Fast ignition driven by quasi-monoenergetic ions: Optimal ion type and reduction of ignition energies with an ion beam array

Fast ignition of inertial fusion targets driven by quasi-monoenergetic ion beams is investigated by means of numerical simulations. Light and intermediate ions such as lithium, carbon, aluminum and vanadium have been considered. Simulations show that the minimum ignition energies of an ideal configuration of compressed Deuterium-Tritium are almost independent on the ion atomic number. However, they are obtained for increasing ion energies, which scale, approximately, as Z2, where Z is the ion atomic number. Assuming that the ion beam can be focused into 10 ?m spots, a new irradiation scheme is proposed to reduce the ignition energies. The combination of intermediate Z ions, such as 5.5 GeV vanadium, and the new irradiation scheme allows a reduction of the number of ions required for ignition by, roughly, three orders of magnitude when compared with the standard proton fast ignition scheme.

Tailored conductivity in ion implanted polyetheretherketone

Ion implantation can be used to confer electrical conductivity upon conventional insulating polymers such as polyetheretherketone (PEEK). We have implanted PEEK films using three different types of ion implantation: conventional inert gas and metal ion implantation, and ion beam mixing. We have applied a number of analytical techniques to compare the chemical, structural and electrical properties of these films. The most effective means of increasing electrical conductivity appears to be via ion beam mixing of metals into the polymer, followed by metal ion implantation and finally, inert gas ion implantation. Our results suggest that in all cases, the conducting region corresponds to the implanted layer in the near surface to a depth of similar to750 Angstrom (ion beam mixed) to similar to5000 Angstrom (metal ion). This latter value is significantly higher than would be expected from a purely ballistic standpoint, and can only be attributed to thermal inter-diffusion. Our data also indicates that graphitic carbon is formed within the implant region by chain scission and subsequent cross-linking. All ion implanted samples retained their bulk mechanical properties, i.e. they remained flexible. The implant layers showed no signs of de-lamination. We believe this to be the first comparative study between different implantation techniques, and our results support the proposition that soft electronic circuitry and devices can be created by conductivity engineering with ion beams. (C) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

Live cell imaging of heavy-ion-induced radiation responses by beamline microscopy

To study the dynamics of protein recruitment to DNA lesions, ion beams can be used to generate extremely localized DNA damage within restricted regions of the nuclei. This inhomogeneous spatial distribution of lesions can be visualized indirectly and rapidly in the form of radiation-induced foci using immunocytochemical detection or GFP-tagged DNA repair proteins. To analyze faster protein translocations and a possible contribution of radiation-induced chromatin movement in DNA damage recognition in live cells, we developed a remote-controlled system to obtain high-resolution fluorescence images of living cells during ion irradiation with a frame rate of the order of seconds. Using scratch replication labeling, only minor chromatin movement at sites of ion traversal was observed within the first few minutes of impact. Furthermore, time-lapse images of the GFP-coupled DNA repair protein aprataxin revealed accumulations within seconds at sites of ion hits, indicating a very fast recruitment to damaged sites. Repositioning of the irradiated cells after fixation allowed the comparison of live cell observation with immunocytochemical staining and retrospective etching of ion tracks. These results demonstrate that heavy-ion radiation-induced changes in sub-nuclear structures can be used to determine the kinetics of early protein recruitment in living cells and that the changes are not dependent on large-scale chromatin movement at short times postirradiation. © 2005 by Radiation Research Society.

Recent developments in the Thomson Parabola Spectrometer diagnostic for laser-driven multi-species ion sources

Ongoing developments in laser-driven ion acceleration warrant appropriate modifications to the standard Thomson Parabola Spectrometer (TPS) arrangement in order to match the diagnostic requirements associated to the particular and distinctive properties of laser-accelerated beams. Here we present an overview of recent developments by our group of the TPS diagnostic aimed to enhance the capability of diagnosing multi-species high-energy ion beams. In order to facilitate discrimination between ions with same Z / A , a recursive differential filtering technique was implemented at the TPS detector in order to allow only one of the overlapping ion species to reach the detector, across the entire energy range detectable by the TPS. In order to mitigate the issue of overlapping ion traces towards the higher energy part of the spectrum, an extended, trapezoidal electric plates design was envisaged, followed by its experimental demonstration. The design allows achieving high energy-resolution at high energies without sacrificing the lower energy part of the spectrum. Finally, a novel multi-pinhole TPS design is discussed, that would allow angularly resolved, complete spectral characterization of the high-energy, multi-species ion beams.

