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Beam test of the direct plasma injection scheme (DPIS) is carried out successfully for the first time in China, by setting up a comprehensive test and research platform of RFQ and laser ion source. The C6+ beam is accelerated successfully, and the peak beam current reaches more than 6mA which is measured by a Faraday cup of unique structure. The RF power coupled into the RFQ cavity is also examined, and results reveal that it is the RF power of about 195kW that can produce the peak beam current.
Within this thesis, an experimental study of the photo double ionization (PDI) and the simultaneous ionization-excitation is performed for lithium in different initial states Li (1s22l) (l = s, p). The excess energy of the linearly polarized VUV-light is between 4 and 12 eV above the PDI-threshold. Three forefront technologies are combined: a magneto-optical trap (MOT) for lithium generating an ultra-cold and, by means of optical pumping, a state-prepared target; a reaction microscope (ReMi), enabling the momentum resolved detection of all reaction fragments with high-resolution and the free-electron laser in Hamburg (FLASH), providing an unprecedented brilliant photon beam at favourable time structure to access small cross sections. Close to threshold the total as well as differential PDI cross sections are observed to critically depend on the excitation level and the symmetry of the initial state. For the excited state Li (1s22p) the PDI dynamics strongly depends on the alignment of the 2p-orbital with respect to the VUV-light polarization and, thus, from the population of the magnetic substates (mp = 0, ±1). This alignment sensitivity decreases for increasing excess energy and is completely absent for ionization-excitation. Time-dependent close-coupling calculations are able to reproduce the experimental total cross sections with deviations of at most 30%. All the experimental observations can be consistently understood in terms of the long range electron correlation among the continuum electrons which gives rise to their preferential back-to-back emission. This alignment effect, which is observed here for the first time, allows controlling the PDI dynamics through a purely geometrical modification of the target initial state without changing its internal energy.
We propose to measure correlations of heavy-flavor hadrons to address the status of thermalization at the partonic stage of light quarks and gluons in high-energy nuclear collisions, shown on the example of azimuthal correlations of D-Dbar pairs. We show that hadronic interactions at the late stage can not disturb these correlations significantly. Thus, a decrease or the complete absence of these initial correlations indicates frequent interactions of heavy-flavor quarks in the partonic stage. Therefore, early thermalization of light quarks is likely to be reached. PACS numbers: 25.75.-q
Elliptic flow analysis at RHIC with the Lee-Yang Zeroes method in a relativistic transport approach
(2006)
The Lee-Yang zeroes method is applied to study elliptic flow (v_2) in Au+Au collisions at sqrt s =200 A GeV, with the UrQMD model. In this transport approach, the true event plane is known and both the nonflow effects and event-by-event v_2 fluctuations exist. Although the low resolutions prohibit the application of the method for most central and peripheral collisions, the integral and differential elliptic flow from the Lee-Yang zeroes method agrees with the exact v_2 values very well for semi-central collisions.
The cumulant method is applied to study elliptic flow (v_2) in Au+Au collisions at sqrt s=200 AGeV, with the UrQMD model. In this approach, the true event plane is known and both the non-flow effects and event-by-event spatial (epsilon) and v_2 fluctuations exist. Qualitatively, the hierarchy of v_2 's from two, four and six-particle cumulants is consistent with the STAR data, however, the magnitude of v_2 in the UrQMD model is only 60% of the data. We find that the four and six-particle cumulants are good measures of the real elliptic flow over a wide range of centralities except for the most central and very peripheral events. There the cumulant method is affected by the v_2 fluctuations. In mid-central collisions, the four and six-particle cumulants are shown to give a good estimation of the true differential v_2, especially at large transverse momentum, where the two-particle cumulant method is heavily affected by the non-flow effects.
We study the transition from fusion-fission phenomena at about 20 MeV/nucleon multifragmentation at 100–200 MeV/nucleon in the reaction 16O+80Br employing the quantum molecular dynamics model. The time evolution of the density and mass distribution, the charged-particle multiplicity, and spectra as well as angular distributions of light particles are investigated. The results exhibit the transition of the disassembly mechanism, but no sharp change is found. The results are in good agreement with recently measured 4-Pi data.
Ziel dieser Arbeit war, mittels einer (n,γ)-Aktivierung, 129Te zu erzeugen und eine Teilchenzahlbestimmung durchzuführen. Aktivierung der Probe am Forschungsreaktor TRIGA und Spektrenaufnahme mittels eines HPGe-Detektors erfolgten im Mai 2014 am Institut für Kernchemie der Johannes Gutenberg Universität in Mainz.
Die Teilchenzahl des Tochternuklids 129I kann anhand der Teilchenzahlen des Isomers und des Grundzustandes von 129Te berechnet werden. In den Aktivierungen #2 bis #6 wurden (14.27 ± 0.53)x10exp12 Iodnuklide erzeugt. Angegeben ist die maximal mögliche Anzahl von Iodteilchen bei unendlich langer Wartezeit und vollständigem Zerfall aller Tellurnuklide.
Beobachtet werden konnte die Abnahme der Grundzustandsaktivität bis zum Erreichen des Gleichgewichts aus Nachbevölkerung durch das Isomer und Zerfall. Die Grundzustandslinien der Energien von 459.60 keV, 487 keV, 1083 KeV und 1111 keV konnten zu dieser Untersuchung herangezogen werden. Diese 4 Linien erfüllen die erforderten Konsistenzkriterien bezüglich der Systematik und können daher zur Teilchenzahlbestimmung des Grundzustandes verwendet werden (Seite 31).
Der Einfluss der Eigenabsorption ist noch zu untersuchen, da die genaue Position der Probe im Polyethylenbehältnis nicht bestimmt werden konnte. Weiterhin ist die Datenanalyse der ersten Aktivierung aufgrund des Detektorwechsels noch nicht erfolgt. Der Austausch war wegen technischer Probleme notwendig. Ziel weiterführender Untersuchungen ist, eine erneute Halbwertszeitbestimmung des radioaktiven 129I vorzunehmen. Sie ist von Interesse, angesichts des Widerspruchs zweier Veröffentlichungen. Die Halbwertszeit des 129I kann Aufschluss über stellare Bedingungen des s-Prozesses geben.
The advent of improved experimental and theoretical techniques has brought a lot of attention to the electric dipole (E1) response of atomic nuclei in the last decade. The extensive studies have led to the observation and interpretation of a concentration of E1 strength energetically below the Giant Dipole Resonance in many nuclei. This phenomenon is commonly denoted as Pygmy Dipole Resonance (PDR). This contribution will summarize the most important results obtained using different experimental probes, define the challenges to gain a deeper understanding of the excitations, and discuss the newest experimental developments.
