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Im Rahmen des FRANZ-Projektes wurde nach einer Ionenquelle verlangt welche in der Lage ist einen intensiven hochbrillanten Protonenstrahl von 200 mA bei 120 keV im Dauerstrichbetrieb zur Verfügung zu stellen, bei gleichzeitig niedriger Strahlemittanz. Der recht hohe Protonenstrom von 200 mA stellt dabei eine Herausforderung an den Experimentator dar.
Die grundsätzliche Problematik bei der Entwicklung einer solchen Ionenquelle besteht im Wesentlichen darin, ein geeignetes Extraktionssystem zu designen, welches in der Lage ist den geforderten hohen Protonenstrom zu extrahieren und transportieren. In diesem Zusammenhang wurden Abschätzungen bezüglich des notwendigen Emissionsradius, der elektrischen Feldstärke im Extraktionsspalt sowie des Protonenanteils für den verlangten Protonenstrom von 200 mA durchgeführt. Für die praktische Umsetzung wurden Lösungsstrategien erarbeitet. Ziel war es die elektrische Feldstärke im Gap so hoch wie möglich und den Radius der Emissionsöffnung so klein wie möglich zu wählen, bei gleichzeitig möglichst hohem Protonenanteil. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde ein Prototyp der Bogenentladungs-Volumenionenquelle entwickelt und erfolgreich in Betrieb genommen.
Zur Steigerung des Protonenanteils im Wasserstoffplasma wurden diverse Parameter der Ionenquelle optimiert wie bspw. Bogenleistung, Gasdruck sowie insbesondere die Feldverteilung und die magnetische Flussdichte des magnetischen Filters. Diese Ergebnisse wurden mit dem verbesserten theoretischen Modell zur Erzeugung von atomaren Wasserstoffionenstrahlen verglichen. Um die elektrische Feldstärke im Extraktionsspalt zu steigern wurden die Elektroden aus einem thermisch belastbaren Material hergestellt und einer speziellen Oberflächenbehandlung unterzogen. Des Weiteren wurden theoretische und experimentelle Untersuchungen bezüglich der Emissionsstromdichte und der Strahlqualität durchgeführt. Weiterhin wurde die Emittanz des Ionenstrahls berechnet sowie mit einer eigens am Institut für Angewandte Physik entwickelten Pepperpot-Emittanzmessanlage experimentell bestimmt. Die vorliegende Dissertation präsentiert die Ergebnisse der Entwicklung dieser hocheffizienten Bogenentladungs-Volumenionenquelle.
Atomistic molecular dynamics approach for channeling of charged particles in oriented crystals
(2015)
Der Gitterführungseffekt ist der Prozess der Ausbreitung von geladenen Teilchen entlang der Ebenen oder Achsen von kristallinen Materialien. Seit den 1960er Jahren ist dieser Effekt weitgehend theoretisch und experimentell untersucht worden. Dieser Effekt wurde für die Manipulation von Hochenergiestrahlen, die Hochpräzisionsstruktur- und -fehleranalyse von kristallinen Medien und die Herstellung von hochenergetischer Strahlung angewendet. Zur Abstimmung der Parameter der Gitterführung und Gitterführungsstrahlung wurde dieser Prozess für den Fall von künstlich nanostrukturierten Materialien, wie gebogenen Kristallen, Nanoröhren und Fullerit, angenommen. In den letzten Jahren wurde das Konzept des kristallinen Undulators formuliert und getestet, das besondere Eigenschaften der Strahlung aufgrund der Gitterführung von Projektilen in regelmäßig gebogenen Kristallen vorhersagt.
In dieser Arbeit werden die Prozesse der Gitterführung von Sub- und Multi-GeV-Elektronen und -Positronen durch den atomistischen Molekulardynamik-Ansatz untersucht. Die Ergebnisse dieser Studien wurden in einer Reihe von Artikeln während meiner Promotion in Frankfurt vorgestellt. Dieser Ansatz ermöglicht die Simulation komplexer Fälle von Gitterführung in geraden, gebogenen und periodisch gebogenen Kristallen aus reinen kristallinen Materialien und von gemischten Materialien wie Si-Ge-Kristallen, in mehrschichtigen und nanostrukturierten kristallinen Systemen. Die Arbeit beschreibt die Methode der Simulationen, stellt Ergebnisse von Simulationen für verschiedene Fälle vor und vergleicht die Ergebnisse von Simulationen mit aktuellen experimentellen Daten. Die Ergebnisse werden mit Schätzungen der dechanneling-Länge verglichen, dem Anteil der gittergeführten Projektile, der Winkelverteilung der ausgehenden Projektile und des Strahlungsspektrums.
The upcoming CBM Experiment at FAIR aims at exploring the region of highest net baryonic densities reproducible in energetic heavy ion collisions. Due to the very high beam intensities expected at FAIR, unprecedented data regarding rare observables such as charm quarks and hyperons will be accessible. Open charm mesons are particularly interesting, since they support the reconstruction of the total charm cross-section in order to search for exotic phenomena, e.g. a phase transition towards the quark-gluon plasma which is predicted by several theoretical models. Open charm studies will be performed via secondary vertex reconstruction with a suitable Micro-Vertex Detector (MVD). The CBM-MVD is currently in the development and prototyping phase with primary design goals concentrating on spatial resolution, radiation hardness, material budget, and readout performance. CMOS Monolithic Active Pixel Sensors (MAPS) provide an excellent spatial resolution for the MVD in the order of few um in combination with a low material budget (50 um thickness) and high radiation hardness. The active volume of the devices is formed from the epitaxial layer of standard CMOS wafers. This allows for integration of pixels together with analogue and digital data processing circuits on one single chip. This option was explored with the MIMOSA-26 prototype, which integrates functionalities like pedestal correction, correlated double sampling, discrimination and data sparsification based on zero suppression combined with a small and dense pixel matrix. The pixel array composed of 576 lines of 1152 pixels is read out in a column-parallel rolling shutter mode. One discriminator per column and the digital data processing circuits are located on the same chip in a 3 mm wide area beneath the pixel matrix allowing for binary hit encoding. This area also contains the circuits for pedestal correction and the configuration memory, which is programmed via JTAG. The preprocessed digital data is read out via two 80 Mbit/s LVDS links per sensor, which stream their data continuously based on a low-level protocol.
Within the scope of this thesis, a readout concept of the CBM-MVD is proposed and studied based on the current MIMOSA sensor generation. The backbone of the system is formed by the Readout Controller boards (ROCs) featuring FPGA microchips and optical links. Several ROC prototypes are considered using the synergy with the HADES Experiment. Finally, the TRB3 board is selected as a possible candidate for the initial FAIR experiments. Furthermore, a highly scalable, hardware independent FPGA firmware is implemented in order to steer and read out multiple MIMOSA-26 sensors. The reconfigurable firmware is also designed with the support for future MIMOSA sensor generations. The free-streaming sensor data is deserialized and error-checked, prior to its transmission over a suitable network interface. In order to demonstrate the validity of the concept, a readout network similar to the HADES Data Acquisition (DAQ) system is developed. The ROC is tested on the HADES TRB2 boards and data is acquired using suitable MAPS add-on boards and the TrbNet protocol.
In the context of the CBM-MVD prototype project, a readout network with 12 MIMOSA-26 sensors has been prepared for an in-beam test at the CERN SPS facility. A comprehensive control system is designed comprising customized software tools. The subsequent in-beam test is used to validate the design choices. As a result, the system could be operated synchronously and dead-time free for several days. The readout network behavior in a realistic operating environment has been carefully studied with the outcome the the TrbNet based approach handles the MVD prototype setup without any difficulties. A procedure to keep the sensors synchronous even in case of a data overflow has been pioneered as well. After the beam test, improvements and conceptual changes to the readout systems are being addressed which allow an integration into the global CBM DAQ system.
The implementation of pump-probe experiments with ultrashort laser pulses enables the study of dynamical processes in atoms or molecules, which may provide a deeper inside in their physical origin. The application of this method to systems as nitrous oxide, which is not only a simple example for polyatomic molecules but which also plays a crucial role in the greenhouse effect, promises interesting and beneficial findings. This thesis presents, on the one hand, the technical extension of an existing experimental setup for high-harmonic generation (HHG) and ultra-fast laser physics by an extreme ultraviolet (XUV) spectrometer for the in-situ observation of the harmonic spectrum during ongoing measurements. The present setup enables the production of short laser pulse trains in the XUV spectral range with durations of a few hundred attoseconds (1 as = 10^−18 s) via HHG and supports to perform XUV-IR pump-probe experiments using the infrared (IR) driving field with durations of a few femtoseconds. Moreover, a reaction microscope is implemented, which enables the coincident detection of several charged particles emerging from an ionization or dissociation process and to reconstruct their full 3-D-momentum vectors. With this technique it is possible to perform time-resolved momentum spectroscopy of few-particle quantum systems. Here, the design and the calibration of the XUV spectrometer is presented as well as a first application to the analysis of experimental data by providing information on the produced photon energies. On the other hand, the results of an XUV-pump IR-probe measurement on nitrous oxide (N2O) are discussed. With the broad harmonic spectrum (∼ 17 − 45 eV) it is possible to address several states of the singly and doubly ionized cation. One reaction channel is the single ionization into a stable state of N2O+. Here, the coincidently measured photoelectron energies allow the observation of sidebands, which served to estimate the pulse durations of the involved XUV pulse trains as well as of the fundamental IR pulses. Additionally, single ionization of nitrous oxide can lead to a dissociation into a charged and a neutral fragment. The four respective dissociation channels are compared by presenting their branching ratios, kinetic energy release (KER) distributions and their dependencies on the time delay between pump and probe pulse. In the production of the dication, there are two competitive processes: direct double ionization considering photon energies above the double-ionization threshold, and autoionization of singly ionized and excited molecules in the case of photon energies near the double-ionization threshold. In both cases, the ionization leads to a Coulomb explosion into two charged fragments, where the N − N bond or the N − O bond may dissociate. The influence of the IR-probe field on the ionization yield and the KER was investigated for both dissociation channels and compared. In addition, the corresponding photoelectron energy spectra are presented, which show indications for autoionizing states being involved, and their dependence on the delay and the KER of the respective ions is analyzed.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung einzelner chiraler Moleküle durch Koinzidenzmessungen. Ein Molekül wird chiral genannt, wenn es in zwei Varianten, sogenannten Enantiomeren auftritt, deren Strukturmodelle Spiegelbilder voneinander sind.
Da viele biologisch relevante Moleküle chiral sind, sind Methoden und Erkenntnisse dieses Gebiets von großer Bedeutung für Biochemie und Pharmazie. Bemerkenswert ist, dass in der Natur meist nur eines der beiden möglichen Enantiomere auftritt. Ob diese Wahl zufällig war, ob sie aufgrund der Anfangsbedingungen bei Entstehung des Lebens erfolgte, oder ob sie eine fundamentale Ursache hat, ist bisher ungeklärt. Seit der Entdeckung chiraler Molekülstrukturen in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts ist eine Vielzahl von Methoden entwickelt worden, um die beiden Enantiomere eines Moleküls zu unterscheiden und ihre Eigenschaften zu untersuchen. Aussagen über die mikroskopische Struktur (Absolutkonfiguration) können jedoch meist nur mithilfe theoretischer Modelle getroffen werden.
Der innovative Schritt der vorliegenden Arbeit besteht darin, eine in der Atomphysik entwickelte Technik zur Untersuchung einzelner mikroskopischer Systeme erstmals auf chirale Moleküle anzuwenden: Mit der sogenannten Cold Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy (COLTRIMS) ist es möglich, einzelne Moleküle in der Gasphase mehrfach zu ionisieren und die entstandenen Fragmente (Ionen und Elektronen) zu untersuchen. Die gleichzeitige Detektion dieser Fragmente wird als Koinzidenzmessung bezeichnet.
Zunächst wurde das prototypische chirale Molekül CHBrClF mit einem Femtosekunden-Laserpuls mehrfach ionisiert, sodass alle fünf Atome als einfach geladene Ionen in einer sogenannten Coulomb-Explosion „auseinander fliegen“. Durch Messung der Impulsvektoren dieser Ionen konnte die mikroskopische Konfiguration einzelner Moleküle mit sehr hoher Zuverlässigkeit bestimmt werden. Somit eignet sich die Koinzidenzmethode auch dazu, die Anteile der rechts- bzw. linkshändigen Enantiomere in einer Probe zu bestimmen. Die Messungen an der verwendeten, racemischen Probe zeigen bei der Ionisation mit linear polarisiertem Licht im Rahmen der statistischen Unsicherheit wie erwartet eine Gleichverteilung der beiden Enantiomere.
In einem nachfolgenden Experiment konnte gezeigt werden, dass sich die Coulomb-Explosion auch mit einzelnen hochenergetischen Photonen aus einer Synchrotronstrahlungsquelle realisieren lässt. Für beide Ionisationsmechanismen – am Laser und am Synchrotron - wurden mehrere Fragmentationskanäle untersucht. Im Hinblick auf die Erweiterung der Methode hin zu komplexeren, biologisch relevanten Molekülen ist es entscheidend zu wissen, inwieweit sich die Händigkeit bestimmen lässt, wenn nicht alle Atome des Moleküls als atomare Ionen detektiert werden. Hierbei stellte sich heraus, dass auch molekulare Ionen zur Bestimmung der Absolutkonfiguration herangezogen werden können. Eine signifikante Steigerung der Effizienz konnte für den Fall demonstriert werden, dass nicht alle Fragmente aus der Coulomb-Explosion des Moleküls detektiert wurden – hier lassen sich allerdings nur noch statistische Aussagen über die Absolutkonfiguration und die Häufigkeit der beiden Enantiomere treffen.
Um die Grenzen der Methode in Bezug auf die Massenauflösung zu testen, wurden isotopenchirale Moleküle, d.h. Moleküle, die nur aufgrund zwei verschiedener Isotope chiral sind, untersucht. Auch hier ist eine Trennung der Enantiomere möglich, wenn auch mit gewissen Einschränkungen.
Ein wichtiges Merkmal chiraler Moleküle ist das unterschiedliche Verhalten der Enantiomere bei Wechselwirkung mit zirkular polarisierter Strahlung. Diese Asymmetrie wird Zirkulardichroismus genannt. Die koinzidente Untersuchung von Ionen und Elektronen aus der Fragmentation eines Moleküls eröffnet neue Möglichkeiten für die Untersuchung des Dichroismus. So können die Impulsvektoren der Ionen mit bekannten Asymmetrien in der Elektronenverteilung (Photoelektron-Zirkulardichroismus) verknüpft werden, was zu einem besseren Verständnis der Wechselwirkung elektromagnetischer Strahlung mit chiralen Molekülen führen kann.
In dieser Arbeit wurde nach Asymmetrien in der Winkelverteilung sowohl der Ionen als auch der Elektronen nach der Ionisation von CHBrClF und Propylenoxid (C3H6O) mit zirkular polarisierter Synchrotronstrahlung gesucht. In den durchgeführten Messungen konnte kein zweifelsfreier Nachweis für einen Dichroismus bei den verwendeten experimentellen Bedingungen erbracht werden. Technische und prinzipielle Limitierungen der Methode wurden diskutiert und Verbesserungsvorschläge für zukünftige Messungen genannt.
Mit der erfolgreichen Bestimmung der Absolutkonfiguration und der prinzipiellen Möglichkeit, Asymmetrien in zuvor nicht zugänglichen Messgrößen zu untersuchen, legt diese Arbeit den Grundstein für die Anwendung der Koinzidenzspektroskopie auf Fragestellungen der Stereochemie.
Cryo-electron tomography (CET) is a unique technique to visualize biological objects under near-to-native conditions at near-atomic resolution. CET provides three-dimensional (3D) snapshots of the cellular proteome, in which the spatial relations between macromolecular complexes in their near native cellular context can be explored. Due to the limitation of the electron dose applicable on biological samples, the achievable resolution of a tomogram is restricted to a few nanometers, higher resolution can be achieved by averaging of structures occurring in multiples. For this purpose, computational techniques such as template matching, sub-tomogram averaging and classification are essential for a meaningful processing of CET data.