Energy Loss Function of Solids Assessed by Ion Beam Energy-Loss Measurements: Practical Application to Ta2O5

We present a study where the energy loss function of Ta2O5, initially derived in the optical limit for a limited region of excitation energies from reflection electron energy loss spectroscopy (REELS) measurements, was improved and extended to the whole momentum and energy excitation region through a suitable theoretical analysis using the Mermin dielectric function and requiring the fulfillment of physically motivated restrictions, such as the f- and KK-sum rules. The material stopping cross section (SCS) and energy-loss straggling measured for 300–2000 keV proton and 200–6000 keV helium ion beams by means of Rutherford backscattering spectrometry (RBS) were compared to the same quantities calculated in the dielectric framework, showing an excellent agreement, which is used to judge the reliability of the Ta2O5 energy loss function. Based on this assessment, we have also predicted the inelastic mean free path and the SCS of energetic electrons in Ta2O5.

Elastic scattering and total reaction cross section of (6)He+(120)Sn

The elastic scattering of (6)He on (120)Sn has been measured at four energies above the Coulomb barrier using the (6)He beam produced at the RIBRAS (Radioactive Ion Beams in Brasil) facility. The elastic angular distributions have been analyzed with the optical model and three- and four-body continuum-discretized coupled-channels calculations. The total reaction cross sections have been derived and compared with other systems of similar masses.

Elastic scattering and total reaction cross sections for the (8)Li+(12)C system

The elastic-scattering angular distribution for (8)Li on (12)C has been measured at E(LAB) = 23.9 MeV with (8)Li radioactive nuclear beam produced by the Radioactive Ion Beams in Brazil facility. This angular distribution was analyzed in terms of optical-model with Woods-Saxon and double-folding Sao Paulo potential. The roles of the breakup and inelastic channels were also investigated with cluster folding and deformed potentials, respectively, through coupled-channels calculations. The angular distribution for the proton-transfer (12)C((8)Li, (9)Be)(11)B reaction was also measured at the same energy. The spectroscopic factor for the <(9)Be|(8)Li + p > bound system was obtained and compared with shell-model calculations and with other experimental values. Total reaction cross sections for the present system were also extracted from the elastic-scattering analysis. A systematic of the reduced reaction cross sections obtained from the present and published data on (6,7,8)Li isotopes on (12)C was performed as a function of energy.

Barrier distributions for weakly bound systems

We discuss the use of reduced fusion cross sections in the derivation of fusion barrier distributions. We show that the elimination of static effects associated with system sizes and optical potentials obtained by the recently introduced fusion functions can be extended to barrier distributions. This can be a useful tool for systematic studies of breakup coupling effects in fusion processes.

Blistering of W-Ta composites at different irradiation energies

Pure tungsten and tantalum plates and tungsten-tantalum composites produced via mechanical alloying and spark plasma sintering were bombarded with He+ and D+ energetic ion beams and deuterium plasmas. The aim of this experiment is to study the effects caused by individual helium and deuterium exposures and to evidence that the modifications induced in the composites at different irradiation energies could be followed by irradiating the pristine constituent elements under the same experimental conditions, which is relevant considering the development of tailored composites for fusion applications. Higher D retentions, especially in tungsten, and superficial blistering are observed in both components after helium exposure. The blistering is magnified in the tantalum phase of composites due to its higher ductility and to water vapour production under deuterium irradiation. At lower irradiation energies the induced effects are minor. After plasma exposure, the presence of tantalum does not increase the D content in the composites. (C) 2013 Elsevier B.V. All rights reserved.