The article presents the results of numerical and experimental investigations of guided wave propagation in aluminum plates with variable thickness. The shapes of plate surfaces have been specially designed and manufactured using a CNC milling machine. The shapes of the plates were defined by sinusoidal functions varying in phase shift, which forced the changes in thickness variability alongside the propagation path. The main aim of the study is to analyze the wave propagation characteristics caused by non-uniform thickness. In the first step, the influence of thickness variability on the time course of propagating waves has been analyzed theoretically. The study proves that the wave propagation signals can be determined based on knowledge about the statistical description of the specimen geometry. The histograms of thickness distribution together with the a priori knowledge of the dispersion curves were used to develop an iterative procedure assuming that the signal from the previous step becomes the excitation in the next step. Such an approach allowed for taking into account the complex geometry of the plate and rejecting the assumption about the constant average thickness alongside the propagation path. In consequence, it was possible to predict correctly the signal time course, as well as the time of flight and number of propagating wave modes in specimens with variable thickness. It is demonstrated that theoretical signals predicted in this way coincide well with numerical and experimental results. Moreover, the novel procedure allowed for the correct prediction of the occurrence of higher-order modes.
The article investigates the results obtained from numerical simulations and experimental tests concerning the propagation of guided waves in corroded steel plates. Developing innovative methodologies for assessing corrosion-induced degradation is crucial for accurately diagnosing offshore and ship structures exposed to harsh environmental conditions. The main aim of the research is to analyze how surface irregularities affect wave propagation characteristics. An investigation was conducted for antisymmetric fundamental mode A0. Specifically, the study examines the asymmetrical wavefronts generated by nonuniform thickness in damaged specimens. Initially, numerical analysis explores the impact of thickness variation on wave field symmetry. Corroded plates with varying levels of degradation are modeled using the random fields approach, with degradation levels ranging from 0 % to 60 %. Subsequently, the research investigates how the standard deviation of thickness distribution (from 5 % to 20 % of the initial thickness) and excitation frequency (from 50 to 150 kHz) influence recorded signals and the shape of reconstructed wavefronts. Each scenario compares wavefront symmetry levels estimated using rotational and bilateral symmetry degrees as indicative parameters. The numerical simulations are complemented by experimental tests conducted on plates with three different degradation levels. The results demonstrate the efficacy of the proposed wave field analysis approach for assessing structural integrity, as evidenced by the agreement between numerical predictions and experimental observations.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung, Aufbau und Inbetriebnahme eines Funnelsystems zur Zusammenführung zweier Teilchenstrahlen, bestehend aus zwei Injektionssystemen, zwei RFQ-Beschleunigern, Hochfrequenz-Deflektoren und Diagnoseeinheiten. Die Aufgabe des Experiments ist die praktische Umsetzung eines neuartigen Verfahrens zur Strahlstromerhöhung bei im Idealfall gleichbleibender Emittanz und steigender Brillanz. Notwendig wird dies durch die benötigten hohen Strahlströme im niederenergetischen Bereich einiger zukünftiger geplanter Beschleunigeranlagen. Hier kann der Strahlstrom nicht mehr konventionell von einer einzigen Ionenquelle erzeugt werden. Nur durch die Parallelerzeugung mehrerer Teilchenstrahlen sowie mehrfachem Zusammenführen (Funneling) der Teilchenstrahlen ist es möglich, die notwendigen Strahlströme bei der geforderten kleinen Emittanz zur Verfügung zu stellen. Das Frankfurter Funneling-Experiment ist die skalierte erste HIDIF-Funneling-Stufe als Teil eines Fusionstreibers. Hier werden zwei möglichst identische Helium-Teilchenstrahlen von zwei Ionenquellen erzeugt und in zwei RFQ-Beschleunigern beschleunigt. Der Deflektor biegt die Teilchenstrahlen reißverschlussartig auf eine gemeinsame Strahlachse. Am Anfang der Arbeit stand die Optimierung des Betriebs der Beschleunigerkomponeten und die Entwicklung und der Aufbau eines Einzellendeflektors. Erste erfolgreiche Strahlexperimente zur Strahlvereinigung werden im Kapitel 7.5 vorgestellt. Die Phasenraumellipse des zusammengeführten Strahls zeigt starke bananenförmige Deformierungen, die auf eine schlechte Anpassung des RFQ an den Funnel-Deflektor zurückzuführen sind. Das Elektrodendesign des RFQ ist in zwei unabhängige Bereiche unterteilt. Die erste Zone dient der Beschleunigung der Teilchen. In der zweiten Zone soll erstmals ein sogenannter 3D-Fokus der Strahlradien der x- und y-Ebene und einer longitudinaler Fokussierung erreicht werden. Der zweite Abschnitt bestand für erste Strahltests aus zunächst unmodulierten Elektroden. Zur besseren Anpassung des RFQ an den Funneldeflektor wurde dann das letzte Elektrodenteil erneuert. Der Umbau erfolgte zunächst nur bei einem der beiden RFQ-Beschleuniger. Somit war der direkte Vergleich zwischen altem und neuen Elektrodendesign im Strahlbetrieb möglich. Mit diesem neuen Elektrodenendteil wurde eine Reduktion der Strahlradien der x- sowie y-Ebene, eine bessere longitudinalen Fokussierung sowie eine höhere Transmission erreicht (Kapitel 8). Damit ist es erstmals gelungen mit einer speziellen Auslegung der RFQ-Elektroden eine direkte Anpassung an nachfolgende Elemente zu realisieren. Untersuchungen zur Strahlzusammenführungen werden seit einigen Jahren am Institut durchgeführt. Mit der Entwicklung des 3D-matchers wurde ein weiteres der kritischen Probleme gelöst. Der Umbau des zweiten Beschleunigers findet zur Zeit statt. Nach der Inbetriebnahme werden Funneling-Experimente mit dem Einspalt- und einem neuem Vielspaltdeflektor folgen.
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.
