Emittance estimation by an ion optical element with variable focusing strength and a viewing target

The emittance of an extracted ion beam can be estimated to first order by a series of three linear independent profile measurements. This estimation is restricted to the evaluation of an upper limit of the emittance value for a homogeneous, nonfilamented beam. The beam is assumed to be round, respectively elliptical, without any structure of the intensity distribution, no space charge has been assumed for the drifting beam, and the optics is assumed to be linear. Instead of using three different drift sections, a linear focusing element with three different focusing strengths can be used. Plotting the beam radius as function of focusing strength, three independent solutions can be used to calculate the Twiss parameters alpha, beta, and gamma and furthermore the emittance epsilon. Here we describe the measurements which have been performed with the SECRAL ion source at Institute of Modern Physics Lanzhou.

强流扇聚焦回旋加速器中空间电荷效应的研究

本文比较系统地介绍了扇聚焦回旋加速器内部的束流动力学及其注入系统的一般理论，并结合两台具体的扇聚焦回旋加速器的设计讨论了在回旋加速器以及静电反射镜内空间电荷效应对束流的影响。第一章简单介绍了回旋加速器的发展历史及分类、强流回旋加速器的应用，加速器驱动系统ADS(Accelerator Driving System)、能量放大器EA(Energy Amplifier)方案以及本文工作的主要内容。第二章首先介绍了扇聚焦回旋加速器的基本理论，包括扇聚焦回旋加速器内的轨道理论(静态平衡轨道及加速轨道性质)以及相空间的描述方法等。然后详细讨论了回旋加速器内空间电荷效应的影响及研究方法，包括空间电荷作用下粒子的运动方程、空间电荷电场的不同种类、求解空间电荷电场的基本方法和模型以及空间电荷效应对束流轨道特性和相空间传输特性的影响等。在本章的第4节中，介绍了两台强流扇聚焦回旋加速器(50MeV-6mA H_2~+超导扇聚焦回旋加速器和17MeV-2mA H~-扇聚焦回旋加速器)的具体设计步骤和计算结果,讨论了这两台扇聚焦回旋加速器中加速轨道和相空间的传输以及空间电荷效应的影响。最后，简单介绍了设计时所使用的两个计算程序AGORA_SCE和CINEZ_SCE。第三章首先简单介绍了用于扇聚焦回旋加速器的各种注入方法以及在轴向注入时所采用的不同种类的静电偏转镜。然后详细介绍了目前最常用的螺旋扇型静电偏转镜的基本工作原理，如参考粒子的运动轨道及偏转镜的光学性质等，讨论了螺旋线型静电偏转镜中空间电荷效应的影响。最后仍然以50MeV-6mAH_2~+和17MeV-2mA H~-这两台扇聚焦回旋加速器为例，对它们的静电偏转镜进行了设计，并分别研究了它们在空间电荷效应影响下的轨道特性及相空间传输特性。第四章简单介绍了工作中所用到的一些计算工具，如三维电磁场计算程序MAFIA以及等时场分析程序EQUIL，并给出了17MeV-2mA H~-扇聚焦回旋加速器的等时场的计算结果。论文的最后部分简单总结了本文的工作，并提出了今后进一步的工作设想。

