530 Physik
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Die opto-elektronische Erzeugung intensiver Terahertz-Pulse unter Verwendung von Verstärkerlaser-Systemen stellt eine leistungsfähige und im wissenschaftlichen Umfeld etablierte Technik dar. Es ist anzunehmen, dass diese Technik in Zukunft auch für kommerzielle Anwendungen eingesetzt werden wird. (Z.B. entwickelt die Firma Nikon, Japan ein Echtzeit- Bildgebungssystem mit opto-elektronisch erzeugter Terahertz-Strahlung basierend auf einem Verstärkerlaser.) In dieser Arbeit werden gängige und neuartige opto-elektronische Terahertz-Emitter für Verstärkerlaser theoretisch und experimentell untersucht. Zur experimentellen Untersuchung wurde die Methode der elektro-optischen Detektion, welche in der Arbeit ausführlich vorgestellt wird, verwendet. Dabei wird insbesondere die spektrale Detektorempfindlichkeit dargestellt und eine Methode zur Durchführung kalibrierter Messungen vorgestellt, welche auch für die Verwendung mit Verstärkerlasern geeignet ist. Zu den untersuchten bekannten Emittern gehört der vor ca. 10 Jahren erstmals vorgestellte groß- flächige GaAs-Emitter mit externem Feld. Obwohl dieser Emitter in der Literatur bereits ausführlich untersucht wurde, werden in der vorliegende Arbeit über den Stand der Literatur hinausgehende neue Aspekte wie die Feldabschirmung auf Grund von Ladungsträgerverschiebung und die Abhängigkeit der erzeugten THz-Feldstärke bzw. der THz-Pulsenergie von der Emitterfläche diskutiert. Zudem erfolgt die Behandlung dieses Emitters erstmals vollständig quantitativ, wobei eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten erreicht wird. Der zweite in der Arbeit untersuchte Emitter ist der großflächige ZnTe-Emitter. Die elektro-optische Erzeugung von THz-Strahlung in ZnTe-Kristallen mit hoch-repetierlichen Kurzpuls-Lasersystemen ist langjährig bekannt. Die Verwendung großflächiger ZnTe-Kristalle in Verbindung mit Verstärkerlasern wurde allerdings in Rahmen dieser Arbeit erstmals demonstriert. Vor dem Hintergrund der demonstrierten hervorragenden Eigenschaften dieses Emitters ist dieses besonders erstaunlich. Der Hauptteil der Arbeit beschäftigt sich mit der neuartigen Erzeugung von THz-Pulsen in laser-generierten Plasmen. Dabei wurden zwei Methoden untersucht. Die erste Methode, welche im Rahmen dieser Arbeit erstmals realisiert wurde, basiert auf einer Vorspannung des Plasmas mit einem externen elektrischem Feld. Die Methode ist vergleichsweise wenig effektiv, stellt aber eine gute Möglichkeit zur Überprüfung der in der Arbeit entwickelten Modelle für die THz-Emission dar. Die zweite Methode, die erstmals von Cook et al. im Jahre 2000 demonstriert wurde, basiert auf einer "optischen Vorspannung" des Plasmas mittels der Überlagerung des Laserpulses der Fundamentalfrequenz mit einem phasensynchronen Laserpuls der zweiten Harmonischen. Die ausführliche experimentelle und theoretische Untersuchung dieser Methode beinhaltet eine quantitative Modellierung der zu erwartenden Ergebnisse auf Basis des von Cook et al. vorgestellten phänomenologischen Modells, welches auf zeitunabhängigen Nichtlinearitäten dritter Ordnung im Plasma oder in der Luft beruht. Die in dieser Arbeit vorgestellte quantitative Analyse legt die Schlussfolgerung nahe, dass das phänomenologische Modell von Cook et al. in der vorliegenden Form in Frage gestellt werden muss. Daher wurde im Rahmen der Arbeit ein einfaches Modell zur Erklärung der mikroskopischen Ursache der Nichtlinearität entwickelt. Dieses Modell beinhaltet die Kopplung der Nichtlinearität mit dem lokalen Ionisierungsprozess und damit formal auch eine explizite Zeitabhängigkeit der Nichtlinearität im Plasma. Die quantitative Modellierung der makroskopischen THz-Emission auf Basis des mikroskopischen Bildes der Generations-Nichtlinearitäten zeigt, dass das Modell die experimentellen Befunde zufriedenstellend beschreiben kann. Die Arbeit schließt mit einem Vergleich der untersuchten Emitter in Bezug auf spektrale Eigenschaften, Effizienz und Sättigungsverhalten. Bei der Darstellung des Sättigungsverhaltens wird anhand der in der Arbeit entwickelten Modelle versucht die Entwicklung der erzeugten THz-Feldamplituden für Laserpulsenergien von bis zu 50 mJ vorauszusagen. Diese Abschätzung lässt vermuten, dass der Plasma-Emitter für Laserpulsenergien von 10mJ und mehr das Potential hat, deutlich höhere THz-Feldamplituden zu erzeugen als alle gängigen Standardemitter. Entsprechende Experimente in diesem Laserpuls-Energiebereich sind am Front-End des PHELIX-Lasers der GSI (Gesellschaft für Schwerionenforschung) in Darmstadt im Rahmen der Fortführung der Forschungsarbeiten geplant.