Zyklotronresonanzen von Ionen im hochfrequenz-modulierten magnetisch fokussierten Elektronenstrahl
(2000)
Ein Prototyp einer Kombination aus Penningfalle und EBIS/T wurde im Rahmen dieser Arbeit entwickelt. Dazu wurde ein Standard NMRMagnet erfolgreich so umgebaut, daß er in Bezug auf Vakuum, Temperatur und Temperaturbeständigkeit den Erfordernissen einer EBIS/T als Ionenfalle entspricht. Diese Apparatur ermöglicht nun die Untersuchung der in der EBIS/T erzeugten Ionen mit den Methoden der 'Fallenphysik'. Die Anregung der Ionen in der Falle wurde hier erstmals durch Hochfrequenzmodulation des Elektronenstroms über die Wehneltelektrode der Elektronenkanone durchgeführt. Messungen haben gezeigt, daß man in der EBIS/T erzeugte Ionen selektiv nach ihrem Verhältnis von Masse zu Ladung mit der Modulation in Resonanz bringen kann, bis sie den Elektronenstrahl verlassen. Die Ionen besitzen auch im dichten Elektronenstrahl eine charakteristische Eigenfrequenz, die zwar von der Raumladung in der Falle abhängt, mit der jedoch trotzdem eine Resonanzanregung durchgeführt werden kann. Im Experiment bestätigte sich die Vorhersage für die Mindestdauer der Anregung in der Größenordnung von Mikrosekunden und für Relaxionszeiten der kohärenten Ionenbewegungen im Bereich von Millisekunden, was eine grundsätzliche Voraussetzung für eine resonante Separation verschiedener Ionensorten darstellt. Die auftretenden Eigenfrequenzen der unterschiedlichen Ionen lassen sich theoretisch und im Einklang mit numerischen Simulationen beschreiben. Die Anregung der Eigenfrequenzen von Ionen über den Elektronenstrahl funktioniert bis zu so hohen Ionendichten, wie sie in einer EBIS vorkommen. Ionenmanipulationen, wie man sie von den Penningfallen her kennt, lassen sich auf ein Ionenensemble mit bis zu 10 10 Ionen pro cm 3 übertragen. Die gemessenen Verschiebungen der Eigenfrequenzen gegenüber der Zyklotronfrequenz geben darüber hinaus Aufschluß über den Kompensationsgrad des Elektronenstrahls in der EBIS/T und können damit als wichtiges Diagnosehilfsmittel für die Optimierung von ElektronenstrahlIonenquellen verwendet werden. Läßt man die Resonanzanregung kontinuierlich einwirken, so tritt überraschenderweise eine Erhöhung des Anteils an hochgeladenen Ionen in der EBIS/T auf. Darüberhinaus konnte experimentell gezeigt werden, daß die hochgeladenen Ionen auf der Achse des Elektronenstrahls konzentriert werden, während niedrig geladene Ionenen dort verschwinden und bevorzugt den äußeren Strahlbereich bevölkern. Die Erklärung dafür ist, daß durch kontinuierliches Entfernen dieser niedrig geladenen Ionen aus dem Elektronenstrahl eine vollständige Kompensation der Raumladung des Elektronenstrahls verhindert wird. Dadurch lassen sich Ionen in der Ionenquelle über einen längeren Zeitraum züchten. Vorteilhafterweise drängt die Anregung über eine Modulation des Elektronenstrahls im Gegensatz zu der normalen Dipolanregung bevorzugt niedrig geladenen Ionen, mit größerer Aufenthaltswahrscheinlichkeit am Rand, aus dem Elektronenstrahl. Dies führt zu einer verstärkten CoulombKühlung der hochgeladenen Ionen und konzentriert diese in der Mitte des Strahls, wo die Anregung fast unwirksam ist. Diese Kühlkraft wirkt als Zusammenspiel der attraktiven radialen Kraft des nicht vollständig raumladungskompensierten Elektronenstrahls und der Coulombstöße der Ionen untereinander. Durch diese Methode der Kühlung der Ionen untereinander können verstärkt Ionen hoher Ladungszustände in der Ionenquelle konzentriert werden. Der Vorgang der Kühlung durch Coulombstöße konnte mit einem Modell beschrieben werden, bei dem die thermische Verteilung aller Ionen im Elektronenstrahl einer Boltzmann Verteilung folgt. Das Modell benutzt vier Kräfte: die magnetische Kraft, die elektrische Haltekraft des Elektronenstrahls, die periodische elektrische Anregungskraft und die Reibung der Ionen proportional zu ihrer Geschwindigkeit und ihres Ladungszustandes bzw. die Stöße der Ionen untereinander. Die Resonanzanregung im Raumladungspotential sowie die Aufenthaltsverteilung der Ionen im Elektronenstrahl konnten damit dargestellt werden. Für Präzisionsexperimente an hochgeladenen Ionen bietet sich die Kombination aus einer EBIS/T mit integrierter Penningfalle an. Die Experimente haben gezeigt, daß es möglich ist, Ionenspektren mit einem eingekoppelten Wechselfeld in dem Ionisationsraum der EBIS/T zu separieren und zu reinigen. Für die Zukunft wünscht man sich aber eine größere Effektivität für das vollständige Entfernen bestimmter Ionensorten. Dies kann man erreichen, indem man den Elektronenstrahl noch dichter mit der Ionisationsröhre umschließt. Durch die kontinuierliche Resonanzanregung profitiert man von einer längeren Einschlußzeit für die stufenweise Ionisierung zu höheren Ladungszuständen und/oder eröffnet ElektronenstrahlIonenquellen neue Einsatzmöglichkeiten unter schlechteren Vakuumbedingungen. Die verstärkte Kühlung und Zentrierung der Ionen auf der Achse während dieses Betriebsmodus verbessert die Emmitanz von ElektronenstrahlIonenquellen. Für die Zukunft kann man sich eine EBIS mit moduliertem Elektronenstrahl auch im Strahlweg niederenergetischer hochgeladener Ionen zum Verbessern deren Emittanz vorstellen. Die im Elektronenstrahl erzeugten und sich selbst kühlenden Ionen wirken durch Coulombstöße als Kühlmedium ohne die Gefahr der Umladung wie bei gasgefüllten hfQuadrupolen.
