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Untersuchungen zum technischen und teilchenoptischen Design kompakter Speicherringe für Ionen
(2002)
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Berechnung und dem Bau von elektrostatischen Speicherringen. Eine solche Maschine kann als eine Kreuzung zwischen elektrostatischen Fallen und "klassischen" magnetischen Ringen angesehen werden. Kompakte Bauform, gute Zugänglichkeit der Elemente und vergleichsweise niedrigen Kosten werden mit hoher Flexibilität in Bezug auf mögliche Experimente kombiniert. Im 1. Kapitel werden zunächst die Unterschiede der Bewegung von Ionen in elektrostatischen und magnetischen Speicherringen untersucht. Die Massenunabhängigkeit der Teilchenbewegung bei gegebener Energie und Ladung in rein elektrostatischen Feldern erlaubt es, unterschiedlichste Ionen im Prinzip in direkter Folge in einen elektrostatischen Ring einzuschießen, ohne dass die Felder der optischen Elemente verändern werden müssen. Die Felder in den für einen Speicherring notwendigen Strahlführungskomponenten werden berechnet, die zugehörigen Bewegungsgleichungen aufgestellt und in linearer Näherung gelöst. Dabei werden zunächst die Bahnen einzelner Teilchen untersucht und dann das Strahlverhalten insgesamt durch Übergang auf einen Matrizenformalismus beschrieben. Die aus dieser Darstellung resultierenden Trajektorien stellen eine starke Vereinfachung dar. Die Untersuchung der realen Teilchenbewegung mit Einfluss von Randfeldern, Positionierungsfehlern und die Berechnung der dreidimensionalen Feldverteilung ist Gegenstand des 2. Kapitels. Ein kritischer Punkt bei der Bewegung von Teilchen in Ringbeschleunigern sind durch Feldfehler induzierten Resonanzerscheinungen. Zur Diskussion der verschiedenen möglichen Resonanzen werden im 3. Kapitel die Effekte durch zusätzliche Dipol- und Quadrupolfelder analysiert, dargestellt und schließlich anhand eines Resonanzdiagramms erläutert. In den geplanten Speicherring werden Ionen in einem einzigen Bunch, mit einer Ausdehnung von rund dem halben Ringumfang, injiziert. Ihre Lebensdauer hängt wesentlich von dem erzielbaren Vakuumenddruck ab. Die vorgesehenen Getterpumpen weisen eine sehr hohe Pumpleistung für die meisten Gase auf. Ihre Wirkungsweise wird im 4. Kapitel beschrieben und praktische Aspekte ihrer Handhabung diskutiert. Für den Betrieb eines Speicherrings ist es notwendig, die Parameter des umlaufenden Strahls zu jeder Zeit zu kennen und gegebenenfalls modifizieren zu können. Zentrales Element des Kontroll- und Diagnosesystems sind Strahlpositionsmonitore. In elektrostatischen Pickup-Elektroden induziert der Strahl beim Durchgang Spannungen über die eine Positionsbestimmung möglich ist. Die Wirkungsweise dieser Sonden wird in der zweiten Hälfte des 4. Kapitels diskutiert und Methoden zur Signalaufbereitung und -analyse beschrieben. Die allgemeinen Ergebnisse der Überlegungen zu elektrostatischen Speicherringen aus den ersten Kapiteln werden schließlich auf spezielle Fälle übertragen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Entwürfe für einen elektrostatischen Speicherring angefertigt und ein Viertelringsegment zu Testzwecken entworfen und aufgebaut. Die Ergebnisse sind Inhalt des abschließenden 5. Kapitels. Mit den in dieser Arbeit vorgestellten Methoden ist es möglich, elektrostatische Speicherringe detailliert zu berechnen und an die experimentellen Rahmenbedingungen anzupassen. Sämtliche Rechnungen wurden im Hinblick auf den geplanten Bau eines Rings für Teilchen mit Energien bis 50 keV durchgeführt.
Die Doppelionisation von Wasserstoffmolekülen H2 durch einzelne Photonen stellt ein fundamentales und herausforderndes Problem sowohl für die experimentelle als auch für die theoretische Physik dar. In den meisten Fällen kann dabei die elektronische Bewegung von der nuklearen Dynamik entkoppelt werden (Born-Oppenheimer Näherung). Aus diesem Grund kann man auch den molekularen Fragmentationsprozess als eine Emission eines Dielektrons aus einem nuklearen Zweizentren-Coulomb-Potential beschreiben. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Photodoppelionisation (PDI) von molekularem Wasserstoff durch einzelne, linear polarisierte Photonen mit einer Energie von 75 eV. Dieses Szenario wird verglichen mit der Photodoppelionisation von Heliumatomen (siehe [Bri00] für einen umfassenden Überblick). In diesem Versuch wurde die Rückstoßionenimpulsspektroskopie-Methode (COLd Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy COLTRIMS) benutzt, um alle Fragmente der Reaktion auf ortsauflösende Vielkanalglasplatten(Multi-Channel-Plate MCP)-Detektoren mit Verzögerungsdrahtauslese (delay-line anode) abzubilden. Dabei wurden die Mikropartikel durch elektrische und magnetische Felder geführt. In einer Messung wurde das Rückstoßionenspektrometer mit gepulster Extraktionsspannung betrieben, um das Dielektron und die Stellung der molekularen Achse mit guter Impulsauflösung gleichzeitig vermessen zu können. In einer weiteren Messung kam ein neuartiges Detektorsystem mit hexagonaler Verzögerunsdrahtanode zum Einsatz, die in der Lage war, beide Elektronen, die in sehr kurzen Zeitabständen auf dem Detektor eintrafen, ohne Totzeitverluste in Koinzidenz mit den nuklearen Fragmenten ortsauflösend zu registrieren. Aus den Flugzeiten und Auftrefforten der Teilchen