Characterisation and first experimental results from position sensitive and energy dispesive germanium detector systems for precision x-ray spectroscopy with highly charged ions

Motiviert durch aktuelle atomphysikalische Fragestellungen zur Struktur und Dynamik der Materie im Bereich hochgeladener Schwerionen entstand der Bedarf zur Weiterentwicklung bestehender und zur Entwicklung neuartiger ortsauflösender Detektorsysteme. Die Untersuchung der Struktur ist hauptsächlich durch die hochauflösende spektroskopische Vermessung einzelner Energieniveaus der atomaren Hülle bestimmt und liefert grundlegende Einblicke in den atomaren Aufbau. Dabei stellen diese Resultate gerade bei schweren hochgeladenen Ionen eine exzellente Testmöglichkeit der QED in extrem starken Feldern dar. Die Dynamik der Materie zeigt sich in der Teilchendynamik (hier der Atomhülle) in extrem starken und extrem kurzen elektromagnetischen Feldern, wie sie bei Ion-Atom-Stößen auftreten. Beobachtet werden können hier vor allem Teilchen und Photonen-Polarisationsphänomene. Solche Polarisationseffekte sind jedoch nicht auf das Gebiet der atomaren Hülle beschränkt. Als ein Beispiel sei die Untersuchung laserbeschleunigter Teilchen genannt. Hier kann die Polarimetrie von Röntgenstrahlung, die durch Thomson-Streuung optischer Photonen an den zuvor auf relativistische Geschwindigkeiten beschleunigten Teilchen erzeugt wird, Aufschluß über die Natur des Beschleunigungsprozesses geben. Einblick in die lineare Polarisation der Röntgenphotonen im für unsere Arbeit interessanten Energiebereich von einigen 10 keV bis einigen 100 keV können mit Compton-Polarimetern gewonnen werden. Kommerziell sind Detektorsysteme, die eine ausreichende Granularität in Kombination mit hinreichender Detektordicke besitzen, um hohe Nachweiseffizienzen zu erreichen, jedoch nicht verfügbar. Im Rahmen der vorgelegten Arbeit, die sich mit Techniken der hochaufgelösten Röntgenspektroskopie und der Röntgenpolarimetrie an hochgeladenen Schwerionen befasst, wurden vielfältige Arbeiten an und mit orts-, zeit- und energieauflösenden planaren Ge(i)-Detektorsystemen durchgeführt. Wesentliches Ziel der Arbeit war es, ein zweidimensional ortsauflösendes planares Halbleiterdetektorsystem, das für den Einsatz im Kristallspektrometer FOCAL und als Compton-Polarimeter angepasst ist, bereitzustellen. Hierzu wurde ein 2D-µ-Streifendetektorsystem aufgebaut, das eine Ortsauflösung von 250µm, bzw. 1167µm in orthogonaler Richtung, bei einer Detektordicke von 11mm und eine Energieauflösung von etwa 2 keV für jeden einzelnen Streifen bei 60 keV Photonenenergie gewährleistet. Durch Messungen an der Synchrotronquelle ESRF, Grenoble (Frankreich), wurde die Eignung des Systems als bildgebendes Element im FOCAL Kristallspektrometer bei einer Photonenenergie von 60 keV und als Compton-Polarimeter bei einer Photonenenergie von 210 keV untersucht. Der große Vorteil in FOCAL ein ortsauflösendes Detektorsystem einzusetzen, liegt darin, dass alle interessanten Beugungswinkel simultan beobachtet werden können. Im herkömmlichen Ansatz würde man mit einer einfachen Diode und einem Kollimator den Bereich abfahren. Wegen der geringen Ereignisrate und dem hohen Untergrund ist dies jedoch nicht praktikabel. Herkömmliche