Gegenstand dieser Arbeit sind Eigenschaften angeregter hadronischer Materie sowie physikalische Systeme, in denen diese Materie auftritt bzw. produziert wird. Die Beschreibung der stark wechselwirkenden Materie erfolgt in einem hadronischen, chiral-symmetrischen SU(3)L x SU(3)R Modell, welches die Saturierungseigenschaften von Kernmaterie und die Eigenschaften von Atomkernen reproduziert. Die Untersuchung heißer und dichter unendlicher hadronischor Materie zeigt, dass das vom Modell vorhergesagte Phasendiagramm stark von den Kopplungen der Baryonenresonanzen abhängt. Für kalte hadronische Materie ergibt die Einbeziehung des Baryonendekupletts und die Freiheit in deren Vektorkopplungen eine sehr große Bandbreite an verschiedenen Zustandsgleichungen. Für heiße hadronische Materie mit verschwindendem baryochemischen Potential zeigt sich ebenfalls eine starke Abhängigkeit der Eigenschaften hadronischer Materie von der Ankopplung der baryonischen Resonanzen. Es werden drei verschiedene Parametrisierungen betrachtet. Das resultierende Phasenübergangsverhalten variiert von einem "Crossover" über einen schwachen, zu einem doppelten Phasenübergang erster Ordnung. Es zeigt sich jedoch, dass die beobachteten Eigenschaften von Neutronensternen die Unbestimmtheit bzgl. der Vektorkopplung dieser Freiheitsgrade und damit der Zustandsgleichung deutlich verringern. Das Raum-Zeit Verhalten relativistischer Schwerionenkollisionen bei SPS- und RHIC-Energien wird mittels einer hydrodynamischen Simulation unter Benutzung der chiralen Zustandsgleichungen untersucht. Dabei spiegelt sich das unterschiedliche Phasenübergangsverhalten deutlich im Ausfrierverhalten der hadronischen Materie wider. Die im chiralen Modell berechneten Teilchenzahlverhältnisse werden mit den aus Schwerionenkollisionen von AGS- bis RHIC-Energien erhaltenen experimentellen Daten verglichen. Dabei zeigt sich, dass die verschiedenen Parametersätze des chiralen Modells und die Rechnungen für ein nichtwechselwirkendes, ideales Hadronengas eine ähnlich gute Beschreibung der gemessenen Weite liefern. Die deduzierten Ausfrierwerte für die Temperatur sind sensitiv auf das Phasenübergangsverhalten und liegen unterhalb der jeweiligen kritischen Temperatur. Die vorhergesagten Ausfriermassen sind in allen Parametrisierungen sehr ähnlich mit Abweichungen bis zu 15% von den entsprechenden Vakuumwerten. Die Untersuchung der Eigenschaften von Vektormesonen in dichter Materie erfolgt in der Mittleren-Feld- und in der HartreeNäherung. Hierbei zeigt sich eine signifikante Reduzierung der Teilchenmassen durch Vakuumpolarisationseffekte.
Compelling evidence for the creation of a new form of matter has been claimed to be found in Pb+Pb collisions at SPS. We discuss the uniqueness of often proposed experimental signatures for quark matter formation in relativistic heavy ion collisions. It is demonstrated that so far none of the proposed signals like J/psi meson production/suppression, strangeness enhancement, dileptons, and directed flow unambigiously show that a phase of deconfined matter has been formed in SPS Pb+Pb collisions. We emphasize the need for systematic future measurements to search for simultaneous irregularities in the excitation functions of several observables in order to come close to pinning the properties of hot, dense QCD matter from data.
Compelling evidence for a new form of matter has been claimed to be formed in Pb+Pb collisions at SPS. We critically review two suggested signatures for this new state of matter: First the suppression of the J/psi , which should be strongly suppressed in the QGP by two different mechanisms, the color-screening [1] and the QCD-photoe ect [2]. Secondly the measured particle, in particular strange hadronic, ratios might signal the freeze-out from a quark-gluon phase.
A significant drop of the vector meson masses in nuclear matter is observed in a chiral SU(3) model due to the e ects of the baryon Dirac sea. This is taken into account through the summation of baryonic tadpole diagrams in the relativistic Hartree approximation. The appreciable decrease of the in-medium vector meson masses is due to the vacuum polarisation e ects from the nucleon sector and is not observed in the mean field approximation.
Introduction: Until now it is not possible to determine the equation of state (EOS) of hadronic matter from QCD. One succesfully applied alternative way to describe the hadronic world at high densities and temperatures are effective models like the RMF-models [1], where the relevant degrees of freedom are baryons and mesons instead of quarks and gluons. Since approximate chiral symmetry is an essential feature of QCD, it should be a useful concept for building and restricting e ective models. It has been shown [2,3] that effective sigma-omega models including SU(2) chiral symmetry are able to obtain a reasonable description of nuclear matter and finite nuclei. Recently [4] we have shown that an extended SU(3) × SU(3) chiral sigma-omega model is able to describe nuclear matter ground state properties, vacuum properties and finite nuclei satisfactorily. This model includes the lowest SU(3) multiplets of the baryons (octet and decuplet[5]), the spin-0 and the spin-1 mesons as the relevant degrees of freedom. Here we will discuss the predictions of this model for dense, hot, and strange hadronic matter.
A nonlinear chiral SU(3) approach including the spin 3 2 decuplet is developed to describe dense matter. The coupling constants of the baryon resonances to the scalar mesons are determined from the decuplet vacuum masses and SU(3) symmetry relations. Di erent methods of mass generation show significant differences in the properties of the spin- 3 2 particles and in the nuclear equation of state
The measured particle ratios in central heavy-ion collisions at RHIC-BNL are investigated within a chemical and thermal equilibrium chiral SU(3) theta - omega approach. The commonly adopted noninteracting gas calculations yield temperatures close to or above the critical temperature for the chiral phase transition, but without taking into account any interactions. Contrary, the chiral SU(3) model predicts temperature and density dependent e ective hadron masses and e ective chemical potentials in the medium and a transition to a chirally restored phase at high temperatures or chemical potentials. Three di erent parametrizations of the model, which show di erent types of phase transition behaviour, are investigated. We show that if a chiral phase transition occured in those collisions, freezing of the relative hadron abundances in the symmetric phase is excluded by the data. Therefore, either very rapid chemical equilibration must occur in the broken phase, or the measured hadron ratios are the outcome of the dynamical symmetry breaking. Furthermore, the extracted chemical freeze-out parameters di er considerably from those obtained in simple noninteracting gas calculations. In particular, the three models yield up to 35 MeV lower temperatures than the free gas approximation. The in-medium masses turn out di er up to 150 MeV from their vacuum values.
The measured particle ratios in central heavy-ion collisions at RHIC-BNL are investigated within a chemical and thermal equilibrium chiral SU(3) σ–ω approach. The commonly adopted noninteracting gas calculations yield temperatures close to or above the critical temperature for the chiral phase transition, but without taking into account any interactions. Contrary, the chiral SU(3) model predicts temperature and density dependent effective hadron masses and effective chemical potentials in the medium and a transition to a chirally restored phase at high temperatures or chemical potentials. Three different parametrizations of the model, which show different types of phase transition behaviour, are investigated. We show that if a chiral phase transition occured in those collisions, “freezing” of the relative hadron abundances in the symmetric phase is excluded by the data. Therefore, either very rapid chemical equilibration must occur in the broken phase, or the measured hadron ratios are the outcome of the dynamical symmetry breaking. Furthermore, the extracted chemical freeze-out parameters differ considerably from those obtained in simple noninteracting gas calculations. In particular, the three models yield up to 35 MeV lower temperatures than the free gas approximation. The in-medium masses turn out to differ up to 150 MeV from their vacuum values.
