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Zur vollständigen Charakterisierung der Hochstrom-Protonenquelle im Rahmen des FRANZ-Projektes war es notwendig, die Emittanz dieser zu bestimmen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung zweier unterschiedlicher Emittanz-Messsysteme, welche in der Lage sind, im kritischen Einsatzbereich hinter der Ionenquelle die Emittanz zu bestimmen.
Die grundsätzliche Problematik der Emittanzmessung an Hochstrom-Ionenquellen liegt in den besonderen Anforderungen, die an diese Messsysteme gestellt werden. Zum einen müssen diese extrem hohe Strahlleistungsdichten und Strahlströme verarbeiten können, ohne Schaden zu nehmen. Zum anderen, was die besondere Herausforderung darstellt, ist es notwendig, dass sie unempfindlich gegenüber Hochspannungsüberschläge sind, da es naturgemäß an einer Ionenquelle zu Hochspannungsüberschlägen kommen kann, welche die sensible und teure Messelektronik schädigen können.
Aus diesem Grund wurde eine Pepperpot-Emittanz-Messanlage weiterentwickelt, welche komplett ohne hochspannungsempfindliche Elektronik auskommt. Diese besteht aus einem effizient wassergekühlten Messkopf mit einer Lochblende aus einer Wolframlegierung. Die Lochgeometrie wurde an die zu vermessende Ionenquelle angepasst. Anstelle einer Multichannelplate und / oder eines Leuchtschirms kommt eine mit Öl vorbehandelte Aluminiumplatte als Schirm zum Einsatz. Aufgrund der Wechselwirkung der, durch die Lochblende hindurch driftenden, Teilstrahlen mit der Oberfläche des Schirms, bilden sich auf diesem, mit bloÿem Auge sichtbare, Kohlenstoffabdrücke aus. Aus der Lage im Ortsraum und der Intensitätsverteilung der einzelnen Abdrücke kann die Phasenraum-Verteilung berechnet werden. Der Nachweis, dass die Intensitätsverteilung der Kohlenstoffabdrücke proportional zur Strahlstromdichtenverteilung eines jeden Abdrucks ist, wurde im Rahmen der Grundlagenuntersuchungen erbracht. Parallel wurde eine zweite, konventionelle Schlitz-Gitter-Emittanz-Messanlage entwickelt und aufgebaut.
Für die Auswertung der Rohdaten wurde eine Analysesoftware entwickelt, welche kompatibel zu beiden Messsystemen ist. Mittels dieser kann aus den Rohdaten die Phasenraum-Verteilung, die Emittanzen (Lage und Fläche) berechnet und in verschiedenen Schnittebenen graphisch dargestellt werden. Ein Hauptaspekt lag in der notwendigen Untergrundreduktion. Insbesondere bei der Analyse der Pepperpot-Schirme tritt bei der Digitalisierung derselben eine nicht physikalische Veränderung der Intensitätsverteilung der Kohlenstoffabdrücke auf. Die erfolgreiche Separation der Abdrücke vom Hintergrund war von entscheidender Bedeutung.
Mit beiden Emittanzmesssystemen konnte im Rahmen dieser Arbeit die Emittanz der FRANZ-Hochstrom-Protonenquelle bestimmt und Abhängigkeiten diverser Strahlparameter untersucht werden. Dabei zeigen die Ergebnisse beider Messsysteme eine sehr gute Übereinstimmung, was die Leistungsfähigkeit des Pepperpot-Messsystems in diesem Einsatzbereich bestätigt.
Für die Erzeugung der, im Rahmen verschiedener Emittanzmessungen, benötigten Plasmadichten wurde die eingespeiste Bogenleistung um 265% von 2.85kW auf 7.56kW erhöht. Die geringe Varianz der gemessenen Emittanzen lässt den Schluss zu, dass sich die Ionentemperatur im Rahmen der Messgenauigkeit in dem untersuchten Bereich nicht merklich ändert. Dies ist insofern bemerkenswert, da dies bedeutet, dass sich die Ionentemperatur nicht signifikant verändert hat, obwohl die Leistung im Plasma stark erhöht wurde.
