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Im Zentrum dieser Arbeit steht die Diagnostik eines Wasserstoff-Theta-Pinch-Plasmas hinsichtlich der integrierten Elektronen- und Neutralgasdichte mittels Zweifarben Interferometrie. Die integrierte Elektronen- und Neutralgasdichte sind essenzielle Größen, aus welchen sich die Ratenkoeffizienten der Ionisation und Rekombination bei einer Plasma-Ionenstrahl-Wechselwirkung bestimmen lassen.
Ein Theta-Pinch-Plasma ist ein induktiv gezündetes Plasma, wobei das zur Zündung notwendige elektrische Feld durch ein magnetisches Wechselfeld generiert wird. Das induzierte, azimutale elektrische Feld beschleunigt freie Elektronen im Arbeitsgas, welches durch Stoßionisation in den Plasmazustand gebracht wird. Der azimutale Plasmastrom erzeugt einen radialen magnetischen Druckgradienten, der das Plasma komprimiert. Da in axialer Richtung keine Kompressionskraft wirkt, weicht das Plasma einer weiteren Kompression aus, wodurch es zu einer axialen Expansion des Plasmas kommt. Die Expansion erzeugt eine Ionisationswelle im kalten Restgas und es wird eine lange, hoch ionisierte Plasmasäule gebildet.
Dieser hochdynamische Prozess ist mit einem Mach-Zehnder-Interferometer bei der Verwendung von zwei verschiedenen Versionen des Theta-Pinchs zeitaufgelöst untersucht worden. Der Unterschied dieser Versionen liegt in der Geometrie und Induktivität der Spulen, wobei zum einen eine zylindrische und zum anderen eine sphärische Spule eingesetzt worden ist. Das grundlegende Messprinzip beruht darauf, dass das Plasma einen Brechungsindex besitzt, welcher von den Dichten der im Plasma enthaltenen Teilchenspezies abhängt. In einem Wasserstoffplasmas sind dies der Beitrag der freien Elektronen und der des Neutralgases, wodurch ein Zweifarben-Interferometer eingesetzt wird. Um eine von den Laserintensitäten unabhängige Messung zu ermöglichen, wird das heterodyne Verfahren benutzt, bei dem die Referenzstrahlen beider Wellenlängen jeweils mit einem akusto-optischen Modulator frequenzverschoben werden. Durch einen Vergleich mit einem stationären Referenzsignal mittels eines I/Q-Demodulators wird die interferometrische Phasenverschiebung aus dem Messsignal extrahiert.
Mit diesem diagnostischen Verfahren ist die integrierte Elektronen- und Neutralgasdichte des Theta-Pinch-Plasmas bei Variation des Arbeitsdrucks und der Ladespannung der Kondensatorbank untersucht worden. Mit der zylindrischen Experimentversion ist eine optimale Kombination aus integrierter Elektronendichte und effektivem Ionisationsgrad η von (1,45 ± 0,04) · 1018 cm−2 bei η = (0,826 ± 0,022) bei einem Arbeitsdruck von 20 Pa und einer Ladespannung von 16 kV ermittelt worden. Dagegen beträgt die optimale Kombination bei einem Arbeitsdruck von 20 Pa und einer Ladespannung von 18 kV bei Verwendung der sphärischen Experimentversion lediglich (1,23 ± 0,03) · 1018 cm−2 bei η = (0,699 ± 0,019).
Des Weiteren ist bei beiden Experimentversionen nachgewiesen worden, dass die integrierte Elektronendichte dem oszillierenden Strom folgend periodische lokale Maxima zeigt, welche zeitlich mit signifikanten Einbrüchen in der integrierten Neutralgasdichte zusammenfallen. Diese Einbrüche werden durch die axiale Expansion des Plasmas und der damit verbundenen Ionisationswelle im Restgas erzeugt. Neben diesem zentralen Teil dieser Arbeit ist eine lasergestützte polarimetrische Diagnostik durchgeführt worden, mit der die longitudinale Komponente der magnetischen Flussdichte der Theta-Pinch-Spulen zeit- und ortsaufgelöst bestimmt worden ist. Als Messprinzip ist der Faraday-Effekt eines magneto-optischen TGGKristalls verwendet worden.
