Preparação e caracterização de filmes fotossensíveis de TEOS/PMMA obtidos a partir do processo Sol-Gel

Pós-graduação em Física - IGCE

Efeitos fotocrômico e termocrômico em ormosils dopados com azobenzenos

The sol-gel process and the wide variety of alkoxides commercially available have facilitated the processing of various Organic-Inorganic Hybrid Materials. In general, the hybrids are excellents matrix to incorporate organic or inorganic dopants that presents photochromic, thermochromic, and halochromic effects and in some cases photorefractive effects. The GPTS-TEOS hybrid matrix when deposited in the form of film is very resistant, adherent, has excellent transparency in visible region and allows to be doped with various azo-dye and metal salts of unusual oxidation states. One of the main characteristics of the azo-dyes when immersed in some hybrid matrix , is the capacity to isomerizes through group Azo (-N = N-) would can be commutated between the Cis (Z) and Trans (E) configurations by means of light or heat. Our goal was through the sol-gel process to prepare hybrid films of GPTS-TEOS doped with azo-dyes Methyl Red and Disperse Red 1, and characterize them optically. The characterizations are performed using techniques of UV / Vis spectroscopy, to identify changes in the absorption band of azo-dyes in the presence of optical pumping, (photochromic effects), in function of temperature (thermochromic effect). These properties are of wide scientific and technological interest because they will contribute to the confection Smart Windows (windows sensible to light), temperature sensors monitored optically and also in the recording of amplitude and phase diffraction gratings

Preparação e caracterização óptica de filmes de ORMOSIL obtidos via processo sol-gel dopados com azocorantes

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Entwicklung eines leistungsstarken Polarisators und Kompressors für 3 He für medizinische MR Tomographie

Zusammenfassung: Michael EbertEntwicklung eines leistungsstarken Polarisators und Kompressorsfür 3-He für medizinische MR Tomographie Durch Optisches Pumpen von metastabilem3-He*--Gas bei einem Druck von 1 mb und Spinübertrag mittels Metastabileraustauschstöße aufden Grundzustand, wird 3-He auf 53 % bei einemmittleren Fluß von f = 58 bar*liter/Tag aufpolarisiert. Bei einem Fluß von f = 122bar*l/Tag wird immer noch eine Polarisation von 30 % erzielt. DurchSteigerung der Laserleistung von derzeit 12 Watt aufwünschenswerte 30 Watt, könnten beigleichem Fluß Kernspinpolarisationen des Heliums von 70 % erreicht werden. Mittels einer eigens entwickelten Ganzmetall--Titan--Kolbenpumpeerfolgt die Kompression in zwei Stufen. Zuerst wird einZwischenvolumen auf Drücke 200 bis 800 mb,je nach Anwendung gefüllt. Mit dem selben Kompressor könnenanschließend abnehmbare, verschließbare Experimentierzellen ausdiesem Zwischenvolumen auf Drücke 1 bis 6 bar gefüllt werden. Auf Grund des großen Hubvolumens von 15,4 Liter können große Gasmengen proKompressionszyklus verdichtet werden. Wegen des großen Verhältnisaus Kompressionshub h = 100 cm undKompressordurchmesser 14 cm kommt es imKompressionsraum zu keinen meßbaren Polarisationsverlusten.Zusammen mit dem großen Kompressionsfaktor von K = 10000sind diese konstruktiven Maßnahmen für den vollständigen Erhaltder Polarisation bei der Kompression des polarizierten 3-He--Gasesverantwortlich. Diese großen Gasmengen an hyperpolarisiertem 3-He haben ersteklinische Studien funktioneller Lungen--MRT ermöglicht. DurchMessung des Sauerstoffpartialdrucks und dessen Abnahmerate, derBestimmung der Ventillation und Messung der DiffusionskonstantenADC in der Lunge, können die Funktionen dieses Organs lokalquantitativ beurteilt werden.

