A table-top laser-based source of short, collimated, ultra-relativistic positron beams

An ultra-relativistic electron beam passing through a thick, high-Z solid target triggers an electromagnetic cascade, whereby a large number of high energy photons and electron-positron pairs are produced. By exploiting this physical process, we present here the first experimental evidence of the generation of ultra-short, highly collimated and ultra-relativistic positron beams following the interaction of a laser-wake field accelerated electron beam with high-Z solid targets. Clear evidence has also been obtained of the generation of GeV electron-positron jets with variable composition depending on the solid target material and thickness. The percentage of positrons in the overall leptonic beam has been observed to vary from a few per cent up to almost fifty per cent, implying a quasi-neutral electron-positron beam. We anticipate that these beams will be of direct relevance to the laboratory study of astrophysical leptonic jets and their interaction with the interstellar medium.

X-ray Polarization Measurements of Dense Plasmas Heated by Fast Electrons

The detailed knowledge of fast electron energy transport following interaction with high-intensity, ultra-short laser pulses is a key area for secondary source generation for ELI. We demonstrate polarization spectroscopy at laser intensities up to 10(21) Wcm(-2). This is significant as it suggests that in situ emission spectroscopy may be used as an effective probe of fast electron velocity distributions in regimes relevant to electron transport in solid targets. Ly-alpha doublet emission of nickel (Z = 28) and sulphur (Z = 16) is observed to measure the degree of polarization from the Ly-alpha(1) emission. Ly-alpha(2) emission is unpolarized, and as such acts as a calibration source between spectrometers. The measured ratio of the X-ray sigma- and pi-polarization allows the possibility to infer the velocity distribution function of the fast electron beam.

X-ray Polarization Spectroscopy from Ultra-Intense Interactions

Detailed knowledge of fast electron energy transport following the interaction of ultrashort intense laser pulses is a key subject for fast ignition. This is a problem relevant to many areas of laser-plasma physics with particular importance to fast ignition and X-ray secondary source development, necessary for the development of large-scale facilities such as HiPER and ELI. Operating two orthogonal crystal spectrometers set at Bragg angles close to 45 degrees determines the X-ray s- and p-polarization ratio. From this ratio, it is possible to infer the velocity distribution function of the fast electron beam within the dense plasma. We report on results of polarization measurements at high density for sulphur and nickel buried layer targets in the high intensity range of 10(19) - 10(21) Wcm(-2). We observe at 45 degrees the Ly-alpha doublet using two sets of orthogonal highly-orientated pyrolytic graphite (HOPG) crystals set in 1(st) order for sulphur and 3(rd) order for nickel.

Irradiation of bioresorbable biomaterials for controlled surface degradation

Bioresorbable polymers increasingly are the materials of choice for implantable orthopaedic fixation devices. Controlled degradation of these polymers is vital for preservation of mechanical properties during tissue repair and controlled release of incorporated agents such as osteoconductive or anti-microbial additives. The work outlined in this paper investigates the use of low energy electron beam irradiation to surface modify polyhydroxyacid samples incorporating beta tricalcium phosphate (β-TCP). This work uniquely demonstrates that surface modification of bioresorbable polymers through electron beam irradiation allows for the early release of incorporated agents such as bioactive additives. Samples were e-beam irradiated at an energy of 125 keV and doses of either 150 kGy or 500 kGy. Irradiated and non-irradiated samples were degraded in phosphate buffered saline (PBS), to simulate bioresorption, followed by characterisation. The results show that low energy e-beam irradiation enhances surface hydrolytic degradation in comparison to bulk and furthermore allows for earlier release of incorporated calcium via dissolution into the surrounding medium.

A laser driven pulsed X-ray backscatter technique for enhanced penetrative imaging

X-ray backscatter imaging can be used for a wide range of imaging applications, in particular for industrial inspection and portal security. Currently, the application of this imaging technique to the detection of landmines is limited due to the surrounding sand or soil strongly attenuating the 10s to 100s of keV X-rays required for backscatter imaging. Here, we introduce a new approach involving a 140 MeV short-pulse (< 100 fs) electron beam generated by laser wakefield acceleration to probe the sample, which produces Bremsstrahlung X-rays within the sample enabling greater depths to be imaged. A variety of detector and scintillator configurations are examined, with the best time response seen from an absorptive coated BaF₂ scintillator with a bandpass filter to remove the slow scintillation emission components. An X-ray backscatter image of an array of different density and atomic number items is demonstrated. The use of a compact laser wakefield accelerator to generate the electron source, combined with the rapid development of more compact, efficient and higher repetition rate high power laser systems will make this system feasible for applications in the field.

