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The last decades have brought tremendous progress in understanding the phase structure of the strongly interacting matter. This has been driven by studying heavy-ion collisions on the experimental side and Lattice QCD, functional approaches to QCD, perturbation theory and effective theories on the theoretical side. Of particular interest is the transition from hadrons to partonic degrees of freedom which is expected to occur at high temperatures or high baryon densities. These phases play an important role in the early universe and the core of neutron stars. Nowadays, the existence of a deconfined phase, i.e. Quark Gluon Plasma (QGP) and its phase transition at vanishing and small net-baryon densities, are well established. However, the situation at larger densities is less clear.
Complementary to the studies of matter at high temperatures and low net-baryon densities performed at RHIC and LHC, the proposed Compressed Baryonic Matter (CBM) experiment at the future FAIR facility, aims to explore the QCD phase diagram at very high baryon-net densities and moderate temperatures. The CBM research program includes the search for the deconfinement phase transition, the study of chiral symmetry restoration in super dense baryonic matter, the search for the critical endpoint, and the study of the nuclear equation of state at high densities. While other experiments (STAR-BES at BNL, BM@N at NICA) are suited to measure bulk observables, CBM is explicitly designed to access rare observables, such as multi-strange hadrons, dileptons, hypernuclei and charmonium. Therefore, a key feature of CBM is the very high interaction rate, exceeding those of contemporary and proposed nuclear collision experiments by several orders of magnitude. However, some of the rare probes have a complex signature, hidden in a background of several hundreds of charged tracks. This forbids a conventional, hardware-triggered readout; instead, the experiment combines self-triggered front-end electronics, fast and free-streaming data transport, online event reconstruction and online event selection.
The central detector for tracking and momentum determination of charged particles in the CBM experiment is the Silicon Tracking System (STS). It is designed to measure up to 700 charged particles in nucleus-nucleus collisions between 0.1 and 10 MHz interaction rate, to achieve a momentum resolution in 1 Tm dipole magnetic field better than 2%, and to be capable of identifying complex particle decays topologies, e.g., such with strangeness content. The STS comprises 8 tracking stations equipped with double-sided silicon microstrip sensors. Two million channels are read out with self-triggering electronics, matching the data streaming and on-line event analysis concept applied throughout the experiment. The detector’s functional building block consists of a silicon sensor, aluminum-kapton microcables and two front-end electronics boards integrated in a module. The custom-designed ASIC (STS-XYTER) implements the analog front-end, the digitizer and the generation of individual hit data for each signal.
Design of the front-end chip requires finding an optimal solution for time and input charge measurements with tight constraints: small area (58 μm channel pitch), low noise levels (below 1500 ENC(e− )), low power consumption (610 mW/channel), radiation hard architecture and speed requirements. Being a part of the first processing stage in the full readout and data acquisition chain, the characterization of the chip and its integration with the detector components is a crucial task. In this work, various methods and tools are established for testing and qualifying the ASIC analog front-end. A procedure for amplitude and timing calibration is developed using different functionalities of the chip. The procedure is optimized for our prototype system in order to achieve the best accuracy in the shortest amount of time. Results were verified using a gamma source and an external pulse generator, showing discrepancies below 5%.
Among the multiple operation requirements of the ASIC, the noise performance is of essential importance. The characterization of the chip noise is carried out as a function of a large number of parameters such as: low-voltage power regulators, input capacitance, shaping time, temperature and bond’s protective glue (glob-top). These studies allowed to optimize the ASIC configuration settings, to identify possible malfunctions in the low voltage powering scheme and to select possible glob-top materials to be used in the module assembly. Moreover, important differences are found among odd and even channels, which main cause was related to the bias scheme of the amplifiers of the two groups of channels. This effect has been corrected in the new version (v2.1) of the ASIC.
Despite the STS front-end electronics being located outside of the physics acceptance, they will be exposed to high fluxes of charged particles. Considering the SIS100 possible running scenario, the lifetime dose at the location of the electronics is expected not to exceed 800 krad. Consequently, the STS-XYTERv2 ASIC implements a radiation hard design based on dual-interlocked cells (DICE), and triple modular redundancy (TMR).
Multiple dedicated beam campaigns were carried out to evaluate the ASIC’s design in terms of immunity to single event upsets (SEU) errors and overall performance after a lifetime doses. The DICE cell SEU cross section was measured in a high-intensity proton beam. Result show a significant improvement of the SEU immunity in the STS-XYTERv2 compared to its predecessor, and allows to estimate the upset rate in the CBM running scenario, resulting in less than one SEU/ASIC/day.
The studies on the total ionizing dose (TID) show that the overall noise levels for the ASIC, at the end of the experiment lifetime, are expected to increase by approximately 40 – 60%. Moreover, they demonstrated that short periods of annealing at room temperature can favorably influence the noise performance of the chip.
The assembly and test of the STS modules, a complex process with multiple stages and a long learning curve, is illustrated in different parts of this work. The first prototype modules were built with the front-end board type B (FEBs-B), capable of reading out 128 channels for p and n side respectively. The studies were conducted with a relativistic proton beam of 1.7 GeV/c momentum at the COSY accelerator facility, Research Center Juelich, in March 2018. The campaign brought valuable insights to the development of an effective grounding and powering scheme for reading out the detectors. The signal-to-noise was measured for one of the prototype modules, resulting in values larger than 15 for both polarities. A deeper analysis into the collected data allowed the identification of a logic error in the ASIC that affected the readout rate and the quality of the data. This issue was corrected in the new version of the chip.
A precursor of the STS detector, named mini-STS (mSTS), has been built within the mCBM project carried out in FAIR Phase0. mSTS was built from 4 fully assembled detector modules. To ensure the proper operation of the ASICs that were used in the module assembly, it was required to develop a rigorous quality assurance procedure. A dedicated setup was built based on a custom designed pogo-pin station and a total of 339 chips were tested. More than 90% of good-quality and operational ASICs were obtained. In the mCBM beam campaign of March 2019, four detector modules were successfully operated in a close-to-final readout chain and valuable data were collected. The mSTS detector was exposed to the products of Ag+Au collisions at energies above 1.58 AGeV and overall interaction rates up to 106 , which resembles the real conditions of the CBM experiment.
Along this work, significant progress for the development of the STS detector modules was achieved. Techniques for characterization of the front-end electronics and the complete detector system were developed and worked out. They will be applied for QA of the components during the series production.
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.
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.
In this thesis, we presented the theoretical description of the magnetic properties of various frustrated spin systems. Especially in search of exotic states, such as quantum spin liquids, magnetically frustrated systems have been subject of intense research within the last four decades. Relating experimental observations in real materials with theoretical models that capture those exotic magnetic phenomena has been one of the great challenges within the field of magnetism in condensed matter.
In order to build such a bridge between experimental observations and theoretical models, we followed two complementary strategies in this thesis. One strategy was based on first principles methods that enable the theoretical prediction of electronic properties of real materials without further experimental input than the crystal structure. Based on these predictions, low-energy models that describe magnetic interactions can be extracted and, through further theoretical modelling, can be compared to experimental observations. The second strategy was to establish low-energy models through comparison of data from experiments, such as inelastic neutron scattering intensities, with calculated predictions based on a variety of plausible magnetic models guided by microscopic insights. Both approaches allow to relate theoretical magnetic models with real materials and may provide guidance for the design of new frustrated materials or the investigation of promising models related to exotic magnetic states.
The diffusive behavior of macromolecules in solution is a key factor in the kinetics of macromolecular binding and assembly, and in the theoretical description of many experiments. Experiments on high-density protein solutions have found that a slow down of the diffusion dynamics is larger than expected from colloidal theory for non-interaction hard-spheres. It has also been shown that the rotational diffusion anisotropy in high-density protein solutions is larger than in dilute ones. High-density protein solutions are a complex fluid that is different from the neat fluid assumption used in the hydrodynamic theory. It is therefore important to have methods to accurately calculate the translational and rotational diffusion tensor from simulations as well as simulation algorithms to explore high-density solutions.
Simulations provide a powerful tool to study diffusion in complex fluids. They can be used to study the macroscopic and microscopic effects of complex fluids on the diffusive behavior. There has been already a lot of work done to accurately simulate diffusion and to determine the diffusion coefficients from simulations.
The translational diffusion of molecules in simple and complex liquids can be determined with high accuracy from simulations. This is not yet the case for rotational diffusion. Existing algorithms to calculate the rotational diffusion coefficients from simulations make assumptions about the shape of the protein or only work at short times. For the simulation of diffusive behavior of macromolecules two options exist today. An all-atom integrator with explicit solvent molecules or coarse-grained (CG) simulations with an implicit solvent. CG simulations of dynamic behavior with implicit solvent are also called Brownian dynamics (BD) simulations. For the CG simulations the Ermak-McCammon algorithm is often used to solve the underlying Langevin equation. The algorithm is an extension of the Euler-Maruyama integrator to include translation and rotation in three dimensions. This algorithm only correctly reproduces the equilibrium probability for short time-steps and the error depends linearly on the time-step. It has been shown that Monte Carlo based algorithms can produce BD for translational dynamics, when appropriately parametrized. The advantage of Monte Carlo based algorithm is that they will reproduce the correct equilibrium distribution independent of the chosen time-step. This in return allows choosing larger time-steps in simulations. The aim of this thesis is to develop novel´methods to accurately determine the rotational diffusion coefficient from simulations and extend existing Monte Carlo algorithms to include rotational dynamics.
The first project addresses the question of how to accurately determine the rotational diffusion coefficients from simulations. We develop a quaternion based method to calculate the rotational diffusion tensor from simulations and a theory for the effects of periodic boundary conditions (PBC) on the rotational diffusion coefficient in simulations.
Our method for calculating rotational diffusion coefficients is based on the quaternion covariances from Favro for a freely rotating rigid molecule. The covariances as formulated by Favro are only valid in the principal coordinate system (PCS) of the rotation diffusion tensor. The covariances can be generalized for an arbitrary reference coordinate system (RCS), i.e., a simulation, given the principle axes of the rotational diffusion tensor in the RCS. We show that no prior knowledge of the diffusion tensor and its principal axes is required to calculate the generalized covariances from simulations using common root-mean-square distance (RMSD) procedures. We develop two methods to fit the covariances calculated from simulations to our generalized equations to fit the rotational diffusion tensor. In the first method we minimize the sum of the squared error deviations between model and simulation data. For this six dimensional optimization we use a simulated annealing algorithm. Alternatively the rotational diffusion tensor can also be determined from a eigenvalue decomposition of covariance after integration. To minimize the effects of sampling noise in the integration we first apply a Laplace-transformation to smooth the covariances at large times. For ideal sampling the resulting rotational diffusion coefficient should be independent of the value of the Laplace variable. In practice, however, the best results are achieved using a value close to the inverse autocorrelation time of the rotational motion.
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In this work we provided additional insights into our understanding of bulk QCD matter through the study of the transport coeffcients which govern the non-equilibrium microscopical processes of statistical ensembles. Specically, we focused on the low energy regime corresponding to the hadron gas, as the properties of this region of the phase diagram are still relatively unknown, and existing calculations for the transport coeffcients are either scarce, contradictory, or somewhat limited in scope; this thesis' main goal was thus to shed some light on this by providing new independent calculations of these quantities.
We subsequently presented two formalisms which can be used to calculate transport coeffcients. The first one (which also was the main tool we used in the following chapters to produce our results) relies on the development of so-called Green-Kubo formulas, which relate non-equilibrium dissipative fluctuations with transport coeffcients; notably, the off-diagonal components of the energy-momentum tensor are shown to be related to the shear viscosity, its diagonal components to the bulk viscosity and fluctuations in the electric current can be related to the electric conductivity. We additionally introduced two new conductivities, namely the baryon-electric and strange electric conductivities, which we dubbed, together with the already known electric one, the "cross-conductivity", which encodes information about how electric fluctuations are correlated to changes in electric, baryonic or strange currents, or vice-versa. The second way of calculating transport coeffcient which we discussed consists in linearizing the collision term of the Boltzmann equation through the Chapman-Enskog formalism. While in principle providing direct semi-analytical results for the transport coeffcients, this approach is complicated to implement when more than a few species are considered, and as such was then mostly used as a tool to calibrate our Green-Kubo calculations.
The hadron gas model that we used for all calculations, namely the transport approach SMASH, was then presented. The main features of the model were explained, such as the collision criterion, the considered degrees of freedom and the specific way in which they microscopically interact with each other. It was verified that SMASH does reproduce analytical results of the Boltzmann equation in an expanding universe scenario, thus showing the equivalence of this transport approach and the associated kinetic theory results. A special care was taken to detail the ways in which a state of thermal and chemical equilibrium (which is necessary for Green-Kubo relations to be valid) can be reached and described using SMASH.
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Ziel der vorliegenden Arbeit war die Optimierung der Kristallzüchtung von eisenbasierten Supraleitern. Im ersten Teil lag der Fokus dabei auf der Züchtung der 1111-Verbindung unter Hochdruck/Hochtemperaturbedingungen (HD/HT), sowie der systematischen Untersuchung verschiedener Einflüsse der Züchtung dieser Familie unter Normaldruckbedingungen.
Die HD/HT-Experimente führten unter den gewählten Parametern, sowohl unter der Verwendung eines Flussmittels als auch ohne, nicht zur Stabilisierung der gewünschten Zielphase. Stattdessen kam es zur Phasenseparation So bildete sich immer im Inneren des verwendeten BN-Tiegels ein, häufig kugelförmig ausgeformtes, Gebilde, bestehend aus einer Fe-As-Phase. Dies gilt sowohl für NdFeAsO als auch LaFeAsO1-xFx. Bei der Verwendung von Salz als Flussmittel kam es neben dieser Fe-As-Phase auch häufig zur Bildung einer Cl-haltigen Phase. Auch zeigte sich, dass es zu einer B-Diffusion während des Versuches kam, sodass Selten-Erd-Oxoborate nachgewiesen werden konnten. Durch einen Versuch unter Normaldruckbedingungen zeigte sich, dass dies kein Problem in der Hochdrucksynthese ist, sondern ein grundlegendes Problem bei der Verwendung von BN mit den Selten-Erden ist.
Nachdem gezeigt wurde, dass eine systematische Untersuchung bzw. Optimierung der Züchtungsparameter der 1111-Verbindungen unter HD/HT-Bedingungen enorm schwierig ist, lag der weitere Fokus auf der Züchtung unter Normaldruckbedingungen. Dazu wurde zu Beginn gezeigt, dass die Verwendung von Quarzampullen bei Temperaturen bis zu 1200 °C nicht zu einer zusätzlichen Sauerstoffdiffusion führen. Dies ermöglichte es ohne zusätzliche Schweißarbeit oder hohen Kosten den Optimierungsprozess für ein geeignetes Temperatur-Zeit-Profil durchzuführen. Das so erhaltene Profil wurde anschließen für alle weiteren Versuche verwendet. Mit dieser Basis wurde daraufhin untersucht, welchen Einfluss die Menge an Flussmittel auf die Stabilisierung der Phase und demnach auf die Kristallzüchtung hat. Dabei zeigte sich, dass ein molares Material-zu-Flussmittel-Verhältnis von 1:7 die besten Resultate liefert. Der nächste Optimierungsschritt, die Frage nach einem geeigneten Sauerstoffspender, in Angriff genommen. Bei dieser Frage wurde sich auf einen Sauerstoffspender aus der Gruppe der Eisenoxide konzentriert. Es zeigte sich, dass, für das gewählte Temperatur-Zeit-Profil die Verbindung FeO und Fe3O4 die besten Resultate liefern. In diesen Versuchen ist es gelungen Kristalle zu züchten die Kantenlängen bis zu 800 μm aufweisen. Allerdings zeigten Vergleichsversuche mit einen anderen Temperatur-Zeit-Profil, dass Fe2O3 in diesen Fällen die besten Resultate liefern. Dies macht deutlich, dass es bisher keine vollständige Kontrolle in der Züchtung der 1111-Verbindung gibt. Die Veränderung eines Züchtungsparameters bedeutet, dass auch alle anderen Parameter erneut geprüft werden müssen. Somit zeigte sich, dass eine fundierte und systematische Untersuchung der Züchtungsparameter notwendig ist.
Nachdem die grundlegenden Fragen für die undotierte Verbindung NdFeAsO beantwortet wurden, wurde untersucht, welche Sauerstoff-Fluorspenderkombination bei gegebenem Temperatur-Zeit-Profil optimal für den Kristallwachstum und den Fluoreinbau ist. Die erhaltenen Resultate belegten, dass in diesem Fall Fe3O4 und FeF2 zu den besten Resultaten führte. Die so gezüchteten Kristalle wiesen Kantenlängen bis zu 800 μm auf und Messungen des elektrischen Widerstandes zeigten einen maximalen Tc ≈ 53 K mit einen RRR-Wert im magnetischem Bereich von über 10. Damit unterscheiden sich die gezüchtete Kristalle hinsichtlich ihrer Qualität um den Faktor ~3 von den bisherigen Einkristallen bekannt aus der Literatur.
Durch die Ermittlung des reellen Fluorgehalts der Proben mittels WDX in Kombination mit elektrischen Widerstandsmessungen wurde ein vorläufiges Phasendiagramm erstellt.
Magnetische Messungen unter Normaldruck und Hochdruckbedingungen ermöglichten es die Anisotropie zwischen der ab- Ebene und der c-Ebene zu messen, sowie das Verhalten des elektrischen Widerstandes in Abhängigkeit vom Druck.
Es zeigte sich dabei, dass ab einem Druck von etwa 22.9 GPa die Supraleitung in diesen Kristallen nicht mehr vorhanden ist, und der Kristall wieder normalleitend ist. Mit weiter steigendem Druck steigen die Absolut-Widerstandswerte ebenfalls wieder an, was auf eine mögliche ferromagnetische Ordnung deutet.
Im zweiten Teil der Arbeit lag der Fokus auf einer Verbindung aus der 122-Familie der Pniktide: SrFe2As2. Zu Beginn wurde untersucht, welches der drei gewählten Tiegelmaterialien BN, Al2O3 oder Glaskohlenstoff, für Züchtungen dieser Phase am geeigneten ist. In allen Versuchen konnte die gewünschte Zielphase stabilisiert werden, jedoch kam es bei der Verwendung von Glaskohlenstoff zu Diffusion von Kohlenstoff aus dem Tiegel in die Probe hinein, sodass C-haltige Phasen nachweisbar waren. Ebenso zeigte sich, dass es auch eine Diffusion vom Material in den Tiegel hinein gegeben hat. Diese Probleme traten auch bei der Verwendung von Al2O3 auf. Durch ein Röntgenpulverdiffrakgtogramm konnte eine Al-haltige Verbindung in der Probe nachgewiesen werden. Ein weiterer Nachteil dieses Materials ist die Benutzung des Tiegels durch die Schmelze. Von den drei Materialien erwies sich BN als am besten geeignetes Tiegelmaterial. Es kommt zu keiner Benetzung oder Diffusion, auch der Fremdphasenanteil ist sehr gering in dieser Probe.
Mit diesem Wissen wurde im weiteren Verlauf ein quasi-binäres Phasendiagramm des Systems SrFe2As2-FeAs erstellt. Die intermetallische Verbindung FeAs fungiert hierbei als Flussmittel. Eine wichtige Frage in diesem Zusammenhand ist die Frage ob das System kongruent erstarrend ist. Diese Frage lässt sich anhand der vorhandenen DTA-kurven nicht eindeutig beantworten, zeigte das System bei Aufheizen keine zusätzlichen Schmelzprozesse, es scheint allerdings, dass es in der Schmelze zu einem Abdampfen von Arsen kommt. Somit verschiebt sich die Zusammensetzung der Schmelze und beim Abkühlen treten zusätzliche Erstarrungsprozesse auf. Die Schmelztemperatur TM wurde so auf T = 1320 °C bestimmt. Mit steigendem Flussmittelanteil verschob sich diese Temperatur zu niedrigeren Temperaturen unter 1200 °C, was eine Züchtung in Quarzampullen wieder möglich macht.
Die Ergebnisse in dieser Arbeit liefern eine fundierte Grundlage für weitere Optimierungen. So ist zum Beispiel der Frage nach dem am besten geeigneten Sauerstoffspender nicht auf die Selten-Erd-Oxide eingegangen worden. Auch ob die Verwendung eines anderen Salzes, wie zum Beispiel den Iodiden für die Züchtung bessere Resultate liefert kann weiterhin untersucht werden.
Nachdem der Schmelzpunkt von SrFe2As2 bestimmt wurde und im quasi-binärem Phasendiagramm ein Eutektikum vorhanden ist, kann mit den weiteren Optimierungsschritten für die Kristallzüchtung dieses Systems begonnen werden. Dazu gehört die Entwicklung eines Temperatur-Zeit-Profils, sowie im nächsten Schritt Züchtungen von dotierten Verbindungen.
Charge states and energy loss of heavy ions after passing an inductively coupled plasma target
(2019)
In various kinds of fields such as accelerator physics, warm dense matter, high energy density physics, and inertial confinement fusion, heavy ions beam-plasma interaction plays an important role, and abundant investigations have been and are being carried out. Taking advantage of a good level of understanding on the interaction between a swift heavy ions beam and a hydrogen gas discharge plasma, an engineering application of a spherical theta-pinch device as a plasma stripper for FAIR (facility for antiproton and ion research) and a scientific application of a swift heavy ions beam as a novel plasma diagnostic tool are proposed and investigated.
The spherical theta-pinch device is manufactured, improved, and comprehensively tested for its application as a plasma stripper. The device is mainly composed of an evacuated glass vessel that can be filled with gas (for example: hydrogen) and a LRC circuit including a capacitors bank and a set of coils. Discharging the device at an initial hydrogen pressure in the glass vessel and an operation voltage for the capacitors bank, a circuit current oscillates in the LRC circuit. The oscillating circuit current in the set of coils induces a corresponding alternating magnetic field inside the glass vessel to ignite and maintain a hydrogen plasma.
Based on the built setup of circuit and plasma diagnostics, the measurements of circuit current, plasma light emission, plasma shape, and hydrogen Balmer series are carried out. The recorded signals of the circuit current and the plasma light emission of many consecutively repetitive discharges overlap perfectly, which indicate a very good reproducibility of the parameters of the LRC circuit during discharge and the generated plasma. From the measured circuit current, a real energy transfer efficiency is calculated by our proposed new model, which shows its overall tendency varying with the hydrogen pressure and the operation voltage, including the maximum value of 25% occurring at an initial hydrogen pressure of around 25 Pa and a maximum operation voltage of 14 kV. So, the discharge at an initial hydrogen pressure of 20 Pa and an operation voltage of 14 ...
We study the Wigner function for massive spin-1/2 fermions in electromagnetic fields. The Wigner function is analytically solved in five cases when electromagnetic fields are constants. For a general space-time dependent field configuration, we use the method of semi-classical expansion and solved the Wigner function at linear order in the Planck's constant. At the same order, we obtained a generalized Boltzmann equation for particle distribution, and a generalized BMT equation for spin polarization. Using the Wigner function, we calculated some physical quantities in a thermal equilibrium system.
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)].
Ziel der vorliegenden Arbeit ist der Aufbau von koaxialen Plasmabeschleunigern und deren Verwendung für die Untersuchung der Eigenschaften von kollidierenden Plasmen. Zukünftig sollen diese kollidierenden Plasmen als intensive Strahlungsquelle im Bereich der ultravioletten (UV-) und vakuumultravioletten (VUV-)Strahlung sowie in der Grundlagenforschung als Target zur Ionenstrahl-Plasma-Wechselwirkung Verwendung finden. Für diese Anwendungen steht dabei eine Betrachtung der physikalischen Grundlagen im Vordergrund. So sind neben der Kenntnis der Plasmadynamik auch Aussagen bezüglich der Elektronendichte, der Elektronentemperatur und der Strahlungsintensität von Bedeutung. Im Einzelnen konnte gezeigt werden, dass es möglich ist, durch eine Plasmakollision die Elektronendichte des Plasmas im Vergleich zu der eines einzelnen Plasmas deutlich zu erhöhen - im Maximalfall um den Faktor vier. Gleichzeitig stieg durch die Plasmakollision die Lichtintensität im Wellenlängenbereich der UV- und VUV-Strahlung um den Faktor drei an...
High-energetic heavy-ion collisions offer the unique opportunity to produce and to study dense nuclear matter in the laboratory. The future Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) in Darmstadt, Germany, will provide beams of heavy nuclei up to kinetic energies of 11 GeV/nucleon. At these energies, the nuclear matter in the collision zone of two nuclei will be compressed to densities of up to 5 − 10 times the saturation density of atomic nuclei, similar to matter densities existing in the core of massive neutron stars. Under those conditions, nucleons are expected to melt and form a new state of matter, which consists of quarks and gluons, the so called Quark-Gluon Plasma (QGP). The search for such a phase transition from hadronic to partonic matter, and the exploration of the nuclear matter equation-of-state at high densities are the major goals of heavy ion experiments worldwide.
The observables, which are proposed to probe the properties of dense nuclear matter and possible phase transitions, include multi-strange hyperons, antibaryons, lepton pairs, collective flow of identified particles, fluctuations and correlations of various particles, particles containing charm quarks, and hypernuclei. These observables have to be measured in multi-dimensions, i.e. as function of collision centrality, rapidity, transverse momentum, energy, emission angle, etc., which requires extremely high statistics. Moreover, some of these particles are produced very rarely.
Therefore, the Compressed Baryonic Matter (CBM) experiment at FAIR is designed to run at collision rates of up to 10 MHz, in order to perform measurements with unprecedented precision. Due to the complicated decay topology of many observables, no hardware trigger can be applied, and the data have to be analysed online in order to filter out the interesting events.
This strategy requires free-streaming read-out electronics, which provides time stamps to all detector signals, a high performance computer center, and high-speed reconstruction algorithms, which provide an online track and event reconstruction based on time and position information of the detector hits (”4-D“ reconstruction).
The core detector of the CBM experiment is the Silicon Tracking System (STS). The main task of the STS is to provide track reconstruction and momentum de- termination of charged particles originating from beam-target interactions. To fulfil the whole tasks the STS is located in the large gap of a superconducting dipole magnet with a bending power of 1 Tm providing momentum measurements for charged particles. The STS comprises 8 detector stations, which are positioned from 30 cm to 100 cm downstream the target. The corresponding active area of the stations grows up from 40×50 cm 2 up to 100×100 cm 2 with a totalarea of 4 m2. The silicon double-sided sensors exhibit 1024 strips on each side with a stereo angle at p-side of 7.5 ◦ and a strip pitch of 58 μm. The strip length ranges from 2 cm for sensors located in a close vicinity to the beam axis, up to 12 cm for other sensors where the flux of the reaction products drops down substantially. In total, the STS consist of 896 sensors mounted on 106 detector ladders. The detector readout electronics dissipates 40 kW and will be equipped with a CO 2 bi-phase cooling system. The detector including electronics will be mounted in a thermal enclosure to allow for sensor operation at below −5 ◦ C which minimizes radiation induced leakage currents.
The task of the STS is to measure the trajectories of up to 800 charged particles per collision with an efficiency of more than 95% and a momentum resolution of 1 − 2%. In order to guarantee the required performance over the full lifetime of the CBM experiment, the detector system has to have a low material budget, a high granularity, a high signal-to-noise (SNR) ratio, and a high radiation tolerance. As a result of optimisation studies, the STS consists of double-sided silicon microstrip sensors, about 300 μm thick, which have to provide a SNR ratio of more than 10, even after radiation with the expected equivalent lifetime fluence of 10 14 1 MeV n eq cm −2.
This thesis is devoted to the characterization of double-sided silicon microstrip sensors with an emphasis on investigation of their radiation hardness. Different prototypes of double sided silicon sensors produced by two vendors have been irradiated by 23 MeV protons up to the double life time fluence for the CBM experiment (2 × 10 14 1 MeV n eq cm −2 ).
The sensor properties have been characterised before and after irradiation. It was found, that after irradiation with a double lifetime fluence the leakage current increased 1000 times, which results in an increased shot noise. Moreover, the relative charge collection efficiency of irradiated with respect to non-irradiated sensors drops down to 85% for the lifetime equivalent fluence, and down to 73% for the double lifetime fluence, both for the p-side and n-side. For non-irradiated sensors the SNR was found to be in the range of 20 − 25, whereas for irradiated sensors it dropped down to 12 − 17.
In addition to the sensor characterization, a part of this thesis was devoted to the optimisation of the sensor readout scheme. In order to investigate the possible increase of SNR, and to reduce the number of readout channels in the outer aperture of STS, three versions of routing lines have been realized for the p-side readout of the sensor prototype, and have been tested in the laboratory and under beam conditions.
The tests have been performed with different inclination angles between beam direction and sensor surface, corresponding to the polar angle acceptance of the CBM experiment, which is from 2.5 ◦ to 25 ◦.
As a result of the studies carried out in this thesis work, the radiation hardness of the double-sided silicon microstrip sensors developed for the CBM STS detector was confirmed. Also the advantage of individual read-out of sensor channels in the lateral regions of the detector was verified. This allowed to start the tendering process for sensor series production in industry, an important step towards the construction of the detector in the coming years.
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.
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.
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.
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.
High resolution gamma spectroscopy with sophisticated detector arrays significantly contributes to nuclear structure physics. The Advanced Gamma Tracking Array (AGATA) combines gamma tracking and pulse shape analysis to achieve an efficiency and quality of the spectra that could not be reached with spectrometers of the previous generation. Tracking of the photons interacting in the detector requires a precise knowledge of the individual interaction positions. The task of the pulse shape analysis is to provide a position resolution of better than $5mm$ FWHM, a value that could not be achieved by segmentation of the detector alone. As the signals induced on the electrodes of the detectors depends on the position of interaction, the charge pulses can be used to infer the interaction position. To be able to handle high rates, algorithms that are used have to be optimized to be able to process the data in real-time. Pulse shape analysis is the most involved part of the real-time processing and requires further improvement. This work is dealing with optimizations and improvements of pulse shape analysis algorithms. The Grid Search algorithm localizes the interaction position by comparing the measured pulse shape with precomputed shapes in a database to find the best fit. Two linear filters based on orthogonal transformations have been compared and it could be concluded that the one based on a singular value decomposition of the pulse shapes works best. It speeds up the pulse shape analysis by a factor of roughly $2-3$ (depending on how it is combined with the other modifications). Further, a new method to exclude most signals from the database as best fit has been developed based on the principle of lateration. Most interaction positions can be excluded by means of a fast check and for single interactions on average only $34.8\%$ of all signals from the database have to be compared to the measured one. The overhead introduced by the method is negligible and the reduced number of comparisons almost direclty translates into increased efficiency of the algorithm. A similar method could also be applied for double interactions. Two or more interactions taking place in the same segment require special treatment as the measured signals cannot be directly compared to signals from the database. A new method to calculate the figure of merit that quantifies the fit in case of a double interaction has been introduced. Compared to the unmodified algorithm the new method finds the best fit for double interactions roughly two orders of magnitude faster. Actually, the time required to localize double interactions is almost the same as for single interactions. Apart from optimizing the algorithm, also the achievable position resolution was investigated. It strongly varies inside the volume of the detector and it crucially depends on the shape of all signals in the database and the amplitude of the noise present in the measured signals. As a first step towards a precise analytic expression for the position resolution, an estimate for the probability to find the correct position has been derived.
