SPARC: Photon and X-ray Spectrometers

Röntgenspektroskopie

Die Physik der starken Felder mit ihren relativistischen und quantenelektrodynamischen (QED) Effekten kann in einzigartiger Weise an Ionen mit nur einem oder wenigen Elektronen und den höchsten Kernladungszahlen untersucht werden. Die Phänomene sind über eine genaue Spektroskopie der Röntgenstrahlung zugänglich, die während oder nach Rekombinations- oder Einfang-Prozessen emittiert wird. Die Prozesse finden bei der Wechselwirkung schwerer Ionen mit einem überlagerten Elektronen- oder Gasstrahl statt. Diese können im ESR-Speicherring bei GSI experimentell untersucht werden. An den zukünftigen Speicherringen der neuen Beschleunigeranlage FAIR bieten sich weiter verbesserte Bedingungen insbesondere im Hinblick auf die Einbeziehung seltener Isotope, die für eine systematische Untersuchung wichtig sind. Die Experimente, die hier diskutiert werden, sind Teil des Experimentierprogramms der SPARC-Kollaboration. Die genau zu bestimmenden Meßgrößen sind die Energien der K-Schalenübergänge im harten Röntgenbereich von etwa 50 bis 100 keV und der Übergänge innerhalb der L-Schale, die im Bereich von etwa 5 keV liegen. Darüber hinaus ist die Polarisation und Winkelverteilung der Photonenemission von großem Interesse. Insbesondere wird der präzisen Messung der linearen Polarisation harter Röntgenstrahlung in Zukunft eine besondere Bedeutung zukommen. Hieraus lassen sich detaillierte Informationen über den Röntgenproduktionsprozeß ableiten (z.B. Alignment atomarer Zustände). Insbesondere aber eignet sich eine präzise Messung der Polarisationsebene für Rekombinationsstrahlung zur Diagnose der Spinpolarisation gespeicherter Schwerionen [Su05, Bo11], wie sie z.B. durch optisches Pumpen mittels Laser erzeugt werden kann. Für zukünftige Experimente zum Studium paritätsverletzender Effekte in atomaren Systemen, wie sie gegenwärtig für hochgeladene Schwerionen diskutiert werden, ist dies von entscheidender Bedeutung.

Helium- und Lithium-ähnliche Uran-Ionen bieten einzigartige Möglichkeiten zum Studium der QED-Beiträge zur Bindungsenergie und der Effekte der Elektron–Elektron-Wechselwirkung in einer konzeptionell und experimentell verläßlichen Weise. In den letzten Jahren wurde ein immenser Fortschritt in der theoretischen Behandlung hochgeladener Wenigelektronensysteme erzielt, der zu einer Reihe von genauen Berechnungen führte [Pe96, Pl94, Ar05]. Die möglichen Vorteile von Experimenten zur Paritätsverletzung in hochgeladenen heliumähnlichen Systemen gegenüber neutralen Atomen wurden eingehend diskutiert [Sc89, La01, Bo11]. Der Erfolg eines solchen Unterfangens hängt kritisch von der elektronischen Struktur ab, die bisher nicht experimentell verifiziert wurde.

Gleichzeitig verbesserten sich die experimentellen Möglichkeiten so, dass im ESR jetzt genügend intensive Ionenstrahlen gespeichert werden können, um auch hochauflösende Spektroskopie-Experimente durchführen zu können. Es wird geplant,  eine genaue Spektroskopie der 2p3/2 -> 2s1/2 Übergänge  im heliumähnlichen U90+ und im lithiumähnlichen U89+ durchzuführen. In diesen Übergängen ist der nichtrelativistische Coulomb-Beitrag zur Übergangsenergie klein, was zu einer hohen Empfindlichkeit gegenüber Elektron–Elektron-Korrelationen und QED-Beiträge höherer Ordnung führt. Ein vorläufiges Experiment mit begrenzter Genauigkeit wurde kürzlich durchgeführt [Tr09].

