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Experimente zum radiativen Elektroneneinfang (REC, Radiative Electron Capture), der Zeitumkehrung der Photoionisation, wie er in Stößen hochgeladener, relativistischer Schwerionen mit leichten Gasatomen auftritt, ermöglicht einen einzigartigen Zugang zum Studium der Photonen-Materie-Wechselwirkung im Bereich extrem starker Coulombfeldern. So ist die REC-Strahlung im relativistischen Bereich zum einen geprägt durch das Auftreten von höheren elektrischen und magnetischen Multipolordnungen und zum anderen durch starke Retardierungseffekte. In Folge dessen wurde der REC-Prozeß in den vergangen Jahren sehr detailliert untersucht, wobei sich die experimentelle und theoretische Forschung auf die Emissionscharakteristik der REC-Photonen konzentrierte, wie z.B. auf Untersuchungen von Winkelverteilungen und Linienprofilen. Mittlerweile kann der REC-Prozeß als ein - selbst für die schwersten Ionen - wohlverstandener Effekt angesehen werden. Allerdings entzog sich den Experimenten bislang eine zur Beschreibung der Photonenmission wesentlich Größe, näamlich die Polarisation der Strahlung. Die lineare Polarisation der REC-Strahlung, wie sie in Stößen zwischen leichten Atomen und den schwersten, hochgeladenen Ionen vorhergesagt wird, war der Gegenstand der vorliegende Arbeit, in der es erstmals gelang, die diese für den konkreten Fall des Einfangs in die K-Schale von nackten Uranionen nachzuweisen und im Detail zu untersuchen. Die hierzu notwendigen experimentellen Untersuchungen erfolgten am Speicherring ESR der GSI-Darmstadt für das Stoßsystem U92+ -> N2 und für Projektilenergien, die im Bereich zwischen 98 und 400 MeV/u lagen. Besonders hervorzuheben ist der Einsatz eines segmentierten Germaniumdetektors, der speziell für den Nachweis linear polarisierter Strahlung im Energiebereich oberhalb 100 keV entwickelte wurde. Die lineare Polarisation der Strahlung wurde hierbei durch eine Analyse der Comptonstreuung innerhalb des Detektors gewonnen. Die durch eine präzise Analyse der Comptonstreuverteilungen gewonnenen Daten zeigen eine ausgeprägte lineare Polarisierung der REC-Strahlung in der Streuebene, die zudem eine starke Abhängigkeit als Funktion der Stoßenergie und des Beobachtungwinkels aufweist. Der detaillierte Vergleich mit nicht-relativistischen und relativistischen Vorhersagen ermöglichte darüberhinaus den Nachweis für das Auftreten starker relativistischer Effekte, die sich allerdings depolarisierend auswirken. Das Experiment wurde am internen Target des ESR-Speicherrings durchgeführt, wobei der Photonennachweis mittels mehrerer Ge(i)-Detektoren erfolgte, die die Ionen-Target-Wechselwirkungszone unter Beobachtungswinkeln zwischen nahe Null und 150 Grad einsahen. Alle Photonendetektoren wurden in Koinizidenz mit einem Teilchendetektor betrieben, um so die volle Charakteristik des REC-Prozesses zu erfassen, also den Einfang eines Targetelektrons in die nackten Uranionen (U92+) unter Emission eines Photons. Für den Polarisationsnachweis entscheidend war der Einsatz eines Germanium-Pixel-Detektors, der abwechselnd unter den Winkeln von 60 und 90 Grad betrieben wurde. Dieser Detektor verfügt über eine 4x4 Pixelmatrix (Pixelgröße: 7x7 mm), wobei die elektronische Information jedes Pixels (Energiesignale und schnelle Zeitsignale) separat registriert und aufgezeichnet wurde. Hierdurch war es möglich Ereignisse, die koinzident in zwei Pixeln erfolgten, zu detektieren und zu analysieren. Dies ist die eigentliche Voraussetzung für den Nachweis der linearen Polarisation bei hohen Photonenenergien, bei dem die Abhängigkeit des differenziellen Wirkungsquerschnitts für Comptonstreuung von der