Thesis (Ph. D.)--University of Texas at Austin, 2000. / Vita. Includes bibliographical references (leaves 125-159). Available also in a digital version from Dissertation Abstracts.

Finally, we also propose and demonstrate an integrated Mach-Zehnder optical diplexer (IMZOD) for possible use in an integrated silicon optical amplifier. The diplexer is based on two rnultimode interferometers (MMIs) and a Mach-Zehnder interferometer (MZI), and has potential use in an integrated silicon waveguide optical amplifier, to combine or separate the pump signal (1440nm) and probe signal (1556nm) for monolithic implementation of a silicon Raman amplifier. / Helium ion implantation can not only reduce the free-carrier loss, but can also enhance the detection responsivity of below-bandgap wavelengths (1440 1590 nm). We propose and demonstrate an in-line channel power monitor (ICPM) based on helium ion implanted silicon waveguides. The implanted waveguide can detect light at 1440 1590 nm which are normally not detectable by silicon. We study the enhanced photoresponse of helium ion implanted waveguide samples which were annealed at different temperatures and for different durations. / Recently there has been much interest in silicon optical amplifiers and lasers relying on stimulated Raman scattering (SRS), which, despite the much shorter waveguide lengths possible in silicon compared with silica optical fiber, can still provide large optical gain because of the large Raman coefficient of silicon and small mode field areas. However, two-photon absorption (TPA) generated free-carrier absorption (FCA) loss can exceed the Raman gain. In this thesis, experiments and theoretical model will he discussed and analyzed, showing that helium ion implantation can successfully reduce the optical losses due to free-carriers and allow net gain to be attained by continuous-wave (CW)-pumped SRS without requiring external bias to remove the photo-generated free carriers. The theoretical study of dynamics of free carrier lifetime of the silicon waveguides will be described. The effective nonlinear length of the silicon waveguides is defined and studied. The theoretical and experimental studies of the enhanced spectral broaden induced by self-phase-modulation (SPM) are carried out in helium on implanted silicon waveguides. / Silicon-on-insulator (SOI) wafers are an attractive platform for the fabrication of planar lightwave circuits (PLCs) because they offer the potential for low-cost fabrication using mature complementary metal--organic--semiconductor (CMOS) compatible processes developed in the microelectronics industry. At the wavelengths of interest for telecommunications, SOI waveguides can have low optical losses (0.1dB/cm). Besides, the strong optical confinement offered by the high index contrast between silicon (Si) (n=3.45) and silicon dioxide (SiO2) (n=1.45) makes it possible to scale photonic devices to sub-micron level. In addition, the high optical intensity arising from the strong optical confinement inside the waveguide makes it possible to observe nonlinear optical effects, such as Raman and Kerr effects, in chip-scale devices. / We then make use of the ICPM to perform a system application, called optical-burst-and-transient-equalizer (OBTE). The OBTE may provide a compact and low-cost solution to compensate gain-transient, gain-spectrum-tilt and to equalize the upstream packet amplitude in erbium doped fiber amplifier (EDFA) amplified hybrid dense-wavelength-division-multiplexed (DWDM) and time-division-multiplexed (TDM) passive-optical-networks (PONs). The OBTE may be monolithically integrated on SOI platform and is potentially low cost and compact. The OBTE can compensate complicated gain slope shape, which may be generated in cascaded EDFAs or deliberate channel add/drop, based on individual channel equalization. 15-dB receiver sensitivity improvement at 10 Gbit/s bit-error-rate (BER) measurements of 10-9 was achieved by the compensation. / Liu, Yang. / "August 2007." / Adviser: Hon Ki Tsang. / Source: Dissertation Abstracts International, Volume: 69-02, Section: B, page: 1212. / Thesis (Ph.D.)--Chinese University of Hong Kong, 2007. / Includes bibliographical references. / Electronic reproduction. Hong Kong : Chinese University of Hong Kong, [2012] System requirements: Adobe Acrobat Reader. Available via World Wide Web. / Electronic reproduction. [Ann Arbor, MI] : ProQuest Information and Learning, [200-] System requirements: Adobe Acrobat Reader. Available via World Wide Web. / Abstract in English and Chinese. / School code: 1307.

