Uni Heidelberg Max-Planck-Institut fü Kernphysik GSI An ultra-cold target for precision studies of heavy-ion atom collisions MPIK
Dynamik in Ion-Atom-Stößen
Beschießt man biologisches Gewebe mit schnellen Ionen, so dringen sie tief in dieses ein und zerstören entlang ihrer Flugbahn sehr effektiv biologisch aktive Moleküle. Das ist die Grundlage der viel versprechenden Tumortherapie mit schnellen Ionen, die von der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt in Zusammenarbeit u.a. mit dem Heidelberger Krebsforschungszentrum (DKFZ) entwickelt wurde. Im Heidelberger Ionenstrahl Therapiezentrum (HIT), der weltweit ersten Anlage dieser Art, werden Patienten mit dieser Methode behandelt.
Was aber passiert auf mikroskopischer Ebene wenn hochenergetische Ionen Gewebe durchdringen? Dieser Frage gehen wir nach, indem wir Stöße zwischen einzelnen Ionen und Atomen untersuchen. Entscheidende Reaktionskanäle sind hierbei die Stoßionisation, wobei anfänglich im Atom gebundene Elektronen durch den Stoß heraus geschlagen werden, und Elektroneneinfang, bei dem ein oder meherere Elektronen vom Targetatom zum Projektilion übergehen. Im Rahmen des PRIOC-Projektes sollen diese elementaren Prozesse in bislang unereichter Vollständigkeit und Präzision vermessen werden.
Targetionisation

Die Dynamik der Targetionisation in Ion-Atom-Stößen wird experimentell schon seit mehr als 50 Jahren untersucht, doch viele der früheren Experimente konnten nur Teilaspekte dieser Reaktionen (in aller Regel totale Ionisationsquerschnitte oder Elektronenenergie- und -winkel-Verteilungen) beleuchten (z.B. N. Stolterfoht, R.D. DuBois, R.D. Rivarola, "Electron Emission in Heavy Ion-Atom Collisions". Berlin, Springer-Verlag, 1997). Die Entwicklung der COLTRIMS-Technik ("COLd Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy") und von Reaktionsmikroskopen (J. Ullrich, et al., Rep. Prog. Phys. 66, 1463 (2003)) in den 1990er Jahren erlaubte zum ersten mal, kinemtatisch vollständige Informationen dieser Streuprozesse (d.h. die Impulse aller am Stoß beteiligten Teilchen) zu erhalten. Erst vor wenigen Jahren wurden die ersten vollständig differentiellen Daten zur Einfach- (M. Schulz, …, D. Fischer, et al., Nature 422, 48 (2003)) und Mehrfachionisation (D. Fischer, et al., Phys. Rev. Lett. 90, 243201 (2003)) veröffentlicht.

Techniken
Vollständig differentielle Wirkungsquerschnitte der einfachionisation in 100 MeV/u C6+-He Stößen. Die Winkelverteilung der Elektronenemission ist in einem 3D-Polarplot dargestellt. Oben ist eine Rechnung (CDW), unten die experimentellen Ergebnisse gezeigt.

Bei nicht zu hohen Projektilladungen und hinreichend hohen Stoßgeschwindigkeiten wurde davon ausgegangen, dass sich die Projektil-Target-Wechselwirkung gut in der ersten störungstheoretischen Ordnung - der Ersten Bornschen Näherung - beschreiben lässt. Vor wenigen Jahren wurden jedoch überraschende Abweichungen zwischen errechneten und experimentellen vollständig differentiellen Wirkungsquerschnitten für den aus theoretischer Sicht vermeintlich "einfachen" Fall der Einfachionisation in sehr schnellen Ion-Atom-Stößen aufgedeckt (siehe Bild rechts).

Zur Erklärung der beobachteten Diskrepanzen wurden in den darauffolgenden Jahren im wesentlichen drei mögliche Ursachen diskutiert:

  • Die Wechselwirkung zwischen Projektil und Target kann nur in Näherungen beschrieben werden. Insbesondere Mehrfachstreuprozesse sind unter Umständen nicht hinreichend berücksichtigt.
  • Die elektronischen Korrelation zwischen den im Target anfänglich gebundenen Elektronen (im Experiment wurde Helium, also ein Zweielektronensystem, als Target verwendet) kann die Stoßdynamik beeinflussen. Diese kann jedoch theoretisch nicht vollständig beschrieben werden und ist in den meisten Rechnungen nicht explizit berücksichtigt.
  • Die experimentelle Auflösung beeinflusst stark die Form der beobachteten Spektren. Sowohl ihre exakte Abschätzung als auch ihre Berücksichtigung im Vergleich mit der Theorie ist sehr kompliziert und nur bedingt möglich.
Trotz der in den letzten Jahren unternommenen erheblichen Bemühungen - sowohl experimentell als auch theoretisch - konnten diese Schwierigkeiten bis heute nicht überwunden werden.

