Photonen- und Röntgenspektometer

Röntgenspektroskopie

Die Physik der starken Felder mit ihren relativistischen und quantenelektrodynamischen (QED) Effekten kann in einzigartiger Weise an Ionen mit nur einem oder wenigen Elektronen und den höchsten Kernladungszahlen untersucht werden. Die Phänomene sind über eine genaue Spektroskopie der Röntgenstrahlung zugänglich, die während oder nach Rekombinations- oder Einfang-Prozessen emittiert wird. Die Prozesse finden bei der Wechselwirkung schwerer Ionen mit einem überlagerten Elektronen- oder Gasstrahl statt. Diese können im ESR-Speicherring bei GSI experimentell untersucht werden. An den zukünftigen Speicherringen der neuen Beschleunigeranlage FAIR bieten sich weiter verbesserte Bedingungen insbesondere im Hinblick auf die Einbeziehung seltener Isotope, die für eine systematische Untersuchung wichtig sind. Die Experimente, die hier diskutiert werden, sind Teil des Experimentierprogramms der SPARC-Kollaboration. Die genau zu bestimmenden Meßgrößen sind die Energien der K-Schalenübergänge im harten Röntgenbereich von etwa 50 bis 100 keV und der Übergänge innerhalb der L-Schale, die im Bereich von etwa 5 keV liegen. Darüber hinaus ist die Polarisation und Winkelverteilung der Photonenemission von großem Interesse. Insbesondere wird der präzisen Messung der linearen Polarisation harter Röntgenstrahlung in Zukunft eine besondere Bedeutung zukommen. Hieraus lassen sich detaillierte Informationen über den Röntgenproduktionsprozeß ableiten (z.B. Alignment atomarer Zustände). Insbesondere aber eignet sich eine präzise Messung der Polarisationsebene für Rekombinationsstrahlung zur Diagnose der Spinpolarisation gespeicherter Schwerionen [Su05, Bo11], wie sie z.B. durch optisches Pumpen mittels Laser erzeugt werden kann. Für zukünftige Experimente zum Studium paritätsverletzender Effekte in atomaren Systemen, wie sie gegenwärtig für hochgeladene Schwerionen diskutiert werden, ist dies von entscheidender Bedeutung.

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.