Messung von Wirkungsquerschnitten der Elektronenstoßionisation von Xenonionen mit einer neuen Hochleistungselektronenkanone

Abstract

Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurde eine für die Messung von Wirkungsquerschnitten zur Elektronenstoßionisation von Ionen konzipierte Hochleistungselektronenkanone in Betrieb genommen. Diese Elektronenkanone erhöht insbesondere die obere Grenze des an der Anlage für Elektron-Ion-Stöße am I. Physikalischen Institut der Justus-Liebig-Universität Gießen vormals zur Verfügung stehenden Elektronenenergiebereiches von 10 eV - 1000 eV auf 3500 eV. Es wurde gezeigt, dass der verwendete Typ von Elektronenkanone mit einem bandförmigen, sehr intensiven Elektronenstrahl von bis zu 1 A für die Untersuchung der genannten Prozesse auch bis zu Energien von 3500 eV geeignet ist. Hierzu erfolgte die umfassende Untersuchung der charakterisierenden Eigenschaften besagter Elektronenkanone wie der Emission und Transmission des Elektronenstrahls sowie des Einflusses der vorhandenen Potentiale auf die Trajektorie des zugehörigen Ionenstrahls. Weiterhin wurden die Auswirkungen der durch die Raumladung des Elektronenstrahls erzeugten Potentialmulde im Wechselwirkungsraum auf die gemessenen Wirkungsquerschnitte analysiert. Aus all diesen Studien wurden Betriebsparameter, welche die verlässliche Messung von Wirkungsquerschnitten der Elektronenstoßionisation von Ionen ermöglichen, ermittelt.Mit der neuen Hochleistungselektronenkanone wurden Messungen des Wirkungsquerschnittes der Elektronenstoßionisation für Xe^q+-Ionen (Einfachionisation für q = 2, 5, 12, 13 sowie Doppelionisation für q = 2, 12, 13, 14) durchgeführt. Dabei stimmen die gemessenen Daten mit älteren experimentellen Ergebnissen überein (diese Literaturwerte sind für die meisten untersuchten Prozesse nur im Energiebereich bis 1000 eV verfügbar). Weiterhin wurden Vergleiche mit theoretischen Daten durchgeführt, wobei auch hier in weiten Teilen eine Übereinstimmung mit den Messergebnissen dieser Arbeit gefunden und demzufolge in einigen Fällen eine eindeutige Identifizierung der signifikant zum jeweiligen totalen Wirkungsquerschnitt beitragenden Prozesse erreicht werden konnte. Insbesondere die detaillierten Vergleiche zwischen gemessenen und berechneten Wirkungsquerschnitten für Doppelionisation ermöglichen neuartige Einblicke in die Stoßdynamik von Vielteilchensystemen. Within the scope of the present dissertation, a high-power electron gun designed for the measurement of cross sections for electron-impact ionization of ions was commissioned. In particular, the maximum electron energy is substantially improved as compared to the previously at the facility for electron-ion collisions at the I. Physics Institute of the Justus-Liebig-University Gießen available electron energy range of 10 eV - 1000 eV. The new type of electron gun provides a ribbon-shaped, intense electron beam of up to 1 A with electron energies of up to 3500 eV which, as could be shown, is suitable for the study of the aforementioned processes. Characteristic properties like emission and transmission of the electron beam as well as the influence of the electrode potentials on the trajectory of the ion beam were extensively investigated. Furthermore, the impact of the potential well in the interaction region created by the electron beam´s space charge on the measured cross sections was analyzed. From all these studies, operating parameters for the reliable measurement of cross sections for electron-impact ionization were established.With the new high-power electron gun, cross-section measurements were performed for electron-impact ionization of Xe^q+-ions (single-ionization for q = 2, 5, 12, 13 and double-ionization for q = 2, 12, 13, 14). The data presented in this work and measured with the new electron gun coincide with previously reported experimental data (most of these literature data are only available for electron energies up to 1000 eV). For higher electron-ion collision energies, only theoretical data are available. The experimental results of this work also agree with these results and, thus, a distinct identification of the significant contributions to the respective total cross sections could be made in a number of cases. Especially the possibility for detailed comparisons between measured and calculated data offers novel insights into the collision dynamics of many-body systems.