Dentre várias técnicas de diagnóstico de plasma, uma das mais importantes existentes atualmente é a espectroscopia por emissão de feixe, para a determinação da densidade de plasmas e suas flutuações. Este trabalho visou o desenvolvimento de um canhão de feixes de Li+ através da emissão termiônica de um composto cristalino chamado b-eucryptita. Esse composto é normalmente usado em forma pastosa, e feixes de Li+ com intensidade abaixo de 200mA/cm2 são obtidos, com energia de aceleração < 10keV. Neste trabalho, contudo, feixes de 3mA/cm2 de intensidade foram obtidos, com energia de aceleração entre 0,5 e 3keV. Este significativo aumento de densidade do feixe deveu-se a mudança de forma do b-eucryptita de pastoso para vítreo. Ao ser elevada a temperatura do b-eucryptita a 1300oC, sob pressão de 5 x 10-5 Torr, esse composto atingiu seu ponto de fusão, e passou a emitir Li+ com intensidade 10 vezes mais alta do que antes da fusão. Após ser resfriado até a temperatura ambiente, o b-eucryptita assumiu a forma vítrea, e manteve a alta emissão de íons de Li+ adquirida com a fusão. Utilizando o b-eucryptita na forma vítrea no canhão com geometria de Pierce acoplado a lente eletrostática cilíndrica no modo einzel, feixes de Li+ com densidade de corrente abaixo de 50mA/cm2 e diâmetro entre 0,5cm e 2cm, para uma energia de aceleração <2keV foram obtidos. Esta redução da corrente se deve ao fato de que à baixa energia (<3keV) o efeito da carga espacial sobre o feixe é muito intenso, limitando assim sua intensidade e aumentando seu diâmetro.

Este trabalho consiste na elaboração conceitual de uma cavidade coaxial que possua a seletividade de modos necessária para obter um girotron que opere em regime contínuo e em modo único de alta ordem, com potência de radiação em torno de um megawatt e frequência de 280 GHz. Uma discriminação radial de modos é conseguida explorando as diferenças nas estruturas transversais dos modos competidores, investigando a geometria adequada para o tarugo central cônico, como também utilizando-se da seletividade ôhmica. Para modos cujas autofreqüências são próximas, pode-se fazer com que os fatores Qt associados a estes modos sejam significativamente diferentes para assegurar uma seleção efetiva de modos. Em um dos ressoadores estudos neste trabalho, a separação em freqüência entre o modo de interesse TE12,7, e o seu competidor mais próximo TE36,9.1 é de aproximadamente 0,1%, enquanto que a razão entre os fatores Qt correspondentes setá em torno de 3,0, fazendo com que este modo parasita não seja excitado. É realizado um estudo comparativo entre as correntes de partida para a cavidade vazia e coaxial. Este estudo indica que a cavidade coaxial é menos susceptível às oscilações parasitas do que a cavidade vazia. Também se discutem a implicações da geometria da cavidade no aquecimento de suas paredes devido ao efeito ôhmico. Derivam-se expressões analíticas para a corrente limite e para a redução na tensão de aceleração do feixe devido ao efeito de cargas espaciais, e utilizam-se tais resultados em feixes de elétrons de diversas características. Considerando o efeito de cargas espaciais, o ressoador coaxial mostra-se mais atrativo do que a cavidade vazia. Finalmente, considera-se o modelo autoconsistente do girotron para encontrar sua eficiência. As eficiências do girotron que utiliza cavidade coaxial são comparáveis às do girotron que utiliza cavidade vazia.

