Electron-impact excitation of Xe 26+ and its resultant spectral signature

We have carried out a 129 close-coupling level Dirac-Coulomb R-matrix calculation for the electron-impact excitation of Ni-like Xe. We have utilized this data to generate the spectral signature of Xe26+ in terms of feature photon-emissivity coefficients (F-PεCs). We have compared these F-PεCs with those generated using semi-relativistic plane-wave Born excitation data, which forms the heavy species baseline for the Atomic Data and Analysis Structure (ADAS), We find that the Born-based F-PεCs give a reasonable qualitative description of the spectral signature but that, quantitatively, the R-matrix-based F-PεCs differ by up to a factor of 2. The spectral signature of heavy species is key to diagnosing hot plasmas such as will be found in the International Thermonuclear Experimental Reactor.

A radiation-damped R -matrix approach to the electron-impact excitation of helium-like ions for diagnostic application to fusion and astrophysical plasmas

Electron-impact excitation collision strengths for transitions between all singly excited levels up to the n = 4 shell of helium-Eke argon and the n = 4 and 5 shells of helium-like iron have been calculated using a radiation-damped R-matrix approach. The theoretical collision strengths have been examined and associated with their infinite-energy limit values to allow the preparation of Maxwell-averaged effective collision strengths. These are conservatively considered to be accurate to within 20% at all temperatures, 3 x 10(5)-3 x 10(8) K forAr(16+) and 10(6)-10(9) K for Fe24+. They have been compared with the results of previous studies, where possible, and we find a broad accord. The corresponding rate coefficients are required for use in the calculation of derived, collisional-radiative, effective emission coefficients for helium-like lines for diagnostic application to fusion and astrophysical plasmas. The uncertainties in the fundamental collision data have been used to provide a critical assessment of the expected resultant uncertainties in such derived data, including redistributive and cascade collisional-radiative effects. The consequential uncertainties in the parts of the effective emission coefficients driven by excitation from the ground levels for the key w, x, y and z lines vary between 5% and 10%. Our results remove an uncertainty in the reaction rates of a key class of atomic processes governing the spectral emission of helium-like ions in plasmas.

Single and double photoionization of Be and Mg

A new version of the time-dependent close-coupling method is used to calculate the single and double photoionization of the Be and Mg atoms. Total cross sections are calculated using an implicit time propagator with a core orthogonalization method on a variable radial mesh. The double to single photoionization cross section ratios are found to be in good agreement with experiment for both Be and Mg.

Electron-impact ionization of C+ in both ground and metastable states

Electron-impact ionization cross sections are calculated for the ground and metastable states of C+. Com- parisons between perturbative distorted-wave and nonperturbative time-dependent close-coupling calculations find reductions in the peak direct ionization cross sections due to electron coupling effects of approximately 5% for ground state C+ and approximately 15% for metastable state C+. Fairly small excitation-autoionization contributions are found for ground state C+, while larger excitation-autoionization contributions are found for metastable state C+. Comparisons between perturbative distorted-wave and nonperturbative R-matrix with pseudostates calculations find reductions in the peak total ionization cross sections due to electron coupling effects of approximately 15–20 % for ground state C+ and approximately 25–35 % for metastable state C+. Finally, comparisons between theory and experiment find that present and previous C+ crossed-beam measure- ments are in excellent agreement with ground state nonperturbative R-matrix with pseudostates calculations for total ionization cross sections. Combined with previous non-perturbative calculations for C, C2+, and C3+, accurate ionization cross sections and rate coefficients are now available for the ground and metastable states of all carbon ion stages.

Single-photon single ionization of W+ ions: experiment and theory

Experimental and theoretical results are reported for photoionization of Ta-like (W+) tungsten ions. Absolute cross sections were measured in the energy range 16–245 eV employing the photon–ion merged-beam setup at the advanced light source in Berkeley. Detailed photon-energy scans at 100 meV bandwidth were performed in the 16–108 eV range. In addition, the cross section was scanned at 50 meV resolution in regions where fine resonance structures could be observed. Theoretical results were obtained from a Dirac–Coulomb R-matrix approach. Photoionization cross section calculations were performed for singly ionized atomic tungsten ions in their 5s²5p⁶5d⁴(⁵D)6s ⁶Dj.  J = 1/2, ground level and the associated excited metastable levels with J = 3/2, 5/2, 7/2 and 9/2. Since the ion beams used in the experiments must be expected to contain long-lived excited states also from excited configurations, additional cross-section calculations were performed for the second-lowest term, 5d⁵⁶Sj, J = 5/2, and for the 4F term, 5d³6s^{2 4}Fj, with J = 3/2, 5/2, 7/2 and 9/2. Given the complexity of the electronic structure of W+ the calculations reproduce the main features of the experimental cross section quite well.

