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Der STAR Level-3 Trigger
(2002)
Schwerionen-Collider-Experimente, wie das STAR-Experiment am RHIC (BNL) oder das geplante ALICE-Experiment am LHC (CERN) untersuchen Schwerionenkollisionen bei Schwerpunktsenergien von Wurzel aus SNN = 200 GeV (RHIC), bzw. Wurzel aus sNN = 5, 5 TeV (ALICE). In diesen Kollisionen werden mehrere tausend geladene Teilchen produziert, die in STAR und ALICE in großvolumigen TPCs gemessen werden. Das Datenvolumen erreicht dabei bis zu 10 MB (STAR) und 60 MB (ALICE) pro Ereignis. Aufgrund der hohen Luminosität der Collider könnten die Experimente zentrale Schwerionenkollisionen mit einer Rate bis zu 100 Hz bzw. 200 Hz (ALICE) untersuchen. Die dabei entstehenden Datenraten im Bereich mehrerer GB/s sind mit heutiger Technologie jedoch nicht mehr einfach zu speichern. Deshalb kann nur ein Bruchteil der zur Verfügung stehenden Ereignisse aufgezeichnet werden. Aufgrund der exponentiellen Entwicklung der CPU-Leistung wird es jedoch möglich, die Rekonstruktion von Ereignissen während der Datennahme in Echtzeit durchzuführen. Basierend auf den rekonstruierten Spuren in den Detektoren kann die Entscheidung getroffen werden, ob ein Ereignis gespeichert werden soll. Dies bedeutet, dass die begrenzte Speicherbandbreite gezielt mit Ereignissen, die eine interessierende physikalische Observable beinhalten, angereichert werden kann. Ein solches System zur Ereignisselektion wird als Level-3-Trigger oder allgemeiner als High Level Trigger bezeichnet. Am STAR-Experiment wurde erstmals in einem Schwerionenexperiment solch ein Level-3-Triggersystem aufgebaut. Es besteht aus 432 i960-CPUs, auf speziell gefertigten Receiver Boards für die paralelle Clusterrekonstruktion in der STARTPC. 52 Standard-Computer mit ALPHA- bzw. Pentium-CPUs rekonstruieren die Spuren geladener Teilchen und tre.en eine Triggerentscheidung. Dieses System ermöglicht die Echtzeit-Rekonstruktion zentraler Au-plus-Au-Kollisionen mit anschliessender Analyse durch einen Trigger-Algorithmus mit einer Rate von 40-50 Hz. Die Qualität, die mit dieser schnellen Analyse erreicht wird, kann mit der Qualität der STAR-Offline-Rekonstruktion verglichen werden. Der Level-3-Clusterfinder erreicht in Bezug auf Ortsauflösung und Rekonstruktionseffizienz dieselbe Qualität wie der Offline-Clusterfinder. Der Level-3-Trackfinder erreicht bei Rekonstruktionseffizienz und Impulsauflösung 10-20% schlechtere Werte als der Offline- Trackfinder. Die Anwendung eines Level-3-Triggers besteht in der Messung von seltenen Observablen ("rare Probes"), die ohne eine Anreicherung nicht, oder nur schwer, meßbar wären. In den Jahren 2000 und 2001 wurden erste Triggeranwendungen für das STARLevel- 3-System erprobt. In ultraperipheren Au-plus-Au-Kollisionen wurden po-Kandidaten schon im Jahr 2000 selektiert. Während der Strahlzeit des Jahres 2001 wurde das Level-3-System erstmals zum Triggern in zentralen Au-plus-Au-Kollisionen eingesetzt. Die Triggeralgorithmen beinhalteten einen Õ-Trigger, einen 3He-Trigger und einen Algorithmus zur Anreicherung von Spuren hohen Impulses in der Akzeptanz des RICH-Detektors. Das STAR Level-3-System ist in der Lage zehnmal mehr Ereignisse zu analysieren, als gespeichert werden können. Aufgrund der begrenzten Luminosität des RHIC-Beschleunigers, konnten die Level-3 Trigger erst zum Ende der Strahlzeit eingesetzt werden. Den genannten Algorithmen standen zusätzlich zu den 3 · 10 hoch 6 gespeicherten zentralen Ereignissen, 6 · 10 hoch 5 zentrale Ereignisse zur Analyse zur Verfügung. Mit diesem begrenzten Anreicherungsfaktor von 20% blieb das System hinter seinen Möglichkeiten zurück. Es konnte jedoch gezeigt werden, dass das STAR Level-3-System in der erwarteten Qualität und Stabilität funktioniert.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird experimentell ein oszillatorischer Hall-Strom nachgewiesen, der sich in einem impulsiv optisch angeregten Halbleiterühergitter ausbildet, sobald sich dieses in einem statischen magnetischen Feld und einem dazu senkrechten statischen elektrischen Feld befindet. Das Übergitter dient dabei als Modellsystem für ein dreidimensionales Material und ermöglicht die Beobachtung eines unter dem Begriff "kohärenter Hall-Effekt" zusammengefassten Bewegungsverhaltens der Ladungsträger, das durch eine charakteristische Frequenzabhängigkeit des oszillatorischen Hall-Stromes von den äußeren Feldern gekennzeichnet ist. Dabei wird in der vorliegenden Arbeit das spezielle Bewegungsverhalten mit Hilfe eines semiklassischen Modells hergeleitet und diskutiert. Die zentrale Aussage des Modells ist die Existenz zweier scharf voneinander abgegrenzter Bewegungsregimes, (die sich durch eine entgegengesetzte Feldabhängigkeit der Oszillationsfrequenz auszeichnen. Am Übergang zwischen diesen beiden Regimes werden alle Oszillationen aufgrund einer gegen Null gehenden Frequenz unterdriickt. Dabei lässt sich im Gegensatz zum Ortsraum der Übergang zwischen den beiden Bewegungsregimes im k-Raum einfach klarmachen. Er wird durch die Überwindung der Mini-Brillouin-Zonengrenze durch das Ladungsträgerwellenpaket markiert und bestimmt, ob die Bewegungsform Bloch-oszillationsartig oder zyklotronartig ist. Der experimentelle Nachweis des kohärenten Hall-Effektes wird durch die Anwendung einer berührungsfreien optoelektronischen Technik ermöglicht, mit deren Hilfe das emittierte elektrische Feld der kohärenten, transienten Hall-Ströme zeitaufgelöst detektiert werden kann. Da diese Technik die Messung frei propagierender Strahlung im THz-Frequenzbereich gestattet, bezeichnet man die Methode als THiz-Emissionsspektroskopie. Im Gegensatz zum klassischen Hall-Effekt stellt sich der kohärente Hall-Effekt als Manifestation der Wellennatur (der Ladungsträger dar, die sich im Festkörper durch eine periodische Dispersionsrelation äußert,. Erst. die kohärente Präparation eines Ladungsträgerensembles ermöglicht dabei (die Beobachtung der mikroskopischen Vorgänge in Form einer transienten Bewegung, die, bedingt durch ultraschnelle Streuprozesse, auf kurzen Zeitskalen von etwa 1 ps dephasiert. Die Kohärenz wird dem System dabei mittels eines kurzen Laserpulses von etwa 100 fs Dauer aufgeprägt, mit dessen Hilfe die Ladungsträger im Übergitter optisch generiert werden. Diese Vorgehensweise ist mit der experimentellen Untersuchung von Bloch-Oszillationen vergleichbar, die ebenfalls erst durch die kohärente Präparation der Ladungsträger messbar werden. Die inkohärente Bewegung der Ladungsträger in einem Kristall unter dem Einfluss eines konstanten elektrischen Feldes wird bekanntermaßen durch das Ohmsche Gesetz beschrieben analog etwa der Beschreibung der IIall-Spannung beim klassischen Hall-Effekt.. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit gelingt der erste Nachweis des beschriebenen kohärenten Effektes und damit, der Beleg, dass es auch in dreidimensionalen Halbleitern, hier repräsentiert durch ein Übergitter, möglich ist, kohärente Signaturen des Hall-Effektes zu beobachteten. Im Gegensatz zu speziellen zweidimensionalen Strukturen, wie sie beim integralen und fraktionalen Quanten-Hall-Effekt verwendet werden, ist dies hier aufgrund des größeren Zustandsraumes und der dadurch bedeutenderen Dephasierungsprozesse nur auf sehr kurzen Zeitskalen realisierbar.