Das Hauptziel einer Strahlentherapie, die möglichst vollständige Vernichtung des Tumorgewebes bei einer höchstmöglichen Schonung des umliegenden Gewebes und der Risikoorgane, kann mit Kohlenstoffionen besser als mit Elektronen oder Gammastrahlung erreicht werden. Ionen haben ein inverses Tiefen-Dosisprofil, sie geben einen Großteil ihrer Energie am Ende ihres Weges durch Materie ab. Dieses Energieabgabeverhalten, die wohl definierte Reichweite und die erhöhte biologische Wirksamkeit im Tumor prädestinieren zum Beispiel Kohlenstoffionen für die Behandlung inoperabler, gegen konventionell eingesetzte Strahlung resistenter Tumoren. Allerdings führen diese Eigenschaften der Strahlung auch dazu, dass Veränderungen der Dichte der Materie im Strahlweg zu einer Verschiebung des Maximums der Energieabgabe und damit zu einer deutlichen Veränderung der Dosisverteilung führen. Ein Monitoring der reichweitesensitiven Ionenbestrahlungen ist somit erforderlich. Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET), die normalerweise dazu benutzt wird, die Verteilung eines injizierten Positronenemitters im Gewebe zu bestimmen, kann hier eingesetzt werden. Durch Kernreaktionen der einfliegenden Kohlenstoffionen mit Atomkernen des Gewebes kommt es zur Erzeugung von Positronenemittern, die über ihren Zerfall mit dem an der experimentellen Therapieanlage an der Gesellschaft für Schwerionenforschung installierten in-beam PET-Scanner nachgewiesen werden können. Da die Dosisverteilung und die erzeugte Aktivitätsverteilung durch verschiedene physikalische Prozesse bedingt sind, ist ein direkter Vergleich der PET-Messung mit der von den Ärzten und Medizinphysikern festgelegten Dosisverteilung nicht möglich. Aus der Dosisverteilung und dem Zeit-ablauf der Bestrahlung wird eine Vorhersage der Aktivitätsverteilung berechnet, die dann mit der Messung verglichen wird. Auf der Grundlage dieses Vergleiches ist die in-beam PET-Methode in der Lage, während der Behandlung Reichweiteabweichungen im Patienten, Ungenauigkeiten in der Positionierung und auch Fehler im physikalischen Strahlmodell aufzuzeigen. Trotz einer guten Anpassung der in der Vorausberechnung verwendeten physikalischen Modelle an die Realität kommt es zu Abweichungen, die nicht mit einer ungenauen Dosisapplikation begründbar sind. Diese sind zum größten Teil durch die metabolischen Vorgänge im Patienten bedingt, an denen die Positronenemitter teilnehmen. Diese Washout-Prozesse sind zwischen verschiedenen Patienten und verschiedenen Behandlungstagen nicht reproduzierbar. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine Quantifizierung des Washouts in Abhängigkeit verschiedener Parameter vorgenommen, deren Berücksichtigung zur Verbesserung der Vorausberechnung führt. Um eine flexiblere Positionierung des Patienten am raumfesten Bestrahlungssystem der GSI zu ermöglichen, wurde an der GSI ein Bestrahlungsstuhl entwickelt. Um auch bei der Bestrahlung sitzender Patienten eine in-beam PET-Messung zu ermöglichen, sind die beiden Detektor-Einheiten der PET-Kamera um die Strahlachse drehbar. Durch die hohe Eigenmasse der Detektoren kommt es jedoch zu Deformationen der idealen Kreisbahn. Um eine ortsgenaue Rekonstruktion der Daten zu ermöglichen, müssen diese Deformationen quantifiziert und korrigiert werden. Dies war ein weiteres Anliegen dieser Arbeit. Das wichtigste Ziel der vorliegenden Dissertation jedoch war, die in-beam PET-Methode auf neue Ionensorten zu erweitern. Es wurde gezeigt, dass die in-beam PET-Methode auch für 3He-Bestrahlungen angewendet werden kann. Dafür wurden Experimente an einem 3He-Strahl durchgeführt. Die Aktivitätsausbeute ist bei gleicher applizierter Dosis etwa dreimal so hoch wie bei 12C-Bestrahlungen. Die erreichbare Reichweite-Auflösung ist kleiner als 1 mm. Bei der Bestrahlung eines inhomogenen Phantoms wurde gezeigt, dass ein Kontrast zwischen verschiedenen Materialien auflösbar ist. Aus den experimentell bestimmten Reaktionsraten wurden Wirkungsquerschnitte für zu Positronenemittern führende Reaktionen abgeschätzt. Die in den 3He-Experimenten genommenen Daten wurden denen in Kohlenstoff-Ionen-Experimenten gewonnen sowie Literaturdaten für Protonenbestrahlungen gegenübergestellt. Ein Vergleich mit den Rechnungen des Simulationsprogrammes Shield-Hit erfolgte. Eine Zusammenstellung von Wirkungsquerschnittsmodellen und die aufgestellten Anforderungen an ein für in-beam PET verwendbares Simulationsprogramm sind vorbereitend für weitere Arbeiten.

