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Wir haben uns mit der Leitfähigkeitsdynamik von Barium-Natrium-Niobat-Kristallen (BSN-Kristallen) auseinandergesetzt und haben verschiedene Untersuchungen zum Themenkreis Lyapunov-Exponenten anhand von experimentellen BSN-Zeitreihen durchgeführt. Als einen typischen größten Lyapunov-Exponenten von chaotischen BSN-Zuständen erhalten wir Werte in der Größenordnung von 0.1 / s. Der Maximalwert entspricht ca. 3.5 bits pro Attraktorumlauf. Wir beobachten für die Mehrzahl der chaotische BSN-Zustände entlang der unersuchten Ruelle-Takens-Newhouse-Route (RTN-Route) zwei positive Lyapunov-Exponenten mit einem schmalen Übergangsbereich in dem wir nur einen positiven Lyapunov-Exponenten erkennen. Diesen Befund interpretieren wir als eine kompleer werdende Dynamik mit wachsender Stromstärke durch den Kristall, die wir auch durch eine kompliziertere Attraktorstruktur der BSN-Zustände entlang der RTN-Route ins Chaos bestätigen können. Die Abschätzung von Lyapunov-Exponenten der BSN-Zustände entlang der RTN-Route bestätigen die meisten der Ergebnisse, die wir bisher mit anderen Verfahren erhalten haben. Die Kolmogorov-Entropie K1 die wir mit Gleichung (5) aus den positiven Lyapunov-Exponenten bestimmen, ist allerdings um etwa einen Faktor vier kleiner als Abschätzungen der Entropie K2, die sich aus Korrelationsbetrachtungen in vorangegangenen Untersuchungen ergeben haben. Durch die Untersuchungen zu lokalisierten Lyapunov-Exponenten erhalten wir eine detailliertere Beschreibung der BSN-Dynamik im rekonstruierten Ersatz-Phasenraum. Wir erkennen an verschiedenen Beispielen, daß die Attraktoren von BSN-Zuständen entlang der RTN-Route durch mindestens einen markanten Bereich mit großen positiven lokalisierten Lyapunov-Exponeten ausgezeichnet sind. Bezüglich der Variation der Attraktoren entlang der RTN-Route beobachten wir, wie sich bevorzugt diese Bereiche in ihrer Form verändern. Die chaotischen Zustände sind durch eine Attraktorregion ausgezeichnet, die einen sichtbar größeren lokalisierten Lyapunov-Exponenten besitzt, als die restlichen Gebiete. Wir führen diese Beobachtung auf das lokale Aufbrechen eines 2-Frequenz-Torus zurück und können diese Vermutung durch Untersuchungen zu einem chaotischen Zustand aus der RTN-Route belegen. Die Simulationsergebnisse zur BSN-Modellgleichung zeigen, daß die Gleichung innerhalb der untersuchten Parameterbereiche kein chaotisches Verhalten generiert. Die aus experimentellen Daten angepaßten Parametervektoren ->k deuten darauf hin, daß die Lösungen periodische Inseln in einer Fixpunktlandschaft darstellen. Mit den entwickelten Methoden zur Bestimmung von Lyapunov-Exponenten aus Delay-Differentialgleichungen stellen wir die Grundlage bereit, um zukünftige Untersuchungen an gekoppelten Modellgleichungen durchführen zu können.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Prototyp einer Spurendriftkammer mit Mikrostreifenauslese, wie sie als hochauflösende Spurendetektoren in der Kern- und Teilchenphysik zum Einsatz kommen sollen, konstruiert und getestet. Besonderes Augenmerk lag hierbei auf der Signalform und -verteilung, sowie auf dem Langzeitverhalten. Für die verschiedenen Messungen dieser Arbeit wurden die Mikrostreifen-Gasdetektoren in ein Edelstahlrohr eingebaut, das mit einem Vakuumpumpen-System verbunden ist. Durch Evakuieren der Meßapparatur und anschließendes Befüllen mit Zählgas konnten die Detektoren nach kurzer Zeit mit nur geringen Verunreinigungen des Zählgases durch Wasser und Sauerstoff betrieben werden. Als Substrat wurde das Glas S 8900 von Schott verwendet, dessen Leitfähigkeit von rho 1.1 * 