Doctoral Thesis
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This doctoral thesis is concerned with the development of a method that allows to measure in vivo and non-invasively the mid-infrared absorption spectra of human epidermis, using photoacoustic spectroscopy. The main focus is the monitoring of the glucose level in epidermal interstitial fluid and its correlation with the blood glucose level; which is the most important parameter for the diagnosis and treatment of diabetes mellitus. Most publications in this field have only reported measurements in vitro for the absorption spectra of epidermis in the mid-infrared range. Using the approach presented in this work, it was possible to record in vivo and in situ the absorption spectra of skin of volunteers; and with these spectra, the changing glucose concentration could be monitored. The novelty of the photoacoustic method introduced here is that it operates in acoustic resonance in the ultrasound range. This considerably reduces the signal noise due to the external acoustic background. Although the photoacoustic method reported in this work was used to measure glucose in human epidermis, it can also be applied to other solid samples with relevant absorption bands in the mid-infrared. Furthermore, it can be used in other spectral regions if the laser source covers relevant absorption bands of the sample.
In this work the main emphasis is put on the investigation of relativistic shock waves and Mach cones in hot and dense matter using the microscopic transport model BAMPS, based on the relativistic Boltzmann equation. Using this kinetic approach we study the complete transition from ideal-fluid behavior to free streaming. This includes shock-wave formation in a simplified (1+1)-dimensional setup as well as the investigation of Mach-cone formation induced by supersonic projectiles and/or jets in (2+1)- and (3+1)-dimensional static and expanding systems. We further address the question whether jet-medium interactions inducing Mach cones can contribute to a double-peak structure observed in two-particle correlations in heavy-ion collision experiments. Furthermore, BAMPS is used as a benchmark to compare kinetic theory to several relativistic hydrodynamic theories in order to verify their accuracy and to find their limitations.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden astrophysikalisch relevante, kernphysikalische Raten, die zum Verständnis der beobachteten Häufigkeit des langlebigen Isotopes 60Fe wichtig sind, am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH und am Forschungsreaktor TRIGA in Mainz gemessen.
Zunächst wurde der Coulombaufbruch von 59Fe und 60Fe am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH untersucht. Zur Produktion der radioaktiven Strahlen wurde ein 64Ni-Primärstrahl auf ein Spallationstarget geleitet. Im Fragmentseparator wurden die Isotope nach deren magnetischen Steifigkeit separiert und nur die gewünschte Spezies im LAND/R3B-Aufbau untersucht. Die Bestimmung von Impuls und Ladung der eingehenden Ionen erlaubte eine individuelle Identifikation. Der Coulombaufbruchwirkungsquerschnitt wurde mit einer Bleiprobe bestimmt. Die verschiedenen Untergrundkomponenten ergaben sich aus einer begleitenden Leermessung, sowie einer Messung mit einer Kohlenstoffprobe. Der Wirkungsquerschnitt der Reaktion Pb(60Fe,n+59Fe)Pb bei (530±5) MeV/u wurde zu σ(60Fe,n+59Fe) COULEX = (298±11stat±31syst) mb (0.1) bestimmt und für die Reaktion Pb(59Fe,n+58Fe)Pb ergab sich σ(59Fe,n+58Fe) COULEX = (410±11stat±41syst) mb. (0.2)
Außerdem konnten für beide einkommenden Strahlsorten die Wahrscheinlichkeiten für die Produktion von zwei Neutronen bestimmt werden.
Anschließend wurde der Neutroneneinfangsquerschnitt von 60Fe bei kT = 25,3 meV am Forschungsreaktor TRIGA in Mainz bestimmt. Hierfür wurde eine 60Fe Probe zunächst anhand des Anstieges der Aktivität der 60Co-Tochterkerne charakterisiert und anschließend im Reaktor bestrahlt. Die frisch erzeugte Aktivität des 61Fe wurde mit einem HPGe-Detektor nachgewiesen. Mit Hilfe der Cadmiumdifferenzmethode konnte daraus erstmals der thermische Neutroneneinfangsquerschnitt von 60Fe zu σ60Fe(n,γ) th = 0,22±0,02stat±0,02syst b. (0.3) bestimmt werden. Für das Resonanzintegral ergab sich die obere Schranke von I 60Fe(n,γ) res = 0,61 b. (0.4)
The 35 neutron deficient nuclides known as the p nuclei are sysnthesized mainly in the so-called γ process. Taking place in explosive supernova events, the existing seed distribution from prior nucleosynthesis is altered by photodisintegration reactions of the types (γ,n), (γ,p) and (γ,α).
