Electron emission induced by the interaction of highly charged ions Pb-207(q+) (24 <= q <= 36) with solid surface of Si(110)

The electron emission induced by highly charged ions Pb-207(q+) (24 <= q <= 36) interacting with Si(110) surface is reported. The result shows that the electron emission yield Y has a strong dependence on the projectile charge state q, incidence angle psi and impact energy E. In fitting the experimental data we found a nearly 1/tan psi dependence of Y. Theoretical analysis shows that these processes are closely related to the process of potential electron emission based on the classical over-the-barrier model.

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.

Some Superconducting Magnets at IMP

Some superconducting magnets research at IMP (Institute of Modern Physics, CAS, Lanzhou) will be described in this paper. Firstly, a superconducting electron cyclotron resonance ion source (SECRAL) was successfully built to produce intense beams of highly charged heavy ions for Heavy Ion Research Facility in Lanzhou (HIRFL). An innovation design of SECRAL is that the three axial solenoid coils are located inside of a sextupole bore in order to reduce the interaction forces between the sextupole coils and the solenoid coils. For 28 GHz operation, the magnet assembly can produce peak mirror fields on axis of 3.6 T at injection, 2.2 T at extraction, and a radial sextupole field of 2.0 T at plasma chamber wall. Some excellent results of ion beam intensity have been produced and SECRAL has been put into operation to provide highly charged ion beams for HIRFL since May 2007. Secondly, a super-ferric dipole prototype of FAIR Super-FRS is being built by FCG (FAIR China Group) in cooperation with GSI. Its superconducting coils and cryostat is made and tested in the Institute of Plasma Physics (IPP, Hefei), and it more 50 tons laminated yoke was made in IMP. This super-ferric dipole static magnetic field was measured in IMP, it reach to the design requirement, ramping field and other tests will be done in the future. Thirdly, a 3 T superconducting homogenous magnetic field solenoid with a 70 mm warm bore has been developed to calibrate Hall sensor, some testing results is reported. And a penning trap system called LPT (Lanzhou Penning Trap) is now being developed for precise mass measurements.

强流高电荷态离子的产生和传输研究

本文对ECR离子源强流高电荷态离子的产生、金属离子的产生、强流多电荷态混合离子束的传输做了深入细致的研究。设计建造了一台全新的高电荷态ECR离子源-LECR3（兰州第三台高电荷态ECR离子源），该离子源的目标是产生强流高电荷态离子，设计上应用了多种提高高电荷态离子产额的关键技术：采用了高磁场模式；在保证弧腔内壁处径向磁场的前提下尽量增大弧腔的内径；使用铝制等离子弧腔；应用负偏压技术；新的微波馈入方式。经过调试和优化，其结果达到了国际同类离子源最好水平，其中O7+和Ar11+的束流强度为240eμA，O6+为780eμA，Xe26+为90eμA，Xe30＋也有6eμA。目前该离子源已经投入原子物理实验平台供束近两年。进行了金属离子产生的研究，并且成功地为加速器提供了5种金属离子。设计了一种结构紧凑的微小型金属加热炉，经过调试和优化，用炉子加热法在离子源上产生了多种金属的高电荷态离子，其中Ca11+可以达到140eμA，针对该种炉子的缺点又设训一了一种高温炉；用MIVOC（Metallic Ionfrom VOlatile Colnpounds）法调试了镍和铁的离子，其中Fe13+的束流强度为140eμA，为目前国际同类离子源最好水平。提出了一种全新的研究低能强流多电荷态混合离子束传输的方法，包括理论和实验两部分，理论上采用蒙特卡罗方法来模拟离子的传输轨迹，考虑电荷交换和空间电荷效应的影响，自行编写了MCIB计算程序，并进行了初步计算；实验上采用单丝和Wien-Filter探测技术来监测混合束的传输路径和某一截而上的各不同元素种类和不同电荷态离子的密度分布，做了初步实验，并且对计算结果和实验结果做了比较和分析，给出了该类束流的传输特性。

Recent activities at the Tokyo EBIT 2006

The electron beam ion trap (EBIT) in Tokyo was constructed about 10 years after the first EBIT at Lawrence Livermore National Laboratory was built, and has been being stably operated since then. In this paper, we present recent experimental activities at the Tokyo EBIT. In particular, experiments utilizing slow, very highly charged ion beams extracted from the EBIT are reported.

