High precision x-ray spectroscopy of highly charged heavy ions

Gaßner, Tobias

In the present thesis, the advantages of two new and complementary detector concepts for x-ray spectroscopy of highly charged ions over conventional semiconductor detectors have been worked out. These two detectors are the twin crystal spectrometer FOCAL and the metallic magnetic microcalorimeter maXs. Although the maXs microcalorimeter is still under development, first very promising x-ray spectra could be recorded at the ESR storage ring at the GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research in Darmstadt. With the crystal spectrometer FOCAL, which was fully equipped for the first time, a dedicated beam time at the ESR, aiming for the precise determination of the 1s Lamb shift of hydrogen-like gold (Au78+), could be conducted. The obtained result for the Lyman-a1 transition energy is afflicted with a small statistical uncertainty, however, the encountered systematic effects are still posing a challenge to overcome. In the outlook, it will be discussed in detail how the accuracy of a future measurement could be improved, and in which way both detector concepts could support each other optimally.

In der vorliegenden Arbeit werden die Vorteile zweier neuer, sich ergänzende, Detektortypen zur röntgenspektroskopischen Untersuchung von hochgeladenen Schwerionen gegenüber konventionellen Halbleiterdetektoren diskutiert. Bei den Detektoren handelt es sich zum einen um das Zwillings-Kristallspektrometer FOCAL und zum anderen um das metallisch-magnetische Mikrokalorimeter maXs. Obwohl sich das maXs Mikrokalorimeter gegenwärtig noch in der Entwicklung befindet, konnten bereits sehr vielversprechende Röntgenspektren am ESR Speicherring des GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt aufgenommen werden. Weiterhin konnte mit dem erstmals voll ausgebauten Kristallspektrometer FOCAL eine Produktionsstrahlzeit, ebenfalls am ESR, durchgeführt werden, die als Zielsetzung die präzise Bestimmung der 1s Lamb Verschiebung in wasserstoffähnlichem Gold (Au78+) hatte. Für die Lyman-a1 Übergangsenergie konnte ein Ergebnis mit kleiner statistischen Unsicherheit erreicht werden, allerdings stellen die während der Analyse untersuchten systematischen Effekte eine noch zu überwindende Herausforderung dar. Im Ausblick wird detailliert dargelegt, wie sich die Genauigkeit in zukünftigen Messungen erhöhen lässt und wie sich die beiden Detektorkonzepte dabei optimal ergänzen können.

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Gaßner, Tobias: High precision x-ray spectroscopy of highly charged heavy ions. Jena 2017.

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