Elektronische Abschirmung der Ladung von hochenergetischen, schweren Ionen

Diplomarbeit von Oliver Schmelmer

Einleitung:

Zur Klärung des Verhaltens des Bremsvermögens hochenergetischer, schwerer Ionen in oberflächennahen Bereichen wird - im Hinblick auf die Elastic Recoil Detection (ERD) -Energieverlust, Ladungsausbeute und Energieverluststeuung von 60 MeV 58Ni Ionen in Gasen und in Kohlenstoffolien verschiedener Dicken in Abhängigkeit des einfallenden und analysierten Ladungszustands sowie der Targetdicke untersucht. Zur Messung an den Gasen Deuterium, Argon und Perfluorhexan wird ein differentiell gepumptes Gastarget entwickelt und eingesetzt.

Die Gleichgewichtsladungsausbeuten hinter Kohlenstoffolien werden mit tabellierten Werten verglichen und stimmen mit diesen sehr gut überein. In Abhängigkeit der Foliendicke zeigt die mittlere Ladung unterhalb 2µg pro qcm ein theoretisch erwartetes Minimum, wenn Projektile in hohem Ladungszustand auf die Folien geschossen werden.

Der in der Literatur bereits bekannte Unterschied der mittleren Ladung hinter Gasen und Festkörpern bei nahezu gleichem Bremsvermögen wird bestätigt und mögliche Ursachen werden diskutiert. Aus der Kenntnis der mittleren Ladung hinter dem Target wird versucht, auf die mittlere Ladung im Gas bzw. in den Folien zu schließen. Durch den Vergleich der effektiven Ladung mit einer korrigierten mittleren Projektilladung im Target kann auf eine zusätzliche, nichtlineare dynamische Abschirmung der Projektilladung im Festkörper geschlossen werden. Im Fall von 60 MeV 58Ni Ionen ergibt sich eine zusätzliche Abschirmung von etwa 4 Ladungen. Die zusätzliche Abschirmung der Projektile in Argon beträgt 1 - 2 Elektronen.

Die Stopping Power für Gase und Folien bei großen Targetdicken hängt nicht vom einfallenden und analysierten Ladungszustand ab. Das Bremsvermögen der Kohlenstoffolien stimmt innerhalb 5 Prozent mit den tabellierten Werten überein. Das Verhalten des Bremsvermögens hochenergetischer, schwerer Ionen in oberflächennahen Bereichen wird zum einen durch Umladungsprozesse bestimmt, weist aber auch einen Einfluß der dynamischen Abschirmung durch die Targetelektronen auf.

Durch die Bestimmung der Energieverluststreuung in Abhängigkeit des Energieverlustes können die für schwere Ionen wichtigen Korrekturen zur Energieverluststreuung in Abhängigkeit der Targetart dargestellt werden. Dabei zeigt sich, daß bei den Gasen eine Vergrößerung der Energieverluststreuung durch Korrelationseffekte eintritt. Die Energieverluststreuung in den Kohlenstoffolien liegt unterhalb der theoretisch erwarteten Werte.

Da für die ERD ein konstantes Bremsvermögen nötig ist, folgt aus den Energieverlustmessungen an den Kohlenstoffolien, daß für 60 MeV 58Ni Ionen der Ladungszustand q = 14 eingeschossen werden sollte. Zur Auflösung einzelner Atomlagen mittels ERD sollte eine Projektilladung in der Nähe des Gleichgewichtsladungszustands verwendet werden, um so die Energieverluststreuung klein zu halten.

Inhaltsverzeichnis:

1.	Einleitung	1
1.1	Prinzip der ERD	1
1.2	Ziel der Arbeit	2
2.	Stopping Power	4
2.1	Stopping Power nach Bethe	5
2.2	Beschreibung der Stopping Power in der Kontinuumstheorie	6
2.3	Abschirmmechanismen	7
2.4	Energieverluststreuung	9
3.	Experimenteller Aufbau	11
3.1	Strahlführung, Spektrograph und Detektoren	11
3.2	Elektronische Datenaufnahme	14
3.3	Kohlenstoffolien	14
3.4	Gastarget	16
3.5	Ermittlung der Gasdicke	18
3.6	Druckmessung und -steuerung	21
4.	Ergebnisse der Messungen und deren Diskussion	25
4.1	korrigierte Gasdicke	25
4.2	Ladungsausbeute und mittlere Ladung hinter dem Target	28
4.3	Energieverlust und Bremsvermögen	36
4.4	Energieverluststreuung	46
5.	Konsequenzen für die ERD-Analytik und Ausblick	53