Die vorliegende Dissertation untersucht die Nichtgleichgewichtsdynamik von relativistischen Schwerionenkollisionen ausgehend von der anfänglichen Produktion von Teilchen durch den Zerfall von Strings, der Bildung eines Quark-Gluon-Plasmas (QGP), dessen kinetische und chemische Äquilibrierung als Funktion der Zeit sowie seine Transporteigenschaften im Gleichgewicht bei endlicher Temperatur und endlichem chemischen Potential. Ein Verständnis der frühen Phase der Schwerionenkollisionen ist insbesondere von großen Interesse, da letztere eine Verbindung zwischen den ersten Nukleon-Nukleon Kollisionen und der Quark-Gluon-Plasma Phase herstellen, die zu einem späteren Zeitpunkt ein gewisses Maß an Thermalisierung zeigt. Allerdings können nur Nichtgleichgewichts-Theorien eine Verbindung zwischen dem anfänglichen QGP und seiner - zumindest partiellen - Thermalisierung herstellen. Um die Dynamik eines stark wechselwirkenden Mediums wie des Quark-Gluon-Plasmas zu beschreiben, reichen übliche Transportgleichungen (basierend auf der Boltzmann-Gleichung) nicht aus und es müssen komplexere Theorien, die auch für stark korrelierte Medien geeignet sind, angewendet werden. Hier kommen hydrodynamische Simulationen oder Transportrechnungen - basierend auf verallgemeinerten Transportgleichungen - zum Einsatz. Solche verallgemeinerte Transportgleichungen, wie die Kadanoff-Baym-Gleichungen, ergeben sich aus der quantenmechanischen Nichtgleichgewichts-Vielteilchentheorie, in der Green’s- Funktionen in Minkowski Raum-Zeit die interessierenden Größen sind, um die Dynamik des betrachteten Mediums zu beschreiben. Mit geeigneten Näherungen kann man so kinetische Transportgleichungen erhalten, die eine einheitliche Behandlung von stabilen und instabilen Teilchen auch außerhalb des Gleichgewichts ermöglichen. Diese Bestandteile bilden die Basis des Transportmodells Parton-Hadron-String Dynamics (PHSD), welches daher ein geeignetes ’Instrument’ ist um die verschiedenen Phasen einer Schwerionenkollision zu analysieren, egal ob die verschiedenen Formen der Materie im Gleichgewicht sind oder nicht.
In dieser Arbeit wird zunächst die Quantenchromodynamik (QCD) vorgestellt und erklärt, wie diese Theorie im Laufe der Jahre entwickelt wurde um ein wichtiger Bestandteil des Standardmodells der Teilchenphysik zu werden. Wir werden weiterhin die verbleibenden Herausforderungen in unserem Verständnis der QCD vorstellen, die sich primär auf das Phasendiagramm der stark wechselwirkenden Materie konzentrieren.
Im zweiten Kapitel untersuchen wir die Nichtgleichgewichts-Feldtheorie und die damit verbundenen Techniken - wie die Keldysh-Kontur - zur Beschreibung der Green’schen Funktionen als wesentlichen Freiheitsgrade. Wir leiten die Evolutionsgleichung für die Green’schen Funktionen her, d. h. die Kadanoff Baym-Gleichungen am Beispiel einer skalaren Feldtheorie.
Im nächsten Kapitel wird das Transportmodell Parton-Hadron-String Dynamics (PHSD), welches die Anwendung der verallgemeinerten Transportgleichungen zur Beschreibung relativistischer Schwerionenkollisionen darstellt, vorgestellt.
Wir beginnen im Kapitel 4 mit der Untersuchung der Nichtgleichgewichtseigenschaften des Quark-Gluon-Plasmas, welches bei relativistischen Schwerionenkollisionen erzeugt wird. Zu diesem Zweck vergleichen wir die Quark-Gluon-Plasmaentwicklung aus dem PHSD mit einem viskosen hydrodynamischen Modell, bei dem ein lokales kinetisches und chemisches Gleichgewicht angenommen wird.
Im Kapitel 5 konzentrieren wir uns auf das frühe Vorgleichgewichtsstadium ultra-relativistischer Schwerionenkollisionen und insbesondere auf die Freiheitsgrade der QGP-Phase in diesem Stadium. Wir untersuchen die Auswirkungen eines QGP, welches anfänglich entweder aus einem System aus massiven Gluonen (Szenario I) oder alternativ aus Quarks und Antiquarks (Szenario II) besteht. Das nächste Kapitel wird ebenfalls die Produktion von Teilchen im Frühstadium von Schwerionenkollisionen behandeln, jedoch bei niedrigeren Kollisionsenergien. Hier wird eine mikroskopische Beschreibung des K+/pi+-Verhältnisses im Vordergrund stehen, d. h. die Erklärung des Maximums in diesem Verhältnis bei etwa 30 A GeV ("Horn") in zentralen Au+Au (oder Pb+Pb) Kollisionen. Insbesonders werden wir die Modifikation des String-Fragmentierungsprozesses (über den Schwinger-Mechanismus) in einer Umgebung mit hoher hadronischer Dichte aufgrund der teilweisen Wiederherstellung der chiralen Symmetrie untersuchen.
In Kapitel 7 erweitern wir das Parton-Hadron-String Dynamics (PHSD)-Transportmodell im partonischen Sektor, indem wir explizit die totalen und differentiellen partonischen Streuungsquerschnitte als Funktion der Temperatur T und des baryochemischen Potentials μB berechnen auf der Basis der effektiven Propagatoren und Kopplungen des Dynamical QuasiParticle Models (DQPM), welches auch die generelle Zeitentwicklung der partonischen Freiheitsgrade beschreibt. Wir finden nur eine sehr bescheidene Änderung von n/s mit dem baryonchemischen Potential μB in Abhängigkeit von der skalierten Temperatur T/Tc(μB). Dies gilt auch für eine Vielzahl von hadronischen Observablen aus zentralen A+A Kollisionen im Energiebereich von 5 GeV < vsNN < 200 GeV bei der Implementierung der differentiellen Querschnitte in das PHSD-Modell. Da wir in Schwerionen-Observablen nur kleine Spuren einer μB-Abhängigkeit finden - obwohl die effektiven Partonenmassen und Kollisionsbreiten sowie deren Partonenquerschnitte eindeutig von μB abhängen - impliziert dies, dass man eine beträchtliche Partonendichte und ein großes Raum-Zeit-QGP-Volumen zur Untersuchung der Dynamik in der partonischen Phase benötigt. Diese Bedingungen sind nur bei hohen Kollisionsenergien erfüllt, bei denen μB jedoch eher niedrig ist. Wenn andererseits die Kollisionsenergie verringert und somit μB erhöht wird, wird die hadronische Phase dominant und dementsprechend wird es zunehmend schwieriger, Signale aus der Partonendynamik auf der Basis von "Bulk"-Observablen zu extrahieren.
HADES (High Acceptance DiElectron Spectrometer), located at GSI, is a versatile detector for precise spectroscopy of e+ e- pairs and charged hadrons produced on a fixed target in a 1 to 3.5 AGeV kinetic beam energy region. The main experimental goal is to investigate properties of dense nuclear matter created in heavy ion collisions and learn about in-medium hadron properties.
In the HADES set-up 24 Mini Drift Chambers (MDC) allow for track reconstruction and determining the particle momentum by exploiting charged particle deflection in a magnetic field. In addition, the drift chambers contribute to particle identification by measuring the energy loss. The read-out concept foresees each sensing wire to be equipped with a preamplifier, analog pulse shaper and discriminator. In the current front-end electronics, the ASD-8 ASIC comprises the above modules. Due to limitations of the current on-board time to digital converters (TDC), especially regarding higher reaction rates expected at the future FAIR facility (HADES at SIS-100), the electronics need to be replaced by new board featuring multi-hit TDCs. Whereas ASD-8 chips cannot be procured anymore, a promising replacement candidate is the PASTTREC ASIC, developed by JU Krakow, which was tested w.r.t. suitability for MDC read-out in a variety of set-ups and, where possible, in direct comparison to ASD-8.
The timing precision, being the most crucial performance parameter of the joint system of detector and read-out electronics, was assessed in two different set-ups, i.e. a cosmic muon tracking set-up and a beam test at the COSY accelerator at Juelich using a minimum ionizing proton beam.
The beam test results were reproduced and can thus be quantitatively explained in a three dimensional GARFIELD simulation of a HADES MDC drift cell. In particular, the simulation is able to describe the characteristic dependence of the time precision on the track position within the cell.
A circuit simulation (SPICE) was used to closely model the time development of a raw drift chamber pulse, measured as a response to X-rays from a 55 Fe source. The insights gained from this model were used for attributing realistic charge values to the time over threshold values measured with the read-out ASICs in a charge calibration set-up. Furthermore, a high-level circuit simulation of the PASTTREC shaper is implemented to serve as a demonstration of the effect of the individual shaping and tail cancellation stages which are present in both ASICs.
The production cross section and the transverse momentum distribution of charged particles is measured in pp collisions at √s = 2.76 TeV, 5.02 TeV, 7 TeV and 13 TeV, as well as for Pb-Pb collision at √s_NN = 5.02 TeV and Xe-Xe at √s_NN = 5.44 TeV in ALICE at the LHC. The measurement is performed in the transverse momentum region of 0.15 < p_T < 50 GeV/c and in the pseudorapidity range of |η| < 0.8. The precision of the measurement has been substantially enhanced as a result of the improved corrections, by taking into account a more realistic particle composition in the MC simulations. As a result, the systematic uncertainties have been reduced by more than a factor two in all systems and energies.
The average transverse momentum <p_T> results show a faster-than-linear increase with the center-of-mass energy and follow a similar trend with respect to previous measurements. The analysis of the p_T spectra in multiplicity intervals show a weak center-of-mass energy dependence when they are compared to their respective inelastic (INEL) pp measurement. The average multiplicity as a function of the collision energy shows a quadratic trend, and the comparison with other ALICE multiplicity measurements exhibits a remarkable agreement, within uncertainties.
The transverse momentum spectra in pp collisions are compared to state-of-the-art MC simulations, EPOS LHC and PYTHIA 8 event generators; none of them is able to reproduce the distributions over the full p_T range.
The differential cross section in pp collisions is an essential observable for the study of the Quark Gluon Plasma (QGP) created in ultra-relativistic heavy-ion collisions. The absence of a medium formation in pp collisions serves as an essential baseline for studies of particle production and suppression due to parton energy-loss in the QGP. Since pp collisions at √s = 5.44 TeV were not measured by ALICE, the pp reference at this energy was constructed by using a power law interpolation between the s = 5.02 TeV and 7 TeV data. The pp results are compared to the particle production in Pb-Pb collisions at √s_NN = 5.02 TeV and Xe-Xe collisions at √s_NN = 5.44 TeV.
The nuclear modification factor R_AA for Pb-Pb and Xe-Xe collisions was calculated and a strong suppression of high-p_T particles is observed in central collisions. The R AA in different systems allows for a differential study of the parton energy loss in the QGP. The comparison of the R AA in multiplicity intervals between the two systems provide insights into the path length dependence of a parton that propagates in the medium.
This thesis is a summary of existing and upcoming publications, with a focus on high order methods in numerical relativity and general relativistic flows. The text is structed in five chapters. In the first three ones, the ADER-DG technique and its application to the Einstein-Euler equations is introduced. Novel formulations for both the Einstein equations in the 3+1 split as well as the general relativistic magnetohydrodynamics (GRMHD) had to be derived. The first order conformal and covariant Z4 formulation of Einstein equations (FO-CCZ4) is proposed and proven to be strongly hyperbolic. Together with the fluid equations of general relativistic magnetohydodynamics (GRMHD), a number of benchmark scenarios is presented to show both the correctness of the PDEs as well as the applicability of the numerical scheme.
As an application in astrophysics, a general-relativistic study of the treshold mass for a prompt-collapse of a binary neutron star merger with realistic nuclear equation of states has been carried out. A nonlinear universal relation between the treshold mass and the maximum compactness is found. Furthermore, by taking recent measurements of GW170817 into account, lower limits on the stellar radii for any mass can be given.
Furthermore, an (unpaired) work in quantum mechanical black hole engineering is presented. Higher dimensional extensions of generalized Heisenberg’s uncertainty principle (GUP) are studied. A number of new phenomenology is found, such as the existence of a conical singularity which mimics the effect of a gravitational monopole on short scale and that of a Schwarzschild black hole at a large scale, as well as oscillating Hawking temperatures which we call "lighthouse effect". All results are consistent with the self complete paradigm and a cold evaporation endpoint remnant.
Die Bestrahlung atmungsbewegter Tumoren stellt eine Herausforderung für die moderne Strahlentherapie dar. In der vorliegenden Arbeit werden zu Beginn die physikalischen, technischen und medizinischen Grundlagen vorgestellt, um dem Leser den Einstieg in die komplexe Thematik zu erleichtern. Des Weiteren werden verschiedene Techniken zur Bestrahlung atmungsbewegter Zielvolumina vorgestellt. Auch wird auf die Sicherheitssäume eingegangen, die notwendig sind, um Fehler in der Bestrahlungskette beim Festlegen des Planungszielvolumens für die Bestrahlung auszugleichen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Konzept entwickelt, wodurch sich der Sicherheitssaum von bewegten Tumoren in der Radiochirurgie mit dem Tumor-Tracking-System des Cyberknifes noch weiter verkleinern lässt. Somit kann die sogenannte therapeutische Breite der Behandlung weiter vergrößert werden kann. Dafür wurden ein 4D-CT und ein Gating-System in den klinischen Betrieb aufgenommen. Die entwickelte Technik basiert auf den zehn individuellen Atemphasen des 4D-CTs und lässt eine Berücksichtigung bewegter Risikostrukturen bereits während der Bestrahlungsplanung zu. Diese Methode wurde mit aktuellen Bestrahlungstechniken mittels eines Vergleichs der Bestrahlungspläne anhand von zehn Patientenfällen verglichen. Zur Erstellung der Bestrahlungspläne kamen die Bestrahlungsplanungssysteme von Varian (Eclipse 13.5) und Accuray (Multiplan 4.6) zum Einsatz. Es wurden insbesondere die Bestrahlungsdosen an den Risikoorganen und die Volumina ausgewählter Isodosen betrachtet. Hier zeigte sich eine klare Abhängigkeit von der Belastung des gesunden Gewebes von der verwendeten Bestrahlungstechnik. Dies lässt die Schlussfolgerung zu, dass mit einer Reduzierung des Sicherheitssaums, welcher abhängig von der verwendeten Planungs- und Bestrahlungstechnik ist, eine Vergrößerung der therapeutischen Breite einhergeht. Zusätzlich bleibt bei einer geringen Belastung des umliegenden gesunden Gewebes die Möglichkeit für eine weitere Bestrahlung offen.
Anschließend wurden anhand von berechneten Testplänen Messungen an einem für diese Arbeit modifizierten Messphantom am Varian Clinac DHX und am Cyberknife VSI durchgeführt. Hier wurden die beim Planvergleich verwendeten Bestrahlungstechniken verwendet, um einen Abgleich von berechneter und tatsächlich applizierter Dosis zu erhalten. Das verwendete Messphantom simuliert die Atmung des Patienten und lässt gleichzeitig eine Verifikation der Dosisverteilung mit EBT3-Filmen sowie Messungen mit Ionisationskammern zu. Es zeigte sich, dass für die Techniken, welche aktiv die Atmung berücksichtigen (Synchrony am Cyberknife und Gating am Varian Clinac), selbst im Niedrigdosisbereich eine gute Übereinstimmung zwischen Messung und Berechnung der Dosisverteilung vorliegt. Sobald die Bewegung des Zielvolumens bereits bei der Bestrahlungsplanung berücksichtigt wird, steigt die Übereinstimmung weiter an. Für Techniken, welche die Atmung lediglich bei der Zielvolumen-Definition einbeziehen (ITV-Konzept), liegen sowohl die mit Ionisationskammern gemessenen Werte als auch die Übereinstimmung von berechneter und gemessener Dosisverteilung außerhalb des Toleranzbereichs.
Eine weitere Frage dieser Arbeit befasst sich mit der Treffsicherheit des Tumor-Tracking-Systems des Cyberknifes (Synchrony). Hier wurden Messungen mit dem XSightLung-Phantom und unterschiedlichen Sicherheitssäumen, welche die Bewegung des Tumors ausgleichen sollen, durchgeführt. Dies geschah sowohl mit dem für das Phantom vorgesehenen Würfel mit Einschüben für EBT3-Filme als auch mit einem Film-Sanchwich aus Flab-Material zur Untersuchung einer dreidimensionalen Dosisverteilung. Die Analyse der Filme ergab, dass es zumindest an einem Phantom mit einer einfachen kraniokaudalen Bewegung nicht nötig ist, die Bewegung des Zielvolumens durch einen asymmetrischen Sicherheitssaum in Bewegungsrichtung zu kompensieren um die Abdeckung des Zielvolumens mit der gewünschten Dosis zu gewährleisten.
Durch diese Arbeit konnten zusätzlich weitere wertvolle Erkenntnisse für den klinischen Alltag gewonnen werden: bei der Untersuchung der Bewegung von Tumoren in freier Atmung sowie bei maximaler Inspiration und Exspiration zeigte sich, dass zum Teil die Tumorbewegung in maximalen Atemlagen (3-Phasen-CT) deutlich von der freien Atmung abweicht. Dies lässt den Schluss zu, dass für eine Bestrahlung in freier Atmung ein 4D-CT die Tumorbewegung deutlich realistischer widerspiegelt als ein 3-Phasen-CT, zumal letzteres eine größere Dosisbelastung für den Patienten bedeutet.
Ebenfalls konnte anhand einer retrospektiven Untersuchung von Lungentumoren gezeigt werden, dass für die Berechnung von Bestrahlungsplänen für Tumoren in inhomogenem Gewebe der Ray-Tracing-Algorithmus die Dosis im Zielvolumen teilweise sehr stark überschätzt. Um eine realistische Dosisverteilung zu erhalten, sollte deshalb insbesondere bei Tumoren in der Lunge auf den Monte-Carlo-Algorithmus zurückgegriffen werden.
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.
With the discovery of light beyond human visibility, scientists strove to extend the range of observation to invisible parts of the light’s spectrum. Realising that light of all frequencies is part the same physical phenomenon, brought a leap in understanding about electromagnetic waves. With the development of more advanced technology, detectors with higher sensitivity for adjacent frequencies to the visible were built. From this, with each new observable wavelength, more insight into otherwise invisible processes and phenomenons were observed. Hand in hand with this went the enhancement of the output power of corresponding sources. This has lead to higher sensitivity setups throughout the spectrum, leading to observations which have given a deeper understanding in various fields of science. Nowadays, detectors and emitters in many different regions of the invisible electro magnetic spectrum have found their way in our every day life. Innovations in technology has lead to practical applications such as X-rays in medicine, motion sensors and remote controls using infrared light, distance sensors and data transmission using radar and radio devices. The frequency regions above infrared are optically generated and below radar can be produced using electric methods. There is no straight line that separates these frequencies. There rather is a whole intermediate region known as the terahertz (THz) regime. Due to the lack of sensitive detectors and efficient sources, the THz frequency region has not been exploited for application use on a widespread basis so far. It combines properties from the surrounding frequency ranges which make it an ideal spectrum for various applications. Consequently, THz radiation and THz imaging are active fields of research.
The work presented in this thesis consists of the development and testing of novel THz imaging concepts, which uses a THz antenna coupled field effect transistor (TeraFET) detector. Two detection principles are applied using two different optical setups. The first uses a pulsed optical parametric oscillator (OPO) THz source where the optical output power is detected. The source relies on a nonlinear effect of a lithium niobate crystal to generate tunable THz pulses from a Q-switched pump laser. The THz signal is detected and amplified by a double stage operational amplifier for monitoring the real time 20 ns pulses on an oscilloscope where a signal to noise ratio (SNR) of ⇠ 25 at a frequency range from 0.75 to 1.1 THz is reached. Imaging of the area of interest with a resolution of 1.2 mm is achieved through raster scanning of the THz pulses. Also spectroscopy with a frequency resolution of ⇠ 50 GHz is demonstrated using a para-aminobenzoic acid sample. The second setup utilises two synchronised electronic multiplier chain sources where their output is mixed on the detector. To form a heterodyne detection setup, the intermediate frequency is fed to a lock-in amplifier which then amplifies the so called beat signal from the TeraFET detector. One source is fixed relative to the detector even through scanning to ensure a stable signal. This detection method allows for amplitude and phase detection for every scanning position, making numerical light field propagation and object reconstruction possible. Numerical focussing is a key feature achieving a lateral resolution of the input transmittance of ⇡ 2 mm.
After the introduction, the second chapter describes the setup, measurement results and challenges which arise using a TeraFET together with the pulsed THz source “Firefly-THz”. In the description of the setup, special attention is given to the shielding of the detector and the electronics. General findings discuss first the overall performance and later spectroscopy and imaging as application examples. Another subsection continues with potential noise sources before the chapter is concluded. Chapter three expands on the topic of Fourier optics from a theoretical point of view. First, parts of the theory of the Fourier Transform (FT) are set out for the reader and how the Fast Fourier Transform (FFT) results from the Discrete Fourier Transform (DFT). This approach is used for theoretical considerations and the implementation of a Fourier optic script that allows for numerical investigations on electro magnetic field propagation through an optical system. The boundary conditions are chosen to be practical relevant to make predictions on measurements presented in chapter four. The following fourth chapter describes the realisation of a heterodyne THz detection setup. Before the measurement results are presented, the setup and its electric configuration are shown. The results come close to the analytical predictions so that the same algorithm which propagates the field from an object to the Fourier plane is used to propagate the measured field back to the object. The influence of phase noise on the measurement results are discussed before simulation and measurement is compared. The last chapter in this thesis concludes on the findings in the pulsed THz detection and the heterodyne THz Fourier imaging and gives an outlook for both configurations.
Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Entwicklung und Erforschung eines konzeptionell neuartigen Injektionssystems zum Transport von Ionenstrahlen in toroidale Magnetfeldstrukturen. Die Forschungsarbeit ist dabei Teil des Figure-8 Speicherringprojekts (F8SR) des IAP, bei welchem es um die Erforschung der Physik und die Entwicklung eines niederenergetischen, supraleitenden, magnetostatischen Figure-8 Hochstromspeicherrings geht. Dieser neuartige Speicherring ermöglicht aufgrund des Einsatzes von fokussierenden solenoidalen und toroidalen Magnetfeldern das Speichern von Strahlströmen von bis zu einigen Ampere. Diese Arbeit baut auf früheren Forschungsarbeiten zu diesem Themenfeld auf, in welchen die Grundlagen und Ausgangsparameter für die experimentelle Untersuchung der Injektion gelegt und mit dem Aufbau des Injektionsexperiments begonnen wurde.
In dieser Dissertation wird den Fragen nachgegangen, ob ein magnetisches Konzept des Injektionssystems mittels eines „Scaled-Down“-Experiments experimentell umsetzbar ist und ob mit diesem die Injektion von Ionenstrahlen in toroidale Magnetfeldstrukturen realisiert werden kann. Ziel ist es dabei, ein Injektionssystem aufzubauen, durch welches sowohl ein seitlich injizierter Injektionsstrahl, welcher den in den Speicherring zu injizierenden Strahl darstellt, als auch ein gleichzeitig durch die toroidalen Magnetfelder driftender Ringstrahl, welcher den im Speicherring zirkulierenden Strahl darstellt, ohne Verluste transportiert werden können. Das Injektionssystem besteht dabei aus drei normalleitenden Magneten, wobei es sich um zwei baugleiche 30 Grad Toroide sowie einen Solenoid handelt. Die Toroide bilden den Transportkanal für den Ringstrahl, während der Injektionssolenoid senkrecht zwischen den beiden Toroiden endet und den Injektionskanal für den Injektionsstrahl darstellt.
Zunächst wurde das Injektionssystem mittels Strahltransportsimulationen untersucht und aufbauend auf den Ergebnissen die benötigen Vakuumkomponenten sowie der Injektionsmagnet ausgelegt, entwickelt und umgesetzt. Anschließend wurde mit dem fertigstellten Injektionsexperiment der Transport von zwei Ionenstrahlen durch das Injektionssystem experimentell erforscht. Dabei wurden die Strahlpfade mit einem in Entwicklung befindlichen Kameradetektorsystem aus verschiedenen Perspektiven aufgenommen und das Strahlverhalten in Abhängigkeit von unterschiedlichen Parametern phänomenologisch analysiert und diskutiert, mit den Ergebnissen der Simulationen verglichen sowie theoretisch bzgl. der RxB Drift und eines Gedankenmodells eingeordnet. Die technische Umsetzung, Inbetriebnahme und Durchführung verschiedener Vorabexperimente bzgl. weiterer Komponenten des Injektionsexperiments (bspw. Ionenquellen und Filterkanäle) ist ebenfalls Bestandteil dieser Arbeit.
Bei den experimentellen Untersuchungen mit Wasserstoff- und Heliumionenstrahlen konnte beobachtet werden, wie der Injektionsstrahl in den zweiten Toroid driftet und somit erfolgreich injiziert wird. Des Weiteren wurde eine Heliummessung durchgeführt, bei der sowohl der Injektionsstrahl als auch der Ringstrahl erfolgreich durch das Injektionssystem transportiert werden konnten. Auch die Auswirkungen des Injektionsmagneten auf den Ringstrahl konnten experimentell untersucht werden. Die verschiedenen Messungen wurden mittels des Gedankenmodells diskutiert und mit den Ergebnissen der Simulationen sowie untereinander verglichen.
Das abschließende Ergebnis dieser Arbeit ist, dass durch den Einsatz von solenoidalen und toroidalen Magnetfeldern der Injektionsstrahl vom Injektionsmagneten in den zweiten Toroid transportiert und dieser somit in die gekoppelte magnetische Konfiguration der Toroide eingelenkt werden kann. Der gleichzeitige verlustfreie Transport eines Ringstahls durch das Injektionssystem konnte dabei ebenfalls realisiert werden. Des Weiteren stimmen die Ergebnisse der Simulationen und Experimente sowie die theoretischen Überlegungen überein.
Das neuartige Injektionskonzept, welches als Schlüsselkomponente für die Umsetzung des Figure-8 Hochstromspeicherrings benötigt wird, wurde somit mittels Theorie, Simulation und Experiment überprüft und die Funktionalität bestätigt.
Zukünftige Forschungsfragen für welche der Figure-8 Hochstromspeicherring verwendet werden könnte, bspw. aus den Bereichen der experimentellen Astrophysik oder Fusionsforschung, wurden abschließend diskutiert.
Defossiliation of the energy system is crucial in the face of the impending risks of climate change. Electricity generation by burning fossil fuels is being displaced by renewable energy sources like hydro, wind and solar, driven by support schemes and falling costs from technological advances as well as manufacturing scale effects. The unavoidable shift from flexibly dispatchable generation to weather-dependent spatio-temporally varying generators transforms the generation and distribution of electricity into highly interdependent complex systems in multiple dimensions and disciplines:
In time, different scales, stretching from intra-day, diurnal, synoptic to seasonal oscillations of the weather interact with years and decades of planning and construction of capacity. In space, long-range correlations and local variations of weather systems as well as local bottlenecks in transmission networks affect solutions. The investment decisions about technological mix and spatial distribution of capacity follow economic principles, within restrictions which adapt in social feedback loops to public opinion and lobbyist influences.
In this work, a family of self-consistent models is developed which map physical steady-state operation, capacity investments and exogeneous restrictions of a European electricity system, in higher simultaneous spatial and temporal detail as well as scope than has previously been computationally tractable. Increasing the spatial detail of the renewable resources and co-optimizing the expansion of only a few transmission lines, reveals solutions to serve the European electricity demand at about today’s electricity cost with only 5% of its carbon-dioxide emissions; and importantly their electricity mix differs from the findings at low spatial resolution.
As important intermediate steps,
• new algorithms for the convex optimization of electricity system infrastructure are derived from graph-theoretic decompositions of network flows. Only these enable the investigation of model detail beyond previous computational limitations.
• a comprehensive European electricity network model down to individual substations at the transmission voltage levels is built by combining and completing data from freely available sources.
• a network reduction technique is developed to approximate the detailed model at a sequence of spatial resolutions to investigate the role of spatial scale, and identify a level of spatial resolution which captures all relevant detail, but is still computationally tractable.
• a method to trace the flow of power through the network, which is related to a vector diffusion process on a directed flow graph embedded in a network, is used to analyse the resulting technology mix and its interactions with the power network
The open-source nature of the model and restriction to freely available data encourages an accessible and transparent discussion about the future European electricity system, primarily based on renewable wind and solar resources.
In the course of this thesis we discuss a certain kind of supersolid, the lattice-supersolid, which can be realized using quantum gases in an optical lattice trap. The lattice-supersolid, which simultaneously possesses off-diagonal and diagonal long-range order in its density matrix and also breaks the discrete translational symmetry of an underlying lattice, is induced by self-ordering of the gas due to strong long-range van der Waals interactions. In the considered scenario, the interactions are facilitated by the excitation of atomic Rydberg states, which exhibit enhanced van der Waals forces.
In the first part of this thesis (chapters 1-3), we review the relevant basics of quantum gases, Rydberg physics and introduce the extended Bose-Hubbard model. We start with the relevant methods and devices of the vast toolbox available in common quantum gas experiments, as well as consider the main concepts behind superfluidity and supersolidity. This is followed by an introduction of some basic concepts of Rydberg atoms in quantum many-body systems, with a focus on the facilitation of long-range interactions and the implementation in a theoretical model. Thereafter a brief introduction is given, on the realization of the Bose-Hubbard model in optical lattice systems and its extension to include Rydberg states, which concludes the introductory part of this thesis.
In the following part (chapters 4-6), we introduce the theoretical tools used to derive the results presented in the final part. First, an introduction to a real-space extension of bosonic dynamical mean-field theory (RB-DMFT) for bosonic systems with long-range interactions in the Hartree approximation is given. This method is based on the non-perturbative self-consistent evaluation of the lattice Green’s function, which also incorporates the effect of nearest neighbor correlations due to the non-condensed particles. Then we focus on a quasiparticle expansion of the Bose-Hubbard model, which has its foundation in linearized fluctuations of a static mean-field ground-state, allowing for the prediction of a vast range of experimentally relevant observables. Lastly, we introduce an efficient truncation scheme for the local bosonic Fock-basis, which allows for the simulation of phases with high condensate density at a vastly reduced computational effort.
In the final part (chapters 7 and 8), we discuss the application of both methods to itinerant bosonic gases in two-dimensional optical lattices, in order to predict the equilibrium ground-state phases, as well as the signatures of supersolidity and its formation in spectral functions and the dynamic and static structure factor. Specifically, we focus on two limiting cases. Firstly, we consider a two-component gas, as realized by two hyperfine ground states, for example, of rubidium-87, where one component is off-resonantly excited to a Rydberg state, which generates a soft-core shaped interaction potential. Secondly, we discuss the opposing limit, using near-resonant excitations
of Rydberg states, where the interacting component now directly corresponds to the Rydberg state, which interacts via a van der Waals potential. In both cases we discuss the rich variety of supersolid phases, which are found for a wide range of parameters. We also discuss how some of these phases can be realized in experiment.
In the subsequent appendices (A to D) we discuss some methodological details. Most notably, we consider the possible Fock-extension of the Hartree approximation (appendix A), introduced in the RB-DMFT treatment of the extended Bose-Hubbard model.
This thesis presents the first measurement of the proton capture reaction on the isotope 124Xe performed in inverse kinematics. The experiment was carried out in June 2016 at the Experimental Storage Ring (ESR) at the GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research in Darmstadt, Germany.
124Xe is one of about 35 p-nuclei that cannot be produced via neutron-induced nucleo- synthesis as the vast majority of heavy elements. Its production and destruction provide important information about the nucleosynthesis of the p-nuclei. Measuring the 124Xe(p,g)125Cs reaction also gives strong constraints for its reverse 125Cs(g,p)124Xe reaction.
Fully stripped 124Xe ions repeatedly passed a H2 gas jet target at five different energies between 5.5 MeV/u and 8 MeV/u. An electron cooler compensated for the energy loss in the target and reduced the beam momentum spread. The reaction product 125Cs55+ has a smaller magnetic rigidity than 124Xe54+. Therefore 125Cs55+ was deflected towards smaller radii in the first dipole after the target area and thereby separated from 124Xe54+. It was detected with a position-sensitive Double-Sided Silicon Strip Detector (DSSSD). The novelty of this experiment was the installation of the DSSSD inside the ultra-high vacuum of the storage ring using a newly designed manipulator.
Three High-Purity Germanium X-ray detectors were used to measure the X-rays following the Radiative Electron Capture (REC) events into 124Xe53+. The REC cross sections are well-known and were used to determine the luminosity.
