Three-dimensional electron number densities in a titanium PLD plasma using interferometry

Interferometry has been used to investigate the spatio-temporal evolution of the electron number density in the initial stages of expansion following 248 nm ablation of a titanium target. Three-dimensional electron number densities are obtained from an interferogram of the plasma plume using the Abel inversion technique.

Short-pulse, extreme-ultraviolet continuum emission from a table-top laser plasma light source

We have observed extreme-ultraviolet (XUV) ''line-free'' continuum emission from laser plasmas of high atomic number elements using targets irradiated with 248 nm laser pulses of 7 ps duration at a power density of similar to 10(13) W/cm(2). Using both dispersive spectroscopy and streak camera detection, the spectral and temporal evolution of XUV continuum emission for several target atomic numbers has been measured on a time scale with an upper limit of several hundred picoseconds limited by amplified spontaneous emission. (C) 1997 American Institute of Physics.

Megagauss magnetic field generation and plasma jet formation on solid targets irradiated by an ultraintense picosecond laser pulse

The spatial and temporal evolution of spontaneous megagauss magnetic fields, generated during the interaction of a picosecond pulse with solid targets at irradiances above 5 x 10(18) W/cm(2) have been measured using Faraday rotation with picosecond resolution. A high density plasma jet has been observed simultaneously with the magnetic fields by interferometry and optical emission. Two-dimensional magnetohydrodynamic simulations reproduced the main features of the experiment and showed that the jet formation is due to pinching by the magnetic fields.

Pre- to Post-discharge Behavior in Saline Solution

The development of a plasma discharge at low voltage (200-600 V) in saline solution is characterized using fast and standard CCD camera imaging. Vapor formation, plasma formation, and vapor collapse and subsequent pressure wave propagation are observed. If, with increasing voltage, the total energy deposited is kept approximately constant, the sequence and nature of events are similar but develop faster and more reproducibly at the higher voltages. This is attributed to the slower temporal evolution of the vapor layer at lower voltages which means a greater sensitivity to hydrodynamic instabilities at the vapor-liquid interface.

Time-Dependent Density Diagnostics of Solar Flare Plasmas Using SDO/EVE

Temporally resolved electron density measurements of solar flare plasmas are presented using data from the EUV Variability Experiment (EVE) on board the Solar Dynamics Observatory. The EVE spectral range contains emission lines formed between 104 and 107 K, including transitions from highly ionized iron (gsim10 MK). Using three density-sensitive Fe XXI ratios, peak electron densities of 1011.2-1012.1 cm–3 were found during four X-class flares. While previous measurements of densities at such high temperatures were made at only one point during a flaring event, EVE now allows the temporal evolution of these high-temperature densities to be determined at 10 s cadence. A comparison with GOES data revealed that the peak of the density time profiles for each line ratio correlated well with that of the emission measure time profile for each of the events studied.

XUV spectroscopic characterization of warm dense aluminum plasmas generated by the free-electron-laser FLASH

We report on experiments aimed at the generation and characterization of solid density plasmas at the free-electron laser FLASH in Hamburg. Aluminum samples were irradiated with XUV pulses at 13.5 nm wavelength (92 eV photon energy). The pulses with duration of a few tens of femtoseconds and pulse energy up to 100 mu J are focused to intensities ranging between 10(13) and 10(17) W/cm(2). We investigate the absorption and temporal evolution of the sample under irradiation by use of XUV and optical spectroscopy. We discuss the origin of saturable absorption, radiative decay, bremsstrahlung and atomic and ionic line emission. Our experimental results are in good agreement with simulations.

Development of a novel mass spectrometric technique for studying DNA damage

An experimental system, based upon UV and IR laser desorption, has been constructed to enable the production and characterization of neutral biomolecular targets. These targets are to be used for interaction experiments investigating radiation-induced damage to DNA. The viability of the laser-desorption techniques of MALDI (matrix-assisted laser-desorption ionization), SALDI (surface-assisted laser-desorption ionization) and DIOS (desorption/ionization on silicon), for production of these gas targets is discussed in the present paper. Fluorescent dye tagging and LIF (laser-induced fluorescence) imaging has been used to characterize the biomolecular plumes, revealing their spatial density profiles and temporal evolution. © The Authors Journal compilation. © 2009 Biochemical Society.

Dynamics of dark hollow Gaussian laser pulses in relativistic plasma

Optical beams with null central intensity have potential applications in the field of atom optics. The spatial and temporal evolution of a central shadow dark hollow Gaussian (DHG) relativistic laser pulse propagating in a plasma is studied in this article for first principles. A nonlinear Schrodinger-type equation is obtained for the beam spot profile and then solved numerically to investigate the pulse propagation characteristics. As series of numerical simulations are employed to trace the profile of the focused and compressed DHG laser pulse as it propagates through the plasma. The theoretical and simulation results predict that higher-order DHG pulses show smaller divergence as they propagate and, thus, lead to enhanced energy transport. © 2013 American Physical Society.

Experimental investigation of hole boring and light sail regimes of RPA by varying laser and target parameters

Temporal evolution of plasma jets from micrometre-scale thick foils following the interaction of intense (3 × 10 W cm ) laser pulses is studied systematically by time resolved optical interferometry. The fluid velocity in the plasma jets is determined by comparing the data with 2D hydrodynamic simulation, which agrees with the expected hole-boring (HB) velocity due to the laser radiation pressure. The homogeneity of the plasma density across the jets has been found to be improved substantially when irradiating the laser at circular polarization compared to linear polarization. While overdense plasma jets were formed efficiently for micrometre thick targets, decreasing the target areal density and/or increasing the irradiance on the target have provided indication of transition from the 'HB' to the 'light sail (LS)' regime of RPA, characterized by the appearance of narrow-band spectral features at several MeV/nucleon in proton and carbon spectra.

Longitudinal proton probing of ultrafast and high-contrast laser-solid interactions

We have performed an experiment aimed at measuring self-generated magnetic fields produced in solids by high electron currents following high-intensity and high contrast short-pulse laser irradiation. This was done using longitudinal high resolution proton deflectometry. The experiment was performed at the Titan-JLF laser facility with a high-power short-pulse beam (700 fs, ~ 110 J) split into two beams irradiating two solid targets. One beam is used for the generation of protons and the other beam for the generation of the ultra-high currents of electrons and of the associated magnetic fields. This capability allows us to study the spatio-temporal evolution of the magnetic fields and its dependence on the laser intensity and target material. © Owned by the authors, published by EDP Sciences, 2013.

Warm Dense Aluminum Plasma generated by the Free-Electron-Laser FLASH

We report on experiments aimed at the generation and characterization of solid density plasmas at the free-electron laser FLASH in Hamburg. Aluminum samples were irradiated with XUV pulses at 13.5 nm wavelength (92 eV photon energy). The pulses with duration of a few tens of femtoseconds and pulse energy up to 100 mu J are focused to intensities ranging from 10(13) to 10(17) W/cm(2). We investigate the absorption and temporal evolution of the sample under irradiation by use of XUV spectroscopy. We discuss the origin of saturable absorption, radiative decay, bremsstrahlung and ionic line emission. Our experimental results are in good agreement with hydrodynamic simulations.

Radiative hydrodynamic modelling and observations of the X-class solar flare on 2011 March 9

Aims. We investigated the response of the solar atmosphere to non-thermal electron beam heating using the radiative transfer and hydrodynamics modelling code RADYN. The temporal evolution of the parameters that describe the non-thermal electron energy distribution were derived from hard X-ray observations of a particular flare, and we compared the modelled and observed parameters.

Methods. The evolution of the non-thermal electron beam parameters during the X1.5 solar flare on 2011 March 9 were obtained from analysis of RHESSI X-ray spectra. The RADYN flare model was allowed to evolve for 110 s, after which the electron beam heating was ended, and was then allowed to continue evolving for a further 300 s. The modelled flare parameters were compared to the observed parameters determined from extreme-ultraviolet spectroscopy.

Results. The model produced a hotter and denser flare loop than that observed and also cooled more rapidly, suggesting that additional energy input in the decay phase of the flare is required. In the explosive evaporation phase a region of high-density cool material propagated upward through the corona. This material underwent a rapid increase in temperature as it was unable to radiate away all of the energy deposited across it by the non-thermal electron beam and via thermal conduction. A narrow and high-density (ne ≤ 1015 cm-3) region at the base of the flare transition region was the source of optical line emission in the model atmosphere. The collision-stopping depth of electrons was calculated throughout the evolution of the flare, and it was found that the compression of the lower atmosphere may permit electrons to penetrate farther into a flaring atmosphere compared to a quiet Sun atmosphere.

Hα Line Profile Asymmetries and the Chromospheric Flare Velocity Field

The asymmetries observed in the line profiles of solar flares can provide important diagnostics of the properties and dynamics of the flaring atmosphere. In this paper the evolution of the Hα and Ca ii λ8542 lines are studied using high spatial, temporal, and spectral resolution ground-based observations of an M1.1 flare obtained with the Swedish 1 m Solar Telescope. The temporal evolution of the Hα line profiles from the flare kernel shows excess emission in the red wing (red asymmetry) before flare maximum and excess in the blue wing (blue asymmetry) after maximum. However, the Ca ii λ8542 line does not follow the same pattern, showing only a weak red asymmetry during the flare. RADYN simulations are used to synthesize spectral line profiles for the flaring atmosphere, and good agreement is found with the observations. We show that the red asymmetry observed in Hα is not necessarily associated with plasma downflows, and the blue asymmetry may not be related to plasma upflows. Indeed, we conclude that the steep velocity gradients in the flaring chromosphere modify the wavelength of the central reversal in the Hα line profile. The shift in the wavelength of maximum opacity to shorter and longer wavelengths generates the red and blue asymmetries, respectively.

Impacte da qualidade do ar urbana na saúde pública: o caso da cidade do Porto

O benzeno foi o primeiro poluente atmosférico carcinogénico a ser regulamentado a nível europeu. Vários trabalhos têm sido publicados demonstrando a relação deste poluente com diversos tipos de neoplasias nomeadamente decorrentes de exposições a nível ocupacional. Porém, o estudo deste poluente para concentrações atmosféricas em ambientes exteriores ainda é pouco conhecido e está em clara evolução. Neste sentido, este trabalho pretende ser um contributo para o conhecimento da relação entre o benzeno atmosférico e a incidência de patologias que afectam os tecidos linfáticos e órgãos hematopoiéticos nomeadamente linfomas de Hodgkin, linfomas de não-Hodgkin e leucemias na população residente na Área Metropolitana do Porto. Dado a quase ausência de dados de monitorização das concentrações de benzeno atmosférico actualmente em Portugal, estas foram estimadas com base na definição de uma relação entre o benzeno e o monóxido de carbono. O conhecimento das concentrações em todo o domínio de estudo baseou-se na análise dos dados da Rede Automática de Monitorização da Qualidade do Ar porém, de modo a aumentar o detalhe espacial e temporal recorreu-se à modelação atmosférica aplicando o modelo TAPM. Para perceber a evolução temporal das concentrações, a modelação foi efectuada para os anos de 1991, 2001 e 2006 com base no ano meteorológico de 2006 e emissões para os respectivos anos ao nível da freguesia. O modelo foi previamente validado de acordo com uma metodologia proposta para este tipo de modelos. Contudo, mais do que perceber qual a variação da qualidade do ar a nível exterior, é importante conhecer o impacte de fontes interiores e o seu efeito na população. Assim, desenvolveu-se um modelo de exposição e dose que permitem conhecer os valores médios populacionais. A modelação da exposição populacional é efectuada com base nos perfis de actividade-tempo, nos movimentos pendulares inter-concelhos e nas concentrações de benzeno em ambientes exteriores e interiores. Na modelação da dose é ainda possível variações por sexo e idade. Por outro lado, para o estudo das patologias em análise efectuou-se uma análise epidemiológica espacial nomeadamente no que respeita à elaboração de mapas de incidência padronizados pela idade, e estudo da associação com a exposição ao benzeno atmosférico. Os resultados indicam associação entre o benzeno e as doenças em estudo. Esta evidência é mais notória quando a análise é realizada junto às principais fontes de emissão deste poluente, vias de tráfego e postos de abastecimento de combustível. Porém, a ausência de informação limita o estudo não permitindo o controlo de potenciais variáveis de confundimento como a exposição ao fumo do tabaco. A metodologia permite efectuar uma gestão integrada da qualidade do ar exterior e interior, funcionando como uma ferramenta do apoio à decisão para elaboração de planos de prevenção de longo prazo de potenciais efeitos na saúde das populações nomeadamente para outro tipo de patologias.

Determinant factors for the use of imposex in TBT pollution monitoring

Os compostos de tributilestanho (TBT) foram utilizados como biocidas em tintas antivegetativas (AV) e amplamente aplicados, durante décadas, de forma a evitar a bioincrustação em superfícies submersas, principalmente em cascos de embarcações. Os seus efeitos deletérios em organismos não-alvo tornaram-se evidentes após o aparecimento de gastrópodes prosobrâquios com imposex – sobreposição de caracteres sexuais masculinos sobre o tracto reprodutivo das fêmeas. Desde então, a expressão do imposex em prosobrânquios tem sido amplamente utilizada como biomarcador da poluição por TBT. Um dos objectivos da presente tese é avaliar se as mais recentes restrições legais na utilização das tintas AV com compostos organoestânicos (OTs) resultaram numa redução da poluição pelos mesmos na costa continental Portuguesa. Para tal, foi levada a cabo a análise da variação temporal do imposex como biomarcador dos níveis ambientais de TBT e a validação de procedimentos, de modo a seguir de forma precisa a evolução da intensidade deste fenómeno ao longo do tempo. O trabalho de investigação teve início no momento em que a ineficácia da legislação anterior (Directiva 89/677/CEE) na redução da poluição por TBT no litoral Português era reportada na literatura e quando estavam já agendados instrumentos decisivos para a diminuição definitiva deste tipo de poluição: o Regulamento (CE) N.º 782/2003 do Parlamento e do Conselho da União Europeia (UE) que bania as tintas AV baseadas em TBT na sua frota a partir de 1 de Julho de 2003; a "Convenção Internacional sobre o Controlo de Sistemas Antivegetativos Nocivos em Navios” (Convenção AFS), adoptada em 2001 pela Organização Marítima Internacional (OMI), que procurava erradicar os OTs da frota mundial até 2008. Os níveis de imposex e as concentrações de OTs nos tecidos de fêmeas de Nucella lapillus foram medidos em 17 locais de amostragem ao longo da costa Portuguesa em 2003, a fim de se avaliarem os impactos do TBT nas populações desta espécie e de se criar uma base de dados para seguir a sua evolução futura. O índice da sequência do vaso deferente (VDSI), o índice do tamanho relativo do pénis (RPSI) e a percentagem de fêmeas afectadas por imposex (%I) foram utilizados na medição da intensidade deste fenómeno em cada local de amostragem e os seus valores variaram entre 0,20-4,04, 0,0- 42,2% e 16,7-100,0%, respectivamente. Foram encontradas fêmeas estéreis em 3 locais de amostragem, com percentagens a variar entre 4,0 e 6,2%. As concentrações de TBT e dibutilestanho (DBT) nas fêmeas variaram respectivamente entre 23-138 e <10-62 ng Sn.g-1 de peso seco, e o conteúdo em TBT nos tecidos revelou-se significativamente correlacionado com o imposex (nomeadamente com o RPSI e o VDSI). Os níveis de expressão do fenómeno e o conteúdo em OTs nos tecidos, foram superiores na proximidade de portos, confirmando as conclusões obtidas anteriormente por outros autores de que os navios e a actividade dos estaleiros são as principais fontes destes compostos no litoral Português. As infra-estruturas associadas ás principais fontes de OTs – portos, estaleiros e marinas – estão geralmente localizadas no interior de estuários, motivo pelo qual estas áreas têm vindo a ser descritas como as mais afectadas por estes poluentes. Por esta razão, foi levado a cabo o estudo pormenorizado da poluição por TBT na Ria de Aveiro, como caso de estudo representativo da poluição por estes compostos num sistema estuarino em Portugal continental. N. lapillus foi usada como bioindicador para avaliar a tendência temporal da poluição por TBT nesta área entre 1997 e 2007. Foi registada uma diminuição da intensidade do imposex após 2003, embora as melhorias mais evidentes tenham sido observadas entre 2005 e 2007, provavelmente devido à implementação do Regulamento (CE) N.º 782/2003 que proibiu a aplicação de tintas AV com TBT em navios com a bandeira da UE. Apesar desses progressos, as análises ao conteúdo em OTs nos tecidos de fêmeas de N. lapillus e em amostras de água colhidas em 2006 indicaram contaminação recente por TBT na área de estudo, evidenciando assim a permanência de fontes de poluição. A utilização de N. lapillus como bioindicador da poluição por TBT na Ria de Aveiro apresenta algumas limitações uma vez que a espécie não ocorre nas áreas mais interiores da Ria e não vive em contacto com sedimentos. Assim, a informação obtida a partir da sua utilização como bioindicador é fundamentalmente relativa aos níveis de TBT na coluna de água. Foi então necessário recorrer a um bioindicador complementar – Hydrobia ulvae – para melhor avaliar a evolução temporal da poluição por TBT no interior deste sistema estuarino e estudar a persistência de TBT nos sedimentos. Não foi registada uma diminuição dos níveis de imposex em H. ulvae na Ria de Aveiro entre 1998 e 2007, apesar da aplicação do Regulamento (CE) N.º 782/2003. Pelo contrário, houve um aumento global significativo da percentagem de fêmeas afectadas por imposex e um ligeiro aumento do VDSI, contrastando com o que tem sido descrito para outros bioindicadores na Ria de Aveiro no mesmo período. Estes resultados mostram que a diferente biologia/ecologia das espécies indicadoras determina vias distintas de acumulação de TBT, apontando a importância da escolha do bioindicador dependendo do compartimento a ser monitorizado (sedimento versus água). A ingestão de sedimento como hábito alimentar em H. ulvae foi discutida como sendo a razão para a escolha da espécie como indicadora da contaminação dos sedimentos por TBT. Foram também estudados os métodos mais fiáveis para reduzir a influência de variáveis críticas na medição dos níveis de imposex em H. ulvae. As comparações de parâmetros do imposex baseados em medições do pénis devem ser sempre realizadas sob condições de narcotização bem standardizadas uma vez que este procedimento provoca um aumento significativo do comprimento do pénis (PL) em ambos os sexos. O VDSI, a % e o PL em ambos os sexos revelaram ser fortemente influenciados pelo tamanho dos espécimes: a utilização de fêmeas mais pequenas conduz à subestimação do VDSI, da %I e do PL, enquanto que diferenças no tamanho dos machos provocam variações no índice do comprimento relativo do pénis (RPLI), independentemente dos níveis de poluição por TBT. Existe, portanto, a necessidade de controlar algumas variáveis envolvidas na análise do imposex que mostraram afectar a fiabilidade dos resultados. Uma vez que N. lapillus é o principal bioindicador dos efeitos biológicos específicos do TBT para a área da OSPAR, foi também estudada a influência de algumas variáveis na avaliação dos níveis de imposex nesta espécie, especificamente as relacionadas com o ciclo reprodutor e o tamanho dos espécimes. O estudo do ciclo reprodutor e a variação sazonal/espacial do comprimento do pénis do macho (MPL) incidiu num único local no litoral Português (Areão – região de Aveiro) de forma a avaliar se o RPSI varia sazonal e espacialmente na mesma estação de amostragem e se tais variações influenciam os resultados obtidos em programas de monitorização do imposex. Nos meses de Dezembro de 2005 a Junho de 2007, foram encontrados espécimes de N. lapillus sexualmente maturos e potencialmente aptos para a reprodução. Contudo, foi também evidente um padrão sazonal do ciclo reprodutor – o estado de desenvolvimento da gametogénese nas fêmeas variou sazonalmente e ocorreu uma diminuição do volume da glândula da cápsula e do factor de condição no final do Verão / início do Outono. Contrariamente, a gametogénese nos machos não apresentou variação sazonal significativa, embora os valores mais baixos do factor de condição, do comprimento do pénis e dos volumes de esperma e da próstata tenham também sido registados no final do Verão / início do Outono. Além disso, o MPL mostrou variar, no mesmo local de amostragem, inversamente com a distância aos ninhos de cápsulas ovígeras; um aumento dos valores do MPL foi também observado em espécimes de maior tamanho. Todas estas variações no MPL introduzem desvios nos resultados da avaliação do imposex quando é usado o RPSI. A magnitude do erro envolvido foi quantificada e revelou-se superior em locais com níveis mais elevados de poluição por TBT. Apesar do RPSI ser um índice que fornece informação importante sobre os níveis de poluição por TBT, a sua interpretação