Experimentelle Schwierigkeiten liegen hauptsächlich in der begrenzten Intensität der Röntgenquellen im Zusammenspiel mit hochauflösenden Geräten zum Photonennachweis mit entsprechend niedriger Nachweisempfindlichkeit. Weiterhin sind Doppler-Verschiebungen und Verbreiterungen ein ernstzunehmendes Problem, wie auch die geometrischen Randbedingungen, die durch die technische Auslegung der beiden Röntgenquellen, nämlich des Elektronenkühlers und des Gasstrahls, als auch der anderen Komponenten des Speicherrings gegeben sind. Die experimentellen Herausforderungen können jedoch mit dem notwendigen technischen Aufwand gemeistert werden. So wird es erforderlich sein, zwei Röntgenspektrometer symmetrisch am Gasstrahl des ESR aufzubauen, um den Dopplereffekt zu kompensieren. Die zylindrisch gebogenen Kristalle für diesen Aufbau werden an der Friedrich-Schiller-Universität Jena in Verbindung mit dem Helmholtz-Institut Jena präpariert und charakterisiert.

Ein hochgeladenes Projektil-Ion kann eine große Anzahl von Elektronen von einem leichteren Target-Atom in einem einzelnen Stoß entfernen, ohne dem erzeugten Target-Ion eine große Rückstoßenergie zu übertragen. Solche Vorgänge wurden vor langer Zeit am UNILAC der GSI untersucht. Von einem Argon-Target, z.B., welches mit U66+-Ionen bei 5.9 MeV/u bestrahlt wird, werden Röntgenspektren emittiert, welche von charakteristischen Linien der Ein- und Zweielektronensysteme dominiert werden [Be82].

Diese Studien sollen unter stark verbesserten experimentellen Bedingungen am ESR fortgeführt werden. Ziel der Untersuchungen ist nicht nur ein besseres Verständnis des primären Ionisationsprozesses sondern ganz besonders auch der Sekundärstöße der Target-Rückstoßionen in verschiedenen Umgebungen. In diesem Zusammenhang spielen die Röntgenspektren der Rückstoßionen mit zwei Elektronen wegen des Vorhandenseins metastabiler Zustände eine besondere Rolle. Die relativen Intensitäten der 1s2p 3,1PJ → 1s2 1S0 Übergänge spiegeln die lokale Dichte zur Zeit des Emissionsprozesses wieder, vermittelt durch die großen Unterschiede in den atomaren Lebensdauern der beteiligten Zustände. Die Durchführbarkeit dieser Methode zeigt sich in der gemessenen Druckabhängigkeit der Argon-Röntgenspektren unter Schwerionenbeschuß [De84]. In den geplanten Experimenten soll ein dünnes Gastarget als Referenz dienen. Messungen mit einem Mikro-Tröpfchen- oder Cluster-Target werden dann mit den Ergebnissen eines dünnen Targets verglichen.  Ein intensiver Laser-Puls kann eine ähnlich hohe Ionisation bewirken wie der Stoß mit einem hochgeladenen Schwerion. Innerhalb der geplanten Experimente sollen deshalb mit ähnlichem experimentellen Aufbau Messungen an den zur Verfügung stehenden Hochleistungslasern durchgeführt werden.

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Röntgenkristalloptiken

Mit angepassten Röntgenkristalloptiken ist es möglich, Röntgenlinien von schnellen Ionen hochaufgelöst mit nur sehr geringer Doppler-Verbreiterung zu vermessen. Die Realisierbarkeit solcher Systeme wurde in vorbereitenden Experimenten am ESR demonstriert. Für den Bereich harter Röntgenstrahlung wurde die FOCAL-Röntgenoptik in Transmission entwickelt [Be04,Be09], die im asymmetrischen Laue-Fall betrieben wird. Abbildung 4 zeigt eine schematische Darstellung dieser Konfiguration mit zwei symmetrisch zum Ionenstrahl angeordneten Transmissionskristallspektrometern. Hiermit wird erreicht, daß systematische Linienverschiebungen, die durch den Dopplereffekt hervorgerufen werden, kompensiert werden können. Die Eignung dieser Kristalloptik für Präzisionswellenlängenmessungen im harten Röntgenbereich wurde in einem Pilotexperiment am ESR demonstriert. Als Ergebnis wird in Abbildung 5 das gemessene Lyman--Dublett des wasserstoffähnlichen Pb81+ gezeigt. Die Neigung der Spektrallinien in der zweidimensionalen örtlichen Intensitätsverteilung als Folge des Dopplereffektes stimmt mit den Erwartungen quantitativ überein.

