Le travail que je décris ici fut effectué à ISOLDE, au CERN. Il vise à établir un rapport objectif des performances actuelles des sources d'ions à Résonance Electronique Cyclotronique (ECR) utilisées en tant qu'élévateurs d'état de charge, à la fois avec des faisceaux d'ions stables et radioactifs. Au préalable, j'ai entrepris quelques développements techniques pour améliorer le dispositif et conduire les tests dans des conditions optimales. Ce rapport détaille la majeure partie de ces développements qui concerne la pureté du faisceau. Puis, j'ai achevé le programme de mesure des efficacités d'élévation d'état de charge pour divers isotopes avec des modes de fonctionnement différents. J'ai analysé les résultats de ces expériences et les ai comparés aux performances actuelles des autres méthodes d'élévation d'état de charge. Finalement, je présente les conclusions que l'on peut tirer de cette étude concernant les choix à effectuer pour les futurs post-accélérateurs dans les installations de type ISOL. La discussion s'étend aux applications immédiates, pour les expériences de physique, des faisceaux radioactifs d'ions épluchés par ECR.

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

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.

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.

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.:1 Einleitung . . . 9 2 Physik hochgeladener Ionen . . . 12 2.1 Atomphysikalische Prozesse . . . 12 2.1.1 Elektron - Ion - Wechselwirkungen . . . 12 2.1.1.1 Elektronenstoßionisation . . . 12 2.1.1.2 Elektronenstoßanregung . . . 14 2.1.1.3 Augerprozess . . . 16 2.1.1.4 Mehrfachionisation . . . 17 2.1.1.5 Strahlende Rekombination und Photoionisation . . . 19 2.1.1.6 Dielektronische Rekombination . . . 21 2.1.2 Ion - Ion - Wechselwirkungen . . . 23 2.1.2.1 Ladungsaustausch . . . 23 2.1.2.2 Transferionisation . . . 24 2.2 Erzeugung hochgeladener Ionen . . . 25 2.2.1 Übersicht - Quellen hochgeladener Ionen . . . 25 2.2.2 Elektronenstrahlionenquellen . . . 28 2.2.2.1 Aufbau . . . 28 2.2.2.2 Elektronenstrahl . . . 29 2.2.2.3 Ioneneinschluss . . . 33 2.2.2.4 Ionisationsdynamik . . . 35 2.3 Ionenstrahlen . . . 38 2.3.1 Strahltransport . . . 39 2.3.2 Trajektorienraum und Emittanz . . . 42 3 Experimentelle Anlagen für die Untersuchungen zum Ladungsbrüten . . . 44 3.1 Elektronenstrahlionenquellen des Dresden EBIS/T - Typs . . . 44 3.2 Teststand für ortsaufgelöste Röntgenspektroskopie an einer Dresden EBIT . . . 45 3.3 Highly Charged Ion TRAP (HITRAP) - Sektion für das Ladungsbrüten mit der Dresden EBIT . . . 46 3.3.1 Aufbau der Anlage . . . 46 3.3.2 Kalium - Ionenquelle . . . 47 3.4 Erweiterung der Micro Beam Facility (MBF) für das Ladungsbrüten mit der Dresden EBIS-A . . . 48 3.4.1 Aufbau der Anlage . . . 48 3.4.2 Flüssigmetallionenquelle . . . 49 3.4.3 Pepper - Pot - Emittanzmeter . . . 50 3.4.3.1 Funktionsweise . . . 50 3.4.3.2 Auswertung von Pepper - Pot - Messungen . . . 52 4 Ladungsbrüten mit Dresden EBIT - Quellen . . . 56 4.1 Optimierung der Eigenschaften des Elektronenstrahls der Dresden EBIT für das Ladungsbrüten . . . 56 4.1.1 Messung des radialen Profils des Elektronenstrahls und Bestimmung der Elektronenstromdichte . . . 56 4.1.2 Variation der Betriebsparameter zur Optimierung der Elektronenstromdichte . . . 60 4.1.2.1 Variation der Elektronenstrahlenergie . . . 60 4.1.2.2 Variation des Elektronenstroms . . . 63 4.1.2.3 Variation der Fallentiefe . . . 64 4.2 Simulationen zum Einschuss einfach geladener Ionen in eine Dresden EBIT . . . 66 4.2.1 Beschreibung des Simulationsprogramms . . . 66 4.2.2 Abschätzung der optimalen Spannung an der EBIT - Extraktionselektrode . . . 68 4.2.3 Abschätzung der optimalen Einschussenergie . . . 69 4.2.4 Abschätzung der Akzeptanz . . . 72 4.3 Röntgenspektroskopische Messungen . . . 75 4.4 A/q - Analyse des extrahierten Strahls . . . 78 5 Ladungsbrüten mit einer Dresden EBIS-A . . . 85 5.1 Vorbereitende Testmessungen . . . 85 5.1.1 Optimierung der Anlagenbetriebsparameter für den Einschuss . . . 85 5.1.2 Analyse der Trajektorienraumverteilung des eingeschossenen Strahls . . . 86 5.2 A/q - Analyse des extrahierten Auq+ - Strahls . . . 89 5.3 Bestimmung der Emittanz des extrahierten Auq+ - Strahls . . . 