Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / With bombings in the United States on the rise for the first time since 2016, the detection and identification of explosives remains of pertinent interest to law enforcement agencies. This work presents two soon-to-be published research articles that focus on the detection and identification of explosives by both chemical instrumentation and canines. The first article, Quantitative Analysis of Smokeless Powder Particles in Post-Blast Debris via Gas Chromatography/Vacuum Ultraviolet Spectroscopy (GC/VUV), utilizes gas chromatography/vacuum ultraviolet spectroscopy (GC/VUV) to determine the difference in chemical composition of two smokeless powders in both pre- and post-blast conditions. The compounds of interest in this study were nitroglycerin, 2,4- dinitrotoluene, diphenylamine, ethyl centralite, and di-n-butyl phthalate. Concentration changes between pre- and post-blast smokeless powder particles were determined as well as microscopic differences between pre- and post-blast debris for both smokeless powders in all devices. To our knowledge, this is the first use of GC/VUV for the quantification of explosives. The second article, An Odor-Permeable Membrane Device for the Storage of Canine Training Aids, proposes the use of an odor-permeable membrane device (OPMD) as a standardized storage method for canine training aids. It is hypothesized that the OPMD would minimize cross-contamination between training aids, and that the OPMD could be used for canine training as well as storage. The goal of this research is to use flux and evaporation rate to quantify the explosive odor that escapes from the OPMD compared to unconfined explosives. Preliminary data suggests that there is an exponential relationship between relative boiling point and evaporation rate. It has been determined that compounds with higher boiling points have lower evaporation rates than compounds that have lower boiling points. The materials studied thus far are known odor compounds produced by explosive formulations. These include nitromethane, nitroethane, 1- nitropropane, r-limonene, and toluene.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / In forensic chemistry, a quicker and more accurate analysis of a sample is always being pursued. Speedy analyses allow the analyst to provide quick turn-around times and potentially decrease back-logs that are known to be a problem in the field. Accurate analyses are paramount with the futures and lives of the accused potentially on the line. One of the most common methods of analysis in forensic chemistry laboratories is gas chromatography, chosen for the relative speed and efficiency afforded by this method. Two major routes were attempted to further improve on gas chromatography applications in forensic chemistry. The first route was to decrease separation times for analysis of ignitable liquid residues by using micro-bore wall coated open-tubular columns. Micro-bore columns are much shorter and have higher separation efficiencies than the standard columns used in forensic chemistry, allowing for faster analysis times while maintaining the expected peak separation. Typical separation times for fire debris samples are between thirty minutes and one hour, the micro-bore columns were able to achieve equivalent performance in three minutes. The reduction in analysis time was demonstrated by analysis of ignitable liquid residues from simulated fire debris exemplars. The second route looked at a relatively new detector for gas chromatography known as a vacuum ultraviolet (VUV) spectrophotometer. The VUV detector uses traditional UV and far-ultraviolet light to probe the pi and sigma bonds of the gas phase analytes as well as Rydberg traditions to produce spectra that are nearly unique to a compound. Thus far, the only spectra that were not discernable were from enantiomers, otherwise even diastereomers have been differentiated. The specificity attained with the VUV detector has achieved differentiation of compounds that mass spectrometry, the most common detection method for chromatography in forensic chemistry labs, has difficulty distinguishing. This specificity has been demonstrated herein by analyzing various classes of drugs of abuse and applicability to “real world” samples has been demonstrated by analysis of de-identified seized samples.

