X-ray emission from charge exchange of highly-charged ions in atoms and molecules

Charge exchange followed by radiative stabilization are the main processes responsible for the recent observations of X-ray emission from comets in their approach to the Sun. A new apparatus was constructed at JPL to measure, in collisions of HCIs with atoms and molecules, (a) absolute cross sections for single and multiple charge exchange, and (b) normalized X-ray emission cross sections. The ions are produced by the JPL HCI Facility and passed through a neutral-gas target cell. The product charge states are analyzed by a retarding potential difference technique. Results are made absolute by measuring target pressure, and incident and product ion currents. X-rays emitted from the product ions are detected with a Ge solid-state detector having a resolution of approximately 100 eV. X-ray astronomy has taken major steps forward with the recent launch of the high-resolution satellites Chandra and Newton. The cross sections reported herein are essential for the development of the solar wind comet interaction models inspired by these observations.

Potential and kinetic sputtering of alkanethiol self-assembled monolayers by impact of highly charged ions

Highly charged ions have been used to study the sputtering of positive molecular fragments from mercaptoundecanoic acid and dodecanethiol self-assembled monolayers on gold surfaces. The samples were bombarded with Arq+ (42n⁺, and Cn+1O2H_{2n + 1}⁺ from mercaptoundecanoic and H+, CnH_2n⁺, and Cn+1H_{2n + 3}⁺ from dodecanethiol. The proton yields were increased with larger charge state q of the highly charged ion (HCI) in both samples, scaling as qgamma, with gamma~5. The charge state dependence is discussed in terms of electron transfer to the HCI. The final yield of protons depends on molecular functional group characteristics, orientation on the surface, and reneutralization phenomena.

Dielectronic recombination in He-like, Li-like, and Be-like highly charged ions in the KLL and KLM manifolds

This paper reports a systematic study of the dependence on atomic number of the dielectronic recombination resonance strengths for He-like, Li-like and Be-like ions. Recent measurements of dielectronic recombination resonance strengths for the KLL and KLM manifolds for iron, yttrium, iodine, holmium, and bismuth are also described. The resonance strengths were normalized to calculated electron impact ionization cross sections. The measured resonance strengths generally agree well with theoretical calculations using the distorted wave approximation. However, KLM resonance strength measurements on high atomic number open-shell ions gave higher values than those suggested by calculations. Using recently measured data, along with existing results, scaling laws have been generated as a function of atomic number for He-like, Li-like, and Be-like ions in the KLL and KLM manifolds.

Angular correlations in radiative cascades following resonant electron capture by highly charged ions

We investigate the angular correlations between the photons emitted in the dielectronic recombination (DR) of initially hydrogenlike heavy ions. The theoretical analysis is performed based on a density-matrix approach and Dirac's relativistic theory. Special emphasis has been placed upon the effects of the higher-order, nondipole terms in the expansion of the electron-photon interaction. To illustrate these effects, we present and discuss detailed calculations for K-LL DR of initially hydrogenlike xenon, gold, and uranium. These computations show that the angular correlations are significantly affected by interference between the leading electric-dipole (E1) and the magnetic-quadrupole (M2) transitions.

Polarization and correlation phenomena in the radiative electron capture by bare highly-charged ions

