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.

Exchange reactions of uranium ions in solution /

Work performed at the Argonne National Laboratory.

Study on charge equilibration time of highly charged ions in carbon foils

Charge state distribution of 0.8MeV/u uranium ions after transmission through a thin carbon foil has been studied. It is observed that the charge state distribution is equilibrated after the uranium ions have passed through a 15 mu g/cm(2) carbon foil. The equilibrated average charge state is 33.72 and the charge equilibration time of uranium ions in carbon foil is less than 5.4fs.

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.

高电荷态238Uq+在碳膜中电荷平衡时间的研究

离子通过物质过程中与靶原子发生碰撞，碰撞中大量电子被俘获和电离。当电子俘获截面与电离截面达到平衡时，出射离子的电荷态分布达到一个平衡的分布，这个分布与入射离子的核电荷数、速度、壳层结构以及靶材料的性质有关。研究离子通过物质后的电荷态分布和电荷平衡时间对于研究高电荷态离子穿越物质层时的电荷转换及平衡过程具有重要意义。 本文论述了能量为0.8 MeV/u 238Uq+离子通过不同厚度碳膜后的电荷态分布，并对铀离子在碳膜中的电荷平衡时间进行了研究。 实验中束流采用兰州重离子加速器国家重点实验室（HIRFL）首次加速出的能量为0.8 MeV/u 238U26+离子束。本实验是首次在兰州放射性次级束流线（RIBLL）实验终端进行，采用的实验方法新颖。为了研究不同初始电荷态的铀离子通过不同厚度碳膜后的电荷态分布，实验中采取让初级束流 238U26+通过0.1µm厚度碳膜后形成一个电荷态分布，通过调节二极磁铁的控制电流从中选择某一电荷态轰击碳靶，进行电荷态分布研究。 实验对0.8 MeV/u 238Uq+(q=26，29，34，39)通过不同厚度碳膜（5µg/cm2，15µg/cm2，26µg/cm2和225µg/cm2）后的电荷态分布进行了研究。结果发现：能量为0.8 MeV/u的铀离子通过5µg/cm2厚度碳膜后，出射铀离子的电荷态分布未达到平衡；同样铀离子通过15µg/cm2厚度碳膜后，出射铀离子的电荷态分布已达到平衡，平衡平均电荷态为33.72+；由此通过计算得到铀离子在碳膜中的电荷平衡时间为1/3×5.4fs<=t<=5.4fs

Kalorimetrische Tieftemperaturdetektoren für niederenergetische (E 1 MeV/amu) Schwerionen und ihr erster Einsatz in der Beschleuniger-Massenspektrometrie zur Spurenanalyse von 236 U

