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In April and May 2012 data on Au+Au collisions at beam energies of Ekin = 1.23A GeV were recorded with the High Acceptance Di-Electron Spectrometer, which is located at the GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research in Darmstadt, Germany. At this beam energy all hadrons containing strangeness are produced below their elementary production threshold. The required energy is not available in binary NN collisions but must be provided by the system e.g. through multi-particle interactions or medium effects like a modified in-medium potential (e.g. KN/ΛN potential). Thus, a high sensitivity to these medium effects is expected in the investigated system.
The baryon-dominated systems created in relativistic heavy-ion collisions (HIC) at SIS18 energies reach densities of about 2-3 times ground state density p0 and may be similar to the properties of matter expected in the inner core of neutron stars. It is in particular the behavior of hadrons containing strangeness, i.e. kaons and hyperons, and their potentials in the dense medium which may have severe implications on astrophysical objects and processes. As ab-initio calculations of quantum chromodynamics (QCD) cannot be performed rigorously on the lattice at finite baryo-chemical potentials due to the fermion sign problem, effective descriptions have to be used in order to model properties of dense systems and the involved particles. The only way to access the in-medium potential of strange hadrons above nuclear ground state density p0 is by comparing data from relativistic HIC to such effective microscopic models. Up to now, not much data on neutral kaons and Λ hyperons are available from heavy collision systems close to their NN production threshold. These two electromagnetically uncharged strange hadrons are in particular well suited to study their potential in a dense nucleon-dominated environment as their kinematic spectra are not affected by Coulomb interactions.
In der vorliegenden Dissertation wird die Frage der Vereinheitlichung der Quantentheorie mit der Allgemeinen Relativitätstheorie behandelt, wobei entsprechend dem Titel der Arbeit der Beziehung der Grundbegriffe der beiden Theorien die entscheidende Bedeutung zukommt. Da das Nachdenken über Grundbegriffe in der Physik sehr eng mit philosophischen Fragen verbunden ist, werden zur Behandlung dieser Thematik zunächst in einem Kapitel, das die vier jeweils drei Kapitel umfassenden Teile vorbereitet, die Entwicklung der Theoretischen Physik betreffende wissenschaftstheoretische Betrachtungen sowie einige wesentliche Gedanken aus der Klassischen Philosophie vorgestellt, welche für die weitere Argumentation wichtig sind. Bei letzteren geht es neben einer kurzen Schilderung der Platonischen Ideenlehre in Bezug auf ihre Relevanz für die Physik insbesondere um die Kantische Auffassung von Raum und Zeit als a priori gegebenen Grundformen der Anschauung, deren Bezug zur Evolutionären Erkenntnistheorie ebenfalls thematisiert wird. In den beiden ersten Teilen werden die wesentlichen Inhalte der Allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantentheorie vorgestellt, wobei der Deutung der beiden Theorien jeweils ein Kapitel gewidmet wird. In Bezug auf die Allgemeine Relativitätstheorie wird diesbezüglich die Bedeutung der Diffeomorphismeninvarianz herausgestellt und in Bezug auf die Quantentheorie wird zunächst die Grundposition der Kopenhagener Deutung verdeutlicht, die im Mindesten als eine notwendige Bedingung zum Verständnis der Quantentheorie angesehen wird, um anschließend eine Analyse und Interpretation des Messproblems und vor allem entscheidende Argumente für die grundlegende Nichtlokalität der Quantentheorie zu geben. Im dritten Teil der Arbeit wird die seitens Carl Friedrich von Weizsäcker in der zweiten Hälfte des letzten Jahrhunderts entwickelte Quantentheorie der Ur-Alternativen beschrieben, in welcher die universelle Gültigkeit der allgemeinen Quantentheorie begründet und aus ihr die Existenz der in der Natur vorkommenden Entitäten hergeleitet werden soll, auf deren Beschreibung die konkrete Theoretische Physik basiert. Es werden sehr starke Argumente dafür geliefert, dass diese Theorie von den bislang entwickelten Ansätzen zu einer einheitlichen Theorie der Natur, welche die heute bekannte Physik in sich enthält, die vielleicht aussichtsreichste Theorie darstellt und damit die Aussicht bietet, auch