Trapped ion magnetic resonance: concepts and designs

A novel spectroscopy of trapped ions is proposed which will bring single-ion detection sensitivity to the observation of magnetic resonance spectra. The approaches developed here are aimed at resolving one of the fundamental problems of molecular spectroscopy, the apparent incompatibility in existing techniques between high information content (and therefore good species discrimination) and high sensitivity. Methods for studying both electron spin resonance (ESR) and nuclear magnetic resonance (NMR) are designed. They assume established methods for trapping ions in high magnetic field and observing the trapping frequencies with high resolution (<1 Hz) and sensitivity (single ion) by electrical means. The introduction of a magnetic bottle field gradient couples the spin and spatial motions together and leads to a small spin-dependent force on the ion, which has been exploited by Dehmelt to observe directly the perturbation of the ground-state electron's axial frequency by its spin magnetic moment.

A series of fundamental innovations is described m order to extend magnetic resonance to the higher masses of molecular ions (100 amu = 2x 10^5 electron masses) and smaller magnetic moments (nuclear moments = 10^(-3) of the electron moment). First, it is demonstrated how time-domain trapping frequency observations before and after magnetic resonance can be used to make cooling of the particle to its ground state unnecessary. Second, adiabatic cycling of the magnetic bottle off between detection periods is shown to be practical and to allow high-resolution magnetic resonance to be encoded pointwise as the presence or absence of trapping frequency shifts. Third, methods of inducing spindependent work on the ion orbits with magnetic field gradients and Larmor frequency irradiation are proposed which greatly amplify the attainable shifts in trapping frequency.

The dissertation explores the basic concepts behind ion trapping, adopting a variety of classical, semiclassical, numerical, and quantum mechanical approaches to derive spin-dependent effects, design experimental sequences, and corroborate results from one approach with those from another. The first proposal presented builds on Dehmelt's experiment by combining a "before and after" detection sequence with novel signal processing to reveal ESR spectra. A more powerful technique for ESR is then designed which uses axially synchronized spin transitions to perform spin-dependent work in the presence of a magnetic bottle, which also converts axial amplitude changes into cyclotron frequency shifts. A third use of the magnetic bottle is to selectively trap ions with small initial kinetic energy. A dechirping algorithm corrects for undesired frequency shifts associated with damping by the measurement process.

The most general approach presented is spin-locked internally resonant ion cyclotron excitation, a true continuous Stern-Gerlach effect. A magnetic field gradient modulated at both the Larmor and cyclotron frequencies is devised which leads to cyclotron acceleration proportional to the transverse magnetic moment of a coherent state of the particle and radiation field. A preferred method of using this to observe NMR as an axial frequency shift is described in detail. In the course of this derivation, a new quantum mechanical description of ion cyclotron resonance is presented which is easily combined with spin degrees of freedom to provide a full description of the proposals.

Practical, technical, and experimental issues surrounding the feasibility of the proposals are addressed throughout the dissertation. Numerical ion trajectory simulations and analytical models are used to predict the effectiveness of the new designs as well as their sensitivity and resolution. These checks on the methods proposed provide convincing evidence of their promise in extending the wealth of magnetic resonance information to the study of collisionless ions via single-ion spectroscopy.

Propagation of cosmic rays through interstellar space

The propagation of cosmic rays through interstellar space has been investigated with the view of determining what particles can traverse astronomical distances without serious loss of energy. The principal method of loss of energy of high energy particles is by interaction with radiation. It is found that high energy (10¹³-10¹⁸ev) electrons drop to one-tenth their energy in 10⁸ light years in the radiation density in the galaxy and that protons are not significantly affected in this distance. The origin of the cosmic rays is not known so that various hypotheses as to their origin are examined. If the source is near a star it is found that the interaction of electrons and photons with the stellar radiation field and the interaction of electrons with the stellar magnetic field limit the amount of energy which these particles can carry away from the star. However, the interaction is not strong enough to affect the energy of protons or light nuclei appreciably. The chief uncertainty in the results is due to the possible existence of general galactic magnetic field. The main conclusion reached is that if there is a general galactic magnetic field, then the primary spectrum has very few photons, only low energy (˂ 10¹³ ev) electrons and the higher energy particles are primarily protons regardless of the source mechanism, and if there is no general galactic magnetic field, then the source of cosmic rays accelerates mainly protons and the present rate of production is much less than that in the past.