Im Laufe der Grundlagenuntersuchungen des Pepperpot-Systems wurde festgestellt, dass es unter bestimmten Voraussetzungen zur Bildung von zwei Kohlenstoffabdrücken pro Blendenloch kommen kann. Mit Hilfe von Strahlsimulationen mittels dem Code IGUN sowie vergleichenden Emittanzmessungen konnte nachgewiesen werden, dass bei der Extraktion im sogenannten angepassten Fall zwei Teilstrahlen extrahiert werden. Durch eine geringfügige Erhöhung der Perveanz können diese beiden Teilstrahlen in einen laminaren Ionenstrahl überführt werden.
Im Hinblick auf die Konditionierung der FRANZ-LEBT wurde erstmals im Institut der Transport eines Hochstrom-Ionenstrahls durch einen Solenoiden sowie die Auswirkungen dessen auf die Strahlemittanz untersucht. Aufgrund des projektierten Protonenstroms von Ip = 50mA wurden diese Untersuchungen mit einem vergleichbaren Protonenstrom und einer Strahlenergie von E = 55keV durchgeführt.
Darüber hinaus wurde die zeitliche Entwicklung der Emittanz innerhalb eines Strahlpulses (80Hz,1ms,Ip = 56mA,It = 70mA) hinter dem Solenoiden untersucht. Eine Analyse zeigt, dass die Strahlemittanz innerhalb der Messgenauigkeit entlang des Pulsplateus nahezu konstant bleibt. Jedoch ändert sich die Divergenz des Strahlkerns innerhalb des Zeitraumes des Pulsanstiegs, aufgrund der Raumladungskompensation sowie des ansteigenden Stroms.
Nanomaterials, i.e., materials that are manufactured at a very small spatial scale, can possess unique physical and chemical properties and exhibit novel characteristics as compared to the same material without nanoscale features. The reduction of size down to the nanometer scale leads to the abundance of potential applications in different fields of technology. For instance, tailoring the physicochemical properties of nanomaterials for modification of their interaction with a biological environment has been reflected in a number of biomedical applications.
Strategies to choose the size and the composition of nanoscale systems are often hindered by a limited understanding of interactions that are difficult to study experimentally. However, this goal can be achieved by means of advanced computer simulations. This thesis explores, from a theoretical and a computational viewpoints, stability, electronic and thermo-mechanical properties of nanoscale systems and materials which are related to biomedical applications.
We examine the ability of existing classical interatomic potentials to reproduce stability and thermo-mechanical properties of metal systems, assuming that these potentials have been fitted to describe ground-state properties of the perfect bulk materials.
It is found that existing classical interatomic potentials poorly describe highly-excited vibrational states when the system is far from the potential energy minimum. On the other hand, construction of a reliable computational model is essential for further development of nanomaterials for applications. A new interatomic potential that is able to correctly reproduce both the melting temperature and the ground-state properties of different metals, such as gold, platinum, titanium, and magnesium, by means of classical molecular dynamics simulations is proposed in this work. The suggested modification of a many-body potential has a general nature and can be utilized for similar numerical exploration of thermo-mechanical properties of a broad range of molecular and solid state systems experiencing phase transitions.
The applicability of the classical interatomic potentials to the description of nanoscale systems, consisting of several tens-hundreds of atoms, is also explored in this study. This issue is important, for instance, in the case of nanostructured materials, where grains or nanocrystals have a typical size of about a few nanometers. We validate classical potentials through the comparison with density-functional theory calculations of small
atomic clusters made of titanium and nickel. By this analysis, we demonstrate that the classical potentials fitted to describe ground-state properties of a bulk material can describe the energetics of nanoscale systems with a reasonable accuracy.
In this work, we also analyze electronic properties of nanometer-size nanoparticles made of gold, platinum, silver, and gadolinium; nanoparticles composed of these materials are of current interest for radiation therapy applications. We focus on the production of low-energy electrons, having the kinetic energy from a few electronvolts to several tens of electronvolts. It is currently established that the low-energy secondary electrons of such energies play an important role in the nanoscale mechanisms of biological damage resulting from ionizing radiation. We provide a methodology for analyzing the dynamic response of nanoparticles of the experimentally relevant sizes, namely of about several nanometers, exposed to ionizing radiation. Because of a large number of constituent atoms (about 1000 −10000 atoms) and consequently high computational costs, the electronic properties of such systems can hardly be described by means of ab initio methods based on a quantum-mechanical treatment of electrons, and this analysis should rely on model approaches. By comparing the response of smaller systems (of about 1 nm size) calculated within the ab initio- and the model framework, we validate this methodology and make predictions for the electron production in larger systems.
