Optimization of the HIRFL-CSR cluster target

A new gas delivery system is designed and installed for HIRFL-CSR cluster target. The original blocked nozzle is replaced by a new one with the throat diameter of 0.12mm. New test of hydrogen and argon gases are performed. The stable jets can be obtained for these two operation gases. The attenuation of the jet caused by the collision with residual gas is studied. The maximum achievable H-2 target density is 1.75x10(13) atoms/cm(3) with a target thickness of 6.3x10(12) atoms/cm(2) for HIRFL-CSR cluster target. The running stability of the cluster source is tested both for hydrogen and argon. The operation parameters for obtaining hydrogen jet are optimized. The results of long time running for H-2 and Ar cluster jets look promising. The jet intensity has no essential change during the test for H-2 and Ar.

Properties and applications of cold supersonic gas jet

By analyzing the formation mechanism of a supersonic gas jet, a set of equations which describe the atomic beam properties were established. The influence of initial temperature, initial pressure, background gas pressure and pumping speed was discussed in detail. A simulation program was developed based on the equations, and the results under different initial conditions were obtained. The results are in good agreement with the experimental data, and suggest that, in order to get much smaller transverse momentum in collision experiments, it is necessary to lower the initial temperature and the initial pressure of the supersonic gas jet, together with increasing the pumping speed. These results are very instructive for construction of a new generation of cold supersonic gas jets.

Identification of high-lying odd energy levels of uranium by resonant ionization mass spectrometry

Single-colour and two-colour multiphoton resonant ionization spectra of uranium atom were studied extensively with a Nd: YAG laser-pumped dye laser atomic beam apparatus time-of-flight mass spectrometer in our laboratory. The energy locations of high-lying odd-parity levels in the region 33 003-34 264 cm(-1),mearured by a two-colour three-step ionization technique, were reported here. The angular momentum quantum number J was uniquely assigned for these levels by using angular momentum selection rules.

The multicolour three-photon resonant ionization spectrum studies in uranium atom

The multicolour three-photon resonant ionization spectra of U-238 were measured by using the pulsed dye lasers system synchronously pumped by a frequency doubled Nd:YAG-laser 532 nm output(operated at 10 Hz),a device for atomic beam of U, time-of-flight mass spectrometer and boxcar integrator. The dye laser pulses have a 6 ns duration. Beams from the dye lasers, which have the same polarization direction and are focused by lenses, entered an interaction chamber through opposite windows on a common axis and spatialy overlapped the U atomic beam. The optical pulse from dye laser DL2 was delayed to arrive at the interaction region 8 ns after the pulse from dye laser DL1; in the same way,the pulse from DL3 was delayed 8 ns after from DL2. The atomic beam device was made from stainless steel. We generated the U vapor by heating solid U in a graphite crucible by e-type electron -field on first excited states were studied in uranium atom. The question how to determine single-colour, two-colour and three-colour three-photon resonant ionization peak in the three-colour three-photon resonant ionization spectra diagram were solved.

LIFETIMES OF RYDBERG LEVELS IN THE PERTURBED 6SNP P-1,3(1) SERIES OF YBI

Using two methods: (1) three-step excitation and (2) single UV photon excitation in an atomic beam with direct observation of the decay of the fluorescence light, we have measured the lifetimes of the Rydberg levels of YbI belonging to the perturbed series 6snp J = 1 levels. The measured values have been interpreted by the multichannel quantum defect theory (MQDT).

LIFETIME MEASUREMENTS OF SOME TMI ODD PARITY LEVELS

Eleven new lifetimes of odd parity excited energy levels in four configurations: 4f12 5d 6s 6p, 4f12 6S2 6p, 4f13 5d 6s and 4f13 6s 7s of atomic thulium have been mesured with atomic-beam laser spectrocopy. Two pulsed dye lasers are used for stepwise excitation and the time-resolved fluorescence decay was used to determine lifetime values. The accuracy of the measurements is about 10%.

LIFETIMES OF RYDBERG LEVELS IN THE PERTURBED 6SNP 3P2 SERIES OF YTTERBIUM-I

Using three-step laser excitation in an atomic beam and a time-resolved spectroscopy technique, we measured both the lifetimes of the Rydberg levels of Yb I belonging to the perturbed series 6nsp 3P2 and the lifetimes of the perturbing 4f(13)5d(2)6s 3P2, 1D2 levels. An expected shortening has been observed for the lifetimes of those levels which are strongly mixed with the perturbers.

