Englische Übersetzung des Titels: Soft X-ray laser spectroscopy on highly charged ions in an EBIT at the free-electron laser FLASH

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Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit konnte erstmalig die resonante Laserspektroskopie, die präziseste Spektroskopietechnik in Physik und Chemie, in den Spektralbereich weicher Röntgenstrahlung erweitert werden. Unter Verwendung hoch brillanter Strahlung von FLASH (engl. free electron laser in Hamburg) gelang die Vermessung des 2S_1/2-2P_1/2 Grundzustandsübergangs in Li-artigem Fe23+ mit einer relativen Unsicherheit von 20 ppm (engl. parts-per-million) durch direkte resonante Anregung bei etwa 48.6 eV. Die erforderlichen Ionen wurden dabei mittels der in dieser Arbeit aufgebauten Tesla-EBIT (engl. electron beam ion trap) produziert, einer neuartigen, kryogenen EBIT, die insbesondere auf die Bedürfnisse der Laserspektroskopie zugeschnitten ist. Die bei diesem Pionierexperiment erzielte Genauigkeit bezüglich der Größe der Aufspaltung dieses Zustands ist zwar noch vergleichbar derer der genausten konventionellen Messungen, jedoch weist die neue Methode weit in die Zukunft: Die künftig erreichbaren Betriebsparameter bei FLASH und des in Planung befindlichen XFEL werden Messungen der Übergangsenergien im VUV- und Röntgenbereich mit tausendfacher bisheriger Präzision ermöglichen, was beispiellose neue Einblicke in die grundlegenden Aspekte der QED und Atomstrukturphysik in starken Feldern verspricht. Neben den laserspektroskopischen Untersuchungen wurde auch präzise konventionelle Gitterspektroskopie betrieben und dabei verschiedene Grundzustandsübergänge in Be- und Li-artigem Eisen vermessen. Unter anderem gelang es, die 2S_1/2-2P_1/2 Übergangsenergie in Fe23+ mit einer in diesem Spektralbereich unerreichten Genauigkeit von nur 8 ppm zu ermitteln.

Übersetzung des Abstracts (Englisch)

The method of laser spectroscopy, widely applied in physics and chemistry, has been extended into the soft x-ray region for the first time within this thesis. By using ultrabrilliant light from FLASH (free electron laser in Hamburg) the 2S_1/2-2P_1/2 transition in Li-like Fe23+ ions was measured by direct resonant excitation from the ground state at roughly 48.6 eV. The ions were trapped and produced in the Tesla-EBIT (electron beam ion trap), a novel cryogenic EBIT specifically designed and built up for that purpose within this thesis. This proof-of-principle experiment achieved a relative statistical accuracy on the 20 parts-per-million level for the transition energy comparable to the best conventional measurements reported so far. Exploiting all possibilities offered by FLASH and the upcoming XFEL this method promises a further gain in accuracy up to three orders of magnitude, leading to unprecedented insights into basic aspects of QED and atomic structure theory in strong fields. In addition to laser spectroscopic studies conventional high precision measurements by grating spectroscopy where performed on ground state transitions in Be- and Li-like iron ions. For the 2S_1/2-2P_1/2 transition in Fe23+ for example a so far unmatched precision in the soft x-ray regime of 8 parts-per-million in wavelength was achieved.