This thesis introduces the techniques of template matching and sub-tomogram averaging and their applications on real biological data sets. Subsequently, the problem of reference bias, which restricts the applicability of those techniques, is addressed. Two methods that estimate the reference bias in Fourier and real space are demonstrated. The real space method, which we have named the “M-free” score, provides a reliable estimation of the reference bias, which gives access to the reliability of the template matching or sub-tomogram averaging process. Thus, the “M-free” score makes those approaches more applicable to structural biology. Furthermore, a classification algorithm based on Neural Networks (NN) called “KerDenSOM3D” is introduced, which is implemented in 3D and compensates for the missing-wedge. This approach helps extracting different structural states of macromolecular complexes or increasing the class purity of data sets by eliminating outliers. A comprehensive comparison with other classification methods shows superior performance of KerDenSOM3D.
Das Strahldynamikdesign für den MYRRHA-Injektor wurde im Hinblick auf eine hohe Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit, sowie eine verbesserte Strahlausgangsemittanz, neu entwickelt und erfüllt nun die Anforderungen des Kernreaktors.
In der statistischen Fehleranalyse zeigt sich die Strahldynamik der CH-Sektion als äußerst robust und liefert selbst unter pessimistischen Fehlerannahmen eine Transmission von über 99,9 %.
Das neue Injektorkonzept bietet wesentliche Vorteile gegenüber dem in „MAX Referenzdesign 2012“ vorgestellten Injektordesign und wird als neues „MAX Referenzdesign 2014“ für den MYRRHA-Injektor verwendet. Die guten strahldynamischen Eigenschaften des neuen Injektordesigns konnten in Vergleichsrechnungen mit TraceWin am IN2P3@CNRS1 (Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules @ Centre National de la Recherche Scientifique, Orsay, Frankreich) bestätigt werden.
Neben der Strahldynamik wurde das HF-Design für die benötigten Beschleunigerkavitäten entwickelt und ebenfalls für eine hohe Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit optimiert. Das HF-Design der CH-Strukturen ist für eine größtmögliche Ausfallsicherheit auf den Betrieb mit niedrigen elektrischen Feldgradienten, weit unterhalb der technischen Leistungsgrenzen und Möglichkeiten der jeweiligen Kavität, ausgelegt.
Nichtinvasive Detektoren für ortsaufgelöste Strahlprofilmessungen gewinnen mit zunehmenden Strahlströmen und -energien immer mehr an Bedeutung. An der Universität Frankfurt im Institut für Angewandte Physik (IAP) wird ein “Figure Eight”-förmiger magnetostatischer Speichering mit Stellarator-Konfiguration (F8SR) entwickelt. Einige Aspekte der Strahldynamik in einem solchen Ring können mit einem experimentellen Aufbau am IAP untersucht werden. Die Herausforderung bei der Entwicklung eines Detektors an einem (F8SR) liegt auf der einen Seite darin den Strahl nichtinvasiv zu detektieren, und andererseits müssen magnetisch unempfindliche Komponenten für den Detektor ausgewählt werden. Dabei sollte der Detektor so flexibel sein, dass der Strahl entlang der Flugbahn transversal gemessen werden kann. In dieser Arbeit geht es um einen Detektor mit radial um den Strahl angeordneten Photodioden, mit deren Hilfe die strahlinduzierte Fluoreszenz detektiert wird und mit einem geeigneten Rekonstruktionsverfahren, Strahlposition und den Strahldurchmesser ermittelt werden kann. Die Messungen werden mit einem weiteren schon erprobten Detektor - einem Szintillationsschirm verglichen.
The ab-initio molecular dynamics framework has been the cornerstone of computational solid state physics in the last few decades. Although it is already a mature field it is still rapidly developing to accommodate the growth in solid state research as well as to efficiently utilize the increase in computing power. Starting from the first principles, the ab-initio molecular dynamics provides essential information about structural and electronic properties of matter under various external conditions. In this thesis we use the ab-initio molecular dynamics to study the behavior of BaFe2As2 and CaFe2As2 under the application of external pressure. BaFe2As2 and CaFe2As2 belong to the family of iron based superconductors which are a novel and promising superconducting materials. The application of pressure is one of two key methods by which electronic and structural properties of iron based superconductors can be modified, the other one being doping (or chemical pressure). In particular, it has been noted that pressure conditions have an important effect, but their exact role is not fully understood. To better understand the effect of different pressure conditions we have performed a series of ab-initio simulations of pressure application. In order to apply the pressure with arbitrary stress tensor we have developed a method based on the Fast Inertial Relaxation Engine, whereby the unit cell and the atomic positions are evolved according to the metadynamical equations of motion. We have found that the application of hydrostatic and c axis uniaxial pressure induces a phase transition from the magnetically ordered orthorhombic phase to the non-magnetic collapsed tetragonal phase in both BaFe2As2 and CaFe2As2. In the case of BaFe2As2, an intermediate tetragonal non-magnetic tetragonal phase is observed in addition. Application of the uniaxial pressure parallel to the c axis reduces the critical pressure of the phase transition by an order of magnitude, in agreement with the experimental findings. The in-plane pressure application did not result in transition to the non-magnetic tetragonal phase and instead, rotation of the magnetic order direction could be observed. This is discussed in the context of Ginzburg-Landau theory. We have also found that the magnetostructural phase transition is accompanied by a change in the Fermi surface topology, whereby the hole cylinders centered around the Gamma point disappear, restricting the possible Cooper pair scattering channels in the tetragonal phase. Our calculations also permit us to estimate the bulk moduli and the orthorhombic elastic constants of BaFe2As2 and CaFe2As2.
To study the electronic structure in systems with broken translational symmetry, such as doped iron based superconductors, it is necessary to develop a method to unfold the complicated bandstructures arising from the supercell calculations. In this thesis we present the unfolding method based on group theoretical techniques. We achieve the unfolding by employing induced irreducible representations of space groups. The unique feature of our method is that it treats the point group operations on an equal footing with the translations. This permits us to unfold the bandstructures beyond the limit of translation symmetry and also formulate the tight-binding models of reduced dimensionality if certain conditions are met. Inclusion of point group operations in the unfolding formalism allows us to reach important conclusions about the two versus one iron picture in iron based superconductors.
And finally, we present the results of ab-initio structure prediction in the cases of giant volume collapse in MnS2 and alkaline doped picene. In the case of MnS2, a previously unobserved high pressure arsenopyrite structure of MnS2 is predicted and stability regions for the two competing metastable phases under pressure are determined. In the case of alkaline doped picene, crystal structures with different levels of doping were predicted and used to study the role of electronic correlations.
Landau's Fermi liquid theory has been the main tool for investigating interactions between fermions at low energies for more than 50 years. It has been successful in describing, amongst other things, the mass enhancement in ³He and the thermodynamics of a large class of metals. Whilst this in itself is remarkable given the phenomenological nature of the original theory, experiments have found several materials, such as some superconducting and heavy-fermion materials, which cannot be described within the Fermi liquid picture. Because of this, many attempts have been made to understand these ''non Fermi liquid'' phases from a theoretical perspective. This will be the broad topic of the first part of this thesis and will be investigated in Chapter 2, where we consider a two-dimensional system of electrons interacting close to a Fermi surface through a damped gapless bosonic field. Such systems are known to give rise to non Fermi liquid behaviour. In particular we will consider the Ising-nematic quantum critical point of a two-dimensional metal. At this quantum critical point the Fermi liquid theory breaks down and the fermionic self-energy acquires the non Fermi liquid like {omega}²/³ frequency dependence at lowest order and within the canonical Hertz-Millis approach to quantum criticality of interacting fermions. Previous studies have however shown that, due to the gapless nature of the electronic single-particle excitations, the exponent of 2/3 is modified by an anomalous dimension {eta_psi} which changes, not only the exponent of the frequency dependence, but also the exponent of the momentum dependence of the self-energy. These studies also show that the usual 1/N-expansion breaks down for this problem. We therefore develop an alternative approach to calculate the anomalous dimensions based on the functional renormalization group, which will be introduced in the introductory Chapter 1. Doing so we will be able to calculate both the anomalous dimension renormalizing the exponent of the frequency dependence and the exponent renormalizing the momentum dependence of the self-energy. Moreover we will see that an effective interaction between the bosonic fields, mediated by the fermions, is crucial in order to obtain these renormalizations.
In the second part of this thesis, presented in Chapter 3, we return to Fermi liquid theory itself. Indeed, despite its conceptual simplicity of expressing interacting electrons through long-lived quasi-particles which behave in a similar fashion as free particles, albeit with renormalized parameters, it remains an active area of research. In particular, in order to take into account the full effects of interactions between quasi-particles, it is crucial to consider specific microscopic models. One such effect, which is not captured by the phenomenological theory itself, is the appearance of non-analytic terms in the expansions of various thermodynamic quantities such as heat-capacity and susceptibility with respect to an external magnetic field, temperature, or momentum. Such non-analyticities may have a large impact on the phase diagram of, for example, itinerant electrons near a ferromagnetic quantum phase transition. Inspired by this we consider a system of interacting electrons in a weak external magnetic field within Fermi liquid theory. For this system we calculate various quasi-particle properties such as the quasi-particle residue, momentum-renormalization factor, and a renormalization factor which relates to the self-energy on the Fermi surface. From these renormalization factors we then extract physical quantities such as the renormalized mass and renormalized electron Lande g-factor. By calculating the renormalization factors within second order perturbation theory numerically and analytically, using a phase-space decomposition, we show that all renormalization factors acquire a non-analytic term proportional to the absolute value of the magnetic field. We moreover explicitly calculate the prefactors of these terms and find that they are all universal and determined by low-energy scattering processes which we classify. We also consider the non-analytic contributions to the same renormalization factors at finite temperatures and for finite external frequencies and discuss possible experimental ways of measuring the prefactors. Specifically we find that the tunnelling density of states and the conductivity acquire a non-analytic dependence on magnetic field (and temperature) coming from the momentum-renormalization factor. For the latter we discuss how this relates to previous works which show the existence of non-analyticities in the conductivity at first order in the interaction.
The present work deals with the integration of variable renewable energy sources, wind and solar energy into the European and US power grid. In contrast to other networks, such as the gas supply mains, the electricity network is practically not able to store energy. Generation and consumption therefore always have tobe balanced. Currently, the load curve is viewed as a rigid boundary condition, which must be followed by the generation system. The basic idea of the approach followed here is that weather-dependent generation causes a shift of focus of the electricity supply. At high shares of wind and solar generation, the role of the rigid boundary condition falls to the residual load, that is, the remaining load after subtraction of renewable generation. The goal is to include the weather dependence as well as the load curve in the design of the future electricity supply.
After a brief introduction, the present work first turns to the underlying weather-, generation and load data, which form the starting point of the analysis. In addition, some basic concepts of energy economics are discussed, which are needed in the following.
In the main part of the thesis, several algorithms are developed to determine the load flow in a network with a high share of wind and solar energy and to determine the backup supply needed at the same time. Minimization of the energy needed from controllable power plants, the capacity variable power plants, and the capacity of storing serve as guiding principles. In addition, the optimization problem of grid extensions is considered. It is shown that it can be formulated as a convex optimization problem. It turns out that with an optimized, international transmission network which is about four times the currently available transmission capacity, much of the potential savings in backup energy (about 40%) in Europe can be reached. In contrast, a twelvefold increase the transmission capacity would be necessary for a complete implementation of all possible savings in dispatchable power plants.
The reduction of the dispatchable generation capacity and storage capacity, however, presents a greater challenge. Due to correlations in the generation of time series of individual countries, it may be reduced only with difficulty, and by only about 30%.
In the following, the influence of the relative share of wind and solar energy is illuminated and examined the interplay with the line capacitance. A stronger transmission network tends to lead to a higher proportion of wind energy being better integrated. With increasing line capacity, the optimal mix in Europe therefore shifts from about 70% to 80% wind. Similar analyses are carried out for the US with comparable results.
In addition, the cost of the overall system can be reduced. It is interesting at this point that the advantages for the network integration may outweigh higher production costs of individual technologies, so that it is more favourable from the viewpoint of the entire system to use the more expensive technologies.
Finally, attention is given to the flexibility of the dispatchable power plants. Starting from a Fourier-like decomposition of the load curve as it was a few years ago, when hardly renewable generation capacity was present, capacities of different flexibility classes of dispatchable power plant are calculated. For this purpose, it is assumed that the power plant park is able to follow the load curve without significant surplusses or deficits. From this examination, it is derived what capacity must at least be available without having to resort to a detailed database of existing power plants.
Assuming a strong European cooperation, with a stronger international transmission network, the dispatchable power capacity can be significantly reduced while maintaining security of supply and generating relatively small surplusses in dispatchable power plants.
Im Rahmen dieser Arbeit werden verschiedene Modellsysteme untersucht, die Metriken der klassischen Allgemeinen Relativitätstheorie mit Erweiterungen vergleichen, in denen Ereignishorizonte nicht existieren müssen. Die untersuchten Korrekturterme sind durch Schwachfeldmessungen, wie sie zum Beispiel in unserem Sonnensystem durchgeführt werden, nicht überprüfbar. Es ist deshalb nötig solche Systeme zu betrachten, in denen die vollständigen Gleichungen berücksichtigt werden müssen und keine Entwicklungen für schwache Felder gemacht werden können. Es gibt eine Reihe von astrophysikalischen Systemen, die diese Bedingungen erfüllen, wie das Galaktische Zentrum oder Doppelsternsysteme.
Im zweiten Kapitel der Arbeit werden Testteilchenorbits in einem Zentralpotential beschrieben und Unterschiede zwischen der klassischen und einer modifizierten Kerr-Metrik herausgearbeitet. Drei neue Phänomene der modifizierten Metrik gegenüber der Klassischen treten hier in Erscheinung. Zum einen haben Teilchen, die sich auf prograden Bahnen um den Zentralkörper drehen, ein Maximum in ihrer Winkelgeschwindigkeit. Zum anderen ist das Phänomen des frame-draggings deutlich schwächer ausgeprägt. Schließlich tritt ein letzter stabiler Orbit für entsprechend schnell rotierende Zentralkörper nicht mehr auf. Gleichzeitig sind die Unterschiede in den beiden Metriken für große Abstände (r > 10m) nahezu vernachlässigbar. In Kapitel 3 werden diese Ergebnisse auf zwei unterschiedliche Modelle zur Beschreibung von Akkretionsscheiben angewendet. Untersucht wird zum einen das Verhalten der Eisen-Kα-Emissionslinie und zum anderen der Energiefluss aus einer Akkretionsscheibe.
In der Form der Eisen-Kα-Emissionslinie gibt es eine deutliche Zunahme des rotverschobenen Anteils der Strahlung in der modifizierten Kerr-Metrik gegenüber der klassischen Kerr-Metrik. Die Akkretionsscheibe nach Page und Thorne zeigt unter Verwendung der modifizierten Kerr-Metrik eine signifikante Erhöhung der abgestrahlten Energie, wenn der Zentralkörper so schnell rotiert, dass kein letzter stabiler Orbit mehr auftritt. Zusätzlich gibt es hier in der Scheibe einen dunklen Ring im Vergleich zu den Bildern höherer Ordnung, die in der klassischen Kerr-Metrik auftreten. Erklärbar sind diese Phänomene dadurch, dass sich Teilchen auf stabilen Bahnen in der modifizierten Kerr-Metrik näher an den Zentralkörper heran bewegen können, als es in der klassischen Kerr-Metrik der Fall ist. Die Rotverschiebung ist für beide Fälle annäherend gleich.
Kapitel 4 gibt eine kurze Einführung in die Beschreibung von Gravitationswellen im Rahmen der linearisierten Allgemeinen Relativitätstheorie. Hier wird als Modell ein Binärsystem, wie etwa der Hulse-Taylor-Pulsar, betrachtet. Die Unterschiede zwischen der klassischen Theorie und einer Beschreibung unter Hinzunahme von Zusatztermen sind hier erwartungsgemäß sehr gering, da die Linearisierung der Gleichungen dazu führt, dass Starkfeldeffekte vernachlässigt werden. Für große Abstände, was in diesem Fall auch schwache Felder impliziert, sind die Erweiterungen der Gleichungen vernachlässigbar. Hier werden zum Teil auch Effekte in der klassischen ART vernachlässigt.
