Investigations of the Lamb shift in heavy one and two electron systems

Im Rahmen dieser Arbeit sind Experimente zur Bestimmung der 1s Lamb-Verschiebung in wasserstoffartigen Schwerionen und zur Bestimmung des Innerschalenübergangs 2 3P2 --> 2 3S1 in heliumartigen Schwerionen durchgeführt worden. Diese Untersuchungen sind interessant, da es sich hierbei um die Überprüfung der Quantenelektrodynamik im Bereich sehr starker Coulombfelder handelt. Neben den reinen QED-Effekten spielen in diesen schweren Systemen auch relativistische Effekte eine immer bedeutendere Rolle. Es ist erstmals gelungen, eine direkte Messung des Innerschalenübergangs 2 3P2 --> 2 3S1 in einem schweren Z-System durchzuführen. Während in bisherigen Experimenten lediglich leichtere Ionen bis zu einer Kernladungszahl Z = 54 untersucht wurden, sind wir mit unserem Experiment an U90+-Ionen in den Bereich schwerer Systeme vorgedrungen. Zur Energiebestimmung sind am Gastarget des Experimentier-speicherrings (ESR) ein Kristallspektrometer unter einem Beobachtungswinkel von 90° und ein einfacher planarer Germaniumdetektor unter einem Winkel von 35° aufgebaut worden. Das Kristallspektrometer ermöglicht eine hohe Energieauflösung, während der Germaniumdetektor einen breiten Energiebereich abdeckt und somit eine eindeutige Identifizierung der Übergänge ermöglicht. Ein Fit des aufgenommenen Energiespektrums mit einer Simulation zeigt, wie gut die theoretischen Vorhersagen die Übergangsdynamik in diesem Zwei-Elektronen-System beschreiben. Der Innerschalenübergang kann eindeutig von benachbarten Übergängen unterschieden werden. Mit dem Kristallspektro-meter ergibt sich eine Übergangsenergie von 4510,31 ± 0,51 eV, mit dem Germanium-detektor 4509,6 ± 1,5 eV. Beide stimmen gut mit den theoretischen Vorhersagen überein. Durch den geringen Fehler von 0,51 eV stellt diese Messung auch im Vergleich mit den vorhergehenden Experimenten in leichten Systemen eine der genauesten Messungen des Innerschalenübergangs in He-artigen Ionen dar. Zusätzlich dazu kann die Differenz der Innerschalenübergangsenergie von Li-artigem und He-artigem Uran ermittelt werden: 50,94 ± 0,45 eV. Mit dieser Genauigkeit ist unser Experiment empfindlich auf die Zwei-Elektronen-QED und ermöglicht erstmal eine experimentelle Überprüfung dieses Beitrags, der von Kozhedub et al. mit 1,18 eV angegeben wird. Zur Untersuchung der 1s Lamb-Verschiebung von wasserstoffartigen Schwerionen sind bereits eine Vielzahl an Experimenten durchgeführt worden, mit einer maximalen Genauigkeit von 4,6 eV. Die theoretische Auswertung von Korrekturtermen höherer Ordnung erfordert jedoch neue experimentelle Methoden, mit denen sich Genauigkeiten auf dem Niveau von 1 eV und besser erzielen lassen. Dazu hat es ein Nachfolge-experiment zur bisher genauesten Messung der 1s Lamb-Verschiebung in U91+ und des Zwei-Elektronen-Beitrags zum Grundzustand in U90+ am Elektronenkühler gegeben. Hierzu ist das Experiment bei einer niedrigeren Strahlenergie durchgeführt worden. Dabei hat sich allerdings gezeigt, Ionenstrahlen mit einer Energie unterhalb von 20MeV/u besitzen zu kurze