Preparation of cold Mg + ion clouds for sympathetic cooling of highly charged ions at SPECTRAP

Die Elektronen in wasserstoff- und lithium-ähnlichen schweren Ionen sind den extrem starken elektrischen und magnetischen Feldern in der Umgebung des Kerns ausgesetzt. Die Laserspektroskopie der Hyperfeinaufspaltung im Grundzustand des Ions erlaubt daher einen sensitiven Test der Quantenelektrodynamik in starken Feldern insbesondere im magnetischen Sektor. Frühere Messungen an wasserstoffähnlichen Systemen die an einer Elektronenstrahl-Ionenfalle (EBIT) und am Experimentierspeicherring (ESR) der GSI Darmstadt durchgeführt wurden, waren in ihrer Genauigkeit durch zu geringe Statistik, einer starken Dopplerverbreiterung und der großen Unsicherheit in der Ionenenergie limitiert. Das ganze Potential des QED-Tests kann nur dann ausgeschöpft werden, wenn es gelingt sowohl wasserstoff- als auch lithium-ähnliche schwere Ionen mit einer um 2-3 Größenordnung gesteigerten Genauigkeit zu spektroskopieren. Um dies zu erreichen, wird gegenwärtig das neue Penningfallensystem SPECTRAP an der GSI aufgebaut und in Betrieb genommen. Es ist speziell für die Laserspektroskopie an gespeicherten hochgeladenen Ionen optimiert und wird in Zukunft von HITRAP mit nierderenergetischen hochgeladenen Ionen versorgt werden.rnrnSPECTRAP ist eine zylindrische Penningfalle mit axialem Zugang für die Injektion von Ionen und die Einkopplung eines Laserstrahls sowie einem radialen optischen Zugang für die Detektion der Fluoreszenz. Um letzteres zu realisieren ist der supraleitende Magnet als Helmholtz-Spulenpaar ausgelegt. Um die gewünschte Genauigkeit bei der Laserspektroskopie zu erreichen, muss ein effizienter und schneller Kühlprozess für die injizierten hochegeladenen Ionen realisiert werden. Dies kann mittels sympathetischer Kühlung in einer lasergekühlten Wolke leichter Ionen realisiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Lasersystem und eine Ionenquelle für die Produktion einer solchen 24Mg+ Ionenwolke aufgebaut und erfolgreich an SPECTRAP in Betrieb genommen. Dazu wurde ein Festkörperlasersystem für die Erzeugung von Licht bei 279.6 nm entworfen und aufgebaut. Es besteht aus einem Faserlaser bei 1118 nm der in zwei aufeinanderfolgenden Frequenzverdopplungsstufen frequenzvervierfacht wird. Die Verdopplerstufen sind als aktiv stabilisierte Resonantoren mit nichtlinearen Kristallen ausgelegt. Das Lasersystem liefert unter optimalen Bedingeungen bis zu 15 mW bei der ultravioletten Wellenlänge und erwies sich während der Teststrahlzeiten an SPECTRAP als ausgesprochen zuverlässig. Desweiteren wurde eine Ionequelle für die gepulste Injektion von Mg+ Ionen in die SPECTRAP Falle entwickelt. Diese basiert auf der Elektronenstoßionisation eines thermischen Mg-Atomstrahls und liefert in der gepulsten Extraktion Ionenbündel mit einer kleinen Impuls- und Energieverteilung. Unter Nutzung des Lasersystems konnten damit an SPECTRAP erstmals Ionenwolken mit bis zu 2600 lasergekühlten Mg Ionen erzeugt werden. Der Nachweis erfolgte sowohl mittels Fluoreszenz als auch mit der FFT-ICR Technik. Aus der Analyse des Fluoreszenz-Linienprofils lässt sich sowohl die Sensitivität auf einzelne gespeicherte Ionen als auch eine erreichte Endtemperatur in der Größenordnung von ≈ 100 mK nach wenigen Sekunden Kühlzeit belegen.

