Role of xanthophyll and water-water cycles in the protection of photosynthetic apparatus in Arbutus unedo and Arabidopsis thaliana

Photosynthetic organisms have sought out the delicate balance between efficient light harvesting under limited irradiance and regulated energy dissipation under excess irradiance. One of the protective mechanisms is the thermal energy dissipation through the xanthophyll cycle that may transform harmlessly the excitation energy into heat and thereby prevent the formation of damaging active oxygen species (AOS). Violaxanthin deepoxidase (VDE) converts violaxanthin (V) to antheraxanthin (A) and zeaxanthin (Z) defending the photosynthetic apparatus from excess of light. Another important biological pathway is the chloroplast water-water cycle, which is referred to the electrons from water generated in PSII reducing atmospheric O2 to water in PSI. This mechanism is active in the scavenging of AOS, when electron transport is slowed down by the over-reduction of NADPH pool. The control of the VDE gene and the variations of a set of physiological parameters, such as chlorophyll florescence and AOS content, have been investigated in response to excess of light and drought condition using Arabidopsis thaliana and Arbutus unedo.. Pigment analysis showed an unambiguous relationship between xanthophyll de-epoxidation state ((A+Z)/(V+A+Z)) and VDE mRNA amount in not-irrigated plants. Unexpectedly, gene expression is higher during the night when xanthophylls are mostly epoxidated and VDE activity is supposed to be very low than during the day. The importance of the water-water cycle in protecting the chloroplasts from light stress has been examined through Arabidopsis plant with a suppressed expression of the key enzyme of the cycle: the thylakoid-attached copper/zinc superoxide dismutase. The analysis revealed changes in transcript expression during leaf development consistent with a signalling role of AOS in plant defence responses but no difference was found any in photosynthesis efficiency or in AOS concentration after short-term exposure to excess of light. Environmental stresses such as drought may render previously optimal light levels excessive. In these circumstances the intrinsic regulations of photosynthetic electron transport like xanthophyll and water-water cycles might modify metabolism and gene expression in order to deal with increasing AOS.

Light energy management in peach: utilization, photoprotection , photodamage and recovery. Maximizing light absorption in orchard is not always the best solution