CSR电子冷却中电子束的空间电荷效应研究

电子冷却是利用具有相同平均速度运动的强流冷电子束与热的离子束在储存环的一小部分相互重叠，通过多次库仑相互作用，达到降低束流发射“度和动量散度，改善束流品质的一种有效方法。HIRFL-CSR就是采用电子冷却方法迅速压缩储存环中离子束的横向包络、发散角和纵向动量散度，从而获得高品质的重离子束流。论文论述了两体碰撞模型，得到了冷却力和冷却时间的解析表达式；并以此为依据，编程模拟了冷却过程对储存环中离子束发射度和动量散度的影响。本论文的重点是通过求解强流电子束自身的空间电荷场，得到了电子束速度的径向梯度分布；获得了电子束在自身空间电荷场和螺线管纵向磁场的作用下产生横向漂移速度和由此引起的电子束横向温度的变化。为了减小强流电子束的空间电荷场，CSR的电子冷却系统将首次采用空心电子束对储存环中的重离子束流进行冷却。分析了空心电子束的空间电荷场，研究了其对电子束速度和电子束温度的影响，并将结果与实心束的情形进行了详细地比较。与此同时，利用电子束密度的K-V分布，研究了强流电子束在纵向螺线管场中运动的包络方程，采用数值计算方法，得到了CSR电子冷却系统强流电子束在冷却段螺线管中的包络振荡特性。另外，论文还对电子冷却在储存环中的附加影响进行了一些探讨。从Betatron运动方程出发研究了斜四极场和螺线管场存在时束流的幅度的耦合效应，理论上分析了斜四极场存在时束流发射度的变化；通过求解储存环中粒子束的空间电荷场，计算了CSRm中的粒子束空间电荷效应造成的储存环工作点的移动；对于强流电子束空间电荷场对储存环的频移大小也进行了分析；此外，对电子冷却对储存环中束流寿命的影响进行了初步研究。论文最后对CSrm35keV电子冷却系统的机械安装、磁场的测量以及初步的调试结果也给予了介绍。

有机半导体中载流子迁移率的测量方法

本文简要地介绍了有机半导体中载流子迁移率的几种模型,着重阐述了测量有机半导体中载流子迁移率的各种方法的测试原理。主要有如下几种:稳态(CW)直流电流-电压特性法(steady-state DC JV),飞行时间法(time of flight,TOF),瞬态电致发光法(transient electroluminescence,transient EL),瞬态电致发光法的修正方法即双脉冲方波法和线性增压载流子瞬态法(carrier extraction by linearly increasing voltage,CELIV),暗注入空间电荷限制电流(dark injection space charge limited current,DI SCLC),场效应晶体管方法(field-effect transistor,FET),时间分辨微波传导技术(time-resolved microwave conductivity technique,TRMC),电压调制毫米波谱(voltage-modulated millimeter-wave spectroscopy,VMS)光诱导瞬态斯塔克谱方法(photoi...

Negative differential resistance effect in organic devices based on an anthracene derivative

The authors observed a negative differential resistance (NDR) in organic devices consisting of 9,10-bis-(9,9-diphenyl-9H-fluoren-2-yl)-anthracene (DPFA) sandwiched between Ag and indium tin oxide electrodes. The large NDR shown in current-voltage characteristics is reproducible, resulting in that the organic devices can be electrically switched between a high conductance state (on state) and a low conductance state (off state). It can be found that the currents at both on to off states are space-charge limited and attributed to the electron traps at the Ag/DPFA interface. The large and reproducible NDR makes the devices of tremendous potential in low power memory and logic circuits.

Studies of switching kinetics in ferroelectric thin films

Experimental studies are reported concerning the importance of interfacial capacitance (including electrode screening, space-charge layers, and/or chemically discrete dead layers). on domain switching behaviour in thin films of ferroelectric lead zirconate-titanate (PZT), strontium bismuth tantalate (SBT), and barium strontium titanate (BST). Emphasis is placed upon studies at applied field values very near the coercive field E, asymmetry in fatigue for positive and negative polarity coercive fields, and in the case of BST, of the coexistence of ferroelectric and paraelectric phases Studies of dielectric loss show important correlations between tan 6 and fatigue (polarization decrease) as a function of bipolar switching cycles N. This is a priori not obvious, since the former is a linear response and the latter, a nonlinear response. Modelling of enlarged interfacial,space-charge layers in PZT films and chemically distinct dead (paraelectric) layers in BST films shows contradictory tendencies of coercive-voltage changes with the growth of passive layers.