linearen Polarisation der einfallenden Photonen ausgenutzt wird (siehe Klein-Nishina Formel Eq. 2.7). Der Nachweis der Comptonstreuung erfolgt hierbei durch die Detektion des Compton-Rückstoßelektrons (deltaE) und des gestreuten Comptonphotons (hw'), die jeweils separat, aber koinzident in zwei unterschiedlichen Segmenten des Detektors nachgewiesen werden. Hier sei betont, dass für Germanium bereits ab Photonenenergien von ca. 160 keV die Absorption der Strahlung durch den Compton-Effekt über die Photoabsorption dominiert und somit das Ausnutzen des Compton-Effekts prinzipiell eine sehr effektive Technik ist. Der Auswertung der Datenfkam wesentlich zugute, dass der Germanium-Detektor über eine im Vergleich zu Szintillations- oder Gaszählern gute Energieauflösung von ca. 1.8 keV bei 122 keV verfügt. Somit kann durch Bilden der Summenenergie hw = hw' + deltaE für koinzidente Ereignisse die Energie des einfallenden Photons (hw) rekonstruieren werden und als zwingende Bedingung dafür herangezogen werden, dass es sich bei dem Ereignis im Detektor um ein Compton-Event gehandelt hat. Für den Fall linearer Polarisation ist eine wesentliche Aussage der Klein-Nishina-Formel, dass die maximale Intensität für die Compton gestreuten Photonen senkrecht zur Polarisationsebene zu erwarten ist. Tatsächlich zeigen bereits die während des Experiments aufgenommenen Rohdaten für den Fall der untersuchten REC-Strahlung, die durch den Einfang in die K-Schale des Projektils entsteht, dass es sich hierbei um eine stark polarisierte Strahlung handelt, wobei eine erhöhte Intensität für Comptonstreuung senkrecht zur Stoßebene (für den REC-Prozeß definiert durch die Ionenstrahlachse und den Impuls des REC-Photons) festgestellt wurde (vgl. Fig. 7.3). Zur genauen qualitativen Analyse der Meßdaten wurden alle möglichen Pixelkombinationen der (4x4) Detektorgeometrie ausgewertet, wobei jedoch koinzidente Ereignisse benachbarter Segmente ausgeschlossen wurden, um den hier vorhandenenen Einfluß elektronischer Übersprecher zu eliminieren. Zudem erfolgte die Analyse der Daten unter Berücksichtigung verschiedenster Effekte, die einen Einfluß auf die Nachweiseffizienzen für die Compton gestreuten Photonen haben könnten. An prominenter Stelle ist hier die Korrektur zu nennen, die durch die Detektordicke von 1,5 cm und der Pixelgröße von 7x7 cm2 hervorgerufen wird. Zu betonen ist hier, dass für die Auswertung nur relative Effizienzen eine Rolle spielen und so der Einfluß systematischer Fehler, hervorgerufen durch Effizienzkorrekturen, stark reduziert werden konnte (für eine so gewonnene, vollständige Compton-Streuverteilung sei auf Abbildung 9.1 verwiesen, in der die Intensitätsverteilung für Compton-Streuung dargestellt ist). Es sei auch hervorgehoben, dass der Nachweis der Polarisation durch Messungen von vollständigen Compton-Intensitätverteilung im Detektor erfolgte, was das hier diskutierte Experiment wesentlich von konventionellen Polarisationsexperimenten für harte Röntgen- und gamma-Strahlung unterscheidet. Üblicherweise wird in diesen Experimenten die Comptonstreuung ausschließlich in der Reaktionsebene und senkrecht dazu nachgewiesen. Generell weisen die in der vorliegenden Arbeit gewonnen Compton-Streuverteilungen für den K-REC-Prozeß ein ausgeprägtes Maxium senkrecht zur Reaktionsebene auf und bestätigen somit den bereits aus den Rohdaten abgeleiteten Befund, dass die Polarisationsebene der KREC Strahlung in der Reaktionsebene des Stosses liegt. In der Tat kann dieser Befund für alle Energien und Beobachtungswinkel bestätigt werden, die in dem hier diskutierten Experiment verwendet wurden. Hier sei zudem darauf hingewiesen, dass es durch die Erfassung der