The 124Xe(p,g)125Cs cross sections at ion beam energies between 5.5 MeV/u and 8 MeV/u were determined relatively to the K-REC cross sections and finally compared to the theoretically predicted cross sections. While theoretical predictions of the TENDL database are lower than the measured ones by a factor of up to seven, the NON-SMOKER data are higher by a factor of up to two, except of the cross section at 7 MeV/u, where NON-SMOKER data are slightly lower than the experimental value.
For the first time, a proton capture cross section could be measured in inverse kinematics close to the astrophysically relevant Gamow window. This allows the direct determination of the (p,g) cross section of isotopes with half-lives down to several minutes, which is not possible with any other technique.
In this thesis we work on the theoretical description of relativistic heavy-ion collisions, focussing on electromagnetic probes. We present mainly four topics: electric conductivity and diffusion properties of the hot plasma and hadronic matter, response of the quark-gluon plasma to external magnetic fields, direct photon production in the quark-gluon plasma and a study about initial and final state effects in small systems. The latter topic aims, i.a., at a better understanding of the initial state, which is crucial for electromagnetic probes. In all research areas we make use of the Boltzmann transport equation, whereby the presented methods provide analytical and numerical solutions. We pay particular attention to the construction of complete leading order photon production processes in numerical transport simulations of the quark-gluon plasma.
To begin with, our findings are the complete conserved charge diffusion matrix and electric conductivity. Those properties are important ingredients, e.g., for future simulations of baryon rich collisions. Next, we find that the influence of external magnetic fields to the QGP dynamics is not quantifiable in observables.
We present results for a variety of direct photon observables and we can partly explain experimental data. We emphasize the importance of the chemical composition and non-equilibrium nature of the medium to the direct photon puzzle. Lastly, we observe the interesting dynamic behavior of azimuthal correlations in small systems and identify signatures of the initial state in final observables. This will also be of interest for more precise simulations of electromagnetic probes and allows for various future studies.
Die vorliegende Arbeit präsentiert die wissenschaftlichen Erkenntnisse, welche im Rahmen dreier verschiedener Messreihen gewonnen wurden. Kernthema ist in allen Fällen die Ionisation von molekularem Wasserstoff mit Photonen.
Im Rahmen der Messung sollte eine 2014 veröffentlichte Vorhersage der theoretischen Physiker Vladislav V. Serov und Anatoli S. Kheifets im Experiment überprüft werden. Ihren Berechnungen zufolge kann ein sich langsam vom Wasserstoff Molekülion entfernendes Photoelektron durch sein elektrisches Feld das Mutterion polarisieren und dafür sorgen, dass beim anschließenden Aufbruch in ein Proton und ein Wasserstoffatom eine asymmetrische Emissionswinkelverteilung zu beobachten ist [SK14]. Diese Vorhersage konnte mit den Ergebnissen der hier vorgestellten Messung zweifelsfrei untermauert werden. Für drei verschiedene Photonenenergien, welche im relevanten Reaktionskanal Photoelektronenenergien von 1, 2 und 3 eV entsprechen, wurden die prognostizierten Symmetrien in den Messdaten herauspräpariert. Es zeigte sich, dass diese sowohl in qualitativer wie auch in quantitativer Hinsicht gut bis sehr gut mit den Vorhersagen übereinstimmen.
Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde erneut die Dissoziationsreaktion, allerdings bei deutlich höheren Photonenenergien, untersucht. Ziel war es, den in Zusammenarbeit mit den Physikern um Fernando Martin gelungenen theoretischen Nachweis der Möglichkeit einer direkten Abbildung von elektronischen Wellenfunktionen auch im Experiment zu vollziehen. Der überwiegende Teil aller Veröffentlichungen im Vorfeld dieser Messung fokussierte sich bei den Untersuchungen der Wellenfunktion entweder auf die rein elektronischen Korrelationen - so zum Beispiel in Experimenten zur Ein-Photon-Doppelionisation, wo Korrelationen zwischen beiden beteiligten Elektronen den Prozess überhaupt erst möglich machen - oder aber auf den Einfluss, welchen das Molekülpotential auf das emittierte Elektron ausübt. Die wenigen Arbeiten, die sich bis heute an einer unmittelbaren Abbildung elektronischer Wellenfunktionen versuchten, gingen meist den im Vergleich zu dieser Arbeit umgekehrten Weg: Man untersuchte hier das Licht höherer Harmonischer, wie sie bei der lasergetriebenen Ionisation und anschließenden Rekombination eines Photoelektrons mit seinem Mutterion entstehen.
In dieser Arbeit wurde ein Ansatz präsentiert, der zwei überaus gängige und verbreitete Messtechniken geschickt kombiniert - Während das Photoelektron direkt nachgewiesen und seine wesentlichen Eigenschaften abgefragt werden, kann der quantenmechanische Zustand des zweiten, gebunden verbleibenden Elektrons über einen koinzident dazu geführten Nachweis des ionischen Reaktionsfragments bestimmt werden. Dieser Vorgang stützt sich wesentlich auf Berechnungen der Gruppe um Fernando Martín, welche eine Quantifizierung der Beiträge einzelner Zustande zum gesamten Wechselwirkungsquerschnitt dieser Reaktion erlauben. Diese unterscheiden sich je nach Energie der Fragmente signifikant, so dass über eine Selektion des untersuchten KER-Intervalls Kenntnis vom elektronischen Zustand des H2 +-Ions nach der Photoemission erlangt werden kann. Die experimentellen Daten unterstützen die Theorie von Martin et al. nicht nur mit verblüffend guter Übereinstimmung, die gemessenen Emissionswinkelverteilungen stehen darüber hinaus auch in sehr gutem Einklang mit ihren theoretisch berechneten Gegenstücken. Die Ergebnisse wurden zwischenzeitlich in der renommierten Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht [WBM+17].
Die dritte Messreihe innerhalb dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Photodoppelionisation von Wasserstoff. Im Rahmen des selben Experiments wie die weiter vorn beschriebene Dissoziationsmessung bei 400 eV Photonenenergie aufgenommen, belegen die Ergebnisse auf wunderbar anschauliche Art und Weise, dass die Natur in unserer Umgebung voller Prozesse ist, die ursprünglich als rein quantenmechanische Laborkonstrukte angesehen wurden. Es konnte zweifelsfrei gezeigt werden, dass die beiden Elektronen, die bei der Photodoppelionisation freigesetzt werden, als ein Quasiteilchen aufgefasst werden können. Sie befinden sich in einem verschränkten Zweiteilchenzustand, und nur eine koinzidente Messung beider Elektronen vermag es, Interferenzeffekte in ihren Impulsverteilungen sichtbar zu machen - betrachtet man beide hingegen individuell, so treten keinerlei derartige Phänomene auf. Es gelang dabei zudem, eine beispielhafte Übereinstimmung zwischen den gemessenen Daten und einer theoretischen Berechnung der Kollegen um Fernando Martín zu erreichen.
Terahertz (THz) physics are an emerging field of research dealing with electromagnetic radiation in the far-infrared to microwave region. The development of innovative technologies for the generation and detection of THz radiation has only in the recent past led to a tremendous rise of both fundamental research as well as investigation of possible fields of application for THz radiation. The most prominent reason has long been the scarce accessibility of the THz region of the electromagnetic spectrum - commonly loosely located between 0.1 and 30 THz - to broad research, and it was mostly limited to astronomy and high energy physics facilities. Over the recent years, numerous novel concepts on both the source and detector side have been proposed and successfully implemented to overcome this so-called THz gap. New technology has become available and paved the way for wide-spread experimental laboratory work and accompanying theoretical investigations. First application studies have emerged and in some cases even commercial development of the field of THz physics is on the rise. Despite these enormous progresses, a continuing demand for more efficient THz detectors still impels current technological research. Relatively low source powers are often a major limiting factor and the request for new detection concepts, their understanding and implementation, as well as the optimization on a device basis has been and still remains in place. One of these concepts is the use of field-effect transistors (FETs) high above their conventional cut-off frequencies as electronic THz detectors. The concept has been proposed in a number of theoretical publications by M. Dyakonov and M. Shur in the early 1990's, who pioneered to show that under certain boundary conditions, non-linear collective excitations of the charge carrier system of a two-dimensional electron gas (2DEG) by incident THz radiation can exhibit rectifying behaviour - a detection principle, which has become known as plasma wave or plasmonic mixing. Up until this day, the concept has been successfully implemented in many device realizations - most advanced in established silicon CMOS technology - and stands on the edge of becoming commercially available on a large scale. The main direction of the work presented in this thesis was the modeling and experimental characterization of antenna-coupled FETs for THz detection - termed TeraFETs in this and the author's previous works - which have been implemented in different material systems. The materials presented in this thesis are AlGaN/GaN HEMTs and graphene FETs. In a number of scientific collaborations, TeraFETs were designed based on a hydrodynamic transport model, fabricated in the respective materials, and characterized mainly in the lower THz frequency region from 0.2 to 1.2 THz. The theoretical description of the plasma wave mixing mechanism in TeraFETs, as initiated by Dyakonov and Shur, was based on a fluid-dynamic transport model for charge carriers in the transistor channel. The THz radiation induces propagating charge density oscillations (plasma waves) in the 2DEG, which via non-linear self-mixing cause rectification of the incident THz signals. Over the course of this work, it became evident in the on-going detector characterization experiments that this original theoretical model of the detection process widely applied in the respective literature does not suffice to describe some of the experimental findings in TeraFET detection signals. Thorough measurements showed signal contributions, which are identified in this work to be of thermoelectric origin arising from an inherent asymmetric local heating of charge carriers in the devices. Depending on the material, these contributions constituted a mere side effect to plasmonic detection (AlGaN/GaN) or even reached a comparable magnitude (graphene FETs). To include these effects in the detector model, the original reduced fluid-dynamic description was extended to a hydrodynamic transport model. The model yields at the current stage a reasonable qualitative agreement to the measured THz detection signals. This thesis presents the formulation of a hydrodynamic charge carrier transport model and its specific implementation in a circuit simulation tool. A second modeling aspect is that the transport equations cover only the intrinsic plasmonic detection process in the active gated part of the TeraFET's transistor channel. In order to model and simulate the behavior of real devices, extrinsic detector parts such as ungated channel regions, parasitic resistances and capacitances, integrated antenna impedance, and others must be considered. The implemented detector model allows to simulate THz detection in real devices with the above influences included. Besides presentation of the detector model, experimental THz characterization of the fabricated TeraFETs is presented in this work. Careful device design yielded record detection performance for detectors in both investigated materials. The respective results are shown and the experimental observations of the thermoelectric effect in TeraFETs are compared to modeling results. It is the goal of this work to provide a framework for further theoretical and experimental studies of the plasmonic and thermoelectric effect in TeraFETs, which could eventually lead to a new type of THz detectors particularly exploiting the thermoelectric effect to enhance the sensitivity of today's plasmonic TeraFETs.
Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik beschreibt nach aktuellem Kenntnisstand die Entstehung, den Aufbau und das Verhalten der Materie in unserem Universum am erfolgreichsten. Dennoch gibt es einige Phänomene, die sich nicht in dessen Rahmen beschreiben lassen, wie z. B. die Existenz von dunkler Materie und Energie, nicht-verschwindende Neutrinomassen oder die Baryonenasymmetrie. Speziell im Hinblick auf die starke Wechselwirkung, welche im Standardmodell durch die Quantenchromodynamik (QCD) beschrieben wird, gibt es noch immer viele offene Fragen.
Eine Umgebung, in der man die QCD experimentell ergründen kann, bieten vor allem Schwerionenkollisionen, die insbesondere am Large Hadron Collider (LHC) oder am Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) durchgeführt werden.
In dieser Arbeit soll ein Beitrag von theoretischer Seite aus hinsichtlich eines besseren Verständnisses dieser Schwerionenkollisionen und der zugrundeliegenden QCD erbracht werden. Der Fokus liegt dabei auf dem Isotropisierungsprozess unmittelbar nach der Kollision der beiden Kerne.
Neben etlichen effektiven Theorien, die sehr gute Ergebnisse in den entsprechenden Grenzbereichen liefern, ist die Beschreibung der QCD im Rahmen der Gittereichtheorie (Gitter-QCD) die am meisten etablierte. Diese beinhaltet in den meisten Fällen einen Übergang zur euklidischen Raumzeit, da somit ein Auswerten der hochdimensionalen Pfadintegrale mithilfe von Monte-Carlo-Simulation basierend auf dem sogenannten Importance Sampling ermöglicht wird. Aufgrund der Komplexwertigkeit der euklidischen Zeitkomponente ist man jedoch an das Studieren von statischen Observablen gebunden. Da wir aber gerade an einer Zeitentwicklung des Systems interessiert sind, sehen wir von dem Übergang zur euklidischen Raumzeit ab, was den Namen “real-time” im Titel der Arbeit erklärt.
Wir folgen dem sogenannten Hamilton-Ansatz und leiten damit Feldgleichungen in Form von partiellen Differentialgleichungen her, die wir dann mit den Methoden der Gitter-QCD numerisch lösen. Dabei bedienen wir uns der effektive Theorie des Farb-Glas-Kondensats (CGC, aus dem Englischen: “Color Glass Condensate”), um geeignete Anfangsbedingungen zu erhalten. Genauer gesagt basieren unsere Gitter-Anfangsbedingungen auf dem McLerran-Venugopalan-Modell (MV-Modell), das eine klassische Approximation in niedrigster Ordnung darstellt und nur Beiträge rein gluonischer Felder berücksichtigt.
Die klassische Näherung sowie das Vernachlässigen der fermionischen Felder wird insbesondere mit den hohen Besetzungszahlen der Feldmoden begründet. Einerseits dominieren Infrarot-Effekte, welche klassischer Natur sind, und andererseits ist dadurch der Einfluss der Fermionen, die dem Pauli-Prinzip gehorchen, unterdrückt. Gerade bei letzterer Aussage fehlt es jedoch an numerischen Belegen. Wir erweitern daher die klassische MV-Beschreibung durch stochastische Gitter-Fermionen, um diesem Punkt nachzugehen. Da sich Fermionen nicht klassisch beschreiben lassen, spricht man hierbei oft von einem semi-klassischen Ansatz.
Eines der Hauptziele dieser Arbeit liegt darin, den Isotropisierungsprozess, der bislang noch viele Fragen aufwirft, aber unter anderem Voraussetzung für das Anwenden von hydrodynamischen Modellen ist, zu studieren. Wir legen dabei einen besonderen Fokus auf die systematische Untersuchung der verschiedenen Parameter, die durch die CGC-Anfangsbedingungen in unsere Beschreibung einfließen, und deren Auswirkungen auf etwa die Gesamtenergiedichte des Systems oder die zugehörigen Isotropisierungszeiten. Währenddessen überprüfen wir zudem den Einfluss von unphysikalischen Gitter-Artefakten und präsentieren eine eichinvariante Methode zur Analyse der Güte unserer klassischen Näherung. Die Zeitentwicklung des Systems betrachten wir dabei sowohl in einer statischen Box als auch in einem expandierenden Medium, wobei Letzteres durch sogenannte comoving Koordinaten beschrieben wird. Zudem liefern wir einen Vergleich von der realistischen SU(3)-Eichgruppe und der rechentechnisch ökonomischeren SU(2)-Eichgruppe.
Mit unseren numerischen Ergebnissen zeigen wir, dass das System hochempfindlich auf die verschiedenen Modellparameter reagiert, was das Treffen quantitativer Aussagen in dieser Formulierung deutlich erschwert, insbesondere da einige dieser Parameter rein technischer Natur sind und somit keine zugehörigen physikalisch motivierten Größen, die den Definitionsbereich einschränken könnten, vorhanden sind. Es ist jedoch möglich, die Anzahl der freien Parameter zu reduzieren, indem man ihren Einfluss auf die Gesamtenergie des Systems analysiert und sich diesen zunutze macht. Dadurch gelingt es uns mithilfe von Konturdiagrammen einige Abhängigkeiten zu definieren und somit die Unbestimmtheit des Systems einzuschränken. Des Weiteren finden wir dynamisch generierte Filamentierungen in der Ortsdarstellung der Energiedichte, die ein starkes Indiz für die Präsenz von sogenannten chromo-Weibel-Instabilitäten sind. Unsere Studie des fermionischen Einflusses auf den Isotropisierungsprozess des CGC-Systems weist auf, dass dieser bei kleiner Kopplung vernachlässigbar ist. Bei hinreichend großen Werten für die Kopplungskonstante sehen wir allerdings einen starken Effekt hinsichtlich der Isotropisierungszeiten, was ein bemerkenswertes Resultat ist.
Particle physics is living it’s golden age: petabytes of high precision data are being recorded at experimental facilities such as the Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) and the Large Hadron Collider (LHC). Despite the significant theoretical progress achieved in the last years the complete understanding of the internal structure of protons, not computable with perturbative QCD, remains as one of the most challenging unsolved problems in the physics of elementary interactions. Besides its fundamental interest, pinning down the relevant degrees of freedom and their properties, such as their spatial distribution, has profound implications in several phenomenological aspects of high-energy collisions. Currently one of the subjects undergoing intense study is the possibility that droplets of quark-gluon plasma (QGP) are being created not only in heavy ion collisions but in more dilute systems such as high-multiplicity proton-proton interactions. This is a data driven debate as it is rooted in the similar patterns observed across the different collision systems at the LHC (p+p,p+Pb and Pb+Pb) in the flow harmonic analyses: one of the golden probes of QGP formation specially sensitive to the initial collision geometry. Another domain in which the proton structure plays a central role is the description of multi-parton interactions, the mechanism that dominates the underlying event at LHC energies, in Monte Carlo event generators. All in all a precise characterization of the hadronic structure is a crucial ingredient of the physics program of the LHC.
A full characterization of a hadron would require momentum, spatial and spin information, the so-called Wigner distribution. So far obtaining this information experimentally has not been achieved. From a theoretical point of view several complications arise such as non-universality and breaking of factorization theorems. Then, in general, the description of the hadron structure relies on phenomenological tools that require theoretical modeling constrained by experimental data. The main goal of this thesis to characterize the transverse structure of the proton. For that purpose, a wide variety of phenomenological problems that are sensitive to the proton structure have been addressed.
First, elastic scattering data on proton-proton interactions constitutes a powerful probe of the geometry of the collision. A dedicated analysis of this observable focusing on the extraction of the inelasticity density from it at √s=62.5 GeV and √s=7 TeV is presented. In the TeV regime, a unexpected phenomenon, dubbed the hollowness effect, arises: the inelasticity density, a measurement of how effective is the collision producing secondary particles, reaches its maximum at non-zero impact parameter. We provide the first dynamical explanation of the hollowness effect by constructing the elastic scattering amplitude in impact parameter representation according to the Glauber model. For that purpose we relied on a composite description of the proton. More concretely, the relevant degrees of freedom that participate in the scattering process were considered to be gluonic hot spots. The probability distribution for the transverse positions of hot spots inside the proton includes repulsive short-range correlations between all pairs of hot spots controlled by an effective repulsive core rc that effectively enlarges the mean transverse separation distance between them. The main results extracted from this work are as follows. To begin with, we found that our model was not able to describe a growing behavior of the inelasticity density at zero impact parameter in the absence of non-trivial spatial correlations. However, even in the presence of correlations, the emergence of the hollowness effect couldn’t be described when the number of hot spots was smaller than 3. Both features set solid constraints in the proton structure within our model. Finally, we pinpoint the transverse diffusion of the hot spots with increasing collision energy to be the dynamical mechanism underlying the onset of the hollowness effect.
A convenient playground to test further implications of this novel geometric description of the proton are the initial state properties of high energy proton-proton interactions in the context of QGP physics. The parametrization of the geometry of the collision is mandatory in any theoretical model attempting to describe the striking experimental results that suggest collective behavior in proton-proton interactions at the LHC, such as the non-zero value of the flow harmonic coefficients (vn). A quantitative way to characterize the initial geometry anisotropy of the overlap region is to compute the spatial eccentricity moments (εn) that fluctuate on an event by event basis. For that purpose we develop a Monte Carlo Glauber event generator. A systematic investigation of the effect of non-trivial spatial correlations in the spatial eccentricity moments from ISR to LHC energies within our Monte Carlo Glauber approach is presented. We found that both the eccentricity (ε2) and the triangularity (ε3) are affected by the inclusion of short-range repulsive correlations. In particular, the correlated scenario yielded larger values of ε2(3) in ultra-central collisions while reducing them in minimum bias.
Moreover, we explore not only the eccentricities mean but their fluctuations in terms of symmetric cumulants. The experimental measurement by the CMS Collaboration at √s=13 TeV indicates a anti-correlation of v2 and v3 around the same number of tracks in the three collision systems available at the LHC. We lay out, for the first time in the literature, a particular mechanism that permits an anti-correlation of ε2 and ε3 in the highest centrality bins as dictated by data. When modeling the proton as composed by 3 gluonic hot spots, the most common assumption in the literature, we find that the inclusion of spatial correlations is indispensable to reproduce the negative sign. Further, we perform a systematic investigation of the parameter space of the model i.e. radius of the hot spot, radius of the proton, repulsive core and number of hot spots in each proton. Our results suggest that the interplay of the different scales is decisive and confirm the discriminating power of this observable on initial state models. Together with their drastic impact on the description of the hollowness effect and the absolute values of the eccentricities, the symmetric cumulant study adds evidence to the fact that the inclusion of spatial correlations between the sub nucleonic degrees of freedom of the proton modifies the initial state properties of p+p interactions at LHC energies.
Most of the elements heavier than iron are produced through neutron capture reactions in the s- and r -process. The overall path of the s-process is well understood and can be accurately reproduced in network simulations. However, there are still some neutron capture reactions of unstable nuclei involved in the s-process, which were not yet measured due to the difficulty in producing suitable targets. In those cases, theoretical models have to be used to estimate the missing cross section.
One example is the branching point nucleus 86Rb, whose neutron capture cross section cannot be directly measured due to its short half life of 18.86 days. It is, however, also possible to measure its inverse, the 87Rb(g,n) reaction in order to obtain the 86Rb(n,g) cross section through the principle of detailed balance.
Natural rubidium was irradiated with a quasi-monoenergetic photon beam in the energy range between 10.7 MeV and 16 MeV in order to investigate the photo-dissociation cross section of 87Rb. The results are presented in this thesis. Not only the total cross section of 87Rb(g,n), but also the partial production cross section of the ground and isomeric state of 84Rb through the 85Rb(g,n) reaction was measured.
Not all isotopes can be reached via neutron capture reaction, and are therefore bypassed by the s- and r -process. These 35 proton-rich isotopes are called p-nuclei and are produced in the γ-process by a chain of photo-disintegration reactions in Type II supernovae. Network calculations of Type II supernova show that the γ-process can explain the production of most p-nuclei, but some – especially 92/94Mo and 96/98Ru – are heavily underproduced. While this could be the result of deficiencies in the corresponding stellar models or insufficient knowledge of the involved reaction rates, it is also possible that the missing p-nuclei are synthesized in other production scenarios.
An alternative scenario for 92Mo is the production via a chain of proton capture reactions in Type Ia supernovae. One important reaction in this chain is the 90Zr(p,g) reaction. The reaction cross section was already measured several times, but the results were inconclusive. In the present work, the 90 Zr(p,g) reaction was measured using the in-beam gamma-ray spectroscopy technique and the discrepancies between the data sets could be largely explained.
This thesis is concerned with systematic investigations of electronic noise in novel condensed matter systems. Although fluctuations are frequently considered a nuisance, that is, a disturbance limiting the accuracy of scientific measurements, in many cases they can reveal fundamental information about the inherent system dynamics. During the past decades, the study of electronic fluctuations has evolved into an indispensable tool in condensed matter physics.
The focus of the present work lies both in a further development of the fluctuation spectroscopy technique and in the study of materials of current interest. In particular, a comprehensive study of the charge carrier dynamics in the archetypal diluted magnetic semiconductors (Ga,Mn)As and (Ga,Mn)P was performed. In spite of extensive research work carried out during the last years, there still exists no theoretical consensus on the precise mechanism of ferromagnetic order and the electronic structure in these materials. Moreover, disorder and correlation effects complicate the understanding of these compounds.
Fluctuation spectroscopy experiments presented in this work provide strong evidence that a percolation transition is observed in samples with localized charge carriers, since the normalized resistance noise magnitude displays a significant enhancement around the Curie temperature. In addition, this quantity exhibits a power law scaling behavior as a function of the resistance, which is in good agreement with theoretical models of percolating systems.
By contrast, it was found that the resistance noise in metallic samples is mainly dominated by the physics of defects such as manganese interstitials and arsenic antisites. Furthermore, first noise studies were carried out on hafnia- and yttria-based resistive random access memories. In these memristor devices, the rupture and re-formation of oxygen deficient conducting filaments caused by the electric field and Joule heating driven motion of mobile anions lead to an unusual resistance switching behavior. For the first time, comparative noise measurements on oxygen deficient and stoichiometric hafnium oxide devices, as well as on novel yttrium oxide based devices were performed in this work. Finally, new strategies for noise measurements of highly insulating and extremely low-resistive samples were developed and realized. In detail, an experimental setup for the measurements of dielectric polarization fluctuations in insulating systems was designed and successfully tested. Here, the polarization noise of a sample is measured as current or voltage fluctuations produced within a capacitance cell. The study of dielectric polarization noise allows for conclusions to be drawn regarding equilibrium structural dynamics in insulators such as relaxor ferroelectrics. On the other hand, as successfully demonstrated for a heavy-fermion compound, focused ion beam etching enables to introduce a meander-shaped geometry in single crystal platelets, in order to strongly enhance the sample resistance and thus make resistance noise measurements possible. First results indicate a connection of the noise properties with the Kondo effect in the investigated material.
Crystal growth and characterization of cerium- and ytterbium-based quantum critical materials
(2018)
In der Festkörperphysik werden heutzutage Themen wie Supraleitung, Magnetismus und Quantenkritikalität sowohl von experimenteller als auch von theoretischer Seite stark untersucht. Quantenkritikalität und Quantenphasenübergänge können in Systemen erforscht werden, für welche ein Kontroll Parameter existiert, durch den z.B. eine magnetische Ordnung soweit unterdrückt wird, bis der Phasenübergang bei Null Kelvin, bei einem quantenkritischen Punkt (QCP), stattfindet. Vorzugsweise wird quantenkritisches Verhalten an Einkristallen untersucht, da diese in sehr reiner Qualität gezüchtet werden können und da deren gemessenen physikalischen Eigenschaften ausschließlich intrinsisch sind und nicht durch Verunreinigungseffekte überlagert werden. Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag auf der Züchtung von Einkristallen und der Charakterisierung von Materialien, die quantenkritische Phänomene aufweisen. Als Ausgangsstoffe dienten dabei Elemente höchstmöglicher Reinheit. Es wurden die Serie YbNi4(P1-xAsx)2 mit einem ferromagnetischen QCP bei x=0,1, die Verbindung YbRh2Si2 mit einem feldinduzierten QCP bei Bcrit = 60mT und die Serie Ce(Ru1-xFex)PO mit einem QCP bei x = 0,86 untersucht. Für alle Verbindungen wurde das Züchtungsverfahren entwickelt, dann wurden Einkristalle gezüchtet und charakterisiert. Die Züchtung wurde zum einen mittels der Bridgman-Methode, zum anderen mit der Czochralski Methode durchgeführt. Neben struktureller und chemischer Charakterisierung der Einkristalle mittels Röntgen-Pulverdiffraktometrie, Laue-Methode und Energie-dispersiver Röntgen-Spektroskopie, wurden auch deren spezifische Wärme, elektrischer Widerstand und Magnetisierung im Temperaturbereich 1,8 – 300 K untersucht. Im weiteren Verlauf wurden die Kristalle in verschiedenen Kooperationen untersucht und bis in den Tieftemperatur- Bereich (20 mK), bei YbRh2Si2 bis in den Submillikelvin-Bereich, charakterisiert. Ausserdem wurden im Rahmen dieser Dissertation Einkristalle weiterer antiferromagnetischer Verbindungen SmRh2Si2, GdRh2Si2, GdIr2Si2, HoRh2Si2 und HoIr2Si2 gezüchtet. Bei diesen Verbindungen stand die Untersuchung elektronischer Oberflächenzustände mittels winkelaufgelöster Photoemissionsspektroskopie im Vordergrund.
Quantum chromodynamics (QCD) is the theory of the strong interaction between quarks and gluons. Due to Confinement, at lower energies quarks and gluons are bound into colorless states called hadrons. QCD is also asymptotically free, i.e. at large energies or densities it enters a deconfined state, termed quark-gluon plasma (QGP), where quarks and gluons are quasi-free. This transition occurs at an energy scale around 200 MeV where QCD cannot be treated perturbatively. Instead it can be formulated on a space-time grid. The resulting theory, lattice quantum chromodynamics (LQCD), can be simulated efficiently on high performance parallel-computing clusters. In recent years graphic processing units (GPUs), which outperform CPUs in terms of parallel-computing and memory bandwidth capabilities, became very popular for LQCD computations. In this work the QCD deconfinement transition is studied using CL2QCD, a LQCD application that runs efficiently on GPUs. Furthermore, CL2QCD is extended by a Rational Hybrid Monte Carlo algorithm for Wilson fermions to allow for simulations of an odd number of quark flavors.
Due to the sign-problem LQCD simulations are restricted to zero or very small baryon densities, where, in the limit of infinite quark mass QCD has a first order deconfinement phase transition associated to the breaking of the global centre symmetry. Including dynamical quarks breaks this symmetry explicitly. Lowering their mass weakens the first order transition until it terminates in a second order Z2 point. Beyond this point the transition is merely an analytic crossover. As the lattice spacing is decreased, the reduction of discretization errors causes the region of first order transitions to expand towards lower masses. In this work the deconfinement critical point with 2 and 3 flavors of standard Wilson fermions is studied. To this end several kappa values are simulated on temporal lattice extents 6,8,10 (4) for two flavors (three flavors) and various aspect ratios (spatial lattice extent / temporal lattice extent) so as to extrapolate to the thermodynamic limit, applying finite size scaling. For two flavors an estimate is done if and when a continuum extrapolation is possible.
The chiral and deconfinement phase transitions at zero density for light and heavy quarks, respectively, have analytic continuations to purely imaginary chemical potential, where no sign-problem exists and LQCD simulations can be applied. At some critical value of the imaginary chemical potential, the transitions meet the endpoint of the Roberge-Weiss transition between adjacent Z3 sectors. For light and heavy quarks the transition lines meet in a triple point, while for intermediate masses they meet in a second order point. At the boundary between these regimes the junction is a tricritical point, as shown in studies with two and three flavors of staggered and Wilson quarks on lattices with a temporal lattice extent of 4. Employing finite size scaling the nature of this point as a function of the quark mass is studied in this work for two flavors of Wilson fermions with a temporal lattice extent of 6. Of particular interest is the change of the location of tricritical points compared to an earlier study on lattices with temporal extent of 4.
The central goal of this investigation is to describe the dynamic reaction of a multicellular tumour spheroid to treatment with radiotherapy. A focus will be on the triggered dynamic cell cycle reaction in the spheroid and how it can be employed within fractionated radiation schedules.
An agent-based model for cancer cells is employed which features inherent cell cycle progression and reactions to environmental conditions. Cells are represented spatially by a weighted, dynamic and kinetic Voronoi/Delaunay model which also provides for the identification of cells in contact within the multicellular aggregate. Force-based interaction between cells will lead to rearrangement in response to proliferation and can induce cell quiescence via a mechanism of pressure-induced contact inhibition. The evolution of glucose and oxygen concentration inside the tumour spheroid is tracked in a diffusion solver in correspondence to in vitro or in vivo boundary conditions and a corresponding local nutrient uptake by single cells.
Radiation effects are implemented based on the measured single cell survival in the linear-quadratic model. The survival probability will be affected by the radiosensitivity of the current cycle phase and the local oxygen concentration. Quiescent cells will reduce the effective dose they receive as a consequence of their increased radioresistance. The radiation model includes a fast response to fatal DNA damage through cell apoptosis and a slow response via cell loss due to misrepair during the radiation-induced G2-block.
A simplified model for drug delivery in chemotherapy is implemented.
