Physik
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Es wurde eine Apparatur zur Messung der Ladungszustandsverteilung von langsamen, hochgeladenen Ionen nach der Wechselwirkung in dünnen Foilen aufgebaut und angewendet. Die Ladungszustandsverteilung von Ionen mit Ladungszuständen von 1+ (H) bis 75+(Th) wurden im Geschwindigkeitsbereich von 0.2 bis 0.75 vBohr nach einer 5 nm und 10 nm dicken amorphen Kohlenstoff-Folie bestimmt. Ionen, die die (10 nm)-Folie passierten, befanden sich im wesentlichen in einem Gleichgewichtsladungszustand (1-2+), der sich grob durch das Bohr-Kriterium beschreiben läßt. Die mittleren Endladungszustände von Ionen mit Anfangsladungen >= 33+ zeigten nach der 5 nm dicken Folie eine deutliche Abweichung von diesem Gleichgewicht. Mittlere Ladungszustände bis zu 8.2+ (Th) wurden beobachtet. Es handelt sich dabei um die erste Beobachtung von Nicht-Gleichgewichtsladungszuständen langsamer Ionen nach der Transmission durch einen Festkörper. Dieses Ergebnis wird dahingehend gedeutet, daß die Zeitspanne, die zur Neutralisation und Relaxation der Ionen in der 5 nm Folie zur Verfügung steht, nicht ausreichend ist. Aus den Ergebnissen der Sekundärelektronen Ausbeute wird geschlossen, daß ein Teil der Innerschalen-Plätze bis zum Austritt aus der Folie nicht gefüllt werden konnte. Desweiteren könnte eine Verarmung des Festkörpers an Elektronen im Einschlagsbereich des hochgeladenen Ions vorliegen. Anhand der gesammelten Daten wurde ein semi-empirisches Modell zur Beschreibung des Ladungszustandes eines hochgeladenen Ions in einem Festkörper aufgestellt. Es zeigt sich, daß die Daten gut durch einen zweistufugen Füllprozess beschrieben werden können, der aus einem Aufbau einer Abschirmwolke um das Projektil, sowie der weiteren Abregung besteht. Die charakteristischen Zeiten für Aufbau und Abregung bewegen sich im Bereich von 2 fs. Nach etwa 7 fs kann von einer vollständigen Relaxation des Projektils ausgegangen werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit zum Ladungsausgleich der hochgeladenen Ionen wurden in [37] veröffentlicht.
Das im Rahmen dieser Arbeit durchgeführte Experiment hatte zum Ziel Interferenzeffekte beim dissoziativen Ladungstransfer bei Molekülion-Atomstößen zu beobachten. Interferenzeffekte in Molekül-Atomstößen wurden von McGuire hervorgesagt und berechnet [4]. Diese Arbeit betrachtet ein ähnlichen Reaktionssystem. Die von ihm vorausgesagten Effekte wurden bestätigt. Das Experiment hat es ermöglicht, Interferenzen für alle Molekülorientierungen zu betrachten, womit man leicht Analogien zu zwei speziellen Fällen herstellen kann: mit der Molekülachse senkrecht zur Strahlrichtung entsteht eine Situation ähnlich einem Doppelspalt, bei dem die Kerne des Moleküls als Reaktionszentrum an Stelle der Spalte treten; mit der Molekülachse in Strahlrichtung entsteht eine Situation bei der Streuung an einem einzelnen Atom. In allem Molekülorientierungen erkennt man ein ringförmiges Minimum bei 1.6 a.u., wie es insbesondere bei der Beugung einem einzelnen Atom zu beobachten ist. Bei senkrechter Stellung der Molekülachse zur z-Achse überlagert durch die Streifen eines Doppelspaltes. Es war außerdem möglich den Endzustand der Teilchen zu bestimmen, so daß man sagen konnte, ob eine Teilchen angeregt aus der Reaktion hervorgegangen ist oder ob es über metastabile Zwischenzustände zerfallen ist. So ließ sich für den Impulsübertrag von 1.6 au eine Besonderheit feststellen: ein Minimum läßt sich nur im direkten Kanal ohne Anregung beobachten. Findet der Zerfall hingegen über metastabile Zwischenzustände ohne Anregung statt, so weist dieser Kanal bei etwa 1.6 au ein Maximum auf. Parallel zur Durchführung dieser Arbeit wurden erste Tests mit einem digitalen Oszillographen von Aquiris gemacht. Dieser speichert den Spannungsverlauf der Spannung an den Delaylineanoden. Peaks müssen dann schnell genug erkannt und ausgewertet werden. In der Offlineanalyse wären dann eng nebeneinander oder übereinanderliegende Peaks besser als solche zu erkennen. Diese würde die Totzeitproblematik, die sie durch die Dissoziation eines Moleküls senkrecht zur z-Achse entsteht, erheblich entschärfen.