Doppelresonanzmessungen an in einer Penningfalle gespeicherten Europium-Ionen zur Bestimmung des Kern-g-Faktors

Die differentielle Hyperfeinanomalie beschreibt den Isotopieeffekt der magnetischen Hyperfeinwechselwirkung und stellt eine Testmöglichkeit für Kernmodelle dar. Nachdem in einer Reihe von Messungen die A-Faktoren der Hyperfeinwechselwirkung im Grundzustand von zwei stabilen und fünf instabilen Europium-Isotopen bestimmt wurden, sollen nun die Kern-g-Faktoren der gleichen Isotope bestimmt werden.Um die Kern-g-Faktoren zu bestimmen, wurden zunächst die Termschemata des Grundzustandesder stabilen Isotope 151,153Eu+ simuliert. Wegen der hohen Kern- und Hüllenspins I=5/2, J=4 ergeben sich 54 Zeemanzustände und ein komplexes optisches Spektrum.Etwa 10^6 Ionen der beiden stabilen Isotope 151,153Eu+ werden in einer Penningfalle beieinem Magnetfeld von ca. 1.5T gespeichert. Durch Puffergas und Anregung einer Seitenbandfrequenzder Ionenbewegung wird optisches Pumpen in metastabile D-Zustände bei gleichzeitiger Kühlung der Ionenwolke verhindert.Bei Verstimmung eines frequenzverdoppelten Ti:Sa-Lasers wurde die Ionenfluoreszenz aufgenommen. Durch die Simulation der optischen Spektren gelang es, einzelne Übergänge des Isotopes 151Eu+ zu identifizieren. Mit Laser/Mikrowellen-Doppelresonanzmessungen erhält man ein in erster Ordnung dopplerfreies Mikrowellenspektren eines Überganges zwischen zwei Zeemanzuständen im Grundzustand.Durch Messung der Übergangsfrequenzen von insgesamt fünf Delta mI=+1 Übergängen und Bestimmung des Magnetfeldes durch Messung der Zyklotronfrequenz gespeicherter Elektronen konnte der gI-Faktor des Isotopes151Eu zu 151gI = 1.37734(6) bestimmt werden.

Erzeugung höchster 3 He-Kernspinpolarisation durch metastabiles optisches Pumpen

In dieser Arbeit wird zum Erreichen hoher Kernspinpolarisationen die Methode des metastabilen optischen Pumpens benutzt. Das Verfahren beruht auf dem "Ubertrag des Drehimpulses absorbierter Photonen auf das hierbei angeregte Valenzelektron, welches durch Hyperfeinkopplung den Drehimpuls weiter auf den $^3$He-Kern transferiert. Da der Polarisationsprozess nur bei Dr"ucken von ca. 1~mbar effizient funktioniert, f"ur die meisten Anwendungen aber polarisiertes $^3$He bei einem Druck von $geq 1$~bar ben"otigt wird, muss das Gas nach der Aufpolarisation komprimiert werden. In unserer Arbeitsgruppe steht eine Maschine ("`Polarisator"') zur Verf"ugung, die das Gas polarisiert und anschlie"send komprimiert. Ziel dieser Dissertation ist, einerseits die Leistungsf"ahigkeit des Polarisators bez"uglich Maximalpolarisation und Gasfluss zu verbessern und andererseits den metastabilen Pumpprozess selbst genauer zu untersuchen.\ noindent Durch die Verwendung neuer Laser auf Basis der Fasertechnologie sowie einer systematischen Optimierung der optischen Komponenten konnten in abgeschlossenen Pumpzellen Rekord-Polarisationsgrade von $91pm 2$% erzielt werden.\ noindent Mit der Implementierung neuartiger Optiken und Laser am Mainzer Polarisator konnte die Leistungscharakteristik entscheidend verbessert werden. So wurde die erreichbare Polarisation bei identischer Produktionsrate um 20 Prozentpunkte gesteigert. Zurzeit sind maximale Polarisationsgrade von mehr als 75% im optischen Pumpvolumen erreichbar. Eine am Mainzer Triga-Reaktor durchgef"uhrte Polarisationsbestimmung ergab einen Wert von $72.7pm 0.7$%. Dies veranschaulicht die geringen Polarisationsverluste infolge der Gaskompression, des Transports und einer Lagerung "uber mehrere Stunden.\ noindent Zur Dynamik der geschwindigkeitsver"andernden St"o"se sowie zur Bestimmung der mittleren Photonen-Absorptionsrate wurde ein Modell entwickelt, welches auch experimentell best"atigt wurde. Damit konnte erstmalig das gemessene Absorptionsverhalten einer spektral schmalbandigen Laserdiode korrekt beschrieben werden.\ noindent Zudem stimmen die an so genannten abgeschlossenen Pumpzellen gemessenen extrem hohen Polarisationswerte mit theoretischen Vorhersagen "uberein, sofern der Druck im optischen Pumpvolumen geringer als 1~mbar ist und das $^3$He nicht durch Fremdgase verunreinigt ist. Bei derartigen Pumpzellen ist die gemessene Abh"angigkeit der Polarisation von Laserleistung, Metastabilendichte und falscher Zirkularkomponente mit der Theorie kompatibel.\

