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With the technological advancements over the past years, structure determination and prediction for membrane proteins have become easier. While those approaches give snapshots of one or more conformational states of the protein, complementary techniques are necessary to elucidate the conformational space and transition between states during function. Electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy is a powerful tool for addressing these aspects. In this thesis, site-directed spin labeling and pulsed electron-electron double resonance (PELDOR) spectroscopy combined with various biochemical tools were used to explore the conformational heterogeneity of the β-barrel assembly machinery (BAM) complex under in vitro and in situ conditions. The BAM complex present in the outer membrane (OM) of gram-negative bacteria is responsible for the folding and insertion of the outer membrane proteins (OMPs). As the majority of OMPs depend on the BAM complex for their biogenesis, it is one of the most essential components for the cell and hence a potential target for new antibiotics. BAM is a heterooligomeric complex composed of BamA, BamB, BamC, BamD, and BamE subunits. BamA is the central transmembrane protein directly involved in the folding and insertion process. The periplasmic regions of BamA are scaffolded by BamB-E lipoproteins. Available structures of the BAM complex reveal a highly dynamic behaviour. BAM complex is also highly intertwined with the complex membrane environment and is hypothesized to be dependent on the asymmetric bilayer for its function. The functional relevance of the accessory lipoproteins or how BAM recruits and folds diverse OMPs remains elusive.
The thesis examines the membrane bilayer dependence of the BAM complex and the role of the lipoproteins in the conformational cycling of BamA. By comparing the conformational states of the central component BamA in detergent micelles and isolated native outer membranes, it is demonstrated that the native bilayer helps BamA attain multiple conformational states. In the native outer membrane environment, BamA exhibits greater flexibility than observed in the detergent micelles. Further, the conformational dynamics of BamA were explored in different subcomplexes in detergent micelles. The binding of BamCDE subcomplex creates specific changes in BamA at the lateral gate, periplasmic regions, and extracellular loops leading to a lateral-open state. BamB alone does not induce any changes in BamA, revealing that it might play an accessory role in the function of the complex. The results demonstrate that BamCDE plays a key regulatory role in the lateral gating mechanism of BamA. Additionally, the spin labeling and PELDOR spectroscopy were optimized for the extracellular loops of the full complex in intact E. coli cells. The data validates the conformational states of the complex observed in the detergent micelles. However, the distance distributions show increased dynamics, especially at the lateral gate region in the cellular environments. The increased heterogeneity might be due to the presence of the asymmetric membrane, lipopolysaccharides, or substrate interactions. Overall, the thesis answers key questions on the conformational dynamics of BamA and delineates the role of lipoproteins in the folding mechanism. It also provides new opportunities to study the functional mechanism of BAM under physiologically relevant conditions by performing experiments in native outer membranes and intact E. coli cells.
Within the FAIR Phase-0 programm at GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung the Coulomb dissociation of 16O into 12C and 4He was measured. A 16O primary beam with an energy of 500 AMeV was impinging on lead, carbon, and tin targets at the R3B Cave C, and the fragments were detected. The beam intensity was set to several 10^9 ions per second, which made radical changes to the standard R3B setup necessary. All detectors were produced with holes or variable gaps, in order to let unreacted beam particles pass. New detectors were built to cope with the expected high number of particles that need to be detected. All detectors are based on the detection of scintillating light.
In the Coulomb field of the target atoms the 16O ions can experience an excitation, which may lead to a breakup reaction into lighter fragments. A calorimeter around the target helps with the identification of unwanted contributions to the cross-section from excited states. The fragments pass the first set of fiber detectors and are deflected in a dipole field. The reconstruction of the particle tracks is performed with Runge-Kutta algorithms. Ultimately, this enables the determination of the excitation energy in the center-of-mass of the excited 16O nucleus. The resulting spectrum describes the cross-section of the reaction.
By comparing the experimental data with simulated events new insights into the fusion reaction, as it takes place during the helium-burning phase in stars, is possible. The analysis of the experiment is still ongoing. However, the first results show, that this experiment can provide data in an energy range never measured before. This will help to understand the cross-section and the astrophysical S-factor of this reaction.
