This thesis contains results of electron-ion recombination processes in atomic ions relevant for plasma applications. The measurements were performed at the Stockholm Refrigerated Electron Beam Ion Trap (R-EBIT) and at the CRYRING heavy-ion storage ring. Dielectronic recombination (DR) cross sections, resonant strengths, rate coefficients and energy peak positions in H-like and He-like S are obtained for the first time from the EBIT measurements. Furthermore, the experimentally obtained DR resonant strengths are used to check the behaviour of a scaling formula for low Z, H-and He-like iso-electronic sequences and to update the fitting parameters. KLL DR peak positions for initially He- to B-like Ar ions are obtained experimentally from the EBIT measurements. Both the results from highly charged sulfur and argon are compared with the calculations performed with a distorted wave approximation. Absolute recombination rate coefficients of B-like C, B-like Ne and Be-like F ions are obtained for the first time with high energy resolution from storage ring measurements. The experimental results are compared with the intermediate coupling AUTOSTRUCTURE calculations. Plasma rate coefficients of each of these ions are obtained by convoluting the energy dependent recombination spectra with a Maxwell-Boltzmann energy distribution in the temperature range of 103-106 K. The resulting plasma rate coefficients are presented and compared with the calculated data available in literature. / <p>At the time of the doctoral defense, the following papers were unpublished and had a status as follows: Paper 4: Accepted. Paper 5: Accepted. Paper 6: Manuscript. Paper 7: Manuscript.</p>

This thesis describes the final precision mass measurements with SMILETRAP I, where a relative precision of &lt; 1 ppb (10-9) was reached routinely, and the development of SMILETRAP II, aiming for measurements with &lt; 0.1 ppb relative precision. The emphasis of the thesis is on the implementation of new techniques for achieving this precision improvement with SMILETRAP II. The Ramsey multiple-pulse excitation technique was tested at SMILETRAP I, and a reduction of the statistical uncertainty by factor three could by verified. The technique was applied in the last measurement with SMILETRAP I on H2+ and D+ ions. From these measurements the proton mass was deduced with a relative error of 0.18 ppb. It was found that temperature dependent magnetic field oscillations limited us from reducing the uncertainties further. A technical achievement of reducing the peak to peak temperature oscillation in the trapping region of SMILETRAP II by a factor four is presented, which should give an extended observation time and likewise improved precision. The new SMILETRAP II super-conducting magnet, with a slightly stronger field of 5.8 T compared with the previous of 4.7 T, was installed and adjusted.  A careful field alignment and reduction of inhomogeneities was done for minimizing the disturbances of the cyclotron frequency for improved precision. In that attempt, the localization and control of the trapped ion motion is also important. Thus a new cooling trap was set up. In the spring of 2009 coherent axial motion of a confined ion cloud was discovered in the cooling trap. By observation of the axial oscillations we can see the effects of evaporative cooling in the reduction of the axial energy distribution. Storing the ions up to 1 s in the cooling trap reduces the energy distribution by a factor of five. Other remarkable results of the ion oscillations are also reported. / At the time of the doctoral defense, the following papers were unpublished and had a status as follows: Paper 1: In progress. Paper 3: Submitted.