10 exp 11 Omega cm durch Elektronenleitung erzeugt wird. Es wurden Mikrostreifen-Platten mit zwei verschiedenen Strukturen untersucht, die sich in der Form der Kathode voneinander unterscheiden. Die Mikrostreifen-Platten haben eine sensitive Fläche von 30 X 40 mm*mm die Breite der Anodenstreifen beträgt 8 mikrometer bei einem Abstand von 1 mm zwischen den Mittellinien von je zwei Anoden. Die Kathoden der Struktur ILL6c bestehen aus einem durchgehenden 400 mikrometer breiten Streifen. Die Kathoden der Struktur ILL6a sind in zwei 8 mikrometer breite Streifen unterteilt, wobei die Gesamtbreite der Kathoden beider Strukturen gleich ist. Die Kopplung des Anodensignals auf die rückseitigen Kathodensegmente (Pads) ist bei der Struktur ILL6a durch die geöffneten Kathoden im Vergleich zur Struktur ILL6c doppelt so groß (51.6% bei einer Glasdicke von 0.45 mm bzw. 31.3% bei 1 mm und 16.9% bei 2 mm. Mit einer gamma-Quelle 55-Fe wurden Untersuchungen von Alterungseffekten durchgeführt, in deren Verlauf an den Anoden eine Ladung von 46 mikroC/cm pro Tag aufgenommen wurde. Simultan wurde ein Draht-Proportionalzähler mit geringerer Rate zur Überwachung der Gasqualität betrieben und damit die Amplitude der Mikrostreifen-Gasdetektoren korrigiert. Die Mikrostreifen-Gasdetektoren konnten bis zu einer Ladung von 125 mikroC/cm in Ar/CH4 bzw. 200 mikroC/cm in Ar/CO2 (90:10) mit einer Energieauflösung von <= 25% (55Fe-Quelle, FWHM) und geringer Variation der Verstärkung betrieben werden. Zur Messung der Breite Theta0 der Kathoden-Ansprech-Funktion (Pad-Response-Funktion) dienten Elektronenspuren, die mit Hilfe einer stark kollimierten Beta-Quelle (90Sr) erzeugt wurden. Die Spuren wurden durch einen 50 cm langen Feldkäfig, der wie die Feldkäfige der NA49-Spurendriftkammern aus aluminisierten Mylarstreifen aufgebaut ist, zur Ausleseebene gedriftet. Auf der Rückseite der Mikrostreifen-Platten befinden sich 1 mm breite Pads mit einem Abstand von 0.5 mm in zwei verschiedenen Anordnungen (isoliert oder mit der Glasrückseite verbunden). Diese Messungen wurden mit verschiedenen Glasdicken durchgeführt: Glasdicke 0.45 mm: theta-0 = 0.51 - 0.94 mm, Glasdicke 1 mm: theta-0 = 0.91 - 1.1 mm, Glasdicke 2 mm: theta-0 = 1.4 mm. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, daß es mit Hilfe der Mikrostreifentechnologie möglich ist, Spurendriftkammern mit einer kleineren Breite theta 0 der Pad-Response-Funktion zu konstruieren, als es mit konventionellen Draht-Ausleseebenen großflächig machbar wäre. Dadurch kann insbesondere die Zweispurauflösung verbessert werden.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein Spracherkennungssystem realisiert, das sowohl phonembasierte als auch wortbasierte Modelle zur sprecherunabhängigen Schlüsselworterkennung im Kontext fließender Sprache verwenden kann. Das System erlaubt dabei die Wahl zwischen zwei grundlegend verschiedenen Verfahren: Entweder kann die Bewertung von Äußerungen durch Schlüsselwortmodelle mit gewählten Schwellenwerten verglichen werden, wobei eine Schwellenwertüberschreitung die Erkennung eines Schlüsselwortes signalisiert, oder es werden beliebige Phonemfolgen als Füllmodelle verwendet, die mit den Schlüsselwortmodellen konkurrieren. Der Schlüsselworterkenner kann sowohl zur 1-Schlüsselwort- Erkennung, bei der vorausgesetzt wird, dass sich in jeder Äußerung exakt ein Schlüsselwort befindet, als auch zur n-Schlüsselwort-Erkennung verwendet werden, bei der sich eine beliebige Anzahl Schlüsselwörter in jeder Äußerung befinden kann. Durch eine effiziente Implementation wurde die Fähigkeit zur Echtzeitverarbeitung auf verfügbaren Arbeitsplatzrechnern erreicht.....