Characteristics of the interfacial capacitance in thin film Ba0.5Sr0.5TiO3 capacitors with SrRuO3 and (La, Sr)CoO3 bottom electrodes

Thin film Ba0.5Sr0.5TiO3 (BST) capacitors of thickness similar to75 nm to similar to1200 nm, with Au top electrodes and SrRuO 3 (SRO) or (La, Sr)CoO3 (LSCO) bottom electrodes were fabricated using Pulsed Laser Deposition. Implementing the "series capacitor model," bulk and interfacial capacitance properties were extracted as a function of temperature and frequency. 'Bulk' properties demonstrated typical ceramic behaviour, displaying little frequency dependence and a permittivity and loss peak at 250 K and 150 K respectively. The interfacial component was found to be relatively temperature and frequency independent for the LSCO/BST capacitors, but for the SRO/BST configuration the interfacial capacitance demonstrated moderate frequency and little temperature dependence below T similar to 300 K but a relatively strong frequency and temperature dependence above T similar to3 00 K. This was attributed to the thermal activation of a space charge component combined with a thermally independent background. The activation energy for the space charge was found to be E-A similar to 0.6 eV suggesting de-trapping of electrons from shallow level traps associated with a thin interfacial layer of oxygen vacancies, parallel to the electrodes.

Dielectronic recombination in Li+

Dielectronic recombination has been investigated for ground-state Li+(1s2s) and metastable Li+(1s2s) ions. Absolute recombination rates for the convoluted sum of these configurations are obtained and compared with theoretical calculations. Also, the effect of the space charge on the energy of the observed resonances is investigated as well as the effect of trapped residual, ions in reducing the effect of the space charge.

Laser-driven ion acceleration: State of the art and emerging mechanisms

Ion acceleration driven by high intensity laser pulses is attracting an impressive and steadily increasing research effort. Experiments over the past 10-15 years have demonstrated, over a wide range of laser and target parameters, the generation of multi-MeV proton and ion beams with unique properties, which have stimulated interest in a number of innovative applications. While most of this work has been based on sheath acceleration processes, where space-charge fields are established by relativistic electrons at surfaces of the irradiated target, a number of novel mechanisms has been the focus of recent theoretical and experimental activities. This paper will provide a brief review of the state of the art in the field of laser-driven ion acceleration, with particular attention to recent developments.

Almahata Sitta (=asteroid 2008 TC3) and the search for the ureilite parent body

This article explores what the recovery of 2008 TC3 in the form of the Almahata Sitta meteorites may tell us about the source region of ureilites in the main asteroid belt. An investigation is made into what is known about asteroids with roughly the same spectroscopic signature as 2008 TC3. A population of low-inclination near-Earth asteroids is identified with spectra similar to 2008 TC3. Five asteroid families in the Main Belt, as well as a population of ungrouped asteroids scattered in the inner and central belts, are identified as possible source regions for this near-Earth population and 2008 TC3. Three of the families are ruled out on dynamical and spectroscopic grounds. New near-infrared spectra of 142 Polana and 1726 Hoffmeister, lead objects in the two other families, also show a poor match to Almahata Sitta. Thus, there are no Main Belt spectral analogs to Almahata Sitta currently known. Space weathering effects on ureilitic materials have not been investigated, so that it is unclear how the spectrum of the Main Belt progenitor may look different from the spectra of 2008 TC3 and the Almahata Sitta meteorites. Dynamical arguments are discussed, as well as ureilite petrogenesis and parent body evolution models, but these considerations do not conclusively point to a source region either, other than that 2008 TC3 probably originated in the inner asteroid belt.

Paving the way to nanoionics: atomic origin of barriers for ionic transport through interfaces

The blocking of ion transport at interfaces strongly limits the performance of electrochemical nanodevices for energy applications. The barrier is believed to arise from space-charge regions generated by mobile ions by analogy to semiconductor junctions. Here we show that something different is at play by studying ion transport in a bicrystal of yttria (9% mol) stabilized zirconia (YSZ), an emblematic oxide ion conductor. Aberration-corrected scanning transmission electron microscopy (STEM) provides structure and composition at atomic resolution, with the sensitivity to directly reveal the oxygen ion profile. We find that Y segregates to the grain boundary at Zr sites, together with a depletion of oxygen that is confined to a small length scale of around 0.5 nm. Contrary to the main thesis of the space-charge model, there exists no evidence of a long-range O vacancy depletion layer. Combining ion transport measurements across a single grain boundary by nanoscale electrochemical strain microscopy (ESM), broadband dielectric spectroscopy measurements, and density functional calculations, we show that grain-boundary-induced electronic states act as acceptors, resulting in a negatively charged core. Ultimately, it is this negative charge which gives rise to the barrier for ion transport at the grain boundary

