Mechanisms of electron capture and ionization in fast ion-atom collisions

Abstract

This dissertation concerns research related to the intricate atomic mechanisms of electron capture and ionization in fast ion-atom collisions. Particularly, focus was given to the unique opportunities presented by multi-electron open-shell ions, i.e., He-like, 1s2s ^{3}S, and Be-like, 1s2s^{2}2p ^{3}P, ions. These pre-excited ion beams, having initially a K-shell vacancy, offer the opportunity of studying dynamic collision processes in ionic environments that depart from the usual ground state. Experiments on collision systems with pre-excited ions serve as an excellent laboratory for studying atomic physics phenomena, including electron capture/loss to the continuum of the projectile and single electron capture. This thesis investigates these processesin detail, offering a platform to test advanced collision theories and uncover the fundamental physics involved. Our cusp electron studies involved collision systems with both bare and dressed projectiles of various ion species. Our investigations were focused on understanding the role of multielectronic target subshells, as well as the role of open-shell projectiles in the production of cusp electrons. The measurements were accompanied by state-of-the-art distorted wave theories. These studies unveiled intriguing physical phenomena related to the processes of electron capture and loss to the continuum of the projectile, exposing the role of the target 2p electron in collisions of bare projectiles with multielectronic Ne and Ar targets. In addition, our studies captured, both experimentally and theoretically, for the first time, the cusp electron peak originating solely from collisions of pre-excited ions with He targets, on the double differential cross section level. A key highlight of our work was the identification of a small peak on the low-energy wing of the cusp peak, with an energy smaller than the cusp maximum by the ionization potential of the target. This novel phenomenon suggests an effectively new electron loss to the continuum process with simultaneous target ionization through a correlated electron-electron interaction. Furthermore, our research is also focused on studies related to the single electron capture process in collisions of fast (few MeV/u) He-like mixed-state (1s^{2} ^{1}S, 1s2s ^{3}S) projectiles with He. This study builds upon a recent work carried out by our team involving He-like carbon projectiles. In continuation of this, we undertook an isoelectronic investigation employing He-like oxygen and boron projectiles. Our results exposed the presence of strong electron correlations, further supporting the findings of previous studies performed with He-like projectiles. Moreover, the single differential cross sections of 1s2s2p ^{4}P, ^{2}P_{±} states from both the ground, 1s^{2}, and metastable, 1s2s ^{3}S, configurations of the incident beam were determined for a wide range of collision energies. These findings offer invaluable insights, serving as an important benchmark for the refinement and validation of advanced three-active electron theories, such as the 3eAOCC, which is critically compared to our results. Finally, we introduced an alternative method for determining the energy width of ion beams in tandem Van de Graaff accelerators, an important parameter as it affects the experimental resolution in general. In our approach, we employed measurements of KLL Auger spectra along with corresponding Monte Carlo simulations performed within the SIMION ion optics package. This new approach allows for an in-situ determination of the ion beam energy width directly from the KLL Auger spectra under study, thus eliminating the need for additional measurements.