This thesis is situated in the field of frustrated magnetism, a subfield of condensed matter physics that describes the magnetic degrees of freedom in solids. Extended Kitaev models describe a particular class of materials where spin-orbit coupling, combined with effects from crystal field theory and strong electronic correlations, leads to effective magnetic interactions that are highly anisotropic. Such interactions can give rise to exotic physics, such as the emergence of a quantum spin liquid. In this thesis, extended Kitaev models are studied theoretically, primarily using numerical methods.
A heavily investigated Kitaev candidate material is α-RuCl3, where a key question has been centered on the possible existence of a magnetic-field-induced quantum spin liquid. While numerous experimental studies have uncovered various unconventional phenomena in this material and suggested different interpretations of the underlying physics, this thesis provides a comprehensive comparison and explanation of these phenomena within one consistent theoretical framework. Aside from purely magnetic properties, an additional focus lies on magnetoelastic effects, in which the coupling of the crystal lattice to the anisotropic spin system has to be considered.
Beyond α-RuCl3, a number of more recently introduced Kitaev candidate materials are investigated theoretically. This includes the materials RuBr3 and RuI3, whose layered honeycomb crystal structures resemble α-RuCl3 but heavier ligands lead to different spin-orbit coupling effects, as well as NaRuO2, which realizes a triangular-lattice structure.
In this dissertation, we look at environmental effects in extreme and intermediate mass ratio inspirals into massive black holes. In these systems, stellar mass compact objects orbit massive black holes and lose orbital energy due to gravitational wave emission and other dissipative forces. We explore environmental interactions with dark matter spikes, stellar distributions, accretion disks, and combine and compare them. We discuss the existence and properties of dark matter spikes in the presence of these environmental effects. The signatures of the environmental effects, such as the phase space flow, dephasing, deshifting of the periapse, and alignment with accretion disks, are examined. These signatures are quantified in isolated spike systems, in dry, and in wet inspirals. We generally find dark matter effects to be subdominant to the other environmental effects, but their impact on the waveform is still observable and identifiable. Lastly, the rates of inspirals and the impact of spikes are estimated. All of these results are obtained with the help of a code imripy that is published alongside. If dark matter spikes exist, they should be observable with space-based gravitational wave observatories.
In dieser Dissertation werden die Erfahrungen mit verschiedenen Präparationsmethoden für CH-Kavitäten beschrieben, um die Leistung der Kavitäten nach der Herstellung weiter zu steigern. Die Leistung wird anhand von zwei wichtigen HF-Parametern bewertet:
dem elektrischen Feld Ea und der intrinsischen Güte Q0. Im Gegensatz zu normalleitenden (NC) Kavitäten kann die intrinsische Güte von supraleitenden (SC) Kavitäten mit zunehmendem elektrischem Feld erheblich variieren. Das optimale Ergebnis für die Kavitätenpräparation ist die Erhöhung des maximalen elektrischen Feldes unter Beibehaltung eines höheren Q0 über die gesamte Feldspanne. Da Q0 umgekehrt proportional zu den Kavitätsverlusten ist, reduziert eine Erhöhung des Qualitätsfaktors die Kryoverluste für den Betrieb bei gegebenem Feldniveau. Die Entwicklung der Kavitätenperformanz im Verlauf dieser Arbeit dargestellt.
Die meisten SC-Kavitäten sind elliptische Strukturen, welche bei hoher Geschwindigkeit und Tastrate angewendet werden. Die Präparationsmethoden wurden daher überwiegend auf diese Strukturen angewandt und optimiert. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Umsetzung der zuverlässigsten und vielversprechendsten Oberflächenbehandlungen mittels des ersten vom IAP entwickelten SC 360MHz CH-Prototyps. Diese Kavität wies nach 11 Jahren Lagerung eine verminderte Leistung auf, welche mit Röntgenstrahlung bei bereits niedrigen elektrischen Feldern einherging. Dies deutet auf eine unbeabsichtigte Belüftung mit normaler Luft hin, durch die Partikel eingeführt wurden, die als verstärkende Quellen von Elektronen fungierten. Außerdem musste der Leistungskoppler aufgrund einer starken Überkopplung neu ausgelegt werden.