In Kapitel 5 befindet sich ein kurzer Ausblick in die 3+1-Formulierung der Einsteingleichungen für die numerische Beschreibung von Gravitationsphänomenen. Diese Beschreibung ermöglicht es auch komplexe Systeme ohne viele nähernde Annahmen genau beschreiben zu können. Diese Systeme können zum einen Akkretionsscheiben um kompakte Objekte sein, aber auch die Verschmelzung von zwei massiven Objekten und die damit verbundenen Gravitationswellensignale. Dadurch lassen sich die Vorhersagen der ART oder etwaiger Erweiterungen präziser modellieren.
Die vorgestellten Ergebnisse liegen innerhalb der Einschränkungen durch aktuelle Messungen. Zukünftige Messungen wie genauere Beobachtungen des Galaktischen Zentrums durch das Event Horizon Telescope sind aber voraussichtlich dazu in der Lage zwischen den untersuchten Metriken zu unterscheiden.
Focus on quantum efficiency
(2014)
Technologies which convert light into energy, and vice versa, rely on complex, microscopic transport processes in the condensed phase, which obey the laws of quantum mechanics, but hitherto lack systematic analysis and modeling. Given our much improved understanding of multicomponent, disordered, highly structured, open quantum systems, this ‘focus on’ collection collects cuttingedge research on theoretical and experimental aspects of quantum transport in truly complex systems as defined, e.g., by the macromolecular functional complexes at the heart of photosynthesis, by organic quantum wires, or even photovoltaic devices. To what extent microscopic quantum coherence effects can (be made to) impact on macroscopic transport behavior is an equally challenging and controversial question, and this "focus on" collection provides a setting for the present state of affairs, as well as for the "quantum opportunities" on the horizon.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Hochfrequenzabstimmung und den Feldoptimierungen zweier Linearbeschleunigerstrukturen für eine in der Entwicklung befindliche Forschungsanlage an der Goethe-Universität in Frankfurt am Main. Ein 4-Rod-RFQ sowie ein IH-Driftröhrenbeschleuniger sollen gekoppelt betrieben, d.h. nicht wie üblich von zwei, sondern nur von einem Hochfrequenz-Sender mit Leistung versorgt werden. Hierdurch lässt sich nicht nur der benötigte Platz reduzieren, sondern auch ein beträchtlicher Teil der Kosten des Projekts einsparen. Um das Verhalten der gekoppelten Beschleuniger genauer vorhersagen zu können, wurden Untersuchungen an bereits gebauten Modellen im Maßstab 1:2 durchgeführt und diese vermessen. Eine Methode zur systematischen Anpassung der Feldverteilung in 4-Rod-RFQs wurde darüber hinaus am einzeln betriebenen RFD-Modell angewandt und optimiert, sowie ein Algorithmus zur Automatisierung entwickelt. Parallel laufende Computersimulationen ermöglichten Vergleiche zu den realen Messwerten. Darüberhinaus konnten Rückschlüsse auf die Genauigkeit der Simulationen am Computermodell gezogen und hier liegende Herausforderungen, auch in Bezug auf die bei FRANZ zum Einsatz kommenden Beschleunigerstrukturen, näher untersucht werden. Hieraus resultierende Empfehlungen für das Design der FRANZ-IH-Struktur konnten gegeben werden und wurden bereits umgesetzt.
In this thesis, a novel 257 kHz chopper device was numerically developed, technically designed and experimentally commissioned; a 4-solenoid, low-energy ion beam transport line was numerically investigated, installed and experimentally commissioned; and a novel massless beam-separation system was numerically developed.
The chopper combines a pulsed electric field with a static magnetic field in an ExB or Wien-filter type field configuration. Chopped beam pulses with a 257 kHz repetition rate and rise times of 110 ns were experimentally achieved using a 14 keV helium beam.
Due to the achieved results, the complete LEBT line for the future Frankfurt Neutron Source FRANZ is ready to deliver a dc or a pulsed beam. At the same time, the LEBT section represents an attractive test stand for the study of low-energy ion beams. It combines magnetic lenses, which allow space-charge compensated beam transport, and a chopper system capable of producing short beam pulses in the hundred nanosecond range. Since these beam pulses are transported onwards, their longitudinal and transverse properties can be analyzed. The pulse duration and time of flight are well below the rise time for the space-charge compensation through residual gas ionization. This opens the possibility for dedicated investigations of the transport of short, low-energy beam pulses including longitudinal and transverse space-charge effects and of relevant issues like the dynamics of space-charge compensation and electron effects in short pulses.
In dieser Arbeit wird der Strahltransport in einer Niederenergietransportsektion (LEBT) untersucht. Die Untersuchungen werden für die Betriebsmodi der im Aufbau befindlichen Neutronenquelle FRANZ an der Frankfurter Goethe-Universität durchgeführt. Hierbei wird die Akzeptanz eines Choppersystems nach der ersten Sektion des Transportwegs sowie die Akzeptanz des auf die zweite Sektion folgenden RFQ betrachtet und bestmöglich erfüllt. Die Auswirkungen durch die Raumladungswirkung des Ionenstrahls werden berücksichtigt, ebenso die mögliche thermische Belastung durch Strahlverlust an den Komponenten entlang des Strahlwegs. Weiterhin wird der Einfluss eines nicht optimierten Einschusses in den RFQ und die sich daraus ergebenden Strahleigenschaften am Ende des RFQs untersucht.
Der Radiofrequenzquadrupol (RFQ) wird typischerweise als erstes beschleunigendes Element in Beschleunigeranlagen eingesetzt. Das elektrische Quadrupolfeld ermöglicht die gleichzeitige Fokussierung und Beschleunigung des Ionenstrahls. Zudem ist der RFQ in der Lage den Gleichstromstrahl von der Ionenquelle zu Teilchenpaketen (Bunche) zu formen, die von den nachfolgenden Driftröhrenbeschleunigern benötigt werden. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung zur Realisierbarkeit eines 325 MHz 4-rod RFQ Beschleunigers. Die Frequenz von 325 MHz stellt eine ungewöhnlich hohe Betriebsfrequenz für die 4-rod Struktur dar und wird z.B. für den Protonenlinac des FAIR Projektes benötigt. Ein Problem hierbei war, dass durch die bauartbedingten unsymmetrischen Elektrodenaufhängung und der hohen Frequenz ein, das Quadrupolfeld überlagerndes, Dipolfeld erzeugt wird. Dieses störende Feld kann z.B. zu einem Versatz der Strahlachse führen. Hierzu wurde die 4-rod Struktur in Simulationen grundlegend auf Einflüsse von verschiedenen Parametern auf die Resonanzfrequenz und das Dipolfeld untersucht. Es wurden Lösungsstrategien erarbeitet das Diopolfeld zu kompensieren und auf einen Prototypen angewendet. Zudem wurde das Verhalten höherer Schwingungsmoden dieser Struktur simuliert. In diesem Rahmen wurden auch Simulationen zu Randfeldern zwischen den 4-rod Elektroden und der Tankwand untersucht, um nachteilige Effekte für die Strahlqualität auszuschließen. Basierend auf den Simulationsergebnissen wurde ein Prototyp angefertigt. Dieser Prototyp wurde zur Demonstration der Betriebseigenschaften mit Leistungen bis 40 kW getestet. Hierbei wurde die Elektrodenspannung mittels Gammaspektroskopie bestimmt und daraus die Shuntimpedanz berechnet. Diese Werte wurden mit anderen Methoden der Shuntimpedanzbes- timmung verglichen. Außerdem wurden alternative RFQ Resonatorkonzepte ebenfalls auf ihre Realisierbarkeit für den Protonenlinac untersucht. Die Einflüsse verschiedener Parameter auf die Betriebsfrequenz, die Möglichkeiten des Frequenztunings und der Einstellung der longitudinalen Spannungsverteilung gefertigter Modelle wurden in einer Diskussion gegenübergestellt.
The laser-driven acceleration of protons from thin foils irradiated by hollow high-intensity laser beams in the regime of target normal sheath acceleration is reported for the first time. The use of hollow beams aims at reducing the initial emission solid angle of the TNSA source, due to a flattening of the electron sheath at the target rear side. The experiments were conducted at the PHELIX laser facility at the GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH with laser intensities in the range from 10^18 to 10^20 W/cm^2. We observed an average reduction of the half opening angle by (3.07±0.42)° or (13.2±2)% when the targets have a thickness between 12 to 14 μm. In addition, the highest proton energies were achieved with the hollow laser beam in comparison to the typical Gaussian focal spot.
The subatomic world is governed by the strong interactions of quarks and gluons, described by Quantum Chromodynamics (QCD). Quarks experience confinement into colour-less objects, i.e. they can not be observed as free particles. Under extreme conditions such as high temperature or high density, this constraint softens and a transition to a phase where quarks and gluons are quasi-free particles (Quark-Gluon-Plasma) can occur. This environment resembles the conditions prevailing during the early stages of the universe shortly after the Big Bang.
The phase diagram of QCD is under investigation in current and future collider experiments, for example at the Large Hadron Collider (LHC) or at the Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR). Due to the strength of the strong interactions in the energy regime of interest, analytic methods can not be applied rigorously. The only tool to study QCD from first principles is given by simulations of its discretised version, Lattice QCD (LQCD).
These simulations are in the high-performance computing area, hence, the numerical aspects of LQCD are a vital part in this field of research. In recent years, Graphic Processing Units (GPUs) have been incorporated in these simulations as they are a standard tool for general purpose calculations today.
In the course of this thesis, the LQCD application cl2qcd has been developed, which allows for simulations on GPUs as well as on traditional CPUs, as it is based on OpenCL. cl2qcd constitutes the first application for Wilson type fermions in OpenCL.
It provides excellent performance and has been applied in physics studies presented in this thesis. The investigation of the QCD phase diagram is hampered by the notorious sign-problem, which restricts current simulation algorithms to small values of the chemical potential.
Theoretically, studying unphysical parameter ranges allows for constraints on the phase diagram. Of utmost importance is the clarification of the order of the finite temperature transition in the Nf=2 chiral limit at zero chemical potential. It is not known if it is of first or second order. To this end, simulations utilising Twisted Mass Wilson fermions aiming at the chiral limit are presented in this thesis.
Another possibility is the investigation of QCD at purely imaginary chemical potential. In this region, QCD is known to posses a rich phase structure, which can be used to constrain the phase diagram of QCD at real chemical potential and to clarify the nature of the Nf=2 chiral limit. This phase structure is studied within this thesis, in particular the nature of the Roberge-Weiss endpoint is mapped out using Wilson fermions.
Das Schwerionenkollisionen Programm der Beschleuniger RHIC und LHC gibt Hinweise auf einen neuen Zustand hadronischer Materie --- das Quark-Gluon Plasma. Dieses zeichnet sich durch eine zumindest partielle Aufhebung des confinements aus, welches besagt, dass keine freien Quarks beochtbar sind.
Aus einer Beschreibung der experimentellen Daten mit relativistischer Hydrodynamik folgen weitere Eigenschaften. So geht das in einer Schwerionenkollision erzeugte Quark-Gluon Plasma nach sehr kurzer Zeit, etwa 1 fm/c, in ein zumindest lokales thermisches Gleichgewicht über. Durch die Lorentzkontraktion der beiden Schwerionen erwartet man, dass der Zustand direkt nach der Kollision durch eine Impulsanisotropie in der transversal-longitudinalen Ebene bestimmt wird. Somit setzt das Erreichen eines thermischen Gleichgewichts zunächst eine Isotropisierung voraus. Bisherige Studien haben gezeigt, dass gluonische Moden bei dieser Isotropisierung durch Verursachung einer chromo-Weibel Instabilität eine entscheidende Rolle spielen.
Weiterhin verhält sich das Quark-Gluon Plasma wie eine fast perfekte Flüssigkeit. Eine Berücksichtigung dissipativer Terme in der hydrodynamischen Beschreibung erfordert das Hinzufügen weiterer Terme zu den entsprechenden Bewegungsgleichungen. Diese sind proportional zu Transportkoeffizienten, welche durch die zugrunde liegende mikroskopische Theorie festgelegt sind.
Diese Theorie ist Quantenchromodynamik. Sie beschreibt die starke Wechselwirkung der Quarks und Gluonen und ist ein fundamentaler Baustein des Standardmodells der Teilchenphysik. Da im Regelfall Prozesse der starken Wechselwirkung nichtperturbativ sind, beschreiben wir QCD unter Verwendung einer Gitterregularisierung. Diese beruht auf einer Diskretisierung der vierdimensionalen Euklidischen Raumzeit durch einen Hyperkubus mit periodischen Randbedingungen und ermöglicht ein Lösen der QCD mit numerischen Methoden. Allerdings ist die Anwendung der Gittereichtheorie auf Systeme im thermischen Gleichgewicht beschränkt und kann somit keine Prozesse beschreiben, die auf Echtzeit basieren.
Transportkoeffizienten entsprechen Proportionalitätskoeffizienten, die die Relaxation einer Flüssigkeit oder eben eines Quark-Gluon Plasmas von einer kleinen Störung beschreiben. Damit sind sie unmittelbar mit der Zeit verknüpft. Über Kubo-Formeln lassen sie sich jedoch mit Gleichgewichtserwartungswerten retardierter Korrelatoren verknüpfen und werden so in Gitter QCD zugänglich.
In der vorliegenden Dissertation berechnen wir den Transportkoeffizienten κ in Gittereichtheorie für das Yang-Mills Plasma. Dabei nutzen wir aus, dass dieser Transportkoeffizient eine triviale analytische Fortsetzung vom retardierten zum Euklidischen Korrelator besitzt, welcher direkt in Gittereichtheorie zugänglich ist. Es ist die erste nichtperturbative Berechnung eines Transportkoeffizienten in QCD ohne weitere Annahmen, wie die Maximum Entropie Methode oder Ansätze, zu treffen.
Tuning and optimization of the field distribution for 4-rod radio frequency quadrupole linacs
(2014)
In this thesis, the tuning process of the 4-rod Radio Frequency Quadrupole has been analyzed and a theory for the prediction of the tuning plate's influence on the longitudinal voltage distribution was developed together with RF design options for the optimization of the fringe fields.
The basic principles of the RFQ's particle dynamics and resonant behavior are introduced in the theory part of this thesis. All studies that are presented are based on the work on four RFQs of recent linac projects. These RFQs are described in one chapter. Here, the projects are introduced together with details about the RFQ parameters and performance. In the meantime two of these RFQs are in full operation at NSCL at MSU and FNAL. One is operating in the test phase of the MedAustron Cancer Therapy Center and the fourth one for LANL is about to be built. The longitudinal voltage distribution has been studied in detail with a focus on the influence of the RF design with tuning elements and parameters like the electrodes overlap or the distance between stems. The theory for simulation methods for the field flatness that were developed as part of this thesis, as well as its simulation with CST MWS have been analyzed and compared to measurements. The lumped circuit model has proven to predict results with an accuracy that can be used in the tuning process of 4-rod RFQs. Together with results from the tuning studies, the studies on the fringe fields of the 4-rod structure lead to a proposal for a 4-rod RFQ model with an improved field distribution in the transverse and longitudinal electric field.
Fast nuclei are ionizing radiation which can cause deleterious effects to irradiated cells. The modelling of the interactions of such ions with matter and the related effects are very important to physics, radiobiology, medicine and space science and technology. A powerful method to study the interactions of ionizing radiation with biological systems was developed in the field of microdosimetry. Microdosimetry spectra characterize the energy deposition to objects of cellular size, i.e., a few micrometers.
In the present thesis the interaction of ions with tissue-like media was investigated using the Monte Carlo model for Heavy-Ion Therapy (MCHIT) developed at the Frankfurt Institute for Advanced Studies. MCHIT is a Geant4-based application intended to benchmark the physical models of Geant4 and investigate the physical properties of therapeutic ion beams. We have implemented new features in MCHIT in order to calculate microdosimetric quantities characterizing the radiation fields of accelerated nucleons and nuclei. The results of our Monte Carlo simulations were compared with recent experimental microdosimetry data.