Este trabalho tem por objetivo projetar e otimizar conceitualmente uma fonte de íons do tipo Kaufman. Por ter uma larga aplicação no tratamento de superfície de materiais, esta fonte de íons é parte de um projeto de uma Estação Experimental para Processamento de Materiais para o Laboratório de Plasmas e Processos do ITA. Uma fonte de íons do tipo Kaufman pode ser dividida basicamente em duas partes: uma câmara de descarga onde um gás é ionizado pelo bombardeamento de elétrons emitidos por um catodo e grades para a extração e aceleração dos íons de maneira a produzir o feixe. Partindo da energia e da corrente do feixe de íons utilizando os códigos numéricos desenvolvidos no Laboratório Associado de Plasmas - LAP do Instituto Nacioanl de Pesquisas Espaciais - INPE. Com este estudo estabeleceram-se os potenciais qua devem ser aplicados nas grades de extração e aceleração de forma a produzir um feixe o mais colimado possível e com a energia e corrente requeridas. Destes códigos foram extraídos, também, os parâmetros de plasma, tais como, densidade eletrônica, corrente de descarga e taxa de fluxo de gás neutro. Estes perâmetros estabelecem, então, a meta para o estudo e projeto da câmara de ionização. Utilizando o código KARAT, o qual é baseado no método partícula-em-célula (PIC), foi projetada e otimizada a câmara de descarga. Foram estudados o comprimento da câmara, o tipo de catodo (com relação à emissão e geometria), o efeito sobre os elétrons primários da introdução de grades próximas ao catodo e às laterais da câmara e, por último, os tipos de configurações magnéticas com diferentes valores para se gerar um adequado confinamento magnético.

Este trabalho apresenta a construção e o desenvolvimento e a caracterização de um canhão de elétrons pulsado de alta intensidade baseado em um pseudospark (PS). O PS é um dispositivo capaz de controlar altas tensões e é embasado em uma descarga pulsada de catodo oco. Este dispositivo será parte integrante do sistema necessário para o emprego da técnica de Velocimetria por Fluorescência por Feixe de Elétrons (EBFV) em túneis de choque hipersônicos para medidas de velocidade e de densidade do escoamento hipersônico. Inicialmente, o PS foi concebido em uma configuração contendo doze eletrodos. Após alguns estudos, chegou-se a uma versão final de três eletrodos, resultando em uma simplificação do projeto e operacionalidade do canhão. O pseudospark de três eletrodos foi caracterizado por meio das curvas de tensão de ruptura em função da pressão (curva de Paschen) utilizando cinco gases (He, Ar, Ne, N2 e ar sintético). O PS investigado demonstrou ser uma promissora fonte de feixe de elétrons colimado com alto brilho e alta intensidade. A caracterização do feixe foi feita com o uso de dois transformadores de corrente e de fotos digitais. Foi constatado que o feixe gerado pode se propagar alguns centímetros sem o uso de lentes magnéticas. As análises ainda mostraram que a duração do pulso foi de cerca de 70 ns, que o diâmetro do feixe é de aproximadamente 5 mm e que sua densidade de corrente é de cerca de 407 A/cm. Foram obtidos os espectros de emissão dos gases acima citados excitados pelo feixe de elétrons em condições estáticas. No caso do nitrogênio, sua temperatura vibracional calculada pelo método de Boltzmann foi de aproximadamente 4200 K.

Desde o desenvolvimento de técnicas para controlar o movimento atômico usando a força de pressão de radiação, muitas aplicações tem sido sugeridas e implementadas. Entre estas, o aprisionamento atômico e o desenvolvimento de estruturas espaciais com átomos frios merece atenção especial devido à sua potencial aplicação em depósitos superficiais como litografia. Realizamos, neste trabalho, um estudo sobre feixes atômicos e sua desaceleração e compressão espacial. Realizamos também estudos numéricos sobre a formação de estruturas em anéis em feixes atômicos, verificando ser factível, e estudando também a compressão destas estruturas espaciais, com vistas a possíveis aplicações em nanolitografia atômica. / From the very beginning of the development of atomic motion control techniques using the radiation pressure force, a variety of applications have been suggested and implemented. Of all these, atomic trapping techniques and the development of spatial structures using cold atoms deserves special attention due to its potential application to surface deposition such as lithography. In the present work, we perform a study on atomic beams and their deceleration and spatial compression. We also perform numerical studies and present experimental observation of the realization of spatial ring structures in atomic beams, verifying its factibility, and we study the compression of such ring-shaped structures with application in atomic nanolithography as the ultimate goal.

