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| Dissertation / PhD Thesis | GSI-2026-00618 |
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2025
Friedrich-Schiller-Universität Jena
Please use a persistent id in citations: urn:nbn:de:gbv:27-dbt-69974-3 doi:10.22032/DBT.69974
Abstract: This work presents a new experimental approach for precision x-ray spectroscopy of highly-charged heavy ions in a storage ring. lt deploys novel metallic magnetic microcalorimeters (MMCs) at 0° and 180° on either side of the electron cooler of the recently commissioned CRYRING@ESR at the FAIR/GSI facility. These detectors of the maXs-type combine the broad spectral coverage of semiconductor detectors with an energy resolution approaching that of crystal spectrometers. The new approach represents a breakthrough in two key aspects. First, it enables the elimination of hard to-control systematic uncertainties that are imposed on the Doppler-shift of measured x-rays, and were always hampering heavy ion storage ring experiments. Second, it achieves an energy resolution that is improved by an order of magnitude compared to semiconductor detectors, which are typically used for x-ray spectroscopy over a broad spectral range. The measurement presented in this work was conducted in 2021, and investigated N, M-+L and L-+K transitions of U90+ ions, following radiative recombination of cooler electrons into U91+ ions decelerated at 10.225 MeV/u. lt was the first successful coincidence measurement using MMC detectors at a storage ring, and achieved an energy resolution below 100 eV FWHM for photon energies ranging from a few keV to over 100 keV. Thus, the new experimental approach enabled, for the first time, an intrinsic Doppler correction in a heavy ion storage ring experiment, decoupling the correction from the hard-to-control systematic uncertainties, which are not expected to improve in the foreseeable future. In contrast, the systematic uncertainties of the new spectroscopy technique show potential of being reduced to below 1 eV with further investigation and refinement of the approach. Despite the low photon counts in the presented measurement -owing to it being the first time uranium was injected in the CRYRING, and to it being a first that U91+ was decelerated to 10.225 MeV/u and stored in a storage ring - the ion beam velocity, on which the Doppler correction depends, determined through the intrinsic method yields a statistical uncertainty that is of similar magnitude than the systematic uncertainty of the conventional method (deducing the term from the electron cooler voltage). Moreover, the new experimental approach provided the first theory-supported experimental insight into relative populations of excited states, as well as the branching ratio El/M2 of the ls2p 3P2 state in U90+.Diese Arbeit präsentiert einen neuen experimentellen Ansatz für Präzisions-Röntgenspektroskopie schwerer Ionen an einem Speicherring. Bei diesem kommen neuartige Magnetische Metallmikrokalorimeter (MMCs) unter 0° und 180° am Elektronenkühler des kürzlich in Betrieb genommenen CRYRING@ESR der FAIR/GSI Anlage zum Einsatz. Jene maXs-Typ Detektoren kombinieren eine breite spektrale Akzeptanz wie die von Halbleiterdetektoren mit einem hohen Energieauflösungsvermögen nahe dem von Kristallspektrometern. Der neue Experimentansatz stellt in zwei Bereichen einen Durchbruch dar. Erstens werden systematische Unsicherheiten im Zusammenhang mit der Doppler-Verschiebung der aufgenommenen Spektren eliminiert, die Schwerionenspeicherringexperimente schon immer erschwerten. Zweitens übertrifft die durch ihn erreichbare Energieauflösung die der Halbleiterdetektoren, die typischerweise für breitbandige Röntgenspektroskopie eingesetzt werden, um fast eine Größenordnung. Die im Kontext dieser Arbeit 2021 durchgeführte Messung untersuchte N, M-+L und L-+K Übergänge in U90+-Ionen, die auf strahlende Rekombination von Kühlerelektronen mit auf 10.225 MeV/u abgebremsten U91+-Ionen erfolgten. Dies war die erste erfolgreiche Koinzidenzmessung mit MMC-Detektoren an einem Speicherring, und erreichte eine Energieauflösung von weniger als 100 eV FWHM für Photonenergien von wenigen keV bis über 100 keV. Damit erlaubte der neue Experimentansatz erstmals die Durchführung einer intrinsischen Doppler-Korrektur eines Schwerionenspeicherringexperiments, was diese von den nicht genau bestimmbaren systematischen Unsicherheiten, für die in naher Zukunft keine Verbesserung zu erwarten ist, trennte. Die systematischen Unsicherheiten der neuen Methode weisen hingegen Potential auf, nach eingehender Untersuchung und Feinschliff des neuen Ansatzes, auf unter 1 eV reduziert werden zu können. Trotz der niedrigen Photonenzählrate in der hier präsentierten Messung - da erstmals Uran im CRYRING, und als U91+ mit einer bisher unerreicht niedrigen Energie in einem Speicherring gespeichert wurde - weist die mit der intrinsischen Methode ermittelte Ionengeschwindigkeit, von der der Doppler-Korrekturfaktor abhängt, eine statistische Unsicherheit auf, die bereits nahe der systematischen Unsicherheit der üblichen Methode liegt, die den Korrekturterm anhand der Elektronenkühlerspannung ermittelt. Darüber hinaus gewährt der neue Experimentansatz eine erste theorieunterstützte experimentelle Einsicht in die relative Bevölkerung angeregter Zustände, sowie in das Verzweigungsverhältnis El/M2 aus dem ls2p 3P2 Zustand von U90+.
Keyword(s): Quantenelektrodynamik ; Röntgenspektroskopie ; Schweres Ion ; Mikrokalorimeter ; 530
Note: Dissertation, Friedrich-Schiller-Universität Jena, 2025
Contributing Institute(s): Research Program(s): Experiment(s):
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