Als Ergebnis dieser Arbeit kann man sehen, daß es experimentiell gelungen ist, mit einem alpha-förmigen Linearresonator einen stabilen unabhängig abstimmbaren Zwei-Farben Ti:saphir Laser aufzubauen, der so in der wissenschaflichen Literatur noch nicht beschrieben ist. Eine Veröfentlichung zu der vorgelegten Arbeit [22] ist beim IEEE Journal of Quantum Electronics eingereicht worden. Die Ausgangsleistung dieses Lasers liegt bei 300 mW. Die durchgeführten Experimente lassen darauf schließen, daß der Laser die meiste Zeit nur auf einer longitudinalen Mode emittiert. Bei einem gleichzeitig möglichen Abstimmbereich von 740 nm bis 850 nm, welches ein Verhältnis von Linienbreite zu Abstimmbereich von besser als 1:250000 bedeutet. Den Beweis, daß der Laser auch bei sehr geringen Differenzfrequenzen betrieben werden kann, lieferte die direkte Messung des Schwebungssignals zwischen den beiden Lasern. Dabei muß man zugeben, daß das im Eingangszitat dieser Arbeit erwähnte Schwebungssignal nicht ohne Hilfsmittel an einer Wand zu beobachten war, sondern eine minimale Schwebung von 3 Mhz gemessen wurde. Im Vergleich zu den 3 x 10 exp 8 Mhz der einzelner Farben ist dies aber ein gutes Ergebnis. Zusätzlich wurde mit dem Ringlaser ein anderer Ansatz zur Abstimmung des Systems realisiert. Diese Anordnung hat mit 800 mW Vorteile bezüglich der Ausgangsleistung aber Nachteile in Hinblick auf Abstimmung und Linienbreite. Im theoretischen Teil konnte gezeigt werden, welche Eigenschaften ein Laser-Resonator haben muß, um stabil im Zweifarben Betrieb eingesetzt zu werden. Weiterhin konnten auch noch die dynamischen Effekte der beiden Resonatortypen mit Hilfe einer Simulation beschrieben werden. Der Laser soll in der Erzeugung von kontinuierlicher Strahlung im Thz Bereich verwendet werden. Dabei sollen photokonduktive Antennen, wie auch Halbleiteroberflächen als Emitter dienen. Bis zum Ende dieser Arbeit konnte der Laser aus zeitlichen Gründen nicht für diese Messungen eingesetzt werden, da es zu Verzögerungen mit den Proben, wie auch mit den Meßgeräten kam. Die Charakterisierung des Lasers aber zeigte, daß die beiden schmalbandigen Farben bei einer Differenzfrenz im Thz-Bereich (20 GHz–50THz) stabil zu realisieren sind.
Die vorliegende Diplomarbeit lässt sich dem Gebiet der Terahertz-Physik (THz-Physik) zuordnen, also dem Gebiet der Physik, das sich mit der Erzeugung und Detektion von Ferninfrarotstrahlung beschäftigt. THz-Strahlung stellt dabei die Verbindung zwischen den elektromagnetischen Mikrowellen und den Wellen des infraroten Frequenzbereiches dar. Damit umfasst der THz-Bereich Frequenzen von etwa 100 GHz bis zu 100 THz. Die Forschung, die sich mit diesem Frequenzbereich beschäftigt, ist mittlerweile stark differenziert. Dabei geht es auf der einen Seite um die Entwicklung neuer bzw. die Weiterentwicklung und Optimierung bestehender THz-Erzeugungs- und Detektionsverfahren, auf der anderen Seite geht es um die Frage nach den möglichen Anwendungsgebieten für die entwickelten THz-Techniken. Entwickelt werden sowohl gepulste wie auch Dauerstrich-THz-Systeme, die auf einer Vielzahl verschiedener physikalischer Emissionsprozesse basieren. Die Anwendungsseite der THz-Forschung umfasst Gebiete wie die Spektroskopie, d.h. die Materialcharakterisierung und -untersuchung, aber auch komplexe biomedizinische Untersuchungsverfahren, wie z.B. die Krebsdiagnostik in der Onkologie. In der Bandbreite der weltweiten THz-Aktivitäten befindet sich diese Arbeit sowohl im Bereich der Entwicklung von THz-Techniken als auch in dem eher anwendungsbezogenen Bereich: Zunächst werden im zweiten Kapitel die verwendeten THz-Techniken und Messaufbauten vorgestellt, ebenso wie deren Funktionsweisen und speziellen Eigenschaften. Das dritte Kapitel beschäftigt sich mit der experimentellen Untersuchung von großflächigen THz-Emittern in gepulsten Lasersystemen. Diese weisen gegenüber den häufig verwendeten punktförmigen THz-Emittern einige grundlegende Unterschiede auf. Diese Unterschiede sollen zunächst durch die in das Kapitel einführenden theoretischen Grundlagen herausgearbeitet und danach anhand eines elektrooptischen Emitters und eines elektrisch vorgespannten Halbleiteremitters überprüft werden. In den folgenden Kapiteln wendet sich der Fokus dann mehr der Anwendung von THz-Strahlung zu. Dazu finden im vierten Kapitel Überlegungen und Experimente zu der Charakterisierung von, zunächst anorganischen, mehrschichtigen Systemen auf der Basis von Halbleiterstrukturen statt, die mit einem Ausblick auf eine biomedizinische Anwendung der THz-Strahlung, bei der Untersuchung von Zähnen, abgeschlossen werden. Im fünften Kapitel soll ein Silizium-Paraffin-Gemisch auf seine Stoffigenschaften untersucht werden. Für dieses Gemisch lassen sich die Stoffeigenschaften im THz-Bereich mittels des Mischungsverhältnisses der beiden Ausgangsmaterialien anpassen. Mögliche Anwendungen für ein solches Material sind indexangepasste Füllungen von Zwischenräumen, um störende Reflexionen an den jeweiligen Grenzflächen zu vermeiden; so wie die Konstruktion von Antireflexionsschichten für THz-Optiken. Beide Anwendungen werden in Form von Experimenten vorgestellt. Abschließend werden alle Ergebnisse in einem Fazit zusammengefasst, und es erfolgt ein Ausblick auf weitere Untersuchungen.