The bulk of reaction rates needed in network calculations of the γ process are predicted by the Hauser-Feshbach Model. When using this theory, the largest uncertainties stem from the interaction between charged particles and nuclei described by optical model potentials.
An improvement of these potentials can be achieved by comparison to measured cross section data. However, because of the low energies of interest for nuclear astrophysics and the resulting low cross sections, suitable data are scarce.
This thesis extends the corresponding database by measurement of the reactions 165Ho(α, n), 166Er(α, n), 169Tm(p,n) and 175Lu(p,n) using the activation technique. While not particularly important for the γ process, the selected (α,n) and (p,n) reactions exhibit nearly exclusive sensitivity to the α- or proton-nucleus potential, respectively. Therefore, the results presented here are well suited to test and improve the predictive power of currently available parameterizations of these potentials
In this study, the structural and functional properties of the Na+/Betaine symporter BetP were investigated upon K+-induced activation. BetP regulates transport activity dependent on the amount of associated anionic lipids and the cytoplasmic K+-concentration. For this purpose, FTIR spectroscopy was implemented as a non-perturbing biophysical method which shed light on how the membrane lipids contribute to the molecular mechanisms of activation and regulatory response of BetP.
Studies on the focusing performance of a Gabor lens depending on nonneutral plasma properties
(2013)
The concept of the Gabor lens goes back to an idea by Dennis Gabor, who proposed a magnetron-type trap as an effective diverging lens for electron beams (collecting lens for positive ion beams).
Electrons confined inside the lens volume by orthogonal magnetic and electric fields, create an electric space charge field that causes a radial symmetric focusing force on an ion beam passing through the lens volume.
Since the beginning of the 1990s, a new design of this lens type as well as numerical models to describe the confined plasma cloud have been developed at the Institute for Applied Physics (IAP, Johann Wolfgang Goethe-University Frankfurt).
Thanks to an improved understanding of the plasma confinement as a function of the external fields, two lenses have successfully been tested for low beam currents and remain in operation.
In the scope of this work, the performance of a prototype Gabor lens for the transport of intense, i.e. space charge dominated ion beams, was investigated at the High Current Test Injector (HOSTI) of GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH for the first time.
To ensure an optimal focusing performance of the Gabor lens a homogeneous and stable electron confinement is required. Therefore, new non-interceptive diagnostic methods were developed to investigate the parameters and state of the confined nonneutral plasma column as a function of the external fields.
An essential part of the studies was the time-resolved diagnostic of an occurring plasma instability and the determination of the electron temperature via optical spectroscopy. The latter necessitated the detailed investigation of atomic excitation as well as the measurement of optical-emission cross sections.
A comparison of the results from both experiments i.e. the beam transport measurements at GSI and the diagnostic experiments performed at IAP concerning the plasma state, gave first indications of possible interaction processes between the nonneutral plasma and the ion beam.
In our daily life, we carry out lots of tasks like typing, playing tennis, and playing the piano, without even noticing there is sequence learning involved. No matter how simple or complex they are, these tasks require the sequential planning and execution of a series of movements. As an ability of primary importance in one’s life, and an ability that everyone manages to learn, action-sequence learning has been studied by researchers from different fields: psychologists, neurophysiologists as well as roboticists. In the concept of sequence learning, perceptual learning and motor learning, implicit and explicit learning have been studied and discussed independently.
We are interested in infancy research, because infants, with underdeveloped brain functions and with limited motor ability, have little experience with the world and not yet built internal models as presumption of how to interpret the world. A series of infant experiments in the 1980s provided evidence that infants can rapidly develop anticipatory eye movements for visual events. Even when infants have no control of those spatial-temporal patterns, they can respond actually prior to the onset of the visual event, referred as "Anticipation".
