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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.
Entwicklung und Aufbau eines Elektronenstrahl-Extraktionssystems für die Frankfurter EZR-Ionenquelle
(1998)
Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen des Frankfurter 14.4GHz-EZR-(ve)RFQProjektes zur Erzeugung und Beschleunigung von hochgeladenen Ionen für atomphysikalische Experimente und zur Materialforschung. Die Kernelemente dieser Anlage sind eine 14.4 GHz Elektron-Zyklotron-Resonanz-Ionenquelle, ein 90-137° Analysiermagnet und ein Radio-Frequenz-Quadrupol-Beschleuniger mit variabler Energie. In der EZR-Ionenquelle werden hochgeladene Ionen durch Stöße mit schnellen Elektronen erzeugt. Die Elektronen werden durch Überlagerung eines magnetischen Doppelspiegelfeldes mit einem magnetischen Hexapolfeld in der Quelle eingeschlossen und durch Mikrowellenleistung nach dem Zyklotron-Resonanz-Prinzip auf hohe Energien beschleunigt. Bei der Entwicklung von Ionenquellen für hochgeladene Ionen verfolgt man das Ziel hohe Strahlströme bei höchsten Ladungszuständen und guten Strahlqualitäten (kleine Emittanzen) zu erreichen. In dieser Arbeit wird ein neues Konzept für die Extraktion von Ionenstrahlen aus einem EZR-Plasma mit Hilfe eines intensiven Elektronenstrahls untersucht. Die hochgeladenen Ionen werden durch einen Potentialtopf im Plasma gehalten und können nur durch Abschalten der Mikrowellenleistung extrahiert werden (Afterglow-Effekt). Durch die Injektion eines intensiven Elektronenstrahls von der Extraktionsseite aus in das Plasma, soll lokal ein negativer Raumladungskanal erzeugt werden, durch den die hochgeladenen Ionen dem Potentialtopf entkommen können. Die Elektronen laufen dabei in entgegengesetzter Richtung zu den Ionen. Die Ionen erfahren eine anziehende Kraft durch den negativen Raumladungskanal der Elektronen in Richtung Achse und werden dadurch zusätzlich fokussiert. Der negative Raumladungskanal dient auch zur Führung der Ionen, welche durch eine Bohrung in der Kathode extrahiert werden. Durch den Einschuß des Elektronenstahls von der Extraktionsseite aus in das Plasma können weitere Verbesserungen der Quellenparameter erwartet werden. So z. B. die Erzeugung von Sekundärelektronen zum Ausgleich von Elektronenverlusten aus dem Plasma und zur Erhöhung der Plasmadichte, die Vorionisation von neutralen Gasteilchen zur Erhöhung des Ionisationsgrades des Plasmas und damit verbunden, die Verringerung von Ladungsaustauschprozessen zwischen neutralen Teilchen und hochgeladenen Ionen, schließlich die Erzeugung von Festkörperionen durch Verdampfen, insbesondere von Metallen mit hohem Siedepunkt (z. B. Wolfram) und die Verbesserung der Emittanz, da die Ionen durch den Elektronenstrahl näher der Achse geführt werden und dadurch die Ionen mit einem kleineren Strahlradius extrahiert werden. Für die Erzeugung des Elektronenstrahls wurde eine mit Barium imprägnierte Wolfram- Kathode benutzt. Diese besitzt eine Emissionsstromdichte von 1 A/cm2 bei einer Temperatur von 1100°C und einer Oberfläche von 3 cm2. Zur Fokussierung des Elektronenstrahls werden die magnetischen Felder der beiden EZR-Spulen genutzt. Die magnetischen Feldlinien werden durch passive Abschirmung so geformt, daß diese senkrecht durch die Oberfläche der Kathode stoßen. Die erzeugten Elektronen werden