Charge breeding investigation in EBIS-T and collision study of ions with cold atoms for HITRAP [Elektronische Ressource] / put forward by Alexey Sokolov

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Dissertationsubmitted to theCombined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematicsof the Rupertus-Carola University of Heidelberg, Germanyfor the degree ofDoctor of Natural SciencesPut forward byMaster-Phys.: Alexey SokolovBorn in: Kingisepp, RussiaOral examination: 29.01.2010Charge breeding investigation inEBIS/T and collision study of ionswith cold atoms for HITRAPReferees: Priv. Doz. Dr. Wolfgang QuintProf. Dr. Andreas WolfUntersuchungen zum Ladungsbru¨ten in EBIS/T und Kollisionsex-perimente mit kalten Atomen fu¨r HITRAP Langsame oder sich inRuhe befindliche hochgeladene Ionen sind interessante Systeme fu¨r atom-physikalische Experimente. Fu¨r Untersuchungen an schweren hochgeladenenIonenwurdedieIonenfallenanlageHITRAP(Highlychargediontrap)anderGSI/Darmstadt aufgebaut, die geku¨hlte Strahlen hochgeladener Ionen beieiner Energie von 5 keV/q liefern wird. Die hochgeladenen Ionen werden ineiner Stripper-Folie bei relativistischen Energien erzeugt und im Experimen-tierspeicherring ESR und in der HITRAP-Anlage abgebremst, bevor sie zuden Experimenten geliefert werden. Ein Experiment ist der Mehrelektronen-Ladungsaustausch in St¨oßen hochgeladener Ionen mit kalten Atomen, diemit der MOTRIMS-Methode erforscht werden. Ein Stoßexperiment mit le-ichten Ionen aus einer EZR-Ionenquelle und kalten Atomen in einer magne-tooptischen Falle als Target wurde durchgefu¨hrt und die Resultate werdendargestellt.

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Published 01 January 2010
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Dissertation
submittedtothe
CombinedFacultiesfortheNaturalSciencesandforMathematics
oftheRupertus-CarolaUniversityofHeidelberg,Germany
forthedegreeof
DoctorofNaturalSciences

Putforwardby

Master-Phys.:AlexeySokolov
Bornin:Kingisepp,Russia

Oralexamination:29.01.2010

ECBhISar/gTeabnredecdoilnligsiionnvessttuigdaytioofniionns
withcoldatomsforHITRAP

Referees:

Priv.Doz.Dr.WolfgangQuint
Prof.Dr.AndreasWolf

UntersuchungenzumLadungsbru¨teninEBIS/TundKollisionsex-
perimentemitkaltenAtomenfu¨rHITRAPLangsameodersichin
RuhebendlichehochgeladeneIonensindinteressanteSystemefu¨ratom-
physikalischeExperimente.Fu¨rUntersuchungenanschwerenhochgeladenen
IonenwurdedieIonenfallenanlageHITRAP(Highlychargediontrap)ander
GSI/Darmstadtaufgebaut,diegeku¨hlteStrahlenhochgeladenerIonenbei
einerEnergievon5keV/qliefernwird.DiehochgeladenenIonenwerdenin
einerStripper-FoliebeirelativistischenEnergienerzeugtundimExperimen-
tierspeicherringESRundinderHITRAP-Anlageabgebremst,bevorsiezu
denExperimentengeliefertwerden.EinExperimentistderMehrelektronen-
LadungsaustauschinSto¨ßenhochgeladenerIonenmitkaltenAtomen,die
mitderMOTRIMS-Methodeerforschtwerden.EinStoßexperimentmitle-
ichtenIonenauseinerEZR-IonenquelleundkaltenAtomenineinermagne-
tooptischenFallealsTargetwurdedurchgefu¨hrtunddieResultatewerden
dargestellt.EineElektronenstrahl-Ionenfalle(EBIT)fu¨rdieInbetriebnahme
derHITRAP-Experimentewurdegetestetundoptimiert.DerProzessdes
Ladungsbru¨tenswurdeinderEBITerfolgreichmitEdelgasenundeinem
Alkali-Element,dasauseinerexternenIonenquelleeingeschossenwurde,er-
folgreichuntersucht.

ChargebreedinginvestigationinEBIS/Tandcollisionstudyofions
withcoldatomsforHITRAPHighlychargedions(HCI)atlowvelocities
oratrestareinterestingsystemsforvariousatomicphysicsexperiments.For
investigationsonHCIofheavystableorradioactivenuclidestheHITRAP
(HighlychargedIonTRAP)deceleratorfacilityhasbeensetupatGSIto
delivercooledbeamsofHCIatanenergyof5keV/q.TheHCIareproduced
inastripperfoilatrelativisticenergiesandaredeceleratedinseveralsteps
atESRstorageringandHITRAPbeforetheyaredeliveredtoexperimental
setups.Oneoftheexperimentsistheinvestigationofmulti-electroncharge
exchangeincollisionsofheavyHCIwithcoldatomsusingnovelMOTRIMS
technique.CollisionexperimentsonlightionsfromanECRionsourcecol-
lidingwithcoldatomsinaMOThavebeenperformedandtheresultsare
described.Anelectronbeamiontrap(EBIT)hasbeentestedandopti-
mizedforcommissioningoftheHITRAPphysicsexperiments.Theprocess
ofchargebreedingintheEBIThasbeensuccessfullystudiedwithgaseous
elementsandwithanalkalineelementinjectedfromanexternalionsource.

