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A fundamental work on THz measurement techniques for application to steel manufacturing processes
(2004)
The terahertz (THz) waves had not been obtained except by a huge system, such as a free electron laser, until an invention of a photo-mixing technique at Bell laboratory in 1984 [1]. The first method using the Auston switch could generate up to 1 THz [2]. After then, as a result of some efforts for extending the frequency limit, a combination of antennas for the generation and the detection reached several THz [3, 4]. This technique has developed, so far, with taking a form of filling up the so-called THz gap . At the same time, a lot of researches have been trying to increase the output power as well [5-7]. In the 1990s, a big advantage in the frequency band was brought by non-linear optical methods [8-11]. The technique led to drastically expand the frequency region and recently to realize a measurement up to 41 THz [12]. On the other hand, some efforts have yielded new generation and detection methods from other approaches, a CW-THz as well as the pulse generation [13-19]. Especially, a THz luminescence and a laser, originated in a research on the Bloch oscillator, are recently generated from a quantum cascade structure, even at an only low temperature of 60 K [20-22]. This research attracts a lot of attention, because it would be a breakthrough for the THz technique to become widespread into industrial area as well as research, in a point of low costs and easier operations. It is naturally thought that a technology of short pulse lasers has helped the THz field to be developed. As a background of an appearance of a stable Ti:sapphire laser and a high power chirped pulse amplification (CPA) laser, instead of a dye laser, a lot of concentration on the techniques of a pulse compression and amplification have been done. [23] Viewed from an application side, the THz technique has come into the limelight as a promising measurement method. A discovery of absorption peaks of a protein and a DNA in the THz region is promoting to put the technique into practice in the field of medicine and pharmaceutical science from several years ago [24-27]. It is also known that some absorption of light polar-molecules exist in the region, therefore, some ideas of gas and water content monitoring in the chemical and the food industries are proposed [28-32]. Furthermore, a lot of reports, such as measurements of carrier distribution in semiconductors, refractive index of a thin film and an object shape as radar, indicate that this technique would have a wide range of application [33-37]. I believe that it is worth challenging to apply it into the steel-making industry, due to its unique advantages. The THz wavelength of 30-300 ¼m can cope with both independence of a surface roughness of steel products and a detection with a sub-millimeter precision, for a remote surface inspection. There is also a possibility that it can measure thickness or dielectric constants of relatively high conductive materials, because of a high permeability against non-polar dielectric materials, short pulse detection and with a high signal-to-noise ratio of 103-5. Furthermore, there is a possibility that it could be applicable to a measurement at high temperature, for less influence by a thermal radiation, compared with the visible and infrared light. These ideas have motivated me to start this THz work.
In dieser Arbeit wurde die Produktion von Omega und Anti-Omega Hyperonen in zentralen Pb+Pb-Kollisionen bei 40 A GeV am CERN SPS mit dem NA49 Experiment untersucht. Der in dieser Arbeit verwendete Datensatz wurde während einer 4 wöchigen Strahlzeit 1999 aufgenommen. Dabei wurden 579446 Zentrale (7.2 % des totalen Wirkungsquerschnitts) Ereignisse, bei zwei verschiedenen Polarit aten (std+ und std-), aufgezeichnet. Die Omega Produktion bei 40 A GeV wird mit Messungen bei anderen Energien verglichen, um damit die Energieabhangigkeit der Omega Produktion zu untersuchen. Das Experiment NA49 erlaubt genaue Messungen in einem weiten Akzeptanzbereich. Man misst die Zerfallstochter des Omegas und