Untersuchungen zur Photorekombination in Ion-Elektron Stößen

Gegenstand der Untersuchungen dieser Arbeit ist der Einfangprozess der radiativen Rekombination gewesen. Dabei ist zwischen dem Einfang in die inneren Schalen, K- und L- Schale, und dem Einfang in die äußeren Schalen unterschieden worden. Für die inneren Schalen ist neben dem Einfang in nacktes auch die Untersuchung des Einfangs in wasserstoffartiges Uran möglich gewesen. Es hat sich herausgestellt, dass die experimentellen Ergebnisse fur den Einfang in die inneren Schalen von U92+ gut mit den theoretischen Erwartungen übereinstimmen. Dagegen haben sich für den Einfang in U91+ leichte Abweichungen bei Einfang in die K- Schale gezeigt. Was diese Abweichung verursacht hat, konnte nicht geklärt werden. In Uran koppeln die Elektronen der innersten Schalen aufgrund der Größe der Kernladung über jj- Kopplung, weswegen die Wechselwirkung der Elektronen untereinander keine wesentliche Rolle spielen sollte. Dennoch scheint das bereits in der K- Schale vorhandene Elektron die Einfangwahrscheinlichkeit eines zweiten Elektrons zu vermindern. Das Verhältnis U92+/U91+ entspricht nicht dem erwarteten Wert von nahezu 2, sondern ist mit 2,28 etwas größer. Bisherige, jedoch bei hohen Energien durchgefuhrte, Experimente haben in guter Übereinstimmung mit den theoretischen Vorhersagen gestanden. Daraus lässt sich schließen, dass dieser Effekt erst bei sehr kleinen Stoßenergien auftritt, wie sie im Kuhler vorliegen. An dieser Stelle sei auch daran erinnert, dass der Stoß zwischen Elektron und Ion senkrecht erfolgt und somit der Detektor die emittierten Photonen unter 90 Grad beobachtet. Dies ist gerade der Winkel unter dem der Wirkungsquerschnitt maximal ist. Im Gegensatz dazu zeigen die Daten für die L- Schale in beiden Fällen im Bereich ihrer Fehlerbalken die gleichen Ergebnisse. Dies ist nicht verwunderlich, da aufgrund der hohen Kernladungszahl von Uran ein Elektron in der K- Schale keinen bedeutenden Abschirmeffekt für die L- Schale verursacht. Daher bleiben die Einfangszustände für den Einfang in die L- Schale im Gegensatz zum Einfang in die K- Schale bei U91+ nahezu identisch. Beim Vergleich der experimentellen Daten mit einer nichtrelativistischen und relativistischen Theorie ist sowohl für die Verhältnisse der K-RR Linie mit den beiden L-RR Linien als auch bei den L-RR Linien untereinander stets eine bessere Übereinstimmung mit der relativistischen Theorie gezeigt worden. Dabei sei daraufhingewiesen, dass die Werte dieser beiden Theorien deutlich voneinander abweichen. Wähhrend die nichtrelativistische Theorie für das Verhältnis K-RR/L-RRj=1=2 beispielsweise einen Wert von 2,12 voraussagt, ergibt die vollständig relativistische Theorie einen Wert von 1,41. Der experimentelle Wert von 1,23 +- 0,03 zeigt nun eine deutlich bessere Übereinstimmung mit der relativistischen Theorie. Daraus kann geschlossen werden, dass auch bei Stoßenergien nahe null für die tiefstliegenden Zustände relativistische Effekte vorhanden sind, die in den Rechnungen berücksichtigt werden müssen. Die Untersuchung des Einfangs in die äußeren Schalen hat dagegen weniger Übereinstimmende Ergebnisse gebracht. Zwar hat sich gezeigt, dass die Form der experimentellen Spektren durch verzögerte Lyman alpha Übergänge erklärt werden kann, allerdings ist die Intensität der niederenergetischen Ausläufer in der Simulationen nicht erreicht worden. Rechnungen mit verschiedenen Anfangszuständen haben gezeigt, dass durch die Hinzunahme