für das Problem der Suche nach einer Quantentheorie der Gravitation den richtigen begrifflichen Rahmen zu bilden. Ihre große Glaubwürdigkeit erhält sie durch eine die Klassische Philosophie miteinbeziehende philosophische Analyse der Quantentheorie. Dieses Urteil behält seine Gültigkeit auch dann, wenn die Quantentheorie der Ur-Alternativen aufgrund der ungeheuren Abstraktheit der Begriffsbildung innerhalb der Theorie und der sich hieraus ergebenden mathematischen Schwierigkeiten bisher noch nicht zu einer vollen physikalischen Theorie entwickelt werden konnte. Die alles entscheidende Kernaussage dieser Dissertation besteht darin, dass aus einer begrifflichen Analyse der Quantentheorie und der Allgemeinen Relativitätstheorie mit nahezu zwingender Notwendigkeit zu folgen scheint, dass die physikalische Realität auf fundamentaler Ebene nicht-räumlich ist. Dies bedeutet, dass die These vertreten wird, dass es sich bei dem physikalische Raum, wie er gewöhnlich schlicht vorausgesetzt wird, wenn auch in unterschiedlicher Struktur, in Wahrheit nur um eine Darstellung dahinterstehender dynamischer Verhältnisse nicht-räumlicher Objekte handelt. Diese These stützt sich auf die Diffeomorphismeninvarianz in der Allgemeinen Relativitätstheorie und in noch höherem Maße auf die Nichtlokalität in der Quantentheorie, welche sich wiederum nicht nur in konkreten für die Quantentheorie konstitutiven Phänomenen, sondern dazu parallel ebenso im mathematischen Formalismus der Quantentheorie manifestiert. In Kombination mit der Kantischen Behandlung von Raum und Zeit ergibt sich damit ein kohärentes Bild in Bezug auf die eigentliche Natur des Raumes. Die Quantentheorie der Ur-Alternativen ist diesbezüglich als einzige derzeit existierende Theorie konsequent, indem sie auf der basalen Ebene den Raumbegriff nicht voraussetzt und rein quantentheoretische Objekte als fundamental annimmt, aus deren Zustandsräumen sie die Struktur der Raum-Zeit allerdings zu begründen in der Lage ist. Damit befinden sich diese fundamentalen durch Ur-Alternativen beschriebenen Objekte nicht in einem vorgegebenen Raum, sondern sie konstituieren umgekehrt den Raum. Dies ist eine Tatsache von sehr großer Bedeutung. Im vierten Teil wird schließlich die vorläufige Konsequenz aus diesen Einsichten gezogen. Nach einer kurzen Behandlung der wichtigsten bisherigen Ansätze zu einer quantentheoretischen Beschreibung der Gravitation, wird die Bedeutung der Tatsache, dass die Allgemeine Relativitätstheorie und die Quantentheorie eine relationalistische Raumanschauung nahelegen, nun konkret in Bezug auf die Frage der Vereinheitlichung der beiden Theorien betrachtet. Das bedeutet, dass das Ziel also letztlich darin besteht, einen Ansatz zu einer quantentheoretischen Beschreibung der Gravitation zu finden, bei der so wenig räumliche Struktur wie möglich vorausgesetzt wird. In Kapitel 12 wird diesbezüglich ein von mir entwickelter Ansatz vorgestellt, um zumindest eine Theorie zu formulieren, bei der die metrische Struktur der Raum-Zeit nicht vorausgesetzt sondern in Anlehnung an die Eigenschaften eines fundamentalen Spinorfeldes konstruiert wird, das im Sinne der Heisenbergschen einheitlichen Quantenfeldtheorie die Elementarteilchen einheitlich beschreiben soll. Dieser Ansatz geht bezüglich der Sparsamkeit der Verwendung von a priori vorhandener räumlicher Struktur über die bisherigen Ansätze zu einer Quantentheorie der Gravitation hinaus. Er ist aber dennoch nur als ein erster Schritt zu verstehen. Die konsequente Weiterführung dieses Ansatzes würde in dem Versuch bestehen, eine Verbindung zur von Weizsäckerschen Quantentheorie der Ur-Alternativen herzustellen, die überhaupt keine räumliche Struktur mehr voraussetzt. Hierzu konnten bisher nur aussichtsreiche Grundgedanken formuliert werden. Es wird allerdings basierend auf den in dieser Dissertation dargelegten Argumentationen die Vermutung aufgestellt, dass es im Rahmen der von Weizsäckerschen Quantentheorie der Ur-Alternativen möglich ist, eine konsistente quantentheoretische Beschreibung der Gravitation aufzustellen. In jedem Falle scheint die Quantentheorie der Ur-Alternativen die einzige Theorie zu sein, die aufgrund ihrer rein quantentheoretischen Natur in ihrer Begriffsbildung grundsätzlich genug ist, um eine Aussicht zu bieten, diejenige Realitätsebene zu erfassen, in welcher die Dualität zwischen der Quantentheorie und der Allgemeinen Relativitätstheorie zu einer Einheit gelangt.
