German Title: Elektronenrekombinationsexperimente mit rotationsgekühlten, deuterierten dreiatomigenWasserstoff–Molekülionen im kryogenen Speicherring CSR

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Abstract

The work presented in this dissertation describes the ongoing efforts aimed towards understanding the Dissociative Recombination by electrons of the deuterated isotopologues of the triatomic hydrogen cation – H2D+ and D2H+ – inside the Cryogenic Storage Ring (CSR), located at the Max Planck Institute for Nuclear Physics. The facility is equipped with a merged electron–ion beams setup, that permits the investigation of ion–electron collisions. The molecular ions were stored for up to 1000 s in the CSR environment at temperatures T<10 K. At such timescales, the rovibrational populations of the stored ion beams become confined to a small number of identifiable states, according to a radiative cooling model based on comprehensive line –lists. The thesis describes the construction of such radiative cooling models, which in addition to radiative relaxation include the effects of inelastic electron collisions and selective depletion by electron recombination. The experimental part of the present work consists of investigating the Dissociative Recombination reaction of rotationally cold H2D+ and D2H+ ions in the relative collision energy range of 0–14 eV. Comparisons between experimental results and state-of-the-art theoretical calculations of the rotational state–specific cross sections are presented. The experimental rate coefficients are converted to plasma rate coefficients and compared against prior estimates that have been used in modelling of interstellar cloud chemistry.

Translation of abstract (German)

Die vorliegende Arbeit zielt auf das Verständnis der Dissoziativen Rekombination von Elektronen mit deuterierten Isotopologen des dreiatomigen Wasserstoff-Kations H2D+ und D2H+ im kryogenen Speicherring CSR am Max-Planck-Institut für Kernphysik ab. Innerhalb des CSR wurden Elektronen – und Ionenstrahlen überlagert und somit Kollisionsexperimente zwischen Ionen und Elektronen untersucht.

Die Molekülionen wurden bis zu 1000 s im CSR Strahlungsfeld bei Temperaturen T<10 K gespeichert. In dieser Zeit kühlen gespeicherte Ionenstrahlen in ihren inneren Freiheitsgraden, so dass nur eine geringe Anzahl bekannter Rotationszustände verblieb. In dieser Arbeit wird ein Modell zur radiativen Kühlung der inneren Freiheitsgrade mithilfe von umfassenden Daten zu molekularen Energieniveaus erstellt. Darüber hinaus beschreibt das Modell Kühleffekte über inelastische Stöße mit Elektronen und durch selektive Entvölkerung von Zuständen durch Elektronenrekombination.

Der experimentelle Teil dieser Arbeit widmet sich der Untersuchung von Dissoziativer Rekombination von rotationsgekühlten H2D+ und D2H+ Ionen im Bereich relativer Kollisionsenergien von 0–14 eV. Die Ergebnisse werden mit aktuellen theoretischen Berechnungen von rotationsabhängigen Wirkungsquerschnitten verglichen. Aus den experimentellen Ratenkoeffizienten der Reaktion werden Plasmaratenkoeffizienten berechnet und mit Schätzwerten verglichen, die in der Literatur für die Modellierung chemischer Reaktionen in interstellaren Molekülwolken verwendet wurden.