Photon and X-ray Spectrometers
FOCAL – Precision X-Ray Spectroscopy for QED in the Strong-Field Domain
In a production run conducted over a period of three weeks at the gas jet of the ESR storage ring the 2p1/2,3/2→1s1/2 Lyman-α transitions of hydrogen-like Au78+ were measured in high resolution via spectroscopy of the the corresponding x-rays located near 63 keV. The aim of the experiment is to access the quantum-electrodynamic (QED) contributions to the 1s binding energy experimentally in order to provide an accurate comparison with the most advanced QED calculations.
The experiment was made possible by the development of the FOCAL FOcusing Compensated Asymmetric Laue x-ray crystal optics which overcomes both the limiting spectral resolving power of previously used germanium solid-state detectors and the prohibitively low detection efficiency of conventional crystal spectrometers. Still the event rate observed is very low amounting to only two events per hour in the Lyman-α1 line in each of the two spectrometers. The amazingly low background revealed in the measured spectra is due to a number of measures including active shielding, optimized 2D position-sensitive germanium strip detectors allowing energy gating and fast timing necessary for measuring the x rays in coincidence with particles undergoing charge loss and being detected in a high-performance gaseous particle detector downstream the gas jet. The crystal spectrometers were set up in twins for a Doppler self compensation leading to a cancellation of angular uncertainties. Last but not least the present measurement has become feasible because, since it’s inauguration, the ESR’s average ion number has dramatically increased.
See, also, this report (in German).
Helium- und Lithium-ähnliche Uran-Ionen bieten einzigartige Möglichkeiten zum Studium der QED-Beiträge zur Bindungsenergie und der Effekte der Elektron–Elektron-Wechselwirkung in einer konzeptionell und experimentell verläßlichen Weise. In den letzten Jahren wurde ein immenser Fortschritt in der theoretischen Behandlung hochgeladener Wenigelektronensysteme erzielt, der zu einer Reihe von genauen Berechnungen führte [Pe96, Pl94, Ar05]. Die möglichen Vorteile von Experimenten zur Paritätsverletzung in hochgeladenen heliumähnlichen Systemen gegenüber neutralen Atomen wurden eingehend diskutiert [Sc89, La01, Bo11]. Der Erfolg eines solchen Unterfangens hängt kritisch von der elektronischen Struktur ab, die bisher nicht experimentell verifiziert wurde.
Gleichzeitig verbesserten sich die experimentellen Möglichkeiten so, dass im ESR jetzt genügend intensive Ionenstrahlen gespeichert werden können, um auch hochauflösende Spektroskopie-Experimente durchführen zu können. Es wird geplant, eine genaue Spektroskopie der 2p3/2 -> 2s1/2 Übergänge im heliumähnlichen U90+ und im lithiumähnlichen U89+ durchzuführen. In diesen Übergängen ist der nichtrelativistische Coulomb-Beitrag zur Übergangsenergie klein, was zu einer hohen Empfindlichkeit gegenüber Elektron–Elektron-Korrelationen und QED-Beiträge höherer Ordnung führt. Ein vorläufiges Experiment mit begrenzter Genauigkeit wurde kürzlich durchgeführt [Tr09].
Experimentelle Schwierigkeiten liegen hauptsächlich in der begrenzten Intensität der Röntgenquellen im Zusammenspiel mit hochauflösenden Geräten zum Photonennachweis mit entsprechend niedriger Nachweisempfindlichkeit. Weiterhin sind Doppler-Verschiebungen und Verbreiterungen ein ernstzunehmendes Problem, wie auch die geometrischen Randbedingungen, die durch die technische Auslegung der beiden Röntgenquellen, nämlich des Elektronenkühlers und des Gasstrahls, als auch der anderen Komponenten des Speicherrings gegeben sind. Die experimentellen Herausforderungen können jedoch mit dem notwendigen technischen Aufwand gemeistert werden. So wird es erforderlich sein, zwei Röntgenspektrometer symmetrisch am Gasstrahl des ESR aufzubauen, um den Dopplereffekt zu kompensieren. Die zylindrisch gebogenen Kristalle für diesen Aufbau werden an der Friedrich-Schiller-Universität Jena in Verbindung mit dem Helmholtz-Institut Jena präpariert und charakterisiert.
