Search

Elektronenoverdracht en ionisatieprocessen tussen hooggeladen ionen en atomen spelen een belangrijke rol in alle astrofysische en kunstmatige plasmaomgevingen. De beschrijving van de dynamica van dergelijke veeldeeltjessystemen is een grote uitdaging voor de theorie. In haar proefschrift presenteert Ina Blank een systematische studie van elektronenoverdracht en ionisatie tussen langzame hooggeladen ionen (N 5+ , O 6+ en Ne 8+ ) en Na-atomen. De experimenten werden uitgevoerd door middel van het meten van de kleine terugslag die een Na-atoom ondervindt tijdens de interactie met het hooggeladen ion. Het atomaire doelwit wordt gevormd door magneto-optisch gekoelde en gevangen Na-atomen. Deze methode geeft ook inzicht in de atomaire afstand waarop deze processen bij voorkeur plaatsvinden. Theoretische berekeningen van elektronenoverdracht onthullen dat de structuren die zo werden waargenomen ontstaan door verschillende dynamische processen. Het blijkt dat tijdens de botsing het actieve elektron kan oscilleren tussen het doelwitatoom en het projectiel-ion, waarbij het aantal oscillaties gekoppeld is met de uiteindelijke kwantumtoestand van het elektron in het projectiel en met de botsingsenergie. Uit de verkregen informatie kan ook een interpolatie gemaakt worden voor de werkzame doorsneden van het experimenteel ongrijpbare, maar voor fusie relevante metastabiele waterstof.

Elektronenoverdracht en ionisatieprocessen tussen hooggeladen ionen en atomen spelen een belangrijke rol in alle astrofysische en kunstmatige plasmaomgevingen. De beschrijving van de dynamica van dergelijke veeldeeltjessystemen is een grote uitdaging voor de theorie. In haar proefschrift presenteert Ina Blank een systematische studie van elektronenoverdracht en ionisatie tussen langzame hooggeladen ionen (N 5+ , O 6+ en Ne 8+ ) en Na-atomen. De experimenten werden uitgevoerd door middel van het meten van de kleine terugslag die een Na-atoom ondervindt tijdens de interactie met het hooggeladen ion. Het atomaire doelwit wordt gevormd door magneto-optisch gekoelde en gevangen Na-atomen. Deze methode geeft ook inzicht in de atomaire afstand waarop deze processen bij voorkeur plaatsvinden. Theoretische berekeningen van elektronenoverdracht onthullen dat de structuren die zo werden waargenomen ontstaan door verschillende dynamische processen. Het blijkt dat tijdens de botsing het actieve elektron kan oscilleren tussen het doelwitatoom en het projectiel-ion, waarbij het aantal oscillaties gekoppeld is met de uiteindelijke kwantumtoestand van het elektron in het projectiel en met de botsingsenergie. Uit de verkregen informatie kan ook een interpolatie gemaakt worden voor de werkzame doorsneden van het experimenteel ongrijpbare, maar voor fusie relevante metastabiele waterstof., Electron transfer and ionization processes in collisions of highly charged ions with atoms play a significant role in all astrophysical and man-made plasma environments. The dynamics of such many-body systems is of fundamental interest as a benchmark for theory. In this thesis a systematic study of electron transfer and ionization in collisions of highly charged ions (N5+, O6+ and Ne8+) with Na atoms in the low keV/amu collision energy is presented. The experiments have been performed by means of measuring the tiny recoil caused by the interaction of the ion and the atom during the collision, which provides all necessary information on the collision process. The atomic target has been provided by magneto-optically cooling and trapping of Na atoms. From the cross sections obtained with the Na atom target an interpolation of cross sections of the experimentally elusive but fusion-relevant metastable hydrogen is obtained. Cross sections as a function of the projectile scattering angle give information on the impact parameter dependence of the processes. Theoretical calculations of electron transfer reveal that the structure observed in the scattering angle distributions is related to different dynamic processes: It is shown that during the collision the active electron can oscillate between the target and projectile nuclear centers, with the number of oscillations depending on the electron's final state in the projectile and the collision energy. First results on two-electron processes in collisions of O6+ ions with Na atoms have been obtained and different electron transfer mechanisms are identified.