Für den Röntgenenergiebereich von wenigen keV existiert eine entsprechende Kristalloptik in Johann-Geometrie. In einem vorläufigen Experiment am ESR-Speicherring konnte eine differenzielle Messung von Übergängen 2p3/2 → 2s1/2 innerhalb der L-Schale helium- und lithiumähnlicher Uranionen vorgenommen werden. Es kann durch entsprechende Wahl der Ionengeschwindigkeiten erreicht werden, daß die dopplerverschobenen Spektrallinien sich überlappen, was eine drastische Unterdrückung systematischer Unsicherheiten zur Folge hat.

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Bei der Auswahl und Qualitätssicherung der notwendigen Kristalloptiken kann auf die langjährige Erfahrung auf diesem Gebiet am Institut für Optik und Quantenelektronik der Friedrich Schiller-Universität Jena zurückgegriffen werden.

Entwicklung zweidimensionaler Röntgendetektoren

Für beide Spektralbereiche sind die in den Spektrometern zum Einsatz kommenden zweidimensional ortsempfindlichen Röntgendetektoren von ausschlaggebender Bedeutung. Für die harte Röntgenstrahlung werden spezielle ortsempfindliche Germanium-Streifendetektoren entwickelt. Abbildung 6 zeigt einen Prototypen eines solchen Detektors ohne Gehäuse mit den darum angeordneten Vorverstärkern. Der Signalverarbeitung der vielen Einzelkanäle kommt eine besondere Bedeutung zu, weil sie durch das erzielbare Energie- und Zeitauflösungsvermögen über die Durchführbarkeit von Langzeitmessungen bei geringen Ereignissraten entscheidet.
Für die weichere Röntgenstrahlung kommen CCD-basierte Detektoren in Frage. Sie bieten eine gute Ortsauflösung und Energiediskriminierung, liefern aber keine Zeitinformation. Um die Röntgenemission von schnellen Schwerionen einem bestimmten Ladungszustand sicher zuordnen zu können und eine weitere Unterdrückung von Untergrund zu bewirken, ist aber eine ausreichende Zeitauflösung, entsprechend < 100 ns, erforderlich.  Deshalb müssen neue, besser geeignete Detektoren entwickelt und den Erfordernissen angepaßt werden. Dieser Bereich wird durch das Teilvorhaben "Entwicklung eines zweidimensionalen Multirohr-Proportionalzählers mit Zeitauflösung im Bereich von 50 ns zum Nachweis weicher Röntgenstrahlung (3–10 keV)."abgedeckt, welches sich auf die Expertise an der Universität Lüneburg stützt. Die dortigen Kollaborationspartner verfügen über umfassende Erfahrung auf dem Gebiet der Anwendung von Pixeldetektoren, der Signalaufbereitung, Datenerfassung und Analyse und können darüber hinaus auf eigene Erfahrungen in der Röntgenspektroskopie zurückgreifen. Der sehr kompakte Detektor (50 x 30 x 14 mm) wird an dem Bragg Spektrometer für die Messungen der Übergänge, die innerhalb der L-Schale von He und Li ähnlichen Schwerionen stattfinden angepasst.  Er besteht aus 64 oder mehreren zylinderförmigen Proportionalzählrohren (d = 1–2 mm), die in 4 Lagen in einem Block eingearbeitet sind.  Innerhalb jeder Lage sind die Zählrohre parallel und von Lage zu Lage senkrecht zueinander angeordnet. Weiterhin wird eine integrierte Elektronik zur Spannungsversorgung und Signal-Vorverstärkung entwickelt. Als letzter Schritt ist ein Konzept für einen MTPC als Mikrosystem geplant. Die wesentlichen Vorteile des Detektors werden seine gute Ortsauflösung, die hohe Nachweiswahrscheinlichkeit für Röntgenphotonen, dessen niedriger Hintergrund und die niedrige Herstellungskosten sein.

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Entwicklung von Röntgenpolarimeter

Über die oben beschriebene Anwendung hinaus finden die Germanium-Röntgendetektoren bzw. dicke 2D Si(Li)-Detektoren eine eigenständige Anwendung in der Polarimetrie von Röntgenstrahlung und erlauben neben einer präzisen Messung des Polarisationsgrads ebenso eine sehr genaue Bestimmung der Polarisationsebene [Sp05].