Fourier-Transform Infrarot Differenz Spektroskopie ist eine Methode. die es erlaubt, selbst kleinste konformelle Änderungen in der Umgebung der katalytischen Zentren in Enzymen selektiv und mit hoher Zeitauflösung zu messen. Diese Technik wurde an Oxidasen von Paracoccus denitrificans, Thermus thermophilus und Escherichia coli angewandt, um einen Einblick in strukturelle und molekulare Prozesse der Bindung und Dynamik von Liganden am binuklearen Zentrum zu erhalten. Die pH- und Temperatur-Abhängigkeit von CO Schwingungsmoden sowie deren Verhalten nach der Photolyse konnten zeitaufgelöst untersucht und miteinander verglichen werden. Bei Temperaturen >180K war die Bestimmung von thermodynamischen Parametern wie Enthalpie-Barrieren und Arrhenius-Vorfaktoren möglich. Aus dem Verlauf der Rückbindungskinetiken ließen sich ferner Rückschlüsse über die konformelle Heterogenität der Bindung ziehen. Für Temperaturen um 140K konnte das Protein im "quasistationären" Zustand vermessen werden, da Rückreaktionen des Liganden an die Bindungsstelle des Häm a3 unterbunden waren. Trotz der strukturellen Ähnlichkeit und analoger Funktion zeigten diese typischen Oxidasen große Unterschiede sowohl im Reaktionszentrum als auch im kinetischen Verhalten des Liganden. Die kinetischen Parameter für alle untersuchten Oxidasen weichen deutlich voneinander ab und spiegeln unter anderem die Stärke der Bindung am CUB wider. Die Temperaturabhängigkeit der Populationen der CO-Konformere und die äquivalente Rückbindungs-Kinetik der unterschiedlichen Konformere in den Oxidasen aus dem thermophilen System weisen auf ein strukturelles Merkmal in der Nähe des binuklearen Zentrums hin, das den Populations-Austausch in anderen Oxidasen unterbindet. Aufgrund der pH-Abhängigkeit der entsprechenden Oxidasen kann man schließen, daß diese Eigenschaft durch eine oder mehrere protonierbare Gruppen bewirkt wird, die die unterschiedlichen Konformere in bestimmten Positionen fixiert hält. Die Rückbindungsraten des Liganden zeigen für die T. thermophilus Oxidasen eine Rückbindung erster Ordnung. was auf eine homogene Verteilung der zwei Konformer-Populationen im Enzym deutet. Hingegen zeigte die Oxidase aus P. denitrificans für die Rückbindung eine Verteilung der Reaktionsraten. Ursache dafür ist ein sehr heterogenes Ensemble an Proteinen, das minimale strukturelle Unterschiede im Konformationsraum des Reaktionszentrums aufweist. Ein weiterer Aspekt der Arbeit war die Beobachtung von Absorptionsbanden der Hämpropionate an Cytochrome c Oxidase von Paracoccus denitrificans nach CO Rückbindung. Sowohl über 13C-isotopenmarkierte Hämpropionate als auch über ortsgerichtete Mutagenese in deren unmittelbarer Umgebung konnten definierte Banden-Zuordnungen im IR-Differenzspektrum erhalten werden. Experimente am Enzym mit Mutationen an der Stelle Asp 399 zeigten, daß die strukturellen Eigenschaften des Häm a3-CuB Zentrums im wesentlichen von dieser Veränderung nicht beeinflußt werden. Jedoch war die pH-Abhängigkeit der CO Konformere hier unterbunden, was auf deren Einfluß auf eine Protonierbarkeit im Wildtyp-Enzym hinweist. Rückschlüsse anhand der Mutante Asp399Asn zeigten (über den Verlust der pH-Abhängigkeit) ganz klar, daß alle unterschiedlichen CO-Konformere funktionell intakt sind. FT-IR Messungen an einem weiteren Enzym, der isolierten Cytochrom bd Oxidase aus E. coli, zeigten bei einer Untersuchung der CO Rückbindungs-Eigenschaften bei 84K die ausschließliche Rückbindung an das Häm d. der möglichen Sauerstoff-Bindungsstelle. Die Bindungsstelle an Häm b, die zu ca. 5% ebenfalls CO bindet, kann bei diesen Temperaturen nicht wiederbesetzt werden. Im typischen Spektralbereich von 1680 bis 1760 cm hoch minus 1 konnten eindeutig die Absorptionsbanden von Asparagin- oder Glutaminsäure-Seitenketten identifiziert werden. Über einen direkten Vergleich der Spektren, die über Redox-Reaktion und CO Rückbindung erhalten wurden, konnten diese Signale als klar in der direkten Umgebung des binuklearen Zentrums lokalisiert zugeordnet werden. Eine Rolle als vorübergehender Protonen-Akzeptor/Donor auf dem Weg zur Sauerstoff-Bindungsstelle ist naheliegend.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, inwieweit eine Bewegungsschärzung aus monokularen Bildsequenzen von Straßenverkehrsszenen und eine darauf aufbauende Hinderniserkennung mit Hilfe von statistischen oder neuronalen Methoden realisiert werden kann. Bei dem zugrunde liegenden mathematischen Modell wird angenommen, daß die Umgebung, in der sich ein Fahrzeug bewegt, im wesentlichen eben ist, was für Verkehrsequenzen in guter Näherung erfüllt ist. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde ein statistisches Verfahren zur Bewegungsschätzung vorgestellt und diskutiert. Der erste Schritt dieses Verfahrens stellt die Generierung eines sogenannten Markantheitsbildes dar, in welchem Objektkanten und Objektecken visuell hervorgehoben werden. Für die daraus resultierende Liste von markanten Bildbereichen werden anschließend unter Verwendung einer sogenannten Verschiebungsvektorschätzung, Korrespondenzen im zeitlich folgenden Bild ermittelt. Ausgehend von dem resultierenden Verschiebungsvektorfeld, werden in dem nächsten Schritt des Verfahrens die Bewegungsgrößen ermittelt, also die Rotationsmatrix und der Translationsvektor des Fahrzeugs, beziehungsweise der Kamera. Um abschließend eine Hinderniserkennung realisieren zu können, erfolgt unter Verwendung der Bewegungsgrößen eine Bewegungskompensation der Bilddaten. Bei einer solchen Bewegungskompensation wird unter Verwendung der ermittelten Bewegungsgrößen und dem Modell der bewegten Ebene eine Rücktransformation jedes Bildpixels durchgeführt, so daß bei der Bildung eines Differenzbildes zwischen dem bewegungskompensierten Bild und dem tatsächlich aufgenommenen Bild, dreidimensionale Strukturen, die ja das Ebenenmodell verletzen, deutlich hervortreten und somit auf potentielle Hindernisse hinweisen. Es hat sich gezeigt, daß Fehlmessungen in den Verschiebungsvektoren, welche beispielsweise durch periodische Strukturen auf der Ebene auftreten können, die Bewegungsschätzung und die Hinderniserkennung empfindlich stören. Diese statistischen Ausreißer bewirken, daß trotz der Verwendung von robusten Schätzmethoden, eine stabile Hinderniserkennung nur durch die Einbeziehung von Vorwissen über die Art der Bewegung des Fahrzeugs realisiert werden kann. Weiterhin führen die Komplexität des Verfahrens und die damit verbundenen hohen Anforderungen an die Rechenleistung der eingesetzten Hardware dazu, daß die für die praktische Anwendbarkeit so wichtige Echtzeitfähigkeit des Verfahrens bisher nur für Eingangsbilder mit geringer Auflösung ermöglicht werden konnte. Speziell für die Bildverarbeitung hat sich das neue Paradigma der Zellularen Neuronalen Netzwerke als außerordentlich leistungsfähig erwiesen. Neben der extrem hohen Verarbeitungsgeschwindigkeit von CNN-basierten schaltungstechnischen Realisierungen zeichnen sie sich durch eine hohe Robustheit bei vertauschten oder fehlerhaften Eingangsdaten aus. Für nahezu jedes aktuelle Problem der Bildverarbeitung wurde bisher ein geeignetes CNN bestimmt. Auch für komplexe Aufgabenstellungen aus der