der beiden Datensätze konnten die Impulse des Vierteilchenendzustandes generiert werden. Dies stellt die Messung des Betragsquadrats der quantenmechanischen Wellenfunktion im Impulsraum dar. Aus diesen Größen konnten auch die azimutalen und polaren Winkelverteilungen in Referenz zum Polarisationsvektor des einfallenden Lichts bestimmt werden. Basierend auf der axialen Rückstoßnäherung konnten so zum ersten Mal hochdifferentielle Wirkungsquerschnitte (QDCS und höher) des Vierkörper-Problems für eine raumfeste Molekülachse gemessen werden. Unter Ausnutzung der Reflexions-Näherung war sogar der internukleare Abstand des Moleküls zum Zeitpunkt der Photoabsorption zugänglich. Man findet markante Übereinstimmungen mit der PDI von Heliumatomen. Das Dielektron wird vorwiegend entlang des Polarisationsvektors emittiert und koppelt an das Schwerpunktssystem (Center-of-Mass CM) der nuklearen Partikel, die in einer Coulomb-Explosion fragmentiern. Etwa 72.5 % der Anregungsenergie der beiden Elektronen geht in deren Relativbewegung. Wie bei der Ionisation von Heliumatomen bestimmt die Elektron-Elektron Wechselwirkung zusammen mit diversen Auswahlregeln (siehe [Wal00c]) die Form der polaren Winkelverteilung. In der azimutalen Ebene (die Ebene, die senkrecht zum Polarisationsvektor des Lichts angeordnet ist) erkennt man den attraktiven Einfluss des nuklearen Zweizentren-Potentials, was zu einer Abweichung von der Zylindersymmetrie um die Achse des elektrischen Feldvektors des Lichts führt, wie sie bei niedrigeren Photonenenergien vorzufinden ist (siehe [Dör98b]). In dieser Ansicht tendieren langsame Elektronen dazu, entlang der Molekülachse emittiert zu werden. Es können der sogenannte Auffülleffekt der Knotenstruktur und die vergrößerten Zwischenwinkel in der Polarwinkelverteilung der Elektronen in Form einer Zweikeulenstruktur verifiziert werden (siehe [Red97, Wig 98]). Die Ergebnisse bestätigen den Modellansatz von J. Feagin (siehe [Fea98]), der den Zusammenbruch einer atomaren Auswahlregel, die auf einem Konus wirkt, für den molekularen Fall vorhersagt. Diese Auswahlregel reduziert sich auf eine Knotenlinie, die aufgrund der endlichen Öffnungswinkel des Experiments aufgefüllt wird. Es gibt Hinweise, dass die Verringerung des elektronischen Zwischenwinkels eine Funktion der Stellung der Molekülachse ist, d.h. der kohärenten Überlagerung der beiden möglichen Endzustände mit S- und ?-Symmetrie. Die Ergebnisse der Wannier-Theorie vierter Ordnung nach T. Reddish und J. Feagin (siehe [Red99]) zeigen eine gute Übereinstimmung mit den experimentell gewonnen Daten, zumindest solange die beiden Elektronen den gleichen kinetischen Energiebetrag erhalten. Im Gegensatz dazu bewertet die hochkorrelierte 5C-Theorie nach M. Walter et al. (siehe [Wal99]) den Einfluss des attraktiven nuklearen Zweizentren-Potentials zu hoch. Vorläufige Ergebnisse einer CCC-Rechnung von A. Kheifets et al. (siehe [Khe02]) zeigen eine sehr akkurate Übereinstimmung mit den gemessenen Winkelverteilungen. Minimiert man die Elektron-Elektron Wechselwirkung, indem man eine rechtwinklige Emission der beiden Elektronen fordert (dies kommt einer Ionisation eines H2 +-Ions gleich), so findet man keine starken Fokussierungseffekte vor, wie man sie von Ionisationsprozessen von N2 und CO her kennt (siehe [Lan01, Web01b, Jah02a und Web02]). Stattdessen beobachtet man die Emission eines langsamen Elektrons auf dem nuklearen Sattelpunktspotential, wie man es nach einer halbklassischen Beschreibung erwarten kann. Zusätzlich ist eine hochstrukturierte Winkelverteilung zu beobachten, die auf höhere Drehimpulsbeiträge schliessen lässt (vergleichbar der Parametrisierung bei der PDI von Heliumatomen nach L. Malegat et al., siehe [Mal97d]). Die Verteilung ist sehr sensitiv auf die Energie der Elektronen und die Orientierung der Molekülachse, was weder angemessen durch auslaufende, ebene Wellen noch durch die 5C-Theorie beschrieben werden kann. Für diese Ereignisse erzwingen große internukleare Abstände eine Emission der Elektronen entlang des Polarisationsvektors, während für kleine Abstände die Elektronen vorwiegend rechtwinklig zur Molekülachse ausgesendet werden. Anhand dieser Tatsachen kann man auf einen merklichen Einfluss des Anfangszustands auf die Winkelverteilung der Elektronen zurückschließen. Das ganze Szenario ändert sich sobald man die Elektron-Elektron Wechselwirkung wieder "einschaltet", indem man fordert, dass die Fragmentation in einer Ebene stattfindet. Hier bestimmt die Relativbewegung der beiden Elektronen die Form der Wirkungsquerschnitte. Es zeigen sich nur geringfügige Änderungen in Abhängigkeit zum internuklearen Abstand. Es kann aber teilweise eine dreifache Keulenstruktur ausgemacht werden. Diese Substruktur ändert ihre Amplitude und Richtung als Funktion des Molekülabstandes. Eine direkte Emission entlang des Polarisationsvektors scheint dabei verboten zu sein. In dieser Darstellung zeigt das elektronische Emissionsmuster einen sehr heliumähnlichen Charakter für kleine Bindungslängen. Für größere Abstände der Kerne werden langsame Elektronen deutlich unter einem Zwischenwinkel von 180° (back-to-back-emission) gegen das schnelle Referenzelektron emittiert. Referenzen: [Bri00] J.S. Briggs et al., J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys., 33, (2000), S. R1 [Dör98b] R. Dörner