Das zeitdiskrete Rohrmodell besitzt für die Modellierung der menschlichen Sprachproduktion eine wichtige theoretische und praktische Bedeutung, da es ein mathematisch handhabbares Modell darstellt und zugleich eine vereinfachte akustische Beschreibung des Sprechtraktes beinhaltet. Dies ist einerseits begründet durch die modellhafte Beschreibung der Ausbreitung von ebenen Wellen durch den Sprechtrakt und andererseits in der Darstellung des Rohrmodells als zeitdiskretes lineares System. Erst durch die Verfügbarkeit von adäquaten Schätzalgorithmen, welche die Modellparameter aus dem Sprachsignal bestimmen, ist das Rohrmodell für Anwendungen in der Sprachverarbeitung interessant. Diese liegen allerdings nur für die einfachsten unverzweigten Rohrmodelle vor, welche den Sprechtrakt nur stark vereinfacht modellieren. Für erweiterte Rohrmodelle existieren nur in eingeschränkter Weise adäquate Schätzalgorithmen, mit denen die Modellparameter aus dem Sprachsignal geschätzt werden können. Daher wird mit dieser Arbeit versucht diesen Mißstand aufzulösen, wofür Schätzalgorithmen auch für erweiterte Rohrmodelle entwickelt und vorgestellt werden. Die Erweiterungen des Rohrmodells beziehen sich auf Rohrverzweigungen, die auch mehrfach auftreten können, und Rohrabschlüsse, die frequenzabhängig oder zeitvariabel sein können. Zusätzlich werden Sprechtraktmodelle behandelt, die zwei Systemausgänge aufweisen. Dies wird für Analysen von getrennt aufgenommenen Mund- und Nasensignalen von nasalierten Lauten diskutiert, um die Lippen- und Nasenabstrahlung einzeln zu berücksichtigen. Ebenso werden verzweigte Modelle mit zwei Systemausgängen für eine Beschreibung des Nasaltraktes unter Berücksichtigung der beiden Nasengänge behandelt. Die Erweiterungen des Rohrmodells durch Verzweigungen und angepaßte Rohrabschlüsse ermöglichen eine genauere Beschreibung des Sprechtraktes infolge der Verzweigungen durch den Nasaltrakt und infolge der Abschlüsse an den Lippen, Nasenlöchern und der Glottis. Die Parameterbestimmung wird durch Minimierung eines Fehlers durchgeführt, welcher ein spektrales Abstandsmaß zwischen dem Rohrmodell und dem analysierten Sprachsignal darstellt. Für die Definition des Fehlers wird die inverse Filterung herangezogen, welche eine Leistungsminimierung des Ausgangssignals des inversen Systems beinhaltet. Dabei hat sich gezeigt, daß die Fehlerdefinition der inversen Filterung modifiziert werden muß, um auch erfolgreich auf erweiterte Rohrmodelle angewendet werden zu können. Die Modifikation kann für erweiterte Rohrmodelle einheitlich für den zeitinvarianten und zeitvariablen Fall vorgestellt werden. Über den allgemeinen Ansatz der Schätzung hinaus werden auch effiziente Schätzverfahren für ausgewählte Rohrstrukturen und allgemeine Pol-Nullstellen-Systeme vorgestellt. Die diskutierten Schätzverfahren ermöglichen eine gute Approximation der Sprachspektren durch die Modellbetragsgänge. Darüber hinaus konnte auch gezeigt werden, daß durch entsprechende Rohrmodellstrukturen und eine geeignete Vorverarbeitung des Sprachsignals realistische Querschnittsflächen des Sprechtraktes geschätzt werden können. Daher eignen sich die erweiterten Sprechtraktmodelle auch für die Sprachproduktion. In Synthesebeispielen wurden Lautübergänge auf der Basis von geschätzten Vokaltraktflächen realisiert und in Resynthesebeispielen mittels unverzweigter Rohrmodelle wurde insbesondere die Anregung der Modelle diskutiert. Daß durch die Verwendung von Rohrmodellen auch Lauttransformationen möglich sind, zeigt die vorgestellte künstliche Nasalierung von Sprachsignalen unnasalierter Laute, welche mittels verzweigter Rohrmodelle und Analysen von getrennt aufgenommenen Mund- und Nasensignalen erreicht werden konnte.
