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Untersuchungen von evolutionären Algorithmen zum Training neuronaler Netze in der Sprachverarbeitung
(1997)
Im Rahmen der vorliegenden Diplomarbeit wurde die Leistungsfähigkeit von evolutionären Algorithmen zum Training von RNN untersucht und mit gradientenbasierten Trainingsalgorithmen verglichen. Die Zielsetzung war dabei im besonderen die Prüfung der Verwendbarkeit in der Sprachverarbeitung, speziell der Spracherkennung. Zunächst wurde anhand eines Prädiktionsproblems die prinzipielle Leistungsfähigkeit von EA untersucht, indem ein MLP mit unterschiedlichen evolutionären Algorithmen trainiert wurde. Verschiedene Varianten von GA und ES sind an diesem Beispiel getestet und miteinander verglichen worden. Im Rahmen der Untersuchungen an GA stellte sich heraus, daß eine Mindestgenauigkeit der Quantisierung zur Lösung erforderlich ist. Es zeigt sich, daß die Genauigkeit der Approximation mit abnehmendem Quantisierungsfehler besser wird. Damit ist eine Behandlung dieses Problems mit grob quantisierten Gewichten nachteilig. Demgegenüber profitiert ES sowohl in der Approximationsgenauigkeit, als auch in der Konvergenzgeschwindigkeit von der direkten Darstellung der Objektvariablen als reelle Zahlen. Weiterhin zeigte sich bei ES, daß die Genauigkeit einer Lösung auch von der Populationsgröße abhängig ist, da mit wachsender Populationsgröße der Parameterraum besser abgetastet werden kann. Im Vergleich mit ES benötigten GA längere Konvergenzzeiten und bedingten zudem aufgrund der Codierung und Decodierung einen höheren Rechenaufwand als ES, so daß die Untersuchungen an RNN nur mit ES durchgeführt wurden. Zunächst wurde mit dem Latching-Problem eine, in der Komplexität eng begrenzte, Klassifikationsaufgabe mit Zeitabhängigkeiten untersucht. Die zur Verfügung gestellte Information war bei diesem Beispiel sehr gering, da der Fehler nur am Ende einer Mustersequenz berechnet wurde. Es stellte sich heraus, daß selbst bei dieser sehr einfachen Aufgabenstellung die gradientenbasierten Verfahren nach dem Überschreiten einer maximalen Mustersequenzlänge T keine Lösung finden konnten. Im Gegensatz dazu war ES in der Lage, das Problem für alle gemessenen Variationen des Parameters T zu lösen. Erst wenn während des Trainings dem Gradientenverfahren zusätzliche Informationen durch Fehlereinspeisung zur Verfügung gestellt wurde, hatte der BPTT-Algorithmus die selbe Leistungsfähigkeit. Als weiteres Experiment mit Zeitabhängigkeiten wurde das Automaton-Problem un- tersucht, welches mittels eines RNN gelöst werden sollte. Bei diesem Problem wurde besonderer Wert auf die Untersuchung des Konvergenzverhaltens bei Änderungen der Parameter von ES gelegt. Die Untersuchungen ergaben, daß die einzelnen Parameter in komplexer Weise miteinander interagieren und nur eine gute Abstimmung aller Parameter aufeinander eine befriedigende Leistung in Bezug auf Konvergenzgeschwindigkeit und Klassifikationsergebnis erbringt. Wie bei dem Latching-Problem wurde der Fehler nur am Ende einer Mustersequenz berechnet. Dies bewirkt, daß der BPTT-Algorithmus bereits bei Sequenzlängen von T = 27 nicht mehr in der Lage ist, die Zeitabhängigkeiten in dem Gradienten zu repräsentieren. Mit ES dagegen konnten RNN trainiert werden, die in der Lage sind, Sequenzlängen bis zu T = 41 richtig zu klassifizieren. Die Untersuchungen bestätigen, daß der beschränkende Faktor in erster Linie der Trainingsalgorithmus und nicht das Netzwerksparadigma ist. Die Simulationsexperimente mit zeitnormierten Sprachdaten zeigen, daß mit ES prinzipiell höhere Erkennungsleistungen als mit dem gradientenbasierten Algorithmus des BPTT erzielt werden können. Jedoch nimmt schon bei der Klassifikation der Zahlwörter Zwei und Drei die Klassifikationsleistung mit zunehmender Sequenzlänge ab. Es erfordert eine drastische Vergrößerung der Populationsgröße, um zumindest gleich gute Ergebnisse zu erzielen. Zusätzliche Tests am Automaton-Problem stützen diese Aussage. Jedoch steigt der Rechenaufwand durch Vergrößerung der Populationsgröße so stark an, daß bei nicht zeitnormierten Sprachdaten ES mit adäquater Populationsgröße nicht mehr simulierbar waren. In den Untersuchungen an dem Vokabular mit sechs Wörtern wurde der Fehler für jeden anliegenden Merkmalsvektor berechnet und im Gradienten bzw. zur Bewertung bei ES im Training verwendet. In diesen Messungen erbringen beide Algorithmen nahezu identische Klassifikationsergebnisse. Insgesamt verhindert der drastisch ansteigende Rechenaufwand bei den Sprachdaten die Verarbeitung von größeren Vokabularien und langen Wörtern durch ES. Aus der Beschränkung der Populationsgröße durch die vorhandene Rechnerkapazität resultierte eine nichtoptimale Anpassung von Selektionsdruck, Mutationsrate und Populationsverteilung im Suchraum. Insbesondere erweist sich die globale Anpassung der Strategieparameter bei den vergrößerten Populationen als problematisch. Weitere Untersuchungen an ES mit Strategien zur Selbstadaption dieser Parameter bieten sich daher für zukünftige Forschung an.
In dieser Arbeit wurde die Produktion negativ geladener Pionen in zentralen Blei+Blei Kollisionen bei 40 A·GeV am CERN SPS mit dem Experiment NA49 untersucht. Die Analyse der Pionen basiert auf der Tatsache, das sie ungefähr 90% des hadronischen Endzustands aller negativ geladenen Hadronen darstellen, wobei der Rest hauptsächlich aus Kaonen besteht. Diese Analyse deckt die komplette vordere Hemisphäre ab, somit wurden keinerlei Extrapolationen benötigt. Für diese Analyse wurde ein komplett neuer Satz von Schnitten in diversen Variablen der Daten von NA49 gesucht und optimiert. Um einen möglichst gut bestimmten Satz von Spuren zu verwenden, wurde nur ein kleiner Teil aller Spuren verwendet, der aber exakt und einfach zur vollen Akzeptanz zurückkorrigiert werden kann. Um die Spuren aus Zerfällen nahe am Hauptinteraktionspunkt und um Dreckeffekte wie γ-Konversion oder Vielfachstreuung zu entfernen, wurde ein komplett neuer Korrekturalgorithmus entwickelt und getestet. Da bei dieser Energie die Spurmultiplizitäten ungefähr um einen Faktor zwei kleiner sind, wurde beobachtet, daß Ineffizienzen in der Rekonstruktion eine untergeordnete Rolle spielen. Hier wurde im Mittel eine Korrektur von 8% verwendet. Um Spektren negativer Pionen zu erhalten, müssen die negativ geladenen Kaonen aus dem Spursatz entfernt werden, hierfür wurde eine Simulation aufgebaut und eingesetzt. Ein großes Problem stellt die Abschätzung des Systematischen Fehlers dar, da es eine Mannigfaltigkeit von Fehlerquellen gibt. In dieser Arbeit wurden zwei Methoden angewandt, um den Systematischen Fehler abzuschätzen. Das Ergebnis der hier vorgestellten Analyse ergibt eine mittlere Multiplizität für die negativen Pionen von 320±14. Die Präsentation eines vorläufigen Zustands dieser Analyse in Kombination mit den neu gewonnen Kaonwerten [1] vor dem SPSC [2] veränderten den vorhandenen Strahlzeitplan nachhaltig, so daß in extrem kurzer Zeit nach ieser Präsentation eine Energieabtastung gestartet wurde. Schon ein paar Monate später bekam NA49 hierfür einen Bleistrahl bei der Energie von 80 A·GeV und wird im Jahr 2002 auch Energien von 20 und 30 A·GeV geliefert bekommen. Auch wurden diese Daten auf der QM2001 als vorläufige Ergebnisse präsentiert. Desweiteren bilden die Ergebnisse, sowie die aus der 80 A·GeV Analyse und denen bei Top-SPS Energie gewonnenen kombiniert mit den Kaonergebnissen bei den gleichen Energien die Grundlage für ein Physical Review Letter der NA49-Kollaboration zum Thema der Energieabhängigkeit des K+/π + Verhältnis. Die Motivation für diese Arbeit war die Suche nach einer Evidenz des Quark-Gluon-Plasma und bei der analysierten Energie wurde der Übergang in diese Phase vorhergesagt [3]. Man sollte einen Wechsel von der Pionunterdrückung zur Pionvermehrung im Vergleich mit den Daten aus Nukleus+Nukleus Experimenten in dem Verhältnis der mittleren Pionmultiplizität zu der Anzahl der Teilnehmenden Nukleonen beobachten. Diese Vermutung stellte sich als richtig heraus. Diesen Wechsel kann man erklären, wenn man einen Phasenübergang zu einer Phase quasifreier Quarks und Gluonen in diesem Bereich annimmt. Die Pionen stellen, aufgrund ihrer geringen Masse, die häufigsten Teilchen dar und sind somit auch eine gute Meßprobe für die gesamte Entropie des Feuerballs. Da die Anzahl der Freiheitsgrade in einem QGP massiv ansteigen muß, sollte man eine erhöhte Produktion von Pionen beobachten. Der Meßpunkt bei 40 A·GeV liegt genau in dem Bereich des Wechsels. Ein Vergleich mit den Modellen zeigt, das kein Modell, wenn es überhaupt Pionen beschreiben kann, die Produktion von Pionen korrekt wiedergibt, außer das „Statistical Modell of the early Stage“, das die Pionproduktion beschreibt und auch den Wechsel von Pionunterdrückung zu Pionvermehrung im Bereich um 40 A·GeV wiedergibt. Dieses Modell besitzt eine Phasenübergang von gebundener Materie zum QGP. Das Hadrongas-Modell kann die Pionen bei jeder Energie beschreiben, aber eine Vorhersage ist nicht möglich, da die Pionen als Eingabe in dieses Modell benötigt werden. Die Ergebnisse von NA49 haben neuen Schwung in die Erklärung von Schwerionenkollisionen und die Suche nach dem QGP gebracht. Die ersten „Resultate“ sind eine Energieabtastung am CERN-SPS und diverse Änderungen an vorhandenen Modellen, um vor allem das nichtmonotonische Verhalten des K+/Pi + Verhältnisses zu beschreiben. Bis jetzt existiert kein Modell und keine Erklärung, die die Daten beschreibt und auf anderen Hadronischen Erklärungen basiert. Somit kann man feststellen, daß eine sich erhärtende Evidenz für die Produktion des QGP am CERN-SPS vorhanden ist.
Es wurde eine Apparatur zur Messung von Heliumdoppelionisation durch Elektronenstoß, kurz (e,3e) genannt, aufgebaut. Die Aufgabe bestand im Aufbau eines Jetsystems mit horizontalem Jet, der Konstruktion eines Impulsspektrometers, das speziell auf die Anforderungen von (e,3e) ausgerichtet ist, dem Aufbau einer Kompensation für das Erdmagnetfeld, dem Test der einzelnen Komponenten und der Aufnahme von Orts- und Flugzeitspektren. Im Rahmen der Testmessungen konnte die Linearität der Detektoren überprüft werden, auch wurde ein Programm für die Ortsauslese der Hexanode geschrieben, des weiteren wurde der Elektronenstrahl fokussiert und der Jet eingestellt, so daß das Flugzeitspektrum zwischen Targetelektron und Rückstoßion und zwischen Projektil und Rückstoßion aufgenommen werden konnte. Anhand des Flugzeitspektrums zwischen Projektil und Rückstoßion wurde die Impulsverteilung der einfachgeladenen Heliumionen in Richtung der z-Achse bestimmt. Jedoch hat sich herausgestellt, daß die Impulsverteilung der Heliumionen vom Jet von der noch größeren Impulsverteilung der Atome vom warmen Heliumgas überlagert wird. Anhand des Rückstoßionendetektor-Ortsbildes konnte die Impulsverteilung der Heliumionen in x- und y-Richtung angegeben werden, da sich das warme Heliumgas im Restgasionisationsstreifen befindet und somit klar von Jetfleck zu trennen ist. Um für die wissenschaftliche Forschung verwertbare (e,3e)-Messungen an der Apparatur durchführen zu können, müssen einige zusätzliche Arbeiten vorgenommen werden; wie die Kalibrierung der beiden Spektrometer. Das ist notwendig für die Ermittlung der Zuordnungsfunktion zwischen Auftrefforten und -zeiten auf den Detektoren und den jeweiligen Impulskomponenten. Das Simulationsprogramm SIMION kann zwar Trajektorien von unterschiedlich geladenen Teilchen bei einem gegebenen Feld berechnen, jedoch können diese simulierten Werte um bis zu 10% von der „Realität“ abweichen. Des weiteren ist es notwendig, den Nullpunkt, also den Koordinatenursprung der Detektoren zu ermitteln, um die genauen Impulsvektoren bestimmen zu können. Ohne diese Kalibrierung können die ermittelten Impulsverteilungen der Rückstoßionen und Targetelektronen quantitativ nicht angegeben werden. Bei den Testmessungen hat sich gezeigt, daß der Elektronenstrahl divergent ist. Durch weitere Testmessungen an der Elektronenkanone muß das Problem behoben werden, da sonst die Energieauflösung des Projektilspektrometers nicht ausreichend ist....
Das Ziel des Experiments war es, den Einfluss des Valenzelektrons im Kaliumatom auf die Kernabschirmung zu untersuchen. Es wurde mit Hilfe von Laserpulsen mit einer Dauer von 120 fs entfernt. Die Ionisation oder Anregung der K-Schale der Kaliumatome sowie der Kaliumionen wurde mit hochenergetischen Röntgenphotonen realisiert. Um die daraus entstandenen Auger-Elektronen ohne störenden Untergrund messen zu können, wurde ein 4π Flugzeitspektrometer nach dem Prinzip der magnetischen Flasche eingesetzt. Es wurde gezeigt, dass nach dem Entfernen des Valenzelektrons die Kernabschirmung des Kaliumatoms zunimmt, was eine Änderung der Energie der K-Schale zu Folge hat. Diese Änderung von 3 eV trat bei einem Vergleich der Ionisationskurven für Kaliumatome und Kaliumionen deutlich hervor. Die Höhe der Änderung lässt darauf schließen, dass sie im Zusammenhang mit der Ionisierungsenergie des entfernten 4s-Elektrons steht. Durch die Verwendung des Femtosekunden-Laserpulses in Verbindung mit den Röntgenstrahlen des Synchrotrons sollte der Auger-Prozess zeitaufgelöst dargestellt werden. Eine Messung des Verhältnisses der Elektronenraten in Abhängigkeit von der zeitlichen Verzögerung zwischen Laser- und Röntgenstrahlen ergab eine Länge des Röntgenpulses von 66 ps (± 5 ps), was für zeitaufgelöste Untersuchungen des in Femtosekunden ablaufenden Auger-Prozesses zu lang ist. Jedoch zeigt das Experiment, dass bei einer hinreichenden Verkürzung der Röntgenpulse zeitaufgelöste Untersuchungen im Bereich von Femtosekunden möglich sind. Für die Zukunft ist an der ALS eine weitere Beamline geplant, welche Röntgenpulse im fs-Bereich produzieren kann. Durch Verwenden dieser kurzen Röntgenpulse wären weitere Experimente zur zeitaufgelösten Darstellung des Auger-Prozesses denkbar. Bis zu diesem Zeitpunkt sollen weitere Experimente zur Untersuchung „langsamer“ dynamischer Vorgängen in Atomen und Molekülen, zum Beispiel die Dissoziation von Molekülen auf einer Pikosekunden Zeitskala, durchgeführt werden.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden Zellulare Neuronale Netzwerke (CNN) zur nichtlinearen Signalanalyse bei der Prädiktion hirnelektrischer Signale bei Epilepsie herangezogen. Die invasiven Aufnahmen hirnelektrischer Aktivität liegen zeitlich diskretisiert vor, sodaß ein zeitdiskretes Netzwerk (DTCNN) eingesetzt werden konnte. Die parallele Struktur von CNN konnte zur simultanen Untersuchung von sechs Elektroden genutzt werden, mit denen die hirnelektrische Aktivität aufgenommen wurde. Insbesondere ist die direkte Wechselwirkung der einzelnen Zellen untereinander durch eine lokale Nachbarschaft gegeben. In den durchgeführten Untersuchungen wurde zunächst festgestellt, daß für ein DTCNN, das ausgehend vom aktuellen Zeitpunkt den Signalwert des nächsten Zeitpunktes prädizieren soll, eine Prädiktionsordnung größer als zwei keine wesentliche Minimierung des Prädiktionsfehlers nach sich zieht. Daher wurde ein DTCNN mit zeitlich verzögerten Zellzuständen eingesetzt, wobei die Definitionsweise von Roska und Chua [21] im Rahmen dieser Arbeit für beliebige Prädiktionsordnungen erweitert wurde. Da bei einer Prädiktionsschrittweite größer als eins eine deutliche Erhöhung des Prädiktionsfehlers festgestellt werden konnte, wurde diese im folgenden gleich eins gewählt. Weiterhin wurde festgestellt, daß bei Verwendung polynomialer Kopplungsfunktionen der Grad der Nichtlinearität gleich drei gewählt werden kann, da eine weitere Erhöhung des Grades der Nichtlinearität zu keineren weiteren Minimierung des Prädiktionsfehlers geführt hat. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Programm entwickelt, das aus den Aufnahmen der hirnelektrischen Aktivität einzelne Elektroden extrahieren kann, sodaß die Meßwerte dem DTCNN präsentiert werden konnten. Mit Hilfe des zugrundegelegten DTCNN konnte der zeitliche Verlauf der hirnelektrischen Aktivität von sechs Elektroden simultan prädiziert werden. Eine Analyse des zeitlichen Verlaufes des Prädiktionsfehlers ließ vor einem epileptischen Anfall keine signifikanten Änderungen erkennen. Daher wurde ein Programm entwickelt, mit dessen Hilfe der zeitliche Verlauf der Parameter des verwendeten DTCNN analysiert und deutliche Änderungen aufgezeigt werden können. Es konnten Berechnungsmethoden, hier die lokale Mittelwertbildung und die Gradientenberechnung, gefunden und an den jeweils untersuchten Patienten angepaßt werden, sodaß diese Änderungen der Parameter deutlicher hervorgehoben wurden. Bei zwei der vier Patienten konnten signifikante Änderungen des zeitlichen Verlaufes der Parameter des untersuchten DTCNN festgestellt werden, die vor dem Auftreten des epileptischen Anfalls liegen und somit als Vorläufer eines epileptischen Anfalls betrachtet werden können. Die Untersuchung eines dritten Patienten zeigte deutliche Änderungen der analysierten Parameter, die zeitlich mit dem Beginn des epileptischen Anfalls übereinstimmen. Bei einem vierten Patienten konnten signifikante Änderungen des zeitlichen Verlaufes der Parameter vor dem epileptischen Anfall nur dann festgestellt werden, wenn der betrachtete Datensatz hirnelektrischer Aktivität während des Auftretens eines Anfalls aufgenommen wurde. Wurde stattdessen die Aufnahme von zwei epileptischen Anfällen, die kurz hintereinander auftraten, analysiert, so konnten keine signifikanten Änderungen des Verlaufes der Parameter gefunden werden.