Untersuchungen des elektrischen und magnetischen Feldes in den NA49-TPCs mit Hilfe von Laserspuren
(1997)
Das Experiment NA49 am Europäischen Zentrum für Teilchenphysik (CERN) in Genf dient der Erforschung von relativistischen Schwerionenkollisionen. Dieses Feld der Kernphysik hatte seine Anfänge erst in den 70er Jahren am BEVALAC in Berkeley und untersucht zur Zeit Schwerionenstöße von einigen hundert MeV/Nukleon bis 200 GeV/Nukleon. Nach den heuteüblichen Experimenten mit festem Target sollen in der Zukunft Colliderexperimente mit Schwerionen neue Energiebereiche erschließen. Während die Experimente dadurch erleichtert werden, daß sie zumeist auf bestehende Beschleunigeranlagen aus der Hochenergiephysik zurückgreifen können, ist die theoretische Beschreibung relativistischer Schwerionenstöße ausgesprochen problematisch. Vom Verständnis dieser Reaktionsmechanismen erhoff t man sich aber einen Zugang zur starken Wechselwirkung bei niedrigen Impulsüberträgen, insbesondere in ausgedehnten Systemen.
Mit zunehmender Automatisierung - sowohl der industriellen Herstellungsverfahren, als auch ihrer Produkte - hat die Regelungstechnik stark an Bedeutung gewonnen. Das Prinzip der Regelung jedoch ist schon lange bekannt. Erste Anwendungen finden sich bereits in der Antike (230 v.Chr. Philon von Byzanz, Schwimmerregelung für Öllampen). Das wohl prominenteste Beispiel ist der Drehzahlregler für Dampfmaschinen, den James Watt 1788 konstruierte. Eine Theorie des Regelkreises wurde dagegen erst Ende des letzten Jahrhunderts entwickelt. Damit war der Weg für den verbreiteten Einsatz von Regelungstechnik geebnet. Aber ihre Bedeutung geht über die rein technischen Prozesse hinaus, indem sich die Theorie der Regelkreise auch zur Untersuchung nichttechnischer zum Beispiel biologischer oder gesellschaftlicher Prozesse anwenden läßt. Viele dieser Prozesse laufen nach dem Prinzip der Regelung ab, denn sie werden auch bei Wirkung äußerer Störungen aufrechterhalten. In diesen Bereichen wird allgemeiner von Kybernetik gesprochen [Steinbuch]. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wird eine Einführung in die Regelungstechnik gegeben. Daran schließen sich im zweiten Teil Untersuchungen zur Magnetschwebekugel an. Diese theoretischen Betrachtungen sollen als Grundlage für den Aufbau eines Experiments zur Magnetschwebekugel dienen, das im Rahmen des Physikalischen Praktikums für Fortgeschrittene des Instituts für Angewandte Physik an der Universität Frankfurt geplant ist. Anhand einer von einem Elektromagneten in der Schwebe gehaltenen Kugel werden sich die Teilnehmer und Teilnehmerinnen mit den Prinzipien der Regelungstechnik vertraut machen können. Dieser Versuch ist in zweierlei Hinsicht interessant. Das System Elektromagnet - Kugel ist ohne Regelung nicht stabil, das heißt die Kugel kann nicht an einem beliebigen Ort unterhalb des Magneten fixiert werden. Dies entspricht auch der Erfahrung. Um so erstaunlicher ist es, wenn der Versuch zu einer Stabilisierung führt. Die verwendeten Methoden entstammen vollständig der Theorie der linearen Regelungen, sodaß der Versuch als elementare Einführung in die Regelungstechnik verstanden werden kann.