Este trabalho estuda a demonstração de existência de uma teoria de cohomologia em estruturas o-minimais arbitrárias, conforme o trabalho de Edmundo, Jones e Peatfield. / This work studies the proof of the existence of sheaf cohomology theory in arbitrary o-minimal structures, following the work of Edmundo, Jones and Peatfield.

A Medida de Corrente Induzida por Feixe de Elétrons (EBIC - do inglês Electron Beam-induced Current ) é uma técnica focada nas propriedades de transporte dos portadores de carga minoritários em materiais semicondutores, permitindo a medição direta de propriedades elétricas tais como comprimento de difusão e vida média dos portadores, localização de defeitos e caracterização de zonas de depleção em junções p-n. O contraste EBIC depende da eficiência da coleção de corrente na amostra, permitindo assim a direta visualização de características eletricamente ativas. A avaliação da metodologia de medida EBIC foi realizada através da caracterização de amostras de silício tipo-p e tipo-n, e comparação dos resultados com dados da literatura. Uma vez que a profundidade de penetração do feixe de elétrons do MEV na amostra depende da tensão de aceleração utilizada, foram realizadas medidas EBIC com diferentes tensões de aceleração para avaliar a resolução em profundidade da posição de uma junção p-n formada em uma amostra de silício tipo n implantada com íons de Ga com energia de 5 keV.A medida EBIC na seção transversal de células solares é promissora para a caracterização destes dispositivos, considerando a habilidade da técnica de resolver espacialmente regiões menores do que o tamanho de grão típicos (em torno de 1 m), fornecendo informações que seriam inacessíveis através das técnicas usualmente empregadas, como luminescência e curvas I-V, cujos resultados constituem valores médios representativos de escalas maiores do que a da camada ativa das células. Embora imagens EBIC sejam comumente utilizadas para a análise de defeitos em células solares, poucos trabalhos aplicam a técnica para a caracterização de seções transversais de células solares, especialmente células de terceira geração sensibilizadas por corante (DSSC) do tipo estado sólido. A estabilidade dos dispositivos durante as medições foi verificada, apoiando a aplicação da técnica EBIC na caracterização desse tipo de DSSC. Foram analisadas células com diferentes estruturas e espessuras da camada ativa, e caracterizações complementares com as técnicas EDS e GID foram feitas. Observou-se também a possibilidade de utilização da técnica no controle de qualidade e avaliação dos métodos de produção das células. Diferentes métodos de deposição da camada intermediária na estrutura das DSSCs foram testados, de forma a melhorar a adesão insatisfatória desta camada. A técnica EBIC mostrou-se adequada para a distinção entre células com boa adesão desta camada e células com defeitos de construção, permitindo a introdução de melhorias significativas na fabricação destes dispositivos. / Electron Beam-induced Current (EBIC) measurement is a technique focused on minority carrier transport properties in semiconductor materials, allowing direct measurements of several electrical properties, such as diffusion lengths and lifetime of the carriers, location of defects and depletion zone characterization in p-n junctions. EBIC contrast depends on the current collection efficiency in the sample, thus permitting a direct visualization of electronically active features. The evaluation of the EBIC measuring methodology was performed by the characterization of p- and n-type silicon and the comparison with results from the literature. Since the penetration depth of the electron beam in a sample depends on its acceleration voltage, the EBIC signal was acquired for variable voltage in order to evaluate the depth-resolved location of the p-n junction formed in the n-type silicon implanted with gallium at 5 keV. Direct measurement of EBIC profiles in cross-sections of solar cells is a promising method for device characterization, considering its spatial resolution is smaller than the typical grain sizes (about 1 m), providing informations otherwise inaccessible by the usually employed techniques, such as luminescence and V-I curves, that yield results that represent mean values of scales larger than that of the cell’s active layer. Although the EBIC imaging method is commonly used for defect analysis of solar cells, very few works have applied the thechnique to 3rd. generation solid state dye sensitized solar cell (DSSC) cross-sections. The stability of the devices during the measurement was verified in this work, supporting the application of the EBIC technique for the characterization of this type of DSSCs. DSSCs with different structures and active layer thickness were analyzed, and complementary characterizations with EDS and GID techniques were performed. The applicability of the EBIC thecnique in device quality control, as well as production methods evaluation was observed. Different deposition methods of the intermediate layer of the DSSC structure were tested, in orde to improve the unsatisfactory adhesion of this layer. EBIC showed to be the adequate thechnique to differentiate between well adhered and poorly constructed DSSCs, allowing to introdenuce significant improvements in the device fabrication.