Das in der Plasmamembran tierischer Zellen vorkommende Enzym "Na+/K+-ATPase" setzt katalytisch ATP in ADP um. Als transmembranes Protein vollführt es während der Katalyse einen elektrogenen Zyklus von Konformationsänderungen, wobei 3 intrazelluläre Na+ gegen 2 extrazelluläre K+ ausgetauscht werden, und besitzt damit die Funktion eines primär aktiven Ionentransporters. Bisherige Aktivitätsmessungen, z.B. von B. Vilsen (Vilsen, 1994), an dem in Lösung befindlichen Enzym ergaben deutliche pH-Abhängigkeiten der Aktivität, die auf eine intrazelluläre Wechselwirkung des Protons mit der ATPase zurückgeführt wurden. Im Rahmen der hier vorliegenden Arbeit war nun die Frage zu klären, inwieweit der extrazelluläre pH-Wert auf die Transportfunktion der in der Membran liegenden Na+/K+-ATPase einen Einfluß ausübt. Es wurden daher elektrophysiologische Messungen mit dem Two-Elektrode-Voltage-Clamp-Verfahren und dem Giant-Patch-Clamp-Verfahren an der Zellmembran von Oozyten des Xenopus laevis durchgeführt und die pH-Abhängigkeit von durch die Na+/K+-ATPase verursachten transmembranen stationären als auch transienten Ionenströmen analysiert. Die stationären (steady-state) Ströme sind ein Maß für die Pumpaktivität, während die transienten auf Partialreaktionen des Enzyms schließen lassen. Die elektrophysiologischen Messungen wurden an der ouabainsensitiven und der ouabainresistenten Na+/K+-ATPase des Torpedo californica durchgeführt. Als Expressionssystem diente die Oozyte des Xenopus laevis. Die Messungen wurden mit Hilfe des Two-Elektrode-Voltage-Clamp-Verfahrens sowie des Giant-Patch-Clamp-Verfahrens durchgeführt. Um eine pH-Abhängigkeit zu untersuchen, wurden steady-state- als auch transiente Ströme bei den pH-Werten pH6, pH7,5 und pH9 gemessen. Als Pumenströme wurden die K+-aktivierbaren oder Ouabain-inhibierbaren Stromkomponenten betrachtet. Zunächst wurde die pH-Abhängigkeit von Pumpenströmen der im normalen Modus arbeitenden, ouabainsensitiven Na+/K+-ATPase untersucht. Die Pumpenströme wurden durch [K+]a=5mM aktiviert und durch [K+]a=0mM inhibiert. Die Messungen in einem natriumfreien extrazellulären Medium ergaben eine ausgeprägte pH-Abhängigkeit der Strom-Spannungskennlinien der Pumpenströme. Dieser Effekt wurde zum großen Teil auf einen, bei J.Rettinger (Rettinger, 1996) beschriebenen, Protonen-Einwärtsstrom zurückgeführt. Durch eine Korrektur konnten die vom Protoneneinwärtsstrom unbeeinflußten Pumpenströme analysiert werden, und es zeigte sich Potentialunabhängigkeit der Strom-Spannungskennlinien bei pH6 und pH9, während bei pH7,5 Potentialabhängigkeit (positive Steigung im negativen Potentialbereich) zu erkennen war. Dies wurde auf eine protonierbare im "access-channel" angenommene Stelle zurückgeführt, welche dann einen Einfluß auf die Affinität der Kationenbindung ausüben könnte. In hochnatriumhaltigem extrazellulären Medium (100mM) war dieser pH abhängige Effekt nicht nachweisbar, die Strom-Spannungskennlinien folgten dem schon bekannten Verlauf (Rakowski et al., 1997) mit einer positiven Steigung im negativen Potentialbereich. Weiterhin wurden transiente Ströme des Na/Na-Austausches sowohl an der ouabainsensitiven (OS) als auch an der ouabainresistenen (OR) Na+/K+-ATPase untersucht. Hierfür wurde in hochnatriumhaltigem (100mM) und kaliumfreiem extrazellulären Medium gemessen. Der Na/Na-Austausch der OS Pumpe wurde extrazellulär mit 100:M Ouabain inhibiert, während der der OR Pumpe mit 10mM Ouabain inhibiert wurde. Messungen mit dem Two-Elektrode-Voltag-Clamp-Verfahren ergaben auf Grund der zu geringen Zeitauflösung keine analysierbare pH-Abhängigkeit. Für die bei diesen Messungen festgestellte Ladungsverschiebung konnte eine effektive Wertigkeit von zq=0,80±0,02 ermittelt werden, was mit den Angaben von J. Rettinger et. al. (Rettinger et al., 1994) vergleichbar ist. Die Messungen mit dem Giant-Patch-Clamp-Verfahren an der OR und OS Pumpe ergaben für transiente Ströme einen relaxierenden Strom-Zeitverlauf, der einer Linearkombination aus drei unterschiedlich schnell relaxierenden Exponentialfunktionen mit verschiedenen Amplituden entspricht. Die Zeitkonstanten ließen keine signifikante pHAbhängigkeit erkennen. Ihre Werte lagen in den Bereichen 10-10 :s, 1-5ms und 10-200ms, wobei die am schnellsten relaxierende Funktion nicht analysiert werden konnten. Die langsam relaxierende Exponentialfunktion ließ sich der Konformationsänderung zuordnen, die mittelschnell relaxierende der extrazellulären Wechselwirkung mit den Na+-Ionen. Die Amplituden hingegen zeigten eine pH-Abhängigkeit. Im depolaren Potentialbereich hatten die Amplituden der mittelschnell relaxierenden Funktion bei pH6 eine größere Potentialabhängigkeit als bei pH9. Die Amplituden der langsam relaxierenden Funktion hatten im hyperpolaren Potentialbereich bei pH6 eine geringere Potentialabhängigkeit als bei höheren pH-Werten. Im ersten Fall könnte eine Protonierung an einer Stelle der ATPase die Potentialabhänigkeit über eine Veränderung des "accesschannels" verstärken, im zweiten Fall könnte diese in die Konformationsänderung eingebunden sein.
Entwicklung und Aufbau eines Elektronenstrahl-Extraktionssystems für die Frankfurter EZR-Ionenquelle
(1998)
Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen des Frankfurter 14.4GHz-EZR-(ve)RFQProjektes zur Erzeugung und Beschleunigung von hochgeladenen Ionen für atomphysikalische Experimente und zur Materialforschung. Die Kernelemente dieser Anlage sind eine 14.4 GHz Elektron-Zyklotron-Resonanz-Ionenquelle, ein 90-137° Analysiermagnet und ein Radio-Frequenz-Quadrupol-Beschleuniger mit variabler Energie. In der EZR-Ionenquelle werden hochgeladene Ionen durch Stöße mit schnellen Elektronen erzeugt. Die Elektronen werden durch Überlagerung eines magnetischen Doppelspiegelfeldes mit einem magnetischen Hexapolfeld in der Quelle eingeschlossen und durch Mikrowellenleistung nach dem Zyklotron-Resonanz-Prinzip auf hohe Energien beschleunigt. Bei der Entwicklung von Ionenquellen für hochgeladene Ionen verfolgt man das Ziel hohe Strahlströme bei höchsten Ladungszuständen und guten Strahlqualitäten (kleine Emittanzen) zu erreichen. In dieser Arbeit wird ein neues Konzept für die Extraktion von Ionenstrahlen aus einem EZR-Plasma mit Hilfe eines intensiven Elektronenstrahls untersucht. Die hochgeladenen Ionen werden durch einen Potentialtopf im Plasma gehalten und können nur durch Abschalten der Mikrowellenleistung extrahiert werden (Afterglow-Effekt). Durch die Injektion eines intensiven Elektronenstrahls von der Extraktionsseite aus in das Plasma, soll lokal ein negativer Raumladungskanal erzeugt werden, durch den die hochgeladenen Ionen dem Potentialtopf entkommen können. Die Elektronen laufen dabei in entgegengesetzter Richtung zu den Ionen. Die Ionen erfahren eine anziehende Kraft durch den negativen Raumladungskanal der Elektronen in Richtung Achse und werden dadurch zusätzlich fokussiert. Der negative Raumladungskanal dient auch zur Führung der Ionen, welche durch eine Bohrung in der Kathode extrahiert werden. Durch den Einschuß des Elektronenstahls von der Extraktionsseite aus in das Plasma können weitere Verbesserungen der Quellenparameter erwartet werden. So z. B. die Erzeugung von Sekundärelektronen zum Ausgleich von Elektronenverlusten aus dem Plasma und zur Erhöhung der Plasmadichte, die Vorionisation von neutralen Gasteilchen zur Erhöhung des Ionisationsgrades des Plasmas und damit verbunden, die Verringerung von Ladungsaustauschprozessen zwischen neutralen Teilchen und hochgeladenen Ionen, schließlich die Erzeugung von Festkörperionen durch Verdampfen, insbesondere von Metallen mit hohem Siedepunkt (z. B. Wolfram) und die Verbesserung der Emittanz, da die Ionen durch den Elektronenstrahl näher der Achse geführt werden und dadurch die Ionen mit einem kleineren Strahlradius extrahiert werden. Für die Erzeugung des Elektronenstrahls wurde eine mit Barium imprägnierte Wolfram- Kathode benutzt. Diese besitzt eine Emissionsstromdichte von 1 A/cm2 bei einer Temperatur von 1100°C und einer Oberfläche von 3 cm2. Zur Fokussierung des Elektronenstrahls werden die magnetischen Felder der beiden EZR-Spulen genutzt. Die magnetischen Feldlinien werden durch passive Abschirmung so geformt, daß diese senkrecht durch die Oberfläche der Kathode stoßen. Die erzeugten Elektronen werden entlang dieser magnetischen Feldlinien geführt. Da die Elektronen in Richtung Plasma beschleunigt werden, laufen diese in ein ansteigendes Magnetfeld, welches für die Fokussierung und Kompression des Elektronenstrahls sorgt. Um die Leistung des Elektronenstrahls zu vernichten, wurde ein wassergekühlter Kollektor auf der Gaseinlaßseite in der Quelle installiert. Dieser übernimmt außerdem die disk-Funktion, zum Ausgleich von Elektronenverlusten aus dem Plasma und zur Erhöhung der Plasmadichte. Er besteht aus ferromagnetischen Material (Reineisen) und sorgt somit für eine Verbesserung des Jochschlusses der Magnetfeldspulen und für eine Verbesserung des Spiegelverhältnisses auf der Gaseinlaßseite von 2.9 auf 3.8. Beim ersten Testeinbau des neuen Extraktionssystems, bei dem der wassergekühlte Kollektor und damit die disk fehlte, wurde die Arbeitsfähigkeit der Elektronenkanone in der Umgebung der arbeiteten EZR-Ionenquelle demonstriert. Die Kathode wurde mit ihrer Orginalbohrung von 1 mm Durchmesser eingesetzt, wodurch die Ionenströme um bis zu einem Faktor 1000 im Vergleich zu den herkömmlich gemessenen Ionenströmen reduziert wurden. Durch das Fehlen der disk zeigen die aufgenommenen Ladungsspektren einen Intensitätsabfall zu hohen Ladungszuständen hin. Dennoch konnte gezeigt werden, daß mit Elektronenstrahl wesentlich höhere Ionenströme erreicht werden, als im Betrieb ohne Elektronenstrahl. Mit dem Einbau eines wassergekühlten Kollektors und der Vergrößerung der Kathodenbohrung auf 3 mm Durchmesser konnten die Ionenströme im Maximum bei Ar8+ auf 25 mA gesteigert werden, so daß nur noch ein Faktor 4 bis zu den besten Ergebnissen der Quelle fehlt. Da jedoch durch die 3 mm Kathodenbohrung die Emittanz des Ionenstrahls besser ist als mit dem herkömmlichen Extraktionssystem, wäre ein Vergleich der Brillanzen nötig, um genaue Aussagen über die Qualität des Elektronenstrahl- Extraktionssystems zu machen, jedoch fehlte hierzu eine Emittanz-Meßanlage. Die Ladungsverteilung zeigt auch wieder den gewöhnlich Verlauf mit dem Maximum bei Ar8+. Vergleicht man nun die Ladungsspektren mit unterschiedlichen Mikrowellenleistungen, so zeigt sich bei mittleren Mikrowellenleistungen (700 W) eine überproportionale Erhöhung des Ladungszustandes Ar12+, jedoch eine Reduzierung des Ladungszustandes Ar11+. Untersuchungen bei hohen Mikrowellenleistungen (1700 W), das bedeutet einer höheren Plasmadichte gegenüber den Messungen mit mittleren Mikrowellenleistungen, zeigen ebenfalls, daß der Änderungsfaktor des Ladungszustand Ar12+ größer ist, als der des Ladungszustand Ar11+. Die Ladungsspektren zeigen auch, daß der Elektronenstrahl bei niedrigeren Plasmadichten größere Auswirkung auf die hohen Ladungszustände hat, als bei hohen Plasmadichten. Dies zeigt, daß die Elektronenstrahldichten im Vergleich zur Plasmadichte viel zu gering sind, so daß z. B. der gewünschte Effekt der lokalen Potentialabsenkung nicht einsetzt und die Änderungen in der Ladungsverteilung im wesentlichen auf die Fokussierungseigenschaften des Elektronenstrahls zurückzuführen sind. Hierzu müssen weitere Untersuchungen mit höheren Elektronenstrahldichten vorgenommen werden. In diesem Zusammenhang sind auch Untersuchungen zur Größe des nutzbaren Ionenreservoirs im Plasma (z. B. durch Afterglow-Effekt) an der Frankfurter EZR-Ionenquelle notwendig.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden Protonen an im Raum ausgerichteten D2-Molekülen gestreut. Ziel war es nach möglichen Interferenzstrukturen in der Streuwinkelverteilung der Projektile zu suchen. Solche Interferenzstrukturen sind durch die Theorie vorhergesagt. Sie sind in Analogie zur Beugung am Doppelspalt ein Ergebnis der kohärenten Streuung des Projektils an den beiden Kernen des D2-Moleküls. Für den Reaktionskanal des Elektroneneinfangs mit gleichzeitiger Dissoziation des Moleküls mit einer Energie zwischen 4 und 7eV zeigen die experimentellen Daten tatsächlich ein Minimum an etwa der vorhergesagten Stelle. Dieses Minimum variiert mit der Orientierung der Molekülachse allerdings nicht ganz, wie aufgrund der Analogie zum Doppelspalt zu erwarten ist. Für den gleichzeitig im Experiment beobachteten Kanal der Transferionisation, der zu einer Fragmentenergie von etwa 9eV führt, wurden im Experiment keine Modulation der Streuverteilung beobachtet. Der beobachtete Reaktionskanal der Dissoziation wirft weitere Fragen auf, die über das einfache Doppelspalt-Bild hinausgehen. So kann das dissoziierende D2-Ion sowohl in einem geraden als auch in einem ungeraden Zustand seiner elektronischen Wellenfunktion zurückbleiben. Diese Symmetrie der elektronischen Wellenfunktion beeinflusst ebenfalls die Phase der gestreuten Welle. Eine zuverlässige Vorhersage des zu erwartenden Kontrastes des Interferenzmusters hängt von der relativen Stärke der Anregung in den geraden und ungeraden Zustand ab. Dieser Effekt ist bisher nicht in den theoretischen Modellen berücksichtigt. Diese Frage kann aber auch durch weitere Experimente geklärt werden. Im Rahmen einer anderen Diplomarbeit [Wim04] wurde ein sehr ähnliches Experiment vermessen: Ein einfach geladenes Wasserstoffmolekülion wird beschleunigt, stößt mit einem nahezu ruhenden Atom und fängt dabei ein Elektron ein. Durch den Elektroneneinfang geht das Molekül u. a. in einen 1ssu-Zustand über, der zur Dissoziation führt. Genau wie in diesem Experiment auch, kann dadurch die Molekülachse festgehalten werden. Betrachtet man in der Auswertung die Bewegung beider Teilchen in inverser Kinematik, d.h. lässt man das neutrale Atom auf das Molekül zufliegen, so zeigen sich in der Impulsverteilung des Rückstoßions (Atomions) Minima und Maxima, deren Position sich mit der Drehung des Moleküls ändert. Dies bestätigt eigentlich die Existenz von Interferenzen. Nur wird hier, wie bereits gesagt, die inverse Kinematik betrachtet, zudem vermisst man eigentlich den umgekehrten Übergang vom 1ssg-Zustand des Molekülions in den 1ssu-Zustand des Moleküls. Um theoretische Berechnungen jedoch direkt zu bestätigen, ist es durchaus erstrebenswert, die Kinematik wie hier in dem hier vorgestellten Experiment zu vermessen. Aus diesem Grund werden in nächster Zeit noch weitere Messungen vorgenommen, in denen mit gleichem Aufbau, jedoch mit einer niedrigeren Projektilenergie (10 keV - 25 keV), die gleiche Reaktion untersucht wird. Mit der niedrigeren Energie des Projektils soll eine sehr viel bessere Streuwinkelauflösung erreicht werden, so dass sie die Beobachtung möglicher Interferenzen definitiv nicht mehr begrenzt. Dadurch können zum einen die Ergebnisse dieser Arbeit auf ihre Richtigkeit überprüft werden. Wenn tatsächlich Interferenzstrukturen zu beobachten sind, zeigen zum anderen eventuelle Veränderungen, ob eine Analogie zum Doppelspalt gerechtfertigt ist.
