Entwicklung des Laserionenquellen und -fallenprojekts LIST für Ultraspurendetektion und Grundlagenforschung

Die vorliegende Dissertation beschreibt die Realisation des neuartigen Konzepts der Laserionenquellenfalle für die on-line Produktion exotischer Nuklide und für den Nachweis von Spurenisotopen in Proben mit starken Isobarenkontaminationen. Ziel dieser Entwicklung ist eine wesentliche Steigerung der Isobarenselektivität einer herkömmlichen Laserionenquelle, sowie die Erzeugung zeitlich kontrollierter Ionenpulse mit hervorragender Strahlqualität. Es konnte die prizipielle Funktionsfähigkeit des Systems in Kombination mit einem Titan:Saphir-Lasersystem für die Elemente Gallium, Calcium und Nickel demonstriert und Ionenpulse mit einer minimalen Pulslänge von 1 µs erzeugt werden. Nach ersten Abschätzungen ist die Effizienz des Systems etwa einen Faktor 2500 geringer als die einer herkömmlichen Laserionenquelle. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit dem spurenanalytischen Nachweis von 99-Tc, mit dem Ziel, das Verhalten von 99-Tc in der Umgebung eines möglichen Endlagers für nukleare Abfälle studieren zu können. Hier wurden erste Studien mit dem kurzlebigen Isomer 99m-Tc zur Wechselwirkung von Tc(VII) mit Huminsäure und Kaolinit durchgeführt. Für den Einsatz der Laserionenquellenfalle in der Ultraspurenanalyse, wurde ein effizientes Anregungsschema für Titan:Saphir-Laser entwickelt und 99-Tc in einer herkömmlichen Ionenquelle nachgewiesen. Der letzte Teil der Arbeit beschreibt Machbarkeitsstudien zum Aufbau einer Laserionenquelle auf Basis eines Titan:Sahphir-Lasersystems, die parallel zu oben genannten Entwicklungen am Oak Ridge National Laboratory durchgeführt wurden. Im Rahmen dieser Messungen wurden Anregungsschemata für die resonante Anregung und Ionisation von Kupfer und Palladium für Titan:Saphir-Laser getestet. Dabei konnte zum ersten Mal frequenzvervierfachtes Laserlicht in einer Laserionenquelle eingesetzt werden. Am ORNL wurden Studien zur Zeitstruktur von Laserionenpulsen, sowie Emittanzmessungen von Laser- und Oberflächenionenstrahlen durchgeführt werden.

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.

Spektroskopische Untersuchungen an Technetium und Silizium - Ein Festkörperlasersystem für die Resonanzionisationsspektroskopie

Diese Arbeit beschreibt eine wesentliche Weiterentwicklung des Titan:Saphir-Lasersystems der Arbeitsgruppe LARISSA am Institut für Physik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und dessen Anwendung im Bereich der Resonanzionisationsspektroskopie. Die Entwicklungsarbeiten am Lasersystem umfassten drei Aspekte: die Erhöhung der Ausgangsleistung der vorhandenen Titan:Saphir-Laser um einen Faktor zwei, um damit für den vorgesehenen Einsatz an resonanten Laserionenquellen an ISOL-Einrichtungen optimale Voraussetzungen zu schaffen. Des Weiteren wurden zwei spezielle angepasste Titan:Saphir-Laser entwickelt: Das Lasersystem wurde damit um einen von 700 nm - 950 nm kontinuierlich abstimmbaren Titan:Saphir-Laser sowie einen geseedeten Titan:Saphir-Laser mit einer Linienbreite von nur 20 MHz (im Vergleich zu 3 GHz der konventionellen Laser) erweitert. Die Leistungsfähigkeit des neuen Lasersystems wurde durch Resonanzionisationsspektroskopie hochangeregter atomarer Zustände in Gold und Technetium demonstriert. Aus den gemessenen Energielagen konnte über die Rydberg-Ritz-Formel das Ionisationspotential von Gold bestätigt werden und das von Technetium erstmals mit hoher Präzision bestimmt werden. Mit dem geseedeten Titan:Saphir-Laser wurde dopplerfreie Zwei-Photonen-Spektroskopie innerhalb eines heißen Ofens demonstriert. Bei spektroskopischen Untersuchungen mit dieser Methode an Siliziumisotopen konnte sowohl die Hyperfeinstruktur als auch die Isotopieverschiebung bei einer Breite der Resonanzen von etwa 90 MHz klar aufgelöst werden.

