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Die Schwerpunkte dieser Arbeit sind elektrische, stationäre und zeitaufgelöste Transportmessungen an EuB6 sowie die Weiterentwicklung von Messmethoden und Analyseverfahren der Fluktuationsspektroskopie. Durch die Verwendung von
modernen Computern und Datenerfassungskarten konnten die Messmethoden effektiver eingesetzt werden.
Die ersten beiden Kapitel stellen die Grundlagen dar, die für diese Arbeit von Bedeutung sind. Der erste Teil dieser Arbeit wurde der Weiterentwicklung der bereits bekannten Messmethoden unter Verwendung einer schnellen Datenerfassungskarte gewidmet. Im Gegensatz zur Verwendung eines Signalanalysators bietet die Karte die Möglichkeit, auf die Rohdaten im Zeitraum zuzugreifen und sie anschließend mit einer selbst programmierten Software auszuwerten. Die technischen Methoden und der Aufbau der Software wurden in den Kapiteln 3 und 4 vorgestellt. Durch das Ersetzen des Signalanalysators kann bis zu 50% der Messzeit eingespart werden.
Durch die Code-Erweiterung kann bereits nach zwei hintereinander gemessenen Spektren vorläufig bei tiefen Frequenzen ausgewertet und somit frühzeitig entschieden werden, ob eine längere Messzeit aussichtsreich ist. Außerdem wird durch Verwendung der Code-Erweiterung eine sehr viel höhere Spektrendichte (Anzahl von Messpunkten) erreicht. Da im Gegensatz zum Signalanalysator alle gemessenen Spektren gespeichert werden, können in jeder Messung die Spektren auf ihre Korrelation (Korrelationskoeffizient und Zweites Spektrum) hin untersucht werden, ohne zusätzliche Messzeit zu benötigen.
Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit den elektrischen Transporteigenschaften von EuB6 und dem Verständnis der Kopplung zwischen Ladungs- und magnetischen Freiheitsgraden. Mittels Widerstands- und nichtlinearer Transportmessungen sowie Fluktuationsspektroskopie wurden Hypothesen von anderen Wissenschaftlern systematisch verifiziert, sowie neue, weiterführende Erkenntnisse gewonnen.
Direkte experimentelle Hinweise für die Phasenseparation sowie das Auftreten von Perkolation aus Transportmessungen fehlten bisher. In dieser Arbeit wurden daher systematisch die elektrischen Transportseigenschaften des Systems in Abhängigkeit von der Temperatur und vom Magnetfeld untersucht. Mittels Fluktuationsspektroskopie konnte erstmals ein direkter Hinweis auf perkolatives Verhalten in den Transporteigenschaften beobachtet werden. Ein starkes nichtlineares Transportsignal (dritter harmonischer Widerstand, DHW) im Bereich von TMI und TC ist eine Signatur einer räumlich inhomogenen Stromverteilung auf der Mikroskala und ein weiterer deutlicher Hinweis auf magnetisch induzierte elektronische Phasenseparation. Insbesondere tritt nichtlinearer Transport bei H = 0 im FM Bereich auf und kann im PM-Bereich bei T > TMI durch externe Magnetfelder induziert werden.
