The presented work investigates planar and axial channeling effects in ion-surface collisions. Therefore, energy loss and charge state distributions depending on the crystalline surface direction are recorded and analyzed. Several additional scattering parameters, like the primary energy, the outgoing charge state, the scattering angle, and the angle of incidence are varied. Multi-peak structures in the energy spectra are observed under axial channeling conditions and attributed to different trajectory classes. Using combined trajectory and inelastic energy loss calculations we are able to unambiguously assign the different peaks in the energy spectra to the different types of trajectories found in the calculations. By this, we investigate the electronic density corrugation at different metal surfaces. Die vorliegende Arbeit untersucht den Einfluß von axialem und planarem Channeling auf den Energieverlust von oberflächengestreuten Ionen. Es werden Energieverlustspektren und Ladungsverteilungen in Abhängigkeit der Parameter Primärenergie, gestreuter Ladungszustand, Streuwinkel, Einfallswinkel und der azimuthalen Ausrichtung der Oberfläche gemessen. Im Fall von axialem Channeling beobachten wir in den Energiespektren eine Multi-Peak Struktur. Diese läßt sich auf unterschiedliche Teilchentrajektorien zurückführen. Zusammen mit theoretischen Berechnungen des inelastischen Energieverlustes kann eine eindeutige Zuordnung zwischen dem gemessenen Energieverlust und der dazugehörigen Trajektorienart gemacht werden. Diese Technik erlaubt es uns, die elektronische Dichtekorrugation an Oberflächen zu studieren.

I industrin finns det många pumpar som inte kör i de optimala driftfall som de är skapade för. Detta bidrar till stora och onödiga kostnader för fabriker och industrier. Det finns olika reglermetoder för att få pumpen att köra så optimalt som möjligt, det vanligaste är att avända sig av en reglerventil som stryper bort flödet. Ett annat sätt är att investera i en frekvensomriktare. En frekvensomriktare kan reglera varvtalet på pumpen och göra så driften blir så optimal som möjligt för det driftfall som körs. Blir driften så optimal som möjligt kommer kostnaden att reduceras. För att lätt kunna beräkna om det är lönsamt att investera i en frekvensomriktare behövs ett standardiserat beräkningsprogram. Detta arbete har gjorts för ÅF Pöyry i Karlstad i samverkan med BillerudKorsnäs AB, Gruvön. Datainsamling har skett på BillerudKorsnäs AB på en MC-pump (423P008) denna sitter på SK 2, som även kallas barrlinjen, där man behandlar barrträd. Resultatet är ett standardiserat beräkningsprogram för att kunna beräkna både MC-pumpar och centrifugalpumpar i pappersmassaindustrin. Detta beräkningsprogram kan bland annat beräkna den totala tryckhöjden för respektive pump för att sedan kunna beräkna payoff-tiden, alltså om det är lönsamt att investera i en frekvensomriktare. Vid beräkning med hjälp av beräkningsprogrammet på MC-pump 423P008 visas det att ca 120 000 SEK/år är de kostnader som ”stryps” bort med den nuvarande reglermetoden, detta är också den besparingspotetnial som kan göras vid investering av en frekvensomriktare och detta är endast för en pump på ett bruk. Slutsatsen man kan dra med hjälp av beräkningsprogrammet är att det finns stora kostnader att spara i industrin genom att optimera drifterna hos de pumpar som finns. / In the industry, there are many pumps that do not running in the optimal operating conditions that they are created for. This contributes to large, unnecessary costs for industries. There are some different “control methods” to make the pump run as optimally as possible. One way is to invest in a frequency converter. A frequency converter can regulate the speed (rpm) of the pump and make the operation as optimal as possible for the running case. If the operation becomes as optimal as possible, money will be saved. In order to easily calculate whether it is profitable to invest in a frequency converter, a standardized calculation program is needed. This work has been made for ÅF Pöyry in Karlstad in a collaboration with BillerudKorsnäs AB, Gruvön. Data collection has taken place at BillerudKorsnäs AB on an MC-pump (423P008), which is stationary at SK 2, which is also called the coniferous-line, where you process conifers. The result is a standardized calculation program for calculating both MC-pumps and centrifugal pumps in the pulp industry. This calculation program can calculate the total pump head for each pump in order to then calculate the payoff time, i.e. whether it is profitable to invest in a frequency converter, or not. When using the calculation program for the MC-pump named 423P008, it is shown that about SEK 120,000 SEK / year are the costs that are "throttled" away with the current “control method”. This is data for just one pump out at BillerudKorsnäs. The conclusion is that with the help of the calculation program you can see there are large costs to save in the industry by optimizing the runs of the pumps that are available. / Nej

