Spin and spatial dynamics in electron-impact scattering off S-wave He using R-matrix with Time-Dependence theory

R-matrix with time-dependence theory is applied to electron-impact ionisation processes for He in the S-wave model. Cross sections for electron-impact excitation, ionisation and ionisation with excitation for impact energies between 25 and 225 eV are in excellent agreement with benchmark cross sections. Ultra-fast dynamics induced by a scattering event is observed through time-dependent signatures associated with autoionisation from doubly excited states. Further insight into dynamics can be obtained through examination of the spin components of the time-dependent wavefunction.

Absolute cross sections for dissociative electron attachment to HCCCN

New absolute cross sections for dissociative electron attachment to HCCCN (cyanoacetylene or propiolonitrile) in the range of 0-10 eV electron energy are presented here, which have been determined from a new analysis of previously reported data (Graupner et al 2006 New J. Phys. 8 117). The highest cross sections are observed for the formation of CN^- at 5.3 eV and CCCN^- at 5.1 eV; approximately 0.06 Ų and 0.05 Ų respectively. As part of the re-analysis, it was necessary to determine absolute cross sections for electron-impact ionization of HCCCN with the binary-encounter Bethe method. These electron-impact ionization absolute cross sections for HCCCN are also presented here; the maximum value was found to be ∼6.6 Ų at ∼80 eV.

The experimental determination of impact ionization coefficients in gallium arsenide and indium phosphide

U of I Only

Residues of organochlorine pesticides and PCBs in some Brazilian municipal solid waste compost

Persistent organic pollutants (POPs), organochlorine pesticides and polychlorinated biphenyls (PCBs), listed as per the Stockholm Convention (α -HCH, β -HCH, γ -HCH, p,p′-DDT, o,p′-DDT, p,p′-DDD, p,p′-DDE, aldrin, endrin, dieldrin, PCBs 28, 52, 118, 138, 153, and 180), were analyzed in municipal solid waste (MSW) compost samples from three different Brazilian composting plants located in three São Paulo State cities: Araras, Araraquara and São Paulo (Vila Leopoldinha). Quantitative and qualitative analyses were carried out using gas chromatography electron capture detection (GC-ECD) and gas chromatography mass spectrometry (GC-MS) (Ion Trap, electron impact ionization), respectively. The samples were analyzed in triplicate and the target POPs were not detected by GC-ECD. Twelve pollutants were identified in two samples when qualitative analysis (GC-MS) was used (β -HCH, γ -HCH, p,p′-DDT, o,p′-DDT, p,p′-DDD, and p,p′-DDE, PCBs 28, 118, 138, 153 and 180). The composting process has advantages such as urban solid waste reduction and landfill life-span increase, however the MSW compost quality, which can be utilized for agricultural purposes, should be evaluated and be controlled. This kind of study is the first step in making available information to answer questions regarding MSW compost for sustainable agricultural use, such as the pollutants accumulation in soil and in groundwater, and plants uptake. Copyright © Taylor & Francis Group, LLC.

A theoretical study of SnF2+, SnCl2+, and SnO2+ and their experimental search

We present a detailed theoretical study of the stability of the gas-phase diatomic dications SnF2+, SnCl2+, and SnO2+ using ab initio computer calculations. The ground states of SnF2+, SnCl2+, and SnO2+ are thermodynamically stable, respectively, with dissociation energies of 0.45, 0.30, and 0.42 eV. Whereas SnF2+ dissociates into Sn2+ + F, the long range behaviour of the potential energy curves of SnCl2+ and SnO2+ is repulsive and wide barrier heights due to avoided crossing act as a kind of effective dissociation energy. Their equilibrium internuclear distances are 4.855, 5.201, and 4.852 a(0), respectively. The double ionisation energies (T-e) to form SnF2+, SnCl2+, and SnO2+ from their respective neutral parents are 25.87, 23.71, and 25.97 eV. We combine our theoretical work with the experimental results of a search for these doubly positively charged diatomic molecules in the gas phase. SnO2+ and SnF2+ have been observed for prolonged oxygen (O-16(-)) ion beam sputtering of a tin metal foil and of tin (II) fluoride (SnF2) powder, respectively, for ion flight times of about 10(-5) s through a magnetic-sector mass spectrometer. In addition, SnCl2+ has been detected for O-16(-) ion surface bombardment of stannous (tin (II)) chloride (SnCl2) powder. To our knowledge, SnF2+ is a novel gas-phase molecule, whereas SnCl2+ had been detected previously by electron-impact ionization mass spectrometry, and SnO2+ had been observed before by spark source mass spectrometry as well as by atom probe mass spectrometry. We are not aware of any previous theoretical studies of these molecular systems. (C) 2012 American Institute of Physics. [http://dx.doi.org/10.1063/1.4758475]

