Improvements in production and storage of HP-129 Xe

Seit seiner Entdeckung im Jahre 1978 wurden für hyperpolarisiertes (HP) 129Xe zahlreiche Anwendungen gefunden. Aufgrund seiner hohen Verstärkung von NMR-Signalen wird es dabei typischerweise für Tracer- und Oberflächenstudien verwendet. Im gasförmigen Zustand ist es ein interessantes, klinisches Kontrastmittel, welches für dynamische Lungen MRT genutzt oder auch in Blut oder lipophilen Flüssigkeiten gelöst werden kann. Weiterhin findet HP-Xe auch in der Grundlagenphysik in He-Xe Co-Magnetometern Verwendung, mit welchen z. B. das elektrische Dipolmoment von Xe bestimmt werden soll, oder es dient zur Überprüfung auf Lorentz-Invarianzen. Alle diese Anwendungen profitieren von einem hohen Polarisationsgrad (PXe), um hohe Signalstärken und lange Lagerzeiten zu erreichen. rnIn dieser Arbeit wurden zwei mobile Xe-Polarisatoren konstruiert: einer für Experimente in der Grundlagenphysik mit einer Produktionsrate von 400 mbar·l/h mit PXe ≈ 5%. Der zweite Xe-Polarisator wurde für medizinische Anwendungen entwickelt und soll 1 bar l/h mit PXe > 20% erzeugen. Der letztere wurde noch nicht getestet. Die Arbeitsbedingungen des Xe-Polarisators für Grundlagenphysik (Strömung des Gasgemischs, Temperatur, Druck und Konzentration von Xe) wurden variiert, um einen höchstmöglichen Polarisationsgrad zu erzielen. Die maximale Polarisation von 5,6 % wurde bei Verwendung eine Gasmischung von 1% Xe bei einem Durchfluss von 200 ml/min, einer Temperatur von 150°C und einem Gesamtdruck von 4 bar erreicht. rnWeiterhin muss HP-Xe auch effizient gelagert werden, um Polarisationsverluste zu minimieren. Das ist besonders für solche Anwendungen notwendig, welche an einem entfernten Standort durchgeführt werden sollen oder auch wenn lange Spinkohärenzeiten gefordert sind, z.B. bei He-Xe Co-Magnetometern. rnHierbei bestand bisher die größte Schwierigkeit darin, die Reproduzierbarkeit der gemessenen Lagerzeiten sicherzustellen. In dieser Arbeit konnte die Spin-Gitter-Relaxationszeit (T1) von HP-129Xe in unbeschichteten, Rb-freien, sphärischen Zellen aus Aluminiumsilikatglas (GE-180) signifikant verbessert werden. Die T1–Zeit wurde in einem selbstgebauten Niederfeld-NMR-System (2 mT) sowohl für reines HP-Xe als auch für HP-Xe in Mischungen mit N2, SF6 und CO2 bestimmt. Bei diesen Experimenten wurde die maximale Relaxationszeit für reines Xe (85% 129 Xe) bei (4,6 ± 0,1) h festgestellt. Dabei lagen die typischen Wand-Relaxationszeiten bei ca. 18 h für Glaszellen mit einem Durchmesser von 10 cm. Des Weiteren wurde herausgefunden, dass CO2 eine unerwartet hohe Effizienz bei der Verkürzung der Lebensdauer der Xe-Xe Moleküle zeigte und somit zu einer deutlichen Verlängerung der gesamten T1-Zeit genutzt werden kann. rnIm Verlauf vieler Experimente wurde durch wiederholte Messungen mit der gleichen Zelle, ein "Alterungsprozess“ bei der Wandrelaxation identifiziert und untersucht. Dieser Effekt könnte leicht rückgängig gemacht werden, indem die anfängliche Reinigungsprozedur wiederholt wurde. Auf diese Weise kann eine konstante Wandrelaxation sichergestellt werden, durch die sehr reproduzierbare T1-Messungen möglich werden. rnSchließlich wurde die maximale Relaxationszeit für HP-Xe mit natürlicher Häufigkeit in Mischungen mit SF6 bestimmt. Überraschenderweise war dieser Wert um ca. 75% niedriger als der Wert für Xenon, das zu 85% mit 129Xe angereichert war. Dieser Effekt wurde durch drei unabhängige Experimente bestätigt, da er nicht von der bestehenden Theorie der Xe-Relaxation ableitbar ist. rnDie Polarisation von HP-Xe, PXe, wird normalerweise durch den Vergleich der NMR-Signale des HP-Xe mit einer thermischen polarisierten Probe (z. B. 1H2O oder Xe) bestimmt. Dabei beinhaltet der Vergleich unterschiedlicher Messungen an verschiedenen Proben (unterschiedlicher Druck, Signalintensität und Messverfahren) viele experimentelle Unsicherheiten, welche sich oft nicht leicht bestimmen lassen. Eine einfache, genaue und kostengünstige Methode zur Bestimmung von PXe durch eine direkte Messung der makroskopischen Magnetisierung in einem statischen Magnetfeld vermeidet alle diese Unsicherheiten. Dieses Verfahren kann Polarisationen von > 2 % mit einer Genauigkeit von maximal 10% fast ohne Polarisationsverlust bestimmen. Zusätzlich kann diese Methode ohne weitere Änderungen auch für Bestimmungen des Polarisationsgrades anderer HP-Gase verwendet werden.rn