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.

Ionography of Submicron Foils and Nanostructures Using Ion Flow Generated in FS-Laser Cluster Plasma

A novel type of submicron ion radiography designed to image low-contrast objects, including nanofoils, membranes and biological structures, is proposed. It is based on femtosecond-laser-driven-cluster- plasma source of multicharged ions and polymer dosimeter film CR-39. The intense isotropic ion flow was produced by femtosecond Ti:Sa laser pulses with intensity similar to 4x10(17) W/cm(2) absorbed in the supersonic jet of the mixed He and CO2 gases. Two Focusing Spectrometers with Spatial Resolution (FSSR) were used to measure X-ray spectra of H-and He-like multicharged oxygen ions. The spectra testify that ions with energy more than 300 keV were radiated in different directions from the plasma source. High contrast ion radiography images were obtained for 2000 dpi metal mesh, 1 mu m polypropylene and 100 nm Zr foils as well as for the different biological objects. Images were recorded on a 1 mm thick CR-39 detector, placed in contact with back surface of the imaged samples at the distances 140 -160 mm from the ion source. The spatial resolution of the image no worse than 600 nm was provided. A difference in object thickness of 100 nm was very well resolved for both Zr and polymer foils. The ion radiography images recorded at different angles from the source, demonstrated almost uniform spatial distribution of ion with total number of 10(8) per shot. (C) 2009 WILEY-VCH Vertag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

Charge steering of laser plasma accelerated fast ions in a liquid spray - Creation of MeV negative ion and neutral atom beams

The scenario of electron capture and loss has been recently proposed for the formation of negative ion and neutral atom beams with up to MeV kinetic energy [S. Ter-Avetisyan, Appl. Phys. Lett. 99, 051501 (2011)]. Validation of these processes and of their generic nature is here provided in experiments where the ion source and the interaction medium have been spatially separated. Fast positive ions accelerated from a laser plasma source are sent through a cold spray where their charge is changed. Such formed neutral atom or negative ion has nearly the same momentum as the original positive ion. Experiments are released for protons, carbon, and oxygen ions and corresponding beams of negative ions and neutral atoms have been obtained. The electron capture and loss phenomenon is confirmed to be the origin of the negative ion and neutral atom beams. The equilibrium ratios of different charge components and cross sections have been measured. Our method is general and allows the creation of beams of neutral atoms and negative ions for different species which inherit the characteristics of the positive ion source.

Optimization of ion energy spread in inductively coupled plasma source designed for focused ion beam applications

The ion energy distribution of inductively coupled plasma ion source for focused ion beam application is measured using a four grid retarding field energy analyzer. Without using any Faraday shield, ion energy spread is found to be 50 eV or more. Moreover, the ion energy distribution is found to have double peaks showing that the power coupling to the plasma is not purely inductive, but a strong parasitic capacitive coupling is also present. By optimizing the various source parameters and Faraday shield, ion energy distribution having a single peak, well separated from zero energy and with ion energy spread of 4 eV is achieved. A novel plasma chamber, with proper Faraday shield is designed to ignite the plasma at low RF powers which otherwise would require 300-400 W of RF power. Optimization of various parameters of the ion source to achieve ions with very low energy spread and the experimental results are presented in this article. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Surface plasmon modulated nano-aperture vertical-cavity surface-emitting laser

We have fabricated surface plasmon modulated nano-aperture vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) from common 850 nm VCSELs using focus ion beam etching with Ga+ ion source. The far-field output power is about 0.3 mW at a driving current of 15 mA with a sub-wavelength aperture surrounded by concentric periodic grooves. The enhancement of transmission intensity can be explained by diffraction and enhanced fields associated with surface plasmon. This structure also exhibits beaming properties.

Fabrication of Windowed Very-Small-Aperture Laser Diodes

A windowed very-small-aperture laser 9VSAL0 source for use in high-resolution near field optical data storage is fabricated. The windowed regions are introduced to avoid shorting the pn junction with metal coating and suppress the COD effect. It facilitates producing VSAL by simplified technology and improves the laser performance. A VSAL with 400nm small sperture is demonstrated by focused ion beam (FIB0 and the output power is 0.3mW at 31mA.