Mit zunehmender Automatisierung - sowohl der industriellen Herstellungsverfahren, als auch ihrer Produkte - hat die Regelungstechnik stark an Bedeutung gewonnen. Das Prinzip der Regelung jedoch ist schon lange bekannt. Erste Anwendungen finden sich bereits in der Antike (230 v.Chr. Philon von Byzanz, Schwimmerregelung für Öllampen). Das wohl prominenteste Beispiel ist der Drehzahlregler für Dampfmaschinen, den James Watt 1788 konstruierte. Eine Theorie des Regelkreises wurde dagegen erst Ende des letzten Jahrhunderts entwickelt. Damit war der Weg für den verbreiteten Einsatz von Regelungstechnik geebnet. Aber ihre Bedeutung geht über die rein technischen Prozesse hinaus, indem sich die Theorie der Regelkreise auch zur Untersuchung nichttechnischer zum Beispiel biologischer oder gesellschaftlicher Prozesse anwenden läßt. Viele dieser Prozesse laufen nach dem Prinzip der Regelung ab, denn sie werden auch bei Wirkung äußerer Störungen aufrechterhalten. In diesen Bereichen wird allgemeiner von Kybernetik gesprochen [Steinbuch]. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wird eine Einführung in die Regelungstechnik gegeben. Daran schließen sich im zweiten Teil Untersuchungen zur Magnetschwebekugel an. Diese theoretischen Betrachtungen sollen als Grundlage für den Aufbau eines Experiments zur Magnetschwebekugel dienen, das im Rahmen des Physikalischen Praktikums für Fortgeschrittene des Instituts für Angewandte Physik an der Universität Frankfurt geplant ist. Anhand einer von einem Elektromagneten in der Schwebe gehaltenen Kugel werden sich die Teilnehmer und Teilnehmerinnen mit den Prinzipien der Regelungstechnik vertraut machen können. Dieser Versuch ist in zweierlei Hinsicht interessant. Das System Elektromagnet - Kugel ist ohne Regelung nicht stabil, das heißt die Kugel kann nicht an einem beliebigen Ort unterhalb des Magneten fixiert werden. Dies entspricht auch der Erfahrung. Um so erstaunlicher ist es, wenn der Versuch zu einer Stabilisierung führt. Die verwendeten Methoden entstammen vollständig der Theorie der linearen Regelungen, sodaß der Versuch als elementare Einführung in die Regelungstechnik verstanden werden kann.
Energiezustände in einem Halbleiterübergitter in gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern
(2005)
In dieser Arbeit werden Energiezustände in einem GaAs/Al0:3Ga0:7As-Halbleiterübergitter in gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern untersucht. Dabei liegt das elektrische Feld F in Wachstumsrichtung an, während das Magnetfeld B senkrecht dazu in der Ebene der Schichten orientiert ist. Es werden die experimentellen Methoden der Elektroreflexions- und Transmissionsspektroskopie angewendet. Die experimentellen Ergebnisse werden sowohl mit theoretischen Berechnungen verglichen als auch mit zeitaufgelösten Daten in Bezug gesetzt. Sowohl in den Elektroreflexions- als auch in den Transmissionsspektren lassen sich je nach relativem Wert des elektrischen und magnetischen Feldes B=F = x drei verschiedene Bereiche unterscheiden. Für kleines x sind Wannier-Stark-Übergänge sichtbar, die sich mit steigendem B-Feld zu höheren Energien verschieben. Die auffälligste Beobachtung ist das Verschwinden der Wannier-Stark-Zustände mit steigendem Magnetfeld: Bei mittlerem x, wenn die magnetische Energie ~!C die Größenordnung der elektrischen Energie ~!B erreicht, beobachtet man einen nahezu strukturlosen Übergangsbereich. Für größere Magnetfeldstärken lassen sich wieder Übergänge identifizieren, die Landau-Charakter besitzen. Die Exzistenz eines strukturlosen Übergangsbereichs unterscheidet die Geometrie gekreuzter Felder wesentlich von der Konfiguration parallel gerichteter Felder (F- und B-Feld in Wachstumsrichtung [5]). Der Übergangsbereich wurde bereits zuvor beobachtet [65], eine Erklärung seines Ursprungs stand jedoch noch aus. Letztere gewinnen wir aus der Zusammenarbeit mit der Theorie: Auf der Grundlage der Modellrechnungen von S. Glutsch und S. Stepanow aus Jena lässt sich feststellen, dass jeder Wannier-Stark-Zustand in Anwesenheit eines Magnetfeldes in Landau-Zustände aufspaltet. Mit steigendem Magnetfeld verschieben sich diese, wie auch die Wannier-Stark-Zustände, zu höheren Energien, so dass sich eine wachsende Anzahl von Zuständen energetisch annähert. Die Wechselwirkung von Zuständen führt zu vermiedenen Überkreuzungen und damit zu einer Verteilung der Oszillatorstärke, so dass die Stärke jedes einzelnen Zustands abnimmt und einzelne Linien nicht mehr aufzulösen sind. Interessanterweise spielt die Verkürzung der Lebenszeit der involvierten Zustände (homogene Linienverbreiterung) eine untergeordnete Rolle bei der Entstehung des Übergangsbereichs. Auch hinsichtlich anderer Aspekte ist die Übereinstimmung von Theorie und Experiment zufriedenstellend: Die auf Grundlage der Einteilchen-Theorie vorhergesagte energetische Verschiebung der Wannier-Stark- und Landau-Niveaus mit steigendem Magnetfeld kann experimentell mittels Elektroreflexionsmessungen verifiziert werden. Die experimentellen Absorptionsspektren lassen sich direkt mit den theoretischen Absorptionsspektren vergleichen und zeigen die vorhergesagten Energieübergänge. Darüberhinaus sind Fano-Resonanzen als asymmmetrische Linienprofile zu beobachten. Das Zusammenspiel von Theorie und Experiment stellt sich demnach in dieser Arbeit als sehr fruchtbar heraus: Die vorgestellten Experimente leisten der Theorie einen Dienst, indem sie wesentliche theoretische Vorhersagen experimentell verifizieren. Andererseits gewinnt das Verständnis der experimentellen Beobachtungen erst durch theoretische Erkenntnisse sein Fundament. Während der Vergleich von Theorie und Experiment weitgehend abgeschlossen ist [21], wirft der Vergleich der spektral aufgelösten Daten mit zeitaufgelösten Messergebnissen noch ungelöste Fragen auf. Die Dynamik optisch angeregter Wellenpakete lässt sich analog zu den Elektroreflexions- und Absorptionsspektren in ein elektrisch-dominiertes Regime für kleines B=F = x und ein magnetisch-dominiertes Regime für großes x unterteilen. Die beiden Bereiche sind durch einen mittleren x-Wert separiert, bei dem keine kohärenten Oszillationen zu beobachten sind. Dieser Übergang findet entgegen der Erwartung nicht bei dem gleichen x-Wert statt wie in spektral aufgelösten Daten. In der vorliegenden Arbeit wird dieser Befund präzisiert: Absorptionsspektren werden mit TEOS-Spektren (englisch: transmittive electrooptic sampling), Elektroreflexionsdaten mit REOS-Spektren (englisch: reflective electro-optic sampling) verglichen. Sehr deutlich ist die Diskrepanz zu erkennen: In spektral aufgelösten Daten liegt der Übergangsbereich bei größeren x-Werten als in zeitaufgelösten Daten, so dass im spektralen Übergangsbereich wieder langlebige Oszillationen in den zeitaufgelösten Messungen zu beobachten sind. Umgekehrt sind in den spektral aufgelösten Messungen noch deutliche Strukturen erkennbar, wenn am dynamischen Übergang zwischen elektrisch- und magnetisch-dominiertem Regime Oszillationen ausbleiben. Die Experimente dieser Arbeit motivieren demnach die weitere Beschäftigung mit folgenden Problemen: Die Diskrepanz zwischen spektral- und zeitaufgelösten Daten hinsichtlich des Übergangsbereichs muss in Zukunft theoretisch behandelt werden. Es besteht bereits ein Angebot von M. M. Dignam, sich des Problems anzunehmen. Damit verbunden ist die Frage nach der genauen Bedingung für den Übergangsbereich in den spektralen Daten, da die bisherige Bedingung zu grob zu sein scheint. Die Untersuchung von Energiezuständen in Halbleiterübergittern wird auch in Zukunft eine Rolle spielen. Nachdem die Geometrien von parallel und senkrecht orientiertem B und F eingehend behandelt wurden, stellt nun der Fall arbiträrer Feldanordnung eine neue Aufgabe dar. Wenn das Magnetfeld mit dem elektrischen Feld einen arbiträren Winkel einschließt, wird in zeitaufgelösten Messungen eine Kopplung von Magneto-Bloch- und Zyklotron-Oszillationen beobachtet, die sich in einem kohärenten Quasi-DC-Strom und verstärkter Feldabschirmung ausdrückt [58]. Es wäre interessant zu untersuchen, mit welchen spektralen Eigenschaften diese dynamischen Befunde korrespondieren. Hierzu bieten sich die Methoden der Elektroreflexions- und Transmissionsspektroskopie an, die sich in dieser Arbeit als geeignet erwiesen haben.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde erstmals die Realisierung eines (e,3e)- Experimentes an Helium mittels der Cold Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy (COLTRIMS) behandelt. Dabei ging es hauptsächlich um den Aufbau, die Entwicklung, Test und die Durchführung des Experiments. Dazu wurde ein neues Kammersystem am Atomphysikkanal der Frankfurter EZR mit zweistufigem Ultraschallgasjet aufgebaut, an dem in Zukunft noch weitere COLTRIMS- Experimente stattfinden werden. In dieser Arbeit wurde eine Dreifach-Koinzidenz zwischen dem gestreuten Projektilelektron, dem einfach- oder zweifach geladenem Rückstoßion und dem langsamen Elektron verwirklicht. Sie stellt das wesentliche Ergebnis der vorliegenden Arbeit dar. Koinzident zum Streuwinkel und Energieverlust des Projektilelektrons wurden hierbei Flugzeiten und Auftrefforte rte von He1 - bzw. He2 - Ionen und von einem der ionisierten Elektronen gemessen. Anhand der durchgeführten umfangreichen Eichmessungen unter Hinzuziehung von Impuls- und Energieerhaltungssätzen lassen sich somit sämtliche Impulse der Teilchen errechnen. Somit gewinnt man Informationen über den Ionisationsprozeß. Desweiteren lassen sich multidifferentielle Wirkungsquerschnitte bestimmen, die sich mit theoretischen Modellen vergleichen lassen. Die Rückstoßionenimpulsverteilungen und die Flugzeitspektren für das He2 -Ion demonstrieren die Signifikaz der erreichten Statistik, trotz der geringen Koinzidenzrate von 17 h-1. Die Meßdaten wurden einer groben Auswertung unterzogen. Die entgültige Analyse, Ergebnisdeutung, Interpretation und Vergleich mit der Theorie fand in dieser Arbeit nicht statt. Die Projektilenergie lag bei allen Messungen bei 550 eV. Der Elektronenstrahl wurde, entgegen der vorherrschenden Meinung, mit einem Blendensystem auskollimiert. Im nächsten Schritt sollen statt mit nur einem mit zwei oder mehreren Schlitzblenden nacheinander der Elektronenstrahl auskollimiert werden, so daß die am vorderen Schlitz gestreuten Elektronen in den nachfolgenden ausgeblendet werden können. Somit verringert man die problematische Untergrundrate auf dem Elektronendetektor. Für weitere Untersuchungen werden momentan neue Spektrometerkonzepte entwickelt. Bei der Konzeption des neuen Spektrometers wird der Abstand zwischen Targetzone und Elektronendetektor größer gewählt. Dies verringert zwar den Nachweisraumwinkel für die Elektronen, aber man erreicht dadurch eine Verringerung der Untergrundselektronen. Der Verringerung des Nachweisraumwinkels kann man entgegenwirken, indem man einen großen MCP- Detektor mit 80 mm Durchmesser einsetzt. Der Eintrittsbereich des Projektilstrahls in das Rückstoßionenimpulsspektrometer sollte großzügig gewählt werden, da auf diese Art und Weise verhindert werden kann, daß der Elektronenstrahl die Potentialringe in Eintrittsbereich streift und wohlmöglich unerwünschte Sekundärelektronen erzeugt, die im Extraktionsfeld des Spektrometers auf den Elektronendetektor hin beschleunigt werden und ebenfalls für Untergrund sorgen. Eine Pulsung der Elektronenkanone über die Wehneltspannung vorzunehmen und den Puls als Start oder Trigger für die Datenaufnahme einzusetzen ist nur dann sinnvoll, wenn die Flugzeit der Elektronen um mindestens eine Größenordnung größer ist als die erreichbare Pulslänge. Nach Auskunft unserer Elektronik liegen die erreichbaren Pulslängen bei etwa 5 ns. Aufgrund der notwendigen Stabilität sowohl in der Elektronik als auch in der Kühlung des Kaltkopfes ist eine insgesamt kürzere Meßzeit erstrebenswert.
Im Rahmen dieser Diplomarbeit sind Ladungsfluktuationen bei Kollisionen von Blei-Kernen bei den Energien 30, 60, 80 und 160 GeV untersucht worden. Das Interesse an den Ladungsfluktuationen beruht darauf, dass sie einen Hinweis auf die Bildung des Quark-Gluon-Plasmas liefern könnten. Im ersten Teil der Arbeit werden mit Hilfe von einfachen Modellen zwei Variablen untersucht, D-tilde und DeltaPhiq, um die optimale Observable zur Messung der Ladungsfluktuationen zu finden. Im zweiten Teil werden experimentelle Resultate präsentiert, die aus den Daten des CERN-SPS-Experimentes NA49 gewonen wurden. Die gemessenen Ladungsfluktuationen entsprechen denen, die von einem Pionen-Gas erwartet werden, wenn die Pionen nur aufgrund der Ladungserhaltung korreliert sind. Es wird jedoch gezeigt, dass diese Resultate nicht der Annahme widersprechen, dass das Quark-Gluon-Plasma bei SPS-Energien gebildet wird.
HADES ist ein hochauflösendes Dielektronenspektrometer, welches derzeit an der GSI in Darmstadt aufgebaut wird. Ziel ist die Messung von Leptonenpaaren, die in schwerioneninduzierten Reaktionen entstehen. Die invariante Masse der Leptonenpaare soll mit einer Genauigkeit von ~ 1% bestimmt werden. Das HADES-Detektorsystem verwendet Vieldraht-Proportionalkammern zur Rekonstruktion der Teilchenspuren. Aus diesen werden in Verbindung mit der Feldinformation des supraleitenden Magneten die Teilchenimpulse gewonnen, welche wiederum in die invariante Masse eingehen. Über die Driftzeit1 werden die genauen Durchstoßpunkte der Teilchenbahnen durch die verschiedenen Ebenen der Driftkammern erhalten. Dazu ist es erforderlich, die Driftgeschwindigkeit der Elektronen im verwendeten Zählgas zu kennen. Änderungen im Mischungsverhältnis des Zählgases (Helium und Isobutan), aber auch Verunreinigungen des Gases (H2O) können die Driftgeschwindigkeit beeinträchtigen. Verunreinigungen (O2) können weiterhin die Effizienz der Driftkammern verschlechtern. Ziel war deshalb der Aufbau eines Monitorsystems, welches auf Änderungen der Gasmischung und auf eventuelle Kontaminationen (im wesentlichen O2 und H2O) sensitiv ist. Zu diesem Zweck wurde ein Driftgeschwindigkeitsmonitor getestet. Er erlaubt eine Messung der Driftgeschwindigkeit mit einer Genauigkeit von bis zu 0,1% (sigma), allerdings bei anderen elektrischen Feldstärken als in den HADES Driftkammern. Während der einwöchigen Strahlzeit im Mai 2000 wurde die Driftgeschwindigkeit mit dem Prototypen des Driftgeschwindigkeitsmonitors gemessen. Die druckkorrigierte Driftgeschwindigkeit erlaubt Rückschlüsse auf die Gasqualität. Die Messungen ergaben, daß die Ortsauflösung in den HADES Driftkammern nicht von Driftgeschwindigkeitsschwankungen dominiert wird. Eine Extrapolation der Meßergebnisse auf die in den HADES Driftkammern vorherrschenden Feldstärkeverhältnisse ist möglich. Eine relative Signalhöhenmessung ist sensitiv auf den Sauerstoffgehalt des Zählgases bis in den ppm-Bereich. Zwei endgültige Versionen des Driftgeschwindigkeitsmonitors wurden aufgebaut und in das HADES Detektorsystem integriert. Je ein Driftgeschwindigkeitsmonitor wurde am Gasein- und am Gasausfluß aufgestellt, um die Driftgeschwindigkeit dort zu messen und Vergleiche zwischen Frischgas und aus den Kammern ausströmendem ”alten“ Gas zuzulassen. Die Auslese und Datenanalyse des Monitorsystems wurde automatisiert.
Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer ergänzenden Korrekturmethode auf die bei hohen Multiplizitäten auftretende Ineffizienz des im Rahmen des NA35-Experiments benutzten zentralen Spurdetektors, der NA35-Streamerkammer, sowie die Analyse der damit aufgenommenen Kern-Gold-Ereignisse. Diese, speziell für hohe Multiplizitäten und große Rapiditäten konzipierte Korrekturmethode zeigt im Bereich um Midrapidity gute Übereinstimmung mit den traditionellen Korrekturmethoden als auch mit den Daten des zweiten, zur Streamerkammer komplementären Spurdetektors, der NA35-TPC, für hohe Rapiditäten. Es ist somit eine Erweiterung der Streamerkammerakzeptanz je nach Stoßsystem um 0.5-1 Rapiditätseinheiten gelungen, die eine 4-Pi-Extrapolation auf den vollständigen Phasenraum erlaubt. Die Analyse der damit korrigierten Daten zeigt für die Rapiditätsverteilung der negativen Hadronen eine systematische Verschiebung der gemessenen sowie extrapolierten mittleren Rapidität weg von Midrapidity des Nukleon-Nukleon-Stoßes bei zunehmender Asymmetrie des Stoßsystems. Die Formen der Rapiditätsverteilungen scheinen sich jedoch zu gleichen und die Multiplizität skalierte in etwa mit dem Massenverhältins der Projektilkerne. Ebenso zeigt die spezifische Produktionsrate für negative Hadronen pro partizipierendem Nukleon keine signifikante Projektilabhänigkeit, sie liegt bei ~ 1.7 h-/N part.Protons. Die Rapiditätsverteilungen der Nettoprotonen skalieren oberhalb midrapidity mit der Projektilmasse und deutet auf keine Abhängigkeit des stoppings von der Größe des Projektilkerns hin. Sämtliche Projektilnukleonen scheinen im wesentlich schwereren Targetkern demnach gleichviel Energie zu deponieren (gleich stark abgebremst zu werden). Die Transversalimpulsspektren der Nettoprotonen lassen sich gut durch die Verteilungen thermischer Quellen beschreiben, wobei sich für das Stoßsystem 2d+197Au eine Temperatur der Quelle von ungefähr 160MeV, also im Bereich des Hagedorn-Limits, ergibt. Im Falle der 16O+197Au-Daten ergeben sich Temperaturen größer 200MeV. Diese Arbeit schließt die Akzeptanzlücke zwischen den zwei komplimentären Spurdetektoren im NA35-Experiment und ermöglicht damit die Studie von Schwerionenstößen im nahezu vollständigen Phasenraum für zentrale Kern-Gold-Kollisionen.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Produktion positiv und negativ geladener Pionen im System Au+Au bei einer kinetischen Strahlenergie von 1,5 GeV pro Nukleon. Diese Daten wurden im Juli 1998 mit dem Kaonenspektrometer KaoS gemessen. Es liegen Pi-Minus-Spektren bei drei verschiedenen Laborwinkeln (Theta Lab = 40°, 48°, 60°) vor sowie Pi-Plus-Spektren bei fünf Laborwinkeln(Theta Lab = 32°, 40°, 48°, 60°, 71,5°). Die Spektren können als Funktion der Energie im Nukleon-Nukleon-Schwerpunktssystem mit der Summe zweier Boltzmannverteilungen beschrieben werden, deren Steigung sich ebenso wie der unter Annahme isotroper Emission im Schwerpunktssytem integrierte Wirkungsquerschnitt mit dem Laborwinkel ändert. Als mögliche Ursache dieses Verhaltens wird untersucht, ob eine polare Anisotropie der Emission vorliegt. Eine solche wurde in früheren Experimenten [49, 50] für die Pionenproduktion in Proton-Proton-Stößen gefunden und als Effekt der p-Wellen-Produktion von Pionen interpretiert, bei der als Zwischenschritt eine Resonanz, zumeist eine Delta-Resonanz, angeregt wird. Die Zerfallskinematik dieser Resonanzen bewirkt duch ihren Drehimpuls eine Winkelverteilung der emittierten Pionen [24]. In Kern-Kern-Stößen führt die Abschattung von Pionen durch nicht an der Reaktion teilnehmende Nukleonen zu einer zusätzlichen Richtungsabhängigkeit der Emission. Unter der Annahme, daß Energie- und Winkelabhängigkeit separierbar sind, wird in einem einfachen Modell der Winkelanteil des differentiellen Wirkungsquerschnitts als Funktion des Kosinus des Schwerpunktswinkels mit einer Parabelform beschrieben. Um den Anpassungsparameter a2, der die Stäke der Anisotropie quantifiziert, zu ermitteln, stehen zwei Methoden zur Verfügung, die simultane Anpassung der bei festem Laborwinkel gemessenen Spektren und der Vergleich mit einer durch Schnitte durch die Laborimpulsspektren erzeugten Verteilung bei Theta cm = 90°. Beide Verfahren ermitteln erfolgreich den Anisotropieparameter aus in einer Monte-Carlo-Simulation erzeugten Spektren mit parabelförmiger Winkelverteilung. Die mit beiden Methoden ermittelten a2-Werte stimmen für Pi+ wie für Pi- im Rahmen der Fehler überein. Die Winkelverteilung der Pi+ ist mit a2 = 0,7 +- 0,1 stärker ausgeprägt als die der Pi- mit a2 = 0,4 +- 0,1, beide werden bevorzugt unter Theta cm = 0° und Theta cm = 180° emittiert. Allerdings zeigt sich in beiden Methoden eine starke Abhängigkeit von der Phasenraumabdeckung der Daten und beide sind nicht geeignet, eine Abhängigkeit des Anisotropieparameters von der Pionenenergie zu ermitteln....
Ein Schwerpunkt der physikalischen Fragestellungen, die zur Entwicklung des Dileptonenspektrometers HADES führten, ist die präzise Vermessung des invarianten Massenspektrums von Dileptonen, die in zentralen Reaktionen von relativistischen Schwerionen entstehen. In den Spektren sind die leptonischen Zerfälle der Vektormesonen enthalten. Aus Position und Breite der entsprechenden Signale kann auf eine mögliche Veränderung der Eigenschaften von Vektormesonen im dichten und heißen Kernmedium geschlossen werden. Für die Rekonstruktion der Teilchentrajektorien der Elektronen und Positronen werden die Vieldraht-Driftkammern verwendet, und unter Berücksichtigung des Magnetfelds kann der Teilchenimpuls mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Die hohe Impulsauflösung gepaart mit einer großen Akzeptanz und einem effektiven Trigger, ist eine notwendige Voraussetzung für das Studium von Dileptonen im SIS Energiebereich 1-2 GeV per Nukleon. Eine Flugzeitwand ermittelt über die Teilchenmultiplizität die Zentralität des Stoßes und hilft mittels der Flugzeit bei der Identifikation von Teilchen, insbesondere der Hadronen. Elektronen werden mit Hilfe spezieller Detektoren (Ringabbildender Cherenkov Detektor und Schauerdetektor) identifiziert. Ein effizientes Triggerkonzept zusammen mit einer innovativen Datenaufnahme ermöglicht, solche Ereignisse, in denen sich Dileptonenkandidaten befinden, schnell zu erkennen und dann zu registrieren, um so in kurzer Zeit eine hinreichende Statistik an Dileptonen zu erhalten. Im Rahmen dieser Forschungsarbeiten war das Ziel der Diplomarbeit, die Untersuchung des Ansprechverhaltens der Driftkammern auf Myonen aus der kosmischen Höhenstrahlung und deren Positionen relativ zur Flugzeitwand zu bestimmen. Da die Myonen aus der kosmischen Höhenstrahlung ähnliche Signale in den Vieldraht-Driftkammern hervorrufen wie die in den Schwerionenreaktionen produzierten minimal ionisierenden Teilchen, war es möglich, unabhängig von Strahlzeiten das Ansprechverhalten der Vieldraht-Driftkammern zu untersuchen. Um dieses zu erforschen, wurde zunächst ein spezieller Trigger aufgebaut, der auf Koinzidenzen von gegenüberliegenden Flugzeitwand-Sektoren beruht. So konnte das Durchqueren eines Myon-Kandidaten durch das Spektrometer registriert, und die Teilchentrajektorie vom Ein- bis zum Austritt aus diesem nachvollzogen werden. Die primären Messgrößen, wie die Driftzeiten, und die Korrelation zwischen den Driftkammern und der Flugzeitwand, wurden untersucht und mit Daten aus dem Strahlzeit-Experiment vom November 2001 C+C bei 1,9 GeV per Nukleon verglichen. Weiterhin wurde nach Entwicklung einer Myonen-Kandidatensuche die Effizienz der Driftkammern analysiert. Dabei stellte sich heraus, dass die Driftkammerebenen des Sektors 1 eine Nachweiswahrscheinlichkeit für kosmische Myonen von über 93% aufzeigen. Eine Optimierung der Methode hinsichtlich der Ortsauflösung und Korrelationen zu anderen Drahtebenen oder Driftkammern anderer Ebenen kann in Zukunft in Angriff genommen werden. Da die Intensität der Myonen gering ist, und sie in den meisten Fällen das Spektrometer auf geraden Bahnen durchqueren, sind Vieldeutigkeiten minimiert. So war es möglich, die Positionen der Driftkammern relativ zur Flugzeitwand mit einer Genauigkeit, die durch die Ortsauflösung der Szintillatoren der Flugzeitwand dominiert ist, zu ermitteln. Im Vergleich zu den Standard-Justierungsparametern ergeben sich Abweichungen von bis zu 37,73 mm für die Relativpositionen der Vieldraht-Driftkammern im Vergleich zur Flugzeitwand mit einer Ungenauigkeit von maximal ±7 mm. Um die für das invariante Massenspektrum der Dileptonen notwendige Massenauflösung zu erreichen, wird empfohlen, die Relativpositionen der Driftkammern zueinander und zum Magnetfeld zu bestimmen. Hierfür muss die exakte Ortsinformation des Durchstoßpunktes des Myons auf die Driftkammer über eine Anpassung der Trajektorie berechnet werden. Daraufhin können die Positionen der Driftkammern relativ zueinander mit einer Genauigkeit von < 100 mm ermittelt werden.
Beim zentralen Stoß zweier ultrarelativistischer Schwerionen wird ein Zustand extremer Dichte und Temperatur erzeugt, der die Bildung des postulierten Quark-Gluon-Plasmas ermöglichen sollte. Diese neue Phase von Kernmaterie zeichnet sich dadurch aus, daß Quarks und Gluonen ohne den unter Normalbedingungen herrschenden Einschluß in Hadronen frei beweglich sind. Das Experiment NA49 am CERN SPS untersucht Kollisionen von 208Pb-Kernen. Dazu wird ein Bleistrahl mit einer Energie von 158 GeV/Nukleon auf ein im Laborsystem ruhendes Bleitarget geschossen. Das Detektorsystem ist auf den Nachweis des hadronischen Endzustands der Reaktion spezialisiert und erlaubt die Messung von mehr als 60% der etwa 2000 produzierten Hadronen. Diese große Zahl von meßbaren Teilchen macht die Untersuchung von Spektren einzelner Ereignisse möglich, die mit dem über alle Ereignisse gemittelten Spektrum verglichen werden können. Damit will man Fluktuationen von Ereignis zu Ereignis, sogenannte Einzelereignisfluktuationen, nachweisen. Um eine von der Unterteilung der Spektren in Bins unabhängige Untersuchung durchführen zu können, wurden die Einzelverteilungen mit Hilfe von Wavelettransformationen in eine Vielskalendarstellung überführt. Durch die anschließende Berechnung von faktoriellen Momenten der Waveletkoeffizienten war daher eine Korrelationsanalyse auf verschiedenen Skalen möglich. Es wurden breit angelegte Simulationen durchgeführt, die quantitative Aussagen über das Verhalten der faktoriellen Waveletmomente bei verschiedenen Arten der Eingangsverteilungen - als Beispiel seien hier flach- und gaußverteilte Spektren genannt - möglich machten. Die Multiplizitätsabhängigkeit der Verteilungsbreite der faktoriellen Waveletmomente der Ordnung q von Ereignissen mit gleichverteilten Einträgen ergab sich so zu einer Gesetzmäßigkeit von der Form sigma q(m) ~ m exp (-q/2). Die Untersuchungen der experimentell erhaltenen p-Spektren zeigten im Rahmen der statistischen Fehler auf keiner Skala eine signifikante Abweichung von den aus Simulationen mit rein zufälligen Einträgen erhaltenen Ergebnissen. Im Vergleich mit Simulationsrechnungen wurde eine obere Grenze für das Auftreten lokaler nichtstatistischer Fluktuationen gesetzt. Solche Fluktuationen werden z.B. in DCC-Modellen vorhergesagt. Die in der Analyse der Waveletmomente festgestellte Abwesenheit lokaler Fluktuationen steht in qualitativer Übereinstimmung mit der Analyse globaler Einzelereignisvariablen (z.B. <p-i->), die ebenfalls auf ein System mit minimalem Korrelationsinhalt hinweisen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Prototyp einer Spurendriftkammer mit Mikrostreifenauslese, wie sie als hochauflösende Spurendetektoren in der Kern- und Teilchenphysik zum Einsatz kommen sollen, konstruiert und getestet. Besonderes Augenmerk lag hierbei auf der Signalform und -verteilung, sowie auf dem Langzeitverhalten. Für die verschiedenen Messungen dieser Arbeit wurden die Mikrostreifen-Gasdetektoren in ein Edelstahlrohr eingebaut, das mit einem Vakuumpumpen-System verbunden ist. Durch Evakuieren der Meßapparatur und anschließendes Befüllen mit Zählgas konnten die Detektoren nach kurzer Zeit mit nur geringen Verunreinigungen des Zählgases durch Wasser und Sauerstoff betrieben werden. Als Substrat wurde das Glas S 8900 von Schott verwendet, dessen Leitfähigkeit von rho 1.1 * 10 exp 11 Omega cm durch Elektronenleitung erzeugt wird. Es wurden Mikrostreifen-Platten mit zwei verschiedenen Strukturen untersucht, die sich in der Form der Kathode voneinander unterscheiden. Die Mikrostreifen-Platten haben eine sensitive Fläche von 30 X 40 mm*mm die Breite der Anodenstreifen beträgt 8 mikrometer bei einem Abstand von 1 mm zwischen den Mittellinien von je zwei Anoden. Die Kathoden der Struktur ILL6c bestehen aus einem durchgehenden 400 mikrometer breiten Streifen. Die Kathoden der Struktur ILL6a sind in zwei 8 mikrometer breite Streifen unterteilt, wobei die Gesamtbreite der Kathoden beider Strukturen gleich ist. Die Kopplung des Anodensignals auf die rückseitigen Kathodensegmente (Pads) ist bei der Struktur ILL6a durch die geöffneten Kathoden im Vergleich zur Struktur ILL6c doppelt so groß (51.6% bei einer Glasdicke von 0.45 mm bzw. 31.3% bei 1 mm und 16.9% bei 2 mm. Mit einer gamma-Quelle 55-Fe wurden Untersuchungen von Alterungseffekten durchgeführt, in deren Verlauf an den Anoden eine Ladung von 46 mikroC/cm pro Tag aufgenommen wurde. Simultan wurde ein Draht-Proportionalzähler mit geringerer Rate zur Überwachung der Gasqualität betrieben und damit die Amplitude der Mikrostreifen-Gasdetektoren korrigiert. Die Mikrostreifen-Gasdetektoren konnten bis zu einer Ladung von 125 mikroC/cm in Ar/CH4 bzw. 200 mikroC/cm in Ar/CO2 (90:10) mit einer Energieauflösung von <= 25% (55Fe-Quelle, FWHM) und geringer Variation der Verstärkung betrieben werden. Zur Messung der Breite Theta0 der Kathoden-Ansprech-Funktion (Pad-Response-Funktion) dienten Elektronenspuren, die mit Hilfe einer stark kollimierten Beta-Quelle (90Sr) erzeugt wurden. Die Spuren wurden durch einen 50 cm langen Feldkäfig, der wie die Feldkäfige der NA49-Spurendriftkammern aus aluminisierten Mylarstreifen aufgebaut ist, zur Ausleseebene gedriftet. Auf der Rückseite der Mikrostreifen-Platten befinden sich 1 mm breite Pads mit einem Abstand von 0.5 mm in zwei verschiedenen Anordnungen (isoliert oder mit der Glasrückseite verbunden). Diese Messungen wurden mit verschiedenen Glasdicken durchgeführt: Glasdicke 0.45 mm: theta-0 = 0.51 - 0.94 mm, Glasdicke 1 mm: theta-0 = 0.91 - 1.1 mm, Glasdicke 2 mm: theta-0 = 1.4 mm. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, daß es mit Hilfe der Mikrostreifentechnologie möglich ist, Spurendriftkammern mit einer kleineren Breite theta 0 der Pad-Response-Funktion zu konstruieren, als es mit konventionellen Draht-Ausleseebenen großflächig machbar wäre. Dadurch kann insbesondere die Zweispurauflösung verbessert werden.