In this work, we applied a gaze-contingent paradigm using real-time eye tracking to put 6- and 8-month-old infants in direct control of their visual surroundings. This paradigm allows the infant to change an image on a screen by looking at a peripheral red disc, which functions as a switch. We found that infants quickly learn to perform eye movements to trigger the appearance of new stimuli and that they anticipate the consequences of their actions in an early stage of the experiment.
Attention-shift from learning one stimulus to the next novel stimulus is important in sequence learning. In the test phase of infant visual habituation with two objects, we propose a new theory of explaining the familiarity-to-novelty shift. In our opinion an infant’s interest in a stimulus is related to its learning progress, the improvement of performance. As a consequence, infants prefer the stimulus which their current learning progress is maximal for, naturally giving rise to a familiarity-to-novelty shift in certain situations. Our network model predicts that the familiarity-to-novelty-shift only emerges for complex stimuli that produce bell-shaped learning curves after brief familiarization, but does not emerge for simple stimuli that produce exponentially decreasing learning curves or for long familiarization time, which is consistent with experimental results. This research suggests the infant's interest in a stimulus may be related to its current learning progress. This can give rise to a dynamic familiarity-to-novelty shift depending on both the infant's learning efficiency and the task complexity.
We know that for both infants and adults, the performance on certain motor-sequence tasks can be improved through practice. However, adults usually have to perform complex tasks in complicated environments; for example, learning multiple tasks is unavoidable in our daily life. In existing research, learning multiple tasks showed puzzling and seemingly contradictory results. On the one hand, a wide variety of proactive and retroactive interference effects have been observed when multiple tasks have to be learned. On the other hand, some studies have reported facilitation and transfer of learning between different tasks.
In order to find out the interaction between multiple-task learning, and to find an optimal training schedule, we use a recurrent neural network to model a series of experiments on movement sequence learning. The network model learns to carry out the correct movement sequences through training and reproduces differences between training schedules such as blocked training vs. random training in psychophysics experiments. The network model also shows striking similarity to human performance, and makes prediction for tasks similarity and different training schedules.
In conclusion, the thesis presents learning sequences of actions in infants and recurrent neural networks. We carried out a gaze-contingent experiment to study infants’ rapid anticipation of their own action outcomes, and we also constructed two recurrent neural network models, with one model explaining infant attention shift in visual habituation, and the other model directing to task similarity and training schedule in motor sequence control in adults.
Das Heidelberger Ionenstrahl Therapiezentrum (HIT) ist die erste klinische Anlage in Europa, an der die Strahlentherapie zur Tumorbekämpfung mit schwereren Ionen als Protonen möglich ist. Seit November 2009 wurden mehr als 1500 Patienten bei HIT behandelt.
Dabei kommt das beim GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH in Darmstadt entwickelte Rasterscan-Verfahren zum Einsatz. In der Bestrahlungsplanung wird der Tumor in Schichten gleicher Ionen-Energie und jede Schicht in einzelne Rasterpunkte eingeteilt. Für jeden Rasterpunkt wird eine individuelle Teilchenzahl appliziert, die am Ende zu der gewünschten Dosisverteilung führt. Dabei kann sich die benötigte Teilchenbelegung der einzelnen Rasterpunkte auch innerhalb einer Schicht um mehr als zwei Größenordnungen unterscheiden.
Ein auf wenige Millimeter Durchmesser fokussierter Teilchenstrahl kann in allen Raumrichtungen variiert werden, so dass selbst für unregelmäßig geformte Tumoren eine hochgenaue Dosiskonformität erreicht wird. Messkammern, die in der Ionen-Flugbahn kurz vor dem Patienten installiert sind, überwachen kontinuierlich Position, Form und Intensität des Strahls und ermöglichen so die Rasterpunkt-abhängige Dosisabgabe.