Die Kavität wurde für 48 Stunden bei 120◦ C mittels Heizbändern in der Experimentierhalle des IAP’s ausgeheizt, was zu einer Verbesserung des Qualitätsfaktors bei niedrigen Werten und zu einer Verkürzung der für die Konditionierung von Multipacting-Barrieren erforderlichen Zeit führte. Allerdings wurde durch diese Behandlung das maximale erreichbare elektrische Feld weiter verringert. Die Verbesserung der Güte ist auf das Ausgasen der Kohlenwasserstoffe während des Backvorgangs zurückzuführen. Die negative Auswirkung auf das maximale elektrische Feld ist weniger auf das Backen selbst zurückzuführen als auf den Transport der Kavität und die verwendeten Vakuumkomponenten, die in der Versuchshalle gelagert sind.
Die beobachtete Leistungseinschränkung lässt sich hauptsächlich durch Partikel im Inneren des Resonators erklären, da Feldemission bei niedrigen Feldstärken auftrat. Eine Hochdruckspülung mit ultrareinem Wasser (HPR) ist das Standardverfahren, um nach Behandlungen, bei denen das Risiko einer Oberflächenkontamination besteht, eine hohe Reinheit der inneren Oberflächen zu erreichen. Die HPR wurde in Zusammenarbeit mit dem Helmholtz-Institut-Mainz und der Gesellschaft für Schwerionenforschung geplant und durchgeführt. Der Resonator zeigte bereits während der Messung der Q-E-Kurve eine Zunahme der transmittierten Leistung bei konstanter Vorwärtsleistung, was vor der HPR nicht der Fall war. Bei der CW-HF-Konditionierung zeigte die Kavität den höchsten Gradienten bei einem deutlich schwächeren Q-Abfall bei hohen Feldstärken.
Sowohl bei der Messung von 2008 als auch bei der beschriebenen Messung wurde die Kavität mit einer HPR-Behandlung fertiggestellt, aber für die HPR-Behandlung bei HIM in Mainz wurden einige Anpassungen vorbereitet. Der CH Prototyp verfügt über keine zusätzlichen Spülports und wurde daher mit zwei verschiedenen Düsen mit unterschiedlichen Sprühwinkeln gespült, um die erreichbaren inneren Resonatorflächen zu maximieren. Die Verwendung mehrerer Sprühwinkel könnte auch für CH-Kavitäten mit Spülöffnungen von Vorteil sein und sollte für zukünftige HPR-Anwendungen in Betracht gezogen werden.
Die Heliumbehandlung wurde am CH-Prototyp 2,5 Stunden lang durchgeführt und lieferte vielversprechende Ergebnisse in Bezug auf die Güte und die Gradientenoptimierung.
Während dieses Prozesses wurde die emittierte Röntgenstrahlung in Richtung am Arbeitsplatzs gemessen und zeigte starke zeitabhängige Fluktuationen. Dies deutete auf die Beseitigung von Partikeln hin und wurde anschließend durch einen Anstieg des elektrischen Feldes von 8,4 auf 8,7 MV/m bestätigt. Eine unerwartete Auswirkung wurde bei der Q-Steigung im mittleren bis hohen Feld festgestellt, bei der der Qualitätsfaktor im Vergleich zum HF-konditionierten Fall eine Erhöhung von 5% oberhalb von 2MV/m aufwies. Dieser systematische Anstieg wurde für diesen Beschleuniger vor der Behandlung bisher nicht beobachtet. Stickstoffgedopte Kavitäten zeigen ein ähnliches Verhalten, bei dem Wechselwirkungen innerhalb der Oxidschicht mit Änderungen der Qualitätsfaktoren korreliert sind. Da Helium ein nicht reaktives Element ist, sind mögliche Erklärungen für diesen Effekt der Sputterprozess und die Einlagerung von Helium innerhalb der Oberfläche. Eine Serie von Heliumbehandlungen ist geplant, um ein optimiertes und sicheres Rezept für CH-Kavitäten zu finden. Die Q-E-Messung nach der Abkühlung und vor der Behandlung wird auch zeigen, ob der Leistungsgewinn durch ein Aufwärmen auf Raumtemperatur beeinträchtigt wird.