Die Stoßparameterbestimmung, an den zur Zeit im Bau befindlichen bzw. geplanten Schwerionen-Collidern RHIC und LHC ist nicht mehr wie bei Experimenten mit festem Target über die Messung der Summe aller Spektatoren möglich. Am einfachsten sind die neutralen Spektatoren (Neutronen) nachzuweisen. Diese enden bei RHIC jedoch in einem Bereich zwischen den zwei Strahlrohren, der die Größe eines Detektors auf 10 cm Breite und 130 cm Länge beschränkt, was im Vergleich zu der Breite herkömmlicher Kalorimeter, die zur Messung von Spektatoren eingesetzt werden, sehr klein ist. Die Anzahl neutraler Spektatoren kann über deren Gesamtenergie bestimmt werden, da sie im wesentlichen den Strahlimpuls behalten. Am RHIC wird zu beiden Seiten der vier Wechselwirkungszonen je ein Kalorimeter zur Messung der neutralen Spektatoren installiert(d.h. insgesamt 8 Kalorimeter). Diese Kalormeter werden aus Wolfram bestehen und eine Länge von 6 hadronischen Wechselwirkungslängen haben. Zusätzlich sollen mit diesen Detektoren einzelne Neutronen aus Riesenresonanz-Abregungen gemessen werden. Über die Rate der Koinzidenz dieser einzelnen Neutronen auf beiden Seiten der Wechselwirkungszone soll die Luminosität des Beschleunigers bestimmt werden. An die Detektoren wurde in erster Line die Forderung nach einer Energieauflösung von ca 20% gestellt, um das Signal der einzelnen Neutronen vom Untergrund trennen zu können. Für die Messung der neutralen Spektatoren, deren erwartete Anzahl im Bereich von ~ 10 - 40 liegt, ist die Energieauflösung nicht so kritisch. Fluktuationen in der Signalhöhe des Detektors werden durch die Messung mehrerer Neutronen zum Teil kompensiert, die Energieauflösung skaliert mit der Anzahl der Neutronen Nn wie 1/sqrt(Nn). Weiterhin wurde die Forderung einer Zeitauflösung theta < 300 ps gestellt. Dies ist zum einen nötig, um bei der Messung der korrelierten Emission einzelner Neutronen zur Luminositätsbestimmung zufällige Koinzidenzen zu vermeiden. Weiterhin kann der Ort der Wechselwirkung über eine Laufzeitmessung der Spektatoren zu beiden Seiten des Wechselwirkungspunktes auf einige cm genau bestimmt werden. Eine neue Kalorimeter-Bauform, das Cherenkov-Licht-Kalorimeter, ermöglicht es hadronische Kalorimeter mit geringen lateralen Ausmaßen zu konstruieren, da nur der zentrale Teil des hadronischen Schauers zum Signal beiträgt. Cherenkov-Licht-Kalorimeter bestehen aus einem Absorbermaterial und darin eingebrachten Lichtleitern, in denen relativistische geladene Teilchen des Schauers Cherenkov-Strahlung erzeugen. Es wurden zwei Prototypen aus Kupfer bzw. Wolfram mit PMMA-Lichtleitern am SPS (CERN) im 100 GeV/c- und 158 GeV/c-Protonstrahl getestet. Beide Prototypen haben eine Länge von 8 hadronischen Wechselwirkungslängen Lambda I und einen Querschnitt von 10 x 10 cm*cm. Das Kupferkalorimeter ist longitudinal in 8 Module zu je a Lambda I Länge unterteilt, das Wolframkalorimeter besteht aus 4 Modulen von je 2 Lambda I Länge. Die Lichtleiter laufen bei beiden Prototypen unter 45 Grad relativ zur Strahlachse. In früheren Untersuchungen von Gorodetzky et al. wurde festgestellt, daß in dieser Anordnung, das maximale Signal erzeugt wird. Die Energieauflösung des Kupferkalorimeters beträgt 21.8 +- 0,5% RMS/E bei 100 GeV/c Strahlimpuls. Das Wolframkalorimeter hatte im 100 GeV/c-Protonstrahl eine Energieauflösung von 20.5 +- 0.5% RMS/E. Bei beiden Prototypen wurde eine Zeitauflösung von theta < 200 ps gemessen.
Untersuchungen des elektrischen und magnetischen Feldes in den NA49-TPCs mit Hilfe von Laserspuren
(1997)
Das Experiment NA49 am Europäischen Zentrum für Teilchenphysik (CERN) in Genf dient der Erforschung von relativistischen Schwerionenkollisionen. Dieses Feld der Kernphysik hatte seine Anfänge erst in den 70er Jahren am BEVALAC in Berkeley und untersucht zur Zeit Schwerionenstöße von einigen hundert MeV/Nukleon bis 200 GeV/Nukleon. Nach den heuteüblichen Experimenten mit festem Target sollen in der Zukunft Colliderexperimente mit Schwerionen neue Energiebereiche erschließen. Während die Experimente dadurch erleichtert werden, daß sie zumeist auf bestehende Beschleunigeranlagen aus der Hochenergiephysik zurückgreifen können, ist die theoretische Beschreibung relativistischer Schwerionenstöße ausgesprochen problematisch. Vom Verständnis dieser Reaktionsmechanismen erhoff t man sich aber einen Zugang zur starken Wechselwirkung bei niedrigen Impulsüberträgen, insbesondere in ausgedehnten Systemen.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Messung der Elektronen-Driftgeschwindigkeit in dem Gasgemisch Ne/CO2 (90% / 10 %). Durchgeführt wurde sie zur Optimierung der Spurendriftkammer des ALICE-Projektes am CERN. Mit dem Aufbau zur Driftgeschwindigkeitsmessung läßt sich eine Genauigkeit von 1‰ erzielen. Untersucht wurden mit diesem Anspruch die Abhängigkeiten von der Temperatur, von CO2 Konzentrationsänderungen sowie von Stickstoffzugabe. Für die genaue Messung der Driftgeschwindigkeit wurde eine kleine Driftkammer gebaut. Die Ionisation des Gases erfolgt mit Hilfe eines UV-Lasers, dessen Strahl zunächst aufgeweitet, und dann geteilt wird. Der Abstand der so erhaltenen zwei Laser-Strahlen wird mit Hilfe von zwei präzisen Doppelblenden definiert. Zur Kontrolle der Gaszusammensetzung und -qualität wurde eine Gasanalysestation zusammengestellt. Die aufgenommenen Daten werden über ein ADC-System auf einem Computer gespeichert. Damit können in der Analyse die Driftgeschwindigkeitsdaten mit den Gasdaten zeitgleich ausgewertet werden. Das wird u.a. für die Korrektur der Daten auf den momentanen Druck und die Temperatur des Gases benötigt. Die Driftgeschwindigkeit wurde bei Feldstärken von 100 - 900 V/cm in Schritten von 100 V/cm gemessen. Die Spurendriftkammer des ALICE-Experimentes soll bei einer Feldstärke von 400 V/cm arbeiten. Die dafür gemessenen Ergebnisse sind: Temperaturabhängigkeit: Bei der erreichbaren Genauigkeit läßt sich über die Abhängigkeit der Driftgeschwindigkeit ve􀀀 von der Teilchenzahldichte N des Gases ve􀀀 = f(E/N) = f(E*T/P) keine weitere Temperaturabhängigkeit feststellen. Die relative Änderung der Driftgeschwindigkeit mit der Temperatur beträgt: Dv400 e􀀀 DT = 3.1 +- 0.23‰ /K CO2-Abhängigkeit: Die relative Änderung der Driftgeschwindigkeit mit dem CO2-Gehalt bei einer CO2- Konzentration um die 10% beträgt: Dv400 e􀀀;CO2 = -7.69 +- 0.39 Eine Erhöhung des CO2-Gehaltes um 1‰ (10.0% -> 10.1 %) führt also zu einer Herabsetzung der Driftgeschwindigkeit um ca. 7.7‰. N2-Abhängigkeit: Die relative Änderung der Driftgeschwindigkeit bei Stickstoffzugabe beträgt Dv400 e􀀀;N2 = - 1.14 +- 0.08 Eine Zugabe von 1‰ N2 zur Driftgasmischung führt damit zu einer Herabsetzung der Driftgeschwindigkeit um ca. 1.1‰ .
Diese Arbeit entstand im Rahmen des Schwerionenexperiments NA49 am CERN. Auf der Suche nach einem neuen Zustand von Kernmaterie, dem Quark-Gluon-Plasma, werden dort im SPS (Super-Proton-Syncrhotron Bleiionen auf eine Energie von 158 GeV pro Nukleon beschleunigt und dann auf eine dünne, im Laborsystem ruhende, Bleifolie (Target) gelenkt. Ziel ist es, in zentralen Stößen zweier Bleikerne ein ausgedehntes Volumen hochkomprimierter und heißer stark wechselwirkender Materie zu erzeugen. Kernmaterie im Grundzustand besitzt eine Dichte von rho o ~ 0,14 Nukleonen pro Kubikfermi. Damit ergibt sich mit der Masse der Nukleonen von etwa 939 MeV/c exp 2 eine Energiedichte im Grundzustand von 130 MeV/fm exp 3. Theoretische Überlegungen im Rahmen der Quantenchromodynamik (QCD, die Eichtheorie der starken Wechselwirkung) sagen voraus, daß sich bei einer Energiedichte von etwa 2-3 GeV/fm exp3 und einer Packungsdichte der hadronischen Materie von 10-15 rho 0 die normalerweise in den Hadronen eingeschlossenen Quarks aus ihren Bindungen lösen. Aufgrund dieses als deconfinement bezeichneten Vorgangs könnte ein Plasma aus freien Quarks und Gluonen entstehen. Die letzteren sind die Eichbosonen der starken Wechselwirkung. Ein solcher Zustand hat einige Mikrosekunden nach dem Urknall exisitiert und wird heute im Innern von Neutronensternen vermutet. Die Lebensdauer dieses hochkomprimierten und heißen Zustands während einer Schwerionenkollision ist mit T * 10 exp -23zu kurz, um direkt beobachtet werden zu können. Daher versucht man, aus den hadronischen Reaktionsprodukten Rückschlüsse auf diesen Zustand zu ziehen. Wichtige Meßgrößen sind die Rapidität y und der Transversalimpuls pT der Teilchen nach der Reaktion. Die Rapidität ist ein Maß für die longitudinale Geschwindigkeit der Teilchen entlang der Strahlrichtung. Aus der Rapiditätsverteilung nach dem Stoß kann man bestimmen, wie stark die Projektilnukleonen abgebremst wurden und wieviel Energie somit in der Reaktionszone deponiert wurde. Ein Großteil dieser Energie wird zur Produktion von Hadronen benutzt. Die Transversalimpulsverteilung dieser Teilchen ähnelt der einer thermischen Verteilung. Damit kann im Rahmen von thermodynamischen Modellen der Reaktionszone (Feuerball) eine Temperatur zugeschrieben werden. Durch Messung von Zwei-Pion-Korrelationen kann auf die Größe des Reaktionsvolumens zum Zeitpunkt der Entkopplung der Hadronen von der Reaktion geschlossen werden. Sowohl die Multiplizität der Hadronen als auch ihre "chemische" Zusammensetzung (z.B. Pion, Kaon oder Lambda) liefern wichtige Randbedingungen für Modellvorstellungen über die Dynamik einer Schwerionenkollision. Dazu ist es notwendig, nicht nur die Anzahl der Hadronen pro Ereignis zu messen, sondern auch diese Teilchen zu identifizieren.
Die vorliegende Diplomarbeit beschreibt den Aufbau und erste Anwendungen einer neuartigen Technik zur Manipulation von Fallenpotentialen für Bose-Einstein-Kondensate. Das Dipolpotential, das ein gegen die atomare Resonanz verstimmter Laserstrahl auf die Atome ausübt, wird hierzu genutzt. Es wurde eine Apparatur aufgebaut, mit der sehr schnelle räumliche Bewegung und gleichzeitige Intensitätsänderung von Laserstrahlen erzielt wird. Durch schnelles Scannen des Laserstrahls in x- und y-Richtung und gleichzeitige Modulation seiner Intensität werden beliebige zeitgemittelte Potentiale erzeugt. Diese Potentiale wurden sowohl als räumliche und/oder zeitliche Modifikation herkömmlicher Magnetfallenpotentiale als auch als eigenständige Fallen mit neuartiger Geometrie verwendet. Mit diesem Aufbau wurden Experimente an Bose-Einstein-Kondensaten durchgeführt, bei denen die große räumliche und zeitliche Auflösung genutzt wurden. Die Speicherung von Atomen in zeitgemittelten, rotverstimmten optischen Fallen verschiedener Geometrie wurde demonstriert und eine durch das Scannen hervorgerufene Aufheizung der Probe wurde gefunden und untersucht. Dies ist die erstmalige Speicherung von Bose- Einstein-Kondensaten in zeitgemittelten Dipolfallen, deren Gestalt im Prinzip frei wählbar ist. Außerdem wurden kollektive Anregungen eines Bose-Einstein-Kondensats in einer Magnetfalle untersucht, die durch zeitgemittelte optische Potentiale induziert wurden. Der Schwerpunkt dieser Untersuchung waren insbesondere Moden mit hohem Drehimpuls, die in rein magnetischen Fallenpotentialen zuvor nicht angeregt worden waren. Bisherige Limitation von Gleichstrommagnetfallen, in denen nur zylindersymmetrische Moden angeregt werden konnten, wurden durch die Verwendung zeitgemittelten optischen Potentialen zusätzlich zum Magnetfallenpotential umgangen. In einem dritten Experiment konnte der suprafluide Charakter eines Bose-Einstein-Kondensats studiert werden. Die kritische Geschwindigkeit für die Bewegung eines Fremdobjektes duch das Kondensat wurde erstmals gemessen. Als Fremdobjekt diente ein gegen die atomare Resonanz blauverstimmter Laserstrahl, der auf die Atome ein repulsives Potential ausübt.
Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde eine Methode entwickelt,im dreidimensionalen Raum den Strahlverlauf geladener Teilchen durch ein stationäres elektromagnetisches Feld unter Berücksichtigung der elektrischen Eigenfelder zu bestimmen. Weiterhin wurde gezeigt, wie sich die Genauigkeit der Bahnintegration durch Einführung verbesserter Feldinterpolationsmethoden und verschiedener Integrationsmethoden erhöhen läßt. Dabei zeigte sich, dass die Wahl einer geeigneten Methode zur Feldinterpolation wichtiger ist als die zur Bahnintegration. Die entwickelten Methoden wurden in einer (in der Sprache Java programmierten) Applikation umgesetzt und verwendet, um die Separation von Elektronen aus einem H - Ionenstrahl dreidimensional zu simulieren.
In dieser Arbeit wurde die Produktion geladener Kaonen in C+C und Si+Si- Kollisionen bei Strahlenergien von 40A und 158A GeV untersucht, die verwendeten Daten stammen vom CERN Experiment NA49. Die Kaonen wurden über den mittleren Energieverlust in den TPCs identifiziert, was die Messung der Phasenraumverteilung in einem großen Bereich möglich machte. Die Analyse basiert auf der dE/dx Auswertung aller NA49 TPCs (globale Analyse). Es wurde herausgefunden, dass bei den C+C und Si+Si Datensätzen die MTPC dE/dx Information unvollständig auf den DSTs gespeichert wurde. Da die Auflösung bei der Bestimmung des mittleren Energieverlusts beschränkt ist, ist die Teilchenidentifikation nur über statistische Methoden möglich. Im Kapitel 4 wird diese von Marco van Leeuwen mitentwickelte Methode beschrieben. Für die endgültigen Werte der Phasenraumverteilung der Teilchen müssen die identifizierten Kaonen noch auf Effekte korrigiert werden, die durch den Aufbau des Detektors und die verwendete Analysesoftware hervorgerufen werden. Die Korrekturen werden im Kapitel 5.4 beschrieben und angewandt, dies sind unter anderem geometrische Korrekturen, Akzeptanz und Zerfallskorrekturen. Die Ergebnisse bei 158A GeV wurden mit C.Höhnes Ergebnissen verglichen und stimmen im Rahmen der Fehler überein. Zur Übersicht wurden die Daten mit den anderen NA49-Daten zusammengefasst. Dabei ist zu erkennen dass die Verhältnisse < K+ > / < NW >, < K+ > / < + >, < K > / < NW > und < K > / < > im Bereich zwischen p+p und Si+Si schnell ansteigen und im weiterem Verlauf bis Pb+Pb kaum weiter ansteigen. Im Rahmen des Statistical Model of the Early Stage sind dies Anzeichen für einen Übergang in das Quark-Gluon-Plasma bei 40A GeV in Si+Si Kollisionen. Für eine Bestätigung dieser Vermutung sind jedoch weitere Messungen bei unterschiedlichen Energien und Systemen notwendig.
In der vorliegenden Arbeit werden Stöße zwischen Alpha-Teilchen und Li-ähnlichen Ionen sowie Stöße zwischen vollständig ionisierten Projektilionen und dem Li-ähnlichen Ion N4+ untersucht. Hierzu wird die zeitabhängige Schrödinger-Gleichung unter Verwendung einer effektiven Einteilchenbeschreibung im Rahmen der nichtpertubativen Basis Generator Methode (BGM) gelöst.
In dieser Arbeit wurde die Produktion von Omega und Anti-Omega Hyperonen in zentralen Pb+Pb-Kollisionen bei 40 A GeV am CERN SPS mit dem NA49 Experiment untersucht. Der in dieser Arbeit verwendete Datensatz wurde während einer 4 wöchigen Strahlzeit 1999 aufgenommen. Dabei wurden 579446 Zentrale (7.2 % des totalen Wirkungsquerschnitts) Ereignisse, bei zwei verschiedenen Polarit aten (std+ und std-), aufgezeichnet. Die Omega Produktion bei 40 A GeV wird mit Messungen bei anderen Energien verglichen, um damit die Energieabhangigkeit der Omega Produktion zu untersuchen. Das Experiment NA49 erlaubt genaue Messungen in einem weiten Akzeptanzbereich. Man misst die Zerfallstochter des Omegas und die Zerfallstochter des Omegas mit hochauflösenden TPCs. Mehrfach seltsame Teilchen (Theta, Omega) werden durch ihre Zerfallstopologie identifiziert. Es wurden verschieden Qualitatskriterien verwendet, um den kombinatorischen Untergrund zu reduzieren. NA49 hat nur eine endliche geometrische Akzeptanz und kann deshalb nicht den ganzen Phasenraum abdecken. Außerdem wurden verschiedene Qualitatskriterien verwendet, um ein akzeptables Signal zu Untergrund Verhaltnis zu erhalten. Da es wegen der Akzeptanz und der Qualitatskriterien zu Verlusten kommt, muss man darauf korrigieren. Dies macht man mittels einer Simulation, in der man Omega Hyperonen simuliert. Die Omega Hyperonen werden uber drei Rapiditatseinheiten um den Bereich zentraler Rapiditat und mit Transversalimpulsen von 0.9 bis 2.4 GeV/c gemessen. Es wurde der Temperaturparameter des Omega Hyperons bei 40 A GeV bestimmt. Im Rahmen der Fehler ist der Temperaturparameter der 40 A GeV dem der 158 A GeV gleich. Betrachtet man den Temperaturparameter der Omegas als Funktion der Schwerpunktenergie, gibt es einen Anstieg des Temperaturparameters von SPS- zu RHIC-Energien. Es wurden jeweils die Multiplizitaten bei mittlerer Rapiditat für Omega und Anti-Omega bestimmt. Die Multiplizität vom Omega betragt 0.068 +- 0.020 (stat.) +- 0.019 (sys.) und vom Anti-Omega 0.027 +- 0.008 (stat.) +- 0.007 (sys.). Die Multiplizitaten bei mittlerer Rapiditat steigen für Omega und Anti-Omega mit der Schwerpunktenergie von SPS- zu RHIC-Energien. Die Ergebnisse stimmen mit den Messungen der NA57 Kollaboration überein. Bei 40 A GeV wurde erstmals eine Rapiditatsverteilung gemessen. Die daraus resultierende totale Multiplizitat fur Omega + Anti-Omega betragt 0.20 +- 0.03 (stat.) +- 0.04 (sys.). Mit steigender Schwerpunktenergie steigt die totale Multiplizität und die Rapiditätsverteilung wird breiter. Um den systematischen Fehler zu bestimmen, wurde eine Stabilität-Analyse des mt-Spektrums und der Rapiditatsverteilung durchgefuhrt. Der systematische Fehler der mt-Spektren betragt 18 % und der totalen Multiplizitat 21 %. Schaut man sich die Anregungsfunktion der Omega und Anti-Omega als Funktion der Schwerpunktenergie an, erkennt man, dass es eine leichte Energieabhängigkeit beim Anti-Omega / Pi-Minus ....
