Untersuchung von Autoionisationsresonanzen in Krypton und Xenon mit photoneninduzierter Fluoreszenzspektroskopie nach Anregung mit schmalbandiger Synchrotronstrahlung

Die photoneninduzierte Fluoreszenzspektroskopie (PIFS) wurde als Methode zur Untersuchung von Fluoreszenzspektren der Edelgasatome Krypton und Xenon nach Anregung mit Synchrotronstrahlung des Elektronenspeicherrings BESSY II, Berlin, benutzt. Die Anregung der Edelgase erfolgte bei Zimmertemperatur und einem Druck von 40mTorr mit extrem schmalbandiger Strahlung mit DeltaE=3meV bei 21,55eV. Die untersuchten Anregungsenergiebereiche waren bei Krypton zwischen 29,4eV und 29,8eV und bei Xenon zwischen 23,74eV und 23,80eV, zwischen 24,4eV und 24,7eV und zwischen 25,25eV und 25,5eV. Die Anregungsenergiebereiche waren so gewählt, um Autoionisationsresonanzen untersuchen zu können, die erstmalig von Codling und Madden [J. Res. Nat. B. Stan. 1972, 76A, 1-12] veröffentlicht worden sind. Besonders die Besetzung in Abhängigkeit der Anregungsenergie von Satellitenzuständen in den jeweiligen einfach geladenen Ionen durch vorherige Anregung der genannten Autoionisationsresonanzen war der Fokus der vorliegenden Arbeit.

Fluoreszenzspektroskopische Untersuchung von quantenmechanischen Interferenzeffekten am Xenon-Atom und an zweiatomigen Molekülen nach monochromatischer Anregung mit Synchrotronstrahlung

Mit der Methode der photoneninduzierten Fluoreszenzspektroskopie (PIFS) wurden spektro- und polarimetrische Fluoreszenzspektren des Xenon-Atoms und der NO- und CO-Moleküle untersucht. Im Bereich der Atomphysik konnten für das Xenon-Atom eindeutige Fluoreszenzkaskadeneffekte vom sichtbaren (VIS) in den vakuumultravioleten (VUV) Spektralbereich beobachtet werden. Das untersuchte Energieintervall zeichnete sich durch 15 gefundene Resonanzen entlang der Anregungsenergieachse der Synchrotronphotonen aus, die auf doppeltangeregte nln′l′-Resonanzen zurückgeführt werden konnten. Im Bereich der Molekülphysik wurden Messdaten der NO A 1Π → X 1Σ+- und CO A 2Π → X 2Σ+-Fluoreszenz nach der Anregung der 1s−1 → 2π-Resonanz untersucht. Durch polarimetrische Untersuchungen konnten in beiden Fällen die Winkelanisotropieparameter β(ω) der Fluoreszenz ermittelt werden und mit ab initio Berechnungen mit unterschiedlichen theoretischen Näherungen vergleichen werden. Der Einfluss quantenmechanischer Interferenzeffekte (LVI und ESI) auf die Winkelanisotropieparameter wurde aufgezeigt. Im Falle des NO- und des CO-Moleküls konnte eine sehr gute Übereinstimmung zwischen der Theorie und dem Experiment nachgewiesen werden. Durch Pioniermessungen an Diamantoiden konnte erstmalig dispergierte Lumineszenz der kleinsten Vertreter der Nanodiamanten nachgewiesen werden. Diese Messungen legen eine Grundlage für eine systematische Erforschung der Nanokristalle zugrunde.

Bola de Drac, episodi 1 : la llegenda del drac Xenon. 'Bola de Dragón, episodio 1 : la leyenda del dragón Xenon'.

Resumen basado parcialmente en el de la autora

Potential of 129Xe NMR spectroscopy of adsorbed xenon for testing the chemical state of the surface of mesoporous carbon materials illustrated by the example of aggregates of diamond and onion-like carbon nanoparticles

The chemical shift in the 129Xe NMR spectrum of adsorbed xenon is very sensitive to the presence of oxygen-containing functional groups on the surface of mesoporous carbon materials. Well-characterized, structurally similar nanodiamond and onion-like carbon samples are considered here as model objects.

Xe NMR spectroscopy of adsorbed xenon: Possibilites for exploration of microporous carbon materials

Despite the extensive use of 129Xe NMR for characterization of high surface-to-volume porous solids, particularly zeolites, this method has not been widely used to explore the properties of microporous carbon materials. In this study, commercial amorphous carbons of different origin (produced from different precursors) and a series of activated carbons obtained by successive cyclic air oxidation/pyrolysis treatments of a single precursor were examined. Models of 129Xe chemical shift as a function of local Xe density, mean pore size, and temperature are discussed. The virial coefficient arising from binary xenon collisions, σXe-Xe, varied linearly with the mean pore size given by N2 adsorption analysis; σ Xe-Xe appeared to be a better probe of the mean pore size than the chemical shift extrapolated to zero pressure, σS. © 2008 MAIK Nauka.