Das Ziel dieser Masterarbeit ist die Auslegung des Kickers für den Bunch-Kompressor des FRANZ-Projektes. Anhand eines Modells wurden die verschiedenen Möglichkeiten der Einkopplung sowie das Feld zwischen den Kondensatorplatten bereits untersucht. In der vorliegenden Arbeit wird der Kicker mit Hilfe des Programms CST Microwave Studio erstellt und optimiert, sodass er nach Abschluss der Untersuchungen in die Fertigung gehen kann. Dabei ist der erste Schwerpunkt der Untersuchungen die Auslegung und Optimierung der Kondensatorplatten, die für die Auslenkung der Mikro-Bunche im FRANZ-Projekt verantwortlich sind. Zu Beginn der Masterarbeit gab es gezielte Winkelverteilungen, die der Kicker im Rahmen des FRANZ-Projektes erreichen sollte. Nachdem ein Erreichen dieser Werte nur bedingt möglich war, wurden verschiedene Abschnitte des FRANZ-Projektes neu überdacht und die Anforderungen an den Kicker änderten sich dadurch grundlegend. Aus diesem Grund wurde der Kicker zu Beginn der Arbeit für eine Frequenz von 5 MHz ausgelegt, wohingegen er im Rahmen der neuen Anforderungen für eine Resonanzfrequenz von 2,57 MHz ausgelegt wurde. Die Untersuchung der optimalen Resonanzfrequenz für die Anforderungen des Kickers stellt den zweiten Schwerpunkt dieser Arbeit dar.
Ziel der nuklearen Astrophysik ist es, die solare Häufigkeitsverteilung der Elemente zu erklären (siehe Seite 10, Abb. 1.1). Die Elemente bis zur Eisengruppe sind dabei unmittelbar nach dem Urknall und während verschiedener Brennphasen in Sternen durch Kernfusion entstanden. Da die Bindungsenergie pro Nukleon der Elemente in der Eisengruppe am höchsten ist, ist für den Aufbau schwererer Elemente keine Energiegewinnung durch Fusion geladener Teilchen mehr möglich und Neutroneneinfänge und Betazerfälle spielen die entscheidende Rolle für die Nukleosynthese. In Abhängigkeit von der Neutronendichte und der Temperatur wird dabei zwischen dem langsamen Neutroneneinfangprozess, dem s-Prozess, und dem schnellen Neutroneneinfangprozess, dem r-Prozess, unterschieden. Während der r-Prozess weit abseits der stabilen Isotope an der Neutronenabbruchkante statt findet, verläuft der Reaktionspfad des s-Prozesses entlang der stabilen Isotope am "Tal der Stabilität".
Nach dem einführenden Theorieteil werden in den darauffolgenden Kapiteln zuerst die Auslegung und die Vermessung der drei Tripletts an der GSI in Darmstadt beschrieben und dann versucht mit Hilfe von LORASR einen Akzeptanzrahmen der MEBT-Sektion (Medium Energy Beam Transport) für ein Teilchenpaket anzugeben. Anschließend werden die Ergebnisse aus Feldvermessung und CST EM STUDIO Feldsimulationen verglichen. Damit soll die Frage, inwieweit es mit Particle Tracking Simulationen, in denen mit in CST EM STUDIO simulierten und anschließend in BENDER importierten Feldern gearbeitet wird, möglich ist, zutreffende Aussagen zu machen, beantwortet werden. Im letzten Kapitel werden wiederum die Ergebnisse dieser Simulationen präsentiert und ihre Bedeutung, im Vergleich mit den erweiterten Untersuchungen der Transporteigenschaften durch verschiedene aus überlagerten Multipolfeldern generierten Magnetfelder, eingeordnet. Abschließend wird nochmals ein Fazit zur Aussagekraft der Ergebnisse und der Folgen für den Strahltransport gezogen und ein Ausblick auf die noch ausstehenden Schritte und weitere experimentelle Analyseoptionen gegeben.