In addition to microdosimetry calculations with MCHIT, we also investigated the biological properties of ion beams, e.g. their relative biological effectiveness (RBE), by means of the modified Microdosimetric-Kinetic model (MKM). The MKM uses microdosimetry spectra in describing cell response to radiation. MCHIT+MKM allowed us to study the physical and biological properties of ion beams. The main results of the thesis are as follows:
MCHIT is able to describe the spatial distribution of the physical dose in tissue-like media and microdosimetry spectra for ions with energies relevant to space research and ion-beam cancer therapy; MCHIT+MKM predicts a reduction of the biological effectiveness of ions propagating in extended medium due to nuclear fragmentation reactions; We predicted favourable biological dose-depth profiles for monoenergetic helium and lithium beams similar to the one for carbon beam. Well-adjusted biological dose distributions for H-1, He-4, C-12 and O-16 with a very flat spread-out Bragg peak (SOBP) plateau were calculated with MCHIT+MKM; MCHIT+MKM predicts less damage to healthy tissues in the entrance channel for SOBP He-4 and C-12 beams compared to H-1 and O-16 ones. No definitive advantages for oxygen ions with respect to carbon were found.
An der Goethe Universität in Frankfurt wird ein Konzept für ein magnetostatischen Hochstromspeicherring für Protonen- und Ionenstrahlen entwickelt und untersucht. Zur Zeit stehen dem Experiment zwei Toroidsegmente und eine Volumenionenquelle zur Verfügung. An diesem Aufbau werden Experimente mit dem Ziel die Strahldynamik zu untersuchen und die Strahldiagnose in toroidalen Magnetfeldern zu entwickeln, durchgeführt [Joshi] Für Experimente ist eine Strahldiagnose entlang der starken toroidalen Magnetfelder bis maximal 0, 6T nötig. Dabei sind die zur Verfügung stehenden Strahldiagnoseverfahren zum Einen ein Faraday-Cup und zum Anderen ein entlang des kompletten Aufbaus beweglicher Szintillatordetektor. Der Szintillatordetektor, besteht aus einem Phosphorschirm und einer Kamera, die hinter dem Schirm angebracht ist. [Nonn] Aufgrund der geschlossenen Ringgeometrie und dem Anspruch auf eine hohe Flexibilität des Detektors ist die Konstruktion eines neuen von starken Magnetfeldern unbeeinflussbaren und sehr kompakten Detektors notwendig. Ziel dieser Arbeit ist es, ein allgemeines Strahldiagnoseverfahren zu entwickeln.
The PhD addresses the feasibility of reconstructing open charm mesons with the Compressed Baryonic Matter experiment, which will be installed at the FAIR accelerator complex at Darmstadt/Germany. The measurements will be carried out by means of a dedicated Micro Vertex Detector (MVD), which will be equipped with CMOS Monolithic Active Pixel Sensors (MAPS). The feasibility of reconstructing the particles with a proposed detector setup was studied.
To obtain conclusive results, the properties of a MAPS prototype were measured in a beam test at the CERN-SPS accelerator. Based on the results achieved, a dedicated simulation software for the sensors was developed and implemented into the software framework of CBM (CBMRoot). Simulations on the reconstruction of D0-mesons were carried out. It is concluded that the reconstruction of those particles is possible.
The PhD introduces the physics motivation of doing open charm measurements, represents the results of the measurements of MAPS and introduces the innovative simulation model for those sensors as much as the concept and results of simulations of the D0 reconstruction.
Low-energy effective models for two-flavor quantum chromodynamics and the universality hypothesis
(2014)
Die Untersuchung der Natur auf extremen Längenskalen hat seit jeher zu bahnbrechenden Einsichten und Innovationen geführt. Insbesondere zu unserem heutigen Verständnis, dass Nukleonen (Protonen und Neutronen) aus Quarks zusammengesetzt sind, die infolge der starken Wechselwirkung, vermittelt durch Gluonenaustausch, gebunden sind. Mit dem Aufkommen des Quarkmodells wurde bald die Quantenchromodynamik (QCD) erfolgreich in der Beschreibung vieler messbarer Eigenschaften der starken Wechselwirkung. Um es mit Goethe zu sagen: mit den modernen Hochenergie-Beschleuniger-Experimenten wird versucht unser Verständnis davon zu verbessern, was die Welt im Innersten zusammenhält. Am Large Hadron Collider (LHC) werden beispielsweise Protonen derart beschleunigt und miteinander zur Kollision gebracht, dass bislang unerreichte Energiedichten auftreten, infolge derer Temperatur und baryochemisches Potential Werte annehmen, die mit denen des frühen Universums vergleichbar sind. Es gibt sowohl theoretische als auch experimentelle Hinweise darauf, dass hadronische Materie mit zunehmender Temperatur und/oder zunehmendem baryochemischen Potentials einen Phasenübergang durchläuft, hin zu einem exotischen Zustand, der als Quark-Gluon-Plasma bekannt ist. Dieser Übergang wird begleitet von einem sogenannten chiralen Übergang. Es ist eine wichtige Frage, ob es sich bei diesem chiralen Übergang um einen echten Phasenübergang (von erster bzw. zweiter Ordnung) handelt, oder ob ein sogenannter crossover vorliegt. Einige Resultate deuten auf einen crossover für verschwindendes baryochemisches Potential und einen Phasenübergang erster Ordnung für verschwindende Temperatur hin, lassen jedoch noch keinen endgültigen Schluss zu, ob dies tatsächlich der Realität entspricht. Wenn ja, so liegt die Annahme nahe, dass ein kritischer Endpunkt existiert, an dem der chirale Übergang von zweiter Ordnung ist. In der Tat existiert ein kritischer Endpunkt in einigen theoretischen Zugängen zur Beschreibung des chiralen Phasenübergangs, deren Aussagekraft seit jeher lebhaft diskutiert wird. Ein zentrales Ziel des zukünftigen CBM-Experiments an der GSI in Darmstadt ist es, die Existenz im Experiment zu überprüfen.
In der Nähe des QCD-(Phasen)übergangs ist es die Abwesenheit jeglicher perturbativer Entwicklungsparameter, die exakte analytische Berechnungen verbietet. Das gleiche gilt für realistische effektive Modelle für QCD. Nichtperturbative Methoden sind daher unverzichtbar für die Untersuchung des QCD-Phasendiagramms. Zu den populärsten dieser Zugänge gehören Gitter-QCD, Resummierungsverfahren, der Dyson-Schwinger-Formalismus, sowie die Funktionale Renormierungsgruppe (FRG). All diese Methoden ergänzen sich gegenseitig und werden zum Teil auch miteinander kombiniert. Eine der Stärken der FRG-Methode ist, dass sie nicht nur erfolgreich auf effektive Modelle angewendet werden kann, sondern auch auf QCD selbst. Für letztere Ab-Initio-Rechnungen sind die aus effektiven Modellen für QCD gewonnenen Resultate von grossem Wert.
Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit liegt auf der Fragestellung von welcher Ordnung der chirale Phasenübergang im Fall von genau zwei leichten Quarksorten ist. Problemstellungen wie die Suche nach einer Antwort auf die Frage nach den Bedingungen für die Existenz eines Phasenübergangs zweiter Ordnung, die Bestimmung der Universalitätsklasse in diesem Fall etc. erfordern Wissen aus verschiedenen Gebieten.
Kapitel 1 besteht aus einer allgemeinen Einleitung.
In Kapitel 2 stellen wir zunächst einige allgemeine Aspekte von Phasenübergängen dar, die von besonderer Relevanz für das Verständnis des Renormierungsgruppen-Zugangs zu ebendiesen sind. Unser Fokus liegt hierbei auf einer kritischen Untersuchung der Universalitätshypothese. Insbesondere die Rechtfertigung des linearen Sigma-Modells als effektive Theorie für den chiralen Ordnungsparameter beruht auf der Gültigkeit selbiger.
Kapitel 3 beschäftigt sich mit dem chiralen Phasenübergang von einem allgemeinen Standpunkt aus. Wir ergünzen wohlbekannte Fakten durch eine detaillierte Diskussion der sogenannten O(4)-Hypothese. Die Überprüfung der Gültigkeit selbiger wird schließlich in Kapitel 6 und 7 in Angriff genommen.
In Kapitel 4 stellen wir die von uns benutzte FRG-Methode vor. Außerdem diskutieren wir den Zusammenhang zwischen effektiven Theorien für QCD und der QCD selbst.
Kapitel 5 behandelt ein mathematisches Thema, das für alle unserer Untersuchungen unabdingbar ist, nämlich die systematische Konstruktion polynomialer Invarianten zu einer gegebenen Symmetrie. Wir präsentieren einen einfachen, jedoch neuartigen, Algorithmus für die praktische Konstruktion von Invarianten einer gegebenen polynomialen Ordnung.
Kapitel 6 widmet sich Renormierungsgruppen-Studien einer Reihe dimensional reduzierter Theorien. Von zentralem Interesse ist hierbei das lineare Sigma-Modell, insbesondere in Anwesenheit der axialen Anomalie. Es stellt sich heraus, dass die Fixpunkt-Struktur des letzteren vergleichsweise kompliziert ist und ein tieferes Verständnis der zugrundeliegenden Methode sowie ihrer Annahmen erfordert. Dies führt uns zu einer sorgfältigen Analyse der Fixpunkt-Struktur von Modellen verschiedenster Symmetrien. Im Zusammenhang mit der Untersuchung des Einflusses von Vektor- und Axial-Vektor-Mesonen stoßen wir hierbei auf eine neue Universalitä}tsklasse.
Während wenig Spielraum für die Wahl der Symmetriegruppe der effektiven Theorie für den chiralen Ordnungsparameter besteht, ist die Identifizierung der Ordnungsparameter-Komponenten mit den relevanten mesonischen Freiheitsgraden hochgradig nichttrivial. Diese Wahl entspricht der Wahl einer Darstellung der Gruppe und kann zur Zeit nicht eindeutig aus der QCD hergeleitet werden. Es ist daher unerlässlich, verschiedene Möglichkeiten auszutesten. Eine wohlbekannte Wahl besteht darin, das Pion und seinen chiralen Partner, das Sigma-Meson, der O(4)-Darstellung für SU(2)_A x SU(2)_V zuzuordnen, welche einen Phasenübergang zweiter Ordnung erlaubt. Dieses Szenario ist jedoch nur dann sinnvoll, wenn nahe der kritischen Temperatur alle anderen Mesonen entsprechend schwer sind. Im Fall von genau zwei leichten Quarkmassen erfordert dies eine hinreichend große Anomaliestärke. Berücksichtigt man zusätzlich zum Pion und Sigma-Meson auch das Eta-Meson und das a_0-Meson, liefern unsere derzeitigen expliziten Rechnungen keinen Nachweis für die Existenz eines Phasenübergang zweiter Ordnung. Stattdessen spricht die Abwesenheit eines physikalischen (hinsichtlich der Massen) infrarot-stabilen Fixpunktes für einen fluktuationsinduzierten Phasenübergang erster Ordnung. Dieses Ergebnis ist auch zu erwarten (jedoch nicht impliziert), allein durch die Existenz zweier quadratischer Invarianten. Es besteht jedoch immer noch eine hypothetische Chance auf einen Phasenübergang zweiter Ordnung in der SU(2)_A x U(2)_V -Universalitätsklasse. Dies wäre der Fall, wenn der entsprechende von uns gefundene unphysikalische infrarot-stabile Fixpunkt physikalisch werden sollte in höherer Trunkierungsordnung. Interessanterweise finden wir bei endlicher Temperatur für gewisse Parameter einen Phasenübergang zweiter Ordnung. Es ist unklar, ob diese Wahl der Parameter in den Gültigkeitsbereich der dimensional reduzierten Theorie fällt.
Erst vor kurzem (Ende September 2013) wurde die Existenz eines infrarot-stabilen U(2)_A x U(2)_V-symmetrischen Fixpunkts durch Pelissetto und Vicari verifiziert (die zugehörige anomale Dimension ist mit 0.12 angegeben). Dieses Resultat war sehr
überraschend, da für zwei leichte Quarksorten und abwesende Anomalie ein Phasenübergang erster Ordnung relativ gesichert erschien, insbesondere durch die Epsilon-Entwicklung. Offensichtlich versagt letztere jedoch im Limes D=3, also für drei räumliche Dimensionen, da lediglich Fixpunkte gefunden werden können, die auch nahe D=4 existieren. Inspiriert durch diesen wichtigen Fund führen wir eine FRG-Fixpunktstudie in lokaler Potential-Näherung und hoher Trunkierungsordnung (bis zu zehnter Ordnung in den Feldern) durch. Die Stabilitätsanalyse besitzt jedoch leider keine Aussagekraft, da die Stabilitätsmatrix für den Gaußschen Fixpunkt marginale Eigenwerte besitzt. Wir sind überzeugt davon, dass dies nicht mehr der Fall ist, wenn man über die lokale Potential-Näherung hinausgeht und eine nichtverschwindende anomale Dimension zulässt. Die bisherigen Resultate verdeutlichen die Limitierungen der lokalen Potential-Näherung und der Epsilon-Entwicklung, auf denen unsere Untersuchungen zur Universalitätshypothese in weiten Teilen beruhen. Systematische Untersuchungen der Fixpunktstruktur von Modellen mit acht Ordnungsparameter-Komponenten wurden in der Literatur im Rahmen der Epsilon-Entwicklung durchgeführt und im Rahmen dieser Dissertation innerhalb der lokalen Potential-Näherung. Die meisten der Vorhersagen der Epsilon-Entwicklung konnten bestätigt werden, einige hingegen werden in Frage gestellt durch das Auftauchen marginaler Stabilitätsmatrix-Eigenwerte.
Einige wichtige Fragestellungen können nicht im Rahmen einer dimensional reduzierten Theorie behandelt werden, da die explizite Temperaturabhängigkeit in diesem Fall eliminiert wurde.
Insbesondere ist es in diesem Fall nicht möglich, die Stärke eines Phasenübergangs erster Ordnung vorherzusagen, da diese von Observablen (Meson-Massen und die Pion-Zerfallskonstante im Vakuum) abhängen, an die man bei verschwindender Temperatur fitten muss. Dieser Umstand führt uns zu solchen FRG-Studien, in denen die Temperatur als expliziter Parameter verbleibt.
Ein beträchtlicher Teil der für die vorliegende Dissertation zur Verfügung stehenden Arbeitszeit wurde darauf verwendet, eigene Implementierungen geeigneter Algorithmen zur numerischen Lösung der auftretenden partiellen Differentialgleichungen zu finden. Exemplarische Routinen (welche ausschließlich wohlbekannte Methoden nutzen) sind in einem Anhang zur Verfügung gestellt. Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit, die Anwendung auf effektive Modelle für QCD, wird in Kapitel 7 präsentiert. Unsere (vorläufigen) FRG-Studien des linearen Sigma-Modells mit axialer Anomalie bei nichtverschwindender Temperatur erlauben verschiedene Szenarien. Sowohl einen extrem schwach ausgeprägten, als auch einen sehr deutlichen Phasenübergang erster Ordnung, ganz abhängig von der Wahl der Ultraviolett-Abschneideskala und oben genannter Parameter. Sogar ein Phasenübergang zweiter Ordnung scheint möglich für gewisse Parameterwerte. Um verlässliche Schlussfolgerungen zu ziehen, sind weitere Untersuchungen nötig und bereits im Gange. In Kapitel 7 verifizieren wir außerdem bereits bekannte numerische Resultate für das Quark-Meson-Modell.
Der langsame Neutroneneinfang-Prozess (s-Prozess) ist für die Erzeugung von rund der Hälfte der Elemente zwischen Eisen und Blei verantwortlich. Sein Reaktionspfad enthält entlang des Stabilitätstals einige Verzweigungspunkte an instabilen Isotopen, deren Neutroneneinfangquerschnitte die Produktion schwererer Elemente und deren Isotopen-Verhältnisse beeinflussen. Kennt man ihre Zerfalls- und Neutroneneinfangraten unter den angenommenen stellaren Bedingungen ist es möglich, Rückschlüsse auf die physikalischen Umstände während des s-Prozesses zu ziehen. Einer dieser Verzweigungspunkte ist 63-Ni. Die experimentelle Bestimmung des differentiellen Wirkungsquerschnittes für den Neutroneneinfang an diesem Isotop ist das primäre Ergebnis der vorliegenden Arbeit. Der 63-Ni(n,gamma)- Wirkungsquerschnitt hat Einfluss auf die Häufigkeiten von 64-Ni, die Kupfer- und die Zink-Isotope. Die Sensitivität der Produktion dieser Nuklide in s-Prozess-Szenarien wurde ebenfalls im Rahmen dieser Arbeit anhand von Simulationen des entsprechenden Nukleosynthesenetzwerkes untersucht. Zudem wurde die Datenlage für s-Prozess-Modelle mit einer Flugzeit-Messung des 63-Cu(n,gamma)-Wirkungsquerschnitts erweitert.
