The physics that result in the decoupling of a molecule from a bosonic solvent at 0 K are studied. Fixed-node diffusion Monte Carlo (FNDMC) coupled with a Genetic Algorithm is used to perform simulations of the bosonic droplets doped with various molecules. The efficacy and accuracy of this approach is tested on a strongly coupled 2-dimensional quartic oscillator with excellent results. This algorithm is then applied to 4He-CO and 4He-HCN clusters respectively in an effort to determine the factors that result in the onset of microscopic superfluidity. The decoupling of the doped molecule from the bosonic solvent is found to be, primarily, a result of the combined effect of the repulsive interaction between the helium atoms and bose symmetry. The effects of rotor size versus molecular anisotropy in a NH3 molecule seeded into a 4He droplet is studied as well. Simulations are done using the accurate rotational constants (B0=9.945 cm-1, C0=6.229 cm-1) and using "fudged" versions of the rotational constants (Bfudged=0.9945 cm-1, Cfudged=0.6229 cm-1) for the |0011〉state. The simulations done with the fudged rotational constants experience a slightly smaller reduction than those done using the accurate rotational constants. This is attributed to the importance of molecular anisotropy versus the size of larger rotational constants in molecules whose rotational constants fall in an intermediate regime.

In this work I report on the development of a Magneto Optic Trap (MOT) for metastable helium atoms (He*). The metastable helium atoms are produced in a discharge nozzle source and collimated, slowed and compressed to provide a slow bright beam for loading the trap. The trap confines approximately 107 atoms, has a diameter of about 3 mm and with temperature approximately 1 mK. The trap is used for intra-trap and electron-atom scattering experiments. The results from these two experiments are reported. The electron scattering experiment is unique and employs a He* MOT for the first time, in combination with a new diagnostic technique (Phase Modulation Spectroscopy) to measure the trap loss. The results of these experiments have yielded the first total electron-metastable atom collision cross section measurements at intermediate (10-100 eV) electron energies.

La composante hélium neutre du milieu interstellaire local pénètre dans le système solaire où elle est soumise à la gravité (diminuée de la pression de radiation) et à l'ionisation due aux rayonnements solaires. La diffusion résonnante du flux solaire à 58,4 nm par cette composante a été mesurée à bord du satellite PROGNOZ 6 et cartographiée. Le travail présenté dans cette thèse concerne le dépouillement des données satellitaires et l'identification des mesures utilisable. Un modèle physique et mathématique détaillé a été construit pour l'analyse de ces mesures, puis il a été programmé en Fortran. Ce modèle dépends bien entendu des paramètre dynamiques (vitesse, direction, densité, température) du milieu interstellaire, mais également de paramètres solaires dont certains sont mal connus. La dernière phase du travail consiste en l'ajustement des paramètres du modèle pour rendre compte au mieux des observations disponibles. Les valeurs des paramètres et leur degré de validité (sensibilité du modèle) sont alors discutées et comparées aux déterminations existantes.

Dans les milieux où la densité et la polarisation nucléaire sont importantes (par exemple l'eau dans un fort champ magnétique en RMN haute résolution, ou le xénon 129 et l'hélium 3 liquides polarisés au-delà de la polarisation d'équilibre par pompage optique), la densité d'aimantation est suffisante pour que la dynamique de cette aimantation soit influencée par les couplages non-linéaires induits par les champs magnétiques dipolaires. <br />Ce travail de thèse comprend d'abord une étude expérimentale des effets de ces couplages dipolaires dans un échantillon en forme de tube en U de xénon 129 liquide hyperpolarisé (jusqu'à 6% de polarisation obtenu par pompage optique) ; la dynamique de l'aimantation y est étudiée par résonance magnétique nucléaire (RMN) dans un champ magnétique peu intense (1.5 mT). <br />Puis nous détaillons quelques modèles numériques destinés à reproduire les comportements observés récemment dans les systèmes hyperpolarisés expérimentaux et plus généralement utilisables dans tous les cas où les couplages dipolaires jouent un rôle. <br /><br />Etude expérimentale et modélisations démontrent que les caractéristiques de l'évolution de l'aimantation dépendent crucialement de paramètres tels que la forme de l'échantillon, l'angle de basculement et l'importance relative des champs dipolaires et des variations spatiales des champs appliqués. Dans les échantillons anisotropes et à faibles angles de basculement, le spectre RMN présente une structure en plusieurs raies fines et résolues ("spectral clustering") ; ceci correspond à une organisation spatiale de l'aimantation en modes indépendants . <br />Dans tous les systèmes, à grands angles de basculement, les temps de vie peuvent être raccourcis de manière spectaculaire (de deux ordres de grandeur) ; ceci s'interprète comme une instabilité de précession aboutissant à des distributions désordonnées d'aimantation.