We have revealed that a significant increase in the number of the low-energy electrons emitted from nanometer-size noble metal nanoparticles arises from collective electron excitations formed in the systems. It is demonstrated that the dominating mechanisms of electron yield enhancement are related to the formation of plasmons excited in a whole system and of atomic giant resonances formed due to excitation of valence d electrons in individual atoms of a nanoparticle. Being embedded in a biological medium, the noble metal nanoparticles thus represent an important source of low-energy electrons, able to produce a significant irrepairable damage in biological systems.
A general methodology for studying electronic properties of nanosystems is used to make quantitative predictions for electron production by non-metal nanoparticles. The analysis illustrates that due to a prominent collective response to an external electric field, carbon nanoparticles embedded in a biological medium also enhance the production of low-energy electrons. The number of low-energy electrons emitted from carbon nanoparticles is demonstrated to be several times higher as compared to the case of liquid water.
Different approaches are possible when it comes to modeling the brain. Given its biological nature, models can be constructed out of the chemical and biological building blocks known to be at play in the brain, formulating a given mechanism in terms of the basic interactions underlying it. On the other hand, the functions of the brain can be described in a more general or macroscopic way, in terms of desirable goals. This goals may include reducing metabolic costs, being stable or robust, or being efficient in computational terms. Synaptic plasticity, that is, the study of how the connections between neurons evolve in time, is no exception to this. In the following work we formulate (and study the properties of) synaptic plasticity models, employing two complementary approaches: a top-down approach, deriving a learning rule from a guiding principle for rate-encoding neurons, and a bottom-up approach, where a simple yet biophysical rule for time-dependent plasticity is constructed.
We begin this thesis with a general overview, in Chapter 1, of the properties of neurons and their connections, clarifying notations and the jargon of the field. These will be our building blocks and will also determine the constrains we need to respect when formulating our models. We will discuss the present challenges of computational neuroscience, as well as the role of physicists in this line of research.
In Chapters 2 and 3, we develop and study a local online Hebbian self-limiting synaptic plasticity rule, employing the mentioned top-down approach. Firstly, in Chapter 2 we formulate the stationarity principle of statistical learning, in terms of the Fisher information of the output probability distribution with respect to the synaptic weights. To ensure that the learning rules are formulated in terms of information locally available to a synapse, we employ the local synapse extension to the one dimensional Fisher information. Once the objective function has been defined, we derive an online synaptic plasticity rule via stochastic gradient descent.
In order to test the computational capabilities of a neuron evolving according to this rule (combined with a preexisting intrinsic plasticity rule), we perform a series of numerical experiments, training the neuron with different input distributions.
We observe that, for input distributions closely resembling a multivariate normal distribution, the neuron robustly selects the first principal component of the distribution, showing otherwise a strong preference for directions of large negative excess kurtosis.
In Chapter 3 we study the robustness of the learning rule derived in Chapter 2 with respect to variations in the neural model’s transfer function. In particular, we find an equivalent cubic form of the rule which, given its functional simplicity, permits to analytically compute the attractors (stationary solutions) of the learning procedure, as a function of the statistical moments of the input distribution. In this way, we manage to explain the numerical findings of Chapter 2 analytically, and formulate a prediction: if the neuron is selective to non-Gaussian input directions, it should be suitable for applications to independent component analysis. We close this section by showing how indeed, a neuron operating under these rules can learn the independent components in the non-linear bars problem.
A simple biophysical model for time-dependent plasticity (STDP) is developed in Chapter 4. The model is formulated in terms of two decaying traces present in the synapse, namely the fraction of activated NMDA receptors and the calcium concentration, which serve as clocks, measuring the time of pre- and postsynaptic spikes. While constructed in terms of the key biological elements thought to be involved in the process, we have kept the functional dependencies of the variables as simple as possible to allow for analytic tractability. Despite its simplicity, the model is able to reproduce several experimental results, including the typical pairwise STDP curve and triplet results, in both hippocampal culture and layer 2/3 cortical neurons. Thanks to the model’s functional simplicity, we are able to compute these results analytically, establishing a direct and transparent connection between the model’s internal parameters and the qualitative features of the results.