Die beiden Experimente zur Querschnittsbestimmung von 63-Ni und 63-Cu fanden am Los Alamos Neutron Science Center in New Mexico, USA statt. Eine aus angereichertem 62-Ni hergestellte 63-Ni-Probe wurde im Rahmen einer Flugzeit-Messung gepulst mit Neutronen bestrahlt. Der Nachweis der prompten Gammastrahlung aufgrund von Neutroneneinfängen erfolgte mit dem 4π-BaF_2-Detektor DANCE. Die kalorimetrische Messung macht den Q-Wert der Reaktion für jedes Einfangereignis zugänglich und erlaubt die Unterscheidung von Ereignissen verschiedener Isotope. Es konnte gezeigt werden, dass diese Methode die Bestimmung von Querschnitten selbst mit Proben ermöglicht, die nur zu einem Bruchteil aus dem zu untersuchenden Isotop bestehen. Der 63-Ni(n,gamma)-Wirkungsquerschnitt wurde für den Energiebereich von 40 eV bis 500 keV mit einer maximalen Unsicherheit von 15% bestimmt. Es zeigte sich, dass theoretische Abschätzungen den Querschnitt bislang um etwa einen Faktor 2 unterschätzten. In demselben Energiebereich konnte der 63-Cu(n,gamma)-Wirkungsquerschnitt mit einer maximalen Unsicherheit von 8% vermessen werden.
This thesis is structured into 7 chapters:
• Chapter 2 gives an overview of the ultrashort high intensity laser interaction with matter. The laser interaction with an induced plasma is described, starting from the kinematics of single electron motion, followed by collective electron effects and the ponderamotive motion in the laser focus and the plasma transparency for the laser beam. The three different mechanisms prepared to accelerate and propagate electrons through matter are discussed. The following indirect acceleration of protons is explained by the Target Normal Sheath Acceleration (TNSA) mechanism. Finally some possible applications of laser accelerated protons are explained briefly.
• Chapter 3 deals with the modeling of geometry and field mapping of magnetic lens. Initial proton and electron distributions, fitted to PHELIX measured data are generated, a brief description of employed codes and used techniques in simulation is given, and the aberrations at the solenoid focal spot is studied.
• Chapter 4 presents a simulation study for suggested corrections to optimize the proton beam as a later beam source. Two tools have been employed in these suggested corrections, an aperture placed at the solenoid focal spot as energy selection tool, and a scattering foil placed in the proton beam to smooth the radial energy beam profile correlation at the focal spot due to chromatic aberrations. Another suggested correction has been investigated, to optimize the beam radius at the focal spot by lens geometry controlling.
• Chapter 5 presents a simulation study for the de-neutralization problem in TNSA caused by the fringing fields of pulsed magnetic solenoid and quadrupole. In this simulation, we followed an electrostatic model, wherethe evolution of both, self and mutual fields through the pulsed magnetic solenoid could be found, which is not the case in the quadrupole and only the growth of self fields could be found. The field mapping of magnetic elements is generated by the Matlab program, while the TraceWin code is employed to study the tracking through magnetic elements.
• Chapter 6 describes the PHELIX laser parameters at GSI with chirp pulse amplification technique (CPA), and Gafchromic Radiochromic film RCF) as a spatial energy resolver film detector. The results of experiments with laser proton acceleration, which were performed in two experimental areas at GSI (Z6 area and PHELIX Laser Hall (PLH)), are presented in section 6.3.
• Chapter 7 includes the main results of this work, conclusions and gives a perspective for future experimental activities.
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 dieser Arbeit wurden eine Reihe neuer organischer Ladungstransfer (CT)-Verbindungen in Form von Einkristallen und Dünnschichten synthetisiert und grundlegend charakterisiert.
Für die Synthese kamen verschiedene bekannte und bislang unbekannte Donor- und Akzeptormoleküle zum Einsatz. Während einige bekannte Materialien wie TTF und TCNQ kommerziell erworben werden konnten, bestand im Rahmen der Kollaboration mit dem MPI für Polymerforschung zudem Zugang zu mehreren neuen Molekülen wie TMP und HATCN, die besonders mit Blick auf die Möglichkeit zur Dünnschichtpräparation ausgewählt wurden. Auf dieser Grundlage konnten zum einen mittels verschiedener Varianten der Lösungszüchtung erfolgreich neue CT-Komplexe als Einkristalle gezüchtet werden. Dabei kamen mehrere unterschiedliche Lösungsmittel zur Anwendung, die z.T. auch die gezielte Synthese bestimmter Kristallphasen erlaubten. Zum zweiten gelang die Präparation eines Teils dieser Systeme als Dünnschicht über die Methode der Molekularstrahldeposition mit verschiedenen Isolatoren wie SiO2 als Substratmaterial. Hierbei wurde zum Teil zuvor gezüchtetes Material eingesetzt, zum Teil entstand die neue Verbindung erst über diesen Prozess.
Die Proben der neuen Verbindungen wurden zunächst mittels verschiedener Methoden morphologisch und kristallographisch untersucht. Die Kristallzüchtung lieferte in vielen Fällen eine gute Kristallqualität, die sowohl für die Strukturbestimmung als auch die späteren elektrischen Messungen ausreichend war. Die Kristallstruktur konnte für mehrere neue Systeme ermittelt werden und ergab in allen Fällen eine Anordnung mit gemischten Donor-Akzeptor-Stapeln. Für die präparierten Dünnschichten konnte bei einem Großteil der Verbindungen gemäß der Untersuchungen mittels Röntgendiffraktion die gleiche(n) kristalline(n) Struktur(en) wie in den Einkristallen festgestellt werden. Es ließen sich zwei wesentliche Beobachtungen machen: a) Die Morphologie der Schichten besitzt eine ausgeprägte Tendenz zu rauem Inselwachstum; b) In praktisch allen Fällen bilden sich innerhalb der Schicht mindestens zwei stabile CT-Phasen parallel. Beide Verhaltensweisen traten nahezu unabhängig von Substrat, dessen Temperatur, Ausgangszustand (Material vorreagiert oder nicht) und Depositionstemperatur auf.
Die elektronischen Transportmessungen bestanden primär aus temperaturabhängigen Messungen
der elektrischen Leitfähigkeit, während Feldeffektmessungen mit organischen Transistorstrukturen
lediglich den Charakter einer Grundsteinlegung für tiefergehende Untersuchungen mit optimierten Schichten hatten. Die Kryostat-Messungen bis hinunter zu rund 1,5 Kelvin zeigten bei keiner der Verbindungen ein klares Anzeichen für einen Phasenübergang. Die absoluten Werte der Leitfähigkeit bei Raumtemperatur passten qualitativ zu der typischen Erwartung an ein gemischt gestapeltes CT-System, nämlich ein halbleitendes oder isolierendes Verhalten, was durch das arrhenius-artige Temperaturverhalten auch bestätigt wurde.
Dielektrische Messungen mit Kondensatorstrukturen wurden für die neuen Systeme TMP-TCNQ
und ET-DTF in der Dünnschichtform vorgenommen. Im Vordergrund stand dabei die Suche nach neuen Verbindungen, die einen neutral-ionischen Phasenübergang zeigen, der sich im Idealfall durch eine starke, peakförmige Anomalie in der Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätskonstanten bemerkbar machen sollte. Während sich in TMP-TCNQ keinerlei Hinweise auf einen Übergang zeigten, lieferte ET-DTF einen Verlauf, der einen strukturellen
Übergang andeutet, dessen Identität aber noch ungeklärt ist.
Zur Ergänzung wurden mit Hilfe mehrerer Kooperationspartner weitere Untersuchungen zwecks
Charakterisierung der neuen CT-Systeme vorgenommen. Die Bestimmung des Ladungstransfergrades δ mittels IR-Absorption lieferte im Wesentlichen eine Bestätigung der Beobachtung, dass die inspizierten Verbindungen gemischt gestapelte Systeme halbleitender oder
isolierender Natur sind, da δ nur geringe Werte von max. ca. 0,2 zeigte, die für solche Systeme
typisch sind. In ähnlicher Weise bestätigten Bandstruktur-Rechnungen dieses Verhalten, da die Bänder allgemein nur eine eher geringe elektronische Bandbreite zeigten. Zudem ergab sich für die trikline Phase von ET-DTF und das System TMP-F4TCNQ eine deutliche Anisotropie hinsichtlich der Dispersion, da diese erheblich verstärkt entlang der zur Stapelachse des Systems korrespondierenden Richtung des k-Raumes auftritt, also (im Einklang mit den Leitfähigkeitsdaten) 1D-Charakter besitzt. Ein weiterer Beitrag zur Suche nach neuen NI-Verbindungen entstand durch Messung der charakteristischen CT-Absorption einiger Systeme im optischen bzw. IR-Spektrum. In Kombination mit den Werten für Ionisierungsenergie und Elektronenaffinität konnte eine Einordnung in das von Torrance et al. entwickelte, sog. V-Diagramm vorgenommen werden, mit dessen Hilfe sich aussichtsreiche Molekülkombinationen für ein neues NI-System eruieren ließen.
In this thesis hard probes are studied in the partonic transport model BAMPS (Boltzmann Approach to MultiParton Scatterings). Employing Monte Carlo techniques, this model describes the 3+1 dimensional evolution of the quark gluon plasma phase in ultra-relativistic heavy-ion collisions by propagating all particles in space and time and carrying out their collisions according to the Boltzmann equation. Since hard probes are produced in hard processes with a large momentum transfer, the value of the running coupling is small and their interactions should be describable within perturbative QCD (pQCD). This work focuses on open heavy flavor, but also addresses the suppression of light parton jets, in particular to highlight differences due to the mass. For light partons, radiative processes are the dominant contribution to their energy loss. For heavy quarks, we show that also binary interactions with a running coupling and an improved Debye screening matched to hard-thermal-loop calculations play an important role. Furthermore, the impact of the mass in radiative interactions, prominently named the dead cone effect, and the interplay with the Landau-Pomeranchuk-Migdal (LPM) effect are studied in great detail. Since the transport model BAMPS has access to all medium properties and the space time information of heavy quarks, it is the ideal tool to study the dissociation and regeneration of J/psi mesons, which is also investigated in this thesis.
Experimente und Simulationen zur Filterung und Injektion in einen toroidalen Ionenspeicherring
(2014)
Die in dieser Arbeit durchgeführten theoretischen Untersuchungen, Simulationen und Experimente hatten das Ziel, die Erforschung der Injektion in sowie des Transports von Ionenstrahlen bestehend aus verschiedenen, einzelnen Wasserstoffionenspezies durch toroidale Magnetfeldstrukturen zu ermöglichen. Dazu wurde im Rahmen dieser Arbeit ein neues Filter- und Detektorsystem für Wasserstoffionenstrahlen – ein Filterkanal – entwickelt, aufgebaut und untersucht. Zunächst wurde mittels theoretischer Betrachtungen das Konzept des Kanals und die Funktionalität der Filterung sowie Vermessung der Strahlzusammensetzung analysiert. Danach wurde der Kanal mit Hilfe von Simulationen ausgelegt und anschließend nach genauen Vorgaben gebaut. Gleichzeitig wurde mittels weiterer Simulationen das Strahlverhalten im Kanal genauer analysiert und zusätzlich die Auswirkungen verschiedener Parameter auf das Filterverhalten des Kanals untersucht. Anschließend wurde der zusammengebaute Kanal mittels Experimenten erforscht. Dabei wurden mehrere Experimente mit verschiedenen Quellen- und Strahlparametern durchgeführt, wobei vor allem die Filtereigenschaften sowie die Vermessung der Strahlzusammensetzung umfangreich untersucht und im Bezug auf die Funktionalität des Filterkanals diskutiert wurden.
Des Weiteren befasste sich diese Arbeit mit dem Aufbau des Injektionsexperiments zur Untersuchung der Injektion eines Wasserstoffionenstrahls zwischen zwei Toroidsegmente. Dazu wurde ein höhenverstellbarer Injektor samt Hochspannungsterminal und Peripherie entwickelt, aufgebaut und in Betrieb genommen. Dieser besteht aus einer Volumenionenquelle, einer neu entwickelten Faraday-Tasse sowie einem Solenoid. Die Faraday-Tasse, welche zur Vermessung des Quellenstroms im neuen Injektor sowie zusätzlich zur Vermessung des Ionenstrahlstroms hinter dem Filterkanal eingesetzt wird, wurde dabei im Rahmen dieser Arbeit entwickelt, experimentell durchgemessen und auf ihre Funktionalität geprüft. Im Zusammenhang mit dem Hochspannungsterminal für den neuen Injektor wurden die verschiedenen Möglichkeiten für die Verschaltung einer Volumenionenquelle mit dem dazugehörigen Hochspannungsterminal diskutiert und der Zusammenhang zur Strahlenergie hergestellt.
Mittels theoretischer Rechnungen wurde der aufgrund der RxB Drift benötigte Höhenunterschied zwischen Injektionskanal und Transportkanal für das Injektionsexperiment bestimmt und der neue Injektor auf den errechneten Bereich vorkonfiguriert. Zusätzlich wurde mittels Simulationen die optimale Strahlenergie bestimmt, bei der der Strahl beim Transport durch den Transportkanal angepasst ist und somit die Auswirkung der Driftsektion zwischen den beiden Toroidsegmenten sowie die Beeinflussung durch das Injektionssystem am geringsten sein sollten. In diesem Zusammenhang wurde auch auf die möglichen Geometrien zum Aufbau des Injektionsexperiments eingegangen und mittels der angesprochenen Untersuchungen eine Geometrie für den Aufbau des Injektionssystems festgelegt.
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.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Analyse von Dielektronen im Bereich niedriger Massen für zwei unterschiedliche Magnetfeldstärken des ALICE-L3-Magneten untersucht. Hierfür wurden zwei Arten von Simulationen, volle Simulationen und schnelle Simulationen, jeweils für die Magnetfeldeinstellungen 0, 2 T und 0, 5 T erstellt und verglichen. Zunächst wurde die Konsistenz der vollen und schnellen Simulationen anhand von Monte Carlo Truth Spektren überprüft. Es zeigte sich eine gute Übereinstimmung der invarianten Massenspektren mit Ausnahme der f-Resonanz, die in den schnellen Simulationen fast 3-mal höher lag. Dann wurden die vollen Simulationen der Magnetfeldeinstellung 0, 5 T mit ALICEMessdaten desselben Magnetfeldes verglichen. Hierbei zeigte sich, dass die Messdaten im Hinblick auf die Transversalimpulsverteilung der einzelnen Elektronen um einen Faktor 1, 2 bis 2 und im Hinblick auf die Transversalimpulsverteilung der Paare um einen Faktor 2 bis 2, 5 über den Simulationen lagen. Dies konnte zum Teil auf eine Kontamination durch Pionen zurückgeführt werden. Das Signal-Untergrund-Verhältnis war mit 0, 99 für die Simulationen 6-mal größer als das der Messdaten mit 0, 16. Die normierte Signifikanz der Simulationen von 0, 0044 lag 3,5-mal über dem Wert 0, 0012 der Messdaten. Für die schnellen Simulationen wurden die Effizienzen für einzelne Elektronen benötigt. Diese wurden mithilfe von Boxensimulationen erstellt. Es wurde zwischen den Elektronidentifikationsmethoden TOF optional und TOF required und den Magnetfeldstärken 0, 2 T und 0, 5 T unterschieden. Die Boxensimulationen ergaben, dass bei einem Magnetfeld von 0, 2 T insgesamt mehr Elektronen rekonstruiert und identifiziert werden konnten. Außerdem konnte die Analyse zu niedrigeren Transversalimpulsen hin ausgedehnt werden. Die schnellen Simulationen zeigten, dass eine Reduktion des Magnetfeldes von 0, 5 T auf 0, 2 T eine Erhöhung der Anzahl an gemessenen Paaren um einem Faktor 2, 0 für die Elektronidentifikation TOF optional und um einem Faktor 6, 0 für die Elektronidentifikation TOF required zur Folge hat. Die vollen Simulationen der Elektronidentifikation TOF optional ergaben nach Reduktion des Magnetfeldes eine Verbesserung des Signal-zu-Untergrund-Verhältnisses um 11% von 0, 98 auf 1, 11. Die Signifikanz konnte von 0, 0043 auf 0, 0060, d.h. um 40%, verbessert werden. Für die Elektronidentifikation TOF required erhielt man ein Signal-zu-Untergrund-Verhältnis von 16, 5 (0, q 2 T) und 19, 1 (0, 2 T). Jedoch war die normierte Signifikanz (sgn = sqrt((s exp 2)/2*B)* (1/sqrt(NEv)))) für das reduzierte Magnetfeld 100% höher und lag bei 0, 086, während sie für 0, 5 T einen Wert von 0, 0043 hatte. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass eine Reduktion der Magnetfeldstärke des ALICE-L3-Magneten von 0, 5 T auf 0, 2 T zu Verbesserungen in der Messung von Elektron-Positron-Paaren führt. Als Fazit kann angenommen werden, dass eine Datennahme bei einem reduzierten Magnetfeld von 0, 2 T sinnvoll erscheint.