The precision of mass measurements in a Penning trap is directly proportional to an ion's charge state and can be increased by using highly charged ions (HCI) from an Electron Beam Ion Trap (EBIT). By bombarding the injected and trapped singly charged ions with an intense electron beam, the charge state of the ions is rapidly increased. To use this method for short-lived isotopes, very high electron beam current densities are required of the TITAN EBIT, built and commissioned at the Max-Planck-Institute for Nuclear Physics in Heidelberg, Germany and transported to TRIUMF for the TITAN on-line facility. This EBIT has produced charge states as high as Kr34+ and Ba54+ with electron beams of up to 500 mA and 27 keV. Once the EBIT is operational at full capacity (5 A, 60 keV), most species can be bred into a He-like configuration within tens of ms. / October 2006

In dieser Arbeit wird die Transmission von hochgeladenen Ionen durch Nanokapillarfolien und makroskopische Glaskapillaren untersucht. Die systematische Analyse des übertragenen Ionenstrahls liefert Informationen zur Physik der Ionentransmission und hier insbesondere zum Einfluss des Anstellwinkels zwischen Kapillarachse und Richtung des einfallenden Ionenstrahls und zum Einfluss der kinetischen Energie des einfallenden Ionenstrahls auf den Transmissionsprozess. Es werden Ionenoptiken aus Nanokapillarfolien und makroskopischen Glaskapillaren konstruiert und deren Eigenschaften zur Ionenstrahlformierung untersucht. Der durch das Kapillartarget transportierte Ionenstrahl wird durch die Ausfallsrichtung μ, die Divergenz Γ, der Intensität N und des Anteils umgeladener Teilchen charakterisiert. Es wird die Abhängigkeit dieser charakteristischen Eigenschaften von der in die Kapillaren eingetragen Ladung untersucht. Weiterhin erfolgt eine exponentielle Annäherung an die Gleichgewichtswerte mit der Aufladungskonstante ρ. Die Aufladungskonstante wächst mit steigendem Anstellwinkel und steigender kinetischer Energie der einfallenden Teilchen, ist aber für alle oben genannten Eigenschaften des ausfallenden Ionenstrahls gleich. Erstmalig werden gleichzeitig alle oben genannten Eigenschaften des transportierten Ionenstrahls in Abhängigkeit von der kinetischen Energie der einfallenden Teilchen untersucht. Die Energieabhängigkeit der Eigenschaften des übertragenen Ionenstrahls wird mit einer exponentiellen Annäherung an einen Grenzwert für hohe kinetische Energien beschrieben und durch den Parameter charakterisiert. Dieser ist für alle Eigenschaften des ausfallenden Ionenstrahls im Rahmen des Messfehlers gleich. Die in dieser Arbeit im Bereich von Ekin. = q · 630 eV bis Ekin. = q · 5600 eV gemessene exponentielle Abhängigkeit des Guiding-Prozesses von der kinetischen Energie unterscheidet sich von der in der Literatur zu findenden Abhängigkeit. Die Divergenz des ausfallenden Ionenstrahls wird gesondert betrachtet. Die Experimente zeigen eine größere Divergenz des ausfallenden Ionenstrahls in Ablenkrichtung als senkrecht zur Ablenkrichtung. Die Strahldivergenz senkrecht zur Ablenkrichtung steigt im untersuchten Energiebereich mit steigendem Anstellwinkel. In Ablenkrichtung wird in Abhängigkeit von der kinetischen Energie eine unterschiedliche Abhängigkeit der Divergenz vom Anstellwinkel gemessen. Das Verhalten wird unter Berücksichtigung des Guiding-Modells diskutiert. Untersuchungen hinsichtlich einer möglichen technischen Anwendbarkeit des Guiding-Prozesses führen zu differenzierten Ergebnissen. Die Messungen mittels einer aus einer Nanokapillarfolie geformten Linse zeigen ein geringes technischen Potenzial, da die Fokussierung des einfallenden Strahls durch die Divergenz des ausfallenden Ionenstrahls kompensiert wird. Im Gegensatz dazu zeigt die Verwendung einer makroskopischen Glaskapillare ein großes Anwendungspotenzial. Die Ionenstromdichte des einfallenden Ionenstrahls konnte mit einer konischen Glaskapillare um den Faktor 8 erhöht werden. Durch die Realisierung eines Potenzialunterschieds zwischen dem Ein- und Ausgang einer makroskopischen Kapillare wird ein Ionenstrahl innerhalb der Kapillare abgebremst. Es wird gezeigt, dass der Guiding-Effekt die Aufweitung des Ionenstrahls während der Abbremsung effektiv verhindert. Dies ermöglicht die Konstruktion einer kompakten Ionenabbremseinheit.

The precision of mass measurements in a Penning trap is directly proportional to an ion's charge state and can be increased by using highly charged ions (HCI) from an Electron Beam Ion Trap (EBIT). By bombarding the injected and trapped singly charged ions with an intense electron beam, the charge state of the ions is rapidly increased. To use this method for short-lived isotopes, very high electron beam current densities are required of the TITAN EBIT, built and commissioned at the Max-Planck-Institute for Nuclear Physics in Heidelberg, Germany and transported to TRIUMF for the TITAN on-line facility. This EBIT has produced charge states as high as Kr34+ and Ba54+ with electron beams of up to 500 mA and 27 keV. Once the EBIT is operational at full capacity (5 A, 60 keV), most species can be bred into a He-like configuration within tens of ms.