Digital Quantum Rabi and Dicke Models in Superconducting Circuits

We propose the analog-digital quantum simulation of the quantum Rabi and Dicke models using circuit quantum electrodynamics (QED). We find that all physical regimes, in particular those which are impossible to realize in typical cavity QED setups, can be simulated via unitary decomposition into digital steps. Furthermore, we show the emergence of the Dirac equation dynamics from the quantum Rabi model when the mode frequency vanishes. Finally, we analyze the feasibility of this proposal under realistic superconducting circuit scenarios.

国产YAP：Ce闪烁晶体的相对探测能力测量

为适应在n、γ昆合脉冲辐射场中对低强度快脉冲y辐射测量的需要，近年国内新研制出实用型YAlO3：Ce（YAP：Ce）快响应无机闪烁晶体。我们使用脉冲线性电流大于1．5A的光电倍增管，分别配置这种晶体以及CeF3、NaI等晶体构成闪烁探测器，在放射性标准源场中，对晶体的相对探测能力进行测量。测量结果表明：国产新型YAP：Ce无机晶体对这1．25MeV射线的探测能力比同体积的CeF3平均高一个量级，是同体积NaI的40％左右；当晶体厚度小于2mm时，YAP：Ce与CeF2、NaI的输出比值分别大于16和44％，说明厚度越薄晶体的相对探测能力越强。

Neutron production at the heavy ion research facility in Lanzhou

In this work, the neutron radiation field at Heavy Ion Research Facility in Lanzhou (HIRFL) was investigated. Total neutron yields, spectra and angular distributions in the bombardment of various thick targets by C-12 and O-18 ions with energies up to 75 MeV/u were obtained using the activation method. The neutron dose equivalent rates of 60 MeV/u O-18 on various thick targets at different angles were measured with a modified A-B remmeter. Our results are compared with those of other reports.

THE CHEMISTRY OF COMPLEX-MOLECULES IN INTERSTELLAR CLOUDS

This paper is concerned with the chemical evolution of large molecules in interstellar clouds. We consider the chemistry and ionisation balance of large polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) type molecules in diffuse clouds and show that certain PAH molecules can be doubly ionised by the interstellar ultraviolet radiation field. If recombination of the dications so produced with electrons is dissociative rather than radiative, then PAHs are rapidly destroyed. PAHs which can only be singly ionised have much smaller recombination energies and can be long lasting in these regions. This type of property may be very important in selecting the PAH species which can populate the general interstellar medium and account for certain of the diffuse bands observed in optical spectra. Destruction of PAH molecules via formation of dications may be responsible for the weakening of the diffuse bands observed in regions of high UV flux.

Optomechanical cooling with generalized interferometers

The fields in multiple-pass interferometers, such as the Fabry-Pérot cavity, exhibit great sensitivity not only to the presence but also to the motion of any scattering object within the optical path. We consider the general case of an interferometer comprising an arbitrary configuration of generic beam splitters and calculate the velocity-dependent radiation field and the light force exerted on a moving scatterer. We find that a simple configuration, in which the scatterer interacts with an optical resonator from which it is spatially separated, can enhance the optomechanical friction by several orders of magnitude.

Dynamical scattering models in optomechanics: Going beyond the 'coupled cavities' model

Recently [A. Xuereb, et al., Phys. Rev. Lett. 105, 013602 (2010)], we calculated the radiation field and the optical forces acting on a moving object inside a general one-dimensional configuration of immobile optical elements. In this article we analyse the forces acting on a semi-transparent mirror in the 'membrane-in-the-middle' configuration and compare the results obtained from solving scattering model to those from the coupled cavities model that is often used in cavity optomechanical system. We highlight the departure of this model from the more exact scattering theory when the reflectivity of the moving element drops below about 50%.

Development of a novel experimental model to investigate radiobiological implications of respiratory motion in advanced radiotherapy

Respiratory motion introduces complex spatio-temporal variations in the dosimetry of radiotherapy. There is a paucity of literature investigating the radiobiological consequences of intrafraction motion and concerns regarding the impact of movement when applied to cancer cell lines in vitro exist. We have addressed this by developing a novel model which accurately replicates respiratory motion under experimental conditions to allow clinically relevant irradiation of cell lines. A bespoke phantom and motor driven moving platform was adapted to accommodate flasks containing medium and cells in order to replicate respiratory motion using varying frequencies and amplitude settings. To study this effect on cell survival in vitro, dose response curves were determined for human lung cancer cell lines H1299 and H460 exposed to a uniform 6 MV radiation field under moving or stationary conditions. Cell survival curves showed no significant difference between irradiation at different dose points for these cell lines in the presence or absence of motion. These data indicate that motion of unshielded cells in vitro does not affect cell survival in the presence of uniform irradiation. This model provides a novel research platform to investigate the radiobiological consequences of respiratory motion in radiotherapy.