Nuclear structure studies in the xenon and radon region and the discovery of a new radon isotope by Penning trap mass spectrometry

Heutzutage gewähren hochpräzise Massenmessungen mit Penning-Fallen tiefe Einblicke in die fundamentalen Eigenschaften der Kernmaterie. Zu diesem Zweck wird die freie Zyklotronfrequenz eines Ions bestimmt, das in einem starken, homogenen Magnetfeld gespeichert ist. Am ISOLTRAP-Massenspektrometer an ISOLDE / CERN können die Massen von kurzlebigen, radioaktiven Nukliden mit Halbwertszeiten bis zu einigen zehn ms mit einer Unsicherheit in der Größenordnung von 10^-8 bestimmt werden. ISOLTRAP besteht aus einem Radiofrequenz-Quadrupol zum akkumulieren der von ISOLDE gelieferten Ionen, sowie zwei Penning-Fallen zum säubern und zur Massenbestimmung der Ionen. Innerhalb dieser Arbeit wurden die Massen von neutronenreichen Xenon- und Radonisotopen (138-146Xe und 223-229Rn) gemessen. Für elf davon wurde zum ersten Mal die Masse direkt bestimmt; 229Rn wurde im Zuge dieses Experimentes sogar erstmalig beobachtet und seine Halbwertszeit konnte zu ungefähr 12 s bestimmt werden. Da die Masse eines Nuklids alle Wechselwirkungen innerhalb des Kerns widerspiegelt, ist sie einzigartig für jedes Nuklid. Eine dieser Wechselwirkungen, die Wechselwirkung zwischen Protonen und Neutronen, führt zum Beispiel zu Deformationen. Das Ziel dieser Arbeit ist eine Verbindung zwischen kollektiven Effekten, wie Deformationen und Doppeldifferenzen von Bindungsenergien, sogenannten deltaVpn-Werten zu finden. Insbesondere in den hier untersuchten Regionen zeigen deltaVpn-Werte ein sehr ungewöhnliches Verhalten, das sich nicht mit einfachen Argumenten deuten lässt. Eine Erklärung könnte das Auftreten von Oktupoldeformationen in diesen Gebieten sein. Nichtsdestotrotz ist eine quantitative Beschreibung von deltaVpn-Werten, die den Effekt von solchen Deformationen berücksichtigt mit modernen Theorien noch nicht möglich.

Elaborazione di un programma di acquisizioni dati e studio di fotomoltiplicatori al silicio per l'esperimento XENON

Le numerose osservazioni compiute a partire dagli anni `30 confermano che circa il 26% dell'Universo è costituito da materia oscura. Tale materia ha la particolarità di interagire solo gravitazionalmente e debolmente: essa si presenta massiva e neutra. Tra le numerose ipotesi avanzate riguardanti la natura della materia oscura una delle più accreditate è quella delle WIMP (Weakly Interacting Massive Particle). Il progetto all'avanguardia nella ricerca diretta delle WIMP è XENON presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS). Tale esperimento è basato sulla diffusione elastica delle particelle ricercate su nuclei di Xeno: il rivelatore utilizzato è una TPC a doppia fase (liquido-gas). La rivelazione diretta di materia oscura prevede l'impiego di un rivelatore molto grande a causa della piccola probabilità di interazione e di ambienti a bassa radioattività naturale, per ridurre al minimo il rumore di fondo. Nell'ottica di migliorare la sensibilità del rivelatore diminuendo l'energia di soglia sono in fase di ricerca e sviluppo soluzioni alternative a quelle adottate attualmente. Una di tali soluzioni prevede l'utilizzo di fotorivelatori di tipo SiPM da affiancare ai normali PMT in uso. I fotorivelatori al silicio devono lavorare ad una temperatura di (circa 170 K) e devono rivelare fotoni di lunghezza d'onda di circa 175 nm. Il presente lavoro di tesi si colloca nell'ambito di tale progetto di ricerca e sviluppo. Lo scopo di tale lavoro è stato la scrittura di un programma DAQ in ambiente LabVIEW per acquisire dati per caratterizzare in aria fotorivelatori di tipo SiPM. In seguito con tale programma sono state effettuate misure preliminari di pedestallo da cui è stato possibile determinare l'andamento di guadagno e di dark rate al variare della tensione di alimentazione del SiPM. L'analisi dati è stata effettuata impiegando un programma scritto in C++ in grado di analizzare le forme d'onda acquisite dal programma LabVIEW.