Die Polarimetrie mit dem 2D Si(Li)-Detektor ist gegenwärtig auf Photonenenergien oberhalb 80 keV beschränkt. An der Universität Heidelberg soll ein segmentierter Germanium-Detektor, bestimmt für die  Photonenpolarimetrie im Energiebereich von 15–80 keV, entwickelt werden. Mit diesem Detektor wird es zum ersten Mal möglich sein, Polarisationsmessungen mit hoher Energieauflösung von 1 keV bei einer Photonenenergie von 60 keV durchzuführen.

Dicke planare beidseitig strukturierte Si(Li)- und Ge(i)- Streifendetektoren haben sich als hervorragende Compton-Polarimeter für die Bestimmung der linearen Polarisation von harter Röntgenstrahlung (Energieregime 80 keV bis ca. 300 keV) aus atomaren Prozessen mit hochgeladenen Schwerionen erwiesen. Neben ihrer hohen Polarisationssensitivität zeichnen Sie sich besonders durch die Abdeckung eines großen Raumwinkels aus.

Für die Verwendung dieser Streifendetektoren als Polarimeter im Physikprogramm der SPARC Kollaboration ist es zwingend den Einsatzbereich für Polarisationsmessungen zu niedriegen Energien bis hin zu 40 keV zu erweitern und das spektroskopische Auflösungsvermögen für Präzissionsmessungen im gesamten Bereich zu verbessern. Dieses technologische Problem soll durch die Entwicklung eines zweigeteilten ladungsempfindlichen Vorverstärkers mit kryogener Eingangsstufe realisiert werden. Es ist angepeilt die Energieauflösung pro Streifen von derzeit 2.0 keV bis 2.5 keV auf etwa 1.0 keV bis 1.2 keV im Energiebereich bis 120 keV zu verbessern.

Entwicklung von Mikrokalorimeter-Detektoren

Ein alternativer Weg ist der Einsatz von Mikrokalorimetern für die Röntgenspektroskopie. Hiermit kann ein großer Spektralbereich gleichzeitig abgedeckt werden. Mikrokalorimeter sind hervorragend geeignet für den Einsatz bei geringer Photonenrate. Möglicher störender Strahlungsuntergrund höherer Energie wird wegen der geringen Detektorgröße nicht absorbiert. Aufgrund des kalorimetrischen Messprinzips kann die Quanteneffizienz von Mikrokalorimetern durch die Wahl des Absorber-Materials und der Absorber-Geometrie perfekt auf den zu messenden Energiebereich abgestimmt werden. Allgemein gilt hier, dass die Linienbreite des Mikrokalorimeters proportional zur Wurzel aus der Wärmekapazität bzw. dem Absorbervolumen zunimmt. Einkanalige Mikrokalorimeter, optimiert für weiche (harte) Röntgenstrahlung 0-10keV (0-100keV) erreichen heute eine Linienbreite  von unter 3 eV (50 eV) FWHM.  Der Nachteil der geringen Detektorfläche kann durch das Bündeln vieler einzelner Detektoren zu einem Array kompensiert werden. Der Entwicklungsschritt von Einzeldetektoren bzw. linearen Arrays aus wenigen Detektoren hin zu größeren zweidimensionalen Arrays ist einer der zentralen Bestandteile der geplanten Forschungsprojekte. Für die im Rahmen von SPARC am ESR sowie an  HITRAP und dem HESR geplanten Präzisionsspektroskopie-Experimente ist die Weiterentwicklung von zwei sehr unterschiedlichen Mikrokalorimeter-Arrays vorgesehen.  