Konzeptionelle Untersuchungen eines Dielektronenspektrometers für Schwerionenstöße im GeV/u-Bereich
(1993)
Mit dem Dileptonenspektrometer HADES (High Acceptance Di-Electron Spectrometer) sollen Dielektronen, die bei zentralen Au+Au-Kollisionen der Energie von bis zu 2 GeV/u entstehen, spektroskopiert werden. Zentrale Detektorkomponente ist ein Magnetspektrometer, bestehend aus einem toroidalem Magnetfeld und 24 Driftkammern, die zur Orts- und Impulsbestimmung durch Ablenkung im Magnetfeld verwendet werden. Hohe Raten minimal ionisierender Teilchen, eine Massenauflösung von 1% im Massenbereich von 800 (MeVc) exp -2 sowie eine sichere Signalerkennung und -zuordnung stellen höchste Anforderungen an das Spektrometer, insbesondere an die Driftkammern. Ziel dieser Arbeit ist das grundlegende Verständnis der Funktionsweise der Driftkammern, die bei HADES eingesetzt werden, dazu gehört: (a): das physikalische Verständnis der Funktionsweise, insbesondere - die genaue Kenntnis des Feldverlaufs innerhalb der Kammern, sowie die Eigenschaften des verwendeten Driftkammergases und - die Bestimmung des theoretisch maximal erreichbaren Ortsauflösungsvermögens der Driftkammern, (b): die technische Seite, die den Aufbau der Driftkammern untersucht. Dies ist besonders wichtig, da in den HADES-Simulationsrechnungen aufgrund der großen Anzahl individueller Drähte mit Folien äquivalenter Massen gerechnet wurde. Hilfsmittel zur Untersuchung dieser Fragestellungen waren einerseits Programme, die Monte-Carlo-Methoden verwenden, andererseits Experimente, die an einem Prototyp der HADES-Driftkammern durchgeführt wurden, wobei jedoch der Schwerpunkt dieser Arbeit auf den Simulationrechnungen liegt. Kapitel 1 gibt einen Überblick über die physikalische Motivation von HADES und beschreibt kurz die einzelnen Komponenten des Spektrometers und die Driftkammerphysik. Kapitel 2 geht auf den Aufbau der HADES-Driftkammern ein und stellt die mit Hilfe von Simulationsrechnungen gewonnenen Erkenntnisse über die Kammern vor. Kapitel 3 behandelt die Bestimmung der intrinsischen Auflöosung der Prototyp-Driftkammer. Da dies allein mit Hilfe von Quellenmessungen aufgrund der Vielfachstreuung nicht möglich ist, wurde der Anteil an Vielfachstreuung mit Simulationsrechnungen bestimmt. Kapitel 4 vergleicht die Erkenntnisse über das Verhalten der Driftkammern, die in Kapitel 2 gewonnen wurden, mit einem am SIS (Schwerionen-Synchrotron) gemachten Experiment. Abschließend wird das Modell einer Driftkammer mit realen Drähten mit dem Modell einer Driftkammer verglichen, in der die Drähte durch Folien äquivalenter Massenbelegung ersetzt wurden.
Im HADES-Detektorsystem werden Vieldraht-Driftkammern zur Spurrekonstruktion verwendet. Für eine genaue Untersuchung des Driftzeitverhaltens innerhalb der Driftzellen wird ein ortsempfindliches Referenzdetektorsystem benötigt. Hierfür wurden Silizium-Mikrostreifen-Detektoren mit einer Ortsauflösung im Bereich kleiner als 10 mikrom eingesetzt. Diese wurden zu einem Strahlteleskop zusammengebaut, mit dem die Teilchentrajektorie zwischen zwei Referenz-Meßunkten bestimmt werden kann. Probleme bereitete die Vielfachstreuung in den einzelnen Komponenten des Teleskop-Aufbaus, die den geradlinigen Teilchendurchgang zwischen den beiden Ortsmessungen beeinflußte. Dies wurde durch Messung mit Teilchen höherer Steifigkeit ausgeglichen. Die Silizium-mü-Streifen-Detektoren zeigten ein gutes Signal-zu-Untergrund Verhalten und wiesen eine sehr gute Effizienz auf. Die Bestimmung des Teilchendurchgangsortes durch den Driftkammer-Prototyp 0 ermöglichte die Messung der Driftgeschwindigkeit. Auch das Driftzeitverhalten in Abhängigkeit vom Ort des Teilchendurchgangs konnte genau untersucht werden.
Gemessen wurden der gerichtete und der elliptische Fluss von Pionen und Protonen in Blei-Blei-Stößen bei einer Laborenergie des Projektils von 40 GeV pro Nukleon. Bestimmt wurde die Abhängigkeit der beiden Flusskomponenten von der Zentralität des Stoßes sowie von der Rapidität und dem Transversalimpuls der gemessenen Teilchen. Zur Rekonstruktion des Flusses wurde die Methode der Korrelation der Teilchen mit der abgeschätzten Reaktionsebene verwendet. Zur Korrektur der azimutalen Anisotropien des Detektors wurde die Methode des Zentrierens der Teilchenverteilung in Abhängigkeit von Rapidität und Transversalimpuls angewendet. Für den v2 wurde eine Abänderung des Korrelationsterms nötig, um den Einflüssen durch die schlechte Akzeptanz entgegenzuwirken. Weiterhin wurde der Einfluss von Nicht-Fluss-Korrelationen zwischen den gemessenen Teilchen auf den Fluss untersucht. Dabei erkannte man einen starken Einfluss der Transversalimpulserhaltung im v1, der durch eine Korrektur behoben werden konnte. Einen weniger starken Einfluss konnte man bei der Untersuchung im Phasenraum kurzreichweitiger Korrelationen feststellen. Es wurde erstmals deutlich ein negativer gerichteter Fluss von Protonen nahe