The kinetics and reactivity of several polyatomic free radicals in reactions with NO2, O2, Cl2, and HCl

In this thesis, the kinetics of several alkyl, halogenated alkyl, and alkenyl free radical reactions with NO2, O2, Cl2, and HCl reactants were studied over a wide temperature range in time resolved conditions. Laser photolysis photoionisation mass spectrometer coupled to a flow reactor was the experimental method employed and this thesis present the first measurements performed with the experimental system constructed. During this thesis a great amount of work was devoted to the designing, building, testing, and improving the experimental apparatus. Carbon-centred free radicals were generated by the pulsed 193 or 248 nm photolysis of suitable precursors along the tubular reactor. The kinetics was studied under pseudo-first-order conditions using either He or N2 buffer gas. The temperature and pressure ranges employed were between 190 and 500 K, and 0.5 45 torr, respectively. The possible role of heterogeneous wall reactions was investigated employing reactor tubes with different sizes, i.e. to significantly vary the surface to volume ratio. In this thesis, significant new contributions to the kinetics of carbon-centred free radical reactions with nitrogen dioxide were obtained. Altogether eight substituted alkyl (CH2Cl, CHCl2, CCl3, CH2I, CH2Br, CHBr2, CHBrCl, and CHBrCH3) and two alkenyl (C2H3, C3H3) free radical reactions with NO2 were investigated as a function of temperature. The bimolecular rate coefficients of all these reactions were observed to possess negative temperature dependencies, while pressure dependencies were not noticed for any of these reactions. Halogen substitution was observed to moderately reduce the reactivity of substituted alkyl radicals in the reaction with NO2, while the resonance stabilisation of the alkenyl radical lowers its reactivity with respect to NO2 only slightly. Two reactions relevant to atmospheric chemistry, CH2Br + O2 and CH2I + O2, were also investigated. It was noticed that while CH2Br + O2 reaction shows pronounced pressure dependence, characteristic of peroxy radical formation, no such dependence was observed for the CH2I + O2 reaction. Observed primary products of the CH2I + O2 reaction were the I-atom and the IO radical. Kinetics of CH3 + HCl, CD3 + HCl, CH3 + DCl, and CD3 + DCl reactions were also studied. While all these reactions possess positive activation energies, in contrast to the other systems investigated in this thesis, the CH3 + HCl and CD3 + HCl reactions show a non-linear temperature dependency on the Arrhenius plot. The reactivity of substituted methyl radicals toward NO2 was observed to increase with decreasing electron affinity of the radical. The same trend was observed for the reactions of substituted methyl radicals with Cl2. It is proposed that interactions of frontier orbitals are responsible to these observations and Frontier Orbital Theory could be used to explain the observed reactivity trends of these highly exothermic reactions having reactant-like transition states.

Laser intensity effects in photoemission and photoelectron spectra produced in laser-induced autoionisation

Strong laser-field-induced autoionisation in the presence of both photoionising and radiative decay of the autoionising state (AS) is investigated, focusing on the laser intensity dependence of the photoemission and photoelectron spectra. In contrast to previous predictions, power broadening and increasing reduction of the doublet peak heights with field strength are found in the photoemission spectrum. Similar effects leading to considerable suppression and even complete disappearance of the lowest-order peaks in the photoelectron spectrum, together with peak switching, are also demonstrated, which are closely related to above-threshold ionisation. In addition, it is suggested that the total number of energetic photoelectrons may serve as an alternative to measuring the atomic parameters of the AS. All these effects are attributed to the presence of the strong `probe': laser-induced decay of the AS.