The space-time dynamics and pion-HBT radii in central heavy ion-collisions at CERN-SPS and BNL-RHIC are investigated within a hydrodynamic simulation. The dependence of the dynamics and the HBT-parameters on the EoS is studied with different parametrizations of a chiral SU(3) sigma omega model. The selfconsistent collective expansion includes the e ects of e ective hadron masses, generated by the nonstrange and strange scalar condensates. Different chiral EoS show di erent types of phase transitions and even a crossover. The influence of the order of the phase transition and of the latent heat on the space-time dynamics and pion-HBT radii is studied. A small latent heat, i.e. a weak first-order chiral phase transition, or a smooth crossover lead to distinctly di erent HBT predictions than a strong first order phase transition. A quantitative description of the data, both at SPS energies as well as at RHIC energies, appears di cult to achieve within the ideal hydrodynamic approach using the SU(3) chiral EoS. A strong first-order quasi-adiabatic chiral phase transition seems to be disfavored by the pion-HBT data from CERN-SPS and BNL-RHIC.
Abstract: The measured particle ratios in central heavy-ion collisions at RHIC-BNL are investigated within a chemical and thermal equilibrium chiral SU(3) Ã É approach. The commonly adopted non-interacting gas calculations yield temperatures close to or above the critical temperature for the chiral phase transition, but without taking into account any interactions. In contrast, the chiral SU(3) model predicts temperature and density dependent effective hadron masses and effective chemical potentials in the medium and a transition to a chirally restored phase at high temperatures or chemical potentials. Three different parametrizations of the model, which show different types of phase transition behaviour, are investigated. We show that if a chiral phase transition occured in those collisions, freezing of the relative hadron abundances in the symmetric phase is excluded by the data. Therefore, either very rapid chemical equilibration must occur in the broken phase, or the measured hadron ratios are the outcome of the dynamical symmetry breaking. Furthermore, the extracted chemical freeze-out parameters differ considerably from those obtained in simple non-interacting gas calculations. In particular, the three models yield up to 35 MeV lower temperatures than the free gas approximation. The inmedium masses turn out to differ up to 150 MeV from their vacuum values.
We study the phase diagram of a generalized chiral SU(3)-flavor model in mean-field approxi- mation. In particular, the influence of the baryon resonances, and their couplings to the scalar and vector fields, on the characteristics of the chiral phase transition as a function of temperature and baryon-chemical potential is investigated. Present and future finite-density lattice calculations might constrain the couplings of the fields to the baryons. The results are compared to recent lattice QCD calculations and it is shown that it is non-trivial to obtain, simultaneously, stable cold nuclear matter.
In April and May 2012 data on Au+Au collisions at beam energies of Ekin = 1.23A GeV were collected with the High Acceptance Di-Electron Spectrometer (HADES) at the GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung facility in Darmstadt, Germany. In this thesis, the production of deuterons in this collision system is investigated.
A total number of 2.1 × 109 Au+Au events is selected, containing the most central 0-40% of events. After particle identification, based on a mass determination via time-of-flight and momentum and on a measurement of the energy loss, the transverse mass spectra of the deuteron candidates are extracted for various rapidities and subsequently corrected for acceptance and efficiency.
The inverse slope parameter of a Boltzmann fit applied to the transverse mass spectra at midrapidity, which is referred to as the effective temperature, is extracted. For a static thermal source, this parameter corresponds to the kinetic freeze-out temperature Tkin and is therefore expected to be smaller or equal to the chemical freeze-out temperature Tchem. The extracted effective temperature of Tef f = (190 ± 10) MeV however exceeds the chemical freeze-out temperature that was obtained by a statistical model fit to different particle yields. The effective temperatures of various particle species, obtained in previous analyses, suggest a systematic rise with increasing particle mass, which is confirmed by the deuteron results.
An explanation can be the influence of a collective expansion with a radial expansion velocity βr. By fitting a Siemens-Rasmussen function to the transverse mass spectra, the global temperature of T = (100 ± 8) MeV and radial expansion velocity βr = 0.37 ± 0.01 are obtained. This temperature is still very high and only takes into account the production of deuteron nuclei.
The simultaneous fit of a blast-wave function to the transverse mass spectra of deuterons and other particles, as obtained by previous analyses, considers a velocity profile for the radial expansion velocity and takes into account the production of various particle species. The resulting global temperature Tkin = (68 ± 1) MeV and average transverse expansion velocity hβri = 0.341 ± 0.003 are within the expected range for the collision energy.
The Siemens-Rasmussen fits are also used to extrapolate the transverse mass spectra into unmeasured regions, to integrate them and obtain a rapidity-dependent count rate. This count rate exhibits a thermal shape for central events and shows increasing spectator contributions for more peripheral events.
The invariant yield spectra of the deuterons are compared to those of protons, as obtained by a previous analysis, in the context of a nucleon coalescence model. The hereby extracted nucleon coalescence factor B2 = (4.6 ± 0.1) × 10−3 agrees with the expected result for the beam energy that was studied.
Im Rahmen des FAIR Projektes wurde ein neuartiger Prototyp eines nicht strahlzerstörenden Bunch Struktur Monitors (BSM) am GSI UNILAC entwickelt. Ziel ist es, ein zuverlässiges Diagnosegerät zu entwickeln, welches die longitudinale Struktur der Ionenbunche innerhalb des LINACs untersuchen kann. Notwendig ist hierbei eine effektive Zeitauflösung deutlich unter 100 ps, bei möglichst wenigen Makropuls Mittelungen. Nach der erfolgreichen Inbetriebnahme soll der BSM Prototyp dazu dienen, die Umsetzbarkeit eines weiteren nichtinvasiven Geräts für den geplanten Proton-LINAC bei FAIR mit einer notwendigen Zeitauflösung von 10 ps zu beurteilen.
