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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.
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.
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.