Title: Classical dynamics of low energy electron-ion recombination in storage rings
Language: English
Authors: Hörndl, Maria 
Qualification level: Doctoral
Advisor: Burgdörfer, Joachim
Assisting Advisor: Wolf, Andreas
Issue Date: 2005
Number of Pages: 173
Qualification level: Doctoral
Abstract: 
Elektron-Ion Rekombination in Speicherringexperimenten zeigt eine signifikante Erhöhung der radiativen Rekombinationsrate (RR) für hochgeladene Ionen mit niederenergetischen Elektronen im Vergleich zu den Vorhersagen der Standard-Theorie für die radiative Rekombination. Um den fundamentalen Mechanismus dieser Ratenerhöhung zu verstehen, analysieren wir die Rolle der klassischen chaotischen Dynamik in der Anwesenheit von Coulomb- und Magnetfeldern im Elektronenkühler des Speicherrings. Unter Verwendung einer klassischen Monte Carlo Trajektorienmethode untersuchen wir die Dynamik von Elektronen während der Strahlzusammenführung und in der Wechselwirkungszone im Solenoid des Kühlers. Im Magnetfeld innerhalb des Solenoids werden Elektronen vielfach an einem Ion gestreut, was auf irreguläre Ablenkfunktionen mit fraktaler Struktur führt. Der Nettofluss von Elektronen in die unmittelbare Umgebung des Ions verändert sich verglichen mit dem reinen Coulombfeld, was wiederum die Wahrscheinlichkeit für radiative Rekombination beeinflusst. Bei kleinen Relativgeschwindigkeiten jedoch unterdrückt das Magnetfeld die Rekombination eines Elektrons mit dem Targetion und führt somit auf eine kleinere Rekombinationsrate als die Standard RR Rate. Während der Strahlzusammenführung von Elektronen und Ionen in der toroidförmigen dem Solenoid vorgelagerten Magnetfeldregion eröffnet ein transientes elektrisches Feld im Ruhesystem des Ions eine zusätzliche Möglichkeit für Übergänge zwischen freien und gebundenen Elektronen. Dementsprechend werden hohe Rydbergzustände während der Strahlzusammenführung besetzt. Radiativer Zerfall dieser hoch angeregten Zustände innerhalb des Solenoids kann einen kleinen Bruchteil der gebundenen Elektronen stabilisieren. Hinreichend tief gebundene Elektronen tragen daher, zusätzlich zum RR Kanal, zu den beobachteten Elektron-Ion Rekombinationsraten bei. Die erhaltenen absoluten Überschussraten können die experimentelle Ratenüberhöhung erklären. Die Skalierung der Rate mit der Ionenladung und dem magnetischen Führungsfeld stimmt in etwa mit den Messungen überein.

Electron-ion recombination observed in storage ring experiments shows a significant enhancement of the radiative recombination (RR) rate for highly charged ions with low-energy electrons relative to what standard radiative recombination rates predict. To understand the fundamental mechanism of this enhancement we analyze the role of classical chaotic dynamics in the presence of Coulomb and magnetic fields in the electron cooler of the ring. Using a classical trajectory Monte Carlo method we investigate the dynamics of electrons in the toroidal merging and solenoidal interaction regions of the cooler. In the magnetic field inside the solenoid electrons are scattered by the ion multiple times involving irregular deflection functions with fractal-like structure. The net flux of electrons towards the immediate vicinity of the ion is changed compared to the pure Coulomb field, which influences the probability for recombination. However, at small relative velocities the magnetic field rather prevents the recombination of an electron with the target ion thus leading to a smaller recombination rate than the standard RR rate prediction. During the merging between electrons and ions in the toroidal-shaped magnetic field section prior to the solenoid a transient motional electric field in the rest frame of the ion opens an additional pathway for free-bound transitions of electrons. Accordingly, high Rydberg states get populated during the merging process. Radiative decay of these high-lying states inside the solenoid can stabilize a small fraction of the bound electrons. Thus, sufficiently deeply bound electrons contribute, in addition to the RR channel, to the observed electron-ion recombination rate. The obtained absolute excess recombination rates can account for the experimental enhancement. The scaling of the rate with the nuclear charge and the magnetic guiding field approximately agrees with the measurements.
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-14635
http://hdl.handle.net/20.500.12708/13904
Library ID: AC04640411
Organisation: E136 - Institut für Theoretische Physik 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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