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.

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.

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.

Motiviert durch die in der Literatur bisher unvollständige Beschreibung der Relaxation hochgeladener Ionen vor Festkörperoberflächen, besonders in Bezug auf den Eintrag potenzieller Energie in Oberflächen und der Aufstellung einer vollständigen Energiebilanz, werden in dieser Arbeit komplementäre Studien präsentiert, die sowohl die Ermittlung des Anteils der deponierten potenziellen Energie als auch die Ermittlung der emittierten potenziellen Energie ermöglichen. Zum Einen wird zur Bestimmung des eingetragenen Anteils der potenziellen Energie eine kalorimetrische Messanordnung verwendet, zum Anderen gelingt die Bestimmung der emittierten potenziellen Energie mittels doppeldifferenzieller Elektronenspektroskopie. Für vertiefende Studien werden Materialien unterschiedlicher elektronischer Strukturen (Cu, n-Si, p-Si und SiO2 ) verwendet. Im Falle der Kalorimetrie wird festgestellt, dass die eingetragene potenzielle Energie linear mit der inneren potenziellen Energie der Ionen wächst. Dabei bleibt das Verhältnis zwischen der eingetragenen potenziellen Energie und der inneren potenziellen Energie nahezu konstant bei etwa (80 ± 10) %. Der Vergleich von Cu, n-Si und p-Si zeigt im Rahmen der Messfehler keine signifikanten Unterschiede in diesem Verhältnis. Es liegen jedoch deutlich unter jenem von SiO2. Die Elektronenspektroskopie liefert ein dazu komplementäres Ergebnis. Für Cu und Si konnte ebenfalls eine lineare Abhängigkeit zwischen emittierter Energie und innerer potenzieller Energie festgestellt werden. Das Verhältnis wurde hierfür bis zum Ladungszustand bis Ar7+ zu etwa (10 ± 5) % unabhängig vom Ladungszustand bestimmt. Im Gegensatz dazu liefert SiO2 eine nahezu verschwindende Elektronenausbeute. Für Ar8+ und Ar9+ steigt die Elektronenausbeute wegen der Beiträge der LMM-Augerelektronen für alle untersuchten Materialien leicht an. Der Anteil der emittierten Energie eines Ar9+ -Ions wird für Cu und Si zu etwa 20 % und für SiO2 zu etwa 10 % angegeben. Diese Ergebnisse sind in guter Übereinstimmung mit den Kalorimetrieexperimenten und erfüllen die Energiebilanz. Zusätzlich werden die experimentellen Ergebnisse mit einer Computersimulation modelliert, welche auf dem erweiterten dynamischen klassischen Barrierenmodell basiert. Aus diesen Rechnungen kann zudem jener Anteil der deponierten potenziellen Energie erhalten werden, welcher durch Bildladungsbeschleunigung vor der Oberfläche in kinetische Energie umgewandelt wurde. / Motivated by the incomplete scientific description of the relaxation of highly charged ions in front of solid surfaces and their energy balance, this thesis describes an advanced complementary study of determining deposited fractions and re-emitted fractions of the potential energy of highly charged ions. On one side, a calorimetric measurement setup is used to determine the retained potential energy and on the other side, energy resolved electron spectroscopy is used for measuring the re-emitted energy due to secondary electron emission. In order to study the mechanism of energy retention in detail, materials with different electronic structures are investigated: Cu, n-Si, p-Si and SiO2 . In the case of calorimetry, a linear relationship between the deposited potential energy and the inner potential energy of the ions was determined. The total potential energy which stays in the solid remains almost constant at about (80 ± 10) %. Comparing the results of the Cu, n-Si and p-Si targets, no significant difference could be shown. Therefore we conclude that the difference in energy deposition between copper, n-doped Si and p-doped Si is below 10 %, which is significantly lower than using SiO2 targets. For this purpose, electron spectroscopy provides a complementary result. For Cu and Si surfaces, an almost linear increase of the re-emitted energy with increasing potential energy of the ion up to Ar7+ was also observed. The ratio of the re-emitted energy is about (10 ± 5) % of the total potential energy of the incoming ion, almost independent of the ion charge state. In contrast, an almost vanishing electron emission was observed for SiO2 and for charge states below q=7. For Ar8+ and Ar9+, the electron emission increased due to the contribution of the projectile LMM Auger electrons and the re-emitted energy amounts up to 20 % for Cu and Si and around 10 % for SiO2 .These results are in good agreement with the calorimetric values. In addition, the experimental results are compared with computer simulations based on the extended dynamical over-the-barrier model. From these calculations, the ratio of deposited potential energy that is transformed into kinetic energy before deposition due to the image charge acceleration can be maintained.