The relation between the intercepted light and orchard productivity was considered linear, although this dependence seems to be more subordinate to planting system rather than light intensity. At whole plant level not always the increase of irradiance determines productivity improvement. One of the reasons can be the plant intrinsic un-efficiency in using energy. Generally in full light only the 5 – 10% of the total incoming energy is allocated to net photosynthesis. Therefore preserving or improving this efficiency becomes pivotal for scientist and fruit growers. Even tough a conspicuous energy amount is reflected or transmitted, plants can not avoid to absorb photons in excess. The chlorophyll over-excitation promotes the reactive species production increasing the photoinhibition risks. The dangerous consequences of photoinhibition forced plants to evolve a complex and multilevel machine able to dissipate the energy excess quenching heat (Non Photochemical Quenching), moving electrons (water-water cycle , cyclic transport around PSI, glutathione-ascorbate cycle and photorespiration) and scavenging the generated reactive species. The price plants must pay for this equipment is the use of CO2 and reducing power with a consequent decrease of the photosynthetic efficiency, both because some photons are not used for carboxylation and an effective CO2 and reducing power loss occurs. Net photosynthesis increases with light until the saturation point, additional PPFD doesn’t improve carboxylation but it rises the efficiency of the alternative pathways in energy dissipation but also ROS production and photoinhibition risks. The wide photo-protective apparatus, although is not able to cope with the excessive incoming energy, therefore photodamage occurs. Each event increasing the photon pressure and/or decreasing the efficiency of the described photo-protective mechanisms (i.e. thermal stress, water and nutritional deficiency) can emphasize the photoinhibition. Likely in nature a small amount of not damaged photosystems is found because of the effective, efficient and energy consuming recovery system. Since the damaged PSII is quickly repaired with energy expense, it would be interesting to investigate how much PSII recovery costs to plant productivity. This PhD. dissertation purposes to improve the knowledge about the several strategies accomplished for managing the incoming energy and the light excess implication on photo-damage in peach. The thesis is organized in three scientific units. In the first section a new rapid, non-intrusive, whole tissue and universal technique for functional PSII determination was implemented and validated on different kinds of plants as C3 and C4 species, woody and herbaceous plants, wild type and Chlorophyll b-less mutant and monocot and dicot plants. In the second unit, using a “singular” experimental orchard named “Asymmetric orchard”, the relation between light environment and photosynthetic performance, water use and photoinhibition was investigated in peach at whole plant level, furthermore the effect of photon pressure variation on energy management was considered on single leaf. In the third section the quenching analysis method suggested by Kornyeyev and Hendrickson (2007) was validate on peach. Afterwards it was applied in the field where the influence of moderate light and water reduction on peach photosynthetic performances, water requirements, energy management and photoinhibition was studied. Using solar energy as fuel for life plant is intrinsically suicidal since the high constant photodamage risk. This dissertation would try to highlight the complex relation existing between plant, in particular peach, and light analysing the principal strategies plants developed to manage the incoming light for deriving the maximal benefits as possible minimizing the risks. In the first instance the new method proposed for functional PSII determination based on P700 redox kinetics seems to be a valid, non intrusive, universal and field-applicable technique, even because it is able to measure in deep the whole leaf tissue rather than the first leaf layers as fluorescence. Fluorescence Fv/Fm parameter gives a good estimate of functional PSII but only when data obtained by ad-axial and ab-axial leaf surface are averaged. In addition to this method the energy quenching analysis proposed by Kornyeyev and Hendrickson (2007), combined with the photosynthesis model proposed by von Caemmerer (2000) is a forceful tool to analyse and study, even in the field, the relation between plant and environmental factors such as water, temperature but first of all light. “Asymmetric” training system is a good way to study light energy, photosynthetic performance and water use relations in the field. At whole plant level net carboxylation increases with PPFD reaching a saturating point. Light excess rather than improve photosynthesis may emphasize water and thermal stress leading to stomatal limitation. Furthermore too much light does not promote net carboxylation improvement but PSII damage, in fact in the most light exposed plants about 50-60% of the total PSII is inactivated. At single leaf level, net carboxylation increases till saturation point (1000 – 1200 μmolm-2s-1) and light excess is dissipated by non photochemical quenching and non net carboxylative transports. The latter follows a quite similar pattern of Pn/PPFD curve reaching the saturation point at almost the same photon flux density. At middle-low irradiance NPQ seems to be lumen pH limited because the incoming photon pressure is not enough to generate the optimum lumen pH for violaxanthin de-epoxidase (VDE) full activation. Peach leaves try to cope with the light excess increasing the non net carboxylative transports. While PPFD rises the xanthophyll cycle is more and more activated and the rate of non net carboxylative transports is reduced. Some of these alternative transports, such as the water-water cycle, the cyclic transport around the PSI and the glutathione-ascorbate cycle are able to generate additional H+ in lumen in order to support the VDE activation when light can be limiting. Moreover the alternative transports seems to be involved as an important dissipative way when high temperature and sub-optimal conductance emphasize the photoinhibition risks. In peach, a moderate water and light reduction does not determine net carboxylation decrease but, diminishing the incoming light and the environmental evapo-transpiration request, stomatal conductance decreases, improving water use efficiency. Therefore lowering light intensity till not limiting levels, water could be saved not compromising net photosynthesis. The quenching analysis is able to partition absorbed energy in the several utilization, photoprotection and photo-oxidation pathways. When recovery is permitted only few PSII remained un-repaired, although more net PSII damage is recorded in plants placed in full light. Even in this experiment, in over saturating light the main dissipation pathway is the non photochemical quenching; at middle-low irradiance it seems to be pH limited and other transports, such as photorespiration and alternative transports, are used to support photoprotection and to contribute for creating the optimal trans-thylakoidal ΔpH for violaxanthin de-epoxidase. These alternative pathways become the main quenching mechanisms at very low light environment. Another aspect pointed out by this study is the role of NPQ as dissipative pathway when conductance becomes severely limiting. The evidence that in nature a small amount of damaged PSII is seen indicates the presence of an effective and efficient recovery mechanism that masks the real photodamage occurring during the day. At single leaf level, when repair is not allowed leaves in full light are two fold more photoinhibited than the shaded ones. Therefore light in excess of the photosynthetic optima does not promote net carboxylation but increases water loss and PSII damage. The more is photoinhibition the more must be the photosystems to be repaired and consequently the energy and dry matter to allocate in this essential activity. Since above the saturation point net photosynthesis is constant while photoinhibition increases it would be interesting to investigate how photodamage costs in terms of tree productivity. An other aspect of pivotal importance to be further widened is the combined influence of light and other environmental parameters, like water status, temperature and nutrition on peach light, water and phtosyntate management.

New high nuclearity carbonyl clusters

The thesis reports the synthesis, and the chemical, structural and spectroscopic characterization of a series of new Rhodium and Au-Fe carbonyl clusters. Most new high-nuclearity rhodium carbonyl clusters have been obtained by redox condensation of preformed rhodium clusters reacting with a species in a different oxidation state generated in situ by mild oxidation. In particular the starting Rh carbonyl clusters is represented by the readily available [Rh7(CO)16]3- 9 compound. The oxidized species is generated in situ by reaction of the above with a stoichiometric defect of a mild oxidizing agents such as [M(H2O)x]n+ aquo complexes possessing different pKa’s and Mn+/M potentials. The experimental results are roughly in keeping with the conclusion that aquo complexes featuring E°(Mn+/M) < ca. -0.20 V do not lead to the formation of hetero-metallic Rh clusters, probably because of the inadequacy of their redox potentials relative to that of the [Rh7(CO)16]3-/2- redox couple. Only homometallic cluster s such as have been fairly selectively obtained. As a fallout of the above investigations, also a convenient and reproducible synthesis of the ill-characterized species [HnRh22(CO)35]8-n has been discovered. The ready availability of the above compound triggered both its complete spectroscopic and chemical characterization. because it is the only example of Rhodium carbonyl clusters with two interstitial metal atoms. The presence of several hydride atoms, firstly suggested by chemical evidences, has been implemented by ESI-MS and 1H-NMR, as well as new structural characterization of its tetra- and penta-anion. All these species display redox behaviour and behave as molecular capacitors. Their chemical reactivity with CO gives rise to a new series of Rh22 clusters containing a different number of carbonyl groups, which have been likewise fully characterized. Formation of hetero-metallic Rh clusters was only observed when using SnCl2H2O as oxidizing agent because. Quite all the Rh-Sn carbonyl clusters obtained have icosahedral geometry. The only previously reported example of an icosahedral Rh cluster with an interstitial atom is the [Rh12Sb(CO)27]3- trianion. They have very similar metal framework, as well as the same number of CO ligands and, consequently, cluster valence electrons (CVEs). .A first interesting aspect of the chemistry of the Rh-Sn system is that it also provides icosahedral clusters making exception to the cluster-borane analogy by showing electron counts from 166 to 171. As a result, the most electron-short species, namely [Rh12Sn(CO)25]4- displays redox propensity, even if disfavoured by the relatively high free negative charge of the starting anion and, moreover, behaves as a chloride scavenger. The presence of these bulky interstitial atoms results in the metal framework adopting structures different from a close-packed metal lattice and, above all, imparts a notable stability to the resulting cluster. An organometallic approach to a new kind of molecular ligand-stabilized gold nanoparticles, in which Fe(CO)x (x = 3,4) moieties protect and stabilize the gold kernel has also been undertaken. As a result, the new clusters [Au21{Fe(CO)4}10]5-, [Au22{Fe(CO)4}12]6-, Au28{Fe(CO)3}4{Fe(CO)4}10]8- and [Au34{Fe(CO)3}6{Fe(CO)4}8]6- have been isolated and characterized. As suggested by concepts of isolobal analogies, the Fe(CO)4 molecular fragment may display the same ligand capability of thiolates and go beyond. Indeed, the above clusters bring structural resemblance to the structurally characterized gold thiolates by showing Fe-Au-Fe, rather than S-Au-S, staple motives. Staple motives, the oxidation state of surface gold atoms and the energy of Au atomic orbitals are likely to concur in delaying the insulator-to-metal transition as the nuclearity of gold thiolates increases, relative to the more compact transition-metal carbonyl clusters. Finally, a few previously reported Au-Fe carbonyl clusters have been used as precursors in the preparation of supported gold catalysts. The catalysts obtained are active for toluene oxidation and the catalytic activity depends on the Fe/Au cluster loading over TiO2.