die Zerfallstochter des Omegas mit hochauflösenden TPCs. Mehrfach seltsame Teilchen (Theta, Omega) werden durch ihre Zerfallstopologie identifiziert. Es wurden verschieden Qualitatskriterien verwendet, um den kombinatorischen Untergrund zu reduzieren. NA49 hat nur eine endliche geometrische Akzeptanz und kann deshalb nicht den ganzen Phasenraum abdecken. Außerdem wurden verschiedene Qualitatskriterien verwendet, um ein akzeptables Signal zu Untergrund Verhaltnis zu erhalten. Da es wegen der Akzeptanz und der Qualitatskriterien zu Verlusten kommt, muss man darauf korrigieren. Dies macht man mittels einer Simulation, in der man Omega Hyperonen simuliert. Die Omega Hyperonen werden uber drei Rapiditatseinheiten um den Bereich zentraler Rapiditat und mit Transversalimpulsen von 0.9 bis 2.4 GeV/c gemessen. Es wurde der Temperaturparameter des Omega Hyperons bei 40 A GeV bestimmt. Im Rahmen der Fehler ist der Temperaturparameter der 40 A GeV dem der 158 A GeV gleich. Betrachtet man den Temperaturparameter der Omegas als Funktion der Schwerpunktenergie, gibt es einen Anstieg des Temperaturparameters von SPS- zu RHIC-Energien. Es wurden jeweils die Multiplizitaten bei mittlerer Rapiditat für Omega und Anti-Omega bestimmt. Die Multiplizität vom Omega betragt 0.068 +- 0.020 (stat.) +- 0.019 (sys.) und vom Anti-Omega 0.027 +- 0.008 (stat.) +- 0.007 (sys.). Die Multiplizitaten bei mittlerer Rapiditat steigen für Omega und Anti-Omega mit der Schwerpunktenergie von SPS- zu RHIC-Energien. Die Ergebnisse stimmen mit den Messungen der NA57 Kollaboration überein. Bei 40 A GeV wurde erstmals eine Rapiditatsverteilung gemessen. Die daraus resultierende totale Multiplizitat fur Omega + Anti-Omega betragt 0.20 +- 0.03 (stat.) +- 0.04 (sys.). Mit steigender Schwerpunktenergie steigt die totale Multiplizität und die Rapiditätsverteilung wird breiter. Um den systematischen Fehler zu bestimmen, wurde eine Stabilität-Analyse des mt-Spektrums und der Rapiditatsverteilung durchgefuhrt. Der systematische Fehler der mt-Spektren betragt 18 % und der totalen Multiplizitat 21 %. Schaut man sich die Anregungsfunktion der Omega und Anti-Omega als Funktion der Schwerpunktenergie an, erkennt man, dass es eine leichte Energieabhängigkeit beim Anti-Omega / Pi-Minus ....
In dieser Arbeit wurde die Pionenproduktion in C + C und Si + Si - Kollisionen bei 40A GeV und 158A GeV untersucht. Dazu wurden zwei vollkommen unterschiedliche Methoden, die dE/dx- Teilchenidentifizierung und die h- - Methode, bei der der Anteil von Nicht- Pionen simuliert wird, verwendet. Die Ergebnisse beider Methoden stimmen gut überein, die Differenz fließt in den systematischen Fehler ein. Für die Bestimmung der totalen Multiplizitäten und mittleren transversalen Massen wurde die h- - Methode aufgrund ihrer größeren Akzeptanz gewählt. Zusätzlich wurde für 40A GeV C + C eine zentralitätsabhängige Analyse der Pionenmultiplizitäten vorgenommen. Die Ergebnisse dieser Analyse sollten jedoch als vorläufig angesehen werden. Die Ergebnisse meiner Analyse wurden mit der von C. Höhne [14] bei 158A GeV verglichen, sie stimmen innerhalb der Fehler überein. Es wurden Modelle zur Simulation von Kollisionen (UrQMD, Venus) vorgestellt und angewandt, um die experimentellen Ergebnisse mit den Vorhersagen der Simulationen zu vergleichen. Ein weiteres Modell (Statistical Model of the Early Stage) wurde vorgestellt, welches die qualitative und anschauliche Interpretation der Daten erlaubt. Die Ergebnisse wurden als Energie- und Systemgrößenabhängigkeitsplots zusammen mit anderen NA49- Ergebnissen, Ergebnissen anderer Experimente und Simulationsvorhersagen gezeigt und diskutiert. Der Übergang von der Unterdrückung der Pionenproduktion in Pb+Pb - Kollisionen relativ zu p+p zu einer Erhöhung der Pionenproduktion bei niedrigen SPS-Energien wurde auch bei kleinen Systemen, C + C und Si + Si , beobachtet. Eine Interpretation der Pionenmultiplizitäten mit den Statistical Model of the Early Stage legt die Vermutung nahe, dass bereits bei 40A GeV C + C - Kollisionen Quark- Gluon- Plasma gebildet wird. Diese Vermutung muss allerdings durch die Betrachtung weiterer Observabler noch bestätigt werden.