Entwicklung einer online Kopplungsmethode von GC mit ECD- und ICPMS-Detektion zur Bestimmung biogener leichtflüchtiger bromierter und iodierter Kohlenwasserstoffe in Meerwasser und der Atmosphäre

In dieser Arbeit wurde ein zweidimensionales Kopplungssystem zur Bestimmung von leichtflüchtigen bromierten und iodierten Kohlenwasserstoffen (LHKW) in Wasser- und Luftproben entwickelt. Hierzu wurde ein Gaschromatograph mit einem Elektroneneinfangdetektor (ECD) on-line an ein elementselektives induktiv gekoppeltes Plasma-Massenspektrometer (ICPMS) gekoppelt. Dieses extrem nachweisstarke Analysensystem ermöglicht eine simultane Identifizierung unbekannter und koeluierender Peaks sowie eine vereinfachte Quantifizierung mittels ICPMS. Beim Vergleich des GC-ECD-ICPMS-Kopplungssystem mit den herkömmlichen Detektionsmethoden wie dem Massenspektrometer mit Elektronenstoss-Ionisation und dem Atomemissionsdetektor mit mikrowelleninduziertem Plasma schnitt das neu entwickelte Kopplungssystem ausgezeichnet ab. Für die Isolierung der LHKW aus Meerwasserproben wurde die Purge und Trap Technik verwendet, Luftproben wurden durch Besaugung auf Adsorptionsmaterial angereichert. Im Rahmen des BMBF-Teilprojektes ReHaTrop/AFOHAL wurden im August 2001 und im April/Mai 2002 an der Deutschen Nordseeküste Probenahmen durchgeführt. Die Konzentrationen der Wasserproben lagen im Bereich von 0,1-158 ng L-1, die der Luftproben im Bereich von 0,01-470 pptv. Die Messungen bestätigen die wichtige Rolle von Makroalgen im Zusammenhang mit der Produktion von halogenierten Kohlenwasserstoffen. Die Konzentration der iodierten und bromierten Kohlenwasserstoffe war immer höher in Proben, die direkten Kontakt mit Makroalgen hatten. Inkubationsexperimente zeigen für verschiedene braune und grüne Makroalgen individuelle „Fingerprints“ der biogenen LHKW-Produktion. Bei den Messungen an der Nordseeküste wurden Abhängigkeiten zwischen den LHKW und meteorologischen Parametern gefunden.

Entwicklung und Charakterisierung eines Laserablationsmassenspektrometers zur Echtzeit-Analyse von atmosphärischen Aerosolpartikeln

Das Aerosolmassenspektrometer SPLAT (Single Particle Laser Ablation Time-of-Flight Mass Spectrometer) ist in der Lage, die Größe einzelner Aerosolpartikel in einem Größenbereich von 0,3 µm bis 3 µm zu bestimmen und gleichzeitig chemisch zu analysieren. Die Größenbestimmung erfolgt durch Streulichtmessung und Bestimmung der Flugzeit der Partikel zwischen zwei kontinuierlichen Laserstrahlen. Durch Kalibrationsmessungen kann auf den aerodynamischen Durchmesser der Partikel geschlossen werden. Kurzzeitig nach der Streulichtdetektion werden die Partikel durch einen hochenergetischen gepulsten UV-Laser verdampft und ionisiert. Die Flugzeit der Partikel zwischen den kontinuierlichen Laserstrahlen wird dazu benutzt, die Ankunftszeit der Partikel in der Ionenquelle zu berechnen und den UV-Laserpuls zu zünden. Die entstandenen Ionen werden in einem bipolaren Flugzeitmassen¬spektrometer nachgewiesen. Durch die Laserablation/Ionisation ist das SPLAT in der Lage, auch schwer verdampfbare Komponenten des atmosphärischen Aerosols - wie etwa Minerale oder Metalle - nachzuweisen. Das SPLAT wurde während dieser Arbeit vollständig neu entwickelt und aufgebaut. Dazu gehörten das Vakuum- und Einlasssystem, die Partikeldetektion, die Ionenquelle und das Massen-spektrometer. Beim Design des SPLAT wurde vor allem auf den späteren Feldeinsatz Wert gelegt, was besondere Anforderungen an Mechanik und Elektronik stellte. Die Charakterisierung der einzelnen Komponenten sowie des gesamten Instruments wurde unter Laborbedingungen durchgeführt. Dabei wurde u.a. Detektionseffizienzen des Instruments ermittelt, die abhängig von der Größe der Partikel sind. Bei sphärischen Partikeln mit einem Durchmesser von 600 nm wurden ca. 2 % der Partikel die in das Instrument gelangten, detektiert und chemisch analysiert. Die Fähigkeit zum Feldeinsatz hat das SPLAT im Februar/März 2006 während einer internationalen Messkampagne auf dem Jungfraujoch in der Schweiz bewiesen. Auf dieser hochalpinen Forschungsstation in einer Höhe von ca. 3580 m fand das SPLAT mineralische und metallische Komponenten in den Aerosolpartikeln. Das SPLAT ist ein vielfältig einsetzbares Instrument und erlaubt vor allem in Kombination mit Aerosolmassenspektrometern, die mit thermischer Verdampfung und Elektronenstoßionisation arbeiten, einen Erkenntnisgewinn in der Analytik atmosphärischer Aerosolpartikel.

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.

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.

Doubly-charged gas phase cations

Unique features of doubly-charged stable organic ions are examined and the results correlated with experimental observations. Self-consistent field molecular orbital methods are used to compute structures and stabilities of CnH 2 2+ (n=2–9) ions which are prominent in electron impact ionization of hydrocarbon molecules. A simple curve crossing model is employed to rationalize charge transfer reactions of these ions.

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.

A new Time-Of-Flight Mass Spectrometer (TOF-MS) for noble gas analysis

Noble gas analysis in early solar system materials, which can provide valuable information about early solar system processes and timescales, are very challenging because of extremely low noble gas concentrations (ppt). We therefore developed a new compact sized (33 cm length, 7.2cm diameter, 1.3 L internal volume) Time-of-Flight (TOF) noble gas mass spectrometer for high sensitivity. We call it as Edel Gas Time-of-flight (EGT) mass spectrometer. The instrument uses electron impact ionization coupled to an ion trap, which allows us to ionize and measure all noble gas isotopes. Using a reflectron set-up improves the mass resolution. In addition, the reflectron set-up also enables some extra focusing. The detection is via MCPs and the signals are processed either via ADC or TDC systems. The objective of this work is to understand the newly developed Time-Of-Flight (TOF) mass spectrometer for noble gas analysis in presolar grains of the meteorites. Chapter 1 briefly introduces the basic idea and importance of the instrument. The physics relevant to time-of-flight mass spectrometry technique is discussed in the Chapter 2 and Chapter 3 will present the oxidation technique of nanodiamonds of the presolar grains by using copper oxide. Chapter 4 will present the details about EGT data analysis software. Chapter 5 and Chapter 6 will explain the details about EGT design and operation. Finally, the performance results will be presented and discussed in the Chapter 7, and whole work is summarized in Chapter 8 and also outlook of the future work is given.

Self-consistent multifluid MHD simulations of Europa's exospheric interaction with Jupiter's magnetosphere

The Jovian moon, Europa, hosts a thin neutral gas atmosphere, which is tightly coupled to Jupiter's magnetosphere. Magnetospheric ions impacting the surface sputter off neutral atoms, which, upon ionization, carry currents that modify the magnetic field around the moon. The magnetic field in the plasma is also affected by Europa's induced magnetic field. In this paper we investigate the environment of Europa using our multifluid MHD model and focus on the effects introduced by both the magnetospheric and the pickup ion populations. The model self-consistently derives the electron temperature that governs the electron impact ionization process, which is the major source of ionization in this environment. The resulting magnetic field is compared to measurements performed by the Galileo magnetometer, the bulk properties of the modeled thermal plasma population is compared to the Galileo Plasma Subsystem observations, and the modeled surface precipitation fluxes are compared to Galileo Ultraviolet Spectrometer observations. The model shows good agreement with the measured magnetic field and reproduces the basic features of the plasma interaction observed at the moon for both the E4 and the E26 flybys of the Galileo spacecraft. The simulation also produces perturbations asymmetric about the flow direction that account for observed asymmetries.