et. al., Phys. Rev. Lett., 81, (1998), S. 5776 [Fea98] J. Feagin, J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys., 31, (1998), S. L729 [Jah02a] T. Jahnke et. al., Phys. Rev. Lett., 88, (2002), S. 073002 [Khe02] A. Kheifets, private Mitteilung, (2002) [Lan01] A. Landers et al., Phys. Rev. Lett., 86, (2001), S. 013002 [Mal97d] L. Malegat et al., J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys., 30, (1997), S. 251 [Red97] T. Reddish et al., Phys. Rev. Lett., 79, (1997), S. 2438 [Red99] T. Reddish et al., J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys., 32, (1999), S. 2473 [Wal00c] M. Walter et al., Phys. Rev. Lett., 85, (2000), S. 1630 [Wal99] M. Walter et al., J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys., 32, (1999), S. 2487 [Web01b] Th. Weber et al., J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys., 34, (2001), S. 3669 [Web02] Th. Weber et al., Phys. Rev. Lett., (2002), eingereicht zur Veröffentlichung [Wig98] J.P. Wightman et al., J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys., 31, (1998), S. 1753
Durch Messen der vollständigen Impulsvektoren beider Coulomb-explodierender, einfachgeladener Fragmente eines doppelionisierten, diatomaren, homonuklearen Moleküls (H2, N2, O2) können verschiedene Ionisationsprozesse identifiziert werden. Bei der sogenannten COLd Target Recoil Ion Momentum Spectroskopy (COLTRIMS) wird ein überschall Gasjet mit ultrakurzen, hochintensiven Laserpulsen penetriert. Aus den gemessenen Fragmentimpulsen kann die freigesetzte kinetische Energie, sowie die ursprüngliche Lage der Molekülachse im Laborsystem berechnet werden, woraus winkelabhängige Explosionswahrscheinlichkeiten abgeleitet werden können, die unter bestimmten Bedingungen die orbitale Symmetrie der Moleküle wiederspiegeln. Unter Benutzung verschiedener Pulslängen des Lasers (35 fs und 8 fs) und Variation der Polarisation (linear, zirkular) koennen Ionisationsmechanismen wie rescattering oder sequentielle Ionisation identifiziert werden.
Ziel der durchgeführten Experimente war es, die Zerfallsmechanismen Van-der-Waals gebundener Argon- und Neon Di- und Trimere in intensiven Laserfeldern zu untersuchen, um mehr über den Einfluss der schwachen Van-der-Waals Bindung auf die Dynamik des Ionisationsprozesses zu erfahren. Da Dimere aufgrund ihrer elektronischen Struktur sehr stark zwei separaten benachbarten Atomen gleichen, vereinen sie atomare und molekulare Eigenschaften in sich und ihre Untersuchung verspricht ein tieferes Verständnis der Wechselwirkungsmechanismen in starken Laserfeldern. Die Verwendung der Impulsspektroskopie Methode COLTRIMS ermöglichte die koinzidente Messung aller beim Aufbruch entstandener ionischer Fragmente sowie eines elektronischen Impulsvektors. Für die beidseitige Einfachionisation des Argon Dimers, konnten bei der gewählten Intensität (etwa 3.3E14W/cm2) drei unterschiedliche Ionisationsprozesse identifiziert werden, von denen zwei zu einer überraschend hohen kinetischen Gesamtenergie der Ionen führen. Aufgrund der Messung der Winkelverteilung der ionischen Fragmente und eines der emittierten Elektronen für lineare und zirkulare Polarisation gelang es, die den drei Prozessen zugrunde liegende Dynamik im Laserfeld zu entschlüsseln. Der dominierende Zerfallskanal stellt demzufolge eine schnelle sequentielle Doppelionisation des Argon Dimers dar, die noch am Gleichgewichtsabstand des Dimers stattfindet. Für den zweithäufigsten Ionisationsprozess ergaben sich zwei mögliche Erklärungsansätze: Entweder wird das Dimer zunächst einseitig doppelionisiert, so dass es auf einer attraktiven Potentialkurve zusammenläuft, bevor es zu einem späteren Zeitpunkt – wenn das Laserfeld bereits abgeklungen ist – durch eine Umverteilung seiner Ladungen in einer Coulomb Explosion fragmentiert, oder das Dimer wird bei einer beidseitigen Tunnelionisation zugleich angeregt, so dass die Coulomb Explosion von einer Potentialkurve erfolgt, die wesentlich steiler als 1/R verläuft. Der schwächste Zerfallskanal, der sich durch die höchste Gesamtenergie auszeichnet, ist auf eine "Frustrated Triple Tunnel Ionization" zurückzuführen, bei der ein hoch angeregter Rydberg Zustand erzeugt wird. Bei der Untersuchung des Neon Dimers konnte bei der gewählten Intensität (etwa 6.3E14W/cm2) nur die sequentielle beidseitige Einfachionisation identifiziert werden, obwohl die Daten Hinweise auf einen weitern Ionisationsprozess mit sehr geringer Statistik aufweisen. Zudem wurde in dieser Arbeit nach der Methode des Coulomb-Explosion-Imaging aus den in Koinzidenz gemessenen Impulsvektoren aller einfachgeladenen ionischen Fragmente eines Aufbruchs die geometrische Struktur der Cluster im Orts-und Impulsraum rekonstruiert. Die ermittelte Grundzustandswellenfunktion des Argon und Neon Dimers zeigt eine gute Übereinstimmung mit quantenmechanischen Berechnungen. Für das Argon und Neon Trimer konnten aus den gemessenen Impulsvektoren mittels einer numerischen Simulation die Bindungswinkel im Ortsraum bestimmt werden, so dass erstmals gezeigt werden konnte, dass diese Trimere gleichseitige Dreieckskonfigurationen aufweisen. Vergleiche mit theoretischen Berechnungen zeigen für die breite Winkelverteilung des Neon Trimers eine hervorragende Übereinstimmung, während die gemessene Winkelverteilung des Argon Trimers etwas breiter als die berechnete ist.