Applications of High Speed Configurable Logic Devices in Modern Particle Physics Experiments

Several activities were conducted during my PhD activity. For the NEMO experiment a collaboration between the INFN/University groups of Catania and Bologna led to the development and production of a mixed signal acquisition board for the Nemo Km3 telescope. The research concerned the feasibility study for a different acquisition technique quite far from that adopted in the NEMO Phase 1 telescope. The DAQ board that we realized exploits the LIRA06 front-end chip for the analog acquisition of anodic an dynodic sources of a PMT (Photo-Multiplier Tube). The low-power analog acquisition allows to sample contemporaneously multiple channels of the PMT at different gain factors in order to increase the signal response linearity over a wider dynamic range. Also the auto triggering and self-event-classification features help to improve the acquisition performance and the knowledge on the neutrino event. A fully functional interface towards the first level data concentrator, the Floor Control Module, has been integrated as well on the board, and a specific firmware has been realized to comply with the present communication protocols. This stage of the project foresees the use of an FPGA, a high speed configurable device, to provide the board with a flexible digital logic control core. After the validation of the whole front-end architecture this feature would be probably integrated in a common mixed-signal ASIC (Application Specific Integrated Circuit). The volatile nature of the configuration memory of the FPGA implied the integration of a flash ISP (In System Programming) memory and a smart architecture for a safe remote reconfiguration of it. All the integrated features of the board have been tested. At the Catania laboratory the behavior of the LIRA chip has been investigated in the digital environment of the DAQ board and we succeeded in driving the acquisition with the FPGA. The PMT pulses generated with an arbitrary waveform generator were correctly triggered and acquired by the analog chip, and successively they were digitized by the on board ADC under the supervision of the FPGA. For the communication towards the data concentrator a test bench has been realized in Bologna where, thanks to a lending of the Roma University and INFN, a full readout chain equivalent to that present in the NEMO phase-1 was installed. These tests showed a good behavior of the digital electronic that was able to receive and to execute command imparted by the PC console and to answer back with a reply. The remotely configurable logic behaved well too and demonstrated, at least in principle, the validity of this technique. A new prototype board is now under development at the Catania laboratory as an evolution of the one described above. This board is going to be deployed within the NEMO Phase-2 tower in one of its floors dedicated to new front-end proposals. This board will integrate a new analog acquisition chip called SAS (Smart Auto-triggering Sampler) introducing thus a new analog front-end but inheriting most of the digital logic present in the current DAQ board discussed in this thesis. For what concern the activity on high-resolution vertex detectors, I worked within the SLIM5 collaboration for the characterization of a MAPS (Monolithic Active Pixel Sensor) device called APSEL-4D. The mentioned chip is a matrix of 4096 active pixel sensors with deep N-well implantations meant for charge collection and to shield the analog electronics from digital noise. The chip integrates the full-custom sensors matrix and the sparsifification/readout logic realized with standard-cells in STM CMOS technology 130 nm. For the chip characterization a test-beam has been set up on the 12 GeV PS (Proton Synchrotron) line facility at CERN of Geneva (CH). The collaboration prepared a silicon strip telescope and a DAQ system (hardware and software) for data acquisition and control of the telescope that allowed to store about 90 million events in 7 equivalent days of live-time of the beam. My activities concerned basically the realization of a firmware interface towards and from the MAPS chip in order to integrate it on the general DAQ system. Thereafter I worked on the DAQ software to implement on it a proper Slow Control interface of the APSEL4D. Several APSEL4D chips with different thinning have been tested during the test beam. Those with 100 and 300 um presented an overall efficiency of about 90% imparting a threshold of 450 electrons. The test-beam allowed to estimate also the resolution of the pixel sensor providing good results consistent with the pitch/sqrt(12) formula. The MAPS intrinsic resolution has been extracted from the width of the residual plot taking into account the multiple scattering effect.