Multidimensional simulations of radiative transfer in Type Ia supernovae

A three-dimensional Monte Carlo code for modelling radiation transport in Type Ia supernovae is described. In addition to tracking Monte Carlo quanta to follow the emission, scattering and deposition of radiative energy, a scheme involving volume-based Monte Carlo estimators is used to allow properties of the emergent radiation field to be extracted for specific viewing angles in a multidimensional structure. This eliminates the need to compute spectra or light curves by angular binning of emergent quanta. The code is applied to two test problems to illustrate consequences of multidimensional structure on the modelling of light curves. First, elliptical models are used to quantify how large-scale asphericity can introduce angular dependence to light curves. Secondly, a model which incorporates complex structural inhomogeneity, as predicted by modern explosion models, is used to investigate how such structure may affect light-curve properties. © 2006 RAS.

Stout: Cloudy's Atomic and Molecular Database

We describe a new atomic and molecular database we developed for use in the spectral synthesis code Cloudy. The design of Stout is driven by the data needs of Cloudy, which simulates molecular, atomic, and ionized gas with kinetic temperatures and densities spanning the low-to high-density limits. The radiation field between photon energies 10−8 Ry and 100 MeV is considered, along with all atoms and ions of the lightest 30 elements, and ~102 molecules. For ease of maintenance, the data are stored in a format as close as possible to the original data sources. Few data sources include the full range of data we need. We describe how we fill in the gaps in the data or extrapolate rates beyond their tabulated range. We tabulate data sources both for the atomic spectroscopic parameters and for collision data for the next release of Cloudy. This is not intended as a review of the current status of atomic data, but rather a description of the features of the database which we will build upon.

The high-energy environment in the super-Earth system CoRoT-7

High-energy irradiation of exoplanets has been identified to be a key influence on the stability of these planets' atmospheres. So far, irradiation-driven mass-loss has been observed only in two Hot Jupiters, and the observational data remain even more sparse in the super-Earth regime. We present an investigation of the high-energy emission in the CoRoT-7 system, which hosts the first known transiting super-Earth. To characterize the high-energy XUV radiation field into which the rocky planets CoRoT-7b and CoRoT-7c are immersed, we analyzed a 25 ks XMM-Newton observation of the host star. Our analysis yields the first clear (3.5σ) X-ray detection of CoRoT-7. We determine a coronal temperature of ≈ 3 MK and an X-ray luminosity of 3 × 1028 erg s-1. The level of XUV irradiation on CoRoT-7b amounts to ≈37 000 erg cm-2 s-1. Current theories for planetary evaporation can only provide an order-of-magnitude estimate for the planetary mass loss; assuming that CoRoT-7b has formed as a rocky planet, we estimate that CoRoT-7b evaporates at a rate of about 1.3 × 1011 g s-1 and has lost ≈4-10 earth masses in total.

Étude des collisions proton-proton dans l’expérience ATLAS avec les détecteurs ATLAS-MPX

Les seize détecteurs MPX constituant le réseau ATLAS-MPX ont été placés à différentes positions dans le détecteur ATLAS et sa averne au CERN dans le but de mesurer en emps réel les champs de radiation produits ar des particules primaires (protons des faisceaux) et des particules secondaires (kaons, pions, g, protons) issues des collisions proton-proton. Des films de polyéthylène (PE) et de fluorure de lithium (6LiF) recouvrent les détecteurs afin d’augmenter leur sensibilité aux neutrons produits par les particules primaires et secondaires interagissant avec les matériaux présents dans l’environnement d’ATLAS. La reconnaissance des traces laissées par les particules dans un détecteur ATLAS-MPX se fait à partir des algorithmes du logiciel MAFalda (“Medipix Analysis Framework”) basé sur les librairies et le logiciel d’analyse de données ROOT. Une étude sur le taux d’identifications erronées et le chevauchement d’amas a été faite en reconstruisant les activités des sources 106Ru et 137Cs. L’efficacité de détection des neutrons rapides a été mesurée à l’aide des sources 252Cf et 241AmBe (neutrons d’énergie moyenne de 2.13 et 4.08 MeV respectivement). La moyenne des efficacités de détection mesurées pour les neutrons produits par les sources 252C f et 241AmBe a été calculée pour les convertisseurs 6LiF et PE et donnent (0.8580 ± 0.1490)% et (0.0254 ± 0.0031)% pour LiF et (0.0510 ± 0.0061)% et (0.0591 ± 0.0063)% pour PE à bas et à haut seuil d’énergie respectivement. Une simulation du calcul de l’efficacité de détection des neutrons dans le détecteur MPX a été réalisée avec le logiciel GEANT4. Des données MPX correspondant aux collisions proton-proton à 2.4 TeV et à 7 TeV dans le centre de masse ont été analysées. Les flux détectés d’électrons et de photons sont particulièrement élevés dans les détecteurs MPX01 et MPX14 car ils sont plus près du point de collision. Des flux de neutrons ont été estimés en utilisant les efficacités de détection mesurées. Une corrélation avec la luminosité du LHC a été établie et on prédit que pour les collisions à 14 TeV dans le centre de masse et avec une luminosité de 10^34 cm-1*s-1 il y aura environ 5.1x10^8 ± 1.5x10^7 et 1.6x10^9 ± 6.3x10^7 particules détectées par les détecteurs MPX01 et MPX14 respectivement.