vollständigen Compton-Streuverteilung möglich war, die Orientierung der Polarisationsebene in Bezug auf die Stoßebene mit hoher Präzision zu erfassen. So konnte z.B. bei der Stossenergie von 400 MeV/u und dem Winkel von 90 Grad, die Orientierung der Comptonstreuverteilung in Bezug auf die Stoßebene zu ph=90 Grad bestimmt werden. Dieser Befund könnte für die Planung zukünftiger Experimente zum Nachweis polarisierter Ionenstrahlen entscheidend sein, da eine Abweichung von der ph = 90 Grad Symmetrie nur durch das Vorhandensein polarisierter Teilchen erklärt werden kann. Dieser Effekt, der in neuesten theoretischen Behandlungen im Detail untersucht wurde, stellt gleichsam einen neuen Zugang zur Bestimmung des Polarisationsgrads der Projektile dar. Hierdurch wird die Stärke der hier angewandten Technik verdeutlicht, die auf dem Einsatz eines ortsempfindlichen Germanium-Pixel- Detektors beruht. Die Bestimmung des genauen Polarisationsgrades für die K-REC-Strahlung erfolgte durch eine X2-Anpassung der Klein-Nishina-Formel an die experimentellen Daten. Die hieraus resultierenden Daten zeigen für alle Strahlenergien und Beobachtungsgwinkel eine starke Polarisation von etwa 80%, wobei die experimentelle Unsicherheit im 10% Bereich liegt. Letztere ist im wesentlichen auf die statistische Genauigkeit zurückzuführen. Die Daten wurden zudem eingehend mit theoretischen Vorhersagen verglichen. Die Theorie stützt sich auf eine vollständige relativistische Beschreibung des REC-Prozesses unter Verwendung exakter Wellenfunktionen für das Kontinuum und den 1s Zustand in wasserstoffartigem Uran. Typischer weise mußten bei den Rechnungen sowohl elektrische wie auch magnetische Multipolterme bis hin zu L=20 verwendet werden, um Konvergenz zu erreichen. Der Vergleich zeigt eine hervorragende Übereinstimmung zwischen Experiment und Theorie. Zudem verdeutlicht der Vergleich mit der ebenfalls diskutierten Vorhersage der nicht-relativistischen Dipolnäherung die Bedeutung relativistischer Effekte (vor allem das Auftreten höherer elektrischer und magnetischer Multipole), die für die Emission der REC-Strahlung bei hohen, relativistischen Energien und hohem Z charakteristisch sind. Offensichtlich wirken sich diese Effekte stark depolarisierend aus. Dass in der Tat eine Zunahme der depolarisierenden Effekte mit einer Zunahme der Strahlenergie verbunden ist, wird auch durch die Daten dokumentiert, die für den Beobachtungswinkel von 60 Grad als Funktion des Projektilenergie untersucht wurden. Die in der vorliegenden Arbeit gewonnenen Resultate für die Polarisation der REC-Strahlung ebenso wie die neuartige Experimenttechnik, die hierbei zum Einsatz kam, lassen für die nahe Zukunft eine Serie von weiteren Polarisations-Experimenten erwarten. Hierbei könnte der REC-Strahlung und deren Polarisation als Mittel zur Diagnostik und zum Nachweis des Polarisationsgrades gespeicherter Ionenstrahlen eine Schlüsselrolle zukommen. Als Detektorsysteme werden hierzu zwei-dimensionale Germanium- und Silizium-Streifen-Detektoren zum Einsatz kommen bzw. Kombinationen aus zweidimensionalen Silizium- und Germanium-Detektoren, sogenannte Compton-Teleskope. Diese Compton-Polarimeter, die gegenwärtig für neue Experimentvorhaben am ESR-Speicherring entwickelt werden, verfügen über eine wesentlich verbesserte Ortsauflösung (z.B. 1x1 mm2) und somit über eine wesentlich gesteigerte Nachweiseffizienz für die Comptonstreuung (ein bis zwei Größenordnungen). Hierdurch sollte es möglich sein, den für Polarisationexerperimente zugänglichen Energiebereich wesentlich auszudehnen, sodass selbst die charakteristische Strahlung der Schwerionen (ca. 50 bis 100 keV) für solche Experimente zugänglich wird.