A partir de uma abordagem teórica e experimental, a perda de energia ou a força de freamento de íons individuais e dímeros atravessando um gás de elétrons livres (teoricamente) e um meio sólido (experimentalmente) e investigada cuidadosamente neste trabalho. Do ponto de vista teórico, a descrição da interação de íons com um gás de elétrons e feita em termos do potencial de espalhamento elétron- on. Os resultados mostram diferentes soluções para os potenciais auto-consistentes em baixas energias dos projéteis, as quais são relacionadas a diferentes graus de excitação da nuvem eletrônica em torno do projétil. Uma interpolação dinâmica do potencial de espalhamento V (r) e proposta e usada para calcular a força de freamento. Esses resultados estão em bom acordo com os cálculos de benchmark da TD-DFT, bem como com os dados experimentais. Experimentalmente, focamos nosso estudo na técnica de espalhamento de íon de energia média (MEIS) para a obtenção da perda de energia de íons de H+ e HeH+ em Al2O3. O objetivo dessa investigação e melhorar nosso entendimento do efeito de vizinhança negativo e positivo observado na perda de energia de íons moleculares. Em baixas energias, esse efeito de vizinhança e caracterizado por uma interferência negativa que e responsável pela menor perda de energia dos fragmentos dos íons moleculares quando comparada ao caso onde os fragmentos estão longe um do outro. Em altas energias o efeito se inverte. Motivados por uma descrição mais acurada desses efeitos, um novo modelo não linear foi desenvolvido através da generalização do modelo da abordagem da densidade induzida (IDA) para a interação de íons moleculares com um gás de elétrons livres, nomeadamente como IDA-Mol. Para o potencial de espalhamento dos dímeros e proposta uma correção para a carga de polarização em torno do on Z1 devido a vizinhan ca de um on Z2. A análise dos resultados obtidos a partir da IDA-Mol nos permitiu, pela primeira vez, explicar a origem do efeito de vizinhança negativo (baixas energias) e positivo (altas energias), bem como a transição abrupta observada entre os efeitos negativos e positivos do efeito de vizinhança na perda de energia. / From a theoretical and experimental approach, the energy loss or the stopping force of individual ions and dimers in a free electrons gas (FEG) (theoretically) and in a solid medium (experimentally) is carefully investigated in this work. From the theoretical point of view, the description of the interaction of ions with an electron gas is made in terms of the electron-ion scattering potential. The results show di erent solutions for the self-consistent potentials at low energies of the projectiles, which are related to di erent degrees of excitation of the electronic cloud around the projectile. A dynamic interpolation of the scattering potential V (r) is proposed and used to calculate the stopping force. These results are in good agreement with TD-DFT benchmark calculations, as well as with the experimental data. Experimentally, we focused our study on the medium energy ion scattering (MEIS) technique to obtain the energy loss of H+ ions and HeH+ dimers in Al2O3. The aim of this investigation is to improve our understanding of the negative and positive vicinage e ects observed in the energy loss of dimers. At low energies, this vicinage e ect is characterized by a negative interference that is responsible for the lower energy loss of the dimer fragments when compared to the case where the fragments are far from each other. At high energies the e ect is reversed. Motivated by a more accurate description of these e ects, a new nonlinear model was developed through the generalization of the induced density approach (IDA) model for the interaction of dimers with a free electron gas, namely IDA-Mol. For the scattering potential of the dimers a correction is proposed for the polarization charge around the ion Z1 due to the Z2 companion. The analysis of the results obtained from the IDA-Mol allowed us, for the rst time, to explain the origin of the negative (low energies) and positive (high energies) vicinage e ects, as well as the abrupt transition observed between the negative and positive e ects of the vicinage e ect in the energy loss.

