German Title: Eine elektrostatische kryogene Ionenfalle und erste Versuche mit 'delayed-emission' von Aluminiumanionenclusterionen und 'self-bunching'

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Abstract

The Cryogenic electrostatic Trap for Fast ion beams (CTF) has been successfully built, fulfilling the Cryogenic Storage Ring (CSR) project goals of developing and testing the technologies and concepts to build this instrumentally challenging device, and demonstrating rest-gas-densities on the order of 2000 particles/cm^3 (or a room-temperature equivalent pressure of 8x10^{-14} mbar) with mean storage lifetimes of over 5 min for 7.1 keV N_2^+ ions. Since this is the first cryogenic electrostatic ion beam trap (EIBT), the resulting environment of greatly reduced blackbody radiation was exploited by investigating the time dependence of delayed electron emission from aluminum cluster anions at different temperatures. Dramatic deviations from the commonly observed 1/t decay of hot clusters were observed, demonstrating this decay's dependence on the temperature of the storage environment. Delayed emission following the excitation of the aluminum clusters with a pulsed laser was also observed. The results indicate a considerable reduction in the cluster temperature than seen so far and raises questions about the validity of the present model. The very low rest gas densities achieved also enabled the exploration of many properties of self-bunching and RF bunching with unprecedented sensitivity. An in-situ mass-selection technique exploiting the resonant transverse excitation of the stored ions was also demonstrated inside an EIBT for the first time.

Translation of abstract (German)

Zur Überprüfung von Technologien und Konzepten für die Entwicklung des kryogenen Ionenspeicherrings CSR wurde eine elektrostatische kryogene Falle für schnelle Ionenstrahlen (CTF) aufgebaut. Restgasdichten im Bereich von 2000 Teilchen/cm^3 (vergleichbar mit einem Druck von 8x10^{-14} mbar bei Raumtemperatur) wurden demonstriert, wobei mittlere Speicherlebensdauern von über 5 Minuten für 7.1 keV N_2^+ Ionen gemessen wurden. Die extrem reduzierte Umgebungsstrahlung in der CTF wurde danach für Untersuchungen der verzögerten Elektronenemission gespeicherter Aluminium-Clusterionen bei verschiedenen Temperaturen genutzt. Dabei wurden temperaturabhänigig dramatische Abweichungen vom bekannten 1/t-Verhalten beim Zerfall heißer Clusterionen beobachtet und auch die photoneninduzierte verzögerte Elektronenemission erforscht. Diese Experimente deuten auf eine wesentlich stärkere Verringerung der Clustertemperatur als bisher erreicht hin, werfen aber auch Fragen über die Gültigkeit der gegenwärtig verwendeten Modelle auf. Die geringen Restgasdichten in der CTF haben außerdem Untersuchungen von spontan oder durch RF-Beschleunigung erzeugten Strahlpaketen in elektrostatischen Strahlfallen (EIBT) mit bislang unerreichter Präzision ermöglicht. Außerdem wurde durch ein falleninternes Massentrennungsverfahren erstmals resonante transversale Strahlanregung in einer EIBT direkt gemessen.