B-type cytochromes of the DOMON domain superfamily (Novel redox elements of plant plasma membrane)

The aim of the present study is understanding the properties of a new group of redox proteins having in common a DOMON-type domain with characteristics of cytochromes b. The superfamily of proteins containing a DOMON of this type includes a few protein families. With the aim of better characterizing this new protein family, the present work addresses both a CyDOM protein (a cytochrome b561) and a protein only comprised of DOMON(AIR12), both of plant origin. Apoplastic ascorbate can be regenerated from monodehydroascorbate by a trans-plasma membrane redox system which uses cytosolic ascorbate as a reductant and comprises a high potential cytochrome b. We identified the major plasma membrane (PM) ascorbate-reducible b-type cytochrome of bean (Phaseolus vulgaris) and soybean (Glycine max) hypocotyls as orthologs of Arabidopsis auxin-responsive gene air12. The protein, which is glycosylated and glycosylphosphatidylinositol-anchored to the external side of the PM in vivo, was expressed in Pichia pastoris in a recombinant form, lacking the glycosylphosphatidylinositol-modification signal, and purified from the culture medium. Recombinant AIR12 is a soluble protein predicted to fold into a β-sandwich domain and belonging to the DOMON superfamily. It is shown to be a b-type cytochrome with a symmetrical α-band at 561 nm, to be fully reduced by ascorbate and fully oxidized by monodehydroascorbate. Redox potentiometry suggests that AIR12 binds two high-potential hemes (Em,7 +135 and +236 mV). Phylogenetic analyses reveal that the auxin-responsive genes AIR12 constitute a new family of plasma membrane b-type cytochromes specific to flowering plants. Although AIR12 is one of the few redox proteins of the PM characterized to date, the role of AIR12 in trans-PM electron transfer would imply interaction with other partners which are still to be identified. Another part of the present project was aimed at understanding of a soybean protein comprised of a DOMON fused with a well-defined b561 cytochrome domain (CyDOM). Various bioinformatic approaches show this protein to be composed of an N-terminal DOMON followed by b561 domain. The latter contains five transmembrane helices featuring highly conserved histidines, which might bind haem groups. The CyDOM has been cloned and expressed in the yeast Pichia pastoris, and spectroscopic analyses have been accomplished on solubilized yeast membranes. CyDOM clearly reveal the properties of b-type cytochrome. The results highlight the fact that CyDOM is clearly able to lead an electron flux through the plasmamembrane. Voltage clamp experiments demonstrate that Xenopus laevis oocytes transformed with CyDOM of soybean exhibit negative electrical currents in presence of an external electron acceptor. Analogous investigations were carried out with SDR2, a CyDOM of Drosophila melanogaster which shows an electron transport capacity even higher than plant CyDOM. As quoted above, these data reinforce those obtained in plant CyDOM on the one hand, and on the other hand allow to attribute to SDR2-like proteins the properties assigned to CyDOM. Was expressed in Regenerated tobacco roots, transiently transformed with infected a with chimeral construct GFP: CyDOM (by A. rhizogenes infection) reveals a plasmamembrane localization of CyDOM both in epidermal cells of the elongation zone of roots and in root hairs. In conclusion. Although the data presented here await to be expanded and in part clarified, it is safe to say they open a new perspective about the role of this group of proteins. The biological relevance of the functional and physiological implications of DOMON redox domains seems noteworthy, and it can but increase with future advances in research. Beyond the very finding, however interesting in itself, of DOMON domains as extracellular cytochromes, the present study testifies to the fact that cytochrome proteins containing DOMON domains of the type of “CyDOM” can transfer electrons through membranes and may represent the most important redox component of the plasmamembrane as yet discovered.

Untersuchung zum Entstehungsmechanismus von Smith-Purcell-Strahlung im Nahbereich mit einem 855 MeV Elektronenstrahl geringer Emittanz

Experimental investigations of visible Smith-Purcell-radiation with a micro-focused high relativistic electron beam (E=855 MeV) are presented in the near region, in which the electron beam grazes the surface of the grating. The radiation intensity was measured as a function of the angle of observation and of the distance between electron beam axis and the surface of the grating simultaneously for two different wavelengths (360 nm, 546 nm).In the experiments Smith-Purcell-radiation was identified by the measured angular distribution fulfilling the characteristic coherence condition. By the observed distance dependence of the intensity two components of Smith-Purcell-radiation could be separated: one component with the theoretical predicted interaction length hint, which is produced by electrons passing over the surface of the grating, and an additional component in the near region leading to a strong enhancement of the intensity, which is produced by electrons hitting the surface. To describe the intensity of the observed additional radiation component a simple model for optical grating transition radiation, caused by the electrons passing through the grating structure, is presented. Taking into account the simple scalar model, the results of a Monte-Carlo calculation show that the additional radiation component could be explained by optical grating transition radiation.