Mécanismes de déformation de nanoparticules d’Au par irradiation ionique

Résumé Dans la présente thèse, nous avons étudié la déformation anisotrope par bombardement ionique de nanoparticules d'or intégrées dans une matrice de silice amorphe ou d'arséniure d’aluminium cristallin. On s’est intéressé à la compréhension du mécanisme responsable de cette déformation pour lever toute ambigüité quant à l’explication de ce phénomène et pour avoir une interprétation consistante et unique. Un procédé hybride combinant la pulvérisation et le dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma a été utilisé pour la fabrication de couches nanocomposites Au/SiO2 sur des substrats de silice fondue. Des structures à couches simples et multiples ont été obtenues. Le chauffage pendant ou après le dépôt active l’agglomération des atomes d’Au et par conséquent favorise la croissance des nanoparticules. Les nanocomposites Au/AlAs ont été obtenus par implantation ionique de couches d’AlAs suivie de recuit thermique rapide. Les échantillons des deux nanocomposites refroidis avec de l’azote liquide ont été irradiés avec des faisceaux de Cu, de Si, d’Au ou d’In d’énergie allant de 2 à 40 MeV, aux fluences s'étendant de 1×1013 à 4×1015 ions/cm2, en utilisant le Tandem ou le Tandetron. Les propriétés structurales et morphologiques du nanocomposite Au/SiO2 sont extraites en utilisant des techniques optiques car la fréquence et la largeur de la résonance plasmon de surface dépendent de la forme et de la taille des nanoparticules, de leur concentration et de la distance qui les séparent ainsi que des propriétés diélectriques du matériau dans lequel les particules sont intégrées. La cristallinité de l’arséniure d’aluminium est étudiée par deux techniques: spectroscopie Raman et spectrométrie de rétrodiffusion Rutherford en mode canalisation (RBS/canalisation). La quantité d’Au dans les couches nanocomposites est déduite des résultats RBS. La distribution de taille et l’étude de la transformation de forme des nanoparticules métalliques dans les deux nanocomposites sont déterminées par microscopie électronique en transmission. Les résultats obtenus dans le cadre de ce travail ont fait l’objet de trois articles de revue. La première publication montre la possibilité de manipuler la position spectrale et la largeur de la bande d’absorption des nanoparticules d’or dans les nanocomposites Au/SiO2 en modifiant leur structure (forme, taille et distance entre particules). Les nanoparticules d’Au obtenues sont presque sphériques. La bande d’absorption plasmon de surface (PS) correspondante aux particules distantes est située à 520 nm. Lorsque la distance entre les particules est réduite, l’interaction dipolaire augmente ce qui élargit la bande de PS et la déplace vers le rouge (602 nm). Après irradiation ionique, les nanoparticules sphériques se transforment en ellipsoïdes alignés suivant la direction du faisceau. La bande d’absorption se divise en deux bandes : transversale et longitudinale. La bande correspondante au petit axe (transversale) est décalée vers le bleu et celle correspondante au grand axe (longitudinale) est décalée vers le rouge indiquant l’élongation des particules d’Au dans la direction du faisceau. Le deuxième article est consacré au rôle crucial de la déformation plastique de la matrice et à l’importance de la mobilité des atomes métalliques dans la déformation anisotrope des nanoparticules d’Au dans les nanocomposites Au/SiO2. Nos mesures montrent qu'une valeur seuil de 2 keV/nm (dans le pouvoir d'arrêt électronique) est nécessaire pour la déformation des nanoparticules d'or. Cette valeur est proche de celle requise pour la déformation de la silice. La mobilité des atomes d’Au lors du passage d’ions est confirmée par le calcul de la température dans les traces ioniques. Le troisième papier traite la tentative de formation et de déformation des nanoparticules d’Au dans une matrice d’arséniure d’aluminium cristallin connue pour sa haute résistance à l’amorphisation et à la déformation sous bombardement ionique. Le résultat principal de ce dernier article confirme le rôle essentiel de la matrice. Il s'avère que la déformation anisotrope du matériau environnant est indispensable pour la déformation des nanoparticules d’or. Les résultats expérimentaux mentionnés ci-haut et les calculs de températures dans les traces ioniques nous ont permis de proposer le scénario de déformation anisotrope des nanoparticules d’Au dans le nanocomposite Au/SiO2 suivant: - Chaque ion traversant la silice fait fondre brièvement un cylindre étroit autour de sa trajectoire formant ainsi une trace latente. Ceci a été confirmé par la valeur seuil du pouvoir d’arrêt électronique. - L’effet cumulatif des impacts de plusieurs ions conduit à la croissance anisotrope de la silice qui se contracte dans la direction du faisceau et s’allonge dans la direction perpendiculaire. Le modèle de chevauchement des traces ioniques (overlap en anglais) a été utilisé pour valider ce phénomène. - La déformation de la silice génère des contraintes qui agissent sur les nanoparticules dans les plans perpendiculaires à la trajectoire de l’ion. Afin d’accommoder ces contraintes les nanoparticules d’Au se déforment dans la direction du faisceau. - La déformation de l’or se produit lorsqu’il est traversé par un ion induisant la fusion d’un cylindre autour de sa trajectoire. La mobilité des atomes d’or a été confirmée par le calcul de la température équivalente à l’énergie déposée dans le matériau par les ions incidents. Le scénario ci-haut est compatible avec nos données expérimentales obtenues dans le cas du nanocomposite Au/SiO2. Il est appuyé par le fait que les nanoparticules d’Au ne se déforment pas lorsqu’elles sont intégrées dans l’AlAs résistant à la déformation.