In dieser Arbeit wird die Wechselwirkung zwischen einem Photon und einem Elektron im starken Coulombfeld eines Atomkerns am Beispiel des radiativen Elektroneneinfangs beim Stoß hochgeladener Teilchen untersucht. In den letzten Jahren wurde dieser Ladungsaustauschprozess insbesondere für relativistische Ion–Atom–Stöße sowohl experimentell als auch theoretisch ausführlich erforscht. In Zentrum standen dabei haupsächlich die totalen und differentiellen Wirkungsquerschnitte. In neuerer Zeit werden vermehrt Spin– und Polarisationseffekte sowie Korrelationseffekte bei diesen Stoßprozessen diskutiert. Man erwartet, dass diese sehr empfindlich auf relativistische Effekte im Stoß reagieren und man deshalb eine hervorragende Methode zu deren Bestimmung erhält. Darüber hinaus könnten diese Messungen auch indirekt dazu führen, dass man die Polarisation des Ionenstrahls bestimmen kann. Damit würden sich neue experimentelle Möglichkeiten sowohl in der Atom– als auch der Kernphysik ergeben. In dieser Dissertation werden zunächst diese ersten Untersuchungen zu den Spin–, Polarisations– und Korrelationseffekten systematisch zusammengefasst. Die Dichtematrixtheorie liefert hierzu die geeignete Methode. Mit dieser Methode werden dann die allgemeinen Gleichungen für die Zweistufen–Rekombination hergeleitet. In diesem Prozess wird ein Elektron zunächst radiativ in einen angeregten Zustand eingefangen, der dann im zweiten Schritt unter Emission des zweiten (charakteristischen) Photons in den Grundzustand übergeht. Diese Gleichungen können natürlich auf beliebige Mehrstufen– sowie Einstufen–Prozesse erweitert werden. Im direkten Elektroneneinfang in den Grundzustand wurde die ”lineare” Polarisation der Rekombinationsphotonen untersucht. Es wurde gezeigt, dass man damit eine Möglichkeit zur Bestimmung der Polarisation der Teilchen im Eingangskanal des Schwerionenstoßes hat. Rechnungen zur Rekombination bei nackten U92+ Projektilen zeigen z. B., dass die Spinpolarisation der einfallenden Elektronen zu einer Drehung der linearen Polarisation der emittierten Photonen aus der Streuebene heraus führt. Diese Polarisationdrehung kann mit neu entwickelten orts– und polarisationsempfindlichen Festkörperdetektoren gemessen werden. Damit erhält man eine Methode zur Messung der Polarisation der einfallenden Elektronen und des Ionenstrahls. Die K–Schalen–Rekombination ist ein einfaches Beispiel eines Ein–Stufen–Prozesses. Das am besten bekannte Beispiel der Zwei–Stufen–Rekombination ist der Elektroneneinfang in den 2p3/2–Zustand des nackten Ions und anschließendem Lyman–1–Zerfall (2p3/2 ! 1s1/2). Im Rahmen der Dichte–Matrix–Theorie wurden sowohl die Winkelverteilung als auch die lineare Polarisation der charakteristischen Photonen untersucht. Beide (messbaren) Größen werden beträchtlich durch die Interferenz des E1–Kanals (elektrischer Dipol) mit dem viel schwächeren M2–Kanal (magnetischer Quadrupol) beeinflusst. Für die Winkelverteilung des Lyman–1 Zerfalls im Wasserstoff–ähnlichen Uran führt diese E1–M2–Mischung zu einem 30%–Effekt. Die Berücksichtigung dieser Interferenz behebt die bisher vorhandene Diskrepanz von Theorie und Experiment beim Alignment des 2p3/2–Zustands. Neben diesen Ein–Teichen–Querschnitten (Messung des Einfangphotons oder des charakteristischen Photons) wurde auch die Korrelation zwischen den beiden berechnet. Diese Korrelationen sollten in X–X–Koinzidenz–Messungen beobbachtbar sein. Der Schwerpunkt dieser Untersuchungen lag bei der Photon–Photon–Winkelkorrelation, die experimentell am einfachsten zu messen ist. In dieser Arbeit wurden ausführliche Berechnungen der koinzidenten X–X–Winkelverteilungen beim Elektroneneinfang in den 2p3/2–Zustand des nackten Uranions und beim anschließenden Lyman–1–Übergang durchgeführt. Wie bereits erwähnt, hängt die Winkelverteilung des charakteristischen Photons nicht nur vom Winkel des Rekombinationsphotons, sondern auch stark von der Spin–Polarisation der einfallenden Teilchen ab. Damit eröffnet sich eine zweite Möglichkeit zur Messung der Polaristion des einfallenden Ionenstrahls bzw. der einfallenden Elektronen.

Preparation of cold Mg + ion clouds for sympathetic cooling of highly charged ions at SPECTRAP

