Deceleration and Electron Cooling of Highly Charged Ions at HITRAP

The investigation of highly charged ions (HCI) offers the potential to recreate environments that are otherwise inaccessible on Earth. For instance, the magnetic field experienced by electrons in hydrogen-like heavy ions close to the surface of the nucleus compares to that in the vicinity of a pulsar. Consequently, this allows for the most stringent tests of fundamental theories, such as quantum electrodynamics (QED), in these extreme fields. Ultimate precision is typically attained in experiments conducted on cooled and confined ions in an ion trap. However, to date this remains a viable option only for light and medium-heavy, highly charged ions. The production process of large quantities of heavy, highly charged ions, such as hydrogen-like uranium U⁹¹⁺, relies on electron stripping at high kinetic energies. This technique is commonly employed in accelerator facilities, such as the heavy ion research facility GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Germany. In order to confine heavy HCI in an ion trap for precision experiments, prior deceleration subsequent to the production process is necessary. This constitutes the objective of the HITRAP facility at GSI, where the energy of the ion beam is reduced in a linear decelerator. Subsequently, the ions will be captured in a Penning trap and cooled by the application of electron cooling for further transport to precision experiments. In the context of the work, the linear decelerator was recommissioned following a shutdown period of almost eight years. For this purpose, ³⁶Ar¹⁸⁺ ions were produced by the accelerator complex of GSI, decelerated to 4 MeV/u in the Experimental Storage Ring ESR, and injected into the HITRAP facility. After successful deceleration, the ion beam was transported for the first time further along the low-energy beam line towards the HITRAP Cooling Trap, captured, and confined for short periods of time. Furthermore, the trap setup was commissioned with ⁴⁰Ar¹⁶⁺ ions produced by an electron beam ion trap (EBIT). The simultaneous storage of these ions with a cold plasma of electrons resulted in an considerable reduction of the ions' kinetic energy. This constitutes the first demonstration of electron cooling on highly charged ions in a Penning trap. Together with the first successful storage of accelerator-produced HCI, this marks a tremendous advancement in the commissioning of the HITRAP facility, as a result of which an experiment at HITRAP has been included for the first time in the beamtime schedule of GSI for the upcoming year.

Die Untersuchung hochgeladener Ionen (HCI) bietet die Möglichkeit, Umgebungen nachzubilden, die auf der Erde sonst nicht zugänglich sind. So entsprechen die magnetischen Feldstärken, die Elektronen in wasserstoffartigen Ionen in der Nähe der Kernoberfläche erfahren, denen in der Umgebung eines Pulsars. Damit lassen sich beispielsweise grundlegende Theorien wie die Quantenelektrodynamik (QED) in solchen Feldern überprüfen. Die höchste Präzision wird in der Regel bei Experimenten mit gekühlten und gespeicherten Ionen in einer Ionenfalle erreicht. Bislang ist dies jedoch nur für leichte und mittelschwere hochgeladene Ionen möglich. Die Erzeugung großer Mengen schwerer, hochgeladener Ionen, wie z.B. wasserstoffartigem Uran U⁹¹⁺, beruht auf dem Herauslösen von Elektronen bei hohen kinetischen Energien. Diese Technik wird üblicherweise in Beschleunigeranlagen wie dem GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Deutschland eingesetzt. Um schwere HCI in einer Ionenfalle für Präzisionsexperimente einzufangen, ist eine vorherige Abbremsung im Anschluss an den Produktionsprozess erforderlich. Dies ist das Ziel der HITRAP-Anlage an der GSI, bei der die Energie des Ionenstrahls in einem Linearbeschleuniger reduziert wird. Anschließend sollen die Ionen in einer Penningfalle eingefangen und mittels Elektronenkühlung für den Weitertransport zu den Präzisionsexperimenten gekühlt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Linearbeschleuniger nach fast acht Jahren Stillstand wieder in Betrieb genommen. Dazu wurden mit der Beschleunigeranlage der GSI ³⁶Ar¹⁸⁺ Ionen erzeugt, im Experimentierspeichering ESR auf 4 MeV/u abgebremst und in die HITRAP Anlage eingespeist. Nach erfolgreicher Abbremsung wurden erstmals hochgeladene Ionen aus dem ESR entlang der Niederenergiestrahllinie zur HITRAP Kühlfalle transportiert, dort eingefangen und nachweißlich für kurze Zeit gespeichert. Zusätzlich wurde der Fallenaufbau mit ⁴⁰Ar¹⁶⁺ Ionen aus einer Elektronenstrahlionenquelle (EBIT) in Betrieb genommen. Die gleichzeitige Speicherung dieser Ionen und eines kalten Elektronenplasmas führte zu einer deutlichen Verringerung der kinetischen Energie der Ionen. Dies ist die erste erfolgreiche Demonstration von Elektronenkühlung an hochgeladenen Ionen in einer Penning-Falle. Zusammen mit der ersten erfolgreichen Speicherung der im Beschleuniger erzeugten HCI stellt dies einen gewaltigen Fortschritt bei der Inbetriebnahme der HITRAP-Anlage dar, in dessen Folge für das kommende Jahr erstmalig ein Experiment an HITRAP in den Strahlzeitplan der GSI aufgenommen wurde.