In der vorliegenden Arbeit wurde die zeitaufgelöste Doppelionisation von diatomaren Molekülen in intensiven Laserpulsen untersucht. Dabei waren neben den einfachsten aller Moleküle, Wasserstoff und Deuterium, auch Sauerstoffmoleküle Gegenstand der Untersuchungen. Mit Hilfe der Pump-Probe-Methode konnte die Doppelionisation der Moleküle schrittweise herbeigeführt werden. Dazu wurde das Molekül zunächst von einem ersten schwachen Laserpuls (8 fs) einfachionisiert, bevor es nach einer Zeitverzögerung tau von einem intensiveren zweiten Puls (8 fs) doppelionisiert wurde. Die Zeit zwischen den beiden Pulsen konnte in Schritten einer Femtosekunde von 0 bis 100 fs variiert werden. Die COLTRIMS-Technik lieferte den gesamten Impuls der beiden Coulomb explodierten Fragmente, so daß auch die freigesetzte kinetische Energie (KER) der Ionen bestimmt werden konnte. Diese ist hauptsächlich bestimmt durch den internuklaeren Abstand der Kerne zum Zeitpunkt der Ionisation. Das KER Spektrum in Abhängigkeit der Verzögerung der beiden Pulse veranschaulicht somit die Bewegung des molekularen Wellenpaketes. Dabei konnte die Entwicklung des Wellenpakets entlang zweier verschiedener Potentialkurven in H+2 und D+2 beobachtet werden. Zum einen die Oszillation im gebundenen Potential 1s sigma g und zum anderen die Dissoziation auf der durch das Laserfeld verschobenen Dissoziationskurve 2p sigma u. Mit einem einfachen klassischen Modell konnte die freiwerdende kinetische Energie der durch dissoziative Ionisation entstandenen Ionen bestimmt und mit den Daten verglichen werden. Dabei konnte sowohl für H+2 als auch für D+2 eine gute Übereinstimmung erzielt werden. Wie zu erwarten zeigte sich, daß die Kernbewegung im Deuterium Molekül, aufgrund der höheren Masse, um den Faktor p2 langsamer verläuft. Durch Verwendung eines geringfügig längeren Pulses und eine leichte Minimierung der Laserintensität des Probe-Pulses konnte die dissoziative Ionisation verstärkt werden und der in der Literatur vielfach beschriebene CREI Prozeß direkt nachgewiesen werden. Auch im Falle des Sauerstoffs konnten die Entwicklung von Wellenpaketen in gebundenen und dissozierenden Potentialen beobachtet werden. Das spricht dafür, daß der Doppelionisation von Sauerstoffmoleküulen ein ganz ähnlichen Prozeß zugrunde liegt, wie es für diatomaten Wasserstoff der Fall ist. Die Frage nach dem genauen Ionisationsverlauf konnte jedoch nicht endgültig geklärt werden. Für H+2 und D+2 konnte ein sehr detailliertes Bild der Bewegung der Wellenpakete entlang der Potentialkurven gewonnen werden, das die quantenmechanische Natur der Wellenpakete wiederspiegelt.
Die hier vorliegende Arbeit stellt die experimentelle Bestimmung des Verhältnisses R der totalen Wirkungsquerschnitte von Doppel- zu Einfachionisation von Helium vor. Die Ionisation wurde durch Photonen der Energie von etwa 8 keV und 58 keV induziert. In diesem Energiebereich ist die Ionisation sowohl durch die Absorption eines Photons wie auch durch die Compton-Streuung möglich. Die genutzten Photonenenergien erlaubten, den asymptotischen Hochenergiebereich beider Prozesse zu untersuchen. Mit Hilfe der verwandten Methode der Rückstoßionen-Impulsspektroskopie (hier in der neuesten Generation COLTRIMS, nach COLd Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy) konnten Photoabsorption und Compton-Streuung erstmals experimentell voneinander getrennt werden. Sie ermöglichte ebenfalls eine gegenüber anderen Meßmethoden deutlich gesteigerte Genauigkeit der Werte R. Die Kinematik der auslaufenden Teilchen unterscheidet sich in beiden Prozessen: In der Absorption überträgt das Photon seine volle Energie auf die Targetelektronen. Deren Impuls im auslaufenden Kanal ist groß gegenüber dem des einlaufenden Photons und muß vom Ion kompensiert werden. Dagegen findet die Streuung des Photons am Elektron statt, das Ion nimmt dabei die Rolle eines Zuschauers ein. Es besitzt im auslaufenden Kanal nur einen geringen Impuls. Die so wohlseparierten Strukturen in der Rückstoßionen-Impulsverteilung erlauben die Trennung beider Prozesse durch COLTRIMS. Das Resultat zur Photoabsorption im Hochenergielimit von Rph = (1.72 ± 0.12) % konnte erstmalig die theoretischen Vorhersagen dieses Wertes verifizieren. Der Wert von Rc = (1.22 ± 0.06) % bei etwa 8.8 keV bestätigt die Rechnung von Andersson und Burgdörfer (Phys. Rev. A50, R2810 (1994)). Das Ergebnis von Rc = (0.84 +0.08-0.11) % bei 58 keV stimmt mit dem für die Compton-Streuung vorhergesagten asymptotischen Grenzwert überein.