Die Elektronen in wasserstoff- und lithium-ähnlichen schweren Ionen sind den extrem starken elektrischen und magnetischen Feldern in der Umgebung des Kerns ausgesetzt. Die Laserspektroskopie der Hyperfeinaufspaltung im Grundzustand des Ions erlaubt daher einen sensitiven Test der Quantenelektrodynamik in starken Feldern insbesondere im magnetischen Sektor. Frühere Messungen an wasserstoffähnlichen Systemen die an einer Elektronenstrahl-Ionenfalle (EBIT) und am Experimentierspeicherring (ESR) der GSI Darmstadt durchgeführt wurden, waren in ihrer Genauigkeit durch zu geringe Statistik, einer starken Dopplerverbreiterung und der großen Unsicherheit in der Ionenenergie limitiert. Das ganze Potential des QED-Tests kann nur dann ausgeschöpft werden, wenn es gelingt sowohl wasserstoff- als auch lithium-ähnliche schwere Ionen mit einer um 2-3 Größenordnung gesteigerten Genauigkeit zu spektroskopieren. Um dies zu erreichen, wird gegenwärtig das neue Penningfallensystem SPECTRAP an der GSI aufgebaut und in Betrieb genommen. Es ist speziell für die Laserspektroskopie an gespeicherten hochgeladenen Ionen optimiert und wird in Zukunft von HITRAP mit nierderenergetischen hochgeladenen Ionen versorgt werden.rnrnSPECTRAP ist eine zylindrische Penningfalle mit axialem Zugang für die Injektion von Ionen und die Einkopplung eines Laserstrahls sowie einem radialen optischen Zugang für die Detektion der Fluoreszenz. Um letzteres zu realisieren ist der supraleitende Magnet als Helmholtz-Spulenpaar ausgelegt. Um die gewünschte Genauigkeit bei der Laserspektroskopie zu erreichen, muss ein effizienter und schneller Kühlprozess für die injizierten hochegeladenen Ionen realisiert werden. Dies kann mittels sympathetischer Kühlung in einer lasergekühlten Wolke leichter Ionen realisiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Lasersystem und eine Ionenquelle für die Produktion einer solchen 24Mg+ Ionenwolke aufgebaut und erfolgreich an SPECTRAP in Betrieb genommen. Dazu wurde ein Festkörperlasersystem für die Erzeugung von Licht bei 279.6 nm entworfen und aufgebaut. Es besteht aus einem Faserlaser bei 1118 nm der in zwei aufeinanderfolgenden Frequenzverdopplungsstufen frequenzvervierfacht wird. Die Verdopplerstufen sind als aktiv stabilisierte Resonantoren mit nichtlinearen Kristallen ausgelegt. Das Lasersystem liefert unter optimalen Bedingeungen bis zu 15 mW bei der ultravioletten Wellenlänge und erwies sich während der Teststrahlzeiten an SPECTRAP als ausgesprochen zuverlässig. Desweiteren wurde eine Ionequelle für die gepulste Injektion von Mg+ Ionen in die SPECTRAP Falle entwickelt. Diese basiert auf der Elektronenstoßionisation eines thermischen Mg-Atomstrahls und liefert in der gepulsten Extraktion Ionenbündel mit einer kleinen Impuls- und Energieverteilung. Unter Nutzung des Lasersystems konnten damit an SPECTRAP erstmals Ionenwolken mit bis zu 2600 lasergekühlten Mg Ionen erzeugt werden. Der Nachweis erfolgte sowohl mittels Fluoreszenz als auch mit der FFT-ICR Technik. Aus der Analyse des Fluoreszenz-Linienprofils lässt sich sowohl die Sensitivität auf einzelne gespeicherte Ionen als auch eine erreichte Endtemperatur in der Größenordnung von ≈ 100 mK nach wenigen Sekunden Kühlzeit belegen.

Level-resolved quantum statistical theory of electron capture into many-electron compound resonances in highly charged ions

The strong mixing of many-electron basis states in excited atoms and ions with open f shells results in very large numbers of complex, chaotic eigenstates that cannot be computed to any degree of accuracy. Describing the processes which involve such states requires the use of a statistical theory. Electron capture into these “compound resonances” leads to electron-ion recombination rates that are orders of magnitude greater than those of direct, radiative recombination and cannot be described by standard theories of dielectronic recombination. Previous statistical theories considered this as a two-electron capture process which populates a pair of single-particle orbitals, followed by “spreading” of the two-electron states into chaotically mixed eigenstates. This method is similar to a configuration-average approach because it neglects potentially important effects of spectator electrons and conservation of total angular momentum. In this work we develop a statistical theory which considers electron capture into “doorway” states with definite angular momentum obtained by the configuration interaction method. We apply this approach to electron recombination with W²⁰⁺, considering 2×10⁶ doorway states. Despite strong effects from the spectator electrons, we find that the results of the earlier theories largely hold. Finally, we extract the fluorescence yield (the probability of photoemission and hence recombination) by comparison with experiment.

The electron emission yield induced by the interaction of highly charged argon ions with silicon surface

The electron emission yield of the interaction of highly charged argon ions with silicon surface is reported. The experiment was done at the Atomic Physics Research Platform on the Electron Cyclotron Resonance (ECR) Ion Source of the National Laboratory HIRFL (Heavy Ion Research Facility in Lanzhou). In the experiment, the potential energy and kinetic energy was selected by varying the projectile charge states and extracting voltage, thus the contributions of the projectile potential energy deposition and electronic energy loss in the solid are extensively investigated. The results show that, the two main factors leading to surface electron emission, namely the potential energy deposition and the electronic energy loss, are both approximately proportional to the electron emission yield per ion.