HYPERFINE-STRUCTURE OF SOME ODD PARITY LEVELS IN THE THULIUM SPECTRUM

The laser-atomic-beam spectroscopy technique has been used to make measurements of the hyperfine structure in some odd parity levels of thulium by stepwise excitation. With the experimental results the magnetic dipole hyperfine constants A for the four levels in the configurations 4f12 5d6s6p and 4f12 (H-3(5))6s2 6p3/2 and for two intermediate levels have been obtained.

Holevo-Ordering and the Continuous-Time Limit for Open Floquet Dynamics

Gough, John, (2004) 'Holevo-Ordering and the Continuous-Time Limit for Open Floquet Dynamics', Letters in Mathematical Physcis 67(3) pp.207-221 RAE2008

The atom pencil: serial writing in the sub-micrometre domain

The atom pencil we describe here is a versatile tool that writes arbitrary structures by atomic deposition in a serial lithographic process. This device consists of a transversely laser-cooled and collimated cesium atomic beam that passes through a 4-pole atom-flux concentrator and impinges on to micron- and sub-micron-sized apertures. The aperture translates above a fixed substrate and enables the writing of sharp features with sizes down to 280 nm. We have investigated the writing and clogging properties of an atom pencil tip fabricated from silicon oxide pyramids perforated at the tip apex with a sub-micron aperture.

Doppler cooling of gallium atoms: 1. Fine structure effects and transient coherences

A realistic model of the dipole radiation forces in transverse Doppler cooling (with a s+-s- laser configuration) of an atomic beam of group 13 elements is studied within the quantum-kinetic equation framework. The full energy level sub-structure for such an atom with I = 0 (such as 66Ga) is analysed. Two cooling strategies are investigated; the first involving the 2P3/2 ? 2D5/2 transition and the second a dual laser cooling experiment involving transitions 2P1/2 and 2P3/2 ? 2S1/2. The latter scheme creates a velocity-independent dark-state resonance that inhibits a steady-state dipole cooling force. However, time-dependent calculations show that transient cooling forces are present that could be exploited for laser cooling purposes in pulsed laser fields.

Efficiency in the loading of a sodium magneto-optical trap from alkali metal dispensers

We study the loading of sodium atoms into a magneto-optical trap from current-controlled sodium metal dispensers. Contrary to what was previously reported [V. Wippel, C. Binder, W. Huber, L Windholz, M. Allegrini, F. Fuso, E. Arimondo, Eur. Phys. J. D 17 (2001) 2851 we demonstrate a significantly higher number of trapped atoms that make Na dispensers a feasible source of atoms for cold-atom studies. The inherent rise in pressure that naturally arises from metal dispensers as they are heated to release atoms is partially controlled by placing the metal dispensers near the pumping port where an ion pump is connected. We also study the effects of placing the sodium dispensers at different distances from the main vacuum chamber where the atoms are trapped and the effectiveness of using a Zeeman slower to cool the atoms as they emerge from the dispensers. We observe trapping of up to 1.9 x 10(8) atoms, which is significantly higher by almost three orders of magnitude than previously reported experiments. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Bestimmung der Ionisationsenergie von Actinium und Ultraspurenanalyse von Plutonium mit resonanter Ionisationsmassenspektrometrie (RIMS)

