Electron-impact ionization of xenon and tin ions

Abstract

Electron-impact single- and multiple ionization cross sections of xenon and tin ions have been experimentally studied.An animated crossed-beams method has been applied with the angle of 90 degrees between the beams. The ion beam was extracted from a 10 GHz Electron-Cyclotron-Resonance (ECR) ion source and mass-over-charge analyzed using a dipole magnet. The electron beam was produced using a high-current electron gun. Space-charge limited electron currents were up to 450 mA at 1000 eV. Ion currents ranged from 0.1 to 200 nA. The reaction products were separated from the primary ion beam by another dipole magnet and registered by a single particle detector, whereas the primary ion beam was collected by a moveable Faraday cup.Ionization cross sections have been measured for the energy regions from threshold up to 1000 eV. For Xeq+ ions single-ionization cross sections have been measured for all charge states q = 1, 2, 3, ..., 25, double-ionization for q = 1, 2, 3, ..., 17. Triple- and fourfold-ionization cross-sections have been obtained for charge states q = 1, 6, 7. For Xe+ cross sections for all final charge states q´ = 3, 4, ..., 10 have been measured for multiple ionization processes q -> q´. For Snq+ ions single-ionization cross sections for charge states 1 through 13 and double-ionization cross sections for charge states 1 through 12 have been obtained. The magnitude of the smallest measured cross section was of the order of 10-24 cm2 with error bars of about 10-25 cm2. This is one order of magnitude smaller than the smallest ionization cross section ever measured using interacting beam techniques.The obtained data reveal an important, sometimes dominant role of inner electron subshell ionization or excitation of ions giving rise to indirect ionization mechanisms, which can cause strong contributions to ionization cross sections.In addition, in primary-ion beams fractions of ions in metastable states have been found. Excitation energies for some of them reach up to 850 eV and lifetimes were found to range at least from few to several tens of microseconds. Wirkungsquerschnitte für Einfach- und Mehrfachionisation Wirkungsquerschnitte von Xenon- und Zinnionen durch Elektronstoß wurden experimentell mit der Methode gekreuzter animierter Strahlen untersucht.Der Ionenstrahl wurde mit Hilfe einer 10-GHz-Elektron-Zyklotron-Resonanz Ionenquelle erzeugt und anschließend mit einem Dipolmagneten nach dem Verhältnis von Masse zu Ladung separiert. Die Ionenströme variierten im Bereich von 0.1 bis 200 nA. Der Elektronenstrahl wurde mit einer Hochstromelektronenkanone produziert, die die Raumladung-limitierte Ströme von bis zu 450 mA bei 1000 eV Elektronenenergie liefert. Produkte der Ion-Elektron Wechselwirkung wurden von dem Primärionenstrahl mit Hilfe des zweiten Dipolmagneten getrennt und in einem Einzelteilchendetektor nachgewiesen. Der Primärionenstrahl wurde in einem bewegbaren Faraday-Becher aufgefangen.Die Wirkungsquerschnitte wurden im Energiebereich ab der Schwelle bis zu 1000 eV gemessen. Für Xeq+ Ionen wurden Einfachionisationswirkungsquerschnitte für die Ladungszustände q = 1, 2, , 25 und Doppelionisationswirkungsquerschnitte für die Ladungszustände q = 1, 2, , 17 gemessen. Dreifach- und Vierfachionisationswirkungsquerschnitte wurden für die Ladungszustände q = 1, 6, 7 bestimmt. Für Xe+ wurden q -> q Mehrfachionisationswirkungsquerschnitte für q = 3, 4, , 10 ebenfalls gemessen. Für Snq+ Ionen wurden Einfachionisationswirkungsquerschnitte für die Ladungszustände q = 1 bis 13 und Zweifachionisationswirkungsquerschnitte für die Ladungszustände q = 1 bis 12 gemessen. Die Größenordnung des kleinsten gemessenen Wirkungsquerschnittes betrug 10-24 cm2 mit der Fehlergrenzen im Bereich von 10-25 cm2. Das ist eine Größenordnung kleiner als der kleinste Wirkungsquerschnitt, der mit Strahlen geladener Teilchen je beobachtet wurde.Die erhaltenen Daten zeigen eine wichtige, manchmal dominante Rolle der Anregungs- und Ionisationsprozessen in den innerliegenden Unterschalen, die zu indirekten Ionisationsmechanismen führen und große Beiträge zu Ionisationswirkungsquerschnitten liefern können.Zusätzlich wurden Anteile angeregter langlebiger Ionen im Primärstrahl beobachtet und im Detail untersucht. Für manche von diesen reichten die Anregungsenergien bis zu 850 eV und die Lebenszeiten fanden sich im Bereich von einigen bis zu einigen Zehnfachen Mikrosekunden an.