The model can describe the growth dynamics of spheroids in accordance to experimental data, including total number of cells, histological structure and cell cycle distribution. Investigations of possible mechanisms for growth saturation reveal a critical dependence of tumour growth on the shedding rate of cells from the surface.
In response to a dose of irradiation, a synchronisation of the cell cycle progression within the tumour is observed. This will lead to cyclic changes in the overall radiation sensitivity of the tumour which are quantified using an enhancement measure in comparison to the expected radiosensitivity of he tumour. A transient strong peak in radiosensitivity enhancement is observed after administration of irradiation. Mechanisms which influence the peak timing and development are systematically investigated, revealing quiescence and reactivation of cells to be a central mechanism for the enhancement.
Direct redistribution of cells due to different survival in cell cycle phases, re-activation of quiescent cells in response to radiation-induced cell death and blocking of DNA damaged cells at the G2/M checkpoint are identified as the main mechanisms which contribute to a synchronisation and determine the radiosensitivity increase. A typical time scale for the development of radiosensitivity and the relaxation of tumours to a steady-state after irradiation is identified, which is related to the typical total cell cycle time.
A range of clinical radiotherapy schedules is tested for their performance within the simulation and a systematic comparison with alternative delivery schedules is performed, in order to identify schedules which can most effectively employ the described transient enhancement effects. In response to high-dose schedules, a dissolution of the tumour spheroid into smaller aggregates can be observed which is a result of the loss of integrity in the spheroid that is associated with high cell death via apoptosis. Fractionated irradiation of spheroids with constant dose per time unit but different inter-fraction times clearly reveals optimal time-intervals for radiation, which are directly related to the enhancement response of the tumour.
In order to test the use of triggered enhancement effects in tumours, combinations of trigger- and effector doses are examined for their performance in specific treatment regimens. Furthermore, the automatic identification and triggering in response to high enhancement periods in the tumour is analysed.
While triggered schedules and automatic schedules both yield a higher treatment efficiency in comparison to conventional schedules, treatment optimisation is a revealed to be a global problem, which cannot be sufficiently solved using local optimisation only.
The spatio-temporal dynamics of hypoxia in the tumour are studied in response to irradiation. Microscopic, diffusion-induced reoxygenation dynamics are demonstrated to be on a typical time-scale which is in the order of fractionation intervals. Neoadjuvant chemotherapy with hydroxyurea can yield a drastic improvement of radiosensitivity via cell cycle synchronisation and specific toxicity against radioresistant S-phase cells.
The model makes clear predictions of radiation schedules which are especially effective as a result of triggered cell cycle-based radiosensitivity enhancement. Division of radiation into trigger and effector doses is highly effective and especially suited to be combined with adjuvant chemotherapy in order to limit regrowth of cells.
Für das bessere Verständnis der Nukleosynthese der schweren Elemente im s-Prozess wurde im Rahmen dieser Arbeit die Messung zur Bestimmung der Neutroneneinfangsreaktion von 83Kr durchgeführt. Als Messinstrument wurde DANCE am LANL verwendet, ein 4pi-Kalorimeter zur Detektion der entstehenden g-Kaskaden bei (n,g)-Reaktionen. Darüber hinaus wurden außerdem noch Proben mit 85Kr und 86Kr vermessen.
Die Herausforderung an diesem Experiment bestand vor allem in der Probenherstellung. Das Edelgas Kr erforderte eine Neukonstruktion der normalerweise bei DANCE verwendeten Probenhalterung. Das Hauptaugenmerk lag auf der Maximierung der Kr-Exposition durch den Neutronenstrahl. Im Gegenzug wurde versucht das umgebende Material nach Möglichkeit keinen Neutronen auszusetzen. Für die Isotope 83,86Kr wurden Hochdruckgaskugeln verwendet, die an der Goethe-Universität Frankfurt gefüllt und in eine der neuen Probenhalterungen eingesetzt wurden. Zur Beachtung des bei der Messung entstehenden Untergrundes wurde eine Messung mit baugleicher Probenhalterung und leerer Gaskugel durchgeführt. Da bereits kleine Mengen 85Kr eine hohe Radioaktivität aufweisen, wurde eine in einen Stahlzylinder eingeschweißte, existierende Quelle verwendet.
Bei der Analyse zu 86Kr wurde schnell eine zu starke Verunreinigung der Kr-Probe mit Xe offensichtlich, einen signifikanten Anteil des Spektrums ausmachte. Aus diesem Grund kam es vor allem zu Problemen den korrekten Untergrund von den 86Kr Messdaten zu subtrahieren. Die weitere Bestimmung inklusive Streukorrekturen, Normierung anhand des Flussmonitors und DICEBOX/GEANT3 Effizienzbestimmung lieferte zwar einen energieabhängigen Wirkungsquerschnitt, dieser zeigte allerdings große Abweichungen von den evaluierten ENDF/B-VII.1 Daten, was besonders ersichtlich in der deutlichsten 86Kr Resonanz bei 5515 eV zu erkennen war. Aus diesem Grund konnte aus den Messdaten kein MACS extrahiert werden.
Bei einer Untersuchung der Aktivität der 85Kr-Probe mit Hilfe der einzelnen BaF2-Detektoren in der DANCE Kugel zeigte sich zunächst eine um fast einen Faktor vier geringere Aktivität als vom Hersteller angegeben. Auch bei der weiteren Analyse traten massive Untergrundprobleme auf. Die Form des Stahlzylinders, in dem das Kr-Gasgemisch eingeschweißt war, konnte aufgrund seiner Form nur schwer im Strahlrohr untergebracht werden. Beim Experiment selbst zeigte sich dann, dass Teile der Halterung vom Neutronenstrahl getroffen wurden, was einen Untergrund mit sehr hohem Q-Wert erzeugte, der nicht durch ein Esum Fenster entfernt werden konnte. Durch eine Beschädigung der Halterung mit der Probe kam es darüber hinaus zu Abweichungen mit der verwendeten Leerhalterung. All das führte trotz einer langen Messzeit von fast 18 d dazu, dass nur ein sehr schwaches Signal von der eigentlichen Kr-Probe zu erkennen war. Es wurde eine mögliche 85Kr Resonanz bei 675 eV gefunden, allerdings ist die endgültige Zuordnung aufgrund der nicht eindeutigen Untergrundsituation äußerst schwierig. Im Vorfeld des Kr-Experimentes wurde eine Messung von RbCl an DANCE durchgeführt, da ursprünglich zu erwarten war, dass bereits ein Teil des 85Kr zu 85Rb zerfallen war. Durch diese Messung sollte dieser Anteil leicht von der späteren Messung zu subtrahieren sein. Allerdings trat ein unerwartetes Problem während der Datenaufnahme auf. Die Verbindung der DAQ Boards wurde getrennt, wodurch ca. 3/4 der Detektoren nicht mehr zeitsynchron liefen. Im Zuge dieser Arbeit wurde eine Rekonstruktion dieser Daten angestrebt. Durch Modifikationen am FARE Code, der zur Auswertung verwendet wurde, konnte Flugzeitspektren für jeden Beschleunigerpuls erzeugt werden. Es zeigte sich zunächst ein offensichtlicher Trend einer Verschiebung der getrennten Boards zu späteren Zeiten. Durch mehrere Fits an die Abweichungsverteilung und anschließende Korrektur konnte zunächst ein Spektrum wiederhergestellt werden, das vergleichbar mit den unbeschädigten Daten war. Bei einer detaillierten Analyse dieser neu gewonnen Daten zeigte sich jedoch eine Nichtlinearität in der Zeitverschiebung. Dies resultierte letztlich in einer Korrektur des Spektrums, allerdings nicht in einem Koinzidenzfenster von 10 ns, das für eine Wirkungsquerschnittsanalyse notwendig ist. Es wurde geschlussfolgert, dass durch die geringe Statistik in den einzelnen Flugzeitspektren solch eine Genauigkeit nicht zu erreichen ist.
Die Messung des Neutroneneinfangsquerschnitts von 83Kr konnte im Zuge dieser Arbeit erfolgreich durchgeführt werden. Es wurden zwei Messungen mit verschiedenen Strömen kombiniert. Eine Messung mit 40 µA wurde durchgeführt, um Pile-Up in der größten Resonanz bei 28 eV zu reduzieren. Die zweite Messung diente dann dem Sammeln von ausreichend Statistik in den nicht resonanten Bereichen. Die eingesetzte Leerkugel erlaubte eine saubere Subtraktion des Untergrundes von Probenhalterung, Gaskugel und Umgebung. Für die Skalierung der Messergebnisse wurde eine weitere Messung mit einer 5000 Å dicken Goldfolie durchgeführt. Zur Bestimmung der Detektoreffizienz konnten zunächst die durch den Neutroneneinfang entstandenen Abregungskaskaden der 84Kr Kerne mit DICEBOX modelliert werden. Diese Kaskaden wurden dann anschließend in GEANT3 Simulationen verwendet, um die Effizienz bestimmen zu können. Mit diesen Methoden erhielt man die Maxwell-gemittelten Wirkungsquerschnitte von kT = 5 keV - 100 keV. Bei der für den s-Prozess wichtigen Temperatur von kT = 30 keV wurde der Querschnitt bestimmt zu: MACS (30 keV) = (256,6 +- 14,2 (stat) +- 18,1(sys)) mb.
Dieser Wert ist in guter Übereinstimmung mit dem in der KADoNIS v0.3 Datenbank angegebenen Wert von MACS;KADoNIS (30 keV) = (243 +- 15) mb. Mit den so gewonnenen Wirkungsquerschnitten wurden außerdem die Reaktionsraten berechnet. Bei den anschließenden Netzwerkrechnungen mit dem Programm NETZ wurden die Auswirkungen der in dieser Arbeit gewonnenen Wirkungsquerschnitte im Vergleich zu den KADoNIS v0.3 Werten betrachtet. Dabei zeigte sich eine leicht erhöhte Produktion der stabilen Isotope 84Kr, 86Kr, 85Rb und 87Rb, sowie eine leichte Unterproduktion der stabilen Isotope 86-88Sr in der Hauptkomponente des s-Prozess. Ein ähnliches Bild zeigte sich in der He-Brennphase der schwachen Komponente. Der in dieser Arbeit gemessene Wirkungsquerschnitt bei hohen Temperaturen ist geringer als der in KADoNIS v0.3 angegebene, weswegen es bei der Simulation mit NETZ zu einer stark erhöhten Produktion von 83Kr in der C-Brennphase kommt.
Compact objects - black holes and neutron stars - are fascinating objects, not only for the astrophysicists, but for a wide range of researchers, including astronomers, theoretical physicists, particle and nuclear physicists, condensed matter physicists and arguably for the layman as well.
First theorized in the first part of the twentieth century, for a long time these objects have been considered just exotic ideas or mathematical curiosities. Pulsar were however detected in the late 1960s and readily identified as rotating, radiating neutron stars, while the first candidate black hole, Cygnus X-1, was observed in 1972. Since then the interest in these objects has steadily grown.
The reasons behind this interest are easily understood considering that compact object dwell at the intersection of many different areas of physics, and are ideal laboratories to explore the interplay between these areas.
Black holes, which are purely gravitational objects, are perfectly suited to study the nature of gravity, its manifestations such as gravitational waves, and the differences between various theories of gravity in the regime where they are expected to be most relevant, i.e. the strong field regime. However, just like any massive astrophysical object, black holes are interested by accretion phenomena, which are thought to be the power source of some very bright astrophysical emitters of electromagnetic signals, such as active galactic nuclei or X-ray binaries.
At the same time, black holes exist in a variety of different mass scales, from stellar mass to supermassive black holes billions of times heavier. The latter play a very important and yet not fully understood role in the formation and evolution of galaxies, as well as in shaping the large scale structure of the universe, making them relevant to cosmology as well.
Neutron stars share with black holes the characteristic of being gravitationally dominated systems; but because they are composed of baryon matter, they display a much richer behaviour. It has been realized early on that the matter in neutron star cores reaches extreme densities, exceeding the one in atomic nuclei. This means that neutron stars could provide invaluable information on the behaviour of matter in such extreme conditions (which are impossible to achieve in laboratory experiments), such as details of the nucleonic interaction, the properties of hyperons or of quark-gluon plasmas.
...
The mission of the Compressed Baryonic Matter (CBM) experiment is to investigate the phase diagram of strongly interacting matter in the region of high net-baryon densities and moderate temperatures. According to various transport models, matter densities of more than 5 times saturation density can be reached in collisions between gold nuclei at beam energies between 5 and 11 GeV per nucleon, which will be available at FAIR. The core detector of the CBM experiment is the Silicon Tracking System (STS), which is used to measure the tracks of up to 700 particles per collision with high efficiency (>95%) and good momentum resolution (<1.5%). The technological and experimental challenge is to realize a detector system with very low material budget, in order to reduce multiple scattering of the particles, and a free-streaming data readout chain, in order to achieve reaction rates up to 10 MHz together with an online event reconstruction and selection.
The STS comprises 8 tracking stations positioned between 30 cm and 100 cm downstream the target inside a magnetic field, covering polar emission angles up to 25 degrees. A station consists of vertical structures with increasing number (between 8 and 16, depending on station number), each structure carrying between 2 and 10 double-sided microstrip silicon sensors, which are connected through low-mass microcables to the readout electronics placed at the detector periphery outside the active detector area.
The work presented in this thesis focuses on the detector performance simulation and local hit pattern reconstruction in the STS. For efficient detector design and reconstruction performance, a reliable detector response model is of utmost importance. Within this work, a realistic detector response model was designed and implemented in the CBM software framework. The model includes non-uniform energy loss of an incident particle within a sensor, electric field of a planar p-n junction, Lorentz shift of the charge carriers, their diffusion, and the influence of parasitic capacitances. The developed model has been verified with experimental data from detector tests in a relativistic proton beam. Cluster size distributions at different beam incident angles are sensitive to charge sharing effects and were chosen as an observable for the verification. Taking into account parasitic capacitances further improves the agreement with measured data.
Using the developed detector response model, the cluster position finding algorithm was improved. For two-strip clusters, a new, unbiased algorithm has been developed, which gives smaller residuals than the Centre-Of-Gravity algorithm. For larger clusters, the head-tail algorithm is used as the default one. For an estimate of the track parameters, the Kalman Filter based track fit requires not only hit positions but their uncertainties as an input. A new analytic method to estimate the hit position errors has been designed in this work. It requires as input neither measured spatial resolution nor information about an incident particle track. The method includes all the sources of uncertainties independently, namely: the cluster position finding algorithm itself, the non-uniform energy loss of incident particles, the electronics noise, and the discretisation of charge in the readout chip.
The verification with simulations shows improvements in hit and track pull distributions as well as x²-distributions in comparison to the previous simple approach. The analytic method improves the track parameters reconstruction by 5-10%.
Several STS module prototypes have been tested in a relativistic proton beam. A signal to-noise ratio was obtained at the level of 10-15 for modules made of 30 cm long microcable and of either one or two 6.2 x 6.2 cm² CiS sensors.
First simulations have shown that this signal-to-noise ratio is sufficient to reach the required efficiency and momentum resolution. The high-radiation environment of CBM operation will deteriorate the sensor performance. Radiation hardness of sensors has been studied in the beam with sensors irradiated to 2 x 10[hoch 14] 1MeV [neq/cm²], twice the lifetime dose expected for CBM operation. Charge collection efficiency drops by 17-25%, and simultaneously noise levels increase 1.5-1.75 times. The simulations show that if all sensors in the STS setup are exposed to such a fluence uniformly, the track reconstruction efficiency drops from 95.5% to 93.2% and the momentum resolution degrades from 1.6% to 1.7%.
Most of the elements in the universe are produced via charged-particle fusion reactions during the primordial nucleosynthesis and different stellar burning stages, as well as via neutron-capture reactions. Around 35 heavy, proton-rich isotopes are bypassed by those reaction paths, the p nuclei. A series of photo-disintegration reactions occurring in supernovae, called the γ process, was suggested as a mechanisms to produce the p nuclei. Numerical simulations of the γ process have been unable to reproduce the observed abundances of the light p isotopes. Recent models showed that a series of proton capture reactions could provide the observed abundances. Hence, the cross sections of the crucial capture reactions have to be measured in order to test those assumptions.
Radiative proton captures in addition to the γ-process could reproduce the observed abundance pattern. This thesis presents preparations of a proton capture measurement on the radioactive 91Nb in standard kinematics with a calorimetric 4π setup. The 91Nb(p,γ)92Mo reaction might be the key to explain the production of one of the most abundant p-nuclei, 92Mo. So far, no experimental data for this reaction is available.
We produced a sample of 91Nb, with a half-life of 680 yr, at the Physikalisch Technische Bundesanstalt in Braunschweig, Germany, by irradiating 92Mo with protons in the energy range of 12 – 20MeV. 91Nb was produced via the reaction 92Mo(p,2p)91Nb and via 92Mo(p,pn)91Mo, where 91Mo decays to 91Nb with a half-life of 15.5min. To predict the amount of produced 91Nb the cross section of 92Mo(p, 2p) was measured. It was found to be higher than the value given by theoretical calculations with TALYS. Finally, 91Nb was chemically separated from the molybdenum carried at Paul-Scherrer- Institut, Villigen, Switzerland.
In-beam total absorption cross-section measurement of the reaction 91Nb(p,γ)92Mo with 2 MeV protons at FRANZ is planed with the produced 91Nb. A 4π BaF2 detector consisting of 41 crystals will be used. During this experiment we will measure the sum energy and the multiplicity of each event. The freshly produced 91Nb constitutes only a minor component of the sample material. The sum energy and multiplicity are crucial to distinguish the desired 91Nb(p,γ) from all the other more dominant reactions. The expected multiplicity and the efficiency of the setup were carefully simulated with DICEBOX and GEANT4. It was possible to show that background reactions can be effectively suppressed. The most important background contributions could be identified and result from 92Mo(p,γ), 19F(p,γ), and 19F(p,α).
In this work the flexibility requirements of a highly renewable European electricity network that has to cover fluctuations of wind and solar power generation on different temporal and spatial scales are studied. Cost optimal ways to do so are analysed that include optimal distribution of the infrastructure, large scale transmission, storage, and dispatchable generators. In order to examine these issues, a model of increasing sophistication is built, first considering different flexibility classes of conventional generation, then adding storage, before finally considering transmission to see the effects of each.
To conclude, in this work it was shown that slowly flexible base load generators can only be used in energy systems with renewable shares of less than 50%, independent of the expansion of an interconnecting transmission network within Europe. Furthermore, for a system with a dominant fraction of renewable generation, highly flexible generators are essentially the only necessary class of backup generators. The total backup capacity can only be decreased significantly if interconnecting transmission is allowed, clearly favouring a European-wide energy network. These results are independent of the complexity level of the cost assumptions used for the models. The use of storage technologies allows to reduce the required conventional backup capacity further. This highlights the importance of including additional technologies into the energy system that provide flexibility to balance fluctuations caused by the renewable energy sources. These technologies could for example be advanced energy storage systems, interconnecting transmission in the electricity network, and hydro power plants.
It was demonstrated that a cost optimal European electricity system with almost 100% renewable generation can have total system costs comparable to today's system cost. However, this requires a very large transmission grid expansion to nine times the line volume of the present-day system. Limiting transmission increases the system cost by up to a third, however, a compromise grid with four times today's line volume already locks in most of the cost benefits. Therefore, it is very clear that by increasing the pan-European network connectivity, a cost efficient inclusion of renewable energies can be achieved, which is strongly needed to reach current climate change prevention goals.
It was also shown that a similarly cost efficient, highly renewable European electricity system can be achieved that considers a wide range of additional policy constraints and plausible changes of economic parameters.
This thesis investigates second-order relativistic hydrodynamics and transport coefficients in strongly correlated systems. Our focus is mainly on the physical conditions relevant to heavy-ion collisions, as well as compact dense stellar objects at nonzero temperatures and in strong magnetic fields.
Chapter 1 provides a brief introduction to the area of research covered by this thesis, specifically relativistic hydrodynamics and transport in hot and dense media, which occur in heavy-ion collisions and heated stellar matter.
In Chapter 2 we give a new formulation of second-order dissipative hydrodynamics for relativistic systems using Zubarev's non-equilibrium statistical operator approach. We first solve the quantum Liouville equation with an infinitesimal source term to construct a non-equilibrium statistical operator which is a non-local functional of the thermodynamic parameters and their space-time gradients. Exploiting then the gradient expansion of the statistical operator we derive transport equations for the shear stress tensor, the bulk viscous pressure and the flavour diffusion currents up to the second order in hydrodynamic gradients.
We show that the second-order corrections to the dissipative fluxes arise from (i) the quadratic terms of the Taylor expansion of the statistical operator; and (ii) the linear terms which are nonlocal in space and time. These non-local corrections generate finite relaxation time scales in the evolution of the dissipative quantities. We derive the most generic form of the transport equations which involve gradients of the dissipative fluxes, as well as products of two first-order quantities (i.e., either thermodynamic forces or dissipative fluxes). We then go on to express the first- and the second-order transport coefficients, which appear in these equations, via certain two- and three-point equilibrium correlation functions. Finally, we express the relaxation times for the dissipative fluxes via the frequency-derivatives of the corresponding first-order transport coefficients.
In Chapter 3 we compute the transport coefficients of quark matter in the strong coupling regime within the two-flavor Nambu-Jona-Lasinio model. We apply the Kubo-Zubarev formalism to obtain the thermal and the electrical conductivities as well as the shear and the bulk viscosities by evaluating the corresponding equilibrium two-point correlation functions at the leading order in the 1/N_c expansion. In this approximation the conductivities and the shear viscosity are given by single-loop skeleton diagrams, whereas the bulk viscosity includes an infinite geometrical series of multi-loop diagrams. The dispersive effects that lead to nonzero transport coefficients arise from quark-meson fluctuations above the Mott transition temperature T_M, where meson decay into two on-mass-shell quarks is kinematically allowed.
We find that the conductivities and the shear viscosity are decreasing functions of temperature and density above T_M. We also show that the Wiedemann-Franz law does not hold. The ratio of the shear viscosity to the entropy density is larger than unity close to the Mott temperature and approaches the AdS/CFT bound at higher temperatures. We conjecture on the basis of the uncertainty principle that the ratio of the thermal conductivity to the heat capacity per unit volume is bounded from below by 1/18.
The case of the bulk viscosity turns out to be special, because the multi-loop contributions dominate the single-loop contribution close to the Mott line in the case where the chiral symmetry is explicitly broken. We find that in this case only at high temperatures the one-loop contribution becomes dominant. The resulting bulk viscosity exceeds the shear viscosity close to the Mott temperature by factors 5-20 when multi-loop contributions are included. In the high-temperature domain the bulk viscosity is negligible compared to the shear viscosity. For practical applications we provide simple, but accurate fits to the transport coefficients, which can facilitate the implementation of our results in hydrodynamics codes.
In Chapter 4 we compute the electrical conductivity of finite temperature, strongly magnetized crust of a compact star which may be formed in the aftermath of a supernova explosion, binary neutron star merger, or during accretion processes in X-ray binaries. We focus on the temperature-density regime where plasma is in the liquid state and, therefore, the conductivity is dominated by the electron scattering off correlated nuclei. The dynamical screening of electron-ion interaction is implemented in terms of the polarization tensor computed in the hard-thermal-loop (HTL) effective field theory of QED plasma. The correlations of the background ionic component are accounted for via a structure factor derived from Monte Carlo simulations of one-component plasma.
With this input we solve the Boltzmann kinetic equation in relaxation time approximation taking into account the anisotropy of transport due to the magnetic field. The electrical conductivity tensor is studied numerically as a function of temperature, density, magnetic field and the crust composition in a broad parameter range. We find that the conductivity as a function of temperature attains a minimum at the transition from the degenerate to the nondegenerate regime of electrons. We also provide accurate fit formulas to our numerical results for three components of the conductivity tensor. In addition, we provide supplemental tables which can be used in dissipative magneto-hydrodynamics(MHD) simulations of warm compact stars.
We summarize our results and discuss the perspectives in Chapter 5.
The theory of strong interactions — Quantum Chromodynamics (QCD) — is well-defined mathematically. However, direct applications of this theory to experiment are rather limited due to significant technical obstacles. Even some general features of QCD remain unclear to date.
Hence, phenomenological input is important and needed for practical applications, e.g. for theoretical analysis of the heavy-ion collision experiments. In this thesis the role of hadronic interactions is studied in the hadron resonance gas (HRG) model — a popular model for the confined phase of QCD. The description of hadronic interactions is based on the famous van der Waals (VDW) equation and its quantum statistical generalization. While this is not the conventional choice for nuclear/hadronic physicspplications, the simplicity of the VDW approach makes it extremely useful.
In particular, this framework allows to include the two most basic ingredients of hadron-hadron interaction: the short-range repulsion, modeled by excluded-volume (EV) corrections, and the intermediate range attraction. The first part of the thesis considers just the repulsive EV interactions between hadrons. A hitherto unknown, but surprisingly strong sensitivity of the long known thermal fits to heavy-ion hadron yield data to the choice of hadron eigenvolumes is uncovered. It challenges the robustness of the chemical freeze-out temperature and baryochemical potential determination from the thermal fits. However, at the same time, the extracted value of the entropy per baryon is found to be a robust observable which depends weakly on this systematic uncertainty of the HRG model.
A Monte Carlo procedure to treat EV interactions in HRG is also introduced in this thesis. It allows to study simultaneous effects of EV and of exact charge conservation in HRG for the first time. Generalizations of the classical VDW equation are required for its applications in hadronic physics. he grand canonical ensemble (GCE) formulation of the classical VDW equation is presented. Remarkably, this important aspect of the VDW equation was not discovered before. The GCE formulation yields the analytic structure of the critical fluctuations, both in the vicinity of and far off the critical point. These critical fluctuations are presently actively being used as probes for the QCD critical point. Another extension is the hitherto undiscovered generalization of the VDW equation to include quantum Bose-Einstein and Fermi-Dirac statistics. It is performed for both single-component and multi-component fluids. The Fermi-Dirac VDW equation is applied for the first time. It is used to describe nucleons and basic properties of nuclear matter. The quantum statistical generalization of the VDW equation developed in this work is quite general, and can be applied for any fluid. Thus, its applications are not restricted to QCD physics, but may also find themselves in chemistry and/or industry. The quantum statistical VDW equation is used to describe baryonic interactions in full HRG. The VDW parameters $a$ and $b$ are fixed to the nuclear ground state and the predictions of the model are confronted with lattice QCD calculations. The inclusion of baryonic interactions leads to a qualitatively different behavior of the fluctuations of conserved charges in the crossover region. In many cases it resembles the lattice data. These results suggest that hadrons do not melt quickly with increasing temperature, as one could conclude on the basis of the common simple ideal HRG model. Calculations at finite chemical potentials show that the nuclear liquid-gas transition manifests itself by non-trivial fluctuations of the net baryon number in heavy ion collisions. In the final part of the thesis the pure glue initial scenario for high-energy hadron and heavy-ion collisions is explored. This scenario is shown not to spoil the existing agreement of the hadronic and electromagnetic observables description in Pb+Pb collisions at energies available at the CERN Large Hadron Collider. Hydrodynamic calculations suggest that collisions of small-sized nuclei at lower collision energies available at the BNL Relativistic Heavy Ion Collider are promising in the search for the traces of the chemically non-equilibrium gluon-dominated phase transition.
Im Weltall existieren hunderte sehr helle Objekte, die eine hohe konstante Leuchtkraft im Wellenlängenbereich von Gammastrahlung besitzen. Die konstante Leuchtkraft mancher dieser Objekte wird in regelmäßigen Abständen von starken Ausbrüchen, den sogenannten X-Ray-Bursts, unterbrochen. Hauptenergiequelle dieser X-RayBursts ist der „rapid-proton-capture“-Prozess (rp-Prozess). Dieser zeichnet sich durch eine Abfolge von (p,γ)-Reaktionen und β+-Zerfällen aus, die die charakteristischen Lichtkurven produzieren. Für viele am Prozess beteiligte Reaktionen ist der Q-Wert sehr klein, wodurch die Rate der einzelnen Reaktionen von den resonanten Einfängen in die ungebundenen Zustände dominiert wird. Die Unsicherheiten in der Beschreibung der Lichtkurve sind derzeit aufgrund fehlender kernphysikalischer Informationen von vielen am Prozess beteiligten Isotopen sehr groß. Sensitivitätsstudien zeigen, dass dabei die Unsicherheiten der 23Al(p,γ)24Si-Reaktion eine der größten Auswirkungen auf die Lichtkurve hat. Diese werden durch ungenaue und widersprüchliche Informationen zu den ungebundenen Zuständen im kurzlebigen 24Si hervorgerufen.
Um Informationen über die Kernstruktur von 24Si zu erhalten, wurde am National Superconducting Cyclotron Laboratory (NSCL), Michigan, USA, die 23Al(d,n)24Si Transferreaktion untersucht. Der in dieser Form erstmals umgesetzte Versuchsaufbau bestand aus einem Gammadetektor zur Messung der Übergangsenergien des produzierten 24Si, einem Neutronendetektor zur Messung der Winkelverteilung der emittierten Neutronen und einem Massensprektrometer zur Identifikation des produzierten Isotops. Mit diesem Aufbau, der eine Detektion der kompletten Kinematik der (d,nγ)-Reaktion ermöglichte, konnten folgende Erkentnisse gewonnen werden:
Aus der Energie der nachgewiesenen Gammas konnten die Übergänge zwischen den Kernniveaus von 24Si bestimmt und daraus die Energien der einzelnen Zustände ermittelt werden. Dabei konnte neben dem bereits bekannten gebundenen 2+-Zustand (in dieser Arbeit gemessen bei 1874 ± 2,9keV) und dem ungebundenen 2+-Zustand (3448,8 ± 4,6keV), erstmals ein weiterer ungebundener (4+,0+)-Zustand bei 3470,6 ± 6,2 keV beobachtet werden. Zusätzlich konnte die Diskrepanz, die bezüglich der Energie des ungebundenen 2+-Zustands aufgrund früherer Messungen bestand, beseitigt und die Energieunsicherheit reduziert werden.
Aus der Anzahl der nachgewiesenen Gammas konnten ebenfalls die (d,n)-Wirkungsquerschnitte in die einzelnen Zustände von 24Si bestimmt werden. Unter Verwendung der Ergebnisse von DWBA-Rechnungen konnte mithilfe dieser die spektroskopischen Faktoren berechnet werden. Für die angeregten Zustände musste dabei zwischen verschiedenen Drehimpulsüberträgen unterschieden werden. Mittels der Winkelverteilung der nachgewiesenen Neutronen konnte gezeigt werden, dass die Gewichtung anhand der theoretischen spektroskopischen Faktoren zur Berechnung der Anteile des jeweiligen Drehimpulsübertrags am gesamten Wirkungsquerschnitt für den entsprechenden Zustand gute Ergebnisse liefert. Für eine quantitative Bestimmung der spektroskopischen Faktoren der Zustände anhand der Neutronenwinkelverteilungen in 24Si war allerdings die Statistik zu gering. Für den Fall der deutlich häufiger beobachteten 22Mg(d,n)23Al-Reaktion konnte hingegen ein spektroskopischer Faktor für den 23Al-Grundzustand von 0,29 ± 0,04 bestimmt werden. Abschließend wurden die Auswirkungen der gewonnenen Erkenntnisse zur Kernstruktur von 24Si auf die Rate der 23Al(p,γ)-Reaktion untersucht. Dabei konnte aufgrund der besseren Energiebestimmung zum einen die Diskrepanz zwischen den Raten die auf Grundlage der beiden früheren Untersuchungen berechnet wurden und bis zu einem Faktor von 20 voneinander abweichen, beseitigt werden. Zum anderen konnte aufgrund der kleineren Unsicherheit in der Energiebestimmung der Fehlerbereich der Rate verkleinert werden. Die Untersuchungen zeigen, dass die Unsicherheit in der neuen Rate von der Ungenauigkeit der Massenbestimmung der beiden beteiligten Isotope und damit dem Q-Wert der Reaktion dominiert wird. Durch eine bessere Bestimmung des Q-Werts könnte die Unsicherheit in der Rate aufgrund der neuen experimentellen Ergebnisse auf ein Zehntel gesenkt werden.
