfallenmassenspektrometer ISOLTRAP an ISOLDE/CERN die Massen der Nuklide 26,27Al und 38,39Ca bestimmt. Alle Massen wurden in die „Atomic Mass Evaluation“ eingebettet. Die Massenwerte von 26Al und 38Ca dienten insbesondere zu Tests des Standardmodells. Um mit Massenwerten fundamentale Symmetrien oder die Quantenelektrodynamik (QED) in extremen Feldern zu testen wurde ein neues Penningfallenprojekt (PENTATRAP) für hochpräzise Massenmessungen an hochgeladenen Ionen konzipiert. In dieser Doktorarbeit wurde vornehmlich die Entwicklung der Penningfallen betrieben. Eine Neuerung bei Penningfallenexperimenten ist dabei die permanente Beobachtung des Magnetfeldes B und seiner zeitlichen Fluktuationen durch so genannte „Monitorfallen“.

Ein Experiment zur Bestimmung des g-Faktors des gebundenen Elektrons in wasserstoff- und lithiumähnlichen mittelschweren Ionen

In dieser Arbeit werden der experimentelle Aufbau und erste Messungen für die Bestimmung des g-Faktors des Elektrons gebunden in wasserstoff- und lithiumähnlichen mittelschweren Ionen beschrieben. Mit dem hochpräzisenWert des g-Faktors können theoretische Berechnungen der Quantenelektrodynamik gebundener Zustände überprüft werden. Die Messungen werden in einem Dreifach-Penningfallen-System durchgeführt. Dort wurden im Rahmen dieser Arbeit auch erstmals hochgeladene Ionen bis 28Si13+ in einer hierfür entwickelten Elektronenstrahl-Ionenquelle/-falle erzeugt. Für die Bestimmung des g-Faktors werden die freie Zyklotronfrequenz und die Larmorfrequenz benötigt. Erstere wird aus den drei Eigenfrequenzen des in der Präzisionsfalle gespeicherten Ions berechnet. Um das Ion bei den Messungen nicht zu verlieren, werden die Eigenfrequenzen des Ions durch Kopplung an einen radiofrequenten Nachweisschwingkreis nicht-destruktiv nachgewiesen. Die freie Zyklotronfrequenz konnte dabei mit einer relativen Genauigkeit von wenigen 10E−9 bestimmt werden. Zur Bestimmung der Larmorfrequenz ist die genaue Kenntnis der Spinrichtung des Elektrons im Magnetfeld notwendig. Diese wird durch den kontinuierlichen Stern-Gerlach-Effekt in der sogenannten Analysefalle bestimmt. Hierzu muss eine hohe Stabilität der axialen Frequenz des Ions erreicht werden. Um dies sowie die Hochpräzisionsmessungen in der Präzisionsfalle zu erreichen, wurden in dieser Arbeit beide Fallen hinsichtlich ihrer elektrischen und magnetischen Eigenschaften charakterisiert.

Setup of a Penning trap for precision laser spectroscopy at HITRAP

Ion traps have been established as a powerful tool for ion cooling and laser spectroscopy experiments since a long time ago. SpecTrap, one of the precision experiments associated to the HITRAP facility at GSI, is implementing a Penning trap for studies of large bunches of externally produced highly charged ions. The extremely strong electric and magnetic fields that exist around the nuclei of heavy elements drastically change their electronic properties, such as energy level spacings and radiative lifetimes. The electrons can therefore serve as sensitive probes for nuclear properties such as size, magnetic moment and spatial distribution of charge and magnetization. The energies of forbidden fine and hyperfine structure transitions in such ions strongly depend on the nuclear charge and shift from the microwave domain into the optical domain. Thus, they become accessible for laser spectroscopy and its potentially high accuracy. A number of such measurements has been performed in storage rings and electron beam ion traps and yielded results with relative accuracies in the 10

Transparent boundary conditions for wave propagation on unbounded domains

The numerical solution of the time dependent wave equation in an unbounded domain generally leads to a truncation of this domain, which requires the introduction of an artificial boundary with associated boundary conditions. Such nonreflecting conditions ensure the equivalence between the solution of the original problem in the unbounded region and the solution inside the artificial boundary. We consider the acoustic wave equation and derive exact transparent boundary conditions that are local in time and can be directly used in explicit methods. These conditions annihilate wave harmonics up to a given order on a spherical artificial boundary, and we show how to combine the derived boundary condition with a finite difference method. The analysis is complemented by a numerical example in two spatial dimensions that illustrates the usefulness and accuracy of transparent boundary conditions.