Über lange Zeit wurden in der EPR-Spektroskopie hauptsächlich cw-Experimente bei einer Mikrowellenfrequenz von 9 GHz durchgeführt. In den letzten 10 bis 15 Jahren aber haben zwei verschiedene Entwicklungen immer stärkere Verbreitung gefunden. Dies sind zum einen die Verwendung von immer höheren Magnetfeldern und damit Mikrowellenfrequenzen, und zum anderen die Anwendung von Puls-Experimenten. Hochfeld-EPR bietet zwei wesentliche Vorteile gegenüber den klassisch verwendeten Magnetfeldstärken. Dies ist einerseits die erhöhte spektrale Auflösung bei Systemen mit anisotropen g-Tensoren, andererseits die höhere absolute Empfindlichkeit in Verbindung mit einem geringeren Probenvolumen. Puls-Experimente andererseits bieten die Möglichkeit, Informationen zu gewinnen, die mit cw-EPR Spektroskopie nicht oder nur sehr schwer zu erhalten sind. Die Kombination dieser beiden Weiterentwicklungen der EPR-Spektroskopie eröffnet die Möglichkeit, mittels mehrdimensionaler Spektroskopie detaillierte orientierungsabhängige Informationen zu erhalten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Puls EPR-Spektrometer aufgebaut, welches bei einer Mikrowellenfrequenz von 180 GHz und einem statischen Magnetfeld von 6,4 T arbeitet. 180 GHz ist derzeit weltweit die höchste Mikrowellenfrequenz, bei der routinemäßig ein zylindrischer Hohlraumresonator verwendet wird und bei der Puls EPR-Experimente durchgeführt werden. Da bei solchen Mikrowellenfrequenzen einige benötigte Bauteile nicht mehr in konventioneller Bauweise erhältlich sind, wurden quasioptische Elemente verwendet, um einen Zirkulator aufzubauen. Der Transport der Mikrowellenstrahlung von der Quelle zur Probe und von dort zurück zur Detektion geschieht mittels überdimensionierter Hohlleiter, um die Verluste zu minimieren. Ein zylindrischer Hohlraumresonator wird in einer fundamentalen Mode betrieben, um am Probenort die für Puls-Experimente notwendige Mikrowellenleistung zu erzeugen. Mit der erreichten Mikrowellenleistung und der Ankopplung des Resonators werden Pulslängen von ca. 60 bis 80 ns für Systeme mit S=1/2 erzielt. Die Eigenschaften des aufgebauten Spektrometers wie die Empfindlichkeit oder die Totzeit im Pulsbetrieb werden ausführlich dargestellt und diskutiert. Ebenso werden die Eigenschaften der implementierten Spektrometersteuerung, insbesondere im Hinblick auf das Zeitverhalten bei Puls-Experimenten, dargestellt und diskutiert. Im letzten Teil der Arbeit wird ein ausführliches Anwendungsbeispiel für Hochefeld-EPR diskutiert. Das Ras-Protein spielt eine wichtige Rolle in der intrazellulären Signalweiterleitung und reguliert solche Prozesse wie Zellwachstum, Differentiation und Apoptose. In ca. 30 % aller menschlicher Tumore werden Mutationen dieses Proteins gefunden, was die wichtige Rolle dieses Proteins demonstriert. Trotz dieser wichtigen Funktion ist der genaue Mechanismus des Aktivierungszykluses noch nicht im Detail aufgeklärt worden. Mittels cw-EPR Spektroskopie wurden die GDP-gebundenen inaktiven Proteinkomplexe verschiedener Mutanten untersucht. Durch Messungen in H217O-angereichertem Wasser konnte gezeigt werden, dass bei Raumtemperatur beim Wildtyp ein Wasserligand weniger am aktiven Zentrum der Proteinkomplexe vorliegt als bei einer onkogenen Mutante. Dieses Ergebnis widerspricht den bisher durch verschiedene Röntgenstrukturuntersuchungen gewonnen Erkenntnissen. Es wird ausführlich darüber diskutiert, dass diese unterschiedlichen Ergebnisse vermutlich auf Kristallbildungseffekte zurückzuführen sind.