Zyklotronresonanzen von Ionen im hochfrequenz-modulierten magnetisch fokussierten Elektronenstrahl
(2000)
Ein Prototyp einer Kombination aus Penningfalle und EBIS/T wurde im Rahmen dieser Arbeit entwickelt. Dazu wurde ein Standard NMRMagnet erfolgreich so umgebaut, daß er in Bezug auf Vakuum, Temperatur und Temperaturbeständigkeit den Erfordernissen einer EBIS/T als Ionenfalle entspricht. Diese Apparatur ermöglicht nun die Untersuchung der in der EBIS/T erzeugten Ionen mit den Methoden der 'Fallenphysik'. Die Anregung der Ionen in der Falle wurde hier erstmals durch Hochfrequenzmodulation des Elektronenstroms über die Wehneltelektrode der Elektronenkanone durchgeführt. Messungen haben gezeigt, daß man in der EBIS/T erzeugte Ionen selektiv nach ihrem Verhältnis von Masse zu Ladung mit der Modulation in Resonanz bringen kann, bis sie den Elektronenstrahl verlassen. Die Ionen besitzen auch im dichten Elektronenstrahl eine charakteristische Eigenfrequenz, die zwar von der Raumladung in der Falle abhängt, mit der jedoch trotzdem eine Resonanzanregung durchgeführt werden kann. Im Experiment bestätigte sich die Vorhersage für die Mindestdauer der Anregung in der Größenordnung von Mikrosekunden und für Relaxionszeiten der kohärenten Ionenbewegungen im Bereich von Millisekunden, was eine grundsätzliche Voraussetzung für eine resonante Separation verschiedener Ionensorten darstellt. Die auftretenden Eigenfrequenzen der unterschiedlichen Ionen lassen sich theoretisch und im Einklang mit numerischen Simulationen beschreiben. Die Anregung der Eigenfrequenzen von Ionen über den Elektronenstrahl funktioniert bis zu so hohen Ionendichten, wie sie in einer EBIS vorkommen. Ionenmanipulationen, wie man sie von den Penningfallen her kennt, lassen sich auf ein Ionenensemble mit bis zu 10 10 Ionen pro cm 3 übertragen. Die gemessenen Verschiebungen der Eigenfrequenzen gegenüber der Zyklotronfrequenz geben darüber hinaus Aufschluß über den Kompensationsgrad des Elektronenstrahls in der EBIS/T und können damit als wichtiges Diagnosehilfsmittel für die Optimierung von ElektronenstrahlIonenquellen verwendet werden. Läßt man die Resonanzanregung kontinuierlich einwirken, so tritt überraschenderweise eine Erhöhung des Anteils an hochgeladenen Ionen in der EBIS/T auf. Darüberhinaus konnte experimentell gezeigt werden, daß die hochgeladenen Ionen auf der Achse des Elektronenstrahls konzentriert werden, während niedrig geladene Ionenen dort verschwinden und bevorzugt den äußeren Strahlbereich bevölkern. Die Erklärung dafür ist, daß durch kontinuierliches Entfernen dieser niedrig geladenen Ionen aus dem Elektronenstrahl eine vollständige Kompensation der Raumladung des Elektronenstrahls verhindert wird. Dadurch lassen sich Ionen in der Ionenquelle über einen längeren Zeitraum züchten. Vorteilhafterweise drängt die Anregung über eine Modulation des Elektronenstrahls im Gegensatz zu der normalen Dipolanregung bevorzugt niedrig geladenen Ionen, mit größerer Aufenthaltswahrscheinlichkeit am Rand, aus dem Elektronenstrahl. Dies führt zu einer verstärkten CoulombKühlung der hochgeladenen Ionen und konzentriert diese in der Mitte des Strahls, wo die Anregung fast unwirksam ist. Diese Kühlkraft wirkt als Zusammenspiel der attraktiven radialen Kraft des nicht vollständig raumladungskompensierten Elektronenstrahls und der Coulombstöße der Ionen untereinander. Durch diese Methode der Kühlung der Ionen untereinander können verstärkt Ionen hoher Ladungszustände in der Ionenquelle konzentriert werden. Der Vorgang der Kühlung durch Coulombstöße konnte mit einem Modell beschrieben werden, bei dem die thermische Verteilung aller Ionen im Elektronenstrahl einer Boltzmann Verteilung folgt. Das Modell benutzt vier Kräfte: die magnetische Kraft, die elektrische Haltekraft des Elektronenstrahls, die periodische elektrische Anregungskraft und die Reibung der Ionen proportional zu ihrer Geschwindigkeit und ihres Ladungszustandes bzw. die Stöße der Ionen untereinander. Die Resonanzanregung im Raumladungspotential sowie die Aufenthaltsverteilung der Ionen im Elektronenstrahl konnten damit dargestellt werden. Für Präzisionsexperimente an hochgeladenen Ionen bietet sich die Kombination aus einer EBIS/T mit integrierter Penningfalle an. Die Experimente haben gezeigt, daß es möglich ist, Ionenspektren mit einem eingekoppelten Wechselfeld in dem Ionisationsraum der EBIS/T zu separieren und zu reinigen. Für die Zukunft wünscht man sich aber eine größere Effektivität für das vollständige Entfernen bestimmter Ionensorten. Dies kann man erreichen, indem man den Elektronenstrahl noch dichter mit der Ionisationsröhre umschließt. Durch die kontinuierliche Resonanzanregung profitiert man von einer längeren Einschlußzeit für die stufenweise Ionisierung zu höheren Ladungszuständen und/oder eröffnet ElektronenstrahlIonenquellen neue Einsatzmöglichkeiten unter schlechteren Vakuumbedingungen. Die verstärkte Kühlung und Zentrierung der Ionen auf der Achse während dieses Betriebsmodus verbessert die Emmitanz von ElektronenstrahlIonenquellen. Für die Zukunft kann man sich eine EBIS mit moduliertem Elektronenstrahl auch im Strahlweg niederenergetischer hochgeladener Ionen zum Verbessern deren Emittanz vorstellen. Die im Elektronenstrahl erzeugten und sich selbst kühlenden Ionen wirken durch Coulombstöße als Kühlmedium ohne die Gefahr der Umladung wie bei gasgefüllten hfQuadrupolen.
Mit der Bereitstellung des 208Pb-Strahls durch das CERN-SPS können seit Herbst 1994 Kollisionen schwerster Kerne bei den höchsten zur Zeit in Schwerionenbeschleunigern erreichten Einschußenergien untersucht werden.
Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der raumzeitlichen Entwicklung von zentralen Pb-Pb-Kollisionen bei 158 GeV/Nukleon. Diese Untersuchung wurde im Rahmen des Experimentes NA49 durchgefüuhrt und stützt sich auf die Analyse von Bose-Einstein-Korrelationen identischer Pionen. Die Auswertung von rund 40000 zentralen Ereignissen, die in zwei verschiedenen Magnetfeldkonfigurationen mit der zweiten Vertex-Spurendriftkammer des NA49-Experimentes aufgezeichnet wurden, erlaubt hierbei eine annähernd vollständige Untersuchung des pionischen Phasenraumes zwischen zentraler Rapidität und der Projektilhemisphäre.
Auf der experimentellen Seite stellt der Nachweis von mehreren hundert geladenen Teilchen pro Ereignis eine große Herausforderung dar. Daher werden in dieser Arbeit die Optimierung von Spurendriftkammern sowie die verwendeten Analyseverfahren und die erreichte experimentelle Auflösung ausführlich diskutiert. Dabei zeigt sich, daß der systematische Einfluß der erreichten Impuls- und Zweispurauflösung auf die Bestimmung der Bose-Einstein-Observablen vernachlässigbar ist.
Die Messung von Korrelationen ungleich geladener Teilchen bestätigt die Beobachtungen früherer Untersuchungen, wonach die Gamowfunktion als Coulombkorrektur der Bose-Einstein-Korrelationsfunktionen in Schwerionenexperimenten nicht geeignet ist. Ein Vergleich mit einem Modell zeigt, daß diese Messungen konsistent sind mit der Annahme einer endlichen Ausdehnung der Pionenquelle von rund 6 fm. In dieser Arbeitwird zur Korrektur daher eine Parametrisierung der gemessenen Korrelationsstärke ungleich geladener Teilchen benutzt, wodurch die systematischen Unsicherheiten bei der Auswertung der Bose-Einstein-Korrelationsfunktionen erheblich reduziert werden konnten.
Die Auswertung der Bose-Einstein-Korrelationen im Rahmen des Yano-Koonin-Podgoretskii-Formalismus erlaubt eine differentielle Bestimmung der longitudinalen Expansionsgeschwindigkeit. Dabei ergibt sich das Bild eines vornehmlich in longitudinaler Richtung expandierenden Systems, wie es bereits in Schwefel-Kern-Reaktionen bei vergleichbaren Einschußenergien beobachtet wurde. Die Transversalimpulsabhängigkeit der transversalen Radiusparameter ist moderat und verträglich mit einer mäßigen radialen Expansion, deren quantitative Bestätigung allerdings im Rahmen von Modellrechnungen erfolgen muß.
Im Rahmen eines einfachen hydrodynamischen Modells kann die Lebensdauer des Systems zu 7-9 fm/c bei schwacher Abhängigkeit von der Rapidität bestimmt werden. Die Zeitdauer der Pionenemission beträgt etwa 3-4 fm/c und wird damit erstmals in ultrarelativistischen Schwerionenreaktionen als signifikant von Null verschieden beobachtet.
Die Auswertung der Korrelationsfunktion unter Verwendung der Bertsch-Pratt-Parametrisierung liefert Ergebnisse, die mit denen der Yano-Koonin-Podgoretskii-Parametrisierung konsistent sind. Dasselbe gilt für den Vergleich der Analyse positiv und negativ geladener Teilchenpaare sowie unter Verwendung verschiedener Bezugssysteme.
Ein Vergleich mit den Ergebnissen von Schwefel-Kern-Reaktionen deutet an, daß die in Pb-Pb ermittelten Ausfriervolumina nicht mit dem einfachen Bild eines Ausfrierens bei konstanter Teilchendichte vereinbar sind. Vielmehr scheint das Pb-Pb-System bei niedrigerer Dichte auszufrieren. Dies läßt darauf schließen, daß die Ausfrierdichte über die mittlere freie Weglänge mit der Größe des Systems zum Zeitpunkt der letzten Wechselwirkung verknüpft ist.