Systeme wie CCD oder Gasdetektoren haben nicht die nötige Effizienz oder eine zu hohe Dunkelrate. Zur Untersuchung der für FOCAL wichtigen Eigenschaften wurden mehrere Positionen auf dem Detektor bei niedriger Energie mit einem fein kollimierten Photonenstrahl (50 x 50 µm2) gescannt. Neben der guten Energieauflösung des Detektorsystems von durchschnittlich 2.2 keV bei 60 keV, zeigen die Ergebnisse das homogene Verhalten der Detektoreffizienz, welche essentiell für den spektographischen Einsatz in FOCAL ist. Es konnten keine Hinweise auf messbare Ladungsverluste im Bereich des aktiven Detektorvolumens festgestellt werden. Ebenso konnte die Multiplizität (Anzahl der Streifen einer Detektorseite, die auf ein Ereignis reagieren), mit der ein Photon nachgewiesen wird, eindeutig mit der Strukturierung der Kontakte auf der Kristalloberfläche in Verbindung gebracht werden. Es stellte sich heraus, dass die Ereignisse der Multiplizität zwei dazu verwendet werden können um Ortsauflösungen deutlich unterhalb einer Streifenbreite zu erreichen. Diese Methode kann jedoch nur auf eine größere Anzahl von Ereignissen angewendet werden, nicht jedoch auf einzelne Ereignisse. Um das 2D-Ge(i)-µ-Streifendetektorsystem auf seine Eignung als Compton-Polarimeter zu testen, wurden Daten mit einem nahezu vollständig linear polarisierten Photonenstrahl (98% linear polarisiert) bei einer Energie von 210 keV aufgenommen. Die Daten zeigen die erwartete Dipol-ähnliche Asymmetrie im Ortsbild und dienen als Kalibrationsgrundlage zur Interpretation zukünftiger Experimente zur Polarimetrie in diesem Energiebereich. Parallel hierzu wurde an Simulationsprogrammen auf Basis der etablierten Monte Carlo Software EGS4 gearbeitet. Hiermit wurden Vorhersagen bezüglich des Nachweisverhaltens des Detektors auf linear polarisierte Röntgenstahlung gemacht. Ferner wurde für ein 4x4-Pixel-Polarimeter, das bei der ersten Bestimmung der linearen Polarisation der K-REC Strahlung von U92+ am Speichering ESR der GSI eingesetzt wurde, im Rahmen der Datenanalyse mit den auf EGS4-basierenden Programmen die Detektoreffizienz für linear polarisierte Strahlung einer bestimmten Energie simuliert. Mit diesen Simulationsergebnissen konnten die selbstentwickelten Methoden zur Korrektur der Nachweiswahrscheinlichkeit eines Compton-Ereignisses als Funktion des Wechselwirkungspunkts innerhalb des Detektorkristalls und der Energie erfolgreich verifiziert werden. Die detektorbezogenen Resultate dieser Arbeit fanden ihre erste Anwendung in der FOCAL-Spektrometer Strahlzeit 2006, deren genaue Beschreibung jedoch über den Umfang dieser Arbeit hinausgeht. Ebenso flossen die Erfahrungen, die mit den Detektorsystemen, im speziellen dem 2D-Ge(i)-µ-Streifendetektor, gemacht wurden in die Realisierung eines Si(Li)-Detektors mit 32+32 Streifen zur Compton-Polarimetrie bei niedrigeren Energien (ab 60 keV) ein, der gegenwärtig in ersten Experimenten am ESR eingesetzt wird.To meet the demands of state-of-the-art atomic physics with highly charged ions at storage rings a planar germanium detector system with position, time and energy resolution has been developed, tested and applied. The detector system is used for spectroscopy and polarimetry experiments in the hard x-ray regime