Spin-lattice relaxation of laser-polarized xenon in human blood

The nuclear spin polarization of 129Xe can be enhanced by several orders of magnitude by using optical pumping techniques. The increased sensitivity of xenon NMR has allowed imaging of lungs as well as other in vivo applications. The most critical parameter for efficient delivery of laser-polarized xenon to blood and tissues is the spin-lattice relaxation time (T1) of xenon in blood. In this work, the relaxation of laser-polarized xenon in human blood is measured in vitro as a function of blood oxygenation. Interactions with dissolved oxygen and with deoxyhemoglobin are found to contribute to the spin-lattice relaxation time of 129Xe in blood, the latter interaction having greater effect. Consequently, relaxation times of 129Xe in deoxygenated blood are shorter than in oxygenated blood. In samples with oxygenation equivalent to arterial and venous blood, the 129Xe T1s at 37°C and a magnetic field of 1.5 T were 6.4 s ± 0.5 s and 4.0 s ± 0.4 s, respectively. The 129Xe spin-lattice relaxation time in blood decreases at lower temperatures, but the ratio of T1 in oxygenated blood to that in deoxygenated blood is the same at 37°C and 25°C. A competing ligand has been used to show that xenon binding to albumin contributes to the 129Xe spin-lattice relaxation in blood plasma. This technique is promising for the study of xenon interactions with macromolecules.

Interplay Of Weak Interactions In The Atom-by-atom Condensation Of Xenon Within Quantum Boxes.

Condensation processes are of key importance in nature and play a fundamental role in chemistry and physics. Owing to size effects at the nanoscale, it is conceptually desired to experimentally probe the dependence of condensate structure on the number of constituents one by one. Here we present an approach to study a condensation process atom-by-atom with the scanning tunnelling microscope, which provides a direct real-space access with atomic precision to the aggregates formed in atomically defined 'quantum boxes'. Our analysis reveals the subtle interplay of competing directional and nondirectional interactions in the emergence of structure and provides unprecedented input for the structural comparison with quantum mechanical models. This approach focuses on-but is not limited to-the model case of xenon condensation and goes significantly beyond the well-established statistical size analysis of clusters in atomic or molecular beams by mass spectrometry.

Simultaneous measurement of regional cerebral blood flow by perfusion CT and stable xenon CT: a validation study.

BACKGROUND AND PURPOSE: Knowledge of cerebral blood flow (CBF) alterations in cases of acute stroke could be valuable in the early management of these cases. Among imaging techniques affording evaluation of cerebral perfusion, perfusion CT studies involve sequential acquisition of cerebral CT sections obtained in an axial mode during the IV administration of iodinated contrast material. They are thus very easy to perform in emergency settings. Perfusion CT values of CBF have proved to be accurate in animals, and perfusion CT affords plausible values in humans. The purpose of this study was to validate perfusion CT studies of CBF by comparison with the results provided by stable xenon CT, which have been reported to be accurate, and to evaluate acquisition and processing modalities of CT data, notably the possible deconvolution methods and the selection of the reference artery. METHODS: Twelve stable xenon CT and perfusion CT cerebral examinations were performed within an interval of a few minutes in patients with various cerebrovascular diseases. CBF maps were obtained from perfusion CT data by deconvolution using singular value decomposition and least mean square methods. The CBF were compared with the stable xenon CT results in multiple regions of interest through linear regression analysis and bilateral t tests for matched variables. RESULTS: Linear regression analysis showed good correlation between perfusion CT and stable xenon CT CBF values (singular value decomposition method: R(2) = 0.79, slope = 0.87; least mean square method: R(2) = 0.67, slope = 0.83). Bilateral t tests for matched variables did not identify a significant difference between the two imaging methods (P >.1). Both deconvolution methods were equivalent (P >.1). The choice of the reference artery is a major concern and has a strong influence on the final perfusion CT CBF map. CONCLUSION: Perfusion CT studies of CBF achieved with adequate acquisition parameters and processing lead to accurate and reliable results.