Elektronenoverdracht en ionisatieprocessen tussen hooggeladen ionen en atomen spelen een belangrijke rol in alle astrofysische en kunstmatige plasmaomgevingen. De beschrijving van de dynamica van dergelijke veeldeeltjessystemen is een grote uitdaging voor de theorie. In haar proefschrift presenteert Ina Blank een systematische studie van elektronenoverdracht en ionisatie tussen langzame hooggeladen ionen (N 5+ , O 6+ en Ne 8+ ) en Na-atomen. De experimenten werden uitgevoerd door middel van het meten van de kleine terugslag die een Na-atoom ondervindt tijdens de interactie met het hooggeladen ion. Het atomaire doelwit wordt gevormd door magneto-optisch gekoelde en gevangen Na-atomen. Deze methode geeft ook inzicht in de atomaire afstand waarop deze processen bij voorkeur plaatsvinden. Theoretische berekeningen van elektronenoverdracht onthullen dat de structuren die zo werden waargenomen ontstaan door verschillende dynamische processen. Het blijkt dat tijdens de botsing het actieve elektron kan oscilleren tussen het doelwitatoom en het projectiel-ion, waarbij het aantal oscillaties gekoppeld is met de uiteindelijke kwantumtoestand van het elektron in het projectiel en met de botsingsenergie. Uit de verkregen informatie kan ook een interpolatie gemaakt worden voor de werkzame doorsneden van het experimenteel ongrijpbare, maar voor fusie relevante metastabiele waterstof.

Het Antiprotonannihilatie-experiment in Darmstadt (PANDA) heeft een breed wetenschappelijk programma waarvan de studie van exotische hadronen, ‘strange’- en ’charmed’-baryonen, het spectrum van charmonium en de structuur van het nucleon de belangrijkste deelgebieden zijn. Het is algemeen geaccepteerd dat de kwantumchromodynamica (QCD) de fundamentele theorie is van de sterke kernkracht. De zelfkoppeling van gluonen in QCD staat de voorspelling toe van exeotische hadronische systemen die verschillen van de klassieke quarkmodeltoestanden. Zeer nauwkeurige experimentele resultaten voor de spin/pariteit bepalingen en vervalswaarschijnlijkheden zijn een doorslaggevend element voor het identificeren van de structuur van deze exotische toestanden. Onze aanpak begint met het benoemen van de algemene eigenschappen van een verstrooiingsamplitude: unitariteit, covariantie, analyticiteit en deeltjesverwisselingssymmetrie. De covariante partiële-golfamplitudes zijn een uitstekend beginpunt voor het analyseren van baryon-antibaryonverstrooiing in een covariante gekoppelde-kanalenaanpak die rekening houdt met causaliteit en gekoppelde-kanalenunitariteit. De kinematische beperkingen in de heliciteitsparti”ele-golfamplitudes worden geëlimineerd door niet-unitaire transformatiematrices die de begin- en eindheliciteitstoestanden op nieuwe covariante toestanden afbeelden. We hebben een serie berekeningen uitgevoerd voor een 2x2 gekoppelde-kanalen wisselwerking. Hiermee onderzoeken wij de effecten van een zwakke, gemiddelde en sterke koppeling op de covariante partiële-golfamplitudes zoals uitgerekend met de N/D methode. Als een volgende stap, moeten covariante partiële-golfamplitudes gebruikt worden om de gekoppelde-kanalenruimte uit te breiden met meson-nucleon en meson-meson toestanden.