ZusammenfassungDie Resonanzionisationsmassenspektrometrie (RIMS) verbindet hohe Elementselektivität mit guter Nachweiseffizienz. Aufgrund dieser Eigenschaften ist die Methode für Ultraspurenanalyse und Untersuchungen an seltenen oder schwer handhabbaren Elementen gut geeignet. Für RIMS werden neutrale Atome mit monochromatischem Laserlicht ein- oder mehrfach resonant auf energetisch hoch liegende Niveaus angeregt und anschließend durch einen weiteren Laserstrahl oder durch ein elektrisches Feld ionisiert. Die Photoionen werden in einem Massenspektrometer massenselektiv registriert.Ein Beispiel für die Anwendung von RIMS ist die präzise Bestimmung der Ionisationsenergie als fundamentale physikalisch-chemische Eigenschaft eines bestimmten Elements; insbesondere bei den Actinoiden ist die Kenntnis der Ionisationsenergie von Interesse, da es dort bis zur Anwendung der laser-massenspektroskopischer Methode nur wenige experimentelle Daten gab. Die Bestimmung der Ionisationsenergie erfolgt durch die Methode der Photoionisation im elektrischen Feld gemäß dem klassischen Sattelpunktsmodell. Im Experiment werden neutrale Atome in einem Atomstrahl mittels Laserlicht zunächst resonant angeregt. Die angeregten Atome befinden sich in einem äußeren, statischen elektrischen Feld und werden durch einen weiteren Laserstrahl, dessen Wellenlänge durchgestimmt wird, ionisiert. Das Überschreiten der Laserschwelle macht sich durch einen starken Anstieg im Ionensignal bemerkbar. Man führt diese Messung bei verschiedenen elektrischen Feldstärken durch und erhält bei Auftragen der Ionisationsschwellen gegen die Wurzel der elektrischen Feldstärke durch Extrapolation auf die Feldstärke Null die Ionisationsenergie.Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Ionisationsenergie von Actinium erstmalig zu 43398(3) cm-1 º 5,3807(4) eV experimentell bestimmt. Dazu wurden Actiniumatome zunächst einstufig resonant mit einem Laser mit einer Wellenlänge von 388,67 nm auf einen Zustand bei 25729,03 cm-1 angeregt und anschließend mit Laserlicht mit einer Wellenlänge von ca. 568 nm ionisiert. Damit sind die Ionisationsenergien aller Actinoiden bis einschließlich Einsteinium mit Ausnahme von Protactinium bekannt. Als Atomstrahlquelle wird ein spezielles 'Sandwichfilament' benutzt, bei dem das Actinoid als Hydroxid auf eine Tantalfolie aufgebracht und mit einer reduzierenden Deckschicht überzogen wird. Das Actinoid dampft bei Heizen dieser Anordnung atomar ab. Bei den schwereren Actinoiden wurde Titan als Deckschicht verwendet. Um einen Actiniumatomstrahl zu erzeugen, wurde aufgrund der hohen Abdampftemperaturen statt Titan erstmals Zirkonium eingesetzt. Bei Protactinium wurde Thorium, welches noch stärkere Reduktionseigenschaften aufweist, als Deckmaterial eingesetzt. Trotzdem gelang es mit der 'Sandwichtechnik' nicht, einen Protactiniumatomstrahl zu erzeugen. In der Flugzeitapparatur wurde lediglich ein Protactinium-monoxidionensignal detektiert. Um ein erst seit kurzem verfügbares Fest-körperlasersystem zu explorieren, wurden zusätzlich noch die bekannten Ionisations-ener-gien von Gadolinium und Plutonium erneut bestimmt. Die gemessenen Werte stimmen mit Literaturdaten gut überein.Ferner wurde noch ein bestehender Trennungsgang für Plutonium aus Umweltproben auf die Matrices Meerwasser und Hausstaub angepasst und für die Bestimmung von Plutonium und dessen Isotopenzusammensetzung in verschiedenen Probenreihen mittels RIMS eingesetzt. Der modifizierte Trennungsgang ermöglicht das schnelle Aufarbeiten von großen Probenmengen für Reihenuntersuchungen von Plutoniumkontaminationen. Die ermittelten Gehalten an 239Pu lagen zwischen 8,2*107 Atome pro 10 l Meerwasserprobe und 1,7*109Atome pro Gramm Staubprobe.