Diese Arbeit untersucht die Produktion von Teilchen durch Vakuumpolarisation in Anwesenheit klassischer Felder. Eine unquantisierte Beschreibung des bosonischen Sektors einer Quantenfeldtheorie wird möglich, wenn dieser stark besetzt ist. Sind die Besetzungszahlen größer als eins, können Quantenprozesse als Korrekturen angesehen werden. Für die Fermionen gibt es wegen des Paulischen Prinzips kein solches Konzept. Situationen mit diesen starkbesetzten Feldern finden sich im Fall der Quantenchromodynamik (QCD) zum Beispiel in ultrarelativistischen Schwerionenkollisionen. Diese werden zur Zeit am Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) am Brookhaven National Laboratory durchgeführt und in Zukunft am Large Hadron Collider (LHC) am CERN untersucht werden. Diese hochbesetzten sind auch starke Felder. Damit können in Abwesenheit weiterer Skalen Prozesse mit unterschiedlich häufigen Kopplungen an das Hintergrundfeld nicht parametrisch unterschieden werden. Die dominanten Quanteneffekte werden durch Terme der klassischen Wirkung. die zweiter Ordnung in den Quantenfeldern sind, repräsentiert. Alle diesbezüglichen Informationen sind in den Propagatoren der entsprechenden Quanten enthalten. Wegen der starken Felder müssen hier die vollen Propagatoren im Hintergrundfeld benutzt werden. Bei schwacher Kopplung - in führender Ordnung in den Quanteneffekten - enthalten sie alle Details über die Streuung der Quantenteilchen am Feld und deren Produktion durch Vakuumpolarisation. Ohne weitere radiative Korrekturen, gibt es in der Quantenelektrodynamik die Produktion von Elektron-Positron-Paaren. Analog dazu werden in der QCD Quark-Antiquark-Paare produziert. Dort kommt aber wegen der Nichtlinearität des Feldtensors noch die Produktion von Paaren gluonischer Quantenfluktuationen hinzu. Die Quarks und Antiquarks sowie die gluonischen Quantenfluktuationen sind parametrisch nicht zu unterscheiden. Für Schwerionenkollisionen lassen sich Größen wie die anfängliche Energiedichte und die Zerfallszeit des hochdichten Regimes abschätzen. Es stellt sich nun die Frage, ob man bei Einschränkung auf diese Situationen eine der beiden Quantenspezies als unwichtig vernachlässigen kann. Im Bereich hoher Teilchenimpulse, läßt sich die Produktion störungstheoretisch beschreiben. Hier untersuche ich zunächst in der niedrigsten Ordnung der klassischen Wirkung die Produktionsprozesse der beiden Arten von Quanten bei Anwesenheit beliebiger Felder. Für die Aufteilung des Gluonenfeldes in seinen Erwartungswert und seine Fluktuationen wird die Hintergrundfeldmethode der QCD verwendet. Für den Spezialfall rein zeitabhängiger Felder werden die Produktionsraten für Parametersätze, wie sie für RHIC und LHC erwartet sind, angegeben. Es stellt sich heraus, daß auf perturbativem Niveau sowohl Situationen, in denen die Fermionen dominieren, als auch solche, in denen die gluonischen Quantenfluktuationen überwiegen' vorkommen. Im Fall der Gluonen könnte der stark besetzte niederengetische Bereich durch das klassische Feld und der hochenergetische schwächer besetzte durch eine perturbative Beschreibung hinreichend genähert sein. Da es für die Fermionen jedoch kein klassisches Feld gibt, bliebe ihr niederenergetischer Bereich vollkommen unbehandelt. Hier ist auf jeden Fall eine nichtperturbative Beschreibung notwendig. Diese kann auf dem vollen Fermionpropagator im Hintergrundfeld aufgebaut werden. Der bereits oben verwendete Spezialfall eines rein zeitabhängigen Feldes kann als Näherung eines boostinvarianten Szenarios in der zentralen Region der Schwerionenkollision gesehen werden. In Anwesenheit derartiger Felder wird hier der volle retardierte Propagator hergeleitet. Für den exakten Propagator und alle Näherungen wird das Impulsspektrum der produzierten Fermionen berechnet. Dabei stellt sich die sogenannte Abelsche Näherung als bester Kandidat neben der exakten Beschreibung heraus. Sie entspricht, im Gegensatz zur störungstheoretischen Näherung, bei der die Fermionen immer mir ihrem asymptotischen kinematischen Impuls propagiert werden, einer Propagation mit dem mittleren kanonischen Impuls, was die Verbesserung der Näherung erklärt. Mit den, durch die induzierten Strömen modifizierten Yang-Mills-Gleichungen, stellt die Arbeit das komplette Funktionensystem dar, daß benötigt wird, um eine selbstkonsistente Berechnung des klassischen Feldes mit perturbativ beschriebenen gluonischen Quantenfluktuationen und exakt berechneten Quarks und Antiquarks durchzuführen.