Misure preliminari a temperature variabili su SiPM per future applicazioni nell'esperimento XENON

Negli ultimi decenni la materia oscura è stata oggetto di crescente interesse scientifico: dati sperimentali indicano che essa costituisce il 26.8% della massa totale dell'Universo ma le sue origini e natura rimangono ancora ignote. Essa interagisce solo gravitazionalmente in quanto priva di carica, caratteristica che ne rende molto difficile la rivelazione. Numerosi esperimenti in tutto il mondo sono alla ricerca di maggiori informazioni riguardo la natura della materia oscura tramite metodi di rivelazione indiretta e diretta; questi ultimi sono accumunati da rivelatori molto massivi per sopperire alla piccola sezione d'urto di interazione e situati in ambienti molto isolati per diminuire il rumore di fondo dovuto alla radioattività terrestre. Tra le varie ipotesi avanzate riguardo la natura della materia oscura spiccano le WIMP, Weakly Interacting Massive Particle. L'esperimento XENON, situato ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso, si occupa della rivelazione diretta di WIMP studiandone l'urto elastico con i nuclei di Xeno, presente allo stato liquido e gassoso all'interno della TPC, il rivelatore fulcro dell'esperimento. I primi risultati dell'ultima fase del progetto sono attesi per l'inizio del 2016; grazie alla massa fiduciale di circa una tonnellata di Xeno, da cui il nome XENON1T, e a migliorie atte a diminuire il rumore di fondo, quali la scelta accurata di materiali a bassa radioattività e a un sistema di veto dei muoni, si ipotizza che il rivelatore raggiungerà una sensibilità due ordini di grandezza superiore a quelle finora raggiunte. Sono in fase di ricerca soluzioni per incrementare la raccolta di luce del rivelatore, nell'ottica di diminuire l'energia di soglia di rivelazione migliorandone la sensibilità. Una delle possibili soluzioni consiste nell'affiancare i PMT già in uso con fotomoltiplicatori al Silicio SiPM. Essi dovranno essere in grado di lavorare a una temperatura di sim ~170 K ed avere una buona efficienza di rivelazione per fotoni di lunghezza d'onda di ~178 nm. Questo lavoro di tesi si colloca nell'ambito di tale progetto di ricerca e sviluppo. Lo scopo del lavoro di tesi presentato è stato la misura della variazione di guadagno e conteggi di buio dei SiPM a disposizione in funzione della temperatura

Emission cross sections for neutral xenon impacted by Xe+ and Xe2+

Ion impact emission cross sections for eleven transitions from the 5p56p configuration to the 5p56s configuration of neutral xenon occurring in the spectral region between 700 nm and 1000 nm have been measured experimentally. Collisions between both singly- and doublyionized xenon and neutral xenon have been studied. These cross sections are of primary use in the development of a spectrographic diagnostic for Hall effect thruster plasma. A detailed discussion of the experimental methods and the subsequent data reduction is included. The results are presented and the importance of these data for spectrographic emission models of Hall effect thruster plasmas is discussed.

Performance of the Hamamatsu R11410 photomultiplier tube in cryogenic xenon environments

The Hamamatsu R11410 photomultiplier, a tube of 3" diameter and with a very low intrinsic radioactivity, is an interesting light sensor candidate for future experiments using liquid xenon (LXe) as target for direct dark matter searches. We have performed several experiments with the R11410 with the goal of testing its performance in environments similar to a dark matter detector setup. In particular, we examined its long-term behavior and stability in LXe and its response in various electric field configurations.

Response of liquid xenon to Compton electrons down to 1.5 keV

The response of liquid xenon to low-energy electronic recoils is relevant in the search for dark-matter candidates which interact predominantly with atomic electrons in the medium, such as axions or axionlike particles, as opposed to weakly interacting massive particles which are predicted to scatter with atomic nuclei. Recently, liquid-xenon scintillation light has been observed from electronic recoils down to 2.1 keV, but without applied electric fields that are used in most xenon dark-matter searches. Applied electric fields can reduce the scintillation yield by hindering the electron-ion recombination process that produces most of the scintillation photons. We present new results of liquid xenon's scintillation emission in response to electronic recoils as low as 1.5 keV, with and without an applied electric field. At zero field, a reduced scintillation output per unit deposited energy is observed below 10 keV, dropping to nearly 40% of its value at higher energies. With an applied electric field of 450 V/cm, we observe a reduction of the scintillation output to about 75% relative to the value at zero field. We see no significant energy dependence of this value between 1.5 and 7.8 keV. With these results, we estimate the electronic-recoil energy thresholds of ZEPLIN-III, XENON10, XENON100, and XMASS to be 2.8, 2.5, 2.3, and 1.1 keV, respectively, validating their excellent sensitivity to low-energy electronic recoils.

Dual-Phase Liquid Xenon Detectors for Dark Matter Searches

Dual-phase time projection chambers (TPCs) filled with the liquid noble gas xenon (LXe) are currently the most sensitive detectors searching for interactions of WIMP dark matter in a laboratory-based experiment. This is achieved by combining a large, monolithic dark matter target of a very low background with the capability to localize the interaction vertex in three dimensions, allowing for target fiducialization and multiple-scatter rejection. The background in dual-phase LXe TPCs is further reduced by the simultaneous measurement of the scintillation and ionization signal from a particle interaction, which is used to distinguish signal from background signatures. This article reviews the principle of dual-phase LXe TPCs, and provides an overview about running as well as future experimental efforts.