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Mit immer komplexeren Experimenten erhöhen sich die Anforderungen an die Detektoren und diese Arbeit ist ein neuer Beitrag für eine weiterentwickelte technologische Lösung. In der vorliegenden Dissertation wurde eine nichtinvasive optische Strahldiagnose für intensive Ionenstrahlen in starken Magnetfeldern entwickelt. Das optische System besteht aus miniaturisierten Einplatinen CMOS-Kameras. Sowohl die hardwareseitige Entwicklung als auch die softwareseitige Implementierung der Algorithmen zur Kamerakalibrierung, Netzwerksteuerung und Strahlrekonstruktion wurden in dieser Arbeit entwickelt. Die Leistungsstärke dieses neuartigen Diagnosesystems wurde dann experimentell an einem Teststand demonstriert. Dabei wurde das optische System ins Vakuumstrahlrohr eingebettet. Ein Wasserstoffionenstrahl mit einer Energie von 7keV bis 10keV und einem Strahlstrom bis 1mA wurde in einer Stickstoffatmosphäre bis 1E-5 mbar untersucht. Dabei wurde der Ionenstrahl entlang des Strahlrohres des Toroidsegmentmagnetes mit einer Bogenlänge von 680mm mit einem xy-Kamerasystem beobachtet.
Der Strahlschwerpunkt und die Breite des Strahlprofils wurden im Ortsraum rekonstruiert. Die analytisch berechnete und in anderen Arbeiten simulierte Gyrationsbewegung sowie der RxB-Drift des Strahlschwerpunktes konnte experimentell bestätigt werden.
Entwicklung und Inbetriebnahme zweier supraleitender 217 MHz CH-Strukturen für das HELIAC-Projekt
(2019)
Im Rahmen der hier vorgestellten Arbeit wurden zwei baugleiche CH-Strukturen für das im Bau befindliche HELIAC-Projekt (HELmholtz LInear ACcelerator) entwickelt und während der Produktion bis hin zu den finalen Kalttests bei 4.2 K begleitet. Zusammen mit der CH-Struktur des Demonstrator-Projektes ermöglichen sie die vollständige Inbetriebnahme und den ersten Strahltest des ersten Kryomoduls des HELIAC's, welcher aus vier Kryomodulen mit insgesamt 12 CH-Strukturen besteht. Im Vergleich zu bisherigen CH-Strukturen wurde das Design der Kavitäten im Rahmen dieser Dissertation grundlegend überarbeitet und optimiert. Durch die Entfernung der Girder und die konisch geformten Endkappen konnte die Stabilität der neuen CH-Strukturen deutlich erhöht werden, sodass die Drucksensitivität im Vergleich zur ersten CH-Kavität des Demonstrator-Projektes um ca. 80% reduziert werden konnte. Durch die nach außen gezogenen Lamellen der dynamischen Tuner konnte die mechanische Spannung sowie die benötigte Anzahl an Lamellen und damit das Risiko für das Auftreten von Multipacting reduziert werden. Das verringerte Risiko für Multipacting durch die entsprechenden Optimierungen der Kavitäten konnte durch die dauerhafte Überwindung aller Multipacting-Barrieren in den späteren Messungen verifiziert werden. Die Optimierung beider Kavitäten erfolgte dabei mit Hilfe der Simulationsprogramme CST Studio Suite und Ansys Workbench.
Beide Kavitäten wurden von der Firma Research Instruments (RI) gefertigt und während der gesamten Konstruktion durch diverse Zwischenmessungen überwacht. Nach jedem einzelnen Produktionsschritt wurden alle Einflüsse auf die Resonanzfrequenz so präzise ermittelt, dass die Zielfrequenz bei 4.2 K auf mehr als 1‰ genau erreicht werden konnte. Sowohl während der Zwischenmessungen als auch während den finalen Messungen bei 4.2 K wurden automatisierte Aufzeichnungsroutinen verwendet, welche eine sekundengenaue Auslese der Messdaten und damit eine hohe Messgenauigkeit ermöglichten. Im Hinblick auf die Komplexität der CH-Strukturen sind die geringen Abweichungen von der Zielfrequenz der direkte Beweis dafür, wie erfolgreich und präzise die Auswertungen und daraus folgenden Abschätzungen der einzelnen Zwischenmessungen waren. Insgesamt konnten bis auf die mechanischen Eigenmoden alle Ergebnisse der Simulationen durch entsprechende Messungen in guter Näherung verifiziert werden. In jeder Kavität wurden zwei dynamische Tuner verbaut, welche statische und dynamische Frequenzabweichungen im späteren Betrieb ausgleichen können. Die dynamischen Tuner wurden hinsichtlich ihrer mechanischen Stabilität und der erzeugbaren Frequenzänderung sowie ihrer mechanischen Eigenfrequenzen ausführlich mit Hilfe der Simulationsprogramme CST Studio Suite und Ansys Workbench untersucht und optimiert. Um die Ergebnisse der Simulationen zu überprüfen wurden ein eigens dafür entworfener und in der Werkstatt des Instituts für Angewandte Physik gefertigter Messaufbau verwendet, welcher es ermöglichte alle entscheidenden Eigenschaften der dynamischen Tuner präzise zu vermessen. Insgesamt stellen die ausführlichen Messungen mit Hilfe des entworfenen Aufbaus die bisher umfassendsten Messungen dynamischer Balgtuner innerhalb supraleitender CH-Strukturen dar und zeigen, mit welchen Abweichungen zwischen Simulationen und Messungen bei zukünftigen Kavitäten zu rechnen ist. Auch die Feldverteilung entlang der Strahlachse wurde während der Produktion der Kavitäten mit Hilfe der Störkörpermessmethode überprüft. Die dadurch ermittelten Werte stimmten mit einer maximalen Diskrepanz von 9% sehr gut mit den Simulationen überein.