Le travail de cette thèse porte sur l’étude expérimentale de la diffusion d’atomes d’hydrogène sur des surfaces et sous incidence rasante. L’énergie des atomes et des ions varie de quelques centaines d’eV à quelques keV, tandis que les surfaces étudiées sont des isolants et des semi-métaux. En particulier on a étudié la formation de l’ion H- sur du graphite pyrolytique dit HOPG (highly oriented pyrolytic graphite) et sur une surface de LiF(001). Pour ce dernier système, nous avons étudié en détail la diffraction d’atomes H° et d’ions H+. Ces expériences ont été réalisées sur un montage expérimental utilisant un faisceau pulsé et permettant de détecter en coïncidence les particules diffusées et les électrons secondaires. L’ensemble permet de connaître la charge finale de la particule diffusée, sa perte d’énergie, son angle de diffusion, le tout en corrélation avec la statistique et l’énergie des électrons émis.Le résultat de ce travail a révélé que la diffraction persiste dans le régime inélastique. En effet, nous observons un motif de diffraction après la neutralisation de proton sur la surface de LiF(001). Un modèle est proposé pour expliquer ces résultats qui semblent en contradiction avec ceux publiés par le groupe de H. Winter sur la diffraction d’atomes d’hydrogène sur cette même surface. Concernant la formation d’ion négatif sur HOPG, nous avons mis en évidence un taux de H- (~10%) sur une surface propre. C’est le plus haut taux de H- jamais observé avec ce type d’expérience en incidence rasante. C’est encore plus élevé qu’avec des isolants ioniques, ces derniers donnant un taux déjà 10 fois plus grand que celui observé sur métaux propres. Ces résultats confirment l’efficacité du graphite à convertir des ions et des atomes en ions négatifs. En exploitant les données fournies par la technique des coïncidences, nous avons pu élucider le mécanisme à l’œuvre dans cette conversion. Du fait de la structure électronique particulière de HOPG, avec une bande interdite projetée dans la direction Gamma, seuls les électrons localisés sigma contribuent à la formation de l’ion négatif, donnant au HOPG un caractère isolant du point de vue de la capture électronique. Les électrons pi contribuant de manière efficace à la perte d’énergie par collisions binaires, donnant de ce point de vue au HOPG son caractère métallique. / In this thesis, we have investigated experimentally the scattering of hydrogen atoms and ions on solid surfaces at grazing incidence. The projectile energy ranges from several hundred eV to few keV. The formation of H- ions is studied on highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) surface; and surface diffraction is carried out on LiF(001) surface with H° and H+ particle scattering. Both experiments were performed in the same experimental setup (see Figure 1.2 and 2.1)—with grazing scattering geometry and a PSD (position sensitive detector) located downstream to record scattered particles. For charge state analysis a set of electrostatic plates is inserted between sample and PSD. During the experiment, coincident measurement technique is used to identify the energy loss associated to 0, 1, 2…electrons emission. Clear evidence of diffraction with inelastic scattering by proton on LiF(001) has been obtained, which has not been observed before. Indeed, the group of H. Winter reported that no diffraction exists with inelastic scattering of H° on LiF(001). However, according to our result, a coherence scattering factor still exists even though the electron capture by the proton is an inelastic process. For negative ion formation on HOPG surface, we report here the highest fraction of H- (~10%) measured in grazing scattering experiments; it is larger than those obtained on ionic insulators, the latter being typically 10 times larger than those measured on clean metals. These results confirm the high yields of negative hydrogen ions from graphite reported in the literature. Electron emission and energy loss of scattered beam have also been deciphered via coincidence measurement. Due to the special structure of HOPG, two kinds of electron emissions (σ and π-band electron) and energy losses (cycles and metal-like energy loss) have been measured. Furthermore, the total electron emission on HOPG with insulator-like behavior and total energy loss with metal-like are the most representative property of HOPG which have been first presented in this thesis.