Analysis of the xuv photoabsorption spectrum of Au2+, Au3+, and Au4+

The photoabsorption processes of Au2+, Au3+, and Au4+ have been investigated experimentally and theoretically in the 70-127 eV region. Using the dual laser-produced plasma technique, the 4f and 5p photoabsorption spectrum has been recorded at 50 ns time delay and was found to be dominated by a great number of lines from 4f-5d, 6d and 5p-5d, 6s transitions, which have been identified by comparison with the aid of Hartree-Fock with configuration interaction calculations. The characteristic feature of the spectrum is that satellite lines from excited configurations containing one or two 6s electrons are more important than resonance lines, and with increasing ionization, satellite contributions from states with one 6s spectator electron gradually become more important than those with two 6s spectator electrons. Based on the assumption of a normalized Boltzmann distribution among the excited states and a steady-state collisional-radiative model, we succeeded in reproducing a spectrum which is in good agreement with experiment.

Isolated sub-30-as pulse generation of an He+ ion by an intense few-cycle chirped laser and its high-order harmonic pulses

We present an efficient method to generate a ultrashort attosecond (as) pulse when a model He+ ion is exposed to the combination of an intense few-cycle chirped laser pulse and its 27th harmonics. By solving the time-dependent Schroumldinger equation, we found that high-order harmonic generation (HHG) from He+ ion is enhanced by seven orders of magnitude due to the presence of the harmonic pulse. After optimizing the chirp of the fundamental pulse, we show that the cut-off energy of the generated harmonics is extended effectively to I-p+25.5U(p). As a result, an isolated 26-as pulse with a bandwidth of 170.5 eV can be obtained directly from the supercontinuum around the cut-off of HHG. To better understand the physical origin of HHG enhancement and attosecond pulse emission, we perform semiclassical simulations and analyze the time-frequency characteristics of attosecond pulse.

Photon collisions with atoms and ions within an intermediate-energy R-matrix framework

Recent experimental advances in light technology necessitate the availability of sophisticated theoretical models which can incorporate an accurate treatment of double-electron continua. We describe here a new intermediate-energy R-matrix approach to photoionisation and photo-double-ionisation and illustrate its feasibilty by application to photoionisation and photo-double-ionisation of He, and photodetachment and photo-double-detachment of H^-. Results are shown to be in excellent agreement with previous theoretical and experimental studies. This work is a key step in the development of a multipurpose R-matrix code for multiple-electron ejection. © 2012 American Physical Society

An R-matrix approach for plasma modelling and the interpretation of astrophysical observation

Over the last decade an Auburn-Rollins-Strathclyde consortium has developed several suites of parallel R-matrix codes [1, 2, 3] that can meet the fundamental data needs required for the interpretation of astrophysical observation and/or plasma experiments. Traditionally our collisional work on light fusion-related atoms has been focused towards spectroscopy and impurity transport for magnetically confined fusion devices. Our approach has been to provide a comprehensive data set for the excitation/ionization for every ion stage of a particular element. As we progress towards a burning fusion plasma, there is a demand for the collisional processes involving tungsten, which has required a revitalization of the relativistic R-matrix approach. The implementation of these codes on massively parallel supercomputers has facilitated the progression to models involving thousands of levels in the close-coupling expansion required by the open d and f sub-shell systems of mid Z tungsten. This work also complements the electron-impact excitation of Fe-Peak elements required by astrophysics, in particular the near neutral species, which offer similar atomic structure challenges. Although electron-impact excitation work is our primary focus in terms of fusion application, the single photon photoionisation codes are also being developed in tandem, and benefit greatly from this ongoing work.

Systematic multi-configuration calculations on structures and properties of complex atoms