Polarization and correlation phenomena in the radiative electron capture by bare highly-charged ions

In dieser Arbeit wird die Wechselwirkung zwischen einem Photon und einem Elektron im starken Coulombfeld eines Atomkerns am Beispiel des radiativen Elektroneneinfangs beim Stoß hochgeladener Teilchen untersucht. In den letzten Jahren wurde dieser Ladungsaustauschprozess insbesondere für relativistische Ion–Atom–Stöße sowohl experimentell als auch theoretisch ausführlich erforscht. In Zentrum standen dabei haupsächlich die totalen und differentiellen Wirkungsquerschnitte. In neuerer Zeit werden vermehrt Spin– und Polarisationseffekte sowie Korrelationseffekte bei diesen Stoßprozessen diskutiert. Man erwartet, dass diese sehr empfindlich auf relativistische Effekte im Stoß reagieren und man deshalb eine hervorragende Methode zu deren Bestimmung erhält. Darüber hinaus könnten diese Messungen auch indirekt dazu führen, dass man die Polarisation des Ionenstrahls bestimmen kann. Damit würden sich neue experimentelle Möglichkeiten sowohl in der Atom– als auch der Kernphysik ergeben. In dieser Dissertation werden zunächst diese ersten Untersuchungen zu den Spin–, Polarisations– und Korrelationseffekten systematisch zusammengefasst. Die Dichtematrixtheorie liefert hierzu die geeignete Methode. Mit dieser Methode werden dann die allgemeinen Gleichungen für die Zweistufen–Rekombination hergeleitet. In diesem Prozess wird ein Elektron zunächst radiativ in einen angeregten Zustand eingefangen, der dann im zweiten Schritt unter Emission des zweiten (charakteristischen) Photons in den Grundzustand übergeht. Diese Gleichungen können natürlich auf beliebige Mehrstufen– sowie Einstufen–Prozesse erweitert werden. Im direkten Elektroneneinfang in den Grundzustand wurde die ”lineare” Polarisation der Rekombinationsphotonen untersucht. Es wurde gezeigt, dass man damit eine Möglichkeit zur Bestimmung der Polarisation der Teilchen im Eingangskanal des Schwerionenstoßes hat. Rechnungen zur Rekombination bei nackten U92+ Projektilen zeigen z. B., dass die Spinpolarisation der einfallenden Elektronen zu einer Drehung der linearen Polarisation der emittierten Photonen aus der Streuebene heraus führt. Diese Polarisationdrehung kann mit neu entwickelten orts– und polarisationsempfindlichen Festkörperdetektoren gemessen werden. Damit erhält man eine Methode zur Messung der Polarisation der einfallenden Elektronen und des Ionenstrahls. Die K–Schalen–Rekombination ist ein einfaches Beispiel eines Ein–Stufen–Prozesses. Das am besten bekannte Beispiel der Zwei–Stufen–Rekombination ist der Elektroneneinfang in den 2p3/2–Zustand des nackten Ions und anschließendem Lyman–1–Zerfall (2p3/2 ! 1s1/2). Im Rahmen der Dichte–Matrix–Theorie wurden sowohl die Winkelverteilung als auch die lineare Polarisation der charakteristischen Photonen untersucht. Beide (messbaren) Größen werden beträchtlich durch die Interferenz des E1–Kanals (elektrischer Dipol) mit dem viel schwächeren M2–Kanal (magnetischer Quadrupol) beeinflusst. Für die Winkelverteilung des Lyman–1 Zerfalls im Wasserstoff–ähnlichen Uran führt diese E1–M2–Mischung zu einem 30%–Effekt. Die Berücksichtigung dieser Interferenz behebt die bisher vorhandene Diskrepanz von Theorie und Experiment beim Alignment des 2p3/2–Zustands. Neben diesen Ein–Teichen–Querschnitten (Messung des Einfangphotons oder des charakteristischen Photons) wurde auch die Korrelation zwischen den beiden berechnet. Diese Korrelationen sollten in X–X–Koinzidenz–Messungen beobbachtbar sein. Der Schwerpunkt dieser Untersuchungen lag bei der Photon–Photon–Winkelkorrelation, die experimentell am einfachsten zu messen ist. In dieser Arbeit wurden ausführliche Berechnungen der koinzidenten X–X–Winkelverteilungen beim Elektroneneinfang in den 2p3/2–Zustand des nackten Uranions und beim anschließenden Lyman–1–Übergang durchgeführt. Wie bereits erwähnt, hängt die Winkelverteilung des charakteristischen Photons nicht nur vom Winkel des Rekombinationsphotons, sondern auch stark von der Spin–Polarisation der einfallenden Teilchen ab. Damit eröffnet sich eine zweite Möglichkeit zur Messung der Polaristion des einfallenden Ionenstrahls bzw. der einfallenden Elektronen.