Exploitation of the Timing Capabilities of Metallic Magnetic Calorimeters for a Coincidence Measurement Scheme

In this report, we compare two filter algorithms for extracting timing information using novel metallic magnetic calorimeter detectors, applied to the precision X-ray spectroscopy of highly charged ions in a storage ring. Accurate timing information is crucial when exploiting coincidence conditions for background suppression to obtain clean spectra. For X-rays emitted by charge-changing interactions between ions and a target, this is a well-established technique when relying on conventional semiconductor detectors that offer a good temporal resolution. However, until recently, such a coincidence scheme had never been realized with metallic magnetic calorimeters, which typically feature much longer signal rise times. In this report, we present optimized timing filter algorithms for this type of detector. Their application to experimental data recently obtained at the electron cooler of CRYRING@ESR at GSI, Darmstadt is discussed

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

Towards an Intrinsic Doppler Correction for X-ray Spectroscopy of Stored Ions at CRYRING@ESR

We report on a new experimental approach for the Doppler correction of X-rays emitted by heavy ions, using novel metallic magnetic calorimeter detectors which uniquely combine a high spectral resolution with a broad bandwidth acceptance. The measurement was carried out at the electron cooler of CRYRING@ESR at GSI, Darmstadt, Germany. The X-ray emission associated with the radiative recombination of cooler electrons and stored hydrogen-like uranium ions was investigated using two novel microcalorimeter detectors positioned under 0∘ and 180∘ with respect to the ion beam axis. This new experimental setup allowed the investigation of the region of the N, M → L transitions in helium-like uranium with a spectral resolution unmatched by previous studies using conventional semiconductor X-ray detectors. When assuming that the rest-frame energy of at least a few of the recorded transitions is well-known from theory or experiments, a precise measurement of the Doppler shifted line positions in the laboratory system can be used to determine the ion beam velocity using only spectral information. The spectral resolution achievable with microcalorimeter detectors should, for the first time, allow intrinsic Doppler correction to be performed for the precision X-ray spectroscopy of stored heavy ions. A comparison with data from a previous experiment at the ESR electron cooler, as well as the conventional method of conducting Doppler correction using electron cooler parameters, will be discussed

Interferon Beta Modulates Endothelial Damage in Patients with Cardiac Persistence of Human Parvovirus B19 Infection

Background: In a phase 1 study, we investigated whether interferon beta reduced endothelial damage in patients with cardiac persistence of human parvovirus B19 (B19V) infection. Methods and results: In vitro, B19V infected cultivated endothelial cells (ECs), which led to a reduction in their viability (Pp.007). Interferon beta suppressed B19V replication by 63% (Pp.008) in ECs and increased their viability (Pp.021). Circulating mature apoptotic ECs (CMAECs [CD45-CD146+ cells expressing von Willebrand factor and annexin V]) and circulating progenitor cells (CPCs [CD34+KDR+ cells]) were quantified by flow cytometry in 9 symptomatic patients with cardiac B19V infection before and after 6 months of interferon beta therapy (16 MU) and were compared to levels in 9 healthy control subjects. Endothelial dysfunction was measured using flow-mediated dilatation of the forearm. Patients with B19V persistence had significantly higher (Pp.004) levels of CMAECs than did control subjects, which normalized after treatment (mean standard deviation, 0.06%-0.08% vs 0.01%-0.006%; Pp.008). Similar improvement was shown for flow-mediated dilatation (Pp.04) in the treatment group only (Pp.017 for the comparison with untreated patients with B19V persistence [np5]). There were significantly higher numbers of CPCs in patients with B19V persistence before therapy (mean standard deviation, 0.04%-0.05% vs 0.01%-0.004%; Pp.02) than in control subjects, which normalized after treatment (Pp.03). Conclusion: Thus, we present (for the first time, to our knowledge) a modulation of virally induced chronic endothelial damage specifically, EC apoptosis and endothelial regeneration

The magnetic toroidal sector as a broad-band electron–positron pair spectrometer I. lepton trajectories

We report an analysis of electron-optical properties of a toroidal magnetic sector spectrometer and examine parameters for its implementation in a relativistic heavy-ion storage ring like HESR. For studies of free-free pair production in heavy-ion atom collisions this spectrometer exhibits very high efficiencies for coincident $e^+e^-$ pair spectroscopy over a wide range of momenta of emitted lepton pairs. The high coincidence efficiency of the spectrometer is the key for stringent tests of theoretical predictions for the coincident positron- and electron- emission characteristics and for the phase space correlation of lepton vector momenta in free-free pair production.Comment: 64 page

Coincident mapping of e+ and e− from free-free pair production in a magnetic toroidal lepton spectrometer

We discuss the electron-optical properties of a toroidal magnetic sector spectrometer and its suitablilty for electron-positron pair spectroscopy in relativistic ion-atom collisions in the future HESR storage ring at FAIR. With the simultaneous mapping of electrons and positrons and geometric invariants in the lepton trajectorties this instrument offers a very high efficiency for studies of vector momentum correlation in free-free pair production