Optimization of the Mechanical and Optical Properties of Tunable Optical Sensor Arrays (TOSA) for a Nanospectrometer in the Visible and Near Infrared Spectral Range

Tunable Optical Sensor Arrays (TOSA) based on Fabry-Pérot (FP) filters, for high quality spectroscopic applications in the visible and near infrared spectral range are investigated within this work. The optical performance of the FP filters is improved by using ion beam sputtered niobium pentoxide (Nb2O5) and silicon dioxide (SiO2) Distributed Bragg Reflectors (DBRs) as mirrors. Due to their high refractive index contrast, only a few alternating pairs of Nb2O5 and SiO2 films can achieve DBRs with high reflectivity in a wide spectral range, while ion beam sputter deposition (IBSD) is utilized due to its ability to produce films with high optical purity. However, IBSD films are highly stressed; resulting in stress induced mirror curvature and suspension bending in the free standing filter suspensions of the MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) FP filters. Stress induced mirror curvature results in filter transmission line degradation, while suspension bending results in high required filter tuning voltages. Moreover, stress induced suspension bending results in higher order mode filter operation which in turn degrades the optical resolution of the filter. Therefore, the deposition process is optimized to achieve both near zero absorption and low residual stress. High energy ion bombardment during film deposition is utilized to reduce the film density, and hence the film compressive stress. Utilizing this technique, the compressive stress of Nb2O5 is reduced by ~43%, while that for SiO2 is reduced by ~40%. Filters fabricated with stress reduced films show curvatures as low as 100 nm for 70 μm mirrors. To reduce the stress induced bending in the free standing filter suspensions, a stress optimized multi-layer suspension design is presented; with a tensile stressed metal sandwiched between two compressively stressed films. The stress in Physical Vapor Deposited (PVD) metals is therefore characterized for use as filter top-electrode and stress compensating layer. Surface micromachining is used to fabricate tunable FP filters in the visible spectral range using the above mentioned design. The upward bending of the suspensions is reduced from several micrometers to less than 100 nm and 250 nm for two different suspension layer combinations. Mechanical tuning of up to 188 nm is obtained by applying 40 V of actuation voltage. Alternatively, a filter line with transmission of 65.5%, Full Width at Half Maximum (FWHM) of 10.5 nm and a stopband of 170 nm (at an output wavelength of 594 nm) is achieved. Numerical model simulations are also performed to study the validity of the stress optimized suspension design for the near infrared spectral range, wherein membrane displacement and suspension deformation due to material residual stress is studied. Two bandpass filter designs based on quarter-wave and non-quarter-wave layers are presented as integral components of the TOSA. With a filter passband of 135 nm and a broad stopband of over 650 nm, high average filter transmission of 88% is achieved inside the passband, while maximum filter transmission of less than 1.6% outside the passband is achieved.

Corrosion resistance enhancement of SAE 1020 steel after Chromium implantation by nitrogen ion recoil

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Holographic recording in [Sb(Po-3)(3)](n)-Sb2O3 glassy films by photoinduced volume and refraction index changes

Glassy films of 0.2[Sb(PO3)(3)]-0,8Sb(2)O(3) with 0.8 mum-thickness were deposited on quartz substrates by electron beam evaporation. A contraction in the film thickness (photoinduced decrease in volume) and photobleaching effect associated with a decrease of up to 25% in the index of refraction has been observed in the films after irradiation near the bandgap (3.89 eV), using the 350.7 nm (3.54 eV) Kr+ ion laser line with 2.5 W/cm(2) for 30 min. A loss of 30% in the phosphorus concentration was measured by wavelength dispersive X-ray microanalysis in the film after laser irradiation with 5.0 W/cm(2) for 1.0 h. These photoinduced changes in the samples are dependent on the power density and intensity profile of the laser beam. Using a Lloyd's mirror setup for continuous wave holography it was possible to record holographic gratings with period from 500 nm up to 20 mum and depth profile of similar to50 nm in the films after laser irradiation with 5.0 W/cm(2) for 1 h. Real-time diffraction efficiency measurements have shown that ultraviolet irradiation induces first a refractive index grating formation, and after this, the photocon traction effect takes place generating an irreversible relief grating. Diffraction efficiency up to 10% was achieved for the recorded gratings. 3D-refraction index measurements and atomic force microscopy images are presented. (C) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

