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Mit zunehmender Automatisierung - sowohl der industriellen Herstellungsverfahren, als auch ihrer Produkte - hat die Regelungstechnik stark an Bedeutung gewonnen. Das Prinzip der Regelung jedoch ist schon lange bekannt. Erste Anwendungen finden sich bereits in der Antike (230 v.Chr. Philon von Byzanz, Schwimmerregelung für Öllampen). Das wohl prominenteste Beispiel ist der Drehzahlregler für Dampfmaschinen, den James Watt 1788 konstruierte. Eine Theorie des Regelkreises wurde dagegen erst Ende des letzten Jahrhunderts entwickelt. Damit war der Weg für den verbreiteten Einsatz von Regelungstechnik geebnet. Aber ihre Bedeutung geht über die rein technischen Prozesse hinaus, indem sich die Theorie der Regelkreise auch zur Untersuchung nichttechnischer zum Beispiel biologischer oder gesellschaftlicher Prozesse anwenden läßt. Viele dieser Prozesse laufen nach dem Prinzip der Regelung ab, denn sie werden auch bei Wirkung äußerer Störungen aufrechterhalten. In diesen Bereichen wird allgemeiner von Kybernetik gesprochen [Steinbuch]. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wird eine Einführung in die Regelungstechnik gegeben. Daran schließen sich im zweiten Teil Untersuchungen zur Magnetschwebekugel an. Diese theoretischen Betrachtungen sollen als Grundlage für den Aufbau eines Experiments zur Magnetschwebekugel dienen, das im Rahmen des Physikalischen Praktikums für Fortgeschrittene des Instituts für Angewandte Physik an der Universität Frankfurt geplant ist. Anhand einer von einem Elektromagneten in der Schwebe gehaltenen Kugel werden sich die Teilnehmer und Teilnehmerinnen mit den Prinzipien der Regelungstechnik vertraut machen können. Dieser Versuch ist in zweierlei Hinsicht interessant. Das System Elektromagnet - Kugel ist ohne Regelung nicht stabil, das heißt die Kugel kann nicht an einem beliebigen Ort unterhalb des Magneten fixiert werden. Dies entspricht auch der Erfahrung. Um so erstaunlicher ist es, wenn der Versuch zu einer Stabilisierung führt. Die verwendeten Methoden entstammen vollständig der Theorie der linearen Regelungen, sodaß der Versuch als elementare Einführung in die Regelungstechnik verstanden werden kann.
In dieser Arbeit werden grundlegende Untersuchungen zur Ion-Festkörper Wechselwirkung vorgestellt, die zu Sekundärionen-Emissionsprozessen führen. Das Ziel ist hierbei, aus den Experimenten Informationen über den Ursprung, die Bindungsmechanismen und die Evolution der Sekundärionen (SI) zu erhalten und die experimentellen Daten mit Rechnungen eines kürzlich entwickelten Desorptions-Modells zu vergleichen. Die Untersuchungen sind in zwei Gebiete unterteilt, die 1.) den Einfluß von Projektil-Eigenschaften wie Energie, Masse und Ladung auf die SI-Emission und 2.) den Einfluß von Targeteigenschaften wie Temperatur und Material auf die SI-Emission zum Gegenstand haben. Die gemessenen H+- - und CxH+- y -SI entstammen einer Oberflächen-Kontaminationsschicht der untersuchten C- und LiF-Targets. Die untersuchten Li+-SI entstammen unmittelbar der LiF-Oberfläche. Zum Studium der SI-Emission werden hier H-, C-, N-, Ar-, Kr- und Sn-Projektile, im Bereich ihres maximalen elektronischen Bremsvermögens Se = (dE=dx)e, eingesetzt. Die von der Projektil-Eintrittsoberfläche emittierten SI werden in Koinzidenz mit jenen unter Hochvakuum-Bedingungen mit einem zylindrischen und einem neu konstruierten linearen Flugzeitspektrometer gemessen. Die Abhängigkeit der SI-Emission von der Projektilgeschwindigkeit (”Geschwindigkeitseffekt”) wird hervorragend durch ein kürzlich von Pereira und da Silveira [Per98a, Per00] entwickeltes Desorptions-Modell beschrieben und zeigt, daß leichte H+-SI einen anderen Emissionsort als schwere CxH+- y -SI entstammen. Diese Resultate werden durch Messungen, die den Einfluß des Projektilladungszustands auf die SI-Ausbeute betrachten, bestätigt. Eine