Finally, in order to make a connection to synaptic plasticity for rate encoding neural models, we train the synapse with Poisson uncorrelated pre- and postsynaptic spike trains and compute the expected synaptic weight change as a function of the frequencies of these spike trains. Interestingly, a Hebbian (in the rate encoding sense of the word) BCM-like behavior is recovered in this setup for hippocampal neurons, while dominating depression seems unavoidable for parameter configurations reproducing experimentally observed triplet nonlinearities in layer 2/3 cortical neurons. Potentiation can however be recovered in these neurons when correlations between pre- and postsynaptic spikes are present. We end this chapter by discussing the relation to existing experimental results, leaving open questions and predictions for future experiments.
A set of summary cards of the models employed, together with listings of the relevant variables and parameters, are presented at the end of the thesis, for easier access and permanent reference for the reader.
Eine möglichst realistische Abschätzung von Strahlenschäden ist von entscheidender Bedeutung im Strahlenschutz und für die Strahlentherapie. Die primären Strahlenschäden an der DNS werden heute mit Monte-Carlo-Codes berechnet. Diese Codes benötigen möglichst genaue Fragmentierungsquerschnitte verschiedenster biomolekularer Systeme als Eingangsparameter. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein Experiment aufgebaut, welches die Bestimmung der Fragmentierungsquerschnitte von Biomolekülen ermöglicht. Die einzelnen Baugruppen des Aufbaus wurden vor dem Beginn des Experimentes bezüglich ihrer Eigenschaften, die die Genauigkeit der Messergebnisse beeinflussen können, charakterisiert. Die Resultate dieser Experimente werden als Eingangsdaten für die Berechnung von primären strahleninduzierten Schäden in der DNS mit Hilfe von Monte-Carlo-Codes eingesetzt.
Eine besondere Herausforderung stellte die Präparation eines Überschallgasstrahls für biomolekulare Substanzen dar. Für die Präparation müssen die Targetsubstanzen zunächst in die Gasphase überführt werden. Im Falle von Biomolekülen ist diese Überführung auf Grund ihrer niedrigen Dampfdrücke bei Raumtemperatur und chemischen Reaktivität mit technischen Problemen verbunden. Die Probleme wurden mittels einer speziellen Konstruktion der Präparationseinrichtung, welche eine direkte Einleitung der Probensubstanzen in die vom Trägergas durchströmte Mischkammer ermöglicht, gelöst. Für die Genauigkeit der gemessenen Fragmentierungsquerschnitte spielen mehrere Faktoren eine Rolle. Neben dem Bewegungsprofil des Überschallgasstrahls, den kinetischen Energien der Fragmentionen und den ionenoptischen Eigenschaften des Flugzeitspektrometers beeinflusst die geometrische Beschaffenheit der Detektionszone maßgeblich die Genauigkeit des Experimentes. Die Position und Ausdehnung des sichtbaren Volumens sind nicht nur durch den Überlappungsbereich zwischen dem Elektronen- und dem Überschallgasstrahl bestimmt, sondern hängen auch von der kinetischen Energie der Fragmente ab. Für dessen Ermittlung wurden daher auch die Trajektorien der Fragmente simuliert. Bei den Experimenten an der PTB-Apparatur ist die frei wählbare Zeitdifferenz zwischen dem Auslösen eines Elektronenpulses und dem Absaugen der Fragmentionen ein wichtiger Messparameter. Ihr Einfluss auf die Messergebnisse wurde ebenfalls neben der Nachweiswahrscheinlichkeit des verwendeten Ionendetektors untersucht. Die Kalibrierung der Flugzeitspektren, d. h. die Umwandlung der Flugzeitspektren in Massenspektren erfolgte anhand der bekannten Flugzeitspektren von Edelgasen und Wasserstoff.
Nach der Charakterisierung der Einflussfaktoren und Kalibrierung der Flugzeitspektren wurden die energieabhängigen Fragmentierungsquerschnitte für Elektronenstoß von mehreren organischen Molekülen, darunter die von Modellmolekülen für die DNS-Bausteine gemessen. Die Flugzeitspektren von THF wurden mit der PTB-Apparatur für einige kinetische Energien der Elektronen in Abhängigkeit von der Zeitdifferenz zwischen dem Auslösen des Elektronenpulses und dem Starten der Analyse durchgeführt. Messungen von Pyrimidin wurden sowohl an der PTB-Apparatur als auch mit COLTRIMS durchgeführt. Die mit COLTRIMS gewonnenen Ergebnisse liefern wichtige Zusatzinformationen über die Fragmentierungsprozesse. COLTRIMS ermöglicht die Messung der zeitlichen Korrelationen zwischen den auftretenden Fragmentionen und damit tiefere Einblicke in die bei der Entstehung der Fragmente beteiligten Reaktionskanäle. Der Vorteil der PTB-Apparatur besteht darin, dass die relativen Auftrittswahrscheinlichkeiten aller Fragmentionen genauer bestimmt werden können.