Formation and surface exchange of nitrous acid

Die salpetrige Säure (HONO) ist eine der reaktiven Stickstoffkomponenten der Atmosphäre und Pedosphäre. Die genauen Bildungswege von HONO, sowie der gegenseitige Austausch von HONO zwischen Atmosphäre und Pedosphäre sind noch nicht vollständig aufgedeckt. Bei der HONO-Photolyse entsteht das Hydroxylradikal (OH) und Stickstoffmonooxid (NO), was die Bedeutsamkeit von HONO für die atmosphärische Photochemie widerspiegelt.rnUm die genannte Bildung von HONO im Boden und dessen anschließenden Austausch mit der Atmosphäre zu untersuchen, wurden Messungen von Bodenproben mit dynamischen Kammern durchgeführt. Im Labor gemessene Emissionsflüsse von Wasser, NO und HONO zeigen, dass die Emission von HONO in vergleichbarem Umfang und im gleichen Bodenfeuchtebereich wie die für NO (von 6.5 bis 56.0 % WHC) stattfindet. Die Höhe der HONO-Emissionsflüsse bei neutralen bis basischen pH-Werten und die Aktivierungsenergie der HONO-Emissionsflüsse führen zu der Annahme, dass die mikrobielle Nitrifikation die Hauptquelle für die HONO-Emission darstellt. Inhibierungsexperimente mit einer Bodenprobe und die Messung einer Reinkultur von Nitrosomonas europaea bestärkten diese Theorie. Als Schlussfolgerung wurde das konzeptionelle Model der Bodenemission verschiedener Stickstoffkomponenten in Abhängigkeit von dem Wasserhaushalt des Bodens für HONO erweitert.rnIn einem weiteren Versuch wurde zum Spülen der dynamischen Kammer Luft mit erhöhtem Mischungsverhältnis von HONO verwendet. Die Messung einer hervorragend charakterisierten Bodenprobe zeigte bidirektionale Flüsse von HONO. Somit können Böden nicht nur als HONO-Quelle, sondern auch je nach Bedingungen als effektive Senke dienen. rnAußerdem konnte gezeigt werden, dass das Verhältnis von HONO- zu NO-Emissionen mit dem pH-Wert des Bodens korreliert. Grund könnte die erhöhte Reaktivität von HONO bei niedrigem pH-Wert und die längere Aufenthaltsdauer von HONO verursacht durch reduzierte Gasdiffusion im Bodenporenraum sein, da ein niedriger pH-Wert mit erhöhter Bodenfeuchte am Maximum der Emission einhergeht. Es konnte gezeigt werden, dass die effektive Diffusion von Gasen im Bodenporenraum und die effektive Diffusion von Ionen in der Bodenlösung die HONO-Produktion und den Austausch von HONO mit der Atmosphäre begrenzen. rnErgänzend zu den Messungen im Labor wurde HONO während der Messkampagne HUMPPA-COPEC 2010 im borealen Nadelwald simultan in der Höhe von 1 m über dem Boden und 2 bis 3 m über dem Blätterdach gemessen. Die Budgetberechnungen für HONO zeigen, dass für HONO sämtliche bekannte Quellen und Senken in Bezug auf die übermächtige HONO-Photolyserate tagsüber vernachlässigbar sind (< 20%). Weder Bodenemissionen von HONO, noch die Photolyse von an Oberflächen adsorbierter Salpetersäure können die fehlende Quelle erklären. Die lichtinduzierte Reduktion von Stickstoffdioxid (NO2) an Oberflächen konnte nicht ausgeschlossen werden. Es zeigte sich jedoch, dass die fehlende Quelle stärker mit der HONO-Photolyserate korreliert als mit der entsprechenden Photolysefrequenz, die proportional zur Photolysefrequenz von NO2 ist. Somit lässt sich schlussfolgern, dass entweder die Photolyserate von HONO überschätzt wird oder dass immer noch eine unbekannte, HONO-Quelle existiert, die mit der Photolyserate sehr stark korreliert. rn rn

Analytische Ableitungen der Energie für den "Equation-of-Motion-Coupled-Cluster"-Ansatz zur Berechnung von Ionisationspotentialen

