German Title: Photoablösungsstudien von negativen Ionen am kryogenen Speicherring

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Abstract

In the present work, experimental studies of the photodetachment process of the Si− and Al−4 systems are presented. The measurements were carried out at the Cryogenic Storage Ring (CSR) facility located at the Max Planck Institute for Nuclear Physics in Heidelberg. By storing Si− for up to 2000 s in the T < 10 K CSR environment, making use of the reduced blackbody radiation field inside the CSR, we were able to monitor the decay of long-lived 2D states as well as the weakly bound 2P states. Employing a set of continuous wave and pulsed lasers, the lifetime for the 2P states were found to be τ = (22.5 ± 2.5)s. For the 2D states, a lower limit of τr > 5.7 h (within a confidence level of 90%) was measured. Furthermore, Multi-Configuration Dirac-Hartree-Fock (MCDHF) calculations were performed on the radiatiave lifetimes of the respective states, which show very good agreement with the present measurement. The second part of the studies focuses on the study of spontaneous cooling of stored Al−4 ions at very long time scales. Here, we present measurements that allow us to monitor the cluster cooling rates for up to 30 min and we compare those results to previous measurements at a room temperature device. We find that the cooling time scale is limited by the redistribution of vibrational energy inside the molecule, which we call slow exchange model, and in combination with recurrent fluorescence for energies above the first electronic excited state, they match the observed cooling rates.

Translation of abstract (German)

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den experimentellen Messungen des Photoablösungsprozesses von Si− und Al−4. Die Messungen wurden am kryogenen Speicher-ring (CSR), der sich am Max-Planck-Institut für Kernyphysik befindet, durchgeführt. Si− wird bei einer Umgebungstemperatur von T < 10 K mit einer Speicherzeit von bis zu 2000 s gespeichert. Die verringerte Schwarzkörperstrahlung ermöglicht es den Zerfall der langlebigen 2D Zustände und der schwach gebundenen 2P Zustände zu verfolgen. Unter Verwendung von Dauerstrichlasern und gepulsten Lasern, wurde die Lebensdauer der 2P Zustände auf τ = (22.5 ± 2.5)s bestimmt. Für die langlebigen 2D Zustände ist eine untere Grenze von τr > 5.7 h (innerhalb eines 90% Konfidenzintervalls) gemessen worden. Weiterhin wurden Multi-Configuration Dirac-Hartree-Fock (MCDHF) Rechnungen zu den radiativen Lebensdauern der jeweiligen Zustände durchgeführt, die eine sehr gute Übereinstimmung mit den vorliegenden Messungen zeigen. Der zweite Teil der Studien behandelt die Messung spontaner Kühlung von gespeicherten Al−4 Ionen bei sehr langen Speicherzeiten. Es werden Messungen vorgestellt, die es uns erlauben die Cluster Kühlungsraten für bis zu 30 min zu beobachten. Anschließend vergleichen wir diese Ergebnisse mit vorherigen Messungen, die bei Raumtemperatur durchgeführt wurden. Die Kühlungsraten sind limitiert durch die Umverteilung von Schwingungsenergien innerhalb des Moleküls, die wir langsames Ausstauschmodell nennen. Kombiniert mit wiederkehrender Fluoreszenz für Energien oberhalb des ersten elektronischen angeregten Zustands, folgen sie den beobachteten Kühlraten.