Zur effizienten Beschleunigung von Ionen wird meist nach deren Erzeugung in einer Ionenquelle ein Radio Frequenz Quadrupol verwendet. Die vorliegende Dissertation befasst sich mit Entwicklung, Bau und Messung des Prototyps eines neuartigen Leiter-RFQs, der bei 325 MHz betrieben wird. Der Leiter-RFQ verfügt über ein neuartiges mechanisches Design und versucht die Vorteile der beiden vorrangig im Betrieb befindlichen RFQ Typen, des 4-Rod und 4-Vane RFQs, zu verbinden. Die physikalischen Parameter sind der Spezifikation des RFQs für den geplanten Protonenlinac (p-Linac) am FAIR-Projekt an der GSI Darmstadt entnommen. Darüber hinaus wird der aktuelle Planungs- und Simulationsstand eines modulierten Prototyps mit der vollen Länge von ca. 3,5 m zur Durchführung von Strahltests dargestellt.
Die vorliegende Arbeit hat das Ziel, Plasmen koaxialer Beschleuniger in Hinblick auf die Erzeugung hoher Elektronendichten sowie als intensive UV/VUV-Backlighterquelle zu untersuchen. Hierzu wurde zunächst die Geometrie eines einzelnen Beschleunigers charakterisiert und optimiert, um die bestmöglichen Voraussetzungen für die anschließend durchgeführten Untersuchungen zur Kollision und Kompression der erzeugten Plasmen zu schaffen.
Das Funktionsprinzip des verwendeten Plasmabeschleunigers basiert auf einer Lorentzkraft, die aus dem Stromfluss zwischen zwei koaxial angeordneten Elektroden und dem damit verbundenen Magnetfeld resultiert. Da weder Stromdichte noch Magnetfeld homogen sind, wirkt auch die Lorentzkraft inhomogen auf die Plasmaschicht. Unter Einbeziehung von Simulationen wurde der Abstand zwischen den Elektroden auf 2,5 mm gesetzt, sodass die Ausprägung dieser Inhomogenität möglichst gering gehalten wird. Um ein Pinchen des Plasmas am Ende der Elektroden zu vermeiden haben die Elektroden im Gegensatz zu Plasma Focus Devices die gleiche Länge. Der mit 130 nH niederinduktive elektrische Aufbau ermöglicht die zur Ausbildung einer Plasmaschicht erforderlichen Stromanstiegsraten in der Größenordnung von 10^11 A/s.
Die Messung der Geschwindigkeit der Plasmaschicht erfolgte mit einem Array aus sechs Dioden, die gleichzeitig die Geschwindigkeitsabnahme im Rezipienten dokumentieren. Zusätzlich wurden die Messungen mit Kameraaufnahmen verglichen. Bei einer Elektrodenlänge von 100 mm konnten mit dem verwendeten Heliumgas Schichtgeschwindigkeiten von bis zu (79,49 ± 7,98) km/s erreicht werden. Die Untersuchung von Elektroden mit 200 mm Länge verfolgte das Ziel, durch die größere Beschleunigungszeit höhere Geschwindigkeiten und kinetische Energien der austretenden Plasmaschicht zu erreichen. Es zeigte sich jedoch, dass es hierbei zur Ausbildung einer zweiten Entladung und einer damit verbundenen Abbremsung des Initialplasmas kommt. Die Untersuchungen ergaben, dass die optimale Elektrodenlänge dadurch gegeben ist, dass der Austritt des Plasmas aus dem Beschleuniger zum Zeitpunkt des ersten Stromnulldurchgangs erfolgt. Für die Berechnung der optimalen Elektrodenlänge wurde ein Skalierungsgesetz gefunden, die auf experimentellen Ergebnissen und Simulationen basiert.
Mit spektroskopische Messungen der Stark-Verbreiterung der Hβ-Linie konnte die Elektronendichte des Plasmas zeit- und ortsintegriert bestimmt werden. Die hierbei erzielte Maximaldichte von (6,83 ± 0,83) · 10^15 cm^-3 wurde bei 9 kV und 70 mbar gemessen. Die nach der Boltzmann-Methode zeit- und ortsintegriert bestimmten Elektronentemperaturen bewegt sich bei etwa 1 eV.
Nach ausreichender Charakterisierung des Einzelbeschleunigers wurde das Experiment um einen zweiten, baugleichen Plasmabeschleuniger erweitert, um die planare Kollision zweier Plasmen zu untersuchen. Die maximal gemessene Elektronendichte von n max e = (1,36 ± 0,21) · 10^16 cm^-3 bei 9 kV und 70 mbar stellt im Vergleich zum Einzelplasma eine Steigerung um einen Faktor von 2,48 dar und ist mit einer Temperaturerhöhung einhergehend. Diese Elektronendichteerhöhung lässt sich nicht durch einfaches Durchdringen der Schichten erklären. Vielmehr muss es in der Kollisionszone zu Wechselwirkungsprozesse in Form von Kompression, zur Erzeugung neuer Ladungsträger oder der Kombination aus beidem kommen.
Das Spektrum im UV/VUV-Bereich weist Linien von ab 85 nm auf. Dies stellt eine Verbesserung gegenüber dem Einzelbeschleuniger dar, bei dem die hochenergetischste Spektrallinie erst bei 97 nm gemessen wurde. In der Kollisionskonfiguration mit einem Beschleunigerabstand von 30 mm steigt die integrierte Gesamtintensität des Spektrums bis 300 nm zudem um einen Faktor von etwa 5,2.
Als Alternative zur Plasmakollision wurde die Kompression des Plasmas des Einzelbeschleunigers durch unterschiedliche Trichtergeometrien untersucht. Die untersuchten Trichter der ersten und zweiten Generation unterscheiden sich im Wesentlichen im Durchmesser der kleineren Öffnung. Dieser wurde basierend auf Simulationen von 5 mm auf 0,5 mm reduziert. Die Dichtediagnostik der ersten Trichtergeneration erfolgte hierbei über Hα-Linie, da die Verbreiterung der Hβ-Linie zu stark und daher nicht mehr anwendbar war. Die Auswertung der Halbwertsbreiten der Hα-Linie führt zu Elektronendichten in der Größenordnung von bis zu 1018 cm−3 bei Spannungen von 9 kV. Diese Steigerung um 1,5 bis 2,5 Größenordnungen im Vergleich zum Einzelbeschleuniger ist deutlich höher als das Verhältnis der Flächen des initialen Plasmas bzw. dem Ende des Trichters von etwa acht.
Der Trichter mit verringerter Öffnung wurde bei 5 kV und 5 mbar vermessen, um die mechanische Belastung durch den hohen Druck gering zu halten. Die Bestimmung der Elektronendichte erfolgte durch die Verbreiterung der Kupferlinie bei 479,4 nm nach den quadratischen Stark-Effekt. Trotz der im Vergleich zur ersten Trichtergeneration reduzierten Entladungsenergie und verringertem Druck sind die gemessenen Elektronendichten ebenfalls bei bis zu 10^18 cm^-3.
Durch die Kompression des Plasmas weist das Spektrum im UV/VUV-Bereich bereits Linien ab Wellenlängen etwa 53 nm auf, wobei es unter Berücksichtigung der Transmissionsgrenze von Helium bei 50 nm denkbar ist, dass das Plasma noch niedrigere Wellenlängen emittiert.
Aufgrund der gesammelten Ergebnisse lässt sich festhalten, dass sich die Elektronendichte sowohl durch die Kollision zweier Plasmen als auch durch die Kompression in Trichtergeometrien steigern lässt. Der Verdichtungseffekt der Trichterkompression ist hierbei um ein vielfaches höher, als bei der Plasmakollision. Dies spiegelt sich auch im UV/VUV-Spektrum wider. Beide Versuchsanordnungen eignen sich als Linienstrahler, allerdings weist das Spektrum der Trichterkompression Linien deutlich höherer Anregungszustände auf.
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung sowie der strukturellen und magnetischen Charakterisierung von zwei Materialklassen von kupferbasierten zweidimensionalen Quanten-Spin-Systemen: Quadratische Gitter von Dimeren sowie geometrisch frustrierte Kagomé Gitter. In beiden Systemen werden Substitutionen vorgestellt die zu verbesserten Eigenschaften führen.
The topic of this thesis is the investigation of scalar tetraquark candidates from lattice QCD. It is motivated by a previous study originating in the twisted mass collaboration. The initial tetraquark candidate of choice is the $a_0(980)$, an isovector in the nonet of light scalars ($J^P=0^+$). This channel is still poorly understood. It displays an inverted mass hierarchy to what is expected from the conventional quark model and the $a_0(980)$ and $f_0(980)$ feature a surprising mass degeneracy. For this reasons the $a_0(980)$ is a long assumed tetraquark candidate in the literature.
We follow a methodological approach by studying the sensitivity of the scalar spectrum with fully dynamical quarks to a large basis of two-quark and four-quark creation operators. Ultimately, the candidate has to be identified in the direct vicinity of two two-particles states, which is understandably inevitable for a tetraquark candidate. To succeed in this difficult task two-meson creation operators are essential to employ in this channel. By localized four-quark operators we intend to probe the Hamiltonian on eigenstates with a closely bound four-quark structure.
Development of the timing system for the Bunch-to-Bucket transfer between the FAIR accelerators
(2017)
The FAIR project is aiming at providing high-energy beams of ions of all elements from hydrogen to uranium, antiprotons and rare isotopes with high intensities. The existing accelerator facility of GSI and the future FAIR facility employ a variety of circular accelerators like heavy ion synchrotrons (SIS18 and SIS100) and storage rings (ESR, CRYRING, CR and HESR) for the preparation of secondary beams and experiments. Bunches are required to be transferred into rf buckets among GSI and FAIR ring accelerators for different purposes. Without the proper transfer, the beam will be subject to various beam quality deterioration and even to beam losses. Hence, the proper bunch-to-bucket (B2B) transfer between two rings is of great importance for FAIR and is the topic, which has been investigated in this thesis.
These circular accelerators of GSI and FAIR have different ratios in their circumference. For example, the circumference ratio between SIS100 and SIS18 is an integer and between SIS18 and ESR is close to an integer and between CR and HESR is far away from an integer. The ring accelerators are connected via a complicated system of beam transfer lines, targets for the secondary particle production and the high energy separators mentioned above. For FAIR, not only the primary beams are required to be transferred from one ring to another, but also the secondary beams, e.g. the antiproton or rare isotope beams produced by the antiproton (pbar) target, the fragment separator (FRS) or the superconducting fragment separator (Super-FRS). An important topic for this system of accelerators is the proper transfer of beam between the different circular accelerators. Bunches of one ring must be transferred into buckets of another ring within an upper bound time constraint (e.g. 10 ms for most FAIR use cases) and with an acceptable B2B injection center mismatch +-1 degree for most FAIR use cases). Hence, a flexible FAIR B2B transfer system is required to realize the different complex B2B transfers between the FAIR rings in the future. In the focus of the system development and of this thesis is the transfer from SIS18 to SIS100, which can be tested at GSI on the transfer from SIS18 to ESR and from ESR to CRYRING. The system is based on the existing technical basis at GSI, the low-level radio frequency (LLRF) system and the FAIR control system. It coordinates with the Machine Protection System (MPS), which protects SIS100 and subsequent accelerators and experiments from damage caused by high intensity primary beams in case of malfunctioning. Besides, it indicates the beam status and the actual beam injection time for the beam instrumentation and diagnostics.
The conceptual realization of the FAIR B2B transfer system was introduced in this thesis for the first time. It achieves the most FAIR B2B transfers with a tolerable B2B injection center mismatch (e.g. +-1 degree) and within an upper bound time (e.g. 10 ms). It supports two synchronization methods, the phase shift and frequency beating methods. It is flexible to support the beam transfer between two rings with different ratios in their circumference and several B2B transfers running at the same time, e.g. the B2B transfer from SIS18 to SIS100 and at the same time the B2B transfer from ESR to CRYRING. It is capable to transfer beam of different ion species from one machine cycle to another and to transfer beams between two rings via the FRS, the pbar target and the Super-FRS. It allows various complex bucket filling pattern. In addition, it coordinates with the MPS system, which protects the SIS100 and subsequent accelerators or experiments from beam induced damage.
A list of criteria for the preservation of beam qualities during the rf frequency modulation of the phase shift method was analyzed. As an example the beam reaction on three different rf frequency modulation examples were analyzed for SIS18 beams. According to the beam dynamic analysis, there is a maximum value for the rf frequency modulation. The first derivative of the rf frequency modulation must be continuous and small enough and the second derivative must be small enough.
In addition to the analysis from the viewpoint of beam dynamics, two test setups were built. The first test setup was used to characterize the FAIR timing network – white rabbit network for the B2B transfer. In the second test setup, the firmware of the FAIR B2B transfer system was evaluated, which was running on the soft CPU, LatticeMico32, of the Scalable Control Unit - the FAIR standard Front End Controller. Besides, the boundary conditions of the different trigger scenarios of the SIS18 extraction and SIS100 injection kicker magnets were investigated. Finally, the application of the FAIR B2B transfer system for all FAIR use cases was demonstrated.
The dissertation plays a significant important role for the realization of the FAIR B2B transfer system and the further practical application of the system to all FAIR use cases.
Diese Doktorarbeit widmet sich der Untersuchung von Systemen von Quarks und der Wechselwirkung zwischen ihnen mit Hilfe von Lattice QCD. Aus Quarks zusammengesetzte Objekte heißen Hadronen. Ein bestimmter Typ von Hadronen ist das sogenannten Tetraquark. In Teilchendetektoren wie dem LHCb in der Schweiz oder Belle in Japan wurden in jüngerer Zeit Zustände gefunden, die als Kandidaten für Tetraquarks gelten. Diese Arbeit befasst sich mit der Beschreibung und Untersuchung solcher Tetraquark-Zustände. Die Systeme, um die es in dieser Arbeit hauptsächlich geht, enthalten vier Quarks unterschiedlicher Masse. Zwei Quarks wird im Großteil der Arbeit eine unendlich große Masse zugeordnet. Zwei Quarks haben eine endliche Masse. In dieser statisch-leichten Näherung ist es möglich, das Potential der schweren Quarks in Anwesenheit der leichten Quarks zu bestimmen und zu überprüfen, ob es attraktiv genug dazu ist, einen gebundenen Zustand der vier Quarks zu bilden. Dieses Vorgehen ist als Born-Oppenheimer-Approximation bekannt. Die Observable, die berechnet werden muss, ist also das Vier-Quark-Potential.
Im ersten Teil der Arbeit werden verschiedene Vier-Quark-Potentiale aufgeführt und die zugehörigen Quantenzahlen genannt. Jeder der geeigneten Kanäle wird auf seine Fähigkeit untersucht, einen gebundenen Zustand zu bilden. Eine ausführliche systematische und statistische Analyse liefert den eindeutigen Befund, dass Bindung nur für Isospin I = 0 und nichtstatistsche u- und d-Quarks möglich ist. Im Falle von I = 1 oder nichtstatistschen s- und c-Quarks ist kein gebundener Zustand zu erwarten. Schließlich wird für den Fall der u- und d-Quarks eine Extrapolation zu physikalischen Quarkmassen durchgeführt. Die Bindung wird mit abnehmender Quarkmasse stärker. Am physikalischen Punkt wird eine Bindungsenergie von −90(+43−36) MeV festgestellt. Somit wird für Quantenzahlen I(J^P) = 0(1^+) ein gebundener b̄b̄ud-Zustand postuliert. Im zweiten Teil der Arbeit wird die statisch-leichte Näherung aufgehoben. So kann der Spin der schweren Quarks einbezogen werden. Dies führt unter anderem dazu, dass B- und B* -Mesonen unterscheidbar werden. Ein Nachteil dessen, dass vier Quarks endlicher Masse verwendet werden, ist der, dass es nun nicht mehr möglich ist, das Potential der schweren Quarks in Gegenwart der leichten zu bestimmen. Stattdessen wird aus der Korrelationsfunktion des Vier-Quark-Zustands direkt die Masse bestimmt. Zur Beschreibung der schweren Quarks wird der Ansatz der Nichtrelativistischen QCD (NRQCD) gewählt. Es wird der aus dem ersten Teil bekannte gebundene b̄b̄ud-Zustand mit Quantenzahlen I(J^P) = 0(1^+) weiter untersucht. Wir nehmen an, dass die Quantenzahlen durch ein BB*-Molekül realisiert werden. Wir bestimmen mithilfe des generalisierten Eigenwertproblems (GEP) den Grundzustand. Die Masse des Grundzustands ist ein Hinweis auf die Existenz eines gebundenen Zustands. Insgesamt bekräftigt der Befund das im ersten Teil der Arbeit gefundene Resultat, die Vorhersage eines bisher nicht gemessenen Tetraquark-Zustandes, qualitativ. Im dritten Teil der Arbeit geht es um Vier-Quark-Systeme, die ein schweres Quark und ein schweres Antiquark sowie ein leichteres Quark und ein leichteres Antiquark enthalten. Neben einem gebundenen Vier-Quark-Zustand ist u.a. die Bildung eines Bottomonium-und-Pion-Zustands möglich. Dies macht die theoretische Beschreibung dieses Systems ungleich schwieriger als die Beschreibung des im ersten und zweiten Teil der Arbeit untersuchten Systems. Seine experimentelle Untersuchung hingegen ist weniger aufwändig. So wurden bereits Kandidaten für einen solchen Zustand gemessen: Z_b(10610) und Z_b(10650). Zunächst wird ein Szenario beschrieben, in welcher Reihenfolge die zu den verschiedenen Strukturen gehörenden Potentiale vorliegen. So handelt es sich bei dem Grundzustandspotential des Systems um das Potential eines unangeregten Bottomonium-Zustands mit einem Pion in Ruhe. Darüber liegen zahlreiche Bottomonium-Zustände mit Pionen mit endlichem Impuls. Inmitten dieser Potentiale liegt gegebenenfalls das gesuchte Tetraquark-Potential. Ziel ist, einen Weg zu finden, die Bottomonium-und-Pion-Potentiale und das Tetraquark-Potential voneinander zu unterscheiden. Im ersten Schritt wird der Bottomonium-und-Pion-Grundzustand mithilfe des GEP aus dem System entfernt. Der erste angeregte Zustand ist im Anschluss daran weitgehend frei von Einflüssen des Grundzustands. Man findet, dass das Potential des ersten angeregten Zustandes attraktiv ist, sodass die Bildung eines Tetraquark-Zustandes nicht ausgeschlossen ist. Um den ersten angeregten Zustand weiter zu untersuchen, wird ein quantenmechanisches Modell verwendet, das die Volumenabhängigkeit des Überlapp eines Testzustands mit den verschiedenen Strukturen beschreibt. Es damit prinzipiell möglich, unter Zuhilfenahme mehrerer Gittervolumina eine Aussage über die Struktur des ersten angeregten Zustands zu treffen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden neue Ansätze zur Optimierung eines Alvarez Beschleunigers für Schwerionen untersucht. Dabei dient die Alvarez-Sektion des GSI UNILAC als Untersuchungsfeld, da für den Injektionsbetrieb für FAIR eine Erneuerung dieser Sektion erforderlich ist. Dies wird durch einen neuen und optimierten Alvarez-Beschleuniger gewährleistet, wobei Effizienz und Feldstabilität sowie hohe Verfügbarkeit eine wichtige Rolle spielen. Dazu wurden im Rahmen dieser Arbeit wichtige Simulationsrechnungen durchgeführt, ein Messaufbau zum experimentellen Test eines neuartigen Konzepts zur Feld-Stabilisierung ausgelegt, in Betrieb genommen und anhand von Messungen an einem speziell dafür entwickelten Resonatormodell verifiziert.
Ziel dieser Arbeit war es die experimentelle Demonstration des neuen Konzepts zur Feldstabilisierung eines Resonators. Es sollte geprüft werden, ob die zuvor durchgeführten Simulationen die realen Felder hinreichend zuverlässig vorhersagen. Diese experimentelle Prüfung ist angesichts der sehr hohen Baukosten eines realen Resonators von mehreren Millionen Euro unerlässlich. Vor Beginn dieser Arbeit war ein geeigneter Messaufbau, d.h. im Wesentlichen ein dediziertes Resonator-Modell, nicht verfügbar. Es galt ein Modell zu entwickeln, dessen Geometrie seht gut durch Simulationen modelliert werden kann, dessen Aufbau es aber trotzdem gestattet, eben diese Geometrie lokal zu variieren, um den angestrebten Effekt der Feld-Stabilisierung zu erreichen.
Aufgrund von Fertigungs- sowie Justage-Toleranzen gibt es Störungen der Feldhomogenität auf der Strahl- bzw. Resonatorachse. Die Feldhomogenität quantifiziert die Fluktuationen der tatsächlichen Feldstärke bezüglich des Idealwertes. Ein perfekt homogenes Feld weist keine Abweichungen auf. Bei einer lokalen Störung ist die Feldveränderung am Ort der Störung maximal und verringert sich mit dem Abstand von dieser. Es entsteht eine Verkippung des Feldes. Die Feldverkippung ist definiert als die durch die Störung verursachte Feldabweichung normiert auf die ungestörte Feldverteilung sowie auf die damit verbundene Änderung der Modenfrequenz. Letztere wird mit Tauchkolben kompensiert; die Feldhomogenität allerdings kann nicht wieder hergestellt werden. Die Feldhomogenität muss durch eine andere Maßnahme sichergestellt werden. Bei Alvarez-Kavitäten mit einem Tankradius R < 0,4m werden „post-coupler“ eingesetzt. Post-coupler sind dünne zylinderförmige Kupferstangen die seitlich an die Driftröhren herangefahren werden und an die Resonanzmode des Beschleunigers koppeln. Gleichzeitig wird die Sensibilität auf Störungen im Tank verringert, sodass die homogene Feldverteilung auch bei Störungen gut erhalten bleibt. Bei Beschleunigerstrukturen mit größeren Tankradien werden die post-coupler zu lang und erfordern einen zu großen Aufwand in der Konstruktion. In dieser Arbeit wurde eine alternative Methode für die Stabilisierung der Feldverteilung untersucht, welche die Winkelposition der Driftröhrenstützen nutzt.
Der in dieser Arbeit realisierte Resonator erlaubt die freie Einstellung der Winkel der Stützen sowie die exakte Justage der Driftröhren auf der Strahlachse. Es wurde ein Aluminium-Modell im Maßstab 1:3 zum realen Alvarez-Resonator gebaut. Dieser hatte zunächst eine Länge von ∼ 525mm und neun Driftröhren. Das Modell ist mit einem Profil der Geschwindigkeit der zu beschleunigenden Ionen ausgestattet, sodass die Driftröhren sowie die Spaltabstände entlang des Resonators länger werden. Mittels Simulationen wurden diverse Stützenkonfigurationen ausgewählt, die in den Messungen getestet wurden.
Mit dem Modell konnte gezeigt werden, dass bei bestimmten Stützenanordnungen die nächst höheren Moden weiter von der Betriebsmode entfernt werden können. Die besten Ergebnisse lieferte die Stützenkonfiguration mit fünf nach unten und vier nach oben orientierten Stützenpaaren (V-Stützen-Konfiguration 5+4). Hier liegt die nächst höhere Mode in den Messungen um mehr als 160MHz von der Grundfrequenz (326,7MHz) entfernt (Vergleich originale V-Stützen-Konfiguration: nächste Mode liegt 88MHz von der Grundmode entfernt). Wichtig ist die Eigenschaft der Modenseparation vor allem für den realen Einsatz der Kavität, da hier die Moden nur um wenige MHz voneinander entfernt liegen und dies zu Störungen im Betrieb des Resonators bei hoher HF-Leistung führen kann. Bei ungenügender Modenseparation wird die eingekoppelte HF-Leistung vom Resonator reflektiert. Mitunter können die erforderlichen Felder der Betriebsmode nicht erzeugt werden.
Im Falle einer Feldverkippung stimmt die reale Ionengeschwindigkeit entlang des Tanks nicht mehr mit der bei der Auslegung angenommenen überein. Das führt zu einer Verringerung der longitudinalen Strahlqualität bezüglich der erreichbaren Energieschärfe.
Zur systematischen Prüfung der Methode zur Feldstabilisierung wurden definierte Störungen in den Tank eingebaut. Die erste Driftröhre wurde jeweils um 1, 2 und 3mm verlängert. Da die Zahl der Zellen zu gering war für die statistisch signifikante Feldverkippungs-Messung, musste das Modell auf 21 Spalte erweitert werden. Die besten Ergebnisse bzgl. Feld-Stabilisierung lieferte die V-Stützen-Konfiguration 7+7+6. Hier bleibt das Feld trotz Störstelle homogen. Die Feldverkippung kann auf weniger als die Hälfte derjenigen der originalen V-Stützen-Konfiguration reduziert werden. Für den Fall der originalen Stützenkonfiguration erzeugt die oben beschriebene Störung eine Abweichung der Feldhomogenität von ±28%. Mit der in dieser Arbeit optimierten Stützenkonfiguration verändert sich die Feldhomogenität nur um ±9%.
Die Methode zur Feldstabilisierung mit einer optimierten Stützenanordnung ohne den Einsatz von post-couplern konnte am Modell gezeigt werden. Weiterhin wurde eine bessere Effizienz mit Zunahme der Tanklänge verifiziert. Im realen Alvarez-Tank wird die Anzahl der Spalte um einen Faktor 3 größer sein. Damit ergeben sich durch die erhöhte Anzahl zur Verfügung stehenden Stützen zusätzliche Konfigurationen, um eine Feldhomogenität von besser als ±1% zu gewährleisten.
Auf der Basis dieser Untersuchungen ist bei GSI der Bau einer zunächst ca. 2m langen Sektion des neuen Alvarez-DTL mit 11 Driftröhren vorgesehen. Dabei werden Flansche für verschiedene Stützenkonfigurationen integriert. Ziel ist es hierbei die Konstruktion, die Produktion, die Feldabstimmung sowie den Betrieb bei nominalen FAIR-Parametern zu testen. Sind die Tests erfolgreich, kommt diese Sektion bei der ersten Serie für den neuen Beschleuniger zum Einsatz.
QCD matter is expected to exist in different phases, when heated to high temperatures and getting highly compressed. Each phase could be characterized by distinct properties. A way to access extreme phases of matter in the laboratory are heavy-ion collisions at (ultra-)relativistic energies. During the collision, the temperature and density is evolving and reaches a maximum temperature and density far beyond the ground state of matter. The matter properties depend on the incident collision energy. Typically, a collision is separated into three collisions stages, namely first chance collisions (I), hot and dense stage (II) and freeze-out stage (III). Out of those, the second one is of major interest, since the extreme states of matter are generated within. For this reason, the most prominent change of the hadrons is expected to appear there in. Those changes are caused by i.e. modification of the hadronic spectral function. However, to retrieve such information is complicated. Hadrons are strongly interacting particles and therefore, carry little information about the hot and dense stage. For that purpose, decays of hadrons (low-mass vector mesons) to e+e- pairs via a virtual photon, so-called dielectrons, are an ideal probe. Electrons and positrons do not interact strongly and transport the information about the hot and dense stage nearly undisturbed to the detector. Unfortunately, the production of dielectrons is suppressed by a branching ratio of ≈ 10^(-5) and requires a precise lepton identification. Nonetheless, previous experiments have extracted a dilepton signal and observed in the low-mass range an excess over the hadronic cocktail. Latter one is expected to be caused by thermal radiation induced by the medium. Up to now, experiments conducted dilepton measurements with a focus on larger collision energies and large collision systems. Measurements of dielectrons at collision energies of around 1-2A GeV were only conducted for small and medium size collision systems. HADES continued the systematic studies by a measurement of Au+Au collisions at 1.23A GeV.
The detection of dielectrons requires detectors that handle high data rates and specific detectors for a high purity lepton identification. In HADES, the strongest separation of electrons or positrons from the hadronic background is provided by a ring imaging Cherenkov detector (RICH). Its electron identification is based on Cherenkov photons, that are emitted in ring like patterns. In this work a new approach, using the time-of-flight information to preselect electrons and the reconstructed particle trajectory to estimate ring positions, is utilized to improve the lepton identification. The concept of the so-called backtracking algorithm will be explained and applied to e+e- identification in Au+Au collisions. The whole analysis chain comprises single lepton identification, pair reconstruction and correction for efficiency and acceptance losses. The final pair spectra will be presented in form of their invariant mass, pt, mt and helicity distributions. Subsequently, transport model calculations as well as results from the recently developed coarse-grained transport approach will be compared to the dielectron spectra. Moreover, the centrality dependence of the excess yield and true (not "blue-shifted") temperature of the fireball will be presented. The results will be put in context to measurements of lighter collisions systems and at higher energies.
The Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) at GSI Darmstadt will provide unprecedented intensities of protons and heavy ions up to uranium at energies of up to 29 GeV for protons and 2.7 GeV/u for Uranium 28+. To achieve high intensities in the synchrotron accelerators, high beam currents have to be provided by the injector linear accelerators. High current heavy ion beams are provided by the Universal Linear Accelerator (UNILAC), which in its current state will not be able to provide the required FAIR beam currents. This thesis deals with the development of upgrades for the UNILAC to ensure its high current capability. The first improvement is a matching section (MEBT) for the interface between the RFQ and the IH-DTL of the existing high current injector HSI at the UNILAC. With this new MEBT section, particle losses are eliminated and the overall beam quality is improved. As a second improvement, a complete replacement of the existing Alvarez-DTL is presented. A combination of efficient IH-type cavities and KONUS beam dynamics results in a reduction of the linac length from about 60 m (Alvarez) to just 23 m (new IH-DTL) while providing the same energy and fulfilling FAIR requirements of a high beam current and beam quality. This thesis contains a detailed beam dynamics design of the new linac including some fundamental investigations of the KONUS beam dynamics concept. A cross-check of the beam dynamics design was performed with two independent multi-particle simulation codes. Detailed error studies were conducted to investigate the influence of manufacturing, alignment and operating errors on the beam dynamics performance. Additionally, all five linac cavities were designed, optimized, and their RF parameters including power requirements calculated to provide a comprehensive linac design.
In this thesis, we study some features of the quantum chromodynamics (QCD) phase diagram at purely imaginary chemical potential using lattice techniques. This is one of the possible methodologies to get insights about the situation at finite density, where the sign problem prevents direct investigations from first principles.
We focus, in particular, on the Roberge-Weiss plane, where the phase structure with two degenerate flavours is studied both in the light and in the heavy quark mass limit. On the lattice, any result is affected by cut-off effects and so are the positions of the two tricritical points m_{tric}^{1,2} separating the second-order intermediate mass region from the first-order triple light and heavy mass regions. Therefore, changing the lattice spacing 'a', the values of m_{tric}^1 and m_{tric}^2 will change. In order to find their position in the continuum limit – i.e. for 'a' going to 0 – they have to be located on finer and finer lattices. Typically, in lattice QCD (LQCD) simulations, the temperature T is tuned through the bare coupling β, on which 'a' depends, while keeping Nt fixed. Hence, it is common to implicitly refer to how fine the lattice is just mentioning its temporal extent.
Using both Wilson and staggered fermions, we simulate Nf=2 QCD on Nt=6 lattices, varying the quark bare mass from the chiral (m_{u,d} going to 0) to the quenched (m_{u,d} going to infinity) limit. For each quark mass, a thorough finite scaling analysis is carried out, taking advantage of two different but consistent methods. In this way we identify the order of the phase transition locating, then, the position of the tricritical points. In order to convert our measurements to physical units we fix the scale measuring the lattice spacing as well as the pion mass corresponding to the quark bare mass used. This allows a comparison between different discretisation, getting a first idea of how serious are cut-off effects.
To be able to make a comparison between two different discretisations, we added an RHMC algorithm with staggered fermions to the CL2QCD software, a GPU code based on OpenCL, which we released in 2014. A considerable part of our work has been invested in ameliorating and optimising CL2QCD, as well as in developing new analysis tools regularly used next to it. Just to mention one, the multiple histogram method has been implemented in a completely general way and we took advantage of it in order to obtain more precise results. Finally, in order to efficiently handle and monitor the hundreds of simulations that are typically concurrently run in finite temperature LQCD, a completely new Bash library of tools has been developed. We plan to release it as a byproduct of CL2QCD in the near future.
