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Shadi Salem

• This work reports on the study of the projectile x-ray emission in relativistic ion-atom collisions. Excitation of K-shell in He-like uranium ions, electron capture into H-like uranium ions and Simultaneous ionization and excitation of initially He-like uranium ions have been studied using the experimental storage ring at GSI. Information about the population of the excited states for the H- and He-like uranium ions, can be obtained by measuring the angular distribution of the decay radiation. Since the Ly_alpha2 transition is isotropic, the intensities of the Ly_alpha1 and K_alpha transitions were normalized to the Ly_alpha2 line. For the K_alpha1 and K_alpha2 transitions originating from the excitation of the He-like uranium ions, no alignment was observed. In contrast, the Ly_alpha1 radiation from the simultaneous ionization-excitation process of the He-like uranium ions shows a clear alignment. It is shown that the alignment of Ly_alpha1 was obtained by the Alignment parameter A_20. The experimental value leads to the inclusion of a magnetic term in the interaction potential. It is interesting to note that in the case of the Ly_alpha1 emission the small M2 contribution added coherently to the E1 transition amplitudes enhances the anisotropy. The capture process of target electrons into the highly-charged heavy ions was studied using H-like uranium ions at an incident energy of 220 MeV/u, impinging on N2 gas-target. It was shown that, the strongly aligned electrons captured in 2p3/2 level will couple with the available 1s1/2 electron which shows no initial directional preference. The magnetic sub-state population of the 2p3/2 electron will be redistributed according to the coupling rules to the magnetic sub-states of the relevant two-electron states. Consequently, the 1^P1 and 3^P2 states are corresponding to the the strongly aligned 2p3/2 state. This leads to the large anisotropy in the corresponding individual ground state transitions contributing to the K_alpha1 emission. Due to the fact that the 1^P1 --> 1^S0 and 3^P2 --> 1^S0 transitions are experimentally not resolved, a more detailed analysis of the angular dependence of the K_alpha1 radiation is required. From the K_alpha1/K_alpha2 ratio, the current results show that the incoherent addition of the E1 and M2 transition components yield to an almost isotropic emission of the total K_alpha1. In contrast to the radiative electron capture, the experimental results for the K-shell single excitation of He-like uranium ions indicate that only the 1^P1 level contributes to the K_alpha1 transition. For this case, the anisotropy parameter beta_20 was found to be -0.20 + 0.03 which is similar to that one calculated for pure E1 transition. This work also reports on the study of a two-electron process: the simultaneous ionization and excitation occurring in relativistic collisions of heavy highly-charged ions with gaseous targets. The investigation was performed on He-like uranium ions impinging upon xenon gas-target at an incident energy of 220 MeV/u. The measurements have been performed at the ESR gas-target using atomic xenon with a typical area density of 10^12 particles/cm^2. In contrast to the solid state target, the use of gas target offers the advantage of clear separation of the one step two-electron process due to the fact that the probability of two consecutive collision in such thin targets is negligible and the double step processes can be excluded. During the process of simultaneous ionization and excitation in He-like uranium ions, one of the ground-state electrons is promoted into the continuum and the other into the L-subshell states of the projectile. To select this process, the Lyman-series radiation has been measured at various observation angles in coincidence with up-charged projectiles (U^91+). From the yields of the Ly_alpha1 and Ly_alpha2 projectile radiation, the relative cross section for the process of simultaneous ionization and excitation was directly determined. The angle dependent measurement of the radiation yields provide information about the angular distributions of the emitted radiation and permits the determination of the alignment parameter A_{20}. This parameter gives information on the level population and the collision impact parameter. The present results (b^exp = 810 fm) show that the simultaneous ionization and excitation is a process which occurs at small impact parameter.