Neste trabalho apresentamos resultados experimentais e teóricos do ruído de intensidade e de fase, e das correspondentes correlações, entre os campos de bombeio e sonda na transparência induzida eletromagneticamente. Experimentalmente, nessa condição, medimos excesso de ruído de intensidade em ambos feixes e correlação e anti-correlação de ruído de intensidade, mostrando claramente que elas dependem tanto da intensidade dos feixes, quanto da frequência de análise em que as medidas são realizadas. Utilizando uma varredura local do feixe sonda, observamos estruturas no espectro de ruído dos campos na transparência induzida e, a partir do ruído da soma e da diferença das intensidades dos feixes, vimos que nessa região há zonas com correlação e anti-correlação de intensidade, intercaladas. Estas estruturas dependem, novamente, da intensidade dos feixes e da frequência de análise. Ainda no campo experimental, com relação ao ruído de fase, medimos excesso de ruído nos nossos feixes e, pela primeira vez, medimos uma correlação desse ruído entre os feixes na condição de transparência induzida. Teoricamente, aprofundamos análises realizadas com um modelo em que átomos e campos são tratados quanticamente e, dadas as limitações constatadas, desenvolvemos um novo modelo semi-clássico. As novas previsões obtidas com esse modelo, em que os campos possuem fases difusivas, mostram um bom acordo qualitativo com os resultados experimentais. O excesso de ruído de intensidade dos feixes, observado na transparência induzida, se deve ao excesso de ruído de fase dos lasers, que é transferido ressonantemente pelos átomos para o ruído de intensidade. / In this work we present experimental and theoretical results of intensity and phase noise, and of the correspondent correlations, between pump and probe fields in electromagnetically induced transparency. Experimentally, in this condition, we measure intensity excess-noise in both beams as well as intensity correlations and anti-correlations, clearly showing that both are dependent on the fields intensities and on the analysis frequency. We also observed structures in the noise spectra of the fields in the induced transparency and that, in a single spectrum, there are zones with correlation and anti-correlation of intensity, interchanged. These structures are dependent, again, on the fields intensities and on the analysis frequency. We also measured excess phase noise in our beams and, for the first time, we measured a phase noise correlation between the beams in the condition of induced transparency. Theoretically, we further developed an analysis with a model in which the atoms and the fields are treated quantum-mechanically. Owing to limitations detected in the application of this model to our experimental situation, we developed a new semi-classical model, in which the fields present phase diffusion. The new predictions obtained show a good qualitative agreement with the experimental result features. The excess noise of intensity of the beams, in the electromagnetically induced transparency, is a result of the resonant transfer of the diode lasers excess phase noise into intensity noise by interaction with the atoms.