der Schwerpunktsrapidität beobachtet, der bereits mittels meherer theoretischer Rechnungen vorhergesagt wurde. Sowohl der gerichtete als auch der elliptische Fluss erreicht bei 40 AGeV Laborenergie annähernd die gleichen Werte, die von NA49 bei 158 AGeV Laborenergie gemessen wurden. Die für den Fluss gemessenen Werte befinden sich teilweise in Übereinstimmung mit denen des Experimentes CERES/NA45, ist allerdings nur bedingt möglich, da bisher nur einzelne vorläufige Resultate veröffentlicht wurden. Die für den elliptischen Fluss gemessenen Werte bei der Schwerpunktsrapidität und einer Zentralität von 25% liegen etwas höher als man aus der beobachteten Systematik der Energieabhängigkeit zwischen den Experimenten E877 (mit 10 AGeV Laborenergie am AGS), CERES und NA49 (bei einer Energie von und 160 AGeV am SPS) sowie STAR (am RHIC bei einer Energie von psNN = 130GeV) erwartet hat. So wird von den Werten am AGS bei voller Energie zu denen am SPS bei 40 AGeV ein Anstieg von 2% auf 3,3% beobachtet. Von 40 AGeV zu 158 AGeV Laborenergie am SPS ändert sich der Wert nur minimal von 3,3% auf 3,2%. Zwischen der höheren SPS-Energie von 158 AGeV und der RHIC-Energie von psNN = 130GeV wird ein weiterer Anstieg von 3,2% auf 5,6% gemessen. Das ist ein Anzeichen für eine Anomalie, die im Bereich der SPS-Energien vorliegen könnte. Eine genauere Bestimmung des Flusses ist noch möglich, da für die Analyse dieser Arbeit erst eine Hälfte der gemessenen Daten zur Verfügung stand. Mit Hilfe dieser Daten ließe sich die Energieabhängigkeit des Flusses genauer untersuchen und die gefundene Anomalie bestätigen.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein Spracherkennungssystem realisiert, das sowohl phonembasierte als auch wortbasierte Modelle zur sprecherunabhängigen Schlüsselworterkennung im Kontext fließender Sprache verwenden kann. Das System erlaubt dabei die Wahl zwischen zwei grundlegend verschiedenen Verfahren: Entweder kann die Bewertung von Äußerungen durch Schlüsselwortmodelle mit gewählten Schwellenwerten verglichen werden, wobei eine Schwellenwertüberschreitung die Erkennung eines Schlüsselwortes signalisiert, oder es werden beliebige Phonemfolgen als Füllmodelle verwendet, die mit den Schlüsselwortmodellen konkurrieren. Der Schlüsselworterkenner kann sowohl zur 1-Schlüsselwort- Erkennung, bei der vorausgesetzt wird, dass sich in jeder Äußerung exakt ein Schlüsselwort befindet, als auch zur n-Schlüsselwort-Erkennung verwendet werden, bei der sich eine beliebige Anzahl Schlüsselwörter in jeder Äußerung befinden kann. Durch eine effiziente Implementation wurde die Fähigkeit zur Echtzeitverarbeitung auf verfügbaren Arbeitsplatzrechnern erreicht.....
Untersuchungen von evolutionären Algorithmen zum Training neuronaler Netze in der Sprachverarbeitung
(1997)
Im Rahmen der vorliegenden Diplomarbeit wurde die Leistungsfähigkeit von evolutionären Algorithmen zum Training von RNN untersucht und mit gradientenbasierten Trainingsalgorithmen verglichen. Die Zielsetzung war dabei im besonderen die Prüfung der Verwendbarkeit in der Sprachverarbeitung, speziell der Spracherkennung. Zunächst wurde anhand eines Prädiktionsproblems die prinzipielle Leistungsfähigkeit von EA untersucht, indem ein MLP mit unterschiedlichen evolutionären Algorithmen trainiert wurde. Verschiedene Varianten von GA und ES sind an diesem Beispiel getestet und miteinander verglichen worden. Im Rahmen der Untersuchungen an GA stellte sich heraus, daß eine Mindestgenauigkeit der Quantisierung zur Lösung erforderlich ist. Es zeigt sich, daß die Genauigkeit der Approximation mit abnehmendem Quantisierungsfehler besser wird. Damit ist eine Behandlung dieses Problems mit grob quantisierten Gewichten nachteilig. Demgegenüber profitiert ES sowohl in der Approximationsgenauigkeit, als auch in der Konvergenzgeschwindigkeit von der direkten Darstellung der Objektvariablen als reelle Zahlen. Weiterhin zeigte sich bei ES, daß die Genauigkeit einer Lösung auch von der Populationsgröße abhängig ist, da mit wachsender Populationsgröße der Parameterraum besser abgetastet werden kann. Im Vergleich mit ES benötigten GA längere Konvergenzzeiten und bedingten zudem aufgrund der Codierung und Decodierung einen höheren Rechenaufwand als ES, so daß die Untersuchungen an RNN nur mit ES durchgeführt wurden. Zunächst wurde mit dem Latching-Problem eine, in der Komplexität eng begrenzte, Klassifikationsaufgabe mit Zeitabhängigkeiten untersucht. Die zur Verfügung gestellte Information war bei diesem Beispiel sehr gering, da der Fehler nur am Ende einer Mustersequenz berechnet wurde. Es stellte sich heraus, daß selbst bei dieser sehr einfachen Aufgabenstellung die gradientenbasierten Verfahren nach dem Überschreiten einer maximalen Mustersequenzlänge T keine Lösung finden konnten. Im Gegensatz dazu war ES in der Lage, das Problem für alle gemessenen Variationen des Parameters T zu lösen. Erst wenn während des Trainings