Het Antiprotonannihilatie-experiment in Darmstadt (PANDA) heeft een breed wetenschappelijk programma waarvan de studie van exotische hadronen, ‘strange’- en ’charmed’-baryonen, het spectrum van charmonium en de structuur van het nucleon de belangrijkste deelgebieden zijn. Het is algemeen geaccepteerd dat de kwantumchromodynamica (QCD) de fundamentele theorie is van de sterke kernkracht. De zelfkoppeling van gluonen in QCD staat de voorspelling toe van exeotische hadronische systemen die verschillen van de klassieke quarkmodeltoestanden. Zeer nauwkeurige experimentele resultaten voor de spin/pariteit bepalingen en vervalswaarschijnlijkheden zijn een doorslaggevend element voor het identificeren van de structuur van deze exotische toestanden. Onze aanpak begint met het benoemen van de algemene eigenschappen van een verstrooiingsamplitude: unitariteit, covariantie, analyticiteit en deeltjesverwisselingssymmetrie. De covariante partiële-golfamplitudes zijn een uitstekend beginpunt voor het analyseren van baryon-antibaryonverstrooiing in een covariante gekoppelde-kanalenaanpak die rekening houdt met causaliteit en gekoppelde-kanalenunitariteit. De kinematische beperkingen in de heliciteitsparti”ele-golfamplitudes worden geëlimineerd door niet-unitaire transformatiematrices die de begin- en eindheliciteitstoestanden op nieuwe covariante toestanden afbeelden. We hebben een serie berekeningen uitgevoerd voor een 2x2 gekoppelde-kanalen wisselwerking. Hiermee onderzoeken wij de effecten van een zwakke, gemiddelde en sterke koppeling op de covariante partiële-golfamplitudes zoals uitgerekend met de N/D methode. Als een volgende stap, moeten covariante partiële-golfamplitudes gebruikt worden om de gekoppelde-kanalenruimte uit te breiden met meson-nucleon en meson-meson toestanden.

Throughout our lives we are exposed to ionizing radiation from cosmic and environmental sources or from medical diagnostics and treatments. In conventional therapy of malignant tumors, photons or electrons are used. Nowadays we witness the introduction of proton and heavy ion beams which have a different distribution of the deposited dose. The dose peaks at the end of the particle's track and drops to zero beyond. In this so called Bragg peak range, where the ions have energies between zero and a few MeV, not only the deposited dose is maximum but also the relative biological effectiveness is enhanced. When ionizing radiation crosses a living cell, ionization and fragmentation of biologically relevant molecules such as water and DNA constituents occurs. These processes are the initial steps in DNA damage which in turn has the strongest biological consequences. DNA damage can have different levels of complexity leading to different biological end-points. On the molecular level ion-induced DNA damage is not yet understood. Studies on isolated gas phase molecules allow a detailed investigation of ion-induced molecular mechanisms. In this thesis, the interactions of energetic particles (He, C, H) with biologically relevant molecules (water, deoxyribose, nucleobases) and their clusters were investigated by means of high-resolution coincidence time-of-flight spectrometry. Deoxyribose molecules were found to be the most sensitive to keV ion irradiation. Energetic fragments which can induce further damage were observed in ion-induced dissociation of water molecules. In this thesis also the first step towards more realistic biological systems was taken by studying clusters. The chemical environment is indeed affecting the molecular fragmentation pathways and must be considered in future experiments.

Throughout our lives we are exposed to ionizing radiation from cosmic and environmental sources or from medical diagnostics and treatments. In conventional therapy of malignant tumors, photons or electrons are used. Nowadays we witness the introduction of proton and heavy ion beams which have a different distribution of the deposited dose. The dose peaks at the end of the particle's track and drops to zero beyond. In this so called Bragg peak range, where the ions have energies between zero and a few MeV, not only the deposited dose is maximum but also the relative biological effectiveness is enhanced. When ionizing radiation crosses a living cell, ionization and fragmentation of biologically relevant molecules such as water and DNA constituents occurs. These processes are the initial steps in DNA damage which in turn has the strongest biological consequences. DNA damage can have different levels of complexity leading to different biological end-points. On the molecular level ion-induced DNA damage is not yet understood. Studies on isolated gas phase molecules allow a detailed investigation of ion-induced molecular mechanisms. In this thesis, the interactions of energetic particles (He, C, H) with biologically relevant molecules (water, deoxyribose, nucleobases) and their clusters were investigated by means of high-resolution coincidence time-of-flight spectrometry. Deoxyribose molecules were found to be the most sensitive to keV ion irradiation. Energetic fragments which can induce further damage were observed in ion-induced dissociation of water molecules. In this thesis also the first step towards more realistic biological systems was taken by studying clusters. The chemical environment is indeed affecting the molecular fragmentation pathways and must be considered in future experiments.

