Bestimmung der Ionisationsenergie von Actinium und Ultraspurenanalyse von Plutonium mit resonanter Ionisationsmassenspektrometrie (RIMS)

ZusammenfassungDie Resonanzionisationsmassenspektrometrie (RIMS) verbindet hohe Elementselektivität mit guter Nachweiseffizienz. Aufgrund dieser Eigenschaften ist die Methode für Ultraspurenanalyse und Untersuchungen an seltenen oder schwer handhabbaren Elementen gut geeignet. Für RIMS werden neutrale Atome mit monochromatischem Laserlicht ein- oder mehrfach resonant auf energetisch hoch liegende Niveaus angeregt und anschließend durch einen weiteren Laserstrahl oder durch ein elektrisches Feld ionisiert. Die Photoionen werden in einem Massenspektrometer massenselektiv registriert.Ein Beispiel für die Anwendung von RIMS ist die präzise Bestimmung der Ionisationsenergie als fundamentale physikalisch-chemische Eigenschaft eines bestimmten Elements; insbesondere bei den Actinoiden ist die Kenntnis der Ionisationsenergie von Interesse, da es dort bis zur Anwendung der laser-massenspektroskopischer Methode nur wenige experimentelle Daten gab. Die Bestimmung der Ionisationsenergie erfolgt durch die Methode der Photoionisation im elektrischen Feld gemäß dem klassischen Sattelpunktsmodell. Im Experiment werden neutrale Atome in einem Atomstrahl mittels Laserlicht zunächst resonant angeregt. Die angeregten Atome befinden sich in einem äußeren, statischen elektrischen Feld und werden durch einen weiteren Laserstrahl, dessen Wellenlänge durchgestimmt wird, ionisiert. Das Überschreiten der Laserschwelle macht sich durch einen starken Anstieg im Ionensignal bemerkbar. Man führt diese Messung bei verschiedenen elektrischen Feldstärken durch und erhält bei Auftragen der Ionisationsschwellen gegen die Wurzel der elektrischen Feldstärke durch Extrapolation auf die Feldstärke Null die Ionisationsenergie.Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Ionisationsenergie von Actinium erstmalig zu 43398(3) cm-1 º 5,3807(4) eV experimentell bestimmt. Dazu wurden Actiniumatome zunächst einstufig resonant mit einem Laser mit einer Wellenlänge von 388,67 nm auf einen Zustand bei 25729,03 cm-1 angeregt und anschließend mit Laserlicht mit einer Wellenlänge von ca. 568 nm ionisiert. Damit sind die Ionisationsenergien aller Actinoiden bis einschließlich Einsteinium mit Ausnahme von Protactinium bekannt. Als Atomstrahlquelle wird ein spezielles 'Sandwichfilament' benutzt, bei dem das Actinoid als Hydroxid auf eine Tantalfolie aufgebracht und mit einer reduzierenden Deckschicht überzogen wird. Das Actinoid dampft bei Heizen dieser Anordnung atomar ab. Bei den schwereren Actinoiden wurde Titan als Deckschicht verwendet. Um einen Actiniumatomstrahl zu erzeugen, wurde aufgrund der hohen Abdampftemperaturen statt Titan erstmals Zirkonium eingesetzt. Bei Protactinium wurde Thorium, welches noch stärkere Reduktionseigenschaften aufweist, als Deckmaterial eingesetzt. Trotzdem gelang es mit der 'Sandwichtechnik' nicht, einen Protactiniumatomstrahl zu erzeugen. In der Flugzeitapparatur wurde lediglich ein Protactinium-monoxidionensignal detektiert. Um ein erst seit kurzem verfügbares Fest-körperlasersystem zu explorieren, wurden zusätzlich noch die bekannten Ionisations-ener-gien von Gadolinium und Plutonium erneut bestimmt. Die gemessenen Werte stimmen mit Literaturdaten gut überein.Ferner wurde noch ein bestehender Trennungsgang für Plutonium aus Umweltproben auf die Matrices Meerwasser und Hausstaub angepasst und für die Bestimmung von Plutonium und dessen Isotopenzusammensetzung in verschiedenen Probenreihen mittels RIMS eingesetzt. Der modifizierte Trennungsgang ermöglicht das schnelle Aufarbeiten von großen Probenmengen für Reihenuntersuchungen von Plutoniumkontaminationen. Die ermittelten Gehalten an 239Pu lagen zwischen 8,2*107 Atome pro 10 l Meerwasserprobe und 1,7*109Atome pro Gramm Staubprobe.