Études des interactions détergents/lipides dans les systèmes membranaires

Les liposomes sont des structures sphériques formés par l'auto-assemblage de molécules amphiphiles sous forme d'une bicouche. Cette bicouche sépare le volume intérieur du liposome du milieu extérieur, de la même manière que les membranes cellulaires. Les liposomes sont donc des modèles de membranes cellulaires et sont formulés pour étudier les processus biologiques qui font intervenir la membrane (transport de molécules à travers la membrane, effets des charges en surface, interactions entre la matrice lipidique et d'autres molécules, etc.). Parce qu'ils peuvent encapsuler une solution aqueuse en leur volume intérieur, ils sont aussi utilisés aujourd'hui comme nanovecteurs de principes actifs. Nous avons formulé des liposomes non-phospholipidiques riches en stérol que nous avons appelés stérosomes. Ces stérosomes sont composés d'environ 30 % d'amphiphiles monoalkylés et d'environ 70 % de stérols (cholestérol, Chol, et/ou sulfate de cholestérol, Schol). Quand certaines conditions sont respectées, ces mélanges sont capables de former une phase liquide ordonnée (Lo) pour donner, par extrusion, des vésicules unilamellaires. Certaines de ces nouvelles formulations ont été fonctionnalisées de manière à libérer leur contenu en réponse à un stimulus externe. En incorporant des acides gras dérivés de l’acide palmitique possédant différents pKa, nous avons pu contrôler le pH auquel la libération débute. Un modèle mathématique a été proposé afin de cerner les paramètres régissant leur comportement de libération. En incorporant un amphiphile sensible à la lumière (un dérivé de l’azobenzène), les liposomes formés semblent répondre à une radiation lumineuse. Pour ce système, il serait probablement nécessaire de tracer le diagramme de phase du mélange afin de contrôler la photo-libération de l’agent encapsulé. Nous avons aussi formulé des liposomes contenant un amphiphile cationique (le chlorure de cétylpyridinium). En tant que nanovecteurs, ces stérosomes montrent un potentiel intéressant pour la libération passive ou contrôlée de principes actifs. Pour ces systèmes, nous avons développé un modèle pour déterminer l’orientation des différentes molécules dans la bicouche. La formation de ces nouveaux systèmes a aussi apporté de nouvelles connaissances dans le domaine des interactions détergents-lipides. Aux nombreux effets du cholestérol (Chol) sur les systèmes biologiques, il faut ajouter maintenant que les stérols sont aussi capables de forcer les amphiphiles monoalkylés à former des bicouches. Cette nouvelle propriété peut avoir des répercussions sur notre compréhension du fonctionnement des systèmes biologiques. Enfin, les amphiphiles monoalkylés peuvent interagir avec la membrane et avoir des répercussions importantes sur son fonctionnement. Par exemple, l'effet antibactérien de détergents est supposé être dû à leur insertion dans la membrane. Cette insertion est régie par l'affinité existant entre le détergent et cette dernière. Dans ce cadre, nous avons voulu développer une nouvelle méthode permettant d'étudier ces affinités. Nous avons choisi la spectroscopie Raman exaltée de surface (SERS) pour sa sensibilité. Les hypothèses permettant de déterminer cette constante d’affinité se basent sur l’incapacité du détergent à exalter le signal SERS lorsque le détergent est inséré dans la membrane. Les résultats ont été comparés à ceux obtenus par titration calorimétrique isotherme (ITC). Les résultats ont montré des différences. Ces différences ont été discutées.