Weiterentwicklung einer Produktionsanlage und der Speicherungs- bzw. Transportkonzepte für hochpolarisiertes 3He

Der Bedarf an hyperpolarisiertem 3He in Medizin und physikalischer Grundlagenforschung ist in den letzten ca. 10-15 Jahren sowohl in Bezug auf die zu Verfügung stehende Menge, als auch auf den benötigten Grad der Kernspinpolarisation stetig gestiegen. Gleichzeitig mußten Lösungen für die polarisationserhaltende Speicherung und den Transport gefunden werden, die je nach Anwendung anzupassen waren. Als Ergebnis kann mit dieser Arbeit ein in sich geschlossenes Gesamtkonzept vorgestellt werden, daß sowohl die entsprechenden Mengen für klinische Anwendungen, als auch höchste Polarisation für physikalische Grundlagenfor-schung zur Verfügung stellen kann. Verschiedene unabhängige Polarimetriemethoden zeigten in sich konsistente Ergebnisse und konnten, neben ihrer eigenen Weiterentwicklung, zu einer verläßlichen Charakterisierung des neuen Systems und auch der Transportzellen und –boxen eingesetzt werden. Die Polarisation wird mittels „Metastabilem Optischen Pumpen“ bei einem Druck von 1 mbar erzeugt. Dabei werden ohne Gasfluß Werte von P = 84% erreicht. Im Flußbetrieb sinkt die erreichbare Polarisation auf P ≈ 77%. Das 3He kann dann weitgehend ohne Polarisationsver-luste auf mehrere bar komprimiert und zu den jeweiligen Experimenten transportiert werden. Durch konsequente Weiterentwicklung der vorgestellten Polarisationseinheit an fast allen Komponenten kann somit jetzt bei einem Fluß von 0,8 barl/h eine Polarisation von Pmax = 77% am Auslaß der Apparatur erreicht werden. Diese skaliert linear mit dem Fluß, sodaß bei 3 barl/h die Polarisation immer noch bei ca. 60% liegt. Dabei waren die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Verbesserungen an den Lasern, der Optik, der Kompressionseinheit, dem Zwischenspeicher und der Gasreinigung wesentlich für das Erreichen dieser Polarisatio-nen. Neben dem Einsatz eines neuen Faserlasersystems ist die hohe Gasreinheit und die lang-lebige Kompressionseinheit ein Schlüssel für diese Leistungsfähigkeit. Seit Herbst 2001 er-zeugte das System bereits über 2000 barl hochpolarisiertes 3He und ermöglichte damit zahl-reiche interdisziplinäre Experimente und Untersuchungen. Durch Verbesserungen an als Prototypen bereits vorhandenen Transportboxen und durch weitgehende Unterdrückung der Wandrelaxation in den Transportgefäßen aufgrund neuer Erkenntnisse über deren Ursachen stellen auch polarisationserhaltende Transporte über große Strecken kein Problem mehr dar. In unbeschichteten 1 Liter Kolben aus Aluminosilikatglä-sern werden nun problemlos Speicherzeiten von T1 > 200h erreicht. Im Rahmen des europäi-schen Forschungsprojektes „Polarized Helium to Image the Lung“ wurden während 19 Liefe-rungen 70barl 3He nach Sheffield (UK) und bei 13 Transporten 100 barl nach Kopenhagen (DK) per Flugzeug transportiert. Zusammenfassend konnte gezeigt werden, daß die Problematik der Kernspinpolarisationser-zeugung von 3He, die Speicherung, der Transport und die Verwendung des polarisierten Ga-ses in klinischer Diagnostik und physikalischen Grundlagenexperimenten weitgehend gelöst ist und das Gesamtkonzept die Voraussetzungen für allgemeine Anwendungen auf diesen Gebieten geschaffen hat.