Untersuchungen von evolutionären Algorithmen zum Training neuronaler Netze in der Sprachverarbeitung
(1997)
Im Rahmen der vorliegenden Diplomarbeit wurde die Leistungsfähigkeit von evolutionären Algorithmen zum Training von RNN untersucht und mit gradientenbasierten Trainingsalgorithmen verglichen. Die Zielsetzung war dabei im besonderen die Prüfung der Verwendbarkeit in der Sprachverarbeitung, speziell der Spracherkennung. Zunächst wurde anhand eines Prädiktionsproblems die prinzipielle Leistungsfähigkeit von EA untersucht, indem ein MLP mit unterschiedlichen evolutionären Algorithmen trainiert wurde. Verschiedene Varianten von GA und ES sind an diesem Beispiel getestet und miteinander verglichen worden. Im Rahmen der Untersuchungen an GA stellte sich heraus, daß eine Mindestgenauigkeit der Quantisierung zur Lösung erforderlich ist. Es zeigt sich, daß die Genauigkeit der Approximation mit abnehmendem Quantisierungsfehler besser wird. Damit ist eine Behandlung dieses Problems mit grob quantisierten Gewichten nachteilig. Demgegenüber profitiert ES sowohl in der Approximationsgenauigkeit, als auch in der Konvergenzgeschwindigkeit von der direkten Darstellung der Objektvariablen als reelle Zahlen. Weiterhin zeigte sich bei ES, daß die Genauigkeit einer Lösung auch von der Populationsgröße abhängig ist, da mit wachsender Populationsgröße der Parameterraum besser abgetastet werden kann. Im Vergleich mit ES benötigten GA längere Konvergenzzeiten und bedingten zudem aufgrund der Codierung und Decodierung einen höheren Rechenaufwand als ES, so daß die Untersuchungen an RNN nur mit ES durchgeführt wurden. Zunächst wurde mit dem Latching-Problem eine, in der Komplexität eng begrenzte, Klassifikationsaufgabe mit Zeitabhängigkeiten untersucht. Die zur Verfügung gestellte Information war bei diesem Beispiel sehr gering, da der Fehler nur am Ende einer Mustersequenz berechnet wurde. Es stellte sich heraus, daß selbst bei dieser sehr einfachen Aufgabenstellung die gradientenbasierten Verfahren nach dem Überschreiten einer maximalen Mustersequenzlänge T keine Lösung finden konnten. Im Gegensatz dazu war ES in der Lage, das Problem für alle gemessenen Variationen des Parameters T zu lösen. Erst wenn während des Trainings dem Gradientenverfahren zusätzliche Informationen durch Fehlereinspeisung zur Verfügung gestellt wurde, hatte der BPTT-Algorithmus die selbe Leistungsfähigkeit. Als weiteres Experiment mit Zeitabhängigkeiten wurde das Automaton-Problem un- tersucht, welches mittels eines RNN gelöst werden sollte. Bei diesem Problem wurde besonderer Wert auf die Untersuchung des Konvergenzverhaltens bei Änderungen der Parameter von ES gelegt. Die Untersuchungen ergaben, daß die einzelnen Parameter in komplexer Weise miteinander interagieren und nur eine gute Abstimmung aller Parameter aufeinander eine befriedigende Leistung in Bezug auf Konvergenzgeschwindigkeit und Klassifikationsergebnis erbringt. Wie bei dem Latching-Problem wurde der Fehler nur am Ende einer Mustersequenz berechnet. Dies bewirkt, daß der BPTT-Algorithmus bereits bei Sequenzlängen von T = 27 nicht mehr in der Lage ist, die Zeitabhängigkeiten in dem Gradienten zu repräsentieren. Mit ES dagegen konnten RNN trainiert werden, die in der Lage sind, Sequenzlängen bis zu T = 41 richtig zu klassifizieren. Die Untersuchungen bestätigen, daß der beschränkende Faktor in erster Linie der Trainingsalgorithmus und nicht das Netzwerksparadigma ist. Die Simulationsexperimente mit zeitnormierten Sprachdaten zeigen, daß mit ES prinzipiell höhere Erkennungsleistungen als mit dem gradientenbasierten Algorithmus des BPTT erzielt werden können. Jedoch nimmt schon bei der Klassifikation der Zahlwörter Zwei und Drei die Klassifikationsleistung mit zunehmender Sequenzlänge ab. Es erfordert eine drastische Vergrößerung der Populationsgröße, um zumindest gleich gute Ergebnisse zu erzielen. Zusätzliche Tests am Automaton-Problem stützen diese Aussage. Jedoch steigt der Rechenaufwand durch Vergrößerung der Populationsgröße so stark an, daß bei nicht zeitnormierten Sprachdaten ES mit adäquater Populationsgröße nicht mehr simulierbar waren. In den Untersuchungen an dem Vokabular mit sechs Wörtern wurde der Fehler für jeden anliegenden Merkmalsvektor berechnet und im Gradienten bzw. zur Bewertung bei ES im Training verwendet. In diesen Messungen erbringen beide Algorithmen nahezu identische Klassifikationsergebnisse. Insgesamt verhindert der drastisch ansteigende Rechenaufwand bei den Sprachdaten die Verarbeitung von größeren Vokabularien und langen Wörtern durch ES. Aus der Beschränkung der Populationsgröße durch die vorhandene Rechnerkapazität resultierte eine nichtoptimale Anpassung von Selektionsdruck, Mutationsrate und Populationsverteilung im Suchraum. Insbesondere erweist sich die globale Anpassung der Strategieparameter bei den vergrößerten Populationen als problematisch. Weitere Untersuchungen an ES mit Strategien zur Selbstadaption dieser Parameter bieten sich daher für zukünftige Forschung an.