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden zum ersten Mal kalorimetrische Tieftemperatur-Detektoren in der Beschleuniger-Massenspektrometrie (Accelerator Mass Spectrometry AMS), einer Standard-Methode zur Bestimmung kleinster Isotopenverhältnisse, eingesetzt, um das Isotopenverhältnis von 236U zu 238U zu bestimmen. Das Uran-Isotop 236U entsteht in der Neutroneneinfang-Reaktion 235U(n,gamma)236U und kann daher als Monitor-Nuklid für Neutronenflüsse verwendet werden. Die Detektoren bestehen aus einem Saphir-Absorber, auf den ein supraleitender Aluminium-Film aufgedampft ist, der als Thermistor dient. Ein energetisches Schwerion deponiert seine kinetische Energie als Wärme im Absorber, dessen Temperaturänderung durch die Widerstandsänderung des Supraleiters nachgewiesen wird. Mit solchen Detektoren konnte in vorhergehenden Experimenten bei GSI in einem Energiebereich von E = 5 - 300 MeV/amu für eine Vielzahl von Ionen von Neon bis Uran eine relative Energieauflösung von (1 - 4) E-3 erreicht werden. Der für die Beschleuniger-Massenspektrometrie typische Energiebereich liegt bei E = 0.1 - 1 MeV/amu. Im ersten Schritt wurde daher die systematische Untersuchung der Detektoreigenschaften auf diesen Energiebereich ausgedehnt. Diese Untersuchungen sowie die AMS-Messungen wurden am Tandem-Beschleuniger VERA des Instituts für Isotopenforschung und Kernphysik der Universität Wien durchgeführt. In einem Energiebereich von 10 - 60 MeV konnte für verschiedene Ionen (13C, 197Au, 238U) zunächst eine relative Energieauflösung von DeltaE/E = 7 E-3 erreicht werden. Dies übertrifft die Auflösung konventioneller Ionisations-Detektoren um ca. eine Größenordnung. Durch eine Verbesserung thermischer und elektronischer Rauschbeiträge konnte in einem zweiten Experiment für Uran der Energie 17 MeV die Auflösung auf DeltaE/E = 4.6 E-3 verbessert werden. Die Energie-Response des Detektors war linear über den gesamten beobachteten Energiebereich und unabhängig von der Ionenmasse; bis auf ein Niveau von 0.1 % wurde kein Pulshöhendefekt beobachtet. Diese Ergebnisse zeigen, daß solche Detektoren ein wertvolles Werkzeug in der Schwerionenphysik im Bereich relativ niedriger Ionenenergien darstellen. Mit der erreichten Energieauflösung war es möglich, für mehrere Proben aus natürlichem Uran das Isotopenverhältnis 236U/238U zu bestimmen: Um einen Material-Standard für Uran in der AMS zu etablieren, wurde das Isotopenverhältnis 236U/238U für zwei Proben aus der Mine ''K.u.K. Joachimsthal'' möglichst präzise bestimmt. Die Ergebnisse in der vorliegenden Arbeit stimmen gut mit früheren Messungen überein, die mit einem konventionellen Detektorsystem durchgeführt wurden. Sowohl der statistische als auch der systematische Fehler konnten deutlich reduziert werden. Für eine weitere Probe, extrahiert aus dem Wasser einer Uran-haltigen Quelle in Bad Gastein, wurde ein Isotopenverhältnis von 6.1 E-12 gemessen. Dies stellt das kleinste bislang für 236U/238U gemessene Isotopenverhältnis dar und bedeutet eine Steigerung der Sensitivität um eine Größenordnung. Die erreichte Energieauflösung ermöglicht es außerdem, die Detektoren zur direkten Massenidentifikation von schweren Ionen mittels einer kombinierten Energie-Flugzeit-Messung einzusetzen. In ersten Test-Messungen im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine Massenauflösung von DeltaM/M = (8.5 - 11.0) E-3 erreicht. In einem ersten Test für den Einsatz dieser Detektoren zum Nachweis sog. ''superschwerer Elemente (Z >= 112)'' erlaubte der große dynamische Bereich, die Reaktionsprodukte und ihre nachfolgenden Alpha-Zerfälle mit hoher Energieauflösung simultan und zeitaufgelöst nachzuweisen.

Use of ion exchange for the separation of uranium from ions interfering in its colorimetric determination /

"Date Declassified: September 23, 1955."

Synthetic, spectroscopic and structural studies on uranium and thorium complexes of diphosphazane dioxides

Co-ordination complexes of the diphosphazane dioxides Ph(2)P(O)N(Pr-i)P(O)Ph(2) L(1). Ph(2)P(O)N(Pr-i)P(O)Ph(OC(6)H(4)Me-4) L(2) and Ph(2)P(O)N(Pr-i)P(O)(O2C12H8) L(3) with UO22+ or Th4+ ions have been synthesised and characterised by IR and NMR spectroscopy. The structures of [UO2(NO3)(2)L(1)] and [Th(NO3)(2)L(3)(1)][Th(NO3)(6)] are established by X-ray crystallography. In the former, the uranyl ion is bonded to two bidentate nitrate groups and the two phosphoryl groups of the ligand L(1); the co-ordination polyhedron around the metal is a hexagonal bipyramid. The cationic moiety in the thorium complex contains three bidentate diphosphazane dioxide ligands and two bidentate nitrate groups around the ten-co-ordinated metal.

Sputtering of uranium

Sputtering yields for uranium metal under bombardment by 13 - 120 keV protons and by 20 - 120 keV He+ are presented. Angular distributions of the material sputtered by these ions are also given. Sputtering yields for 40 and 80 keV Ar+ were measured as well.

The technique employed to make these measurements was the detection of fission tracks in mica produced by ^(235)U sputtered onto collector foils which were subsequently exposed to a high fluence of thermal neutrons. The technique is extremely sensitive and allowed the measurement of sputtering yields less than 10^(-4) atoms per ion. It also made possible a detailed study of the emission of chunks from the uranium targets during sputtering. Mass distributions of chunks emitted during bombardment by 40 - 120 keV protons and by 80 keV argon are presented.

Comparisons are made between the experimental results and those predicted by the Sigmund theory of sputtering.