Entwicklung und Test eines Röntgeninterferometers auf der Basis von Übergangsstrahlung

In der vorliegenden Arbeit werden Entwicklung und Test einesneuartigen Interferometers mit zwei örtlich separierten,phasenkorrelierten Röntgenquellen zur Messung des Realteilsdes komplexen Brechungsindex von dünnen, freitragendenFolien beschrieben. Die Röntgenquellen sind zwei Folien, indenen relativistische Elektronen der Energie 855 MeVÜbergangsstrahlung erzeugen. Das am Mainzer Mikrotron MAMIrealisierte Interferometer besteht aus einer Berylliumfolieeiner Dicke von 10 Mikrometer und einer Nickel-Probefolieeiner Dicke von 2.1 Mikrometer. Die räumlichenInterferenzstrukturen werden als Funktion desFolienabstandes in einer ortsauflösenden pn-CCD nach derFourier-Analyse des Strahlungsimpulses mittels einesSilizium-Einkristallspektrometers gemessen. Die Phase derIntensitätsoszillationen enthält Informationen über dieDispersion, die die in der strahlaufwärtigen Folie erzeugteWelle in der strahlabwärtigen Probefolie erfährt. AlsFallstudie wurde die Dispersion von Nickel im Bereich um dieK-Absorptionskane bei 8333 eV, sowie bei Photonenenergien um9930 eV gemessen. Bei beiden Energien wurden deutlicheInterferenzstrukturen nachgewiesen, wobei die Kohärenz wegenWinkelmischungen mit steigendem Folienabstand bzw.Beobachtungswinkel abnimmt. Es wurden Anpassungen vonSimulationsrechnungen an die Messdaten durchgeführt, die diekohärenzvermindernden Effekte berücksichtigen. Aus diesenAnpassungen konnte bei beiden untersuchten Energien dieDispersion der Nickelprobe mit einer relativen Genauigkeitvon kleiner gleich 1.5 % in guter Übereinstimmung mit derLiteratur bestimmt werden.

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.

Photoproduktion neutraler Pionen am Proton mit linear polarisierten Photonen im Bereich der Schwelle

Diese Arbeit beschreibt ein Experiment zur Photoproduktionneutraler Pionen am Proton im Schwellenbereich. DurchVerwendung linear polarisierter Photonen konnte neben dentotalen und differentiellen Wirkungsquerschnitten zum erstenMal die Photonasymmetrie nahe der Schwelle gemessen werden.Besonderes Interesse galt dem aus diesen physikalischenObservablen bestimmbaren s-Wellen-Multipol E0+ sowie der erstmaligen Bestimmung aller drei p-Wellen-KombinationenP1, P2 und P3 im Bereich der Schwelle.Das Experiment wurde 1995/1996 am ElektronenbeschleunigerMAMI (Mainzer Mikrotron) der Universität Mainz durchgeführt.Durch Verwendung eines Diamanten als Bremsstrahltarget fürdie Elektronen wurden über den Prozeß der kohärentenBremsstrahlung linear polarisierte Photonen erzeugt. DieEnergie der Photonen wurde über die Messung der Energie der gestreuten Elektronen in der MainzerPhotonenmarkierungsanlage bestimmt. Der Detektor TAPS, eineAnordnung aus 504 BaF2-Modulen, war um einFlüssigwasserstofftarget aufgebaut. In den Modulen wurdendie im Target produzierten neutralen Pionen über ihrenZerfall in zwei Photonen nachgewiesen.Die totalen und differentiellen Wirkungsquerschnitte wurdenim Energiebereich zwischen der Schwelle von 144.7 MeV und168 MeV gemessen. Die erstmals gemessene Photonasymmetriefür 159.5 MeV ist positiv und hat einen Wert von+0.217+/-0.046 für einen Polarwinkel von 90 Grad. Der Multipol E0+ und die drei p-Wellen-Kombinationen wurden andie physikalischen Observablen über zwei unterschiedlicheMethoden angepaßt, die übereinstimmende Ergebnisselieferten. Die Vorhersagen der Niederenergietheoreme derchiralen Störungstheorie für P1 und P2 stimmen beiEinbeziehung der statistischen und systematischen Fehler mitden experimentellen Werten überein.

Spektroskopie und Ultraspurenanalyse von Plutonium mittels Resonanzionisations-Massenspektrometrie