Zwei- und Viel-Teilchen-Korrelationen in zentralen Schwerionenkollisionen bei 200 GeV pro Nukleon
(1995)
Die intensiven gekühlten Schwerionenstrahlen des ESR-Speicherrings in Kombination mit dem dort installierten Überschallgastarget bieten einzigartige Möglichkeiten, Elektroneneinfangprozesse bei unterschiedlichen Projektilenergien zu untersuchen. In der vorliegenden Arbeit wurde die Emission der charakteristischen Balmerstrahlung detailliert nach (n, j)-Zuständen untersucht; die Lyman-alpha-Strahlung konnte aufgrund der großen Feinstrukturaufspaltung des 2p3/2-Niveaus darüber hinaus auch nach der Besetzung der magnetischen Unterzustände untersucht werden. Hierbei wurde gezeigt, dass der Einfangmechanismus einen starken Einfluss auf die Besetzung der magnetischen Unterzustände und damit auf die Winkelabhängigkeit der Emission der charakteristischen Photonen hat. Erstmals konnte an einem schweren Stoßsystem die Multipolmischung beim Ly-alpha1-Übergang mit großer Genauigkeit nachgewiesen werden; es ergab sich eine sehr gute Übereinstimmung mit der theoretischen Vorhersage. Aus dem Vergleich der Messung der Anisotropie bei höheren Energien mit der Vorhersage einer relativistisch exakten Theorie wurde geschlossen, dass die Messwerte nur dann erklärt werden können, wenn die Mischung von E1- und M2-Übergängen berücksichtigt wird. Durch den Vergleich der als zuverlässig anzusehenden Vorhersage für den REC-Prozeß mit den Messwerten konnte, erstmals für atomare Übergänge in Schwerionen, die Beeinflussung der messbaren Anisotropie durch Mischung der Strahlung unterschiedlicher Multipolaritäten aufgedeckt werden. Hiermit war es möglich, das Übergangsratenverhältnis Gamma M2 / Gamma E1 und daraus das Übergangsamplitudenverhältnis <M2>/<E1> zu extrahieren. Dieser kleine Beitrag(<1%) ist mit anderen Methoden nicht zu vermessen. Die beiden nichtrelativistischen Theorien, den nichtradiativen Einfang in das Projektil beschreiben, liefern bei den totalen Einfangswirkungsquerschnitten nahezu gleiche Ergebnisse in Übereinstimmung mit dem Experiment. Auch die (n, j)-differentiellen Querschnitte zeigen bei dem Vergleich mit den gemessenen Balmerspektren eine sehr gute Übereinstimmung. Erst wenn die magnetischen Unterzustände in die Untersuchung miteinbezogen werden, weichen die beiden Theorien voneinander ab. Unter Einbeziehung der Multipolmischung stimmt die Vorhersage der CDW-Theorie mit den Messwerten überein; die andere Theorie unterschätzt das Alignment des 2p3/2-Zustands und die daraus folgende Anisotropie der Lyman-alpha1-Strahlung. Es muss hervorgehoben werden, dass es durch die Anwendung der Abbremstechnik für nacktes Uran gelungen ist, diese Prozesse in einem Bereich extrem starker Störung (Q/v) zu untersuchen. Dieser Bereich ist im Allgemeinen experimentell nicht zugänglich und ist eine Herausforderung für die theoretische Beschreibung. Wie sich aus den Ausführungen zu den Zerfallskaskaden ergibt, ist die Messung des Alignments bei niedrigen Stoßenergien stark von Kaskadeneffekten beeinflusst. Das bedeutet, dass das Alignment der Lyman-alpha1-Strahlung sowohl durch den direkten Einfang als auch durch die Zerfallskaskade bestimmt ist. Dieses resultiert in einer von der jeweiligen Theorie abhängigen Vorhersage, wodurch sich eine integrale Aussage über die Güte einer bestimmten Beschreibung ableiten lässt.
In der vorliegenden Arbeit wird ein Curriculum zur Beugung vorgestellt, welches sich in ein Kerncurriculum und Erweiterungsmodule gliedert. Das Kerncurriculum geht von einer systematischen Erarbeitung von Erscheinungsreihen aus, zunächst in Form von Freihandversuchen. Dabei werden periodische Strukturen vor das Auge gehalten und durchblickt. Erst in einem zweiten Schritt treten entsprechende komplexere Versuchsaufbauten hinzu. Der Zusammenhang zwischen den durchblickten oder durchleuchteten periodischen Strukturen und den Konfigurationen der Beugungsbilder wird im Konzept optischer Wege beschrieben. Optische Wege werden dazu operational definiert und als geometrische Ordnungselemente eingeführt, die dem Zusammenhang zwischen den jeweils wirksamen räumlichen Bedingungen und den auftretenden Erscheinungen immanent sind. Den methodischen Rahmen des Kerncurriculum bildet damit eine phänomenologische Vorgehensweise - insbesondere, weil die optischen Wege nicht als ein Vorstellungskomplex gefasst werden, den man zur ursächlichen Erklärung eines Phänomens heranziehen kann. In einem Erweiterungsmodul des Curriculums wird im Einzelnen ausgeführt, wie es durch dieses methodische Vorgehen schon bei der Thematisierung der Beugung möglich ist, die holistischen Eigenschaften der Quantentheorie anzulegen und vorzubereiten. Dadurch kann der Übergang von der Beugung zur Quantentheorie in einem einheitlichen methodischen Rahmen erfolgen und eine vertikale Vernetzung der Unterrichtsinhalte unterstützen. Entsprechend dem von ERB und SCHÖN ausgearbeiteten Lichtwegkonzept bekommt auch beim Konzept optischer Wege das FERMAT-Prinzip eine zentrale Stellung. Es wird in der vorliegenden Arbeit räumlich formuliert. Im zentralen Thema des Kerncurriculums, der Beugung am Gitter, reichen in Erweiterung des FERMAT-Prinzips dann zwei Bedingungen aus, die man an die optischen