In der vorliegenden Arbeit wird die Theorie der analytischen zweiten Ableitungen für die EOMIP-CCSD-Methode formuliert sowie die durchgeführte Implementierung im Quantenchemieprogramm CFOUR beschrieben. Diese Ableitungen sind von Bedeutung bei der Bestimmung statischer Polarisierbarkeiten und harmonischer Schwingungsfrequenzen und in dieser Arbeit wird die Genauigkeit des EOMIP-CCSD-Ansatzes bei der Berechnung dieser Eigenschaften für verschiedene radikalische Systeme untersucht. Des Weiteren können mit Hilfe der ersten und zweiten Ableitungen vibronische Kopplungsparameter berechnet werden, welche zur Simulation von Molekülspektren in Kombination mit dem Köppel-Domcke-Cederbaum (KDC)-Modell - in der Arbeit am Beispiel des Formyloxyl (HCO2)-Radikals demonstriert - benötigt werden.rnrnDer konzeptionell einfache EOMIP-CC-Ansatz wurde gewählt, da hier die Wellenfunktion eines Radikalsystems ausgehend von einem stabilen geschlossenschaligen Zustand durch die Entfernung eines Elektrons gebildet wird und somit die Problematik der Symmetriebrechung umgangen werden kann. Im Rahmen der Implementierung wurden neue Programmteile zur Lösung der erforderlichen Gleichungen für die gestörten EOMIP-CC-Amplituden und die gestörten Lagrange-Multiplikatoren zeta zum Quantenchemieprogramm CFOUR hinzugefügt. Die unter Verwendung des Programms bestimmten Eigenschaften werden hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit im Vergleich zu etablierten Methoden wie z.B. CCSD(T) untersucht. Bei der Berechnung von Polarisierbarkeiten und harmonischen Schwingungsfrequenzen liefert die EOMIP-CCSD-Theorie meist gute Resultate, welche nur wenig von den CCSD(T)-Ergebnissen abweichen. Einzig bei der Betrachtung von Radikalen, für die die entsprechenden Anionen nicht stabil sind (z.B. NH2⁻ und CH3⁻), liefert der EOMIP-CCSD-Ansatz aufgrund methodischer Nachteile keine aussagekräftige Beschreibung. rnrnDie Ableitungen der EOMIP-CCSD-Energie lassen sich auch zur Simulation vibronischer Kopplungen innerhalb des KDC-Modells einsetzen.rnZur Kopplung verschiedener radikalischer Zustände in einem solchen Modellpotential spielen vor allem die Ableitungen von Übergangsmatrixelementen eine wichtige Rolle. Diese sogenannten Kopplungskonstanten können in der EOMIP-CC-Theorie besonders leicht definiert und berechnet werden. Bei der Betrachtung des Photoelektronenspektrums von HCO2⁻ werden zwei Alternativen untersucht: Die vertikale Bestimmung an der Gleichgewichtsgeometrie des HCO2⁻-Anions und die Ermittlung adiabatischer Kraftkonstanten an den Gleichgewichtsgeometrien des Radikals. Lediglich das adiabatische Modell liefert bei Beschränkung auf harmonische Kraftkonstanten eine qualitativ sinnvolle Beschreibung des Spektrums. Erweitert man beide Modelle um kubische und quartische Kraftkonstanten, so nähern sich diese einander an und ermöglichen eine vollständige Zuordnung des gemessenen Spektrums innerhalb der ersten 1500 cm⁻¹. Die adiabatische Darstellung erreicht dabei nahezu quantitative Genauigkeit.

Doubly-charged ethane ions: Solution to the dilemma of stability predicted by theory and instability observed in experiment

Potential energy curves have been computed for [C2H6]2+ ions and the results used to interpret the conspicuous absence of these ions in 2E mass spectra and in charge-stripping experiments. The energies and structures of geometry-optimized ground-state singlet and excited-state triplet [C2H6]2+ ions have been determined along with energies for different decomposition barriers and dissociation asymptotes. Although singlet and triplet [C2H6]2+ ions can exist as stable entities, they possess low energy barriers to decomposition. Vertical Franck-Condon transitions, involving electron impact ionization of ethane as well as charge-stripping collisions of [C2H6]+ ions, produce [C2H6]2+ ions which promptly dissociate since they are formed with energies in excess of various decomposition barriers. Appearance energies computed for doubly-charged ethane fragment ions are in accordance with experimental values.

Sensitivity of charge transfer reactions to hydrocarbon ion structures

Charge transfer reactivities of hydrocarbon ions have been measured with time-of-flight techniques, and results correlated with theoretical structures computed by self-consistent field molecular orbital methods. Recombination energies, ion structures, heats of formation, reaction energetics and relative charge transfer cross-sections are presented for molecular and fragment ions produced by electron bombardment ionization of CH4, C2H4, C2H6, C3H8 and C4H10 molecules. Even-electron bridged cations have low ion recombination energies and relatively low charge transfer cross-sections as compared with odd-electron hydrocarbon cations.

Charge transfer reactions of organic ions containing oxygen: Correlation between reaction energetics and cross sections

Cross sections for charge transfer reactions of organic ions containing oxygen have been obtained using time-of-flight techniques. Charge transfer cross sections have been determined for reactions of 2.0 to 3.4 keV ions produced by electron impact ionization of oxygen containing molecules such as methanol, ethanal and ethanol. Experimental cross section magnitudes have been correlated with reaction energy defects computed from ion recombination energies and target ionization energies. Large cross sections are observed for reacting systems with small energy defects.

