It has been proposed to use heavy ion beams with energies around 10 MeV/amu, masses around 200, and average charges of 1+ as a driver for inertial fusion reactor. Current designs require the beams to travel through a region where the background gas pressure is several milli-torr. Thus, it is important to assess the rate at which the charge state of an incident beam evolves while passing through the background gas. The first objective of this project is to study the dependence of cross sections for multi-electron loss on target atomic number by using 6 MeV/amu Xe18+ ions and to compare the results with the n-body Classical Trajectory Monte Carlo calculations. A secondary objective of this project is to determine the extent to which the cross sections for molecular targets can be represented as sum of the cross sections for their atomic constituents. Cross sections for loss of one through eight electrons from 6 MeV/amu Xe18+ in single collisions have been measured with noble gas targets. The target Z-dependence of the total loss cross section was found to be well represented by two straight line segments. The cross section for He and Ne define one straight line segment and those for Ar, Kr and Xe define the other, where exhibits a smaller slope. The predictions of n-CTMC calculations are in good agreement with the measured total electron loss cross sections. A semiempirical fitting procedure based on the independent electron approximation provided a reasonably good representation of the individual cross sections for all of the noble gas targets. Additional measurements performed with a variety of molecular targets provided a rigorous test of cross section additivity and showed that the additivity rule works well for electron loss from heavy ions in the present energy and charge regime. A semiempirical calculation based the IEA shows that the average most probable impact parameter for electron loss is much smaller than the target molecular bond length. This result is believed to account for the finding of the insensitivity of the electron loss cross section to molecular structure.

The present work provides charge state fractions that may be used to generate TEAMS relative sensitivity factors for impurities in semiconductor materials.