The precision of mass measurements in a Penning trap is directly proportional to an ion's charge state and can be increased by using highly charged ions (HCI) from an Electron Beam Ion Trap (EBIT). By bombarding the injected and trapped singly charged ions with an intense electron beam, the charge state of the ions is rapidly increased. To use this method for short-lived isotopes, very high electron beam current densities are required of the TITAN EBIT, built and commissioned at the Max-Planck-Institute for Nuclear Physics in Heidelberg, Germany and transported to TRIUMF for the TITAN on-line facility. This EBIT has produced charge states as high as Kr34+ and Ba54+ with electron beams of up to 500 mA and 27 keV. Once the EBIT is operational at full capacity (5 A, 60 keV), most species can be bred into a He-like configuration within tens of ms.

Hochgeladene Ionen stellen einen extremen Zustand der Materie dar, wie sie vornehmlich in kosmischen Plasmen zu finden ist. Die labormäßige Erzeugung und (spektroskopische) Untersuchung hochgeladener Ionen liefert wichtige Daten und Erkenntnisse für die Astrophysik und Fusionsforschung. Aufgrund ihrer zum Teil exotischen Eigenschaften besitzen hochgeladene Ionen ein großes Potential für eine Vielzahl neuer Anwendungen. Die bisher weltweit einzige Elektronenstrahl-Ionenfalle, die hochgeladene Ionen bis hin zu vollständig ionisierten Ionen unter Raumtemperaturbedingungen erzeugen und bereitstellen kann, die Dresden EBIT, ist Gegenstand der vorgelegten Arbeit. Die Dresden EBIT zeichnet sich neben ihrer Kompaktheit und einer einfachen Bedienung durch ihre Langzeitstabilität aus. Sowohl über Röntgenspektren als auch über die Extraktion der Ionen aus der EBIT konnte für eine Reihe von Elementen der Nachweis der Erzeugung von vollständig ionisierten Ionen bis Z=28 erbracht werden. Für schwere Elemente können Ionenladungszustände bis hin zu neonähnlichen Ionen erzeugt werden. Entscheidenden Einfluss auf den erzielten mittleren Ladungszustand hat die Ioneneinschlusszeit. Die zeitliche Entwicklung der Ladungszustandsverteilung, wie sie im Zusammenspiel der verschiedenen atomaren Prozesse simuliert werden kann, ist sowohl an einer Reihe von röntgenspektroskopischen Messungen als auch anhand von Extraktionsspektren untersucht worden. Neben der Beladung der EBIT mit gasförmigen Elementen ist insbesondere die Beladung mit Metallen, d. h. mit einem möglichst breiten Spektrum an Elementen gefordert. Die Beladung mit leichtflüchtigen metallorganischen Verbindungen, die über das Gaseinlassventil eingebracht werden können, hat sich als erfolgreiche und preiswerte Alternative zu einer MEVVA-Quelle erwiesen. Die Beladung mit Metallionen ist am Beispiel verschiedener Untersuchungen gezeigt. Der monoenergetische Elektronenstrahl gestattet neben der Untersuchung von Anregungs- und Ionisationsprozessen insbesondere die der wichtigen Rekombinationsprozesse des Strahlenden Einfangs und der Dielektronischen Rekombination. Der Einsatz eines Kristalldiffraktionsspektrometers erlaubt trotz einer aufwendigen Kalibrierung und sehr langen Messzeiten die Auflösung einzelner Übergänge in hochgeladenen Ionen. Hauptanwendungsfeld der Dresden EBIT wird der Einsatz als Ionenquelle sein. Aus den Untersuchungen des extrahierten Gesamtionenstroms können die Bedingungen für einen möglichst großen Ionenstrom und einen optimalen Ionenstrahltransport abgeleitet werden. Eine optimale Ausnutzung der Eigenschaften hochgeladener Ionen erfordert die Separation der einzelnen Ladungszustände. Der Nachweis der sehr kleinen Ionenströme erfolgt über die kapazitive Messung in einem Faradaycup. Die Messung der Ladungszustandsverteilung in Abhängigkeit von den Parametern der EBIT gibt zusätzliche Aufschlüsse über die Eigenschaften der Ionenfalle.