Lebensdauern, da bei den niedrigeren Energien die Rekombinationsverluste mit dem Restgas sehr hoch werden und der Ionenstrahl aus technischen Gründen noch einmal umgebuncht werden muss, wobei zusätzlich Zeit und Intensität verloren gehen. Als weiterer Schritt auf dem Weg zu höherer Präzision ist eine Kombination aus einem hochauflösenden Kristallspektrometer (FOCAL) und einem neuartigen orts- und energieauflösenden 2dimensionalen Germaniumdetektor getestet worden. Mit diesem Detektor ist es möglich, mehrere Reflexe gleichzeitig zu messen und somit die Effizienz des Experimentes deutlich zu steigern. Allerdings ist die maximale Energieauflösung bisher über die 250 µm Streifenbreite des Detektors definiert, das entspricht etwas weniger als 200 eV. Tests mit Kalibrationsquellen und das Verfahren des Detektors entlang der Dispersionsachse haben jedoch gezeigt, dass eine Auflösung kleiner als ein Streifen erreichbar ist. Dadurch soll eine Genauigkeit von 1 eV erreicht werden. Die Bewegung der Detektoren, die bei der letzten Strahlzeit einen erheblichen systematischen Fehler verursacht hat, kann mit neuen Detektorplattformen und kontinuierlicher Stickstofffüllung deutlich reduziert werden. Bei den alternativen Methoden Mikrokalorimeter und Absorptionskantenspektroskopie scheinen Mikrokalorimeter eine vielversprechend Entwicklung zu sein, da sie sowohl eine hohe Energieauflösung bieten als auch einen breiten Energiebereich abdecken. Dagegen beinhaltet die Absorptionskantenspektroskopie im Vergleich zu den anderen Methoden zu große systematische Fehler. Aus den Ergebnissen des Experimentes zum Innerschalenübergang und des FOCAL-Commissioning-Experimentes zeigt sich, wie erfolgsversprechend der Einsatz von Kristallspektrometern auf dem Weg zu neuen hochpräzisen Experimenten ist.Experiments on the 1s Lamb-shift in heavy H-like ions and on the intra-shell transitions in heavy He-like systems have been performed. These investigations are of particular interest to verify the validity of quantum electrodynamics (QED) in extremely strong Coulomb fields. In addition, in heavy systems not only QED but also relativistic effects start to play a key role. The experiments have been performed at the gasjet-target of the experimental storage ring (ESR) at GSI. In an experiment with He-like uranium we were able to directly measure the intra-shell transition 2 3P2 --> 2 3S1 , in a high-Z system for the very first time. This has been achieved by combining the results from a high-resolution Bragg crystal-spectrometer and a standard planar Germanium detector. A fit of the experimental spectrum with data obtained from a simulation shows, the theoretical predictions describe the transition dynamics very well in this two-electron system. Another experiment has been performed on H-like lead to investigate the 1s Lamb-shift in heavy H-like systems. Here, a high-resolution Laue crystal-spectrometer has been commissioned together with novel high-resolution two dimensional micro-strip Ge-detectors. The combination of both instruments is a very promising tool for future high-precision x-ray experiments