Fundamentele processen in atomaire botsingen hebben altijd grote belangstelling genoten in de atoomfysica. Hoewel de statische eigenschappen van atomen tot zeer grote precisie gemeten kunnen worden en onderbouwd worden door theoretische modellen, zijn dynamische eigenschappen in veel mindere mate onder controle. Hierdoor bestaat er een continue inspanning experimentele technieken te verbeteren om een duidelijker en completer inzicht in atomaire interacties te verkrijgen. Deze ontwikkeling gaat hand in hand met die van de theorie. Een voorbeeld van een dynamisch proces is ladingsoverdracht in botsingen tussen neutrale atomaire of moleculaire deeltjes en ionen. In dit proces worden elektronen die voor de botsing gebonden zijn aan het neutrale deeltje overgedragen aan of ingevangen door het geladen ion. Dit soort processen spelen een belangrijke rol in bijvoorbeeld fusieplasma's en astrofysische omgevingen. In het onderzoek beschreven in dit proefschrift zijn nieuwe resultaten geboekt voor ladingsoverdracht en ionisatie in botsingen van H+ (protonen), He2+ (alfadeeltjes), C6+ (koolstofkernen), of O6+-ionen met Na-atomen, in de grondtoestand of in de aangeslagen toestand. De experimentele methode is gebaseerd op de combinatie van recoilionenimpulsspectroscopie en het koelen en invangen van atomen in een magneto-optische val. Naast de nieuwe experimentele resultaten betekent dit proefschrift een verdere ontwikkeling in de mogelijkheden van recoilspectroscopie met lasergekoelde atomen.

Fundamentele processen in atomaire botsingen hebben altijd grote belangstelling genoten in de atoomfysica. Hoewel de statische eigenschappen van atomen tot zeer grote precisie gemeten kunnen worden en onderbouwd worden door theoretische modellen, zijn dynamische eigenschappen in veel mindere mate onder controle. Hierdoor bestaat er een continue inspanning experimentele technieken te verbeteren om een duidelijker en completer inzicht in atomaire interacties te verkrijgen. Deze ontwikkeling gaat hand in hand met die van de theorie. Een voorbeeld van een dynamisch proces is ladingsoverdracht in botsingen tussen neutrale atomaire of moleculaire deeltjes en ionen. In dit proces worden elektronen die voor de botsing gebonden zijn aan het neutrale deeltje overgedragen aan of ingevangen door het geladen ion. Dit soort processen spelen een belangrijke rol in bijvoorbeeld fusieplasma's en astrofysische omgevingen. In het onderzoek beschreven in dit proefschrift zijn nieuwe resultaten geboekt voor ladingsoverdracht en ionisatie in botsingen van H+ (protonen), He2+ (alfadeeltjes), C6+ (koolstofkernen), of O6+-ionen met Na-atomen, in de grondtoestand of in de aangeslagen toestand. De experimentele methode is gebaseerd op de combinatie van recoilionenimpulsspectroscopie en het koelen en invangen van atomen in een magneto-optische val. Naast de nieuwe experimentele resultaten betekent dit proefschrift een verdere ontwikkeling in de mogelijkheden van recoilspectroscopie met lasergekoelde atomen.

ij het versnellen of afremmen van een geladen deeltje, zoals dat bij een botsing het geval is, wordt bremsstrahlung ofwel remstraling uitgezonden. Remstraling moet men daarom kunnen waarnemen bij elk nucleair botsingsproces. Hoewel deze remstraling aJ in 1949 door Ashkin en Marshak [Ash49] voorspeld werd, duurde het tot halverwege de jaren '80 dat deze hoog energetische fotonen gemeten werden bij botsingen tussen zware atoomkernen. Men vond echter dat de remstraling niet uitgezonden werd tengevolge van de collectieve versnelling van zowel de projectielkern als de targetkern, maar tengevolge van botsingen tussen de afzonderlijke nucleonen van beide kernen. ... Zie: Samenvatting