Asphyxial suicide by inhalation of helium inside a plastic bag

Asphyxial suicide by placing a plastic bag over the head, especially in combination with inhalation of gases, is a rarely described method of committing suicide. This article reports a case of suicidal asphyxiation by inhaling the inert gas helium inside a plastic bag. A 64-year-old man probably followed the instructions described in an article about committing suicide written by a medical practitioner from Zürich. This form of suicide is recommended by right-to-die groups and in the internet as a certain, fast, and painless suicide method. Additionally, it leaves only seldom externally visible marks or pathomorphological findings on the body. If the plastic bag and other auxiliary means are removed by another person, the forensic death investigation of cause and manner of death may be very difficult. Therefore, the death scene investigation and the inquiry ordered in the environment of the deceased are very important.

Effect of external electric field on hydrogen adsorption over activated carbon separated by dielectric materials

Energy crisis and worldwide environmental problem make hydrogen a prospective energy carrier. However, storage and transportation of hydrogen in large quantities at small volume is currently not practical. Lots of materials and devices have been developed for storage hydrogen, but to today none is able to meet the DOE targets. Activated carbon has been found to be a good hydrogen adsorbent due to its high surface area. However, the weak van der Waals force between hydrogen and the adsorbent has limited the adsorption capacity. Previous studies have found that enhanced adsorption can be obtained with applied electric field. Stronger interaction between the polarized hydrogen and the charged sorbents under high voltage is considered as the reason. This study was initiated to investigate if the adsorption can be further enhanced when the activated carbon particles are separated with a dielectric coating. Dielectric TiO2 nanoparticles were first utilized. Hydrogen adsorption measurements on the TiO2-coated carbon materials, with or without an external electric field, were made. The results showed that the adsorption capacity enhancement increased with the increasing amount of TiO2 nanoparticles with an applied electric field. Since the hydrogen adsorption capacity on TiO2 particles is very low and there is no hydrogen adsorption enhancement on TiO2 particles alone when electric field is applied, the effect of dielectric coating is demonstrated. Another set of experiments investigated the behavior of hydrogen adsorption over TiO2-coated activated carbon under various electric potentials. The results revealed that the hydrogen adsorption first increased and then decreased with the increase of electric field. The improved storage was due to a stronger interaction between charged carbon surface and polarized hydrogen molecule caused by field induced polarization of TiO2 coating. When the electric field was sufficient to cause considerable ionization of hydrogen, the decrease of hydrogen adsorption occurred. The current leak detected at 3000 V was a sign of ionization of hydrogen. Experiments were also carried out to examine the hydrogen adsorption performances over activated carbon separated by other dielectric materials, MgO, ZnO and BaTiO3, respectively. For the samples partitioned with MgO and ZnO, the measurements with and without an electric field indicated negligible differences. Electric field enhanced adsorption has been observed on the activated carbon separated with BaTiO3, a material with unusually high dielectric constant. Corresponding computational calculations using Density Functional Theory have been performed on hydrogen interaction with charged TiO2 molecule as well as TiO2 molecule, coronene and TiO2-doped coronene in the presence of an electric field. The simulated results were consistent with the observations from experiments, further confirming the proposed hypotheses.

Design and operation of ARGONTUBE: a 5 m long drift liquid argon TPC

The Liquid Argon Time Projection Chamber (LArTPC) is a prime type of detector for future large-mass neutrino observatories and proton decay searches. In this paper we present the design and operation, as well as experimental results from ARGONTUBE, a LArTPC being operated at the AEC-LHEP, University of Bern. The main goal of this detector is to prove the feasibility of charge drift over very long distances in liquid argon. Many other aspects of the LArTPC technology are also investigated, such as a voltage multiplier to generate high voltage in liquid argon (Greinacher circuit), a cryogenic purification system and the application of multi-photon ionization of liquid argon by a UV laser. For the first time, tracks induced by cosmic muons and UVlaser beam pulses have been observed and studied at drift distances of up to 5 m, the longest reached to date.

