Charge-exchange processes in collisions of slow ions with atoms and molecules

Abstract

Impact of slow multiply charged ions (MCI) on atoms, molecules and surfaces is of considerable interest in various fields of modern research as, e.g., thermonuclear fusion plasmas, astrophysical and ionospheric processes, and surface analytics and nanotechnology. To improve the understanding and permit the control of magnetically confined fusion plasmas, it is necessary to learn more about the relevance of multicharged impurity ions residing in these plasmas.<br />In the present work, a compact experimental setup has been constructed and utilized for measuring absolute cross sections for single (SEC) and double electron capture (DEC) in collisions of slow singly and multiply charged ions with gaseous atoms and molecules. Our technique combines collection of slow product ions with primary ion beam attenuation and stopping in a differentially pumped target gas chamber, where the pressure is measured by an absolutely calibrated capacitance manometer.<br />The primary ions are obtained from a 14.5 GHz all-permanent magnet electron cyclotron resonance (ECR) ion source with extraction geometry optimized for low ion beam energy.<br />Reliability of the new experimental setup has been checked by proof-of-principle measurements in comparison with well established resonant SEC cross section for impact of slow singly charged noble gas ions on their atoms (He, Ne, Ar). SEC and DEC cross sections have been investigated for impact of slow doubly charged ions on their own atoms (He, Ne, Ar), where resonant DEC is clearly the dominant reaction. Moreover, SEC and DEC for He2+ collisions with Ne have been studied, where at low impact energy SEC is expected to proceed via a single channel only. Additionally, collisions of He2+ with simple diatomic molecules (O2, H2 and D2) have been carried out, for which again SEC and DEC have been measured. A theoretical analysis based on Landau-Zener (LZ) theory and the extended over barrier model (EOBM) showed good agreement with results from this work, thereby providing additional insight in the physics behind these processes.<br />The present experimental and theoretical results are compared to values available in the literature and the results are discussed.<br />

Die Interaktion von mehrfach geladenen Ionen mit Atomen, Molekülen und Oberflächen ist von immenser Bedeutung in vielen Bereichen moderner, physikalischer Forschung, wie zum Beispiel bei der Untersuchung von Fusionsplasmen, in astrophysikalischen und ionosphärischen Prozessen, aber auch in der Oberflächenanalyse und allgemein in der Nanotechnologie. Um ein grundlegendes Verständnis und folglich die Kontrolle von Fusionsplasmen unter magnetischem Einschluss zu gewährleisten, ist eine profunde Untersuchung des Einflusses von hoch geladenen Fremdionen in ebendiesen Plasmen von unbedingter Notwendigkeit.<br />In der hier vorliegenden Arbeit wird ein kompakter experimenteller Aufbau vorgestellt, der die Messung von absoluten Wirkungsquerschnitten für ein- (SEC) und zwei-Elektroneneinfang (DEC) bei Stoßen von langsamen, ein- oder zweifach geladenen Ionen mit Gasatomen und -molekülen ermöglicht. Unsere Methode vereint dabei die Messung langsamer Produkt-ionen mit der Messung der Primärstrahlabschwächung und der selektiven Messung umgeladenen Projektil-ionem in einer differentiell gepumpten Reaktionskammer, in der der Druck mit Hilfe eines absolut geeichten Kapazitäts-Manometers gemessen und konstant gehalten wird. Die Primärionen werden in einer 14.5 GHz Permanentmagnet Elektronen-Zyklotron-Resonanz-Ionenquelle (EZR) produziert, deren Extraktionssystem für geringe Ionenstrahlenergien optimiert ist.<br />Die Anwendbarkeit und Verlässlichkeit der vorgestellten Methode wurde durch Vergleichsmessungen mit bereits wohl untersuchten SEC Wirkungsquerschnitten für die Wechselwirkung langsamer einfach geladener Edelgas-Ionen (He, Ne, Ar) mit ihren jeweiligen Atomen überprüft und demonstriert.<br />SEC und DEC Wirkungsquerschnitte für Stöße langsamer zweifach geladener Ionen mit Edelgasen des gleichen Elements (He, Ne, Ar) wurden vermessen.<br />In diesen Stoßsystemen ist DEC der klar dominierende Prozess. Weiters wurden der Wirkungsquerschnitt für SEC und der DEC bei der Interaktion von He2+ Ionen mit Neon untersucht, da hierbei erwartet werden kann, dass bei geringen Stoßtenergien der SEC-Ladungsaustausch in nur einem einzigen Kanal erfolgt. Zusätzlich wurden SEC und DEC Messungen für Stöße von He2+ mit zweiatomigen Molekülen (O2, H2 und D2) durchgeführt.<br />Eine theoretische Analyse basierend auf der Landau-Zener-Methode (LZ) sowie auf einem erweiterten "Over - Barrier" Modell (EOBM) erbrachte eine weitgehend zufriedenstellende Übereinstimmung mit den experimentelle Ergebnissen und dadurch eine tiefere Einsicht in die vorliegenden Prozesse.<br />Sofern vorhanden wurden die erhaltenen experimentellen und theoretischen Werte mit bereits existierenden Daten aus der Literatur verglichen. Die Messergebnisse selbst, sowie die Ergebnisse des Vergleichs werden in der vorliegenden Arbeit diskutiert.<br />