Cluster-assistant generation of multiply charged atomic ions in nanosecond laser ionization of seeded methyl iodide beam

The photoionization of methyl iodide beam seeded in argon and helium is studied by time-of-flight mass spectrometry using a 25 ns, 532 nm Nd-YAG laser with intensities in the range of 2 x 10(10)-2 x 10(11) W/cm(2). Multiply charged ions Of Iq+ (q = 2-3) and C2+ with tens of eV kinetic energies have been observed when laser interacts with the middle part of the pulsed molecular beam, whose peak profiles are independent on the laser polarization directions. Strong evidences show that these ions are coming from the Coulomb explosion of multiply charged CH3I clusters, and laser induced inverse bremsstrahlung absorption of caged electrons plays a key role in the formation of multiply charged ions. (C) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

Dielectronic recombination in He-like titanium ions

Dielectronic recombination (DR) has been studied in highly charged He-like Ti ions using an electron beam ion trap. X-rays emitted from radiative recombination (RR) and DR were observed as the electron beam energy was scanned through the resonances. Differential DR resonant strengths were determined by normalizing the DR x-ray intensity to the RR intensity using theoretical RR cross sections. KLn (2 less than or equal to n less than or equal to 5) resonant strengths were determined for He-like Ti ions. The differential resonant strengths were calibrated without reference to any theoretical DR calculations while the electron energy scale was derived with reference to the well-known energy for ionization of the He-like and H-like ions from the ground state. Calibration in this way facilitates a more exacting comparison between theory and experiment than has been reported previously. To facilitate this comparison, total and differential theoretical resonance strengths were calculated. These calculations were found to be in good agreement with the measured results.

Dielectronic recombination of He-like to C-like iodine ions

KLL dielectronic recombination resonances, where a free electron is captured into the L shell and at the same time a K shell electron is excited into the L shell, have been measured for open shell iodine ions by measuring the detected yield of escaping ions of various charge states and modeling the charge balance in an electron beam ion trap. In the modeling, the escape from the trap and multiple charge exchange were considered. Extracted ions were used to measure the charge balance in the trap. The different charge states were clearly separated, which along with the correction for artifacts connected with ion escape and multiple charge exchange made the open shell highly charged ion measurements of this type possible for the first time. From the measured spectra resonant strengths were obtained. The results were 4.27(39)x10(-19) cm(2) eV, 2.91(26)x10(-19) cm(2) eV, 2.39(22)x10(-19) cm(2) eV, 1.49(14)x10(-19) cm(2) eV and 7.64(76)x10(-20) cm(2) eV for the iodine ions from He-like to C-like, respectively.

MEASUREMENT AND CALCULATION OF ABSOLUTE SINGLE AND MULTIPLE CHARGE EXCHANGE CROSS SECTIONS FOR Feq+ IONS IMPACTING H2O

Charge exchange (CE) plays a fundamental role in the collisions of solar- and stellar-wind ions with lunar and planetary exospheres, comets, and circumstellar clouds. Reported herein are absolute cross sections for single, double, triple, and quadruple CE of Feq+ (q = 5-13) ions with H2O at a collision energy of 7q keV. One measured value of the pentuple CE is also given for Fe9+ ions. An electron cyclotron resonance ion source is used to provide currents of the highly charged Fe ions. Absolute data are derived from knowledge of the target gas pressure, target path length, and incident and charge-exchanged ion currents. Experimental cross sections are compared with new results of the n-electron classical trajectory Monte Carlo approximation. The radiative and non-radiative cascades following electron transfers are approximated using scaled hydrogenic transition probabilities and scaled Auger rates. Also given are estimates of cross sections for single capture, and multiple capture followed by autoionization, as derived from the extended overbarrier model. These estimates are based on new theoretical calculations of the vertical ionization potentials of H2O up to H2O10+.

ABSOLUTE DOUBLY DIFFERENTIAL CROSS-SECTIONS FOR ELECTRON-EMISSION IN COLLISIONS OF 3.5-MEV/U FE(17+) AND FE(22+) IONS WITH HE AND AR GAS TARGETS

Absolute doubly differential cross sections have been measured as a function of electron energy and angle of observation for electron emission in collisions of 3.5-MeV/u Fe17+ and Fe22+ ions with He and Ar gas targets under single-collision conditions. The measured electron emission cross sections are compared to theoretical and scaled cross sections based on the Born approximation. The results using intermediate-mass ions are discussed with reference to previously reported cross sections from collisions with highly charged lighter- and heavier-ion species at MeV/u projectile energies. The continuum-distorted-wave-eikonal-initial-state approximation shows good agreement with experiments except in the