Interpretation of fluid inclusions in quartz deformed by weak ductile shearing: reconstruction of differential stress magnitudes and pre-deformation fluid properties

A well developed theoretical framework is available in which paleofluid properties, such as chemical composition and density, can be reconstructed from fluid inclusions in minerals that have undergone no ductile deformation. The present study extends this framework to encompass fluid inclusions hosted by quartz that has undergone weak ductile deformation following fluid entrapment. Recent experiments have shown that such deformation causes inclusions to become dismembered into clusters of irregularly shaped relict inclusions surrounded by planar arrays of tiny, new-formed (neonate) inclusions. Comparison of the experimental samples with a naturally sheared quartz vein from Grimsel Pass, Aar Massif, Central Alps, Switzerland, reveals striking similarities. This strong concordance justifies applying the experimentally derived rules of fluid inclusion behaviour to nature. Thus, planar arrays of dismembered inclusions defining cleavage planes in quartz may be taken as diagnostic of small amounts of intracrystalline strain. Deformed inclusions preserve their pre-deformation concentration ratios of gases to electrolytes, but their H2O contents typically have changed. Morphologically intact inclusions, in contrast, preserve the pre-deformation composition and density of their originally trapped fluid. The orientation of the maximum principal compressive stress (σ1σ1) at the time of shear deformation can be derived from the pole to the cleavage plane within which the dismembered inclusions are aligned. Finally, the density of neonate inclusions is commensurate with the pressure value of σ1σ1 at the temperature and time of deformation. This last rule offers a means to estimate magnitudes of shear stresses from fluid inclusion studies. Application of this new paleopiezometer approach to the Grimsel vein yields a differential stress (σ1–σ3σ1–σ3) of ∼300 MPa∼300 MPa at View the MathML source390±30°C during late Miocene NNW–SSE orogenic shortening and regional uplift of the Aar Massif. This differential stress resulted in strain-hardening of the quartz at very low total strain (<5%<5%) while nearby shear zones were accommodating significant displacements. Further implementation of these experimentally derived rules should provide new insight into processes of fluid–rock interaction in the ductile regime within the Earth's crust.

Estimation of the normal boiling point of organic compounds via group contributions

The normal boiling point is a fundamental thermo-physical property, which is important in describing the transition between the vapor and liquid phases. Reliable method which can predict it is of great importance, especially for compounds where there are no experimental data available. In this work, an improved group contribution method, which is second order method, for determination of the normal boiling point of organic compounds based on the Joback functional first order groups with some changes and added some other functional groups was developed by using experimental data for 632 organic components. It could distinguish most of structural isomerism and stereoisomerism, which including the structural, cis- and trans- isomers of organic compounds. First and second order contributions for hydrocarbons and hydrocarbon derivatives containing carbon, hydrogen, oxygen, nitrogen, sulfur, fluorine, chlorine and bromine atoms, are given. The fminsearch mathematical approach from MATLAB software is used in this study to select an optimal collection of functional groups (65 functional groups) and subsequently to develop the model. This is a direct search method that uses the simplex search method of Lagarias et al. The results of the new method are compared to the several currently used methods and are shown to be far more accurate and reliable. The average absolute deviation of normal boiling point predictions for 632 organic compounds is 4.4350 K; and the average absolute relative deviation is 1.1047 %, which is of adequate accuracy for many practical applications.

Sediment properties, contents and accumulation rates of Hg in cores of Upper Quaternary sediments from the Deryugin Basin, Okhotsk Sea

The Hg distribution and some mineralogical-geochemical features of bottom sediments up to a depth of 10 m in the Deryugin Basin showed that the high and anomalous Hg contents in the Holocene deposits are confined to a spreading riftogenic structure and separate fluid vents within it. The accumulations of Hg in the the sediments were caused by its fluxes from gas and low-temperature hydrothermal vents under favorable oceanological conditions in the Holocene. The two mainly responsible for the high and anomalous Hg contents are infiltration (fluxes of hydrothermal or gas fluids from the sedimentary cover) and plume (Hg precipitation from water plumes with certain hydrochemical conditions forming above endogenous sources). The infiltration anomalies of Hg were revealed in the following environments: (1) near gas vents on the northeastern Sakhalin slope, where high Hg contents are associated only with Se and were caused by the accumulation of gases ascending from beneath the gas hydrate layer; (2) in the area of inferred occasionally operating low-temperature hydrothermal seeps in the central part of the Deryugin Basin, in which massive barite chimneys, hydrothermal Fe-Mn crusts, and anomalous contents of Mn, Ba, Zn, and Ni in sediments develop.

Composition of rocks and minerals from the transition zone of the Reykjanes Ridge

Investigations of petrography, mineralogy, and chemical composition of gases and fluids in tuffs and lavas were carried out on samples dredged in the transition zone from the shelf and slope of Iceland to the Reykjanes Ridge. The samples were collected from the depths of 950-720 m during different expeditions of R/V Akademik Kurchatov and Mikhail Lomonosov. Mantle ultrabasite inclusions were first recognized in the region of Iceland. It can be assumed that they are related to eruptive structures formed on the ocean floor during Pliocene and are associated with the Iceland hot spot.