Bildverarbeitung, wie beispielsweise die Texturklassifikation, die Spurverfolgung oder die Gewinnung von Tiefeninformation konnten bereits CNN-Programme implementiert und schaltungstechnisch verwirklicht werden. So konnte auch im zweiten Teil dieser Arbeit gezeigt werden, daß die einzelnen Schritte der Hinderniserkennung aus monokularen Bildsequenzen ebenfalls unter Verwendung eines CNN realisierbar sind. Es wurde demonstriert, daß für die Generierung eines Markantheitsbildes bereits ein Standard-CNN mit linearer Kopplungsfunktion und der Nachbarschaft r=1 verwendet werden kann. Das rechenaufwändige statistische Verfahren der Markantheitsbildberechnung kann somit durch einen einzigen CNN-Verarbeitungsschritt durchgeführt werden. Weiterhin wurde im Rahmen dieser Arbeit gezeigt, daß auch der folgende, rechenintensive Schritt des statistischen Verfahrens der Hinderniserkennung, nämlich die Verschiebungsvektorschätzung, mittels CNN verwirklicht werden kann. Hierzu sind CNN mit polynomialen Kopplungsfunktionen und der Nachbarschaft r=1 notwendig. Bei den durchgeführten Untersuchungen hat sich herausgestellt, daß die CNN-basierten Verarbeitungsschritte den statistischen Methoden in den Punkten Robustheit und Verarbeitungsgeschwindigkeit deutlich überlegen sind. Abschließend wurde in dieser Arbeit gezeigt, daß mit Hilfe von CNN sogar eine direkte Hinderniserkennung aus monokularen Bildsequenzen - ohne den Umweg über die Bestimmung der Verschiebungsvektoren und der Bewegungsgrößen - realisiert werden kann. In dem vorgestellten Verfahren wird nach zwei Vorverarbeitungsschritten, die Hinderniserkennung in einem einzigen Schritt unter Verwendung eines CNN mit polynomialen Zellkopplungsgewichten vom Grade D=3 und der Nachbarschaft r=2 durchgeführt. Das vorgeschlagene Verfahren führt zu einer wesentlichen Vereinfachung der Hinderniserkennung in monokularen Bildsequenzen, da die Bewegegungsschätzung aus dem statistischen Verfahren nicht länger notwendig ist. Die Umgehung der expliziten Bewegungsschätzung hat weiterhin den Vorteil, daß der Rechenaufwand stark reduziert wurde und durch den Wegfall der Verschiebungsvektorschätzung und dem damit verketteten Problem der Ausreißer, ist das vorgestellte CNN-basierte Verfahren außerdem sehr robust. Die ersten Resultate, die unter Verwendung von synthetischen und natürlichen Bildsequenzen erhalten wurden, sind überaus vielversprechend und zeigen, daß CNN ausgezeichnet zur Verarbeitung von Videosequenzen geeignet sind.
Die Physik beschäftigt sich seit jeher mit der Frage nach dem Aufbau und der Struktur der Materie. Die Antworten änderten sich im Laufe der Zeit, der gegenwärtige Stand der Erkenntnis ist im sogenannten Standardmodell zusammengefasst. Dort werden die Elementarteilchen in Leptonen und Quarks unterteilt, die Wechselwirkungen zwischen ihnen beschreibt man durch vier fundamentale Kräfte: die Gravitation, die elektromagnetischen Kraft, die schwache und die starke Kernkraft. Gemäß dem Standardmodell sind Nukleonen, also Protonen und Neutronen, aus Quarks aufgebaut. Das Proton ist beispielsweise ein gebundener Zustand aus zwei up und einem down Quark. Die Nukelonen bilden ihrerseits die Atomkerne, welche die Systematik der Elemente bestimmen. Quarks treten in sechs verschiedenen Arten (flavours) auf: up, down, strange, charm, bottom und top. Freie Quarks konnten bislang nicht nachgewiesen werden, sie werden nur als Quark-Antiquark Paar (Meson) oder als Kombination aus drei Quarks (Baryon) beobachtet. Mesonen und Baryonen werden unter dem Begriff Hadronen zusammengefaßt. Die starke Kernkraft beruht letztlich auf der Wechselwirkung zwischen Quarks, diese wird durch die Quantenchromodynamik (QCD) beschrieben. Ähnlich der Glashow- Salam-Weinberg Theorie (GSW), die die elektromagnetische und die schwache Kernkraft beschreibt, ist die Quantenchromodynamik durch Austauschteilchen charakterisiert. Im Fall der GSW wurden die Photonen bzw. W± oder Z-Teilchen als Austauschteilchen identifiziert, in der QCD fungieren Gluonen als Austauschteilchen. Photonen vermitteln die elektromagnetische Kraft zwischen allen Teilchen, die elektrische Ladung tragen. Analog wirkt die Kraft, die durch den Austausch von Gluonen beschrieben wird, zwischen Teilchen, die eine Farbladung tragen. Anders als das neutrale Photon trägt das Gluon selbst Farbe und wechselwirkt daher mit anderen Teilchen, die Farbe tragen. Dieser Umstand zeigt bereits, dass in der QCD ganz andere Phänomene zu erwarten sind als in der GSW. Die Tatsache, dass Quarks nur in gebundenen Zuständen vorliegen, erschwert die direkte Beobachtung der Wechselwirkung zwischen ihnen. Ein indirekter Weg, um die Wirkungweise diese Kraft zu untersuchen, liegt in der Erzeugung hoher Kernmateriedichten und hoher Kerntemperaturen. Die Idee besteht darin, das Phasendiagramm von Kernmaterie experimentell zu bestimmen (Abbildung 1.3) und dann auf die zugrundeliegende Kraft zu schließen. Unter anderem führen die Kräfte, die zwischen den Einzelteilchen des Mediums herrschen, zu charakteristischen Phasenübergängen. Im Fall der Kernmaterie hofft man insbesondere, den Übergang von gebundenen Zuständen in eine Quark-Gluon-Plasma Phase (QGP), in der sich Quarks und Gluonen frei bewegen, zu beobachten. Zwei prominente Beispiele demonstrieren, warum die Eigenschaften dieses Materiezustandes - und ob er überhaupt existiert - auch für andere Teilgebiete der Physik von großem Interesse sind. Zum einen geht man davon aus, dass in der Frühphase des Universums, 10-12 s nach dem Urknall, die Energiedichte so hoch war, dass die Materie in einem Plasmazustand vorlag. In diesem Bild führt die Expansion des Raumes zu einer Abkühlung des Plasmas und schließlich zum Ausfrieren in Hadronen. Zum anderen zeigen viele Modellstudien, dass im Innern von Neutronensternen mit extremen Dichten zu rechnen ist. Unter Umständen werden Energiedichten erreicht, die hoch genung sind, um einen Phasenübergang in ein Quark Gluon Plasma zu erzwingen. Die Beschreibung dieser astronomischen Objekte setzt somit auch die Kenntnis der Kräfte zwischen den Quarks voraus. Der einzige Weg, dichte Kernmaterie im Labor zu erzeugen, stellen Schwerionenreaktionen dar. Wenn zwei ultrarelativistische schwere Kerne zentral kollidieren, entsteht für kurze Zeit eine Region hoher Energiedichte (Abbildung 1.1). QCD-Gitter-Rechnungen deuten darauf hin, dass die Dichte, die man in Schwerionreaktion gegenwärtig erreicht, hoch genung ist, um einen Übergang der Kernmaterie in eine Plasma-Phase zu erzwingen. Aufgrund des hohen Drucks expandiert die verdichtete, heiße Kernmaterie in longitudinaler (entlang des Strahls) und transversaler (senkrecht zum Strahl) Richtung und die Dichte nimmt ab. Vorausgesetzt am Anfang der Reaktion wurde ein Quark-Gluon-Plasma erzeugt, dann friert diese Phase in Hadronen aus (chemisches Ausfrieren), wenn Dichte und Temperatur einen kritischen Wert unterschreiten. Die erzeugten Hadronen wechselwirken zunächst noch elastisch miteinander, d.h. die Impulse der Teilchen ändern sich, die Identität der Teilchen bleibt jedoch erhalten. Schließlich enden auch diese Wechselwirkungen (thermisches Ausfrieren), und die Teilchen verlassen die Reaktionszone (Abbildung 