Die Resonanzionisations-Massenspektrometrie (RIMS) ist sowohl für spektroskopische Untersuchungen seltener Isotope als auch für den Ultraspurennachweis langlebiger radioaktiver Elemente einsetzbar. Durch die mehrstufige resonante Anregung atomarer Energieniveaus mit anschließender Ionisation mit Laserlicht wird eine sehr hohe Elementselektivität und Ionisationseffizienz erreicht. Der nachfolgende massenselektive Ionennachweis liefert eine gute Isotopenselektivität zusammen mit einer effektiven Untergrundunterdrückung. Ein wichtiger Bestandteil der RIMS-Apparatur ist ein zuverlässig arbeitendes, leistungsstarkes Lasersystem für die Resonanzionisation. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein von einem hochrepetierenden Nd:YAG-Laser gepumptes, aus drei Titan-Saphir-Lasern bestehendes System fertig aufgebaut und in den Routinebetrieb überführt. Die Titan-Saphir-Laser liefern im Durchstimmbereich von 730 - 880 nm eine mittlere Leistung von bis zu 3 W pro Laser bei einer Linienbreite von 2 - 3 GHz. Sie lassen sich computergesteuert in ihren Wellenlängen durchstimmen. Die mittels Resonanzionisation erzeugten Ionen werden dann in einem Flugzeit-Massenspektrometer entsprechend ihrer Masse aufgetrennt und mit einem Kanalplattendetektor nachgewiesen.Als Voraussetzung für die isotopenselektive Ultraspurenanalyse von Plutonium wurden mit diesem Lasersystem die Isotopieverschiebungen eines effizienten, dreistufigen Anregungsschema für Plutonium bestimmt. Die Laserleistungen reichen zur vielfachen Sättigung der ersten beiden Anregungsschritte und zur zweifachen Sättigung des dritten Anregungsschritts aus.Außerdem wurden die Ionisationsenergien von Pu-239 und Pu-244 zur Untersuchung ihrer Isotopenabhängigkeit bestimmt. Die beiden Ionisationsenergien sind im Rahmen der erreichten Genauigkeit bei einem Meßwert von IP239-IP244 = 0,24(82) cm^-1 gleich.Die Nachweiseffizienz der RIMS-Apparatur für Plutonium wurde in Effizienzmessungen zu 10^-5 bestimmt. Durch die gute Untergrundunterdrückung ergab sich daraus eine Nachweisgrenze von 10^6 Atomen bei der Messung eines Plutoniumisotops. Die Bestimmung der Isotopenverhältnisse von Proben mit einer zertifizierten Isotopenzusammensetzung lieferte eine gute Übereinstimmung der Meßwerte mit den angegebenen Zusammensetzungen.Die RIMS-Apparatur wurde zur Bestimmung des Gehalts und der Isotopenzusammensetzung von Plutonium in Meerwasser- und Staubproben eingesetzt.Auf Grund der Isotopenzusammensetzung konnte gezeigt werden, daß das Plutonium bei den meisten Proben aus dem Fallout von oberirdischen Kernwaffentests stammte. Des weiteren wurde Plutonium in Urinproben bestimmt. Die Nachweisgrenzen lagen bei diesen Umweltproben bei 10^6 bis 10^7 Atomen Plutonium und damit um zwei Größenordnungen niedriger als die Nachweisgrenze für Pu-239 bei der alpha-Spektroskopie, der Standardmethode für den Plutoniumnachweis.

Messung des Landé-gJ-Faktors im Grundzustand von Ca + und Untersuchung des Speicherverhaltens von Elektronen in einem Penningkäfig

Ionenkäfige und speziell Penningfallen stellen sich in der Atomphysik als außergewöhnliche Werkzeuge heraus. Zum einen bieten diese 'Teilchencontainer' die Möglichkeit atomphysikalische Präzisionsmessungen durchzuführen und zum anderen stellen Penningfallen schwingungsfähige Systeme dar, in welchen nichtlineare dynamische Prozesse an gespeicherten Teilchen untersucht werden können. In einem ersten Teil der Arbeit wurde mit der in der Atomphysik bekannten Methode der optischen Mikrowellen-Doppelresonanz Spektroskopie der elektronische g-Faktor von Ca+ mit einer Genauigkeit von 4*10^{-8} zu gJ=2,00225664(9) bestimmt. g-Faktoren von Elektronen in gebundenen ionischen Systemen sind fundamentale Größen der Atomphysik, die Informationen über die atomare Wellenfunktion des zu untersuchenden Zustandes liefern. In einem zweiten Teil der Arbeit wurde hinsichtlich der Untersuchungen zur nichtlinearen Dynamik von parametrisch angeregten gespeicherten Elektronen beobachtet, dass ab bestimmten kritischen Teilchendichten in der Penningfalle die gespeicherten Elektronen kollektive Eigenschaften manifestieren. Weiterhin wurde bei der Anregung der axialen Eigenbewegung ein Schwellenverhalten der gemessenen Subharmonischen zur 2*omega_z-Resonanz beobachtet. Dieser Schwelleneffekt lässt sich mit der Existenz eines Dämpfungsmechanismus erklären, der auf die Elektronenwolke einwirkt, so dass eine Mindestamplitude der Anregung erforderlich ist, um diese Dämpfung zu überwinden. Durch Bestimmung der charakteristischen Kurven der gedämpften Mathieuschen Differentialgleichung konnte das beobachtete Phänomen theoretisch verstanden werden.

Time-of-flight two-photon photoemission spectromicroscopy with femtosecond laser radiation

Time-of-flight photoemission spectromicroscopy was used to measure and compare the two-photon photoemission (2PPE) spectra of Cu and Ag nanoparticles with linear dimensions ranging between 40 nm and several 100 nm, with those of the corresponding homogeneous surfaces. 2PPE was induced employing femtosecond laser radiation from a frequency-doubled Ti:sapphire laser in the spectral range between 375 nm and 425 nm with a pulse width of 200 fs and a repetition rate of 80 MHz. The use of a pulsed radiation source allowed us to use a high-resolution photoemission electron microscope as imaging time-of-flight spectrometer, and thus to obtain spectroscopic information about the laterally resolved electron signal. Ag nanoparticle films have been deposited on Si(111) by electron-beam evaporation, a technique leading to hemispherically-shaped Ag clusters. Isolated Cu nanoparticles have been generated by prolonged heating of a polycrystalline Cu sample. If compared to the spectra of the corresponding homogeneous surfaces, the Cu and Ag nanoparticle spectra are characterized by a strongly enhanced total 2PPE yield (enhancement factor up to 70), by a shift (about 0.1 eV) of the Fermi level onset towards lower final state energies, by a reduction of the work function (typically by 0.2 eV) and by a much steeper increase of the 2PPE yield towards lower final state energies. The shift of the Fermi level onset in the nanoparticle spectra has been explained by a positive unit charge (localized photohole) residing on the particle during the time-scale relevant for the 2PPE process (few femtoseconds). The total 2PPE yield enhancement and the different overall shape of the spectra have been explained by considering that the laser frequency was close to the localized surface plasmon resonance of the Cu and Ag nanoparticles. The synchronous oscillations induced by the laser in the metal electrons enhance the near-zone (NZ) field, defined as the linear superposition of the laser field and the field produced in the vicinity of the particles by the forced charge oscillations. From the present measurements it is clear that the NZ field behavior is responsible for the 2PPE enhancement and affects the 2PPE spatial and energy distribution and its dynamics. In particular, its strong spatial dependence allows indirect transitions through real intermediate states to take place in the metal clusters. Such transitions are forbidden by momentum conservation arguments and are thus experimentally much less probable on homogeneous surfaces. Further, we investigated specially tailored moon-shaped small metal nanostructures, whose NZ field was theoretically predicted, and compared the calculation with the laterally resolved 2PPE signal. We could show that the 2PPE signal gives a clear fingerprint of the theoretically predicted spatial dependence of the NZ field. This potential of our method is highly attractive in the novel field of plasmonics.