In der hier vorliegenden Arbeit wurden Fragen der atomaren Korrelation sowie Verschränkung untersucht und ein Beobachtungsfenster geöffnet, durch welches es möglich ist, Einblick in die Grundzustandswellenfunktion von Helium zu erhalten. Der Elektronentransfer (Pq++He->P(q-1)++He+) in schnellen Ion-Atom-Stößen findet im Bereich des Überlapps der Wellenfunktionen des gebundenen Anfangs- und Endzustandes statt [JOpp28a, MMcD70]. Daher kann diese Reaktion besonders selektiv an der Grundzustandswellenfunktion angreifen. Die bei der Transferionisation (Pq++He->P(q-1)++He2++e-) zusätzlich stattfindende Ionisation involviert auch das zweite Elektron. Dadurch ist es möglich die komplexe Vielteilchendynamik zu untersuchen und wie später in dieser Arbeit gezeigt wird, unter bestimmten Bedingungen auch sensitiv auf die Anfangszustandskorrelation zu sein! Die Messungen wurden mit H+-, He+- und He2+-Projektilen bei Einschussenergien von 40 - 630 keV/u (1,25 < vP < 5,02 a. u.) durchgeführt. Durch den Elektronentransferprozess wird auch die Vermessung des Endzustandes, den Impulsen, aller drei Teilchen (Projektil, Elektron und He2+-Rückstoßion) erleichtert. Durch das umgeladene, dann neutrale, Projektil werden zusätzlich die Post-Collision-Effekte minimiert. Zur experimentellen Untersuchung kommt die seit Jahren etablierte Technologie des Reaktionsmikroskops (COLTRIMS, COLd Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy) zum Einsatz [HSch89, RDoe00a, JUll03], die sich durch eine 4¼-Impulsakzeptanz für alle emittierten Teilchen auszeichnet. Nach Kreuzung der Projektilionen mit einem kalten und wohl lokalisierten Gasstrahl werden die umgeladenen Projektile detektiert. Die im Überlappbereich entstehenden Elektronen und Ionen werden mittels elektrischer und magnetischer Felder ebenfalls auf orts- und zeitauflösenden Detektoren projiziert. Anhand des Auftreffortes und der Flugzeit können die dreidimensionalen Impulsvektoren eindeutig rekonstruiert werden. Je nach Energie Projektile dominieren unterschiedliche atomare Reaktionsmechanismen. Entsprechend sind es zwei Fragenkomplexe, denen sich diese Arbeit hauptsächlich widmet: - Was ist die Reaktionsdynamik? Welche Mechanismen tragen zur Reaktion bei und wie hängen diese von Projektilladung und -energie ab? - Lässt sich die Grundzustandswellenfkt. mit dieser Technik abbilden? Die erzielten Ergebnisse sehen wie folgt aus: - Im Bereich langsamer Stöße (vP <= vB;e) wird der Stoßprozess in einem quasimolekularen Bild beschrieben (Sattelpunktionisation). Hier konnten im Wesentlichen die experimentellen Ergebnisse von Schmidt zum symmetrischen Stoßsystems He2+/He [LSch00] bestätigt und zu höheren Projektilgeschwindigkeiten fortgeschrieben werden (60 keV/u). Für die Stoßsysteme He+/He und H+/He wurden sehr ähnliche Emissionsstrukturen im Impulsraum gefunden. - Bei allen untersuchten Projektilenergien und Stoßsystemen wurde eine vom Elektroneneinfang unabhängige Stoßionisation durch Wechselwirkung mit dem Projektil (Binary Encounter, BE) gefunden. Die Erwartung, dass der Targetkern nur Beobachter der Ionisation ist, wurden eindeutig widerlegt und die Abweichungen als Folge von Korrelationseffekten gedeutet. - Speziell für das Stoßsystem He+/He bei 60 keV/u wurden sehr viele im Geschwindigkeitsraum um vP verteilte Elektronen beobachtet und einem Dreistufenprozess zugeschrieben: Zuerst erfolgt die Ionisation des Projektils und anschließend ein resonanter Zweielektroneneinfang. - Wird ein Elektron sehr schnell entfernt, wie durch den Elektroneneinfang bei hohen Projektilgeschwindigkeiten (vP ¸ 3 a. u.) findet die Ionisation sehr häufig durch Shake-off [TAbe67] statt. Die Elektronen wurden entgegen der Strahlrichtung emittiert, zu negativen Longitudinalimpulsen. Darüberhinaus wurde kein Unterschied zwischen den verschiedenen Projektilen beobachtet. Da für den Shake-off-Prozess unter den hier realisierten Bedingungen das Projektil nicht mit dem emittierten Elektron wechselwirkte, spiegelt die Elektronenimpulsverteilung direkt den, durch den Elektroneneinfang präparierten Anteil, der Grundzustandswellenfunktion wider [AGod04, MSch05]. Theoretische Rechnungen bestätigen, dass die rückwärtige Elektronenemission nur durch die stark korrelierten nicht-s2-Anteile im Heliumgrundzustand zu erklären ist. Diese Beimischungen höherer Drehimpulse von weniger als 2 % konnten entgegen der verbreiteten Lehrmeinung zum ersten Mal experimentell nachgewiesen und vermessen werden.