Die in dieser Arbeit skizzierte Behandlungssequenz wird für CH-Kavitäten dringend empfohlen. Das Ausheizen hat sich bei der Verringerung des Multipactings and der Güteabnahme bei hohen Feldern als wirksam erwiesen und bleibt von der anschließenden HPR unbeeinflusst. In dieser Arbeit wurden keine negativen Auswirkungen der HPR auf das Multipactingverhalten festgestellt. Anschließend wird eine CW-HF-Konditionierung durchgeführt, bis keine weitere Leistungszunahme der Kavität mehr zu verzeichnen ist.
Wenn die Kavität immer noch durch Feldemission begrenzt ist, sollte eine Wiederholung der HPR-Behandlung in Betracht gezogen werden, da bei sorgfältiger Durchführung der HPR keine der bisherig gefertigten CH-Kavitäten hierdurch begrenzt war. Es ist auch anzumerken, dass die Heliumbehandlung nur an der 360MHz CH-Kavität durchgeführt wurde, als diese eine geringe Strahlung durch Feldemission aufwies. Das Risiko des Heliumprocessing an CH-Kavitäten unter starker Feldemission ist unbekannt. Es ist zu erwarten, dass die Elektronenströme und damit die Ionenbeschusslawinen zunehmen und ein größeres Risiko für die Beschädigung von der Komponenten darstellen. Nach dem derzeitigen Kenntnisstand sollte die Heliumbehandlung nur für gut vorbereitete Kavitäten mit minimaler Feldemission in Betracht gezogen werden.
Die Arbeit behandelt die Messung von Photonen mit Teilchendetektoren, die auf digitalen Silizium-Pixelsensoren basieren. Diskutiert werden zwei wesentliche Schritte in den Upgrade-Programmen des ALICE-Experiments am CERN-LHC:
1. FOCAL-Detektor-Upgrade (2027): Untersuchung der Detektorantwort des elektromagnetischen Pixel-Kalorimeters EPICAL-2 und der Form elektromagnetischer Schauer durch Teststrahl-Messungen und Monte Carlo Simulationen.
2. ALICE 3-Upgrade (2035): Simulationsstudien zum Untergrund in der Messung von Photonen mit sehr kleinem Transversalimpuls.
Teil 1: Performance des elektromagnetischen Pixel-Kalorimeters EPICAL-2
Detektordesign und Testmessungen: EPICAL-2, ein SiW-Sandwich-Design-Kalorimeter mit ALPIDE Sensoren, besitzt eine Tiefe von ca. 20 Strahlungslängen und etwa 25 Millionen Pixel. Testmessungen wurden an der Universität Utrecht (kosmische Myonen) sowie am DESY und CERN-SPS (Elektronen) durchgeführt.
Simulation und Validierung: Das EPICAL-2 wird im Simulationspaket Allpix2 implementiert, um die Testmessungen zu validieren und das Detektorverhalten zu untersuchen. Systematische Variationen bestätigen die Stabilität und Reproduzierbarkeit der Simulation.
Datenaufbereitung und Schauerprofile: Im Rahmen der Datenanalyse werden fehlerhafte Pixel ausgeschlossen, Pixel-Treffer zu Clustern gruppiert, Chips kalibriert und der Strahlwinkel korrigiert. Das longitudinale Profil elektromagnetischer Schauer zeigt, dass das Schauermaximum in der Simulation etwas tiefer liegt als in den Testdaten, was auf zusätzliches Material oder eine unvollständige Beschreibung der Schauerentwicklung in der Simulation zurückzuführen sein könnte. Das laterale Profil zeigt, dass eine Schauertrennung im Millimeter-Bereich möglich ist.
Energieantwort und -auflösung: Die nicht-lineare Energieantwort wird sowohl in Testdaten als auch in Simulationen beobachtet. Die Energieauflösung des EPICAL-2 für Cluster ist besser als für Pixeltreffer und vergleichbar mit dem analogen CALICE-Prototypen. Simulationen ohne Strahlenergie-Fluktuationen zeigen eine bessere Energieauflösung als in den Testdaten.
Teil 2: Untergrund in der Messung von Photonen in ALICE 3
Simulationssetup: Die ALICE 3-Detektorgeometrie wird in GEANT4 implementiert, um den Untergrund in der Messung weicher Photonen zu untersuchen. Simulationen mit PYTHIA und GEANT4 zeigen, dass der Untergrund hauptsächlich aus Zerfallsphotonen und Photonen aus externer Bremsstrahlung besteht.