In der LEBT-Sektion der Frankfurter Neutronenquelle am Stern-Gerlach-Zentrum (FRANZ) befinden sich zur transversalen Fokussierung des Ionenstrahls vier Solenoide. Die ersten beiden dienen dem Einschuss in das ExB-Choppersystem, die letzten beiden dem Einschuss in die erste Beschleunigerstruktur, den Radiofrequenzquadrupol (RFQ). In numerischen Transportsimulationen konnte gezeigt werden, dass insbesondere der erste Solenoid einen hohen Füllgrad aufweisen wird, was zu Strahlaberrationen und damit zu einer unerwünschten Erhöhung der Strahlemittanz führen kann.
Um diesen Effekt zu untersuchen, wurden die Fokussier- und Abbildungseigenschaften des ersten FRANZ-Solenoides analysiert. Analytische Rechnung unter Verwendung der Twissparametertransformation wurden durchgeführt, numerische Simulationen mit einem idealisiertem und einem realistischem Magnetfeldverlauf gemacht und 2 Messaufbauten mit einer Volumenquelle, dem Solenoid und einer Schlitz-Gitter-Emittanzmessanlage realisiert, um gemessene mit analytischen und numerischen Daten vergleichen zu können. Die Parameter, die ausgewertet und verglichen wurden, sind die Lage der Emittanzellipse, die Emittanz im x-x'-Phasenraum und die normierten vierten Momente (Wölbung) im Ortsraum.
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.
Die Schwerpunkte dieser Arbeit sind elektrische, stationäre und zeitaufgelöste Transportmessungen an EuB6 sowie die Weiterentwicklung von Messmethoden und Analyseverfahren der Fluktuationsspektroskopie. Durch die Verwendung von
modernen Computern und Datenerfassungskarten konnten die Messmethoden effektiver eingesetzt werden.
Die ersten beiden Kapitel stellen die Grundlagen dar, die für diese Arbeit von Bedeutung sind. Der erste Teil dieser Arbeit wurde der Weiterentwicklung der bereits bekannten Messmethoden unter Verwendung einer schnellen Datenerfassungskarte gewidmet. Im Gegensatz zur Verwendung eines Signalanalysators bietet die Karte die Möglichkeit, auf die Rohdaten im Zeitraum zuzugreifen und sie anschließend mit einer selbst programmierten Software auszuwerten. Die technischen Methoden und der Aufbau der Software wurden in den Kapiteln 3 und 4 vorgestellt. Durch das Ersetzen des Signalanalysators kann bis zu 50% der Messzeit eingespart werden.
Durch die Code-Erweiterung kann bereits nach zwei hintereinander gemessenen Spektren vorläufig bei tiefen Frequenzen ausgewertet und somit frühzeitig entschieden werden, ob eine längere Messzeit aussichtsreich ist. Außerdem wird durch Verwendung der Code-Erweiterung eine sehr viel höhere Spektrendichte (Anzahl von Messpunkten) erreicht. Da im Gegensatz zum Signalanalysator alle gemessenen Spektren gespeichert werden, können in jeder Messung die Spektren auf ihre Korrelation (Korrelationskoeffizient und Zweites Spektrum) hin untersucht werden, ohne zusätzliche Messzeit zu benötigen.
Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit den elektrischen Transporteigenschaften von EuB6 und dem Verständnis der Kopplung zwischen Ladungs- und magnetischen Freiheitsgraden. Mittels Widerstands- und nichtlinearer Transportmessungen sowie Fluktuationsspektroskopie wurden Hypothesen von anderen Wissenschaftlern systematisch verifiziert, sowie neue, weiterführende Erkenntnisse gewonnen.
Direkte experimentelle Hinweise für die Phasenseparation sowie das Auftreten von Perkolation aus Transportmessungen fehlten bisher. In dieser Arbeit wurden daher systematisch die elektrischen Transportseigenschaften des Systems in Abhängigkeit von der Temperatur und vom Magnetfeld untersucht. Mittels Fluktuationsspektroskopie konnte erstmals ein direkter Hinweis auf perkolatives Verhalten in den Transporteigenschaften beobachtet werden. Ein starkes nichtlineares Transportsignal (dritter harmonischer Widerstand, DHW) im Bereich von TMI und TC ist eine Signatur einer räumlich inhomogenen Stromverteilung auf der Mikroskala und ein weiterer deutlicher Hinweis auf magnetisch induzierte elektronische Phasenseparation. Insbesondere tritt nichtlinearer Transport bei H = 0 im FM Bereich auf und kann im PM-Bereich bei T > TMI durch externe Magnetfelder induziert werden.
Spin waves in yttrium-iron garnet has been the subject of research for decades. Recently the report of Bose-Einstein condensation at room temperature has brought these experiments back into focus. Due to the small mass of quasiparticles compared to atoms for example, the condensation temperature can be much higher. With spin-wave quasiparticles, so-called magnons, even room temperature can be reached by externally injecting magnons. But also possible applications in information technologies are of interest. Using excitations as carriers for information instead of charges delivers a much more efficient way of processing data. Basic logical operations have already been realized. Finally the wavelength of spin waves which can be decreased to nanoscale, gives the opportunity to further miniaturize devices for receiving signals for example in smartphones.
For all of these purposes the magnon system is driven far out of equilibrium. In order to get a better fundamental understanding, we concentrate in the main part of this thesis on the nonequilibrium aspect of magnon experiments and investigate their thermalization process. In this context we develop formalisms which are of general interest and which can be adopted to many different kinds of systems.
A milestone in describing gases out of equilibrium was the Boltzmann equation discovered by Ludwig Boltzmann in 1872. In this thesis extensions to the Boltzmann equation with improved approximations are derived. For the application to yttrium-iron garnet we describe the thermalization process after magnons were excited by an external microwave field.
First we consider the Bose-Einstein condensation phenomena. A special property of thin films of yttrium-iron garnet is that the dispersion of magnons has its minimum at finite wave vectors which leads to an interesting behavior of the condensate. We investigate the spatial structure of the condensate using the Gross-Pitaevskii equation and find that the magnons can not condensate only at the energy minimum but that also higher Fourier modes have to be occupied macroscopically. In principle this can lead to a localization on a lattice in real space.
Next we use functional renormalization group methods to go beyond the perturbation theory expressions in the Boltzmann equation. It is a difficult task to find a suitable cutoff scheme which fits to the constraints of nonequilibrium, namely causality and the fluctuation-dissipation theorem when approaching equilibrium. Therefore the cutoff scheme we developed for bosons in the context of our considerations is of general interest for the functional renormalization group. In certain approximations we obtain a system of differential equations which have a similar transition rate structure to the Boltzmann equation. We consider a model of two kinds of free bosons of which one type of boson acts as a thermal bath to the other one. Taking a suitable initial state we can use our formalism to describe the dynamics of magnons such that an enhanced occupation of the ground state is achieved. Numerical results are in good agreement with experimental data.
Finally we extend our model to consider also the pumping process and the decrease of the magnon particle number till thermal equilibrium is reached again. Additional terms which explicitly break the U(1)-symmetry make it necessary to also extend the theory from which a kinetic equation can be deduced. These extensions are complicated and we therefore restrict ourselves to perturbation theory only. Because of the weak interactions in yttrium-iron garnet this provides already good results.
Die Dissertation betrachtet zunächst die Anatomie der Lautentstehung und die Historie von Untersuchungen zu Sprechtraktakustik (u.a. Ibn Sina, Hook, Mical, Kratzenstein, Kempelen, Faber, Wheatstone, Helmholz, Riesz, Dunn, Chiba, Kajiyama, Kelly, Lochbaum, Saito, Itakura, Burg ) und geht insbesondere auf das Rohrmodell zu Beschreibung der Vokaltraktakustik ein.
Mittels Finiter-Differenzen wird die Aksutik der Sprechens dann dreidimensional beschrieben, und die zuätzlich auftretenden Effekte betrachtet. Fur die sich beim Sprechen schnell bewegende Mundhöhle wird ein Verfahren entwickelt und untersucht, mittels Sprachsignalen durch inverse Filterung und MRT-Aufnahmen die räumliche Konfiguration zu bestimmen. Für den Nasaltrakt wurden dreidimensional abbildende Verfahren aus der medizinischen Diagnostik verglichen (MRT und CT), und anhand eines Computer-Tomographischen Datensatzes die akustischen Vorgänge dreidimensional bestimmt.
In der vorliegenden Arbeit wurden mikroskopische Studien zur Äquilibrierung von partonischer und hadronischer Materie im Rahmen einer Nichtgleichgewichts-Transporttheorie durchgeführt, die sowohl hadronische als partonische Freiheitsgrade enthält und den Übergang zwischen beiden Phasen dynamisch beschreibt. Des Weiteren wurden die thermischen Eigenschaften des Gleichgewichtszustandes der stark wechselwirkenden Materie untersucht, insbesondere Fluktuationen in der Teilchenzahl wie auch höhere Momente von Observablen und deren Verhältnisse. Besonderes Interesse galt dabei den Transportkoeffizienten wie Scher- und Volumenviskosität sowie der elektrischen Leitfähigkeit.
Die Methode der Nichtgleichgewichts-Green'schen Funktionen - initiiert von Schwinger sowie Kadanoff und Baym - wurde vorgestellt um hochenergetische Kern-Kern Kollisionen zu beschreiben. Weiterhin wurde der Schwinger-Keldysh Formalismus benutzt um im Sinne einer Zweiteilchen-irrediziblen Näherung (2PI) die Dynamik von 'resummierten' Propagatoren und Kopplungen in konsistenter Weise zu beschreiben. Des Weiterhin wurden generalisierte Transportgleichungen auf der Basis der Kadanoff-Baym Gleichungen (in Phasenraumdarstellung) abgeleitet und ein Testteilchenverfahren zur Lösung dieser Gleichungen vorgestellt. Damit wurde der formale Rahmen der Parton-Hadron-String Dynamik (PHSD) abgesteckt.
Das PHSD Transportmodell wurde sodann für die Lösung der expliziten Fragestellungen in dieser Arbeit verwendet. Die 'Eingangsgrößen' des Modells wurden in Kapitel 3 aufgeführt. Weiterhin wurde aufgezeigt, dass das Transportmodell alle Phasen einer relativistischen Schwerionenkollision konsistent beschreibt, d.h. angefangen von den primären harten Stoßprozessen und der Bildung von 'Strings' zur Formierung einer partonischen Phase, den Wechselwirkungen in dieser Phase sowie die
dynamische Beschreibung der Hadronisierung. Weiterhin enthält das Modell zudem die hadronischen Endzustandswechselwirkungen bis zum Ausfrieren der hadronischen Freiheitsgrade bei geringer Dichte. ...
Ziel dieser Arbeit war, die Reaktion von biologischen Gewebeproben auf dünn- und dicht-ionisierende Strahlung zu evaluieren. Dafür wurden die Gewebeproben konventioneller Röntgenstrahlung sowie einem ausgedehnten 12C-Ionen Bragg-Peak ausgesetzt. Zur Bestrahlung der biologischen Proben mit 12C wurde mit dem GSI-eigenen Simulationsprogramm TRiP98 ein Tiefendosisprofil eines ausgedehnten Bragg-peaks erstellt. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war, dieses Tiefendosisprofil mit drei anderen Simulationsprogrammen (ATIMA, MCHIT, TRIM) zu reproduzieren und zu vergleichen.
ATIMA und TRIM sind allgemeine Programme für den Energieverlust von Ionen in Materie. Sie können das von TRiP98 berechnetet Tiefendosisprofil nur ungenügend reproduzieren, da sie aufgrund fehlender Fragmentierung ein linear ansteigendes Tiefendosisprofil berechnen. Das Monte Carlo-Programm MCHIT, welches speziell für die Wechselwirkung von Ionen mit Materie in medizinischer Anwendung entwickelt wurde, zeigt die beste Übereinstimmung mit der TRiP98-Referenzkurve. Bis auf eine leicht höhere Durchschnittsdosis um 0.1 Gy konnte das Tiefendosisprofil nahezu exakt reproduziert werden.
Die biologischen Proben bestanden aus Schnittkulturen gesunder Maus-Lebern und Explantatkulturen gesunder Maus-Pankreata, um Nebenwirkungen ionisierender Strahlen abzuschätzen. Zusätzlich wurde die Reaktion auf 12C-Bestrahlung in neoplastischem Lebergewebe transgener c-myc/TGF-α Mäuse mit induzierbarem Lebertumor bestimmt. Um eine mögliche Tageszeitabhängigkeit der Gewebereaktion auf die Bestrahlung zu untersuchen, wurden die Schnitt- und Explantatkulturen zu zwei unterschiedlichen Tageszeiten präpariert: zur Mitte des subjektiven Tages und zur Mitte der subjektiven Nacht.
Die Präparate wurden für mehrere Tage auf einer Membran an einer Grenzschicht von Flüssigkeit und Luft kultiviert. Leber- und Pankreaskulturen gesunder C3H wildtyp Mäuse wurden mit einer Dosis von 2 Gy, 5 Gy oder 10 Gy Röntgenstrahlen bestrahlt. Leber- und Pankreaskulturen transgener Mäuse wurden mit ausgedehnten C-Ionen Bragg Peaks gleicher Dosen bestrahlt. Als Kontrolle dienten unbestrahlte Proben. Alle Proben wurden 1 h bzw. 24 h nach der Bestrahlung fixiert und immunhistochemisch auf Marker für Proliferation (Ki67), Apoptose (Caspase3) und DNA- Doppelstrangbrüche (γH2AX) untersucht.
Während die Pankreas-Präparate im Hinblick auf die untersuchten Parameter leider keine auswertbaren Ergebnisse ergaben, zeigten die untersuchten Parameter im gesunden Lebergewebe deutliche Tag-Nacht Unterschiede: die Proliferationsrate war zur Mitte des subjektiven Tages signifikant höher als zur Mitte der subjektiven Nacht. Umgekehrt waren die Raten für DNA-Doppelstrangbrüche zur Mitte der subjektiven Nacht signifikant erhöht. Diese Tag-Nacht Unterschiede ließen sich in neoplastischem Lebergewebe nicht nachweisen. Unabhängig von der Art und Dosis, hatte die Bestrahlung im gesunden Lebergewebe keinen Einfluss auf die untersuchten Parameter. In neoplastischem Lebergewebe hingegen wird die Rate an DNA-Doppelstrangbrüchen durch eine Bestrahlung dosisabhängig erhöht.