Gegenstand dieser Arbeit sind Eigenschaften angeregter hadronischer Materie sowie physikalische Systeme, in denen diese Materie auftritt bzw. produziert wird. Die Beschreibung der stark wechselwirkenden Materie erfolgt in einem hadronischen, chiral-symmetrischen SU(3)L x SU(3)R Modell, welches die Saturierungseigenschaften von Kernmaterie und die Eigenschaften von Atomkernen reproduziert. Die Untersuchung heißer und dichter unendlicher hadronischor Materie zeigt, dass das vom Modell vorhergesagte Phasendiagramm stark von den Kopplungen der Baryonenresonanzen abhängt. Für kalte hadronische Materie ergibt die Einbeziehung des Baryonendekupletts und die Freiheit in deren Vektorkopplungen eine sehr große Bandbreite an verschiedenen Zustandsgleichungen. Für heiße hadronische Materie mit verschwindendem baryochemischen Potential zeigt sich ebenfalls eine starke Abhängigkeit der Eigenschaften hadronischer Materie von der Ankopplung der baryonischen Resonanzen. Es werden drei verschiedene Parametrisierungen betrachtet. Das resultierende Phasenübergangsverhalten variiert von einem "Crossover" über einen schwachen, zu einem doppelten Phasenübergang erster Ordnung. Es zeigt sich jedoch, dass die beobachteten Eigenschaften von Neutronensternen die Unbestimmtheit bzgl. der Vektorkopplung dieser Freiheitsgrade und damit der Zustandsgleichung deutlich verringern. Das Raum-Zeit Verhalten relativistischer Schwerionenkollisionen bei SPS- und RHIC-Energien wird mittels einer hydrodynamischen Simulation unter Benutzung der chiralen Zustandsgleichungen untersucht. Dabei spiegelt sich das unterschiedliche Phasenübergangsverhalten deutlich im Ausfrierverhalten der hadronischen Materie wider. Die im chiralen Modell berechneten Teilchenzahlverhältnisse werden mit den aus Schwerionenkollisionen von AGS- bis RHIC-Energien erhaltenen experimentellen Daten verglichen. Dabei zeigt sich, dass die verschiedenen Parametersätze des chiralen Modells und die Rechnungen für ein nichtwechselwirkendes, ideales Hadronengas eine ähnlich gute Beschreibung der gemessenen Weite liefern. Die deduzierten Ausfrierwerte für die Temperatur sind sensitiv auf das Phasenübergangsverhalten und liegen unterhalb der jeweiligen kritischen Temperatur. Die vorhergesagten Ausfriermassen sind in allen Parametrisierungen sehr ähnlich mit Abweichungen bis zu 15% von den entsprechenden Vakuumwerten. Die Untersuchung der Eigenschaften von Vektormesonen in dichter Materie erfolgt in der Mittleren-Feld- und in der HartreeNäherung. Hierbei zeigt sich eine signifikante Reduzierung der Teilchenmassen durch Vakuumpolarisationseffekte.