Ultrarelativistische Schwerionenstöße werden seit etwa 15 Jahren untersucht, um Kernmaterie unter extremen Bedingungen zu erforschen; in Kollisionen schwerer Atomkerne kann bei hohen Einschußenergien Kernmaterie stark komprimiert und aufgeheizt werden. Die Bedeutung dieser Experimente wird durch Berechnungen der Quanten-Chromo-Dynamik auf raumzeitlichen Gittern hervorgehoben, die bei ausreichend hoher Energiedichte eine Phase voraussagen, in der die Quarks nicht mehr in Hadronen gebunden sind, sondern zusammen mit den Gluonen ein partonisches System ausbilden. Ist das System hinreichend groß und equilibriert, wird es als Quark-Gluon-Plasma bezeichnet. Die als Signatur für das Überschreiten der Phasengrenze vorgeschlagene erhöhte Produktion Seltsamkeit tragender Teilchen wurde in der Gegenüberstellung von elementaren Proton+Proton-Interaktionen und Kern+Kern-Stößen experimentell über einen weiten Energiebereich bestätigt. Eine solche Überhöhung kann aber auch durch rein hadronische Phänomene hervorgerufen werden. So tritt beispielsweise in statistischen Modellen bereits in einem Hadrongas eine Seltsamkeitserhöhung aufgrund des Übergangs von einem kanonischen zu einem großkanonischen Ensemble mit steigender Systemgröße in Kern+Kern-Stößen auf. Das motivierte die Messung der Systemgrößenabhängigkeit der Seltsamkeitsproduktion bei einer Einschußenergie, bei der in den Stößen der größten Kerne die partonische Phase erreicht werden sollte, während Proton-Proton-Interaktionen überlicherweise als hadronische Systeme betrachtet werden. In Kollisionen von Kohlenstoff- und Siliziumkernen bei 158 GeV pro Nukleon, deren Untersuchung Gegenstand dieser Arbeit ist, kann möglicherweise die Umgebung der Phasengrenze abgetastet werden. Besondere Aufmerksamkeit gilt der Frage nach dem Mechanismus der Seltsamkeitsproduktion in diesen Reaktionen. Das Experiment wurde am SPS-Beschleuniger am CERN in Genf durchgeführt, erstmals wurden dort leichte Projektilkerne durch den Aufbruch des primären Bleistrahls an einem Produktionstarget erzeugt. Das Herzstück des NA49-Spektrometers, mit dem die Daten aufgezeichnet wurden, sind die vier großvolumigen Spurendriftkammern, die die große Akzeptanz ermöglichen. Die Lambda- und Antilambda-Hyperonen aus C+C und Si+Si Kollisionen werden anhand ihrer Zerfallstopologie rekonstruiert und ihre Impulsverteilungen über einen weiten Bereich gemessen; mit zusätzlichen Annahmen werden schließlich die totalen Multiplizitäten extrapoliert. Die Produktion der Hyperonen pro Pion ist im Vergleich zu p+p-Daten bereits in C+C-Reaktionen deutlich erhöht, in Si+Si--Kollisionen ist annähernd der Wert aus Pb+Pb-Stößen erreicht. Mehrere Ursachen für diese Beobachtung werden diskutiert und mögliche Interpretationen vorgeschlagen. Der Grad an chemischer Equilibration und die Lage des Ausfrierpunktes im Phasendiagramm und im Vergleich zu anderen Stoßsystemen wird besprochen. Die Rapiditätsspektren der Lambda-Hyperonen entsprechen zunehmendem Stopping mit steigender Anzahl von Stößen pro Nukleon. Dadurch wird die Energie pro Nukleon im Feuerball erhöht, was zunehmende kinetische Energie der Teilchen und eine ansteigende Teilchenproduktion erzeugt. Die Verbreiterung der Transversalimpulsspektren mit der Systemgröße fügt sich in der Tat in das Bild anwachsenden radialen Flußes ein.