Optically controlled dense current structures driven by relativistic plasma aperture-induced diffraction

The collective response of charged particles to intense fields is intrinsic to plasma accelerators and radiation sources, relativistic optics and many astrophysical phenomena. Here we show that a relativistic plasma aperture is generated in thin foils by intense laser light, resulting in the fundamental optical process of diffraction. The plasma electrons collectively respond to the resulting laser near-field diffraction pattern, producing a beam of energetic electrons with a spatial structure that can be controlled by variation of the laser pulse parameters. It is shown that static electron-beam and induced-magnetic-field structures can be made to rotate at fixed or variable angular frequencies depending on the degree of ellipticity in the laser polarization. The concept is demonstrated numerically and verified experimentally, and is an important step towards optical control of charged particle dynamics in laser-driven dense plasma sources.

Laser-driven x-ray and neutron source development for industrial applications of plasma accelerators

Pulsed beams of energetic x-rays and neutrons from intense laser interactions with solid foils are promising for applications where bright, small emission area sources, capable of multi-modal delivery are ideal. Possible end users of laser-driven multi-modal sources are those requiring advanced non-destructive inspection techniques in industry sectors of high value commerce such as aerospace, nuclear and advanced manufacturing. We report on experimental work that demonstrates multi-modal operation of high power laser-solid interactions for neutron and x-ray beam generation. Measurements and Monte Carlo radiation transport simulations show that neutron yield is increased by a factor ∼2 when a 1 mm copper foil is placed behind a 2 mm lithium foil, compared to using a 2 cm block of lithium only. We explore x-ray generation with a 10 picosecond drive pulse in order to tailor the spectral content for radiography with medium density alloy metals. The impact of using >1 ps pulse duration on laser-accelerated electron beam generation and transport is discussed alongside the optimisation of subsequent bremsstrahlung emission in thin, high atomic number target foils. X-ray spectra are deconvolved from spectrometer measurements and simulation data generated using the GEANT4 Monte Carlo code. We also demonstrate the unique capability of laser-driven x-rays in being able to deliver single pulse high spatial resolution projection imaging of thick metallic objects. Active detector radiographic imaging of industrially relevant sample objects with a 10 ps drive pulse is presented for the first time, demonstrating that features of 200 μm size are resolved when projected at high magnification.

Photon nanojet lens: Design, fabrication and characterization

In this paper, a novel nanolens with super resolution, based on the photon nanojet effect through dielectric nanostructures in visible wavelengths, is proposed. The nanolens is made from plastic SU-8, consisting of parallel semi-cylinders in an array. This paper focuses on the lens designed by numerical simulation with the finite-difference time domain method and nanofabrication of the lens by grayscale electron beam lithography combined with a casting/bonding/lift-off transfer process. Monte Carlo simulation for injected charge distribution and development modeling was applied to define the resultant 3D profile in PMMA as the template for the lens shape. After the casting/bonding/lift-off process, the fabricated nanolens in SU-8 has the desired lens shape, very close to that of PMMA, indicating that the pattern transfer process developed in this work can be reliably applied not only for the fabrication of the lens but also for other 3D nanopatterns in general. The light distribution through the lens near its surface was initially characterized by a scanning near-field optical microscope, showing a well defined focusing image of designed grating lines. Such focusing function supports the great prospects of developing a novel nanolithography based on the photon nanojet effect.

M Dwarf Flare Continuum Variations on One-second Timescales: Calibrating and Modeling of ULTRACAM Flare Color Indices