Ground state properties of neutron-rich Mg isotopes

Studies in regions of the nuclear chart in which the model predictions of properties of nuclei fail can bring a better understanding of the strong interaction in the nuclear medium. To such regions belongs the so called "island of inversion" centered around Ne, Na and Mg isotopes with 20 neutrons in which unexpected ground-state spins, large deformations and dense low-energy spectra appear. This is a strong argument that the magic N = 20 is not a closed shell in this area. In this thesis investigations of isotope shifts of stable 24,25,26Mg, as well as spins and magnetic moments of short-lived 29,31Mg are presented. The successful studies were performed at the ISOLDE facility at CERN using collinear laser and beta-NMR spectroscopy techniques. The isotopes were investigated as single-charged ions in the 280-nm transition from the atomic ground state 2S1/2 to one of the two lowest excited states 2P1/2,3/2 using continuous wave laser beams. The isotope-shift measurements with fluorescence detection for the three stable isotopes show that it is feasible to perform the same studies on radioactive Mg isotopes up to the "island of inversion". This will allow to determine differences in the mean charge square radii and interpret them in terms of deformation. The high detection efficiency for beta particles and optical pumping close to saturation allowed to obtain very good beta-asymmetry signals for 29Mg and 31Mg with half-lives around 1 s and production yields about 10^5 ions/s. For this purpose the ions were implanted into a host crystal lattice. Such detection of the atomic resonances revealed their hyperfine structure, which gives the sign and a first estimate of the value of the magnetic moment. The nuclear magnetic resonance gave also their g-factors with the relative uncertainty smaller than 0.2 %. By combining the two techniques also the nuclear spin of both isotopes could be unambiguously determined. The measured spins and g-factors show that 29Mg with 17 neutrons lies outside the "island of inversion". On the other hand, 31Mg with 19 neutrons has an unexpected ground-state spin which can be explained only by promoting at least two neutrons across the N = 20 shell gap. This places the above nucleus inside the "island". However, modern shell-model approaches cannot predict this level as the ground state but only as one of the low-lying states, even though they reproduce very well the experimental g-factor. This indicates that modifications to the available interactions are required. Future measurements include isotope shift measurements on radioactive Mg isotopes and beta-NMR studies on 33Mg.

Construction and commissioning of a collinear laser spectroscopy setup at TRIGA Mainz and laser spectroscopy of magnesium isotopes at ISOLDE (CERN)

Collinear laser spectroscopy has been used as a tool for nuclear physics for more than 30 years. The unique possibility to extract nuclear properties like spins, radii and nuclear moments in a model-independent manner leads to important physics results to test the predictive power of existing nuclear models. rnThis work presents the construction and the commissioning of a new collinear laser spectroscopy experiment TRIGA-LASER as a part of the TRIGA-SPEC facility at the TRIGA research reactor at the University of Mainz. The goal of the experiment is to study the nuclear structure of radioactive isotopes which will be produced by neutron-induced fission near the reactor core and transported to an ion source by a gas jet system. rnThe versatility of the collinear laser spectroscopy technique will be exploited in the second part of this thesis. The nuclear spin and the magnetic moment of the neutron-deficient isotope Mg-21 will be presented, which were measured by the detection of the beta-decay asymmetry induced by nuclear polarization after optical pumping. A combination of this detection method with the classical fluorescence detection is then used to determine the isotope shifts of the neutron-rich magnesium isotopes from Mg-24 through Mg-32 to study the transition to the ''island of inversion''.

Spin-lattice relaxation of laser-polarized xenon in human blood

The nuclear spin polarization of 129Xe can be enhanced by several orders of magnitude by using optical pumping techniques. The increased sensitivity of xenon NMR has allowed imaging of lungs as well as other in vivo applications. The most critical parameter for efficient delivery of laser-polarized xenon to blood and tissues is the spin-lattice relaxation time (T1) of xenon in blood. In this work, the relaxation of laser-polarized xenon in human blood is measured in vitro as a function of blood oxygenation. Interactions with dissolved oxygen and with deoxyhemoglobin are found to contribute to the spin-lattice relaxation time of 129Xe in blood, the latter interaction having greater effect. Consequently, relaxation times of 129Xe in deoxygenated blood are shorter than in oxygenated blood. In samples with oxygenation equivalent to arterial and venous blood, the 129Xe T1s at 37°C and a magnetic field of 1.5 T were 6.4 s ± 0.5 s and 4.0 s ± 0.4 s, respectively. The 129Xe spin-lattice relaxation time in blood decreases at lower temperatures, but the ratio of T1 in oxygenated blood to that in deoxygenated blood is the same at 37°C and 25°C. A competing ligand has been used to show that xenon binding to albumin contributes to the 129Xe spin-lattice relaxation in blood plasma. This technique is promising for the study of xenon interactions with macromolecules.