<p>Analysis of explosives (intact and post-blast) is of interest to the forensic science community to qualitatively identify the explosive(s) in an improvised explosive device (IED). This requires high sensitivity, selectivity, and specificity. Forensic science laboratories typically utilize visual/microscopic exams, spectroscopic analysis (e.g., Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR)) and gas chromatography/mass spectrometry (GC/MS) for explosive analysis/identification. However, GC/MS has limitations for explosive analysis due to difficulty differentiating between structural isomers (e.g., 2,4-dinitrotoluene, 2,5-dinitrotoluene and 2,6-dinitrotoluene) and thermally labile compounds (e.g., ethylene glycol dinitrate (EGDN), nitroglycerine (NG) and pentaerythritol tetranitrate (PETN)) due to mass spectra with very similar fragmentation patterns. </p><p>The development of a benchtop vacuum ultraviolet spectrometer coupled to a gas chromatography (GC/VUV) was developed in 2014 with a wavelength region of 120 nm to 430 nm. GC/VUV can overcome limitations in differentiating explosive compounds that produces similar mass spectra. This work encompasses analysis of explosive compounds via GC/VUV to establish the sensitivity, selectivity, and specificity for the potential application for forensic explosive analysis. Nitrate ester and nitramine explosive compounds thermally decompose in the VUV flow cell resulting in higher specificity due to fine structure in the VUV spectra. These fine structures originate as vibronic and Rydberg transitions in the small decomposition compounds (nitric oxide, carbon monoxide, formaldehyde, water, and oxygen) and were analyzed computationally. The thermal decomposition process was further investigated for the determination of decomposition temperatures for the nitrate ester and nitramine compounds which range between 244 ºC and 277 ºC. Nitrated compounds were extensively investigated to understand the absorption characteristics of the nitro functional group in the VUV region. The nitro absorption maximum appeared over a wide range (170 - 270 nm) with the wavelength and intensity being highly dependent upon the structure of the rest of the molecule. Finally, the GC/VUV system was optimized for post-blast debris analysis. Parameters optimized include the final temperature of a ramped multimode inlet program (200 ºC), GC carrier gas flow rate (1.9 mL/min), and VUV make-up gas pressure (0.00 psi). The transfer line/flow cell temperature was determined not to be statistically significant.</p><br>

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第23897号 / 工博第4984号 / 新制||工||1778(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科材料工学専攻 / (主査)教授 杉村 博之, 教授 山田 啓文, 教授 邑瀬 邦明 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

Ce travail a pour motivation de fournir des données expérimentales importantes pour l'interprétation de la chimie des ionosphère planétaires, en particulier pour le plus grand satellite de Saturne, Titan. On s'intéresse spécifiquement à la réactivité des espèces ioniques excitées. Cette thèse porte, d'une part, sur des expériences de préparation des cations (CH3+ et CF3+) sélectionnés en énergie interne par photoionisation VUV d'espèces neutres, et d'autre part, sur des réactions de cations sélectionnés en énergie interne avec des molécules, O+ avec CH4 et N+(3P) avec C3H4, C3H6 et C3H8.L'étude de la préparation des cations CH3+ et CF3+ sélectionnés dans des niveaux vibrationnels a été réalisée par la technique de coïncidence TPEPICO et du rayonnement VUV synchrotron à SOLEIL. Un spectromètre de type PFI-ZEKE qui permet d'atteindre une résolution de 0.84 cm-1 a été construit pour la réalisation d'études complémentaires avec le rayonnement laser VUV du Centre Laser de l'Université Paris Sud (CLUPS), à Orsay en France.Les expériences pour la détermination de l'influence de l'excitation du cation O+ (2S,2D,2P) sur sa réactivité avec le méthane ont été réalisées par les techniques de coïncidence TPEPICO et de guides d'ions. Elles ont été réalisées sur la ligne de rayonnement VUV DESIRS du synchrotron SOLEIL. Les études pour déterminer la constante de vitesse et les rapports de branchement entre produits des réactions de N+(3P) avec C3H4, C3H6 et C3H8 ont été réalisées par l'utilisation de la technique SIFT sur un montage de type commercial de petite taille à l'Institut de Physico-Chimie J. Heyrovský à Prague, en République Tchèque. / This work has the motivation to provide experimental data relevant to the interpretation of the chemistry of planetary ionospheres, particularly for the largest satellite of Saturn, Titan. Here we have a particular interest in studying the reactivity of excited ionic species. The first part of this work concerns the production of CH3+ and CF3+ state selected cations by VUV photoionization of neutral species and the second part, the reactions of state selected cations with molecules: O+ with methane and N+(3P) with C3H4, C3H6 and C3H8.The study of the preparation of the CH3+ and CF3+ cations in selected vibrational levels was performed by using the TPEPICO coincidence technique and VUV radiation at the french synchrotron, SOLEIL. A PFI-ZEKE spectrometer, that allowed us to obtain a resolution down to 0.84 cm-1, was constructed to conduct additional studies involving laser VUV radiation at the Laser Center of the University Paris Sud XI, at Orsay in France.Experiments to determine the influence of the O+ (2S,2D,2P) cation excitation on its reaction with methane were performed using the TPEPICO coincidence and the guide ion beam technique. These experiments were performed on the VUV DESIRS beamline at the synchrotron SOLEIL. Rate constants and products branching ratio for the reacion of N+(3P) with C3H4, C3H6 and C3H8 were measured with the SIFT technique in a small commercial apparatus at the Institute of Physical Chemistry J. Heyrovský in Prague, Czech Republic. / Este trabalho tem como motivação fornecer dados experimentais importantes para a interpretação da química de ionosferas planetárias, em particular para o maior Satélite de Saturno, Titan. Aqui temos o interesse específico pelo estudo de reatividades de espécies iônicas excitadas. Uma parte deste trabalho consistiu de experiências de preparação de cátions (CH3+ e CF3+) selecionados em energia interna via a fotoionização VUV de espécies neutras e de reações de cátions selecionados em massa e energia interna com moléculas (O+ com metano e N+(3P) com C3H4, C3H6 e C3H8).O estudo de preparação dos cátions CH3+ e CF3+ selecionados energia interna (vibracional) foi realizado pela utilização da técnica de coincidência TPEPICO com a radiação VUV do síncrotron SOLEIL. Um espectrômetro do tipo PFI-ZEKE que nos permite obter uma resolução de até 0.84 cm-1 foi construído para a realização de estudos complementares envolvendo a radiação VUV laser do Centro de Laser da Universidade Paris Sud XI, em Orsay na França.Experiências para determinar a influência da excitação do cátion O+ (2S,2D,2P) na produção de íons devido a sua reação com o metano foram realizadas com a utilização da técnica de coincidência TPEPICO e da técnica de guia de íons. Estes experimentos foram realizados na linha de radiação VUV DESIRS do síncrotron SOLEIL. Estudos de determinação de constantes de velocidade e dos produtos formados da reação N+(3P) com C3H4, C3H6 e C3H8 foram realizados a partir da utilização da técnica SIFT em uma montagem do tipo comercial de pequeno porte no Instituto de Físico-Química J. Heyrovský em Praga, na República Checa.