We present a large data set of high-cadence dMe flare light curves obtained with custom continuum filters on the triple-beam, high-speed camera system ULTRACAM. The measurements provide constraints for models of the near-ultraviolet (NUV) and optical continuum spectral evolution on timescales of ≈1 s. We provide a robust interpretation of the flare emission in the ULTRACAM filters using simultaneously obtained low-resolution spectra during two moderate-sized flares in the dM4.5e star YZ CMi. By avoiding the spectral complexity within the broadband Johnson filters, the ULTRACAM filters are shown to characterize bona fide continuum emission in the NUV, blue, and red wavelength regimes. The NUV/blue flux ratio in flares is equivalent to a Balmer jump ratio, and the blue/red flux ratio provides an estimate for the color temperature of the optical continuum emission. We present a new “color-color” relationship for these continuum flux ratios at the peaks of the flares. Using the RADYN and RH codes, we interpret the ULTRACAM filter emission using the dominant emission processes from a radiative-hydrodynamic flare model with a high nonthermal electron beam flux, which explains a hot, T ≈ 104 K, color temperature at blue-to-red optical wavelengths and a small Balmer jump ratio as observed in moderate-sized and large flares alike. We also discuss the high time resolution, high signal-to-noise continuum color variations observed in YZ CMi during a giant flare, which increased the NUV flux from this star by over a factor of 100. Based on observations obtained with the Apache Point Observatory 3.5 m telescope, which is owned and operated by the Astrophysical Research Consortium, based on observations made with the William Herschel Telescope operated on the island of La Palma by the Isaac Newton Group in the Spanish Observatorio del Roque de los Muchachos of the Instituto de Astrofsica de Canarias, and observations, and based on observations made with the ESO Telescopes at the La Silla Paranal Observatory under programme ID 085.D-0501(A).