Um eine möglichst gute Oberflächenqualität zu garantieren wurden an der Innenfläche beider Strukturen mindestens 200µm mit einer Mischung aus Fluss-, Salpeter und Phosphorsäure in mehreren Schritten abgetragen. Durch das Aufteilen der Behandlung in einzelne Schritte konnte der Einfluss der Oberflächenbehandlung auf die Resonanzfrequenz besser abgeschätzt und vorausgesehen werden. Dies führte, zusammen mit den Messungen zur Bestimmung der Drucksensitivität und der thermischen Kontraktion der Kavität beim Abkühlen, zu der hohen Übereinstimmung der gemessenen finalen Resonanzfrequenz mit der Zielfrequenz.
Die abschließenden Kalttests der beiden Kavitäten, ohne Heliummantel, wurden am Institut für Angewandte Physik der Johann Wolfgang Goethe Universität in einem vertikalen Bad-Kryostaten durchgeführt. Die erste CH-Struktur konnte erfolgreich bis zu einem maximalen Feldgradienten von 9.2 MV/m getestet werden, was einer effektiven Spannung von 3.37 MV entspricht. Die unbelastete Güte fiel dabei von anfangs 1.08 ∙ 109 auf 2.6 ∙ 108 ab. Die Vorgaben des HELIAC-Projektes liegen bei einem Beschleunigungsgradienten von 5.5 MV/m mit einer unbelasteten Güte von mindestens 3 ∙ 108. Diese Werte wurden von der ersten Kavität deutlich übertroffen, sodass sie für den Betrieb innerhalb des ersten Kryomoduls uneingeschränkt verwendet werden kann.
Bei der zweiten Kavität trat beim Abkühlen auf 4.2 K ein Vakuumleck auf, welches unter Raumtemperatur nicht detektierbar war. Aufgrund der schlechten Vakuumbedingungen innerhalb der Kavität konnten somit keine Messungen hinsichtlich der Leistungsfähigkeit durchgeführt werden, solange das Kaltleck vorhanden war. Ein erneuter Kalttest der Kavität nach Beseitigung des Lecks konnte zeitlich nicht mehr im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt werden und ist aus diesem Grund Gegenstand nachfolgender Untersuchungen.
Insgesamt stellen die Entwicklungen, Untersuchungen und Messungen im Rahmen der hier vorgestellten Dissertation einen entscheidenden Schritt zur Inbetriebnahme des ersten Kryomoduls des HELIAC's sowie der Entwicklung weiterer CH-Kavitäten dar. Das überarbeitete Design der CH-Strukturen hat sich als erfolgreich erwiesen, weswegen es als Ausgangspunkt für die Entwicklung aller nachfolgenden CH-Strukturen des HELIAC, bis hin zur Fertigstellung des kompletten Beschleunigers, verwendet wird.
Als Plasmafenster wird ein Aufbau bezeichnet, welcher zwei Bereiche unterschiedlicher Drücke voneinander trennt, Teilchenstrahlen jedoch nahezu verlustfrei passieren lässt.
Diese Anwendung einer kaskadierten Bogenentladung wurde von A. Hershcovitch vorgeschlagen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein solches Plasmafenster mit Kanaldurchmessern von 3.3 mm und 5.0 mm aufgebaut sowie die erreichbaren Druckunterschiede untersucht.
Auf der Bestimmung des Einflusses der Plasmaparametern und deren Abhängigkeit von äußeren Parametern auf die erreichbare Trennung der Druckbereiche liegt der Schwerpunkt dieser Arbeit.
Ein ausgeklügeltes optisches System ermöglicht die simultane Aufnahme mehrerer Spektren entlang der Entladungsachse, welche die gleichzeitige Bestimmung der Elektronendichte und -temperatur ermöglichen.
