A cryogenic electrostatic ion trap and first experiments on delayed emission of aluminum anion clusters and self-bunching [Elektronische Ressource] / Michael Froese

Michael Froese

Sujets

• Physik

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• Publié par: ruprecht-karls-universitat_heidelberg
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 27
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 24 Mo

Extrait

Dissertation
submitted to the
Combined Faculties for the Natural Sciencies and for Mathematics
of the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germany
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
presented by
Michael Wayne Froese
born in Winnipeg, Canada
Oral examination: January 20th, 2010A cryogenic electrostatic ion trap and
rst experiments on delayed emission of
aluminum anion clusters and
self-bunching
Michael Froese
Referees: Prof. Dr. Andreas Wolf
Prof. Dr. Thomas StohlkerZusammenfassung: Zur Uberprufung von Technologien und Konzepten fur die
Entwicklung des kryogenen Ionenspeicherrings CSR wurde eine elektrostatische kryo-
gene Falle fur schnelle Ionenstrahlen (CTF) aufgebaut. Restgasdichten im Be-
3 14reich von 2000 Teilchen/cm (vergleichbar mit einem Druck von 8 10 mbar bei
Raumtemperatur) wurden demonstriert, wobei mittlere Speicherlebensdauern von
+uber 5 Minuten fur 7.1 keV N Ionen gemessen wurden. Die extrem reduzierte2
Umgebungsstrahlung in der CTF wurde danach fur Untersuchungen der verzogerten
Elektronenemission gespeicherter Aluminium-Clusterionen bei verschiedenen Tem-
peraturen genutzt. Dabei wurden temperaturabhanigig dramatische Abweichung-
en vom bekannten 1/t-Verhalten beim Zerfall heier Clusterionen beobachtet und
auch die photoneninduzierte verzogerte Elektronenemission erforscht. Diese Ex-
perimente deuten auf eine wesentlich starkere Verringerung der Clustertemperatur
als bisher erreicht hin, werfen aber auch Fragen uber die Gultigkeit der gegen-
wartig verwendeten Modelle auf. Die geringen Restgasdichten in der CTF haben
au erdem Untersuchungen von spontan oder durch RF-Beschleunigung erzeugten
Strahlpaketen in elektrostatischen Strahlfallen (EIBT) mit bislang unerreichter Prazi-
sion ermoglicht. Auerdem wurde durch ein falleninternes Massentrennungsver-
fahren erstmals resonante transversale Strahlanregung in einer EIBT direkt gemessen.
Abstract: The Cryogenic electrostatic Trap for Fast ion beams (CTF) has been
successfully built, fullling the Cryogenic Storage Ring (CSR) project goals of devel-
oping and testing the technologies and concepts to build this instrumentally challeng-
3ing device, and demonstrating rest-gas-densities on the order of 2000 particles/cm
14(or a room-temperature equivalent pressure of 8 10 mbar) with mean storage life-
+times of over 5 min for 7.1 keV N ions. Since this is the rst cryogenic electrostatic2
ion beam trap (EIBT), the resulting environment of greatly reduced blackbody radia-
tion was exploited by investigating the time dependence of delayed electron emission
from aluminum cluster anions at di erent temperatures. Dramatic deviations from
the commonly observed 1/t decay of hot clusters were observed, demonstrating this
decay’s dependence on the temperature of the storage environment. Delayed emis-
sion following the excitation of the aluminum clusters with a pulsed laser was also
observed. The results indicate a considerable reduction in the cluster temperature
than seen so far and raises questions about the validity of the present model. The
very low rest gas densities achieved also enabled the exploration of many properties
of self-bunching and RF bunching with unprecedented sensitivity. An in-situ mass-
selection technique exploiting the resonant transverse excitation of the stored ions
was also demonstrated inside an EIBT for the rst time.Contents
1 Introduction 1
1.1 Physics and astro-chemistry with storage rings . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 The Cryogenic Storage Ring (CSR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 The Cryogenic Trap for Fast ion beams (CTF) . . . . . . . . . . . . . 6
1.4 Outline of this work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2 Theoretical background 9
2.1 Ion trapping in an EIBT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Trapped ion losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.1 Electron capture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.2 Collisional detachment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.3 Single and multiple scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.4 Intrabeam scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.5 Modeling of trap losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3 The tune of an EIBT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4 Self-bunching of ions stored in an EIBT . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.5 Delayed emission and fragmentation of small metal cluster anions . . 19
2.5.1 Temperature induced cluster dissociation . . . . . . . . . . . . 19
2.5.2 Photon-induced delayed emission . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.5.3 Limitation of the above model: Delayed fragmentation . . . . 26
ivContents
3 Experimental setup 29
3.1 The cryogenic electrostatic ion beam trap . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.1.1 Heat transport mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.1.2 Cryogenic design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.1.3 Temperature measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.1.4 Vacuum system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.1.5 Trap electrodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.1.6 Pickup electrodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.1.7 First bake-able charcoal-based UHV cryopump . . . . . . . . . 48
3.2 Surrounding instrumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.2.1 Ion injection beam line . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.2.2 Experimental control and data acquisition . . . . . . . . . . . 53
3.2.3 Bake-out system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.2.4 Interlock and safety system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.3 Laser experiments with the CTF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.4 CTF driven CSR design modi