Bottom up strategies for the morphology control of BaTiO3 particulates

As propriedades funcionais dos materiais ferroeléctricos tais como a polarização reversível, piroelectricidade, piezoelectricidade, elevada actividade óptica não linear e comportamento dieléctrico não linear são fundamentais para a sua aplicação em sensores, microactuadores, detectores de infravermelhos, filtros de fase de microondas e memórias não-voláteis. Nos últimos anos, motivado pelas necessidades industriais de redução do tamanho dos dispositivos microelectrónicos, aumentando a eficiência volumétrica, tem sido feito um grande esforço ao nível da investigação para desenvolver estruturas ferroeléctricas à escala micro- e nano- métrica. É sabido que a redução de tamanho em materiais ferroeléctricos afecta significamente as suas propriedades. Neste sentido e considerando que foi previsto teoreticamente por cálculos ab initio que estruturas do tipo nanocilindros e nanodiscos apresentariam um novo tipo de ordem ferroeléctrica e, na expectativa de alcançar conhecimento para o desenvolvimento de uma nova geração de dispositivos microelectróncos, existe um grande interesse em desenvolver métodos de fabrico de nanoestruturas ferroeléctricas unidimensionais (1D) tais como nanocilindros e nanotubos. As estratégias de fabrico de nanoestruturas 1D até agora descritas na literatura indicam claramente as dificuldades inerentes à sua preparação. Existem duas grandes vias de síntese destas nanoestruturas: i) o método “topdown” que consiste na redução de tamanho de um dado material até à obtenção duma estrutura 1D; e ii) o método “bottom-up” em que átomos, iões e moléculas são agrupados para formar um material 1D. O método “top down” envolve em geral técnicas de desgaste, como o uso do feixe de electrões, que apesar de permitirem elevada precisão no posicionamento e no controlo do tamanho, falham em termos de resolução, exigem muito tempo e causam facilmente defeitos que deterioram as propriedades físicas destes materiais. Na metodologia “bottom up” a utilização de moléculas ou estruturas “molde” tem sido a mais explorada. As estructuras 1D podem também ser preparadas sem recorrer a “moldes”. Neste caso a agregação orientada é promovida pelo recurso a aditivos que controlam o crescimento dos cristais em direcções preferenciais. Neste contexto, neste trabalho utilizaram-se duas estratégias “bottom up” de baixo custo para a preparação de nanopartículas de titanato de bário (BaTiO3) com morfologia controlada: 1) síntese química (em solução e em fase vapor) com utilização de nanotubos de titanato TiNTs) como “moldes” e precursores de titânio 2) síntese química em solução com presença de aditivos. Os nanotubos de titanato de sódio foram preparados por síntese hidrotermal. Como existiam muitas dúvidas acerca da natureza estrutural e do mecanismo de formação dos NTs, a parte inicial do trabalho foi dedicada à realização de um estudo sistemático dos parâmetros intervenientes na síntese e à caracterização da sua estrutura e microestrutura. Foi demonstrado que os NTs têm a fórmula geral A2Ti2O5 (A = H+ or Na+), e não TiO2 (anátase) com defendido por vários autores na literatura, e podem ser preparados por método hidrotermal em meio fortemente alcalino usando como fonte de titânio TiO2 comercial na forma de anátase ou rútilo. A menor reactividade do rútilo exige temperaturas de síntese superiores ou tempos de reacção mais longos. A forma tubular resulta do tratamento hidrotermal e não de processos de lavagem e neutralização subsequentes. Se os NTs forem tratados após a síntese hidrotérmica em água a 200 ºC, transformam-se em nanocilindros. Uma das partes principais desta tese consistiu na investigação do papel dos NTs de titanato no crescimento anisotrópico de BaTiO3. O potencial funcionamento dos NTs como “moldes” para além de precursores foi testado em reacção com hidróxido de bário em síntese em solução e por reacção com um precursor orgânico de bário em fase vapor. Tendo por base os estudos cinéticos realizados, bem como as alterações estruturais e morfológicas das amostras, é possível concluir que a formação do BaTiO3 a partir de NTs de titanato de sódio, ocorre por dois mecanismos dependendo da temperatura e tempo de reacção. Assim, a baixa temperatura e curto tempo de reacção verifica-se que se formam partículas dendríticas de BaTiO3 cuja superfície é bastante irregular (“wild”) e que apresentam estrutura pseudo-cúbica. Estas partículas formam-se por reacção topotáctica na fronteira dos nanotubos de titanato de sódio. A temperaturas mais altas e/ou reacções mais longas, a reacção é controlada por um mecanismo de dissolução e precipitação com formação de dendrites de BaTiO3 tetragonais com superfície mais regular (“seaweed”). A microscopia de força piezoeléctrica mostrou que as dendrites “seaweeds“ possuem actividade piezoeléctrica superior à das dendrites “wild”, o que confirma o papel desempenhado pela estrutura e pela concentração de defeitos na rede na coerência e ordem ferroeléctrica de nanoestruturas. Os nossos resultados confirmam que os NTs de titanato não actuam facilmente como “moldes” na síntese em solução de BaTiO3 já que a velocidade de dissolução dos NTs em condições alcalinas é superior à velocidade de formação do BaTiO3. Assumindo que a velocidade de reacção dos NTs com o precursor de bário é superior em fase vapor, efectuou-se a deposição de um precursor orgânico de bário por deposição química de vapor sobre um filme de NTs de titnato de sódio depositados por deposição electroforética. Estudou-se a estabilidade dos NTs nas diferentes condições do reactor. Quando os NTs são tratados a temperaturas superiores a 700 ºC, ocorre a transformação dos NTs em nanocilindros de anatase por um mecanismo de agregação orientada. Quando se faz a deposição do precursor de bário, seguida de calcinação a 700 ºC em atmosfera oxidante de O2, verifica-se que a superficie dos NTs fica coberta com nanocristais de BaTiO3 independentemente da concentração de bário. O papel dos NTs de titanato no crescimento anisotrópico de BaTiO3 em fase vapor é assim descrito pela primeira vez. Em relação à metodologias de crescimento de partículas na ausência de “moldes” mas com aditivos fez-se um estudo sistemático utilizando 5 aditivos de natureza differente. As diferenças entre aditivos foram sistematizadas tendo em conta as diferenças estruturais e morfológicas verificadas. Está provado que os aditivos podem funcionar como modificadores de crescimento cristalino por alteração do seu padrão de crescimento ou por alteração da cinética de crescimento das faces cristalográficas do cristal. Entre os aditivos testados verificou-se que o ácido poliacrilíco adsorve em faces específicas do BaTiO3 alterando a cinética de crescimento e induzindo a agregação orientada das partículas. O polivinilpirrolidona, o docecilsulfato de sódio e hidroxipropilmetilcelulose actuam mais como inibidores de crescimento do que como modificadores do tipo de crescimento. A D-frutose aumenta a energia de activação da etapa de nucleação não ocorrendo formação de BaTiO3 para as mesmas condições dos outros aditivos. Esta tese clarifica o papel dos NTs de titanato de sódio enquanto precursores e “moldes” no crescimento anisotrópico de BaTiO3 em solução e em fase vapor. É feita também a abordagem do controlo morfológico do BaTiO3 através do uso de aditivos. As estratégias de preparação de BaTiO3 propostas são de baixo custo, reprodutíveis e fáceis de efectuar. Os resultados contribuem para uma melhor compreensão da relação tamanho – morfologia – propriedade em materiais ferroeléctricos nanométricos com vista à sua potencial aplicação.