Vor der polarimetrischen Diagnostik ist der TGG-Kristall bezüglich seiner Verdet- Konstante kalibriert worden, wobei ein Wert von V = (−149,7 ± 6,4) rad/Tm gemessen worden ist. Die ortsaufgelöste polarimetrische Diagnostik ist durch einen Seilzug ermöglicht worden, mit dem der TGG-Kristall auf einem Schlitten an unterschiedliche Positionen entlang der Spulenachse gefahren werden konnte. An den jeweiligen Messpunkten ist für beide Experimentversionen die magnetische Flussdichte für verschiedene Ladespannungen zeitaufgelöst bestimmt worden. Als Messverfahren ist dabei das Δ/Σ-Verfahren eingesetzt worden, mit dem sich eine intensitätsunabhängige Messung erzielen ließ.
Die ortsaufgelösten Messergebnisse fallen gegenüber Simulationen allerdings zu niedrig aus. Bei der zylindrischen Spule betragen die Abweichungen im Spulenzentrum circa 14 - 16% und bei der sphärischen Spule in etwa 16 - 18%. Bei einer Normierung der Messwerte und der simulierten Werte auf den jeweiligen Wert im Zentrum ist dagegen innerhalb der Fehler eine völlige Übereinstimmung zwischen den Messwerten und der Simulation für die zylindrische Spule erzielt worden. Als Ursache der negativen Abweichungen wird die Hysterese des TGG-Kristalls diskutiert. Es zeigt sich insbesondere zu Beginn der Entladung eine zeitliche Verzögerung der gemessenen magnetischen Flussdichte gegenüber dem Strom, die in der Umgebung des Stromnulldurchgangs besonders stark ausgeprägt ist.
Vibrational energy transfer (VET) is emerging as key mechanism for protein functions, possibly playing an important role for energy dissipation, allosteric regulation, and enzyme catalysis. A deep understanding of VET is required to elucidate its role in such processes. Ultrafast VIS-pump/IR-probe spectroscopy can detect pathways of VET in proteins. However, the requirement of having a VET donor and a VET sensor installed simultaneously limits the possible target proteins and sites; to increase their number we compare six IR labels regarding their utility as VET sensors. We compare these labels in terms of their FTIR, and VET signature in VET donor-sensor dipeptides in different solvents. Furthermore, we incorporated four of these labels in PDZ3 to assess their capabilities in more complex systems. Our results show that different IR labels can be used interchangeably, allowing for free choice of the right label depending on the system under investigation and the methods available.
Vanadium and Manganese Carbonyls as Precursors in Electron-Induced and Thermal Deposition Processes
(2022)
The material composition and electrical properties of nanostructures obtained from focused electron beam-induced deposition (FEBID) using manganese and vanadium carbonyl precursors have been investigated. The composition of the FEBID deposits has been compared with thin films derived by the thermal decomposition of the same precursors in chemical vapor deposition (CVD). FEBID of V(CO)6 gives access to a material with a V/C ratio of 0.63–0.86, while in CVD a lower carbon content with V/C ratios of 1.1–1.3 is obtained. Microstructural characterization reveals for V-based materials derived from both deposition techniques crystallites of a cubic phase that can be associated with VC1−xOx. In addition, the electrical transport measurements of direct-write VC1−xOx show moderate resistivity values of 0.8–1.2 × 103 µΩ·cm, a negligible influence of contact resistances and signatures of a granular metal in the temperature-dependent conductivity. Mn-based deposits obtained from Mn2(CO)10 contain ~40 at% Mn for FEBID and a slightly higher metal percentage for CVD. Exclusively insulating material has been observed in FEBID deposits as deduced from electrical conductivity measurements. In addition, strong tendencies for postgrowth oxidation have to be considered.
