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URN: urn:nbn:de:hebis:26-opus-28111
URL: http://geb.uni-giessen.de/geb/volltexte/2006/2811/


Investigation of slowing down and charge-exchange of nickel and uranium ions in gases and solids in the energy range (60 - 200) MeV/u

Untersuchung der Abbremsung und Umladung von Nickel und Uran Teilchen in Gasen und Festkörpern im Energiebereich (60 - 200) MeV/u

Fettouhi, André


Originalveröffentlichung: (2006) Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 245 (2006), S. 32–35
pdf-Format: Dokument 1.pdf (1.570 KB)

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Freie Schlagwörter (Deutsch): Energieverlust , Abbremsvermögen , Ladungsverteilung , Gas-Festkörper Effekt , Umladungsquerrschnitte
Freie Schlagwörter (Englisch): energy loss , stopping power , charge-state distribution , gas-solid effect, charge-exchange cross sections
Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: II. Physikalisches Institut
Fachgebiet: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 28.04.2006
Erstellungsjahr: 2006
Publikationsdatum: 02.05.2006
Kurzfassung auf Englisch: In this thesis new slowing down and charge-state measurements will be presented in the energy range of (60 - 200) MeV/u. These measurements were done using the Fragment Separator (FRS) facility at GSI in Darmstadt. The presented data were taken during two experimental runs.


The experiments were divided into two parts. In the first part a 200 MeV/u Ni27+ beam was used. The evolution of charge states as a function of the target thickness was investigated covering both the non-equilibrium and equilibrium region. This was done with various mono-atomic materials (Z2 = 6, 7, 10, 13, 18, 22) and compound materials (ethylene, polyethylene and polypropylene). From the measured charge-state distributions the one-electron ionization and capture cross sections have been extracted. A 40 % gas-solid difference is observed in the ionization cross sections for
the mono-atomic materials. In the compound materials a 30 % difference is observed between ethylene and the polymers. The experimental cross sections for the mono-atomic materials have been compared with theoretical calculations [1, 2]. The theoretical ionization cross sections agree quite
well with the corresponding experimental ionization cross sections. In the gaseous targets the agreement between experiment and theory is better than 3 %. For the capture cross sections the agreement between experiment and theory is also very good for the lighter target materials (Z2 <= 7). For the heavier targets large deviations up to one order of magnitude are observed. These deviations are due to the increasing importance of the non-radiative capture channel in heavier target materials which is quite difficult to calculate accurately. The results motivate for further refinement of the theory in this energy region.


In the second part 3 different uranium beams were used with initial energies of 61 MeV/u (U86+ incident), 85 MeV/u (U73+ incoming) and 200 MeV/u (U81+ incident) to measure the evolution of the charge states again and the energy loss as a function of the target thickness in the same materials as used in the first part plus some additional mono-atomic materials Z2 = 29, 36, 47, 54. From the measured charge-state distributions
and energy losses the mean charges and stopping forces have been extracted.
At 61 MeV/u we observe a gas-solid difference in the mean charge of up to 4 charge states for the mono-atomic materials. The corresponding stopping powers (forces) at the same specific energy only show a gas-solid difference for light materials (Z2 <= 7). The stopping forces are compared with calculations done with the PASS code [3, 4], ATIMA code [5] and the Hubert et al. tables [6]. The agreement is quite good between experiment and theory. The PASS code predicts by using the experimental mean charges a gas-solid difference in the stopping force for the heavier target materials. In the data at 200 MeV/u there is a gas-solid difference in the ionization rate for U81+ ions similar to the Ni27+ results.
Kurzfassung auf Deutsch: In dieser Dissertation werden neue Ladungsverteilungen und Energieverlustmessungen präsentiert. Diese Messungen wurden am Fragment Separator (FRS) bei der GSI in Darmstadt durchgeführt. Die Daten, die hier vorgestellt werden, wurden in zwei Experimenten aufgenommen.


Die Experimente bestanden aus zwei Teilen. Im ersten Teil wurde mit einem
200 MeV/u Ni27+ Strahl gemessen. Ziel dieser Messung war die Entwicklung der Ladungsverteilung als Funktion der Targetdicke vom Nichtgleichgewicht bis Gleichgewicht zu untersuchen. Dies wurde mit verschiedenen Targets gemacht (Z2 = 6, 7, 10, 13, 18, 22, Äthylen, Polyäthylen und Polypropylen). Von den gemessenen Ladungsverteilung konnten die Umladungsquerrschnitte für Elektroneneinfang und -verlust extrahiert werden. Ein Gas-Festkörper Effekt von 40 % wurde im Ionizationsquerrschnitt für die monoatomaren (reinen Elemente) Targets gemessen. Im Äthylen und den Polymeren (Polyäthylen und Polypropylen) war ein Effekt von 30 % zu sehen. Die experimentellen Umladungsquerrschnitte für die monoatomaren Targets wurden mit theoretischen Rechnungen von A. Surzhykov und S. Fritzsche [1] und V. P.
Shevelko [2] verglichen. In der Ionization stimmen die theoretischen Rechnungen mit den experimentellen Werten gut überein. In den Gastargets ist die Übereinstimmung besser als 3 %. Im Elektroneneinfang gibt es gute Übereinstimmung zwischen Experiment und Theorie bei den leichten Targets (Z2 <= 7), bei den schweren Targets gibt es grosse Abweichungen bis zu einer Grössenordnung. Diese Abweichung kommt zustande, weil der nicht-radiative Querrschnitt einen grösseren Anteil hat bei den schweren Targets und dieser Teil sehr schwer theoretisch zu rechnen ist. Die Ergebnisse sind eine
Motivation für Verbesserungen in der Theorie im diesen Energiebereich.


Im zweiten Teil wurde ein Uranstrahl bei drei verschiedenen Energien benutzt, diese waren 61 MeV/u mit 86+ als Eingangsladungszustand, 85 MeV/u mit 73+ als Eingangsladungszustand und 200 MeV/u mit 81+ als Eingangsladungszustand. Ziel dieser Messung war es wiederum, die Entwicklung der Ladungsverteilung zu untersuchen und auch Energieverluste zu messen. Dieselben Targets wurden benutzt und zusätzlich wurden folgende Targets vermessen Z2 = 29, 36, 47, 54. Von den gemessenen Ladungsverteilungen und Energieverlusten wurde die mittlere Ladung und das
Bremsvermögen bestimmt. Bei 61 MeV/u ist ein Gas-Festkörper Effekt in der mittleren Ladung bei den monoatomaren Targets zu sehen. Der Effekt hat eine Grösse von fast 4 Ladungen. Das dazu gehörige Bremsvermögen zeigt nur einen Gas-Festkörper Effekt bei den leichteren Targets (Z2 <= 7). Die experimentellen Werte wurden mit dem PASS Programm [3, 4], dem ATIMA Programm [5] und den Hubert et al. Tabellen [6] verglichen. Die theoretischen Rechnungen von den Programmen stimmen mit den
experimentellen Werten gut überein. PASS sagt einen Gas-Festkörper Effekt bei den schwereren Targets voraus, weil experimentelle Ladungen als Eingangsparameter benutzt wurden. Bei der 200 MeV/u Messung wurde ein Gas-Festkörper Unterschied in der Ionizationsrate in der Entwicklung des U81+ Ladungszustand beobachtet, ähnlich
wie in der Ni27+ Messung.