Spurenanalyse von Aktiniden in der Umwelt mittels Resonanzionisations-Massenspektrometrie

In dieser Arbeit wurde die Methode der resonanten Ionisation von neutralen Atomen mittels Laserstrahlung auf die leichten Aktinide Thorium, Uran, Neptunium und Plutonium angewendet und für die Ultraspurenanalyse optimiert. Der empfindliche Nachweis dieser Aktinide stellt eine Herausforderung für die Beobachtung und Bestimmung von radioaktiven Verunreinigungen aus kerntechnischen Anlagen in der Umwelt dar. In einem für diese Untersuchungen entwickelten Quadrupolmassenspektrometer konnte durch Resonanzionisationsspektroskopie jeweils eine Reihe unbekannter Energiezustände in der Elektronenhülle des neutralen Atoms der oben genannten Aktinide identifiziert, sowie effiziente Anregungsschemata für die resonante Ionisation entwickelt und charakterisiert werden. Durch die verwendete in-source-Ionisation, die aufgrund der guten Überlagerung von Laserstrahlung und Atomstrahl eine hohe Nachweiseffizienz gewährleistet, konnten diese Untersuchungen bereits mit einem, für Radionuklide notwendigen, geringen Probeneintrag erfolgen. Die resonante Ionisation erlaubt durch die selektiven resonanten Prozesse eine Unterdrückung unerwünschter Kontaminationen und wurde auf den analytischen Nachweis von Ultraspurengehalten in Umweltproben, sowie die Bestimmung der entsprechenden Isotopenzusammensetzung optimiert. Durch die effiziente in-source-Ionisation mit leistungsstarker gepulster Laserstrahlung, konnten Nachweiseffizienzen im Bereich von bis zu 1% erreicht werden. Dabei wurden für Plutonium in synthetischen Proben, aber auch in ersten Umweltproben, Nachweisgrenzen von 10^4-10^5 Atomen erzielt. Die Verwendung spektral schmalbandiger Dauerstrichlaser und eine Ionisation transversal zum frei propagierenden Atomstrahl ermöglicht durch Auflösung der Isotopieverschiebung eine hohe Selektivität gegenüber dominanten Nachbarisotopen, wohingegen die Ionisationseffizienz deutlich abnimmt. Hiermit konnte für das Ultraspurenisotop U-236 eine Nachweisgrenze bis hinab zu 10^-9 für das Isotopenverhältnis N(U-236)/N(U-238) bestimmt werden.

Interacting Bose-Fermi mixtures in optical lattices

In this thesis, we investigate mixtures of quantum degenerate Bose and Fermi gases of neutral atoms in threedimensional optical lattices. Feshbach resonances allow to control interspecies interactions in these systems precisely, by preparing suitable combinations of internal atomic states and applying external magnetic fields. This way, the system behaviour can be tuned continuously from mutual transparency to strongly interacting correlated phases, up to the stability boundary.rnThe starting point for these investigations is the spin-polarized fermionic band insulator. The properties of this non-interacting system are fully determined by the Pauli exclusion principle for the occupation of states in the lattice. A striking demonstration of the latter can be found in the antibunching of the density-density correlation of atoms released from the lattice. If bosonic atoms are added to this system, isolated heteronuclear molecules can be formed on the lattice sites via radio-frequency stimulation. The efficiency of this process hints at a modification of the atom number distribution over the lattice caused by interspecies interaction.rnIn the following, we investigate systems with tunable interspecies interaction. To this end, a method is developed which allows to assess the various contributions to the system Hamiltonian both qualitatively and quantitatively by following the quantum phase diffusion of the bosonic matter wave.rnBesides a modification of occupation number statistics, these measurements show a significant renormalization of the bosonic Hubbard parameters. The final part of the thesis considers the implications of this renormalization effect on the many particle physics in the mixture. Here, we demonstrate how the quantum phase transition from a bosonic superfluid to a Mott insulator state is shifted towards considerably shallower lattices due to renormalization.

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.

Local Interstellar Medium: Six Years of Direct Sampling by IBEX

The Interstellar Boundary Explorer (IBEX) has been directly observing neutral atoms from the local interstellar medium for the last six years (2009–2014). This paper ties together the 14 studies in this Astrophysical Journal Supplement Series Special Issue, which collectively describe the IBEX interstellar neutral results from this epoch and provide a number of other relevant theoretical and observational results. Interstellar neutrals interact with each other and with the ionized portion of the interstellar population in the “pristine” interstellar medium ahead of the heliosphere. Then, in the heliosphereʼs close vicinity, the interstellar medium begins to interact with escaping heliospheric neutrals. In this study, we compare the results from two major analysis approaches led by IBEX groups in New Hampshire and Warsaw. We also directly address the question of the distance upstream to the pristine interstellar medium and adjust both sets of results to a common distance of ~1000 AU. The two analysis approaches are quite different, but yield fully consistent measurements of the interstellar He flow properties, further validating our findings. While detailed error bars are given for both approaches, we recommend that for most purposes, the community use “working values” of ~25.4 km s⁻¹, ~75°7 ecliptic inflow longitude, ~−5°1 ecliptic inflow latitude, and ~7500 K temperature at ~1000 AU upstream. Finally, we briefly address future opportunities for even better interstellar neutral observations to be provided by the Interstellar Mapping and Acceleration Probe mission, which was recommended as the next major Heliophysics mission by the NRCʼs 2013 Decadal Survey.