Gegenstand dieser Arbeit war die Untersuchung der optischen und elektronischen Eigenschaften von metallorganischen Materialien, die mit dem Verfahren der Elektronenstrahlinduzierten Deposition hergestellt wurden. Da es sich bei diesen noch relativ unerforschten Endprodukten um Materialmengen von wenigen Nanogramm Gewicht und geometrische Abmessungen im Sub-µm-Bereich handelt, wurden hierzu neue Verfahren der Herstellung, Strukturierung und Charakterisierung entwickelt. Sowohl die optischen als auch die elektronischen Eigenschaften dieser Deponate besitzen einen gemeinsamen physikalischen Nenner in ihrer inneren Morphologie: ein nanokristallines dielektrisches Verbundmaterial, das aus metallischen Kristalliten und organischen Polymeren gebildet wird. Im Hinblick auf die Durchführung der Untersuchungen war das Augenmerk auf zwei potentielle industrielle Anwendungen gerichtet: den Photonischen Kristallen und den Einzelelektronen-Phänomenen bei Raumtemperatur. Mit Hilfe von Beugungsexperimenten im Fernfeld wird ein Verfahren gezeigt, das eine der periodischen Struktur von Photonischen Kristallen angepaßte Charakterisierung von Materialstrukturen mit optischer Bandlücke ermöglicht. Das mathematische Grundgerüst bildet dabei eine rigorose Streutheorie, die als Lösung der Helmholtz-Gleichung an dielektrischen Zylindern mit wenigen hundert nm Durchmesser den Experimenten zugrunde gelegt wird und sowohl für die praktische Dimensionierung des Versuchsaufbaus als auch für die theoretische Auswertung der Meßdaten, z.B. für die Brechungsindexbestimmung, dient. Die Herstellung und Kontrolle der Eigenschaften von Einzelelektronen-Tunnelelementen (SETs, Single Electron Tunneling Devices), welche bei hohen Temperaturen mit einer abzählbar kleinen Anzahl von Elektronen noch arbeiten, dürfte wohl eine der größten Herausforderungen in der heutigen Festkörperelektronik sein. Obwohl die Idee dazu, auf Basis der "Orthodoxen Theorie", bis auf die 80er Jahre des vergangenen Jahrhunderts zurückgeht, konnten nennenswerte Ergebnisse nur unter "Laborbedingungen" mit entsprechend hohem experimentellem Aufwand erzielt werden. In der vorliegenden Arbeit wird ein neuer Weg gegangen, um die beiden wesentlichen Bedingungen der orthodoxen Theorie, nämlich die Kleinheit der Kapazitäten und hohe Tunnelwiderstände, durch das ungeordnete nanokristalline Netzwerk der metallorganischen Deponate zu erfüllen. Die Motivation hierzu liegt in der hochohmigen organischen Matrix der Deponate, die mit darin eingebetteten elektrisch isolierten Nanokristalliten (die mit Durchmessern zwischen 1 nm und 2.5 nm ausgezeichnete Quantenpunkte bilden) eine ideale Umgebung für den Betrieb von Einzelelektronen-Tunnelelementen bereitstellen. Ein stabiles Verhalten unter hohen Temperaturen und eine ausgeprägte Resistenz gegen quantenmechanische Fluktuationen (z. B. dem Co-Tunneln oder Hintergrundladungen) wird durch den Aufbau von nanokristallinen Netzwerken, die in der Arbeit als "Über-SET" bezeichnet werden, erreicht. Mit Hilfe der entwickelten speziellen Technik lassen sich Nanokristallite elektrisch bis zur quantenmechanischen Tunnelgrenze voneinander isolieren und als Quantenpunkte betreiben. Die dabei beobachtbaren Phänomene sind diskretisierte I/U-Kennlinien und das Blockade-Verhalten der Spannung bei Raumtemperatur, deren Entstehung in Monte-Carlo-Simulationen auf zwei physikalische Grundprinzipien zurückgeführt wird: der Ausbildung von Einfangzuständen (Traps) für Elektronen an Grenzstellen und dem Mechanismus des negativen differentiellen Widerstandes (NDR, Negative Differential Resistance). Beide Effekte fungieren in einer gegenseitigen Kombination zueinander durch Coulomb-Wechselwirkungen zu einem mikroskopischen Schalter für den gesamten Strom.
