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.

Entwicklung des Laserionenquellen und -fallenprojekts LIST für Ultraspurendetektion und Grundlagenforschung

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

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.

Influence of Aluminum Oxide Sandblasting Associated with Nd:YAG or Er:YAG Lasers on Shear Bond Strength of a Feldspathic Ceramic to Resin Cements

Objective: This in vitro study evaluated the influence of the surface pretreatment of a feldspathic ceramic on the shear bond strength of two different resin cements. Background Data: Although several conventional surface treatments have been used on feldspathic ceramic, few studies have investigated the effects of an alternative surface treatment, the association of aluminum oxide sandblasting with Nd:YAG and Er:YAG lasers. Methods: Sixty samples made of a feldspathic ceramic were divided into three groups (n = 20) and treated with (1) controlled-air abrasion with Al(2)O(3) + 10% hydrofluoric acid (HF), (2) Al(2)O(3) + Er:YAG laser, and (3) Al(2)O(3) + Nd:YAG laser. Afterward, silane (Dentsply) was applied on each treated surface. Each of the three main groups was divided into two subgroups (n = 10), where a different resin cement was employed for each subgroup. It was built a cylinder with resin cement (RelyX Arc) in subgroup (A) and with self-adhesive cement (RelyX U100) in subgroup (B). After 24 h at 37 degrees C, the prepared specimens were submitted to shear bond strength test and stereoscopic evaluation to determine the type of failure. Results: Bond strength mean values were not statistically significant for the surface treatment methods or resin cements. Conclusion: The null surface treatment proposed with aluminum oxide sandblasting associated with the Er:YAG or Nd:YAG laser and using cementation with self-adhesive cement can be an alternative bonding technique for feldspathic ceramic, since it was as effective as the conventional treatment with aluminum oxide sandblasting and hydrofluoric acid using the conventional resin cement.

Low- and High-Intensity Lasers in the Treatment of Herpes Simplex Virus 1 Infection

Herpes simplex virus (HSV) is one of the most common viral infections of the human being. Although most of the seropositive persons do not manifest symptoms, infected individuals may present recurrent infections, characterized by cold sores. HSV-1 infection can result in potentially harmful complications in some patients, especially in those with compromised immunity. We report a clinical case of a patient with severe oral HSV-1 infection in the lower lip. The treatment of the lesions with the association of high-intensity (erbium-doped yttrium aluminum garnet, 2.94 mu m, 80 mJ/pulse, 2-4 Hz) and low-intensity (indium gallium aluminum phosphide, 660 nm, 3.8 J/cm(2), 10mW) lasers has not been reported in the literature. During treatment, no systemic or topical medication was used. Pain sensitivity was completely gone after the first irradiation with the low-intensity laser. During the healing process, lesions were traumatized twice, on the days 4 and 7. Even though the lesions were completely healed within 10 days.

The Thermal Effects of Therapeutic Lasers with 810 and 904 nm Wavelengths on Human Skin

Objective: To investigate the effect of therapeutic infrared class 3B laser irradiation on skin temperature in healthy participants of differing skin color, age, and gender. Background: Little is known about the potential thermal effects of Low Level Laser Therapy (LLLT) irradiation on human skin. Methods: Skin temperature was measured in 40 healthy volunteers with a thermographic camera at laser irradiated and control (non-irradiated) areas on the skin. Six irradiation doses (2-12 J) were delivered from a 200mW, 810nm laser and a 60mW, 904nm laser, respectively. Results: Thermal effects of therapeutic LLLT using doses recommended in the World Association for Laser Therapy (WALT) guidelines were insignificant; below 1.5 degrees C in light, medium, and dark skin. When higher irradiation doses were used, the 60mW, 904 nm laser produced significantly (p < 0.01) higher temperatures in dark skin (5.7, SD +/- 1.8 degrees C at 12 J) than in light skin, although no participants requested termination of LLLT. However, irradiation with a 200mW, 810nm laser induced three to six times more heat in dark skin than in the other skin color groups. Eight of 13 participants with dark skin asked for LLLT to be stopped because of uncomfortable heating. The maximal increase in skin temperature was 22.3 degrees C. Conclusions: The thermal effects of LLLT at doses recommended by WALT-guidelines for musculoskeletal and inflammatory conditions are negligible (< 1.5 degrees C) in light, medium, and dark skin. However, higher LLLT doses delivered with a strong 3B laser (200mW) are capable of increasing skin temperature significantly and these photothermal effects may exceed the thermal pain threshold for humans with dark skin color.

Effectiveness of 980-mm Diode and 1064-nm Extra-Long-Pulse Neodymium-Doped Yttrium Aluminum Garnet Lasers in Implant Disinfection

Objective: To evaluate the potential of 980-nm gallium aluminum arsenide (GaAlAs) and 1064-nm neodymium-doped yttrium aluminum garnet (Nd:YAG) lasers to reduce bacteria after irradiation of implant surfaces contaminated with Enterococcus faecalis and Porphyromonas gingivalis and on irradiated implant surface morphology. Background: Despite the frequency of implant success, some implant loss is related to peri-implantitis because of difficulty in eliminating the biofilm. Methods: Implants (3.75 x 13 mm) with machined surfaces, surfaces sand blasted with titanium oxide (TiO(2)), and sand-blasted and acid-etched surfaces were exposed to P. gingivalis and E. faecalis cultures and irradiated with 980-nm GaAlAs or 1064-nm Nd: YAG lasers. After laser treatments, the number of remaining colony-forming units and implant surface morphology were analyzed using scanning electron microscopy (SEM). Results: The Nd: YAG laser was able to promote a total contamination reduction on all implants irradiated. The results with the GaAlAs laser showed 100% bacteria reduction on the implants irradiated with 3 W. Irradiation with 2.5 W and 3 W achieved 100% of bacteria reduction on P. gingivalis-contaminated implants. Decontamination was not complete for the sand-blasted TiO(2) (78.6%) and acid-etched surfaces (49.4%) contaminated with E. faecalis and irradiated with 2.5 W. SEM showed no implant surface changes. Conclusion: The wavelengths used in this research provided bacteria reduction without damaging implant surfaces. New clinical research should be encouraged for the use of this technology in the treatment of peri-implantitis.

Relationship Between Surface Topography and Energy Density Distribution of Er,Cr:YSGG Beam on Irradiated Dentin: An Atomic Force Microscopy Study

Objective: The aim of this study was to assess by atomic force microscopy (AFM) the effect of Er,Cr:YSGG laser application on the surface microtopography of radicular dentin. Background: Lasers have been used for various purposes in dentistry, where they are clinically effective when used in an appropriate manner. The Er, Cr: YSGG laser can be used for caries prevention when settings are below the ablation threshold. Materials and Methods: Four specimens of bovine dentin were irradiated using an Er, Cr:YSGG laser (lambda = 2.78 mu m), at a repetition rate of 20 Hz, with a 750-mu m-diameter sapphire tip and energy density of 2.8 J/cm(2) (12.5 mJ/pulse). After irradiation, surface topography was analyzed by AFM using a Si probe in tapping mode. Quantitative and qualitative information concerning the arithmetic average roughness (Ra) and power spectral density analyses were obtained from central, intermediate, and peripheral areas of laser pulses and compared with data from nonirradiated samples. Results: Dentin Ra for different areas were as follows: central, 261.26 (+/- 21.65) nm; intermediate, 83.48 (+/- 6.34) nm; peripheral, 45.8 (+/- 13.47) nm; and nonirradiated, 35.18 (+/- 2.9) nm. The central region of laser pulses presented higher ablation of intertubular dentin, with about 340-760 nm height, while intermediate, peripheral, and nonirradiated regions presented no difference in height of peritubular and interperitubular dentin. Conclusion: According to these results, we can assume that even when used at a low-energy density parameter, Er, Cr: YSGG laser can significantly alter the microtopography of radicular dentin, which is an important characteristic to be considered when laser is used for clinical applications.

Thermal lens and heat generation of Nd : YAG lasers operating at 1.064 and 1.34 mu m

We report on a simple and accurate method for determination of thermo-optical and spectroscopic parameters (thermal diffusivity, temperature coefficient of the optical path length change, pump and fluorescence quantum efficiencies, thermal loading, thermal lens focal length, etc) of relevance in the thermal lensing of end-pumped neodymium lasers operating at 1.06- and 1.3-mu m channels. The comparison between thermal lensing observed in presence and absence of laser oscillation has been used to elucidate and evaluate the contribution of quantum efficiency and excited sate absorption processes to the thermal loading of Nd: YAG lasers. (c) 2008 Optical Society of America.

Effect of multiple transverse modes in self-mixing sensors based on vertical-cavity surface-emitting lasers

We investigate the effect of coexisting transverse modes on the operation of self-mixing sensors based on vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs). The effect of multiple transverse modes on the measurement of displacement and distance were examined by simulation and in laboratory experiment. The simulation model shows that the periodic change in the shape and magnitude of the self-mixing signal with modulation current can be properly explained by the different frequency-modulation coefficients of the respective transverse modes in VCSELs. The simulation results are in excellent agreement with measurements performed on single-mode and multimode VCSELs and on self-mixing sensors based on these VCSELs.

Novel solitons in parametric amplifiers and atom lasers

We review recent developments in quantum and classical soliton theory, leading to the possibility of observing both classical and quantum parametric solitons in higher-dimensional environments. In particular, we consider the theory of three bosonic fields interacting via both parametric (cubic) and quartic couplings. In the case of photonic fields in a nonlinear optical medium this corresponds to the process of sum frequency generation (via chi((2)) nonlinearity) modified by the chi((3)) nonlinearity. Potential applications include an ultrafast photonic AND-gate. The simplest quantum solitons or energy eigenstates (bound-state solutions) of the interacting field Hamiltonian are obtained exactly in three space dimensions. They have a point-like structure-even though the corresponding classical theory is nonsingular. We show that the solutions can be regularized with the imposition of a momentum cut-off on the nonlinear couplings. The case of three-dimensional matter-wave solitons in coupled atomic/molecular Bose-Einstein condensates is discussed.

Phase waves in mode-locked superfluorescent lasers

We present results from both theoretical and experimental studies of the noise characteristics of mode-locked superfluorescent lasers. The results show that observed macroscopic broadband amplitude noise on the laser pulse train has its origin in quantum noise-initiated ''phase-wave'' fluctuations, and we find an associated phase transition in the noise characteristics as a function of laser cavity detuning.