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Controlling magnetic properties on the nanometer-scale is essential for basic research in micro-magnetism and spin-dependent transport, as well as for various applications such as magnetic recording, imaging and sensing. This has been accomplished to a very high degree by means of layered heterostructures in the vertical dimension. Here we present a complementary approach that allows for a controlled tuning of the magnetic properties of Co/Pt heterostructures on the lateral mesoscale. By means of in situ post-processing of Pt- and Co-based nano-stripes prepared by focused electron beam induced deposition (FEBID) we are able to locally tune their coercive field and remanent magnetization. Whereas single Co-FEBID nano-stripes show no hysteresis, we find hard-magnetic behavior for post-processed Co/Pt nano-stripes with coercive fields up to 850 Oe. We attribute the observed effects to the locally controlled formation of the CoPt L10 phase, whose presence has been revealed by transmission electron microscopy.
Tuning and optimization of the field distribution for 4-rod radio frequency quadrupole linacs
(2014)
In this thesis, the tuning process of the 4-rod Radio Frequency Quadrupole has been analyzed and a theory for the prediction of the tuning plate's influence on the longitudinal voltage distribution was developed together with RF design options for the optimization of the fringe fields.
The basic principles of the RFQ's particle dynamics and resonant behavior are introduced in the theory part of this thesis. All studies that are presented are based on the work on four RFQs of recent linac projects. These RFQs are described in one chapter. Here, the projects are introduced together with details about the RFQ parameters and performance. In the meantime two of these RFQs are in full operation at NSCL at MSU and FNAL. One is operating in the test phase of the MedAustron Cancer Therapy Center and the fourth one for LANL is about to be built. The longitudinal voltage distribution has been studied in detail with a focus on the influence of the RF design with tuning elements and parameters like the electrodes overlap or the distance between stems. The theory for simulation methods for the field flatness that were developed as part of this thesis, as well as its simulation with CST MWS have been analyzed and compared to measurements. The lumped circuit model has proven to predict results with an accuracy that can be used in the tuning process of 4-rod RFQs. Together with results from the tuning studies, the studies on the fringe fields of the 4-rod structure lead to a proposal for a 4-rod RFQ model with an improved field distribution in the transverse and longitudinal electric field.
For the injector upgrade at FNAL a 4-rod Radio Frequency Quadrupole (RFQ) with a resonance frequency of 200 MHz has been build. With this short structure of only 1.3 m a very compact injector design has been realized. Simulations with CST Microwave Studio® were performed for the design. Their results leading to the RF characterizations of the RFQ and the final RF setup which has been accomplished at IAP of the Goethe-University Frankfurt are presented in this paper.
Lattice strains of appropriate symmetry have served as an excellent tool to explore the interaction of superconductivity in the iron-based superconductors with nematic and stripe spin-density wave (SSDW) order, which are both closely tied to an orthorhombic distortion. In this work, we contribute to a broader understanding of the coupling of strain to superconductivity and competing normal-state orders by studying CaKFe4As4 under large, in-plane strains of B1g and B2g symmetry. In contrast to the majority of iron-based superconductors, pure CaKFe4As4 exhibits superconductivity with relatively high transition temperature of Tc∼35 K in proximity of a non-collinear, tetragonal, hedgehog spin-vortex crystal (SVC) order. Through experiments, we demonstrate an anisotropic in-plane strain response of Tc, which is reminiscent of the behavior of other pnictides with nematicity. However, our calculations suggest that in CaKFe4As4, this anisotropic response correlates with the one of the SVC fluctuations, highlighting the close interrelation of magnetism and high-Tc superconductivity. By suggesting moderate B2g strains as an effective parameter to change the stability of SVC and SSDW, we outline a pathway to a unified phase diagram of iron-based superconductivity.
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung sowie der strukturellen und magnetischen Charakterisierung von zwei Materialklassen von kupferbasierten zweidimensionalen Quanten-Spin-Systemen: Quadratische Gitter von Dimeren sowie geometrisch frustrierte Kagomé Gitter. In beiden Systemen werden Substitutionen vorgestellt die zu verbesserten Eigenschaften führen.
We discuss the use of Wilson fermions with twisted mass for simulations of QCD thermodynamics.
As a prerequisite for a future analysis of the finite-temperature transition making use
of automatic O(a) improvement, we investigate the phase structure in the space spanned by the
hopping parameter k , the coupling b , and the twisted mass parameter m. We present results for
Nf = 2 degenerate quarks on a 163×8 lattice, for which we investigate the possibility of an Aoki
phase existing at strong coupling and vanishing m, as well as of a thermal phase transition at
moderate gauge couplings and non-vanishing m.