dem Gradientenverfahren zusätzliche Informationen durch Fehlereinspeisung zur Verfügung gestellt wurde, hatte der BPTT-Algorithmus die selbe Leistungsfähigkeit. Als weiteres Experiment mit Zeitabhängigkeiten wurde das Automaton-Problem un- tersucht, welches mittels eines RNN gelöst werden sollte. Bei diesem Problem wurde besonderer Wert auf die Untersuchung des Konvergenzverhaltens bei Änderungen der Parameter von ES gelegt. Die Untersuchungen ergaben, daß die einzelnen Parameter in komplexer Weise miteinander interagieren und nur eine gute Abstimmung aller Parameter aufeinander eine befriedigende Leistung in Bezug auf Konvergenzgeschwindigkeit und Klassifikationsergebnis erbringt. Wie bei dem Latching-Problem wurde der Fehler nur am Ende einer Mustersequenz berechnet. Dies bewirkt, daß der BPTT-Algorithmus bereits bei Sequenzlängen von T = 27 nicht mehr in der Lage ist, die Zeitabhängigkeiten in dem Gradienten zu repräsentieren. Mit ES dagegen konnten RNN trainiert werden, die in der Lage sind, Sequenzlängen bis zu T = 41 richtig zu klassifizieren. Die Untersuchungen bestätigen, daß der beschränkende Faktor in erster Linie der Trainingsalgorithmus und nicht das Netzwerksparadigma ist. Die Simulationsexperimente mit zeitnormierten Sprachdaten zeigen, daß mit ES prinzipiell höhere Erkennungsleistungen als mit dem gradientenbasierten Algorithmus des BPTT erzielt werden können. Jedoch nimmt schon bei der Klassifikation der Zahlwörter Zwei und Drei die Klassifikationsleistung mit zunehmender Sequenzlänge ab. Es erfordert eine drastische Vergrößerung der Populationsgröße, um zumindest gleich gute Ergebnisse zu erzielen. Zusätzliche Tests am Automaton-Problem stützen diese Aussage. Jedoch steigt der Rechenaufwand durch Vergrößerung der Populationsgröße so stark an, daß bei nicht zeitnormierten Sprachdaten ES mit adäquater Populationsgröße nicht mehr simulierbar waren. In den Untersuchungen an dem Vokabular mit sechs Wörtern wurde der Fehler für jeden anliegenden Merkmalsvektor berechnet und im Gradienten bzw. zur Bewertung bei ES im Training verwendet. In diesen Messungen erbringen beide Algorithmen nahezu identische Klassifikationsergebnisse. Insgesamt verhindert der drastisch ansteigende Rechenaufwand bei den Sprachdaten die Verarbeitung von größeren Vokabularien und langen Wörtern durch ES. Aus der Beschränkung der Populationsgröße durch die vorhandene Rechnerkapazität resultierte eine nichtoptimale Anpassung von Selektionsdruck, Mutationsrate und Populationsverteilung im Suchraum. Insbesondere erweist sich die globale Anpassung der Strategieparameter bei den vergrößerten Populationen als problematisch. Weitere Untersuchungen an ES mit Strategien zur Selbstadaption dieser Parameter bieten sich daher für zukünftige Forschung an.
In dieser Arbeit wurde die Produktion negativ geladener Pionen in zentralen Blei+Blei Kollisionen bei 40 A·GeV am CERN SPS mit dem Experiment NA49 untersucht. Die Analyse der Pionen basiert auf der Tatsache, das sie ungefähr 90% des hadronischen Endzustands aller negativ geladenen Hadronen darstellen, wobei der Rest hauptsächlich aus Kaonen besteht. Diese Analyse deckt die komplette vordere Hemisphäre ab, somit wurden keinerlei Extrapolationen benötigt. Für diese Analyse wurde ein komplett neuer Satz von Schnitten in diversen Variablen der Daten von NA49 gesucht und optimiert. Um einen möglichst gut bestimmten Satz von Spuren zu verwenden, wurde nur ein kleiner Teil aller Spuren verwendet, der aber exakt und einfach zur vollen Akzeptanz zurückkorrigiert werden kann. Um die Spuren aus Zerfällen nahe am Hauptinteraktionspunkt und um Dreckeffekte wie γ-Konversion oder Vielfachstreuung zu entfernen, wurde ein komplett neuer Korrekturalgorithmus entwickelt und getestet. Da bei dieser Energie die Spurmultiplizitäten ungefähr um einen Faktor zwei kleiner sind, wurde beobachtet, daß Ineffizienzen in der Rekonstruktion eine untergeordnete Rolle spielen. Hier wurde im Mittel eine Korrektur von 8% verwendet. Um Spektren negativer Pionen zu erhalten, müssen die negativ geladenen Kaonen aus dem Spursatz entfernt werden, hierfür wurde eine Simulation aufgebaut und eingesetzt. Ein großes Problem stellt die Abschätzung des Systematischen Fehlers dar, da es eine Mannigfaltigkeit von Fehlerquellen gibt. In dieser Arbeit wurden zwei Methoden angewandt, um den Systematischen Fehler abzuschätzen. Das Ergebnis der hier vorgestellten Analyse ergibt eine mittlere Multiplizität für die negativen Pionen von 320±14. Die Präsentation eines vorläufigen Zustands dieser Analyse in Kombination mit den neu gewonnen Kaonwerten [1] vor dem SPSC [2] veränderten den vorhandenen Strahlzeitplan nachhaltig, so daß in extrem kurzer Zeit nach ieser Präsentation eine Energieabtastung gestartet wurde. Schon ein paar Monate später bekam NA49 hierfür einen Bleistrahl bei der Energie von 80 A·GeV und wird im Jahr 2002 auch Energien von 20 und 30 A·GeV geliefert