Zur Bereitstellung des Teilchenstrahls ist eine komplexe Beschleunigeranlage nötig, die eine große Bibliothek an möglichen Strahlparametern erzeugen kann. Das Herzstück der Anlage ist ein Synchrotron, in dem die Ionen auf die gewünschte Energie beschleunigt und anschließend über mehrere Sekunden extrahiert werden. Diese langsame Extraktion ist nötig, um dem Bestrahlungssystem genug Zeit für die korrekte, punktgenaue Dosisabgabe zu geben. Die zeitliche Struktur der beim Patienten ankommenden Strahlintensität wird Spill genannt.
Der verwendete Extraktionsmechanismus ist die transversale RF-Knockout Extraktion, die auf dem Prinzip der langsamen Resonanzextraktion beruht. Die im Synchrotron umlaufenden Teilchen werden dabei transversal angeregt, bis nach und nach ihre Schwingungsamplitude so groß ist, dass sie in den Extraktionskanal gelangen. Das für diese Anregung verantwortliche Gerät ist der RF-KO-Exciter. Er ist so eingestellt, dass ein möglichst konstanter Teilchenstrom das Synchrotron verlässt.
Bereits beim Befüllen des Synchrotrons variiert jedoch die injizierte Teilchenzahl und deren Verteilung im Phasenraum, so dass die voreingestellte Amplitudenfunktion des RF-KO-Exciters keinen idealen Spill liefern kann. Es kommt unweigerlich zu Schwankungen der Intensität am Strahlziel. Die erreichbare Leistungsfähigkeit der Therapieanlage hängt jedoch in hohem Maße von der Spillqualität ab. Je besser diese ist, umso schneller kann die individuelle Bestrahlung erfolgen und um so mehr Patienten können in gleicher Zeit behandelt werden.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Verbesserung der Spillqualität am Bestrahlungsplatz. Dazu wird ein Regelkreis zwischen den Strahl-detektierenden Messkammern und dem die Extraktion steuernden RF-KO-Exciter geschlossen. Ionisationskammern, die auch zur Dosisbestimmung verwendet werden, messen die aktuelle Intensität. Das Therapiekontrollsystem, das den gesamten Bestrahlungsprozess steuert, gibt den Sollwert vor und leitet alle Informationen zur Reglereinrichtung. Dort wird in Abhängigkeit der Abweichung aus gewünschter und tatsächlich vorhandener Intensität sowie dem Regelalgorithmus ein Korrektursignal errechnet und dem RF-KO-Exciter zugeführt. Eine der Herausforderungen bestand dabei im Auffinden der geeigneten Regelparameter, die entsprechend der Strahlparameter Energie und Intensität gewählt werden müssen.
In einem ersten Schritt kann so der extrahierte Teilchenstrahl auf dem jeweils geforderten, konstanten Niveau gehalten werden. Diese Stufe wird seit April 2013 vollständig im Routinebetrieb der Therapieanlage verwendet. Der zweite Schritt besteht in der Anpassung der Extraktionsrate an den individuellen Bestrahlungsplan. So können die Rasterpunkte, die eine hohe Dosis benötigen, mit einer höheren Intensität bestrahlt werden, was die Bestrahlungszeit deutlich reduziert. Die Vollendung dieser Stufe ist bis Ende 2013 vorgesehen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei Testsysteme sowie die Implementierung in den Routinebetrieb des Therapiebeschleunigers einer solchen Intensitäts- oder Spillregelung realisiert. Dies beinhaltet den Aufbau der Systeme, die Bereitstellung von Soll- und Istwert sowie die Auslegung und Einstellung des Regelkreises. Der erste Testaufbau für ein Strahlziel des Beschleunigers diente generellen Studien zur Machbarkeit einer solchen Regelung. Die dabei gesammelten Erfahrungen über nötige Erweiterungen führten zur zweiten Generation einer Testumgebung auf Basis eines Echtzeit-Ethernet-Systems. Dieses ermöglichte bereits die Regelung an allen Strahlzielen der HIT-Anlage sowie die Verwendung von unterschiedlichen Regelalgorithmen.