Ein hochgeladenes Projektil-Ion kann eine große Anzahl von Elektronen von einem leichteren Target-Atom in einem einzelnen Stoß entfernen, ohne dem erzeugten Target-Ion eine große Rückstoßenergie zu übertragen. Solche Vorgänge wurden vor langer Zeit am UNILAC der GSI untersucht. Von einem Argon-Target, z.B., welches mit U66+-Ionen bei 5.9 MeV/u bestrahlt wird, werden Röntgenspektren emittiert, welche von charakteristischen Linien der Ein- und Zweielektronensysteme dominiert werden [Be82].
Diese Studien sollen unter stark verbesserten experimentellen Bedingungen am ESR fortgeführt werden. Ziel der Untersuchungen ist nicht nur ein besseres Verständnis des primären Ionisationsprozesses sondern ganz besonders auch der Sekundärstöße der Target-Rückstoßionen in verschiedenen Umgebungen. In diesem Zusammenhang spielen die Röntgenspektren der Rückstoßionen mit zwei Elektronen wegen des Vorhandenseins metastabiler Zustände eine besondere Rolle. Die relativen Intensitäten der 1s2p 3,1PJ → 1s2 1S0 Übergänge spiegeln die lokale Dichte zur Zeit des Emissionsprozesses wieder, vermittelt durch die großen Unterschiede in den atomaren Lebensdauern der beteiligten Zustände. Die Durchführbarkeit dieser Methode zeigt sich in der gemessenen Druckabhängigkeit der Argon-Röntgenspektren unter Schwerionenbeschuß [De84]. In den geplanten Experimenten soll ein dünnes Gastarget als Referenz dienen. Messungen mit einem Mikro-Tröpfchen- oder Cluster-Target werden dann mit den Ergebnissen eines dünnen Targets verglichen. Ein intensiver Laser-Puls kann eine ähnlich hohe Ionisation bewirken wie der Stoß mit einem hochgeladenen Schwerion. Innerhalb der geplanten Experimente sollen deshalb mit ähnlichem experimentellen Aufbau Messungen an den zur Verfügung stehenden Hochleistungslasern durchgeführt werden.
Röntgenkristalloptiken
Mit angepassten Röntgenkristalloptiken ist es möglich, Röntgenlinien von schnellen Ionen hochaufgelöst mit nur sehr geringer Doppler-Verbreiterung zu vermessen. Die Realisierbarkeit solcher Systeme wurde in vorbereitenden Experimenten am ESR demonstriert. Für den Bereich harter Röntgenstrahlung wurde die FOCAL-Röntgenoptik in Transmission entwickelt [Be04,Be09], die im asymmetrischen Laue-Fall betrieben wird. Abbildung 4 zeigt eine schematische Darstellung dieser Konfiguration mit zwei symmetrisch zum Ionenstrahl angeordneten Transmissionskristallspektrometern. Hiermit wird erreicht, daß systematische Linienverschiebungen, die durch den Dopplereffekt hervorgerufen werden, kompensiert werden können. Die Eignung dieser Kristalloptik für Präzisionswellenlängenmessungen im harten Röntgenbereich wurde in einem Pilotexperiment am ESR demonstriert. Als Ergebnis wird in Abbildung 5 das gemessene Lyman--Dublett des wasserstoffähnlichen Pb81+ gezeigt. Die Neigung der Spektrallinien in der zweidimensionalen örtlichen Intensitätsverteilung als Folge des Dopplereffektes stimmt mit den Erwartungen quantitativ überein.
Für den Röntgenenergiebereich von wenigen keV existiert eine entsprechende Kristalloptik in Johann-Geometrie. In einem vorläufigen Experiment am ESR-Speicherring konnte eine differenzielle Messung von Übergängen 2p3/2 → 2s1/2 innerhalb der L-Schale helium- und lithiumähnlicher Uranionen vorgenommen werden. Es kann durch entsprechende Wahl der Ionengeschwindigkeiten erreicht werden, daß die dopplerverschobenen Spektrallinien sich überlappen, was eine drastische Unterdrückung systematischer Unsicherheiten zur Folge hat.
Bei der Auswahl und Qualitätssicherung der notwendigen Kristalloptiken kann auf die langjährige Erfahrung auf diesem Gebiet am Institut für Optik und Quantenelektronik der Friedrich Schiller-Universität Jena zurückgegriffen werden.