In dieser Arbeit wird die Transmission von hochgeladenen Ionen durch Nanokapillarfolien und makroskopische Glaskapillaren untersucht. Die systematische Analyse des übertragenen Ionenstrahls liefert Informationen zur Physik der Ionentransmission und hier insbesondere zum Einfluss des Anstellwinkels zwischen Kapillarachse und Richtung des einfallenden Ionenstrahls und zum Einfluss der kinetischen Energie des einfallenden Ionenstrahls auf den Transmissionsprozess. Es werden Ionenoptiken aus Nanokapillarfolien und makroskopischen Glaskapillaren konstruiert und deren Eigenschaften zur Ionenstrahlformierung untersucht. Der durch das Kapillartarget transportierte Ionenstrahl wird durch die Ausfallsrichtung μ, die Divergenz Γ, der Intensität N und des Anteils umgeladener Teilchen charakterisiert. Es wird die Abhängigkeit dieser charakteristischen Eigenschaften von der in die Kapillaren eingetragen Ladung untersucht. Weiterhin erfolgt eine exponentielle Annäherung an die Gleichgewichtswerte mit der Aufladungskonstante ρ. Die Aufladungskonstante wächst mit steigendem Anstellwinkel und steigender kinetischer Energie der einfallenden Teilchen, ist aber für alle oben genannten Eigenschaften des ausfallenden Ionenstrahls gleich. Erstmalig werden gleichzeitig alle oben genannten Eigenschaften des transportierten Ionenstrahls in Abhängigkeit von der kinetischen Energie der einfallenden Teilchen untersucht. Die Energieabhängigkeit der Eigenschaften des übertragenen Ionenstrahls wird mit einer exponentiellen Annäherung an einen Grenzwert für hohe kinetische Energien beschrieben und durch den Parameter charakterisiert. Dieser ist für alle Eigenschaften des ausfallenden Ionenstrahls im Rahmen des Messfehlers gleich. Die in dieser Arbeit im Bereich von Ekin. = q · 630 eV bis Ekin. = q · 5600 eV gemessene exponentielle Abhängigkeit des Guiding-Prozesses von der kinetischen Energie unterscheidet sich von der in der Literatur zu findenden Abhängigkeit. Die Divergenz des ausfallenden Ionenstrahls wird gesondert betrachtet. Die Experimente zeigen eine größere Divergenz des ausfallenden Ionenstrahls in Ablenkrichtung als senkrecht zur Ablenkrichtung. Die Strahldivergenz senkrecht zur Ablenkrichtung steigt im untersuchten Energiebereich mit steigendem Anstellwinkel. In Ablenkrichtung wird in Abhängigkeit von der kinetischen Energie eine unterschiedliche Abhängigkeit der Divergenz vom Anstellwinkel gemessen. Das Verhalten wird unter Berücksichtigung des Guiding-Modells diskutiert. Untersuchungen hinsichtlich einer möglichen technischen Anwendbarkeit des Guiding-Prozesses führen zu differenzierten Ergebnissen. Die Messungen mittels einer aus einer Nanokapillarfolie geformten Linse zeigen ein geringes technischen Potenzial, da die Fokussierung des einfallenden Strahls durch die Divergenz des ausfallenden Ionenstrahls kompensiert wird. Im Gegensatz dazu zeigt die Verwendung einer makroskopischen Glaskapillare ein großes Anwendungspotenzial. Die Ionenstromdichte des einfallenden Ionenstrahls konnte mit einer konischen Glaskapillare um den Faktor 8 erhöht werden. Durch die Realisierung eines Potenzialunterschieds zwischen dem Ein- und Ausgang einer makroskopischen Kapillare wird ein Ionenstrahl innerhalb der Kapillare abgebremst. Es wird gezeigt, dass der Guiding-Effekt die Aufweitung des Ionenstrahls während der Abbremsung effektiv verhindert. Dies ermöglicht die Konstruktion einer kompakten Ionenabbremseinheit.:1 Transport hochgeladener Ionen durch Mikro- und Nanokapillaren 2 Methodische Grundlagen der Ionentransmissionsexperimente 3 Transmission durch Nanokapillarfolien 4 Transmission durch eine makroskopische Glaskapillare 5 Zusammenfassung und Ausblick