Für die Analyse der Plamaparameter aus über 6700 Spektren wird eine selbst entwickelte Software genutzt.
Die gemessenen Elektronendichte reicht von 8e14 cm^-3 bis zu 4.2e16 cm^-3.
Sie skaliert sowohl mit der Entladungsstromstärke als auch dem Teilchenfluss.
Für die Elektronentemperatur stellen sich Werte zwischen 1 eV und 1.3 eV ein, sie variiert nur leicht mit der Stromstärke und dem Teilchenfluss.
Wie später gezeigt wird, stimmen die hier präsentierten Daten gut mit Ergebnissen aus Simulationen und Experimenten anderer Arbeitsgruppen überein.
Als Betriebsgas wurde eine 98%Ar-2%H2 Mixtur genutzt, da die Stark-Verbreiterung der H-beta-Linie sowie die physikalischen Eigenschaften von Argon gut beschrieben sind und somit eine akkurate Elektronendichte- und -temperaturbestimmung ermöglichen.
Während die Drücke auf der Niederdruckseite einigen mbar entsprechen, werden auf der Hochdruckseite Drücke bis zu 750 mbar bei Teilchenflüsse zwischen 4.5e20 s^-1 und 18e20 s^-1 sowie Stromstärken von 45 A bis 60 A erreicht.
Die erzielten Druckverhältnisse entsprechen Werten zwischen 40 und 150, was eine Steigerung um einen Faktor von bis zu 12 gegenüber dem Druckverhältnis einer einfachen differentiellen Pumpstufe entspricht.
Zusätzlich zur Trennung der Druckbereiche kann am vorgestellten Experiment die Starkverbreiterung von Emissionslinien untersucht werden.
Vorteilhaft gegenüber anderen Aufbauten ist hier die Möglichkeit, zeitgleich Spektren unterschiedlicher Elektronendichten aufzunehmen.
Die entwickelte Software ist in der Lage, akkurate Halbwertsbreiten zu bestimmen und daher für eine solche Anwendung gut geeignet.
Alleinstellungsmerkmale dieses Aufbaus sind unter anderem die angesprochene Möglichkeit der simultanen Bestimmung von Plasmaparamertern und Linienverbreiterungen sowie der Verzicht auf Keramikisolatoren zwischen den Kühlplatten des Aufbaus.
Optische Analysen ergaben keine signifikante Schädigung der Bestandteile des Aufbaus nach einer Betriebsdauer von über 10 h; einzig die Kathodenspitzen müssen alle 5 h ausgetauscht werden.
Im Rahmen der hier vorgestellten Arbeit wurden eine Master- sowie Bachelorarbeit betreut und erfolgreich zum Abschluss gebracht.
Wie im Rahmen dieser Arbeit gezeigt, ist das entwickelte Plasmapfenster in der Lage, zwei Bereiche unterschiedlicher Drücke zu trennen und diese Trennung sicher aufrecht zu erhalten.
Die zugrundeliegenden Plasmaparameter sind erforscht und ihr Einfluss auf die Trennungseigentschaft des Plasmafensters beschrieben.
Als nächsten Schritt bietet sich die Erschließung technischer Einsatzmöglichkeiten des Plasmafensters an, so könnte dieses als Plasmastripper oder zum Schutz einer Beschleunigerstruktur vor durch Kollisionsexperimente entstandene radioaktive Isotope oder Sekundärteilchen.
The brain is a large complex system which is remarkably good at maintaining stability under a wide range of input patterns and intensities. In addition, such a stable dynamical state is able to sustain essential functions, including the encoding of information about the external environment and storing memories. In order to succeed in these challenging tasks, neural circuits rely on a variety of plasticity mechanisms that act as self-organizational rules and regulate their dynamics. Based on toy models of self-organized criticality, this stable state has been proposed to be a phase transition point, poised between distinct types of unhealthy dynamics, in what has become known as the critical brain hypothesis. It is not yet known, however, if and how self-organization could drive biological neural networks towards a critical state while maintaining or improving their learning and memory functions.
Here, we investigate the emergence of criticality signatures in the form of neuronal avalanches due to self-organizational plasticity rules in a recurrent neural network. We show that power-law distributions of events, widely observed in experiments, arise from a combination of biologically inspired synaptic and homeostatic plasticity but are highly dependent on the external drive. Additionally, we describe how learning abilities and fading memory emerge and are improved by the same self-organizational processes. We finally propose an application of these enhanced functions, focusing on sequence and simple language learning tasks.
Taken together, our results suggest that the same self-organizational processes can be responsible for improving the brain’s spatio-temporal learning abilities and memory capacity while also giving rise to criticality signatures under particular input conditions, thus proposing a novel link between such abilities and neuronal avalanches. Although criticality was not verified, the detailed study of self-organization towards critical dynamics further elucidates its potential emergence and functions in the brain.