Die minoren Aktinoiden dominieren auf lange Sicht die Radioaktivität des gesamten abgebrannten Brennstoffes und können somit, obwohl sie nur etwa 0,2 % davon ausmachen, als die Hauptverursacher der Endlagerproblematik betrachtet werden.
Neben einer möglichen Endlagerung und den damit verbundenen Problemen, bietet die Transmutation eine Alternative im Umgang mit dieser Art der radioaktiven Abfälle. Hierbei werden die minoren Aktinoide durch Neutroneneinfang zur Spaltung angeregt, wodurch sowohl deren Halbwertszeit, als auch deren Radiotoxizität deutlich reduziert werden soll.
Innerhalb des in der vorliegenden Arbeit vorgestellten MYRRHA-Projektes, das im belgischen Mol realisiert werden soll, soll gezeigt werden, dass die Transmutation in einem industriellen Maßstab möglich ist. Bei MYRRHA handelt es sich um ein sog. ADS (Accelerator Driven System), bei dem ein 4 mA Protonenstrahl mit 600 MeV in einem Target aus LBE (Lead-Bismuth Eutectic) per Spallation Neutronen erzeugen soll, die für die Transmutation in einem ansonsten unterkritischen Reaktor notwendig sind. Da eine solche Anlage enorme Ansprüche an die Zuverlässigkeit des Teilchenstrahls stellt, um den thermischen Stress innerhalb des Reaktors so gering wie möglich zu halten, werden auch hohe Ansprüche an die verwendeten Kavitäten innerhalb des Beschleunigers gestellt.
Besonderes Augenmerk muss hierbei auf den Injektor gelegt werden. In diesem wird der Protonenstrahl auf 16,6 MeV beschleunigt, wobei in seinem aktuellen Design nur noch normalleitende Kavitäten verwendet werden.
Als erstes beschleunigendes Bauteil nach der Ionenquelle fungiert hier ein im Rahmen der vorliegenden Arbeit gebauter 4-Rod-RFQ, dessen HF-Design auf dem bereits am IAP getesteten MAX-Prototypen basiert.
Für den MYRRHA-RFQ konnte eine neue Art der Dipolkompensation für 4-Rod-RFQs entwickelt werden, die bereits in anderen Beschleunigern, wie etwa dem neuen HLI-RFQ-Prototypen eingesetzt werden konnte. Hierbei werden die Stützen, auf denen die Elektroden befestigt werden alternierend verbreitert, um so den Strompfad zum niedrigeren Elektrodenpaar zu verlängern, wodurch sich die dortige Spannung erhöht. Im Zuge dieser Entwicklung wurden Simulations- und Messmethoden erarbeitet, um den Dipolanteil sowohl an bereits gebauten, wie auch an zukünftigen 4-Rod-RFQs untersuchen zu können. Der Erfolg dieser neuartigen Dipolkompensation konnte in den Low-Level-Messungen, die sich an den Zusammenbau des MYRRHA-RFQs anschlossen, validiert werden.
Die CH-Sektion, die im MYRRHA-Injektor auf den RFQ und die MEBT folgt, besteht aus insgesamt 16 normalleitenden Kavitäten. Sie gliedert sich in sieben beschleunigende CHs, auf die ein CH-Rebuncher und weitere acht beschleunigende CHs folgen.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde - aufbauend auf bereits vorhandenen Entwürfen - das Design der ersten sieben CH-Strukturen des MYRRHA-Injektors erstellt und hinsichtlich seiner HF-Eigenschaften optimiert.
Die dabei während den Simulationen zu CH1 auftretende Problematik einer parasitären Tunermode konnte durch zahlreiche Simulationen umgangen werden.
Weiter wurde das aus der FRANZ-CH bekannte Kühlkonzept überarbeitet, um eine hohe thermische Stabilität gewährleisten zu können, wobei mehrere verschiedene Konzepte entwickelt, simuliert und bewertet wurden.
Das so entwickelte HF- und Kühldesign der ersten sieben MYRRHA-CHs dient als Vorlage für die weiteren MYRRHA-CHs sowie für zukünftige Beschleunigerprojekte, wie etwa HBS am Forschungszentrum Jülich.