Un inconvénient important du pompage optique indirect de l'hélium-3 traditionnel est qu'il opère à des pressions faibles qui ne sont en particulier pas favorables aux applications médicales d'IRM nécessitant la production d'hélium-3 gazeux très polarisé et dense : une voie prometteuse est d'utiliser un fort champ magnétique qui<br />permet d'opérer plus efficacement à plus forte pression.<br />Dans une première partie nous faisons apparaître l'importance des corrélations entre vitesse et orientation nucléaire pour les atomes excités présents dans le plasma et soumis à la lumière de pompage optique à 1083 nm. Nous avons étudié leur effet sur l'efficacité du pompage optique tant au moyen d'un modèle détaillé que par des mesures expérimentales systématiques. Nous montrons la grande importance des caractéristiques spectrales fines des lasers à 1083 nm.<br />Dans la deuxième partie, nous nous intéressons plus spécifiquement à des conditions non standard de pompage optique, en présence d'un fort champ magnétique et à forte pression. Nous avons réalisé une étude spectroscopique détaillée de l'effet Zeeman de la transition à 1083 nm de l'hélium qui permet d'identifier précisément les positions de ces transitions et leurs intensités, ce qui nous a permis de mettre au point une technique originale de mesure<br />optique de la polarisation nucléaire en champ quelconque. Nous avons démontré que la présence de lumière à 1083 nm augmente significativement la population de molécules métastables au sein d'un plasma d'hélium, en particulier à forte pression.

Dans cette étude, nous nous sommes intéressés aux cavités induites par l'implantation d'hélium dans le silicium. Nous avons voulu déterminer les mécanismes de formation et de croissance (Ostwald Ripening ou Migration Coalescence) des cavités en utilisant un large éventail de paramètres d'implantations. Les énergies d'implantation que nous avons réalisées, sont comprises entre 10 keV et 1,55 MeV, les doses allant de 1,45.1016 jusqu'à 1017 He.cm-2. Nous avons ainsi pu mettre en évidence le rôle de chacun des trois paramètres principaux que sont les lacunes, l'hélium et la surface dans la croissance des cavités. Nous avons également montré que c'est le même mécanisme qui gouverne la croissance des cavités pour des températures de recuit jusqu'à 900°C et que les cavités se forment dans la zone de création des lacunes dues à l'implantation. Avec ces données, nous avons pu élaborer un nouveau modèle de croissance pour les cavités.

<p>The subject of this thesis is experimental studies of electron-transfer processes in ion-atom collisions at velocities significantly higher than typical orbital velocities of electrons in bound states of atoms or molecules. The experimental technique applied combines the high beam intensity of heavy-ion storage rings with a supersonic gas-jet target equipped with a recoil-ion-momentum spectrometer. In singleelectron capture to fast protons from helium atoms, we have for the first time achieved a complete separation of the kinematic and Thomas transfer mechanisms and are able to perform a quantitative comparison with the many theoretical results on a much more detailed level than what was previously possible. For the process of transfer ionization in proton-helium collisions we have determined the velocity dependence of the Thomas transfer ionization cross section to be the expected<i> v</i><i>p</i>^-11 when the projectile velocity, <i>v</i><i>p</i>, is sufficiently high. Further, we have determined the velocity-dependent probability for shake-off of the second electron from helium provided that the first one is transferred in a kinematic capture process. Finally, we have considered collisions between protons and hydrogen molecules. Here we have found a strong variation in the cross section for transfer and excitation processes when the angle between the direction of the incoming projectile and the internuclear axis of the target molecule is varied. The variation can be explained as a result of quantum mechanical interference related to the two indistinguishable atomic centers of the molecule.</p>