In dieser Arbeit wurde die transversale Flußgeschwindigkeit einer Schwerionenreaktion direkt bestimmt. Dazu modifizierte man den herkömmlichen Yano-Koonin-Podgoretskii Formalismus, der zur Bestimmung der longitudinalen Expansion bereits erfolgreich eingesetzt wurde. Die transversale Expansion wurde in verschiedenen kinematischen Bereichen bestimmt. Einzelne Quellabschnitte erreichen Geschwindigkeiten bis zu b = 0.8. Das entspricht den Werten, die man durch indirekte Verfahren für den transversalen Fluß bestimmte. In den Intervallen mittlerer longitudinaler Paarrapidität entspricht die Yano-Koonin-Podgoretskii Rapidität der mittleren Paarrapidität. Dieses Verhalten erwartet man von einer Quelle, die ein boostinvariantes Expansionsverhalten besitzt. Die HBT-Radien, die im Zuge der Analyse der Korrelationsfunktion bestimmt wurden, entsprechen in der Größenordnung denen, die bei der Untersuchung der longitudinalen Expansion bestimmt wurden. Lediglich der Parameter R0 zeigt ein abweichendes Verhalten, indem er für geringere Rapiditäten kleinere Werte annimmt, dieser Parameter ist jedoch mit einem großen Fehler belastet. Die Konsistenz des Formalismus bezüglich verschieden gewählter transversaler Richtungen wurde überprüft. Trotz erheblicher Unterschiede in den transversalen Rapiditätsverteilungen wurden in vier verschiedenen Richtungen vergleichbare Resultate gemessen. Um einen größeren Impulsbereich abzudecken wurden die Messungen in zwei verschiedenen Magnetfeldkonfigurationen durchgeführt, in den Bereichen wo die Parameter der Korrelationsfunktion im beiden bestimmt werden konnten, ergaben sich vergleichbare Werte.
In dieser Arbeit wurde die Pionenproduktion in C + C und Si + Si - Kollisionen bei 40A GeV und 158A GeV untersucht. Dazu wurden zwei vollkommen unterschiedliche Methoden, die dE/dx- Teilchenidentifizierung und die h- - Methode, bei der der Anteil von Nicht- Pionen simuliert wird, verwendet. Die Ergebnisse beider Methoden stimmen gut überein, die Differenz fließt in den systematischen Fehler ein. Für die Bestimmung der totalen Multiplizitäten und mittleren transversalen Massen wurde die h- - Methode aufgrund ihrer größeren Akzeptanz gewählt. Zusätzlich wurde für 40A GeV C + C eine zentralitätsabhängige Analyse der Pionenmultiplizitäten vorgenommen. Die Ergebnisse dieser Analyse sollten jedoch als vorläufig angesehen werden. Die Ergebnisse meiner Analyse wurden mit der von C. Höhne [14] bei 158A GeV verglichen, sie stimmen innerhalb der Fehler überein. Es wurden Modelle zur Simulation von Kollisionen (UrQMD, Venus) vorgestellt und angewandt, um die experimentellen Ergebnisse mit den Vorhersagen der Simulationen zu vergleichen. Ein weiteres Modell (Statistical Model of the Early Stage) wurde vorgestellt, welches die qualitative und anschauliche Interpretation der Daten erlaubt. Die Ergebnisse wurden als Energie- und Systemgrößenabhängigkeitsplots zusammen mit anderen NA49- Ergebnissen, Ergebnissen anderer Experimente und Simulationsvorhersagen gezeigt und diskutiert. Der Übergang von der Unterdrückung der Pionenproduktion in Pb+Pb - Kollisionen relativ zu p+p zu einer Erhöhung der Pionenproduktion bei niedrigen SPS-Energien wurde auch bei kleinen Systemen, C + C und Si + Si , beobachtet. Eine Interpretation der Pionenmultiplizitäten mit den Statistical Model of the Early Stage legt die Vermutung nahe, dass bereits bei 40A GeV C + C - Kollisionen Quark- Gluon- Plasma gebildet wird. Diese Vermutung muss allerdings durch die Betrachtung weiterer Observabler noch bestätigt werden.
Da die zu untersuchenden physikalischen Observablen des NA49-Exprimentsentscheidend von der Leistungsfähigkeit der Detektoren beeinflußt werden, ist es notwendig, deren Funktion systematisch zu untersuchen und zu überwachen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Methoden vorgestellt, die Genauigkeit der Spurrekonstruktion zuquantifizieren und gegebenenfalls durch die Korrektur systematischer Fehler zu verbessern. Das NA49-Lasersystem hat während dieser Strahlzeit seine Funktionalität bewiesen. Trotz erheblicher technischer Schwierigkeiten hat die Analyse der Laserdaten Resultate geliefert, die entscheidend zum Verständnis der Funktion der Detektoren beigetragen haben. Der Ausbau des NA49-Lasersystems zu einem vollständigen System, das die in der ursprünglichen Konzeption festgelegten Spezifikationen erfüllt, hat sich damit als möglich und wünschenswert erwiesen. Die Untersuchung von Ereignissen ohne Magnetfeld ist ein sehr exaktes Meßinstrument zur Rekonstruktion der Position der Detektorkomponenten. Der Vorteil gegenüber traditionellen Methoden ist, da der Prozeß der Ortsmessung die vollständige Analysekette des Experiments beinhaltet. Damit können nicht nur räumliche Effekte untersucht werden, sondern auch Fehlfunktionen der Ausleseelektronik und der Analysesoftware. Die mit dieser Methode gefundene scheinbare Verschiebung der Detektorhälften relativ zueinander um ca. 4mm ist konsistent mit Ergebnissen anderer Analysemethoden (z.B. der Laseranalyse). Die Ursache dieser Verschiebung konnte bis zur Fertigstellung dieser Arbeit noch nicht lokalisiert werden. Um eine endgültige Klärung dieses Problems sicherzustellen, müssen Spuren in dem Detektor erzeugt werden deren Position besser bekannt ist als die intrinsische Ortsauflösung des Detektors. Das NA49-Lasersystem sollte in der vollständigen Ausbaustufe in der Lage sein, diese Aufgabe zu erfüllen.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine Apparatur zur Messung von Fotoströmen in Halbleitermaterialien aufgebaut und charakterisiert. Der Fotostrommeßplatz gestattet es, mit spektral hoher Auflösung Fotostromspektren mit sehr gutem Signal-zu-Rausch-Verhältnis aufzunehmen, wobei die Möglichkeit besteht, die Proben bei tiefen Temperaturen einem äußeren Magnetfeld bis 9T auszusetzen. Mit Hilfe einer elektrischen Kontaktierung auf der Probenvorder- bzw. -rückseite kann durch Anlegen einer Spannung ein variables, homogen über den intrinsischen Bereichen der Proben abfallendes, elektrisches Feld erzeugt werden. Mit Hilfe des Meßaufbaus wurden Fotostromspektren von GaAs/Al0,3Ga0,7As-Übergittern fur verschiedene elektrische und magnetische Felder aufgenommen. Unter Variation des elektrischen Feldes ohne ein zusätzliches Magnetfeld wird deutlich die sog. Wannier-Stark-Quantisierung beobachtet. Es lassen sich die vor einiger Zeit an der RWTH Aachen an identischen Probenstrukturenvorgenommenen Untersuchungen bestätigen bzw. reproduzieren. Die magnetfeldfreien Messungen dienen ferner der genauen Bestimmung des über dem Übergitter abfallenden elektrischen Feldes in Abhängigkeit von der an der Probe angeliegenden Vorspannung. Die Feldbestimmung erfordert dabei aufgrund des Einflusses der Coulomb-Wechselwirkung der Ladungstrager auf den Verlauf der Ubergange in Abhängigkeit vom elektrischen Feld eine gewisse Vorsicht. Messungen ohne Magnetfeld sind außerdem bei der Zuordnung der Übergange in den mit Magnetfeld gemessenen Fotostromspektren äußerst hilfreich. Im Rahmen dieser Arbeit wurden erstmals Fotostrommessungen an Halbleiterübergittern im magnetischen Feld durchgeführt, wobei der gleichzeitige Einfluß eines elektrischen und eines magnetischen Feldes untersucht wurde. Dazu wurde bei elektrischen Feldstärken im Wannier-Stark- sowie im Minibandbereich das äußere Magnetfeld bis 9T variiert. Im Magnetfeld zeigt sich eine deutliche Landau-Quantisierung. Die zu den Landau-Niveaus gehorenden exzitonischen Zustände der Wannier-Stark-Übergänge schieben mit steigendem Magnetfeld zu höheren Energien. In den gemessenen Spektren läßt sich eine Vielzahl von Übergangen ausmachen, die zu einem großen Teil den einzelnen Leichtloch- bzw. Schwerloch-Übergangen zugeordnet werden können. Modellrechnungen zeigen, daß man zu jedem Wannier-Stark-Übergang einen eigenen exzitonischen Landau-Facher erwarten kann, worauf es in den Messungen ebenfalls Hinweise gibt. Eine zweifelsfreie Identifikation von mutmaßlich im Magnetfeld drehimpulsaufgespaltenen Niveaus kann erst geleistet werden, wenn weitere Messungen bei definierter Polarisation des Anregungslichtes vorliegen. Aus den aufgenommenen Fotostromspektren der Übergitterproben lassen sich für spätere zeitaufgelöste Untersuchungen einige interessante Energiebereiche fur mögliche Anregungen von Quanteninterferenz-Phänomenen ableiten. Die aus den Spektren ermittelten Linienbreiten der Wannier-Stark-Übergange von 3-4 meV garantieren eine ausreichende Schmalbandigkeit für die Anregung von Bloch-Oszillationen. Die Linienbreiten sind, bis auf wenige Ausnahmen, unabhängig vom Magnetfeld, so daß keine signifikante Magnetfeldabhängigkeit der beispielsweise für Vier-Wellen-Misch-Experimente relevanten Dephasierungszeiten der Interband-Polarisation zu erwarten ist. Die Ergebnisse lassen allerdings keine Ruckschlüsse auf die Magnetfeldabhängigkeit von Intraband-Polarisationen zu.
QCD-Summenregeln mit Massen
(1993)
Um zu sehen, was im atomaren Bereich "die Welt im Innersten zusammenhält", werden seit fast einem Jahrhundert atomphysikalische Stoßexperimente durchgeführt. Es ist also möglich, durch den Beschuß von "Targetteilchen" mit "Projektilteilchen" Aussagen über verschiedene Größen in der atomaren Welt zu treffen. Hierbei werden nicht nur Eigenschaften wie der "Durchmesser" oder eine "Ladungsverteilung" eines Atoms untersuchbar, sondern - durch entsprechend geschickte Variation des Prinzips "Stoßexperiment" - auch Größen, die ein Laie niemals mit einem Stoß zwischen zwei Teilchen in Verbindung brächte. Moderne Experimente erlauben es inzwischen zum Beispiel, selektiv die Impulsverteilung einzelner Elektronen in Atomen und Molekülen sichtbar zu machen, indem diese durch Photonen entsprechender Energie aus dem zu untersuchenden Teilchen herausgerissen werden. Besagte Experimente stellen nicht nur hohe Anforderungen an die Nachweiseinheit, die den eigentlichen Prozeß sichtbar macht, sondern auch an das verwendete Target und das Projektil. Im Bereich der atomaren Grundlagenforschung bietet sich Helium als zu untersuchendes Objekt oftmals an. Um die Natur zu verstehen, ist es nötig, gemessene Größen mit einer Theorie, die den untersuchten Vorgang beschreiben soll, zu vergleichen. Im Bereich der theoretischen Physik kann bisher nur das Wasserstoffatom, das ein sog. "Zweikörperproblem" ist, ohne Näherungsverfahren vollständig beschrieben werden. Ein Heliumatom stellt also das "einfachste" atomare System dar, das als noch nicht "komplett verstanden" gilt. Genauso ist ein Heliumatom mit seinem Atomkern und seinen zwei Elektronen das erste "Mehrelektronensystem" im Periodensystem. Es können hier also im Vergleich zu Wasserstoff auch Korrelationseffekte zwischen Elektronen untersucht werden. Die gesamte Dynamik innerhalb des Atoms erhält einen anderen Charakter. Bisherige Experimente mit Helium innerhalb unserer Arbeitsgruppe haben allerdings eine prinzipielle Beschränkung: es ist im Allgemeinen sehr schwierig, den Spin der beteiligten Elektronen im Experiment nachzuweisen, so daß alle bisherigen Messungen immer die Einstellung der Elektronenspins nicht berücksichtigen. Es wird also über den Spin gemittelt gemessen. Ein Weg, dieses Problem zu umgehen, ist, neben einer wirklichen Messung des Spins, den Spin im Anfangszustand - also vor dem Streuexperiment - zu kennen. Dies geschieht in der vorliegenden Arbeit dadurch, daß Heliumatome in einem durch "Mikrostrukturelektroden" erzeugten Mikroplasma angeregt werden, und sich so die Spins ihrer beiden Elektronen zum Teil auch parallel zueinander einstellen. Während bisherige Ansätze das Prinzip verfolgen, die angeregten Heliumatome in Niederdruckplasmen bei einigen Millibar zu erzeugen, wird die Plasmaquelle in dieser Arbeit bei Drücken von bis zu einem Bar betrieben. Dadurch kann das Prinzip des "supersonic jets" ausgenutzt werden, so daß der hier erzeugte Atomstrahl eine interne Temperatur von einigen Millikelvin und eine mittlere Geschwindigkeit von 1000 m/s besitzt. Durch einen nur 10 cm langen Separationsmagneten werden die angeregten Zustände mit Spin (#; #) von den Zuständen mit Spin ("; ") und den nicht- angeregten Heliumatomen getrennt und in einem Fokuspunkt für ein Streuexperiment zur Verfügung gestellt. In der folgenden Arbeit wird also ein sehr kompakter Aufbau eines Gastargets aus angeregtem Helium mit polarisiertem Elektronenspin vorgestellt. Ein Target aus angeregtem Helium hat außerdem einen weiteren großen Vorteil gegenüber gewöhnlichen Heliumtargets. In der modernen experimentellen Physik werden oftmals Laser zur Manipulation von Atomen eingesetzt. So ist es möglich, durch gezielte Anregung eines Atoms mit einem Laser dieses zum Beispiel extrem zu kühlen. Hierzu müssen allerdings Anregungsniveaus im Atom zur Verfügung stehen, die mit den Wellenlängen heutiger Laser erreicht werden können. Das erste Anregungsniveau von Helium liegt jedoch mit 19.8 eV deutlich zu hoch. Der nächst höhere P-Zustand ist von diesem Niveau aber nur noch ca. 1.1 eV entfernt. Photonen dieser Energie können leicht mit Lasern erzeugt werden. Angeregtes Helium ist also durch Laser manipulierbar und liefert so zum Beipiel auch den Ausgangspunkt für die Bose-Einstein Kondensation von Helium.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird eine systematische Untersuchung von Feldabschirmungseffekten bei Photostrommessungen in Abhängigkeit der optischen Anregungsdichte an GaAs/AlGaAs{Halbleiterubergitterstrukturen vorgenommen. Diese Untersuchungen gestatten es, Kontaktierungsmethoden zu finden, um das elektrische Feld innerhalb der Übergitterstruktur definiert einzustellen. Diese Untersuchungen waren notwendig geworden, da sowohl erste zeitaufgelöste (z.B. die THz-Emission von Bloch-Oszillationen), wie auch verschiedene nicht zeitaufgelöste Messungen (z.B. differentielle Elektroreflexionsmessungen) nahelegten, daß in der Probe kein elektrisches Feld einzustellen war. Die Untersuchungen zur anregungsdichteabhangigen Feldabschirmung wurden in einem Photostromaufbau durchgeführt, bei dem die Anregungsdichte durch die Verwendung eines abstimmbaren CW-Ti:Saphir Laser gegenüber Aufbauten mit einer Kombination aus Lampe und Monochromator weiter gesteigert werden kann. Als Indikator für die Feldabschirmung dient die Herausbildung der Wannier-Stark-Leiter in den Photostromspektren. Zur Untersuchung der Feldabschirmung wurde zunächst die Probenpraparation verändert. Anschließend wurde die Anregungsdichte systematisch variiert und es wurden verschiedene Probenstrukturen untersucht, unter anderem zum Vergleich mit den hier pin-Übergitter Dioden auch eine häufig verwendete Schottky-Diode. Es wurden verschiedene präparative Variationen durchgeführt, um den Einfluß der dotierten Schichten zu klären. So wurde beispielsweise die p+-Schicht heruntergeätzt, oder auf die p+-Schicht eine zusätzliche metallische semitransparente Cr/Au-Schicht aufgedampft, sowie Proben mit verschiedenen Dotierungsmaterialien (Berylium und Kohlenstoff) untersucht. Alle betrachteten Proben zeigen bei niedrigen Anregungsdichten eine Aufspaltung in Wannier-Stark-Zustände. Die Absorptionslinien, die in den Spektren die Übergänge darstellen, werden dann bei steigender Anregungsdichte zunächst asymmetrisch, treten erst bei niedrigeren äußeren Vorspannungen auf und verschwinden schließlich für sehr hohe Dichten ganz. Eine Analyse der systematischen Untersuchungen für die verschiedenen Probentypen ergibt, daß sich höchstwahrscheinlich Ladungstrager in der p+-Schicht ansammeln und so das äußere elektrische Feld abschirmen. Zusätzlich zeigt im Vergleich der zwei Dotierungsmaterialien die mit Kohlenstoff dotierte Probe eine bei deutlich höheren Anregungsdichten einsetzende Abschirmung gegenüber der mit Berylium dotierten Probe. Die konsequente Umsetzung der gewonnenen Erfahrungen führt zu einem neuen Probendesign. Die Vermeidung p+-dotierter Schichten, wobei die Proben nur mit einer semitransparenten Cr/Au-Schicht bedampft werden, hat dazu geführt, daß es schließlich möglich war, die kohärente Emission von Bloch-Oszillationen unter 45 ° zu messen. Weiterhin war es auch möglich, erste Messungen zur kohärenten Detektion der direkten Emission von Bloch-Oszillationen in einem Magnetfeld zu realisieren, diese Messungen werden daher nur kurz dargestellt. Je nach Feldstarke des elektrischen und des magnetischen Feldes wird die Emission der Bloch-Oszillationen durch die magnetische oder elektrische Quantisierung dominiert. In Vorbereitung auf zeitaufgelöste Messungen wurde im Rahmen dieser Arbeit zusätzlich auch ein neuer dichroitischer Strahlteiler verwendet und charakterisiert. Ein Indium-Zinn-Oxid-Film auf einem Glassubstrat ist im optischen Frequenzbereich transparent, besitzt aber im niedrigen THz-Frequenzbereich (0 bis 2.5 THz) eine relative Reflexion von 90% bis 80% und eine relative Transmission von konstant etwa 10% und kann somit als Alternative zu dem sonst häufig verwendeten Folien-Strahlteiler verwendet werden. Der komplexe Brechungsindex ñ kann numerisch aus den Reflexions- bzw. Transmissionsdaten bestimmt werden.