Background: The Hawking–Perry–Strominger (HPS) work states a new controversial idea about the black hole (BH) information paradox , where BHs maximally entropize and encode information in their event horizon area , with no “hair” thought to reveal information outside but angular momentum, mass, and electric charge only in a unique quantum gravity (QG) vacuum state. New conservation laws of gravitation and electromagnetism , appear to generate different QG vacua, preserving more information in soft photon/graviton hair implants. We find that BH photon hair implants can encode orbital angular momentum (OAM) and vorticity of the electromagnetic (EM) field. Methods: Numerical simulations are used to plot an EM field with OAM emitted by a set of dipolar currents together with the soft photon field they induce. The analytical results confirm that the soft photon hair implant carries OAM and vorticity. Results: a set of charges and currents generating real EM fields with precise values of OAM induce a “curly”, twisted, soft-hair implant on the BH with vorticity and OAM increased by one unit with respect to the initial real field. Conclusions: Soft photon implants can be spatially shaped ad hoc, encoding structured and densely organized information on the event horizon
The mass-dependent structure of the composite nucleus is shown based on three-dimensional timedependent Hartree-Fock calculations with Skyrme interactions (SLy4d and SkM*). One remarkable result is that the isovector monopole excitation dominantly appears for collisions of heavy nuclei, and the isovector dipole excitation for those of light ones. Such a difference found in the dynamical structure of composite nucleus plays a role in the equilibration of charge.
We present measurements of two-particle differential number correlation functions R2 and transverse momentum correlation functions P2, obtained from p-Pb collisions at 5.02 TeV and Pb-Pb collisions at 2.76 TeV. The results are obtained using charged particles in the pseudorapidity range |η|< 1.0, and transverse momentum range 0.2<pT<2.0 GeV/c as a function of pair separation in pseudorapidity, |Δη|, azimuthal angle, Δφ, and for several charged-particle multiplicity classes. Measurements are carried out for like-sign and unlike-sign charged-particle pairs separately and combined to obtain charge-independent and charge-dependent correlation functions. We study the evolution of the width of the near-side peak of these correlation functions with collision centrality. Additionally, we study Fourier decompositions of the correlators in Δφ as a function of the pair separation |Δη|. Significant differences in the dependence of their harmonic coefficients on multiplicity classes are found. These differences can be exploited, in theoretical models, to obtain further insight into charged-particle production and transport in heavy-ion collisions. Moreover, an upper limit of non-flow contributions to flow coefficients vn measured in Pb-Pb collisions based on the relative strength of Fourier coefficients measured in p-Pb interactions is estimated.
We present measurements of two-particle differential number correlation functions R2 and transverse momentum correlation functions P2, obtained from p-Pb collisions at 5.02 TeV and Pb-Pb collisions at 2.76 TeV. The results are obtained using charged particles in the pseudorapidity range |η|< 1.0, and transverse momentum range 0.2<pT<2.0 GeV/c as a function of pair separation in pseudorapidity, |Δη|, azimuthal angle, Δφ, and for several charged-particle multiplicity classes. Measurements are carried out for like-sign and unlike-sign charged-particle pairs separately and combined to obtain charge-independent and charge-dependent correlation functions. We study the evolution of the width of the near-side peak of these correlation functions with collision centrality. Additionally, we study Fourier decompositions of the correlators in Δφ as a function of the pair separation |Δη|. Significant differences in the dependence of their harmonic coefficients on multiplicity classes are found. These differences can be exploited, in theoretical models, to obtain further insight into charged-particle production and transport in heavy-ion collisions. Moreover, an upper limit of non-flow contributions to flow coefficients vn measured in Pb-Pb collisions based on the relative strength of Fourier coefficients measured in p-Pb interactions is estimated.
A measurement of charged hadron pair correlations in two-dimensional ηφ space is presented. The analysis is based on total 30 million central Be + Be collisions observed in the NA61/SHINE detector at the CERN SPS for incident beam momenta of 19A, 30A, 40A, 75A, and 150A GeV/c. Measurements were carried out for unlike-sign and like-sign charge hadron pairs independently. The C(η, φ) correlation functions were compared with results from a similar analysis on p + p interactions at similar beam momenta per nucleon. General trends of the backto-back correlations are similar in central Be + Be collisions and p + p interactions, but are suppressed in magnitude due to the increased combinatorial background. Predictions from the Epos and UrQMD models are compared to the measurements. Evolution of an enhancement around (η, φ) = (0, 0) with incident energy is observed in central Be + Be collisions. It is not predicted by both models and almost non-existing in proton–proton collisions at the same momentum per nucleon.
We present measurements of two-particle differential number correlation functions R2 and transverse momentum correlation functions P2, obtained from p-Pb collisions at 5.02 TeV and Pb-Pb collisions at 2.76 TeV. The results are obtained using charged particles in the pseudorapidity range |η|< 1.0, and transverse momentum range 0.2<pT<2.0 GeV/c as a function of pair separation in pseudorapidity, |Δη|, azimuthal angle, Δφ, and for several charged-particle multiplicity classes. Measurements are carried out for like-sign and unlike-sign charged-particle pairs separately and combined to obtain charge-independent and charge-dependent correlation functions. We study the evolution of the width of the near-side peak of these correlation functions with collision centrality. Additionally, we study Fourier decompositions of the correlators in Δφ as a function of the pair separation |Δη|. Significant differences in the dependence of their harmonic coefficients on multiplicity classes are found. These differences can be exploited, in theoretical models, to obtain further insight into charged-particle production and transport in heavy-ion collisions. Moreover, an upper limit of non-flow contributions to flow coefficients vn measured in Pb-Pb collisions based on the relative strength of Fourier coefficients measured in p-Pb interactions is estimated.