Ultrafast protein dynamics are of great interest for understanding the molecular basis of biochemical function. One method to study structural changes with highest time-resolution starting in the femtosecond regime is 2D-IR spectroscopy. However its application to investigate protein dynamics both with high temporal and spatial resolution is currently limited to few biological systems with intrinsic chromophores. Spectral congestion, the contribution of many similar oscillators to the same signals, makes it difficult to draw conclusions about local structural dynamics in most other proteins.
The aim of this thesis is to extend the application of 2D-IR spectroscopy to a wider range of proteins by introducing unnatural amino acids (UAAs) with azide or nitrile groups as site-specific vibrational probes, which absorb in the free spectral window between 1800 to 3000 cm-1 by using methods from chemical biology.
In a comparative experimental study using FTIR and 2D-IR spectroscopy of single amino acids azidohomoalanine (Aha), a methionine analogue, was identified as preferred label. To demonstrate the application potential of UAAs as site-specific probes, Aha was then incorporated into different positions in a small globular protein. By using both FTIR and ultrafast 2D-IR it was shown, that indeed the local microenvironment as well as conformational fluctuations on picosecond timescale could be monitored with high spatial information. The azide moiety shows a shift of its absorption frequency depending on the polarity of its surrounding. Using this approach, different subensembles for the protein conformations with more polar and less polar environment around the vibrational probe can be distinguished.
A second major application of site-specific labels is the study of vibrational energy transfer processes (VET), predicted to be relevant for allosteric communication in protein domains such as the PDZ domain. VET can be tracked with high spatial resolution using time-resolved IR spectroscopy by exciting a localized vibrational mode and probing separate modes in a two-colour 2D-IR experiment. To extend this kind of experiment to proteins, a specific donor-acceptor pair of two UAAs was introduced. It uses an azulene moiety as donor that can be excited in the visible range but deposits the excess energy by internal conversion into the vibrational modes of the ground state. In small peptides this VET pair was applied successfully, showing a distance-dependent energy transfer induced signal for VET through covalent bonds. These findings bare great promise for the direct observation of vibrational energy flow in proteins in real-time.
Overall this thesis is the basis for extending the usability of 2D-IR spectroscopy to study structural dynamics in a wide range of proteins systems both with high temporal and spatial resolution.
In this doctoral thesis the transformation from relativistic hydrodynamics to transport and vice versa is studied. Approximations made by hybrid (hydrodynamics + transport) simulations of relativistic heavy ion collisions are discussed and their reliability is assessed at intermediate collision energies. A new method to simulate heavy ion collisions is suggested, based on the forced thermalization in high-density regions.
In dieser Arbeit wurden thermodynamische Eigenschaften eines chiralen Quark Meson Modelles untersucht. Das chirale Quark Meson Model beschreibt die starke Wechselwirkung über den Austausch von Mesonen und zudem die thermische und dichteabhängige Entwicklung der Quarkmassen im Medium über die chirale Symmetrie.Im SU(2) Model wurde zunächst in mean field approximation gearbeitet, um im Anschluss den divergenten Vakuumterm mit einzubeziehen. Nach eingehender Untersuchung der Ergebnisse, wurden dann die thermischen Mesonenfluktuationen studiert. In beiden Ansätzen verschiebt die Nullpunktsenergie den chiralen Phasenübergang zu höheren Temperaturen, wodurch die Massen bei höheren Temperaturen entarten. Beide Ansätze wurden dann zu einem gemeinsamen Modell kombiniert, um den Einfluss der Mesonenfluktuationen auf Ordnungsparameter, Massen und thermodynamische Grössen zu untersuchen. Als Fazit der Studie kann behauptet werden, dass sich der Einfluss der Mesonenfluktuationen in grösserem Maÿ auf die Thermodynamik, als auf den Ordnungsparameter und die Massen auswirkt. Im SU(3) Modell wurden ebenfalls regularisiert und zudem Vektormesonen mitberücksichtigt, welche die Repulsion zwischen den einzelnen Freiheitsgraden modelliert. Die Zustandsgleichung wird durch den Vakuum Term etwas softer und zeigt ein ähnliches Verhalten im niederen Energiebereich. Untersucht wurde neben der Temperatur T, die Elektron Baryon Rate Ye, die Sigma Meson Masse noch der Einfluss der Vektorkopplung. Aus der Zustandsgleichung konntendann Isentropen im T-mu Phasendiagramm errechnet werden, welche in naher Zukunft Aufschluss über eine dritte Familie von kompakten Sternen in Zusammenhang mit der entsprechenden Supernova Explosion geben könnte. Um die Existenz von kompakten Sternen genauer zu analysieren, wurde das chiraleSU(3) Quark Meson Modell bei T = 0 benutzt, um über die aus dem Formalismusgewonnenen Grössen Druck und Energiedichte die Tolmann-Oppenheimer-Volkoff zu lösen. Diese stellen die Masse-Radius Beziehungen kompakter Objekte dar. Auf der Suche nach Twin Stern Lösungen aus dem chiralen SU(3) Quark Meson Model wurde zunächst ein Modell für Hybridsterne entwickelt. Im untersuchten Parameterbereich fanden wir Hybrid Stern Lösungen, bei welchen der Einfluss der Quarkmaterie auf die Stabilität des Sternes untersucht wurde, denn das Einsetzen des Phasenüberganges übt einen zusätzlichen gravitativen Zug auf die hadronische Kruste aus. Der Stern ist stabil, wenn der Druck der Quarkmaterie diesem zusätzlichen Zug standzuhalten vermag. Für einen zu grossen Sprung in der Energiedichte werden die Lösungen jedoch instabil. Zwillingssterne waren nicht unter den Lösungen, da der Übergangsdruck relativklein sein muss, während der Energiedichtesprung eher gross sein sollte. Das Auftreten zweier stabiler Äste in der Masse Radius Relation kann allerdingsmit dem SU(3) Modell und entsprechendem chiralen Phasenübergang modelliert werden. Für einen gewissen Parameterbereich einhergehend mit kleinem Wert des Vakuum Druckes B konnten Nicht-Linearitäten in der Zustangsgleichungzur Lösung der TOV Gleichung beitragen. Im Weitern ist das Zusammenspiel der Vektorkopplung und der Sigma Mesonen Masse einflussreich auf die Lösungen, welche auf Kausalität, Stabilität und neben der 2 Sonnenmassen Bedingung noch auf Restriktionen vom millisecond pulsar PSR J1748-2446ad untersucht wurden.Mit Weltraummissionen wie etwa NICER (Neutron star Interior CompositionExploreR) sollte die Radiusbestimmung kompakter Objekte in Zukunft bis auf einen Kilometer genau bestimmt werden können. Die Entdeckung von zweiSternen mit der gleichen Masse und unterschiedlichen Radien wäre in der Tat ein Beweis für die Existenz von Zwillingssternen, welche dann die Theorie des Phasenüberganges in dichter Materie untermauern würde. Das Kollaps-Szenario eines Zwillingssternes würde weiteren Aufschluss über Neutrino-Emmissivität, Gamma-ray burster und Gravitationswellen Signale geben können. Dynamische Simulationen in allgemein relativistischem Kontext für compact star merger mit den hier diskutierten Zustandsgleichungen sind bereits in Planung, um Eigenschaftenwie beispielsweise das Temperatur- und Dichteprofil solcher Objekte genauer zu analysieren.
This thesis aimed at identifying and understanding the interplay of charge and lattice degrees of freedom at metal-insulator transitions that are driven by strong electron correlations, i.e., Mott and charge-order metal-insulator transitions. To this end, measurements of the thermal expansion were performed, which have proven to be particularly suited to deliver insight into the role of lattice degrees of freedom in strongly correlated electron systems. Prime examples of such systems are the herein studied organic charge-transfer salts which stand out by a high tunability of the interaction strength.
The central topic of this thesis was the investigation of the universal behavior of the pressure-induced finite-temperature Mott critical endpoint in the organic charge-transfer salt kappa-(BEDT-TTF)2Cu[N(CN)2]Cl. In the present work, it was proven experimentally that lattice effects play a crucial role for the universal behavior, in contrast to the assumption made in previous works.
In April and May 2012 data on Au+Au collisions at beam energies of Ekin = 1.23A GeV were recorded with the High Acceptance Di-Electron Spectrometer, which is located at the GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research in Darmstadt, Germany. At this beam energy all hadrons containing strangeness are produced below their elementary production threshold. The required energy is not available in binary NN collisions but must be provided by the system e.g. through multi-particle interactions or medium effects like a modified in-medium potential (e.g. KN/ΛN potential). Thus, a high sensitivity to these medium effects is expected in the investigated system.
The baryon-dominated systems created in relativistic heavy-ion collisions (HIC) at SIS18 energies reach densities of about 2-3 times ground state density p0 and may be similar to the properties of matter expected in the inner core of neutron stars. It is in particular the behavior of hadrons containing strangeness, i.e. kaons and hyperons, and their potentials in the dense medium which may have severe implications on astrophysical objects and processes. As ab-initio calculations of quantum chromodynamics (QCD) cannot be performed rigorously on the lattice at finite baryo-chemical potentials due to the fermion sign problem, effective descriptions have to be used in order to model properties of dense systems and the involved particles. The only way to access the in-medium potential of strange hadrons above nuclear ground state density p0 is by comparing data from relativistic HIC to such effective microscopic models. Up to now, not much data on neutral kaons and Λ hyperons are available from heavy collision systems close to their NN production threshold. These two electromagnetically uncharged strange hadrons are in particular well suited to study their potential in a dense nucleon-dominated environment as their kinematic spectra are not affected by Coulomb interactions.
Compact stars can be treated as the ultimate laboratories for testing theories of dense matter. They are not only extremely dense objects, but they are known to be associated with strong magnetic fields, fast rotation and, in certain cases, with very high temperatures. Here, we present several different approaches to model numerically the signatures and properties of these stars, namely:
•The effects of strong magnetic fields on hybrid stars by using a fully general relativistic approach. We solved the coupled Maxwell-Einstein equations in a self-consistent way, taking into consideration the anisotropy of the energy-momentum tensor due purely to the magnetic field, magnetic field effects on equation of state and the interaction between matter and the magnetic field (magnetization). We showed that the effects of the magnetization and the magnetic field on the equation of state for matter do not play an important role on global properties of neutron stars (only the pure magnetic _eld contribution does). In addition, the magnetic field breaks the spherical symmetry of stars, inducing major changes in the populated degrees of freedom inside these objects and, potentially, converting a hybrid star into a hadronic star over time.
•The effects of magnetic fields and rotation on the structure and composition of proto-neutron stars. We found that the magnetic field not only deforms these stars, but also significantly alters the number of trapped neutrinos in the stellar interior, together with the strangeness content and temperature in each evolution stage from a hot proto-neutron star to a cold neutron star.
•The influence of the quark-hadron phase transitions in neutron stars. In particular, previous calculations have shown that fast rotating neutron stars, when subjected to a quark-hadron phase transition in their interiors, could give rise to the backbending phenomenon characterized by a spin-up era. In this work, we obtained the interesting backbending phenomenon for fast spinning neutron stars. More importantly, we showed that a magnetic field, which is assumed to be axisymmetric and poloidal, can also be enhanced due to the phase transition from normal hadronic matter to quark matter on highly magnetized neutron stars. Therefore, in parallel to the spin-up era, classes of neutron stars endowed with strong magnetic fields may go through a `magnetic-up era' in their lives.
•Finally, we were also able to calculate super-heavy white dwarfs in the presence of strong magnetic fields. White dwarfs are the progenitors of supernova Type Ia explosions and they are widely used as candles to show that the Universe is expanding and accelerating. However, observations of ultraluminous supernovae have suggested that the progenitor of such an explosion should be a white dwarf with mass above the well-known Chandrasekhar limit ~ 1.4 M. In corroboration with other works, but by using a fully general relativistic framework, we obtained also strongly magnetized white dwarfs with masses M ~ 2:0 M.
The term superconductivity describes the phenomenon of vanishing electrical resistivity in a certain material, then called a superconductor, below a critical typically very low temperature. Since the discovery of superconductivity in mercury in 1911 many other superconductors have been found and the critical temperature below which superconductivity occurs could recently be raised to the temperatures encountered in a cold antarctic winter.
Superconductors are promising materials for applications. They can serve as nearly loss-free cables for energy transmission, in coils for the generation of high magnetic fields or in various electronic devices, such as detectors for magnetic fields. Despite their obvious advantages, the cost for using superconductors, however, depends a lot on the cooling effort needed to realize the superconducting state. Therefore, the search for a superconductor with critical temperature above room-temperature, which would avoid the need for any specialized cooling system, is one of the main projects of contemporary research in condensed matter physics.
While a theory of superconductivity in simple metals has already been developed in the 1950s, it has meanwhile been recognized that many superconductors are unconventional in the sense that their behavior does not follow the aforementioned theory. Unconventional superconductors differ from conventional superconductors mainly by the momentum- and real-space symmetry of the order parameter, which is associated with the superconducting state. While conventional superconductors have a uniform order parameter, unconventional superconductors can have an order parameter that bears structure. Of course, alternative theoretical descriptions have been suggested, but the discussion on the right theory for unconventional superconductivity has not yet been settled. Ultimately, this lack of a general theory of superconductivity prevents a targeted search for the room-temperature superconductor. Any new theoretical approach must, however, prove its value by correctly predicting the structure of the superconducting order parameter and further material properties.
In this work we participate in the search for a theory of unconventional superconductivity. We discuss the theory of superconductivity mediated by electron-electron interactions, which has been popular in the last few decades due to its success in explaining various properties of the copper-based superconductors that emerged in the 1980s. We give a detailed derivation of the so-called random phase approximation for the Hubbard model in terms of a diagrammatic many-body theory and apply it in conjunction with low-energy kinetic Hamiltonians, which we construct from first principles calculations in the framework of density functional theory. Density functional theory is an established technique for calculating the electronic and magnetic properties of materials solely based on their crystal structure. Its practical implementations in computer codes, however, do for example not describe complicated many-electron phenomena like the superconducting state that we are interested in here. Nevertheless, it can provide important information about the properties of the normal state of the material, which superconductivity emerges from. In our theory we use these information and approach the superconducting state from the normal state.
Such an interfacing of different calculational techniques requires a lot of implementation work in the form of computer code. Inclusion of the computer code into this work would consume by far too much space, but since some of the decisions on approximations in the calculational formalism are guided by the feasibility of the associated computer calculations, we discuss the numerical implementation in great detail.
We apply the developed methods to quasi-two-dimensional organic charge transfer salts and iron-based superconductors. Finally, we discuss implications of our findings for the interpretation of various experiments.
In den vergangen Jahren wurde erkannt, dass eine Quantenfeldtheorie (QFT) namens Quantenchromodynamik (QCD) die richtige Theorie der starken Wechselwirkungen ist. QCD beschreibt erfolgreich die starken Wechselwirkungen, die Quarks zu Nukleonen und Nukleonen zu Atomkernen zusammenbinden. Jedoch ist die theoretische Beschreibung vieler Phänomene der starken Wechselwirkung aufgrund des starken Kopplungsverhaltens bei niedrigen Energien schwierig. Stoßexperimente mit Schwerionen sind ein möglicher Weg, um die charakteristischen Phänomene und Eigenschaften der QCD-Materie zu untersuchen. In Stoßexperimenten mit Schwerionen werden schwere (d.h. große) Atomkerne aufeinander geschossen, beispielsweise Gold (am RHIC) oder Blei (am CERN, LHC), mit einer ultrarelativistischen Energie √s im Schwerpunktsystem. Auf diese Art ist es möglich, eine große Menge von Materie mit hoher Energiedichte hervorzubringen. Das Ziel von Schwerionenkollisionen ist die Erzeugung und Charakterisierung einer makroskopischen Phase von freien Quarks und Gluonen im lokalen thermischen Gleichgewicht. Ein solcher Aggregatzustand kann neue Informationen über das QCD-Phasendiagramm und den QCD-Phasenübergang liefern. Man nimmt an, dass ein solcher Übergang stattfand, als sich die Materie des frühen Universums von einem Plasma aus Quarks und Gluonen (QGP) in ein Gas von Hadronen umwandelte...
The elliptic flow of heavy-flavour decay electrons is measured at midrapidity |eta| < 0.8 in three centrality classes (0-10%, 10-20% and 20-40%) of Pb-Pb collisions at sqrt(sNN) = 2.76TeV with ALICE at LHC. The collective motion of the particles inside the medium which is created in the heavy-ion collisions can be analyzed by a Fourier decomposition of the azimuthal anisotropic particle distribution with respect to the event plane. Elliptic flow is the component of the collective motion characterized by the second harmonic moment of this decomposition. It is a direct consequence of the initial geometry of the collision which is translated to a particle number anisotropy due to the strong interactions inside the medium. The amount of elliptic flow of low-momentum heavy quarks is related to their thermalization with the medium, while high-momentum heavy quarks provide a way to assess the path-length dependence of the energy loss induced by the interaction with the medium.
The heavy-quark elliptic flow is measured using a three-step procedure.
First the v2 coefficient of the inclusive electrons is measured using the event-plane and scalar-product methods. The electron background from light flavours and direct photons is then simulated, calculating the decay kinematics of the electron sources which are initialised by their respective measured spectra. The final result of this work emerges by subtracting the background from the inclusive measurement. A significant elliptic flow is observed after this subtraction. Its value is decreasing from low to intermediate pT and from semi-central to central collisions.
The results are described by model calculations with significant elastic interactions of the heavy quarks with the expanding strongly-interacting medium.
At sufficiently high temperatures and baryon densities, nuclear matter is expected to undergo a transition into the Quark-Gluon-Plasma (QGP) consisting of deconfined quarks and gluons and accompanied by chiral symmetry restoration. Signals of these two fundamental characteristics of Quantum-Chromo-Dynamics (QCD) can be studied in ultra-relativistic heavy-ion collisions producing a relatively large volume of high energy and nucleon densities as existent in the early universe. Dileptons are unique bulk-penetrating sources for this purpose since they penetrate through the surrounding medium with negligible interaction and are created throughout the entire evolution of the initially created fireball. A multitude of experiments at SIS18, SPS and RHIC have taken on the challenging task to measure these rare probes in a heavy-ion environment. NA60's results from high-quality dimuon measurements have identified the broadened ρ spectral function as favorable scenario to explain the low-mass dilepton excess, and partonic sources as dominant at intermediate dilepton masses.
Enabled by the addition of a TOF detector system in 2010, the first phase of the Beam Energy Scan (BES-I) at RHIC allows STAR to conduct an unprecedented energy-dependent study of dielectron production within a homogeneous experimental environment, and hence close the wide gap in the QCD phase diagram between SPS and top RHIC energies. This thesis concentrates on the understanding of the LMR enhancement regarding its invariant mass, transverse momentum and energy dependence. It studies dielectron production in Au+Au collisions at beam energies of 19.6, 27, 39, and 62.4 GeV with sufficient statistics. In conjunction with the published STAR results at top RHIC energy, this thesis presents results on the first comprehensive energy-dependent study of dielectron production.
This includes invariant mass- and transverse momenta-spectra for the four beam energies measured in 0-80% minimum-bias Au+Au collisions with high statistics up to 3.5 GeV/c² and 2.2 GeV/c, respectively. Their comparison with cocktail simulations of hadronic sources reveals a sizeable and steadily increasing excess yield in the LMR at all beam energies. The scenario of broadened in-medium ρ spectral functions proves to not only serve well as dominating underlying source but also to be universal in nature since it quantitatively and qualitatively explains the LMR enhancements measured over the wide range from SPS to top RHIC energies. It shows that most of the enhancement is governed by interactions of the ρ meson with thermal resonance excitations in the late(r)-stage hot and dense hadronic phase. This conclusion is supported by the energy-dependent measurement of integrated LMR excess yields and enhancement factors. The former do not exhibit a strong dependence on beam energy as expected from the approximately constant total baryon density above 20 GeV, and the latter show agreement with the CERES measurement at SPS energy. The consistency in excess yields and agreement with model calculations over the wide RHIC energy regime makes a strong case for LMR enhancements on the order of a factor 2-3.
The extent of the results presented here enables a more solid discussion of its relation to chiral symmetry restoration from a theoretical point of view. High-statistics measurements at BES-II hold the promise to confirm these conclusions along with the LMR enhancment's relation to total baryon density with decreasing beam energy.
In this thesis we study strongly correlated electron systems within the Density Functional Theory (DFT) in combination with the Dynamical Mean-Field Theory (DMFT).
First, we give an introduction into the theoretical methods and then apply them to study realistic materials. We present results on the hole-doped 122-family of the iron-based superconductors and the transition-metal oxide SrVO3. Our investigations show that a proper treatment of strong electronic correlations is necessary to describe the experimental observations.
Lepton pairs emerging from decays of virtual photons represent promising probes of nuclear matter under extreme conditions of temperature and density. These etreme conditions can be reached in heavy-ion collisions in various facilities around the world. Hereby the collision energy in the center-of-mass system (√SNN) varies from few GeV (SIS) to the TeV (LHC). In the energy domain of 1 - 2 GeV per nucleon (GeV/u), the HADES experiment at GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt studies dielectrons and strangeness production.
Various reactions, for example collisions of pions, protons, deuterons and heavy-ions with nuclei have been studied since its installation in the year 2001. Hereby the so called DLS Puzzle was solved experimentally, with remeasuring C+C at 1 and 2 GeV/u and by careful studies of inclusive pp and pn reactions at 1.25 GeV. With these measurements the so-called reference spectrum was established. Measurements of e+ e− production Ar+KCl showed an enhancement on the dilepton spectrum above the trivial NN back-
ground. Theory predicts a strong enhancement of medium radiation with the system size, due to large production of fast decaying baryonic resonances like ∆ and N∗ . The heaviest system measured so far was Au+Au at a kinetic beam energy of 1.23 GeV/u. The precise determination of the medium radiation depends
on a precise knowledge of the underlying hadronic cocktail composed of various sources contributing to the measured dilepton spectrum. In general the medium radiation needs to be separated from contributions coming from long-lived particles, that decay after the freeze out of the system. For a more model independent
understanding of the dilepton cocktail the production cross sections of these particles need to measured independently. In the related energy regime the main contributers are π0 and η Dalitz decays. Both mesons have a dominant decay into two real photons and have been reconstructed successfully in this channel. Since HADES has no electromagnetic calorimeter the mesons can not be identified in this decay channel directly. In this thesis the capability of HADES to detect e+ e− pairs from conversions of real photons is demonstrated.
Therefore not only the conversion probability but also the resulting efficiencies are shown. Furthermore, the reconstruction method for neutral mesons will be explained and the resulting spectra are interpreted. The measurement of neutral pions is compared to the independent measured charged pion distribution, and
extrapolated to full phase space. An integrated approach is used to determine the η yield. Both measurement are compared to the world data and to theory model claculations. Finally, the measurements will be used together with the reconstructed dilepton spectra to determine the amount and the properties of in medium radiation in the Au+Au system.
Great interest has emerged recently in the search for Kitaev spin liquid states in real materials. Such states rely on strongly anisotropic magnetic interactions, which have been suggested to exist in a number of candidate materials based on Ir and Ru. This thesis concentrates on two priority purposes. The first is the investigation of electronic and magnetic properties of candidate materials Na2IrO3, α-Li2IrO3, α-RuCl3, γ-Li2IrO3, and Ba3YIr2O9 for Kitaev physics where both spin-orbit coupling and correlation effects are important. The second is the method development for the microscopic description of correlated materials combining many-body methods and density functional theory (DFT). ...
In this thesis we explore the characteristics of strongly interacting matter, described by Quantum Chromodynamics (QCD). In particular, we investigate the properties of QCD at extreme densities, a region yet to be explored by first principle methods. We base the study on lattice gauge theory with Wilson fermions in the strong coupling, heavy quark regime. We expand the lattice action around this limit, and carry out analytic integrals over the gauge links to obtain an effective, dimensionally reduced, theory of Polyakov loop interactions.
The 3D effective theory suffers only from a mild sign problem, and we briefly outline how it can be simulated using either Monte Carlo techniques with reweighting, or the Complex Langevin flow. We then continue to the main topic of the thesis, namely the analytic treatment of the effective theory. We introduce the linked cluster expansion, a method ideal for studying thermodynamic expansions. The complex nature of the effective theory action requires the development of a generalisation of the linked cluster expansion. We find a mapping between generalised linked cluster expansion and our effective theory, and use this to compute the thermodynamic quantities.
Lastly, various resummation techniques are explored, and a chain resummation is implemented on the level of the effective theory itself. The resummed effective theory describes not only nearest neighbour, next to nearest neighbour, and so on, interactions, but couplings at all distances, making it well suited for describing macroscopic effects. We compute the equation of state for cold and dense heavy QCD, and find a correspondence with that of non-relativistic free fermions, indicating a shift of the dynamics in the continuum.
We conclude this thesis by presenting two possible extensions to new physics using the techniques outlined within. First is the application of the effective theory in the large-$N_c$ limit, of particular interest to the study of conformal field theory. Second is the computation of analytic Yang Lee zeros, which can be applied in the search for real phase transitions.
In this work the main emphasis is put on the investigation of relativistic shock waves and Mach cones in hot and dense matter using the microscopic transport model BAMPS, based on the relativistic Boltzmann equation. Using this kinetic approach we study the complete transition from ideal-fluid behavior to free streaming. This includes shock-wave formation in a simplified (1+1)-dimensional setup as well as the investigation of Mach-cone formation induced by supersonic projectiles and/or jets in (2+1)- and (3+1)-dimensional static and expanding systems. We further address the question whether jet-medium interactions inducing Mach cones can contribute to a double-peak structure observed in two-particle correlations in heavy-ion collision experiments. Furthermore, BAMPS is used as a benchmark to compare kinetic theory to several relativistic hydrodynamic theories in order to verify their accuracy and to find their limitations.
In this thesis, the production of charged kaons and Φ mesons in Au+Au collisions at sqrt sAuAu = 2.4 GeV is studied. At this energy, all particles carrying open and hidden strangeness are produced below their respective free nucleon-nucleon threshold with the corresponding so-called excess energies: sqrt sK+ exc = -0.15 GeV, sqrt sK- exc = -0.46 GeV, sqrt sΦ exc = -0.49 GeVGeV. As a consequence, the production cross sections are very sensitive to medium effects like momentum distributions, two- or multistep collisions, and modification of the in-medium spectral distribution of the produced states [1]. K+ and K- mesons exhibit different properties in baryon dominated matter, since only K- can be resonantly absorbed by nucleons. Although strangeness exchange reactions have been proposed to be the dominant channel for K- production in the analyzed energy regime, the production yield and kinematic distributions could also be explained in smaller systems based on statistical hadronization model fits to the measured particle yields, including a canonical strangeness suppression radius RC, and taking the Φ feed-down to kaons into account [2, 3]. For the first time in central Au+Au collisions at such low energies, it is possible to reconstruct and do a multi differential analysis of K- and Φ mesons. In principle, this should be the ideal environment for strangeness exchange reactions to occur, as the particles are produced deeply sub-threshold in a large and long-living system. Therefore, it is the ultimate test to differentiate between the different sources for K- production in HIC.
In total 7.3x10exp9 of the 40% most central Au(1.23 GeV per nucleon)+Au collisions are analyzed. The data has been recorded with the High Acceptance DiElectron Spectrometer HADES located at Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GSI in April/May 2012. A substantially improved reconstruction method has been employed to reconstruct the hadrons with high purity in a wide phase space region.
The estimated particle multiplicities follow a clear hierarchy of the excess energy: 41.5 ± 2.1|sys protons at mid-rapidity per unit in rapidity, 11.1 ± 0.6|sys ± 0.4|extrapol π-, (3.01 ± 0.03|stat ± 0.15|sys ± 0.30|extrapól) x10 exp -2 K+, (1.94 ± 0.09|stat ± 0.10|sys ± 0.10|extrapol)x10 exp -4 K- and (0.99 ± 0.24|stat ± 0.10|sys ± 0.05|extrapol)x10 exp -4 Φ per event. The multiplicities of the strange hadrons increase more than linear with the mean number of participating nucleons hAparti, supporting the assumption that the necessary energy to overcome the elementary production threshold is accumulated in multi-particle interactions. Transport models predict such an increase, but are overestimating the measured particle yield and are not able to describe the kinematic distributions of K+ mesons perfectly. However, the best description is given by the IQMD model with a density dependent kaonnucleon potential of 40 MeV at nuclear ground state density.
The K-=K+ multiplicity ratio is constant as a function of centrality and follows with (6.45 ± 0.77)x10 exp -3 the trend of increasing with beam energy indicated from previous experiments [4]. The effective temperature of K- TK+eff = (84 ± 6) MeV is found to be systematically lower than the one of K+ TK+eff = (104 ± 1) MeV, which has also been observed by the other experiments.
The Φ=K- ratio is with a value of 0.52 ± 0.16 higher than the one obtained at higher center-of-mass energies and smaller systems. This behavior is predicted from a tuned version of the UrQMD transport model [5], when including higher mass baryonic resonances which can decay into Φ mesons and from statistical hadronization models when suppressing open strangeness canonically. The found ratio is constant as a function of centrality and results with a branching ratio of 48.9%, that ~ 25% of all measured K- originate from Φ feed-down decays. A two component PLUTO simulation, consisting of a pure thermal and a K- contribution originating from Φ decays, can fully explain the observed lower effective temperature in comparison to K+ and the shape of the measured rapidity distribution of K-. As a result, we find no indication for strangeness exchange reactions being the dominant mechanism for K- production in the SIS18 energy regime, if taking the contribution from Φ feed-down decays into account.
The hadron yields for the 20% most central collisions can be described by a statistical hadronization model fit with the chemical freeze-out temperature of Tchem = (68 ± 2) MeV and baryochemical potential of μB = (883 ± 25) MeV, which is higher than expected from previous parameterizations. The analysis of the transverse mass spectra of protons indicate a kinetic freeze-out temperature of Tkin = (70 ± 4) MeV and radial flow velocity of βr = 0.43 ± 0.01, which is in agreement with the parameters obtained from the linear dependence of the effective temperatures on the particle mass Tkin = (71.5 ± 4.2) MeV and βr = 0.28 ± 0.09.
The Standard Model is one of the greatest successes of modern theoretical physics. Itl describes the physics of elementary particles by means of three forces, the electro-magnetisc, the weak and the strong interactions. The electro-magnetic and the weak interaction are rather well understood in comparison to the strong interaction.
The latest is as fundamental as the others, it is responsible for the formation of all hadrons which are classified into mesons and baryons. Well-known examples of the former is the pion and of the latter is the proton and the neutron, which form the nucleus of every atom. This fundamental force is believed to be described by the Quantum Chromodynamics (QCD) theory. According to this theory, hadrons are not elementary particles but are composed of quarks and gluons. The latter are the vector particles of the force and so are bosons of spin 1 and the former constitute the matter and are fermions with spin 1/2. To describe the interaction a new quantum number had to be introduced: the color charge which exists in three different types (blue, green and red). The name has not been chosen arbitrary as elements created from three quarks of different colors are colorless in the same way that mixing the three primary colors leads to white. However, experimentally no colored structure has ever been observed. The quarks and the gluons seem to be confined in colorless hadrons. This property of QCD is called confinement and results from a large coupling constant at low energy (or large distance). For high energy (or small distance), the perturbative analysis of QCD permits to establish the coupling constant to be small and quarks and gluons are almost free. This property is called asymptotic freedom. The possibility for QCD to describe both behaviors is one of its amazing characteristics. However, both phenomena are not well understood and one needs a method to study both the pertubative and the confining regime.