Es wurde eine Meßstation zum Vermessen von THz-Photomischern vorgestellt und aufgebaut. Weiterhin konnte gezeigt werden, wie diese Station es ermöglicht, das Vermessen von THz-Photomischern, im Vergleich zum bisher verwendeten Meßaufbau, deutlich zu vereinfachen und zu beschleunigen. Mit dieser Station wurden zwei Proben, die sich in der Dicke der LT-GaAs-Schicht unterscheiden, vermessen. Um die gemessenen Daten analysieren zu können wurden zuvor beschrieben, wie eine Modulation des Photostroms in Photomischern erhalten und damit THz-Strahlung erzeugt werden kann. Gemessen wurde die THz-Leistung in Abhängigkeit von Frequenz , Vorspannung und Leistung der optischen Beleuchtung. Diese Messungen haben zu Ergebnissen geführt, die nur zum Teil mit den theoretisch vorhergesagten Ergebnissen übereinstimmen. So wurde festgestellt, daß nur etwa 1 bis 2 % der theoretisch erwarteten THz-Leistung detektiert wurde. Dies kann an langlebigen Ladungsträgern liegen, die im Substrat erzeugt werden. Diese Ladungsträger unterhalb der LT-GaAs-Schicht führen zu einer erhöhten Leitfähigkeit und können dadurch Reflexion und Absorption von THz-Strahlung verursachen. Diese Vermutung wird unterstützt durch die Beobachtung einer starken Reduktion des Signals in einem gepulsten THz-System, wenn eine konstante Hintergrundbeleuchtung eingeschaltet wird.[45] Weiterhin ist nicht auszuschließen, daß die für die THz-Erzeugung relevante Lebenszeit der Ladungsträger deutlich größer ist, als die mit Anrege-Abfrage-Messungen bestimmte. Analog könnte auch eine deutlich höhere Kapazität des Photomischers als die theoretisch berechnete diese Beobachtung erklären. Ob langlebige Ladungsträger im Substrat für die geringe gemessen Leistung verantwortlich sind kann überprüft werden, indem zwischen Substrat und LT-GaAs-Schicht einen Bragg-Refelektor gewachsen wird. So kann verhindert werden, daß eingestrahlte Leistung das Substrat erreicht. Dadurch können keine Ladungsträger im Substrat angeregt werden. Zusätzlich hat dies den Effekt, daß ein größerer Anteil der eingestrahlten Strahlung absorbiert werden kann, weil die einfallende Strahlung wegen der Reflexion zweimal durch die LT-GaAs-Schicht läuft. Ein solcher Mischer wurde bereits von E. R. Brown vorgeschlagen.[46] Bei den Messungen der THz-Leistung gegen Vorspannung konnte beobachtet werden, daß der Photostrom eine andere Abhängigkeit von der Vorspannung zeigt, als theoretisch vorhergesagt wurde. Erwartet wurde ein linearer Zusammenhang. Bei höheren Vorspannungen wurde aber ein stärkerer Anstieg beobachtet. Dies kann z.B. an einem zusätzlichen nichtlinearen Strom durch das Substrat oder an einer vom elektrischen Feld abhängigen Lebenszeit der Ladungsträger liegen. Für beide Erklärungsansätze wurden vereinfachte Modelle vorgestellt. Beide Modelle treffen dabei unterschiedliche Vorhersagen über die Änderung der Effizienz beim Auftreten des höheren Stromes. Deutlich werden die Unterschiede in den Vorhersagen im Frequenzverlauf. So führt ein zusätzlicher Strom durch das Substrat zu einer Verringerung der Effizienz um einen von der Frequenz unabhängigen konstanten Faktor. Der Frequenzverlauf verschiebt sich also zu geringeren Effizienzen. Eine Erhöhung der Lebenszeit hingegen führt zu einem geänderten Frequenzverlauf. So ist die Änderung der Effiienz bei niedirgen Frequenzen gering, zu höheren Frequenzen hin ändert sich die Effizienz jedoch immer stärker. Die Vorhersagen beider Modelle wurden mit dem gemessenen Daten verglichen. Bei den gegebenen Parametern war der Unterschied zwischen den beiden Modellen jedoch zu gering und die Fluktuation in den Meßdaten zu hoch, um entscheiden zu können, welches der beiden Modelle die gemessenen Daten besser beschreibt. Um erkennen zu können, welches der Modelle den Effekt beschreibt, der zu einem höheren Strom führt, müßte der Effekt in den Meßdaten erhöht werden. Dies kann geschehen, indem zusätzlich bei höheren Spannungen gemessen wird. Es müßte dabei allerdings die optische Leistung reduziert werden, um ein Zerstören der Mischer zu vermeiden. In dieser Arbeit konnte somit gezeigt werden, daß die aufgebaute Meßstation ein vereinfachtes Messen von THz-Photomischern ermöglicht. Weiterhin konnte das Verhalten von zwei vermessenen Mischern gezeigt und analysiert werden, sowie weitere Messungen vorgeschlagen werden, die eine exaktere Analyse der Photomischer ermöglichen sollten.