Wege stellen muss, um diese Beugungserscheinungen umfassend zu beschreiben. Auch komplexe Zusammenhänge, wie beispielsweise die Invarianz des Beugungsbildes unter Translationen des Gitters, sind so anschaulich zu erklären. Das Beugungsbild eines Gitters tritt in der Brennebene einer Linse auf. Da es invariant unter Translationen des Gitters ist, darf auch ein Abstand zwischen Gitter und Linse gewählt werden, welcher größer als deren Brennweite ist. Je nach Stellung eines Schirms hinter der Linse erhält man so entweder das Beugungsbild oder das Abbild des Gitters. Eine Darstellung beider Situationen im Konzept optischer Wege lässt den Zusammenhang zwischen Beugungs- und Abbild sehr deutlich hervortreten und macht Experimente zur optischen Filterung unmittelbar verständlich. Die in diesem Rahmen eingeführte kontextuale Abbildung rundet das Kerncurriculum ab und arbeitet die Gesamtheit der wirksamen Bedingungen besonders heraus. Gleichzeitig gelingt es, Eigenschaften der FOURIER-Transformation auf einer elementaren Ebene zu behandeln. In einem der Erweiterungsmodule werden die Beugungsbilder bei Rotationen eines Gitters untersucht. Dabei treten Beugungsbilder in Form von Kegelschnitten auf. Es wird gezeigt, wie die schon im Kerncurriculum in Erweiterung des FERMAT-Prinzips formulierten beiden Bedingungen an die optischen Wege sich weiterhin als tragfähiger Beschreibungsansatz erweisen. Dabei können Elemente der Festkörperphysik anschaulich eingeführt werden – hier sind es die LAUE-Kegel. In einem anderen Erweiterungsmodul schließen sich eine anschauliche Herleitung des reziproken Gitters und der EWALD-Kugel an. Das Erweiterungsmodul, welches den Übergang zur Quantentheorie thematisiert, geht von der Beugung am Doppelspalt aus und sieht dort die Einführung des Zeigerformalismus vor. Der Kontrast zur phänomenologischen Vorgehensweise des Kerncurriculums ermöglicht eine saubere Unterscheidung zwischen den optischen Wegen als immanenten Ordnungselementen und den Zeigern als abstrakten Symbolen, die Wellenfunktionen repräsentieren. Methodendiskussionen werden so unterstützt. Im Zentrum des Moduls steht die Besprechung von Welcher- Weg-Experimenten. Die kontextuale Abbildung im Konzept optischer Wege führt dabei, wie oben bereits erwähnt, ohne methodischen Bruch auf das Superpositionsprinzip der Quantentheorie. Die schulische Erprobung des Kerncurriculums und einiger Erweiterungsmodule ergab schließlich, dass die operationale Definition der optischen Wege und die Formulierung von Kriterien an diese optischen Wege zur Beschreibung der Beugung es ermöglicht, durch tragfähige Begriffe bei den Schülern ein Bewusstsein für Zusammenhänge zwischen Teilinhalten des Unterrichtes zu wecken und die Beugung in eine Fülle optischer Erscheinungen zu integrieren. Der Übergang vom Experiment zu abstrakten Lerninhalten wird dann durch den Unterricht deutlich und generiert ein hohes Methodenbewusstsein.
Zellulare Nichtlineare Netzwerke bzw. Zellulare Neuronale Netzwerke, sogenannte CNN, wurden 1988 von L.O. Chua und L.Yang eingeführt und seither intensiv untersucht. Diese sind als Simulations-Software und als schaltungstechnische Realisierungen, in Hardware, verfügbar.
Als analog arbeitende Hardware Schaltungen können diese Netzwerke erhebliche Rechenleistungen erzielen.
Durch ihren Aufbau ermöglichen sie eine parallele Daten- und Signalverarbeitung.
Eine Einführung in CNN wird gegeben und das EyeRIS 1.1 Systems des Unternehmens ANAFOCUS Ltd. vorgestellt.
Das EyeRIS 1.1 System ist mit einem analog arbeitenden Focal Plane Prozessor (FPP) und einem digitalen Prozessor ausgestattet, wobei der Focal Plane Prozessor auch als Kamera zur Aufnahme von Bildern und Bildsequenzen benutzt werden kann.
Dies ermöglicht es, analoge CNN-Algorithmen zusammen mit digitalen Algorithmen auf einem System zu implementieren und so die Vorteile beider Ansätze zu nutzen. Der Datenaustausch zwischen dem analogen und digitalem Teil des EyeRIS 1.1 Systems geschieht mittels digital/analog und analog/digital Wandlung. Es werden Algorithmen auf dem EyeRIS 1.1 System untersucht und mit Ergebnissen die mittels Simulationen erzeugt wurden verglichen.
In Voruntersuchungen werden die Darstellungsgenauigkeit von Werten im analogen Teil des EyeRIS 1.1 Systems und die Verarbeitungsgeschwindigkeiten des EyeRIS 1.1 Systems untersucht.
Im Weiteren wird besonderes Augenmerk auf medizinische und technische Anwendungsgebiete gelegt werden.
Im medizinischen Anwendungsbereich wird die Implementierung von Algorithmen zur Vorhersage epileptischer Anfälle untersucht.
Hierfür wird ein evolutionär motiviertes Optimierungsverfahren entwicklet und auf dem EyeRIS 1.1-System implementiert.
Hierbei werden Simulationen durchgeführt und mit Ergebnissen, die mittels Verwendung des EyeRIS 1.1 Systems erlangt wurden, verglichen.
Ein zweites Verfahren geht die Signalanalyse für die Vorhersage auf dem EyeRIS 1.1-System mittels Mustererkennung an.
Das Mustererkennungsverfahren wird eingehend beschrieben sowie die hierbei zu beachtenden Randbedingungen erläutert.
Die Ergebnisse zeigen, daß Algorithmen zur Vorhersage von epileptischen Anfällen auf schaltungstechnichen Realisierungen von CNN implementiert werden können.