Als es in den 1920er und 1930er Jahren zur Entdeckung des expandierenden Raums, gemessen über die kosmologische Rotverschiebung, kommt, wird daraus erstmals die Idee eines kleinsten Ursprungspunkts zu Beginn der Zeit postuliert. Es dauerte jedoch weitere 30 Jahre, bis das Konzept des „Big Bang“ als Ursprungsmodell veröffentlicht wurde [Lum07]. Seitdem untersuchen Wissenschaftler fortschreitend die Theorie des Big Bang. Der Zustand der Materie zum Zeitpunkt Null ist nach wie vor ungeklärt, ab ca. 10 exp (-44) Sekunden nach dem Urknall wird in der Theorie des Big Bang davon ausgegangen, dass sich die Materie im Zustand des Quark-Gluon-Plasmas befand. Zunächst galt es eine experimentelle Bestätigung für die generelle Existenz eines solchen Zustands zu finden. Die experimentelle Suche nach dem Quark-Gluon-Plasma im Labor begann vor fast 30 Jahren am Bevalac in Berkley [Gus84], dort konnte bei Niobium-Kollisionen kollektiver Fluss beobachtet werden. Zehn Jahre später begannen die Messungen des Schwerionen-Forschungsprogramms am CERN1. Im Jahr 1994 wurden dort die ersten Schwerionenkollisionen durchgeführt, von denen man sich erhoffte, dass sie zu einer kurzzeitigen Erzeugung des Quark-Gluon-Plasmas führen. Im Jahr 2000 gab es dann eine zusammenfassende Pressemitteilung des CERN, in der die Messungen eines neuartigen Materiezustands beschrieben wurden [CER00]. Weitere fünf Jahre später wurde ein Bericht der bis dahin erreichten Ergebnisse der vier Quark-Gluon-Plasma Experimente am Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) des Brookhaven National Labratory veröffentlicht [BNL05]. Dabei konnten einige Ergebnisse aus den Messungen am CERN bestätigt werden, andere hingegen nicht. Die Annahme, das Quark-Gluon-Plasma verhalte sich wie ein Gas, musste beispielsweise nach den Messungen am RHIC verworfen werden. Diese zeigen, dass das Verhalten des Quark-Gluon-Plasma eher dem von Flüssigkeiten ähnelt [BNL05].
Seit den ersten Schritten zur Untersuchung des Quark-Gluon-Plasma am CERN, in denen vor allem die Messung der Existenz des Quark-Gluon-Plasmas an sich im Vordergrund stand, soll der Phasenübergang nun quantitativ untersucht werden. Dazu werden Dichte und Temperatur der betrachteten Materie variiert und die vorhandene Zustandsphase gemessen. Eines dieser Experimente soll das Compressed Baryonic Matter (CBM) Experiment werden. Das Ziel des Experiments ist die Untersuchung von Materie bei sehr hohen Dichten, aber im Vergleich zu anderen aktuellen Experimenten relativ niedrigen Temperaturen. Im Jahr 2009 wurde der erste Spatenstich auf dem Gelände der Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt für den Bau der Facility for Antiproton and Proton Research (FAIR) getätigt. Mit Hilfe der FAIR-Beschleuniger soll dann das CBM Experiment das Quark-Gluon-Plasma bei hohen Materiedichten mit bisher nicht erreichter Statistik untersuchen können. Jedoch gerade das Erreichen solch hoher Ereignisraten stellt nicht nur eine zentrale Herausforderung an die Beschleuniger dar, sondern auch an die messenden Detektoren. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines Transition Radiation Detektors für das CBM Experiment.
Nach einer kurzen Einführung in die generelle Untersuchung des Quark-Gluon-Plasmas folgt die Beschreibung des geplanten Aufbaus des CBM Experiments mit dessen Subsystemen. Danach wird die theoretische und praktische Funktionsweise eines Transition-Radiation Detektors (TRD) erklärt, um darauf aufbauend die Charakterisierung und Signalanalyse der entwickelten TRD-Prototypen darzustellen. Abschließend werden die Ergebnisse in Bezug auf den für das CBM Experiment zu entwickelnden Detektor diskutiert.
Bei der Ionenstrahltherapie bestimmt die Energie der Ionen die Eindringtiefe in das Gewebe und damit die Lage des Braggpeaks, in dem der größte Teil der Ionisationsenergie deponiert wird.
Um die gewünschte Dosis möglichst genau im Tumor zu lokalisieren, müssen in den aufeinanderfolgenden Extraktionen die gewünschten unterschiedlichen Energien möglichst genau sein.