Im Anschluss an die Designphase wurden die ersten beiden CH-Strukturen des Injektors und ein zusätzlicher dickschichtverkupferter Deckel für CH1 von den Fimen NTG und PINK gefertigt und anschließend Low-Level-Messungen unterzogen, in denen die Simulationsergebnisse bestätigt werden konnten, während diese Messungen zusätzlich als Vorbereitung für die Konditionierung dienten.
Sowohl der MYRRHA-RFQ, als auch die CH-Strukturen wurden nach ihren jeweiligen Low-Level-Messungen duch eine Konditionierung auf den späteren Strahlbetrieb vorbereitet.\\
Die Konditionierung des MYRRHA-RFQ erfolgte in zwei Phasen. Zunächst wurde er in der Experimentierhalle des IAP im cw-Betrieb vorkonditioniert, bevor er nach Louvain-la-Neuve transportiert wurde. In der dort fortgesetzten Konditionierung, die sowohl gepulst, als auch im cw-Betrieb erfolgte, konnten im Rahmen dieser Arbeit 120 kW cw stabil eingkoppelt werden, wobei diese transmittierte Leistung später noch vom SCK auf bis zu 145 kW cw gesteigert wurde. Nach Abschluss der Konditionierung konnten sowohl vom IAP, als auch vom SCK Röntgenspektren aufgenommen werden, um so die Shuntimpedanz bestimmen zu können. Die Ergebnisse dieser Messungen zusammen mit der alternativen Bestimmung der Shuntimpedanz über den R/Q-Wert wurden ebenfalls in dieser Arbeit besprochen.
Die CH-Kavitäten wurden im Bunker der Experimentierhalle des IAP konditioniert, wobei zusätzlich neue Konditionierungsmethoden erarbeitet und erprobt werden konnten. In den abschließenden Untersuchungen, die sich an jede der drei Konditionierungen anschlossen, konnten Erkenntnisse über das thermische Verhalten der CHs, sowie über den Einfluss verschiedener Verschaltungen des Kühlsystems darauf gewonnen werden, die bei der Installation auch zukünftiger CHs von Nutzen sein werden.
We present the first very long baseline interferometric (VLBI) observations of the blazar OJ 287 carried out jointly with the Global Millimeter VLBI Array (GMVA) and the phased Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) at 3.5 mm on 2017 April 2. The participation of phased ALMA has not only improved the GMVA north–south resolution by a factor of ∼3, but has also enabled fringe detections with signal-to-noise ratios up to 300 at baselines longer than 2 Gλ. The high sensitivity has motivated us to image the data with newly developed regularized maximum likelihood imaging methods, revealing the innermost jet structure with unprecedentedly high angular resolution. Our images reveal a compact and twisted jet extending along the northwest direction, with two bends within the inner 200 μas, resembling a precessing jet in projection. The component at the southeastern end shows a compact morphology and high brightness temperature, and is identified as the VLBI core. An extended jet feature that lies at ∼200 μas northwest of the core shows a conical shape, in both total and linearly polarized intensity, and a bimodal distribution of the linear polarization electric vector position angle. We discuss the nature of this feature by comparing our observations with models and simulations of oblique and recollimation shocks with various magnetic field configurations. Our high-fidelity images also enabled us to search for possible jet features from the secondary supermassive black hole (SMBH) and test the SMBH binary hypothesis proposed for this source.