The only known method which fulfills the above criteria is Lattice QCD and more generally Lattice Quantum Field Theory (LQFT). It consists of a discretization of the spacetime and a formulation of QCD on a four-dimensional Euclidean spacetime grid of spacing a. In this way, the theory is naturally regularized and mathematically well-defined. On the other hand, the path integral formalism allows the theory to be treated as a Statistical Mechanics system which can be evaluated via a Markov chain Monte-Carlo algorithm. This method was first suggested by Wilson in 1974 [1] and shortly after Creutz performed the first numerical simulations of Yang-Mills theory [2] using a heath-bath Monte-Carlo algorithm. It appears that this method is extremely demanding in computational power. In its early days the method was criticized as the only feasible simulations involved non-physical values such as extremely large quark masses, large lattice spacing a and no dynamical quarks. With the progress of the computers and the appearance of the super-computer, the studies have come close to the physical point. But one still needs to deal with discrete space time and finite volume. Several techniques have been developed to estimate the infinite volume limit and the continuum limit. The smaller the lattice spacing and the larger the volume, the better the extrapolation to continuum and infinite volume limits is. The simulations are still very expensive and for the moment a typical length of the box is L ≈ 4fm and a ≈ 0.08fm. However, it has been realized simulating pure Yang-Mills theory and other lower dimensional models that the topology is freezing at small a [3]. It was also observed recently on full QCD simulations [4,5].
The typical lattice spacing for which this problem appears in QCD is a ≈ 0.05fm but this value depends on the quark mass used and on the algorithm. The freezing of topology leads to results which differ from physical results. Solving this issue is important for the future of LQCD [6]. Recently several methods to overcome the problem have been suggested, one of the most popular is the used of open boundary conditions [7] but this promising method has still its own issues, mainly the breaking of translation invariance.
For the transport of high-intensity hadron beams in low-energy beam lines of linear accelerators, the compensation of space charge forces by the accumulation of particles of opposite charge is an important effect, reducing the required focusing strength and potentially the emittance growth due to space charge forces. In this thesis, space charge compensation was studied by including the secondary particles in particle-in-cell simulations.
For this purpose, a new electrostatic particle-in-cell code named bender was developed. The software was tested using known self-consistent solutions for an electron plasma confined in an external potential as well as for a KV distributed beam in a periodic focusing lattice. For the simulation of compensation, models for residual gas ionisation by proton and electron impact were implemented.
The compensation process was studied for a 120 keV, 100 mA proton beam transported through a short drift section. Various features in the particle distributions were identified, which can not explained by a uniform reduction in the electric field of the beam. These were tied to the presence of thermal electrons confined within the beam potential. Using the Poisson-Boltzmann equation, their distribution could be reproduced and their influence on the beam for a wider range of parameters studied. However, the observed temperatures show a significant numerical influence. The hypothesis was formed, that stochastical heating present in particle-in-cell simulations is the mechanism leading to the formation of the observed (partial) thermal equilibrium.
For the low-energy beam transport line of the Frankfurt neutron source FRANZ, bender was used to predict the pulse shaping in the novel ExB chopper system. The code was also used for the design and the study of an electron lens for the Integrable Optics Test Accelerator at Fermi National Accelerator Laboratory. Aberrations due to guiding center drifts and the strong electric field of the electron beam as well as the current limits in such a system were investigated.
In der Experimentierhalle der Physik am Campus Riedberg der Goethe – Universität wird gegenwärtig die Beschleunigeranlage FRANZ aufgebaut. FRANZ steht für Frankfurter Neutronenquelle am Stern-Gerlach-Zentrum. Die Anlage bietet vielfältige Experimentiermöglichkeiten in der Untersuchung intensiver, gepulster Protonenstrahlen. Ein Forschungsschwerpunkt an den sekundären Neutronenstrahlen sind Messungen zur nuklearen
Astrophysik. Die Neutronen werden durch einen 2 MeV Protonenstrahl mittels der Reaktion 7Li (p, n) 7Be erzeugt. Die geplanten Experimente erfordern sowohl eine hier weltweit erstmals realisierte Pulsrepetitionsrate von bis zu 250 kHz bei Pulsströmen im 100 mA – Bereich als auch eine extreme Pulskompression auf eine Nanosekunde bei dann auftretenden Pulsströmen im Ampere – Bereich. Daneben ist auch ein Dauerstrich – Strahlbetrieb im mA – Strombereich möglich. Auch viele einzelne Beschleunigerkomponenten wie die Ionenquelle, der Chopper zur Pulsformung, die hochfrequent gekoppelte RFQ-IH-Kombination, der Rebuncher in Form einer CH – Struktur und der Bunchkompressor sind Neuentwicklungen. Mittlere Strahlleistungen von bis zu 24 kW treten im Niederenergiestrahltransportbereich auf, da die Ionenquelle grundsätzlich im Dauerstrich zu betreiben ist, auch bei Hochstrom mit hohen Pulsrepetitionsraten. Der Personen- und Geräteschutz spielt damit auch eine wesentliche Rolle bei der Auslegung des Kontrollsystems für FRANZ. Der Aufbau von FRANZ und seine wesentlichen Komponenten werden in Kapitel 2 erläutert. Die vielen unterschiedlichen Komponenten wie Hochspannungsbereich, Magneten, Hochfrequenzbauteile und Kavitäten, Vakuumbauteile, Strahldiagnose und Detektoren machen plausibel, dass auch das Kontrollsystem für eine solche Anlage speziell ausgelegt werden muss. In Kapitel 4 werden zum Vergleich die Konzepte zur Steuerung und Regelung aktueller, großer Beschleunigerprojekte aufgezeigt, nämlich für die „European Spallation Source ESS“ und für die „Facility for Antiproton and Ion Research FAIR“. In der vorliegenden Arbeit wurde die Ionenquelle als komplexe Beschleunigerkomponente ausgewählt, um Entwicklungen zur Steuerung und Regelung durchzuführen und zu testen. Zum Anfahren und Betreiben der Ionenquelle wurde ein Flussdiagramm (Abb. 5.15) entwickelt und realisiert. Im Detail wurden Untersuchungen zur Abhängigkeit der Heizkathodenparameter von der Betriebsdauer gemacht. Daraus konnte ein Algorithmus zur Vorhersage eines rechtzeitigen Filamentaustausches abgeleitet werden. Weiterhin konnte die Nachregelung des Kathodenheizstromes automatisiert werden, um damit die Bogenentladungsspannung innerhalb eines Intervalls von ± 0.5 V zu stabilisieren. Das Anfahren des Filamentstroms wurde ebenfalls automatisiert. Dazu wird die Vakuumdruckänderung in Abhängigkeit der Filamentstromerhöhung gemessen, ausgewertet und daraus der nächste erlaubte Stromerhöhungsschritt abgeleitet. Auf diese Weise wird der Betriebszustand schneller und kontrollierter erreicht als bei manuellem Hochfahren. Das Ziel eines unbemannten Ionenquellenbetriebs ist damit näher gerückt. In einem ersten Test zur Komponentensteuerung und zur Datenaufnahme wurde ein Ionenstrahl extrahiert und durch den ersten Fokussierungsmagneten – einen Solenoiden – transportiert. Es wurde der Erregungsstrom des Solenoiden sowie die Strahlenergie automatisch durchgefahren, die Daten abgespeichert und daraus ein Kontourplot zum gemessenen Strahlstrom hinter der Fokussierlinse erstellt (Abb. 5). Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich nur mit den „langsamen“ Steuerungs- und Regelungsprozessen, während die schnellen Prozesse im Hochfrequenzregelungssystem unabhängig geregelt werden. Neben der Überwachung des Betriebszustandes aller Komponenten werden auch alle für den Service und die Personensicherheit benötigten Daten weggeschrieben. Das System basiert auf MNDACS (Mesh Networked Data Acquisition and Control System) und ist in JAVA geschrieben. MNDACS besteht aus einem Kernel, welcher die Komponententreiber-Software sowie den Netzwerkserver und das graphische Netzwerkinterface (GUI) betreibt. Weterhin gehört dazu das Driver Abstraction Layer (DAL), welches den Zugang zu weiteren Computern oder zu lokalen Treibern ermöglicht. CORBA stellt die Middleware für Netzwerkkommunikation dar. Dadurch wird Kommunikation mit externer Software geregelt, weiterhin wird die Umlegung von Kommunikation im Fall von Leitungsunterbrechungen oder einem lokalen Computerabsturz festgelegt. Es gibt bei FRANZ zwei Kontrollebenen: Über Ethernet läuft die „High Level Control“ und die Datenverarbeitung. Über die „Low Level Control“ läuft das Interlock – und Sicherheitssystem. Die Netzwerkverbindungen laufen über 1 Gb Ethernet Links, womit ein schneller Austausch auch bei lokalen Netzwerkstörungen noch möglich ist. Um bei Stromausfällen das Computersystem am Laufen zu halten, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein „Uninterruptable Power Supply“ UPS beschafft und erfolgreich am Hochspannungsterminal getestet.
The Large Hadron Collider (LHC) is the biggest and most powerful particle accelerator in the world, designed to collide two proton beams with particle momentum of 7 TeV/c each. The stored energy of 362MJ in each beam is sufficient to melt 500 kg of copper or to evaporate about 300 litre of water. An accidental release of even a small fraction of the beam energy can cause severe damage to accelerator equipment. Reliable machine protection systems are necessary to safely operate the accelerator complex. To design a machine protection system, it is essential to know the damage potential of the stored beam and the consequences in case of a failure. One (catastrophic) failure would be, if the entire beam is lost in the aperture due to a problem with the beam dumping system.
This thesis presents the simulation studies, results of a benchmarking experiment, and detailed target investigation, for this failure case. In the experiment, solid copper cylinders were irradiated with the 440GeV proton beam delivered by the Super Proton Synchrotron (SPS) at the High Radiation to Materials (HiRadMat) facility at CERN. The experiment confirmed the existence of the so-called hydrodynamic tunneling phenomenon for the first time. Detailed numerical simulations for particle-matter interaction with FLUKA, and with the two-dimensional hydrodynamic code, BIG2, were carried out. Excellent agreement was found between the experimental and the simulation results that validate predictions for the 7TeV beam of the LHC. The hydrodynamic tunneling effect is of considerable importance for the design of machine protection systems for accelerators with high stored beam energy. In addition, this thesis presents the first studies of the damage potential with beam parameters of the Future Circular Collider (FCC).
To detect beam losses due to fast failures it is essential to have fast beam instrumentation. Diamond based particle detectors are able to detect beam losses within a nanosecond time scale. Specially designed diamond detectors were used in the experiment mentioned above. Their efficiency and response has been studied for the first time over 5 orders of bunch intensity with electrons at the Beam Test Facility (BTF) at INFN, Frascati, Italy. The results of these measurements are discussed in this thesis. Furthermore an overview of the applications of diamond based particle detectors in damage experiments and for LHC operation is presented.
Measurements of the transverse momentum (pt) spectra of K0 s and Λ(Λ̄) in Pb–Pb and pp collisions at √sNN = 2.76TeV with the ALICE detector at the LHC at CERN up to pt = 20GeV/c and pt = 16GeV/c, respectively, are presented in this thesis. In addition, the particle rapidity densities at mid-rapidity and nuclear modification factors of K0 s and Λ(Λ̄) are shown and discussed. The analysis was performed using the Pb–Pb data set from 2010 and the pp data set from 2011. For the identification of K0 s and Λ(Λ̄), the on-the-fly V0 finder was employed on tracking information from the TPC and ITS detectors. The Λ and Λ̄ spectra were feed-down corrected using the measured published Ξ− spectra as input.
Regarding the rapidity density at mid-rapidity, a suppression of the strange particle production in pp as compared to Pb–Pb collisions is observed at all centralities, whereas the production per pion rapidity density stays constant as a function of dNch/dη including both systems. Furthermore, the relative increase of the individual particle species in pp and AA collisions is compatible for non- and single-strange particles when going from RHIC (√sNN = 0.2TeV) to LHC energies. On the other hand, in case of multi-strange baryons, a stronger increase in the particle production in pp is seen. The Λ̄ and Λ production in Pb–Pb and pp collisions was found to be equal. Concerning the nuclear modification factors, at lower pt (pt <5GeV/c), an enhancement of the RAA of Λ with respect to that of K0 s and charged hadrons is observed. This baryon-to-meson enhancement appearing in central Pb–Pb collisions at RHIC and LHC is currently explained by the interplay of the radial flow and recombination as the dominant particle production mechanism in this pt sector. The effect of radial flow is thus also seen in the low and intermediate pt region of RAA, where a mass hierarchy is discovered among the baryons and mesons, respectively, with the heaviest particle being least suppressed. When comparing the results from RHIC and LHC, the RCP is found to be similar at low-to-intermediate pt, while a significantly smaller RAA of K0 s and Λ in central and peripheral events at the LHC is observed in this pt region as compared to the RHIC results. This can be attributed to the larger radial flow in AA collisions and to the harder spectra at the LHC. At high pt (pt > 8GeV/c), a strong suppression in central Pb–Pb collisions with respect to pp collisions is found for K0 s and Λ(Λ̄). A significant high-pt suppression of these hadrons is also observed in the ratio of central-to-peripheral collisions. The nuclear modification of K0 s and Λ(Λ̄) is compatible with the modification of charged hadrons at
high pt. The calculations with the transport model BAMPS agree with these results suggesting a similar energy loss for all light quarks, i.e. u, d and s. Moreover, a compatible suppression for c-quarks appears in the ALICE measurements via the D meson RAA as well as in the BAMPS calculations, which hints to a flavour-independent suppression if light- and c-quarks are regarded. Within this consideration, no indication for a medium-modified fragmentation is found yet.
To summarize, for the particle production in Pb–Pb collisions at the LHC relative to pp neither at lower pt (rapidity density) nor at higher pt (nuclear modification factor) a significant difference of K0 s and Λ(Λ̄) carrying strangeness to hadrons made of u- and d-quarks was found.
The planned Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) at GSI has to cope with a wide range of beam intensities in its high-energy beam transport systems and in the storage rings. To meet the requirements of a non-intercepting intensity measurement down to nA range, it is planned to install a number of Cryogenic Current Comparator (CCC) units at different locations in the FAIR beamlines. In this work, the first CCC system for intensity measurement of heavy ion beams, which was developed at GSI, was re-commissioned and upgraded to be used as a 'GSI - CCC prototype' for extensive optimization and development of an improved CCC for FAIR. After installation of a new SQUID sensor and related electronics, as well as implementation of improved data acquisition components, successful beam current measurements were performed at a SIS18 extraction line. The measured intensity values were compared with those of a Secondary Electron Monitor (SEM). Furthermore, the spill-structure of a slowly extracted beam was measured and analyzed, investigating its improvement due to bunching during the slow-extraction process. Due to the extreme sensitivity of the superconducting sensor, the determined intensity values as well as the adjustment of the system for optimal performance are strongly influenced by the numerous noise sources of the accelerators environment. For this reason, detailed studies of different effects caused by noise have been carried out, which are presented together with proposals to reduce them. Similarly, studies were performed to increase the dynamic range and overcome slew rate limitations, the results of which are illustrated and discussed as well. By combining the various optimizations and characterizations of the GSI CCC prototype with the experiences made during beam operation, criteria for a more efficient CCC System could be worked out, which are presented in this work. The details of this new design are worked out with respect to the corresponding boundary conditions at FAIR. Larger beam tube diameters, higher radiation resistivity and UHV requirements are of particular importance for the cryostat. At the same time these parameters affect the CCC superconducting magnetic shielding, which again has significant influence on the current resolution of the system. In order to investigate the influence of the geometry of the superconducting magnetic shield on different magnetic field components and to optimize the attenuation, FEM simulations have been performed. Based on the results of these calculations, modifications of the shield geometry for optimum damping behavior are proposed and discussed in the thesis.
Magnetism is a beautiful example of a macroscopic quantum phenomenon. While known at least since the ancient Greeks, a microscopic theoretical explanation of magnetism could only be achieved with the advent of quantum mechanics at the beginning of the 20th century. Then it was understood that in a certain class of solids the famous Pauli exclusion principle leads to an effective interaction between the microscopic magnetic moments, i.e., the spins, which favors an ordered, and hence macroscopically magnetic, state. Nowadays, magnetic phenomena are used in a host of applications, and are especially relevant for information storage and processing technologies.
Despite the long history of the field, magnetic phenomena are still an active research topic. In particular, in the last decade the fields of spintronics and spin-caloritronics emerged, which manipulate the microscopic spins via charge and heat currents respectively. This opens new avenues to potential applications; including the possibility to use the magnetic spin degrees of freedom instead of charges as carriers of information, which could provide a number of advantages such as reduced losses and further miniaturization.
In this thesis we do not delve any further into the realm of possible applications. Instead we use sophisticated theories to explore the microscopic spin dynamics which is the basis of all such applications. We also focus on a particular compound: Yttrium-iron garnet (YIG), which is a ferrimagnetic insulator. This material has been widely used in experiments on magnetism over the last decades, and is a popular candidate for spintronic devices. Microscopically, the low-energy magnetic properties of YIG can be described by a ferromagnetic Heisenberg model. For spintronics and spin-caloritronics applications, it is however insufficient to only consider the magnetic degrees of freedom; one should also include the coupling of the spins to the elastic lattice vibrations, i.e., the phonons. Besides giving an overview on techniques used throughout the thesis, the introductory Ch. 1 provides a discussion of the microscopic Hamiltonian used to model the coupled spin-phonon system in the subsequent chapters.
The topic of Ch. 2 are the consequences of the magnetoelastic coupling on the low-energy magnon excitations in YIG. Starting from the microscopic spin-phonon Hamiltonian, we rigorously derive the magnon-phonon hybridization and scattering vertices in a controlled spin wave expansion. For the experimentally relevant case of thin YIG films at room temperature, these vertices are then used to compute the magnetoelastic modes as well as the magnon damping. In the course of this work, the damping of magnons in this system was also investigated experimentally using Brillouin light scattering spectroscopy. While comparison to the experimental data shows that the magnetoelastic interactions do not dominate the total magnon relaxation in the experimentally accessible regime, we are able to show that the spin-lattice relaxation time is strongly momentum dependent, thereby providing a microscopic explanation of a recent experiment.
In the final Ch. 3, we investigate a different phenomenon occurring in thin YIG films: Room temperature condensation of magnons. Prior work attributed this condensation process to quantum mechanics, i.e., it was interpreted as Bose-Einstein condensation. However, this is not satisfactory because at room temperature, the magnons in YIG behave as purely classical waves. In particular, the quantum Bose-Einstein distribution reduces to the classical Rayleigh-Jeans distribution in this case. In addition, the effective spin in YIG is very large. Therefore we start from the hypothesis that the room temperature magnon condensation is actually a new example of the kinetic condensation of classical waves, which has so far only been observed by imaging classical light in a photorefractive crystal. To distinguish this classical condensation from the quantum mechanical Bose-Einstein one, we refer to it as Rayleigh-Jeans condensation. To prove our claim, we consider the classical equations of motion of the coupled spin-phonon system. By eliminating the phonon degrees of freedom, we microscopically derive a non-Markovian stochastic Landau-Lifshitz-Gilbert equation (LLG) for the classical spin vectors. We then use this LLG to perform numerical simulations of the magnon dynamics, with all parameters fixed by experiments. These simulations accurately reproduce all stages of the magnon time evolution observed in experiments, including the appearance of the magnon condensate at the bottom of the magnon spectrum. In this way we confirm our initial hypothesis that the magnon condensation is a classical Rayleigh-Jeans condensation, which is unrelated to quantum mechanics.
Entwicklung und Test einer supraleitenden 217 MHz CH-Kavität für das Demonstrator-Projekt an der GSI
(2016)
In den letzten Jahrzehnten vergrößerten sich die Anwendungsgebiete von Linearbeschleunigern für Protonen und schwere Ionen, insbesondere im Nieder- und Mittelenergiebereich, stetig. Der überwiegende Teil dieser mittlerweile bewährten Anwendungen lag im Bereich der Synchrotroninjektion oder der Nachbeschleunigung von radioaktiven Ionenstrahlen. Darüber hinaus wird seit einiger Zeit die Entwicklung neuartiger, supraleitender Hochleistungslinearbeschleunigerkavitäten stark vorangetrieben, welche vor allem bei der Forschung an Spallationsneutronenquellen, in der Isotopenproduktion oder bei der Transmutation langlebiger Abfälle aus Spaltreaktoren Anwendung finden sollen. Die am Institut für Angewandte Physik der Goethe-Universität Frankfurt entwickelte CH-Kavität ist optimal für den Einsatz in derartigen Hochleistungsapplikationen geeignet. Sie ist die erste Vielzellenstruktur für den Nieder- und Mittelenergiebereich und kann sowohl normal- als auch supraleitend verwendet werden. Bislang konnten in der Vergangenheit ein supraleitender 360 MHz CH-Prototyp sowie eine für hohe Leistungen optimierte supraleitende 325 MHz CH-Struktur erfolgreich bei kryogenen Temperaturen ohne Strahl getestet werden. Um die Forschung im Bereich der Kernphysik, der Kernchemie und vor allem im Bereich der superschweren Elemente auch in Zukunft weiter fortzusetzen, ist der Bau eines neuen supraleitenden, dauerstrichbetriebenen Linearbeschleunigers an der GSI geplant. Das Kernstück des zukünftigen cw-LINAC basiert auf dem Einsatz supraleitender 217 MHz CH-Kavitäten, mit deren Hilfe ein adäquater Teilchenstrahl mit
maximal 7,5 MeV/u für die SHE-Synthese bereitgestellt werden soll. Auf dem Weg zur Realisierung des geplanten cw-LINACs wurde im Zuge des Demonstrator-Projektes die Umsetzung der ersten Sektion des gesamten Beschleunigers beschlossen. Der Fokus des Projektes liegt auf der Demonstration der Betriebstauglichkeit innerhalb einer realistischen Beschleunigerumgebung sowie insbesondere auf der erstmaligen Inbetriebnahme einer supraleitenden CH-Kavität mit Strahl. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die erste supraleitende 217 MHz CH-Kavität für das Demonstrator-Projekt entwickelt, produziert und ihre Hochleistungseigenschaften in einem vertikalen Kryostaten bei 4,2 K getestet. Hierbei lag das Hauptaugenmerk auf der HF-Auslegung der Kavität, den begleitenden Tuningmaßnahmen während der Produktion sowie den ersten Leistungstests unter kryogenen Bedingungen. Weitere Schwerpunkte lagen auf der kompakten Bauweise, dem effektiven Tuning, der Oberflächenpräparation sowie auf dem Strahlbetrieb der Kavität mit einem dauerstrichfähigem 5 kW Hochleistungskoppler. Die Umsetzung
der Kavität beruhte auf dem geometrischen Konzept der supraleitenden, siebenzelligen 325 MHz CH-Struktur.
Ihre elektromagnetische und strukturmechanische Auslegung erfolgte mittels der Simulationsprogramme ANSYS Multiphysics und CST Studio Suite. Um während des Test- bzw. Strahlbetriebs mit der entsprechend notwendigen Kopplungsstärke die HF-Leistung in die Kavität einzuspeisen, wurden unterschiedliche Kopplerantennen für den jeweiligen Fall ausgelegt. Zum Erreichen der geforderten Zielfrequenz wurde ein Verfahren erarbeitet, welches die hierfür notwendigen Mess- und Arbeitsschritte während der einzelnen
Produktionsphasen beinhaltet. Diesbezüglich wurden während der Produktion der Kavität eine Reihe von Zwischenmessungen beim Hersteller durchgeführt, um den Frequenzverlauf innerhalb der jeweiligen Fertigungsschritte entsprechend beeinflussen zu können
und um vorangegangene Simulationswerte zu validieren. Alle untersuchten Parameter konnten während der Messungen in guter Übereinstimmung zu den Simulationen reproduziert und die Zielfrequenz der Kavität schließlich erreicht werden. Nach Abschluss der letzten Oberflächenpräparationen wurde die Kavität in einer neuen kryogenen Testumgebung innerhalb der Experimentierhalle des IAP für einen vertikalen Kalttest vorbereitet.
Daraufhin erfolgte das Evakuieren der Kavität, das Abkühlen auf 4,2 K sowie ihre Konditionierung. Anschließend erfolgte die Bestimmung der intrinsischen Güte der Kavität.
Sie betrug 1,44 x 10E9 und besitzt somit den bisher höchsten Gütewert, der jemals bei einer supraleitenden CH-Struktur erreicht wurde. Es konnte ein maximaler Beschleunigungsgradient von 7 MV/m im Dauerstrichbetrieb erreicht werden, was einer effektiven Spannung von 4,2 MV entspricht. Die zugehörigen magnetischen und elektrischen Oberflächenfelder lagen bei 39,3 mT bzw. 43,5 MV/m. Ein thermaler Zusammenbruch konnte während des gesamten Leistungstests nicht festgestellt werden, was auf eine gute thermische Eigenschaft der Kavität hindeutet. Allerdings zeigte der gemessene Verlauf ein frühes Abfallen der Güte ab 2,5 MV/m, was durch anormale Leistungsverluste aufgrund von Feldemission hervorgerufen wurde. Dies war aufgrund der unzureichenden Oberflächenbehandlung der Kavität zu erwarten, da die Hochdruckspülung aus technischen Gründen nur entlang der Strahlachse erfolgte. Dennoch konnte die Designvorgabe des geplanten cw-LINACs hinsichtlich der Güte bei 5,5 MV/m um einen Faktor 2 übertroffen werden.
Die positiven Ergebnisse der Simulationsrechnungen und der Messungen zeigen, dass die Anforderungen des Demonstrator-Projekts, insbesondere hinsichtlich des benötigten Beschleunigungsgradienten, mittels der entwickelten supraleitenden 217 MHz CH-Kavität erfüllt werden. Somit wurde im Rahmen dieser Arbeit maßgeblich an der Umsetzung des Demonstrator-Projekts bzw. an der Realisierung des geplanten cw-LINACs beigetragen und der Weg für einen Strahlbetrieb der Kavität vorbereitet.
Im Rahmen des FAIR Projektes wurde ein neuartiger Prototyp eines nicht strahlzerstörenden Bunch Struktur Monitors (BSM) am GSI UNILAC entwickelt. Ziel ist es, ein zuverlässiges Diagnosegerät zu entwickeln, welches die longitudinale Struktur der Ionenbunche innerhalb des LINACs untersuchen kann. Notwendig ist hierbei eine effektive Zeitauflösung deutlich unter 100 ps, bei möglichst wenigen Makropuls Mittelungen. Nach der erfolgreichen Inbetriebnahme soll der BSM Prototyp dazu dienen, die Umsetzbarkeit eines weiteren nichtinvasiven Geräts für den geplanten Proton-LINAC bei FAIR mit einer notwendigen Zeitauflösung von 10 ps zu beurteilen.
Die numerische Simulation von Materialien, welche dem Hochstrom-Ionenstrahl ausgesetzt sind, zeigten einen sehr hohen thermischen Stress. Daher wurde der Ansatz eines nicht strahlzerstörenden Diagnosegerätes verfolgt. Das Design beruht auf der Erzeugung von Sekundärelektronen durch Strahl-Restgas Kollisionen im Strahlrohr. Durch das Anlegen eines homogenen Hochspannungspotentials von bis zu -31 kV, wird ein Elektronenstrahl erzeugt, welcher die zeitliche Struktur des Ionenbunches trägt. Die zeitliche Information des Elektronenstrahles wird beim Durchfliegen eines HF-Ablenkers, welcher resonant an die 36 MHz des Beschleunigers gekoppelt ist, in eine räumliche Intensitätsverteilung umgewandelt. Anschließend wird die Elektronenverteilung auf einem bildgebenden MCP-Phosphor-Detektor durch eine CCD-Kamera detektiert und in die Bunch Struktur überführt.
Intensive Untersuchungen der BSM Eigenschaften ergaben eine höchste Auflösung von 37 ±6.3 ps bei gleichzeitig akzeptabler Intensität auf dem MCP-Detektor. Unter anderem wurden auch stabile Einzelschussmessungen durchgeführt, welche für die Profilmessung nur einen einzelnen Makropuls benötigten, statt über typischerweise 8-32 Pulse zu mitteln.
Durch die systematische Manipulation der Bunchlänge durch einen Rebuncher sind nicht gaußförmige Profile von 280 ps bis 650 ps detektiert worden, welche als Studie für eine Emittanzbestimmung genutzt worden sind. In Abhängigkeit des Analyseverfahrens sind Werte von εGauss = 1.42 ±0.14 keV/u ns bis εSD = 3.03 ±0.33 keV/u ns für die Emittanz bestimmt worden.
Des Weiteren ist ein Finite-Elemente Modell erstellt worden, um die Zeitstruktur der Sekundärelektronen innerhalb des elektronenoptischen Systems zu bestimmen. Für das Setup mit der höchsten Auflösung von 37 ps ergab sich eine zusätzliche Zeitverbreiterung von 5.6 ps, welche nur geringfügig die experimentell bestimmte Auflösung verschlechtert.
Der nicht strahlzerstörende BSM liefert eine ausreichend hohe zeitliche Auflösung für detailreiche Untersuchung der longitudinalen Bunchstruktur, ohne negative Einflüsse auf den Ionenstrahl auszuüben. Fortgeschrittene Messungen, wie longitudinale Emittanzbestimmung und Makropulsanalysen, sind möglich und werden dazu beitragen, die LINAC Strukturen besser zu verstehen und weiter zu optimieren.
Obwohl bei der Umsetzung des Arbeitsprinzips für den geplanten Proton-LINAC die veränderten Strahlparameter berücksichtigt werden müssen, zeigen die Ergebnisse, wie die Zeitstrukturuntersuchung und die erreichte Phasenauflösung von 0.5° bei 36 MHz, dass zeitliche Auflösungen bei Aufrechterhaltung der Phasenauflösung von bis zu 10 ps für einen neuen BSM Prototypen möglich sind.
Light scalar mesons can be understood as dynamically generated resonances. They arise as 'companion poles' in the propagators of quark-antiquark seed states when accounting for hadronic loop contributions to the self-energies of the latter. Such a mechanism may explain the overpopulation in the scalar sector - there exist more resonances with total spin J=0 than can be described within a quark model.
Along this line, we study an effective Lagrangian approach where the isovector state a_{0}(1450) couples via both non-derivative and derivative interactions to pseudoscalar mesons. It is demonstrated that the propagator has two poles: a companion pole corresponding to a_{0}(980) and a pole of the seed state a_{0}(1450). The positions of these poles are in quantitative agreement with experimental data. Besides that, we investigate similar models for the isodoublet state K_{0}^{*}(1430) by performing a fit to pion-kaon phase shift data in the I=1/2, J=0 channel. We show that, in order to fit the data accurately, a companion pole for the K_{0}^{*}(800), that is, the light kappa resonance, is required. A large-N_{c} study confirms that both resonances below 1 GeV are predominantly four-quark states, while the heavy states are quarkonia.
The PANDA experiment will be one of the flagship experiments at the future Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) in Darmstadt, Germany. It is a versatile detector dedicated to topics in hadron physics such as charmonium spectroscopy and nucleon structure. A DIRC counter will deliver hadronic particle identification in the barrel part of the PANDA target spectrometer and will cleanly separate kaons with momenta up to 3.5 GeV/c from a large pion background. An alternative DIRC design option, using wide Cherenkov radiator plates instead of narrow bars, would significantly reduce the cost of the system. Compact fused silica photon prisms have many advantages over the traditional stand-off boxes filled with liquid. This work describes the study of these design options, which are important advancements of the DIRC technology in terms of cost and performance. Several new reconstruction methods were developed and will be presented. Prototypes of the DIRC components have been built and tested in particle beam, and the new concepts and approaches were applied. An evaluation of the performance of the designs, feasibility studies with simulations, and a comparison of simulation and prototype tests will be presented.
Zur vollständigen Charakterisierung der Hochstrom-Protonenquelle im Rahmen des FRANZ-Projektes war es notwendig, die Emittanz dieser zu bestimmen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung zweier unterschiedlicher Emittanz-Messsysteme, welche in der Lage sind, im kritischen Einsatzbereich hinter der Ionenquelle die Emittanz zu bestimmen.
Die grundsätzliche Problematik der Emittanzmessung an Hochstrom-Ionenquellen liegt in den besonderen Anforderungen, die an diese Messsysteme gestellt werden. Zum einen müssen diese extrem hohe Strahlleistungsdichten und Strahlströme verarbeiten können, ohne Schaden zu nehmen. Zum anderen, was die besondere Herausforderung darstellt, ist es notwendig, dass sie unempfindlich gegenüber Hochspannungsüberschläge sind, da es naturgemäß an einer Ionenquelle zu Hochspannungsüberschlägen kommen kann, welche die sensible und teure Messelektronik schädigen können.