Untersuchung von Autoionisationsresonanzen in Krypton und Xenon mit photoneninduzierter Fluoreszenzspektroskopie nach Anregung mit schmalbandiger Synchrotronstrahlung

Die photoneninduzierte Fluoreszenzspektroskopie (PIFS) wurde als Methode zur Untersuchung von Fluoreszenzspektren der Edelgasatome Krypton und Xenon nach Anregung mit Synchrotronstrahlung des Elektronenspeicherrings BESSY II, Berlin, benutzt. Die Anregung der Edelgase erfolgte bei Zimmertemperatur und einem Druck von 40mTorr mit extrem schmalbandiger Strahlung mit DeltaE=3meV bei 21,55eV. Die untersuchten Anregungsenergiebereiche waren bei Krypton zwischen 29,4eV und 29,8eV und bei Xenon zwischen 23,74eV und 23,80eV, zwischen 24,4eV und 24,7eV und zwischen 25,25eV und 25,5eV. Die Anregungsenergiebereiche waren so gewählt, um Autoionisationsresonanzen untersuchen zu können, die erstmalig von Codling und Madden [J. Res. Nat. B. Stan. 1972, 76A, 1-12] veröffentlicht worden sind. Besonders die Besetzung in Abhängigkeit der Anregungsenergie von Satellitenzuständen in den jeweiligen einfach geladenen Ionen durch vorherige Anregung der genannten Autoionisationsresonanzen war der Fokus der vorliegenden Arbeit.

Fluoreszenzspektroskopische Untersuchung von quantenmechanischen Interferenzeffekten am Xenon-Atom und an zweiatomigen Molekülen nach monochromatischer Anregung mit Synchrotronstrahlung

Mit der Methode der photoneninduzierten Fluoreszenzspektroskopie (PIFS) wurden spektro- und polarimetrische Fluoreszenzspektren des Xenon-Atoms und der NO- und CO-Moleküle untersucht. Im Bereich der Atomphysik konnten für das Xenon-Atom eindeutige Fluoreszenzkaskadeneffekte vom sichtbaren (VIS) in den vakuumultravioleten (VUV) Spektralbereich beobachtet werden. Das untersuchte Energieintervall zeichnete sich durch 15 gefundene Resonanzen entlang der Anregungsenergieachse der Synchrotronphotonen aus, die auf doppeltangeregte nln′l′-Resonanzen zurückgeführt werden konnten. Im Bereich der Molekülphysik wurden Messdaten der NO A 1Π → X 1Σ+- und CO A 2Π → X 2Σ+-Fluoreszenz nach der Anregung der 1s−1 → 2π-Resonanz untersucht. Durch polarimetrische Untersuchungen konnten in beiden Fällen die Winkelanisotropieparameter β(ω) der Fluoreszenz ermittelt werden und mit ab initio Berechnungen mit unterschiedlichen theoretischen Näherungen vergleichen werden. Der Einfluss quantenmechanischer Interferenzeffekte (LVI und ESI) auf die Winkelanisotropieparameter wurde aufgezeigt. Im Falle des NO- und des CO-Moleküls konnte eine sehr gute Übereinstimmung zwischen der Theorie und dem Experiment nachgewiesen werden. Durch Pioniermessungen an Diamantoiden konnte erstmalig dispergierte Lumineszenz der kleinsten Vertreter der Nanodiamanten nachgewiesen werden. Diese Messungen legen eine Grundlage für eine systematische Erforschung der Nanokristalle zugrunde.

Bola de Drac, episodi 1 : la llegenda del drac Xenon. 'Bola de Dragón, episodio 1 : la leyenda del dragón Xenon'.