Untersuchungen zur Photorekombination in Ion-Elektron Stößen

Gegenstand der Untersuchungen dieser Arbeit ist der Einfangprozess der radiativen Rekombination gewesen. Dabei ist zwischen dem Einfang in die inneren Schalen, K- und L- Schale, und dem Einfang in die äußeren Schalen unterschieden worden. Für die inneren Schalen ist neben dem Einfang in nacktes auch die Untersuchung des Einfangs in wasserstoffartiges Uran möglich gewesen. Es hat sich herausgestellt, dass die experimentellen Ergebnisse fur den Einfang in die inneren Schalen von U92+ gut mit den theoretischen Erwartungen übereinstimmen. Dagegen haben sich für den Einfang in U91+ leichte Abweichungen bei Einfang in die K- Schale gezeigt. Was diese Abweichung verursacht hat, konnte nicht geklärt werden. In Uran koppeln die Elektronen der innersten Schalen aufgrund der Größe der Kernladung über jj- Kopplung, weswegen die Wechselwirkung der Elektronen untereinander keine wesentliche Rolle spielen sollte. Dennoch scheint das bereits in der K- Schale vorhandene Elektron die Einfangwahrscheinlichkeit eines zweiten Elektrons zu vermindern. Das Verhältnis U92+/U91+ entspricht nicht dem erwarteten Wert von nahezu 2, sondern ist mit 2,28 etwas größer. Bisherige, jedoch bei hohen Energien durchgefuhrte, Experimente haben in guter Übereinstimmung mit den theoretischen Vorhersagen gestanden. Daraus lässt sich schließen, dass dieser Effekt erst bei sehr kleinen Stoßenergien auftritt, wie sie im Kuhler vorliegen. An dieser Stelle sei auch daran erinnert, dass der Stoß zwischen Elektron und Ion senkrecht erfolgt und somit der Detektor die emittierten Photonen unter 90 Grad beobachtet. Dies ist gerade der Winkel unter dem der Wirkungsquerschnitt maximal ist. Im Gegensatz dazu zeigen die Daten für die L- Schale in beiden Fällen im Bereich ihrer Fehlerbalken die gleichen Ergebnisse. Dies ist nicht verwunderlich, da aufgrund der hohen Kernladungszahl von Uran ein Elektron in der K- Schale keinen bedeutenden Abschirmeffekt für die L- Schale verursacht. Daher bleiben die Einfangszustände für den Einfang in die L- Schale im Gegensatz zum Einfang in die K- Schale bei U91+ nahezu identisch. Beim Vergleich der experimentellen Daten mit einer nichtrelativistischen und relativistischen Theorie ist sowohl für die Verhältnisse der K-RR Linie mit den beiden L-RR Linien als auch bei den L-RR Linien untereinander stets eine bessere Übereinstimmung mit der relativistischen Theorie gezeigt worden. Dabei sei daraufhingewiesen, dass die Werte dieser beiden Theorien deutlich voneinander abweichen. Wähhrend die nichtrelativistische Theorie für das Verhältnis K-RR/L-RRj=1=2 beispielsweise einen Wert von 2,12 voraussagt, ergibt die vollständig relativistische Theorie einen Wert von 1,41. Der experimentelle Wert von 1,23 +- 0,03 zeigt nun eine deutlich bessere Übereinstimmung mit der relativistischen Theorie. Daraus kann geschlossen werden, dass auch bei Stoßenergien nahe null für die tiefstliegenden Zustände relativistische Effekte vorhanden sind, die in den Rechnungen berücksichtigt werden müssen. Die Untersuchung des Einfangs in die äußeren Schalen hat dagegen weniger Übereinstimmende Ergebnisse gebracht. Zwar hat sich gezeigt, dass die Form der experimentellen Spektren durch verzögerte Lyman alpha Übergänge erklärt werden kann, allerdings ist die Intensität der niederenergetischen Ausläufer in der Simulationen nicht erreicht worden. Rechnungen mit verschiedenen Anfangszuständen haben gezeigt, dass durch die Hinzunahme