95 6 Elektronenstoß - Ionisationsquerschnitte hochgeladener Goldionen . . . 97 6.1 Motivation . . . 97 6.2 Atomstrukturrechnungen . . . 99 6.3 Bestimmung der Querschnitte aus der zeitlichen Entwicklung von Ladungszuständen . . . 102 6.4 Experimentelle Ergebnisse . . . 104 6.4.1 Elektronenstrahlradius und Überlappfaktor . . . 104 6.4.2 Elektronenstoßionisationsquerschnitte hochgeladener Goldionen und Vergleich mit theoretischen Berechnungen . . . 107 7 Zusammenfassung und Ausblick . . . 111 Anhang . . . 114 Literaturverzeichnis . . . 118 Liste mit dieser Arbeit verbundener Veröffentlichungen . . . 125 Danksagung . . . 126 Erklärung . . . 128 / 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.:1 Einleitung . . . 9 2 Physik hochgeladener Ionen . . . 12 2.1 Atomphysikalische Prozesse . . . 12 2.1.1 Elektron - Ion - Wechselwirkungen . . . 12 2.1.1.1 Elektronenstoßionisation . . . 12 2.1.1.2 Elektronenstoßanregung . . . 14 2.1.1.3 Augerprozess . . . 16 2.1.1.4 Mehrfachionisation . . . 17 2.1.1.5 Strahlende Rekombination und Photoionisation . . . 19 2.1.1.6 Dielektronische Rekombination . . . 21 2.1.2 Ion - Ion - Wechselwirkungen . . . 23 2.1.2.1 Ladungsaustausch . . . 23 2.1.2.2 Transferionisation . . . 24 2.2 Erzeugung hochgeladener Ionen . . . 25 2.2.1 Übersicht - Quellen hochgeladener Ionen . . . 25 2.2.2 Elektronenstrahlionenquellen . . . 28 2.2.2.1 Aufbau . . . 28 2.2.2.2 Elektronenstrahl . . . 29 2.2.2.3 Ioneneinschluss . . . 33 2.2.2.4 Ionisationsdynamik . . . 35 2.3 Ionenstrahlen . . . 38 2.3.1 Strahltransport . . . 39 2.3.2 Trajektorienraum und Emittanz . . . 42 3 Experimentelle Anlagen für die Untersuchungen zum Ladungsbrüten . . . 44 3.1 Elektronenstrahlionenquellen des Dresden EBIS/T - Typs . . . 44 3.2 Teststand für ortsaufgelöste Röntgenspektroskopie an einer Dresden EBIT . . . 45 3.3 Highly Charged Ion TRAP (HITRAP) - Sektion für das Ladungsbrüten mit der Dresden EBIT . . . 46 3.3.1 Aufbau der Anlage . . . 46 3.3.2 Kalium - Ionenquelle . . . 47 3.4 Erweiterung der Micro Beam Facility (MBF) für das Ladungsbrüten mit der Dresden EBIS-A . . . 48 3.4.1 Aufbau der Anlage . . . 48 3.4.2 Flüssigmetallionenquelle . . . 49 3.4.3 Pepper - Pot - Emittanzmeter . . . 50 3.4.3.1 Funktionsweise . . . 50 3.4.3.2 Auswertung von Pepper - Pot - Messungen . . . 52 4 Ladungsbrüten mit Dresden EBIT - Quellen . . . 56 4.1 Optimierung der Eigenschaften des Elektronenstrahls der Dresden EBIT für das Ladungsbrüten . . . 56 4.1.1 Messung des radialen Profils des Elektronenstrahls und Bestimmung der Elektronenstromdichte . . . 56 4.1.2 Variation der Betriebsparameter zur Optimierung der Elektronenstromdichte . . . 60 4.1.2.1 Variation der Elektronenstrahlenergie . . . 60 4.1.2.2 Variation des Elektronenstroms . . . 63 4.1.2.3 Variation der Fallentiefe . . . 64 4.2 Simulationen zum Einschuss einfach geladener Ionen in eine Dresden EBIT . . . 66 4.2.1 Beschreibung des Simulationsprogramms . . . 66 4.2.2 Abschätzung der optimalen Spannung an der EBIT - Extraktionselektrode . . . 68 4.2.3 Abschätzung der optimalen Einschussenergie . . . 69 4.2.4 Abschätzung der Akzeptanz . . . 72 4.3 Röntgenspektroskopische Messungen . . . 75 4.4 A/q - Analyse des extrahierten Strahls . . . 78 5 Ladungsbrüten mit einer Dresden EBIS-A . . . 85 5.1 Vorbereitende Testmessungen . . . 85 5.1.1 Optimierung der Anlagenbetriebsparameter für den Einschuss . . . 85 5.1.2 Analyse der Trajektorienraumverteilung des eingeschossenen Strahls . . . 86 5.2 A/q - Analyse des extrahierten Auq+ - Strahls . . . 89 5.3 Bestimmung der Emittanz des extrahierten Auq+ - Strahls . . . 95 6 Elektronenstoß - Ionisationsquerschnitte hochgeladener Goldionen . . . 97 6.1 Motivation . . . 97 6.2 Atomstrukturrechnungen . . . 99 6.3 Bestimmung der Querschnitte aus der zeitlichen Entwicklung von Ladungszuständen . . . 102 6.4 Experimentelle Ergebnisse . . . 104 6.4.1 Elektronenstrahlradius und Überlappfaktor . . . 104 6.4.2 Elektronenstoßionisationsquerschnitte hochgeladener Goldionen und Vergleich mit theoretischen Berechnungen . . . 107 7 Zusammenfassung und Ausblick . . . 111 Anhang . . . 114 Literaturverzeichnis . . . 118 Liste mit dieser Arbeit verbundener Veröffentlichungen . . . 125 Danksagung . . . 126 Erklärung . . . 128