In der Beschleunigungsphase werden die Magnetfelder der Magnete im Synchrotron bis zum vorgegebenen Exktraktionswert hochgefahren. Dieser bestimmt zusammen mit der Synchrotronfrequenz die Strahlenergie. Während und insbesondere am Ende dieser Phase, Rampe genannt, sollte das Magnetfeld daher sehr genau dem berechneten Sollwert folgen, um Strahlverluste zu minimieren und die geforderte Strahlqualität zu erreichen.
In der zeitlichen Steuerung der Magnetströme müssen magnetische Effekte, die hauptsächlich im Eisen der Magnete auftreten, wie Wirbelströme und die Hysterese berücksichtigt werden, da sie das Feld verfälschen und damit den Strahl in unerwünschter Weise beeinflussen. Die während der Rampe entstehenden Wirbelströme stören das Magnetfeld, so dass bisher vor der Extraktion des Strahls eine Wartezeit eingeführt wurde, bis die Wirbelströme abgeklungen waren.
Bei beliebig wählbaren Abfolgen der vordefinierten Zyklen kommt es durch die Hysterese des Eisens zu unterschiedlichen Remanenzfeldern, die das Magnetfeld verändern. Um dem vorzubeugen, durchliefen die Magnete eine vordefinierte Hystereseschleife. Ist die geforderte Energie des Strahls erreicht, wird das Magnetfeld konstant gehalten und die Teilchen aus dem Synchrotron extrahiert. Der Rest der Hystereseschleife wurde am Ende des Zyklus durchlaufen.
Die im Rahmen dieser Dissertation entwickelte dynamische Magnetfeldregelung misst das integrale Magnetfeld sehr genau und korrigiert die Feldfehler. Das integrale Magnetfeld folgt damit jederzeit seiner Vorgabe, unabhängig von den dynamischen Störeffekten. Die Wirbelströme und die Hysterese sind zwar immer noch vorhanden, die dadurch verursachten Feldfehler können aber durch eine Rückkopplung auf den Strom des Magneten korrigiert werden.
Es werden verschiedene Verfahren zur Messung der Magnetfelder untersucht. Am besten eignet sich für die dynamische Magnetfeldregelung die Kombination aus einer Hallsonden- und einer Induktionsspulenmessung. Die Messung muss das integrale Magnetfeld des Magneten BL, also das gesamte Feld entlang des Strahlwegs, bestimmen. Die Induktionsspule, oder Pickupspule, liegt deshalb entlang des Strahlrohrs im Magneten und liefert eine Spannung in Abhängigkeit von der Änderung des magnetischen Flusses. Durch die Integration dieser Spannung erhält man das integrale Feld des Magneten. Die Messung wird mit einer Hallsondenmessung zu Beginn des Beschleunigerzyklus auf einen absoluten Messwert geeicht.
Der Hauptteil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung des sogenannten HIT Integrators, der die Integration der Pickupspulenspannung übernimmt. Bisher verfügbare Integratoren konnten die notwendigen Anforderungen an Genauigkeit, Echtzeitfähigkeit, automatische Kalibrierung, ständige Messbereitschaft, Temperaturunabhängigkeit und hohe Verfügbarkeit nicht erfüllen. Der neu entwickelte HIT Integrator wurde diesen Anforderungen entsprechend entwickelt. Der Integrator mit dem neuartigen Konzept der gleichzeitigen Messung und Kalibrierung in Echtzeit ist als Patent angemeldet worden. Neben der Entwicklung und Verwirklichung des Gesamtkonzepts war die numerische Integration des stark verrauschten Pickupspulensignals und die sofortige Umsetzung des integralen Werts in ein Steuersignal für die Dipolmagnetstromgeräte eine besondere technische Herausforderung.