Investigations into electronic stopping regime sputtering of uranium tetrafluoride

Yields were measured for ²³⁵U sputtered from UF₄ by ¹⁶O, ¹⁹F, and ³⁵Cl over the energy range ~.12 to 1.5 MeV/ amu sing a charge equilibrated beam in the stripped beam arrangement for all the incident ions and in the transmission arrangement for ¹⁹F and ³⁵Cl. In addition, yields were measured for ¹⁹F incident in a wide range of discrete charge states. The angular dependence of all the measured yields were consistent with cosʋ. The stripped beam and transmission data were well fit by the form (Az²eqln(BƐ)/Ɛ)⁴ (where Ɛ was the ion energy in MeV/amu and z_eq(Ɛ) was taken from Zeigler(80). The fitted values of B for the various sets of data were consistent with a constant B₀, equal to 36.3 ± 2.7, independent of incident ion. The fitted values of A show no consistent variation with incident ion although a difference can be noted between the stripped beam and transmission values, the transmission values being higher.

The incident charge data were well fit by the assumptions that the sputtering yield depended locally on a power of the incident ion charge and that the sputtering from the surface is exponentially correlated to conditions in the bulk. The equilibrated sputtering yields derived from these data are in agreement with the stripped beam yields.

In addition, to aid in the understanding of these data, the data of Hakansson(80,81a,81b) were examined and contrasted with the UF₄ results. The thermal models of Seiberling(80) and Watson(81) were discussed and compared to the data.

Radiative electron capture and subsequent radiative decay in collisions of U89+ ions with N-2

To evaluate the radiative electron capture for the collisions of U89+ ion with N-2, radiative recombination cross sections and the corresponding emitted photon energies are calculated from the ground state 1s(2)2s to 1s(2)2snl(j) (2 <= n <= 9, 0 <= l <= 6) using the newly developed relativistic radiative recombination program RERR06 based on the multiconfiguration Dirac-Fock method. The x-ray spectra for radiative electron capture in the collision have been obtained by convolving the radiative recombination cross sections and the Compton profile of N2. Good agreement is found between the calculated and experimental spectra. In addition, the transition energy levels and probabilities among the 147 levels from the captured 1s(2)2snl(j) have been calculated. From the calculated results, radiative decay cascade processes followed by the radiative electron capture have also been studied with the help of multistep model and coupled rate equations, respectively. The present results not only make us understand the details of the radiative electron captures and the radiative decay cascade spectra in the experiment but also show a more efficient way to obtain the cascade spectra. Finally, the equivalence between the multistep model and coupled rate equations has been shown under a proper condition and the latter can hopefully be extended to investigate other cascade processes.

Production cross-section of Ra-230 in the reaction of 60 MeV/u O-18 ions with U-238

A thick natural uranium target was bombarded with a 60 MeV/u O-18 beam. The neutron-rich isotope Ra-230 as the target residue was produced through the multinucleon transfer reaction (U-238-4p-4n). The barium and radium fraction as BaCl2 precipitate were radiochemically separated first from the mixture of uranium and reaction products. Then, the radium fraction was separated from BaCl2 precipitate by using cation exchange technique. The gamma-ray spectra of the Ra fraction were measured using an HPGe detector. The production cross sections of Ra-230 were obtained by a combination of the radiochemical separation technique and off-line gamma-ray spectroscopy. The cross section of Ra-230 has been determined to be 66 +/- 20 mu b.

Production cross section of Th-236 in the interaction of U-238 with 60 MeV/u O-18 ions

The neutron-rich target-like isotope Th-236 has been produced in the U-238-2p multinucleon transfer reaction between a 60 MeV/u O-18 beam and natural U-238 targets. The activities of thorium were determined after radiochemical separation of Th from the mixture of uranium and reaction products. The Th-236 isotope was identified by the characteristic gamma-rays of 642.2, 687.6 and 229.6 keV. The production cross section of Th-236 was determined to be 250 +/- 50 mu b.

Production cross-section of Th-236 in the interaction of U-238 with 60MeV/u O-18 Ions

The neutron-rich target-like isotope Th-236 was produced in U-238-2p multinucleon transfer reaction between a 60MeV/u O-18 beam and nature U-238 targets. The thorium activities were radiochemically separated from the mixture of uranium and reaction products. The isotope Th-236 was identified by 642.2keV, 687.6keV and 229.6keV characteristic gamma-rays. The production cross section of Th-236 has been determined to be 250 +/- 50 mu b.

Breit interaction in dielectronic recombination of hydrogenlike uranium

Absolute rate coefficients for dielectronic recombination (DR) of H-like U91+ ions have been measured. The electron-ion merged-beam technique at a heavy-ion storage ring was employed using a stochastically cooled ion beam. Thereby, the previously accessible electron-ion collision energies could be greatly extended to the range 63-90 keV. High-resolution DR spectra were measured covering all KLL and KLM resonances. For the resonance strengths, excellent agreement between relativistic theory and experiment is found only if the Breit contribution to the electron-electron interaction is included in the calculations. For the KL1/2L1/2 and KL1/2M1/2 groups the Breit contribution amounts to 44% of their total resonance strengths.