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The problem with which this investigation is concerned is that of measuring the rate coefficients for termolecular charge transfer reactions of He2+ in atmospheric pressure afterglows with the minority reacting species. Of particular interest was the discovery that the presence of a third body can change an improbable charge transfer reaction involving He+2 into a very probable one, as in the case of the reaction with argon. For example, in Tables II and II it was shown that less than a 300 torr pressure of helium was required to double the effective rate of reaction of argon with He2+ while over 3000 torr was required for CH4. The sensitivity of the method has been sufficient to detect termolecular components as small as 2 x 10-30 cm /sec and values were found to range widely from 2 x 10 for Ne to 67 x 10-30 cm6/sec for CO2. The size of these termolecular rates not only served to explain specific anomalous efficiencies of the charge transfer process observed in atmospheric pressure lasers but also suggested the general importance of three-body ion-molecule reactions in higher pressure plasmas.

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A minimum-norm method has been developed for solving the coupled integro-differential equations describing the scattering of positrons by one-electron targets in which the rearrangement channels for positronium formation have been explicitly included. The minimum-norm method, applied to this application for the first time in this thesis, is an enhancement of a previously reported least-squares method which has enabled the extension to a significantly larger basis consisting of up to 26 states on the direct centre, including pseudostates, and 3 states on the positronium. The method has been applied here to e+-H and e+-He+ scattering; cross-sections have been produced for the latter over a range of energies up to 250 eV. The basis was found to be large enough to produce smooth cross sections and little evidence of pseudoresonance structure was found. The results are the first converged cross sections to be calculated for e+-He+ scattering using the coupled channel approximation. Results for e+-H scattering compare well with the work of other authors. A highly efficient parallel code was developed for solving the largest coupling cases. The results prove the minimum-norm approach to be an accurate and reliable method for large-scale coupled channel calculations involving rearrangement collisions. Also in this thesis, the capture of slow antiprotons by atomic hydrogen and positronium has been simulated by the Classical Trajectory Monte Carlo (CTMC) method. Statistically accurate cross sections for protonium and antihydrogen formation have been obtained and the energy dependence of the process established. Antihydrogen formation from antiproton collisions with positronium in the presence of a laser has also been simulated with the CTMC method and the effects of laser polarisation, frequency and intensity studied. Enhancements of the antihydrogen formation cross section were observed and it is suggested that more sophisticated calculations should be undertaken

Incident ¹H⁺ and ⁴He⁺ ions at 0.3-2.6 MeV and ¹⁹F^q⁺ ions at 25, 27 and 35 MeV were used to study the M-shell x-ray production cross sections of Au, Pb, Bi and U. For the incident fluorine ions, projectile charge state dependence of the cross sections were extracted from measurements made with varying target thicknesses ( ~1 to ~300 μg/cm²). The efficiency of the Si(Li) detector was determined by measuring the K-shell x-ray production of various low Z elements and comparing these values to the prediction of the CPSS theory. The experimental results are compared to the prediction of first Born approximation for direct ionization to the continuum and to the OBK of Nikolaev for the electron capture to the K-, L-, M-...shells of the incident ion. Comparison is also made with the ECPSSR theory that accounts for the energy loss, Coulomb deflection, and relativistic effects in the perturbed stationary state theory.