Die Auswirkungen ionisierender Strahlen auf das circadiane Uhrwerk wurden in Gewebeproben transgener Per2luc-Mäuse überprüft. Per2luc-Mäuse exprimieren das Enzym Luziferase unter der Kontrolle des Promoters von Per2, einem wichtigen Bestandteil des circadianen Uhrwerks. Daher erlaubt die Analyse dieser Tiere, den circadianen Rhythmus des molekularen Uhrwerks in Leber und anderen Geweben durch Messung der Luziferase-Aktivität in Echtzeit aufzuzeichnen. Wie in Leber- und Nebennierenkulturen dieser Tiere gezeigt werden konnte, führten ioniserende Strahlen dosisabhängig zu einem Phasenvorsprung des circadianen Uhrwerks.
Die Ergebnisse erlauben die Schlussfolgerung, dass ionisierende Strahlen das circadiane Uhrwerk verstellen, Proliferation und Apoptose in gesundem Lebergewebe jedoch kaum beeinflussen.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit war, die systematischen Anfangsverluste im SIS18 zu minimieren. Das SIS18 soll als Injektor für das SIS100 in der neuen geplanten FAIR-Anlage eingesetzt werden und dafür die Strahlintensität erhöht werden. Eine wesentliche Rolle spielen das dynamische Vakuum im SIS18 und die anfänglichen Strahlverluste, verursacht durch Multiturn-Injektions- (MTI) oder HF-Einfangsverluste. Um den dynamischen Restgasdruck im SIS18 zu stabilisieren, müssen diese systematischen Anfangsverluste minimiert werden. Strahlteilchen, welche auf der Vakuumkammerwand verloren gehen, führen durch ionenstimulierte Desorption zu einem lokalen Druckanstieg. Dies wiederum erhöht die Wahrscheinlichkeit für Stöße zwischen Restgasteilchen und Strahlionen, wodurch diese umgeladen werden können und nach einem dispersiven Element (Dipol) auf der Vakuumkammer verloren gehen. Dies produziert einen weiteren lokalen Druckanstieg und verursacht eine massive Erhöhung der Umladungsraten. Eine Möglichkeit, die anfänglichen Verluste zu minimieren bzw. zu kontrollieren, ist die MTI-Verluste auf den Transferkanal (TK) zu verlagern, da dort ein Druckanstieg den umlaufenden Strahl im SIS18 nicht stört. Im Transferkanal werden die Strahlränder mit Hilfe von Schlitzen beschnitten und somit eine scharf definierte Phasenraumfläche erzeugt. ...
Das Gehirn ist die wohl komplexeste Struktur auf Erden, die der Mensch erforscht. Es besteht aus einem riesigen Netzwerk von Nervenzellen, welches in der Lage ist eingehende sensorische Informationen zu verarbeiten um daraus eine sinnvolle Repräsentation der Umgebung zu erstellen. Außerdem koordiniert es die Aktionen des Organismus um mit der Umgebung zu interagieren. Das Gehirn hat die bemerkenswerte Fähigkeit sowohl Informationen zu speichern als auch sich ständig an ändernde Bedingungen anzupassen, und zwar über die gesamte Lebensdauer. Dies ist essentiell für Mensch oder Tier um sich zu entwickeln und zu lernen. Die Grundlage für diesen lebenslangen Lernprozess ist die Plastizität des Gehirns, welche das riesige Netzwerk von Neuronen ständig anpasst und neu verbindet. Die Veränderungen an den synaptischen Verbindungen und der intrinsischen Erregbarkeit jedes Neurons finden durch selbstorganisierte Mechanismen statt und optimieren das Verhalten des Organismus als Ganzes. Das Phänomen der neuronalen Plastizität beschäftigt die Neurowissenschaften und anderen Disziplinen bereits über mehrere Jahrzehnte. Dabei beschreibt die intrinsische Plastizität die ständige Anpassung der Erregbarkeit eines Neurons um einen ausbalancierten, homöostatischen Arbeitsbereich zu gewährleisten. Aber besonders die synaptische Plastizität, welche die Änderungen in der Stärke bestehender Verbindungen bezeichnet, wurde unter vielen verschiedenen Bedingungen erforscht und erwies sich mit jeder neuen Studie als immer komplexer. Sie wird durch ein komplexes Zusammenspiel von biophysikalischen Mechanismen induziert und hängt von verschiedenen Faktoren wie der Frequenz der Aktionspotentiale, deren Timing und dem Membranpotential ab und zeigt außerdem eine metaplastische Abhängigkeit von vergangenen Ereignissen. Letztlich beeinflusst die synaptische Plastizität die Signalverarbeitung und Berechnung einzelner Neuronen und der neuronalen Netzwerke.
Der Schwerpunkt dieser Arbeit ist es das Verständnis der biologischen Mechanismen und deren Folgen, die zu den beobachteten Plastizitätsphänomene führen, durch eine stärker vereinheitlichte Theorie voranzutreiben.Dazu stelle ich zwei funktionale Ziele für neuronale Plastizität auf, leite Lernregeln aus diesen ab und analysiere deren Konsequenzen und Vorhersagen.
Kapitel 3 untersucht die Unterscheidbarkeit der Populationsaktivität in Netzwerken als funktionales Ziel für neuronale Plastizität. Die Hypothese ist dabei, dass gerade in rekurrenten aber auch in vorwärtsgekoppelten Netzwerken die Populationsaktivität als Repräsentation der Eingangssignale optimiert werden kann, wenn ähnliche Eingangssignale eine möglichst unterschiedliche Repräsentation haben und dadurch für die nachfolgende Verarbeitung besser unterscheidbar sind. Das funktionale Ziel ist daher diese Unterscheidbarkeit durch Veränderungen an den Verbindungsstärke und der Erregbarkeit der Neuronen mithilfe von lokalen selbst-organisierten Lernregeln zu maximieren. Aus diesem funktionale Ziel lassen sich eine Reihe von Standard-Lernenregeln für künstliche neuronale Netze gemeinsam abzuleiten.
Kapitel 4 wendet einen ähnlichen funktionalen Ansatz auf ein komplexeres, biophysikalisches Neuronenmodell an. Das Ziel ist eine spärliche, stark asymmetrische Verteilung der synaptischen Stärke, wie sie auch bereits mehrfach experimentell gefunden wurde, durch lokale, synaptische Lernregeln zu maximieren. Aus diesem funktionalen Ansatz können alle wichtigen Phänomene der synaptischen Plastizität erklärt werden. Simulationen der Lernregel in einem realistischen Neuronmodell mit voller Morphologie erklären die Daten von timing-, raten- und spannungsabhängigen Plastizitätsprotokollen. Die Lernregel hat auch eine intrinsische Abhängigkeit von der Position der Synapse, welche mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmt. Darüber hinaus kann die Lernregel ohne zusätzliche Annahmen metaplastische Phänomene erklären. Dabei sagt der Ansatz eine neue Form der Metaplastizität voraus, welche die timing-abhängige Plastizität beeinflusst. Die formulierte Lernregel führt zu zwei neuartigen Vereinheitlichungen für synaptische Plastizität: Erstens zeigt sie, dass die verschiedenen Phänomene der synaptischen Plastizität als Folge eines einzigen funktionalen Ziels verstanden werden können. Und zweitens überbrückt der Ansatz die Lücke zwischen der funktionalen und mechanistische Beschreibungsweise. Das vorgeschlagene funktionale Ziel führt zu einer Lernregel mit biophysikalischer Formulierung, welche mit etablierten Theorien der biologischen Mechanismen in Verbindung gebracht werden kann. Außerdem kann das Ziel einer spärlichen Verteilung der synaptischen Stärke als Beitrag zu einer energieeffizienten synaptischen Signalübertragung und optimierten Codierung interpretiert werden.
Diese Dissertation stellt die systematische Einbeziehung von Eichkorrekturen in die Theorie der thermischen Leptogenese vor, welche eine Erklärung für die Frage nach dem Ursprung der Materie in unserem Universum bereitstellt.
Geht man vom weithin anerkannten Urknallmodell aus, so müsste hierbei zu gleichen Teilen Materie sowie Antimaterie entstanden sein. Aufgrund von Annihilationsprozessen sollte demnach die gesamte Materie zerstrahlt sein und ein leeres Universum zurückbleiben. Da dies aber nicht der Fall ist, stellt sich die Frage, wie das Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie entstehen konnte. Der Wert der Asymmetrie lässt sich mit Hilfe von Experimenten sehr genau bestimmen. Für eine systematische theoretische Beschreibung dieser Problematik stellte A. Sacharow drei Bedingungen auf: 1. die Verletzung der Baryonenzahl, 2. die Verletzung der Invarianz von Ladungskonjugation C sowie der Zusammensetzung von Ladungskonjugation und Parität CP sowie 3. eine Abweichung vom thermischen Gleichgewicht.
Da das Urknallmodell und das Standardmodell der Teilchenphysik nicht in der Lage sind, diese Asymmetrie zu beschreiben, beschäftigt sich die vorliegende Dissertation mit der Theorie der thermischen Leptogenese, welche statt von einer ursprünglichen Baryonenasymmetrie von einer Leptonenasymmetrie ausgeht. Zu einem späteren Zeitpunkt wird diese dann mittels Sphaleron-Prozesse, welche die Baryonenzahl verletzen, in eine Baryonenasymmetrie übertragen. Hierzu werden neue Teilchen zum Standardmodell hinzugefügt: schwere Majorana-Neutrinos. Diese zerfallen im thermischen Nichtgleichgewicht CP-verletzend in die bekannten Standardmodell-Leptonen und Higgs-Teilchen.
In dieser Arbeit wird eine hierarchische Anordnung der drei schweren Neutrinomassen betrachtet. Dies hat zur Folge, dass zwei der drei Majorana-Neutrinos ausintegriert werden können und eine effektive Theorie aufgestellt werden kann. Dieses Modell wird auch vanilla leptogenesis genannt und im Folgenden verwendet.
Die Dissertation ist wie folgt gegliedert. Die einleitenden Betrachtungen sind Gegenstand der Kapitel 1 und 2. Dort werden weiterhin andere Modelle zur Lösung des Problems der Baryonenasymmetrie kurz vorgestellt. Die thermische Leptogenese wird eingeführt und der See-saw-Mechanismus sowie die CP-Asymmetrie genauer beschrieben. Am Ende des Kapitels wird der klassische Ansatz für Leptogenese über Boltzmann Gleichungen präsentiert.
In Kapitel 3 werden die Grundlagen für Quantenfeldtheorien im Nichtgleichgewicht eingeführt. Die wichtigsten Definitionen im Falle des thermischen Gleichgewichts werden gegeben, anschließend findet sich die Verallgemeinerung auf Nichtgleichgewichtszustände. Die Bewegungsgleichungen, die sogenannten Kadanoff-Baym-Gleichungen, werden im Folgenden sowohl für skalare Teilchen als auch für Fermionen gelöst.
Kapitel 4 stellt die Notwendigkeit der Einbeziehung von Eichkorrekturen im Kontext der thermischen Leptogenese vor. Durch die Definition einer Leptonenzahlmatrix lässt sich die Asymmetrie durch die Kadanoff-Baym Gleichung für Leptonen umschreiben. Da der Vergleich von Boltzmann und Kadanoff-Baym Gleichungen im letzten Teil dieses Kapitels Unterschiede im Zeitverhalten zeigt, werden im Kadanoff-Baym Ansatz thermische Standardmodell-Breiten des Higgsfeldes und der Leptonen per Hand eingeführt. Mit dieser naiven Erweiterung erhält man ein gleiches Verhalten für die Leptonenzahlmatrix, lokal in der Zeit wie die Lösung der Boltzmann Gleichung. Eine systematische Einführung von Standardmodellkorrekturen für thermische Leptogenese ist daher unumgänglich, weshalb im Rahmen der vorliegenden Dissertation von Grund auf Eichkorrekturen der Diagramme, die zur Asymmetrie führen, berücksichtigt werden.
Die vier für diese Arbeit wichtigen Skalenbereich bedingen zwei Resummationsschemata, Hard Thermal Loop (HTL) und Collinear Thermal Loop (CTL), welche in Kapitel 5 vorgestellt werden. Dies führt schließlich auf zwei Differenzialgleichungen für die Berechnung der thermischen Produktionsrate des Majorana-Neutrinos, welche in Kapitel 6 numerisch weiter ausgewertet werden.
In Kapitel 7 erfolgt zunächst eine naive Berechnung aller eichkorrigierter 3-Schleifen-Diagramme, die zu den beiden die Asymmetrie verursachenden Diagrammen gehören. Da eine einfache Berechnung der 3-Schleifen-Diagramme nicht ausreicht, wird an dieser Stelle ein neues, zylindrisches Diagramm eingeführt, welches alle wichtigen Beiträge, insbesondere die HTL- und CTL-resummierten, enthält. Am Ende des Kapitels findet sich der erste geschlossene Ausdruck für die eichkorrigierte Leptonenzahlmatrix in führender Ordnung in allen Kopplungen.
Abschließend gibt es eine kurze Zusammenfassung und einen Ausblick in Kapitel 8. In dieser Dissertation findet sich zum ersten Mal ein systematischer Zugang zur Berücksichtigung aller Eichwechselwirkungen in der Theorie der thermischen Leptogenese. Ein geschlossener Ausdruck für die eichkorrigierte Leptonenasymmetrie konnte vorgestellt werden.
In der nuklearen Astrophysik sind Experimente mit hochgeladenen Radionukliden von großer Bedeutung. Diese exotischen Nuklide können in Schwerionenbeschleunigeranlagen hergestellt und in Speicherringen gespeichert werden. Momentan existieren weltweit zwei Anlagen, die solche Experimente ermöglichen: das GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH in Darmstadt und das Institut für moderne Physik (IMP) in Lanzhou, China. Da die Ausbeute dieser Nuklide gering ist, werden zerstörungsfreie Nachweismethoden in den Speicherringen verwendet. Diese machen von den Methoden der Spektralanalyse Gebrauch. Nicht nur die geringe Ausbeute, sondern auch die kurze Lebensdauer dieser Nuklide stellen hohe Anforderungen an die Sensitivität und Geschwindigkeit dieser Detektoren.
Eine übliche Methode ist die Verwendung kapazitiver Schottky-Sonden. Eine solche Sonde ist seit 1991 an der GSI im Speicherring ESR im Einsatz. Um die Empfindlichkeit zu erhöhen, kann man Mikrowellenkavitäten als resonante Pickups verwenden. Die von den Teilchen induzierten elektromagnetischen Felder können resonante Moden im Resonator anregen. Die Geometrie des Pickups und das verwendete Material spielen eine wesentliche Rolle in der Gestaltung der Feldbilder. Die resultierenden Signale, auch Schottky Signale genannt, werden mittels einer Antenne ausgekoppelt und anschliessend an einen Spektrumanalysator angeschlossen. Für die Analyse der gespeicherten Daten können verschiedene Methoden der Spektralschätzung wie z.B. das Multi-Taper angewendet werden. Nachdem eine externe Kalibrierung durchgeführt worden ist, kann das Pickup auch als ein Stromsensor verwendet werden.
Diese Arbeit befasst sich mit der Theorie, dem Aufbau und ersten Anwendungen eines neuen resonanten Pickups, das im Jahr 2010 in den Speicherring ESR eingebaut und in mehreren Experimenten erfolgreich eingesetzt wurde. Ein ähnliches Pickup wurde im Jahr 2011 in den CSRe im IMP Lanzhou eingebaut. Einzelne Schwerionen mit 400 MeV pro Nukleon wurden erfolgreich mit dem GSI-Pickup nachgewiesen. Das Pickup wird regelmässig in Speicherringexperimenten eingesetzt. Ähnliche Experimente sind für CSRe in Lanzhou geplant.
Detailed knowledge of reaction mechanisms is key to understanding chemical, biological, and biophysical processes. For many reasons, it is desirable to comprehend how a reaction proceeds and what influences the reaction rate and its products.
In biophysics, reaction mechanisms provide insight into enzyme and protein function, the reason why they are so efficient, and what determines their reaction rates. They also reveal the relationship between the function of a protein and its structure and dynamics.
In chemistry, reaction mechanisms are able to explain side products, solvent effects, and the stereochemistry of a product. They are also the basis for potentially optimizing reactions with respect to yield, enhancing the stereoselectivity, or for modifying reactions in order to obtain other related products.