Resistive Plate Chambers (RPCs) are gaseous parallel plate avalanche detectors that implement electrodes made from a material with a high volume resistivity between 10 high 7 and 10 high 12 omega cm. Large area RPCs with 2mm single gaps operated in avalanche mode provide above 98% efficiency and a time resolution of around 1 ns up to a flux of several kHz/cm high 2. These Trigger RPCs will, as an example, equip the muon detector system of the ATLAS experiment at CERN on an area of 3650 m high 2 and with 355.000 independent read out channels. Timing RPCs with a gas gap of 0.2 to 0.3mm are widely used in multi gap configurations and provide 99% efficiency and time resolution down to 50 ps. While their performance is comparable to existing scintillator-based Time-Of-Flight (TOF) technology, Timing RPCs feature a significantly, up to an order of magnitude, lower price per channel. They will for example equip the 176 m high 2 TOF barrel of the ALICE experiment at CERN with 160.000 independent read out cells. RPCs were originally operated in streamer mode providing large signals which simplifies readout electronics and gap uniformity requirements. However, high rate applications and detector aging issues made the operation in avalanche mode popular. This was also facilitated by the development of new highly quenching C2F4H2-based gas mixtures with small contents of SF6. While the physics of streamers is difficult to study, the avalanche mode opened the possibility for a detailed simulation of the detector physics processes in RPCs. Even though RPCs were introduced in the early eighties and have been (will be) used in experiments, there are still disagreements about the explanation of several aspects of the RPC performance. The high efficiency of single gap RPCs would require a large ionization density of the used gases, which according to some authors contradicts measurements. Even in the case of a large ionization density the gas gain has to be extremely large, in order to arrive at the observed RPC efficiency. This raises other questions: A very strong space charge effect is required to explain the observed small avalanche charges around 1 pC. Doubts have been raised whether an avalanche can progress under such extreme conditions without developing into a streamer. To overcome these difficulties, other processes, like the emission of an electron from the cathode, were suggested. Moreover, the shape of measured charge spectra of single gap RPCs differs largely from what is expected from the statistics of the primary ionization and the avalanche multiplication. In this thesis we discuss the detector physics processes of RPCs, from the primary ionization and the avalanche statistics to the signal induction and the read out electronics. We present Monte-Carlo simulation procedures that implement the described processes. While the fundament of the described model and some results were already published elsewhere [1], the subject of this thesis is the implementation of the space charge effect. We present analytic formulas for the electrostatic potential of a point charge in the gas gap of an RPC. These formulas were developed in collaboration with the University of Graz [2] and were published in [3, 4]. The simulation model presented in [1] is completed by the dynamic calculation of the space charge field using these formulas. Since the gas parameters like drift velocity and the Townsend and attachment coefficients depend on the electric field, they are calculated dynamically as well. The functional dependence of these parameters on the field is obtained with the simulation programs MAGBOLTZ and IMONTE. For the primary ionization parameters, we use the values that are predicted by the program HEED. While the described procedure only simulates the longitudinal avalanche development towards the anode of the RPC, we also present more dimensional models that allow a careful study of the transverse repulsive and attractive forces of the space charge fields, and of the consequences for the avalanche propagation. We shall show that the efficiencies of single gap Timing RPCs is indeed explained by the high primary ionization density (about 9.5 /cm as predicted by HEED) and a large effective Townsend coefficient (around 113 /mm as predicted by IMONTE). We show that the space charge field reaches the same magnitude as the applied electric field in avalanches at large gas gain. This strong space charge effect effectively suppresses large values for the avalanche charges. The shape of the simulated charge spectra is very similar to the measurements. Also the simulated average charges are close to the experimental results. RPCs are operated in a strong space charge regime over a large range of applied voltage, contrary to wire chambers. We apply only standard detector physics simulations to RPCs. The performance of Timing and Trigger RPCs is well reproduced by our simulations. The results concerning the space charge effect were presented and discussed at the 'RPC 2001' workshop [5] and on the '2002 NSS/MIC' conference [6].
In summary, the cooled heavy-ion beams of the ESR storage ring offer excellent experimental conditions for a precise study of the effects of QED in the groundstate of high-Z one- and two-electron ions. This has been demonstrated within the series of experiments conducted at the electron cooler device as well as at the gasjet target. In this work we have used a recently developed experimental approach to obtain the first direct measurement of the two-electron contributions to the ground state binding energy of helium-like uranium. By employing our method, all one-electron contributions to the binding energy such as finite-nuclear size corrections and the one-electron self energy cancel out completely. Note, this is a distinctive feature of this particular kind of QED test and is in contrast to all other tests of bound state QED for high-Z ions such as 1s Lamb shift (in one-electron systems), g-factor of bound electrons, or hyperfine splitting. Compared to former investigations conducted at the superEBIT in Livermore we could already substantially improve the statistical accuracy and extend studies to the higher-Z regime. Moreover, our result has reached a sensitivity on specific two-electron QED contributions. Our value agrees with the theoretical predictions within the experimental uncertainty. Similar to the superEBIT experiment possible sources of systematic errors are essentially eliminated and the final result is limited only by counting statistics. For the case of the 1s Lamb shift in hydrogen-like uranium, the achieved accuracy of +- 4.2 eV is a substantial improvement by a factor of 3 compared to the most precise value up to now [44] (see Fig. 5.6). Our result already provides a test of the first-order QED contributions at the 1.5% level and only a slight improvement is required in order to achieve a sensitivity to QED contributions beyond first-order SE and VP.