Détection des événements de "Minimum Bias" et neutrons avec les détecteurs ATLAS-MPX par simulations

Un réseau de seize détecteurs ATLAS-MPX a été mis en opération dans le détecteur ATLAS au LHC du CERN. Les détecteurs ATLAS-MPX sont sensibles au champ mixte de radiation de photons et d’électrons dans la caverne d’ATLAS et sont recouverts de convertisseurs de fluorure de lithium et de polyéthylène pour augmenter l’efficacité de détection des neutrons thermiques et des neutrons rapides respectivement. Les collisions à haute énergie sont dominées par des interactions partoniques avec petit moment transverse pT , associés à des événements de “minimum bias”. Dans notre cas la collision proton-proton se produit avec une énergie de 7 TeV dans le centre de masse avec une luminosité de 10³⁴cm⁻²s⁻¹ telle que fixée dans les simulations. On utilise la simulation des événements de "minimum bias" générés par PYTHIA en utilisant le cadre Athena qui fait une simulation GEANT4 complète du détecteur ATLAS pour mesurer le nombre de photons, d’électrons, des muons qui peuvent atteindre les détecteurs ATLASMPX dont les positions de chaque détecteur sont incluses dans les algorithmes d’Athena. Nous mesurons les flux de neutrons thermiques et rapides, générés par GCALOR, dans les régions de fluorure de lithium et de polyéthylène respectivement. Les résultats des événements de “minimum bias” et les flux de neutrons thermiques et rapides obtenus des simulations sont comparés aux mesures réelles des détecteurs ATLAS-MPX.

Mesures et analyses de la luminosité d’ATLAS grâce aux détecteurs MPX

Medipix2 (MPX) sont des détecteurs semi-conducteurs au silicium montés sur 256x256 pixels. Chaque pixel a une aire de 55x55μm2. L’aire active d’un détecteur MPX est d’environ 2 cm2. Avec deux modes de détection, un seuil et un temps d’exposition ajustables, leur utilisation peut être optimisée pour une analyse spécifique. Seize de ces détecteurs sont présentement installés dans l’expérience ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) au CERN (Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire). Ils mesurent en temps réel le champ de radiation dû aux collisions proton-proton, au point d’interaction IP1 (Point d’Interaction 1) du LHC (Grand Collisionneur d’Hadrons). Ces mesures ont divers buts comme par exemple la mesure du champ de neutrons dans la caverne d’ATLAS. Le réseau de détecteurs MPX est complètement indépendant du détecteur ATLAS. Le groupe ATLAS-Montréal s’est intéressé à l’analyse des données récoltées par ces détecteurs pour calculer une valeur de la luminosité du LHC au point de collision des faisceaux, autour duquel est construit le détecteur ATLAS. Cette valeur est déterminée indépendamment de la luminosité mesurée par les divers sous-détecteurs d’ATLAS dédiés spécifiquement à la mesure de la luminosité. Avec l’augmentation de la luminosité du LHC les détecteurs MPX les plus proches du point d’interaction détectent un grand nombre de particules dont les traces sont impossibles à distinguer sur les images ("frames") obtenues, à cause de leur recouvrement. Les paramètres de mesure de certains de ces détecteurs ont été optimisés pour des mesures de luminosité. Une méthode d’analyse des données permet de filtrer les pixels bruyants et de convertir les données des images, qui correspondent à des temps d’exposition propres aux détecteurs MPX, en valeur de luminosité pour chaque LumiBlock. Un LumiBlock est un intervalle de temps de mesure propre au détecteur ATLAS. On a validé les mesures de luminosité premièrement en comparant les résultats obtenus par différents détecteurs MPX, et ensuite en comparant les valeurs de luminosité relevées à celles obtenues par les sous-détecteurs d’ATLAS dédiés spécifiquement à la mesure de la luminosité.