In dieser Arbeit wird die Elektronenemission aus langsamen He 2 HeStößen, d.h. bei Stoßenergien unterhalb von 25 keV/u, experimentell untersucht. Dabei wird auf den Vergleich der Einfachionisation (He 2 He ! He 2 He e \Gamma ) mit der Transferionisation (He 2 He ! He He 2 e \Gamma ) besonderes Gewicht gelegt. Die hier verwendete Meßtechnik ist von verschiedenen Arbeitsgruppen in den letzten Jahren entwickelt worden und unter dem Schlagwort COLTRIMS (Cold Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy) [1, 2, 3] in der Literatur zu finden. Bei COLTRIMS werden die bei einer Reaktion in einem kalten Gastarget gebildeten Ionen in einem schwachen elektrischen Feld abgesaugt. Durch den ortsaufgelösten Nachweis und die Messung der Flugzeit von der Targetzone bis zum Detektor kann die Anfangsbedingung der Bewegung im Feld, d.h. der Vektor des auf das Targetatom übertragenen Impulses, berechnet werden. Diese Methode kommt ohne Blenden aus, so daß im relevanten Teil des Phasenraumes 4ß Raumwinkel erreicht werden. Der Nachweis des Elektrons erfolgt nach demselben Prinzip, jedoch stößt man dabei an die Grenzen der Flugzeitauflösung. Deshalb wurden in allen früheren Experimenten zu ähnlichen Reaktionen [4, 5, 6, 7, 8, 9] nur zwei der drei Impulskomponenten des Elektrons bestimmt. Die Konzipierung eines Spektrometers, welches in der Lage ist, den relevanten Phasenraum lückenlos zu erfassen und dabei alle drei Impulskomponenten der Elektronen zu bestimmen, war der wesentliche Teil der apparativen Entwicklung. Das durchgeführte Experiment ist nicht nur kinematisch vollständig, sondern erlaubt durch Anwendung des Energieerhaltungssatzes auch die Bestimmung der Schale, in der das Elektron im Endzustand gebunden ist. Die beiden oben genannten Reaktionen können somit getrennt nach Ereignissen mit und ohne Anregung untersucht werden, d.h., es wurden gleichzeitig vier verschiedene Ionisationskanäle vermessen. Für den Ionisationsmechanismus bei Stößen mit einer Projektilgeschwindigkeit unterhalb der klassischen Bahngeschwindigkeit der Elektronen hat sich in den letzten Jahren der Begriff ''Sattelpunkt''Prozeß durchgesetzt [10]. Quantenmechanische Beschreibungen für Einelektronensysteme, wie das Stoßsystem p H, wurden u.a. mit der semiklassischen GekoppelteKanäleMethode [11] in einem speziellen Basissatz [12, 13] und der ''HiddenCrossings''Theorie [14, 15] gegeben. Beide Modelle beschreiben das System aus Projektil und Target als Quasimolekül. Si sind lediglich in der Lage, die groben Strukturen in den Spektren zu erklären. Das gewählte Stoßsystem He 2 He, welches zwei Elektronen besitzt, erlaubt die Untersuchung von Korrelationseffekten. Die Messungen haben ergeben, daß die Impulsverteilung des emittierten Elektrons stark davon abhängt, wo und in welchem Bindungszustand das zweite Elektron nachgewiesen wird. Die gleiche Kernladung von Projektil und Target bedingt, da alle Eigenzustände des gebildeten Quasimoleküls die Symmetrie des Hamiltonoperators gegenüber Raumspiegelung besitzen, und durch diese Spiegeloperation gehen die Endzustände der Transferionisation und der Einfachionisation ineinander über. Durch die gleichzeitige Messung der differentiellen Wirkungsquerschnitte der verschiedenen Reaktionskanäle und deren Vergleich erhält man Einblick in die zugrundeliegenden Prozesse.