A key step to investigate reaction mechanisms is the identification and characterization of intermediates, which may be reactive, short-lived, and therefore only weakly populated. Nowadays, the structures of those can in most cases only be hypothesized based on products, side products, and isolable intermediates, because intermediates with a life time of less than a few microseconds are not accessible with the commonly used techniques for structure determination such as X-ray crystallography and nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy.
In this thesis, two-dimensional infrared (2D-IR) spectroscopy is shown to be a powerful complement to the existing techniques for structure determination in solution. 2D-IR spectroscopy uses a femtosecond laser setup to investigate interactions between vibrations - analogous to 2D-NMR, which investigates the interactions between spins. Its ultrafast time resolution makes 2D-IR spectroscopy particularly well suited for the two topics investigated in this thesis: Structure Determination of Reactive Intermediates and Conformational Dynamics of Proteins.
Structure Determination of Reactive Intermediates: The focus of this thesis is using polarization-dependent 2D-IR (P2D-IR) spectroscopy for structure determination of N-crotonyloxazolidinone (referred to as 1), a small organic compound with a chiral oxazolidinone, known as Evans auxiliary, and its reactive complexes with the Lewis acids SnCl4 and Mg(ClO4)2. Chiral oxazolidinones in combination with Lewis acids have frequently been used in stereoselective synthesis for over 30 years. Nevertheless, the detailed mechanisms are in many cases xvi ABSTRACT still mere hypotheses and have not yet been experimentally proven. By accurately measuring the angles between the transition dipole moments in the molecules using an optimized P2D-IR setup and comparing the results to DFT calculations, the conformation of 1 and the conformation and coordination of the main complexes with SnCl4 and Mg(ClO4)2 are unequivocally identified and analyzed in depth. Structural details, such as a slight twist in the solution structure of 1, are detected using P2D-IR spectroscopy; these cannot be inferred from NMR spectroscopy or DFT calculations. In addition to the main Lewis acid complexes, complexes in low concentration are detected and tentatively assigned to different conformations and complexation geometries. The knowledge of those structures is essential for rationalizing the observed stereoselectivities. Additionally, a method is introduced that enables structure determination of molecules in complex mixtures and even in the presence of molecules with similar spectral properties and in high concentration. This work sets the stage for future studies of other substrate-catalyst complexes and reaction intermediates for which the structure determination has not been possible to date.
Conformational Dynamics of Proteins: Exchange 2D-IR spectroscopy allows the investigation of fast dynamics without disturbing the equilibrium of the exchanging species. It is therefore well suited to investigate fast dynamics of proteins and to reveal the speed limit of those. The temperature dependence of the conformational dynamics between the myoglobin substates A1 and A3 in equilibrium is analyzed. The various substates of myoglobin can be detected with FTIR spectroscopy, if carbon monoxide is bound to the heme. From previous studies it is known that the exchange rates at room temperature are in the picosecond time range, well suited to be investigated by 2D-IR spectroscopy. In the temperature range between 0 °C and 40 °C only a weak temperature dependence of the exchange rate in the myoglobin mutant L29I is observed in the present study. The exchange rate approximately doubles from 15 ns-1 at 0 °C to 31 ns-1 at 40 °C. It turned out that the conformational dynamics correlates linearly with the solvent viscosity, which itself is temperature dependent. Comparing our results to measurements at cryogenic temperatures, the linear relation between exchange time constant for this process and the viscosity is shown for the temperature range between -100 °C and 40 °C (corresponding to a viscosity change of 14 orders of magnitude). Thus, it is proven that the dynamics of the conformational switching are mainly determined by solvent dynamics, i.e., the protein dynamics are slaved to the solvent dynamics. This is the first time slaving is observed for such fast processes (in the picosecond time range). The observation implies a long-range structural rearrangement between the myoglobin substates A1 and A3. In addition, the exchange for other mutants and wild type myoglobin is analyzed qualitatively and found to agree with the conclusions drawn from L29I myoglobin.
In this thesis, various aspects on the theoretical description of ultracold bosonic atoms in optical lattices are investigated. After giving a brief introduction to the fundamental concepts of BECs, atomic physics, interatomic interactions and experimental procedures in chapter (1), we derive the Bose-Hubbard model from first principles in chapter (2). In this chapter, we also introduce and discuss a technique to efficiently determine Wannier states, which, in contrast to current techniques, can also be extended to inhomogeneous systems. This technique is later extended to higher dimensional, non-separable lattices in chapter (5). The many-body physics and phases of the Bose-Hubbard is shortly presented in chapter (3) in conjunction with Gutzwiller mean-field theory, and the recently devised projection operator approach. We then return to the derivation of an improved microscopic many-body Hamiltonian, which contains higher band contributions in the presence of interactions in chapter (4). We then move on to many-particle theory. To demonstrate the conceptual relations required in the following chapter, we derive Bogoliubov theory in chapter (5.3.4) in three different ways and discuss the connections. Furthermore, this derivation goes beyond the usual version discussed in most textbooks and papers, as it accounts for the fact, that the quasi-particle Hamiltonian is not diagonalizable in the condensate and the eigenvectors have to be completed by additional vectors to form a basis. This leads to a qualitatively different quasi-particle Hamiltonian and more intricate transformation relations as a result. In the following two chapters (7, 8), we derive an extended quasi-particle theory, which goes beyond Bogoliubov theory and is not restricted to weak interactions or a large condensate fraction. This quasi-particle theory naturally contains additional modes, such as the amplitude mode in the strongly interacting condensate. Bragg spectroscopy, a momentum-resolved spectroscopic technique, is introduced and used for the first experimental detection of the amplitude mode at finite quasi-momentum in chapter (9). The closely related lattice modulation spectroscopy is discussed in chapter (10). The results of a time-dependent simulation agree with experimental data, suggesting that also the amplitude mode, and not the sound mode, was probed in these experiments. In chapter (11) the dynamics of strongly interacting bosons far from equilibrium in inhomogeneous potentials is explored. We introduce a procedure that, in conjunction with the collapse and revival of the condensate, can be used to create exotic condensates, while particularly focusing on the case of a quadratic trapping potential. Finally, in chapter (12), we turn towards the physics of disordered systems derive and discuss in detail the stochastic mean-field theory for the disordered Bose-Hubbard model.
The study of systems whose properties are governed by electronic correlations is a corner stone of modern solid-state physics. Often, such systems feature unique and distinct properties like Mott metal-insulator transitions, rich phase diagrams, and high sensitivity to subtle changes in the applied conditions. Whereas the standard approach to electronic structure calculations, density functional theory (DFT), is able to address the complexity of real-world materials but is known to have serious limitations in the description of correlations, the dynamical mean-field theory (DMFT) has become an established method for the treatment of correlated fermions, first on the level of minimal models and later in combination with DFT, termed LDA+DMFT.
This thesis presents theoretical calculations on different materials exhibiting correlated physics, where we aim at covering a range in terms of systems --from rather weakly correlated to strongy correlated-- as well as in terms of methods, from DFT calculations to combined LDA+DMFT calculations. We begin with a study on a selection of iron pnictides, a recently discovered family of high-temperature superconductors with varying degree of correlation strength, and show that their magnetic and optical properties can be assessed to some degree within DFT, despite the correlated nature of these systems. Next, extending our analysis to the inclusion of correlations in the framework of LDA+DMFT, we discuss the electronic structure of the iron pnictide LiFeAs which we find to be well described by Fermi liquid theory with regard to many of its properties, yet we see distinct changes in its Fermi surface upon inclusion of correlations. We continue the study of low-energy properties and specifically Fermi surfaces on two more iron pnictides, LaFePO and LiFeP, and predict a topology change of their Fermi surfaces due to the effect of correlations, with possible implications for their superconducting properties. In our last study, we close the circle by presenting LDA+DMFT calculations on an organic molecular crystal on the verge of a Mott metal-insulator transition; there, we find the spectral and optical properties to display signatures of strong electronic correlations beyond Fermi liquid theory.
With the increasing energies and intensities of heavy-ion accelerator facilities, the problem of an excessive activation of the accelerator components caused by beam losses becomes more and more important. Numerical experiments using Monte Carlo transport codes are performed in order to assess the levels of activation. The heavy-ion versions of the codes were released approximately a decade ago, therefore the verification is needed to be sure that they give reasonable results. Present work is focused on obtaining the experimental data on activation of the targets by heavy-ion beams. Several experiments were performed at GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung. The interaction of nitrogen, argon and uranium beams with aluminum targets, as well as interaction of nitrogen and argon beams with copper targets was studied. After the irradiation of the targets by different ion beams from the SIS18 synchrotron at GSI, the γ-spectroscopy analysis was done: the γ-spectra of the residual activity were measured, the radioactive nuclides were identified, their amount and depth distribution were detected. The obtained experimental results were compared with the results of the Monte Carlo simulations using FLUKA, MARS and SHIELD. The discrepancies and agreements between experiment and simulations are pointed out. The origin of discrepancies is discussed. Obtained results allow for a better verification of the Monte Carlo transport codes, and also provide information for their further development. The necessity of the activation studies for accelerator applications is discussed. The limits of applicability of the heavy-ion beam-loss criteria were studied using the FLUKA code. FLUKA-simulations were done to determine the most preferable from the radiation protection point of view materials for use in accelerator components.
In dieser Arbeit wurden Verfahren zur Identifikation hirnelektrischer Aktivität mit Zellularen Nichtlinearen Netzwerken (CNN), im Besonderen Reaktions-Diffusions-Netzwerken, entwickelt und untersucht. Mit Hilfe der eingeführten Methoden wurden Langzeitaufzeichnungen hirnelektrischer Aktivität bei Epilepsie analysiert und mittels eines automatisierten Verfahrens ermittelt, inwieweit sich mögliche Voranfallszustände vom anfallsfreien Zustand im statistischen Sinne trennen lassen.
Zunächst wurde ein Überblick über CNN gegeben und deren Beschreibung durch Systeme gekoppelter Differentialgleichungen dargestellt. Weiterhin wurden die Möglichkeiten der Informationsverarbeitung mit CNN durch Ausnutzung von Gleichgewichtszuständen oder der vollständigen raum-zeitlichen Dynamik der Netzwerke diskutiert. Zusätzlich wurde die Klasse der Reaktions-Diffusions-Netzwerke (RD-CNN) eingeführt. Für die Repräsentation der hierbei benötigten weitgehend allgemeinen nichtlinearen Zellkopplungsvorschriften wurden polynomiale Gewichtsfunktionen vorgeschlagen. Mit einer Darstellung der Theorie der Lokalen Aktivität wurden notwendige Bedingungen für emergentes Verhalten in RD-CNN angegeben. Die statistische Bewertung von Vorhersagemodellen wurde aus theoretischer Sicht beleuchtet. Mit der Receiver Operating Characteristic (ROC) wurde eine Analysemethode zur Beurteilung der Vorhersagekraft des zeitlichen Verlaufs von Kenngrößen bezüglich bevorstehender epileptischer Anfälle vorgestellt.
Als nächstes wurden Überlegungen zur numerischen Simulation von CNN und deren flexible und erweiterbare programmtechnische Umsetzung entwickelt. Die daraus resultierende und im Rahmen dieser Arbeit entstandene objektorientierte Simulationsumgebung FORCE++ wurde konzeptionell und im Hinblick auf die Softwarearchitektur vorgestellt.
Die Verfahren zur numerischen Simulation wurden auf die Problemstellung der Systemidentifikation mit CNN angewandt. Dazu wurden Netzwerke derart bestimmt, dass deren Zellausgangswerte entsprechende Signalwerte des beobachteten, zu identifizierenden Systems approximieren.
Da die Parameter der zu bestimmenden CNN im vorliegenden Fall der Untersuchung hirnelektrischer Aktivität nicht bekannt sind und nicht direkt abgeleitet werden können, wurden überwachte Lernverfahren zur Bestimmung der Netzwerke eingesetzt. Hierbei wurden Lernverfahren verschiedener Klassen für die Identifikation mit CNN mit polynomialen Gewichtsfunktionen untersucht. Die Leistungsfähigkeit des vorgestellten Identifikationsverfahrens wurde anhand bekannter Systeme einer genauen Betrachtung unterzogen. Dabei wurde festgestellt, dass die betrachteten Systeme mit hoher Genauigkeit durch CNN repräsentiert werden konnten. Exemplarisch wurde das Parametergebiet lokaler Aktivität für ein RD-CNN berechnet und durch numerische Simulationen die Ausbildung von Mustern innerhalb des Netzwerkes nachgewiesen.
Nach einem einleitenden Überblick über die medizinischen Hintergründe von Epilepsie und der Erfassung hirnelektrischer Aktivität wurde eine vergleichende Übersicht über den Stand veröffentlichter Studien zur Vorhersage epileptischer Anfälle gegeben. Für die Anwendung des hier vorgestellten Identifikationsverfahrens zur Analyse hirnelektrischer Aktivität wurde zunächst die Genauigkeit der Approximation kurzer, als quasi-stationär betrachteter Abschnitte, von EEG-Signalen untersucht. Durch gezielte Erhöhung der Komplexität herangezogener Netzwerke konnte hier die Genauigkeit der Repräsentation von EEG-Signalverläufen deutlich verbessert werden. Dabei wurde zudem die Verallgemeinerungsfähigkeit der ermittelten Netzwerke untersucht, wobei festgestellt wurde, dass auch solche Signalwerte mit guter Genauigkeit approximiert werden, die nicht im Identifikationsverfahren durch die überwachte Parameteroptimierung berücksichtigt waren. Um speziell den Einfluss der Information aus der Korrelation benachbarter Elektrodensignale zu untersuchen, wurde ein Verfahren zur multivariaten Prädiktion mit Discrete Time CNN (DT-CNN) entwickelt.
Hierbei werden durch ein CNN Signalwerte der betrachteten Elektrode aus vergangenen, korrelierten Signalwerten von Nachbarelektroden geschätzt. Für diese Aufgabenstellung konnte eine Methode zur Bestimmung der Netzwerkparameter im optimalen Sinn, alleine aus den statistischen Eigenschaften der Elektrodensignale angegeben werden. Dadurch gelang eine erhebliche Reduzierung der Rechenkomplexität, die eine umfangreiche Untersuchung intrakranieller Langzeitableitungen ermöglichte.
Zur Analyse von Langzeitaufzeichnungen mit dem RD-CNN Identifikationsverfahren, wurden die numerischen Berechnungen zur Simulation von CNN mit FORCE++ auf einem durchsatz-orientierten Hochleistungs-Rechnernetzwerk durchgeführt. Mit den so gewonnen Ergebnissen konnten vergleichende Analysen vorgenommen werden. Zudem wurden Untersuchungen zum Vorliegen lokaler Aktivität in den ermittelten RD-CNN durchgeführt.
Die bei den beschriebenen Verfahren extrahierten Kenngrößen hirnelektrischer Aktivität wurden durch ein automatisiertes Verfahren auf ihre Vorhersagekraft für epileptische Anfälle bewertet. Dabei wurde untersucht, inwieweit der anfallsfreie Zustand und ein angenommener Voranfallszustand durch die jeweils betrachtete Kenngröße im statistischen Sinn diskriminiert werden kann. Durch parallele Analysen mit Anfallszeitsurrogaten wurden hierzu ergänzende Signifikanztests durchgeführt.
Nach Auswertung von mehrtägigen Hirnstromsignalen verschiedener Patienten konnte festgestellt werden, dass mit den in dieser Arbeit entwickelten Verfahren Kenngrößen hirnelektrischer Aktivität bestimmt werden konnten, welche offenbar die Identifikation potentieller Voranfallszustände ermöglichen.
Auch wenn für eine breite medizinische Anwendung die Spezifität und Sensitivität noch weiter verbessert werden muss, so können doch die erzielten Ergebnisse einen wesentlichen Schritt hin zu einer implantierbaren, CNN-basierten Plattform zur Erkennung und Verhinderung epileptischer Anfälle darstellen. Die Berechnungen für das Identifikationsverfahren mit RD-CNN könnten dabei durch zukünftige, spezialisierte schaltungstechnische Realisierungen für mehrschichtige CNN mit polynomialen Gewichtsfunktionen eine erhebliche Beschleunigung erfahren.