Photo-double detachment from the F- ion

The correlated process of photodetaching two electrons from the F- ion following the absorption of a single photon has been investigated over an energy range 20-62 eV. In the experiment, a beam of photons from the Advanced Light Source was collinearly merged with a counter-propagating beam of F- ions from a sputter ion source. The F+ ions produced in the interaction region were detected, and the normalized signal was used to monitor the relative cross section for the double-detachment reaction. An absolute scale for the cross section was established by measuring the spatial overlap of the two beams and by determining the efficiency for collection and detection of the F+ ions. The measured cross section is compared with R-matrix and random phase approximation calculations. These calculations show that the Auger decay of the 2s2p(6) core-excited state of the F atom plays a minor role in the production of F+ ions and that double detachment is likely to be dominated by simultaneous correlated ejection of two valence electrons at energies well above threshold.

Negative ion enhancement in caesium-seeded hydrogen discharges - a volume or surface effect?

Measurements of plasma parameters, including H- ion densities, made in conjunction with wall temperature, visible and vacuum ultraviolet emission spectroscopy verify that there is little caesium in the plasma volume of the H- ion source. Surface work function measurements indicate that there is significant caesium coverage of the inner walls of the ion source. It is found that, as the work function of a test surface decreases due to caesium seeding, the H- ion fraction in the discharge volume increases. These observations combine to indicate that, in the present source, the H- ion enhancement mechanism is a surface dominated effect. (C) 1999 American Institute of Physics. [S0003- 6951(99)04744-0].

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

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

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

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

A predictive maintenance system for integral type faults based on support vector machines:An application to ion implantation

In semiconductor fabrication processes, effective management of maintenance operations is fundamental to decrease costs associated with failures and downtime. Predictive Maintenance (PdM) approaches, based on statistical methods and historical data, are becoming popular for their predictive capabilities and low (potentially zero) added costs. We present here a PdM module based on Support Vector Machines for prediction of integral type faults, that is, the kind of failures that happen due to machine usage and stress of equipment parts. The proposed module may also be employed as a health factor indicator. The module has been applied to a frequent maintenance problem in semiconductor manufacturing industry, namely the breaking of the filament in the ion-source of ion-implantation tools. The PdM has been tested on a real production dataset. © 2013 IEEE.

Selected topics in fast atom bombardment (FAB) mass spectrometry a)specially designed probe tips and ion generation, b)structures of vitamin B6 schiff base complexes

This thesis can be broken down into two sections. Section one is a study . of the ionization mechanisms and the ion source optimization for Fast Atom Bombardment (FAB) ionization. For this study, several specially designed probe tips were created and tested under various experimental conditions. The aIm of this section is to understand the operating characteristics of a FAB IOn source better. The second section involves the study of several Vitamin B6 Schiff Base complexes using both positive and negative ion FAB MS. This section is an exploration of the usefulness of FAB MS as a structure probe for the metalcoordination complexes of Vitamin B6.

Bis-and tris (amidine) fluoroboron cations and related systems studies by Multinuclear NMR and fast atom bombardment mass spectometry

The formation and the isolation of fluoroboron salts, (D2BF2+)(PF6-), (DD'BF2+)(PF6-) and (D3BF2+)(PF6-)2, have been carried out. 1,8-Diazabicyclo [5,4.0]undec-7-ene (DBU) and 1,5-diazabicyclo[4,3,O]non-5-ene (DBN), extremely strong organic bases, were introduced into the fluoroboron cation systems and induced a complicated redistribution reaction in the D/BF3/BC13 systems. The result was the formation of all BFnCI4-n-, D.BFnCI3-n and fluoroboron cation species which were detected by 19p and 11B NMR spectrometry. The displacement reaction of CI- from these D.BFnCI3-n (n = 1 and 2) species by the second entering ligand is much faster than in other nitrogen donor containing systems which have been previously studied. Tetramethylguanidine, oxazolines and thiazolines can also produce similar reactions in D/BF3/BCI3 systems, but no significant BFnC4-n- species were observed. As well as influences of their basicity and their steric hindrance, N=C-R(X) (X = N, 0 or S) and N=C( X)2 (X = N or S) structures of ligands have significant effects on the fonnationof fluoroboron cations and the related NMR parameters. D3BF2+ and some D2BF2+ show the expected inertness, but (DBU)2BF2+ shows an interestingly high reactivity. (D2BF2+)(X-) formed from weak organic bases such as pyridine can react with stronger organic bases and form DD'BF2+ and D'2BF2+ in acetone or nitromethane. Fast atom bombardment mass spectrometry is doubly meaningful to this work. Firstly, FABMS can be directly applied to the complicated fluoroboron cation containing solution systems as an excellent complementary technique to multinuclear NMR. Secondly, the gas-phase ion substitution reaction of (D2BF2+)(PF6-) with the strong organic bases is successfully observed in a FABMS ion source when the B-N bond is not too strong in these cations.

The Role of Diffusion in ISOL Targets for the Production of Radioactive Ion Beams

On line isotope separation techniques (ISOL) for production of ion beams of short-lived radionuclides require fast separation of nuclear reaction products from irradiated target materials followed by a transfer into an ion source. As a first step in this transport chain the release of nuclear reaction products from refractory metals has been studied systematically and will be reviewed. High-energy protons (500 - 1000 MeV) produce a large number of radionuclides in irradiated materials via the nuclear reactions spallation, fission and fragmentation. Foils and powders of Re, W, Ta, Hf, Mo, Nb, Zr, Y, Ti and C were irradiated with protons (600 - 1000 MeV) at the Dubna synchrocyclotron, the CERN synchrocyclotron and at the CERN PS-booster to produce different nuclear reaction products. The main topic of the paper is the determination of diffusion coefficients of the nuclear reaction products in the target matrix, data evaluation and a systematic interpretation of the data. The influence of the ionic radius of the diffusing species and the lattice type of the host material used as matrix or target on the diffusion will be evaluated from these systematics. Special attention was directed to the release of group I, II and III-elements. Arrhenius plots lead to activation energies of the diffusion process.

A new source of suprathermal O+ions near the dayside polar cap boundary

A new dayside source of O+ ions for the polar magnetosphere is described, and a statistical survey presented of upward flows of O+ ions using 2 years of data from the retarding ion mass spectrometer (RIMS) experiment on board DE 1, at geocentric distances below 3 RE and invariant latitudes above 40°. The flows are classified according to their spin angle distributions. It is believed that the spacecraft potential near perigee is generally less than +2 V, in which case the entire O+ population at energies below about 60 eV is sampled. Examples are given of field-aligned flow and of transversely accelerated “core” O+ ions; in the latter events a large fraction of the total O+ ion population has been transversely accelerated, and in some extreme cases all the observed ions (of all ion species) have been accelerated, and no residual cold population is observed (“toroidal” distributions). However, by far the most common type of O+ upflow seen by DE RIMS lies near the dayside polar cap boundary (particularly in the prenoon sector) and displays an asymmetric spin angle distribution. In such events the ions carry an upward heat flux, and strong upflow of all species is present (H+, He+, O+, O++, and N+ have all been observed with energies up to about 30 eV, but with the majority of ions below about 2 eV); hence, these have been termed upwelling ion events. The upwelling ions are embedded in larger regions of classical light ion polar wind and are persistently found under the following conditions: at geocentric distances greater than 1.4 RE; at all Kp in summer, but only at high Kp in winter. Low-energy conical ions (<30 eV) are only found near the equatorial edge of the events, the latitude of which moves equatorward with increasing Kp and is highly correlated with the location of field-aligned currents. The RIMS data are fully consistent with a “mass spectrometer effect,” whereby light ions and the more energetic O+ ions flow into the lobes and mantle and hence the far-tail plasma sheet, but lower-energy O+ is swept across the polar cap by the convection electric field, potentially acting as a source for the nightside auroral acceleration regions. The occurrence probability of upwelling ion events, as compared to those of low-altitude transversely accelerated core ions and of field-aligned flow, suggests this could be the dominant mechanism for supplying the nightside auroral acceleration region, and subsequently the ring current and near-earth plasma sheet, with ionospheric O+ ions. It is shown that the total rate of O+ outflow in upwelling ion events (greater than 10^25 s^{−1}) is sufficient for the region near the dayside polar cap boundary to be an important ionospheric heavy ion source.

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

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

Plasma immersion ion implantation of nitrogen into H13 steel under moderate temperatures

Ion implantation of nitrogen into samples of tempered and quenched H13 steel was carried out by plasma immersion technique. A glow discharge plasma of nitrogen species was the ion source and the negative high voltage pulser provided 10-12 kV, 60 mu s duration and 1.0-2.0 kHz frequency, flat voltage pulses. The temperatures of the samples remained between 300 and 450 degrees C, sustained solely by the ion bombardment. In some of the discharges, we used a N-2 + H-2 gas mixture with 1:1 ratio. PIII treatments as long as 3, 6, 9 and up to 12 h were carried out to achieve as thickest treated layer as possible, and we were able to reach over 20 mu m treated layers, as a result of ion implantation and thermal (and possibly radiation enhanced) diffusion. The nitrogen depth profiles were obtained by GDOS (Glow Discharge Optical Spectroscopy) and the exact composition profiles by AES (Auger Electron Spectroscopy). The hardness of the treated surface was increased by more than 250%, reaching 18.8 GPa. No white layer was seen in this case. A hardness profile was obtained which corroborated a deep hardened layer, confirming the high efficacy of the moderate temperature PIII treatment of steels. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

Resonanzionisation zum Nachweis und zur Erzeugung radioaktiver Ionenstrahlen

Die resonante Laserionisation hat sich als ein universales Verfahren für eine Vielzahl von Anwendungen etabliert, die eine selektive Ionisation bei hoher Effizienz erfordern. Hierzu wurden zwei Lasersysteme mit unterschiedlichen Zielsetzungen und Schwerpunkten entwickelt und in dieser Arbeit angewendet. Im ersten Teil der Arbeit wird die Entwicklung der hochauflösenden Resonanzionisations-Massenspektrometrie zum Ultraspurennachweis von 41Ca vorgestellt. Hierzu wurden drei kontinuierliche Diodenlaser mit einem Quadrupolmassenspektrometer kombiniert. Bei einer Nachweiseffizienz von 1 × 10^−5 konnte eine Nachweisgrenze von 2 × 10^-13 41Ca/totCa erreicht werden. Das in den Routinebetrieb überführte Meßverfahren ermöglichte die Teilnahme an einem interdisziplinären Netzwerk zur Osteoporose-Forschung. In Vergleichsmessungen der Resonanzionisations-Massenspektrometrie mit allen derzeit existierenden Meßverfahren zum 41Ca-Ultraspurennachweis konnte eine sehr gute Übereinstimmung erzielt werden. Der zweite Teil der Arbeit beinhaltet die Adaption eines durchstimmbaren, hochrepetierenden Titan:Saphir-Lasersystem für den Einsatz an Laserionenquellen zur selektiven Erzeugung radioaktiver Ionenstrahlen. Das entwickelte Lasersystem ermöglicht eine effiziente, resonante Anregung des Großteils der Elemente im Periodensystem. Hierzu wurde eine kombinierte Frequenzverdopplungs- und Frequenzverdreifachungseinheit zur Erzeugung höherer Harmonischer aufgebaut. Die Anwendbarkeit eines solchen reinen Festkörper-Lasersystems wurde in zahlreichen off-line Testmessungen sowohl in Mainz als auch an den ISOL Einrichtungen am TRIUMF und ORNL gezeigt und führte zum ersten on-line Einsatz am TRIUMF.

Entwicklung von Ionenquellen zur Optimierung von Selektivität und Effizienz bei der resonanten Laserionisation

In der vorliegenden Arbeit werden Entwicklungen zur Optimierung von Selektivität und Effizienz von Resonanzionisations-Laserionenquellen vorgestellt. Mit der Perspektive auf die Anwendungen radioaktiver Ionenstrahlen in der Grundlagenforschung sowie auf Fragestellungen in der Ultraspurenanalytik wurden verschiedene Methoden entwickelt und erprobt: Auf Seiten der Grundlagenforschung wurden zwei komplementäre Ansätze, die Konstruktion von Ionenquellen aus Materialien niedriger Austrittsarbeit und die Weiterentwicklung der Laserionenquelle und -falle LIST umgesetzt. Hierdurch konnte die Selektivität der Resonanzionisation in on-line Tests um einige Gröÿenordnungen verbessert werden. Für die Ultraspurenanalytik wurden speziell angepasste, hocheffiziente Ionenquellen entwickelt. Mit diesen Ionenquellen wurde für die Resonanzionisation von Gallium eine Ionisationseffizienz von 67 % demonstriert, für den Ultraspurennachweis des im Zusammenhang der nuklearen Endlagerung wichtigen Radioisotops 99g-Technetium wurde auf dieser Grundlage eine Nachweisgrenze von weniger als 10^6 Atomen gezeigt.

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

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

Preparation of cold Mg + ion clouds for sympathetic cooling of highly charged ions at SPECTRAP

Die Elektronen in wasserstoff- und lithium-ähnlichen schweren Ionen sind den extrem starken elektrischen und magnetischen Feldern in der Umgebung des Kerns ausgesetzt. Die Laserspektroskopie der Hyperfeinaufspaltung im Grundzustand des Ions erlaubt daher einen sensitiven Test der Quantenelektrodynamik in starken Feldern insbesondere im magnetischen Sektor. Frühere Messungen an wasserstoffähnlichen Systemen die an einer Elektronenstrahl-Ionenfalle (EBIT) und am Experimentierspeicherring (ESR) der GSI Darmstadt durchgeführt wurden, waren in ihrer Genauigkeit durch zu geringe Statistik, einer starken Dopplerverbreiterung und der großen Unsicherheit in der Ionenenergie limitiert. Das ganze Potential des QED-Tests kann nur dann ausgeschöpft werden, wenn es gelingt sowohl wasserstoff- als auch lithium-ähnliche schwere Ionen mit einer um 2-3 Größenordnung gesteigerten Genauigkeit zu spektroskopieren. Um dies zu erreichen, wird gegenwärtig das neue Penningfallensystem SPECTRAP an der GSI aufgebaut und in Betrieb genommen. Es ist speziell für die Laserspektroskopie an gespeicherten hochgeladenen Ionen optimiert und wird in Zukunft von HITRAP mit nierderenergetischen hochgeladenen Ionen versorgt werden.rnrnSPECTRAP ist eine zylindrische Penningfalle mit axialem Zugang für die Injektion von Ionen und die Einkopplung eines Laserstrahls sowie einem radialen optischen Zugang für die Detektion der Fluoreszenz. Um letzteres zu realisieren ist der supraleitende Magnet als Helmholtz-Spulenpaar ausgelegt. Um die gewünschte Genauigkeit bei der Laserspektroskopie zu erreichen, muss ein effizienter und schneller Kühlprozess für die injizierten hochegeladenen Ionen realisiert werden. Dies kann mittels sympathetischer Kühlung in einer lasergekühlten Wolke leichter Ionen realisiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Lasersystem und eine Ionenquelle für die Produktion einer solchen 24Mg+ Ionenwolke aufgebaut und erfolgreich an SPECTRAP in Betrieb genommen. Dazu wurde ein Festkörperlasersystem für die Erzeugung von Licht bei 279.6 nm entworfen und aufgebaut. Es besteht aus einem Faserlaser bei 1118 nm der in zwei aufeinanderfolgenden Frequenzverdopplungsstufen frequenzvervierfacht wird. Die Verdopplerstufen sind als aktiv stabilisierte Resonantoren mit nichtlinearen Kristallen ausgelegt. Das Lasersystem liefert unter optimalen Bedingeungen bis zu 15 mW bei der ultravioletten Wellenlänge und erwies sich während der Teststrahlzeiten an SPECTRAP als ausgesprochen zuverlässig. Desweiteren wurde eine Ionequelle für die gepulste Injektion von Mg+ Ionen in die SPECTRAP Falle entwickelt. Diese basiert auf der Elektronenstoßionisation eines thermischen Mg-Atomstrahls und liefert in der gepulsten Extraktion Ionenbündel mit einer kleinen Impuls- und Energieverteilung. Unter Nutzung des Lasersystems konnten damit an SPECTRAP erstmals Ionenwolken mit bis zu 2600 lasergekühlten Mg Ionen erzeugt werden. Der Nachweis erfolgte sowohl mittels Fluoreszenz als auch mit der FFT-ICR Technik. Aus der Analyse des Fluoreszenz-Linienprofils lässt sich sowohl die Sensitivität auf einzelne gespeicherte Ionen als auch eine erreichte Endtemperatur in der Größenordnung von ≈ 100 mK nach wenigen Sekunden Kühlzeit belegen.