1.4). Der Ablauf einer solchen Schwerionenreaktion dauert einige 10-23s und ihre räumliche Ausdehnung liegt in der Größenordnung von 10-15m, damit ist die Reaktion selbst nicht beobachtbar. Nur der Endzustand, also die Identitäten und Impluse der emittierten Teilchen, kann bestimmt werden. Um den Ablauf der Reaktion zu rekonstruieren, ist man daher auf Modellrechnungen angewiesen. Aufgrund dieser Modellrechnungen wurden einige Observablen vorgeschlagen, die einen Phasenübergang kennzeichnen. Neben anderen Signaturen führt ein Phasenübergang wahrscheinlich zu einer verlängerten Emissionsdauer. Dieser Effekt kann möglicherweise durch die Analyse von Zwei-Teilchen-Korrelationen sichtbar gemacht werden. Ganz allgemein stellt die Untersuchung von Teilchenkorrelationen die einzige Möglichkeit dar, die raum-zeitlichen Strukturen während des thermischen Ausfrierens experimentell zu bestimmen. Korrelationen zwischen Teilchen, die von einer hinreichend kleinen Quelle emittiert werden, haben verschiedene Ursachen. Betrachtet man beispielsweise die Häufigkeitsverteilung der Impulsdifferenz zwischen zwei elektrisch gleich geladenen Teilchen, so stellt man fest, dass Paare mit geringer Impulsdifferenz weniger häufig vorkommen, als man anhand der Ein-Teilchen Impulsverteilung vorhersagen würde. Dieser Effekt ist auf die Abstoßung zwischen zwei elektrisch gleich geladenen Teilchen zurückzuführen, die mit kleiner Impulsdifferenz emittiert wurden. Eine weniger offensichtliche Korrelation wird durch den Quantencharakter identischer Teilchen verursacht. Zwei identische Bosonen, die im Phasenraum nahe beieinander liegen, können gemäß den Prinzipien der Quantentheorie nicht unterschieden werden. Die Wellenfunktion, die diesen Zwei-Teilchen-Zustand beschreibt, muß beim Vertauschen der Teilchen erhalten bleiben. Diese Forderung führt zu einem Interferenzterm in der Zwei-Teilchen Intensitätsverteilung. Diese Verteilung ist proportional zur Wahrscheinlichkeit, ein Teilchenpaar mit der Impulsdifferenz q zu messen. Berechnet man die Impulsdifferenzverteilung von Pionenpaaren und berücksichtig nur quanten- statistische Effekte, so findet man, dass Paare mit geringem Impulsunterschied bis zu zweimal häufiger vorkommen, als man aufgrund einfacher statistischer Überlegungen erwarten würde. Um diesen Effekt experimentell sichtbar zu machen, konstruiert man die Korrelationsfunktion, die die gemessene Impulsdifferenzverteilung in Relation zu einer Untergrundverteilung setzt. Experimentell gewinnt man diese Referenzverteilung, indem Paare aus Spuren aus verschiedenen Ereignissen gebildet werden. Die Referenzverteilung entspricht damit der Verteilung, die man messen würde, wenn die Teilchen nicht der Quantenstatistik unterlägen. Die Korrelationsfunktion wird im allgemeinen durch eine Gauß-Funktion angenähert. Das Inverse der Standardabweichung dieser Funktion wird nach den Pionieren der Intensitätsinterferometrie R. Hanbury Brown und R. Twiss als HBT-Radius bezeichnet. Teilchen interferieren nur dann, wenn sie im Phasenraum nahe beieinander liegen, das heißt sowohl die Impulsdifferenz als auch der räumliche Abstand muß hinreichend klein sein. Diese Bedingung kann genutzt werden, um von der gemessenen Korrelationsfunktion, die nur auf den Impulskomponenten basiert, auf die räumliche Verteilung der Teilchenproduktion zu schließen. Eine detaillierte Betrachtung erlaubt sogar, aufgrund der gemessenen Korrelationsfunktion quantitative Aussagen über die räumlichen Aspekte der Teilchenquelle zu machen. Beispielsweise können im Rahmen eines Modells die Stärke der transversalen Expansion oder die Emissionsdauer in Relation zu den HBT-Radien gesetzt werden. In Kapitel 2 sind die Grundlagen der Teilcheninterferometrie ausführlicher dargestellt. Der eigentliche Gegenstand dieser Arbeit ist experimentelle Analyse der Zwei- Teilchen-Korrelationen in einer Schwerionenreaktion. Dazu wird zunächst in Kapitel 3 das STAR Experiment am RHIC vorgestellt, in dem die Daten aufgezeichnet wurden, die Grundlage dieser Analyse sind. Am RHIC-Beschleuniger am BNL in den USA werden AuAu Kollisionen bis zu einer Schwerpunktsenergie von Wurzel aus SNN=200 GeV erzeugt. Figur 3.1 zeigt den Beschleuniger-Ring und die vier Experimente Brahms, Phenix, Phobos und STAR. Der hier analysierte Datensatz wurde bei der Datennahme im Jahr 2000 aufgezeichnet. Zu dieser Zeit wurde am RHIC eine Schwerpunktsenergie von Wurzel aus SNN=130 GeV erreicht. Bei einer zentralen AuAu Kollision werden mehrere Tausend Teilchen produziert. Der STAR Detektor ist dafür konzipiert, hadronische Teilchen kleiner Rapidität (d.h. großer Winkel zur Strahlachse) zu messen, innerhalb der Akzeptanz werden etwa 80% der produzierten geladenen Teilchen nachgewiesen. Der schematische Aufbau des STAR Detektorsystems ist in Figur 3.2 dargestellt. Der zentrale Detektor ist eine TPC (Zeit-Projektions-Kammer). Dieser Detektor basiert darauf, dass geladene Teilchen beim Durchgang durch ein Messgas eine Spur von Ionen hinterlassen. Ein starkes elektrisches Feld driftet die Elektronen, die bei den Ionisationsprozessen freigesetzt wurden, zu einer Ausleseebene. Der Punkt, an dem die Elektronen auf der Ausleseebene ein Signal erzeugen, entspricht der Projektion des Ionisationpunktes auf die Ausleseebene. Die dritte Komponente, die den Raumpunkt der Ionisation festlegt, ist durch die Driftzeit bei bekannter Driftgeschwindigkeit gegeben. So erscheint eine Teilchenspur als eine Kette von Ionisationspunkten im Detektorgas. Ein magnetisches Feld parallel zur Strahlachse führt zu einer Ablenkung der geladenen Teilchen. Die Krümmung der Spur ist dabei umgekehrt proportional zum transversalen Impuls. Abbildung 3.6 zeigt ein typisches Ereignis mit etwa 105 Ionisationspunkten und den entsprechenden Teilchenspuren. Der spezifische Energieverlust eines Teilchens beim Durchgang durch das Messgas hängt von seinem Impuls und seiner Masse ab. Die Stärke des auf der Ausleseebene induzierten Signals erlaubt den spezifischen Energieverlust zu bestimmen. Da der Impuls durch die Krümmung der Spur bekannt ist, kann so die Masse und damit die Identität des Teilchens bestimmt werden (siehe Abbildung 3.7). In Kapitel 4 wird der Datensatz beschrieben, der als Grundlage für diese Analyse dient. Während der Datennahme werden die digitalisierten Daten der TPC auf ein Speichermedium geschrieben. Der erste Schritt bei der Rekonstruktion der Ereignisse besteht darin, die Ionisationspunkte zu lokalisieren. Dies leistet der Clusterfinder- Algorithmus, der in Kapitel 4.1.1 beschrieben ist. Die Spurpunkte werden dann durch den Tracking-Algorithmus zu Teilchenspuren verbunden. Die erreichte Effizienz, Akzeptanz und Impulsauflösung der Rekonstruktion sind in Kapitel 4.1.2 zusammengefaßt. Die Zwei-Teilchen-Korrelationen werden nur für zentrale Kollisionen betrachtet, das sind Ereignisse mit kleinem Stoßparameter. Die Multipliztät der gemessenen Spuren ist in erster Näherung ein Maß für die Zentralität des Ereignisses. Für diese Analyse werden nur die 12% zentralsten Ereignisse zugelassen. Die Selektion der Ereignisse ist in Kapitel 4.2 beschrieben. Die Auswahl der Spuren, die in der Analyse verwendet werden, ist in Kapitel 4.3 beschrieben. Es