Photoinduced structural changes in antimony polyphosphate based glasses

A photocontraction effect in amorphous films of the binary glass system 0.20 [Sb(PO3)(3)](n)-0.80 Sb2O3 has been observed after UV irradiation using the 350.7 nm Kr+ ion laser line with 5.0 W/cm(2). Good optical quality films up to 4.0 mum were deposited on silica substrates at room temperature in vacuum by electron beam physical vapor deposition (EB-PVD) and characterized using WDX, XRD, optical absorption, infrared reflectance, profilometry and atomic force microscopy (AFM) techniques. Very stable glasses were prepared by the melt quenching technique and used as evaporation source for the production of films. The photoinduced structural change (PSC) was observed as a variation of about 6% in the film thickness and this effect is accompanied by a photobleaching of the irradiated area with a blue shift of the optical absorption edge. Otherwise this photoinduced change in the film thickness is very sensitive to the variations in the shape and intensity of the laser beam; therefore several possibilities in optical recording arise from these results. (C) 2003 Published by Elsevier B.V.

Helium ion irradiation of polymer films deposited from TMS-Ar plasmas

Polymer films synthesized from plasmas of a tetramethylsilane - Ar mixture were modified by irradiation with 170 keV He ions at fluences ranging from 1 x 10(14) to 1 x 10(16) cm(-2). As revealed by infrared spectroscopy, the ion beam produced intense bond rearrangements, such as the depletion of bonding groups (C-H and Si-H), and induced the formation of new ones, such as O-H and Si-O. From the nanoindentation measurements, a remarkable increase in the surface hardness of the films was observed as the ion fluence was increased. The increases in hardness were accompanied by an increase in the film compaction as shown by using a combination of RBS and film thickness measurements. From both hardness and infrared measurements A was concluded that, under the He ion bombardment, the polymer structure is transformed into a silicon oxycarbide network.

Low cost ion implantation technique

We describe an approach to ion implantation in which the plasma and its electronics are held at ground potential and the ion beam is formed and injected energetically into a space held at high negative potential. The technique allows considerable savings both economically and technologically, rendering feasible ion implantation applications that might otherwise not be possible for many researchers and laboratories. Here, we describe the device and the results of tests demonstrating Nb implantation at 90 keV ion energy and dose about 2 x 10(16) cm(-2). (C) 2012 American Institute of Physics. [http://dx.doi.org/10.1063/1.4768699]

Gold ion implantation into alumina using an “inverted ion source” configuration.

We describe an approach to ion implantation in which the plasma and its electronics are held at ground potential and the ion beam is injected into a space held at high negative potential, allowing considerable savings both economically and technologically. We used an “inverted ion implanter” of this kind to carry out implantation of gold into alumina, with Au ion energy 40 keV and dose (3–9) × 1016 cm−2. Resistivity was measured in situ as a function of dose and compared with predictions of a model based on percolation theory, in which electron transport in the composite is explained by conduction through a random resistor network formed by Au nanoparticles. Excellent agreement is found between the experimental results and the theory.

Stopping power and depth dose profile of H+ and He+ ion beams in hydroxyapatite thin films.