In der vorliegenden Arbeit wird erstmals das QQDS-Magnetspektrometer für die höchstauflösende Ionenstrahlanalytik leichter Elemente am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf umfassend vorgestellt. Zusätzlich werden sowohl alle auf die Analytik Einfluss nehmenden Parameter untersucht als auch Methoden und Modelle vorgestellt, wie deren Einfluss vermieden oder rechnerisch kompensiert werden kann. Die Schwerpunkte dieser Arbeit gliedern sich in fünf Bereiche. Der Erste ist der Aufbau und die Inbetriebnahme des QQDS-Magnetspektrometers, der zugehörige Streukammer mit allen Peripheriegeräten und des eigens für die höchstauflösende elastische Rückstoßanalyse entwickelten Detektors. Sowohl das umgebaute Spektrometer als auch der im Rahmen dieser Arbeit gebaute Detektor wurden speziell an experimentelle Bedingungen für die höchstauflösende Ionenstrahlanalytik leichter Elemente angepasst und erstmalig auf einen routinemäßigen Einsatz hin getestet. Der Detektor besteht aus zwei Komponenten. Zum einen befindet sich am hinteren Ende des Detektors eine Bragg-Ionisationskammer, die zur Teilchenidentifikation genutzt wird. Zum anderen dient ein Proportionalzähler, der eine Hochwiderstandsanode besitzt und direkt hinter dem Eintrittsfenster montiert ist, zur Teilchenpositionsbestimmung im Detektor. Die folgenden zwei Schwerpunkte beinhalten grundlegende Untersuchungen zur Ionen-Festkörper-Wechselwirkung. Durch die Verwendung eines Magnetspektrometers ist die Messung der Ladungszustandsverteilung der herausgestreuten Teilchen direkt nach einem binären Stoß sowohl möglich als auch für die Analyse notwendig. Aus diesem Grund werden zum einen die Ladungszustände gemessen und zum anderen mit existierenden Modellen verglichen. Außerdem wird ein eigens entwickeltes Modell vorgestellt und erstmals im Rahmen dieser Arbeit angewendet, welches den ladungszustandsabhängigen Energieverlust bei der Tiefenprofilierung berücksichtigt. Es wird gezeigt, dass ohne die Anwendung dieses Modells die Tiefenprofile nicht mit den quantitativen Messungen mittels konventioneller Ionenstrahlanalytikmethoden und mit der Dickenmessung mittels Transmissionselektronenmikroskopie übereinstimmen, und damit falsche Werte liefern würden. Der zweite für die Thematik wesentliche Aspekt der Ionen-Festkörper-Wechselwirkung, sind die Probenschäden und -modifikationen, die während einer Schwerionenbestrahlung auftreten. Dabei wird gezeigt, dass bei den hier verwendeten Energien sowohl elektronisches Sputtern als auch elektronisch verursachtes Grenzflächendurchmischen eintreten. Das elektronische Sputtern kann durch geeignete Strahlparameter für die meisten Proben ausreichend minimiert werden. Dagegen ist der Einfluss der Grenzflächendurchmischung meist signifikant, so dass dieser analysiert und in der Auswertung berücksichtigt werden muss. Schlussfolgernd aus diesen Untersuchungen ergibt sich für die höchstauflösende Ionenstrahlanalytik leichter Elemente am Rossendorfer 5-MV Tandembeschleuniger, dass die geeignetsten Primärionen Chlor mit einer Energie von 20 MeV sind. In Einzelfällen, wie zum Beispiel der Analyse von Bor, muss die Energie jedoch auf 6,5 MeV reduziert werden, um das elektronische Sputtern bei der notwendigen Fluenz unterhalb der Nachweisgrenze zu halten. Der vierte Schwerpunkt ist die Untersuchung von sowohl qualitativen als auch quantitativen Einflüssen bestimmter Probeneigenschaften, wie beispielsweise Oberflächenrauheit, auf die Form des gemessenen Energiespektrums beziehungsweise auf das analysierte Tiefenprofil. Die Kenntnis der Rauheit einer Probe an der Oberfläche und an den Grenzflächen ist für die Analytik unabdingbar. Als Resultat der genannten Betrachtungen werden die Einflüsse von Probeneigenschaften und Ionen-Festkörper-Wechselwirkungen auf die Energie- beziehungsweise Tiefenauflösung des Gesamtsystems beschrieben, berechnet und mit der konventionellen Ionenstrahlanalytik verglichen. Die Möglichkeiten der höchstauflösenden Ionenstrahlanalytik werden zudem mit den von anderen Gruppen veröffentlichten Komplementärmethoden gegenübergestellt. Der fünfte und letzte Schwerpunkt ist die Analytik leichter Elemente in ultradünnen Schichten unter Berücksichtigung aller in dieser Arbeit vorgestellten Modelle, wie die Reduzierung des Einflusses von Strahlschäden oder die Quantifizierung der Elemente im dynamischen Ladungszustandsnichtgleichgewicht. Es wird die Tiefenprofilierung von Mehrschichtsystemen, bestehend aus SiO2-Si3N4Ox-SiO2 auf Silizium, von Ultra-Shallow-Junction Bor-Implantationsprofilen und von ultradünnen Oxidschichten, wie zum Beispiel High-k-Materialien, demonstriert.

The charge state dependence of M-shell x-ray production cross sections of 67HO bombarded by 2-12 MeV carbon ions with and without K-vacancies are reported. The experiment was performed using an NEC 9SDH-2 tandem accelerator at the Ion Beam Modification and Analysis Laboratory of the University of North Texas. The high charge state carbon ions were produced by a post-accelerator stripping gas cell. Ultra-clean holmium targets were used in ion-atom collision to generate M-shell x rays at energies from 1.05 to 1.58 keV. The x-ray measurements were made with a windowless Si(Li) x-ray detector that was calibrated using radiative sources, particle induced x-ray emission (PIXE), and the atomic field bremsstrahlung (AFB) techniques.