Cette thèse présente les résultats de travaux de recherches menés sur les décharges luminescentes pulsées de néon xénon destinées à être utilisées en remplacement des décharges gaz rares-mercure pour les applications d'enseignes lumineuses publicitaires ou architecturales. Les enseignes lumineuses sont formées par des tubes fluorescents à cathodes froides fonctionnant à haute tension. Ceci les distingue notamment des tubes fluorescents pour l'éclairage général qui fonctionnent avec le même type de mélange mais à basse tension avec des cathodes chaudes préchauffées. Ces recherches ont bénéficié d'un partenariat GREMI-ADEME-Région Centre- Aupem Sefli, et sont motivées par la volonté de proposer une technologie sans mercure, qui est un élément toxique pour l'environnement et qui nécessite la mise en place de filières de récupération et de valorisation lourdes. On s'est attaché à vérifier et préciser certains mécanismes fondamentaux de la décharge. Ces travaux ont aussi permis de dégager des conditions permettant d'optimiser les caractéristiques des enseignes néon-xénon en terme de flux lumineux, d'efficacité énergétique, et de durée de vie. A l'issue de cette thèse, la durée de vie et l'efficacité des tubes fluorescents à cathodes froides basés sur une décharge pulsée de néon xénon les placent entre les lampes à incandescence et les tubes fluorescents au mercure. Des pistes existent pour poursuivre l'amélioration de l'efficacité lumineuse.

Aujourd'hui, les Lasers à Electrons Libres (LELs) en simple passage permettent d'étudier la structure de la matière dans le domaine de la femtoseconde. Cependant, le rayonnement produit, l'émission spontanée auto-amplifiée (SASE), bien que hautement brillante, possède une cohérence longitudinale partielle ; les profils temporel et spectral sont composés d'une série de pics, appelés « spikes », et présentent d'importantes fluctuations statistiques. Nous démontrons ici la forte amplification cohérente de la 5ème harmonique d'un laser Ti: Sa (800 nm, 10 Hz, 100 fs) générée dans une cellule de gaz, i.e. 160 nm, puis injectée dans un LEL. Ce phénomène spectaculaire s'accompagne de la génération d'Harmoniques Non Linéaires LELs (HNL) intenses et cohérentes à 54 nm et 32 nm. L'expérience a été réalisée sur le prototype de l'accélérateur SCSS (source SASE compacte de SPring-8, Japon). Cette installation est principalement constituée d'un canon à électrons à cathode thermo-ionique, d'un LINAC et d'un onduleur sous vide (2 sections de 4,5 m de long), au niveau duquel la source externe harmonique est superposée transversalement, spectralement et temporellement avec le faisceau d'électrons (150 MeV, 10 Hz, 1 ps). Avec une seule section d'onduleur, le rayonnement à 160 nm en mode injecté atteint une intensité de trois ordres de grandeur supérieure à celle obtenue sans injection, et présente une distribution spectrale quasi-Gaussienne. De plus, la longueur de saturation du LEL est deux fois plus courte. Vu le faible niveau d'injection requis, une telle amplification couplée à des schémas HNL permettrait de générer des rayonnements X-mous totalement cohérents jusqu'à la « fenêtre de l'eau ».