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

Motiviert durch die in der Literatur bisher unvollständige Beschreibung der Relaxation hochgeladener Ionen vor Festkörperoberflächen, besonders in Bezug auf den Eintrag potenzieller Energie in Oberflächen und der Aufstellung einer vollständigen Energiebilanz, werden in dieser Arbeit komplementäre Studien präsentiert, die sowohl die Ermittlung des Anteils der deponierten potenziellen Energie als auch die Ermittlung der emittierten potenziellen Energie ermöglichen. Zum Einen wird zur Bestimmung des eingetragenen Anteils der potenziellen Energie eine kalorimetrische Messanordnung verwendet, zum Anderen gelingt die Bestimmung der emittierten potenziellen Energie mittels doppeldifferenzieller Elektronenspektroskopie. Für vertiefende Studien werden Materialien unterschiedlicher elektronischer Strukturen (Cu, n-Si, p-Si und SiO2 ) verwendet. Im Falle der Kalorimetrie wird festgestellt, dass die eingetragene potenzielle Energie linear mit der inneren potenziellen Energie der Ionen wächst. Dabei bleibt das Verhältnis zwischen der eingetragenen potenziellen Energie und der inneren potenziellen Energie nahezu konstant bei etwa (80 ± 10) %. Der Vergleich von Cu, n-Si und p-Si zeigt im Rahmen der Messfehler keine signifikanten Unterschiede in diesem Verhältnis. Es liegen jedoch deutlich unter jenem von SiO2. Die Elektronenspektroskopie liefert ein dazu komplementäres Ergebnis. Für Cu und Si konnte ebenfalls eine lineare Abhängigkeit zwischen emittierter Energie und innerer potenzieller Energie festgestellt werden. Das Verhältnis wurde hierfür bis zum Ladungszustand bis Ar7+ zu etwa (10 ± 5) % unabhängig vom Ladungszustand bestimmt. Im Gegensatz dazu liefert SiO2 eine nahezu verschwindende Elektronenausbeute. Für Ar8+ und Ar9+ steigt die Elektronenausbeute wegen der Beiträge der LMM-Augerelektronen für alle untersuchten Materialien leicht an. Der Anteil der emittierten Energie eines Ar9+ -Ions wird für Cu und Si zu etwa 20 % und für SiO2 zu etwa 10 % angegeben. Diese Ergebnisse sind in guter Übereinstimmung mit den Kalorimetrieexperimenten und erfüllen die Energiebilanz. Zusätzlich werden die experimentellen Ergebnisse mit einer Computersimulation modelliert, welche auf dem erweiterten dynamischen klassischen Barrierenmodell basiert. Aus diesen Rechnungen kann zudem jener Anteil der deponierten potenziellen Energie erhalten werden, welcher durch Bildladungsbeschleunigung vor der Oberfläche in kinetische Energie umgewandelt wurde. / Motivated by the incomplete scientific description of the relaxation of highly charged ions in front of solid surfaces and their energy balance, this thesis describes an advanced complementary study of determining deposited fractions and re-emitted fractions of the potential energy of highly charged ions. On one side, a calorimetric measurement setup is used to determine the retained potential energy and on the other side, energy resolved electron spectroscopy is used for measuring the re-emitted energy due to secondary electron emission. In order to study the mechanism of energy retention in detail, materials with different electronic structures are investigated: Cu, n-Si, p-Si and SiO2 . In the case of calorimetry, a linear relationship between the deposited potential energy and the inner potential energy of the ions was determined. The total potential energy which stays in the solid remains almost constant at about (80 ± 10) %. Comparing the results of the Cu, n-Si and p-Si targets, no significant difference could be shown. Therefore we conclude that the difference in energy deposition between copper, n-doped Si and p-doped Si is below 10 %, which is significantly lower than using SiO2 targets. For this purpose, electron spectroscopy provides a complementary result. For Cu and Si surfaces, an almost linear increase of the re-emitted energy with increasing potential energy of the ion up to Ar7+ was also observed. The ratio of the re-emitted energy is about (10 ± 5) % of the total potential energy of the incoming ion, almost independent of the ion charge state. In contrast, an almost vanishing electron emission was observed for SiO2 and for charge states below q=7. For Ar8+ and Ar9+, the electron emission increased due to the contribution of the projectile LMM Auger electrons and the re-emitted energy amounts up to 20 % for Cu and Si and around 10 % for SiO2 .These results are in good agreement with the calorimetric values. In addition, the experimental results are compared with computer simulations based on the extended dynamical over-the-barrier model. From these calculations, the ratio of deposited potential energy that is transformed into kinetic energy before deposition due to the image charge acceleration can be maintained.

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.