Cortical circuits exhibit highly dynamic and complex neural activity. Intriguingly, cortical activity exhibits consistently two key features across observed species and brain areas. First, individual neurons tend to be co-active in spatially localized domains forming orderly arranged, modular layouts with a typical spatial scale. Second, cortical elements are correlated in their activity over large distances reflecting long-range network interactions distributed over several millimeters. Currently, it is unclear how these two fundamental properties emerge in the early developing cortical activity.
Here, I aim to fill this gap by combining analyses of chronic imaging data and network models of developing cortical activity. Neural recordings of spontaneous and visually evoked activity in primary visual cortex of ferrets during their early cortical development were obtained using in vivo 2-photon and widefield epi-fluorescence calcium imaging. Spontaneous activity was used to probe the early state of cortical networks as its spatiotemporal organization is independent of a stimulus-imposed structure, and it is already present early in cortical development prior to reliably evoked responses. To assess the mature functional organization of distributed networks in cortex, the tuning of neural responses to stimulus features, in particular to the orientation of an edge-like stimulus, was assessed. Cortical responses to moving gratings of varying orientations form an orderly arranged layout of orientation domains extending over several millimeters.
To begin with, I showed that spontaneous activity correlations extend over several millimeters, supporting the assumption of using spontaneous activity to assess distributed networks in cortex.
Next, I asked how distributed networks in the mature visual cortex - assessed by spontaneous activity correlations - are related to its fine-scale functional organization. I found that the spatially extended and modular spontaneous correlation patterns accurately predict the fine spatial structure of visually evoked orientation domains several millimeters away. These results suggest a close relation between spontaneous correlations and visually evoked responses on a fine spatial scale and across large spatial distances.
As the principles governing the functional organization and development of distributed network interactions in the neocortex remain poorly understood, I next asked how long range correlated activity arises early in development. I found that key features of mature spontaneous activity introduced in this work, including long-range spontaneous correlations, were present already early in cortical development prior to the maturation of long-range, horizontal connections, and the predicted mature orientation preference layout. Even after silencing feed-forward input drive by inactivating retina or thalamus, long-range correlated and modular activity robustly emerged in early cortex. These results suggest that local recurrent connections in early cortical circuits can generate structured long-range network correlations that guide the formation of visually-evoked distributed functional networks.
To investigate how these large-scale cortical networks emerge prior to the maturation and elaboration of long-range horizontal connectivity, I examined a statistical network model describing an ensemble of spatially extended spontaneous activity patterns. I found a direct relationship between the dimensionality of this ensemble of activity patterns and the decay of its correlation structure. Specifically, reducing the dimensionality of the ensemble leads to an increase in the spatial range of the correlation structure.
To test whether this mechanism could generate a long-range correlation structure in cortical circuits, I studied a dynamical network model implementing a dimensionality reduction mechanism. Based on previous work demonstrating that network heterogeneity reduces the dimensionality of activity patterns, I showed that by increasing the degree of heterogeneity in the network, the dimensionality of the ensemble of activity patterns decreases and in turn their correlations extend over a greater range. A comparison to experimental data revealed a quantitative match between the network model and the observations in vivo in several of the key features of the early cortex including the spatial scale of correlations. Low dimensionality of spontaneous activity thus might provide an organizational principle explaining the observed long-range correlation structure in the early cortex.
Finally, I asked whether a network with a biologically plausible architecture can generate modular activity. Several classical models showed that modular activity patterns can emerge via an intracortical mechanism involving lateral inhibition. However, this assumption appears to be in conflict with current experimental evidence. Moreover, these network models were not experimentally tested, so far. Here, I showed by using linear stability analysis that spatially localized self-inhibition relaxes the constraints on the connectivity structure in a network model, such that biologically more plausible network motifs with shorter ranging inhibition than excitation can robustly generate modular activity.
Importantly, I also provided several model predictions to make the class of network models experimentally testable in view of recent technological advancements in imaging and manipulation of cortical circuits. A critical prediction of the model is the decrease in spacing of active domains when the total amount of inhibition increases. These results provide a novel mechanism of how cortical circuits with short-range inhibition can form modular activity.
Taken together, this thesis provides evidence that the two described fundamental features of neural activity are already present in the early cortex and shows that activity with those features can be generated in network models with an architecture consistent with the early cortex using basic principles.
As its fundamental function, the brain processes and transmits information using populations of interconnected nerve cells alias neurons. The communication between these neurons occurs via discrete electric impulses called spikes. A core challenge in neuroscience has been to quantify how much information about relevant stimuli or signals a neuron transports in its spike sequences, or spike trains. The recently introduced correlation method allows to determine this so-called mutual information in terms of a neuron’s temporal spike correlations under certain stationarity assumptions. Based on the correlation method, I address several open questions regarding neural information encoding in the cortex.