A new technique for precision ion implantation has been developed. A scanning probe has been equipped with a small aperture and incorporated into an ion beamline, so that ions can be implanted through the aperture into a sample. By using a scanning probe the target can be imaged in a non-destructive way prior to implantation and the probe together with the aperture can be placed at the desired location with nanometer precision. In this work first results of a scanning probe integrated into an ion beamline are presented. A placement resolution of about 120 nm is reported. The final placement accuracy is determined by the size of the aperture hole and by the straggle of the implanted ion inside the target material. The limits of this technology are expected to be set by the latter, which is of the order of 10 nm for low energy ions. This research has been carried out in the context of a larger program concerned with the development of quantum computer test structures. For that the placement accuracy needs to be increased and a detector for single ion detection has to be integrated into the setup. Both issues are discussed in this thesis. To achieve single ion detection highly charged ions are used for the implantation, as in addition to their kinetic energy they also deposit their potential energy in the target material, therefore making detection easier. A special ion source for producing these highly charged ions was used and their creation and interactions with solids of are discussed in detail.
This thesis is devoted to the study of Micro Structured Electrode (MSE) sustained discharges. Innovative approaches in this work are i) the implementation of MSE arrays for high-pressure plasma generation and ii) the use of diode laser atomic absorption spectroscopy for investigating sub-millimetric discharges. By means of MSE arrays the discharge gap is scaled down to the sub-millimetric range and accordingly the working pressure could be increased up to atmospheric. It should be underlined that besides the ease of use, since expensive vacuum equipment is not required, high-pressure discharges offer also a high density of active species. A MSE consists of holes, regularly distributed in a composite sheet made of two metal layers separated by an insulator. The electrodes and insulator thickness and the diameter of the holes are in the 100 micrometer range. Based on these microstructures stable non-filamentary DC discharges are generated in noble gases and gas mixtures at pressures up to 1000 mbar. The MSE sustained discharge can be considered as a normal glow discharge whereby the excitation and ionization efficiency is increased by the specific electrode configuration (hollow cathode geometry). Large area high-pressure plasma can be achieved by parallel operation of a large number of microdischarges. Parallel operation of up to 200 microdischarges without individual ballast was proven for pressures up to 300 mbar. Furthermore, arrays of resistively decoupled microdischarges were operated up to atmospheric pressure. Spectral investigations have revealed the presence of highly energetic electrons (20 eV), a large density of atoms in metastable states (1013 cm-3) and a high electron density (1015 cm-3). Although the plasma confined inside the hole of the MSE may reach gas temperatures up to 1000 K, the ambient gas temperature immediately above the microstructure exceeds only slightly the room temperature. The reactivity of the MSE sustained discharge was demonstrated in respect to waste gas decomposition and surface treatment. The MSE arrays are providing a non-equilibrium high-pressure plasma, which is very promising for surface processing, plasma chemistry and generation of UV radiation.