<p>The topic of this thesis concerns the LHC, the next large particle accelerator at CERN which will start operating in 2007. Being based on superconductivity, the LHC needs to operate at very low temperatures, which makes great demands on the cryogenic system of the accelerator. To cope with the heat loads induced by the particle beam, a beam screen cooled with forced flow of supercritical helium is used.</p><p>There is an interest in upgrading the energy and luminosity of the LHC in the future and this would require a higher heat load to be extracted by the beam screen cooling system. The objective of this thesis is to quantify different ways to upgrade this system by mainly studying the effects of different pressure and temperatures levels as well as a different cooling medium, neon.</p><p>For this a numerical program which simulates one-dimensional pipe flow was constructed. The frictional forces were accounted for by the empirical concept of friction factor. For the fluid properties, software using empirically made correlations was used. To validate the numerical program, a comparison with previous experimental work was done. The agreement with experimental data was good for certain flow configurations, worse for others. From this it was concluded that further comparisons with experimental data must be made in order to tell the accuracy of the mathematical model and the correlations for fluid properties used.</p><p>When using supercritical helium, thermo-hydraulic instabilities may arise in the cooling loop. It was of special interest to see how well a numerical program could simulate and predict this phenomenon. It was found that the numerical program did not function for such unstable conditions; in fact it was much more sensitive than what reality is.</p><p>For the beam screen cooling system we conclude that to cope with the increased heat loads of future upgrades, an increase in pressure level is needed regardless if the coolant remains helium, or is changed to neon. Increasing the pressure level also makes that the problems with thermo-hydraulic instabilities can be avoided. Of the two coolants, helium gave the best heat extraction capacity. Unlike neon, it is also possible to keep the present temperature level when using helium.</p>

<p>The Large Hadron Collider (LHC) is the next large particle accelerator developed at CERN, constructed to enable studies of particles. The acceleration of the particles is carried out using magnets operating at about 1.9 K, a temperature achieved by regulating flow of superfluid helium. For economical reasons, control of the helium flow is based on feedback of virtual flow meter (VFT) estimates instead of real instrumentation.</p><p>The main purpose of this work is to develop a virtual flow meter with the possibility to estimate the flow by means of two different flow estimation methods; the Samson method that has previously been tested for the LHC, and the Sereg- Schlumberger method that has never before been implemented in this environment.</p><p>The virtual flow meters are implemented on PLCs using temperature and pressure measurements as input data, and a tool for generating the virtual flow meters and connect them to the appropriate physical instrumentation has also been developed.</p><p>The flow through a valve depends, among others, on some pressure and temperature dependent physical properties that are to be estimated with high accuracy. In this project, this is done by bilinear interpolation in twodimensional tables containing physical data, an approach that turned out to be more accurate than the previously used method with polynomial interpolation.</p><p>The flow measurement methods have been compared. Since they both derive from empirical studies rather than physical relations it is quite futile to find theoretical correspondencies, but the simulations of the mass flows can be compared. For low pressures, the results are fairly equal but they differ more for higher pressures. The methods have not been validated against true flow rates since there were no real measurements available before the end of this project.</p> / <p>Le Grand Collisionneur de Hadrons (Large Hadron Collider, LHC) est le prochain grand accélérateur de particules du CERN, construit pour permettre l’étude des particules. L’accélération des particules sera réalisée en utilisant des aimants supraconducteurs qui fonctionneront à 1.9 K et la température sera régulée en contrôlant le débit d’hélium superfluide. Pour des raisons économiques, la régulation du débit d’hélium sera basée sur les réponses des estimations des débitmètres</p><p>virtuels (Virtual flow meters, VFT) au lieu d’instrumentation réelle.</p><p>Le but principal de ce projet est de développer un débitmètre virtuel qui estimera le débit avec deux méthodes différentes ; la méthode Samson qui a déjà été mise en oeuvre pour le LHC, et la méthode Sereg-Schlumberger qui n’a pas encore été implémentée dans cet environnement.</p><p>Les débitmètres virtuels seront implémentés sur des PLCs avec des mesures de température et de pression comme données d’entrée. De plus, un outil pour générer les débitmètres et les relier avec l’instrumentation physique adéquat a été développé.</p><p>Le débit à travers d’une vanne dépend entre autres des propriétés physiques qui dépendent à leur tour de la température et de la pression. Ces propriétés devront être estimées avec une grande précision. Dans ce projet, cela est fait en appliquant une interpolation bilinéaire dans des tableaux de deux dimensions. Cette méthode s’est montrée plus précise qu’avec une méthode d’interpolation polynomiale.</p><p>Les deux méthodes de mesures de débit ont été comparées. Elles dérivent toutes les deux des études empiriques et non physiques, alors les similarités théoriques sont donc peu pertinentes, mais les résultats des simulations des débits peuvent être comparés. Pour des pressions basses, les méthodes sont quasiment équivalentes, mais les différences sont plus importantes pour les pressions plus hautes. Étant donné qu’il n’y avait pas de mesures disponibles avant la fin de ce projet, les méthodes n’ont pas été validées avec des débits réels.</p>