Hadron therapy is a promising technique to treat deep-seated tumors. For an accurate treatment planning, the energy deposition in the soft and hard human tissue must be well known. Water has been usually employed as a phantom of soft tissues, but other biomaterials, such as hydroxyapatite (HAp), used as bone substitute, are also relevant as a phantom for hard tissues. The stopping power of HAp for H+ and He+ beams has been studied experimentally and theoretically. The measurements have been done using the Rutherford backscattering technique in an energy range of 450-2000 keV for H+ and of 400-5000 keV for He+ projectiles. The theoretical calculations are based in the dielectric formulation together with the MELF-GOS (Mermin Energy-Loss Function – Generalized Oscillator Strengths) method [1] to describe the target excitation spectrum. A quite good agreement between the experimental data and the theoretical results has been found. The depth dose profile of H+ and He+ ion beams in HAp has been simulated by the SEICS (Simulation of Energetic Ions and Clusters through Solids) code [2], which incorporates the electronic stopping force due to the energy loss by collisions with the target electrons, including fluctuations due to the energy-loss straggling, the multiple elastic scattering with the target nuclei, with their corresponding nuclear energy loss, and the dynamical charge-exchange processes in the projectile charge state. The energy deposition by H+ and He+ as a function of the depth are compared, at several projectile energies, for HAp and liquid water, showing important differences.

Resonanzionisation zum Nachweis und zur Erzeugung radioaktiver Ionenstrahlen

Die resonante Laserionisation hat sich als ein universales Verfahren für eine Vielzahl von Anwendungen etabliert, die eine selektive Ionisation bei hoher Effizienz erfordern. Hierzu wurden zwei Lasersysteme mit unterschiedlichen Zielsetzungen und Schwerpunkten entwickelt und in dieser Arbeit angewendet. Im ersten Teil der Arbeit wird die Entwicklung der hochauflösenden Resonanzionisations-Massenspektrometrie zum Ultraspurennachweis von 41Ca vorgestellt. Hierzu wurden drei kontinuierliche Diodenlaser mit einem Quadrupolmassenspektrometer kombiniert. Bei einer Nachweiseffizienz von 1 × 10^−5 konnte eine Nachweisgrenze von 2 × 10^-13 41Ca/totCa erreicht werden. Das in den Routinebetrieb überführte Meßverfahren ermöglichte die Teilnahme an einem interdisziplinären Netzwerk zur Osteoporose-Forschung. In Vergleichsmessungen der Resonanzionisations-Massenspektrometrie mit allen derzeit existierenden Meßverfahren zum 41Ca-Ultraspurennachweis konnte eine sehr gute Übereinstimmung erzielt werden. Der zweite Teil der Arbeit beinhaltet die Adaption eines durchstimmbaren, hochrepetierenden Titan:Saphir-Lasersystem für den Einsatz an Laserionenquellen zur selektiven Erzeugung radioaktiver Ionenstrahlen. Das entwickelte Lasersystem ermöglicht eine effiziente, resonante Anregung des Großteils der Elemente im Periodensystem. Hierzu wurde eine kombinierte Frequenzverdopplungs- und Frequenzverdreifachungseinheit zur Erzeugung höherer Harmonischer aufgebaut. Die Anwendbarkeit eines solchen reinen Festkörper-Lasersystems wurde in zahlreichen off-line Testmessungen sowohl in Mainz als auch an den ISOL Einrichtungen am TRIUMF und ORNL gezeigt und führte zum ersten on-line Einsatz am TRIUMF.

Untersuchungen zur Lebensdauer von NEA-Photokathoden bei der Extraktion sehr hoher mittlerer Ströme

Die Produktion eines spinpolarisierten Strahls mit hohem mittleren Strom ist sowohl für den Betrieb von existierenden polarisierten Quellen als auch in noch stärkerem Maße für geplante zukünftige Projekte wichtig. Die Betriebszeit solcher Quellen wird durch die Abnahme der Quantenausbeute der Photokathode mit der Zeit begrenzt. Die Problematik der Abnahme der Quantenausbeute konnte durch die Reaktion der Kathodenoberfläche mit sauerstoffhaltigen Molekülen sowie durch Ionenbombardement geklärt werden. Im Laufe dieser Arbeit wurden, teilweise zum ersten Mal, Mechanismen untersucht, die zur Entstehung der chemisch aktiven Moleküle und der Ionen beitragen und weitere Effekte, die die Betriebszeit der polarisierten Quellen reduzieren. Die Experimente wurden an einer genauen Kopie der an MAMI vorhandenen polarisierten Quelle durchgeführt. Es wurde demonstriert, dass Erwärmung der Photokathode, Ioneneinfang und Strahlverlust aufgrund der Raumladungskräfte die Kathodenlebensdauer begrenzen können. Der erste Effekt ist Erwärmung der Photokathode. Die Laserleistung wird fast vollständig in Wärmeleistung umgesetzt, was zur Absenkung der Verfügbarkeit der polarisierten Quellen führen kann, und zwar unabhängig davon, ob der Photostrom produziert wird oder nicht. Der zweite Effekt ist Ionenbombardement mit den sowohl in der Beschleunigungsstrecke als auch in der Strahlführung entstehenden Ionen. Es wurde demonstriert, dass der in der Strahlführung entstehende Ionenstrom sogar größer ist als der in der Kanone. Unter bestimmten Bedingungen können die gebildeten Ionen durch das Potenzial des Elektronenstrahls eingefangen werden und die Kanone erreichen und damit zusätzlich zur Zerstörung der negativen Elektronenaffinität beitragen. Der dritte Effekt ist Strahlverlust. Es wurde demonstriert, dass die relativen Strahlverluste kleiner als 1*10-6 sein sollten, um eine Lebensdauer von mehr als 1000 Stunden beim Strom von 100 A zu erreichen, was für die vorhandene Apparatur möglich ist. Zur Erzeugung extrem hoher Ströme wurde zum ersten Mal im Bereich der spinpolarisierten Quellen das Prinzip der „Energierückgewinnung“ eingesetzt. Experimente bei einer mittleren Stromstärke von 11.4 mA und einer Spitzenstromstärke von 57 mA bei 1% Tastverhältnis wurden bereits durchgeführt.

Development and performance assessment of a Plasma Focus electron beam generator for Intra-Operative Radiation Therapy

The Plasma Focus is a device designed to generate a plasma sheet between two coaxial electrodes by means of a high voltage difference. The plasma is then driven to collapse into a “pinch”, where thermonuclear conditions prevail. During the “pinch phase” charged particles are emitted, with two main components: an ion beam peaked forward and an electron beam directed backward. The electron beam emitted backward by Plasma Focus devices is being investigated as a radiation source for medical applications, using it to produce x-rays by interaction with appropriate targets (through bremsstrahlung and characteristic emission). A dedicated Plasma Focus device, named PFMA-3 (Plasma Focus for Medical Applications number 3), has been designed, put in operation and tested by the research groups of the Universities of Bologna and Ferrara. The very high dose rate (several gray per discharge, in less than 1 µs) is a peculiarity of this device that has to be investigated, as it might modify the relative biological effectiveness (RBE). Aim of this Ph.D. project was to investigate the main physical properties of the low-energy x-ray beams produced by a Plasma Focus device and their potential medical applications to IORT treatments. It was necessary to develop the optimal geometrical configuration; to evaluate the x-rays produced and their dose deposited; to estimate the energy electron spectrum produced in the “pinch phase”; to study an optimal target for the conversion of the x-rays; to conduct simulations to study the physics involved; and in order to evaluate the radio-biological features of the beam, cell holders had to be developed for both irradiations and cell growth conditions.

Entwicklung von Ionenquellen zur Optimierung von Selektivität und Effizienz bei der resonanten Laserionisation

In der vorliegenden Arbeit werden Entwicklungen zur Optimierung von Selektivität und Effizienz von Resonanzionisations-Laserionenquellen vorgestellt. Mit der Perspektive auf die Anwendungen radioaktiver Ionenstrahlen in der Grundlagenforschung sowie auf Fragestellungen in der Ultraspurenanalytik wurden verschiedene Methoden entwickelt und erprobt: Auf Seiten der Grundlagenforschung wurden zwei komplementäre Ansätze, die Konstruktion von Ionenquellen aus Materialien niedriger Austrittsarbeit und die Weiterentwicklung der Laserionenquelle und -falle LIST umgesetzt. Hierdurch konnte die Selektivität der Resonanzionisation in on-line Tests um einige Gröÿenordnungen verbessert werden. Für die Ultraspurenanalytik wurden speziell angepasste, hocheffiziente Ionenquellen entwickelt. Mit diesen Ionenquellen wurde für die Resonanzionisation von Gallium eine Ionisationseffizienz von 67 % demonstriert, für den Ultraspurennachweis des im Zusammenhang der nuklearen Endlagerung wichtigen Radioisotops 99g-Technetium wurde auf dieser Grundlage eine Nachweisgrenze von weniger als 10^6 Atomen gezeigt.

Kollineare Laserspektroskopie an radioaktiven Praseodymionen und Cadmiumatomen

Die Analyse optischer Spektren liefert einen kernmodellunabhängigen Zugang zur Bestimmung der Kernspins, Ladungsradien und elektromagnetischen Momente von Atomkernen im Grundzustand und von langlebigen Isomeren. Eine der vielseitigsten Methoden zur optischen Spektroskopie an kurzlebigen Isotopen ist die kollineare Laserspektroskopie. Im Rahmen dieser Arbeit wurde zum einen die TRIGA-LASER Strahlstrecke am Institut für Kernchemie der Universität Mainz durch die Implementierung einer neuen offline Oberflächenionenquelle für hohe Verdampfungstemperaturen und eines Strahlanalysesystems weiterentwickelt. Zum anderen wurde kollineare Laserspektroskopie an kurzlebigen Praseodym- und Cadmiumisotopen an ISOLDE/CERN durchgeführt. Die neue Ionenquelle ermöglichte dabei den Test der kollinearen Laserspektroskopie an Praseodymionen am TRIGA-LASER Experiment. Die Spektroskopie der Prasdeodymionen motivierte sich aus der Beobachtung einer zeitlichen Modulation der EC-Zerfallsrate von wasserstoffähnlichem 140Pr58+. Für die Erklärung dieser sogenannten GSI Oszillationen wird unter anderem das magnetische Moment des Kerns benötigt, welches bislang noch nicht experimentell bestimmt wurde. Zudem wurde für wasserstoffähnliches 140Pr58+ überraschenderweise eine kleinere EC-Zerfallskonstante gemessen als für heliumähnliches 140Pr57+. Die Erklärung dieses Phänomens setzt ein positives magnetisches Moment voraus. Bei der Spektroskopie am COLLAPS Experiment wurden erstmals die magnetischen Momente von 135Pr, 136Pr und 137Pr vermessen. Aufgrund zu geringer Produktionsraten war die Spektroskopie des gewünschten Isotops 140Pr jedoch nicht erfolgreich. Die Untersuchung der Cadmiumisotope ist kernphysikalisch motiviert. In der Zinnregion erstrecken sich die Isotope über die beiden magischen Zahlen N=50 und N=82 bei gleichzeitiger Nähe des Z=50 Schalenabschlusses. Hier können verschiedene Kernmodelle getestet werden, die sich beispielsweise hinsichtlich der Stärke des N=82 Schalenabschlusses widersprechen. Diese Arbeit berichtet über erste Ergebnisse der Spektroskopie an Cadmiumatomen, die sich über die Isotope 106−124,126Cd sowie die zugehörigen langlebigen I=11/2− Isomere erstreckt. Die zuvor experimentell bekannten oder aus dem erweiterten Schalenmodell abgeleiteten Kernspins konnten für alle Isotope bis auf 119Cd bestätigt werden. Der Kernspin von 119Cd wurde eindeutig zu I=1/2 bestimmt. Die elektrischen Quadrupolmomente der Isomere zeigen ein bemerkenswert lineares Verhalten in Abhängigkeit von der Neutronenzahl und dies über die eigentliche Kapazität der 1h11/2 Unterschale hinaus. Die Änderungen der mittleren quadratischen Ladungsradien zeigen den auch an Indium- und Zinnisotopen beobachteten stetigen Verlauf. Der lineare Anteil passt sehr gut zu den Berechnung des Tröpfchenmodells in der Parametrisierung nach Berchidevsky und Tondeur. Die Differenzen der mittleren quadratischen Ladungsradien zwischen Grund- und isomeren Zustand der ungeraden Cadmiumisotope zeigen einen interessanten parabolischen Verlauf mit einem Minimum zwischen A=117 und A=119.