Diese Arbeit entstand im Zusammenhang mit dem Funneling-Experiment am Institut für Angewandte Physik. Dieses Experiment soll die praktische Umsetzung des für das HIDIF-Projekt benötigte Funneln zur Ionenstrom-Erhöhung demonstrieren. Dabei stand die Erzeugung zweier identischer Ionenstrahlen mit einer Energie von 4 keV im Vordergrund. Diese Ionenstrahlen werden in zwei aufeinander zulaufenden RFQ-Beschleunigern auf eine Energie von 160 keV beschleunigt. Der noch in Planung stehende Funneling-Deflektor bringt die beiden Ionenstrahlen auf eine gemeinsame Strahlachse. Zu Beginn der Diplomarbeit stand der Umbau der Emittanzmeßanlage auf eine PC-Plattform. Gleichzeitig wurde ein sogenannter Quellenturm zum Betrieb der Ionenquellen aufgebaut (vgl. Kapitel 7.2). Die Multicusp-Ionenquellen wurden von K. N. Leung vom Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) entwickelt und gebaut. Das elektrostatische Linsensystem wurde von R. Keller (LBNL) entworfen und berechnet. Die beiden Linsensysteme wurden in unserer Werkstatt gefertigt. Der erste Teil des Testbetriebs der Injektionssysteme, bestehend aus der Multicusp- Ionenquelle sowie dem elektrostatischen Linsensystem auch LEBT (Low Energy Beam Transport) genannt, bestand aus der Messung des Strahlstromes sowie der zugehörigen Emittanz. Zum Messen des Strahlstromes stand eine durch Preßluft in den Ionenstrahl fahrbare Faradaytasse zur Verfügung. Von dieser Faradaytasse wurde eine Kennlinie zur Bestimmung der Spannung der Sekundärelektronen- unterdrückung aufgenommen (vgl. Kapitel 8.1). Zur Messung der Strahlemittanz wurde eine Emittanzmessung nach dem Schlitz-Gitter Prinzip vorgenommen (vgl. Kapitel 5, Kapitel 7.7-7.9). Beim Betreiben der Injektionssysteme stand vor allem der Synchronbetrieb im Vordergrund. Dabei wurde festgestellt, daß eine der beiden Ionenquellen auch ohne Linsensystem einen größeren Strahlstrom liefert (vgl. Kapitel 8.9). Der Unterschied zwischen den Ionenquellen beträgt bei einem Bogenstrom von 6 A über 20 %. Dies bedeutet für den späteren Strahlbetrieb am RFQ, daß zum Erzeugen gleicher Strahlströme eine Ionenquelle immer mit einem kleineren Bogenstrom betrieben werden muß. Die dadurch unterschiedlichen Plasmadichten sowie thermischen Belastungen der Plasmakammer und unterschiedlichen Füllgrade der elektrostatischen Linsen tragen zu den festgestellten Emittanzunterschieden bei. Zum späteren Vergleich der Injektionssysteme wurde ein Injektionssystem durch verschiedene Bogenströme, variierte Spannungen an den elektrostatischen Linsen sowie unterschiedlichen Gasdrücken in der Plasmakammer ausgemessen. Diese Messungen wurden nach Wechseln der Glühkathode sowie Demontage und Neumontage von Ionenquelle und Linsensystem wiederholt. Dabei wurde festgestellt, daß sich der Strahlstrom bei der Vergleichsmessung kaum, die Emittanz der Injektionssysteme aber bis ca. 10% ändert (vgl. Kapitel 8.5). Diese Unterschiede müssen bei dem späteren Vergleich mit dem zweiten Injektionssystem einbezogen werden.Beim Betrieb des zweiten Injektionssystems wurden im direkten Vergleich der Injektionssysteme Unterschiede zwischen dem Strahlstrom sowie der Emittanz festgestellt. Auch hier lieferte das zweite Injektionssystem den schon nach der Ionenquelle festgestellten größeren Ionenstrom. Die gemessenen normierten 90 % RMS-Emittanzen bei einem Strahlstrom von 1 mA betragen am Injektionssystem 1 , beim Injektionssystem 2 , bei einer e1 =0,0288 mm mrad e2 =0,0216 mm mrad Strahlenergie von 4 keV. Die Emittanzunterschiede betragen bis zu 30 %. Im Betrieb mit dem RFQ können die Linsensysteme nicht mit den identischen Spannungen betrieben werden. Dies ist zum einen auf die fertigungsbedingten Unterschiede zurückzuführen, zum anderen auf die abweichenden Plasmadichten zum Erreichen gleicher Strahlströme. Im geplanten HIDIF-Projekt sollen 48 Ionenquellen drei unterschiedliche Teilchenströme erzeugen. Bei dieser Anzahl an Ionenquellen für drei unterschiedliche Ionensorten wird das Erzeugen identischer Teilchenströme sicher noch schwerer zu bewältigen sein. Am Funneling-Experiment ist der Vergleich der beiden Injektionssysteme abgeschlossen. Der Doppelstrahl RFQ-Beschleuniger ist aufgebaut, es wurde bereits ein Ionenstrahl in den RFQ eingeschossen (vgl. Kapitel 8.13). Die normierten 90 % RMS-Emittanzen nach dem RFQ betragen 0,057 mm mrad sowie 0,0625 mm mrad für die beiden Strahlachsen. Der Emittanzunterschied ist kleiner 9 %. Die Emittanzen nach dem RFQ können nicht direkt mit den im Testbetrieb gemessenen Emittanzen der Injektionssysteme verglichen werden. Im Strahlbetrieb mit dem RFQ wurde eine Strahlenergie der Injektionssysteme von 4,15 keV benötigt. Außerdem mußten durch geänderte Einschußbedingungen in den RFQ die Linsenspannungen gegenüber dem Testbetrieb variiert werden. Mit dem Aufbau des Funneling-Deflektors wird zur Zeit begonnen. Nach der Erprobung wird der Einbau in die Strahlachse erfolgen.
In dieser Arbeit wurden Untersuchungen zur Einstellung und Analyse des Sauerstoffgehalts an YBa2Cu3O6+x-Dünnfilmen durchgeführt. Zur Analyse des Sauerstoffgehalts wurde ein optisches Verfahren angewendet. Durch Messung der Transmission un der Reflektion in einem Spektralbereich von 2000nm bis 3000nm wird mit Hilfe des im Rahmen dieser Arbeit erstellten Markov-Modells die optische Leitfähigkeit bestimmt. Aus den gewonnen Werten der optischen Leitfähigkeit kann so auf den Sauerstoffgehalt in YBa2Cu3O6+x geschlossen werden.
Es wurde eine Meßstation zum Vermessen von THz-Photomischern vorgestellt und aufgebaut. Weiterhin konnte gezeigt werden, wie diese Station es ermöglicht, das Vermessen von THz-Photomischern, im Vergleich zum bisher verwendeten Meßaufbau, deutlich zu vereinfachen und zu beschleunigen. Mit dieser Station wurden zwei Proben, die sich in der Dicke der LT-GaAs-Schicht unterscheiden, vermessen. Um die gemessenen Daten analysieren zu können wurden zuvor beschrieben, wie eine Modulation des Photostroms in Photomischern erhalten und damit THz-Strahlung erzeugt werden kann. Gemessen wurde die THz-Leistung in Abhängigkeit von Frequenz , Vorspannung und Leistung der optischen Beleuchtung. Diese Messungen haben zu Ergebnissen geführt, die nur zum Teil mit den theoretisch vorhergesagten Ergebnissen übereinstimmen. So wurde festgestellt, daß nur etwa 1 bis 2 % der theoretisch erwarteten THz-Leistung detektiert wurde. Dies kann an langlebigen Ladungsträgern liegen, die im Substrat erzeugt werden. Diese Ladungsträger unterhalb der LT-GaAs-Schicht führen zu einer erhöhten Leitfähigkeit und können dadurch Reflexion und Absorption von THz-Strahlung verursachen. Diese Vermutung wird unterstützt durch die Beobachtung einer starken Reduktion des Signals in einem gepulsten THz-System, wenn eine konstante Hintergrundbeleuchtung eingeschaltet wird.[45] Weiterhin ist nicht auszuschließen, daß die für die THz-Erzeugung relevante Lebenszeit der Ladungsträger deutlich größer ist, als die mit Anrege-Abfrage-Messungen bestimmte. Analog könnte auch eine deutlich höhere Kapazität des Photomischers als die theoretisch berechnete diese Beobachtung erklären. Ob langlebige Ladungsträger im Substrat für die geringe gemessen Leistung verantwortlich sind kann überprüft werden, indem zwischen Substrat und LT-GaAs-Schicht einen Bragg-Refelektor gewachsen wird. So kann verhindert werden, daß eingestrahlte Leistung das Substrat erreicht. Dadurch können keine Ladungsträger im Substrat angeregt werden. Zusätzlich hat dies den Effekt, daß ein größerer Anteil der eingestrahlten Strahlung absorbiert werden kann, weil die einfallende Strahlung wegen der Reflexion zweimal durch die LT-GaAs-Schicht läuft. Ein solcher Mischer wurde bereits von E. R. Brown vorgeschlagen.[46] Bei den Messungen der THz-Leistung gegen Vorspannung konnte beobachtet werden, daß der Photostrom eine andere Abhängigkeit von der Vorspannung zeigt, als theoretisch vorhergesagt wurde. Erwartet wurde ein linearer Zusammenhang. Bei höheren Vorspannungen wurde aber ein stärkerer Anstieg beobachtet. Dies kann z.B. an einem zusätzlichen nichtlinearen Strom durch das Substrat oder an einer vom elektrischen Feld abhängigen Lebenszeit der Ladungsträger liegen. Für beide Erklärungsansätze wurden vereinfachte Modelle vorgestellt. Beide Modelle treffen dabei unterschiedliche Vorhersagen über die Änderung der Effizienz beim Auftreten des höheren Stromes. Deutlich werden die Unterschiede in den Vorhersagen im Frequenzverlauf. So führt ein zusätzlicher Strom durch das Substrat zu einer Verringerung der Effizienz um einen von der Frequenz unabhängigen konstanten Faktor. Der Frequenzverlauf verschiebt sich also zu geringeren Effizienzen. Eine Erhöhung der Lebenszeit hingegen führt zu einem geänderten Frequenzverlauf. So ist die Änderung der Effiienz bei niedirgen Frequenzen gering, zu höheren Frequenzen hin ändert sich die Effizienz jedoch immer stärker. Die Vorhersagen beider Modelle wurden mit dem gemessenen Daten verglichen. Bei den gegebenen Parametern war der Unterschied zwischen den beiden Modellen jedoch zu gering und die Fluktuation in den Meßdaten zu hoch, um entscheiden zu können, welches der beiden Modelle die gemessenen Daten besser beschreibt. Um erkennen zu können, welches der Modelle den Effekt beschreibt, der zu einem höheren Strom führt, müßte der Effekt in den Meßdaten erhöht werden. Dies kann geschehen, indem zusätzlich bei höheren Spannungen gemessen wird. Es müßte dabei allerdings die optische Leistung reduziert werden, um ein Zerstören der Mischer zu vermeiden. In dieser Arbeit konnte somit gezeigt werden, daß die aufgebaute Meßstation ein vereinfachtes Messen von THz-Photomischern ermöglicht. Weiterhin konnte das Verhalten von zwei vermessenen Mischern gezeigt und analysiert werden, sowie weitere Messungen vorgeschlagen werden, die eine exaktere Analyse der Photomischer ermöglichen sollten.
Abschließend sollen hier die wichtigsten, neuen Ergebnisse herausgestellt und ein Ausblick auf mögliche zukünftige Studien gegeben werden. In dieser Arbeit wurden vorwiegend Schwerionenkollisionen bei Einschußenergien zwischen ungefähr 40 MeV/Nukleon und 400 MeV/Nukleon mit dem Quantenmolekulardynamik-Modell untersucht. Ein Schwerpunkt war hierbei die Beschreibung der Umkehr des kollektiven, transversalen Seitwärtsflusses in der Reaktionsebene. Der negative Seitwärtsfluß, der bei niedrigen Energien der Größenordnung kleiner als 100 MeV/Nukleon durch die attraktiven Wechselwirkungen verursacht wird, verschwindet bei Steigerung der Einschußenergie bei der Balance-Energie E-bal. einsetzt. Oberhalb dieser dominieren die repulsiven Wechselwirkungen, so daß positiver transversaler Fluß einsetzt. Sowohl die negativen Flußwinkel als auch der Übergang hin zu positiven Flußwinkeln konnte fur eine große Anzahl verschiedener Energien und Stoßparameter mit unterschiedlichen Zustandsgleichungen für die Systeme 40-20-Ca + 40-20-Ca und 197-79 Au + 197-79 Au mit dem Quantenmolekulardynamik-Modell beschrieben werden. Ziel muß es bleiben, die verschiedenen, grundlegenden physikalischenWechselwirkungen eindeutig und unabhängig voneinander zu bestimmen. Ein erfolgversprechender Weg sind die hier vorgestellten Methoden und die Hinweise zur ad quaten Interpretation experimenteller Ergebnisse. Die Abhängigkeit der Balance-Energien von der Masse des betrachteten Systems ist sehr sensitiv auf den Nukleon-Nukleon Wirkungsquerschnitt im Medium. Hier wurde systematisch gezeigt, daß die Balance-Energien stark vom Stoßparameter abhängen. Die Zunahme der Balance-Energie mit dem Stoßparameter ist ungefähr linear. Für das System Ca+Ca kann sich die Balance-Energie beim Übergang von zentraleren zu mittleren Stoßparametern mehr als verdoppeln. Daher ist für die Interpretation der gemessenen Balance-Energien in bezug auf eine Modifikation des nukleo- nischen Wirkungsquerschnitts im Medium oder der Zustandsgleichung eine genaue Kenntnis des Stoßparameters von größter Wichtigkeit. Vorläufige experimentelle Analysen scheinen die vorhergesagte Stoßparameterabhängigkeit sehr gut zu bestätigen [Wes 95]. Weiterhin hat sich herauskristallisiert, daß bei der Berücksichtigung impulsabhängiger Wechselwirkungen die Balance-Energien bei größeren Stoßparametern signifikant kleiner sind als für den Fall der Nichtberücksichtung. Daher konnten experimentelle Bestimmungen der Balance- Energien bei größeren Stoßparametern signifikante Hinweise auf die tatsächliche Bedeutung der impulsabhängigen Wechselwirkungen in diesem Energiebereich geben. Es wurde gezeigt, daß für schwere Systeme wie Au+Au die langreichweitige internukleare Coulomb-Wechselwirkung vor dem Kontakt der Kerne im Energiebereich der Balance-Energien nicht vernachlässigt werden darf. Die hervorgerufene Repulsion bewirkt eine Drehung des Systems. Während in diesem gedrehten System dynamischer negativer Fluß beobachtbar ist, ist er es nicht im Laborsystem. Die im gedrehten Kontaktbezugssystem bestimmten Balance- Energien fur Au+Au sind erwartungsgemäß kleiner als für Ca+Ca und nehmen mit wachsendem Stoßparameter zu. Ein neuartiger Zwei-Komponenten-Fluß konnte in semiperipheren Kollisionen von Ca+Ca be- schrieben und analysiert werden. Dabei wird in einem Ereignis in verschiedenen Rapiditätsbereichen gleichzeitig positiver und negativer transversaler Fluß möglich. Die wenig komprimierte Spektatorenmaterie, die vermehrt aus schwereren Fragmenten besteht, zeigt negativen Fluß bei großen Rapiditäten, wohingegen dieKompressionszone in Form von einzelnen Nukleonen positiven transversalen Fluß zeigt. Aufgrund der großen Sensitivität gegenüber den Systemparametern und der Zustandsgleichung lohnt es sich, diesen Effekt experimentell zu untersuchen. Beim Studium azimuthaler Verteilungen wurde deutlich, daß auch in den Balance-Punkten noch kollektiver Fluß in Form von azimuthaler Asymmetrie vorliegt. Im Gegensatz zur bekannten hochenergetischen Bevorzugung der Emissionswinkel senkrecht zur Reaktionsebene für Teilchen aus der Wechselwirkungszone wurde hier die bei kleineren Energien preferentielle Emission in die Reaktionsebene aufgezeigt. Diese nimmt mit der Teilchenmasse und dem Stoßparameter zu. Das systematische Studium der Anregungsfunktion dieser azimuthalen Asymmetrie könnte durch die Übergangsenergien, die durch den Wechsel von der preferentiellen Emission in die Reaktionsebene zu der Bevorzugung der Winkel senkrecht zur Reaktionsebene definiert sind, wertvolle, ergänzende Information zu den Balance-Energien liefern.