Synthèse et caractérisation physicochimique de peptides de polyglutamines

Neuf maladies neurodégénératives sont le produit de l’expression de gènes mutés, dans lesquels le codon CAG est répété au-delà d’un seuil pathologique. Ceci produit des protéines mutantes dans lesquelles sont insérés des segments de polyglutamines (polyGln), qui perdent leur activité et acquièrent une nouvelle fonction, ce qui est toxique pour le neurone. Ces altérations sont attribuables aux propriétés particulières de la polyGln. En effet, ces dernières possèdent la capacité de s’assembler pour former des corps d’inclusion intracellulaires. Cette propension à l’agrégation de la polyGln rend difficile l’étude de ces pathologies. C’est ainsi que l’utilisation de peptides peut s’avérer une approche avantageuse. Toutefois, la synthèse de polyGln est associée à de nombreuses délétions et nécessite l’ajout de groupements chargés afin de permettre leur purification. Cependant, ce prérequis donne lieu à des interactions électrostatiques qui biaisent la structure et la cinétique d’agrégation de ces peptides, en plus d’interférer avec l’évaluation d’éventuels agents thérapeutiques. L’objectif du projet est de développer un système permettant l’étude de la polyGln en s’affranchissant des effets de charges. Pour ce faire, deux approches ont été explorées, la première utilise la polyGln non chargée et la seconde utilise une structure polyGln-morpholine ayant des charges labiles en fonction du pH. Ces peptides ont été produits en utilisant une approche linéaire de synthèse peptidique sur support solide avec protection maximale des chaînes latérales. La purification a été effectuée par chromatographie de haute performance en phase inverse en milieu acide. Ces stratégies ont permis de produire des peptides de polyGln de grande pureté avec des rendements acceptables. Une procédure de solubilisation des peptides alliant sonication et lyophilisation a été développée afin d’étudier chacun de ces peptides à l’aide de diverses techniques physicochimiques, telles que la diffusion de la lumière, la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire, Raman et UV-visible, le dichroïsme circulaire et la microscopie optique polarisée. La polyGln non chargée solubilisée dans le trifluoroéthanol-eau a montré que la taille des particules et la vitesse d’agrégation sont proportionnelles à la fraction volumique en eau. De plus, la structure secondaire en solution est à prédominance alpha et semble être peu sensible à la fraction d’eau jusqu’à un certain seuil (25%) après lequel la structure aléatoire prédomine. L’analyse des agrégats à l’état solide montre des structures hélicoïdales > aléatoires et ont les caractéristiques des fibrilles amyloïdes. Le peptide de polyGln-morpholines a un pKa de 7,3 en milieu aqueux. Il demeure en solution lorsque le pH < pKa et à faible force ionique, alors qu’il s’autoassemble lorsque ces conditions ne sont pas respectées. Ceci suggère que la répulsion électrostatique est responsable de la stabilisation du peptide en solution. La dimension fractale nous indique que le peptide forme des agrégats compacts dont les constituants ont une taille de 2,5 nm, compatibles avec une conformation aléatoire compacte, en coude bêta ou hélicoïdale. Ceci est en accord avec l’étude structurale des peptides en solution qui a montré des espèces aléatoires > bêta > alpha. De plus, en RMN, l’élargissement des signaux du 1Hγ en cours d’agrégation suggère une interaction via les chaînes latérales. Les analyses en phase solide ont plutôt montré une prédominance de structures bêta et alpha. L’inhibition de l’agrégation à pH 8 varie selon rouge de Congo > tréhalose, alors que le peptide liant la polyGln 1 et la thioflavine T ne semble pas avoir d’effet. Ces approches ont donc permis pour la première fois de s’affranchir des effets de charges auparavant inhérents à l’étude de la polyGln en solution et par conséquent d’obtenir des informations inédites quant à la solubilité, la structure et la cinétique d’agrégation. Enfin, le dispositif à charges labiles permet d’évaluer l’efficacité d’éventuels agents thérapeutiques à pH quasi physiologique.