ij het versnellen of afremmen van een geladen deeltje, zoals dat bij een botsing het geval is, wordt bremsstrahlung ofwel remstraling uitgezonden. Remstraling moet men daarom kunnen waarnemen bij elk nucleair botsingsproces. Hoewel deze remstraling aJ in 1949 door Ashkin en Marshak [Ash49] voorspeld werd, duurde het tot halverwege de jaren '80 dat deze hoog energetische fotonen gemeten werden bij botsingen tussen zware atoomkernen. Men vond echter dat de remstraling niet uitgezonden werd tengevolge van de collectieve versnelling van zowel de projectielkern als de targetkern, maar tengevolge van botsingen tussen de afzonderlijke nucleonen van beide kernen. ... Zie: Samenvatting

ij het versnellen of afremmen van een geladen deeltje, zoals dat bij een botsing het geval is, wordt bremsstrahlung ofwel remstraling uitgezonden. Remstraling moet men daarom kunnen waarnemen bij elk nucleair botsingsproces. Hoewel deze remstraling aJ in 1949 door Ashkin en Marshak [Ash49] voorspeld werd, duurde het tot halverwege de jaren '80 dat deze hoog energetische fotonen gemeten werden bij botsingen tussen zware atoomkernen. Men vond echter dat de remstraling niet uitgezonden werd tengevolge van de collectieve versnelling van zowel de projectielkern als de targetkern, maar tengevolge van botsingen tussen de afzonderlijke nucleonen van beide kernen. ... Zie: Samenvatting

Contains fulltext : 18594.pdf (Publisher’s version ) (Open Access) Promotor : J. ter Meulen 119 p.

In dit laatste hoofdstuk wil ik proberen aan de minder gespecialiseerde lezer het onderwerp van mijn promotieonderzoek duidelijk te maken. De titel van dit proefschrift "Laser Control of Electron Capture", kan vrij vertaald worden met "beïnvloeding van ladingsoverdracht met behulp van een laser". Het (fundamentele) ladingsoverdrachtproces staat centraal in mijn proefschrift. Dit proces kan plaatsvinden bij botsingen tussen neutrale atomen en ionen. ... Zie: samenvatting.

In dit laatste hoofdstuk wil ik proberen aan de minder gespecialiseerde lezer het onderwerp van mijn promotieonderzoek duidelijk te maken. De titel van dit proefschrift "Laser Control of Electron Capture", kan vrij vertaald worden met "beïnvloeding van ladingsoverdracht met behulp van een laser". Het (fundamentele) ladingsoverdrachtproces staat centraal in mijn proefschrift. Dit proces kan plaatsvinden bij botsingen tussen neutrale atomen en ionen. ... Zie: samenvatting.

De reacties die in dit proefschrift worden beschreven, zijn bedoeld om twee- en meervoudige elektroneninvangst te onderzoeken. Hiertoe wordt een bundel hooggeladen ionen op een gasvormig doelwit gericht. Indien zo'n ion elektronen van een gasdeeltje invangt, blijken deze na de invangst in eerste instantie nog zwak gebonden (sterk aangeslagen) te zijn, dwz. dat de elektronen in atomaire schillen met een relatief grote gemiddelde afstand tussen kern en elektronen, terechtkomen. Kort daarna treedt spontaan verval op: er vinden overgangen plaats naar minder aangeslagen toestanden, waarin de elektronen zich gemiddeld dichter bij de kern bevinden. Wanneer een deeltje spontaan overgaat van de ene toestand in de andere, komt er energie vrij, en wel precies het verschil in bindingsenergie van de twee toestanden. De bindingsenergie is een typerend kenmerk van een atomaire toestand, en derhalve kan men doorgaans aan de vrijkomende energie de atomaire toestanden herkennen. Indien er één elektron is ingevangen, komt de energie vrij in de vorm van licht: erwordt een foton uitgezonden. Na invangst van twee of meer elektronen wordt veelal een van de elektronen uitgezonden, terwijl het andere in een binnenschil terechtkomt (autoionisatie). Aan de snelheid (energie) van het uitgezonden elektron kan men dan de atomaire toestanden herkennen. Het meten van elektronen en hun energie vormt in het beschreven onderzoek de basis voor het verzamelen van experimentele gegevens. Zie: Samenvatting