The phenomenon of magnetism has been known to humankind for at least over 2500 years and many useful applications of magnetism have been developed since then, starting from the compass to modern information storage and processing devices. While technological applications are an important part of the continuing interest in magnetic materials, their fundamental properties are still being studied, leading to new physical insights at the forefront of physics. The magnetism of magnetic materials is a pure quantum effect due to the electrons that carry an intrinsic spin of 1/2. The physics of interacting quantum spins in magnetic insulators is the main subject of this thesis.We focus here on a theoretical description of the antiferromagnetic insulator Cs2CuCl4. This material is highly interesting because it is a nearly ideal realization of the two-dimensional antiferromagnetic spin-1/2 Heisenberg model on an anisotropic triangular lattice, where the Cu(2+) ions carry a spin of 1/2 and the spins interact via exchange couplings. Due to the geometric frustration of the triangular lattice, there exists a spin-liquid phase with fractional excitations (spinons) at finite temperatures in Cs2CuCl4. This spin-liquid phase is characterized by strong short-range spin correlations without long-range order. From an experimental point of view, Cs2CuCl4 is also very interesting because the exchange couplings are relatively weak leading to a saturation field of only B_c=8.5 T. All relevant parts of the phase diagram are therefore experimentally accessible. A recurring theme in this thesis will be the use of bosonic or fermionic representations of the spin operators which each offer in different situations suitable starting points for an approximate treatment of the spin interactions. The methods which we develop in this thesis are not restricted to Cs2CuCl4 but can also be applied to other materials that can be described by the spin-1/2 Heisenberg model on a triangular lattice; one important example is the material class Cs2Cu(Cl{4-x}Br{x}) where chlorine is partially substituted by bromine which changes the strength of the exchange couplings and the degree of frustration.
Our first topic is the finite-temperature spin-liquid phase in Cs2CuCl4. We study this regime by using a Majorana fermion representation of the spin-1/2 operators motivated by theoretical and experimental evidence for fermionic excitations in this spin-liquid phase. Within a mean-field theory for the Majorana fermions, we determine the magnetic field dependence of the critical temperature for the crossover from spin-liquid to paramagnetic behavior and we calculate the specific heat and magnetic susceptibility in zero magnetic field. We find that the Majorana fermions can only propagate in one dimension along the direction of the strongest exchange coupling; this reduction of the effective dimensionality of excitations is known as dimensional reduction.
The second topic is the behavior of ultrasound propagation and attenuation in the spin-liquid phase of Cs2CuCl4, where we consider longitudinal sound waves along the direction of the strongest exchange coupling. Due to the dimensional reduction of the excitations in the spin-liquid phase, we expect that we can describe the ultrasound physics by a one-dimensional Heisenberg model coupled to the lattice degrees of freedom via the exchange-striction mechanism. For this one-dimensional problem we use the Jordan-Wigner transformation to map the spin-1/2 operators to spinless fermions. We treat the fermions within the self-consistent Hartree-Fock approximation and we calculate the change of the sound velocity and attenuation as a function of magnetic field using a perturbative expansion in the spin-phonon couplings. We compare our theoretical results with experimental data from ultrasound experiments, where we find good agreement between theory and experiment.
Our final topic is the behavior of Cs2CuCl4 in high magnetic fields larger than the saturation field B_c=8.5 T. At zero temperature, Cs2CuCl4 is then fully magnetized and the ground state is therefore a ferromagnet where the excitations have an energy gap. The elementary excitations of this ferromagnetic state are spin-flips (magnons) which behave as hard-core bosons. At finite temperatures there will be thermally excited magnons that interact via the hard-core interaction and via additional exchange interactions. We describe the thermodynamic properties of Cs2CuCl4 at finite temperatures and calculate experimentally observable quantities, e.g., magnetic susceptibility and specific heat. Our approach is based on a mapping of the spin-1/2 operators to hard-core bosons, where we treat the hard-core interaction by the self-consistent ladder approximation and the exchange interactions by the self-consistent Hartree-Fock approximation. We find that our theoretical results for the specific heat are in good agreement with the available experimental data.