Resumen basado parcialmente en el de la autora

Nuclear structure studies in the xenon and radon region and the discovery of a new radon isotope by Penning trap mass spectrometry

Heutzutage gewähren hochpräzise Massenmessungen mit Penning-Fallen tiefe Einblicke in die fundamentalen Eigenschaften der Kernmaterie. Zu diesem Zweck wird die freie Zyklotronfrequenz eines Ions bestimmt, das in einem starken, homogenen Magnetfeld gespeichert ist. Am ISOLTRAP-Massenspektrometer an ISOLDE / CERN können die Massen von kurzlebigen, radioaktiven Nukliden mit Halbwertszeiten bis zu einigen zehn ms mit einer Unsicherheit in der Größenordnung von 10^-8 bestimmt werden. ISOLTRAP besteht aus einem Radiofrequenz-Quadrupol zum akkumulieren der von ISOLDE gelieferten Ionen, sowie zwei Penning-Fallen zum säubern und zur Massenbestimmung der Ionen. Innerhalb dieser Arbeit wurden die Massen von neutronenreichen Xenon- und Radonisotopen (138-146Xe und 223-229Rn) gemessen. Für elf davon wurde zum ersten Mal die Masse direkt bestimmt; 229Rn wurde im Zuge dieses Experimentes sogar erstmalig beobachtet und seine Halbwertszeit konnte zu ungefähr 12 s bestimmt werden. Da die Masse eines Nuklids alle Wechselwirkungen innerhalb des Kerns widerspiegelt, ist sie einzigartig für jedes Nuklid. Eine dieser Wechselwirkungen, die Wechselwirkung zwischen Protonen und Neutronen, führt zum Beispiel zu Deformationen. Das Ziel dieser Arbeit ist eine Verbindung zwischen kollektiven Effekten, wie Deformationen und Doppeldifferenzen von Bindungsenergien, sogenannten deltaVpn-Werten zu finden. Insbesondere in den hier untersuchten Regionen zeigen deltaVpn-Werte ein sehr ungewöhnliches Verhalten, das sich nicht mit einfachen Argumenten deuten lässt. Eine Erklärung könnte das Auftreten von Oktupoldeformationen in diesen Gebieten sein. Nichtsdestotrotz ist eine quantitative Beschreibung von deltaVpn-Werten, die den Effekt von solchen Deformationen berücksichtigt mit modernen Theorien noch nicht möglich.

Elaborazione di un programma di acquisizioni dati e studio di fotomoltiplicatori al silicio per l'esperimento XENON

Le numerose osservazioni compiute a partire dagli anni `30 confermano che circa il 26% dell'Universo è costituito da materia oscura. Tale materia ha la particolarità di interagire solo gravitazionalmente e debolmente: essa si presenta massiva e neutra. Tra le numerose ipotesi avanzate riguardanti la natura della materia oscura una delle più accreditate è quella delle WIMP (Weakly Interacting Massive Particle). Il progetto all'avanguardia nella ricerca diretta delle WIMP è XENON presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS). Tale esperimento è basato sulla diffusione elastica delle particelle ricercate su nuclei di Xeno: il rivelatore utilizzato è una TPC a doppia fase (liquido-gas). La rivelazione diretta di materia oscura prevede l'impiego di un rivelatore molto grande a causa della piccola probabilità di interazione e di ambienti a bassa radioattività naturale, per ridurre al minimo il rumore di fondo. Nell'ottica di migliorare la sensibilità del rivelatore diminuendo l'energia di soglia sono in fase di ricerca e sviluppo soluzioni alternative a quelle adottate attualmente. Una di tali soluzioni prevede l'utilizzo di fotorivelatori di tipo SiPM da affiancare ai normali PMT in uso. I fotorivelatori al silicio devono lavorare ad una temperatura di (circa 170 K) e devono rivelare fotoni di lunghezza d'onda di circa 175 nm. Il presente lavoro di tesi si colloca nell'ambito di tale progetto di ricerca e sviluppo. Lo scopo di tale lavoro è stato la scrittura di un programma DAQ in ambiente LabVIEW per acquisire dati per caratterizzare in aria fotorivelatori di tipo SiPM. In seguito con tale programma sono state effettuate misure preliminari di pedestallo da cui è stato possibile determinare l'andamento di guadagno e di dark rate al variare della tensione di alimentazione del SiPM. L'analisi dati è stata effettuata impiegando un programma scritto in C++ in grado di analizzare le forme d'onda acquisite dal programma LabVIEW.