Die Gruppe an der Uni Gießen hat bereits sehr erfolgreich Mikrokalorimeter für harte Röntgenstrahlung (Energie 100 keV), die aus kompensiert dotierten Halbleiter-Thermometern und Zinn-Absorbern bestehen [St96],  am ESR eingesetzt. Im Jahr 2006 wurde mit einem Testarray aus drei Mikrokalorimetern zum ersten Mal ein Experiment zur präzisen Bestimmung der 1s-Lambshift in wasserstoff-ähnlichem Uran und Blei durchgeführt [An09], in dem die prinzipielle Eignung des Detektorkonzepts für solche Messungen demonstriert wurde. Jetzt soll ein großes Array mit 32 Pixeln in einem neuen Kryostaten aufgebaut und getestet werden, das die Durchführung von atomphysikalischen Experimenten mit belastbarer Statistik erlaubt. Dazu ist es notwendig, im Rahmen des Antrags Optimierung von Mikrokalorimetern für die Anwendung an ESR, HESR und HITRAP die Energieauflösung weiter zu verbessern, ein neues Datenaufnahmesystem zu entwickeln und die Signalauslese zu optimieren.

Für die hochaufgelöste Spektroskopie von Helium- und Lithium-artigen Schwerionen bei Röntgenenergien bis etwa 20 keV wird an der Universität Heidelberg (C. Enss) das Detektor-Array maXs entwickelt, das auf metallischen magnetischen Mikrokalorimetern basiert. Dieses maßgeblich in Heidelberg entwickelte Detektionsprinzip zeichnet sich durch eine exzellente Energieauflösung und Linearität aus und erlaubt Signalanstiegszeiten von unter 100ns, die zwei bis drei Größenordnungen kürzer sind als die aller anderen Mikrokalorimeter-Konzepte und insbesondere für Koinzidenzmessungen sehr attraktiv sind [Fl09]. Eine Röntgentransportoptik von der Universität Jena (s.u.) ist vorgesehen um weiche Röntgenstrahlung ins Zentrum des 2d-Detektorarrays maXs zu fokussieren, wo sie von einem quadratischen Array aus 8 kleinen Pixeln mit einer Energieauflösung unter 2.5 eV (FWHM) nachgewiesen werden. Dieses quadratische Array wird eine Weiterentwicklung der Detektorzeile maXs-20 sein, die in Abb. 7 dargestellt ist. Da Röntgenstrahlung jenseits von 20 keV breitbandig nur schwer fokussierbar ist, wird maXs-20 von 24 großflächigen Röntgenabsorbern, die auf die Absorption von Photonen bis 200 keV optimiert sind, umgeben. In Experimenten am Gas-Jet-Target hinter HITRAP wird maXs in beiden Energiebereichen einen Raumwinkel von etwa 10-3 abdecken, was überaus interessant für die hochaufgelöste Spektroskopie bei kleinen Photonenflüssen ist. Im Projekt maXs – micro-calorimeter arrays for high resolution x-rays spectroscopy werden die aktuellen Prototypen maXs-20 und maXs-200 in-puncto Energieauflösung weiter optimiert, und zu einem 2-dimensionalen Array zusammengeführt. Weitere wichtige Entwicklungsschritte werden die Integration von Detektor, Verdünnungskrystat und Vielkanal-Ausleseelektronik, sowie die Programmierung einer weitest gehend automatisierten Detektorinitialisierung sein.

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Beide Detektorsysteme werden von „trockenen“, pulsrohr-gekühlten Verdünnungskryostaten gekühlt und kommen somit erstmals ohne kryogene Flüssigkeiten aus, was den Betrieb an den verschiedenen FAIR-Facilities deutlich vereinfachen wird.