Implantation et validation d’un modèle Monte Carlo du Cyberknife dans un outil de calcul de dose clinique

Le travail de modélisation a été réalisé à travers EGSnrc, un logiciel développé par le Conseil National de Recherche Canada.

Two-dimensional Photonic Crystals Fabricated by Nanoimprint Lithography

We report on the process parameters of nanoimprint lithography (NIL) for the fabrication of two-dimensional (2-D) photonic crystals. The nickel mould with 2-D photonic crystal patterns covering the area up to 20mm² is produced by electron-beam lithography (EBL) and electroplating. Periodic pillars as high as 200nm to 250nm are produced on the mould with the diameters ranging from 180nm to 400nm. The mould is employed for nanoimprinting on the poly-methyl-methacrylate (PMMA) layer spin-coated on the silicon substrate. Periodic air holes are formed in PMMA above its glass-transition temperature and the patterns on the mould are well transferred. This nanometer-size structure provided by NIL is subjective to further pattern transfer.

Comparación de la severidad y extensión de la enfermedad coronaria multivaso por Syntax Score en una poblaciòn de las Antillas Holandesas vs controles nacionales

En la Enfermedad Coronaria (EC) existen factores genéticos, socioculturales, medioambientales y raciales adicionales a los factores de riesgo cardiovascular mayores que podrían influir en su presentación. Se desconoce el impacto de la raza en la severidad de la enfermedad coronaria en los pacientes extranjeros que son enviados a nuestro Servicio. Objetivos: Comparar la severidad de la EC multivaso en una población de pacientes de las Antillas y Nacionales, pareados por la escala Framingham. Metodología: Realizamos un estudio de corte transversal, comparando pacientes colombianos contra pacientes provenientes de las Antillas holandesas con similares factores de riesgo según escala de Framingham, catalogándolos por grupos de riesgo bajo, intermedio, alto y muy alto. Todos con EC severa multivaso documentada por angiografía coronaria desde enero del 2009 hasta Junio de 2011. Se excluyeron pacientes con antecedentes de intervención percutánea o quirúrgica previa. Resultados: Ingresaron 115 pacientes internacionales y 115 pacientes nacionales. La relación hombres/mujeres 3:1. La proporción de grupos de riesgo fue de bajo riesgo 2.5%, intermedio 15%, alto 19.3%, y muy alto 63.4%. El Syntax Score en pacientes nacionales fue 14.3+/-7.4 y en internacionales 22.2+/-10.5 p: 0.002. Conclusiones: En pacientes provenientes de las Antillas Holandesas, valorados en nuestra institución, se observó una mayor severidad de la enfermedad coronaria comparada con una población nacional con factores de riesgo similares. Estos hallazgos sugieren la influencia de la raza y factores genéticos en la severidad y extensión de la EC

Self-consistent wave-particle interactions in dispersive scale long-period field-line-resonances

Using 1D Vlasov drift-kinetic computer simulations, it is shown that electron trapping in long period standing shear Alfven waves (SAWs) provides an efficient energy sink for wave energy that is much more effective than Landau damping. It is also suggested that the plasma environment of low altitude auroral-zone geomagnetic field lines is more suited to electron acceleration by inertial or kinetic scale Alfven waves. This is due to the self-consistent response of the electron distribution function to SAWs, which must accommodate the low altitude large-scale current system in standing waves. We characterize these effects in terms of the relative magnitude of the wave phase and electron thermal velocities. While particle trapping is shown to be significant across a wide range of plasma temperatures and wave frequencies, we find that electron beam formation in long period waves is more effective in relatively cold plasma.

FeNbP in ultra-low carbon Nb-added steel containing high P

Precipitation of FeTiP is reported to occur in Ti-added IF steels containing high P during thermomechanical processing. An ultra-low carbon (ULC) Nb-added steel ingot containing a higher P content (< 0.8 wt-%) was produced via aluminothermic reduction of Fe2O3 followed by double electron beam melting (EBM). FeNbP coarse precipitates were observed in the as-cast microstructure. After soaking at 1050C for 1 h, the plate was hot rolled from 31 mm down to 7 mm in thickness (total reduction of 77%). During cold rolling of these hot bands we observed embrittlement. We believe that this embrittlement can be attributed to the presence of the FeNbP precipitates. Light optical and scanning electron microscopy (SEM/EDS) were used to characterize the microstructure of this ULC steel. (C) 2000 Elsevier B.V. All rights reserved.