Misure preliminari a temperature variabili su SiPM per future applicazioni nell'esperimento XENON

Negli ultimi decenni la materia oscura è stata oggetto di crescente interesse scientifico: dati sperimentali indicano che essa costituisce il 26.8% della massa totale dell'Universo ma le sue origini e natura rimangono ancora ignote. Essa interagisce solo gravitazionalmente in quanto priva di carica, caratteristica che ne rende molto difficile la rivelazione. Numerosi esperimenti in tutto il mondo sono alla ricerca di maggiori informazioni riguardo la natura della materia oscura tramite metodi di rivelazione indiretta e diretta; questi ultimi sono accumunati da rivelatori molto massivi per sopperire alla piccola sezione d'urto di interazione e situati in ambienti molto isolati per diminuire il rumore di fondo dovuto alla radioattività terrestre. Tra le varie ipotesi avanzate riguardo la natura della materia oscura spiccano le WIMP, Weakly Interacting Massive Particle. L'esperimento XENON, situato ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso, si occupa della rivelazione diretta di WIMP studiandone l'urto elastico con i nuclei di Xeno, presente allo stato liquido e gassoso all'interno della TPC, il rivelatore fulcro dell'esperimento. I primi risultati dell'ultima fase del progetto sono attesi per l'inizio del 2016; grazie alla massa fiduciale di circa una tonnellata di Xeno, da cui il nome XENON1T, e a migliorie atte a diminuire il rumore di fondo, quali la scelta accurata di materiali a bassa radioattività e a un sistema di veto dei muoni, si ipotizza che il rivelatore raggiungerà una sensibilità due ordini di grandezza superiore a quelle finora raggiunte. Sono in fase di ricerca soluzioni per incrementare la raccolta di luce del rivelatore, nell'ottica di diminuire l'energia di soglia di rivelazione migliorandone la sensibilità. Una delle possibili soluzioni consiste nell'affiancare i PMT già in uso con fotomoltiplicatori al Silicio SiPM. Essi dovranno essere in grado di lavorare a una temperatura di sim ~170 K ed avere una buona efficienza di rivelazione per fotoni di lunghezza d'onda di ~178 nm. Questo lavoro di tesi si colloca nell'ambito di tale progetto di ricerca e sviluppo. Lo scopo del lavoro di tesi presentato è stato la misura della variazione di guadagno e conteggi di buio dei SiPM a disposizione in funzione della temperatura

Emission cross sections for neutral xenon impacted by Xe⁺ and Xe²⁺

Ion impact emission cross sections for eleven transitions from the 5p56p configuration to the 5p56s configuration of neutral xenon occurring in the spectral region between 700 nm and 1000 nm have been measured experimentally. Collisions between both singly- and doublyionized xenon and neutral xenon have been studied. These cross sections are of primary use in the development of a spectrographic diagnostic for Hall effect thruster plasma. A detailed discussion of the experimental methods and the subsequent data reduction is included. The results are presented and the importance of these data for spectrographic emission models of Hall effect thruster plasmas is discussed.

Performance of the Hamamatsu R11410 photomultiplier tube in cryogenic xenon environments

The Hamamatsu R11410 photomultiplier, a tube of 3" diameter and with a very low intrinsic radioactivity, is an interesting light sensor candidate for future experiments using liquid xenon (LXe) as target for direct dark matter searches. We have performed several experiments with the R11410 with the goal of testing its performance in environments similar to a dark matter detector setup. In particular, we examined its long-term behavior and stability in LXe and its response in various electric field configurations.

Response of liquid xenon to Compton electrons down to 1.5 keV

The response of liquid xenon to low-energy electronic recoils is relevant in the search for dark-matter candidates which interact predominantly with atomic electrons in the medium, such as axions or axionlike particles, as opposed to weakly interacting massive particles which are predicted to scatter with atomic nuclei. Recently, liquid-xenon scintillation light has been observed from electronic recoils down to 2.1 keV, but without applied electric fields that are used in most xenon dark-matter searches. Applied electric fields can reduce the scintillation yield by hindering the electron-ion recombination process that produces most of the scintillation photons. We present new results of liquid xenon's scintillation emission in response to electronic recoils as low as 1.5 keV, with and without an applied electric field. At zero field, a reduced scintillation output per unit deposited energy is observed below 10 keV, dropping to nearly 40% of its value at higher energies. With an applied electric field of 450 V/cm, we observe a reduction of the scintillation output to about 75% relative to the value at zero field. We see no significant energy dependence of this value between 1.5 and 7.8 keV. With these results, we estimate the electronic-recoil energy thresholds of ZEPLIN-III, XENON10, XENON100, and XMASS to be 2.8, 2.5, 2.3, and 1.1 keV, respectively, validating their excellent sensitivity to low-energy electronic recoils.