ladungsabhäangige Modifikation des neuen Desorptions-Modells erlaubt zusätzlich, aus den gemessenen relativen SI-Ausbeuten, den Abstand des Emissionsortes von der Spurachse des Projektils zu bestimmen. Aus Untersuchungen zum Einfluß der Projektilmasse auf die SI-Emission folgt zudem eine Korrelation im Emissionsverhalten zwischen H+-SI der Kontaminationsschicht und Li+-SI der tatsächlichen Targetoberfläche. Der Grund hierfür liegt im gleichen Emissionsort dieser beiden unterschiedlichen SI, der von ihrer Bindungsenergie an der Targetoberfläche abhängt. Kontrollierte Variation der LiF- und Cu-Targettemperatur mit einem neu konstruiertem Targethalter zeigen, daß H+-SI im Bereich von 300K <= T <= 380K nahezu vollständig und unabhängig vom Targetmaterial aus der CxHy-Oberflächen-Kontaminationschicht emittiert werden. Durch die Anpassung von Langmuir-Isothermen an die gemessenen SI-Ausbeuten gelingt die Bestimmung der Bindungsenergien EB der CxH+ y -SI, die unmittelbar die LiF- bzw. Cu-Oberfläche bedecken. Das weist auf intermolekulare Bindungen zwischen den CxH+ y -SI und der Oberfläche hin. Die Resultate dieser Rechnung zeigen auch, daß die CxH+ y -SI aus unterschiedlichen Emissionsorten emittiert werden. Hohe Targettemperaturen (< 450K) führen überraschenderweise beim LiF-Target zusätzlich zu einer Metallisierung der Oberfläche, die sich bei weiterer Temperaturerhöhung als Phasenübergang des Targetmaterials auswirkt. Messungen an deuterierten und hydrogenierten Targets zeigen zudem, daß SI-Emission aus dem Targetvolumen nur beim Überschreiten einer hohen Emissionsschwelle Se(> 1700 +- 50eV=A° ) erfolgt.
Energiezustände in einem Halbleiterübergitter in gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern
(2005)
In dieser Arbeit werden Energiezustände in einem GaAs/Al0:3Ga0:7As-Halbleiterübergitter in gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern untersucht. Dabei liegt das elektrische Feld F in Wachstumsrichtung an, während das Magnetfeld B senkrecht dazu in der Ebene der Schichten orientiert ist. Es werden die experimentellen Methoden der Elektroreflexions- und Transmissionsspektroskopie angewendet. Die experimentellen Ergebnisse werden sowohl mit theoretischen Berechnungen verglichen als auch mit zeitaufgelösten Daten in Bezug gesetzt. Sowohl in den Elektroreflexions- als auch in den Transmissionsspektren lassen sich je nach relativem Wert des elektrischen und magnetischen Feldes B=F = x drei verschiedene Bereiche unterscheiden. Für kleines x sind Wannier-Stark-Übergänge sichtbar, die sich mit steigendem B-Feld zu höheren Energien verschieben. Die auffälligste Beobachtung ist das Verschwinden der Wannier-Stark-Zustände mit steigendem Magnetfeld: Bei mittlerem x, wenn die magnetische Energie ~!C die Größenordnung der elektrischen Energie ~!B erreicht, beobachtet man einen nahezu strukturlosen Übergangsbereich. Für größere Magnetfeldstärken lassen sich wieder Übergänge identifizieren, die Landau-Charakter besitzen. Die Exzistenz eines strukturlosen Übergangsbereichs unterscheidet die Geometrie gekreuzter Felder wesentlich von der Konfiguration parallel gerichteter Felder (F- und B-Feld in Wachstumsrichtung [5]). Der Übergangsbereich wurde bereits zuvor beobachtet [65], eine Erklärung seines Ursprungs stand jedoch noch aus. Letztere gewinnen wir aus der Zusammenarbeit mit der Theorie: Auf der Grundlage der Modellrechnungen von S. Glutsch und S. Stepanow aus Jena lässt sich feststellen, dass jeder Wannier-Stark-Zustand in Anwesenheit eines Magnetfeldes in Landau-Zustände aufspaltet. Mit steigendem Magnetfeld verschieben sich diese, wie auch die Wannier-Stark-Zustände, zu höheren Energien, so dass sich eine wachsende Anzahl von Zuständen energetisch annähert. Die Wechselwirkung von Zuständen führt zu vermiedenen Überkreuzungen und damit zu einer Verteilung der Oszillatorstärke, so dass die Stärke