By using two electrospray emitters containing different solutions (“dual-spray”) we have recently conducted in-source hydrogen/deuterium exchange (HDX) reactions and synthesized organometallic species. For dual-spray HDX reactions, peptide and protein solutions were electrosprayed through one emitter and the deuterating agent D2O through the secondary electrospray emitter. Clear shifts in isotope distributions indicated hydrogen-deuterium exchange occurring within the ion source. By ion mobility, simultaneous deuterium exchange for two isobaric species, the oxytocin monomer and dimer, was observed. Lysozyme has a linear relation between the charge state and the average number of exchanges, indicating that lysozyme becomes increasingly unfolded as the charge state increases. Based on deuterium uptake data and the lack of a temperature dependence, the dual-spray HDX reaction is thought to occur mostly in the gas phase. Tris(2,2’-bipyridine)ruthenium(II) and similar complexes containing the 1,10-phenanthroline ligand were formed by spraying a ligand solution and the ruthenium trichloride solution through two independent ESI emitters. This was confirmed by comparing ion mobility drift time, mass spectra, and CID fragmentation with the reference standard compounds. Tris(2,2’-bipyridine)iron(II), tris(1,10-phenantroline)iron(II) and mixed ligand complexes of iron(II) formed by dual-spray showed two additional hydrogens bonded to the complex. By CID, these unique gas phase complexes showed similar initial ligand loss to the reference standards however the secondary ligand loss showed dissimilar dissociation channels and energetics. Using DFT calculations, geometry optimizations for the [Fe(phen)3 + 2H]2+ complex and its fragment ions were done. After the initial ligand loss, the additional hydrogens are believed to transfer to the central iron atom. The relative energy of the dissociation channels showed good agreement with experimental breakdown curves.