The validity of classical trajectory and perturbative quantal methods for electron-impact ionization from excited states in H-like ions

To test the validity of classical trajectory and perturbative quantal methods for electron-impact ionization of H-like ions from excited states, we have performed advanced close-coupling calculations of ionization from excited states in H, Li 2+ and B 4+ using the R -matrix with pseudo states and the time-dependent close-coupling methods. Comparisons with our classical trajectory Monte Carlo (CTMC) and distorted-wave (DW) calculations show that the CTMC method is more accurate than the DW method for H, but does not improve with n and grows substantially worse with Z , while the DW method improves with Z and grows worse with n .

Probing confinement resonances by photoionizing Xe inside a C60+ molecular cage

Double photoionization accompanied by loss of n C atoms (n=0, 2, 4, 6) was investigated by merging beams of Xe@C60+ ions and synchrotron radiation and measuring the yields of product ions. The giant 4d dipole resonance of the caged Xe atom has a prominent signature in the cross section for these product channels, which together account for 6.2 ± 1.4 of the total Xe 4d oscillator strength of 10. Compared to that for a free Xe atom, the oscillator strength is redistributed in photon energy due to multipath interference of outgoing Xe 4d photoelectron waves that may be transmitted or reflected by the spherical C60+ molecular cage, yielding so-called confinement resonances. The data are compared with an earlier measurement and with theoretical predictions for this single-molecule photoelectron interferometer system. Relativistic R-matrix calculations for the Xe atom in a spherical potential shell representing the fullerene cage show the sensitivity of the interference pattern to the molecular geometry. © 2013 American Physical Society.

Inner-shell photodetachment of excited 4S° and 6S° metastable bound states of Be-

The total cross sections for photodetachment of the metastable 1s ²2p^{3 4}S° and 1s2s2p^{3 6}S° excited bound states of the negative ion of beryllium are presented for a range of initial photon energies across and beyond the 1s detachment threshold. A multichannel close-coupling R-matrix approximation is used to compute the cross sections, with sophisticated configuration-interaction wavefunctions being used to represent the initial and final states. At present there are no other theoretical or experimental data available with which to compare the cross sections for these two photodetachment processes.

Radiological protection and nuclear engineering studies in multi-MW target systems

Tese de doutoramento, Física, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2014

Development and characterization of concentric capillary nebulizer used in inductively coupled plasma analysis /

A simple, low-cost concentric capillary nebulizer (CCN) was developed and evaluated for ICP spectrometry. The CCN could be operated at sample uptake rates of 0.050-1.00 ml min'^ and under oscillating and non-oscillating conditions. Aerosol characteristics for the CCN were studied using a laser Fraunhofter diffraction analyzer. Solvent transport efficiencies and transport rates, detection limits, and short- and long-term stabilities were evaluated for the CCN with a modified cyclonic spray chamber at different sample uptake rates. The Mg II (280.2nm)/l\/lg 1(285.2nm) ratio was used for matrix effect studies. Results were compared to those with conventional nebulizers, a cross-flow nebulizer with a Scott-type spray chamber, a GemCone nebulizer with a cyclonic spray chamber, and a Meinhard TR-30-K3 concentric nebulizer with a cyclonic spray chamber. Transport efficiencies of up to 57% were obtained for the CCN. For the elements tested, short- and long-term precisions and detection limits obtained with the CCN at 0.050-0.500 ml min'^ are similar to, or better than, those obtained on the same instrument using the conventional nebulizers (at 1.0 ml min'^). The depressive and enhancement effects of easily ionizable element Na, sulfuric acid, and dodecylamine surfactant on analyte signals with the CCN are similar to, or better than, those obtained with the conventional nebulizers. However, capillary clog was observed when the sample solution with high dissolved solids was nebulized for more than 40 min. The effects of data acquisition and data processing on detection limits were studied using inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry. The study examined the effects of different detection limit approaches, the effects of data integration modes, the effects of regression modes, the effects of the standard concentration range and the number of standards, the effects of sample uptake rate, and the effect of Integration time. All the experiments followed the same protocols. Three detection limit approaches were examined, lUPAC method, the residual standard deviation (RSD), and the signal-to-background ratio and relative standard deviation of the background (SBR-RSDB). The study demonstrated that the different approaches, the integration modes, the regression methods, and the sample uptake rates can have an effect on detection limits. The study also showed that the different approaches give different detection limits and some methods (for example, RSD) are susceptible to the quality of calibration curves. Multicomponents spectral fitting (MSF) gave the best results among these three integration modes, peak height, peak area, and MSF. Weighted least squares method showed the ability to obtain better quality calibration curves. Although an effect of the number of standards on detection limits was not observed, multiple standards are recommended because they provide more reliable calibration curves. An increase of sample uptake rate and integration time could improve detection limits. However, an improvement with increased integration time on detection limits was not observed because the auto integration mode was used.