jedes einzelnen Zustands abnimmt und einzelne Linien nicht mehr aufzulösen sind. Interessanterweise spielt die Verkürzung der Lebenszeit der involvierten Zustände (homogene Linienverbreiterung) eine untergeordnete Rolle bei der Entstehung des Übergangsbereichs. Auch hinsichtlich anderer Aspekte ist die Übereinstimmung von Theorie und Experiment zufriedenstellend: Die auf Grundlage der Einteilchen-Theorie vorhergesagte energetische Verschiebung der Wannier-Stark- und Landau-Niveaus mit steigendem Magnetfeld kann experimentell mittels Elektroreflexionsmessungen verifiziert werden. Die experimentellen Absorptionsspektren lassen sich direkt mit den theoretischen Absorptionsspektren vergleichen und zeigen die vorhergesagten Energieübergänge. Darüberhinaus sind Fano-Resonanzen als asymmmetrische Linienprofile zu beobachten. Das Zusammenspiel von Theorie und Experiment stellt sich demnach in dieser Arbeit als sehr fruchtbar heraus: Die vorgestellten Experimente leisten der Theorie einen Dienst, indem sie wesentliche theoretische Vorhersagen experimentell verifizieren. Andererseits gewinnt das Verständnis der experimentellen Beobachtungen erst durch theoretische Erkenntnisse sein Fundament. Während der Vergleich von Theorie und Experiment weitgehend abgeschlossen ist [21], wirft der Vergleich der spektral aufgelösten Daten mit zeitaufgelösten Messergebnissen noch ungelöste Fragen auf. Die Dynamik optisch angeregter Wellenpakete lässt sich analog zu den Elektroreflexions- und Absorptionsspektren in ein elektrisch-dominiertes Regime für kleines B=F = x und ein magnetisch-dominiertes Regime für großes x unterteilen. Die beiden Bereiche sind durch einen mittleren x-Wert separiert, bei dem keine kohärenten Oszillationen zu beobachten sind. Dieser Übergang findet entgegen der Erwartung nicht bei dem gleichen x-Wert statt wie in spektral aufgelösten Daten. In der vorliegenden Arbeit wird dieser Befund präzisiert: Absorptionsspektren werden mit TEOS-Spektren (englisch: transmittive electrooptic sampling), Elektroreflexionsdaten mit REOS-Spektren (englisch: reflective electro-optic sampling) verglichen. Sehr deutlich ist die Diskrepanz zu erkennen: In spektral aufgelösten Daten liegt der Übergangsbereich bei größeren x-Werten als in zeitaufgelösten Daten, so dass im spektralen Übergangsbereich wieder langlebige Oszillationen in den zeitaufgelösten Messungen zu beobachten sind. Umgekehrt sind in den spektral aufgelösten Messungen noch deutliche Strukturen erkennbar, wenn am dynamischen Übergang zwischen elektrisch- und magnetisch-dominiertem Regime Oszillationen ausbleiben. Die Experimente dieser Arbeit motivieren demnach die weitere Beschäftigung mit folgenden Problemen: Die Diskrepanz zwischen spektral- und zeitaufgelösten Daten hinsichtlich des Übergangsbereichs muss in Zukunft theoretisch behandelt werden. Es besteht bereits ein Angebot von M. M. Dignam, sich des Problems anzunehmen. Damit verbunden ist die Frage nach der genauen Bedingung für den Übergangsbereich in den spektralen Daten, da die bisherige Bedingung zu grob zu sein scheint. Die Untersuchung von Energiezuständen in Halbleiterübergittern wird auch in Zukunft eine Rolle spielen. Nachdem die Geometrien von parallel und senkrecht orientiertem B und F eingehend behandelt wurden, stellt nun der Fall arbiträrer Feldanordnung eine neue Aufgabe dar. Wenn das Magnetfeld mit dem elektrischen Feld einen arbiträren Winkel einschließt, wird in zeitaufgelösten Messungen eine Kopplung von Magneto-Bloch- und Zyklotron-Oszillationen beobachtet, die sich in einem kohärenten Quasi-DC-Strom und verstärkter Feldabschirmung ausdrückt [58]. Es wäre interessant zu untersuchen, mit welchen spektralen Eigenschaften diese dynamischen Befunde korrespondieren. Hierzu bieten sich die Methoden der Elektroreflexions- und Transmissionsspektroskopie an, die sich in dieser Arbeit als geeignet erwiesen haben.