Selected tables from Atomic energy levels.

Volume I [compiled] by Charlotte E. Moore, reprinted from National Bureau of Standards Circular 467, issued 1949.

Blue-detuned optical ring trap for Bose-Einstein condensates based on conical refraction

We present a novel approach for the optical manipulation of neutral atoms in annular light structures produced by the phenomenon of conical refraction occurring in biaxial optical crystals. For a beam focused to a plane behind the crystal, the focal plane exhibits two concentric bright rings enclosing a ring of null intensity called the Poggendorff ring. We demonstrate both theoretically and experimentally that the Poggendorff dark ring of conical refraction is confined in three dimensions by regions of higher intensity. We derive the positions of the confining intensity maxima and minima and discuss the application of the Poggendorff ring for trapping ultra-cold atoms using the repulsive dipole force of blue-detuned light. We give analytical expressions for the trapping frequencies and potential depths along both the radial and the axial directions. Finally, we present realistic numerical simulations of the dynamics of a 87Rb Bose-Einstein condensate trapped inside the Poggendorff ring which are in good agreement with corresponding experimental results.

Nanofiber control of ultracold quantum gases

While a great amount of attention is being given to the development of nanodevices, both through academic research and private industry, the field is still on the verge. Progress hinges upon the development of tools and components that can precisely control the interaction between light and matter, and that can be efficiently integrated into nano-devices. Nanofibers are one of the most promising candidates for such purposes. However, in order to fully exploit their potential, a more intimate knowledge of how nanofibers interact with single neutral atoms must be gained. As we learn more about the properties of nanofiber modes, and the way they interface with atoms, and as the technology develops that allows them to be prepared with more precisely known properties, they become more and more adaptable and effective. The work presented in this thesis touches on many topics, which is testament to the broad range of applications and high degree of promise that nanofibers hold. For immediate use, we need to fully grasp how they can be best implemented as sensors, filters, detectors, and switches in existing nano-technologies. Areas of interest also include how they might be best exploited for probing atom-surface interactions, single-atom detection and single photon generation. Nanofiber research is also motivated by their potential integration into fundamental cold atom quantum experiments, and the role they can play there. Combining nanofibers with existing optical and quantum technologies is a powerful strategy for advancing areas like quantum computation, quantum information processing, and quantum communication. In this thesis I present a variety of theoretical work, which explores a range of the applications listed above. The first work presented concerns the use of the evanescent fields around a nanofiber to manipulate an existing trapping geometry and therefore influence the centre-of-mass dynamics of the atom. The second work presented explores interesting trapping geometries that can be achieved in the vicinity of a fiber in which just four modes are allowed to propagate. In a third study I explore the use of a nanofiber as a detector of small numbers of photons by calculating the rate of emission into the fiber modes when the fiber is moved along next to a regularly separated array of atoms. Also included are some results from a work in progress, where I consider the scattered field that appears along the nanofiber axis when a small number of atoms trapped along that axis are illuminated orthogonally; some interesting preliminary results are outlined. Finally, in contrast with the rest of the thesis, I consider some interesting physics that can be done in one of the trapping geometries that can be created around the fiber, here I explore the ground states of a phase separated two-component superfluid Bose-Einstein condensate trapped in a toroidal potential.

Trapping of neutral Rb-87 atoms on an atomchip

We report an experiment of trapping of neutral Rb-87 atoms on a, self-made atomchip. The H-shaped atomchip is made by magnetron sputtering technology, which is different from the atomchip technology of other teams. We collect 3 x 10(6) Rb-87 atoms in the mirror magneto-optical trap (MOT) using the external MOT coils, and 1 X 10(5) Rb-87 atoms are transferred to U-MOT using U-shaped wire in chip and a pair of bias coils.

Dissociative charge exchange and ionization of O-2 by fast H+ and O+ ions: Energetic ion interactions in Europa's oxygen atmosphere and neutral torus

Measurements of electron capture and ionization of O-2 molecules in collisions with H+ and O+ ions have been made over an energy range 10 - 100 keV. Cross sections for dissociative and nondissociative interactions have been separately determined using coincidence techniques. Nondissociative channels leading to O-2(+) product formation are shown to be dominant for both the H+ and the O+ projectiles in the capture collisions and only for the H+ projectiles in the ionization collisions. Dissociative channels are dominant for ionizing collisions involving O+ projectiles. The energy distributions of the O+ fragment products from collisions involving H+ and O+ have also been measured for the first time using time-of-flight methods, and the results are compared with those from other related studies. These measurements have been used to describe the interaction of the energetic ions trapped in Jupiter's magnetosphere with the very thin oxygen atmosphere of the icy satellite Europa. It is shown that the ionization of oxygen molecules is dominated by charge exchange plus ion impact ionization processes rather than photoionization. In addition, dissociation is predominately induced through excitation of electrons into high-lying repulsive energy states ( electronically) rather than arising from momentum transfer from knock-on collisions between colliding nuclei, which are the only processes included in current models. Future modeling will need to include both these processes.