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Röntgentransportoptiken

Wegen der räumlichen Gegebenheiten am Speicherring kann ein Tieftemperatur-Kalorimeter mit den notwendigen Kühleinrichtungen nicht beliebig nahe an die Röntgenquelle gebracht werden. Hier sollen spezielle Röntgentransportoptiken, die zwischen Quelle und Detektor geschaltet werden, helfen, die Gesamteffizienz wesentlich zu steigern. Einem System mit einer ringförmigen  Röntgenoptik mit einem Mosaik-Kristall werden hohe Erfolgsaussichten zugebilligt. Hier liegen schon detaillierte Erfahrungen an der Universität Jena vor. Mit Hilfe eines ellipsoidförmigen gebogenen Graphitkristalls konnte bei einer Photonenenergie für 4.5 keV gezeigt  werden, dass man die Röntgenphotonendichte auf einem Detektor um einen Faktor von ca. 2000 erhöhen kann [Us05]. Hierbei konnten Photonen einer 150µm große Röntgenquelle auf einen Fokus von ca. 490 µm fokussiert werden. Die spektrale Breite war für diese Optik auf die Kα Spektrallinie von Titan optimiert. Eine ähnliche Optik kann die Messzeit von Röntgenlinien an den Speicherringen FAIR und ESR der GSI mit Hilfe von Röntgenkalorimetern deutlich verringern. Um die Optik zu optimieren sind viele Parameter zu beachten, wie Kristallauswahl, Mosaizität des Kristalls, Kristalldicke, Biegeradius und Aperturwinkel. Als Kristalle werden solche zum Einsatz kommen, die aus Elementen niedriger Ordnungszahlen bestehen, wie Graphit, Lithiumfluorid oder Glimmer. Durch geringe Absorption kann ein großes Kristallvolumen zu einer hohen Beugungseffizienz beitragen. Durch deren geeignete Wahl kann das Reflexionsvermögen von Mosaikkristallen beispielweise um mehr als eine Größenordnung gesteigert werden. Um einen breiteren Spektralbereich als nur von einer Linie zu nutzen, sind mehrere ineinander geschachtelte Kristallringe denkbar, bei denen der Braggwinkel über größere Bereiche variiert.

Die Arbeitsgruppe Röntgenoptik besitzt alle experimentellen und theoretischen Voraussetzungen, solche Optiken zu berechnen, die Realstruktur der Mosaikkristalle festzustellen und gegebenenfalls zu verändern. Es bestehen jahrzehntelange Erfahrungen im Kristallbiegen sowie in der Kontrolle der Kristallkrümmungen und der Fokussierungseigenschaften für Röntgenstrahlung. Weiterhin können wichtige Eigenschaften, wie spektrale Response der Optik, Effizienz und integrales Reflexionsvermögen solcher Kristalle bei den entsprechenden Wellenlängen vermessen und mit den Simulationen verglichen werden.

Die Kollaborationspartner stimmen darin überein, daß die hier zur Förderung vorgeschlagenen technischen Entwicklungen optimal zur erfolgreichen Verwirklichung der geplanten Experimente bei FAIR beitragen werden. Ein Teil der Experimente, die schon am bestehenden Speicherring ESR durchgeführt werden können, dienen der Inbetriebnahme von Komponenten, besitzen zum Teil Pilotcharakter und sind wesentlich für den notwendigen Optimierungsprozeß. Dabei kommt der Ausbildung junger Wissenschaftler und der Erweiterung der wissenschaftlichen Expertise während der Planungs- und Ausbauphase von FAIR eine große Bedeutung zu.

Institut

Antragsteller / Beteiligte

Experiment

Schwerpunkt

Uni Heidelberg

Prof. Ch. Enss, Dr. A. Fleischmann

SPARC und HITRAP Röntgenspektroskopie

maXs – micro-calorimeter arrays for high resolution x-rays spectroscopy

Uni Gießen

Dr. S. Kraft-Bermuth

SPARC und HITRAP Röntgenspektroskopie

Weiterentwicklung erprobter Mikrokalorimeter zu großflächigen Arrays

Uni Heidelberg

Dr. S. Tashenov

SPARC, ESR Röntgenspektroskopie

Hochauflösende Röntgenpolarimetrie bei niedrigen Energien

Uni Heidelberg

Prof. Th. Stöhlker

SPARC und HITRAP Röntgenspektroskopie

Optimierung und digitale Auslese von positionsempfindlichen Ge-Halbleiterdetektoren

Uni Jena

Prof. G. Paulus, Dr. I. Uschmann, Prof. E. Förster

SPARC Röntgenspektroskopie

Röntgenkristalloptik für die hochauflösende Spektroskopie an hochgeladenen Ionen des NESR

Uni Lüneburg

Prof. A. Georgiadis

SPARC und HITRAP Röntgenspektroskopie

Entwicklung eines zweidimensionalen Multirohr-Proportionalzählers

GSI

PD H. Bräuning, Dr. A. Bräuning-Demian, Dr. W. Quint, Dr. D. Liesen, Dr. H. Beyer, Dr. C. Kozhuharov, Dr. D. Winters

SPARC und HITRAP Röntgenspektroskopie

Entwicklung von Röntgenkristalloptik für die hochauflösende Spektroskopie an hochgeladenen Ionen; 2D/3D Röntgendetektor-Entwicklung