Die relativistische Multikonfigurations Dirac-Fock (MCDF) Methode ist gegenwärtig eines der am häufigsten benutzten Verfahren zur Berechnung der elektronischen Struktur und der Eigenschaften freier Atome. In diesem Verfahren werden die Wellenfunktionen ausgewählter atomarer Zustände als eine Linearkombination von sogenannten Konfigurationszuständen (CSF - Configuration State Functions) konstruiert, die in einem Teilraum des N-Elektronen Hilbert-Raumes eine (Vielteilchen-)Basis aufspannen. Die konkrete Konstruktion dieser Basis entscheidet letzlich über die Güte der Wellenfunktionen, die üblicherweise mit Hilfe einer Variation des Erwartungswertes zum no-pair Dirac-Coulomb Hamiltonoperators gewonnen werden. Mit Hilfe von MCDF Wellenfunktionen können die dominanten relativistischen und Korrelationseffekte in freien Atomen allgemein recht gut erfaßt und verstanden werden. Außer der instantanen Coulombabstoßung zwischen allen Elektronenpaaren werden dabei auch die relativistischen Korrekturen zur Elektron-Elektron Wechselwirkung, d.h. die magnetischen und Retardierungsbeiträge in der Wechselwirkung der Elektronen untereinander, die Ankopplung der Elektronen an das Strahlungsfeld sowie der Einfluß eines ausgedehnten Kernmodells erfaßt. Im Vergleich mit früheren MCDF Rechnungen werden in den in dieser Arbeit diskutierten Fallstudien Wellenfunktionsentwicklungen verwendet, die um 1-2 Größenordnungen aufwendiger sind und daher systematische Untersuchungen inzwischen auch an Atomen mit offenen d- und f-Schalen erlauben. Eine spontane Emission oder Absorption von Photonen kann bei freien Atomen theoretisch am einfachsten mit Hilfe von Übergangswahrscheinlichkeiten erfaßt werden. Solche Daten werden heute in vielen Forschungsbereichen benötigt, wobei neben den traditionellen Gebieten der Fusionsforschung und Astrophysik zunehmend auch neue Forschungsrichtungen (z.B. Nanostrukturforschung und Röntgenlithographie) zunehmend ins Blickfeld rücken. Um die Zuverlässigkeit unserer theoretischen Vorhersagen zu erhöhen, wurde in dieser Arbeit insbesondere die Relaxation der gebundenen Elektronendichte, die rechentechnisch einen deutlich größeren Aufwand erfordert, detailliert untersucht. Eine Berücksichtigung dieser Relaxationseffekte führt oftmals auch zu einer deutlich besseren Übereinstimmung mit experimentellen Werten, insbesondere für dn=1 Übergänge sowie für schwache und Interkombinationslinien, die innerhalb einer Hauptschale (dn=0) vorkommen. Unsere in den vergangenen Jahren verbesserten Rechnungen zu den Wellenfunktionen und Übergangswahrscheinlichkeiten zeigen deutlich den Fortschritt bei der Behandlung komplexer Atome. Gleichzeitig kann dieses neue Herangehen künftig aber auch auf (i) kompliziertere Schalensstrukturen, (ii) die Untersuchung von Zwei-Elektronen-ein-Photon (TEOP) Übergängen sowie (iii) auf eine Reihe weiterer atomarer Eigenschaften übertragen werden, die bekanntermaßen empflindlich von der Relaxation der Elektronendichte abhängen. Dies sind bspw. Augerzerfälle, die atomare Photoionisation oder auch strahlende und dielektronische Rekombinationsprozesse, die theoretisch bisher nur selten überhaupt in der Dirac-Fock Näherung betrachtet wurden.

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.

Non-Born-Oppenheimer Dynamics of Hydrogen Molecules in Strong Laser-Fields

Die Arbeit behandelt die numerische Untersuchung von Wasserstoff-Moleküldynamik in starken Laserfeldern. Im Speziellen wird die Struktur von Ionisationsspektren bei Einfach-Photoionisation betrachtet. Korrelationen zwischen Elektron- und Kernbewegung werden identifiziert und mit Effekten in den Energiespektren in Verbindung gebracht. Dabei wird stets auf die Integration der zeitabhängigen Schrödingergleichung zurückgegriffen.

Further investigations of the quartz optically stimulated luminescence components using linear modulation

The optically stimulated luminescence (OSL) from quartz is known to be the sum of several components with different rates of charge loss, originating from different trap types. The OSL components are clearly distinguished using the linear modulation (LM OSL) technique. A variety of pre-treatment and measurement conditions have been used on sedimentary samples in conjunction with linearly modulated optical stimulation to study in detail the behaviour of the OSL components of quartz. Single aliquots of different quartz samples have been found to contain typically five or six common LM OSL components when stimulated at View the MathML source. The components have been parameterised in terms of thermal stability (i.e. E and s), photoionisation cross-section energy dependence and dose response. The results of studies concerning applications of component-resolved LM OSL measurements on quartz are also presented. These include the detection of partial bleaching in young samples, use of ‘stepped wavelength’ stimulation to observe OSL from single components and attempts to extend the age range of quartz OSL dating.