TriMem: A parallelized hybrid Monte Carlo software for efficient simulations of lipid membranes
(2022)
Lipid membranes are integral building blocks of living cells and perform a multitude of biological functions. Currently, molecular simulations of cellular-scale membrane remodeling processes at atomic resolution are extremely difficult, due to their size, complexity, and the large times-scales on which these processes occur. Instead, elastic membrane models are used to simulate membrane shapes and transitions between them and to infer their properties and functions. Unfortunately, an efficiently parallelized open-source simulation code to do so has been lacking. Here, we present TriMem, a parallel hybrid Monte Carlo simulation engine for triangulated lipid membranes. The kernels are efficiently coded in C++ and wrapped with Python for ease-of-use. The parallel implementation of the energy and gradient calculations and of Monte Carlo flip moves of edges in the triangulated membrane enable us to simulate large and highly curved membrane structures. For validation, we reproduce phase diagrams of vesicles with varying surface-to-volume ratios and area difference. We also compute the density of states to verify correct Boltzmann sampling. The software can be used to tackle a range of large-scale membrane remodeling processes as a step toward cell-scale simulations. Additionally, extensive documentation make the software accessible to the broad biophysics and computational cell biology communities.
Tracking influenza a virus infection in the lung from hematological data with machine learning
(2022)
The tracking of pathogen burden and host responses with minimal-invasive methods during respiratory infections is central for monitoring disease development and guiding treatment decisions. Utilizing a standardized murine model of respiratory Influenza A virus (IAV) infection, we developed and tested different supervised machine learning models to predict viral burden and immune response markers, i.e. cytokines and leukocytes in the lung, from hematological data. We performed independently in vivo infection experiments to acquire extensive data for training and testing purposes of the models. We show here that lung viral load, neutrophil counts, cytokines like IFN-γ and IL-6, and other lung infection markers can be predicted from hematological data. Furthermore, feature analysis of the models shows that blood granulocytes and platelets play a crucial role in prediction and are highly involved in the immune response against IAV. The proposed in silico tools pave the path towards improved tracking and monitoring of influenza infections and possibly other respiratory infections based on minimal-invasively obtained hematological parameters.
We derive the thermal noise spectrum of the longitudinal and transverse electric field operator of a given wave vector starting from the quantum-statistical definitions and relate it to the frequency and wave vector dependent complex conductivity in a homogeneous, isotropic system of electromagnetic interacting charged particles in the frame of the non-relativistic QED. No additional assumptions except the validity of linear response are used in the proof. The Nyquist formula for vanishing frequency, as well as the noise spectral density of Callen-Welton follow as byproduct. Furthermore we discuss also the noise of the photon occupation numbers.
We study the decays of the JPC=1−+ hybrid nonet using a Lagrangian invariant under the flavor symmetry, parity reversal, and charge conjugation. We use the available experimental data, the lattice predictions, and the flavor constraints to evaluate the coupling strengths of the π1(1600) to various two-body mesonic states. Using these coupling constants, we estimate the partial widths of the two-body decays of the hybrid pion, kaon and the isoscalars. We find that the hybrid kaon can be nearly as broad as the π1(1600). Quite remarkably, we find also that the light isoscalar must be significantly narrow while the width of the heavy isoscalar can be matched to the recently observed η1(1855).
Gasdermin-D (GSDMD) is the ultimate effector of pyroptosis, a form of programmed cell death associated with pathogen invasion and inflammation. After proteolytic cleavage by caspases, the GSDMD N-terminal domain (GSDMDNT) assembles on the inner leaflet of the plasma membrane and induces the formation of membrane pores. We use atomistic molecular dynamics simulations to study GSDMDNT monomers, oligomers, and rings in an asymmetric plasma membrane mimetic. We identify distinct interaction motifs of GSDMDNT with phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate (PI(4,5)P2) and phosphatidylserine (PS) headgroups and describe their conformational dependence. Oligomers are stabilized by shared lipid binding sites between neighboring monomers acting akin to double-sided tape. We show that already small GSDMDNT oligomers support stable, water-filled, and ion-conducting membrane pores bounded by curled beta-sheets. In large-scale simulations, we resolve the process of pore formation from GSDMDNT arcs and lipid efflux from partial rings. We find that high-order GSDMDNT oligomers can crack under the line tension of 86 pN created by an open membrane edge to form the slit pores or closed GSDMDNT rings seen in atomic force microscopy experiments. Our simulations provide a detailed view of key steps in GSDMDNT-induced plasma membrane pore formation, including sublytic pores that explain nonselective ion flux during early pyroptosis.