In der vorliegenden Arbeit wird erstmals das QQDS-Magnetspektrometer für die höchstauflösende Ionenstrahlanalytik leichter Elemente am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf umfassend vorgestellt. Zusätzlich werden sowohl alle auf die Analytik Einfluss nehmenden Parameter untersucht als auch Methoden und Modelle vorgestellt, wie deren Einfluss vermieden oder rechnerisch kompensiert werden kann. Die Schwerpunkte dieser Arbeit gliedern sich in fünf Bereiche. Der Erste ist der Aufbau und die Inbetriebnahme des QQDS-Magnetspektrometers, der zugehörige Streukammer mit allen Peripheriegeräten und des eigens für die höchstauflösende elastische Rückstoßanalyse entwickelten Detektors. Sowohl das umgebaute Spektrometer als auch der im Rahmen dieser Arbeit gebaute Detektor wurden speziell an experimentelle Bedingungen für die höchstauflösende Ionenstrahlanalytik leichter Elemente angepasst und erstmalig auf einen routinemäßigen Einsatz hin getestet. Der Detektor besteht aus zwei Komponenten. Zum einen befindet sich am hinteren Ende des Detektors eine Bragg-Ionisationskammer, die zur Teilchenidentifikation genutzt wird. Zum anderen dient ein Proportionalzähler, der eine Hochwiderstandsanode besitzt und direkt hinter dem Eintrittsfenster montiert ist, zur Teilchenpositionsbestimmung im Detektor. Die folgenden zwei Schwerpunkte beinhalten grundlegende Untersuchungen zur Ionen-Festkörper-Wechselwirkung. Durch die Verwendung eines Magnetspektrometers ist die Messung der Ladungszustandsverteilung der herausgestreuten Teilchen direkt nach einem binären Stoß sowohl möglich als auch für die Analyse notwendig. Aus diesem Grund werden zum einen die Ladungszustände gemessen und zum anderen mit existierenden Modellen verglichen. Außerdem wird ein eigens entwickeltes Modell vorgestellt und erstmals im Rahmen dieser Arbeit angewendet, welches den ladungszustandsabhängigen Energieverlust bei der Tiefenprofilierung berücksichtigt. Es wird gezeigt, dass ohne die Anwendung dieses Modells die Tiefenprofile nicht mit den quantitativen Messungen mittels konventioneller Ionenstrahlanalytikmethoden und mit der Dickenmessung mittels Transmissionselektronenmikroskopie übereinstimmen, und damit falsche Werte liefern würden. Der zweite für die Thematik wesentliche Aspekt der Ionen-Festkörper-Wechselwirkung, sind die Probenschäden und -modifikationen, die während einer Schwerionenbestrahlung auftreten. Dabei wird gezeigt, dass bei den hier verwendeten Energien sowohl elektronisches Sputtern als auch elektronisch verursachtes Grenzflächendurchmischen eintreten. Das elektronische Sputtern kann durch geeignete Strahlparameter für die meisten Proben ausreichend minimiert werden. Dagegen ist der Einfluss der Grenzflächendurchmischung meist signifikant, so dass dieser analysiert und in der Auswertung berücksichtigt werden muss. Schlussfolgernd aus diesen Untersuchungen ergibt sich für die höchstauflösende Ionenstrahlanalytik leichter Elemente am Rossendorfer 5-MV Tandembeschleuniger, dass die geeignetsten Primärionen Chlor mit einer Energie von 20 MeV sind. In Einzelfällen, wie zum Beispiel der Analyse von Bor, muss die Energie jedoch auf 6,5 MeV reduziert werden, um das elektronische Sputtern bei der notwendigen Fluenz unterhalb der Nachweisgrenze zu halten. Der vierte Schwerpunkt ist die Untersuchung von sowohl qualitativen als auch quantitativen Einflüssen bestimmter Probeneigenschaften, wie beispielsweise Oberflächenrauheit, auf die Form des gemessenen Energiespektrums beziehungsweise auf das analysierte Tiefenprofil. Die Kenntnis der Rauheit einer Probe an der Oberfläche und an den Grenzflächen ist für die Analytik unabdingbar. Als Resultat der genannten Betrachtungen werden die Einflüsse von Probeneigenschaften und Ionen-Festkörper-Wechselwirkungen auf die Energie- beziehungsweise Tiefenauflösung des Gesamtsystems beschrieben, berechnet und mit der konventionellen Ionenstrahlanalytik verglichen. Die Möglichkeiten der höchstauflösenden Ionenstrahlanalytik werden zudem mit den von anderen Gruppen veröffentlichten Komplementärmethoden gegenübergestellt. Der fünfte und letzte Schwerpunkt ist die Analytik leichter Elemente in ultradünnen Schichten unter Berücksichtigung aller in dieser Arbeit vorgestellten Modelle, wie die Reduzierung des Einflusses von Strahlschäden oder die Quantifizierung der Elemente im dynamischen Ladungszustandsnichtgleichgewicht. Es wird die Tiefenprofilierung von Mehrschichtsystemen, bestehend aus SiO2-Si3N4Ox-SiO2 auf Silizium, von Ultra-Shallow-Junction Bor-Implantationsprofilen und von ultradünnen Oxidschichten, wie zum Beispiel High-k-Materialien, demonstriert.

The thesis includes the basic principles of lead-acid, NiCd, NiMH and Li-Ion batteries. There is a description of their features and phenomena that processes in the batteries during charging and discharging. The most important part is devoted to dynamic models of these types of batteries, the parameters that are necessary for their modeling, and testing of absolute error models. Further, the model in Matlab was created which allows the simulation of the GRID-OFF photovoltaic system using the battery model.

Metabolism is the sum of all chemical processes with the purpose to maintain life, as well as enable reproduction, in a living organism. Through the study of metabolism, increased understanding of pharmacological mechanisms and diseases can be achieved. This thesis describes several ways of doing so, including targeted analysis of selected metabolites and investigations of systematic metabolic differences between selected groups through pattern recognition. A method for exploring metabolic patterns in urine samples after intake of coffee or tea was developed. The methodology was later used with the aim to find biomarkers for prostate cancer and urinary bladder cancer. Furthermore, a fully automated quantitative method was developed for concentration measurements of the double prodrug ximelagatran and its metabolites in pig liver. The method was then used to study the roll of active transporters in pig liver cells. Moreover, a fundamental study was conducted to investigate how monitoring of small, doubly charged analytes can improve the limit of detection and precision in a quantitative method. The techniques used for the experiments were liquid separation coupled to electrospray mass spectrometry. Extra efforts were made to make the separation and the ionization as compatible as possible to each other for increased quality of the collected data.

