Fluoreszenzspektroskopie an K-Schalen-Übergängen hochgeladener Eisenionen

Abstract

Röntgenemissionslinien von K-Schalen-Übergängen in Eisenionen sind weit verbreitet in beobachteten Spektren astrophysikalischer Objekte. Sie haben ihren Ursprung in Stoßanregung in thermischen Plasmen sowie Absorption oder Streuung von Röntgenstrahlung durch Materie der Umgebung. Hohe Übergangsraten und die große relative Häufigkeit von Eisen ergeben starke Emissionslinien. Diese Kalpha-Signaturen liefern verschiedene Informationen über die Dynamik der beobachteten Objekte. Auch die geringe intergalaktische Absorption für elektromagnetische Strahlung in dem hier interessanten Energiebereichvon 6 keV bis 7 keV begünstigt die Signalqualität.Erstmals konnten in der vorliegenden Arbeit unter Laborbedingungen K-Schalen-Übergängein Eisenionen mit Röntgenphotonen angeregt und deren Fluoreszenzspektrum aufgenommen werden. Unter Verwendung einer Elektronenstrahlionenfalle wurden die untersuchten fluorartigen bis heliumartigen Eisenionen erzeugt. Mit monochromatisierten Röntgenstrahlender brillanten Synchrotronstrahlungsquelle PETRA III gelang es, 1s-Elektronen aus dem Grundzustand direkt in ein np-Niveau mit 1 < n < 8 anzuregen. Die Übergangsenergien konnten mit einer relativen Genauigkeit von rund 10 ppm bestimmt werden. Kalibriert wurde die Energieskala durch Vermessung mehrerer Absorptionskanten. Es ist ebenfalls gelungen, die natürliche Linienbreite der verschiedenen Übergänge aus den aufgenommenen Linienprofilen zu bestimmen.

X-ray emission lines of K-shell transitions in iron ions prevail in observed spectra of astrophysical objects. They originate from impact excitation in thermal plasmas as well as from absorption and reflection of X-rays by the surrounding matter. Their high transition rates and the relatively high abundance of iron yield strong emission lines. Iron Kalpha signatures are thus very good to obtain information about the dynamics of the observed objects. Low intergalactic absorption of electromagnetic radiation in the energy regionof interest from 6 keV to 7 keV enhance the signal quality.In this work for the first time K-shell transitions in iron ions were excited by X-ray photons and the corresponding fluorescence spectrum was recorded. Fluorinelike to heli-umlike iron ions were produced using an electron beam ion trap. With monochromatized X-rays produced by the brilliant synchrotron light source PETRA III a ground state 1s-electron could be successfully excited to a np-state for 1 < n < 8. Transition energies were determined with a relative accuracy of approximately 10 ppm. The energy scale was calibrated by absorption edge measurements. In addition the natural line widths of different transitions were successfully derived from measured line profiles.