English Title: Spectroscopic investigation of resonant recombination processes in highly charged silicon in an electron beam ion trap

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Abstract

Die vorliegende Arbeit behandelt die Wechselwirkungen zwischen Elektronen und hochgeladenen Ionen in dünnen Plasmen, wobei speziell die resonante Photo-Rekombination mit spektroskopischen Mitteln untersucht wird. Zu diesem Zweck wurde eine neue Elektronenstrahl-Ionenfalle (EBIT, engl.: electron beam ion trap) am Max-Planck-Institut für Kernphysik gebaut und in Betrieb genommen. Diese kryogene Maschine neuester Generation ist auch für die schnelle Erzeugung hochgeladener Ionen konzipiert und dient als Prototyp für künftige Anlagen an radioactive ion beam Einrichtungen. Sie erreichte in ihrer ersten Ausbaustufe Elektronenströme von 550mA und ist für die Erweiterung zu bis zu 5A ausgelegt. Als erste wissenschaftliche Anwendung wurden damit im weichen Röntgenbereich an Helium- bis Sauerstoff-artigen Silizium-Ionen die di- und trielektronische Rekombination unter Anregung eines Hüllenelektrons von n = 1 -> 2 mit hoher Auflösung bezüglich der Energie der Projektilelektronen untersucht. Der Vergleich der Messdaten mit MCDF- und CI-Rechnungen zeigt einen Einfluss der Rekombination in Ionen in langlebigen, metastabilen Zuständen auf die Spektren. Auch wird die zeitliche Entwicklung der Spektren zur Untersuchung der Ladungszustandsverteilung in der Falle verwendet. Parallel dazu verlaufende spektroskopische Messungen im Spektralbereich zwischen 5nm und 12nm dienten der Diagnose der Ladungsbrütungsprozesse und speziell der Bestimmung der effektiven Elektronendichte des EBIT-Plasmas.

Translation of abstract (English)

This thesis investigates the interaction of electrons and highly charged ions in thin plasmas with a focus on spectroscopic studies of resonant recombination processes. For this purpose, a new electron beam ion trap (EBIT) was assembled and brought into operation at the Max-Planck Institute for Nuclear Physics. This cryogenic device is also designed for fast charge breeding and serves as a prototype for future devices used at radioactive ion beam facilities. In its first stage electron beam currents of 550mA were reached, and an upgrade to 5A is planned. As an initial scientific application, X-Ray spectra of di- and trielectronic recombination into helium-like to oxygen-like silicon-ions under excitation of an electron from n = 1 -> 2 were studied with the new EBIT. These spectra show an excellent resolution in the projectile electron energy. A comparison with MCDF and CI calculations shows an influence of recombination into ions in longlived, metastable states. The time evolution of the recombination spectra is used to investigate the charge state distribution within the trap. Along with these measurements, spectra in the region between 5nm and 12nm were recorded to diagnose the charge breeding process and to determine the effective electron density in the EBIT plasma.