Untersuchungen zu ionenchemischen Reaktionen und Mobilitätsmessungen an schweren Elementen in einer Puffergaszelle

Untersuchungen zu ionenchemischen Reaktionen und Mobilitätsmessungen an schweren Elementen in einer Puffergaszelle Die vorgelegte Arbeit beschreibt vorbereitende Untersuchungen zu ionenchemischen Reaktionen und Mobilitätsmessungen schwerer Elemente (Z>100) in einer mit Argon gefüllten Puffergaszelle. Dazu wurden am Element Erbium (Z=68), dem chemischen Homolog von Fermium (Z=100), zunächst in einem Fourier-Transformations-Massenspektrometer (FT/MS) Reaktionen mit Sauerstoff (O₂), Methan (CH₄) und Butylen (C₄H₈) untersucht und deren Reaktionskonstanten zu k(Er+O2)=(3,6±0,3)•10^-10cm³/s, k(Er+C4H8)=(1,3±0,1)•10^-10cm³/s gemessen. Für die Reaktion Er⁺+CH₄ wurde eine Obergrenze der Reaktionskonstante von k(Er+CH4)?,3•10^-15cm³/s bestimmt. Dieselben Reaktionen wurden anschließend in einer mit 60 mbar Argon gefüllten Puffergaszelle am Tandembeschleuniger des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg studiert.Das in die Zelle eingeschossene Erbium wurde nach der Thermalisierung in einem zweistufigen Laserprozess resonant ionisiert. Diese Messungen führten zu gleichen Ergebnissen wie die FT/MS-Messungen (k(Er+O2)=3,3±0,4)•10^-10cm³/s, k(Er+CH4)?2•10^-17cm³/s). Die Reaktion von Erbium mit Butylen wurde ebenfalls beobachtet, eine Reaktionskonstante konnte jedoch nicht bestimmt werden. Die Reaktion von Erbium mit Sauerstoff wurde auch mit den direkt in die Puffergaszelle eingeschossenen Ionen ohne Laserionisation untersucht. Eine reproduzierbare Reaktionskonstante konnte nicht bestimmt werden, mögliche Ursachen werden diskutiert.Aus der Driftzeit der Ionen im Puffergas können Ionenmobilitäten bestimmt werden. Dies erlaubt Rückschlüsse auf die Ionenradien und damit auch auf Bindungslängen in Molekülen. Zwischen Plutonium und Americium wurde bei einer Driftzeit von (1,88±0,01) ms ein Driftzeitunterschied von (0,07±0,02) ms gemessen und daraus eine relative Verringerung des Ionenradius von Americium gegenüber dem von Plutonium um (3,1±1,3)% bestimmt. Relativistische Rechnungen sagen für den atomaren Radius von Americium gegenüber Plutonium eine Kontraktion in gleicher Größenordnung voraus; für Ionenradien existieren zur Zeit noch keine Rechnungen. Aus den gemessenen Driftzeiten des Plutoniums von (1,85±0,01) ms und Plutoniumoxids von (2,38±0,01) ms wurde eine Zunahme des Ionenradius des Plutoniumoxids gegenüber dem Plutonium um (28±2)% bestimmt.Außerdem wurden Reaktionen von Ruthenium (Z=44) und Osmium (Z=76), beides chemische Homologe von Hassium (Z=108), mit Sauerstoff in der FT/MS-Apparatur untersucht, mit dem Ziel widersprüchliche Messungen der Reaktionskonstanten aufzuklären.

Optische Spektroskopie an Fermium (Z=100)