X-ray lasers bring us into a new world in photon science by delivering extraordinarily intense beams of x-rays in very short bursts that can be more than ten billion times brighter than pulses from other x-ray sources. These lasers find applications in sciences ranging from astrophysics to structural biology, and could allow us to obtain images of single macromolecules when these are injected into the x-ray beam. A macromolecule injected into vacuum in a microdroplet will be affected by evaporation and by the dynamics of the carrier liquid before being hit by the x-ray pulse. Simulations of neutral and charged water droplets were performed to predict structural changes and changes of temperature due to evaporation. The results are discussed in the aspect of single molecule imaging. Further studies show ionization caused by the intense x-ray radiation. These simulations reveal the development of secondary electron cascades in water. Other studies show the development of these cascades in KI and CsI where experimental data exist. The results are in agreement with observation, and show the temporal, spatial and energetic evolution of secondary electron cascades in the sample. X-ray diffraction is sensitive to structural changes on the length scale of chemical bonds. Using a short infrared pump pulse to trigger structural changes, and a short x-ray pulse for probing it, these changes can be studied with a temporal resolution similar to the pulse lengths. Time resolved diffraction experiments were performed on a phase transition during resolidification of a non-thermally molten InSb crystal. The experiment reveals the dynamics of crystal regrowth. Computer simulations were performed on the infrared laser-induced melting of bulk ice, giving a comprehension of the dynamics and the wavelength dependence of melting. These studies form a basis for planning experiments with x-ray lasers.

This work presents a joint theoretical and experimental investigation of the electronic structure of quasi one-dimensional cuprates and vanadates. Electron energy-loss spectroscopy in transmission was employed to measure the momentum-dependent loss function of Li2CuO2, CuGeO3, V2O5 and NaV2O5. The comparison between the experimental data and the results from bandstructure as well as cluster calculations allows an explanation of the mobility and correlations of the electrons in these systems. The investigation of the electronic structure of the structurally related cuprates Li2CuO2 and CuGeO3 is exemplary for the study of the transition from a quasi zero-dimensional to a quasi one-dimensional system. In contrast to Li2CuO2 where the electron transitions are strongly localized, the excited states in CuGeO3 can be assigned to the electron hopping to the nearest-neighboured CuO4 plaquettes. The shift of spectral weight from the high energy to the low energy region with increasing coupling between the plaquettes, observed in edge-sharing CuO2 chains, is confirmed by the applied cluster modell. The momentum dependent loss functions of NaV2O5 deliver information about the mobility and correlations of electrons in a quarter-filled ladder system which determine the transition from the charge ordered state into the unordered state at 34 K. Thcontributions of the 3d electrons to the EELS spectra of NaV2O5 are filtered by comparing these spectra with the loss functions of the structurally related V2O5 (d0 configuration). For NaV2O5 the picture of linear chains of V-O-V rungs containing a single d electron in a molecular orbital-like state is confirmed. The comparison of the experimentally determined optical conductivities and those derived from the bandstructrure calculations yield a good agreement upon adoption of an on-site Coulomb interaction U = 2-3 eV. In contrast to the strongly anisotropic hopping within the ladder plane the intersite Coulomb interactions V are about