werden nur Spuren zugelassen, deren Impulse in einem Bereich hinreichend hoher Akzeptanz und Effizienz liegen. Außerdem werden die Spuren ausgewählt, die mit hoher Wahrscheinlichkeit von Pionen stammen. Eine weitere Auswahl wird auf der Paarebene getroffen. Die Korrelationsfunktion wird in einzelnen Intervallen transversalen Paarimpulses kt und Paarrapidität Yðð gebildet. Damit kann die Abhängigkeit der HBT-Radien von diesen Größen dargestellt werden. Zwei weitere Auswahlkriterien sollen die Qualität der Spurpaare garantieren. Zum einen werden solche Paare verworfen, die im Detektor zu nahe beieinander liegen. Für die HBT-Analyse sind Paare mit geringem Impulsunterschied entscheidend, ein geringer Impulsunterschied heißt notwendigerweise, dass die Spuren räumlich nicht sehr weit getrennt sind. Wenn die Spuren aber zu nahe liegen, können sie vom Detektor und von der Rekonstruktionskette nicht mehr aufgelöst werden. Damit verliert man einen Teil der Paare in der Signalverteilung, nicht aber in der Untergrundverteilung, da in diesem Fall die endliche Zwei-Spur-Auflösung keine Rolle spielt. Um die Korrelationsfunktion nicht durch einen Detektoreffekt zu verfälschen, entfernt man die Paare, die im Detektor nahe beieinander liegen, sowohl in der Signal- als auch in der Untergrundverteilung. Ein weiteres Problem stellen "gebrochene" Spuren dar. In einigen Fällen wird eine Teilchenspur von der Rekonstruktionskette nicht als Ganzes erkannt, vielmehr werden zwei Spurstücke im Dektor gefunden. Da diese Spurstücke vom selben Teilchen stammen, haben sie eine sehr geringe Impulsdifferenz. Diese Paare können anhand ihrer Topologie im Detekor erkannt werden. Wie im Fall der begrenzten Zwei-Spur-Auflösung werden sie sowohl für die Signal- als auch für die Untergrundverteilung nicht zugelassen. In Kapitel 5 werden schließlich die Ergebnisse der Korrelationsanalyse dargestellt. Die Korrelationsfunktion wird in verschiedenen Parametrisierungen betrachtet. In der einfachsten Form betrachtet man nur den Betrag des Impulsdifferenzvektors. Dieser Ansatz bedeutet aber, dass der entsprechende HBT-Radius alle Raum-Zeit Komponenten mischt und damit nur wenig Aussagekraft bezüglich der Quellfunktion besitzt. Eine differenzierte Analyse in drei unabhängigen Komponenten ermöglichen die Pratt-Bertsch (PB) und die Yano-Koonin-Podgoretskii (YKP) Parametrisierung. Die beiden Parametrisierungen unterscheiden sich in der Zerlegung des Impulsdifferenzvektors in drei unabhängige Komponenten. Im ersten Fall bezeichnet man die Komponenten als qout, qlong und qside, im zweiten Fall als qpara, qperp und q0 (Kapitel 2.7 und 2.8). Die entsprechenden Korrelationsfunktionen sind in Gleichung 2.31 bzw. 2.34 gegeben. Die jeweiligen HBT-Radien Rout, Rlong und Rside bzw. Rpara, Rperp und R0 können in Relation zu den Parametern der Quellfunktion (Gleichung 2.43) gesetzt werden. Die beiden Parametrisierungen liefern im Prinzip die gleiche Information und die beiden Sätze von HBT-Radien können in Beziehung zueinander gesetzt werden (Gleichung 2.41). Beispielsweise entspricht der HBT-Radius R0 in der YKP-Parametrisierung in erster Näherung der Emissionsdauer, während in der PB- Parametrisierung diese Größe Verhältnis von Rout zu Rside abhängt. Zusätzlich zu den Radien enthält die YKP-Parametrisierung einen Parameter ß, der erlaubt, die longitudinale Geschwindigkeit des betrachteten Quellelementes zu bestimmen. Die Abbildungen 5.7 bis 5.10 zeigen die HBT-Radien beider Parametrisierungen in Abhänigigkeit vom transversalen Paarimpuls kt und von der Paarrapidität Yðð. Die Größe der gemessenen Radien bewegt sich zwischen 3 und 7 fm. Nur der Radius R0 verschwindet in den meisten kt-Yðð Intervallen. Die anderen Radien nehmen mit steigendem kt ab und sind unabhängig von Yðð . Abbildung 5.11 demonstriert, dass die beiden Parametrisierungen -dort wo sie vergleichbar sind- konsistente Ergebnisse liefern. Eine Diskussion der Ergebnisse schließt sich in Kapitel 6 an. Die Abhänigigkeit des Parameters ß von Yðð zeigt eine starke longitudinale Expansion an. Ein ähnliches Verhalten wurde bei niedrigeren Schwerpunktsenergien beobachtet, wo man allerdings eine schwächere longitudinale Expansion erwarten würde. Die Lebensdauer der Quelle, also die Zeit vom anfänglichen Überlapp der Kerne bis zum thermischen Ausfrieren, bestimmt die kt-Abhänigigkeit des Parameters Rlong. Dieser Zusammenhang wurde von Mahklin und Sinyukow formuliert, eine Anpassung der entsprechenden Funktion an die gemessene kt Abhänigigkeit von Rlong ergibt eine Lebensdauer von etwa 8 fm/c bei einer Ausfriertemperatur von etwa 126 MeV. Entsprechende Messungen bei niedrigeren Kollisionsenergien lieferten ähnliche Resultate. Die kt-Abhängigkeit des Parameters Rside ist mit der Stärke der transversalen Expansion gemäß Gleichung 6.3 verknüpft. Da die Relation nicht eindeutig ist, muß entweder eine feste Ausfriertemperatur angenommen werden oder es werden gleichzeitig Einteilchenspektren betrachtet, um die Mehrdeutigkeit zu eliminieren. Eine vorläufige Abschätzung ergibt eine mittlere transversale Expansions- geschwindigkteit von v ungefähr gleich 0.6 und einen gemetrischen Radius von RG ungefähr gleich 7.4 fm . Auch diese Ergebnisse sind vergleichbar mit entsprechenden Resultaten bei niedrigeren Kollisionsenergien. Ein weiterer Parameter der Quellfunktion ist die Emissionsdauer. Die Pionen werden nicht zu einem festen Zeitpunkt emittiert, man geht vielmehr davon aus, dass die Zeitpunkte der letzten elastischen Wechselwirkung in der Quelle gaußförmig verteilt sind. Den Mittelwert dieser Verteilung bezeichnet man als Lebensdauer der Quelle, die Breite als Emissionsdauer. Entsprechend Gleichung 6.4 bzw. 6.5 ist die Emissionsdauer mit dem Radius R0 bzw. dem Verhältnis Rout zu Rside verbunden. Wie in Abbildung 5.8 ersichtlich verschwindet der Parameter R0 , außer im kleinsten kt Intervall. Dies entspricht in der PB-Parametrisierung der Tatsache, dass das Verhältnis Rout zu Rside bei hohen kt kleiner als eins ist. Diese Resultate sind nicht vereinbar mit herkömmlichen Modellen. Insbesondere weil eine verlängerte Emissionsdauer als Signatur für die Bildung eines Quark-Gluon-Plasmas vorgeschlagen wurde, wird dieses Ergebnis derzeit intensiv diskutiert. Die Ergebnisse dieser Analyse sind sowohl mit bereits publizierten Daten der STAR Kollaboration als auch mit Resultaten von anderen RHIC Experimenten verträglich (siehe Abbildung 6.8). In Abbildung 6.9 ist die Abhängigkeit der HBT-Radien von kt bei verschiedenen Schwerpunktsenergien dargestellt. Im Gegensatz zu vielen anderen Observablen ändern sich die HBT Radien nur geringfügig. Da man erwartet, dass die Reaktion bei hohen Energien vollkommen anders abläuft, würde man auch davon ausgehen, dass sich die Ausfrierbedingungen ändern. Dass dies nicht in den Zwei-Teilchen- Korrelationen sichtbar wird, deutet darauf hin, dass die Näherungen die notwendig sind, um die gemessenen Radien mit Modellparametern zu verbinden, nicht gültig sind. Die Systematik der HBT Parameter als Funktion der Schwerpunktsenergie enthält damit keinen direkten Hinweis, dass die kritische Energiedichte überschritten wurde, ab der die Kernmaterie in einer Plasmaphase vorliegt. Andererseits werden weder die verschwindende Emissionsdauer noch die Tatsache, dass die anderen HBT-Parameter sich nur wenig mit der Schwerpunktsenergie ändern, als Argument dafür gewertet, dass die kritische Energiedichte nicht überschritten wurde. Die Frage, ob ein Quark- Gluon-Plasma im Labor erzeugt und analysiert werden kann, bleibt damit offen. Das thermische Ausfrieren einer Pionenquelle scheint hingegen anders zu verlaufen, als bisher angenommen wurde. Systematische Studien der Korrelationsfunktion in AA Kollisionen am RHIC in Kombination mit Fortschritten im theoretischen Verständnis der Teilcheninterferometrie in Schwerionenreaktion werden in Zukunft hoffentlich erlauben, die gemessenen Radien in ein konsistentes Bild einzuordnen. In zukünftigen Experimenten am LHC werden noch weit höhere Dichten erreicht als bisher, damit sollten sich auch die Ausfrierbedingungen stark verändern. Es wird sich dann zeigen, ob die Teilcheninterferometrie das geeignete Instrument ist, um die Quellfunktion einer Schwerionenreaktion zu messen.