ELECTRON-ENERGY DISTRIBUTION-FUNCTIONS AND NEGATIVE-ION CONCENTRATIONS IN TANDEM AND HYBRID MULTICUSP NEGATIVE HYDROGEN-ION SOURCES

The second derivative of a Langmuir probe characteristic is used to establish the electron energy distribution function (EEDF) in both a tandem and hybrid multicusp H- ion source. Moveable probes are used to establish the spatial variation of the EEDF. The negative ion density is measured by laser induced photo-detachment. In the case of the hybrid source the EEDF consists of a cold Maxwellian in the central region of the source; the electron temperature increases with increasing discharge current (rising from 0.3 eV at 1 A to 1.2 eV at 50 A when the pressure is 0.4 Pa). A hot-electron tail exists in the EEDF of the driver region adjacent to each filament which is shown to consist of a distinct group of primary electrons at low pressure (0.08 Pa) but becomes degraded mainly through inelastic collisions at higher pressures (0.27 Pa). The tandem source, on the other hand, has a single driver region which extends throughout the central region. The primary electron confinement times are much longer so that even at the lowest pressure considered (0.07 Pa) the primaries are degraded. In both cases the measured EEDF at specific locations and values of discharge operating parameters are used to establish the rate coefficients for the processes of importance in H- production and destruction.

Three-Dimensional Dynamics of Breakout Afterburner Ion Acceleration Using High-Contrast Short-Pulse Laser and Nanoscale Targets

Breakout afterburner (BOA) laser-ion acceleration has been demonstrated for the first time in the laboratory. In the BOA, an initially solid-density target undergoes relativistically induced transparency, initiating a period of enhanced ion acceleration. First-ever kinetic simulations of the BOA in three dimensions show that the ion beam forms lobes in the direction orthogonal to laser polarization and propagation. Analytic theory presented for the electron dynamics in the laser ponderomotive field explains how azimuthal symmetry breaks even for a symmetric laser intensity profile; these results are consistent with recent experiments at the Trident laser facility. © 2011 American Physical Society.

Radiobiology at ultra-high dose rates employing laser-driven ions

The potential that laser based particle accelerators offer to solve sizing and cost issues arising with conventional proton therapy has generated great interest in the understanding and development of laser ion acceleration, and in investigating the radiobiological effects induced by laser accelerated ions. Laser-driven ions are produced in bursts of ultra-short duration resulting in ultra-high dose rates, and an investigation at Queen's University Belfast was carried out to investigate this virtually unexplored regime of cell rdaiobiology. This employed the TARANIS terawatt laser producing protons in the MeV range for proton irradiation, with dose rates exceeding 10 Gys on a single exposure. A clonogenic assay was implemented to analyse the biological effect of proton irradiation on V79 cells, which, when compared to data obtained with the same cell line irradiated with conventionally accelerated protons, was found to show no significant difference. A Relative Biological effectiveness of 1.4±0.2 at 10 % Survival Fraction was estimated from a comparison with a 225 kVp X-ray source. © 2013 SPIE.

Progress in Laser-Driven Ion Acceleration towards Applications in Radiotherapy

We will outline recent progress, in the UK ASAIL laser-ion acceleration programme, which aims to advance laser-driven ion beams to the point at which they will become a serious alternative to conventional accelerators for radiotherapy.

Investigation and optimization of parameters affecting the multiply charged ion yield in AP-MALDI MS

Liquid matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI) allows the generation of predominantly multiply charged ions in atmospheric pressure (AP) MALDI ion sources for mass spectrometry (MS) analysis. The charge state distribution of the generated ions and the efficiency of the ion source in generating such ions crucially depend on the desolvation regime of the MALDI plume after desorption in the AP-tovacuum inlet. Both high temperature and a flow regime with increased residence time of the desorbed plume in the desolvation region promote the generation of multiply charged ions. Without such measures the application of an electric ion extraction field significantly increases the ion signal intensity of singly charged species while the detection of multiply charged species is less dependent on the extraction field. In general, optimization of high temperature application facilitates the predominant formation and detection of multiply charged compared to singly charged ion species. In this study an experimental setup and optimization strategy is described for liquid AP-MALDI MS which improves the ionization effi- ciency of selected ion species up to 14 times. In combination with ion mobility separation, the method allows the detection of multiply charged peptide and protein ions for analyte solution concentrations as low as 2 fmol/lL (0.5 lL, i.e. 1 fmol, deposited on the target) with very low sample consumption in the low nL-range.