von Zuständen mit höherer Hauptquantenzahl n die Zahl der verspäteten Ereignisse erhöht werden kann. Jedoch nicht in dem Maße, dass eine Wiedergabe der experimentellen Spektren möglich würde. Rechnungen mit unterschiedlichen Bedingungen haben gezeigt, dass auch Zustände mit kleinen Übergangswahrscheinlichkeiten Einfluß auf die zeitliche Entwicklung der Kaskaden haben. Dagegen wird die Kaskade durch Ausschluss von Zuständen mit einem Verzweigungsverhältnis kleiner als 1% kaum beeinflußtt. Weiterhin macht es keinen Unterschied ob die Wegstrecke mit Schrittweiten von 1x10 exp (-14) oder 1x10 exp (-11) gerechnet wird. Größere Zeitschritte führen zu Abweichungen. In einem weiteren Teil der Auswertung sind die l- Zustände untersucht worden, die zu den verspäteten Ereignissen beitragen. Dabei hat sich herausgestellt, dass die Zustände um l = n/3 den Hauptbeitrag zu den verspäteten Übergängen leisten. Bei den Yrastkaskaden lässt sich ein deutlicher Anstieg im Bereich von 30 ns beobachten, jedoch ist ihr Anteil im Vergleich zu den l = n/3 Zuständen deutlich geringer. Ihr Einfluss auf das Spektrum würde sich erst zu noch späteren Zeitpunkten bemerkbar machen. Der Beitrag verzögerter Ereignisse zu den Ausläufern der Lyman alpha - Linien ist nur aufgrund der relativistischen Raumwinkeltransformation verstärkt zu erkennen. Die effektiv vorhandene Intensität dieser verzögerten Ereignisse wird über die Raumwinkelkorrektur um ein Vielfaches erhöht. Tatsächlich folgt aus der Kaskadenrechnung ein Anteil verzögerter Übergänge an der gesamten Emission von nur 0,1 %, während er unter Berücksichtigung der Detektorgeometrie (Raumwinkelkorrektur für einen Beobachtungswinkel von 0 Grad) 4,6 % beträgt. Allerdings macht der im Experiment gemesse Anteil der verzögerten Emission 73,9 % der Gesamtemission aus. Er liegt also mehr als eine Größenordnung über dem Anteil, der sich aus der Kaskadenrechnung mit anschließender Simulation der Detektorgeometrie ergibt. Mit der momentanen Theorie ist es nicht möglich, die experimentellen Ergebnisse zu reproduzieren. Dies kann daran liegen, dass die Anfangsbesetzung gerade in den hohen Zuständen zu gering angesetzt wird. Da diese erst nach einigen Nanosekunden zu den Lyman alpha Übergängen beitragen, könnte eine höhere Anfangsbesetzung dieser Zustände zu einer Verstärkung der Linien beitragen. Es ist bisher noch nicht gelungen, eine Aussage darüber zu treffen, wodurch diese Ratenüberhöhung zustande kommt und welche physikalischen Aspekte dabei eine Rolle spielen. Möglicherweise ist die Verwendung der Stobbe-Theorie zur Berechnung der Rekombinationsraten freier Elektronen in hohe Rydbergzustände nicht richtig, weil es wegen der äußeren Felder im Kühler keine wirklich freien Elektronen in hohen Zuständen gibt. Zur detaillierteren Untersuchung dieses Phänomens hat im September 2004 die Gruppe um M. Pajek ein Experiment am Elektronenkühler durchgeführt [66]. Als Projektilionen sind wieder nackte Uranionen verwendet worden, allerdings bei einer Energie von 23 MeV. Detektoren sind unter 0 Grad und 180 Grad montiert worden. Während des Messzyklusses ist die Kühlerspannung variiert worden, um die Elektronen einmal schneller und einmal langsamer als die Ionen fliegen zu lassen. Auf diese Art und Weise sollte herausgefunden werden, ob bei Relativenergien ungleich null ebenfalls eine Ratenüberhöhung auftritt. Erwartet wird, dass dies aufgrund der höheren Relativenergie nicht der Fall ist. Eine Auswertung der Daten liegt derzeit noch nicht vor