In der vorliegenden Arbeit wird untersucht, inwieweit sich quantenoptische Zufallsgeneratoren, bei denen die "Welcher-Weg-Entscheidung" einzelner Photonen am Strahlteiler bzw. Faserkoppler zur Zufallsgenerierung verwendet wird, zur Erzeugung von Zufallsbitströmen eignen. Es werden hierbei im wesentlichen vier verschiedene Varianten aufgebaut, die sich durch die eingesetzte Lichtquelle und die Realisierung des optischen Aufbaus unterscheiden, um zu erkennen, welche Detailprobleme sich beim Aufbau solcher Generatoren zeigen. Als Lichtquellen werden eine Einphotonenquelle auf Basis der parametrischen Fluoreszenz und eine Quelle, die stark abgeschwächte, gepulste Poisson-Lichtfelder abstrahlt, eingesetzt. Bei der optischen Realisierung wird jeweils einmal Freistrahl- und einmal Faseroptik für das Zufall generierende Element verwendet. Die Rohdaten-Bitströme der verschiedenen Varianten werden mit Hilfe von statistischen Verfahren untersucht, die für Tests von physikalischen Zufallsgeneratoren geeignet sind. In der Diskussion werden die verschiedenen Testverfahren hinsichtlich ihrer Eignung zum Aufdecken tieferliegender Defekte bewertet. Thermische Einflüsse auf die Rohdaten-Ströme werden dargelegt, Methoden zur Verringerung der Einflüsse angegeben und gezeigt, wie mit Hilfe von mathematischen Regularisierungsverfahren ideale Bitströme aus den Rohdaten erzeugt werden können. Anhand von (mehrstufigen) Autokorrelationskoeffiziententests werden die Auswirkungen von Problemen mit verschiedenen Datenaufnahme-Elektroniken auf die Rohdaten- Ströme analysiert. Die Ursachen der Probleme werden diskutiert, mögliche Lösungen, wie sich die Probleme stark verringern bzw. vermeiden lassen, werden vorgeschlagen und experimentell untersucht. Die Einflüsse der Eigenschaften der verwendeten Photonenquellen im Zusammenspiel mit den verwendeten optischen Komponenten und Detektoren werden analysiert und ihre Auswirkungen auf die Zufallsgenerierung diskutiert. Zur Erhöhung der Ausgangbitrate quantenoptischer Zufallsgeneratoren werden verschiedene Ausführungen von Mehrfachzufallsgeneratoren vorgeschlagen, insbesondere für den quantenoptischen Zufallsgenerator auf Basis der parametrischen Fluoreszenz. Als weitere, interessante Variante eines quantenoptischen Zufallsgenerators wird das theoretische Konzept für den "HOM-Generator" präsentiert, bei dem beide Photonen eines Photonenpaares bei einer gemeinsamen "Welcher-Weg-Entscheidung" zur Zufallsgenerierung verwendet werden. Die vorgeschlagenen Varianten quantenoptischer Zufallsgeneratoren werden hinsichtlich ihrer Eignung für einen praktischen Einsatz diskutiert und bewertet. Für den Dauereinsatz quantenoptischer Zufallsgeneratoren als Komponente in Sicherheitsinfrastrukturen, wie z.B. Trustcentern, werden Optimierungen, Möglichkeiten der Kostenreduzierung und weitere Aufbauvarianten vorgeschlagen. Die Optimierungen werden hinsichtlich ihrer Praxistauglichkeit diskutiert und gewertet. Mögliche Angriffe auf quantenoptische Zufallsgeneratoren werden diskutiert und zur Erkennung von Manipulationen an physikalischen Zufallsgeneratoren werden verschiedene Möglichkeiten vorgestellt, um künstliche Signaturen einzufügen, sie vor Verwendung der Zufallsdaten zu verifizieren und aus dem Zufallsstrom zu entfernen.
Die auf dem ACDM-Modell beruhenden numerischen Simulationen der gravitativen Strukturbildung sind auf Skalen M >> 10 hoch 10 M sehr erfolgreich, insbesondere konvergieren die Verfahren hinsichtlich des vorhergesagten Masseanteils der Halos an der Gesamtmasse von Galaxien. Jedoch konvergieren die Simulationen nicht bezüglich der lokalen Überdichten von CDM in den Halos, vielmehr setzt sich gravitative Strukturbildung auf immer kleinere Skalen fort. Numerisch kann keine Massen-Schwelle berechnet werden, unterhalb derer keine CDM-Strukturen mehr gravitativ gebildet werden. Die Kenntnis der lokalen Überdichten in den CDM-Wolken und die Verteilung der CDM-Wolken ist jedoch für Experimente zum direkten und indirekten Nachweis von CDM-Teilchen essentiell. Aus den lokalen Überdichten folgen für Experimente zum direkten Nachweis die einfallende Stromdichten der CDM-Teilchen und für Experimente zum indirekten Nachweis die Stromdichte der Annihilationsprodukte. Außerdem können die lokalen Überdichten als Gravitationslinsen wirken. In dieser Arbeit werden Massen Schwellen analytisch berechnet, unterhalb derer akustische Störungen in CDM nicht mehr zur gravitativen Strukturbildung beitragen können. Das Massen-Spektrum von lokalen Überdichten ist nach unten durch zwei unterschiedliche Mechanismen beschränkt: (1) Während der kinetischen Entkopplung formieren sich Nichtgleichgewichtsprozesse, die sich kollektiv als Reihungsphänomene konstituieren. Im lineare Regime sind dies die Volumenviskosität, die Scherungsviskosität und die Wärmeleitung. Die dissipativen Prozesse deponieren Energie und Impuls der akustischen Störungen in die Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Störungen und schmieren diese so aus. (II) Nach dem kinetischen Entkopplungsprozeß strömt CDM frei auf Geodäten. Dies ermöglicht einen Strom von Teilchen von überdichten in unterdichte Regionen, so daß die Amplituden der lokalen Überdichten weiter gedämpft werden. Die lokalen Transportkoeffizienten in (1) werden durch einen legitimen Vergleich von hydrodynamischer und kinetischer Beschreibung schwach dissipativer Prozesse gewonnen. Dissipative Prozesse induzieren eine Dämpfungsmasse Mc ungefähr gleich 10 hoch minus 9 M in SUSY-CDM und beschränken damit das Spektrum akustischer Störungen in SUSY-CDM. Freies Strömen (II) von CDM-Teilchen auf Geodäten induziert eine weitere Dämpfungsmasse M fs ungefähr gleich 10 hoch minus 6 M in SUSY-CDM, wobei das berechnete M d als Anfangswert dient. Die berechneten Schwellen liefern konsistente Schranken für numerische Simulationen, die weit unterhalb des momentanen numerischen Auflösungsvermögens liegen. Weiterhin folgt aus den Schwellen die Masse der ersten rein gravitativ gebundenen CDM-Wolken. Aus diesen bilden sich im Rahmen der hierarchischen Strukturbildung größere Substrukturen bis hin zu den heute vorhandenen CDM-Halos.