Themachinedoesnotisolate
plungeshimmoredeeplyinto

manfrom
t.meh

eht

taerg

problemsofnaturebut

AntoinedeSaint-Exupery

Contents

1GeneralIntroduction1
2HITRAP5
2.1Overview...............................5
2.1.1Double-DriftBuncher....................8
2.1.2IH-structure.........................11
2.1.3RFQandLEBTsection..................12
2.1.4CoolerTrapandbeamlinetoexperiments........14
2.2HITRAPexperiments.......................15
2.2.1g-factormeasurements..................15
2.2.2Massmeasurements.....................16
2.2.3Laserspectroscopy.....................17
3TheoryofIon-Atomcollisions19
3.1Introduction.............................19
3.2Perturbationtheory.........................20
3.3Ion-atominteractionsatdierentvelocities...........22
3.3.1Highvelocity........................24
3.3.2Intermediatevelocity....................24
3.3.3Lowvelocity.........................26
3.4Classicalover-barriermodel....................29
3.5Statisticalinterpretationoftransferionization..........32
4Ion-Atomcollisionexperiment35
4.1Ion-atomcollisionkinematics...................35
4.2Experimentalmethods.......................37
4.3MOTRIMSsetupatKVI......................40
4.3.1MOT.............................41
4.3.2RIMS............................42
4.3.3Experimentalresultsanddiscussion............43
5Ionsources51
5.1EBIS/T...............................51
5.1.1Introduction.........................51
5.1.2Ioncreation.........................53

I

IICONTENTS
5.1.3Ionchargeexchange....................54
5.1.4Electronbeam........................55
5.1.5Iontemperature.......................57
5.2ECRIS................................58
5.3Singlychargedionsources.....................60
6EBIS/Tsetupsandexperiments61
6.1MAXEBISsetupandexperiments.................61
6.2SPARCEBITsetupandexperiments...............66
6.2.1SPARCEBITsetup....................66
6.2.2Emittancemeasurements.................68
6.2.3Extractionpulsemeasurements..............70
6.2.4Chargestatespectra....................71
6.2.5X-rayspectra........................76
7ChargeBreedingofexternallyinjectedsinglychargedions79
7.1Motivation..............................79
7.2Basicsofchargebreeding......................81
7.3AdvancedchargebreedinginMAXEBIS.............82
7.4ChargebreedingintheroomtemperatureEBITs........84
8Summaryandoutlook93
AAtomicunits97
BMagneticeldincaseofcylindricalsymmetry99
CEmittancemeasurementsusing3-(multi-)gradientmethod101
Bibliography105
Acknowledgements113
ListofAcronyms115

ListofTables

1.2

1.3

44..12

1.A

Parametersofthedeceleratorelements.................

CrosssectionsforA12+Rb(Mg)collisionfromCBMmodel....

Q-valuesandreferencetotalcapturecrosssections.........
DierentcrosssectionsforHe2+Nacollisions...........

Atomicunits................................

III

7

13

6449

79

VI

TSIL

FO

TABLES

ListofFigures

2.1OverviewoftheGSIacceleratorcomplex................
2.2ExperimentalStorageRing.......................
2.3TheHITRAPbeamline.........................
2.4Double-DriftBuncher..........................
2.5IonbeamcurrentbeforeandaftertheDDB..............
2.6IonbeambunchesaftertheDDB....................
2.7InterdigitalH-type(IH)structure....................
2.8Signalsfromthesinglecrystaldiamonddetector...........
2.9AnalysisoftheionsignalsaftertheIH-structure...........
2.10Radiofrequencyquadrupole.......................
2.11CoolerTrap................................
3.1Possibleprocessesinion-atomcollisions...............
3.2TheMadison-Merzbachermap.....................
3.3Thomasmechanism...........................
3.4Capturecrosssections,comparisonwiththeBLmodel........
3.5MgionizationcrosssectionsfromRutherfordformula.........
3.6Schematicdiagramofpotentialcurvesforelectroncapture......
3.7CrosssectionsforA10+NacollisionfromCBMmodel.......
3.8FractionsofRb(1+n)+inArq+Rbcollisionfromstatisticalmodel.
4.1Geometriesforrecoilionmomentainvestigations...........
4.2HeidelbergRIMSanditssimulationusingSIMION7.0........
4.3Magneto-opticaltrap...........................
4.4RecoilIonMomentumSpectrometer..................
4.52DpatternofrecoilionsontheRIMSdetector............
4.6Q-valuespectrumoftheNa1+recoilions..............
4.7TheresultingelectroncapturecrosssectionsforHe2+Nacollisions
4.8TheresultingionizationcrosssectionsforHe2+Nacollisions...
5.1EBISsketch................................
5.2CBSIMsimulationofoxygenchargestateabundances........
5.3Dierentionspeciesinthetrap.....................
5.4ECRIS...................................
5.5Singlychargedionsource........................
6.1MAXEBISsetupatGSI.........................

V

5789901112131414102324262728203438393143444748494255585950626

IV

LISTOFFIGURES

6.2SimulationoftheMAXEBISsetup...................63
6.3Calculatedandsimulatedmagneticeld................64
6.4Abeamspotonthescreenandsimulatedphasespaceellipse....64
6.5TOFspectraindependenceonconnementtime...........65
6.6ExtractionpulsefromtheEBIS,dependenceonconnementtime..66
6.7SPARCEBITsetupatGSI.......................67
6.8SimulationsoftheSPARCEBITpotentials..............68
6.9Beamprolesandasimulationtoobtainafocallength........69
6.10Arionbeamemittanceindependenceontheelectroncurrent....69
6.11Dependenceofionextractionpulsesontheelectroncurrent.....71
6.12Dependenceofionextractionpulsesonconnementtime......72
6.13Magneticscansfordierentconnementtimes............73
6.14TOFspectraforlongconnementtimes................74
6.15Chargedistributionafter50msand1000msfordierentpressures.75
6.16Chargestatesabundanceoncon