bekommen. Auch wurden diese Daten auf der QM2001 als vorläufige Ergebnisse präsentiert. Desweiteren bilden die Ergebnisse, sowie die aus der 80 A·GeV Analyse und denen bei Top-SPS Energie gewonnenen kombiniert mit den Kaonergebnissen bei den gleichen Energien die Grundlage für ein Physical Review Letter der NA49-Kollaboration zum Thema der Energieabhängigkeit des K+/π + Verhältnis. Die Motivation für diese Arbeit war die Suche nach einer Evidenz des Quark-Gluon-Plasma und bei der analysierten Energie wurde der Übergang in diese Phase vorhergesagt [3]. Man sollte einen Wechsel von der Pionunterdrückung zur Pionvermehrung im Vergleich mit den Daten aus Nukleus+Nukleus Experimenten in dem Verhältnis der mittleren Pionmultiplizität zu der Anzahl der Teilnehmenden Nukleonen beobachten. Diese Vermutung stellte sich als richtig heraus. Diesen Wechsel kann man erklären, wenn man einen Phasenübergang zu einer Phase quasifreier Quarks und Gluonen in diesem Bereich annimmt. Die Pionen stellen, aufgrund ihrer geringen Masse, die häufigsten Teilchen dar und sind somit auch eine gute Meßprobe für die gesamte Entropie des Feuerballs. Da die Anzahl der Freiheitsgrade in einem QGP massiv ansteigen muß, sollte man eine erhöhte Produktion von Pionen beobachten. Der Meßpunkt bei 40 A·GeV liegt genau in dem Bereich des Wechsels. Ein Vergleich mit den Modellen zeigt, das kein Modell, wenn es überhaupt Pionen beschreiben kann, die Produktion von Pionen korrekt wiedergibt, außer das „Statistical Modell of the early Stage“, das die Pionproduktion beschreibt und auch den Wechsel von Pionunterdrückung zu Pionvermehrung im Bereich um 40 A·GeV wiedergibt. Dieses Modell besitzt eine Phasenübergang von gebundener Materie zum QGP. Das Hadrongas-Modell kann die Pionen bei jeder Energie beschreiben, aber eine Vorhersage ist nicht möglich, da die Pionen als Eingabe in dieses Modell benötigt werden. Die Ergebnisse von NA49 haben neuen Schwung in die Erklärung von Schwerionenkollisionen und die Suche nach dem QGP gebracht. Die ersten „Resultate“ sind eine Energieabtastung am CERN-SPS und diverse Änderungen an vorhandenen Modellen, um vor allem das nichtmonotonische Verhalten des K+/Pi + Verhältnisses zu beschreiben. Bis jetzt existiert kein Modell und keine Erklärung, die die Daten beschreibt und auf anderen Hadronischen Erklärungen basiert. Somit kann man feststellen, daß eine sich erhärtende Evidenz für die Produktion des QGP am CERN-SPS vorhanden ist.
Es wurde eine Apparatur zur Messung von Heliumdoppelionisation durch Elektronenstoß, kurz (e,3e) genannt, aufgebaut. Die Aufgabe bestand im Aufbau eines Jetsystems mit horizontalem Jet, der Konstruktion eines Impulsspektrometers, das speziell auf die Anforderungen von (e,3e) ausgerichtet ist, dem Aufbau einer Kompensation für das Erdmagnetfeld, dem Test der einzelnen Komponenten und der Aufnahme von Orts- und Flugzeitspektren. Im Rahmen der Testmessungen konnte die Linearität der Detektoren überprüft werden, auch wurde ein Programm für die Ortsauslese der Hexanode geschrieben, des weiteren wurde der Elektronenstrahl fokussiert und der Jet eingestellt, so daß das Flugzeitspektrum zwischen Targetelektron und Rückstoßion und zwischen Projektil und Rückstoßion aufgenommen werden konnte. Anhand des Flugzeitspektrums zwischen Projektil und Rückstoßion wurde die Impulsverteilung der einfachgeladenen Heliumionen in Richtung der z-Achse bestimmt. Jedoch hat sich herausgestellt, daß die Impulsverteilung der Heliumionen vom Jet von der noch größeren Impulsverteilung der Atome vom warmen Heliumgas überlagert wird. Anhand des Rückstoßionendetektor-Ortsbildes konnte die Impulsverteilung der Heliumionen in x- und y-Richtung angegeben werden, da sich das warme Heliumgas im Restgasionisationsstreifen befindet und somit klar von Jetfleck zu trennen ist. Um für die wissenschaftliche Forschung verwertbare (e,3e)-Messungen an der Apparatur durchführen zu können, müssen einige zusätzliche Arbeiten vorgenommen werden; wie die Kalibrierung der beiden Spektrometer. Das ist notwendig für die Ermittlung der Zuordnungsfunktion zwischen Auftrefforten und -zeiten auf den Detektoren und den jeweiligen Impulskomponenten. Das Simulationsprogramm SIMION kann zwar Trajektorien von unterschiedlich geladenen Teilchen bei einem gegebenen Feld berechnen, jedoch können diese simulierten Werte um bis zu 10% von der „Realität“ abweichen. Des weiteren ist es notwendig, den Nullpunkt, also den Koordinatenursprung der Detektoren zu ermitteln, um die genauen Impulsvektoren bestimmen zu können. Ohne diese Kalibrierung können die ermittelten Impulsverteilungen der Rückstoßionen und Targetelektronen quantitativ nicht angegeben werden. Bei den Testmessungen hat sich gezeigt, daß der Elektronenstrahl divergent ist. Durch weitere Testmessungen an der Elektronenkanone muß das Problem behoben werden, da sonst die Energieauflösung des Projektilspektrometers nicht ausreichend ist....