Die Entwicklung der Renormierungsgruppen-Technik, die in ihrer feldtheoretischen Version auf Ideen von Stückelberg und Petermann und in der Festkörperphysik auf K.G. Wilson zurückgeht, hat wesentliche Einsichten in die Natur physikalischer Systeme geliefert. Insbesondere das Konzept der so genannten Universalitätsklassen erhellt, warum Systeme, die durch scheinbar sehr verschiedene Hamilton-Operatoren beschrieben werden, doch im Wesentlichen die selbe (Niederenergie-)Physik zeigen. Ein weiterer Grund für den Erfolg dieser Methode liegt darin begründet, dass sie in systematischer Weise unendlich viele Feynman-Diagramme aufsummiert und somit über konventionelle Störungstheorie hinaus geht. Dies spielt in der Festkörperphysik vor allem dann eine wichtige Rolle, wenn das vorliegende physikalische System stark korreliert ist. Entsprechend der Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten hat sich in den vergangenen Jahrzehnten eine große Bandbreite verschiedener Formulierungen der Renormierungsgruppen-Technik ergeben. Eine davon ist die sogenannte funktionale Renormierungsgruppe, die auf Wegner und Houghton zurück geht und die auch in der vorliegenden Arbeit benutzt und weiter entwickelt wurde. Wir haben hier insbesondere auf die Einbeziehung der wichtigen Reskalierungsschritte wertgelegt. Als erstes Anwendungsgebiet des neu entwickelten Formalismus wurden stark korrelierte Elektronen in einer Raumdimension ausgewählt und hier insbesondere ein Modell, das als Tomonaga-Luttinger-Modell (TLM) bezeichnet wird. Im TLM wechselwirken Elektronen mit einer strikt linearen Energiedispersion ausschließlich über so genannte Vorwärtsstreu-Prozesse. Aufgrund der Linearisierung der Energiedispersion nahe der Fermipunkte ergibt sich ein Modell, das z.B. mit Hilfe der so genannten Bosonisierungs-Technik exakt gelöst werden kann. Hauptziel der vorliegenden Arbeit ist es, die bekannte Spektralfunktion dieses Modells unter Verwendung des Renormierungsgruppen-Formalismus zu reproduzieren. Gegenüber der bisherigen Implementierung der Renormierungsgruppe, bei der lediglich der Fluss einer endlichen Anzahl von Kopplungskonstanten betrachtet wird, stellt die Berechnung des Flusses ganzer Korrelationsfunktionen eine enorme Erweiterung dar. Der Erfolg dieser Herangehensweise im TLM bestärkt die Hoffnung, dass es in Zukunft auch möglich sein wird, die Spektralfunktionen anderer Modelle mit dieser Methode zu berechnen, bei denen herkömmliche Techniken versagen.
Wir haben uns in dieser Arbeit der möglichen Produktion Schwarzer Löcher in hochenergetischen Teilchenkollisonen unter Annahme einer Raumzeit mit großen Extra-Dimensionen gewidmet. Die Produktionsraten, die bei einer neuen fundamentalen Skala im Bereich Mf ~ 1 TeV zu erwarten sind, liegen für den LHC in der Größenordnung von ~ 10 hoch 8 Schwarzen Löchern pro Jahr. Diese hohe Anzahl begründet das Interesse an den Eigenschaften der produzierten Schwarzen Löchern und wirft die Frage auf, wie diese Objekte beobachtet werden können. Bei der Untersuchung der Eigenschaften dieser Schwarzen Löcher haben wir festgestellt, dass das Entstehen Schwarzer Löcher ab einer c.o.m.-Energie im Bereich der neuen Planck-Masse zu einer raschen Unterdrückung hochenergetischer Jets, wie sie in pp-Kollisionen entstehen, führt. Dies ist ein klares Signal und leicht zu beobachten. Unter Ansetzen des Mikrokanonischen Ensembles haben wir die Zerfallsrate der Schwarzen Löcher und ihre Lebensdauer berechnet. Es zeigt sich, dass diese Lebensdauer hoch genug ist, um ein zeitlich deutlich verzögertes Signal zu erhalten. Nimmt man an, dass die statistische Mechanik bis zur Größenordung Mf gülig bleibt, so gelangen die Schwarzen Löcher im Zuge ihrer Verdunstung in einen quasi-stabilen Zustand und ein Rest verbleibt. Die Lebenszeit ist von der Anzahl der Dimensionen abhängig und lässt so Rückschlüsse auf diesen Parameter zu. Im Falle (Mf ~ TeV, d > 5) liegt sie für Energien von ~ 10 TeV in der Größenordung 100 fm/c. Eine geometrische Quantisierung der Strahlung legt außerdem nahe, dass die Schwarzen Löcher nicht restlos verdampfen können, sondern ein stabiler Überrest verbleibt. Diese Ergebnisse sind in [202, 203, 205] veröffentlicht worden.