NMR of laser-polarized xenon in human blood

By means of optical pumping with laser light it is possible to enhance the nuclear spin polarization of gaseous xenon by four to five orders of magnitude. The enhanced polarization has allowed advances in nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and magnetic resonance imaging (MRI), including polarization transfer to molecules and imaging of lungs and other void spaces. A critical issue for such applications is the delivery of xenon to the sample while maintaining the polarization. Described herein is an efficient method for the introduction of laser-polarized xenon into systems of biological and medical interest for the purpose of obtaining highly enhanced NMR/MRI signals. Using this method, we have made the first observation of the time-resolved process of xenon penetrating the red blood cells in fresh human blood—the xenon residence time constant in the red blood cells was measured to be 20.4 ± 2 ms. The potential of certain biologically compatible solvents for delivery of laser-polarized xenon to tissues for NMR/MRI is discussed in light of their respective relaxation and partitioning properties.

Spin-phonon coupling in single Mn-doped CdTe quantum dot

The spin dynamics of a single Mn atom in a laser driven CdTe quantum dot is addressed theoretically. Recent experimental results [ Gall et al. Phys. Rev. Lett. 102 127402 (2009);  Goryca et al. Phys. Rev. Lett. 103 087401 (2009)  Gall et al. Phys. Rev. B 81 245315 (2010)] show that it is possible to induce Mn spin polarization by means of circularly polarized optical pumping. Pumping is made possible by the faster Mn spin relaxation in the presence of the exciton. Here we discuss different Mn spin-relaxation mechanisms: first, Mn-phonon coupling, which is enhanced in the presence of the exciton; second, phonon induced hole spin relaxation combined with carrier-Mn spin-flip coupling and photon emission results in Mn spin relaxation. We model the Mn spin dynamics under the influence of a pumping laser that injects excitons into the dot, taking into account exciton-Mn exchange and phonon induced spin relaxation of both Mn and holes. Our simulations account for the optically induced Mn spin pumping.

Simple microcavity for single-photon generation

A new design of an optical resonator for generation of single-photon pulses is proposed. The resonator is made of a cylindrical or spherical piece of a polymer squeezed between two flat dielectric mirrors. The mode characteristics of this resonator are calculated numerically. The numerical analysis is backed by a physical explanation. The decay time and the mode volume of the fundamental mode are sufficient for achieving more than 96% probability of generating a single-photon in a single-mode. The corresponding requirement for the reflectivity of the mirrors (similar to 99.9%) and the losses in the polymer ( 100 dB/m) are quite modest. The resonator is suitable for single-photon generation based on optical pumping of a single quantum system such as an organic molecule, a diamond nanocrystal, or a semiconductor quantum dot if they are imbedded in the polymer. (C) 2005 Optical Society of America.

Regenerative amplifier with continuously variable pulse duration used in an optical parametric chirped-pulse amplification laser system for synchronous pumping

A Nd:glass regenerative amplifier has been set up to generate the pumping pulse with variable pulse width for an optical parametric chirped-pulse amplification (OPCPA) laser system. Each pulse of the pulse train from a cw self-mode-locking femtosecond Ti:sapphire oscillator is stretched to approximate to300 ps at 1062 nm to be split equally and injected into a nonlinear crystal and the Nd:glass regenerative amplifier, as the chirped signal pulse train and the seed pulse train of the pumping laser system, respectively. By adjusting the cavity length of the regenerative amplifier directly, the width of amplified pulse could be varied continuously from approximate to300 ps to approximate to3 ns. The chirped signal pulse for the OPCPA laser system and the seed pulse for the pumping laser system come from the same oscillator, so that the time jitter between the signal pulse and the pumping pulse in optical parametric amplification stages could be <10 ps. (C) 2003 Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers.