Investigation of ion-atom collision dynamics through imaging techniques

The principle and technique details of recoil ion momentum imaging are discussed and summarized. The recoil ion momentum spectroscopy built at the Institute of Modern Physics (Lanzhou) is presented. The first results obtained at the setup are analyzed. For 30 keV He2+ on He collision, it is found that the capture of single electron occurs dominantly into the first excited states, and the related scattering angle results show that the ground state capture occurs at large impact parameters, while the capture into excited states occurs at small impact parameters. The results manifest the collision dynamics for the sub-femto-second process can be studied through the techniques uniquely. Finally, the future possibilities of applications of the recoil ion momentum spectroscopy in other fields are outlined.

Dynamics of quasi-one-dimensional bright and vortex solitons of a dipolar Bose-Einstein condensate with repulsive atomic interaction

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Energy window effect in chemisorption of C36 on diamond (001)-(/2×1) surface

In this paper, the collision of a C36, with D6h symmetry, on diamond (001)-(/2×1) surface was investigated using molecular dynamics (MD) simulation based on the semi-empirical Brenner potential. The incident kinetic energy of the C36 ranges from 20 to 150 eV per cluster. The collision dynamics was investigated as a function of impact energy Ein. The C36 cluster was first impacted towards the center of two dimers with a fixed orientation. It was found that when Ein was lower than 30 eV, C36 bounces off the surface without breaking up. Increasing Ein to 30-45 eV, bonds were formed between C36 and surface dimer atoms, and the adsorbed C36 retained its original free-cluster structure. Around 50-60 eV, the C36 rebounded from the surface with cage defects. Above 70 eV, fragmentation both in the cluster and on the surface was observed. Our simulation supported the experimental findings that during low-energy cluster beam deposition small fullerenes could keep their original structure after adsorption (i.e. the memory effect), if Ein is within a certain range. Furthermore, we found that the energy threshold for chemisorption is sensitive to the orientation of the incident C36 and its impact position on the asymmetric surface.

The Head-On Colliding Process Of Binary Liquid Droplets At Low Velocity: High-Speed Photography Experiments And Modeling

The experimental and theoretical studies are reported in this paper for the head-on collisions of a liquid droplet with another of the same fluid resting on a solid substrate. The droplet on the hydrophobic polydimethylsiloxane (PDMS) substrate remains in a shape of an approximately spherical segment and is isometric to an incoming droplet. The colliding process of the binary droplets was recorded with high-speed photography. Head-on collisions saw four different types of response in our experiments: complete rebound, coalescence, partial rebound With conglutination, and coalescence accompanied by conglutination. For a complete rebound, both droplets exhibited remarkable elasticity and the contact time of the two colliding droplets was found to be in the range of 10-20 ms. With both droplets approximately considered as elastic bodies, Hertz contact theory was introduced to estimate the contact time for the complete rebound case. The estimated result Was found to be on the same order of magnitude as the experimental data, which indicates that the present model is reasonable. (C) 2008 Elsevier Inc. All rights reserved.

高能离子在稠密等离子体中的传输和能量沉积

用相对论福克-普朗克方程对高能离子在稠密氘氚等离子体中的碰撞动力学进行了研究,用球谐函数来展开方程的解：格林函数,然后简明地求出了不同能量质子和α粒子在等离子体中的停止时间、减速距离、纵向弥散距离和横向偏转距离.与以前研究离子在等离子体中运动的方法相比,没有假设高能离子在等离子体中损失能量远远小于入射离子能量,求解了纵向弥散距离;并且可以求解横向偏转距离.这些计算对实验上用高能离子加热冷的稠密等离子体,然后进行科学研究具有指导作用,并且可以用来研究快点火的可能性.

Multi-electron processes in C-13(6+) ions with neon collisions in energy region 4.15-11.08 keV/u

The cross-section ratios of double-, triple-, quadruple-, and the total multi-electron processes to the single electron capture process sigma(DE)/sigma(SC), sigma(TE)/sigma(SC), sigma(QE)/sigma(SC) and sigma(ME)/sigma(SC)) as well as the relative ratios among reaction channels in double-electron active, triple-electron active and quadruple- electron active are measured in C-13(6+) -Ne collision in the energy region of 4.15-11.08 keV/u by employing position-sensitive and time-of-flight coincident techniques. It is determined that the cross-section ratios sigma(DE)/sigma(SC), sigma(TE)/sigma(SC), sigma(QE)/sigma(SC) and sigma(ME)/sigma(SC) are approximately the constants of 0.20 +/- 0.03, 0.16 +/- 0.04, 0.06 +/- 0.02 and 0.42 +/- 0.05. These values are obviously smaller than the predictions of the molecular Coulomb over-the-barrier model (MCBM) [J. Phys. B 23 (1990) 4293], the extended classical over-the-barrier model (ECBM) [J. Phys. B 19 (1986) 2925] and the semiempirical scaling laws (SL) [Phys. Rev. A 54 (1996) 4127]. However, the relative ratios among partial processes of DE, TE and QE are found to depend on collision energy, which suggests that the collision dynamics depends on the collision velocity. The limitation of velocity-independent character of ECBM, MCBM and SL is undoubtedly shown.

Electron-ion scattering

Recent advances in the elucidation of electron-ion scattering phenomena is reviewed, with particular emphasis on the new generation of experiments where scattered electrons are analysed and detected, The sensitivity of measurements as a probe of collision dynamics, application to plasma studies, and future directions are considered.

Electron and laser interactions with positive ions

Recent progress in laboratory-based electron-ion scattering is reviewed, and the sensitivity of observed interference structure as a probe of collision dynamics is discussed. The extension of our use of positive ions as scattering targets to photon-ion interactions is demonstrated with the first ion-beam measurements for the fragmentation of a molecular ion, H-2(+), using intense femtosecond laser pulses.

Geometric bonding effects in the X2A1, A2∑+u, and B2IIg states of Li2F

Published ab-initio and pseudopotential calculations for the dialkali halide systems suggest that the preferred co-linear geometry is for the metal to approach the metal end of the alkali halide. Here, ab-initio calculations on the Li2F system reveal that the well depth on the halide side in this radical is much deeper and is a local saddle-point associated with the ionic non-linear global minima. Although many features of the pseudopotential surfaces are confirmed, significant differences are apparent including the existence of a linear excited state instead of a triangular one, a considerably deeper global minimum some 50% lower in energy and a close approach between the X2A1 and the states, with the minimum 87 kJ mol-1 below the ground state asymptote. All the results can be rationalised as the avoided crossings between a long range, covalent potential dominant within the LiLiF geometry and an ionic state that forms the global minimum. Calculations on the 3rd 2A' potential indicate that even for Li + LiF collisions at ultracold temperatures the collision dynamics could involve as many as three electronic states.

Polarization and correlation phenomena in the radiative electron capture by bare highly-charged ions

In dieser Arbeit wird die Wechselwirkung zwischen einem Photon und einem Elektron im starken Coulombfeld eines Atomkerns am Beispiel des radiativen Elektroneneinfangs beim Stoß hochgeladener Teilchen untersucht. In den letzten Jahren wurde dieser Ladungsaustauschprozess insbesondere für relativistische Ion–Atom–Stöße sowohl experimentell als auch theoretisch ausführlich erforscht. In Zentrum standen dabei haupsächlich die totalen und differentiellen Wirkungsquerschnitte. In neuerer Zeit werden vermehrt Spin– und Polarisationseffekte sowie Korrelationseffekte bei diesen Stoßprozessen diskutiert. Man erwartet, dass diese sehr empfindlich auf relativistische Effekte im Stoß reagieren und man deshalb eine hervorragende Methode zu deren Bestimmung erhält. Darüber hinaus könnten diese Messungen auch indirekt dazu führen, dass man die Polarisation des Ionenstrahls bestimmen kann. Damit würden sich neue experimentelle Möglichkeiten sowohl in der Atom– als auch der Kernphysik ergeben. In dieser Dissertation werden zunächst diese ersten Untersuchungen zu den Spin–, Polarisations– und Korrelationseffekten systematisch zusammengefasst. Die Dichtematrixtheorie liefert hierzu die geeignete Methode. Mit dieser Methode werden dann die allgemeinen Gleichungen für die Zweistufen–Rekombination hergeleitet. In diesem Prozess wird ein Elektron zunächst radiativ in einen angeregten Zustand eingefangen, der dann im zweiten Schritt unter Emission des zweiten (charakteristischen) Photons in den Grundzustand übergeht. Diese Gleichungen können natürlich auf beliebige Mehrstufen– sowie Einstufen–Prozesse erweitert werden. Im direkten Elektroneneinfang in den Grundzustand wurde die ”lineare” Polarisation der Rekombinationsphotonen untersucht. Es wurde gezeigt, dass man damit eine Möglichkeit zur Bestimmung der Polarisation der Teilchen im Eingangskanal des Schwerionenstoßes hat. Rechnungen zur Rekombination bei nackten U92+ Projektilen zeigen z. B., dass die Spinpolarisation der einfallenden Elektronen zu einer Drehung der linearen Polarisation der emittierten Photonen aus der Streuebene heraus führt. Diese Polarisationdrehung kann mit neu entwickelten orts– und polarisationsempfindlichen Festkörperdetektoren gemessen werden. Damit erhält man eine Methode zur Messung der Polarisation der einfallenden Elektronen und des Ionenstrahls. Die K–Schalen–Rekombination ist ein einfaches Beispiel eines Ein–Stufen–Prozesses. Das am besten bekannte Beispiel der Zwei–Stufen–Rekombination ist der Elektroneneinfang in den 2p3/2–Zustand des nackten Ions und anschließendem Lyman–1–Zerfall (2p3/2 ! 1s1/2). Im Rahmen der Dichte–Matrix–Theorie wurden sowohl die Winkelverteilung als auch die lineare Polarisation der charakteristischen Photonen untersucht. Beide (messbaren) Größen werden beträchtlich durch die Interferenz des E1–Kanals (elektrischer Dipol) mit dem viel schwächeren M2–Kanal (magnetischer Quadrupol) beeinflusst. Für die Winkelverteilung des Lyman–1 Zerfalls im Wasserstoff–ähnlichen Uran führt diese E1–M2–Mischung zu einem 30%–Effekt. Die Berücksichtigung dieser Interferenz behebt die bisher vorhandene Diskrepanz von Theorie und Experiment beim Alignment des 2p3/2–Zustands. Neben diesen Ein–Teichen–Querschnitten (Messung des Einfangphotons oder des charakteristischen Photons) wurde auch die Korrelation zwischen den beiden berechnet. Diese Korrelationen sollten in X–X–Koinzidenz–Messungen beobbachtbar sein. Der Schwerpunkt dieser Untersuchungen lag bei der Photon–Photon–Winkelkorrelation, die experimentell am einfachsten zu messen ist. In dieser Arbeit wurden ausführliche Berechnungen der koinzidenten X–X–Winkelverteilungen beim Elektroneneinfang in den 2p3/2–Zustand des nackten Uranions und beim anschließenden Lyman–1–Übergang durchgeführt. Wie bereits erwähnt, hängt die Winkelverteilung des charakteristischen Photons nicht nur vom Winkel des Rekombinationsphotons, sondern auch stark von der Spin–Polarisation der einfallenden Teilchen ab. Damit eröffnet sich eine zweite Möglichkeit zur Messung der Polaristion des einfallenden Ionenstrahls bzw. der einfallenden Elektronen.

Bright solitons in a quasi-one-dimensional dipolar Bose-Einstein condensate

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Computer simulations of colloidal fluids in confinement

Computer-Simulationen von Kolloidalen Fluiden in Beschränkten Geometrien Kolloidale Suspensionen, die einen Phasenübergang aufweisen, zeigen eine Vielfalt an interessanten Effekten, sobald sie auf eine bestimmte Geometrie beschränkt werden, wie zum Beispiel auf zylindrische Poren, sphärische Hohlräume oder auf einen Spalt mit ebenen Wänden. Der Einfluss dieser verschiedenen Geometrietypen sowohl auf das Phasenverhalten als auch auf die Dynamik von Kolloid-Polymer-Mischungen wird mit Hilfe von Computer-Simulationen unter Verwendung des Asakura-Oosawa- Modells, für welches auf Grund der “Depletion”-Kräfte ein Phasenübergang existiert, untersucht. Im Fall von zylindrischen Poren sieht man ein interessantes Phasenverhalten, welches vom eindimensionalen Charakter des Systems hervorgerufen wird. In einer kurzen Pore findet man im Bereich des Phasendiagramms, in dem das System typischerweise entmischt, entweder eine polymerreiche oder eine kolloidreiche Phase vor. Sobald aber die Länge der zylindrischen Pore die typische Korrelationslänge entlang der Zylinderachse überschreitet, bilden sich mehrere quasi-eindimensionale Bereiche der polymerreichen und der kolloidreichen Phase, welche von nun an koexistieren. Diese Untersuchungen helfen das Verhalten von Adsorptionshysteresekurven in entsprechenden Experimenten zu erklären. Wenn das Kolloid-Polymer-Modellsystem auf einen sphärischen Hohlraum eingeschränkt wird, verschiebt sich der Punkt des Phasenübergangs von der polymerreichen zur kolloidreichen Phase. Es wird gezeigt, dass diese Verschiebung direkt von den Benetzungseigenschaften des Systems abhängt, was die Beobachtung von zwei verschiedenen Morphologien bei Phasenkoexistenz ermöglicht – Schalenstrukturen und Strukturen des Janustyps. Im Rahmen der Untersuchung von heterogener Keimbildung von Kristallen innerhalb einer Flüssigkeit wird eine neue Simulationsmethode zur Berechnung von Freien Energien der Grenzfläche zwischen Kristall- bzw. Flüssigkeitsphase undWand präsentiert. Die Resultate für ein System von harten Kugeln und ein System einer Kolloid- Polymer-Mischung werden anschließend zur Bestimmung von Kontaktwinkeln von Kristallkeimen an Wänden verwendet. Die Dynamik der Phasenseparation eines quasi-zweidimensionalen Systems, welche sich nach einem Quench des Systems aus dem homogenen Zustand in den entmischten Zustand ausbildet, wird mit Hilfe von einer mesoskaligen Simulationsmethode (“Multi Particle Collision Dynamics”) untersucht, die sich für eine detaillierte Untersuchung des Einflusses der hydrodynamischen Wechselwirkung eignet. Die Exponenten universeller Potenzgesetze, die das Wachstum der mittleren Domänengröße beschreiben, welche für rein zwei- bzw. dreidimensionale Systeme bekannt sind, können für bestimmte Parameterbereiche nachgewiesen werden. Die unterschiedliche Dynamik senkrecht bzw. parallel zu den Wänden sowie der Einfluss der Randbedingungen für das Lösungsmittel werden untersucht. Es wird gezeigt, dass die daraus resultierende Abschirmung der hydrodynamischen Wechselwirkungsreichweite starke Auswirkungen auf das Wachstum der mittleren Domänengröße hat.