Das Hauptziel einer Strahlentherapie, die möglichst vollständige Vernichtung des Tumorgewebes bei einer höchstmöglichen Schonung des umliegenden Gewebes und der Risikoorgane, kann mit Kohlenstoffionen besser als mit Elektronen oder Gammastrahlung erreicht werden. Ionen haben ein inverses Tiefen-Dosisprofil, sie geben einen Großteil ihrer Energie am Ende ihres Weges durch Materie ab. Dieses Energieabgabeverhalten, die wohl definierte Reichweite und die erhöhte biologische Wirksamkeit im Tumor prädestinieren zum Beispiel Kohlenstoffionen für die Behandlung inoperabler, gegen konventionell eingesetzte Strahlung resistenter Tumoren. Allerdings führen diese Eigenschaften der Strahlung auch dazu, dass Veränderungen der Dichte der Materie im Strahlweg zu einer Verschiebung des Maximums der Energieabgabe und damit zu einer deutlichen Veränderung der Dosisverteilung führen. Ein Monitoring der reichweitesensitiven Ionenbestrahlungen ist somit erforderlich. Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET), die normalerweise dazu benutzt wird, die Verteilung eines injizierten Positronenemitters im Gewebe zu bestimmen, kann hier eingesetzt werden. Durch Kernreaktionen der einfliegenden Kohlenstoffionen mit Atomkernen des Gewebes kommt es zur Erzeugung von Positronenemittern, die über ihren Zerfall mit dem an der experimentellen Therapieanlage an der Gesellschaft für Schwerionenforschung installierten in-beam PET-Scanner nachgewiesen werden können. Da die Dosisverteilung und die erzeugte Aktivitätsverteilung durch verschiedene physikalische Prozesse bedingt sind, ist ein direkter Vergleich der PET-Messung mit der von den Ärzten und Medizinphysikern festgelegten Dosisverteilung nicht möglich. Aus der Dosisverteilung und dem Zeit-ablauf der Bestrahlung wird eine Vorhersage der Aktivitätsverteilung berechnet, die dann mit der Messung verglichen wird. Auf der Grundlage dieses Vergleiches ist die in-beam PET-Methode in der Lage, während der Behandlung Reichweiteabweichungen im Patienten, Ungenauigkeiten in der Positionierung und auch Fehler im physikalischen Strahlmodell aufzuzeigen. Trotz einer guten Anpassung der in der Vorausberechnung verwendeten physikalischen Modelle an die Realität kommt es zu Abweichungen, die nicht mit einer ungenauen Dosisapplikation begründbar sind. Diese sind zum größten Teil durch die metabolischen Vorgänge im Patienten bedingt, an denen die Positronenemitter teilnehmen. Diese Washout-Prozesse sind zwischen verschiedenen Patienten und verschiedenen Behandlungstagen nicht reproduzierbar. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine Quantifizierung des Washouts in Abhängigkeit verschiedener Parameter vorgenommen, deren Berücksichtigung zur Verbesserung der Vorausberechnung führt. Um eine flexiblere Positionierung des Patienten am raumfesten Bestrahlungssystem der GSI zu ermöglichen, wurde an der GSI ein Bestrahlungsstuhl entwickelt. Um auch bei der Bestrahlung sitzender Patienten eine in-beam PET-Messung zu ermöglichen, sind die beiden Detektor-Einheiten der PET-Kamera um die Strahlachse drehbar. Durch die hohe Eigenmasse der Detektoren kommt es jedoch zu Deformationen der idealen Kreisbahn. Um eine ortsgenaue Rekonstruktion der Daten zu ermöglichen, müssen diese Deformationen quantifiziert und korrigiert werden. Dies war ein weiteres Anliegen dieser Arbeit. Das wichtigste Ziel der vorliegenden Dissertation jedoch war, die in-beam PET-Methode auf neue Ionensorten zu erweitern. Es wurde gezeigt, dass die in-beam PET-Methode auch für 3He-Bestrahlungen angewendet werden kann. Dafür wurden Experimente an einem 3He-Strahl durchgeführt. Die Aktivitätsausbeute ist bei gleicher applizierter Dosis etwa dreimal so hoch wie bei 12C-Bestrahlungen. Die erreichbare Reichweite-Auflösung ist kleiner als 1 mm. Bei der Bestrahlung eines inhomogenen Phantoms wurde gezeigt, dass ein Kontrast zwischen verschiedenen Materialien auflösbar ist. Aus den experimentell bestimmten Reaktionsraten wurden Wirkungsquerschnitte für zu Positronenemittern führende Reaktionen abgeschätzt. Die in den 3He-Experimenten genommenen Daten wurden denen in Kohlenstoff-Ionen-Experimenten gewonnen sowie Literaturdaten für Protonenbestrahlungen gegenübergestellt. Ein Vergleich mit den Rechnungen des Simulationsprogrammes Shield-Hit erfolgte. Eine Zusammenstellung von Wirkungsquerschnittsmodellen und die aufgestellten Anforderungen an ein für in-beam PET verwendbares Simulationsprogramm sind vorbereitend für weitere Arbeiten.