Ergebnisse der Untergrundstudien: Der Untergrund durch Photonen aus externer Bremsstrahlung dominiert und liegt im Akzeptanzbereich des FCT um einen Faktor von 5 bis 10 über dem theoretischen Signal weicher Photonen. In der Simulation wird das Material zu 8%—14% X0 in ALICE 3 bestimmt, wobei bereits bei 5% X0 der Untergrund genauso stark ist wie das erwartete Signal.
Möglichkeiten zur Untergrundreduzierung: Untersuchungen zeigen, dass ein Elektron-Veto das Signal-zu-Untergrund-Verhältnis um den Faktor 30 verbessern und eine Materialreduktion durch ein optimiertes Strahlrohr um den Faktor 7.
Die Ergebnisse des ersten Teils dieser Arbeit demonstrieren insgesamt die gute Performance des EPICAL-2 in Bezug auf die Energiemessung und die Bestimmung der Schauerform. Darüber hinaus unterstützen sie den Einsatz digitaler Kalorimeter im FOCAL-Upgrade des ALICE-Experiments und zeigen das Potenzial der digitalen Kalorimetertechnologie für zukünftige Hochenergiephysik-Experimente.
Die Ergebnisse des zweiten Teils dieser Arbeit liefern einen wesentliche Beitrag zum geplanten ALICE 3-Upgrade. Weiterhin veranschaulichen sie, wie ein Elektron-Veto und die Reduzierung des Materials zusammen eine vielversprechende Messstrategie bilden können.
The main focus of this thesis is the application of the nonperturbative Functional Renormalization Group (FRG) to the study of low-energies effective models for Quantum Chromodynamics (QCD). The study of effective field theories and models is crucial for our understanding of physics, especially when we deal with fundamental interaction theories like QCD. In particular, the ultimate goal is the understanding of the critical properties of these models in such a way that we can have an insight on the actual critical phenomena of QCD, with a special focus on its chiral phase transition. The choice of the FRG method derives from the fact that it belongs to the class of functional non-perturbative methods and has also the advantage of linking physics at different energy scales. These features make FRG perfectly compatible with the task of studying non-perturbative phenomena and in particular phase transitions, like the ones expected for strongly interacting matter. However, the functional nature of the FRG approach and of the Wetterich equation has a consequence that its exact resolution is hardly possible, and an ansatz for the effective action is generally needed. In this work we choose to adopt the local-potential approximation (LPA), which prescribes to stop at zeroth order in the expansion in derivative operators of the quantum effective action, including only the quantum effective potential. In this work we exploited the key observation that the FRG flow equation can be cast, for specific models and truncation schemes, in the form of an advection-diffusion, possibly with a source term. This type of equation belongs to the class of problems faced in the context of viscous hydrodynamics. Therefore, an innovative approach to the solution of the FRG flow equation consists in the choice of a method developed specifically for the resolution of this class of hydrodynamic equations. In particular, the Kurganov-Tadmor finite-volume scheme is adopted. Throughout this work we apply this scheme to the study of different physical systems, showing the reliability and the flexibility of this approach.
In the first part of the thesis, we discuss the well-known O(N) model, using the hydrodynamic formulation to solve the FRG flow equation in the LPA truncation. We focus on the study of the critical behaviour of the system and calculate the corresponding critical exponents. Particular attention is given to the error estimation in the extraction of critical exponents, which is a needed and not widely explored aspect. The results are well compatible with others in the literature, obtained with different perturbative and nonperturbative methods, which validates the procedure. In the second part of the thesis, we introduce the quark-meson model as a low-energy effective model for QCD, with a specific focus on its chiral symmetry-breaking pattern and the subsequent dynamical quark-mass generation. The LPA flow equation is of the advection-diffusion type, with an extra source contribution which is due to the inclusion of fermionic degrees of freedom. We thus adopt the developed numerical techniques to derive the phase diagram of the model, which is in agreement with the one obtained with other techniques in the literature.
