Dielektronische Rekombination lithium- und berylliumartiger Xenonionen am Schwerionenspeicherring ESR

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurden Messungen zur dielektronischen Rekombination (DR) von lithium- und berylliumartigen Xenonionen untersucht. Der betrachtete Relativenergiebereich von 0 bis 505 eV (Xe51+) bzw. 0 bis 550 eV (Xe50+) deckt hierbei alle DR-Resonanzserien ohne Hauptquantenzahländerung der beiden Ladungszustände ab. Die Messungen wurden am Experimentierspeicherring (ESR) der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt durchgeführt. Hierbei wurde der bei einer Ionenenergie von 58.5 MeV/u gespeicherte Strahl mit einem Elektronenstrahl überlagert. Nach einer initialen Kühlphase mit identischen Elektronen- und Ionengeschwindigkeiten wurde die Energie des Elektronenstrahls in Abständen weniger Millisekunden variiert, wobei alternierend Kühl- und Messenergie angesteuert wurden. Dieses Verfahren ermöglicht es, den Elektronenstrahl parallel zur Strahlkühlung und auch als Target energiescharfer, freier Elektronen einzusetzen. Die Messung der Rekombinationsereignisse erfolgte durch Einzelteilchennachweis der rekombinierten Ionen. Durch Normierung auf die Teilchendichten wurde der absolute Ratenkoeffizient bestimmt. Die Variation der Messenergie erlaubt die Aufnahme eines kompletten Rekombinationsratenkoeffizientenspektrums und die Bestimmung der Stärke einer Vielzahl einzelner Resonanzgruppen.Teil dieser Arbeit war die Bestimmung der Energien der Inter-L-Schalen-Anregungen 2s -> 2p1/2 bzw. 2p3/2 (Xe51+) und 2s2 1S0 -> 2s2p 3P1, 2s2p 3P2 bzw. 2s2p 1P1 sowie 2s2p 3P0 -> 2p2 3P0 (Xe50+). Dies erfolgte durch Extrapolation der zugeordneten DR-Rydbergresonanzserien [2s + e -> 2p1/2 n bzw. 2p1/2 n; 2s2 1S0+ e -> (2s2p 3P1) n, (2s2p 3P2) n bzw. (2s2p 1P1) n] zu n -> unendlich bzw. aus der Position einzelner, hochaufgelöster DR-Resonanzen niedrigster Energie [(2s2p 1P1)8j bzw. (2p2 3P1)8j]. Im Einzelnen wurden die folgenden Übergangsenergien ermittelt (Angaben in eV): 119.796±0.056 (2s--2p1/2), 492.19±0.13 (2s--2p3/2), 127.262±0.051 (2s2 1S0--2s2p 3P1), 469.010±0.390 (2s2 1S0--2s2p 3P2), 532.834±0.047 (2s2 1S0 -- 2s2p 1P1) und 533.735±0.028 (2s2p 3P0 -- 2p2 3P1). Sie stimmen bei den kleineren Energien (2s--2p1/2, 2s2 1S0 -- 2s2p 3P1) sehr gut mit spektroskopischen Präzisionsmessungen [Feili et al., Phys. Rev. A 62, 022501 (2000); Träbert et al., Phys. Rev. A 68, 042501 (2003)] überein, setzen bei höheren Energien neue Bestmarken (2s -- 2p3/2), oder stellen die ersten Messungen dieser Übergangsenergie dar (2s2 1S0 -- 2s2p 3P2, 2s2 1S0 -- 2s2p 1P1 bzw. 2s2p 3P0 -- 2p2 3P1).Des Weiteren wurde die DR des initial metastabilen 2s2p 3P0-Zustands untersucht und aus der zeitabhängigen Entwicklung des 2s2p 3P0-Strahlanteils eine Obergrenze der (2s2p 3P0 -> 2s2 1S0)- E1M1-Zweiphotoneneübergangsrate von (8.8±2.8) E-3 /s bestimmt. Dies ist äquivalent zu einer Mindestlebensdauer des E1M1-Zweiphotonenübergangs von etwa 113±36 Sekunden. Letztere übersteigt die aus der bisher einzigen publizierten, theoretischen Arbeit [C. Laughlin, Phys. Lett. 75 A 199 (1980)] extrahierte Lebensdauer von 30 Sekunden um fast das Vierfache. Absolute rate coefficients for dielectronic recombination (DR) of lithiumlike 136Xe51+ and berylliumlike 136Xe50+ have been measured. The experiment was performed using the accelerator and storage ring facilities of the GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt, Germany. 136Xe51+ and 136Xe50+ ions were stored in the experimental storage ring independently at energies of 58 MeV/u and merged with an electron beam provided by the electron cooler. After an initial cooling time, the electron cooler was alternatingly used for cooling and as a cold free-electron target with variable electron-ion collision energies. The recombined ions were separated from the primary ion beam by the bending magnets and subsequently counted by a single particle detector. The countrate was normalised onto the densities of electron and ion beam to determine the absolute recombination rate coefficient. The recombination rate coefficient spectrum was measured by varying the electron-ion collision energy. This allowed the determination of the strength of various independent resonance groups. The observed center-of-mass energy range (0 -- 505 eV for Xe51+ and 0 -- 550 eV for Xe50+) covers all resonances associated with intra-L-shell DR processes [Xe51+ (2s) + e -> Xe50+ (2p n) and Xe50+ (2s2) + e -> Xe49+ (2s2p n)].Intra-L-shell excitation energies were determined for Xe51+ [E(2s -- 2p1/2) = 119.796(56) eV and E(2s -- 2p3/2)= 492.19(13) eV] and Xe50+[E(2s2 1S0 -- 2s2p 3P1)= 127.262(51) eV; E(2s2 1S0 -- 2s2p 3P2) = 469.01(39) eV, E(2s2 1S0 -- 2s2p 1P1) = 532.834(47) eV and E(2s2p 3P0 -- 2p2 3P0) = 533.735(28) eV]. This was done through determination of highly resolved DR resonance positions at lowest electron-ion collision energies (2s2 1S0 -- 2s2p 1P1 and 2s2p 3P0 -- 2p2 3P0) and by extrapolating DR-resonance positions to n -> infinity (rest). For low excitations energies (2s -- 2p1/2, 2s2 1S0 -- 2s2p 3P1), the results agree with spectroscopic precision measurements [Feili et al., Phys. Rev. A 62, 022501 (2000); Träbert et al., Phys. Rev. A 68, 042501 (2003)] very well. The present result for the 2s -- 2p3/2 excitation energy is more precise as the previous published experimental results. For 2s2 1S0 -- 2s2p 3P2, 2s2 1S0 -- 2s2p 1P1 and 2s2p 3P0 -- 2p2 3P1 excitations the presented results are the first published results.In addition to the prominent Xe50+ ground-state DR resonances, DR resonances associated with metastable Xe50+ (2s2p 3P0) parent ions were also observed. For the 136Xe isotope no single photon deexcitations of this state are allowed due to the absence of a nuclear spin which otherwise would lead to hyperfine quenching of the 2s2p 3P0 state [S. Schippers et al., Phys. Rev. A 85, 012513 (2012)]. Thus, the 2s2p 3P0 state of 136Xe50+ is long-lived with a E1M1 two-photon transition to the 2s2 1S0 ground state being it´s dominant decay channel. The measured depopulation rate of the 2s2p 3P0 beam fraction is significantly lower than predicted by nonrelativistic calculations [C. Laughlin, Phys. Lett. A 75, 199 (1980)].