De reacties die in dit proefschrift worden beschreven, zijn bedoeld om twee- en meervoudige elektroneninvangst te onderzoeken. Hiertoe wordt een bundel hooggeladen ionen op een gasvormig doelwit gericht. Indien zo'n ion elektronen van een gasdeeltje invangt, blijken deze na de invangst in eerste instantie nog zwak gebonden (sterk aangeslagen) te zijn, dwz. dat de elektronen in atomaire schillen met een relatief grote gemiddelde afstand tussen kern en elektronen, terechtkomen. Kort daarna treedt spontaan verval op: er vinden overgangen plaats naar minder aangeslagen toestanden, waarin de elektronen zich gemiddeld dichter bij de kern bevinden. Wanneer een deeltje spontaan overgaat van de ene toestand in de andere, komt er energie vrij, en wel precies het verschil in bindingsenergie van de twee toestanden. De bindingsenergie is een typerend kenmerk van een atomaire toestand, en derhalve kan men doorgaans aan de vrijkomende energie de atomaire toestanden herkennen. Indien er één elektron is ingevangen, komt de energie vrij in de vorm van licht: erwordt een foton uitgezonden. Na invangst van twee of meer elektronen wordt veelal een van de elektronen uitgezonden, terwijl het andere in een binnenschil terechtkomt (autoionisatie). Aan de snelheid (energie) van het uitgezonden elektron kan men dan de atomaire toestanden herkennen. Het meten van elektronen en hun energie vormt in het beschreven onderzoek de basis voor het verzamelen van experimentele gegevens. Zie: Samenvatting

In this thesis charge transfer is studied in collisions of highly charged ions (Aq+) with neutral particles (B). Because the electron is captured resonantly (i.e. without its binding energy) by the ion, a limited number of highly excited states (characterized by the quantum numbers nlm) is preferentially populated. In the experimental work described in this thesis we have measured state selective electron capture cross sections by means of Photon Emission Spectroscopy. Especially, the most fundamental collision processes are studied: Highly charged ions colliding on atomic hydrogen ... Zie: Summary

In this thesis charge transfer is studied in collisions of highly charged ions (Aq+) with neutral particles (B). Because the electron is captured resonantly (i.e. without its binding energy) by the ion, a limited number of highly excited states (characterized by the quantum numbers nlm) is preferentially populated. In the experimental work described in this thesis we have measured state selective electron capture cross sections by means of Photon Emission Spectroscopy. Especially, the most fundamental collision processes are studied: Highly charged ions colliding on atomic hydrogen ... Zie: Summary

In this thesis, we discussed the derivation of quantum kinetic equations appropriate for applications in nuclear physics, both in a non-relativistic and in a relativistic context. In each case we obtained a kinetic equation together with an equation for the effective interaction. The latter serves as the dynamical input of the former. In the kinetic equation both mean-field and collision effects are described in a self-consistent way because both are expressed in terms of the effective interaction. This self-consistency enforces us to solve a statistical problem (kinetic equation) and a dynamical problem (effective interaction) simultaneously. The interaction, that we obtained as a result of our considerations, is a generalized version of the usual Brueckner G-matrix in the sense that single-particle energies are corrected for collision effects by the so called rearrangement-term. 0nly in this way kinetic theory and interaction are consistent with one another and therefore constitute a conserving approximation.... Zie epilogue

In this thesis, we discussed the derivation of quantum kinetic equations appropriate for applications in nuclear physics, both in a non-relativistic and in a relativistic context. In each case we obtained a kinetic equation together with an equation for the effective interaction. The latter serves as the dynamical input of the former. In the kinetic equation both mean-field and collision effects are described in a self-consistent way because both are expressed in terms of the effective interaction. This self-consistency enforces us to solve a statistical problem (kinetic equation) and a dynamical problem (effective interaction) simultaneously. The interaction, that we obtained as a result of our considerations, is a generalized version of the usual Brueckner G-matrix in the sense that single-particle energies are corrected for collision effects by the so called rearrangement-term. 0nly in this way kinetic theory and interaction are consistent with one another and therefore constitute a conserving approximation.... Zie epilogue