German Title: Speicherring-Experimente zur Stabilität negativer Ionen in der Gasphase

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Abstract

Studies on negative ions (anions) of molecules and clusters are one of the core experimental programs at the Heidelberg Cryogenic Storage Ring (CSR) facility. Within this work developments for the next generation of such experiments have been undertaken and the intrinsic stability of the vinylidene anion H₂CC⁻ in its electronic and vibrational ground state has been studied. The experimental developments include a new ion source setup for stability experiments on cold anionic clusters such as Al₄⁻, an electrostatic beamline setup for efficiently and flexibly supplying the CSR with beams of various ion sources, and improvements on diagnostic methods allowing to characterize the output of ion sources with high sensitivity and precision. For the vinylidene study, we stored H₂CC⁻ ions for up to 3300 s in the radiatively cold (< 10 K) and ultrahigh-vacuum (rest gas density ∼ 10³ cm⁻³) environment of the CSR, and tracked their time-dependent abundance in the storage ring using photodetachment. By means of intrinsically stable isobaric ions (CN⁻), stored and monitored at the same time as reference, we found an effective H₂CC⁻ lifetime of ≳ 10⁴ s. This lifetime is a factor ≳ 100 larger than the H₂CC⁻ lifetime reported by a room-temperature storage ring experiment. Based on our results, we assume that this discrepancy results from photodetachment of H₂CC⁻ by blackbody radiation in the room-temperature experiment.

Translation of abstract (German)

Studien an negativen Ionen (Anionen) von Molekülen und Clustern gehören zum experimentellen Kernprogramm des kryogenen Speicherrings CSR in Heidelberg. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Entwicklungen für die nächste Generation solcher Experimente gemacht und die intrinsische Stabilität des Vinylidin-Anions H₂CC⁻ im elektronischen und Vibrations-Grundzustand wurde untersucht. Die experimentellen Entwicklungen umfassen einen neuen Ionenquellen-Aufbau für Experimente zur Stabilität kalter Cluster-Anionen (z.B. Al₄⁻), einen elektrostatischen Strahlführungs-Aufbau zur effizienten und flexiblen Versorgung des CSR mit Strahlen verschiedener Ionenquellen, sowie Verbesserungen an diagnostischen Methoden zur empfindlichen und genauen Charakterisierung des Ionenertrages von Ionenquellen. Für die Vinylidin-Studie speicherten wir H₂CC⁻-Ionen für bis zu 3300 s in der kalten (< 10 K) Vakuum-Umgebung des CSR (∼ 10³ cm⁻³ Restgasdichte) und verfolgten die Zeitabhängigkeit der Anzahl gespeicherter Ionen mit Hilfe von Photodetachment. Intrinsisch stabile isobare Ionen (CN⁻), die als Referenz gleichzeitig gespeichert und beobachtet wurden, erlaubten es uns, eine effektive H₂CC⁻-Lebensdauer von ≳ 10⁴ s zu bestimmen. Diese Lebensdauer ist um einen Faktor ≳ 100 größer als die von einem anderen Speicherring-Experiment bei Raumtemperatur gemessene Lebensdauer. Basierend auf unseren Ergebnissen vermuten wir, dass diese Diskrepanz von Photodetachment von H₂CC⁻ durch das Schwarzkörper-Strahlungsfeld des Raumtemperatur-Experimentes herrührt.