In the first part (chapter 2), I investigate the role of temporal spike correlations for neural information transmission. Temporal correlations in neuronal spike trains diminish independence in the information that is transmitted by the different spikes and hence introduce redundancy to stimulus encoding. However, exact methods to describe how such spike correlations impact information transmission quantitatively have been lacking. Here, I provide a general measure for the information carried by spike trains of neurons with correlated rate modulations only, neglecting other spike correlations, and use it to investigate the effect of rate correlations on encoding redundancy. I derive it analytically by calculating the mutual information between a time correlated, rate-modulating signal and the resulting spikes of Poisson neurons. Whereas this information is determined by spike autocorrelations only, the redundancy in information encoding due to rate correlations depends on both the distribution and the autocorrelation of the rate histogram. I further demonstrate that, at very small signal strengths, the information carried by rate correlated spikes becomes identical to that of independent spikes, in effect measuring the rate modulation depth. In contrast, a vanishing signal correlation time maximizes information transmission but does not generally yield the information of independent spikes.
In the second part (chapter 3), I analyze the information transmission capabilities of two particular schemes of encoding stimuli in the synaptic inputs using integrate-and-fire neuron models. Specifically, I calculate the exact information contained in spike trains about signals which modulate either the mean or the variance of the somatic currents in neurons, as is observed experimentally. I show that the information content about mean modulating signals is generally substantially larger than about variance modulating signals for biological parameters. This result provides evidence, by means of exact calculations of the mutual information, against the potential benefit of variance encoding that had been suggested previously.
Another analysis reveals that higher information transmission is generally associated with a larger proportion of nonlinear signal encoding. Moreover, I show that a combination of signal-dependent mean and variance modulations of the input current can synergistically benefit information transmission through a nonlinear coupling of both channels. On a more general level, I identify what was previously considered an upper bound as the exact, full mutual information. Furthermore, by analyzing the statistics of the spike train Fourier coefficients, I identify the means of the Fourier coefficients as information-carrying features.
Overall, this work contributes answers to central questions of theoretical neuroscience concerning the neural code and neural information transmission. It sheds light on the role of signal-induced temporal correlations for neural coding by providing insight into how signal features shape redundancy and by establishing mathematical links between existing methods and providing new insights into the spike train statistics in stationary situations. Moreover, I determine what fraction of the mutual information is linearly decodable for two specific signal encoding schemes.
To gain a better understanding of complex mechanisms in biological systems, simultaneous control over multiple processes is key. To this purpose selective photouncaging has been developed. Photo-uncaging is an experimental scheme in which a molecule of interest has been inactivated synthetically and is activated by light. Usually a bond is cleaved and a leaving group is set free. The molecule which inactivates the molecule of interest and sets the leaving group free is called (photo-)cage. In a selective photo-uncaging scheme a number of leaving groups can be released independently, usually by irradiation with light of different wavelengths. This approach is, however, seriously limited in its applicability due to the properties of the involved cages and irradiation schemes. A major drawback is the usually quite broad UV-Vis absorption of the cages. This makes a selective activation by light difficult and limits the maximal number of independent cages severely.
Therefore, the aim of this thesis is to introduce the Vibrationally Promoted Electronic Resonance (VIPER) 2D-IR pulse sequence in a alternative selective uncaging scheme.
The VIPER 2D-IR pulse sequence is a spectroscopic tool which allows to generate 2D-IR signals whose lifetime are independent of the vibrational relaxation lifetime. It has been first used to monitor chemical exchange. It consists of a narrowband infared pump pulse, a subsequent UV-Vis pump pulse and a broadband infrared probe pulse. The UV-Vis pump pulse is off-resonant with regard to the UV-Vis absorption band. Electronic excitation becomes only possible, if the infrared pump pulse modulates the UV-Vis transition of the IR-excited molecule. This modulation brings the UV-Vis transition in resonance with the UV-Vis pump pulse. Thereby, only the molecules which were pre-excited with the infrared pulse can be excited into the electronically excited state. A computational prediction of the modulation was carried out by Jan von Cosel in the Burghardt group.
The narrowband infrared pump pulse can be used to selectively excite a subensemble of molecules in a mixture into an electronically excited state even if the UV-Vis spectra of all molecules are virtually identical. For this the sub-ensemble needs to exhibit an identifiable infrared spectrum. Combined with the introduction of isotope labels, which lead to changes in the infrared absorption spectra, the larger selectivity in the infrared region can be exploited for an alternative selective uncaging approach. In VIPER uncaging the infrared pump pulse selects the species and the subsequent UV-Vis pulse provides the energy needed for electronic excitation upon which the photo cleavage can occur.
After an introduction of the principle idea of uncaging and VIPER spectroscopy, the concept of VIPER uncaging is introduced and its limits and requirements are discussed. Some examples for possible VIPER cages are reviewed.