Mit den Systemen wurden Messungen zur Charakterisierung der Spillregelung im Parameterraum des Beschleunigers durchgeführt, um so ihre Möglichkeiten und Grenzen zu untersuchen. Erkenntnisse aus dieser Testphase flossen direkt in die Implementierung des für den Patientenbetrieb eingesetzten Systems ein, für das ein hohes Maß an Betriebs-Stabilität erforderlich ist. Es wurde in das Beschleuniger-Kontrollsystem unter Berücksichtigung des Sicherheitskonzeptes der Anlage integriert.
Die reine Bestrahlungszeit wird durch die Realisierung der ersten Stufe um bis zu 25% reduziert, nach Vollendung der zweiten Stufe wird sie um weitere bis zu 50% verringert. Strahlzeiten für Nachjustierungen der Spillqualität werden ebenfalls zum Teil eingespart. Insgesamt konnte durch die Spillregelung die Effizienz der Anlage deutlich gesteigert werden.
Heterodyne array receivers are employed in radio astronomy to reduce the observing time needed for mapping extended sources. One of the main factors limiting the amount of pixels in terahertz receivers is the difficulty of generating a sufficient amount of local oscillator power. Another challenge is efficient diplexing and coupling of local oscillator and signal power to the detectors. These problems are attacked in this dissertation by proposing the application of two vacuum electronic terahertz amplifier types for the amplification of the LO-signal and by introducing a new method for finding the defects in a quasioptical diplexer.
A traveling wave tube (TWT) design based on a square helix slow wave structure (SWS) at 825 GHz is introduced. It exhibits a simulated small-signal gain of 18.3 dB and a 3-dB bandwidth of 69 GHz. In order to generate LO-power at even higher frequencies, the operation of an 850-GHz square helix TWT as a frequency doubler has been studied. A simulated conversion efficiency of 7% to 1700 GHz, comparable with the state-of-art solid-state doublers, has been achieved for an input power of 25 mW.
The other amplifier type discussed in this work is a 1-THz cascade backward wave amplifier based on a double corrugated waveguide SWS. Specifically, three input/output coupler types between a rectangular waveguide and the SWS are presented. The structures have been realized with microfabrication, and the results of loss measurements at 1 THz will be shown.
Diplexing of the LO- and signal beams is often performed with a Martin-Puplett interferometer. Misalignment and deformation of the quasioptical components causes the polarization state of the output signal to be incorrect, which leads to coupling losses. A ray-tracing program has been developed for studying the influence of such defects. The measurement results of the diplexer of a multi-pixel terahertz receiver operated at the APEX telescope have been analyzed with the program, and the results are presented. The program allows the quasioptical configuration of the diplexer to be corrected in order to obtain higher receiver sensitivity.
In this thesis, Hanbury-Brown-Twiss (HBT) interferometry is used together with the Ultrarelativistic Quantum Molecular Dynamics (UrQMD) to analyse the time and space structure of heavy-ion collisions.
The first chapter after the introduction gives an overview of the different types of models used in the field of heavy-ion collisions and a introduction of the UrQMD model in more detail. The next chapter explains the basics of Hanbury-Brown-Twiss correlations, including azimuthally sensitive HBT (asHBT).
Results section:
4. Charged Multiplicities from UrQMD
5. Formation time via HBT from pp collisions at LHC
6. HBT analysis of Pb+Pb collisions at LHC energies
7. HBT scaling with particle multiplicity
8. Compressibility from event-by-event HBT
9. Tilt in non-central collisions
10. Shape analysis of strongly-interacting systems
11. Measuring a twisted emission geometry
This thesis covers the standard integrated HBT analyses, extracting the Pratt-Bertsch radii, at LHC energies. The analyses at these energies showed a too soft expansion in UrQMD probably related to the absence of a partonic phase in UrQMD. The most promising results in this thesis at these energies are the restriction of the formation time to a value smaller than 0.8 fm/c and furthermore, the results from the asHBT analyses. In simulations of non-central heavy-ion collisions at energies of Elab= 6, 8 and 30 AGeV the validity of the formulae to calculate the tilt angle via asHBT has been checked numerically, even for the case of non-Gaussian, flowing sources. On this basis has been developed and test in the course of this thesis that allows to measure a scale dependent tilt angle experimentally. The signal should be strongest at FAIR energies.