Η παρούσα διατριβή μελετά τους πολύπλοκους ατομικούς μηχανισμούς της σύλληψης και ιονισμού ηλεκτρονίου σε ταχείες κρούσεις ιόντων-ατόμων. Ειδικότερα, επικεντρωθήκαμε σε σχετικές μελέτες αξιοποιώντας προ-διεγερμένες ιοντικές δέσμες, όπως ηλιοειδείς, 1s2s ^{3}S, και βηρυλλιοειδείς 1s2s^{2}2p ^{3}P δέσμες ιόντων. Αυτές οι προ-διεγερμένες ιοντικές δέσμες, που έχουν αρχικά μια κενή θέση στη Κ-στιβάδα, προσφέρουν τη δυνατότητα να μελετήσουμε δυναμικές ατομικές διεργασίες σε ιοντικά περιβάλλοντα που απέχουν από τη βασική κατάσταση. Πειράματα σε συστήματα κρούσεων με προ-διεγερμένα ιόντα αποτελούν εξαιρετικό εργαλείο για τη μελέτη ατομικών φαινομένων, συμπεριλαμβανομένης της σύλληψης/απώλειας ηλεκτρονίων στο συνεχές της δέσμης ιόντων και της απλής σύλληψης ηλεκτρονίου. Αυτή η διατριβή μελετά τους συγκεκριμένους μηχανισμούς λεπτομερώς, προσφέροντας σημαντικές πληροφορίες για τον έλεγχο προηγμένων θεωριών και την κατανόηση της θεμελιώδους φυσικής που εμπλέκεται. Για τις μελέτες μας στα cusp ηλεκτρόνια αξιοποιήθηκαν συστήματα κρούσεων με πλήρως και μερικώς απουγυμνωμένες δέσμες ιόντων. Οι έρευνές μας επικεντρώθηκαν στην κατανόηση του ρόλου των τροχιακών πολυ-ηλεκτρονικών στόχων, καθώς και του ρόλου της δομής προ-διεγερμένων ιοντικών δεσμών στην παραγωγή cusp ηλεκτρονίων. Οι πειραματικές μετρήσεις συνοδεύονται από θεωρίες γνωστές ως distorted wave θεωρίες. Αυτές οι μελέτες έδειξαν ενδιαφέροντα φυσικά φαινόμενα που σχετίζονται με τις διαδικασίες της σύλληψης και απώλειας ηλεκτρονίων στο συνεχές των ιόντων δέσμης, αποκαλύπτοντας τον ρόλο του 2p ηλεκτρονίου του στόχου σε κρούσεις πλήρως απογυμνωμένων ιόντων δέσμης με πολυ-ηλεκτρονιακούς στόχους νέου και αργού. Επιπλέον, οι μελέτες μας κατέγραψαν, τόσο πειραματικά όσο και θεωρητικά, για πρώτη φορά, την cusp κορυφή προερχόμενη αποκλειστικά από κρούσεις προ-διεγερμένων ιόντων με στόχους ηλίου, σε επίπεδο διπλά διαφορικής ενεργού διατομής (DDCS). ΄Ενα σημαντικό στοιχείο των μελετών μας ήταν η εντοπισμός μιας μικρής κορυφής στο αριστερό φτερό της cusp κορυφής, με ενέργεια μικρότερη από το μέγιστο της cusp κορυφής ίση με το δυναμικό ιονισμού του στόχου. Αυτό το νέο φαινόμενο σηματοδοτεί μία πιθανώς νέα διαδικασία απώλειας ηλεκτρονίων στο συνεχές μέσω υψηλά συσχετιζόμενης αλληλεπίδρασης ηλεκτρονίων (correlated electron-electron interaction). Επιπλέον, η έρευνά μας επικεντρώθηκε σε μελέτες που σχετίζονται με τη διαδικασία σύλληψης ενός ηλεκτρονίου σε κρούσεις ταχέων (λίγων MeV/u) ηλιοειδών ιόντων δέσμης (1s^{2} ^{1}S, 1s2s ^{3}S) με στόχους ηλίου. Αυτή η μελέτη έρχεται ως φυσικό επακόλουθο σε μία πρόσφατη εργασία που πραγματοποιήθηκε από την ομάδα μας με ηλιοειδής δέσμες ιόντων άνθρακα. Οι μελέτες που παρουσιάζονται στην εν λόγω διατριβή αφορούν μία ισο-ηλεκτρονική έρευνα αξιοποιώντας ηλιοειδής δέσμες ιόντων οξυγόνου και βορίου. Τα αποτελέσματά μας αποκάλυψαν την παρουσία ισχυρών ηλεκτρονικών συσχετισμών, υποστηρίζοντας περαιτέρω τα ευρήματα των προηγούμενων μελετών. Επιπλέον, ήταν εφικτός ο προσδιορισμός των απλά διαφορικών ενεργών διατομών (SDCS) των καταστάσεων 1s2s2p ^{4}P, ^{2}P_{±} για κρούσεις ιόντων οξυγόνου, με ηλεκτρονική δομή Ο^{6+}(1s^{2}) και Ο^{6+}(1s2s ^{3}S), με στόχους ηλίου, για ένα μεγάλο εύρος ενεργειών. Αυτά τα ευρήματα προσφέρουν σημαντική γνώση, καθώς αποτελούν σημείο αναφοράς για τη βελτίωση προηγμένων θεωριών τριών ενεργών ηλεκτρονίων, όπως η θεωρία 3eAOCC, που συγκρίνεται με τα πειραματικά αποτελέσματά μας. Τέλος, εισαγάγαμε μια εναλλακτική μέθοδο για τον προσδιορισμό του εύρους ενέργειας των δεσμών ιόντων που παράγονται σε επιταχυντές τύπου tandem Van de Graaff. Το εύρος ενέργειας της δέσμης αποτελεί μία σημαντική παράμετρο καθώς επηρεάζει την πειραματική ανάλυση γενικότερα. Στην προσέγγισή μας, χρησιμοποιήσαμε μετρήσεις KLL Auger ηλεκτρονίων μαζί με αντίστοιχες προσομοιώσεις τύπου Monte Carlo που πραγματοποιήθηκαν στο πακέτο προσομοίωσης SIMION. Αυτή η νέα προσέγγιση επιτρέπει τον προσδιορισμό του εύρους ενέργειας της δέσμης ιόντων απευθείας από τα φάσματα KLL Auger ηλεκτρονίων, εξαλείφοντας έτσι την ανάγκη για επιπρόσθετες μετρήσεις.