We also follow another possible way for the study of the critical properties of the quark-meson model: the so-called thermodynamic geometry. This approach is based on the interpretation of the parameter space of the system as a differential manifold. One can then obtain relevant information about the phase transitions from the Ricci scalar. We studied the chiral crossover investigating the behavior of the Ricci scalar up to the critical point, featuring a peaking behavior in the presence of the crossover. We then repeated this analysis in the chiral limit, where the phase transition is expected to be of second order. Via this geometric technique it is possible to have a different view on the chiral phase transition of QCD. This is the case since this approach is based on the calculation of quantities which are influenced by higher-order momenta of the thermodynamic potential, thus allowing for a more comprehensive analysis of the phase transition.
Finally, we exploit the numerical advancement to face the issue of the regulator choice in the FRG calculations. This is one of the most delicate issues which arise when using approximations to solve the FRG flow equation and deserves extensive investigation. In particular, we performed a vacuum parameter study and used the RG consistency requirement to determine the impact of the choice of the regulator on the physical observables and on the phase diagram of the model. Via this study we develop a systematic method to comparison the results obtained via different regulators. We show the importance of the choice of an appropriate UV cutoff in the determination of UV-independent IR observables and, consequently, the impact on the latter that the truncation of the effective average action and the choice of the regulator have.
This thesis is concerned with the investigation of static and dynamic properties of quantum Heisenberg paramagnets in the absence of a magnetic field and therefore for vanishing magnetization. For this purpose a new formulation of the spin functional renormalization group (SFRG) is employed. The first manifestations of the SFRG were developed by Krieg and Kopietz, motivated by the FRG approach to ordinary field theories and the older works of Vaks, Larkin and Pikin on diagrammatic methods for spin operators.
The main idea is to study quantum spin systems by considering the evolution of correlation functions under a continuous deformation of the interaction between magnetic moments, starting from a solvable limit. This leads to nonperturbative results for quantities like the spin-spin correlation function. After a basic introduction to the phenomena and concomitant problems discussed in this thesis, a detailed description of the SFRG method in its initial formulation is given in the second chapter. We start with the generating functional of connected imaginary-time spin-correlation functions GΛ [h], for which an exact flow equation is derived. A particular issue, already pointed out by Krieg and Kopietz, arises here, namely the singular non-interacting limit of its subtracted Legendre transform ΓΛ [m]. As a consequence the initial condition of that functional does not have a proper series expansion in powers of m. This prevents us from working directly within a pure one-particle irreducible (1-PI) parametrization of the correlation functions, as is often done in the context of field theories. Thus motivated, we develop a workaround explicitly tailored to paramagnets, which provides us with a functional that has a well-behaved Legendre transform. The new approach is based on a different treatment of fluctuations at zero and finite frequencies, analogous to a previous hybrid formulation for the symmetry-broken phase. Certain properties, considered to be highly relevant for isotropic paramagnets, as well as previous observations, already made in the study of simpler spin systems like the Ising model, serve as additional justifications for choosing this construction.
In the third chapter our new method is assessed by calculating the dynamic susceptibility G(k, iω) and thus the dynamic structure factor S(k, ω) in the symmetric phase. For this purpose an approximate integral equation for the dynamic polarization function Π̃(k, iω) was derived. This equation results from a truncation of the hierarchy of flow equations and contains static quantities, that are assumed to be known from another source. Our first application is the high-temperature limit T → ∞ in d ≤ 3 dimensions. Salient features, believed to be part of the spin dynamics in isotropic Heisenberg magnets are also exhibited by our solution, like (anomalous) diffusion in a suitable hydrodynamic limit. Moreover we obtain the same order of magnitude for the diffusion coefficient D as in experiments and other theoretical calculations. Other aspects do not entirely agree with previous approaches.
Afterwards we continue by investigating systems close to the critical point Tc. Dynamic scaling forms for Π̃(k, iω) and S(k, ω), which, like spin diffusion, are postulated on the basis of quite general physical arguments, are reproduced. Agreement of the line-shapes 2with neutron scattering experiments at T = Tc is found to be satisfying, with deviations for ω → 0, that may be attributed to the simplicity of the approximation, like at infinite temperature.