Das Ziel des Experiments war es, den Einfluss des Valenzelektrons im Kaliumatom auf die Kernabschirmung zu untersuchen. Es wurde mit Hilfe von Laserpulsen mit einer Dauer von 120 fs entfernt. Die Ionisation oder Anregung der K-Schale der Kaliumatome sowie der Kaliumionen wurde mit hochenergetischen Röntgenphotonen realisiert. Um die daraus entstandenen Auger-Elektronen ohne störenden Untergrund messen zu können, wurde ein 4π Flugzeitspektrometer nach dem Prinzip der magnetischen Flasche eingesetzt. Es wurde gezeigt, dass nach dem Entfernen des Valenzelektrons die Kernabschirmung des Kaliumatoms zunimmt, was eine Änderung der Energie der K-Schale zu Folge hat. Diese Änderung von 3 eV trat bei einem Vergleich der Ionisationskurven für Kaliumatome und Kaliumionen deutlich hervor. Die Höhe der Änderung lässt darauf schließen, dass sie im Zusammenhang mit der Ionisierungsenergie des entfernten 4s-Elektrons steht. Durch die Verwendung des Femtosekunden-Laserpulses in Verbindung mit den Röntgenstrahlen des Synchrotrons sollte der Auger-Prozess zeitaufgelöst dargestellt werden. Eine Messung des Verhältnisses der Elektronenraten in Abhängigkeit von der zeitlichen Verzögerung zwischen Laser- und Röntgenstrahlen ergab eine Länge des Röntgenpulses von 66 ps (± 5 ps), was für zeitaufgelöste Untersuchungen des in Femtosekunden ablaufenden Auger-Prozesses zu lang ist. Jedoch zeigt das Experiment, dass bei einer hinreichenden Verkürzung der Röntgenpulse zeitaufgelöste Untersuchungen im Bereich von Femtosekunden möglich sind. Für die Zukunft ist an der ALS eine weitere Beamline geplant, welche Röntgenpulse im fs-Bereich produzieren kann. Durch Verwenden dieser kurzen Röntgenpulse wären weitere Experimente zur zeitaufgelösten Darstellung des Auger-Prozesses denkbar. Bis zu diesem Zeitpunkt sollen weitere Experimente zur Untersuchung „langsamer“ dynamischer Vorgängen in Atomen und Molekülen, zum Beispiel die Dissoziation von Molekülen auf einer Pikosekunden Zeitskala, durchgeführt werden.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden Zellulare Neuronale Netzwerke (CNN) zur nichtlinearen Signalanalyse bei der Prädiktion hirnelektrischer Signale bei Epilepsie herangezogen. Die invasiven Aufnahmen hirnelektrischer Aktivität liegen zeitlich diskretisiert vor, sodaß ein zeitdiskretes Netzwerk (DTCNN) eingesetzt werden konnte. Die parallele Struktur von CNN konnte zur simultanen Untersuchung von sechs Elektroden genutzt werden, mit denen die hirnelektrische Aktivität aufgenommen wurde. Insbesondere ist die direkte Wechselwirkung der einzelnen Zellen untereinander durch eine lokale Nachbarschaft gegeben. In den durchgeführten Untersuchungen wurde zunächst festgestellt, daß für ein DTCNN, das ausgehend vom aktuellen Zeitpunkt den Signalwert des nächsten Zeitpunktes prädizieren soll, eine Prädiktionsordnung größer als zwei keine wesentliche Minimierung des Prädiktionsfehlers nach sich zieht. Daher wurde ein DTCNN mit zeitlich verzögerten Zellzuständen eingesetzt, wobei die Definitionsweise von Roska und Chua [21] im Rahmen dieser Arbeit für beliebige Prädiktionsordnungen erweitert wurde. Da bei einer Prädiktionsschrittweite größer als eins eine deutliche Erhöhung des Prädiktionsfehlers festgestellt werden konnte, wurde diese im folgenden gleich eins gewählt. Weiterhin wurde festgestellt, daß bei Verwendung polynomialer Kopplungsfunktionen der Grad der Nichtlinearität gleich drei gewählt werden kann, da eine weitere Erhöhung des Grades der Nichtlinearität zu keineren weiteren Minimierung des Prädiktionsfehlers geführt hat. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Programm entwickelt, das aus den Aufnahmen der hirnelektrischen Aktivität einzelne Elektroden extrahieren kann, sodaß die Meßwerte dem DTCNN präsentiert werden konnten. Mit Hilfe des zugrundegelegten DTCNN konnte der zeitliche Verlauf der hirnelektrischen Aktivität von sechs Elektroden simultan prädiziert werden. Eine Analyse des zeitlichen Verlaufes des Prädiktionsfehlers ließ vor einem epileptischen Anfall keine signifikanten Änderungen erkennen. Daher wurde ein Programm entwickelt, mit dessen Hilfe der zeitliche Verlauf der Parameter des verwendeten DTCNN analysiert und deutliche Änderungen aufgezeigt werden können. Es konnten Berechnungsmethoden, hier die lokale Mittelwertbildung und die Gradientenberechnung, gefunden und an den jeweils untersuchten Patienten angepaßt werden, sodaß diese Änderungen der Parameter deutlicher hervorgehoben wurden. Bei zwei der vier Patienten konnten signifikante Änderungen des zeitlichen Verlaufes der Parameter des untersuchten DTCNN festgestellt werden, die vor dem Auftreten des epileptischen Anfalls liegen und somit als Vorläufer eines epileptischen Anfalls betrachtet werden können. Die Untersuchung eines dritten Patienten zeigte deutliche Änderungen der analysierten Parameter, die zeitlich mit dem Beginn des epileptischen Anfalls übereinstimmen. Bei einem vierten Patienten konnten signifikante Änderungen des zeitlichen Verlaufes der Parameter vor dem epileptischen Anfall nur dann festgestellt werden, wenn der betrachtete Datensatz hirnelektrischer Aktivität während des Auftretens eines Anfalls aufgenommen wurde. Wurde stattdessen die Aufnahme von zwei epileptischen Anfällen, die kurz hintereinander auftraten, analysiert, so konnten keine signifikanten Änderungen des Verlaufes der Parameter gefunden werden.