Study of 3d - 4f and 3d - 5f quartet and doublet transitions of doubly excited three-electron ions

We present the first observation of optical transitions between doubly excited doublet states in the term systems N V, 0 VI and F VII. The spectra were produced by foil excitation of fast ion beams. The assignment of the spectral lines was made by comparison with the results of MCDP calculations along the isoelectronic sequence. The same method also led to the identification of two 3d - 4f quartet transitions in Mg X.

Liquid matrix deposition on conductive hydrophobic surfaces for tuning and quantitation in UV-MALDI mass spectrometry

With its highly fluctuating ion production matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI) poses many practical challenges for its application in mass spectrometry. Instrument tuning and quantitative ion abundance measurements using ion signal alone depend on a stable ion beam. Liquid MALDI matrices have been shown to be a promising alternative to the commonly used solid matrices. Their application in areas where a stable ion current is essential has been discussed but only limited data have been provided to demonstrate their practical use and advantages in the formation of stable MALDI ion beams. In this article we present experimental data showing high MALDI ion beam stability over more than two orders of magnitude at high analytical sensitivity (low femtomole amount prepared) for quantitative peptide abundance measurements and instrument tuning in a MALDI Q-TOF mass spectrometer. Samples were deposited on an inexpensive conductive hydrophobic surface and shrunk to droplets <10 nL in size. By using a sample droplet <10 nL it was possible to acquire data from a single irradiated spot for roughly 10,000 shots with little variation in ion signal intensity at a laser repetition rate of 5-20 Hz.

Discovery of 157W and 161Os

The nuclides 157W and 161Os have been discovered in reactions of 58Ni ion beams with a 106Cd target. The 161Os α -decay energy and half-life were 6890±12 keV and 640±60 μs. The daughter 157W nuclei β -decayed with a half-life of 275±40 ms, populating both low-lying α-decaying states in 157Ta, which is consistent with a 7/2− ground state in 157W. Fine structure observed in the α decay of 161Os places the lowest excited state in 157W with Iπ=9/2− at 318±30 keV. The branching ratio of View the MathML source indicates that 161Os also has a 7/2− ground state. Shell-model calculations analysing the effects of monopole shifts and a tensor force on the relative energies of 2f7/2 and 1h9/2 neutron states in N=83 isotones are presented.

Dynamic effects of breakup on fusion reactions of weakly bound nuclei

The traditional reduction methods to represent the fusion cross sections of different systems are flawed when attempting to completely eliminate the geometrical aspects, such as the heights and radii of the barriers, and the static effects associated with the excess neutrons or protons in weakly bound nuclei. We remedy this by introducing a new dimensionless universal function, which allows the separation and disentanglement of the static and dynamic aspects of the breakup coupling effects connected with the excess nucleons. Applying this new reduction procedure to fusion data of several weakly bound systems, we find a systematic suppression of complete fusion above the Coulomb barrier and enhancement below it. Different behaviors are found for the total fusion cross sections. They are appreciably suppressed in collisions of neutron-halo nuclei, while they are practically not affected by the breakup coupling in cases of stable weakly bound nuclei. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.