Quantifying diffusion in biofilms : from model hydrogels to living biofilms

Les biofilms sont des communautés de microorganismes incorporés dans une matrice exo-polymérique complexe. Ils sont reconnus pour jouer un rôle important comme barrière de diffusion dans les systèmes environnementaux et la santé humaine, donnant lieu à une résistance accrue aux antibiotiques et aux désinfectants. Comme le transfert de masse dans un biofilm est principalement dû à la diffusion moléculaire, il est primordial de comprendre les principaux paramètres influençant les flux de diffusion. Dans ce travail, nous avons étudié un biofilm de Pseudomonas fluorescens et deux hydrogels modèles (agarose et alginate) pour lesquels l’autodiffusion (mouvement Brownien) et les coefficients de diffusion mutuels ont été quantifiés. La spectroscopie par corrélation de fluorescence a été utilisée pour mesurer les coefficients d'autodiffusion dans une volume confocal de ca. 1 m3 dans les gels ou les biofilms, tandis que les mesures de diffusion mutuelle ont été faites par cellule de diffusion. En outre, la voltamétrie sur microélectrode a été utilisée pour évaluer le potentiel de Donnan des gels afin de déterminer son impact sur la diffusion. Pour l'hydrogel d'agarose, les observations combinées d'une diminution du coefficient d’autodiffusion et de l’augmentation de la diffusion mutuelle pour une force ionique décroissante ont été attribuées au potentiel de Donnan du gel. Des mesures de l'effet Donnan (différence de -30 mV entre des forces ioniques de 10-4 et 10-1 M) et l'accumulation correspondante d’ions dans l'hydrogel (augmentation d’un facteur de 13 par rapport à la solution) ont indiqué que les interactions électrostatiques peuvent fortement influencer le flux de diffusion de cations, même dans un hydrogel faiblement chargé tel que l'agarose. Curieusement, pour un gel plus chargé comme l'alginate de calcium, la variation de la force ionique et du pH n'a donné lieu qu'à de légères variations de la diffusion de sondes chargées dans l'hydrogel. Ces résultats suggèrent qu’en influençant la diffusion du soluté, l'effet direct des cations sur la structure du gel (compression et/ou gonflement induits) était beaucoup plus efficace que l'effet Donnan. De même, pour un biofilm bactérien, les coefficients d'autodiffusion étaient pratiquement constants sur toute une gamme de force ionique (10-4-10-1 M), aussi bien pour des petits solutés chargés négativement ou positivement (le rapport du coefficient d’autodiffusion dans biofilm sur celui dans la solution, Db/Dw ≈ 85 %) que pour des nanoparticules (Db/Dw≈ 50 %), suggérant que l'effet d'obstruction des biofilms l’emporte sur l'effet de charge. Les résultats de cette étude ont montré que parmi les divers facteurs majeurs qui affectent la diffusion dans un biofilm environnemental oligotrophe (exclusion stérique, interactions électrostatiques et hydrophobes), les effets d'obstruction semblent être les plus importants lorsque l'on tente de comprendre la diffusion du soluté. Alors que les effets de charge ne semblaient pas être importants pour l'autodiffusion de substrats chargés dans l'hydrogel d'alginate ou dans le biofilm bactérien, ils ont joué un rôle clé dans la compréhension de la diffusion à travers l’agarose. L’ensemble de ces résultats devraient être très utiles pour l'évaluation de la biodisponibilité des contaminants traces et des nanoparticules dans l'environnement.

The Steady-State and Transient Characteristic Analysis of Thermal Fixing a Photorefractive Hologram Grating in Lithium Niobate

The transient interaction between a refraction index grating and light beams during simultaneous writing and thermal fixing of a photorefractive hologram is investigated. With a diffusion- and photovoltaic-dominated carrier transport mechanism and carrier thermal activation (temperature dependent) considered in Fe:LiNbO3 crystal, from the standpoint of field-material coupling, the theoretical thermal fixing time and the space-charge field buildup, spatial distribution, and temperature dependence are given numerically by combining the band transport model with mobile ions with the coupled-wave equation