Mécanismes de déformation de nanoparticules d’Au par irradiation ionique

Résumé Dans la présente thèse, nous avons étudié la déformation anisotrope par bombardement ionique de nanoparticules d'or intégrées dans une matrice de silice amorphe ou d'arséniure d’aluminium cristallin. On s’est intéressé à la compréhension du mécanisme responsable de cette déformation pour lever toute ambigüité quant à l’explication de ce phénomène et pour avoir une interprétation consistante et unique. Un procédé hybride combinant la pulvérisation et le dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma a été utilisé pour la fabrication de couches nanocomposites Au/SiO2 sur des substrats de silice fondue. Des structures à couches simples et multiples ont été obtenues. Le chauffage pendant ou après le dépôt active l’agglomération des atomes d’Au et par conséquent favorise la croissance des nanoparticules. Les nanocomposites Au/AlAs ont été obtenus par implantation ionique de couches d’AlAs suivie de recuit thermique rapide. Les échantillons des deux nanocomposites refroidis avec de l’azote liquide ont été irradiés avec des faisceaux de Cu, de Si, d’Au ou d’In d’énergie allant de 2 à 40 MeV, aux fluences s'étendant de 1×1013 à 4×1015 ions/cm2, en utilisant le Tandem ou le Tandetron. Les propriétés structurales et morphologiques du nanocomposite Au/SiO2 sont extraites en utilisant des techniques optiques car la fréquence et la largeur de la résonance plasmon de surface dépendent de la forme et de la taille des nanoparticules, de leur concentration et de la distance qui les séparent ainsi que des propriétés diélectriques du matériau dans lequel les particules sont intégrées. La cristallinité de l’arséniure d’aluminium est étudiée par deux techniques: spectroscopie Raman et spectrométrie de rétrodiffusion Rutherford en mode canalisation (RBS/canalisation). La quantité d’Au dans les couches nanocomposites est déduite des résultats RBS. La distribution de taille et l’étude de la transformation de forme des nanoparticules métalliques dans les deux nanocomposites sont déterminées par microscopie électronique en transmission. Les résultats obtenus dans le cadre de ce travail ont fait l’objet de trois articles de revue. La première publication montre la possibilité de manipuler la position spectrale et la largeur de la bande d’absorption des nanoparticules d’or dans les nanocomposites Au/SiO2 en modifiant leur structure (forme, taille et distance entre particules). Les nanoparticules d’Au obtenues sont presque sphériques. La bande d’absorption plasmon de surface (PS) correspondante aux particules distantes est située à 520 nm. Lorsque la distance entre les particules est réduite, l’interaction dipolaire augmente ce qui élargit la bande de PS et la déplace vers le rouge (602 nm). Après irradiation ionique, les nanoparticules sphériques se transforment en ellipsoïdes alignés suivant la direction du faisceau. La bande d’absorption se divise en deux bandes : transversale et longitudinale. La bande correspondante au petit axe (transversale) est décalée vers le bleu et celle correspondante au grand axe (longitudinale) est décalée vers le rouge indiquant l’élongation des particules d’Au dans la direction du faisceau. Le deuxième article est consacré au rôle crucial de la déformation plastique de la matrice et à l’importance de la mobilité des atomes métalliques dans la déformation anisotrope des nanoparticules d’Au dans les nanocomposites Au/SiO2. Nos mesures montrent qu'une valeur seuil de 2 keV/nm (dans le pouvoir d'arrêt électronique) est nécessaire pour la déformation des nanoparticules d'or. Cette valeur est proche de celle requise pour la déformation de la silice. La mobilité des atomes d’Au lors du passage d’ions est confirmée par le calcul de la température dans les traces ioniques. Le troisième papier traite la tentative de formation et de déformation des nanoparticules d’Au dans une matrice d’arséniure d’aluminium cristallin connue pour sa haute résistance à l’amorphisation et à la déformation sous bombardement ionique. Le résultat principal de ce dernier article confirme le rôle essentiel de la matrice. Il s'avère que la déformation anisotrope du matériau environnant est indispensable pour la déformation des nanoparticules d’or. Les résultats expérimentaux mentionnés ci-haut et les calculs de températures dans les traces ioniques nous ont permis de proposer le scénario de déformation anisotrope des nanoparticules d’Au dans le nanocomposite Au/SiO2 suivant: - Chaque ion traversant la silice fait fondre brièvement un cylindre étroit autour de sa trajectoire formant ainsi une trace latente. Ceci a été confirmé par la valeur seuil du pouvoir d’arrêt électronique. - L’effet cumulatif des impacts de plusieurs ions conduit à la croissance anisotrope de la silice qui se contracte dans la direction du faisceau et s’allonge dans la direction perpendiculaire. Le modèle de chevauchement des traces ioniques (overlap en anglais) a été utilisé pour valider ce phénomène. - La déformation de la silice génère des contraintes qui agissent sur les nanoparticules dans les plans perpendiculaires à la trajectoire de l’ion. Afin d’accommoder ces contraintes les nanoparticules d’Au se déforment dans la direction du faisceau. - La déformation de l’or se produit lorsqu’il est traversé par un ion induisant la fusion d’un cylindre autour de sa trajectoire. La mobilité des atomes d’or a été confirmée par le calcul de la température équivalente à l’énergie déposée dans le matériau par les ions incidents. Le scénario ci-haut est compatible avec nos données expérimentales obtenues dans le cas du nanocomposite Au/SiO2. Il est appuyé par le fait que les nanoparticules d’Au ne se déforment pas lorsqu’elles sont intégrées dans l’AlAs résistant à la déformation.