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde erstmals Laser-Atomspektroskopie an einem Element durchgeführt, für das bisher keine atomaren Niveaus bekannt waren. Die Experimente wurden am Element Fermium mit der Ordnungszahl Z=100 mit der Resonanzionisationsspektroskopie (RIS) in einer Puffergaszelle durchgeführt. Verwendet wurde das Isotop 255Fm mit einer Halbwertszeit von 20.1 h, das im Hochflusskernreaktor des ORNL, Oak Ridge, USA, hergestellt wurde. Die von einem elektrochemischen Filament in das Argon-Puffergas bei einer Temperatur von 960(20)°C abgedampften Fm-Atome wurden mit Lasern in einem Zweistufenprozess resonant ionisiert. Dazu wurde das Licht eines Excimerlaser gepumpten Farbstofflasers für den ersten Anregungsschritt um die Wellenlänge 400 nm durchgestimmt. Ein Teil des Excimer (XeF) Laser Pumplichtes mit den Wellenlänge 351/353 nm wurde für die nicht-resonante Ionisation verwendet. Die Ionen wurden mit Hilfe elektrischer Felder aus der optischen Zelle extrahiert und nach einem Quadrupol Massenfilter mit einem Channeltron-Detektor massenselektiv nachgewiesen. Trotz der geringen Probenmenge von 2.7 x 10^10 eingesetzten Atomen wurden zwei atomare Resonanzen bei Energien von 25099.8(2) cm-1 und 25111.8(2) cm-1 gefunden und das Sättigungsverhalten dieser Linien gemessen. Es wurde ein theoretisches Modell entwickelt, dass sowohl das spektrale Profil der sättigungsverbreiterten Linien als auch die Sättigungskurven beschreibt. Durch Anpassung an die Messdaten konnten die partiellen Übergangsraten in den 3H6 Grundzustand Aki=3.6(7) x 10^6/s und Aki=3.6(6) x 10^6/s bestimmt werden. Der Vergleich der Niveauenergien und Übergangsraten mit Multikonfigurations Dirac-Fock Rechnungen legt die spektroskopische Klassifizierung der beobachteten Niveaus als 5f12 7s7p 5I6 und 5G6 Terme nahe. Weiterhin wurde ein Übergang bei 25740 cm-1 gefunden, der aufgrund der beobachteten Linienbreite von 1000 GHz als Rydbergzustand Zustand mit der Niveauenergie 51480 cm-1 interpretiert wurde und über einen Zweiphotonen Prozess angeregt werden kann. Basierend auf dieser Annahme wurde die Obergrenze für die Ionisationsenergie IP = 52140 cm-1 = 6.5 eV abgeschätzt. In den Messungen wurden Verschiebungen in den Zeitverteilungsspektren zwischen den mono-atomaren Ionen Fm+ und Cf+ und dem Molekül-Ion UO+ festgestellt und auf Driftzeitunterschiede im elektrischen Feld der gasgefüllten optischen Zelle zurückgeführt. Unter einfachen Modellannahmen wurde daraus auf die relativen Unterschiede Delta_r(Fm+,Cf+)/r(Cf+) ˜ -0.2 % und Delta_r(UO+,Cf+)/r(Cf+) ˜ 20 % in den Ionenradien geschlossen. Über die Bestimmung der Abnahme der Fm-a Aktivität des Filamentes auf der einen Seite und die Messung der Resonanzzählrate auf der anderen Seite, wurde die Nachweiseffizienz der Apparatur zu 4.5(3) x 10^-4 bestimmt. Die Nachweisapparatur wurde mit dem Ziel weiterentwickelt, Laserspektroskopie am Isotop 251Fm durchzuführen, das über die Reaktion 249Cf(a,2n)251Fm direkt in der optischen Zelle erzeugt werden soll. Das Verfahren wurde am chemischen Homolog Erbium getestet. Dabei wurde das Isotop 163Er über die Reaktion 161Dy(a,2n)163Er erzeugt und nach Resonanzionisation nachgewiesen. Die Nachweiseffizienz der Methode wurde zu 1 x 10^-4 bestimmt.

Persistent currents in quantum rings

In this thesis, three different types of quantum rings arestudied. These are quantum rings with diamagnetic,paramagnetic or spontaneous persistent currents. It turns out that the main observable to characterizequantum rings is the Drude weight. Playing a key role inthis thesis, it will be used to distinguish betweendiamagnetic (positive Drude weight) and paramagnetic(negative Drude weight) ring currents. In most models, theDrude weight is positive. Especially in the thermodynamiclimit, it is positive semi-definite. In certain modelshowever, intuitivelysurprising, a negative Drude weight is found. This rareeffect occurs, e.g., in one-dimensional models with adegenerate ground state in conjunction with the possibilityof Umklapp scattering. One aim of this thesis is to examineone-dimensional quantum rings for the occurrence of anegative Drude weight. It is found, that the sign of theDrude weight can also be negative, if the band structurelacks particle-hole symmetry. The second aim of this thesis is the modeling of quantumrings intrinsically showing a spontaneous persistentcurrent. The construction of the model starts from theextended Hubbard model on a ring threaded by anAharonov-Bohm flux. A feedback term through which thecurrent in the ring can generate magnetic flux is added.Another extension of the Hamiltonian describes the energystored in the internally generated field. This model isevaluated using exact diagonalization and an iterativescheme to find the minima of the free energy. The quantumrings must satisfy two conditions to exhibit a spontaneousorbital magnetic moment: a negative Drude weight and aninductivity above the critical level. The magneticproperties of cyclic conjugated hydrocarbons likebenzene due to electron delocalization [magnetic anisotropy,magnetic susceptibility exaltation, nucleus-independent chemical shift (NICS)]---that have become important criteriafor aromaticity---can be examined using this model. Corrections to the presented calculations are discussed. Themost substantial simplification made in this thesis is theneglect of the Zeeman interaction of the electron spins withthe magnetic field. If a single flux tube threads a quantumring, the Zeeman interaction is zero, but in mostexperiments, this situation is difficult to realize. In themore realistic situation of a homogeneous field, the Zeemaninteraction has to be included, if the electrons have atotal spin component in the direction of the magnetic field,or if the magnetic field is strong.