the same size. These interactions are the driving force for the transition from an unordered state at room temperature into a zigzag ordered state observed at low temperatures. / In einer Kombination aus experimentellen und theoretischen Methoden wurden in dieser Arbeit die Elektronenstrukturen von quasi-eindimensionalen Kupraten und Vanadaten untersucht. Dazu wurde die impulsabhängige Verlustfunktion mit Hilfe der Elektronen-Energieverlustspektroskopie in Transmission an Einkristallen von Li2CuO2, CuGeO3, V2O5 und NaV2O5 gemessen. Der Vergleich der experimentellen Daten mit Ergebnissen aus Bandstruktur- und Cluster-Rechnungen erlaubte Rückschlüsse auf die Beweglichkeit und Korrelationen der Elektronen in diesen Systemen. Die Untersuchung der elektronischen Anregungen in den strukturell sehr ähnlichen Kupraten Li2CuO2 und CuGeO3 ist beispielhaft für das Studium des Übergangs von einem quasi-nulldimensionalen zu einem quasi-eindimensionalen System. In Li2CuO2 finden die elektronischen Übergänge vorwiegend lokal auf der CuO4-Plakette statt. Dagegen findet man in CuGeO3 angeregte Zustände, die als das Hüpfen der Elektronen auf benachbarte Plaketten interpretiert werden können. Das angewandte Cluster-Modell bestätigt für eine zunehmende Kopplung zwischen den Plaketten die in eckenverbundenen Kupratketten beobachtete Verschiebung des spektralen Gewichts vom hoch- zum niederenergetischen Bereich. Die Verlustfunktionen von NaV2O5 liefern wertvolle Informationen über die Freiheitsgrade und Korrelationen der Elektronen in einem viertelgefüllten Leitersystem, die wesentlich den Phasenübergang zwischen geordneter und ungeordneter Ladung bei 34 K bestimmen. Die Beiträge der 3d-Elektronen von NaV2O5 zu den EELS-Spektren konnten durch eine vergleichende Studie der Verlustfunktionen des strukturell verwandten V2O5, das keine d-Elektronen besitzt, separiert werden. Die Beschreibbarkeit der Elektronenstruktur in NaV2O5 durch ein effektives Modell einfach besetzter, molekülähnlicher V-O-V-Sprossen wird bestätigt. Die Coulomb-Wechselwirkung U kann in diesem Modell auf den Wertebereich zwischen 2 und 3 eV eingeschränkt werden. Im Gegensatz zu den stark anisotropen Hüpfwahrscheinlichkeiten in der Leiterebene sind die Coulomb-Wechselwirkungen V zwischen Elektronen auf benachbarten Vanadiumplätzen nahezu von gleicher Größe. Diese Wechselwirkungen sind die treibende Kraft für den Übergang von einem ungeordneten Zustand bei Raumtemperatur in einen zickzackgeordneten Grundzustand bei tiefen Temperaturen.

From the Proceedings of the 1976 Meetings of the Arizona Section - American Water Resources Assn. and the Hydrology Section - Arizona Academy of Science - April 29-May 1, 1976, Tucson, Arizona / Energy budget evaluations of evapotranspiration from saltcedar were carried out on the flood plain of the Rio Grande River, near Bernardo, New Mexico. The site was adjacent to the Bureau of Reclamation's lysimeter study of water use by saltcedar. The energy budget for the cloudless day of June 14, 1975, revealed that energy gains from net radiation totaled 432 cal/cm² , while energy losses (in cal/cm2 ), were 14 to stored energy, 31 to convection, and 387 to evapotranspiration (ET). The energy loss to ET is equivalent to the latent energy contained in about 6.5 mm of water. The energy budget values are reasonable for a phreatophyte community in a semi-arid environment. The latent energy loss compares favorably with 401 cal/cm² measured by three lysimeters, although there were discrepancies in timing and amounts of loss among the individual lysimeters. The mean canopy diffusion resistance was 1.90 sec/cm over a 10-hour daytime period on June 14. The mean resistance was combined with vapor pressure deficit to predict lysimeter ET on three subsequent days. The agreement was within 12 percent, which suggests that diffusion resistance may be useful for simple ET predictions.