Une nouvelle méthode smoothed particle hydrodynamics : simulation des interfaces immergées et de la dynamique Brownienne des molécules avec des interactions hydrodynamiques

Dans cette thèse, nous présentons une nouvelle méthode smoothed particle hydrodynamics (SPH) pour la résolution des équations de Navier-Stokes incompressibles, même en présence des forces singulières. Les termes de sources singulières sont traités d'une manière similaire à celle que l'on retrouve dans la méthode Immersed Boundary (IB) de Peskin (2002) ou de la méthode régularisée de Stokeslets (Cortez, 2001). Dans notre schéma numérique, nous mettons en oeuvre une méthode de projection sans pression de second ordre inspirée de Kim et Moin (1985). Ce schéma évite complètement les difficultés qui peuvent être rencontrées avec la prescription des conditions aux frontières de Neumann sur la pression. Nous présentons deux variantes de cette approche: l'une, Lagrangienne, qui est communément utilisée et l'autre, Eulerienne, car nous considérons simplement que les particules SPH sont des points de quadrature où les propriétés du fluide sont calculées, donc, ces points peuvent être laissés fixes dans le temps. Notre méthode SPH est d'abord testée à la résolution du problème de Poiseuille bidimensionnel entre deux plaques infinies et nous effectuons une analyse détaillée de l'erreur des calculs. Pour ce problème, les résultats sont similaires autant lorsque les particules SPH sont libres de se déplacer que lorsqu'elles sont fixes. Nous traitons, par ailleurs, du problème de la dynamique d'une membrane immergée dans un fluide visqueux et incompressible avec notre méthode SPH. La membrane est représentée par une spline cubique le long de laquelle la tension présente dans la membrane est calculée et transmise au fluide environnant. Les équations de Navier-Stokes, avec une force singulière issue de la membrane sont ensuite résolues pour déterminer la vitesse du fluide dans lequel est immergée la membrane. La vitesse du fluide, ainsi obtenue, est interpolée sur l'interface, afin de déterminer son déplacement. Nous discutons des avantages à maintenir les particules SPH fixes au lieu de les laisser libres de se déplacer. Nous appliquons ensuite notre méthode SPH à la simulation des écoulements confinés des solutions de polymères non dilués avec une interaction hydrodynamique et des forces d'exclusion de volume. Le point de départ de l'algorithme est le système couplé des équations de Langevin pour les polymères et le solvant (CLEPS) (voir par exemple Oono et Freed (1981) et Öttinger et Rabin (1989)) décrivant, dans le cas présent, les dynamiques microscopiques d'une solution de polymère en écoulement avec une représentation bille-ressort des macromolécules. Des tests numériques de certains écoulements dans des canaux bidimensionnels révèlent que l'utilisation de la méthode de projection d'ordre deux couplée à des points de quadrature SPH fixes conduit à un ordre de convergence de la vitesse qui est de deux et à une convergence d'ordre sensiblement égale à deux pour la pression, pourvu que la solution soit suffisamment lisse. Dans le cas des calculs à grandes échelles pour les altères et pour les chaînes de bille-ressort, un choix