A coumarin molecule (7-diethylamino coumarin) which can release an azide group was chosen as a first test molecule for VIPER uncaging. Its isotopomers were characterized to determine suitable spectroscopic markers for successful uncaging and to find fitting experimental conditions. The chosen coumarin cage has an UV-Vis absorption band at approximately 380 nm and a steep flank on the high wavelength side of the band. The quantum yield for the azide compound is between 10-20 % depending on the solvent’s water content. The release was found to be on a picosecond timescale which is among the fastest known photo reactions, but the photo reaction mechanism has proven to be not straightforward. For the VIPER experiment on the mixture two isotopomers were chosen with a 13C atom at different positions. In one species a ring mode of the coumarin is changed by the 13C atom. In the other isotopomer the carbonyl stretching mode is influenced. The change in the ring mode region allows to select one species or the other with the infrared pre-excitation. Because of experimental difficulties only isotopomers with the same leaving group could be used. The successful selective electronic excitation of the individual isotopomers in a mixture was monitored by probing the carbonyl region.
As a second VIPER cage, para-hydroxyphenacyl (pHP) was chosen. A thiocyanate group was selected as leaving group. pHP cages have their electronic transition in the UV, with a maximum absorption at 290 nm. The shape of the spectrum is suitable and the quantum yield is very high, with values in the literature of up to 90 %. Also the photo reaction is well studied and the expected byproducts are well characterized. The chosen isotopologues were characterized spectroscopically. The resulting data on the photo reaction were in agreement with the mechanism proposed in the literature. The mixture for the VIPER experiment consisted of two isotopologues, where for one species all the C atoms in the ring were labelled and for the other the C-atom in the thiocyanate leaving group was labelled. Here the release of the different leaving groups, labelled and unlabelled thiocyanate, could be monitored selectively. This shows that it is possible to selectively release a molecule in a mixture of caged molecules by applying the VIPER pulse sequence.
The samples were synthesized by Matiss Reinfelds from the Heckel group and the VIPER experiments were done together with Carsten Neumann and with support
of the Bredenbeck group.
The leaving groups were chosen because of their infrared absorption which allowed to directly monitor the successful cleavage by spectroscopy. This was needed for the proof-of-concept experiment and to allow direct optimization of the experimental parameters but is not necessarily a requirement for VIPER uncaging.
Concerning the selectivity of the VIPER uncaging, the approach is at the moment mainly limited by the infrared pulse energy. The selective VIPER excitation is competing with unselective excitation directly by just the UV-Vis pulse. A more intense infrared pump pulse would increase only the selective VIPER excitation and thereby improve the contrast to the unspecific background.
To address this issue, the first steps towards an alternative infrared light generation are undertaken. In this alternative approach the infrared light for preexcitation is directly generated by difference frequency generation of the laser output, i.e. the high energy 800 nm fundamental, and the output of a non-collinear optical parametric amplifier (NOPA). To achieve a narrowband pump pulse the pulses are chirped before mixing. In the scope of this thesis a NOPA has been installed and the mixing has been tested with available test crystal medium. While infrared wavelength region and power were not in the aspired range with this alternative crystal the feasibility of mixing between a NOPA output and the fundamental could be shown.
Other possibilities to increase the contrast to the unspecific background excitation by the UV-Vis pump pulse are discussed. For most applications of selective VIPER uncaging the detection by fs-laser spectroscopy will not be needed and could be replaced by other methods e.g. chromatography. This will allow the experimental parameters of the VIPER pulse sequence to be changed in a way which reduces unspecific excitation i.e. reducing the UV-Vis-pump energy and result in much better contrast.
In conclusion, the experimental data in this thesis shows the VIPER pulse sequence to be applicable to selective uncaging schemes and indicates measures to arrive at the specificity necessary for uncaging applications. This thesis was focused on uncaging photo reactions with isotopomers and isotopologues, but other types of photo reactions could in principle be controlled in the same way. It should be possible to address different isomers in mixtures or different ground states of proteins selectively. The discussed experiments are a significant step towards control over photo reactions in mixtures.
Der Urknall vor ungefähr 13.8 Milliarden Jahren markiert die Entstehung des Universums. Die gesamte Energie und Materie war in einem Punkt konzentriert und expandiert seitdem kontinuierlich. Wenige Sekundenbruchteile nach dem Urknall war die Temperatur und Dichte dieser Materie extrem hoch und die erschaffenen Elementarteilchen, speziell Quarks und Gluonen, durchliefen einen Zustand den man als Quark-Gluon-Plasma (QGP) bezeichnet und innerhalb dessen die starke Wechselwirkung dominiert. Innerhalb dieses Plasmas können Quarks und Gluonen, welche sonst in Hadronen gebunden sind, sich frei bewegen. Die direkte Beobachtung des frühzeitlichen QGPs ist mit heutigen Mitteln nicht möglich. Allerdings ist es möglich die Dynamik und Kinematik innerhalb eines künstlich erzeugten QGPs zu erforschen und damit Rückschlüsse auf die Vorgänge während des Urknalls zu machen.
