Spektroskopische Untersuchungen hochgeladener Krypton-Ionen im Röntgen-Bereich

Abstract

Diese Dissertation widmet sich der spektroskopischen Untersuchung verschiedener Aspekte der Strahlungsemis\-sion hochgeladener Krypton-Ionen mit Relevanz für die Fusionsforschung. Die Experimente hierzu erfolgten an der Berliner Elektronenstrahl-Ionenfalle (EBIT). Der erste Teil der Arbeit hat die Messung kanalspezifischer Wirkungsquerschnitte für die dielektronische Rekombination (DR) der KL$n$-Resonanzserie ($n$=2, \ldots, 5) von Helium- bis Kohlenstoff-ähnlichen Kr-Ionen ($\mbox{Kr}^{(34\, \ldots\,30)+}$) zum Inhalt, die relativ zum Wirkungsquerschnitt der nichtresonanten strahlenden Rekombination (RR) bestimmt wurden. Die Anpassung der Anregungskurven durch eine Modellfunktion aus berechneten Resonanzst ärken ermöglichte den Vergleich mit theoretischen DR-Wirkungsquerschnitten. Es zeigt sich, dass Vorhersagen des HULLAC-Atomstrukturcodes für die Resonanz\-st"ar\-ken der Kr-Ionen durch das Experiment innerhalb der Me"sunsicherheiten best"a\-tigt werden. Darüber hinaus wurde auch die Relaxation der einfach angeregten Ionen nach erfolgtem DR-Stabilisierungsübergang analysiert. Die zur Auswertung der DR-Anre\-gungs\-kurven angewandte Technik eröffnet gleichzeitig eine spektroskopische Methode für die Bestimmung der relativen Konzentration hochgeladener Ionen in EBIT. Die Messung der Strahlungskühlungsrate von Krypton, die den zweiten inhaltlichen Schwerpunkt der Dissertation darstellt, wäre ohne diese in situ Diagnostik der Ladungbilanz nicht möglich gewesen. Hier wurde die Ionenfalle so eingestellt, dass sich eine Ladungsverteilung herausbildet, die dem Ionisationsgleichgewicht eines Plasmas bei einer Temperatur von etwa $5\;\mbox{keV}$ entspricht. Die Bestimmung der Strahlungsk"uhlungsrate profitierte von dem Potential einer EBIT, die gefangenen Ionen mit Elektronenenergien aus einem weiten Bereich abzutasten und einzelne Strahlunsprozesse selektiv anzuregen. Die Röntgenemission verschiedener Strahlungskanäle, wie Bremsstrahlung, strahlende Rekombination, dielektronische Rekombination und Linienstrahlung nach direkter Anregung wurde separat erfaßt. Hieraus konnten erstmals kanalspezifische Strahlungskühlungsraten bestimmt werden. Es stellte sich heraus, dass der dominante Beitrag zur Strahlungskühlungsrate durch die direkt angeregte Linienstr ahlung des L-Schalen-Spektrums zustande kommt, die etwa 75\% der gesamten Verlustleistung ausmacht. Beim Vergleich der totalen Strahlungsverlustleistung mit Vorhersagen der Theorie sind Abweichungen festzustellen. Die berechneten Werte sind je nach Modell um einen Faktor 1.5 - 2.0 kleiner als das Ergebnis der Messung. Dieser Unterschied liegt außerhalb der experimentellen Unsicherheit von maximal 30\%.

This thesis deals with the spectroscopic investigation of various aspects of the x-ray emission of highly charged krypton ions with relevance for fusion research. The experiments have been performed at the Berlin electron beam ion trap (EBIT). One part of the work was devoted to the measurement of channel-specific cross sections for dielectronic recombination (DR) via the KL$n$ ($n$=2, \ldots, 5) resonance series of He- to C-like krypton ions ($\mbox{Kr}^{(34\, \ldots\,30)+}$). The DR cross sections were determined relative to the cross section for non-resonant radiative recombination (RR). A fit procedure was used to compare the measured data with theoretical calculations. Predictions of the HULLAC atomic structure code are confirmed within the experimental uncertainties. Additionally, the radiative relaxation mechanism following the stabilizing transition in the DR process was analyzed. The approach used to obtain the DR excitation function opens up a spectroscopic method to determine the relative abundance of the highly charged ions in the trap. This in situ diagnostic of the charge state balance allowed for the measurement of the radiative cooling rates of krypton being the second focus of the thesis. For this purpose EBIT was tuned to a charge state distribution approaching the ionization balance of a plasma at a temperature of about $5\;\mbox{keV}$. EBIT's capability to sample a wide range of electron-beam energies and distinguish between different radiation channels was utilized to determine the cooling rate. The x-ray emission from the various plasma radiation channels, like bremsstrahlung, radiative recombination, dielectronic recombination, and line radiation following electron-impact excitation was analyzed. For the first time, channel-specific cooling rates could be obtained from these data. It was found, that the dominant contribution to the cooling rate is made up by the directly excited x-rays of the L-shell spectra of krypton, producing more than 75\% of the total radiation loss. A difference with theoretical calculations is noted for the total cooling rate. The predicted values are lower by a factor of 1.5 - 2.0, depending on the theoretical model. This discrepancy is clearly beyond the experimental uncertainty of 30\% at maximum.