Finally, we focus our attention on the thermodynamic properties of isotropic Heisenberg paramagnets by calculating the static susceptibility G(k). For this purpose we employ simple truncation schemes of the flow equations for the static self-energy ΣΛ (k) and four-spin vertex ΓΛ , together with a basic ansatz for the dynamic polarization Π̃(k, iω) in quantum systems. As a result we obtain transition temperatures Tc of three-dimensional nonfrustrated magnets within an accuracy of 5 percent compared to established benchmark values from Quantum Monte Carlo and high temperature expansion series. We conclude this chapter by giving an outlook on the application of our method to frustrated systems, which may require a combined non-trivial calculation of static and dynamic properties.
Das radioaktive Edelgas Radon und seine ebenfalls radioaktiven Zerfallsprodukte machen den größten Teil der natürlichen Strahlenbelastung in Deutschland aus. Trotz der Einstufung als krebserregend für Lungenkrebs wird es zur Therapie entzündlicher Krankheiten eingesetzt. Der hauptsächliche Aufnahmemechanismus ist dabei die Inkorporation über die Atmung, wobei Radon auch über die Haut aufgenommen werden kann. Radon wird dabei über das Blut im gesamten Körper verteilt und kann in Gewebe mit hoher Radonlöslichkeit akkumulieren. Die Zerfallsprodukte verbleiben jedoch in der Lunge, zerfallen dort, bevor sie abtransportiert werden können und schädigen das dortige Gewebe.
Die Lungendosis wird laut Simulationen zum größten Teil durch die kleinsten Radon-Zerfallsprodukte (< 10 nm) bestimmt, die besonders effektiv im Respirationstrakt anheften. Die erzeugte Dosis ist dabei aufgrund der inhomogenen Anlagerung der Zerfallsprodukte lokal stark variabel. In Simulationen wurden Bifurkationen als Ort besonders hoher Deposition identifiziert, wobei die experimentelle Datenlage zur Deposition kleinster Radon-Zerfallsprodukte eingeschränkt ist. Aufgrund des Anstiegs der Komplexität von Simulationen oder Experimenten wird in den meisten Betrachtungen nicht der oszillatorische Atemzyklus berücksichtigt, sondern lediglich ein einseitig gerichteter Luftstrom betrachtet. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein experimentelles Modell entwickelt und etabliert, das die Messung der Deposition von Radon-Zerfallsprodukten ermöglicht und zwischen drei Größenfraktionen (Freie Zerfallsprodukte: < 10 nm, Cluster: 20-100 nm, Angelagerte Zerfallsprodukte: > 100 nm) unterscheiden kann. Der Luftfluss durch das Modell bildet sowohl die Inhalation als auch die Exhalation ab. Erste Experimente mit dem neu entwickelten Messaufbau konnten die aus Simulationen bekannte erhöhte Deposition der freien Zerfallsprodukte in einer Bifurkation abbilden. Die Vergrößerung des Bifurkationswinkels von 70° auf 180° zeigte lediglich einen minimalen Anstieg in der Größenordnung des Messfehlers. Der dominierende Prozess der Anlagerung der freien Zerfallsprodukte ist die Brown'sche Molekularbewegung, die unabhängig vom Bifurkationswinkel ist. Dennoch kann ein veränderter Winkel die Luftströmung und entstehende Turbulenzen verändern, wodurch die Deposition beeinflusst werden kann. Dies lässt sich jedoch mit dem hier benutzten Messaufbau nicht auflösen. Entgegen der Beobachtungen in der Literatur führte die Erhöhung der Atemfrequenz von 12 auf 30 Atemzüge pro Minute, in den im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Experimenten, zu keiner messbaren Veränderung der Deposition. Diese Beobachtung ist auf die Entstehung gegensätzlicher Effekte zurückzuführen. Einerseits führt eine schnellere Luftströmung zu kürzeren Aufenthaltszeiten der freien Zerfallsprodukte im Modell, wodurch die Deposition unwahrscheinlicher wird. Andererseits entstehen vermehrt sekundäre Strömungen und absolut betrachtet werden mehr Partikel durch das Modell gepumpt. Es ist davon auszugehen, dass sich diese Effekte im hier getesteten Bereich aufheben.
Als potentielle Schutzmaßnahme zur Reduktion der Lungendosis konnte im Rahmen dieser Arbeit die Filtereffzienz von Gesichtsmasken (OP-Masken, FFP2 Masken) gegenüber Radon und seinen Zerfallsprodukten bestimmt werden. Während Radon nicht gefiltert wird, wurden die freien Zerfallsprodukte fast vollständig (> 98%) und die Cluster zum größten Teil (≈ 80 %) zurückgehalten.