Das in der Plasmamembran tierischer Zellen vorkommende Enzym "Na+/K+-ATPase" setzt katalytisch ATP in ADP um. Als transmembranes Protein vollführt es während der Katalyse einen elektrogenen Zyklus von Konformationsänderungen, wobei 3 intrazelluläre Na+ gegen 2 extrazelluläre K+ ausgetauscht werden, und besitzt damit die Funktion eines primär aktiven Ionentransporters. Bisherige Aktivitätsmessungen, z.B. von B. Vilsen (Vilsen, 1994), an dem in Lösung befindlichen Enzym ergaben deutliche pH-Abhängigkeiten der Aktivität, die auf eine intrazelluläre Wechselwirkung des Protons mit der ATPase zurückgeführt wurden. Im Rahmen der hier vorliegenden Arbeit war nun die Frage zu klären, inwieweit der extrazelluläre pH-Wert auf die Transportfunktion der in der Membran liegenden Na+/K+-ATPase einen Einfluß ausübt. Es wurden daher elektrophysiologische Messungen mit dem Two-Elektrode-Voltage-Clamp-Verfahren und dem Giant-Patch-Clamp-Verfahren an der Zellmembran von Oozyten des Xenopus laevis durchgeführt und die pH-Abhängigkeit von durch die Na+/K+-ATPase verursachten transmembranen stationären als auch transienten Ionenströmen analysiert. Die stationären (steady-state) Ströme sind ein Maß für die Pumpaktivität, während die transienten auf Partialreaktionen des Enzyms schließen lassen. Die elektrophysiologischen Messungen wurden an der ouabainsensitiven und der ouabainresistenten Na+/K+-ATPase des Torpedo californica durchgeführt. Als Expressionssystem diente die Oozyte des Xenopus laevis. Die Messungen wurden mit Hilfe des Two-Elektrode-Voltage-Clamp-Verfahrens sowie des Giant-Patch-Clamp-Verfahrens durchgeführt. Um eine pH-Abhängigkeit zu untersuchen, wurden steady-state- als auch transiente Ströme bei den pH-Werten pH6, pH7,5 und pH9 gemessen. Als Pumenströme wurden die K+-aktivierbaren oder Ouabain-inhibierbaren Stromkomponenten betrachtet. Zunächst wurde die pH-Abhängigkeit von Pumpenströmen der im normalen Modus arbeitenden, ouabainsensitiven Na+/K+-ATPase untersucht. Die Pumpenströme wurden durch [K+]a=5mM aktiviert und durch [K+]a=0mM inhibiert. Die Messungen in einem natriumfreien extrazellulären Medium ergaben eine ausgeprägte pH-Abhängigkeit der Strom-Spannungskennlinien der Pumpenströme. Dieser Effekt wurde zum großen Teil auf einen, bei J.Rettinger (Rettinger, 1996) beschriebenen, Protonen-Einwärtsstrom zurückgeführt. Durch eine Korrektur konnten die vom Protoneneinwärtsstrom unbeeinflußten Pumpenströme analysiert werden, und es zeigte sich Potentialunabhängigkeit der Strom-Spannungskennlinien bei pH6 und pH9, während bei pH7,5 Potentialabhängigkeit (positive Steigung im negativen Potentialbereich) zu erkennen war. Dies wurde auf eine protonierbare im "access-channel" angenommene Stelle zurückgeführt, welche dann einen Einfluß auf die Affinität der Kationenbindung ausüben könnte. In hochnatriumhaltigem extrazellulären Medium (100mM) war dieser pH abhängige Effekt nicht nachweisbar, die Strom-Spannungskennlinien folgten dem schon bekannten Verlauf (Rakowski et al., 1997) mit einer positiven Steigung im negativen Potentialbereich. Weiterhin wurden transiente Ströme des Na/Na-Austausches sowohl an der ouabainsensitiven (OS) als auch an der ouabainresistenen (OR) Na+/K+-ATPase untersucht. Hierfür wurde in hochnatriumhaltigem (100mM) und kaliumfreiem extrazellulären Medium gemessen. Der Na/Na-Austausch der OS Pumpe wurde extrazellulär mit 100:M Ouabain inhibiert, während der der OR Pumpe mit 10mM Ouabain inhibiert wurde. Messungen mit dem Two-Elektrode-Voltag-Clamp-Verfahren ergaben auf Grund der zu geringen Zeitauflösung keine analysierbare pH-Abhängigkeit. Für die bei diesen Messungen festgestellte Ladungsverschiebung konnte eine effektive Wertigkeit von zq=0,80±0,02 ermittelt werden, was mit den Angaben von J. Rettinger et. al. (Rettinger et al., 1994) vergleichbar ist. Die Messungen mit dem Giant-Patch-Clamp-Verfahren an der OR und OS Pumpe ergaben für transiente Ströme einen relaxierenden Strom-Zeitverlauf, der einer Linearkombination aus drei unterschiedlich schnell relaxierenden Exponentialfunktionen mit verschiedenen Amplituden entspricht. Die Zeitkonstanten ließen keine signifikante pHAbhängigkeit erkennen. Ihre Werte lagen in den Bereichen 10-10 :s, 1-5ms und 10-200ms, wobei die am schnellsten relaxierende Funktion nicht analysiert werden konnten. Die langsam relaxierende Exponentialfunktion ließ sich der Konformationsänderung zuordnen, die mittelschnell relaxierende der extrazellulären Wechselwirkung mit den Na+-Ionen. Die Amplituden hingegen zeigten eine pH-Abhängigkeit. Im depolaren Potentialbereich hatten die Amplituden der mittelschnell relaxierenden Funktion bei pH6 eine größere Potentialabhängigkeit als bei pH9. Die Amplituden der langsam relaxierenden Funktion hatten im hyperpolaren Potentialbereich bei pH6 eine geringere Potentialabhängigkeit als bei höheren pH-Werten. Im ersten Fall könnte eine Protonierung an einer Stelle der ATPase die Potentialabhänigkeit über eine Veränderung des "accesschannels" verstärken, im zweiten Fall könnte diese in die Konformationsänderung eingebunden sein.