Materiais expostos à irradiação de nêutrons geralmente apresentam degradação em suas propriedades físicas. Este é um problema importante para a tecnologia de reatores nucleares, pois influencia na segurança operacional e na vida útil de componentes estruturais. As mudanças na microestrutura resultam dos deslocamentos atômicos e da incorporação de produtos de fissão, principalmente gases inertes, produzidos pela reação de nêutrons com elementos dos materiais estruturais do reator. Esse trabalho apresenta resultados de uma investigação dos efeitos da irradiação no crescimento de bolhas de argônio (Ar) e sua influência no desenvolvimento de transição de fases induzidas por irradiação. Foram utilizadas amostras de um aço inoxidável AISI 316L na condição solubilizada como material de estudo e feixes de íons energéticos para simular a irradiação de nêutrons e produtos gerados pela fissão nuclear. Esse método alternativo é vantajoso de duas formas: evita a ativação das amostras irradiadas e permite a acumulação em poucas horas de uma quantidade de danos que levaria anos para ser atingida em um reator nuclear. Lâminas finas de aço AISI 316L foram polidas mecanicamente e solubilizadas para relaxar o estresse mecânico causado pelo processo de polimento e solubilizar o conteúdo de carbono. Tais amostras foram implantadas com íons de Ar acelerados a diferentes energias, de modo a formar uma distribuição planar com a concentração, e novamente tratadas termicamente para formar nano-aglomerados contendo vacâncias e átomos de Ar (i.e. nano-bolhas). Conjuntos distintos de amostras (incluindo as amostras de controle sem Ar) foram então irradiadas a diferentes temperaturas (de 450 a 550°C) com íons de Au acelerados até 5 MeV e a uma fluência calculada para atingir um nível de danos de 20 e de 40 dpa na região contendo o Ar. As amostras foram então investigadas por microscopia eletrônica de transmissão (MET) usando a técnica de desbaste iônico para produzir amostras plan-view. Os resultados demonstram de maneira inédita que, nas condições de irradiação utilizadas, a precipitação de carbonetos de fases identificadas como MC e M23C6 ou M6C (sendo M um átomo metálico da liga) ocorre apenas nas amostras contendo Ar. Junto com as reações de precipitação, ocorre também o crescimento das bolhas de Ar, sendo que o tamanho dos precipitados e das bolhas depende tanto da temperatura como da dose de irradiação. O estudo deste fenômeno de precipitação abre novas perspectivas para a elucidação da formação de fases induzidas por irradiação, como discutido neste trabalho. / Materials exposed to neutron irradiation usually present degradation in their physical properties. This is an important problem for the nuclear reactors technology, because it has an influence over operational safety and lifetime of structural components. Microstructural changes result from atomic displacements and the incorporation of inert gases produced by reactions of neutrons with elements of structural materials of the reactor. This work reports results from an investigation of irradiation effects on the growth of argon (Ar) bubbles and their influence on the development of irradiation induced phase transitions. We use a stainless steel AISI 316L in a solution condition as a model case material and energetic ion beams to simulate the neutron irradiation and fission induced products. This alternative approach is advantageous in two ways: it avoids the activation of the irradiated samples and enables a damage accumulation in a matter of hours that would take many years to be reached in a nuclear reactor. Thin AISI 316L stainless steel foils were mechanically polished and thermally treated in order to relax the stress from the polishing process and solubilize all content of carbon. These samples were implanted with Ar ions accelerated at different energies in order to form a planar concentration distribution and then annealed again to form small nano-clusters containing vacancies and Ar atoms (i.e. nano-bubbles). Distinct sets of samples (including control ones without Ar) were then irradiated at several temperatures (from 450 to 550 °C) with Au ions accelerated at 5 MeV and to a fluence calculated to reach a damage level of 20 and 40 dpa at the region containing the Ar plateau. These samples were investigated by transmission electron microscopy using plan-view specimens prepared by ion milling. The results demonstrate, in an unprecedented way, with the irradiation conditions utilized, precipitation of a second phase, identified as MC and M23C6 or M6C carbides, takes place only in samples containing Ar. Along with the precipitation reactions, there are also Ar bubbles growing. The size of precipitates and bubbles depends on the sample temperature and irradiation dose. The study of this precipitation phenomenon open new perspectives to elucidate the formation of induced radiation phases, as discussed in this work.