The work carried out during this thesis focuses on the quantum dynamics of the diffusion of hydrogen atoms on a surface of palladium (111). The study of the 3D system allowed us to detail the infrared spectrum of H/Pd (111), showing the existence of different adsorption sites on which localized states exist that are strongly coupled (Fermi resonance). This phenomenon governs the diffusion of hydrogen atoms in an ultra-fast time scale (fs).The study of the (6D) H2/Pd(111) system has shown that the transitions observed are in fact transition bands between several quasi-degenerate adsorption states. The agreement between the calculated and measured values is significantly less good than that between the data calculated for the 3D system and the measured data. Does adsorbed hydrogen on palladium exist in the form of a weakly bound H2 molecule? This thesis has provided some answers to this question, which remains open, hovewer, to some extent.

Die fortwährende Verkleinerung der Strukturbreiten in der Mikroelektronik erfordert es, herkömmliche SiO2 Dielektrika durch Materialien mit kleinerer Dielektrizitätskonstante zu ersetzen. Dafür sind verschiedene „low-k Materialien“ entwickelt worden. Unter diesen sind die Organosilikatgläser, die aus SiO2 Netzwerken mit eingelagerten Methylgruppen bestehen wegen ihrer ausgezeichneten Eigenschaften besonders interessant als Dielektrika zwischen metallischen Leiterbahnen. In dieser Arbeit sind fünf verschiedene dieser „low-k Materialien“ untersucht worden: ein dichtes und vier poröse Materialien, die alle durch plasmagestützte chemische Gasphasenabscheidung hergestellt wurden. Die strukturellen, chemischen und dielektrischen Eigenschaften der Materialien wurden mit Hilfe der analytischen Durchstrahlungselektronenmikroskopie unter Verwendung eines abbildenden GATAN-Energiespektrometers untersucht. Die Bestimmung der radialen Verteilungsfunktion (RDF) zur Charakterisierung der atomaren Nahordnung ermöglicht uns die Ermittlung mittlerer Bindungslängen und – winkel sowie der mikroskopischen Dichte des Materials. Gegenüber SiO2 wurden in den untersuchten „low-k Materialien“ stark veränderte mittlere Si-O, O-O und Si-Si Bindungslängen gefunden. Dieses wirkt sich natürlich auch auf die mittleren Si-O-Si bzw. O-Si-O Bindungswinkel aus, und wie erwartet war auch die mikroskopische Dichte der „low-k Materialien“ kleiner als die Dichte des SiO2. Elektronen Energieverlustspektroskopie (EELS) und Photoelektronenspektroskopie (XPS) wurden zur Charakterisierung der chemischen Umgebung der Atome in den „low-k Materialien“ herangezogen. Die Energien von Ionisationskanten und die Bindungsenergien der Silizium-2p und Sauerstoff-1s Elektronen waren in den „low-k Materialien“ größer als im SiO2. Die Kohlenstoffatome kamen in den „low-k Materialien“ sowohl sp2 als auch sp3 hybridisiert vor. sp2-Hybridisierung liegt vor, wenn Bindungen wie Si=CH2 und C=C im Netzwerk vorkommen, während sp3 Hybridisierung z.B. dann vorkommt, wenn freie Si-Bindungen durch –CH3 Gruppen abgesättigt werden. Die Anteile an sp2- bzw. sp3-hybridisierten Kohlenstoffatome wurden aus der Feinstruktur der K-Energieverlustkanten des Kohlenstoffs abgeschätzt. Das ergab, daß die meisten Kohlenstoffatome in den „low-k Materialien“ sp2-hybridisiert sind. Die dielektrischen Eigenschaften wurden durch Kramers-Kronig-Transformation einer Energieverlustfunktion ermittelt, die aus dem Niedrigverlust-EELS-Spektrum im Bereich der Plasmonenanregungen gewonnen wurde. Die Bandlücke des SiO2 beträgt ungefähr 9 eV während dichte „low-k Materialien“ aufgrund der Unregelmäßigkeiten in ihrem SiO2-Netzwerk zusätzliche Zustandsdichten innerhalb der Bandlücke aufweisen. Die Erzeugung von Poren im „low-k Material“ vermindert offenbar die Zustandsdichte im Bereich der Bandlücke und erweitert diese im Vergleich zum SiO2. Eine Modellrechnung mit der Dichtefunktionaltheorie für ein Strukturmodell, das den „low-k Materialien“ nahe kommt, ist zum Vergleich mit der experimentell gefundenen