Mikroentladungen bei hohem Druck und mit Gasfluss stellen eine vielseitig nutzbare Quelle für Ionen und kalte metastabile Atome dar. In dieser Arbeit werden grundlegende Untersuchungen an dieser neuen Hochdruckentladung zur Erzeugung von metastabilen Atomen und einfachgeladenen Ionen vorgestellt. Der innovative Ansatz ist die Nutzung mikrostrukturierter Elektroden (MSE) zur Erzeugung von nichtthermischen Entladungen mit Gleichspannung. Die spezielle porenförmige Geometrie erlaubt die Erzeugung von Entladungen bei einem Druck > 1000 hPa. Die Mikroentladung produziert metastabile Atome und Ionen in einem lokalisierten Volumen durch Stöße mit energiereichen Elektronen, wobei das Neutralgas in der Entladung im Vergleich zu den Elektronen kalt ist. Außerdem kann die Entladung mit erzwungenem Gasfluss durch die Pore betrieben werden, so dass die Plasmabestandteile (neutrale/angeregte Atome, Radikale, Ionen, etc.) extrahiert werden. Mit dieser neuen Methode kann bei der adiabatischen Expansion des Gases ins Vakuum ein gerichteter Gasstrahl, mit geringer interner Temperatur, im Bereich von einigen K erzeugt werden. Die Verweildauer des Gases in der Mikropore ist < 0,1 µs, so dass auch Zustände mit kurzer Lebensdauer extrahiert werden können. Die MSE lässt sich aufgrund der kleinen Abstände im µm Bereich als Mehrschichtsystem, aus zwei metallischen Elektroden, die durch einen Isolator getrennt sind, realisieren. Dieses Grundmaterial wird mit einzelnen oder einer Vielzahl von Poren mit typischerweise 100 µm Durchmesser versehen. Mit Hilfe dieser Mikrostrukturen lassen sich stabile, nicht filamentre, homogene Entladungen mit Gleichspannung in allen Gasen als auch Gasgemischen in einem weiten Druckbereich von 600 hPa bis 4000 hPa erzeugen. Die Druckverhältnisse in der Pore lassen sich durch den Gasfluss zwischen einigen ml/min bis l/min variieren. Die Verweildauer des Gases in der Pore kann durch den Gasfluss gesteuert werden. Zur Diagnose werden die Bestandteile des Plasmas mit dem Gasstrom extrahiert und expandieren adiabatisch ins Vakuum. Der Einfluss von Vordruck, Gasfluss, Entladestrom und Gaszusammensetzung auf die Eigenschaften des Plasma-Jets konnte auf diese Weise bestimmt werden. Durch die Kühlung der Mikroentladung konnte die interne Temperatur des Targets nochmals gesenkt und die Geschwindigkeit gezielt reduziert werden. Die Messung des Geschwindigkeitsprofils, die Zusammensetzung, etc. geben einen indirekten Einblick in die komplexen Prozesse der Mikroentladung, die mit konventionellen Analysemethoden nur schwer zugnglich sind. Die gemessenen Eigenschaften der MSE- unterstützten Hochdruckentladung sind vergleichbar mit klassischen Glimmentladungen, jedoch ist die Anregungs- und Ionisationswahrscheinlichkeit aufgrund der Geometrie größer. Unter definierten Rahmenbedingungen erlaubt diese neue Technik die Erzeugung eines gerichteten Plasma-Jets bestehend aus kalten metastabilen Atomen, Ionen, etc. Basierend auf diesem Prinzip wurde eine Quelle für metastabile Heliumatome aufgebaut und mit verschiedenen Methoden analysiert. Der 23S1- Zustand wird aufgrund seiner atomaren Struktur effektiv durch die energiereichen Elektronen in der Entladung angeregt. Die Gasströmung bestimmt den Druck und die Verweildauer im aktiven Volumen. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass mit diesem Aufbau kalte, metastabile Atomstrahlen mit einer Intensität von 6 mal 10 hoch 13 (s mal sr) hoch minus 1 und Geschwindigkeiten von 900-1800 m/s erzeugt werden können. Bei den gemessenen Dichten in der Pore von 6 mal 10 hoch 12 (cm) hoch minus 3 ist die Ausbeute durch das Quenching der metastabilen Atome beschränkt. Die Eigenschaften dieses exotischen Atomstrahls sind hinsichtlich der absoluten Geschwindigkeit und der Geschwindigkeitsverteilung identisch mit einem konventionellen Überschall-Gasstrahl. Die Qualität des Strahls, aufgrund seiner geringen internen Temperatur von einigen K, erlaubt die Trennung und Fokussierung des gewünschten Zustandes. In Kombination mit der Separationseinheit wurde die Mikroplasmaquelle zur Erzeugung eines metastabilen 2 3 S 1-Heliumtargets mit polarisiertem Elektronenspin verwendet. Bei der Separation wird durch den außermittigen Einschuss in den permanentmagnetischen Hexapol eine hervorragende räumliche Trennung der verschiedenen Zustände erreicht und die Ausdehnung des Targets im Fokus auf 1 mm hoch 2 reduziert. Die erreichte Targetdichte für den spinpolarisierten 2 3 S 1-Zustand liegt im Fokus bei 10 hoch 6 cm hoch -2. Die Charakterisierung des Strahlverlaufs als auch die Time-of-Flight-Messungen zeigen, dass es sich bei der MSE unterstützten Hochdruckentladung um eine nichtthermische Entladung mit vergleichbaren Eigenschaften wie Niederdruckglimmentladung handelt, d.h. neutrale/angeregte Atome und Elektronen sind nicht im Temperaturgleichgewicht. Die Gastemperatur wird somit in der Mikroentladung nicht erhöht. Die Messungen mit Düsentemperatur von 80 K haben dies ausnahmslos bestätigt. Mit dieser Quelle lassen sich auch feine Ionenstrahlen bei hohem Druck erzeugen. Bei erzwungener Gasströmung durch die Entladung werden die Ionen aus dem Bereich der Entladung extrahiert und können zur Diagnose der Hochdruckentladung ins Vakuum überführt werden. Die Ionenausbeute wurde für verschiedene Gase und Gasgemische in Abhängigkeit von Gasfluss, Entladestrom, Extraktionsspannung untersucht. Die Elektronenenergie reicht ausschließlich zur Produktion von einfachgeladenen Ionen bzw. Molekülen aus. Der Anteil an Metallionen zeigt deutlich, dass die Geometrie die Erzeugung von Sekundärelektronen an der Kathode unterstützt. Die Wechselwirkung der Ionen mit dem Überschall-Gasstrahl im Bereich zwischen Düse und Skimmer führt zu einer starken Energieverbreiterung. Dies kann jedoch durch eine modifizierte Extraktionsgeometrie reduziert werden, hierbei ist insbesondere auf die Raumladung im Bereich zwischen Düse und Skimmer zu achten. Die vorgestellten Messungen haben exemplarisch für Helium gezeigt, dass gerichtete, kalte, metastabile Atomstrahlen mit ausreichender Intensität für atomphysikalische Experimente erzeugt werden können. Auf Basis der grundlegenden Erkenntnisse lässt sich das spinpolarisierte Target im nächsten Schritt hinsichtlich der erreichten Ausbeute optimieren. Dazu ist es notwendig, die Bedingungen in der Expansionskammer zu verbessern, so dass die Plasmaquelle mit höherem Vordruck betrieben werden kann. In diesem Zusammenhang sollte auch der Abstand Düse Skimmer verringert und die Separationseinheit auf diese modifizierten Rahmenbedingungen angepasst werden. Durch diese Modifikation kann die Targetdichte für spinpolarisiertes, metastabiles Helium nochmals gesteigert werden. Mit der erreichten Targetdichte sind die grundlegenden Voraussetzungen für atomphysikalische Messungen an einem spinpolarisierten Target geschaffen. Durch Anpassung der Separationseinheit ist es prinzipiell auch möglich, andere exotische metastabile Targets mit polarisiertem Elektronenspin zu erzeugen.