Die elektronischen Schaltungen für die dynamische Magnetfeldregelung sind in der Baugruppe des HIT Integrators zusammengefasst. Die Ansteuerung der Hallsonde mit einer temperaturkompensierten Stromquelle, der Signalaufbereitung und Analog-Digital-Wandlung, sowie der Integrator und der Regler bilden eine technische Einheit.
Der HIT Integrator ist speziell für den Einsatz im bestehenden Beschleunigerkontrollsystem und den Magnetnetzgeräten entwickelt worden.
Die Regler der Magnetnetzgeräte wurden so verändert, dass sie einen Zusatzsollwert verarbeiten können, der auf den berechneten Sollwert der Datenversorgung addiert wird.
Die Magnetfeldregelung wurde in den Therapiebeschleuniger integriert, dazu wurde die Datenversorgung und das Kontrollsystem angepasst. Die Magnetfeldregelung stellt ein neues Gerät im Beschleuniger dar, das in die Netzgeräte der Synchrotronmagnete eingebaut worden ist. Die Datenversorgung dieser Geräte beinhaltet u.a. eine neue Methode der Kalibrierung.
Es konnte durch Messungen gezeigt werden, dass die Magnetfeldregelung mit hoher Genauigkeit funktioniert. Es wird eine Genauigkeit von besser als 10^{-4} des maximalen Feldes von 1.5 T erreicht, also weniger als 150uT, der dreifachen Stärke des Erdmagnetfelds. Vor allem die Bestrahlungszeit mit Protonen und die Bestrahlung bei niedrigen Energien profitiert von der Magnetfeldregelung, da hier das Extraktionsniveau der Magnete relativ gering ist und das Durchlaufen der vordefinierten Hystereseschleife prozentual mehr Zeit im Zyklus in Anspruch nimmt. Durch den Wegfall dieser Phase wird daher pro Zyklus mehr Zeit eingespart. Die Messungen zeigen, dass im Beschleunigerzyklus trotz der fehlenden Wartezeiten, die bis zu 24% betragen, eine gleichbleibend gute Strahlqualität erreicht wird. Dies wurde mit Vergleichsmessungen gezeigt, bei denen der Strahl mit und ohne Feldregelung vermessen wurde. Untersucht wurde eine große Stichprobenmenge aus dem Parameterraum, gegeben durch zwei Ionensorten mit jeweils 255 Strahlenergien, 10 verschiedenen Teilchenraten und 4 Strahlbreiten. Außerdem wurde die Energie des Strahls nachgemessen.
Für die Einführung in den Therapiebetrieb musste eine Impactanalyse gemacht werden, die mögliche Auswirkungen des neuen Verfahrens behandelt. Das Risiko für Patienten, Mitarbeiter und Dritte darf durch die Magnetfeldregelung nicht erhöht werden. Daraus entstand auch die Forderung nach einem redundanten System, das Fehler erkennt und die Bestrahlung abbricht.
Die mittlere Leistungsaufnahme des Beschleunigers des Heidelberger Ionenstrahltherapiezentrums liegt bei etwa 1 MW, bei einem Jahresenergieverbrauch von 8 GWh mit Kosten von etwa 1 Million Euro. Dies entspricht einer deutschen Kleinstadt mit 10000 Einwohnern. Die Verkürzung der Zykluszeiten wirkt sich direkt auf die Bestrahlungszeit und auf die Energiekosten aus. Würde man die Anlage durch die Zeiteinsparungen kürzer betreiben, würde man etwa 2 GWh pro Jahr sparen, was die Stromkosten um etwa 250000 Euro reduziert.
Zusätzlich zu den eingesparten Kosten wird auch die Bestrahlungszeit kürzer und damit auch die Zeit, die der Patient bei der Behandlung fixiert wird. Die Behandlung für die Patienten wird angenehmer. Man kann aber auch durch die eingesparte Bestrahlungszeit pro Patient entsprechend mehr Patienten behandeln. Das heißt man kann an Stelle von 700 Patienten im Jahr 910 Patienten mit einem Tumor behandeln. Dieser für die Patienten willkommene Effekt bedeutet auf der anderen Seite für HIT aber auch Mehreinnahmen von 4.2 Millionen Euro im Jahr.