Im technischen Bereich wird die Anwendbarkeit auf die Problemstellung der Bildverarbeitung gelegt und die Möglichkeit von CNN basierten Algorithmen zur Erkennung von Prozessparametern bei Laserschweißverfahren untersucht. Ein solcher Prozessparameter ist das sogenannte Key-Hole, welches in Bildsequenzen von Laserschweißprozessen als ein Maß für die zu erwartende Qualität einer Schweißnaht herangezogen werden kann. Ein CNN basierter Algorithmus für die Erkennung solcher Key-Holes wird in dieser Arbeit vorgestellt und untersucht.
Für die Überwachung eines Laserschweißverfahrens wird der entwickelte Algorithmius und seine Funktionsweise beschrieben.
Dieser wird in Teilalgorithmen auf die analog bzw. digital arbeitenden Komponenten des EyeRIS 1.1 Systems verteilt.
Die Teilalgorithmen und die möglichen Aufteilungen und deren Laufzeitverhalten werden beschrieben und untersucht.
Die Ergebnisse der Untersuchung zeigen, daß eine Prozessüberwachung mittels CNN möglich ist und heben die Vorteile hervor, welche die Bildaufnahme und -verarbeitung mittels analoger CNN-Hardware bietet.
Eine Untersuchung des Laufzeitverhaltens auf Grafikkarten Prozessoren (GPU's) wird im Anhang vorgestellt.
In der vorliegenden Arbeit wird die Kopplung von Bloch- und Zyklotron-Oszillationen in Halbleiterübergittern unter dem Einfluss eines elektrischen und magnetischen Feldes zeitaufgelöst-elektro-optisch untersucht. Hierbei hängen sowohl die Stärke der Bloch-Zyklotron-Kopplung als auch die Charakteristika der kohärenten Ladungsträgerbewegung sensitiv von der relativen Anordnung der äußeren Felder ab. Bei gekreuzter Feldanordnung wird der Kohärente Hall-Effekt beobachtet. Semiklassisch lässt sich die Ladungsträgerdynamik in diesem Fall mit der Bewegungsgleichung eines nicht getriebenen, ungedämpften Pendels beschreiben. Abhängig vom Verhältnis E/B der äußeren Feldstärken lassen sich zwei Bewegungsregime mit gegensätzlicher Feldabhängigkeit der Frequenz der Ladungsträgeroszillationen unterscheiden. Bei schiefer Feldanordnung kommt es durch die nichtlineare Kopplung der Bloch-Oszillation mit der Zyklotron-Oszillation in der Übergitterebene zu einer phasenempfindlichen Gleichrichtung der transienten Oszillationen entlang der Wachstumsrichtung, wobei man in Resonanz eine Überhöhung dieses selbstinduzierten Gleichstroms beobachtet. In Anlehnung an ein analoges Phänomen, das an Josephson-Kontakten beobachtet wird, sprechen wir hierbei vom Fiske-Effekt. Für die räumliche Auslenkung X("unendlich") entlang der Wachstumsrichtung nach Abklingen der Kohärenz kann im Rahmen einer analytischen semiklassischen Näherung ein geschlossener Ausdruck angegeben werden. Die zeitaufgelösten Experimente zur Bloch-Zyklotron-Kopplung werden an zwei GaAs/Al0,3Ga0,7As-Übergitterstrukturen mit unterschiedlicher Quantentopfbreite durchgeführt. Im Spezialfall der gekreuzten Feldanordnung wird der Kohärente Hall-Effekt anhand der Existenz zweier Bewegungsregime mit ihrem charakteristischen Frequenz- und Dephasierungsverhalten in Abhängigkeit der äußeren Felder nachgewiesen und die lineare Abhängigkeit des Magnetfeldes am Übergang zwischen den Bewegungsregimen vom elektrischen Feld gezeigt. Die gleichermaßen prognostizierte Zunahme der Intensität höherer harmonischer Moden der Ladungsträgeroszillationen in der Nähe des Übergangs wird jedoch in der elektro-optischen Respons nicht beobachtet, wenngleich die verwendeten elektro-optischen Messtechniken im Vergleich zur Terahertz-Emissionsspektroskopie zur Untersuchung des Übergangsbereichs und höher frequenter Oszillationen prinzipiell besser geeignet sein sollten. Hierbei bestehende Einschränkungen werden diskutiert. Der für den Fall der schiefen Feldanordnung vorhergesagte selbstinduzierte Gleichstrom manifestiert sich experimentell in einem resonanzartigen Verlauf des elektro-optischen Signals nach Abklingen der Oszillationen in Abhängigkeit des Magnetfeldes. Durch Vergleich mit dem analytisch hergeleiteten Ausdruck für die räumliche Auslenkung lassen sich hieraus die relevanten Dämpfungskonstanten abschätzen und durch iterative Anpassung bestimmen. Die bei schiefer Feldanordnung mittels elektro-optischer Spektroskopie gemessenen Signale weisen nach Abklingen der kohärenten Ladungsträgeroszillationen nur einen sehr schwachen Driftanteil auf. Eine schlüssige Erklärung für diese Beobachtung ergibt sich, wenn bei der Behandlung der Ladungsträgerdynamik die Impuls- und Energierelaxation des Bloch-Oszillators unterschieden werden und eine sehr kleine Energiedämpfung angenommen wird.