Mit dem Dileptonenspektrometer HADES (High Acceptance Di-Electron Spectrometer) sollen Dielektronen, die bei zentralen Au+Au-Kollisionen der Energie von bis zu 2 GeV/u entstehen, spektroskopiert werden. Zentrale Detektorkomponente ist ein Magnetspektrometer, bestehend aus einem toroidalem Magnetfeld und 24 Driftkammern, die zur Orts- und Impulsbestimmung durch Ablenkung im Magnetfeld verwendet werden. Hohe Raten minimal ionisierender Teilchen, eine Massenauflösung von 1% im Massenbereich von 800 (MeVc) exp -2 sowie eine sichere Signalerkennung und -zuordnung stellen höchste Anforderungen an das Spektrometer, insbesondere an die Driftkammern. Ziel dieser Arbeit ist das grundlegende Verständnis der Funktionsweise der Driftkammern, die bei HADES eingesetzt werden, dazu gehört: (a): das physikalische Verständnis der Funktionsweise, insbesondere - die genaue Kenntnis des Feldverlaufs innerhalb der Kammern, sowie die Eigenschaften des verwendeten Driftkammergases und - die Bestimmung des theoretisch maximal erreichbaren Ortsauflösungsvermögens der Driftkammern, (b): die technische Seite, die den Aufbau der Driftkammern untersucht. Dies ist besonders wichtig, da in den HADES-Simulationsrechnungen aufgrund der großen Anzahl individueller Drähte mit Folien äquivalenter Massen gerechnet wurde. Hilfsmittel zur Untersuchung dieser Fragestellungen waren einerseits Programme, die Monte-Carlo-Methoden verwenden, andererseits Experimente, die an einem Prototyp der HADES-Driftkammern durchgeführt wurden, wobei jedoch der Schwerpunkt dieser Arbeit auf den Simulationrechnungen liegt. Kapitel 1 gibt einen Überblick über die physikalische Motivation von HADES und beschreibt kurz die einzelnen Komponenten des Spektrometers und die Driftkammerphysik. Kapitel 2 geht auf den Aufbau der HADES-Driftkammern ein und stellt die mit Hilfe von Simulationsrechnungen gewonnenen Erkenntnisse über die Kammern vor. Kapitel 3 behandelt die Bestimmung der intrinsischen Auflöosung der Prototyp-Driftkammer. Da dies allein mit Hilfe von Quellenmessungen aufgrund der Vielfachstreuung nicht möglich ist, wurde der Anteil an Vielfachstreuung mit Simulationsrechnungen bestimmt. Kapitel 4 vergleicht die Erkenntnisse über das Verhalten der Driftkammern, die in Kapitel 2 gewonnen wurden, mit einem am SIS (Schwerionen-Synchrotron) gemachten Experiment. Abschließend wird das Modell einer Driftkammer mit realen Drähten mit dem Modell einer Driftkammer verglichen, in der die Drähte durch Folien äquivalenter Massenbelegung ersetzt wurden.