Das Konzept der Magnetfeldregelung kann auch an anderen Beschleunigeranlagen zum Einsatz kommen. Dazu müssen die Magnete mit den Sonden bestückt werden und die Magnetnetzgeräte einen Eingang für einen Zusatzsollwert bekommen. Das Beschleunigerkontrollsystem kann erweitert werden, damit es einen Sollwert mit allen notwendigen Kalibrierungen berechnen kann. Der HIT Integrator wird dann als eigenständiges Gerät in das Kontrollsystem eingebunden.
Seit den 20er Jahren werden Teilchen durch verschiedenste Methoden beschleunigt und wechselwirken unter Laborbedingungen mit anderen Teilchen. Hierbei spielt die Erzeugung neuer meist sehr kurzlebiger Teilchen eine wichtige Rolle. Die Untersuchung dieser Streuexperimente ist eine der wichtigsten Methoden der Elementarteilchen-, Kern- und Astrophysik. So steht bei den heutigen Kernphysik-Experimenten immer mehr die Astrophysik im Vordergrund. Die offenen kosmischen Fragen nach dem Ursprung und der Entwicklung des Universums drängen nach Antworten. Seit die Menschen bewusst denken können, gibt es diese Neugier zu erfahren woraus das Universum besteht. Unser Bild des Universums wurde durch neue Erkenntnisse alleine in den letzten 30 Jahren mehrmals radikal verändert.
Besonders die Vielzahl und Häufigkeit der heute zu findenden Elemente wollen erklärt werden. Da nach heutigen Kenntnissen davon ausgegangen wird, dass kurz nach dem Urknall lediglich die leichten Elemente Wasserstoff, Helium und Lithium vorhanden waren. Hier versucht die aktuelle Forschung anzusetzen. Das Konzept der sogenannten „Nukleosynthese“ ist entwickelt worden und versucht das Entstehen aller schwereren Elemente zu erklären. So geht man heute davon aus, dass sich die weiteren Elemente bis hin zu Eisen durch Kernfusions-Prozesse innerhalb der verschiedenen Brennphasen von Sternen entwickelt haben - während alle schwereren Elemente durch neutronen-induzierte Prozesse entstanden sind. Die beiden großen Neutronenprozesse sind der r-Prozess (rapid neutron-capture process) und der s-Prozess (slow neutron-capture process). Während der r-Prozess wahrscheinlich in hochexplosiven Szenarien, wie den Supernovae, stattfindet, spielt sich der s-Prozess meist innerhalb Roter Riesen ab [Rei06].
Um diese Theorien zu belegen und zu unterstützen, ist es nötig diverse kernphysikalische Experimente auf der Erde durchzuführen. Hier versucht man den Bedingungen in den Sternen nahe zu kommen. Es werden hohe Energien und hohe Neutronenflüsse benötigt um schwerere Elemente durch Neutroneneinfangs- und Fusionsprozesse zu erzeugen. Ziel Motivation Einleitung ist es unter anderem nukleare Wirkungsquerschnitte diverser Reaktionen experimentell nachzuweisen und auf die Sternmodelle umzurechnen.
Die Schwierigkeit liegt hier nicht nur in der Erzeugung und Erhaltung dieser hohen Raten, sondern vielmehr auch in der Detektion der entstandenen Fragmente und Teilchen. Da diese Teilchen und subatomaren Partikel nur eine jeweils sehr kurze Lebensdauer besitzen, ist es eine große Herausforderung möglichst effiziente und effektive Detektoren zu entwickeln. Damit diese Detektoren in den jeweiligen Experimenten dann möglichst optimal arbeiten und die gewünschten Auflösungen liefern, ist es nötig gute Kalibrierungsmöglichkeiten im Voraus auszunutzen.