Diese Dissertation widmet sich der spektroskopischen Untersuchung verschiedener Aspekte der Strahlungsemis\-sion hochgeladener Krypton-Ionen mit Relevanz für die Fusionsforschung. Die Experimente hierzu erfolgten an der Berliner Elektronenstrahl-Ionenfalle (EBIT). Der erste Teil der Arbeit hat die Messung kanalspezifischer Wirkungsquerschnitte für die dielektronische Rekombination (DR) der KL$n$-Resonanzserie ($n$=2, \ldots, 5) von Helium- bis Kohlenstoff-ähnlichen Kr-Ionen ($\mbox{Kr}^{(34\, \ldots\,30)+}$) zum Inhalt, die relativ zum Wirkungsquerschnitt der nichtresonanten strahlenden Rekombination (RR) bestimmt wurden. Die Anpassung der Anregungskurven durch eine Modellfunktion aus berechneten Resonanzst ärken ermöglichte den Vergleich mit theoretischen DR-Wirkungsquerschnitten. Es zeigt sich, dass Vorhersagen des HULLAC-Atomstrukturcodes für die Resonanz\-st"ar\-ken der Kr-Ionen durch das Experiment innerhalb der Me"sunsicherheiten best"a\-tigt werden. Darüber hinaus wurde auch die Relaxation der einfach angeregten Ionen nach erfolgtem DR-Stabilisierungsübergang analysiert. Die zur Auswertung der DR-Anre\-gungs\-kurven angewandte Technik eröffnet gleichzeitig eine spektroskopische Methode für die Bestimmung der relativen Konzentration hochgeladener Ionen in EBIT. Die Messung der Strahlungskühlungsrate von Krypton, die den zweiten inhaltlichen Schwerpunkt der Dissertation darstellt, wäre ohne diese in situ Diagnostik der Ladungbilanz nicht möglich gewesen. Hier wurde die Ionenfalle so eingestellt, dass sich eine Ladungsverteilung herausbildet, die dem Ionisationsgleichgewicht eines Plasmas bei einer Temperatur von etwa $5\;\mbox{keV}$ entspricht. Die Bestimmung der Strahlungsk"uhlungsrate profitierte von dem Potential einer EBIT, die gefangenen Ionen mit Elektronenenergien aus einem weiten Bereich abzutasten und einzelne Strahlunsprozesse selektiv anzuregen. Die Röntgenemission verschiedener Strahlungskanäle, wie Bremsstrahlung, strahlende Rekombination, dielektronische Rekombination und Linienstrahlung nach direkter Anregung wurde separat erfaßt. Hieraus konnten erstmals kanalspezifische Strahlungskühlungsraten bestimmt werden. Es stellte sich heraus, dass der dominante Beitrag zur Strahlungskühlungsrate durch die direkt angeregte Linienstr ahlung des L-Schalen-Spektrums zustande kommt, die etwa 75\% der gesamten Verlustleistung ausmacht. Beim Vergleich der totalen Strahlungsverlustleistung mit Vorhersagen der Theorie sind Abweichungen festzustellen. Die berechneten Werte sind je nach Modell um einen Faktor 1.5 - 2.0 kleiner als das Ergebnis der Messung. Dieser Unterschied liegt außerhalb der experimentellen Unsicherheit von maximal 30\%. / This thesis deals with the spectroscopic investigation of various aspects of the x-ray emission of highly charged krypton ions with relevance for fusion research. The experiments have been performed at the Berlin electron beam ion trap (EBIT). One part of the work was devoted to the measurement of channel-specific cross sections for dielectronic recombination (DR) via the KL$n$ ($n$=2, \ldots, 5) resonance series of He- to C-like krypton ions ($\mbox{Kr}^{(34\, \ldots\,30)+}$). The DR cross sections were determined relative to the cross section for non-resonant radiative recombination (RR). A fit procedure was used to compare the measured data with theoretical calculations. Predictions of the HULLAC atomic structure code are confirmed within the experimental uncertainties. Additionally, the radiative relaxation mechanism following the stabilizing transition in the DR process was analyzed. The approach used to obtain the DR excitation function opens up a spectroscopic method to determine the relative abundance of the highly charged ions in the trap. This in situ diagnostic of the charge state balance allowed for the measurement of the radiative cooling rates of krypton being the second focus of the thesis. For this purpose EBIT was tuned to a charge state distribution approaching the ionization balance of a plasma at a temperature of about $5\;\mbox{keV}$. EBIT's capability to sample a wide range of electron-beam energies and distinguish between different radiation channels was utilized to determine the cooling rate. The x-ray emission from the various plasma radiation channels, like bremsstrahlung, radiative recombination, dielectronic recombination, and line radiation following electron-impact excitation was analyzed. For the first time, channel-specific cooling rates could be obtained from these data. It was found, that the dominant contribution to the cooling rate is made up by the directly excited x-rays of the L-shell spectra of krypton, producing more than 75\% of the total radiation loss. A difference with theoretical calculations is noted for the total cooling rate. The predicted values are lower by a factor of 1.5 - 2.0, depending on the theoretical model. This discrepancy is clearly beyond the experimental uncertainty of 30\% at maximum.

