In dieser Arbeit werden hochgeladene, mit einer Electron Beam Ion Trap produzierte Ionen für die Erforschung des Elektroneneinfangs von Oberflächen und Gasen eingesetzt. Die Untersuchungen mit Gastargets konzentrieren sich auf die Energieabhängigkeit der Verteilung der K-Schalen-Röntgenstrahlen, die nach Elektroneneinfang in Rydberg-Zustände von Ar-17+ und Ar-18+ Ionen am Ende einer Kaskade von Elektronenübergängen entstehen. Die Ionen werden von der Ionenquelle mit einer Energie von 2 keV/u extrahiert, ladungsselektiert und anschließend bis auf 5 eV/u abgebremst, um dann mit einem Argon Gastarget zu interagieren. Für abnehmende Stoßenergien wird eine Verschiebung des Elektroneneinfangs in Zustände mit niedrigen Drehumpulsquantenzahlen beobachtet. Zum Vergleich wird auch die K-Schalen-Röntgenstrahlung auf Grund des Elektroneneinfangs bei Ar-17+ und Ar-18+ von dem Restgas in der Falle gemessen. Dabei wird eine Diskrepanz zu den Resultaten der Extraktionsversuche festgestellt. Mögliche Erklärungen werden diskutiert. In den Untersuchungen zum Elektroneneinfang von Oberflächen werden hochgeladene Ionen von der Ionenquelle mit Energien von 2 bis 3 keV/u extrahiert, ladungsselektiert und auf Targets gelenkt. Diese bestehen aus Siliziumnitridmembranen mit einer Vielzahl nanometergroßer Löcher, welche mittels eines fokussierten Ionenstrahls in Kombination mit ionenstrahlinduzierter Abscheidung dünner Filme erstellt werden. Es werden hierbei Lochdurchmesser von 50 bis 300 nm mit Formfaktoren von 1:5 bis 3:2 erreicht. Bei den hochgeladenen Ionen handelt es sich um Ar-16+ und Xe-44+. Nach dem Transport durch die Kapillare passieren die Ionen einen elektrostatischen Ladungstrenner und werden detektiert. Der Anteil des Elektroneneinfangs von den Wänden der Löcher ist weitaus geringer als Modellberechnungen vorhersagen. Die Resultate werden an Hand eines Kapillareffekts zur Ionenleitung diskutiert. / In this study highly charged ions produced in Electron Beam Ion Traps are used to investigate electron capture from surfaces and gases. The experiments with gas targets focus on spectroscopic measurements of the K-shell x-rays emitted at the end of radiative cascades following electron capture into Rydberg states of Ar-17+ and Ar-18+ ions as a function of collision energy. The ions are extracted from an Electron Beam Ion Trap at an energy of 2 keV/u, charge-selected and then decelerated down to 5 eV/u for interaction with an argon gas target. For decreasing collision energies a shift to electron capture into low orbital angular momentum capture states is observed. Comparative measurements of the K-shell x-ray emission following electron capture by Ar-17+ and Ar-18+ ions from background gas in the trap are made and a discrepancy in the results compared with those from the extraction experiments is found. Possible explanations are discussed. For the investigation of electron capture from surfaces, highly charged ions are extracted from an Electron Beam Ion Trap at energies of 2 to 3 keV/u, charge-selected and directed onto targets comprising arrays of nanoscale apertures in silicon nitride membranes. The highly charged ions implemented are Ar-16+ and Xe-44+ and the aperture targets are formed by focused ion beam drilling in combination with ion beam assisted thin film deposition, achieving hole diameters of 50 to 300 nm and aspect ratios of 1:5 to 3:2. After transport through the nanoscale apertures the ions pass through an electrostatic charge state analyzer and are detected. The percentage of electron capture from the aperture walls is found to be much lower than model predictions and the results are discussed in terms of a capillary guiding mechanism.

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.

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.

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.

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.