• In der vorliegenden Arbeit wurde die Röntgen-Strahlung von H- und He-artigen Uranionen in relativistischen Ion-Atom-Stößen mit dem Ziel untersucht, den Einfluss relativistischer Effekte auf die Struktur einfacher Mehrteilchensysteme und die Dynamik elementarer atomarer Prozesse zu studieren. Hierbei wird die große Feinstrukturaufspaltung, wie sie in diesen sehr schweren Ionen vorliegt, ausgenutzt (L-Schale von Uran; ca. 4.5 keV), um detaillierte, zustandsspezifische Informationen über elementare Wechselwirkungsprozesse zu erhalten. Aufgrund der Aufspaltung der K-Schalen-Röntgenübergänge in ihre Feinstrukturkomponenten ist es nun möglich, selbst die Emissionscharakteristik (Winkelverteilung) für die individuellen Röntgenlinien zu vermessen. Eine mögliche Anisotropie der Strahlung ist Folge einer nicht-statistischen Bevölkerung der magnetischen Unterzustände (Alignment) und erlaubt eine äußerst präzise Überprüfung theoretischer Modelle. Dies war der zentrale Gegenstand meiner durchgeführten experimentellen Studien. Im Konkreten wurden hierzu Experimente für die folgende Prozesse durchgeführt: Elektronentransfer vom Target in das Projektil, Coulomb-Anregung der K-Schalenelektronen des Projektils wie auch K-Schalen Coulomb-Anregung bei gleichzeitiger K-Schalenionisation sowie der direkte radiative Elektroneneinfang in die K-Schale. Im Folgenden seien die gewonnenen experimentellen Resultate zur Emission von charakteristischer K-Strahlung, die für die Ein-Elektronenprozesse (Eingang und Anregung) gewonnen wurden, zusammengefasst: * Elektroneneinfang in nacktes Uran (Zerfall von Zuständen im H-artigem Uran): Starke Anisotropie der Ly_alpha1/Ly_alpha2 (dieses Ergebnis wurde bereits in früheren Arbeiten der Arbeitsgruppe gefunden). * Elektroneneinfang in H-artiges Uran (Zerfall von Zuständen im He-artigem Uran): Isotrope Winkelverteilung des K_alpha1/K_alpha2-Verhältnisses innerhalb der experimentellen Meßgenauigkeit. * K-Schalen Coulomb-Anregung von H-artigem Uran (Zerfall von Zuständen im H-artigem Uran): Isotrope Winkelverteilung des Ly_alpha1/Ly_alpha2-Verhältnisses. * K-Schalen Coulomb-Anregung von He-artigem Uran (Zerfall von Zuständen im He-artigem Uran): Starke-Anisotropie der Winkelverteilung des K_alpha1/K_alpha2-Verhältnisses. Diese Erkenntnisse werfen auch ein neues Licht auf die für den Prozess der Anregung gewonnen Daten. Für die H-artigen Ionen liegen bereits theoretische Beschreibungen vor, die in der Tat im Einklang mit den gemessen Daten stehen. Für die Anregung He-artiger Ionen existiert jedoch bislang keine adäquate theoretische Beschreibung. Jedoch deuten die experimentellen Befunde darauf hin, dass der Prozess der Coulomb-Anregung ein sehr zustandsselektiver Prozeß ist und hierdurch nur der 1^P1 bevölkert werden kann. Dieser kann direkt durch Dipolanregung erreicht werden, während die Anregung des 3^P2 Niveaus einen Spinflip erfordert. Selbst für den hier vorliegenden Fall von Uran als Projektil und der moderaten relativistischen Stoßgeschwindigkeit, ist die Wahrscheinlichkeit für solche Anregungsmoden sehr gering. In der Tat stimmt auch die Form der gemessenen Winkelverteilung sehr gut mit die Annahme überein, dass wir es hier nur mit der Besetzung des 1^P1 zu tun haben. Trotzdem ist es nicht geklärt, warum für H-artiges Uran die Anregung des 2p3/2 Zustands zu einer isotropen Winkelverteilung führt, während die Winkelverteilung als Folge der Anregung in das 1^P1 Niveau im He-artigen Uran eine starke Anisotropie aufweist. Die Klärung dieses Befunds erfordert eingehende theoretische Untersuchungen. Zudem wurde im Rahmen dieser Arbeit auch der Zweielektronen-Prozess der Anregung bei gleichzeitiger Ionisation für den Fall von He-ähnlichem Uran untersucht (ein Prozess zweiter Ordnung). Die Messungen wurden erneut bei 220 MeV/u aber in Kombination mit einem Xe-Gastarget durchgeführt. Bei der Coulomb-Anregung bei simultaner Ionisation wird ein Elektron in das Kontinuum ionisiert während das Andere gleichzeitig in einen angeregten Zustand angehoben wird. Die hier vorgenommene Interpretation dieses Effektes beruht auf der Annahme, dass beide Prozesse zwar gleichzeitig aber unabhängig voneinander stattfinden. Zur Interpretation wurden deshalb beide Prozesse im Rahmen der semiklassischen Näherung berechnet (SCA). Hierdurch lassen sich sowohl Ionisation wie auch Anregung unter Annahme klassischer Trajektorien und unter Verwendung relativistischer Wellenfunktionen beschreiben. Qualitativ zeigen bereits diese Rechnungen, dass dieser Prozess insbesondere sensitiv auf kleine Stoßparameter ist. Das gemessene Resultat für das Alignment der Ly_alpha1-Strahlung befindet sich in qualitativer Übereinstimmung mit der theoretischen Näherung. Insbesondere zeigt die Dominanz der Ly_alpha2 Strahlung, dass in der Tat die Anregung in s-Zustände überwiegt, d.h. bei kleinen Stoßparametern dominiert die Monopolanregung, was sich auch im Einklang mit dem theoretischen Model befindet.