The Kane Oceanic Core Complex (OCC) is a valuable window into crustal architecture and chemical composition of the lithosphere beneath a slow-spreading ocean ridge. A suite of > 30 samples (comprised of whole rocks, mineral separates and basalt glasses) has been analyzed for ��He/���He isotope ratios and He concentrations. Gas extraction experiments included crushing in vacuum, step heating and fusion in a high-vacuum furnace. We found ��He/���He in the two freshest peridotites (harzburgite and olivine websterite) to be identical to ratios measured in basalt glasses collected from the Kane fracture zone-ridge axis intersection (8.4���8.7 R[subscript A]). Notably, the freshest and least deformed peridotite (a porphyroclastic harzburgite) has the highest helium content of any of the OCC ultramafic rocks (170 ncc STP/g), while the majority of its helium (70%) is released only upon melting. Lower helium contents (1-45 ncc STP/g) and more variable ��He/���He (2.0-6.3 R[subscript A]) are found in other more altered/deformed peridotite samples (whole rocks, clinopyroxene and orthopyroxene separates). For example, three mylonitized peridotites have lower helium contents compared to the less deformed peridotites. Troctolite intrusions from the Adam and Eve Domes appear to record very late-stage melt impregnation fed through dunite conduits near the MOHO. ��He/���He in these troctolites overlaps with values in the fresh peridotites and axial basalts, but extends to slightly higher values (8.6-9.0 RA). Collectively, fresh Kane peridotites and troctolites having He concentrations above 10 ncc STP/g show ��He/���He ratios of 8.4-9.0 RA that are higher than the median value (8.0-8.2 R[subscript A]) for mid-ocean ridge basalts. This suggests that domains of depleted upper mantle in the Kane region tend to have ��He/���He ratios of 9 RA or higher, similar to what is observed in the most trace-element depleted MORBs globally. Kane gabbroic rocks are more variable in 3He/���He. A subset of gabbros show systematically lower ��He/4He ratios (0.9-7.2 R[subscript A]), with He concentrations of 1-24 ncc STP/g, reflecting the increased importance of atmospheric and radiogenic components in several cases. Nonetheless, two whole rock gabbroic samples plus an amphibole separate have ��He/���He ratios of 7.6-8.0 R[subscript A] and He contents between 13 and 57 ncc STP/g. Variation in the sampling of a lithologically heterogeneous mantle source by the partial melting process may account for the observed ��He/���He variability of 7.6-9.0 R[subscript A] in peridotite, gabbro and basalt in the Kane area. / Graduation date: 2013