Motion of the dayside polar cap boundary during substorm cycles: II. Generation of poleward-moving events and polar cap patches by pulses in the magnetopause reconnection rate

Using data from the EISCAT (European Incoherent Scatter) VHF and CUTLASS (Co-operative UK Twin- Located Auroral Sounding System) HF radars, we study the formation of ionospheric polar cap patches and their relationship to the magnetopause reconnection pulses identified in the companion paper by Lockwood et al. (2005). It is shown that the poleward-moving, high-concentration plasma patches observed in the ionosphere by EISCAT on 23 November 1999, as reported by Davies et al. (2002), were often associated with corresponding reconnection rate pulses. However, not all such pulses generated a patch and only within a limited MLT range (11:00–12:00 MLT) did a patch result from a reconnection pulse. Three proposed mechanisms for the production of patches, and of the concentration minima that separate them, are analysed and evaluated: (1) concentration enhancement within the patches by cusp/cleft precipitation; (2) plasma depletion in the minima between the patches by fast plasma flows; and (3) intermittent injection of photoionisation-enhanced plasma into the polar cap. We devise a test to distinguish between the effects of these mechanisms. Some of the events repeat too frequently to apply the test. Others have sufficiently long repeat periods and mechanism (3) is shown to be the only explanation of three of the longer-lived patches seen on this day. However, effect (2) also appears to contribute to some events. We conclude that plasma concentration gradients on the edges of the larger patches arise mainly from local time variations in the subauroral plasma, via the mechanism proposed by Lockwood et al. (2000).

Bestimmung der Ionisationsenergie von Actinium und Ultraspurenanalyse von Plutonium mit resonanter Ionisationsmassenspektrometrie (RIMS)