deve ser cuidadosa e realizada complementarmente com os outros índices, destacando-se o VDSI como índice mais fiável e com significado biológico mais expressivo. Novas campanhas de monitorização do imposex em N. lapillus foram realizadas ao longo da costa Portuguesa em 2006 e 2008, e os resultados subsequentemente comparados com a base de dados criada em 2003,de forma a avaliar a evolução da poluição por TBT no litoral Português naquele período. Nestes estudos foram aplicados novos procedimentos na monitorização e tratamento dos dados, de forma a minimizar a variação nos índices de avaliação do imposex induzida pelos factores acima descritos, para seguir com maior consistência a tendência da poluição por TBT entre 2003 e 2008. Foi observado um declínio global significativo na intensidade de imposex na área de estudo durante o referido período e a qualidade ecológica da costa Portuguesa, segundo os termos definidos pela Comissão OSPAR, revelou melhorias notáveis após 2003 confirmando a eficácia do Regulamento (CE) N.º 782/2003. Não obstante, as populações de N. lapillus revelaram-se ainda amplamente afectadas por imposex, tendo sido detectadas emissões de TBT na água do mar ao longo da costa em 2006, apesar da restrição anteriormente referida. Estes inputs foram atribuídos principalmente aos navios que à data ainda circulavam com tintas AV com TBT aplicadas antes de 2003, uma vez que a sua utilização nas embarcações foi apenas proibida em 2008. Considerando que o Regulamento (CE) N.º 782/2003 constitui uma antecipação da proibição global da OMI que entrou em vigor em Setembro de 2008, prevê-se, por analogia, que haja uma rápida diminuição da poluição por TBT à escala mundial num futuro próximo. Na sequência desta previsão, é apresentada uma discussão teórica preliminar relativamente ás possíveis estratégias usadas por N. lapillus na recolonização de locais onde, no passado, as populações terão aparentemente sido extintas devido a níveis extremamente elevados de TBT. Estes locais são tipicamente zonas abrigadas junto de infra-estruturas portuárias, cuja recolonização por esta espécie será provavelmente muito lenta dada a mobilidade reduzida dos adultos e o ciclo de vida não apresentar fase larvar pelágica. Foram então equacionadas duas hipotéticas vias de recolonização de zonas abrigadas por espécimes provenientes de populações de costa aberta/exposta: a migração de adultos e/ou a dispersão de juvenis. No entanto, em ambos os casos, estaria implicada a transposição de um problema amplamente descrito na bibliografia: as populações de N. lapillus de costa aberta podem apresentar um fenótipo muito diferente das de zonas abrigadas, podendo inclusivamente variar no número de cromossomas. A recolonização pode portanto não ter sucesso pelo simples facto dos novos recrutas não estarem bem adaptados aos locais a recolonizar. Para analisar este problema, foram estudados tanto a forma da concha de espécimes de N. lapillus ao longo da costa Portuguesa como o respectivo número de cromossomas. Embora a forma da concha tenha revelado diferenças, de acordo com o grau de hidrodinamismo entre as populações de N. lapillus avaliadas, o cariótipo 2n = 26, típico de zonas expostas, foi registado em todos os locais amostrados. Por outro lado, foi também testada em laboratório a possível mortalidade de juvenis em dispersão no interior menos salino dos estuários. Foi então verificada a ocorrência de mortalidade elevada de juvenis expostos a salinidades baixas (=100% após 1 hora a salinidades ≤9 psu), o que também pode comprometer a recolonização de zonas estuarinas menos salinas por esta via. Mesmo assim, os juvenis mostraram um comportamento de flutuação à superfície da água em condições laboratoriais, que pode ser considerado um benefício específico na colonização de áreas mais internas dos estuários, se tal facto vier a ser confirmado em estudos de campo. As conclusões deste estudo contribuem certamente para a descrição do final da “história do TBT” dado que, uma vez controlados alguns factores determinantes no uso do imposex como biomarcador, a avaliação do declínio da poluição por estes compostos, agora esperado à escala global, se torna mais rigorosa.