Als Ladungsbrüten wird die Umwandlung niedrig geladener Ionen, welche über ein breites Spektrum von Elementen bis hin zu exotischen, radioaktiven Spezies erzeugt werden können, in hochgeladene Ionen bezeichnet, was beispielsweise für deren effiziente Nachbeschleunigung oder kern- und atomphysikalische Präzisionsmessungen von Bedeutung ist. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass es möglich ist, kompakte, bei Raumtemperatur betriebene Elektronenstrahlionenquellen des Dresden EBIS/T - Typs als Ladungsbrüter zu verwenden. Anhand von Simulationen zum Ioneneinfang sowie Experimenten zur Ioneninjektion und -reextraktion wurden die Ionenquellen Dresden EBIT und EBIS-A als Ladungsbrüter charakterisiert. Eigenschaften der Quellen, welche von besonderem Interesse für das Ladungsbrüten sind, wurden untersucht. Hierzu zählen Elektronenstromdichte, Ionisationsfaktor, Akzeptanz sowie Einfangsbeziehungsweise Brütungseffizienz. An einer Dresden EBIS-A wurden weiterhin die Emittanzen des injizierten und reextrahierten Strahls bestimmt. Neben den Untersuchungen zum Ladungsbrüten selbst wurde dieses als experimentelle Technik für die Bestimmung von Elektronenstoß - Ionisationsquerschnitten der Goldionen Au38+ bis Au46+ bei einer Elektronenenergie von 11,5 keV verwendet. Ein Vergleich der Messwerte mit semiempirisch sowie theoretisch berechneten Daten ergab, dass für die Ionisation der 4d - und 4p - Elektronen von Gold in diesem Energiebereich neben der direkten Stoßionisation auch die Autoionisation nach Elektronenstoß - Anregung in die Betrachtung einbezogen werden muss, um eine gute Übereinstimmung von Theorie und Experiment zu erreichen. / The conversion of low charged ions, which can be produced from a broad spectrum of elements up to exotic, radioactive species, to highly charged ions is called charge breeding, which is an important experimental technique for, e.g., efficient post - acceleration or high - precision nuclear and atomic physics experiments. This work demonstrates the feasibility of charge breeding with compact, room - temperature operated electron beam ion sources of the Dresden EBIS/T type. The sources Dresden EBIT and EBIS-A were characterized as charge breeders by simulations of ion capture as well as ion injection and re-extraction experiments. Properties which are critical for charge breeding, such as electron beam density, ionization factor, acceptance, as well as injection and breeding efficiency, were investigated. Further on, in case of the EBIS-A, emittance studies of the injected as well as re-extracted beam were carried out. In addition to the measurements concentrating on charge breeding itself, this experimental technique was used to measure electron impaction ionization cross sections of gold ions from Au38+ up to Au46+ at an electron energy of 11.5 keV. Comparing the measured values to semi - empirical as well as theoretical calculations, it was found that for the ionization of the 4d and 4p electrons of gold ions in this energy region not only direct electron impact ionization but also excitation - autoionization processes have to be considered in order to achieve a good agreement of theory and experiment.