Hf-Fokussierung
(1989)
Untersuchungen zu mikrowellenfokussierenden Beschleunigerstrukturen für zukünftige lineare Collider
(1993)
Zur Erforschung immer kleinerer Strukturen der Materie benötigt die Elementarteilchenphysik Teilchenstrahlen höchster Energie. Gegenwärtig sind das Higgs-Boson und das Top-Quarks‘ die Objekte des größten physikalischen Interesses. Das sog. “Top” ist das sechste und bisher noch nicht nachgewiesene Mitglied der Quark-Familie. Seine Masse wird unterhalb von etwa 180GeV vermutet. Das Higgs-Boson spielt im sog. Standardmodell der Elementarteilchen eine wichtige Rolle. Seine Masse wird ebenfalls im Bereich zwischen 100 und 200GeV vermutet. Es gibt eine gute Chance, das Top am Protonen- Antiprotonen-Beschleuniger TEVATRON des Fermilab in Chicago nachzuweisen. Seine physikalischen Eigenschaften lassen sich aber erst an zukünfligen Beschleunigem mit höherer Energie bestimmen. Gegenwärtig werden daher mehrere verschiedene Beschleunigerkonzepte erwogen oder sind bereits in Planung bzw. im Bau. Das Spektrum reicht dabei von Protonen-Antiprotonen- bis zu Elektronen-Positronen-Maschinen. Ein vielversprechender Ansatz zur Erzeugung der benötigten Teilchenenergien ist der lineare Elektronen-Positronen-Collider, im folgenden immer als linearer Collider bezeichnet. Das Verhältnis von Meßsignal zu Hintergrund ist bei e+-e-Kollisionen besser als bei Protonen-Kollisionen. Es entstehen keine Partonen, wodurch die zur Verfugung stehende Energie effektiver genutzt werden kann [ 11. Weiterhin ist der lineare Collider im Vergleich zu einer zirkularen Maschine gleicher Endenergie und Luminosität auf lange Sicht kostengünstiger, da keine zusätzliche Hf-Leistung zur Kompensation von Synchrotronstrahlungsverlusten nötig ist. Die für die Experimente erforderliche hohe Luminosität bedingt Teilchenstrahlen von niedrigster Emittanz und geringster Energieverschmierung sowohl innerhalb eines einzelnen Teilchenpaketes als auch zwischen den Bunchen selbst [2]. Zur Erhaltung der Strahlqualität über die volle Lange des Beschleunigers ist es deshalb notwendig, ein akkurates Strahlführungssystem zu entwickeln, das es gestattet, auftretenden Strahlinstabilitäten wirksam zu begegnen. Grund der Instabilitäten sind elektromagnetische Felder, sogenannte Wake- oder Kielwellenfelder, die die Teilchen bei der Durchquerung des Beschleunigers selbst anfachen. Die Teilchenpakete werden dadurch radial von der Achse abgelenkt, sie werden verformt und erfahren eine Impulsverschmierung. Transversale Einzelbunch-Instabilitäten (SBBU, Single Bunch Beam Breakup) kann man durch die Einführung einer Energieverschmierung innerhalb eines Teilchenpakets bekämpfen; in Verbindung mit einer äußeren Strahlführung erreicht man eine Bedämpfung der Instabilität [3]. Als Alternative oder Ergänzung zu äußeren Fokussierungsmaßnahmen erscheint es deshalb interessant, inwieweit man durch geeignete Modifikationen an den Beschleunigerstrukturen die Hochfrequenzfelder selbst zur Erzeugung der benötigten Fokussierung heranziehen kann. Da es sehr schwierig ist, die für das Experiment geforderte Luminosität mit einem einzelnen Bunch zu erzeugen, muß man mehrere Teilchenpakete in kurzem Abstand durch den Beschleuniger schicken. Jetzt erfährt aber jeder Bunch die aufsummierten Wakefelder der ihm vorausfliegenden Teilchenpakete. Um zu verhindern, daß die transversale Strahlablage inakzeptabel groß wird, müssen Maßnahmen zur Kontrolle dieser Vielteilchen-Instabilitäten (MBBU, Multibunch Beam Breakup) getroffen werden. Das bedeutet, die Güten dieser als Long-Range-Wakes bezeichneten Störmoden müssen, je nach Collider, durch konstruktive Maßnahmen auf Werte in der Größenordnung von zehn abgesenkt werden. Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit theoretischen Anwendungsmöglichkeiten von hochfrequenzfokussierenden Beschleunigerstrukturen in linearen Collidem bei Einzel- und Multibunch-Betrieb. In Kap. 2 wird eine kurze Einführung in die Problematik von Höchstenergiebeschleunigem gegeben. Anschließend werden in Kap. 3 Irisstrukturen und ihre Kenngrößen behandelt. Kap. 4 gibt eine Einführung in das Wakefeld-Konzept. Es wird untersucht, welche Resonatormoden für den Strahl gefährlich sind; die Wakepotentiale werden mit Resonatorkenngrößen in Verbindung gebracht. In Kap. 5 schließt sich eine Betrachtung zum SBBU an. Es wird untersucht, inwieweit Irisstrukturen und Rechteckblendenstrukturen (MWQ-Strukturen) zur direkten Hochfrequenzfokussierung eingesetzt werden können. Die Eigenschaften einer MWQ-Struktur werden vermessen und mit theoretischen Vorhersagen verglichen. Beispiele fiir hypothetische Collider in verschiedenen Frequenzbereichen werden diskutiert. Im anschließenden Kap. 6 wird der Mechanismus des MBBU erläutert und Möglichkeiten zur Bedämpfung insbesondere von MWQ-Strukturen im Multibunch-Betrieb untersucht. Meßergebnisse an Modellstrukturen werden vorgestellt und am Beispiel von einem S- und X-Band- Collider diskutiert.
In dieser Arbeit konnten erstmals differentielle Ionisationswirkungsquerschnitte für Antimaterie-Materie-Stöße gemessen werden. Mit Hilfe der COLd Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy (COLTRIMS) wurden die Stoßsysteme p± + He ® p± + He+1 + ebei einer Einschußenergie von etwa 1 MeV untersucht. Die experimentellen Ergebnisse für die Einfachionisation von Helium durch Antiprotonenstöße werden mit denen für Protonenstöße verglichen. Dies erlaubt den Stoßmechanismus in Abhängigkeit von der Richtung der störenden Kraft zu studieren. Als Ergebniss konnte die Post-Collision-Interaction (PCI) in der longitudinalen Richtung des Stoßes (Projektilrichtung) quantitativ bestimmt werden. Trotz der großen experimentellen Schwierigkeiten (hochenergetischer Antiprotonenstrahl, geringer Antiprotonenstrom, große Strahldivergenz und Strahlungsuntergrund durch Antiprotonenzerfall) konnten absolute die Wirkungsquerschnitte in Abhängigkeit vom Longitudinalimpuls gemessen werden. Innerhalb der experimentellen Fehler zeigen die Longitudinalimpulsverteilungen keine Abhängigkeit vom Projektilvorzeichen. Die folgende Tabelle faßt die mittleren Impulse des Elektrons und des Rückstoßions für Antiprotonen- und Protonenstöße zusammen Rückstoßion Elektron Antiproton 0.07±0.045 a.u. 0.087±0.039 a.u. Proton 0.075±0.025 a.u. 0.075±0.007 a.u. Die Tabelle zeigt, daß nach dem Stoß die Elektronen in beiden Stoßsystemen etwas nach vorne emittiert werden. Das steht im Widerspruch zu den theoretischen Vorhersagen, wonach erwartet wird, daß die Elektronen im Protonenstoß etwas nach „vorne“ und im Antiprotonenstoß etwas nach „hinten“ emittiert werden. Das Rückstoßion agiert in beiden Systemen als Beobachter. Dies widerspricht ebenfalls den Vorhersagen, wonach erwartet wird, daß das Rückstoßion im Protonenstoß etwas nach hinten und im Antiprotonenstoß etwas nach vorne emittiert wird. Die experimentellen Ergebnisse zeigen eine bessere Übereinstimmung mit den Continuum-Distorted-Wave (CDW) Rechnungen als mit den Classical- Trajectory-Monte-Carlo (CTMC) Rechnungen. Im Vergleich zur Stößen mit schnellen hochgeladenen Ionen zeigen die Daten dieser Arbeit, daß die Elektronen die Impulsverluste des Projektils kompensieren, während in hochgeladenen Ion-Atom-Stöße die Rückstoßionen den Impuls der Elektronen kompensieren.