Magnetic properties of selected 3d- and 4f-systems on alpha-Al 2 O 3 substrates

In this work the growth and the magnetic properties of the transition metals molybdenum, niobium, and iron and of the highly-magnetostrictive C15 Laves phases of the RFe2 compounds (R: Rare earth metals: here Tb, Dy, and Tb{0.3}Dy{0.7} deposited on alpha-Al2O3 (sapphire) substrates are analyzed. Next to (11-20) (a-plane) oriented sapphire substrates mainly (10-10) (m-plane) oriented substrates were used. These show a pronounced facetting after high temperature annealing in air. Atomic force microscopy (AFM) measurements reveal a dependence of the height, width, and angle of the facets with the annealing temperature. The observed deviations of the facet angles with respect to the theoretical values of the sapphire (10-1-2) and (10-11) surfaces are explained by cross section high resolution transmission electron microscopy (HR-TEM) measurements. These show the plain formation of the (10-11) surface while the second, energy reduced (10-1-2) facet has a curved shape given by atomic steps of (10-1-2) layers and is formed completely solely at the facet ridges and valleys. Thin films of Mo and Nb, respectively, deposited by means of molecular beam epitaxy (MBE) reveal a non-twinned, (211)-oriented epitaxial growth as well on non-faceted as on faceted sapphire m-plane, as was shown by X-Ray and TEM evaluations. In the case of faceted sapphire the two bcc crystals overgrow the facets homogeneously. Here, the bcc (111) surface is nearly parallel to the sapphire (10-11) facet and the Mo/Nb (100) surface is nearly parallel to the sapphire (10-1-2) surface. (211)-oriented Nb templates on sapphire m-plane can be used for the non-twinned, (211)-oriented growth of RFe2 films by means of MBE. Again, the quality of the RFe2 films grown on faceted sapphire is almost equal to films on the non-faceted substrate. For comparison thin RFe2 films of the established (110) and (111) orientation were prepared. Magnetic and magnetoelastic measurements performed in a self designed setup reveal a high quality of the samples. No difference between samples with undulated and flat morphology can be observed. In addition to the preparation of covering, undulating thin films on faceted sapphire m-plane nanoscopic structures of Nb and Fe were prepared by shallow incidence MBE. The formation of the nanostructures can be explained by a shadowing of the atomic beam due to the facets in addition to de-wetting effects of the metals on the heated sapphire surface. Accordingly, the nanostructures form at the facet ridges and overgrow them. The morphology of the structures can be varied by deposition conditions as was shown for Fe. The shape of the structures vary from pearl-necklet strung spherical nanodots with a diameter of a few 10 nm to oval nanodots of a few 100 nm length to continuous nanowires. Magnetization measurements reveal uniaxial magnetic anisotropy with the easy axis of magnetization parallel to the facet ridges. The shape of the hysteresis is depending on the morphology of the structures. The magnetization reversal processes of the spherical and oval nanodots were simulated by micromagnetic modelling and can be explained by the formation of magnetic vortices.

Spurenanalyse von Aktiniden in der Umwelt mittels Resonanzionisations-Massenspektrometrie

In dieser Arbeit wurde die Methode der resonanten Ionisation von neutralen Atomen mittels Laserstrahlung auf die leichten Aktinide Thorium, Uran, Neptunium und Plutonium angewendet und für die Ultraspurenanalyse optimiert. Der empfindliche Nachweis dieser Aktinide stellt eine Herausforderung für die Beobachtung und Bestimmung von radioaktiven Verunreinigungen aus kerntechnischen Anlagen in der Umwelt dar. In einem für diese Untersuchungen entwickelten Quadrupolmassenspektrometer konnte durch Resonanzionisationsspektroskopie jeweils eine Reihe unbekannter Energiezustände in der Elektronenhülle des neutralen Atoms der oben genannten Aktinide identifiziert, sowie effiziente Anregungsschemata für die resonante Ionisation entwickelt und charakterisiert werden. Durch die verwendete in-source-Ionisation, die aufgrund der guten Überlagerung von Laserstrahlung und Atomstrahl eine hohe Nachweiseffizienz gewährleistet, konnten diese Untersuchungen bereits mit einem, für Radionuklide notwendigen, geringen Probeneintrag erfolgen. Die resonante Ionisation erlaubt durch die selektiven resonanten Prozesse eine Unterdrückung unerwünschter Kontaminationen und wurde auf den analytischen Nachweis von Ultraspurengehalten in Umweltproben, sowie die Bestimmung der entsprechenden Isotopenzusammensetzung optimiert. Durch die effiziente in-source-Ionisation mit leistungsstarker gepulster Laserstrahlung, konnten Nachweiseffizienzen im Bereich von bis zu 1% erreicht werden. Dabei wurden für Plutonium in synthetischen Proben, aber auch in ersten Umweltproben, Nachweisgrenzen von 10^4-10^5 Atomen erzielt. Die Verwendung spektral schmalbandiger Dauerstrichlaser und eine Ionisation transversal zum frei propagierenden Atomstrahl ermöglicht durch Auflösung der Isotopieverschiebung eine hohe Selektivität gegenüber dominanten Nachbarisotopen, wohingegen die Ionisationseffizienz deutlich abnimmt. Hiermit konnte für das Ultraspurenisotop U-236 eine Nachweisgrenze bis hinab zu 10^-9 für das Isotopenverhältnis N(U-236)/N(U-238) bestimmt werden.