Die im Rahmen dieser Diplomarbeit entwickelte sehr einfach und kompakt aufgebaute Mikro-Ionenquelle basiert auf einer Mikro-Struktur-Elektrode (MSE). Mit dieser lässt sich bei einer Betriebsspannung von wenigen 100 Volt eine stabile Hochdruck-Glimmentladung erzeugen. Das Betriebsgas durchströmt die MSE-Pore und expandiert anschließend adiabatisch ins Vakuum, wobei die interne Temperatur des Strahls herabgesetzt wird. Der Vordruck des Gases kann bei dem vorhandenen Aufbau zwischen wenigen 100 hPa und etwa 0,5 MPa liegen. Mit einem ähnlichen Aufbau, jedoch mit deutlich größerer Saugleistung der Vakuumpumpen, konnte selbst bei Vordrücken über 3 MPa noch eine Entladung mit gleichen Eigenschaften betrieben werden. Es wurde gezeigt, dass Ionen durch Diffusion sowie die starke Gasströmung in der MSE-Pore aus dem Plasma extrahiert werden. Eine zusätzliche Beschleunigungsspannung zeigt einen deutlichen Einfluss auf die Formierung eines Ionenstrahls. Es kann ein schmaler Strahl mit maximal einigen mm Durchmesser erzeugt werden. Die Mikroentladung lässt sich mit zahlreichen Gasen betreiben. Erfolgreich getestet wurden Helium, Neon, Argon, Stickstoff und normale Luft sowie Mischungen davon. Auch eine Beimischung von Wasserstoff ist möglich und eröffnet die Erzeugung beispielsweise von molekularen HeH+-Ionen. Zur Extraktion der Ionen kann eine Beschleunigungsspannung von bis zu 5 kV angelegt werden. Der Ionenstrahl wird über ein differenzielles Pumpsystem durch einen Skimmer ins Hochvakuum überführt und dort analysiert. Es entstehen sowohl einfach als auch doppelt geladene Ionen. Bei einem Entladestrom von wenigen mA lässt sich ein Strom von bis zu 3 mA (ohne Sekundärelektronen-Unterdrückung) auf dem Skimmer messen. Die Stromdichte des Strahls ist jedoch zu hoch, um mit der verwendeten einfachen Diodenextraktion den gesamten Strom durch den Skimmer zu transportieren. Nur ein Anteil von ca. 1/50 bis 1/30 des gesamten Ionenstroms kann den Skimmer passieren. Hinter dem Skimmer liegt der Strom zwischen einigen 100 nA und einigen 10 µA. Durch Optimierung der Extraktionsgeometrie sollte hier eine deutliche Erhöhung erreicht werden. Im normalen Betrieb wird mit einem Entladestrom von 1-2 mA gearbeitet. Zum einen ist hier bereits, wie eben erwähnt, die maximale Stromdichte erreicht, die durch den Skimmer transportiert werden kann. Zudem sinkt mit steigendem Strom die Haltbarkeit der MSE-Elektroden aufgrund verstärkten Sputterns erheblich, auch dies spricht gegen einen Betrieb mit hohem Plasmastrom. Der maximale bisher erreichte Entladestrom in einem MSE-Plasma beträgt 50 mA. Der Elektrodenabtrag begrenzt momentan die Betriebsdauer einer MSE auf wenige Stunden. Durch die Einführung von Wolfram-Elektroden konnte bereits eine deutliche Steigerung der Haltbarkeit erreicht werden, für eine sinnvolle Anwendung der Ionenquelle muss jedoch noch eine Weiterentwicklung der MSE stattfinden. Dass sich der Kühleffekt aufgrund der adiabatischen Expansion auf im Plasma erzeugte metastabile He*-Atome auswirkt, wurde im Rahmen einer zweiten Diplomarbeit zum Thema Plasmajet gezeigt. Mit einem Aufbau nach demselben Prinzip, jedoch ohne Extraktionsspannung, wurde eine Apparatur zur Erzeugung eines spinpolarisierten metastabilen Helium-Targets realisiert [Jahn2002]. Es wurde gezeigt, dass zum einen der Energieeintrag ins Gas durch die Entladung sehr gering ist. Es handelt sich also beim MSE-Hochdruck- Plasma tatsächlich um eine nichtthermische Entladung. Zum anderen konnte in ergänzenden Flugzeitmessungen gezeigt werden, dass die Geschwindigkeitsverteilung der Metastabilen der eines herkömmlichen Gasjets entspricht. Der Kühleffekt wirkt also auf die Metastabilen genauso wie auf Gasatome im Grundzustand, ohne dabei die Metastabilen abzuregen. Um die Geschwindigkeitsverteilung der Ionen zu untersuchen, ist die verwendete Methode jedoch nicht ohne weiteres anwendbar. Aufgrund der Coulomb- Abstoßung der Ionen weist der unbeschleunigte Ionenstrahl eine starke Divergenz auf. Die Intensität des Ionensignals auf dem Detektor ist somit äußerst gering, was eine Flugzeitmessung kaum sinnvoll erscheinen lässt. Mit den vorhandenen Diagnosemethoden konnte daher ein Kühleffekt aufgrund der adiabatischen Expansion auf die Ionen nicht verifiziert werden. Mit der Mikro-Ionenquelle wurde jedoch gezeigt, dass es eine Wechselwirkung zwischen Ionen und Gasjet gibt: versucht man, die Ionen mit einer Extraktionsspannung zu beschleunigen, so erfahren sie aufgrund zahlreicher Stöße mit den langsameren Gasteilchen einen massiven Energieverlust. Man erhält einen Ionenstrahl mit stark verbreiterter Energieverteilung. Dies zeigt, dass sich die Ionen im Bereich hoher Dichte mit dem Jet bewegen. Stört man die Expansion, indem man die Ionen mittels der Beschleunigungsspannung aus dem Jet herausreißt, so erfahren sie durch die Wechselwirkung mit den Atomen im Jet einen erheblichen Energieverlust. Es ist daher zu vermuten, dass auch die Ionen gekühlt werden. Misst man mit Hilfe eines Quadrupol-Massenspektrometers das Spektrum von nicht beschleunigten Ionen, so erhält man scharfe Peaks, es tritt also kein Energieverlust auf. Zur Messung des Geschwindigkeitsprofils eignet sich diese Methode jedoch nicht. Es ist daher sinnvoll, in Zukunft mit einer entsprechend angepassten Apparatur auch für die Ionen eine Flugzeitmessung durchzuführen. Die schlechte Energieschärfe des Ionenstrahls ist ein erheblicher Nachteil für viele Anwendungen. Für zukünftige Weiterentwicklungen der Mikro- Ionenquelle muss eine geeignetere Extraktionsgeometrie gefunden werden. Eine Möglichkeit wäre, die Ionen mit dem Gasjet mitfliegen zu lassen und in größerem Abstand zu beschleunigen, wenn die Dichte im Jet stark abgefallen ist. In diesem Fall muss man jedoch eine sinnvolle Lösung für Größe und Position des Skimmers finden oder klären, ob auf einen Skimmer vollständig verzichtet werden kann. Es könnte bei dieser Lösung hilfreich sein, die Raumladungsdichte im Ionenstrahl durch Überlagerung mit einem Elektronenstrahl zu reduzieren und so die Divergenz des Strahls zu verringern. Man könnte die Divergenz auch verringern, indem man den Ionenstrahl durch ein Magnetfeld einschließt. Hierbei provoziert man aber vermutlich durch die Spiralbewegung der Ionen zusätzliche Stöße mit dem Jet. Denkbar wäre auch, die Ionen mit Hilfe elektrischer Felder aus dem Gasjet herauszulenken und anschließend zu beschleunigen. Bekommt man das Problem des Energieverlusts in den Griff, so erhält man eine leistungsfähige Ionenquelle, die ein großes Potential für Anwendungen bietet. Der kompakte Aufbau ermöglicht einen Verzicht auf Wechselspannungen, Mikrowellenstrahlung sowie magnetischen Einschluss. Da es sich um eine Gleichspannungsentladung mit wenigen Watt Leistung handelt, ist ein sehr energieeffizienter Betrieb möglich. Die gemessenen Ionenströme zeigen, dass eine Hochdruckentladung auf der Basis von MSE eine hohe Ionisationseffizienz aufweist. Der hohe Arbeitsdruck ermöglicht eine große Ausbeute an molekularen Ionen. Gelingt es, den Kühleffekt des Gasjets auf die Ionen zu nutzen, so erzeugt man einen Ionenstrahl mit sehr niedriger interner Temperatur, der für atomphysikalische Experimente interessant ist. Zudem ließe sich ein solcher Strahl auf sehr kleine Durchmesser fokussieren, was eine hohe Genauigkeit etwa bei Oberflächenmodifikationen erlaubt. Die Untersuchungen im Bereich Gasanalytik haben gezeigt, dass Hochdruckentladungen hier eine Alternative zu den herkömmlichen, auf Niederdruckentladungen basierenden, Messverfahren darstellen. Die sehr guten Nachweisgrenzen für Freon in Kombination mit dem einfachen und kompakten Aufbau sprechen für die Hochdruckentladung. Jedoch muss für eine sinnvolle Nutzung die Haltbarkeit der MSE noch deutlich erhöht werden.
In der vorliegenden Arbeit wurden die Signalformen eines großvolumigen Germanium- Detektors analysiert, mit dem Ziel, den primären Wechselwirkungsort des Photons im Detektor zu bestimmen. Die experimentellen Voraussetzungen dazu bestehen erst seit der Entwicklung schneller Analog-Digital-Wandler, mit denen man in der Lage ist, Detektorsignale direkt nach dem Vorverstärker zu digitalisieren und somit einer genauen Analyse zu unterziehen. Im experimentellen Teil der Arbeit wurden dazu die von einem großvolumigen p-Typ HPGe-Detektor der "koaxial einseitig geschlossenen" Bauart gelieferten Signale abgetastet und digitalisiert. Synchron dazu wurde die Energie mit Analogelektronik gemessen. Die Messungen wurden für verschiedene Energien in Abhängigkeit vom Auftreffort des g-Quants auf dem Detektor durchgeführt. Dabei wurde der Detektor mit g- Quellen im Energiebereich bis 700keV an verschiedenen Positionen kollimiert bestrahlt. Zu den Messungen wurden Simulationsrechnungen durchgeführt, die sich in zwei Schritte gliederten. Im ersten Schritt wurden mittels des Monte-Carlo-Simulationsprogramms GEANT die Wechselwirkungsorte und die dort deponierten Energien eines g-Quants in einem Germanium-Detektor ermittelt. Im zweiten Schritt wurden daraus, unter Berücksichtigung der Detektorgeometrie und des dadurch vorgegebenen elektrischen Feldes, die Pulsformen berechnet. Aus der Anpassung der Rechnungen an die experimentellen Daten konnte über die Variation des einzigen freien Parameters der Ladungsträgerkonzentration, eine sehr gute Übereinstimmung der Anstiegszeitenverteilungen erzielt werden. Die Ladungsträgerkonzentration ließ sich damit mit einer Genauigkeit von 33% bestimmen. Durch eine Analyse der gemessenen digitalisierten Pulsformen konnte der Einstrahlort mit einer Wahrscheinlichkeit von 75,20% bestimmt werden. Dazu ist nur die Messung zweier Zeiten, der Zeit zwischen 10% und 30% der Pulshöhe und der Zeit zwischen 10% und 90% der Pulshöhe, notwendig. Die Ortsauflösung variierte dabei zwischen 4,1mm und 7,5mm. Mit Hilfe der Simulation konnten die Detektorbereiche identifiziert werden, für die eine eindeutige Zuordnung der Pulse zum Einstrahlort gelingt. Darauf aufbauend bietet die Simulation die Möglichkeit, neue Detektorgeometrien im Hinblick auf ihre Eigenschaften zur Bestimmung des Einstrahlortes zu entwickeln. Durch die Bestimmung des Einstrahlortes eines g-Quants auf dem Detektor läßt sich eine Dopplerkorrektur bei der Energiemessung von im Flug emittierten g-Quanten durchführen, die in einer deutlich verbesserten Energieauflösung resultiert.
In der vorliegenden Arbeit wurde die Möglichkeit der Realisierung eines 2-Pi-Spaltfragmentdetektors untersucht. Damit soll es möglich sein eine Information über die Kernladungszahl eines Fragments aus spontaner oder teilcheninduzierter Spaltung zu erhalten. Die Meßmethode ist daraufhin ausgelegt, daß der korrespondierende Partner eines im Detektor nachgewiesenen Spaltfragments in einer dicken Quelle oder einem dicken Target gestoppt wird und der Gamma-Zerfall dieses neutronenreichen, meist hoch angeregten Kerns in Ruhe erfolgt . Die emittierte Gamma-Strahlung ist somit weder Dopplerverschoben noch -verbreitert und kann von Germanium-Detektorarrays spektroskopiert werden. Durch die hohe Selektivität der Spaltfragmentdetektion läßt sich damit die Struktur seltener, besonders neutronenreicher Kerne untersuchen. Die Methode basiert auf der Messung des spezifischen Energieverlusts eines Spaltfragments mit Hilfe einer Gasionisationskammer und der anschließenden Messung der Restenergie des Spaltfragments mit Hilfe eines Silizium-Halbleiterdetektors. Hierzu wurden Messungen von Spaltfragmenten aus spontaner Spaltung von 252-Cf mit Hilfe eines Detektorteleskops [Goh94] in Koinzidenz mit einem hochreinen Germanium Detektor durchgeführt. Das Teleskop bestand aus einer Ionisationskammer, die mit einem elektrischen Feld arbeitete, das senkrecht zur mittleren Spaltfragmenttrajektorie verlief, sowie einem ionenimplantierten Si-Detektor. Damit wurde ein Auflösungsvermögen von Z/Delta-Z ~ ll für Molybdän (Z=42) und Z/Delta-Z ~ 10 für Ruthenium (Z=44) gemessen. Um den ionenimplantierten Si-Detektor durch einen kostengünstigeren Detektortyp ersetzen zu können, wurden PIN-Dioden als Detektoren für die Energie der Spaltfragmente getestet. Hierbei wurden die Testkriterien von Schmitt und Pleasonton [SP 66] zugrunde gelegt. Die PIN-Diode der Serienproduktion erreichte näherungsweise alle von Schmitt und Pleasonton angegebenen Kriterien und übertraf das Kriterium für Energieauflösung deutlich. Der Ansatz zur Entwicklung eines Detektors mit großem Raumwinkel ist eine Ionisationskammer, die ein elektrisches Feld besitzt, das parallel zur mittleren Spaltfragmenttrajektorie gerichtet ist. Eine solche Feldgeometrie läßt sich leichter auf einen großen Raumwinkel erweitern. Dies macht die ausschließliche Verwendung von Gitterelektroden notwendig, damit die Spaltfragmente die Elektroden ohne nennenswerten Energieverlust passieren können. Mit Hilfe der Methode der Finiten Elemente wurden Potentialverläufe in einer solchen Ionisationskammer simuliert und auf dieser Basis ein Prototyp konstruiert und gebaut, der mit einer Feldrichtung parallel zur mittleren Spaltfragmenttrajektorie arbeitet. Zum Test dieses Detektors wurde ein Experiment mit protoninduzierter Spaltung von 238-U am Van-de-Graaf-Beschleuniger des Instituts für Kernphysik der Universität Frankfurt am Main durchgeführt. Unter Hinzunahme eines hochreinen Ge-Detektors wurden Spaltfragment-Gamma-Koinzidenzen aufgenommen. Das Ansprechverhalten des Spaltfragmentdetektors wurde mit Hilfe der Energieverlustdaten von Northcliffe und Schilling [NS70] numerisch berechnet. Damit konnte ein Auflösungsvermögen von Z/Delta-Z ~ 29 für Yttrium (Z=39) erreicht werden. Dieses Auflösungsvermögen stimmt ungefähr mit dem von Sistemich et al. [SAB+76] mit Hilfe von massen- und energieseparierten Spaltfragmenten gemessenen Auflösungsvermögen eines DeltaE-E-Detektors mit einem senkrecht zur mittleren Spaltfragmenttrajektorie ausgerichteten elektrischen Feld überein. Eine Auflösung von Nukliden der schweren Spaltfragmentgruppe war in beiden Experimenten nicht möglich. Abschließend wurde auf der Basis der Geometrie des EUROSiB-Detektors [dAP+96] die Realisierbarkeit eines 2-Pi-Spaltfragmentdetektors studiert. Dabei zeigte sich, daß es möglich sein sollte, einen solchen Detektor zu konstruieren, obwohl dieser aufgrund des näherungsweise radialsymmetrischen elektrischen Feldes an den Grenzen des Ionisationskammerbereiches arbeiten wird. Mit Hilfe einer möglichst punktförmigen Quelle sowie einer Segmentierung der PIN-Dioden um eine bessere Ortsauflösung zu erreichen, sollte es möglich sein, ein Auflösungsvermögen zu erhalten, das der Größenordnung des Auflösungsvermögens des Prototypen entspricht. Mit dem vorgeschlagenen Detektor ließe sich eine absolute Effizienz von rund 74% in 2-Pi erreichen.