approprié du nombre de particules SPH en fonction du nombre des billes N permet, en l'absence des forces d'exclusion de volume, de montrer que le coût de notre algorithme est d'ordre O(N). Enfin, nous amorçons des calculs tridimensionnels avec notre modèle SPH. Dans cette optique, nous résolvons le problème de l'écoulement de Poiseuille tridimensionnel entre deux plaques parallèles infinies et le problème de l'écoulement de Poiseuille dans une conduite rectangulaire infiniment longue. De plus, nous simulons en dimension trois des écoulements confinés entre deux plaques infinies des solutions de polymères non diluées avec une interaction hydrodynamique et des forces d'exclusion de volume.

Etude spectroscopique d’un plasma micro-onde à la pression atmosphérique et son application à la synthèse de nanostructures

L’objectif de ce mémoire de maîtrise est de caractériser la distribution axiale des plasmas tubulaires à la pression atmosphérique créés et entretenus par une onde électromagnétique de surface ainsi que d’explorer le potentiel de ces sources pour la synthèse de matériaux et de nanomatériaux. Un précédent travail de thèse, qui avait pour objectif de déterminer les mécanismes à l’origine de la contraction radiale du plasma créé dans des gaz rares, a mis en lumière un phénomène jusque-là inconnu dans les plasmas d’onde de surface (POS). En effet, la distribution axiale varie différemment selon la puissance incidente ce qui constitue une différence majeure par rapport aux plasmas à pression réduite. Dans ce contexte, nous avons réalisé une étude paramétrique des POS à la pression atmosphérique dans l’Ar. À partir de nos mesures de densité électronique, de température d’excitation et de densité d’atomes d’Ar dans un niveau métastable (Ar 3P2), résolues axialement, nous avons conclu que le comportement axial de l’intensité lumineuse avec la puissance n’est pas lié à un changement de la cinétique de la décharge (qui est dépendante de la température des électrons et de la densité d’atomes d’Ar métastables), mais plutôt à une distribution anormale de dissipation de puissance dans le plasma (reliée à la densité d’électrons). Plus précisément, nos résultats suggèrent que ce dépôt anormal de puissance provient d’une réflexion de l’onde dans le fort gradient de densité de charges en fin de colonne, un effet plus marqué pour de faibles longueurs de colonnes à plasma. Ensuite, nous avons effectué une étude spectroscopique du plasma en présence de précurseurs organiques, en particulier le HMDSO pour la synthèse de matériaux organosiliciés et l’IPT pour la synthèse de matériaux organotitaniques. Les POS à la PA sont caractérisés par des densités de charges très élevées (>10^13 cm^-3), permettant ainsi d’atteindre des degrés de dissociation des précurseurs nettement plus élevés que ceux d'autres plasmas froids à la pression atmosphérique comme les décharges à barrière diélectrique. Dans de tels cas, les matériaux synthétisés prennent la forme de nanopoudres organiques de taille inférieure à 100 nm. En présence de faibles quantités d’oxygène dans le plasma, nous obtenons plutôt des nanopoudres à base d’oxyde de silicium (HMDSO) ou à base de titanate de silicium (IPT), avec très peu de carbone.