Das in der Plasmamembran tierischer Zellen vorkommende Enzym "Na+/K+-ATPase" setzt katalytisch ATP in ADP um. Als transmembranes Protein vollführt es während der Katalyse einen elektrogenen Zyklus von Konformationsänderungen, wobei 3 intrazelluläre Na+ gegen 2 extrazelluläre K+ ausgetauscht werden, und besitzt damit die Funktion eines primär aktiven Ionentransporters. Bisherige Aktivitätsmessungen, z.B. von B. Vilsen (Vilsen, 1994), an dem in Lösung befindlichen Enzym ergaben deutliche pH-Abhängigkeiten der Aktivität, die auf eine intrazelluläre Wechselwirkung des Protons mit der ATPase zurückgeführt wurden. Im Rahmen der hier vorliegenden Arbeit war nun die Frage zu klären, inwieweit der extrazelluläre pH-Wert auf die Transportfunktion der in der Membran liegenden Na+/K+-ATPase einen Einfluß ausübt. Es wurden daher elektrophysiologische Messungen mit dem Two-Elektrode-Voltage-Clamp-Verfahren und dem Giant-Patch-Clamp-Verfahren an der Zellmembran von Oozyten des Xenopus laevis durchgeführt und die pH-Abhängigkeit von durch die Na+/K+-ATPase verursachten transmembranen stationären als auch transienten Ionenströmen analysiert. Die stationären (steady-state) Ströme sind ein Maß für die Pumpaktivität, während die transienten auf Partialreaktionen des Enzyms schließen lassen. Die elektrophysiologischen Messungen wurden an der ouabainsensitiven und der ouabainresistenten Na+/K+-ATPase des Torpedo californica durchgeführt. Als Expressionssystem diente die Oozyte des Xenopus laevis. Die Messungen wurden mit Hilfe des Two-Elektrode-Voltage-Clamp-Verfahrens sowie des Giant-Patch-Clamp-Verfahrens durchgeführt. Um eine pH-Abhängigkeit zu untersuchen, wurden steady-state- als auch transiente Ströme bei den pH-Werten pH6, pH7,5 und pH9 gemessen. Als Pumenströme wurden die K+-aktivierbaren oder Ouabain-inhibierbaren Stromkomponenten betrachtet. Zunächst wurde die pH-Abhängigkeit von Pumpenströmen der im normalen Modus arbeitenden, ouabainsensitiven Na+/K+-ATPase untersucht. Die Pumpenströme wurden durch [K+]a=5mM aktiviert und durch [K+]a=0mM inhibiert. Die Messungen in einem natriumfreien extrazellulären Medium ergaben eine ausgeprägte pH-Abhängigkeit der Strom-Spannungskennlinien der Pumpenströme. Dieser Effekt wurde zum großen Teil auf einen, bei J.Rettinger (Rettinger, 1996) beschriebenen, Protonen-Einwärtsstrom zurückgeführt. Durch eine Korrektur konnten die vom Protoneneinwärtsstrom unbeeinflußten Pumpenströme analysiert werden, und es zeigte sich Potentialunabhängigkeit der Strom-Spannungskennlinien bei pH6 und pH9, während bei pH7,5 Potentialabhängigkeit (positive Steigung im negativen Potentialbereich) zu erkennen war. Dies wurde auf eine protonierbare im "access-channel" angenommene Stelle zurückgeführt, welche dann einen Einfluß auf die Affinität der Kationenbindung ausüben könnte. In hochnatriumhaltigem extrazellulären Medium (100mM) war dieser pH abhängige Effekt nicht nachweisbar, die Strom-Spannungskennlinien folgten dem schon bekannten Verlauf (Rakowski et al., 1997) mit einer positiven Steigung im negativen Potentialbereich. Weiterhin wurden transiente Ströme des Na/Na-Austausches sowohl an der ouabainsensitiven (OS) als auch an der ouabainresistenen (OR) Na+/K+-ATPase untersucht. Hierfür wurde in hochnatriumhaltigem (100mM) und kaliumfreiem extrazellulären Medium gemessen. Der Na/Na-Austausch der OS Pumpe wurde extrazellulär mit 100:M Ouabain inhibiert, während der der OR Pumpe mit 10mM Ouabain inhibiert wurde. Messungen mit dem Two-Elektrode-Voltag-Clamp-Verfahren ergaben auf Grund der zu geringen Zeitauflösung keine analysierbare pH-Abhängigkeit. Für die bei diesen Messungen festgestellte Ladungsverschiebung konnte eine effektive Wertigkeit von zq=0,80±0,02 ermittelt werden, was mit den Angaben von J. Rettinger et. al. (Rettinger et al., 1994) vergleichbar ist. Die Messungen mit dem Giant-Patch-Clamp-Verfahren an der OR und OS Pumpe ergaben für transiente Ströme einen relaxierenden Strom-Zeitverlauf, der einer Linearkombination aus drei unterschiedlich schnell relaxierenden Exponentialfunktionen mit verschiedenen Amplituden entspricht. Die Zeitkonstanten ließen keine signifikante pHAbhängigkeit erkennen. Ihre Werte lagen in den Bereichen 10-10 :s, 1-5ms und 10-200ms, wobei die am schnellsten relaxierende Funktion nicht analysiert werden konnten. Die langsam relaxierende Exponentialfunktion ließ sich der Konformationsänderung zuordnen, die mittelschnell relaxierende der extrazellulären Wechselwirkung mit den Na+-Ionen. Die Amplituden hingegen zeigten eine pH-Abhängigkeit. Im depolaren Potentialbereich hatten die Amplituden der mittelschnell relaxierenden Funktion bei pH6 eine größere Potentialabhängigkeit als bei pH9. Die Amplituden der langsam relaxierenden Funktion hatten im hyperpolaren Potentialbereich bei pH6 eine geringere Potentialabhängigkeit als bei höheren pH-Werten. Im ersten Fall könnte eine Protonierung an einer Stelle der ATPase die Potentialabhänigkeit über eine Veränderung des "accesschannels" verstärken, im zweiten Fall könnte diese in die Konformationsänderung eingebunden sein.