kombinierten Zustandsdichte herangezogen worden und zeigt eine gute Übereinstimmung. Die im Standard-Herstellungsprozeß vorkommenden Verfahren des Plasmaätzens und der Plasmaveraschung können die Struktur des „low-k Materials“ z.B. an den Seitenwänden von Ätzgräben verändern. Die gestörten Bereiche wurden mit der energiegefilterten Elektronenmikroskopie untersucht. Dabei wurde gefunden, daß sich die Strukturveränderungen der Seitenwände bis zu einer Tiefe in der Größenordnung von ungefähr 10 Nanometern erstrecken. Diese Bereiche sind verarmt an Kohlenstoff und ähneln folglich mehr einem SiO2-Dielektrikum. Die Kohlenstoffverarmung erstreckt sich in die „low-k Schicht“ in Form eines gaussartigen Profils mit maximaler Kohlenstoffkonzentration in der Mitte der Schicht. Die Sauerstoffkonzentration und die mikroskopische Dichte steigen in der Nähe der Seitenwände.

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La formation des hadrons est, dans le cadre de la théorie quantique de couleur (QCD), un processus non-perturbatif ; cette caractéristique entraîne d’importantes difficultés théoriques. C’est pourquoi, les mesures expérimentales de fragmentation dans différents noyaux sont une nécessité afin d’obtenir des progrès tangibles dans la compréhension des mécanismes de formation des hadrons. La thèse commence par les bases théoriques nécessaires à une telle approche, suivies des principaux modèles qui lui sont associés.La thèse se poursuit par l’analyse de données de Jefferson Lab obtenues à l’aide d’un faisceau d’électrons de 5 GeV incident sur différentes cibles (2H, C, Al, Fe, Sn et Pb). Les produits de la réaction sont mesurés avec le spectromètre CLAS. Les principaux résultats de cette expérience sont : (a) l’analyse multi-dimensionnelle des observables mesurées, qui permet une meilleure confrontation avec les modèles théoriques et l’extraction d’informations temporelles sur la fragmentation, et (b) l’observation d’une atténuation hadronique non-linéaire en fonction du rayon du noyau cible. Dans une partie plus théorique, le générateur d’événements PyQM, développé dans le but de reproduire les données de la collaboration HERMES, est présenté. Les résultats sont mitigés, en effet la base théorique utilisée ne semble pas s’appliquer au cas étudié, néanmoins certaines caractéristiques des données sont reproduites permettant de comprendre leurs origines parfois inattendues. Enfin, les possibilités d’expériences futures, à Jefferson Lab et dans un collisionneur ion-électron (EIC), sont explorées. / The hadron formation is, in the framework of the quantum chromodynamics theory (QCD), a non-perturbative process; this characteristic leads to important theoretical challenges. This is why experimental measurements of fragmentation in nuclei are a necessity in order to obtain substantial progress in our understanding of the mechanisms of hadron formation. The thesis begins with the introduction of theoretical background, followed by an overview of theoretical models. The thesis continues with the analysis of Jefferson Lab data obtained with a 5 GeV electron beam incident on various targets (2H, C, Al, Fe, Sn and Pb). The reaction products are measured with the CLAS spectrometer of Hall B. The main results are: (a) a multi-dimensional analysis of the measured observables, which permits a better confrontation with theoretical models and the extraction of temporal information on fragmentation, and (b) the observation of a non linear hadronic attenuation as a function of the target’s nuclear radius. The PyQM event generator, developed to reproduce the data from the HERMES collaboration, is also presented. The results are ambivalent, the theoretical basis used does not seem to apply to the studied case, however, some characteristics of the data are reproduced allowing to understand their origin, which is sometimes unexpected. Finally, the possibilities for future experiments, at Jefferson Lab and at an Electron-Ion Collider (EIC), are explored.