ZusammenfassungDie Resonanzionisationsmassenspektrometrie (RIMS) verbindet hohe Elementselektivität mit guter Nachweiseffizienz. Aufgrund dieser Eigenschaften ist die Methode für Ultraspurenanalyse und Untersuchungen an seltenen oder schwer handhabbaren Elementen gut geeignet. Für RIMS werden neutrale Atome mit monochromatischem Laserlicht ein- oder mehrfach resonant auf energetisch hoch liegende Niveaus angeregt und anschließend durch einen weiteren Laserstrahl oder durch ein elektrisches Feld ionisiert. Die Photoionen werden in einem Massenspektrometer massenselektiv registriert.Ein Beispiel für die Anwendung von RIMS ist die präzise Bestimmung der Ionisationsenergie als fundamentale physikalisch-chemische Eigenschaft eines bestimmten Elements; insbesondere bei den Actinoiden ist die Kenntnis der Ionisationsenergie von Interesse, da es dort bis zur Anwendung der laser-massenspektroskopischer Methode nur wenige experimentelle Daten gab. Die Bestimmung der Ionisationsenergie erfolgt durch die Methode der Photoionisation im elektrischen Feld gemäß dem klassischen Sattelpunktsmodell. Im Experiment werden neutrale Atome in einem Atomstrahl mittels Laserlicht zunächst resonant angeregt. Die angeregten Atome befinden sich in einem äußeren, statischen elektrischen Feld und werden durch einen weiteren Laserstrahl, dessen Wellenlänge durchgestimmt wird, ionisiert. Das Überschreiten der Laserschwelle macht sich durch einen starken Anstieg im Ionensignal bemerkbar. Man führt diese Messung bei verschiedenen elektrischen Feldstärken durch und erhält bei Auftragen der Ionisationsschwellen gegen die Wurzel der elektrischen Feldstärke durch Extrapolation auf die Feldstärke Null die Ionisationsenergie.Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Ionisationsenergie von Actinium erstmalig zu 43398(3) cm-1 º 5,3807(4) eV experimentell bestimmt. Dazu wurden Actiniumatome zunächst einstufig resonant mit einem Laser mit einer Wellenlänge von 388,67 nm auf einen Zustand bei 25729,03 cm-1 angeregt und anschließend mit Laserlicht mit einer Wellenlänge von ca. 568 nm ionisiert. Damit sind die Ionisationsenergien aller Actinoiden bis einschließlich Einsteinium mit Ausnahme von Protactinium bekannt. Als Atomstrahlquelle wird ein spezielles 'Sandwichfilament' benutzt, bei dem das Actinoid als Hydroxid auf eine Tantalfolie aufgebracht und mit einer reduzierenden Deckschicht überzogen wird. Das Actinoid dampft bei Heizen dieser Anordnung atomar ab. Bei den schwereren Actinoiden wurde Titan als Deckschicht verwendet. Um einen Actiniumatomstrahl zu erzeugen, wurde aufgrund der hohen Abdampftemperaturen statt Titan erstmals Zirkonium eingesetzt. Bei Protactinium wurde Thorium, welches noch stärkere Reduktionseigenschaften aufweist, als Deckmaterial eingesetzt. Trotzdem gelang es mit der 'Sandwichtechnik' nicht, einen Protactiniumatomstrahl zu erzeugen. In der Flugzeitapparatur wurde lediglich ein Protactinium-monoxidionensignal detektiert. Um ein erst seit kurzem verfügbares Fest-körperlasersystem zu explorieren, wurden zusätzlich noch die bekannten Ionisations-ener-gien von Gadolinium und Plutonium erneut bestimmt. Die gemessenen Werte stimmen mit Literaturdaten gut überein.Ferner wurde noch ein bestehender Trennungsgang für Plutonium aus Umweltproben auf die Matrices Meerwasser und Hausstaub angepasst und für die Bestimmung von Plutonium und dessen Isotopenzusammensetzung in verschiedenen Probenreihen mittels RIMS eingesetzt. Der modifizierte Trennungsgang ermöglicht das schnelle Aufarbeiten von großen Probenmengen für Reihenuntersuchungen von Plutoniumkontaminationen. Die ermittelten Gehalten an 239Pu lagen zwischen 8,2*107 Atome pro 10 l Meerwasserprobe und 1,7*109Atome pro Gramm Staubprobe.

Evidence of direct detection of interstellar deuterium in the local interstellar medium by IBEX

We report the first in situ measurements of neutral deuterium originating in the local interstellar medium (LISM) in Earth’s orbit. These measurements were performed with the IBEX-Lo camera on NASA’s interstellar boundary explorer (IBEX) satellite. All data from the spring observation periods of 2009 through 2011 have been analysed. In the three years of the IBEX mission time, the observation geometry and orbit allowed for a total observation time of 115.3 days for the LISM. However, the effects of the spinning spacecraft and the stepping through 8 energy channels mean that we are only observing the interstellar wind for a total time of 1.44 days, in which 2 counts for interstellar deuterium were collected. We report here a conservative number, because a possibility of systematic error or additional noise, though eliminated in our analysis to the best of our knowledge, only supports detection at a 1-sigma level. From these observations, we derive a ratio D/H = (5.8 ± 4.4) × 10-4 at 1 AU. After modelling the transport and loss of D and H from the termination shock to Earth’s orbit, we find that our result of D/HLISM = (1.6 ± 1.2) × 10-5 agrees with D/HLIC = (1.6 ± 0.4) × 10-5 for the local interstellar cloud. This weak interstellar signal is extracted from a strong terrestrial background signal consisting of sputter products from the sensor’s conversion surface. As reference, we accurately measure the terrestrial D/H ratio in these sputtered products and then discriminate this terrestrial background source. Because of the diminishing D and H signal at Earth’s orbit during the rising solar activity due to photoionisation losses and increased photon pressure, our result demonstrates that in situ measurements of interstellar deuterium in the inner heliosphere are only possible during solar minimum conditions.