Die numerische Simulation von Materialien, welche dem Hochstrom-Ionenstrahl ausgesetzt sind, zeigten einen sehr hohen thermischen Stress. Daher wurde der Ansatz eines nicht strahlzerstörenden Diagnosegerätes verfolgt. Das Design beruht auf der Erzeugung von Sekundärelektronen durch Strahl-Restgas Kollisionen im Strahlrohr. Durch das Anlegen eines homogenen Hochspannungspotentials von bis zu -31 kV, wird ein Elektronenstrahl erzeugt, welcher die zeitliche Struktur des Ionenbunches trägt. Die zeitliche Information des Elektronenstrahles wird beim Durchfliegen eines HF-Ablenkers, welcher resonant an die 36 MHz des Beschleunigers gekoppelt ist, in eine räumliche Intensitätsverteilung umgewandelt. Anschließend wird die Elektronenverteilung auf einem bildgebenden MCP-Phosphor-Detektor durch eine CCD-Kamera detektiert und in die Bunch Struktur überführt.
Intensive Untersuchungen der BSM Eigenschaften ergaben eine höchste Auflösung von 37 ±6.3 ps bei gleichzeitig akzeptabler Intensität auf dem MCP-Detektor. Unter anderem wurden auch stabile Einzelschussmessungen durchgeführt, welche für die Profilmessung nur einen einzelnen Makropuls benötigten, statt über typischerweise 8-32 Pulse zu mitteln.
Durch die systematische Manipulation der Bunchlänge durch einen Rebuncher sind nicht gaußförmige Profile von 280 ps bis 650 ps detektiert worden, welche als Studie für eine Emittanzbestimmung genutzt worden sind. In Abhängigkeit des Analyseverfahrens sind Werte von εGauss = 1.42 ±0.14 keV/u ns bis εSD = 3.03 ±0.33 keV/u ns für die Emittanz bestimmt worden.
Des Weiteren ist ein Finite-Elemente Modell erstellt worden, um die Zeitstruktur der Sekundärelektronen innerhalb des elektronenoptischen Systems zu bestimmen. Für das Setup mit der höchsten Auflösung von 37 ps ergab sich eine zusätzliche Zeitverbreiterung von 5.6 ps, welche nur geringfügig die experimentell bestimmte Auflösung verschlechtert.
Der nicht strahlzerstörende BSM liefert eine ausreichend hohe zeitliche Auflösung für detailreiche Untersuchung der longitudinalen Bunchstruktur, ohne negative Einflüsse auf den Ionenstrahl auszuüben. Fortgeschrittene Messungen, wie longitudinale Emittanzbestimmung und Makropulsanalysen, sind möglich und werden dazu beitragen, die LINAC Strukturen besser zu verstehen und weiter zu optimieren.
Obwohl bei der Umsetzung des Arbeitsprinzips für den geplanten Proton-LINAC die veränderten Strahlparameter berücksichtigt werden müssen, zeigen die Ergebnisse, wie die Zeitstrukturuntersuchung und die erreichte Phasenauflösung von 0.5° bei 36 MHz, dass zeitliche Auflösungen bei Aufrechterhaltung der Phasenauflösung von bis zu 10 ps für einen neuen BSM Prototypen möglich sind.
This Dissertation deals with the development of FAIR-relevant X-ray diagnostics based on the interaction of lasers and particle beams with matter. The associated experimental methods are supposed to be employed in the HIHEX-experiments in the HHT-cave of the GSI Helmholtz Center for Heavy-Ion Research GmbH (GSI) in Phase-0 and in the APPA-cave at the Facility for Antiproton and Ion Research in Darmstadt, Germany.
Diagnostic of high aerial density targets that will be used in FAIR experiments demands intense and highly penetrating X-ray sources. Laser generated well-directe relativistic electron beams that interact with high Z materials is an excellent tool for generation of short-pulse high luminous sources of MeV-gammas.
In pilot experiments carried out at the PHELIX laser system, GSI Darmstadt, relativistic electrons were produced in a long scale plasma of near critical electron density (NCD) by the mechanism of the direct laser acceleration (DLA). Low density polymer foam layers preionised by a well-defined nanosecond laser pulse were used as NCD targets. The analysis of the measured electron spectra showed up to 10- fold increase of the electron "temperature" from T_Hot = 1–2 MeV, measured for the case of the interaction of 1–2 ×10^19 Wcm^(−2) ps-laser pulse with a planar foil, up to 14 MeV for the case when the relativistic laser pulse propagates through the by a ns-pulse preionised foam layer. In this case, up to 80–90 MeV electron energy was registered. An increase of the electron energy was accompanied by a strong increase of the number of relativistic electrons and well-defined directionality of the relativistic electron beam measured to be (12 ±1)° (FWHM). This directionality increases the gamma flux on target by far compared to the soft X-ray sources.
Additionally to laser based active diagnostics, passive techniques involving inherent X-ray fluorescence radiation of projectile and target emitted during heavy-ion target interaction can be used to measure the ion beam distribution on shot. This information is of great importance, since the target size is chosen to be smaller than the beam focus in order to ensure homogeneous heating of the HIHEX-target by the ion beam. High amounts of parasitic radiation and activation of experimental equipment is expected for experiments at the APPA-cave. For this reason, all electronic devices must be placed at a safe distance to the target chamber. In order to transport the signal over a large distance, the X-ray image of the target irradiated by heavy-ions has to be converted into an optical one.
For these purposes, the X-ray Conversion to Optical radiation and Transport (XCOT)-system was developed in the frame of a BMBF-project and commissioned in two beamtimes at the UNILAC, GSI during this work.
In experiments, we observed intense radiation of target atoms (K-shell transitions in Cu at 8–8.3 keV and L-shell transition in Ta) ionised in collisions with heavy ions as well as Doppler-shifted L-shell transitions of Au-projectiles passing through targets. This radiation can be used for monochromatic (dispersive elements like bent crystals) or polychromatic (pinhole) 2D X-ray mapping of the ion beam intensity distribution in the interaction region during the beam-target interaction. We measured the efficiency of the X-ray photon production depending on the target thickness and the number of ions passing through the target. The spatial resolution of the XCOT-system based on the multi-pinhole camera was measured to be (91±17) μm for the image magnification factor M = 2. It was considerably improved by application of a toroidally bent quartz crystal and reached 30 μm at M = 6. This resolution is optimal to image the distribution of a 1mm in diameter ion beam. As next step, the XCOT-system will be tested during the SIS18 beam-time at the HHT-experimental area.