Modeled Interaction of Comet 67P/Churyumov-Gerasimenko with the Solar Wind Inside 2 AU

Periodic comets move around the Sun on elliptical orbits. As such comet 67P/Churyumov-Gerasimenko (hereafter 67P) spends a portion of time in the inner solar system where it is exposed to increased solar insolation. Therefore given the change in heliocentric distance, in case of 67P from aphelion at 5.68 AU to perihelion at ~1.24 AU, the comet’s activity—the production of neutral gas and dust—undergoes significant variations. As a consequence, during the inbound portion, the mass loading of the solar wind increases and extends to larger spatial scales. This paper investigates how this interaction changes the character of the plasma environment of the comet by means of multifluid MHD simulations. The multifluid MHD model is capable of separating the dynamics of the solar wind ions and the pick-up ions created through photoionization and electron impact ionization in the coma of the comet. We show how two of the major boundaries, the bow shock and the diamagnetic cavity, form and develop as the comet moves through the inner solar system. Likewise for 67P, although most likely shifted back in time with respect to perihelion passage, this process is reversed on the outbound portion of the orbit. The presented model herein is able to reproduce some of the key features previously only accessible to particle-based models that take full account of the ions’ gyration. The results shown herein are in decent agreement to these hybrid-type kinetic simulations.

Desenvolvimento e validação de método para determinação do perfil graxo do biodiesel de Tungue e Blendas com soja empregando GC-MS

No Brasil o biodiesel é utilizado em misturas com óleo diesel em proporções de 5%, sem que haja modificações nos motores. Com o intuito de diversificar a utilização de oleaginosas não comestíveis no ramo dos biocombustíveis, e ainda vincular a produção com agricultura sustentável, uma alternativa para o RS é a utilização do óleo de tungue para a produção de biodiesel. A caracterização e quantificação de ácidos graxos do biodiesel de tungue, torna-se importante devido à seu exclusivo perfil graxo. Neste trabalho, foi estudado o desenvolvimento e validação de método para a determinação do perfil graxo do biodiesel metílico de tungue e blendas com soja utilizando GC-MS. Os parâmetros de validação considerados foram: curva analítica, linearidade, seletividade, limite de detecção e quantificação, robustez, precisão e exatidão. Para determinar as melhores condições cromatográficas, foram testadas diferentes programações de temperatura no forno cromatográfico; fluxo de gás; temperatura do injetor, detector e interface; e modo de injeção. As condições do GCMS após a otimização foram: injeção de 1 µL com injeção em alta pressão (300 kPa), T do injetor: 250 ºC, injeção split 1:30, fluxo de 1 mL min-1, coluna Rtx-5MS com dimensões 30 m x 0,25 mm x 0,25 µm, T forno: isoterma de 2 min a 130 ºC, aumento de 20 ºC/min até 220 ºC, aumento de 0,5ºC/min até 223ºC, aumento de 7 ºC/min até 250 ºC e isoterma em 250 ºC por 3 min, resultando em 20 min de análise. A temperatura da fonte e interface foram de 200 ºC e 250 ºC, respectivamente, com o MS no modo full scan, ionização por impacto eletrônico a 70 eV, e intervalo de massas de 30 a 500 u.m.a. A identificação do α-eleosteárico foi baseada na fragmentação característica do composto, pela comparação com o espectro do ácido linolênico, e ainda pelo tempo de retenção do composto. Na validação, as curvas analíticas apresentaram valores de r maiores que 0,99. O LD e LQ foram adequados, permitindo a quantificação de ésteres na concentração mínima de 0,6%. Os valores de exatidão ficaram entre 86 e 117%, com RSD% menores que 8%. O efeito matriz também foi avaliado, sendo que esse efeito foi considerado médio para a maioria dos compostos, ficando entre ± 20 e 50%. Durante a aplicação do método, o mesmo se mostrou adequado para amostras de biodiesel metílico de tungue e blendas com soja, nas proporções de 15:85, 20:80 e 25:75 (T:S, v/v). A aplicabilidade do método também foi testada para o biodiesel de soja, obtendo resultados satisfatórios, mostrando-se assim, além de tudo, ser um método robusto.