Aufgrund der extrem geringen Targettemperaturen, die mit einer Magneto-optischen Falle (MOT) erreicht werden können, und aufgrund der einfachen Wasserstoff-ähnlichen Struktur des Lithium-Targets werden in den geplanten Epxerimenten mit dem MOTREMI-Aufbau zwei der oben erwähnten Effekte, sowohl die epxerimentelle Auflösung als auch die elektronische Korrelation im Anfangszustand des Targets, erheblich reduziert sein wodurch die theoretischen Beschreibung des Stoßprozesses (einschließlich möglicher Mehrfachstreuung) ultimativ getestet werden kann.

Elektroneneinfang

Das Verständnis von Ladungstransferreaktionen in schnellen Ion-Atom-Stößen und die Kenntnis der entsprechenden Wirkungsquerschnitte ist sowohl aufgrund praktischer als auch fundamentaler Aspekte von Bedeutung. Elektronentransfer ist der Hauptmechanismus, der die Lebensdauer gespeicherter Ionenstrahlen bestimmt, und er ist somit hochrelevant in der Ionen-Beschleuniger-Physik. Andererseits verraten diese Prozesse Details über bestimmte Aspekte der Mehrfachstreuung (R. Shakeshaft and L. Spruch, Rev. Mod. Phys. 51, 369 (1979)) und, für radiative Prozesse, über Besonderheiten der Elektron-Photon-Wechselwirkung in starken Feldern (S. Fritzsche, et al., J. Phys. B 38, S707 (2005), J. Eichler and T. Stöhlker, Phys. Rep. 439, 1 (2007)).

Ladungstransferreaktionen können im Wesentlichen drei Kategorieen zugeordnet werden (siehe Abbildung unten): (a) Nicht-Radiativer Einfang (NRC) bei dem während des Stoßes kein Photon emittiert wird, (b) Radiative Elektroneneinfang (REC) der von Photonenemission begleitet ist und (c) Resonanter Transfer mit simultaner Projektilanrgegung (RTE). Bei sehr hohen Projektilgeschwindigkeiten kann darüber hinaus noch "Bound-Free"-Paarbildung auftreten, bei der nach der Erzeugung eines Elektron-Positron-Paares das Elektron letzlich im Projektil gebunden ist.

Techniken
Illustration der drei Ladungstransfer-Mechanismen in Ion-Atom-Stößen: Nicht-Radiativer Einfang (non-radiative capture NRC, links), Radiativer Elektroneneinfang (radiative electron capture REC, mitte) und Resonanter Transfer mit Anregung des Projektils (resonant transfer with excitation of the projectile RTE, rechts).

Differentielle Messungen des Ladungstransfers bei hohen Stoßgeschwindigkeiten liefern unter bestimmten Bedingungen Informationen über die Stoßparameterabhängigkeit (also den minimalen Abstand zwischen Projektil und Target während des Stoßes), und geben daher Einblicke in die Streumechanismen, die für den Ladungstransfer verantwortlich sind. Solche experimentellen Untersuchungen sind allerdings eine große Herausforderung, da die Wirkungsquerschnitte dieser Reaktionen bei hohen Gecshwindigkeiten extrem klein sind. Differentielle Experimente zum NRC wurden bislang nur für eher geringe Projektilladungen durchgeführt (z.B. D. Fischer, et al., Phys. Rev. A 73, 052713 (2006)). Diese Untersuchungen konzentrierten sich auf einen Zweiten-Ordnungs-Prozess, den sogenannten "Thomas"-Prozess. Dabei wird das aktive Elektron zunächst in einem harten Stoß mit dem Projektil auf dessen Geschwindigkeit gebracht und dann an seinem "Mutter"-Kern zurückgestreut, bevor es vom Projektil schließlich eingfangen wird. Dieser Doppelstreuprozeß kann anhand der Streuwinkelverteilung identifiziert werden.

Zum REC gibt es bislang überhaupt keine bezüglich des Streuwinkels differentiellen Daten obwohl die totalen Querschnitte und die Photonenemission in zahlreichen Studien untersucht wurden. Dies mag daran liegen, dass die direkte Messung des Projektilstreuwinkels extrem schwierig ist und für hochgeladene Ionen in einem Speichering wie dem TSR oder ESR wahrscheinlich überhaupt nicht durchführbar ist. Mit der COLTRIMS-Technik, hingegen kann der Streuwinkel indirekt aufgrund der Impulserhaltung bestimmt werden. Durch die Durchführung der Experimente in Ionenspeicheringen un den dort Verfügbaren hohen Strahlintensitäten können auch Reaktionen mit kleinsten Wirkungsquerschnitten untersucht werden.