Radon selbst kann im gesamten Organismus verteilt werden und dort in Gewebe akkumulieren. Zur Bestimmung der Dosis wird dabei auf biokinetische Modelle zurückgegriffen. Diese sind von der Qualität ihrer Eingabeparameter abhängig, wobei beispielsweise die Werte zur Verteilung von Radon zwischen Blut und Gewebe auf experimentell gewonnenen Löslichkeitswerten aus Mäusen und Ratten beruhen. Unbekannte Werte werden von der Internationalen Strahlenschutzkommission basierend auf der Gewebezusammensetzung als gewichteter Mittelwert berechnet. In dieser Arbeit wurde die Löslichkeit in humanen Blutproben und wässrigen Lösungen verschiedener Konzentrationen der Blutproteine Hämoglobin und Albumin bestimmt. Es löste sich mehr Radon in Plasma als in Erythrozytenkonzentrat und Vollblut. Die Protein-Lösungen zeigten keine Konzentrationsabhängigkeit der Löslichkeit, sondern lediglich in hitzedenaturiertem Hämoglobin wurde eine niedrigere Löslichkeit gemessen. Basierend auf diesen Beobachtungen, sollte die These überprüft werden, ob sich die Löslichkeit einer Mischung als gewichteter Mittelwert der einzelnen Löslichkeiten berechnen lässt. Daher wurden diese in einer Mischung aus zwei Flüssigkeiten (1-Pentanol, Ölsäure) bestimmt. Die experimentell bestimmte Löslichkeit war dabei fast doppelt so groß wie der berechnete Wert. Dieser Unterschied kann dadurch zustande kommen, dass bei einer Berechnung basierend auf der Zusammensetzung die Wechselwirkungen zwischen den Lösungsmitteln vernachlässigt werden. Dies verdeutlicht die Notwendigkeit experimenteller Daten zur Verteilung und Lösung von Radon in verschiedenem Gewebe.
Efficient modeling and mitigation of quadrupole errors in synchrotrons and their beam transfer lines
(2023)
This thesis investigates the problem of estimating quadrupole errors on synchrotrons as well as how to minimize the influence of quadrupole errors for beam transfer lines (beamlines). It emphasizes the importance to treat possible error sources in all parts of an accelerator in order to provide constantly high beam quality to the experimental stations. While the presented methods have been investigated by using the example of the SIS18 synchrotron and the HEST beamlines at GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research, they are equally relevant for the future synchrotrons and beamlines of the Facility for Antiproton and Ion Research in Europe (FAIR).
Part 1 discusses the problem of estimating quadrupole errors via orbit response measurements at synchrotrons. An emphasis is put on investigating the influence of the availability of steerer magnets and beam position monitors (BPMs) on the solvability of the inverse problem as well as on the propagation of measurement uncertainty for the estimation of quadrupole errors. The problem is approached via analytical considerations as well as via dedicated simulation studies. By developing an analytical expression for the Jacobian matrix, the theoretical boundaries for the solvability of the inverse problem are derived. Moreover, it is shown that the analytical expressions for the Jacobian matrix can be used during the fitting procedure to achieve a significant improvement in the computational efficiency by a factor $N_{steerers} \times N_{quadrupoles}$, where $N$ denotes the number of lattice elements of the respective type. The presented results are tested via dedicated measurements at the SIS18 synchrotron.
Part 2 discusses – complementary to part 1 – the influence of quadrupole errors in beam transfer lines with respect to the beam quality requirements given by the experimental stations. A preventive approach is presented which allows to minimize the influence of possible quadrupole errors on the degradation of beam quality. By identifying and selecting robust quadrupole configurations, a stable operation of the beamline can be enabled and the time needed by operators to readjust the beamline parameters can be reduced. The concept of beamline robustness is developed and is studied with the help of dedicated simulations. The simulation results are used to identify certain properties that distinguish robust from nonrobust quadrupole configurations. Also, various methods for improving the computational process of identifying robust quadrupole configurations are presented. The methods and results are tested via dedicated measurements at two different beamlines at GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research and at Forschungszentrum Jülich.