The PANDA experiment will be one of the flagship experiments at the future Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) in Darmstadt, Germany. It is a versatile detector dedicated to topics in hadron physics such as charmonium spectroscopy and nucleon structure. A DIRC counter will deliver hadronic particle identification in the barrel part of the PANDA target spectrometer and will cleanly separate kaons with momenta up to 3.5 GeV/c from a large pion background. An alternative DIRC design option, using wide Cherenkov radiator plates instead of narrow bars, would significantly reduce the cost of the system. Compact fused silica photon prisms have many advantages over the traditional stand-off boxes filled with liquid. This work describes the study of these design options, which are important advancements of the DIRC technology in terms of cost and performance. Several new reconstruction methods were developed and will be presented. Prototypes of the DIRC components have been built and tested in particle beam, and the new concepts and approaches were applied. An evaluation of the performance of the designs, feasibility studies with simulations, and a comparison of simulation and prototype tests will be presented.
Topological semimetal antiferromagnets provide a rich source of exotic topological states which can be controlled by manipulating the orientation of the Néel vector, or by modulating the lattice parameters through strain. We investigate via ab initio density functional theory calculations, the effects of shear strain on the bulk and surface states n two antiferromagnetic EuCd2As2 phases with out-of-plane and in-plane spin configurations. When magnetic moments are along the c-axis, a 3% longitudinal or diagonal shear strain can tune the Dirac semimetal phase to an axion insulator phase, characterized by the parity-based invariant η4I=2. For an in-plane magnetic order, the axion insulator phase remains robust under all shear strains. We further find that for both magnetic orders, the bulk gap increases and a surface gap opens on the (001) surface up to 16 meV. Because of a nonzero η4I index and gapped states on the (001) surface, hinge modes are expected to happen on the side surface states between those gapped surface states. This result can provide a valuable insight in the realization of the long-sought axion states.
The measurement of dielectrons (electron-positron pairs) allows to investigate the properties of strongly interacting matter, in particular the Quark-Gluon Plasma (QGP), which is created in relativistic heavy-ion collisions at the LHC. The evolution of the collision can be probed via dielectrons since electrons do not interact strongly and are created during all stages of the collision. One of the interests in dielectron measurements is motivated by possible modifications of the electromagnetic emission spectrum in the QGP, where pp collisions are used as a medium-free reference. The dielectron spectrum consists of contributions from various processes. In order to estimate contributions of known dielectron sources, simulations of the so-called dielectron cocktail are performed. In this thesis, dielectron cocktails in minimum bias pp collisions at p s = 7 TeV, p–Pb collisions at p sNN = 5.02 TeV and in central (0-10%) and semi-central (20-50%) Pb–Pb collisions at p sNN = 2.76 TeV at the LHC are presented.
ω(782) und ϕ(1020) Mesonenproduktion durch Dielektronen in pp-Kollisionen bei √s = 7 TeV mit ALICE
(2013)
Die Niedrigmassendielektronen (Elektron-Positron Paare mit kleiner invarianten Masse) sind wichtige experimentelle Sonden, um die Eigenschaften des in ultra-relativistischen Schwerionenkollisionen erzeugten heißen und dichten Mediums zu untersuchen. Elektronen koppeln nicht an die starke Wechselwirkung, weshalb sie wichtige Informationen über die gesamten Kollisionsphasen geben. Die Zerfälle von ω(782) und ϕ(1020)-Mesonen in Dielektronen ermöglichen es, besonders wichtige Informationen über ihre In-Medium-Eigenschaften zu erhalten, da Proton-Proton (pp)-Kollisionen als mediumfreie Referenz angenommen werden. Außerdem sind pp-Kollisionen auch für sich genommen interessant, um die Teilchenproduktion im Energiebereich des LHC (Large Hadron Collider) zu untersuchen.
In dieser Analyse werden die Elektronen im mittleren Rapiditätsbereich von |η| < 0.8 mit ITS (Inner Tracking System), TPC (Time Projection Chamber) und TOF (Time of Flight) gemessen.
Die transversalen Impulsspektren der ω(782) und ϕ(1020)-Mesonen im e+e--Zerfallskanal in pp-Kollisionen bei p √s = 7 TeV werden gezeigt. Das transversale Impulsspektrum des ω(782)-Mesons im e+e--Zerfallskanal wird mit den pT-Spektren in den µ+µ--und in den π0π+π--Zerfallskanälen verglichen, während das pT-Spektrum vom ϕ(1020)-Meson im e+e--Zerfallskanal mit den pT-Spektren in µ+µ-- und K+K--Zerfallskanälen verglichen wird.
An experiment addressing electron capture (EC) decay of hydrogen-like 142Pm60+ions has been conducted at the experimental storage ring (ESR) at GSI. The decay appears to be purely exponential and no modulations were observed. Decay times for about 9000 individual EC decays have been measured by applying the single-ion decay spectroscopy method. Both visually and automatically analysed data can be described by a single exponential decay with decay constants of 0.0126(7)s−1 for automatic analysis and 0.0141(7)s−1 for manual analysis. If a modulation superimposed on the exponential decay curve is assumed, the best fit gives a modulation amplitude of merely 0.019(15), which is compatible with zero and by 4.9 standard deviations smaller than in the original observation which had an amplitude of 0.23(4).
This work presents, to our knowledge, the first completely passive imaging with human-body-emitted radiation in the lower THz frequency range using a broadband uncooled detector. The sensor consists of a Si CMOS field-effect transistor with an integrated log-spiral THz antenna. This THz sensor was measured to exhibit a rather flat responsivity over the 0.1–1.5-THz frequency range, with values of the optical responsivity and noise-equivalent power of around 40 mA/W and 42 pW/√Hz, respectively. These values are in good agreement with simulations which suggest an even broader flat responsivity range exceeding 2.0 THz. The successful imaging demonstratestheimpressivethermalsensitivitywhichcanbeachievedwithsuchasensor. Recording of a 2.3×7.5-cm2-sized image of the fingers of a hand with a pixel size of 1 mm2 at a scanning speed of 1 mm/s leads to a signal-to-noise ratio of 2 and a noise-equivalent temperature difference of 4.4 K. This approach shows a new sensing approach with field-effect transistors as THz detectors which are usually used for active THz detection.
Terahertz (THz) technology is an emerging field that considers the radiation between microwave and far-infrared regions where the electronic and photonic technologies merge. THz generation and THz sensing technologies should fill the gap between photonics and electronics which is defined as a region where THz generation power and THz sensing capabilities are at a low technology readiness level (TRL). As one of the options for THz detection technology, field-effect transistors with integrated antennae were suggested to be used as THz detectors in the 1990s by M. Dyakonov and M. Shur from where the development of field-effect transistor-based detector began. In this work, various FET technologies are presented, such as CMOS, AlGaN/GaN, and graphene-based material systems and their further sensitivity enhancement in order to reach the performance of well-developed Schottky diode-based THz sensing technology. Here presented FET-based detectors were explored in a wide frequency range from 0.1 THz up to 5 THz in narrowband and broadband configurations.