entlang dieser magnetischen Feldlinien geführt. Da die Elektronen in Richtung Plasma beschleunigt werden, laufen diese in ein ansteigendes Magnetfeld, welches für die Fokussierung und Kompression des Elektronenstrahls sorgt. Um die Leistung des Elektronenstrahls zu vernichten, wurde ein wassergekühlter Kollektor auf der Gaseinlaßseite in der Quelle installiert. Dieser übernimmt außerdem die disk-Funktion, zum Ausgleich von Elektronenverlusten aus dem Plasma und zur Erhöhung der Plasmadichte. Er besteht aus ferromagnetischen Material (Reineisen) und sorgt somit für eine Verbesserung des Jochschlusses der Magnetfeldspulen und für eine Verbesserung des Spiegelverhältnisses auf der Gaseinlaßseite von 2.9 auf 3.8. Beim ersten Testeinbau des neuen Extraktionssystems, bei dem der wassergekühlte Kollektor und damit die disk fehlte, wurde die Arbeitsfähigkeit der Elektronenkanone in der Umgebung der arbeiteten EZR-Ionenquelle demonstriert. Die Kathode wurde mit ihrer Orginalbohrung von 1 mm Durchmesser eingesetzt, wodurch die Ionenströme um bis zu einem Faktor 1000 im Vergleich zu den herkömmlich gemessenen Ionenströmen reduziert wurden. Durch das Fehlen der disk zeigen die aufgenommenen Ladungsspektren einen Intensitätsabfall zu hohen Ladungszuständen hin. Dennoch konnte gezeigt werden, daß mit Elektronenstrahl wesentlich höhere Ionenströme erreicht werden, als im Betrieb ohne Elektronenstrahl. Mit dem Einbau eines wassergekühlten Kollektors und der Vergrößerung der Kathodenbohrung auf 3 mm Durchmesser konnten die Ionenströme im Maximum bei Ar8+ auf 25 mA gesteigert werden, so daß nur noch ein Faktor 4 bis zu den besten Ergebnissen der Quelle fehlt. Da jedoch durch die 3 mm Kathodenbohrung die Emittanz des Ionenstrahls besser ist als mit dem herkömmlichen Extraktionssystem, wäre ein Vergleich der Brillanzen nötig, um genaue Aussagen über die Qualität des Elektronenstrahl- Extraktionssystems zu machen, jedoch fehlte hierzu eine Emittanz-Meßanlage. Die Ladungsverteilung zeigt auch wieder den gewöhnlich Verlauf mit dem Maximum bei Ar8+. Vergleicht man nun die Ladungsspektren mit unterschiedlichen Mikrowellenleistungen, so zeigt sich bei mittleren Mikrowellenleistungen (700 W) eine überproportionale Erhöhung des Ladungszustandes Ar12+, jedoch eine Reduzierung des Ladungszustandes Ar11+. Untersuchungen bei hohen Mikrowellenleistungen (1700 W), das bedeutet einer höheren Plasmadichte gegenüber den Messungen mit mittleren Mikrowellenleistungen, zeigen ebenfalls, daß der Änderungsfaktor des Ladungszustand Ar12+ größer ist, als der des Ladungszustand Ar11+. Die Ladungsspektren zeigen auch, daß der Elektronenstrahl bei niedrigeren Plasmadichten größere Auswirkung auf die hohen Ladungszustände hat, als bei hohen Plasmadichten. Dies zeigt, daß die Elektronenstrahldichten im Vergleich zur Plasmadichte viel zu gering sind, so daß z. B. der gewünschte Effekt der lokalen Potentialabsenkung nicht einsetzt und die Änderungen in der Ladungsverteilung im wesentlichen auf die Fokussierungseigenschaften des Elektronenstrahls zurückzuführen sind. Hierzu müssen weitere Untersuchungen mit höheren Elektronenstrahldichten vorgenommen werden. In diesem Zusammenhang sind auch Untersuchungen zur Größe des nutzbaren Ionenreservoirs im Plasma (z. B. durch Afterglow-Effekt) an der Frankfurter EZR-Ionenquelle notwendig.