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Messungen zur Photorekombination hochgeladener lithiumähnlicher Ionen

Brandau, Carsten


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Freie Schlagwörter (Deutsch): lithiumähnliches Ion , Photorekombination
Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Institut für Kernphysik, Strahlenzentrum
Fachgebiet: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 22.12.2000
Erstellungsjahr: 2000
Publikationsdatum: 05.02.2001
Kurzfassung auf Deutsch: Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Photorekombination der lithiumähnlichen Ladungszustände von Gold (197Au76+), Blei (208Pb79+) und
Uran (238U89+) mit freien Elektronen untersucht. Dabei konnten detaillierte spektroskopische Informationen über die autoionisierenden
Zustände 1s2 2p1/2 nlj mit n >= 20 und 1s2 2p3/2 nlj mit n=6 bei Au76+ und Pb79+ bzw. n=5 bei U89+ gewonnen werden. Diese werden im
ersten Schritt der zweistufigen dielektronischen Rekombination (DR), dem dielektronischen Einfang, bevölkert. Dabei wird das
2s1/2-Elektron der lithiumähnlichen Ionen innerhalb der n=2-Schale nach 2p1/2 oder 2p3/2 angeregt ([Delta]n=0), und das freie Elektron wird
in einen Rydberg-Zustand eingefangen.


Die Experimente wurden am Schwerionenspeicherring ESR der Gesellschaft für Schwerionenfor-schung (GSI) in Darmstadt durchgeführt.
Die lithiumähnlichen Ionen wurden bei einer Energie von 97,3 MeV/u (Au76+), 97,5 MeV/u (Pb79+) sowie 92,3 MeV/u und 107,1 MeV/u
(U89+) gespeichert und durch den kolinear überlagerten Elektronenstrahl des Elektronenkühlers gekühlt. Der Elektronenstrahl dient dabei,
neben seiner eigentlichen Funktion zur Verbesserung der Qualität des Ionenstrahls, als Target energiescharfer, freier Elektronen. Die
Messung der Photorekombination erfolgt über den Einzelteilchennachweis der umgeladenen Rekombinationsprodukte in Abhängigkeit von
der Relativenergie zwischen Elektronen und Ionen. Diese kann mit Hilfe eines präzisen, schnellen Netzteils geändert werden, durch das
man einen Bereich von 0-400 eV im Schwerpunktssystem überdecken kann. Durch Normierung auf die im Experiment bestimmten
Teilchendichten erhält man einen absoluten Ratenkoeffizienten [alpha]PR für die Photorekombination.


Ein Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der präzisen Bestimmung der 2s1/2-2p1/2-Aufspaltung (Lamb-Verschiebung) in lithiumähnlichen
Ionen. Dazu wurde ein Verfahren entwickelt, das es erlaubt, aus den Positionen der 1s22p1/2nlj-Rydberg-Resonanzen des doppelt
angeregten Zwischen-zustands durch Extrapolation n --> [unendlich] die Seriengrenze, und damit auch die Anregungsenergie
E(2s1/2-2p1/2) zu ermitteln. Diese Methode unterscheidet sich somit prinzipiell von klassischen spektrosko-pischen Methoden, die die bei
einem Übergang emittierten Photonen nachweisen.

Für die Lamb-Verschiebung wurde für Au76+ ein Wert von E(2s1/2-2p1/2) = 216,11(20) eV, für Pb79+ ein Wert von E(2s1/2-2p1/2) =
230,62(20) eV und für U89+ ein Wert von E(2s1/2-2p1/2) = 280,56(20) eV bestimmt. Die Ergebnisse sind durch ihre Genauigkeit sensitiv
aufquantenelektrodynamische (QED-) Beiträge der Ordnung [alpha]2 zur Lamb-Verschiebung. Ein Vergleich mit dem bisher einzigen
präzisen Experiment für die Lamb-Verschiebung sehr schwerer lithiumartiger Ionen (Z>54), der Messung für U89+ von Schweppe et al.,
zeigt eine sehr gute Übereinstimmung. Ebenso wurde eine sehr gute Übereinstimmung mit neuesten QED-Rechnungen für lithiumähnliche
Ionen gefunden, bei denen Beiträge der Ordnung [alpha]2 exakt berechnet werden.


Im weiteren konnte durch die gegenüber früheren PR-Messungen am ESR deutlich gesteigerte experimentelle Auflösung die Feinstruktur
hoher Rydberg-Zustände der 1s22p1/2 nlj-Resonanzserie teilweise aufgelöst werden. Dadurch ist man in der Lage, eine genaue Aussage
darüber zu machen, welche Feinstrukturzustände signifikant zum DR-Ratenkoeffizienten beitragen. Dabei hat sich im Vergleich mit der
Theorie herausgestellt, daß für Hauptquantenzahlen von n=20 das Maximum der Resonanzstärke bei j = 15/2-17/2 liegt und selbst hohe
Drehimpulse bis j = 29/2 noch einen deutlichen Beitrag zur Resonanzstärke leisten.


Darüber hinaus wurden hochaufgelöste DR-Spektren für die 1s2 2p3/2 nlj-Resonanzen aufgenommen. Durch die 10-15 mal höhere
Anregungsenergie, verglichen mit der Energiedifferenz zwischen dem 2s1/2- und dem 2p1/2-Niveau, erfolgt im gemessenen
Energiebereich der Einfang des freien Elektrons in Zustände mit n=5 (U89+) oder n=6 (Au76+, Pb79+). Die Feinstrukturaufspaltung dieser
Zustände beträgt nahezu 200 eV. Zusammen mit der hohen experimentellen Auflösung erhält man einen tiefen Einblick in die Dynamik der
DR und eine detaillierte Überprüfung der theoretischen Verfahren zur Beschreibung der DR ist somit möglich. Es stellt sich heraus, daß die
gemessenen Strukturen nur im Rahmen einer vollrelativistischen Behandlung der DR erklärt werden können. Die Berechnung der genauen
Energielagen erfordert darüber hinaus, ebenso wie bei den 2p1/2-Resonanzen, die Berücksichtigung der wesentlichen QED-Beiträge, die
sich für die Energieaufspaltung E(2s1/2-2p1/2) von U89+ auf insgesamt ca. 40 eV belaufen. Eine weitere Konsequenz des Einfangs in n=5
bzw. n=6 ist die kurze Lebensdauer des doppelt angeregten Zwischenzustands und damit eine erhöhte natürliche Linienbreite. Für die 1s2
2p3/2 5l3/2-Resonanzen in berylliumartigem U88+ konnten im Rahmen dieser Arbeit die natürliche Linienbreiten gemessen werden.