In dieser Arbeit werden grundlegende Untersuchungen zum Verständnis der dynamischen Wechselwirkungsmechanismen atomarer Projektile mit Festkörperoberflächen vorgestellt, die zur Emission von Sekundärionen führen. Der zentrale Ansatzpunkt ist dabei die Vermessung der Dynamik über die geschwindigkeits- und winkeldifferentielle Verteilung der emittierten Sekundärionen. Dazu wurde ein neuartiges Spektrometer entwickelt, in dem jedes in einem homogenen elektrischen Feld abgelenkte Sekundärion durch seine Flugzeit (TOF) und den Auftreffort auf einen 2-dimensionalen (XY) ortsempfindlichen Detektor charakterisiert wird. Das Prinzip basiert auf dem in Gastargetexperimenten erfolgreich eingesetzten Frankfurter Meßsystem COLTRIMS (COLd Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy). Dieses System wurde weiterentwickelt und erstmalig in Frankfurt in einem Festkörperexperiment zur geschwindigkeits- und winkeldifferentiellen Spektrometrie von Sekundärionen angewendet. Ein zusätzliches Merkmal gegenüber herkömmlichen Spektrometern ist die Möglichkeit der einfachen Variation des Einfallswinkels 0p vom Projektil zum Target. Die korrekte Transformation der gemessenen Daten in eine 3-dimensionale Anfangsgeschwindigkeitsverteilung bedingt eine möglichst präzise Eichung des Spektrometers. Dazu wurde die in diesem Zusammenhang neuartige Methode des Strahlprofilmonitors entwickelt und eingesetzt. Durch die Wechselwirkung des Projektils mit einem nicht lokalisierten Gastarget erzeugt es auf seinem Weg durch das Spektrometer eine Spur aus Ionen. Die Gasionen befinden sich im Verhältnis zu den von dem Festkörper emittierten Sekundärionen nahezu in Ruhe. Daher kann über die Analyse der Projektilspur auf die zur Eichung notwendigen, aber im Experiment nicht direkt zugänglichen Parameter, wie Flugzeit (T0) und Auftreffort (x0/y0) für Teilchen mit der Geschwindigkeit v0z = v0x = v0y = 0, geschlossen werden. Die systematische Variation von Projektil- (He0/N0/Ar0, Ep = 0.2 - 2.2 MeV, 0p = 37°-78° relativ zur Oberflächennormalen) und Targeteigenschaften (Au/C/LiF/Al) erlaubt ein gezieltes Studium der dynamischen Wechselwirkung zwischen Projektilen und Festkörperoberflächen. Das untersuchte H+-Sekundärion entstammt einer Festkörperoberfläche bedeckenden quasistabilen Kontaminationsschicht, die im wesentlichen aus den Adsorbaten H2, H2O, CxHy besteht. Die gemessenen H+-Geschwindigkeitsverteilungen besitzen ein Maximum etwa bei v0 ungefähr gleich 25-35 km/s mit Ausläufern (abhängig von 0p) bis hin zu 240 km/s. Bei sinkender Projektilgeschwindigkeit zeigt die Verteilung der emittierten H+-Sekundärionen bei hohen Emissionsgeschwindigkeiten (v0 > 60 km/s) eine stark ausgeprägte Asymmetrie in der von dem einfallenden Projektil und der Oberflächennormalen definierten Ebene. Ionen werden mit einer hohen Geschwindigkeit (bis zu 140 km/s bei 0p = 45°) unter einem Winkel von ca. 90° zum Projektil, unabhängig von 0p, emittiert. Diese Asymmetrie wird durch eine binäre Kollision des Projektils mit dem Wasserstoff verursacht. Die Variation der Projektilgeschwindigkeit ist korreliert mit der deponierten Energie des Projektils im Festkörper. Daher kann in der Dynamik der Sekundärionen deutlich der Beitrag des nuklearen Anteils an der totalen Energiedeposition aufgezeigt und getrennt werden. Bei Emissionsgeschwindigkeiten v0 < 60 km/s zeigt sich eine starke Abhängigkeit von den Targeteigenschaften. Bei konstantem Einfallswinkel beobachten wir eine Verschiebung der Maxima von v0 max ungefähr gleich 26.5 km/s bei Au-, über 27.9 km/s bei Al- bis hin zu 32.5 km/s bei LiF-Targets. Es zeigt sich keine meßbare Abhängigkeit vom Einfallswinkel des Projektils bei Auund C-Targets, dagegen eine deutliche Verschiebung der Maxima hin zu größeren Geschwindigkeiten bei dem Al- (v0 max ungefähr gleich 27.5 km/s - 30 km/s) und dem LiF-Target (v0 max ungefähr gleich 32.5 km/s - 35.5 km/s) mit einer Vergrößerung von 0p. Ionen mit v0 < 30 km/s werden zum Großteil rückwärts in Richtung des einfallenden Projektils emittiert. Au und C sind gute, LiF und das mit einer Al2O3-Schicht überzogene Al dagegen schlechte elektrische Oberflächenleiter. Die Verschiebung der Verteilungen bei einem schlechten elektrischen Leiter ist ein Hinweis auf den zeitabhängigen Zerfall des Projektilspurpotentials im Festkörper. Die Zunahme der Emissionsgeschwindigkeit v0 bei Vergrößerung von 0p ist in der Vergrößerung der effektiven Targetdicke begründet und ein Hinweis auf eine targetdickenabhängige Neutralisationszeit des geladenen Spurkerns durch Elektronen des Substrats. Korrelationen im Sekundärionenemissionsprozeß bezüglich Impuls- und Energieerhaltung zwischen einem emittierten H+-Sekundärion und einem möglichen zweiten Sekundärion wurden nicht beobachtet. Über die Eichung hinaus eröffnen sich zusätzlich noch einige vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten des Strahlprofilmonitors. Zum einen ermöglicht er a) in der Gasmassenspektrometrie eine exakte Korrektur der Ionenflugzeit unabhängig vom Ort der Ionisation und zum anderen bildet er b) eine innovative Methode zur Kartographie lokaler elektrischer Felder und c) ferner einen alternativen Zugang zur Vermessung von Projektilstreuwinkeln. Die Verwendung eines ortsempfindlichen Detektors in der „kinematischen“ Materialanalyse verbindet simultan gute Tiefenprofilauflösung mit dem Nachweis eines großen Raumwinkels zugunsten einer besseren Statistik. Die Kenntnis der Emissionscharakteristik bewährt sich zudem in der Massenanalyse in der Unterscheidung von Ionen fast identischer Massen.