von Zuständen mit höherer Hauptquantenzahl n die Zahl der verspäteten Ereignisse erhöht werden kann. Jedoch nicht in dem Maße, dass eine Wiedergabe der experimentellen Spektren möglich würde. Rechnungen mit unterschiedlichen Bedingungen haben gezeigt, dass auch Zustände mit kleinen Übergangswahrscheinlichkeiten Einfluß auf die zeitliche Entwicklung der Kaskaden haben. Dagegen wird die Kaskade durch Ausschluss von Zuständen mit einem Verzweigungsverhältnis kleiner als 1% kaum beeinflußtt. Weiterhin macht es keinen Unterschied ob die Wegstrecke mit Schrittweiten von 1x10 exp (-14) oder 1x10 exp (-11) gerechnet wird. Größere Zeitschritte führen zu Abweichungen. In einem weiteren Teil der Auswertung sind die l- Zustände untersucht worden, die zu den verspäteten Ereignissen beitragen. Dabei hat sich herausgestellt, dass die Zustände um l = n/3 den Hauptbeitrag zu den verspäteten Übergängen leisten. Bei den Yrastkaskaden lässt sich ein deutlicher Anstieg im Bereich von 30 ns beobachten, jedoch ist ihr Anteil im Vergleich zu den l = n/3 Zuständen deutlich geringer. Ihr Einfluss auf das Spektrum würde sich erst zu noch späteren Zeitpunkten bemerkbar machen. Der Beitrag verzögerter Ereignisse zu den Ausläufern der Lyman alpha - Linien ist nur aufgrund der relativistischen Raumwinkeltransformation verstärkt zu erkennen. Die effektiv vorhandene Intensität dieser verzögerten Ereignisse wird über die Raumwinkelkorrektur um ein Vielfaches erhöht. Tatsächlich folgt aus der Kaskadenrechnung ein Anteil verzögerter Übergänge an der gesamten Emission von nur 0,1 %, während er unter Berücksichtigung der Detektorgeometrie (Raumwinkelkorrektur für einen Beobachtungswinkel von 0 Grad) 4,6 % beträgt. Allerdings macht der im Experiment gemesse Anteil der verzögerten Emission 73,9 % der Gesamtemission aus. Er liegt also mehr als eine Größenordnung über dem Anteil, der sich aus der Kaskadenrechnung mit anschließender Simulation der Detektorgeometrie ergibt. Mit der momentanen Theorie ist es nicht möglich, die experimentellen Ergebnisse zu reproduzieren. Dies kann daran liegen, dass die Anfangsbesetzung gerade in den hohen Zuständen zu gering angesetzt wird. Da diese erst nach einigen Nanosekunden zu den Lyman alpha Übergängen beitragen, könnte eine höhere Anfangsbesetzung dieser Zustände zu einer Verstärkung der Linien beitragen. Es ist bisher noch nicht gelungen, eine Aussage darüber zu treffen, wodurch diese Ratenüberhöhung zustande kommt und welche physikalischen Aspekte dabei eine Rolle spielen. Möglicherweise ist die Verwendung der Stobbe-Theorie zur Berechnung der Rekombinationsraten freier Elektronen in hohe Rydbergzustände nicht richtig, weil es wegen der äußeren Felder im Kühler keine wirklich freien Elektronen in hohen Zuständen gibt. Zur detaillierteren Untersuchung dieses Phänomens hat im September 2004 die Gruppe um M. Pajek ein Experiment am Elektronenkühler durchgeführt [66]. Als Projektilionen sind wieder nackte Uranionen verwendet worden, allerdings bei einer Energie von 23 MeV. Detektoren sind unter 0 Grad und 180 Grad montiert worden. Während des Messzyklusses ist die Kühlerspannung variiert worden, um die Elektronen einmal schneller und einmal langsamer als die Ionen fliegen zu lassen. Auf diese Art und Weise sollte herausgefunden werden, ob bei Relativenergien ungleich null ebenfalls eine Ratenüberhöhung auftritt. Erwartet wird, dass dies aufgrund der höheren Relativenergie nicht der Fall ist. Eine Auswertung der Daten liegt derzeit noch nicht vor