Multiple metamorphic stages within an eclogite-facies terrane (Sesia Zone, Western Alps) revealed by Th-U-Pb petrochronology

Convergent plate margins typically experience a transition from subduction to collision dynamics as massive continental blocks enter the subduction channel. Studies of high-pressure rocks indicate that tectonic fragments are rapidly exhumed from eclogite facies to midcrustal levels, but the details of such dynamics are controversial.To understand the dynamics of a subduction channel we report the results of a petrochronological study from the central Sesia Zone, a key element of the internalWestern Alps.This comprises two polymetamorphic basement complexes (Eclogitic Micaschist Complex and Gneiss Minuti Complex) and a thin, dismembered cover sequence (Scalaro Unit) associated with pre-Alpine metagabbros and metasediments (Bonze Unit). Structurally controlled samples from three of these units (Eclogitic Micaschist Complex and Scalaro-Bonze Units) yield unequivocal petrological and geochronological evidence of two distinct high-pressure stages. Ages (U-Th-Pb) of growth zones in accessory allanite and zircon, combined with inclusion and textural relationships, can be tied to the multi-stage evolution of single samples.Two independent tectono-metamorphic ‘slices’ showing a coherent metamorphic evolution during a given time interval have been recognized: the Fondo slice (which includes Scalaro and Bonze rocks) and the Druer slice (belonging to the Eclogitic Micaschist Complex).The new data indicate separate stages of deformation at eclogite-facies conditions for each recognized independent kilometer-sized tectono-metamorphic slice, between ~85 and 60 Ma, with evidence of intermittent decompression (∆P~0.5 GPa) within only the Fondo slice. The evolution path of the Druer slice indicates a different P-T-time evolution with prolonged eclogite-facies metamorphism between ~85 and 75Ma. Our approach, combining structural, petrological and geochronological techniques, yields field-based constraints on the duration and rates of dynamics within a subduction channel.

WDM of solitons in dispersion managed transmission systems

This thesis investigates the physical behaviour of solitons in wavelength division multiplexed (WDM) systems with dispersion management in a wide range of dispersion regimes. Background material is presented to show how solitons propagate in optical fibres, and key problems associated with real systems are outlined. Problems due to collision induced frequency shifts are calculated using numerical simulation, and these results compared with analytical techniques where possible. Different two-step dispersion regimes, as well as the special cases of uniform and exponentially profiled systems, are identified and investigated. In shallow profile, the constituent second-order dispersions in the system are always close to the average soliton value. It is shown that collision-induced frequency shifts in WDM soliton transmission systems are reduced with increasing dispersion management. New resonances in the collision dynamics are illustrated, due to the relative motion induced by the dispersion map. Consideration of third-order dispersion is shown to modify the effects of collision-induced timing jitter and third-order compensation investigated. In all cases pseudo-phase-matched four-wave mixing was found to be insignificant compared to collision induced frequency shift in causing deterioration of data. It is also demonstrated that all these effects are additive with that of Gordon-Haus jitter.

Computer simulation on the collision-sticking dynamics of two colloidal particles in an optical trap

Collisions of a particle pair induced by optical tweezers have been employed to study colloidal stability. In order to deepen insights regarding the collision-sticking dynamics of a particle pair in the optical trap that were observed in experimental approaches at the particle level, the authors carry out a Brownian dynamics simulation. In the simulation, various contributing factors, including the Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek interaction of particles, hydrodynamic interactions, optical trapping forces on the two particles, and the Brownian motion, were all taken into account. The simulation reproduces the tendencies of the accumulated sticking probability during the trapping duration for the trapped particle pair described in our previous study and provides an explanation for why the two entangled particles in the trap experience two different statuses. (c) 2007 American Institute of Physics.