In the frame of this thesis, a new experimental setup for the measurement of the energy loss of carbon ions at maximum stopping power in a hot laser-generated plasma has been developed and successfully tested. In this parameter range where the projectile velocity is of the same order of magnitude as the thermal velocity of the plasma free electrons, large uncertainties of up to 50% are present in the stopping-power description. To date, no experimental data are available to perform a theory benchmarking. Testing the different stopping theories is yet essential for inertial confinement fusion and in particular for the understanding of the alpha-particle heating of the thermonuclear fuel. Here, for the first time, precise measurements were carried out in a reproducible and entirely characterized beam-plasma configuration. It involved a nearly fully-stripped ion beam probing a homogeneous fully-ionized plasma. This plasma was generated by irradiating a thin carbon foil with two high-energy laser beams and features a maximum electron temperature of 200 eV. The plasma conditions were simulated with a two-dimensional radiative hydrodynamic code, while the ion-beam charge-state distribution was predicted by means of a Monte-Carlo code describing the charge-exchange processes of projectile ions in plasma. To probe at maximum stopping power, high-frequency pulsed ion bunches were decelerated to an energy of 0.5 MeV per nucleon. The ion energy loss was determined by a time-of-flight measurement using a specifically developed chemical-vapor-deposition diamond detector that was screened against any plasma radiation. A first experimental campaign was carried out using this newly developed platform, in which a precision better than 200 keV on the energy loss was reached. This allowed, via the knowledge of the plasma and of the beam parameters, to reliably test several stopping theories, either based on perturbation theory or on a nonlinear T-Matrix formalism. A preliminary analysis suggests that the energy deposition at maximum stopping power is significantly smaller than predicted, particularly, by perturbation approaches.

<p dir="ltr">Originating from J. J. Thomsons original work and the development of electrospray ionization (ESI) by John B. Fenn, mass spectrometry offers a versatile analytical tool to measure beyond an ion’s m/z, especially for biomolecules. Gas-phase ion/ion reactions within a mass spectrometer offers an attractive approach to study biomolecules as they take place on the millisecond and sub millisecond time scale, have high efficiency, allow oppositely charged ions to interact with each other in a controlled manner, and a allows for selection of each reactant prior to the reaction via ion isolation. This can be used to probe gas-phase chemistry that can reflect reactions in solution, however gas-phase reactions have no solvent effects and happen faster, making it a simpler experiment. Here, a variety of gas-phase ion/ion reactions and ion trap methodologies are described to study mostly lipids with a minor amount of transmetalation at the beginning.</p><p dir="ltr">First, a series of multivalent metals complexed to neutral ligands are demonstrated to form ion-pairs with tetraphenylborate anions via ion/ion reactions. The resulting products were subjected to collision induced activation (CID) to observe their involvement in transmetalation, complementary density functional theory (DFT) calculations are provided as well. Next, sequential ion/ion reactions were performed to convert isomeric phosphoinositol phosphates dianions to monocations to reveal structural characterization and isomeric differentiation utilizing tandem MS and dissociation kinetics. The following two chapters after, reports on complementary efforts to separate lipids in the gas-phase of different mass and charge but similar mass-to-charge (m/z) resulting in overlapping m/z signals. The first report demonstrates a physical approach where singly and double charged lipids are separated in space from each other, trapped simultaneously such that no information is lost. The second utilizes a lanthanide, Yb3+ trication complex that underwent ion/ion reactions with singly and doubly charged lipid anions of similar m/z that result in different m/z products for each singly and doubly charged lipids. Lastly, a sequential ion/ion approach utilizing hexa(ethylene glycol) dithiol as a novel reagent to charge invert structurally uninformative lipid cations to structurally informative anions with subsequent carbon-carbon double bond localization.</p>