We investigate transverse hadron spectra from relativistic nucleus-nucleus collisions which reflect important aspects of the dynamics - such as the generation of pressure - in the hot and dense zone formed in the early phase of the reaction. Our analysis is performed within two independent transport approaches (HSD and UrQMD) that are based on quark, diquark, string and hadronic degrees of freedom. Both transport models show their reliability for elementary pp as well as light-ion (C+C, Si+Si) reactions. However, for central Au+Au (Pb+Pb) collisions at bombarding energies above ~ 5 A.GeV the measured K+- transverse mass spectra have a larger inverse slope parameter than expected from the calculation. Thus the pressure generated by hadronic interactions in the transport models above ~ 5 A.GeV is lower than observed in the experimental data. This finding shows that the additional pressure - as expected from lattice QCD calculations at finite quark chemical potential and temperature - is generated by strong partonic interactions in the early phase of central Au+Au (Pb+Pb) collisions.
We investigate hadron production as well as transverse hadron spectra in nucleus-nucleus collisions from 2 A.GeV to 21.3 A.TeV within two independent transport approaches (UrQMD and HSD) that are based on quark, diquark, string and hadronic degrees of freedom. The comparison to experimental data demonstrates that both approaches agree quite well with each other and with the experimental data on hadron production. The enhancement of pion production in central Au+Au (Pb+Pb) collisions relative to scaled pp collisions (the 'kink') is well described by both approaches without involving any phase transition. However, the maximum in the K+/Pi+ ratio at 20 to 30 A.GeV (the 'horn') is missed by ~ 40%. A comparison to the transverse mass spectra from pp and C+C (or Si+Si) reactions shows the reliability of the transport models for light systems. For central Au+Au (Pb+Pb) collisions at bombarding energies above ~ 5 A.GeV, however, the measured K +/- m-theta-spectra have a larger inverse slope parameter than expected from the calculations. The approximately constant slope of K+/-spectra at SPS (the 'step') is not reproduced either. Thus the pressure generated by hadronic interactions in the transport models above ~ 5 A.GeV is lower than observed in the experimental data. This finding suggests that the additional pressure - as expected from lattice QCD calculations at finite quark chemical potential and temperature - might be generated by strong interactions in the early pre-hadronic/partonic phase of central Au+Au (Pb+Pb) collisions.
To be published in J. Phys. G - Proceedings of SQM 2004 : We review the results from the various hydrodynamical and transport models on the collective flow observables from AGS to RHIC energies. A critical discussion of the present status of the CERN experiments on hadron collective flow is given. We emphasize the importance of the flow excitation function from 1 to 50 A.GeV: here the hydrodynamic model has predicted the collapse of the v2-flow ~ 10 A.GeV; at 40 A.GeV it has been recently observed by the NA49 collaboration. Since hadronic rescattering models predict much larger flow than observed at this energy we interpret this observation as evidence for a first order phase transition at high baryon density r b. Moreover, the connection of the elliptic flow v2 to jet suppression is examined. It is proven experimentally that the collective flow is not faked by minijet fragmentation. Additionally, detailed transport studies show that the away-side jet suppression can only partially (< 50%) be due to hadronic rescattering. Furthermore, the change in sign of v1, v2 closer to beam rapidity is related to the occurence of a high density first order phase transition in the RHIC data at 62.5, 130 and 200 A.GeV.
We investigate hadron production and transverse hadron spectra in nucleus-nucleus collisions from 2 A·GeV to 21.3 A·TeV within two independent transport approaches (UrQMD and HSD) based on quark, diquark, string and hadronic degrees of freedom. The enhancement of pion production in central Au+Au (Pb+Pb) collisions relative to scaled pp collisions (the ’kink’) is described well by both approaches without involving a phase transition. However, the maximum in the K+ p+ ratio at 20 to 30 A·GeV (the ’horn’) is missed by ~ 40%. Also, at energies above ~5 A·GeV, the measured K± mT-spectra have a larger inverse slope than expected from the models. Thus the pressure generated by hadronic interactions in the transport models at high energies is too low. This finding suggests that the additional pressure - as expected from lattice QCD at finite quark chemical potential and temperature - might be generated by strong interactions in the early pre-hadronic/partonic phase of central heavy-ion collisions. Finally, we discuss the emergence of density perturbations in a first-order phase transition and why they might affect relative hadron multiplicities, collective flow, and hadron mean-free paths at decoupling. A minimum in the collective flow v2 excitation function was discovered experimentally at 40 A·GeV - such a behavior has been predicted long ago as signature for a first order phase transition.