Aus diesem Grund wurde eine Pepperpot-Emittanz-Messanlage weiterentwickelt, welche komplett ohne hochspannungsempfindliche Elektronik auskommt. Diese besteht aus einem effizient wassergekühlten Messkopf mit einer Lochblende aus einer Wolframlegierung. Die Lochgeometrie wurde an die zu vermessende Ionenquelle angepasst. Anstelle einer Multichannelplate und / oder eines Leuchtschirms kommt eine mit Öl vorbehandelte Aluminiumplatte als Schirm zum Einsatz. Aufgrund der Wechselwirkung der, durch die Lochblende hindurch driftenden, Teilstrahlen mit der Oberfläche des Schirms, bilden sich auf diesem, mit bloÿem Auge sichtbare, Kohlenstoffabdrücke aus. Aus der Lage im Ortsraum und der Intensitätsverteilung der einzelnen Abdrücke kann die Phasenraum-Verteilung berechnet werden. Der Nachweis, dass die Intensitätsverteilung der Kohlenstoffabdrücke proportional zur Strahlstromdichtenverteilung eines jeden Abdrucks ist, wurde im Rahmen der Grundlagenuntersuchungen erbracht. Parallel wurde eine zweite, konventionelle Schlitz-Gitter-Emittanz-Messanlage entwickelt und aufgebaut.
Für die Auswertung der Rohdaten wurde eine Analysesoftware entwickelt, welche kompatibel zu beiden Messsystemen ist. Mittels dieser kann aus den Rohdaten die Phasenraum-Verteilung, die Emittanzen (Lage und Fläche) berechnet und in verschiedenen Schnittebenen graphisch dargestellt werden. Ein Hauptaspekt lag in der notwendigen Untergrundreduktion. Insbesondere bei der Analyse der Pepperpot-Schirme tritt bei der Digitalisierung derselben eine nicht physikalische Veränderung der Intensitätsverteilung der Kohlenstoffabdrücke auf. Die erfolgreiche Separation der Abdrücke vom Hintergrund war von entscheidender Bedeutung.
Mit beiden Emittanzmesssystemen konnte im Rahmen dieser Arbeit die Emittanz der FRANZ-Hochstrom-Protonenquelle bestimmt und Abhängigkeiten diverser Strahlparameter untersucht werden. Dabei zeigen die Ergebnisse beider Messsysteme eine sehr gute Übereinstimmung, was die Leistungsfähigkeit des Pepperpot-Messsystems in diesem Einsatzbereich bestätigt.
Für die Erzeugung der, im Rahmen verschiedener Emittanzmessungen, benötigten Plasmadichten wurde die eingespeiste Bogenleistung um 265% von 2.85kW auf 7.56kW erhöht. Die geringe Varianz der gemessenen Emittanzen lässt den Schluss zu, dass sich die Ionentemperatur im Rahmen der Messgenauigkeit in dem untersuchten Bereich nicht merklich ändert. Dies ist insofern bemerkenswert, da dies bedeutet, dass sich die Ionentemperatur nicht signifikant verändert hat, obwohl die Leistung im Plasma stark erhöht wurde.
Im Laufe der Grundlagenuntersuchungen des Pepperpot-Systems wurde festgestellt, dass es unter bestimmten Voraussetzungen zur Bildung von zwei Kohlenstoffabdrücken pro Blendenloch kommen kann. Mit Hilfe von Strahlsimulationen mittels dem Code IGUN sowie vergleichenden Emittanzmessungen konnte nachgewiesen werden, dass bei der Extraktion im sogenannten angepassten Fall zwei Teilstrahlen extrahiert werden. Durch eine geringfügige Erhöhung der Perveanz können diese beiden Teilstrahlen in einen laminaren Ionenstrahl überführt werden.
Im Hinblick auf die Konditionierung der FRANZ-LEBT wurde erstmals im Institut der Transport eines Hochstrom-Ionenstrahls durch einen Solenoiden sowie die Auswirkungen dessen auf die Strahlemittanz untersucht. Aufgrund des projektierten Protonenstroms von Ip = 50mA wurden diese Untersuchungen mit einem vergleichbaren Protonenstrom und einer Strahlenergie von E = 55keV durchgeführt.
Darüber hinaus wurde die zeitliche Entwicklung der Emittanz innerhalb eines Strahlpulses (80Hz,1ms,Ip = 56mA,It = 70mA) hinter dem Solenoiden untersucht. Eine Analyse zeigt, dass die Strahlemittanz innerhalb der Messgenauigkeit entlang des Pulsplateus nahezu konstant bleibt. Jedoch ändert sich die Divergenz des Strahlkerns innerhalb des Zeitraumes des Pulsanstiegs, aufgrund der Raumladungskompensation sowie des ansteigenden Stroms.
Nanomaterials, i.e., materials that are manufactured at a very small spatial scale, can possess unique physical and chemical properties and exhibit novel characteristics as compared to the same material without nanoscale features. The reduction of size down to the nanometer scale leads to the abundance of potential applications in different fields of technology. For instance, tailoring the physicochemical properties of nanomaterials for modification of their interaction with a biological environment has been reflected in a number of biomedical applications.
Strategies to choose the size and the composition of nanoscale systems are often hindered by a limited understanding of interactions that are difficult to study experimentally. However, this goal can be achieved by means of advanced computer simulations. This thesis explores, from a theoretical and a computational viewpoints, stability, electronic and thermo-mechanical properties of nanoscale systems and materials which are related to biomedical applications.
We examine the ability of existing classical interatomic potentials to reproduce stability and thermo-mechanical properties of metal systems, assuming that these potentials have been fitted to describe ground-state properties of the perfect bulk materials.
It is found that existing classical interatomic potentials poorly describe highly-excited vibrational states when the system is far from the potential energy minimum. On the other hand, construction of a reliable computational model is essential for further development of nanomaterials for applications. A new interatomic potential that is able to correctly reproduce both the melting temperature and the ground-state properties of different metals, such as gold, platinum, titanium, and magnesium, by means of classical molecular dynamics simulations is proposed in this work. The suggested modification of a many-body potential has a general nature and can be utilized for similar numerical exploration of thermo-mechanical properties of a broad range of molecular and solid state systems experiencing phase transitions.
The applicability of the classical interatomic potentials to the description of nanoscale systems, consisting of several tens-hundreds of atoms, is also explored in this study. This issue is important, for instance, in the case of nanostructured materials, where grains or nanocrystals have a typical size of about a few nanometers. We validate classical potentials through the comparison with density-functional theory calculations of small
atomic clusters made of titanium and nickel. By this analysis, we demonstrate that the classical potentials fitted to describe ground-state properties of a bulk material can describe the energetics of nanoscale systems with a reasonable accuracy.
In this work, we also analyze electronic properties of nanometer-size nanoparticles made of gold, platinum, silver, and gadolinium; nanoparticles composed of these materials are of current interest for radiation therapy applications. We focus on the production of low-energy electrons, having the kinetic energy from a few electronvolts to several tens of electronvolts. It is currently established that the low-energy secondary electrons of such energies play an important role in the nanoscale mechanisms of biological damage resulting from ionizing radiation. We provide a methodology for analyzing the dynamic response of nanoparticles of the experimentally relevant sizes, namely of about several nanometers, exposed to ionizing radiation. Because of a large number of constituent atoms (about 1000 −10000 atoms) and consequently high computational costs, the electronic properties of such systems can hardly be described by means of ab initio methods based on a quantum-mechanical treatment of electrons, and this analysis should rely on model approaches. By comparing the response of smaller systems (of about 1 nm size) calculated within the ab initio- and the model framework, we validate this methodology and make predictions for the electron production in larger systems.
We have revealed that a significant increase in the number of the low-energy electrons emitted from nanometer-size noble metal nanoparticles arises from collective electron excitations formed in the systems. It is demonstrated that the dominating mechanisms of electron yield enhancement are related to the formation of plasmons excited in a whole system and of atomic giant resonances formed due to excitation of valence d electrons in individual atoms of a nanoparticle. Being embedded in a biological medium, the noble metal nanoparticles thus represent an important source of low-energy electrons, able to produce a significant irrepairable damage in biological systems.
A general methodology for studying electronic properties of nanosystems is used to make quantitative predictions for electron production by non-metal nanoparticles. The analysis illustrates that due to a prominent collective response to an external electric field, carbon nanoparticles embedded in a biological medium also enhance the production of low-energy electrons. The number of low-energy electrons emitted from carbon nanoparticles is demonstrated to be several times higher as compared to the case of liquid water.
Different approaches are possible when it comes to modeling the brain. Given its biological nature, models can be constructed out of the chemical and biological building blocks known to be at play in the brain, formulating a given mechanism in terms of the basic interactions underlying it. On the other hand, the functions of the brain can be described in a more general or macroscopic way, in terms of desirable goals. This goals may include reducing metabolic costs, being stable or robust, or being efficient in computational terms. Synaptic plasticity, that is, the study of how the connections between neurons evolve in time, is no exception to this. In the following work we formulate (and study the properties of) synaptic plasticity models, employing two complementary approaches: a top-down approach, deriving a learning rule from a guiding principle for rate-encoding neurons, and a bottom-up approach, where a simple yet biophysical rule for time-dependent plasticity is constructed.
We begin this thesis with a general overview, in Chapter 1, of the properties of neurons and their connections, clarifying notations and the jargon of the field. These will be our building blocks and will also determine the constrains we need to respect when formulating our models. We will discuss the present challenges of computational neuroscience, as well as the role of physicists in this line of research.
In Chapters 2 and 3, we develop and study a local online Hebbian self-limiting synaptic plasticity rule, employing the mentioned top-down approach. Firstly, in Chapter 2 we formulate the stationarity principle of statistical learning, in terms of the Fisher information of the output probability distribution with respect to the synaptic weights. To ensure that the learning rules are formulated in terms of information locally available to a synapse, we employ the local synapse extension to the one dimensional Fisher information. Once the objective function has been defined, we derive an online synaptic plasticity rule via stochastic gradient descent.
In order to test the computational capabilities of a neuron evolving according to this rule (combined with a preexisting intrinsic plasticity rule), we perform a series of numerical experiments, training the neuron with different input distributions.
We observe that, for input distributions closely resembling a multivariate normal distribution, the neuron robustly selects the first principal component of the distribution, showing otherwise a strong preference for directions of large negative excess kurtosis.
In Chapter 3 we study the robustness of the learning rule derived in Chapter 2 with respect to variations in the neural model’s transfer function. In particular, we find an equivalent cubic form of the rule which, given its functional simplicity, permits to analytically compute the attractors (stationary solutions) of the learning procedure, as a function of the statistical moments of the input distribution. In this way, we manage to explain the numerical findings of Chapter 2 analytically, and formulate a prediction: if the neuron is selective to non-Gaussian input directions, it should be suitable for applications to independent component analysis. We close this section by showing how indeed, a neuron operating under these rules can learn the independent components in the non-linear bars problem.
A simple biophysical model for time-dependent plasticity (STDP) is developed in Chapter 4. The model is formulated in terms of two decaying traces present in the synapse, namely the fraction of activated NMDA receptors and the calcium concentration, which serve as clocks, measuring the time of pre- and postsynaptic spikes. While constructed in terms of the key biological elements thought to be involved in the process, we have kept the functional dependencies of the variables as simple as possible to allow for analytic tractability. Despite its simplicity, the model is able to reproduce several experimental results, including the typical pairwise STDP curve and triplet results, in both hippocampal culture and layer 2/3 cortical neurons. Thanks to the model’s functional simplicity, we are able to compute these results analytically, establishing a direct and transparent connection between the model’s internal parameters and the qualitative features of the results.
Finally, in order to make a connection to synaptic plasticity for rate encoding neural models, we train the synapse with Poisson uncorrelated pre- and postsynaptic spike trains and compute the expected synaptic weight change as a function of the frequencies of these spike trains. Interestingly, a Hebbian (in the rate encoding sense of the word) BCM-like behavior is recovered in this setup for hippocampal neurons, while dominating depression seems unavoidable for parameter configurations reproducing experimentally observed triplet nonlinearities in layer 2/3 cortical neurons. Potentiation can however be recovered in these neurons when correlations between pre- and postsynaptic spikes are present. We end this chapter by discussing the relation to existing experimental results, leaving open questions and predictions for future experiments.
A set of summary cards of the models employed, together with listings of the relevant variables and parameters, are presented at the end of the thesis, for easier access and permanent reference for the reader.
Im Rahmen des FAIR Projekts sollen in den Ringbeschleunigern SIS18 und SIS100 Ionenstrahlen mit höchster Intensität beschleunigt werden. Um die Raumladungsgrenze zu erhöhen, werden dazu Ionen mit mittleren Ladungszuständen verwendet. Diese haben aber größere Wirkungsquerschnitte für Umladung in Wechselwirkungen mit im Strahlvakuum vorhandenen Restgasteilchen als hochgeladene Ionen. Kommt es zu Strahlverlusten, lösen die verlorenen Ionen am Auftreffort weitere Restgasteilchen von den Wänden des Strahlrohrs und erhöhen so lokal die Restgasdichte. Die Qualität des Vakuums ist deshalb für einen stabilen Strahlbetrieb essentiell.
Im SIS100 kommen kryogene Vakuumkammern zum Einsatz, deren Wände als Kryosorptionspumpen für Wasserstoff und Helium dienen und alle schwereren Restgaskomponenten durch Kryokondensation binden können. Um die Vorhersagegenauigkeit des abteilungsinternen Programms „StrahlSim“ zur Simulation des dynamischen Vakuums zu verbessern, wurden im Rahmen dieser Arbeit das Saugvermögen und die Pumpkapazität für Wasserstoff auf einer Edelstahloberfläche untersucht.
Dazu wurde ein UHV Teststand entwickelt und aufgebaut. Dieser besteht aus einem warmen Diagnoseteil, mit dem der Gasfluss in und aus dem kalten Teil überwacht werden kann. Im kalten Teil befindet sich eine kleine Kammer mit Edelstahlwänden, für die verschiedene Temperaturen zwischen 7 und 31 K eingestellt werden können. Diese Kammer repräsentiert ein kleines Stück kryogenes Strahlrohr. Bei verschiedenen Temperaturen und Oberflächenbelegungen wurden dort jeweils das Saugvermögen und der sich einstellende Gleichgewichtsdruck im Bereich von 4E-11 bis 2E-7 mbar gemessen. Die Gleichgewichtsdrücke bei einer bestimmten Temperatur bei wachsender Oberflächenbelegung werden als Adsorptionsisotherme bezeichnet. Sie ergeben sich aus dem Gleichgewicht von thermisch desorbierenden Teilchen und deren Readsorption. Die kalte Kammer wird umgeben von einem Kryostaten, bestehend aus thermischem Schild und Außentank. Für diesen wurde die thermische Auslegung durchgeführt, die Konstruktion erfolgte extern.
Aus dem gemessenen Saugvermögen konnte die Haftwahrscheinlichkeit berechnet werden. Sie stellte sich als im Rahmen der Messgenauigkeit als unabhängig von Belegung und Temperatur heraus. Ihr Wert liegt nahe 1 mit einer Unsicherheit bis 0,1. Da sämtliche Oberflächen in den kryogenen Bereichen als Pumpen wirken, ist dieser Wert mehr als ausreichend um die für den stabilen Strahlbetrieb nötigen Vakuumbedingungen zu erreichen und stabil zu halten.
Die Isothermen hingegen sind stark von der Temperatur abhängig. Über 18 K liegen die Gleichgewichtsdrücke bereits bei minimalen Oberflächenbelegungen in für den Strahlbetrieb nicht tolerierbaren Bereichen. Mit sinkender Temperatur können die Oberflächen immer mehr Gas aufnehmen. Doch auch bei den tiefsten vermessenen Temperaturen zwischen 7 und 8 K ist ein stabiler Strahlbetrieb nur bei Belegungen von deutlich unter einer halben Monolage, etwa 5E14 Wasserstoffmoleküle pro cm², möglich.
Diese Ergebnisse wurden in StrahlSim implementiert. Zunächst wurde der Code für die Simulation von teilweise kryogenen Beschleunigern angepasst. Die wichtigste Änderung war die Einführung von thermischer Transpiration. Sie bewirkt, dass die Restgasteilchendichte an Kalt-Warm-Übergängen auf der kalten Seite erhöht ist. Mit dieser Änderung und den implementierten Ergebnissen aus den Messungen wurden Simulationen für das SIS100 durchgeführt. Mit den Isothermen konnten die bei verschiedenen Temperaturen und Bedeckungen zu erwartenden Durchschnittsdichten berechnet werden, die wiederum bestimmend für die Strahlverluste sind. Des Weiteren wurde ein mehrwöchiger Dauerbetrieb simuliert. Es zeigt sich zunächst eine Verschlechterung der Vakuumbedingungen auf Grund der langsamen Sättigung der Oberflächen. Diese verlangsamt sich aber immer mehr und stabilisiert sich bevor zu hohe Restgasdichten auftreten. Im schlechtesten Fall sind die kryogenen Oberflächen so weit gesättigt, dass sie genauso viele Gasteilchen thermisch desorbieren wie sie adsorbieren, sie also praktisch passiv sind. Auch dann wäre die Gleichgewichtsdichte im Beschleuniger noch tief genug, um Verluste durch Umladung hinreichend niedrig zu halten.
Als problematisch könnten sich hingegen dynamische Temperaturerhöhungen der Kammerwände erweisen. In diesem Fall stellt sich praktisch verzögerungsfrei der durch die neue Isotherme definierte Gleichgewichtsdruck ein, der auch bei wenigen Kelvin Temperaturunterschied bereits um mehrere Größenordnungen höher liegen kann. Sind Temperaturerhöhungen während des Betriebs zu erwarten, sollten die Oberflächen so frei wie möglich von Wasserstoff gehalten werden. Dazu kann man sich eben diesen Effekt zunutze machen: Durch temporäres Anwärmen der Oberflächen unmittelbar vor dem Strahlbetrieb können die Oberflächen schnell von Wasserstoff befreit werden, der dann von lokalisierten Pumpen aus dem System entfernt werden kann.
Eine möglichst realistische Abschätzung von Strahlenschäden ist von entscheidender Bedeutung im Strahlenschutz und für die Strahlentherapie. Die primären Strahlenschäden an der DNS werden heute mit Monte-Carlo-Codes berechnet. Diese Codes benötigen möglichst genaue Fragmentierungsquerschnitte verschiedenster biomolekularer Systeme als Eingangsparameter. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein Experiment aufgebaut, welches die Bestimmung der Fragmentierungsquerschnitte von Biomolekülen ermöglicht. Die einzelnen Baugruppen des Aufbaus wurden vor dem Beginn des Experimentes bezüglich ihrer Eigenschaften, die die Genauigkeit der Messergebnisse beeinflussen können, charakterisiert. Die Resultate dieser Experimente werden als Eingangsdaten für die Berechnung von primären strahleninduzierten Schäden in der DNS mit Hilfe von Monte-Carlo-Codes eingesetzt.
Eine besondere Herausforderung stellte die Präparation eines Überschallgasstrahls für biomolekulare Substanzen dar. Für die Präparation müssen die Targetsubstanzen zunächst in die Gasphase überführt werden. Im Falle von Biomolekülen ist diese Überführung auf Grund ihrer niedrigen Dampfdrücke bei Raumtemperatur und chemischen Reaktivität mit technischen Problemen verbunden. Die Probleme wurden mittels einer speziellen Konstruktion der Präparationseinrichtung, welche eine direkte Einleitung der Probensubstanzen in die vom Trägergas durchströmte Mischkammer ermöglicht, gelöst. Für die Genauigkeit der gemessenen Fragmentierungsquerschnitte spielen mehrere Faktoren eine Rolle. Neben dem Bewegungsprofil des Überschallgasstrahls, den kinetischen Energien der Fragmentionen und den ionenoptischen Eigenschaften des Flugzeitspektrometers beeinflusst die geometrische Beschaffenheit der Detektionszone maßgeblich die Genauigkeit des Experimentes. Die Position und Ausdehnung des sichtbaren Volumens sind nicht nur durch den Überlappungsbereich zwischen dem Elektronen- und dem Überschallgasstrahl bestimmt, sondern hängen auch von der kinetischen Energie der Fragmente ab. Für dessen Ermittlung wurden daher auch die Trajektorien der Fragmente simuliert. Bei den Experimenten an der PTB-Apparatur ist die frei wählbare Zeitdifferenz zwischen dem Auslösen eines Elektronenpulses und dem Absaugen der Fragmentionen ein wichtiger Messparameter. Ihr Einfluss auf die Messergebnisse wurde ebenfalls neben der Nachweiswahrscheinlichkeit des verwendeten Ionendetektors untersucht. Die Kalibrierung der Flugzeitspektren, d. h. die Umwandlung der Flugzeitspektren in Massenspektren erfolgte anhand der bekannten Flugzeitspektren von Edelgasen und Wasserstoff.
Nach der Charakterisierung der Einflussfaktoren und Kalibrierung der Flugzeitspektren wurden die energieabhängigen Fragmentierungsquerschnitte für Elektronenstoß von mehreren organischen Molekülen, darunter die von Modellmolekülen für die DNS-Bausteine gemessen. Die Flugzeitspektren von THF wurden mit der PTB-Apparatur für einige kinetische Energien der Elektronen in Abhängigkeit von der Zeitdifferenz zwischen dem Auslösen des Elektronenpulses und dem Starten der Analyse durchgeführt. Messungen von Pyrimidin wurden sowohl an der PTB-Apparatur als auch mit COLTRIMS durchgeführt. Die mit COLTRIMS gewonnenen Ergebnisse liefern wichtige Zusatzinformationen über die Fragmentierungsprozesse. COLTRIMS ermöglicht die Messung der zeitlichen Korrelationen zwischen den auftretenden Fragmentionen und damit tiefere Einblicke in die bei der Entstehung der Fragmente beteiligten Reaktionskanäle. Der Vorteil der PTB-Apparatur besteht darin, dass die relativen Auftrittswahrscheinlichkeiten aller Fragmentionen genauer bestimmt werden können.
Construction and commissioning of a setup to study ageing phenomena in high rate gas detectors
(2014)
In high-rate heavy-ion experiments, gaseous detectors encounter big challenges in terms of degradation of their performance due to a phenomenon dubbed ageing. In this thesis, a setup for high precision ageing studies has been constructed and commissioned at the GSI detector laboratory. The main objective is the study of ageing phenomena evoked by materials used to build gaseous detectors for the Compressed Baryonic Matter (CBM) experiment at the future Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR).
The precision of the measurement, e.g., of the gain of a gaseous detector, is a key element in ageing studies: it allows to perform the measurement at realistic rates in an acceptable time span. It is well known the accelerating ageing employing high intensity sources might produce misleading results. The primary objective is to build an apparatus which allows very accurate measurements and is thus sensitive to minute degradations in detector performance. The construction and commissioning of the
setup has been carried out in two steps. During the first step of this work, a simpler setup which already existed in the detector laboratory of GSI had been utilised to define all conditions related to ageing studies. The outcome of these studies defined the properties and characteristics that must be met to build and operate a new, sophisticated and precise setup. The already existing setup consisted of two identical Multi Wire Proportional Chambers (MWPCs), a gas mixing station, an 55Fe source, an x-ray generator, an outgassing box and stainless steel tubing. In a first step, the gain and electric field configuration of the MWPCs were simulated by a combination of a gas simulation (Magboltz) and electric field simulation program (Garfield). The performance and operating conditions of the chambers have been thoroughly characterised before utilising them in first preparatory ageing test. The main diagnostic parameter in ageing studies is the detector gain, thus it is mandatory for precise ageing studies to minimise the systematic and statistical variation of the pressure and temperature corrected gain. To achieve the required accuracy, several improvements of the chamber design and the gas system have been implemented. In addition, the temperature measurement has been optimised. During the preparatory tests, several ageing studies have been carried out. The ageing effect of seven materials and gases have been carried out during these tests: RTV-3145, Ar/CO2 gas, Durostone flushed with Ar/Isobutane gas, Vetronit G11, Vetronit G11 contaminated with Micro 3000 and Gerband 705. The results of these studies went into the design of the new sophisticated ageing setup. For example some tests revealed that there was, even after cleaning, a certain level of contamination with "ageing agents" in the existing setup, which made it imperative to ensure a very high level cleanness of all components during the construction of the setup. The curing period of some testing samples like glues or the gas flow rate were found to be very important factors that must be taken into account to obtain comparable results. Very important changes in the chamber design have been made, i.e., the aluminium-Kapton cathodes used in MWPCs have been replaced with multi-wire planes and the fibreglass housing of the chamber has been changed to metal. The second step started with building the new setup which was designed based on the findings from the first step. The new ageing setup consists of three MWPCs, two moving platforms, an 55Fe source, a copper-anode x-ray generator, two outgassing boxes, both flexible and rigid stainless steel tubes. Before fabrication of the chambers, simulations of their electric field and the gain have been done using Magboltz and Garfield programs. After that, the chambers were installed and tested. A 0.3% peak-to-peak residual variation of the corrected gain has been achieved. Finally, the complete setup has been operated with full functionality in no-ageing conditions during one week. This test revealed very stable gain in all three chambers. After that two materials (Gerban 705 and RTV-3145) have been inserted in the two outgassing boxes and tested. They revealed an ageing rate of about 0.3%/mC/cm and 3%/mC/cm respectively. The final test proves the stability and accuracy of the ageing measurements carried out with the ageing setup at the detector laboratory at GSI which is ready to conduct the envisaged systematic ageing studies.
The Compressed Baryonic Matter (CBM) experiment will explore the phase diagram of strongly interacting matter in the region of high net baryonic densities. The matter at these extreme conditions will be produced and studied in heavy-ion collisions with a fixed target set-up.
The present work is dedicated to the main component of the CBM experiment - the Silicon Tracking System (STS). The STS comprises of 8 tracking stations with 1292 double sided silicon microstrip sensors. The STS has to enable the reconstruction of up to 1000 charged particle tracks per nucleus-nucleus interaction at the rate of up to 10 MHz, provide a momentum resolution of Δp/p =1%, and withstand the radiation load of up to 1 x 1014 neq/cm2 (neq — radiation dose of 1 MeV neutron equivalent). Self-triggering read-out electronics will be located on the periphery of the detecting planes, and connected to the sensors with low mass micro-cables.
During the R&D phase, as well as in the pre-series and series production phase, the characterization of the sensors, of the front-end electronics and of the complete detector modules has to be performed. It is evident that characterization of more than 1000 silicon microstrip sensors and later of complete detector modules is very time-consuming, and may even damage the objects if not performed carefully. One of the goals of this work was to develop a systematic procedure for the quality assurance for the double-sided silicon microstrip sensors. This includes static optical inspection and visual tests, passive electrical test (such as leakage current, bulk capacitance, inter-strip capacitance & resistances, bias resistance and coupling capacitance), radiation hardness and long-term stability. A strategy for the quality assurance of these sensors is presented, defining the various tests to be performed and the documentation of the results. The techniques and quality assurance criteria will be applied for the pre-series and series production.
With decreasing feature size and increase in functionality and structures, the classical mechanical probe approach for internal fault detection and functional testing faces increasing challenges. In the field of silicon based chips and sensors there is rarely any analysis on the topic of non-invasive or contact-less probing and characterization, despite the fact that the contact-less probing is becoming more and more important as the fabrication technologies become smaller and more susceptible to the parasitic impact of mechanical probes. The silicon micro-strip double sided sensors used in STS have a complex structure, such as 1024 metal electrodes, 2048 bias resistors, 2048 DC pads and 4098 AC pads for probing, several guard rings, and even more in the 6.2 cm x 6.2 cm prototype sensor. Photo-intrusive technique is the best solution for the characterization and investigation of crucial parameters related to the detector operation and its functionality. A photo-intrusive probing is a method in which a non-invasive pulsed laser of a desired wavelength is used to inject the photon into the bulk and resulting in electron-hole pairs (e-h). In a completely depleted silicon sensor the charge injected (or generated) by the pulsed laser beam could be detected as current and shall be used for characterization.
A non-invasive contact-less Laser Test System (LTS) was developed based on a pulsed laser to investigate properties of the silicon sensors. The set-up is able to inject charge locally and scan sensors(or detector modules) with a pulsed infra-red laser driven by a step motor. The LTS is designed to measure sensor response in an automatized procedure at several thousand positions across the sensor with focused infra-
red laser light (spot size = 12 μm , wavelength = 1060 nm). The duration (10 ns) and power (5 mW) of the laser pulses are selected such that the absorption of the laser light in the 300 μm thick silicon sensors produces a number of about 24000 electrons, which is similar to the charge created by the minimum ionizing particles (MIP) in these sensors. The set-up was used to developed characterization procedures to determine the charge sharing between strips, and to measure a qualitative uniformity of the sensor response over the whole active area. The prototype sensors which are tested with the set-up are small prototype sensors (256 strips, pitch = 50 μm on each side) and full-size detector modules (1024 strips/side and pitch = 58 μm). They are read-out using a self-triggering prototype read-out electronic ASIC called n-XYTER. Laser scans for amplitude response, charge sharing in the inter-strip region, and spot-size determination technique are reported. For the verification of the some design parameters, unique methods of determining coupling capacitance, and inter-strip capacitance have been developed. The modules were also tested with proton beams, and the charge sharing in the inter-strip region has been compared to the laser test results.
The PANDA experiment at FAIR will study fundamental questions of strong interaction with high precision. Effcient particle identification for a wide momentum range and the full solid angle is required for successful reconstruction of the benchmark channels of the broad PANDA physics program. For this purpose a compact ring imaging Cherenkov detector is being developed for the barrel region of the PANDA detector. The concept and the baseline design of the PANDA Barrel DIRC were inspired by the BABAR DIRC and improved with important modifications, like fast photon timing, a compact expansion volume, and focusing optics. The required detector resolution was defined based on the PANDA PID specifications using the phase space distributions of the final state kaons produced in selected benchmark channels. To optimize the PANDA Barrel DIRC design in terms of performance and cost the baseline detector geometry and a number of design options were implemented in the simulation. The key options include the radiator dimensions, two types of expansion volume shapes, and a variety of focusing systems. The performance of the detector designs was quantified in terms of single photon Cherenkov angle resolution and photon yield. It was found that the number of radiators can be reduced by about 40% without loss in performance. A compound spherical lens without air gap was found to be a promising focusing system. An optimized Barrel DIRC design meeting the PID requirements includes three radiator bars per at section, the compound lens without air gap, a compact prism-shaped EV, and a total of 192 Microchannel-Plate PMTs as photosensors. The number of electronic channels can be halved without loss in performance by combining two neighbouring pixels. For such a detector design the total cost will be significantly reduced compared to the baseline version while still meeting or exceeding the PANDA PID performance goals.
In this work, the complex structure of ionization and dissociation pathways on the potential energy curves in small molecules were investigated that are initiated by the absorption of a sequence of multi-color pulses in the XUV, VUV, and IR spectrum. Femtosecond pump-probe spectroscopy was used to track the evolution of nuclear dynamics in neutral hydrogen molecules. Previously unpublished excitation and ionization pathways leading to the dissociative ionization of hydrogen molecules were investigated by employing 3D momentum imaging spectroscopy. These studies were extended to oxygen molecules where an XUV attosecond pulse train coherently ionized several electronic states of O2+ followed by the dissociation of the molecule via multiple pathways. The infrared electric field of the driving laser was then used to couple the electronic and nuclear wave-packets, thus, manipulating the dissociation dynamics of the molecule on an attosecond time scale.
In order to perform the experiments presented here, a novel experimental setup was developed and constructed. It combines an existing high-flux High Harmonic Generation light source that delivers attosecond pulse trains in the VUV and XUV spectrum with a state-of-the-art 3D momentum imaging apparatus (COLTRIMS), as well as a beamline consisting of several experimental tools enabling the selection, characterization, and propagation of the photon spectrum.