Um künstliche QGPs unter kontrollierten Bedingungen zu erzeugen, werden heutzutage ultrarelativistische Schwerionen zur Kollision gebracht. Der stärkste je gebaute Schwerionenbeschleuniger LHC befindet sich am Kernforschungzentrum CERN in der Nähe von Genf. Das ALICE Experiment, als eines der vier großen Experimente am LHC, wurde speziell gebaut um das QGP näher zu untersuchen. Vollständig ionisierte Bleikerne werden mit nahezu Lichtgeschwindigkeit in den Experimenten zur Kollision gebracht. Die deponierte Energie lässt die Temperatur der Quarks und Gluonen innerhalb der kollidierenden Nukleonen ansteigen bis eine kritische Temperatur überschritten wird und ein Phasenübergang in das QGP erfolgt. Im Laufe der Kollision kühlt das Medium ab und gelangt unter die kritische Temperatur. Nun werden aus den ehemals freien Quarks Hadronen gebildet. Diese Hadronen oder Zerfallsprodukte dieser Hadronen können daraufhin in die Detektoren des Experiments fliegen und werden dann dort gemessen.
Es gibt mehrere mögliche Observablen des QGP, die messbar mit dem ALICE Experiment sind. Die Observablen, die in dieser Arbeit detailliert untersucht werden, sind die invariante Masse und der Paartransversalimpuls eines Dielektrons. Ein Dielektron besteht aus einem Elektron und einem Positron, welche miteinander korreliert sind. Dielektronen sind ideale Sonden zur Vermessung des QGPs. Sie werden durch verschiedene Prozesse während allen Kollisionsphasen produziert, wie beispielsweise bei den initialen, harten Stößen der kollidierenden Nukleonen oder durch den elektromagnetischen Zerfall verschiedener Hadronen wie π0 und J/ψ. Zusätzlich strahlt das QGP Dielektronen abhängig von seiner Temperatur ab. Theoretisch erlaubt dies die direkte Temperaturmessung des QGPs. Ein weiterer Vorteil der Dielektronenmessung gegenüber der Messung von Hadronen liegt darin, dass Elektronen und Positronen keine Farbladungen tragen und somit auch nicht mit der dominierenden starken Wechselwirkung innerhalb des QGPs interagieren und somit unbeeinflusst Informationen über seine Dynamik liefern können.
In dieser vorliegenden Arbeit werden Dielektronenspektren als Funktion der invarianten Masse und des Paartransversalimpulses in Blei-Blei-Kollisionen mit einer Schwerpunktsenergie von √sNN = 5.02 TeV gemessen. Das erste Mal in Schwerionenkollisionen konnte an einem der großen LHC Experimente der minimale Transversalimpuls der gemessenen Elektronen und Positronen auf peT > 0.2 GeV/c minimiert werden. Dies gibt im Vergleich zu der publizierten Messung mit peT > 0.4 GeV/c die Möglichkeit auch sogenannte weiche Prozesse zu messen, erhöht aber auch den Komplexit ätsgrad der Messung durch massiv gesteigerten Untergrund. Zusätzlich ist die Messung zentralitäsabhängig durchgeführt. Zentralität ist ein Maß für den Abstand der beiden Bleikerne zum Zeitpunkt der Kollision. Je zentraler eine Kollision, desto größer ist die deponierte Energie und desto größer und heißer ist das erzeugte QGP und die daraus resultierenden Effekte.
Die gemessenen Dielektronenverteilungen werden mit dem erwarteten Beiträgen aus hadronischen Zerfällen verglichen. Die Messung ergibt, dass der Beitrag aus semileptonischen Zerfällen von Charmquarks gemessen im Vakuum, welcher mit der Anzahl der binären Nukleon-Nukleon-Kollisionen in Blei-Blei-Ereignissen hochskaliert ist, nicht das Dielektronenspektrum beschreibt. Eine Modifizierung des Beitrag gemäß des unabhängig gemessenen nuklearen Modifikationsfaktors für einzelne Elektronen aus Charm- und Beautyquarks verbessert die Beschreibung des Dielektronenspektrums. Zusätzlich wurde der Beitrag virtueller direkter Photonen abgeschätzt. Die gemessenen Werte sind vergleichbar mit vorangegangenen Messungen bei einer niedrigeren Schwerpunktsenergie. Ebenso ist es möglich in periphären Kollisionen einen Beitrag durch eine Quelle zu vermessen, die Dielektronen bei niedrigem Transversalimpuls pT,ee < 0.15 GeV/c aussendet.