Polarization studies of radiative electron capture into highly-charged uranium ions

Recent advances in the development of 2D microstrip detectors open up new possibilities for hard x-ray spectroscopy, in particular for polarization studies. These detectors make ideal Compton polarimeters, which enable us to study precisely the polarization of hard x-rays. Here, we present recent results from measurements of Radiative Electron Capture into the K-shell of highly-charged uranium ions. The experiments were performed with a novel 2D Si(Li) Compton polarimeter at the Experimental Storage Ring at GSI. Stored and cooled beams of U91+ and U92+ ions, with kinetic energies of 43 MeV/u and 96 MeV/u respectively, were crossed with a hydrogen gasjet. The preliminary data analysis shows x-rays from the K-REC process, emitted perpendicularly to the ion beam, to be strongly linearly polarized.

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.

Influence of ion energy and deposition temperature on the surface morphology of carbon films deposited by ion beams

Carbon films were deposited by mass-selected ion beam technique with ion energies 50-200eV at a substrate temperature from room temperature to 80 degreesC,. For the energies used, smooth diamond-like carbon films were deposited at room temperature. When the substrate temperature was 600 degreesC,rough graphitic films were produced. But highly oriented carbon tubes were observed when the energies were larger than 140eV at 800 degreesC. They were perpendicular to the surface and parallel to each other. preferred orientation of graphite basic plane was observed by high-resolution electron microscopy. Shallow ion implantation and stress are responsible for this orientation.

Surface Disorder of GaN Irradiated by Highly Charged Arq+-Ions

Surface damage of gallium nitride films irradiated by Arq+ (6 ≤ q ≤ 16) ions at room temperature is studied by the atomic force microscopy. It is found that when charge state exceeds a threshold value, significant swelling was turned into obvious erosion in the irradiated region. The surface change of the irradiated region strongly depends on the charge state and ion fluence. On the other hand, surface change is less dependent on the kinetic energy nearly in the present experimental range (120 keV≤ Ek ≤ 220 keV). For q ≤ 14, surface of the irradiated region iscovered with an amorphous layer, rough and bulgy. A step-up appears between the irradiated and un-irradiated region. Moreover, the step height and the surface roughness are functions of the ion dose and charge state...

Guiding of Highly Charged Ions through PC Nanocapillaries

Angular distribution and current dependence of the transmitted ion fraction are investigated for 40 keV Xe7+ bombarding on polycarbonate (PC) nanocapillaries. By measuring the angular distribution of the transmitted ion fraction, a strong guiding efect is found in PC nanocapillaries. Furthermore, with increase of the incident current, a turning point of the transmitted ion fraction is found, which is explained qualitatively by the discharge capacity of the nanocapillaries.

Size modification of Au nanoparticles induced by slow highly charged ions Ar-40(q+) irradiation

Size modification of Au nanoparticles (NPs), deposited on the Au-thick film surface and irradiated by slow highly charged ions (SHCI) 40Arq+ (3 6 q 6 12) with fixed low dose of 4.3 1011 ions/cm2 and various energy ranging from 74.64 to 290.64 keV at room temperature (293.15 K), was investigated by atomic force microscopy (AFM) and transmission electron microscopy (TEM). The effect of projectile kinetic energy on the modified size of NPs was explored by an appropriate choice of the fixed process parameters such as ion flux, irradiation temperature, incident angle, irradiation time, etc. The morphological changes of NPs were interpreted by models involving collisional mixing, Ostwald ripening (OR) and inverse Ostwald ripening (IOR) of spherical NPs on a substrate. A critical kinetic energy as well as a critical potential energy of the projectile in the Au NPs size modification process were observed.

Sputtering induced by highly charged Pb-208(q+) bombardment on Al surface

Highly charged ions (HCls) carrying high Coulomb potential energy (E-p) could cause great changes in the physical and chemical properties of material surface when they bombard on the solid surface. In our work, the secondary ion yield dependence on highly charged Pbq+ (q = 4-36) bombardment on Al surface has been investigated. Aluminum films (99.99%) covered with a natural oxide film was chosen as our target and the kinetic energy (E-k) was varied between 80 keV and 400 keV. The yield with different incident angles could be described well by the equation developed by us. The equation consists of two parts due to the kinetic sputtering and potential sputtering. The physical interpretations of the coefficients in the said equation are discussed. Also the results on the kinetic sputtering produced by the nuclear energy loss on target Surface are presented.