Investigation of slow collisions for (quasi) symmetric heavy systems: what can be extracted from high resolution X-ray spectra

We present a new experiment on (quasi) symmetric collision systems at low-velocity, namely Ar$^{17+}$ ions ($v=0.53$ a.u.) on gaseous Ar and N$_2$ targets, using low- and high-resolution X-ray spectroscopy. Thanks to an accurate efficiency calibration of the spectrometers, we extract absolute X-ray emission cross sections combining low-resolution X-ray spectroscopy and a complete determination of the ion beam - gas jet target overlap. Values with improved uncertainty are found in agreement with previous results \cite{Tawara2001}. Resolving the whole He-like Ar$^{16+}$ Lyman series from $n=2$ to 10 with our crystal spectrometer enables to determine precisely the distribution ${\mathcal{P}_n}$ of the electron capture probability and the preferential $n_{pref}$ level of the selective single-electron capture. Evaluation of cross sections for this process as well as for the contribution of multiple-capture is carried out. Their sensitivity to the $\ell$-distribution of $n$ levels populated by single-electron capture is clearly demonstrated, providing a stringent benchmark for theories. In addition, the hardness ratio is extracted and the influence of the decay of the metastable $1s2s\ ^3 S_1$ state on this ratio is discussed

Magnetic properties changes of MnAs thin films irradiated with highly charged ions

We present the first investigation on the effect of highly charged ion bombardment on a manganese arsenide thin film. The MnAs films, 150 nm thick, are irradiated with 90 keV Ne$^{9+}$ ions with a dose varying from $1.6\times10^{12}$ to $1.6\times10^{15}$ ions/cm$^2$. The structural and magnetic properties of the film after irradiation are investigated using different techniques, namely, X-ray diffraction, magneto-optic Kerr effect and magnetic force microscope. Preliminary results are presented. From the study of the lattice spacing, we measure a change on the film structure that depends on the received dose, similarly to previous studies with other materials. Investigations on the surface show a strong modification of its magnetic properties

Isotope Shift in the Dielectronic Recombination of Three-electron \u3csup\u3eA\u3c/sup\u3eNd⁵⁷⁺

Isotope shifts in dielectronic recombination spectra were studied for Li-like ANd57+ ions with A = 142 and A = 150. From the displacement of resonance positions energy shifts δE142 150(2s-2p1/2) = 40.2(3)(6) meV [(stat)(sys)] and δE142 150(2s - 2p3/2) = 42.3(12)(20)meV of 2s - 2pj transitions were deduced. An evaluation of these values within a full QED treatment yields a change in the mean-square charge radius of 142 150δ⟨ r2⟩ = -1.36(1)(3) fm2. The approach is conceptually new and combines the advantage of a simple atomic structure with high sensitivity to nuclear size

Expérimental Developments for the Lamb-Shift Investigation in Heavy Ions

International audienceResults of the latest commissioning experiment of a two arm transmission crystal x-ray spectrometer in combination with a high-performance position-sensitive mircostrip germanium detector are presented. Due to the low photon efficiency of only 10(-8), both the position-sensitivity and the energy-resolution of the 2D-germanium detector are absolutely essential to perform experiments using crystal x-ray spectrometers. In this experiment we were aiming for a precise determination of the Ly-alpha transitions in H-like Ph81+ produced in collisions with a krypton gas jet at the ESR storage ring. Up to now, the most accurate determination of QED corrections to the ground state binding energy in a high-Z, H-like system was performed for H-like uranium with an accuracy on the 1% level

Polarization Measurements of Radiative Electron Capture Transitions in Highly Charged Ions

A dedicated Si(Li) Compton polarimeter combining energy and time resolution with a large detection area of 64x64 mm(2) and a two dimensional position resolution of 2 mm has been used for the first time to study the polarization of x-rays emitted via radiative electron capture (REC) into the K and L-shell of heavy highly charged ions. First data for the collision system 96.6 MeV/u U92+ -> H-2 are presented. The angular distribution of the Compton scattered photons inside the detector indicates that both K- and L-REC processes lead to the emission of strongly linearly polarized light

Two-photon decay in highly charged heavy ions: Spectral shape of the 2E1 (2 1S0 -> 1 1S0) in He-like tin

International audienceWe have measured the two-photon 2E1 transition from the singlet 1s2s 1S0 to the 1s21S0 ground state of helium-like tin. The experiment was performed by using initially Li-like tin ions in collision with a nitrogen gas target at the ESR storage ring at the energy of 300 MeV/u. The two-photon emission arises from the decay of the exclusively formed 1s2s states following the ionization of one K-shell electron from the Li-like ions. The obtained spectral shape of the 1s2s1S0 - 1s21S0 (2E1) transition was compared with the one calculated within a relativistic approach. The spectral shape is displayed and its sensitivity with regard to details in the theoretical description of the 2E1 decay is discussed

Polarization studies of radiative electron capture into highly-charged uranium ions

International audienceRecent 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