Entwicklung und Aufbau eines Elektronenstrahl-Extraktionssystems für die Frankfurter EZR-Ionenquelle
(1998)
Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen des Frankfurter 14.4GHz-EZR-(ve)RFQProjektes zur Erzeugung und Beschleunigung von hochgeladenen Ionen für atomphysikalische Experimente und zur Materialforschung. Die Kernelemente dieser Anlage sind eine 14.4 GHz Elektron-Zyklotron-Resonanz-Ionenquelle, ein 90-137° Analysiermagnet und ein Radio-Frequenz-Quadrupol-Beschleuniger mit variabler Energie. In der EZR-Ionenquelle werden hochgeladene Ionen durch Stöße mit schnellen Elektronen erzeugt. Die Elektronen werden durch Überlagerung eines magnetischen Doppelspiegelfeldes mit einem magnetischen Hexapolfeld in der Quelle eingeschlossen und durch Mikrowellenleistung nach dem Zyklotron-Resonanz-Prinzip auf hohe Energien beschleunigt. Bei der Entwicklung von Ionenquellen für hochgeladene Ionen verfolgt man das Ziel hohe Strahlströme bei höchsten Ladungszuständen und guten Strahlqualitäten (kleine Emittanzen) zu erreichen. In dieser Arbeit wird ein neues Konzept für die Extraktion von Ionenstrahlen aus einem EZR-Plasma mit Hilfe eines intensiven Elektronenstrahls untersucht. Die hochgeladenen Ionen werden durch einen Potentialtopf im Plasma gehalten und können nur durch Abschalten der Mikrowellenleistung extrahiert werden (Afterglow-Effekt). Durch die Injektion eines intensiven Elektronenstrahls von der Extraktionsseite aus in das Plasma, soll lokal ein negativer Raumladungskanal erzeugt werden, durch den die hochgeladenen Ionen dem Potentialtopf entkommen können. Die Elektronen laufen dabei in entgegengesetzter Richtung zu den Ionen. Die Ionen erfahren eine anziehende Kraft durch den negativen Raumladungskanal der Elektronen in Richtung Achse und werden dadurch zusätzlich fokussiert. Der negative Raumladungskanal dient auch zur Führung der Ionen, welche durch eine Bohrung in der Kathode extrahiert werden. Durch den Einschuß des Elektronenstahls von der Extraktionsseite aus in das Plasma können weitere Verbesserungen der Quellenparameter erwartet werden. So z. B. die Erzeugung von Sekundärelektronen zum Ausgleich von Elektronenverlusten aus dem Plasma und zur Erhöhung der Plasmadichte, die Vorionisation von neutralen Gasteilchen zur Erhöhung des Ionisationsgrades des Plasmas und damit verbunden, die Verringerung von Ladungsaustauschprozessen zwischen neutralen Teilchen und hochgeladenen Ionen, schließlich die Erzeugung von Festkörperionen durch Verdampfen, insbesondere von Metallen mit hohem Siedepunkt (z. B. Wolfram) und die Verbesserung der Emittanz, da die Ionen durch den Elektronenstrahl näher der Achse geführt werden und dadurch die Ionen mit einem kleineren Strahlradius extrahiert werden. Für die Erzeugung des Elektronenstrahls wurde eine mit Barium imprägnierte Wolfram- Kathode benutzt. Diese besitzt eine Emissionsstromdichte von 1 A/cm2 bei einer Temperatur von 1100°C und einer Oberfläche von 3 cm2. Zur Fokussierung des Elektronenstrahls werden die magnetischen Felder der beiden EZR-Spulen genutzt. Die magnetischen Feldlinien werden durch passive Abschirmung so geformt, daß diese senkrecht durch die Oberfläche der Kathode stoßen. Die erzeugten Elektronen werden entlang dieser magnetischen Feldlinien geführt. Da