Dissociative Recombination in Ion Storage Rings

W rozprawie przedstawiono wyniki badań rekombinacji dysocjatywnej jonów molekularnych z elektronami swobodnymi. Eksperymenty były prowadzone w układzie wiązek współbieżnych w ciężkojonowym pierścieniu kumulującym CRYRING w Sztokholmie. Zastosowana technika pozwala na kompleksowe badania rekombinacji dysocjatywnej jonów molekularnych obejmujące: pomiar absolutnych przekrojów czynnych w szerokim zakresie energii zderzenia – od zera do kilkudziesięciu elektronowoltów, badanie fragmentacji w przypadku rekombinacji jonów wieloatomowych oraz określenie stanów kwantowych produktów dysocjacji. Technologia kumulacji jonów (w czasie znacznie dłuższym niż typowe czasy życia stanów elektronowo i wibracyjnie wzbudzonych) oraz „chłodzenia” wiązki jonowej (za pomocą współbieżnej wiązki elektronów o tej samej prędkości), daje unikalną możliwość badań zderzeń jonów molekularnych (o jednoznacznie określonych stanach kwantowych) z elektronami przy precyzyjnie określonej energii zderzenia – rzędu 1 meV.

W pracy przedstawiono wyniki badań w zakresie przekrojów czynnych na rekombinację dysocjatywną jonów dwuatomowych: HeH⁺, CO⁺oraz wieloatomowych: D₃⁺, CH₂⁺, CH₅⁺, H₂O⁺, H₃O⁺, D₃O⁺ i HCNH⁺, w zakresie energii zderzenia od zera do kilkudziesięciu elektronowoltów. W przypadku jonów HeH⁺, D₃⁺, CH₅⁺, H₂O⁺, H₃O⁺stwierdzono istnienie szerokich struktur rezonansowych, w zakresie energii zderzenia rzędu od kilku do kilkunastu elektronowoltów, wynikających z wychwytu elektronu do stanów rydbergowskich związanych z elektronowo wzbudzonym stanem macierzystego jonu.

Wykorzystanie pozycyjnie czułego detektora pozwoliło na określenie stanów kwantowych produktów dysocjacji dla jonów HeH⁺ i CO⁺. Stwierdzono m.in., że kanał He(¹S) + H(n=2) jest jedynym w przypadku rekombinacji dysocjatywnej jonów HeH⁺ przy zerowej energii zderzenia, co pozwoliło na jednoznaczną weryfikację teorii opisującej mechanizm badanej reakcji.

W pracy przedstawiono wyniki pomiarów prawdopodobieństwa dla różnych kanałów fragmentacji w przypadku rekombinacji dysocjatywnej jonów wieloatomowych CH₂⁺, CH₅⁺, H₂O⁺, H₃O⁺, HCNH⁺, przy zerowej energii zderzenia. Otrzymane wyniki wskazują na dominację fragmentacji trzyciałowej i w wielu przypadkach odbiegają od przewidywań teoretycznych.

Przedstawione dane mają istotne znaczenie dla diagnostyki niskotemperaturowej plazmy występującej m.in. w obłokach międzygwiazdowych, jonosferach planet, obszarach brzegowych tokamaków itp. W tego typu ośrodkach jednym z głównych mechanizmów prowadzących do zmniejszenia koncentracji elektronów jest rekombinacja jonów molekularnych z elektronami, prowadząca do dysocjacji powstałej cząsteczki na neutralne elektrycznie fragmenty. Jest to proces odgrywający istotną rolę w syntezie mniej lub bardziej złożonych cząsteczek, w warunkach, w których reakcje pomiędzy obojętnymi elektrycznie atomami lub cząsteczkami są wzbronione z uwagi na wysokie energie aktywacji.