Im Rahmen dieser Promotionsarbeit wurden fünf verschiedene Experimente mit der Schwerionen-Mikrosonde der GSI durchgeführt. Vier dieser Experimente waren erfolgreich, bei einem Experiment wurden nicht die erhofften Ergebnisse erzielt. Alle Experimente haben Ziele und Fragestellungen verfolgt, die vornehmlich mit einer Ionen-Mikrosonde bearbeitet werden können. Es wurde gezeigt, dass durch die Anwendung fein fokussierter Ionenstrahlen physikalische und technische Probleme im Mikrometerbereich sehr effizient und erfolgreich aufgeklärt werden können. Die hohe örtliche Auflösung der Mikrosonde in Verbindung mit den bekannten auf Ionenstrahlen basierenden Analysemethoden ermöglicht den Zugriff auf Informationen, die auf anderem Wege gar nicht oder nur schwer zugänglich sind. Das erste der fünf Experimente an der Mikrosonde untersuchte die Eigenschaften von polykristallinem CVD Diamant, bei der Verwendung dieses Materials als Detektor für Schwerionen. Der große Nachteil dieses Detektormaterials ist die geringe Fähigkeit, im Detektor erzeugte Ladungsträger verlustfrei zu den Elektroden zu transportieren, um sie dort zu sammeln. Häufig werden bei diesem Transportprozess vom Entstehungsor t der Ladungsträger zu den Elektroden über 90 % der ursprünglich vorhandenen Ladungsträger von Ladungsträgerfallen im Diamantmaterial eingefangen. Es bestand der starke Verdacht, dass diese Fallen vorwiegend in den Korngrenzen zwischen den Diamanteinkrista llen lokalisiert sind. Aus diesem Verdacht begründete sich die Hoffnung, dass die Einkristalle im CVD Diamant ein wesentlich besseres Ladungssammlungsverhalten zeigen würden. Da die Ionenmikrosonde einen Ionenmikrostrahl mit einem lateralen Fokusdurchmesser von ca. 0,5 µm über eine Targetfläche von 1 x 1 mm² rastern kann und dabei Punkt für Punkt die Reaktion des Targetmaterials nachweisen kann, ist sie das geeignete Werkzeug zur Untersuchung von Ladungssammlungsprozessen im Bereich der Einkristalle und der Korngrenzen. Bei der Auswertung der Ergebnisse des Experiments ist aufgefallen, dass man für das CVD Diamantmaterial innerhalb der Ionenbestrahlung zwei verschiedene Zustände unterscheiden muss. Ein unbestrahlter CVD Diamant verhält sich in Bezug auf die Ladungssammlungs- eigenschaften wesentlich anders als ein bestrahlter CVD Diamant, der schon eine gewisse Ionendosis akkumuliert hat. Beim unbestrahlten Diamant ist zu beobachten, dass sowohl in den Einkristallen als auch in den Korngrenzen sehr effektive Ladungsträge rfallen existieren. Die generelle Aussage, dass Diamanteinkristalle eine bessere Ladungssammlung zeigen, kann hier nicht bestätigt werden. Es konnte aber gezeigt werden, dass es, im etwa 300 x 350 µm großen Scannfeld, Bereiche mit sehr guten Ladungssammlungseigenschaften (Effizienz über 90 % im Maximum der Verteilung) gibt und in unmittelbarer Nähe Bereiche mit geringster Ladungssammlungs- effizienz (etwa 8 % im Maximum der Verteilung) existieren. Es konnte nicht geklärt werden, ob diese Bereiche aus Einkristallen bestehen oder sich über Korngrenzen ausdehnen. Die beobachtete 90%ige Ladungssammlungseffizienz ist jedoch ein eindeutiger Nachweis der Möglichkeit, die Detektoreigenschaften dieses Materials wesentlich verbessern zu können, wenn es gelingt, die Besonderheiten dieses hocheffizienten Bereichs aufzuklären. CVD Diamantdetektoren, die schon eine gewisse Ionendosis akkumuliert haben, werden auch als gepumpte Detektoren bezeichnet. Das Pumpen des Detektors kann dabei auch durch andere Formen der Energiezufuhr, beispielsweise mit Hilfe eines Lasers erfolgen, wichtig ist nur, dass eine große Zahl der Ladungsträgerfallen mit Ladungsträgern gefüllt sind. Da diese Fallen im CDV Diamant relativ tief sind, werden gefüllte Fallen nicht schnell entleert und sie stören, so lange sie gefüllt sind, die Ladungssammlung nicht mehr. Die Ladungs- sammlungseffizienz gepumpter Diamantdetektoren verbessert sich sehr stark im Vergleich zum ungepumpten Material. Das Maximum der Verteilung des Ladungssammlungsspektrums verschob sich von etwa 15 % Effizienz beim ungepumpten Detektor zu mehr als 50 % Effizienz beim gepumpten Detektor gemittelt über das gesamte Scannfeld. Bei der Betrachtung des Einflusses der Korngrenzen im gepumpten Material konnte festgestellt werden, dass die Einkristalle nun tatsächlich wesentlich weniger zum Verlust der Ladungsträger beitragen als die Korngrenzen. Die Korngrenzen zeichneten sich beim gepumpten CVD Diamant deutlich als dominante Bereiche des Ladungsträgerverlustes ab. Somit haben wir die bestehende Vermutung über den dominierenden Ladungsträgereinfang in den Korngrenzen für den gepumpten CVD Diamanten bestätigen können, beim ungepumpten Material hingegen verwerfen müssen. Eine weitere Aufklärung der Unterschiede zwischen den beiden Zuständen wür de hier zu einem besseren Verständnis der Vorgänge führen. Zudem wurde am CVD Diamant eine Hochdosisbestrahlung vorgenommen, bei der bestimmt werden sollte ab, welcher Ionendosis das Material soweit geschädigt ist, dass eine Trennung der Detektorsignale von den Rauschsignalen nicht mehr möglich ist. Für einen 8,3 MeV/u 12C-Strahl war diese Trennung ab einer Dosis von 8,0 x 1013 Ionen/cm² nicht mehr möglich, was bedeutet, dass der Detektor hier seine Verwendbarkeit verliert. Eine weitere Gruppe von drei Experimenten befasste sich mit der Wirkung von schnellen, schweren Ionen auf Halbleiterbauelemente. Diese anwendungsorientierten Experimente sollten Ursachen für das Fehlverhalten mikroelektronischer Bauelemente bei Ionentreffern an bestimmten Orten und zu bestimmten Zeitpunkten untersuchen, beziehungsweise