The Compressed Baryonic Matter experiment (CBM) at FAIR and the NA61/SHINE experiment at CERN SPS aim to study the area of the QCD phase diagram at high net baryon densities and moderate temperatures using heavy-ion collisions. The FAIR and SPS accelerators cover energy ranges 2-11 and 13-150 GeV per nucleon respectively in laboratory frame for heavy ions up to Au and Pb. One of the key observables to study the properties of a matter created in such collisions is an anisotropic transverse flow of particles.
In this work, the performance of the CBM experiment for anisotropic flow measurements is studied with Monte-Carlo simulations using gold ions at SIS-100 energies employing different heavy-ion event generators. Also, procedures for centrality estimation and charged hadron identification are described and corresponding frameworks are developed.
The measurement of the reaction plane angle is performed with Projectile Spectator Detector (PSD), which is a hadron calorimeter located at a very forward angle. To prevent radiation damage by the high-intensity ion beam, the PSD has a hole in the center to let the beam pass through. Various combinations of CBM detector subsystems are used to investigate the possible systematic biases in flow and centrality measurements. Effects of detector azimuthal non uniformity and the PSD beam hole size on physics performance are studied. The resulting performance of CBM for flow measurements is demonstrated for identified charged hadron anisotropic flow as a function of rapidity and transverse momentum in different centrality classes.
The measurement techniques developed for CBM were also validated with the experimental data recently collected by the NA61/SHINE experiment at CERN SPS for Pb+Pb collisions at the beam momenta 30A GeV/c. Compared to the existing data from the NA49 experiment at the CERN SPS, the new data allows for a more precise measurement of anisotropic flow harmonics. The fixed target setup of NA61/SHINE also allows extending flow measurements available from the STAR at the RHIC beam energy scan (BES) program to a wide rapidity range up to the forward region where the projectile nucleon spectators appear. In this thesis, an analysis of the anisotropic flow harmonics in Pb+Pb collisions at beam momenta 30A GeV/c collected by the NA61/SHINE experiment in the year 2016 is presented. Flow coefficients are measured relative to the spectator plane estimated with the Projectile Spectators Detector (PSD). The flow coefficients are obtained as a function of rapidity and transverse momentum in different classes of collision centrality. The results are compared with the corresponding NA49 data and the measurements from the RHIC BES program.
The present thesis is primarily concerned with the application of the functional renormalization group (FRG) to spin systems. In the first part, we study the critical regime close to the Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) transition in several systems. Our starting point is the dual-vortex representation of the two-dimensional XY model, which is obtained by applying a dual transformation to the Villain model. In order to deal with the integer-valued field corresponding to the dual vortices, we apply the lattice FRG formalism developed by Machado and Dupuis [Phys. Rev. E 82, 041128 (2010)]. Using a Litim regulator in momentum space with the initial condition of isolated lattice sites, we then recover the Kosterlitz-Thouless renormalization group equations for the rescaled vortex fugacity and the dimensionless temperature. In addition to our previously published approach based on the vertex expansion [Phys. Rev. E 96, 042107 (2017)], we also present an alternative derivation within the derivative expansion. We then generalize our approach to the O(2) model and to the strongly anisotropic XXZ model, which enables us to show that weak amplitude fluctuations as well as weak out-of-plane fluctuations do not change the universal properties of the BKT transition.
In the second part of this thesis, we develop a new FRG approach to quantum spin systems. In contrast to previous works, our spin functional renormalization group (SFRG) does not rely on a mapping to bosonic or fermionic fields, but instead deals directly with the spin operators. Most importantly, we show that the generating functional of the irreducible vertices obeys an exact renormalization group equation, which resembles the Wetterich equation of a bosonic system. As a consequence, the non-trivial structure of the su(2) algebra is fully taken into account by the initial condition of the renormalization group flow. Our method is motivated by the spin-diagrammatic approach to quantum spin system that was developed more than half a century ago in a seminal work by Vaks, Larkin, and Pikin (VLP) [Sov. Phys. JETP 26, 188 (1968)]. By embedding their ideas in the language of the modern renormalization group, we avoid the complicated diagrammatic rules while at the same time allowing for novel approximation schemes. As a demonstration, we explicitly show how VLP's results for the leading corrections to the free energy and to the longitudinal polarization function of a ferromagnetic Heisenberg model can be recovered within the SFRG. Furthermore, we apply our method to the spin-S Ising model as well as to the spin-S quantum Heisenberg model, which allows us to calculate the critical temperature for both a ferromagnetic and an antiferromagnetic exchange interaction. Finally, we present a new hybrid formulation of the SFRG, which combines features of both the pure and the Hubbard-Stratonovich SFRG that were published recently [Phys. Rev. B 99, 060403(R) (2019)].