Implementierung der Laserionenquellenfalle LIST bei ISOLDE und Validierung der Spezifikationen Effizienz und Selektivität

Die Funktionsweise der Laserionenquellenfalle LIST, sowie deren Implementierung bei der Forschungseinrichtung ISOLDE am CERN als neue Standard-Ionenquelle und die ermittelten Spezifikationen Effizienz und Selektivität werden vorgestellt.rnrnDurch die Implementierung der LIST bei ISOLDE konnte on-line mit Hilfe von Radionukliden ein Minimalwert zur Unterdrückung von Kontaminationen durch die LIST bestimmt werden. Die erfolgreiche Unterdrückung von Francium-Kontamination ermöglichte es, neue Messdaten für den mittleren Ladungsradius und die Hyperfeinstruktur für Po-217 zu erzeugen.rnrnUm die Funktionalität der LIST bei ISOLDE hinsichtlich der Ionisationseffizienz gegenüber anderen Ionenquellen einzuordnen, wurden in Mainz am RISIKO-Massenseparator mit der bereits existierenden Standard-Ionenquelle RILIS und der LIST die Effizienzen bestimmt und miteinander verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass die LIST im Modus hoher Ionisationseffizienz eine vergleichbare Effizienz aufweist wie die RILIS. Im Modus zur Produktion eines hochreinen Ionenstrahls ist die Ionisationseffizienz gegenüber der RILIS reduziert.rnrnDa die Bestimmung der Selektivität im On-line-Betrieb aufwendig und zeitintensiv ist, wurde die Reinheit des Ionenstrahls am RISIKO-Massenseparator mittels Laufzeitmessungen der Ionen off-line bestimmt und analysiert. Die Zeitstrukturen der RILIS ermöglichen einerseits Rückschlüsse auf die Reinheit des Ionenstrahls zu ziehen, andererseits konnte auch die Ionisation außerhalb des Atomisators, in dem überwiegend die resonante Ionisation stattfindet, nachgewiesen werden. Durch diesen Nachweis kann der Effizienzverlust während der Produktion eines hochreinen Ionenstrahls erklärt werden. Zudem bietet er einen Ansatz für weitere Entwicklungsarbeiten der LIST zur Steigerung der Effizienz.rnrnEine Übertragung der Messergebnisse zur Zeitstruktur der RILIS auf die LIST eröffnet neue Möglichkeiten zur Steigerung deren Selektivität im massenselektiven Mode. Dieser wurde anhand von Simulationen überprüft und mit Messungen an Kalium experimentell quantifiziert.

The cyclotron laboratory and the RFQ accelerator in Bern

Two proton accelerators have been recently put in operation in Bern: an 18 MeV cyclotron and a 2 MeV RFQ linac. The commercial IBA 18/18 cyclotron, equipped with a specifically conceived 6 m long external beam line ending in a separate bunker, will provide beams for routine 18-F and other PET radioisotope production as well as for novel detector, radiation biophysics, radioprotection, radiochemistry and radiopharmacy developments. The accelerator is embedded into a complex building hosting two physics laboratories and four Good Manufacturing Practice (GMP) laboratories. This project is the result of a successful collaboration between the Inselspital, the University of Bern and private investors, aiming at the constitution of a combined medical and research centre able to provide the most cutting-edge technologies in medical imaging and cancer radiation therapy. The cyclotron is complemented by the RFQ with the primary goals of elemental analysis via Particle Induced Gamma Emission (PIGE), and the detection of potentially dangerous materials with high nitrogen content using the Gamma-Resonant Nuclear Absorption (GRNA) technique. In this context, beam instrumentation devices have been developed, in particular an innovative beam profile monitor based on doped silica fibres and a setup for emittance measurements using the pepper-pot technique. On this basis, the establishment of a proton therapy centre on the campus of the Inselspital is in the phase of advanced study.