Grundlagen für die theoretische Betrachtung der Vorgänge liefern. Beim ersten der drei Experimente wurde das Auftreten von Single Event Upsets in Verbindung mit Single Event Latchups in SRAM Bausteinen untersucht. Die Latchups werden bei den üblichen Testverfahren durch einen Spannungsabfall an einem externen Widerstand in der Versorgungsleitung erkannt. Mit Hilfe der Mikrosonde wurde nachgewiesen, dass diese Methode der Latchupdetektion unzureichend sein kann. Da die internen Versorgungsleitungen in der Halbleiterstruktur selber Widerstände bilden, kann der Latchup am äußeren Widerstand unter bestimmten Bedingungen nicht erkannt werden. Hier spielt die Länge der integrierten Versorgungsleitung eine wesentliche Rolle. Die bild- gebenden Verfahren der Mikrosonde bei der simultanen Messung von Latchups und Upsets können hier Latchups entdecken, die im üblichen Testverfahren nicht erkennbar waren. Das zweite dieser drei Experimente hatte das Ziel, die Upsetempfindlichkeit einer getakteten CMOS- Struktur im Bereich der Schaltflanken zu bestimmen. Hierzu wurden die Schaltzeit- punkte des ICs mit dem vom UNILAC gelieferten Ionenstrahl synchronisiert. Einzelne Ionen trafen den Schaltkreis nur innerhalb eines Zeitfensters von 2 nsec um die Schaltflanke. Da der getaktete integrierte Schaltkreis im Bereich der Schaltflanken besonders empfindlich auf die vom Ion erzeugten zusätzlichen Ladungsträger reagiert, sollten die Upsetwahrscheinlichkeiten innerhalb des Schaltprozesses mit möglichst hoher zeitlicher Auflösung vermessen werden. Die Bestimmung der Trefferzeitpunkte mit einer zeitlichen Genauigkeit von 1 ns oder besser brachte jedoch eine Vielzahl von Problemen mit sich, die letztlich dazu führten, dass dieses Experiment nicht erfolgreich abgeschlossen werden konnte. Auf Grund seiner hohen technischen Bedeutung wurde es in dieser Arbeit aber beschrieben und sollte nach der Verbesserung der Treffererkennung erneut durchgeführt werden. Es wäre das erste Experiment, in dem die Empfindlichkeit einer CMOS- Struktur gegen Ionenstrahlen mit hoher örtlicher und zeitlicher Auflösung gemessen wird. Das dritte Experiment dieser Serie befasste sich mit der für theoretische Vorhersagen wichtigen Größe des elektronischen Durchmessers der Ionenspur. Aus der vom Schwerion erzeugten Spur breitet sich eine elektronische Stoßkaskade aus. Diese freien Ladungsträger können ungewollte Schaltvorgänge in integrierten Schalkreisen auslösen. Da die Integrationsdichte in modernen Baugruppen immer höher wird, kann die vom Ion erzeugte Spur aus freien Ladungsträgern mehrere Transistoren beeinflussen. Die Ausdehnung dieser Spur kann nicht mehr als vernachlässigbare Größe eingestuft werden. Um den Durchmesser der Spur zu bestimmen, wurde ein fein fokussierter 5,9 MeV/u Nickel-Strahl über eine Probe aus Mikrostreifen gerastert, und die in den Streifen gesammelten Ladungssignale wurden gemessen. Trotz einiger Probleme mit der kapazitiven Kopplung von Signalen zwischen den Streifen und dem Substrat und de n Streifen untereinander konnte der Durchmesser der elektronischen Spur bei diesem Test zu etwa 1,2 µm bestimmt werden. Es sollte der Versuch unternommen werden, diesen ersten experimentellen Wert durch weitere verfeinerte Messungen zu bestätigen und vor allem sollte versucht werden, das Dichteprofil der Elektronen in der Ionenspur mit dieser Technik zu bestimmen. Diese Informationen wären von großem Wert für theoretische Modelle zur Empfindlichkeit von integrierten Elektroniken gegen die Effekte einzelner Ionen. Im fünften und letzten Experiment dieser Arbeit wurde die Ionen-Mikrosonde als Werkzeug zur Strukturierung eines Hochtemperatur Dünnfilm Supraleiters eingesetzt. In der sogenannten Shubnikov-Phase können magnetische Flussquanten in den Supraleiter eindringen, obwohl der Zustand der Supraleitung noch vorhanden ist. Diese Flussquanten können durch säulenartige korrelierte Defekte im Supraleiter gebunden werden. Die Spuren schwerer Ionen bilden solche kolumnaren Defekte, die mit Hilfe der Mikrosonde aufgeprägt werden können. Da bei dieser Strukturierung eine hohe Defektdichte erforderlich war, konnte aus Zeitgründen eine Strukturierung mit dem schreibenden Ionenstrahl nicht realisiert werden. Stattdessen wurde eine Schlitzmaske verwendet, die mit Hilfe der Mikrosonde verkleinert auf der Oberfläche des Supraleiters abgebildet wurde. Auf diese Weise wur de dem Supraleiter eine Defektstruktur aus Stegen, die in einem bestimmten Winkel orientiert waren, aufgeprägt. An dem so erzeugten Supraleiter wurden dann an der Universität Mainz die elektrischen Transporteigenschaften des Materials unter dem Einfluss eines gepinnten magnetischen Feldes gemessen. Da die erwarteten Effekte aus dem Pinning der magnetischen Flussquanten erst dann eine messbare Größe annehmen, wenn dem Supraleiter Defektstrukturen in der Größenordnung von einigen µm aufgeprägt werden, ist auch hier die Ionen-Mirkrosonde das einzige verfügbare Instrument für diese Aufgabe. Mit dieser Arbeit wurde deutlich gemacht, dass eine Ionen-Mikrosonde ein vielseitig einsetzbares Instrument ist, das vor allem aufgrund der hohen Bedeutung von miniaturisierten Systemen in der modernen Forschung und Technik ein hohes Verwendungspotential besitzt. Alle hier vorgestellten Experimente wären ohne den Einsatz der Mikrosonde nicht durchführbar gewesen. Neben diesen Experimenten werden an der GSI noch eine Reihe weiterer Experimenten zum Beispiel im Bereich der Biophysik bearbeitet, die ihrerseits von der einzigartigen Möglichkeit der µm-genauen Platzierung schwerer Ionen profitieren.