For proper implementation of THz detectors, the well-defined characterization is of high importance. Therefore, this work overviews the characterization methods, establishes various definitions of detector parameters, and summarizes the state-of-the-art THz detectors. The electrical, optical, and cryogenic characterization techniques are also presented here, as well as the best results obtained by the development of the characterization methods, namely graphene FET stabilization, low-power THz source characterization for detector calibration, and technology development for cryogenic detection.
Following the discussion about the detector characterization, a wide range of THz applications, which were tested during the last four years of Ph.D. and conducted under the ITN CELTA project from HORIZON2020 program, are presented in this work. The studies began with spectroscopy applications and imaging and later developed towards hyperspectral imaging and even passive imaging of human body THz radiation. As various options for THz applications, single-pixel detectors as well as multi-pixel arrays are also covered in this work.
The conducted research shows that FET-based detectors can be used for spectroscopy applications or be easily adapted for the relevant frequency range. State-of-the-art detectors considered in this work reach the resonant performance below 20 pW/√Hz at 0.3 THz and 0.5 THz, as well as 404 pW/√Hz cross-sectional NEP at 4.75 THz. The broadband detectors show NEP as low as 25 pW/√Hz at around 0.6 THz for the best AlGaN/GaN design and 25 pW/√Hz around 1 THz for the best CMOS design. As one of the most promising applications, metamaterial characterization was tested using the most sensitive devices. Furthermore, one of the single-pixel devices and a multi-pixel array were tested as an engineering solution for a radio astronomy system called GREAT in a stratosphere observatory named SOFIA. The exploration of the autocorrelation technique using FET-based devices shows the opportunity to employ such detectors for direct detection of THz pulses without an interferometric measurement setup.
This work also considers imaging applications, which include near-field and far-field visualization solutions. A considerable milestone for the theory of FET technology was achieved when scanning near-field microscopy led to the visualization of plasma (or carrier density) waves in a graphene FET channel. Whereas another important milestone for the THz technology was achieved when a 3D scan of a mobile phone was performed under the far-field imaging mode. Even though the imaging was done through the phone’s plastic cover, the image displayed high accuracy and good feature recognition of the smartphone, inching the FET-based detector technology ever so close to practical security applications. In parallel, the multi-pixel array testing was carried out on 6x7 pixel arrays that have been implemented in configurable-size aperture and imaging configurations. The configurable aperture size allowed the easier detector focusing procedure and a better fit for the beam size of the incident radiation. The imaging has been tested on various THz sources and compared to the TeraSense 16x16 pixel array. The experimental results show the big advantage of the developed multi-pixel array against the used commercial technology.
Furthermore, two ultra-low-power applications have been successfully tested. The application on hyper-frequency THz imaging tested in the specially developed dual frequency comb and our detector system for 300 GHz radiation with 9 spectral lines led to outstanding imaging results on various materials. The passive imaging of human body radiation was conducted using the most sensitive broadband CMOS detector with a log-spiral antenna working in the 0.1 – 1.5 THz range and reaching the optical NEP of 42 pW/√Hz. The NETD of this device reaches 2.1 K and overcomes the performance limit of passive room-temperature imaging of the human body radiation, which was less than 10 K above the room temperature. This experiment opened a completely new field that was explored before only by the multiplier chain-based or thermal detectors.
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For cold (neutronless) fission we consider an analytical model of quantum tunneling with dissipation through a barrier U(q) evaluated with a M3Y nucleon-nucleon force. We calculate the tunneling spectrum, i.e., the fission rate as a function of the total kinetic energy of the fragments. The theoretical results are compared with the experimental data obtained for the fine structure of two cold fission modes of 252Cf: 148Ba+104Mo and 146Ba+106Mo. Taking into account the dissipative coupling of the potential function U(q) and of the momentum p with all the other neglected coordinates, we obtain a remarkable agreement with the experimental data. We conclude that the cold fission process is a spontaneous decay with a spectrum determined by the shape of the barrier and an amplitude depending on the strength of the dissipative coupling.
We discuss gapless colour superconductivity for neutral quark matter in β equilibrium at zero as well as at nonzero temperature. Basic properties of gapless superconductors are reviewed. The current progress and the remaining problems in the understanding of the phase diagram of strange quark matter are discussed.
We discuss the potential of light-nuclei measurements in heavy-ion collisions at intermediate energies for the search of the hypothetical QCD critical end-point. A previous proposal based on neutron density fluctuations has brought appealing experimental evidences of a maximum in the ratio of the number of tritons times protons, divided over deuterons square, O tpd. However these results are difficult to reconcile with the state-of-the-art statistical thermal model predictions. Based on the idea that the QCD critical point can lead to a substantial attraction among nucleons, we propose new light-nuclei multiplicity ratios involving He in which the maximum would be more noticeable. We argue that the experimental extraction is feasible by presenting these ratios formed from actual measurements of total and differential yields at low and high collision energies from FOPI and ALICE experiments, respectively. We also illustrate the possible behavior of these ratios at intermediate energies applying a semiclassical method based on flucton paths using the preliminary NA49 and STAR data for O tpd as input.
The neutron capture cross section of 58Ni was measured at the neutron time of flight facility n_TOF at CERN, from 27 meV to 400 keV neutron energy. Special care has been taken to identify all the possible sources of background, with the so-called neutron background obtained for the first time using high-precision GEANT4 simulations. The energy range up to 122 keV was treated as the resolved resonance region, where 51 resonances were identified and analyzed by a multilevel R-matrix code SAMMY. Above 122 keV the code SESH was used in analyzing the unresolved resonance region of the capture yield. Maxwellian averaged cross sections were calculated in the temperature range of kT = 5 – 100 keV, and their astrophysical implications were investigated.
The neutron sensitivity of the C6D6 detector setup used at n_TOF facility for capture measurements has been studied by means of detailed GEANT4 simulations. A realistic software replica of the entire n_TOF experimental hall, including the neutron beam line, sample, detector supports and the walls of the experimental area has been implemented in the simulations. The simulations have been analyzed in the same manner as experimental data, in particular by applying the Pulse Height Weighting Technique. The simulations have been validated against a measurement of the neutron background performed with a natC sample, showing an excellent agreement above 1 keV. At lower energies, an additional component in the measured natC yield has been discovered, which prevents the use of natC data for neutron background estimates at neutron energies below a few hundred eV. The origin and time structure of the neutron background have been derived from the simulations. Examples of the neutron background for two different samples are demonstrating the important role of accurate simulations of the neutron background in capture cross-section measurements.