die Elektronen in Richtung Plasma beschleunigt werden, laufen diese in ein ansteigendes Magnetfeld, welches für die Fokussierung und Kompression des Elektronenstrahls sorgt. Um die Leistung des Elektronenstrahls zu vernichten, wurde ein wassergekühlter Kollektor auf der Gaseinlaßseite in der Quelle installiert. Dieser übernimmt außerdem die disk-Funktion, zum Ausgleich von Elektronenverlusten aus dem Plasma und zur Erhöhung der Plasmadichte. Er besteht aus ferromagnetischen Material (Reineisen) und sorgt somit für eine Verbesserung des Jochschlusses der Magnetfeldspulen und für eine Verbesserung des Spiegelverhältnisses auf der Gaseinlaßseite von 2.9 auf 3.8. Beim ersten Testeinbau des neuen Extraktionssystems, bei dem der wassergekühlte Kollektor und damit die disk fehlte, wurde die Arbeitsfähigkeit der Elektronenkanone in der Umgebung der arbeiteten EZR-Ionenquelle demonstriert. Die Kathode wurde mit ihrer Orginalbohrung von 1 mm Durchmesser eingesetzt, wodurch die Ionenströme um bis zu einem Faktor 1000 im Vergleich zu den herkömmlich gemessenen Ionenströmen reduziert wurden. Durch das Fehlen der disk zeigen die aufgenommenen Ladungsspektren einen Intensitätsabfall zu hohen Ladungszuständen hin. Dennoch konnte gezeigt werden, daß mit Elektronenstrahl wesentlich höhere Ionenströme erreicht werden, als im Betrieb ohne Elektronenstrahl. Mit dem Einbau eines wassergekühlten Kollektors und der Vergrößerung der Kathodenbohrung auf 3 mm Durchmesser konnten die Ionenströme im Maximum bei Ar8+ auf 25 mA gesteigert werden, so daß nur noch ein Faktor 4 bis zu den besten Ergebnissen der Quelle fehlt. Da jedoch durch die 3 mm Kathodenbohrung die Emittanz des Ionenstrahls besser ist als mit dem herkömmlichen Extraktionssystem, wäre ein Vergleich der Brillanzen nötig, um genaue Aussagen über die Qualität des Elektronenstrahl- Extraktionssystems zu machen, jedoch fehlte hierzu eine Emittanz-Meßanlage. Die Ladungsverteilung zeigt auch wieder den gewöhnlich Verlauf mit dem Maximum bei Ar8+. Vergleicht man nun die Ladungsspektren mit unterschiedlichen Mikrowellenleistungen, so zeigt sich bei mittleren Mikrowellenleistungen (700 W) eine überproportionale Erhöhung des Ladungszustandes Ar12+, jedoch eine Reduzierung des Ladungszustandes Ar11+. Untersuchungen bei hohen Mikrowellenleistungen (1700 W), das bedeutet einer höheren Plasmadichte gegenüber den Messungen mit mittleren Mikrowellenleistungen, zeigen ebenfalls, daß der Änderungsfaktor des Ladungszustand Ar12+ größer ist, als der des Ladungszustand Ar11+. Die Ladungsspektren zeigen auch, daß der Elektronenstrahl bei niedrigeren Plasmadichten größere Auswirkung auf die hohen Ladungszustände hat, als bei hohen Plasmadichten. Dies zeigt, daß die Elektronenstrahldichten im Vergleich zur Plasmadichte viel zu gering sind, so daß z. B. der gewünschte Effekt der lokalen Potentialabsenkung nicht einsetzt und die Änderungen in der Ladungsverteilung im wesentlichen auf die Fokussierungseigenschaften des Elektronenstrahls zurückzuführen sind. Hierzu müssen weitere Untersuchungen mit höheren Elektronenstrahldichten vorgenommen werden. In diesem Zusammenhang sind auch Untersuchungen zur Größe des nutzbaren Ionenreservoirs im Plasma (z. B. durch Afterglow-Effekt) an der Frankfurter EZR-Ionenquelle notwendig.