Ce travail est consacré à l'étude d'une technique originale basée sur l'ablation laser du mercure liquide dans le but d'augmenter l'efficacité de conversion d'une source VUV cohérente à 125 nm. Ce rayonnement est obtenu par somme de fréquences résonnante à deux photons (6s 1S0 -> 7s 1S0) dans une vapeur de mercure à température ambiante. Les paramètres expérimentaux tels que la géométrie de la plume d'ablation, l'énergie des faisceaux fondamentaux, la densité d'énergie du laser d'ablation et la pression d'un gaz neutre (ici l'argon qui permet de confiner la plume) ont été optimisées et ont amené une amplification d'un ordre de grandeur (jusqu'à deux ordres de grandeur pour des intensités réduites) soit une énergie de 250 nJ. Afin de mieux comprendre les phénomènes physiques mis en jeu, une caractérisation complète de la plume a été menée grâce à des expériences d'imagerie et de spectroscopie résolues en temps. La luminescence propre de la plume ainsi que la fluorescence induite par l'absorption de deux photons (sur la raie 6s 1S0 -> 7s 1S0) nous ont permis de connaître la composition de la plume, d'estimer sa température, les vitesses des différentes espèces et la densité d'atomes à l'état fondamental. Un étalonnage réalisé à partir du signal de somme de fréquences a permis d'obtenir une cartographie du nombre absolu d'atomes de mercure dans l'état fondamental. Nous avons également montré que la manipulation du faisceau VUV est rendue plus simple dans une boîte à gants (ici remplie d'argon) que dans le vide. Une structure périodique, de 100 µm de pas, a été réalisée par lithographie sur du PMMA et des premiers pas vers la lithographie par interférométrie ont été franchis.

Cette thèse présente l'étude de dynamique à l'échelle femtoseconde de systèmes atomiques et moléculaires. Dans une première partie nous décrivons l'oscillation d'un paquet d'onde dans un doublet de structure fine de l'atome de potassium, observée expérimentalement. Cette oscillation est reliée à la précession du spin autour du moment angulaire total. Nous montrons théoriquement comment mettre à profit cette oscillation pour produire des électrons polarisés en spin. En ionisant ce même atome par deux impulsions ultracourtes séparées en temps, deux paquets d'électrons libres sont émis. Nous montrons qu'il est possible de les faire interférer. L'étude expérimentale, par la technique pompe-sonde, de l'excitation d'un système à deux niveaux dans l'atome de rubidium par une impulsion à dérive de fréquence nous a permis d'observer en temps réel le transfert de population de l'état fondamental vers l'état excité. Ce transfert s'accompagne de transitoires cohérents résultant d'interférences entre les amplitudes de probabilité transférées au passage et après le passage par la résonance. Dans une seconde partie, nous nous intéressons à la prédissociation d'états très excités de l'acétylène, de durées de vie très courtes (~100 fs). Nous avons dans un premier temps réalisé des expériences en régime nanoseconde REMPI (3+1). Les signatures des spectres de photoélectrons correspondant aux différents états permettent de mettre en évidence le mélange des caractères Rydberg-Valence dans cette gamme d'énergie. La dynamique de ces états est observée en fonction du délai entre des impulsions ultracourtes pompe VUV (132 nm) et sonde UV (396 nm) en collectant le signal d'ion et/ou le spectre de photoélectrons. Nous montrons par ces résultats que la détermination des durées de vie doit passer par une analyse des signaux pompe-sonde tenant compte des caractéristiques des impulsions laser.

A comprehensive investigation was reported into the synthesis, characterization and photoluminescence properties of calcium metaniobates and associated alkali earth alloy systems. Previous studies have shown that calcium metaniobate exhibits a strong self-activated blue luminescence at room temperature in stark contrast to the pyroniobates which are known to exhibit a temperature dependent luminescence that quenches above 100 K. The mechanism of this behavior has been studied by measuring the spectral characteristics of the photoluminescence and photoluminescence excitation spectra on the crystalline and morphological properties of the powders as determined from x-ray diffraction and scanning electron microscopy. By correlating the synthesis parameters with the physical, chemical and optical properties of calcium metaniobate, the optimum conditions for efficient blue-visible emission and chemical stability under vacuum ultraviolate (VUV) radiation has been determined. These materials have the potential to replace Barium Magnesium Aluminate, which is currently used as the blue phosphor in plasma displays.