Die Funktion biologischer Peptide und Proteine hängt wesentlich von deren intakten molekularen Struktur ab. Krankheiten, wie z.B. Alzheimer oder Diabetes, entstehen durch fehlgefaltete, aggregierte Peptidstrukturen. Die Ausbildung einer nativ gefalteten Konformation wird durch die Formierung von Sekundärstrukturelementen - in charakteristischer Weise angeordnete lokale Strukturen - initiiert und bildet einen geschwindigkeitslimitierenden Schritt in der Proteinfaltung. Die Erforschung und Analyse dieser ersten Faltungsprozesse ist deshalb von grundlegender Relevanz in der biophysikalischen Forschung, auch in Hinblick auf pharmazeutisch-medizinische Anwendungen. Bei der Untersuchung des Faltungsmechanismus kommen vor allem kleine Peptide mit eindeutig ausgebildeten Sekundärstrukturmotiven zum Einsatz. Ihre geringe Größe und strukturelle Eindeutigkeit machen diese kleinen Peptide zu idealen Modellsystemen, um diejenigen Faktoren zu untersuchen, die die Proteinfaltung steuern und beeinflussen. Die zur Untersuchung der Faltungsprozesse verwendeten Techniken müssen dabei sowohl eine Spezifität für die unterschiedlichen Strukturelemente, als auch eine der Faltungsdynamik angemessen Zeitauflösung besitzen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden CD- und FTIR-Messungen zur Untersuchung der Strukturstabilität von Polypeptiden unter Gleichgewichtsbedingungen durchgeführt. Durch Variation von pH-Wert und Temperatur wurden damit Stabilitätseigenschaften ausgewählter Peptidsysteme analysiert. Um zeitaufgelöste Faltungsdynamiken von Peptiden detektieren zu können, wurde ein Spektrometer mit Laser-induziertem Temperatursprung (DeltaT ca. 10 °C in 10 ns) und IR-Einzelwellendetektion so modifiziert und optimiert, dass Peptiddynamiken im nanosec bis microsec Zeitbereich gemessen werden konnten. Neben der Modifikation der Temperatursprung-Apparatur, bei der optische Komponenten ersetzt und Störsignale reduziert wurden, konnte auch die Auswertung der kinetischen Daten durch die Entwicklung eines geeigneten Algorithmus verbessert werden. Als notwendige Vorarbeit der Faltungsstudien an Peptiden in wässriger Lösung wurden statische FTIR-Absorptionsmessungen am Lösungsmittel D2O durchgeführt. Dadurch wurden die durch Temperaturvariation erzeugten Absorptionsänderungen des Lösungsmittels ermittelt. Diese wurden zudem zur Kalibrierung des Laser-induzierten Temperatursprunges verwendet. Um Lösungsmittelabsorptionen von strukturellen Änderungen des Peptids zu trennen, wurde ein Auswerteverfahren entwickelt, das die temperaturabhängigen Absorptionsänderungen des Lösungsmittels berücksichtigt. Temperatur- und pH-abhängige Konformationsdynamik wurde am alpha-helikalen Peptid Polyglutaminsäure untersucht. Zunächst wurden CD- und FTIR-Messungen zur Thermostabilität und der Reversibilität der Ent- und Rückfaltung unter Gleichgewichtsbedingungen und bei unterschiedlichen pH-Werten durchgeführt. Der thermisch induzierte Strukturübergang von alpha-Helix nach ungeordneter Knäuel-Struktur wurde mit Hilfe der Laser-induzierten Temperatursprung-Technik zeitaufgelöst untersucht und Relaxationsraten bei verschiedenen pH-Werten bestimmt. Weitere Messungen zur Konformationsstabilität und –dynamik wurden an beta- Hairpin-Peptiden durchgeführt, die kleine Modellsysteme für beta-Faltblattstrukturen darstellen. Die in dieser Arbeit untersuchten Trpzip2C Peptide, die aufgrund hydrophober Wechselwirkungen der Tryptophane eine stabile beta-Hairpin-Struktur in wässriger Lösung ausbilden, waren an verschiedenen Positionen innerhalb der Aminosäure-sequenz selektiv isotopenmarkiert. Durch diese Markierungen im Peptidrückgrat werden spezifisch spektrale Änderungen im Infrarotspektrum erzeugt, die Untersuchungen zur Amidbandenkopplung und lokalisierten Strukturdynamik ermöglichen. Diese Ergebnisse stellen die erste Anwendung der Kombination von selektiv isotopenmarkierten alpha-Hairpin-Peptiden und der Temperatursprung-Technik dar, um Konformationsdynamiken ortsaufgelöst zu untersuchen. Für alle untersuchten Trpzip2C-Peptidvarianten konnte gezeigt werden, dass der Faltungsprozess in einem Temperaturbereich unterhalb von ~ 300 K nicht durch ein Zwei-Zustandsmodell beschrieben werden kann, sondern Intermediate gebildet werden. In diesem Temperaturbereich konnten wellenlängenabhängig Unterschiede in Relaxationsraten gemessen werden, die die Hypothese des „hydrophoben Kollaps“ für den Faltungsmechanismus dieser beta-Hairpin-Peptide unterstützen.