In the present work we applied the Optically read out PArticle track Chamber, OPAC, for the measurement of radial dose distributions, d(r), around tracks of heavy ions passing through the gas-filled sensitive volume of the chamber. The measured data were compared with d(r) functions derived from data calculated with the Monte Carlo particle transport code, TRAX – which is used for the heavy ion therapy planning at GSI. To measure this quantity we have used here an optically read out time projection chamber (OPAC) with a parallel-drift field and one or several electron and light amplification stages. The two dimensional projection of the three dimensional ionization pattern caused by the ionizing particle passing through the chamber is captured by an image intensified CCD camera. The work is motivated by the role the radial dose distribution plays in the estimation of the relative biological effectiveness (RBE) of heavy ions, e.g. in radiation therapy and in radiation protection. The most successful model for high-dose irradiation with ions (applicable e.g. for heavy ion therapy) is found to be the local effect model (LEM). The present work intends to deliver measured data for one of the basic physical parameters which serve as input for the application of the local effect model: the radial dose distribution, d(r). The first goal of our measurement program was the measurement of d(r) distributions around carbon ions of different energies from 400 MeV/u down to the Bragg peak regions. We found an excellent agreement between the measured and simulated distributions at all carbon energies for the r–range in which the measurements deliver useful results. The lower limit of this range is about 100 nm and the upper limit is 6000 nm at a resolution of down to 33 nm - if scaled to water density. Despite the simplifications in the TRAX code (e.g. binary encounter theory for the emission ionization electrons), the discrepancies between the simulated and measured d(r) distributions are found to be lower than the measurement uncertainties at most measured carbon ion energies in almost the whole observed r-range. Hence, within the limitations of our measurements we can conclude that the precision of TRAX is sufficient to simulate the d(r) distributions around carbon ions to serve as input parameter for therapy planning. However, this conclusion is only valid for larger radial distances (r >100 nm). For smaller radial distances the measured data are dominated by the diffusion. Apart from carbon ion tracks, tracks of very heavy ions (40Ar, 84Kr and 238U) were also measured with OPAC. The simulated d(r) values were typically slightly or significantly higher than the measured data in the 100 nm < r < 5000 nm region. The experience has shown: the heavier or the faster the ion, the higher the discrepancies. On the one hand, we found a surprisingly good agreement between measurements and simulations if the ions had energies of around 50 MeV/u (i.e. relatively low energy). On the other hand, at higher energies, simulated data underestimate the measured ones by up to a factor of two in the region of 100 nm < r < 1000 nm for 84Kr (E = 650 MeV/u) or in the region of 100 nm < r < 6000 nm for 238U (E = 1 GeV/u). A possible reason for these discrepancies is that the BEA model, used in TRAX for the production ionization electrons, is not adequate for very heavy projectiles. The energy values of the very heavy ions were selected with the aim of comparing the track structures - and namely the d(r) distributions - of ions with largely different atomic mass but similar LET values. From the Z-dependency of the stopping power we know that for heavier ions a higher specific ion energy (expressed in MeV/u) is required to provide the same LET. For example the common LET of 315 keV/micro-m was achieved at largely different specific energy levels of 4,4 MeV/u for 12C, 65 MeV/u for 40Ar and 650 MeV/u for 84Kr ions. The difference in the track structures was expected mainly due to the different ion velocities and thus e.g. different ranges of d-electrons. This expectation could be confirmed by the measurements. The reason why - in line with the simulations - no strong differences could be observed in the d(r) distributions of the argon and krypton ions is the relatively small difference in the velocities of the both ion types in conjunction with the limited range in r, where the data can be compared. In contrary, the d(r) function of the carbon ion shows a qualitatively different behavior than the heavier ions inside the observable radius-range - in agreement with the simulations.
In summary, the cooled heavy-ion beams of the ESR storage ring offer excellent experimental conditions for a precise study of the effects of QED in the groundstate of high-Z one- and two-electron ions. This has been demonstrated within the series of experiments conducted at the electron cooler device as well as at the gasjet target. In this work we have used a recently developed experimental approach to obtain the first direct measurement of the two-electron contributions to the ground state binding energy of helium-like uranium. By employing our method, all one-electron contributions to the binding energy such as finite-nuclear size corrections and the one-electron self energy cancel out completely. Note, this is a distinctive feature of this particular kind of QED test and is in contrast to all other tests of bound state QED for high-Z ions such as 1s Lamb shift (in one-electron systems), g-factor of bound electrons, or hyperfine splitting. Compared to former investigations conducted at the superEBIT in Livermore we could already substantially improve the statistical accuracy and extend studies to the higher-Z regime. Moreover, our result has reached a sensitivity on specific two-electron QED contributions. Our value agrees with the theoretical predictions within the experimental uncertainty. Similar to the superEBIT experiment possible sources of systematic errors are essentially eliminated and the final result is limited only by counting statistics. For the case of the 1s Lamb shift in hydrogen-like uranium, the achieved accuracy of +- 4.2 eV is a substantial improvement by a factor of 3 compared to the most precise value up to now [44] (see Fig. 5.6). Our result already provides a test of the first-order QED contributions at the 1.5% level and only a slight improvement is required in order to achieve a sensitivity to QED contributions beyond first-order SE and VP.