One of the most challenging problems in solid state systems is the microscopic analysis of electronic correlations. A paramount minimal model that encodes correlation effects is the Hubbard Hamiltonian, which—regardless of its simplicity—is exactly solvable only in a few limiting cases and approximate many-body methods are required for its solution. In this review, an overview on the non-perturbative two-particle self-consistent method (TPSC), which was originally introduced to describe the electronic properties of the single-band Hubbard model, is presented. A detailed derivation of the multi-orbital generalization of TPSC is introduced here and particular features of the method on exemplary interacting models in comparison to dynamical mean-field theory results are discussed.
Two-particle transverse momentum differential correlators, recently measured in Pb-Pb collisions at LHC energies, provide an additional tool to gain insights into particle production mechanisms and infer transport properties, such as the ratio of shear viscosity to entropy density, of the medium created in Pb-Pb collisions. The longitudinal long-range correlations and the large azimuthal anisotropy measured at low transverse momenta in small collision systems, namely pp and p-Pb, at LHC energies resemble manifestations of collective behaviour. This suggests that locally equilibrated matter may be produced in these small collision systems, similar to what is observed in Pb-Pb collisions. In this work, the same two-particle transverse momentum differential correlators are exploited in pp and p-Pb collisions at s√=7 TeV and sNN−−−√=5.02 TeV, respectively, to seek evidence for viscous effects. Specifically, the strength and shape of the correlators are studied as a function of the produced particle multiplicity to identify evidence for longitudinal broadening that might reveal the presence of viscous effects in these smaller systems. The measured correlators and their evolution from pp and p-Pb to Pb-Pb collisions are additionally compared to predictions from Monte Carlo event generators, and the potential presence of viscous effects is discussed.
Two-particle transverse momentum differential correlators, recently measured in Pb--Pb collisions at energies available at the CERN Large Hadron Collider (LHC), provide an additional tool to gain insights into particle production mechanisms and infer transport properties, such as the ratio of shear viscosity to entropy density, of the medium created in Pb-Pb collisions. The longitudinal long-range correlations and the large azimuthal anisotropy measured at low transverse momenta in small collision systems, namely pp and p-Pb, at LHC energies resemble manifestations of collective behaviour. This suggests that locally equilibrated matter may be produced in these small collision systems, similar to what is observed in Pb-Pb collisions. In this work, the same two-particle transverse momentum differential correlators are exploited in pp and p-Pb collisions at s√=7 TeV and sNN−−−√=5.02 TeV, respectively, to seek evidence for viscous effects. Specifically, the strength and shape of the correlators are studied as a function of the produced particle multiplicity to identify evidence for longitudinal broadening that might reveal the presence of viscous effects in these smaller systems. The measured correlators and their evolution from pp and p--Pb to Pb--Pb collisions are additionally compared to predictions from Monte Carlo event generators, and the potential presence of viscous effects is discussed.
Two-particle transverse momentum differential correlators, recently measured in Pb--Pb collisions at energies available at the CERN Large Hadron Collider (LHC), provide an additional tool to gain insights into particle production mechanisms and infer transport properties, such as the ratio of shear viscosity to entropy density, of the medium created in Pb-Pb collisions. The longitudinal long-range correlations and the large azimuthal anisotropy measured at low transverse momenta in small collision systems, namely pp and p-Pb, at LHC energies resemble manifestations of collective behaviour. This suggests that locally equilibrated matter may be produced in these small collision systems, similar to what is observed in Pb-Pb collisions. In this work, the same two-particle transverse momentum differential correlators are exploited in pp and p-Pb collisions at √s=7 TeV and sNN−−−√=5.02 TeV, respectively, to seek evidence for viscous effects. Specifically, the strength and shape of the correlators are studied as a function of the produced particle multiplicity to identify evidence for longitudinal broadening that might reveal the presence of viscous effects in these smaller systems. The measured correlators and their evolution from pp and p--Pb to Pb--Pb collisions are additionally compared to predictions from Monte Carlo event generators, and the potential presence of viscous effects is discussed.
The first measurement of two-pion Bose–Einstein correlations in central Pb–Pb collisions at √sNN=2.76 TeV at the Large Hadron Collider is presented. We observe a growing trend with energy now not only for the longitudinal and the outward but also for the sideward pion source radius. The pion homogeneity volume and the decoupling time are significantly larger than those measured at RHIC.
We report the results of the femtoscopic analysis of pairs of identical pions measured in p-Pb collisions at sNN−−−√=5.02 TeV. Femtoscopic radii are determined as a function of event multiplicity and pair momentum in three spatial dimensions. As in the pp collision system, the analysis is complicated by the presence of sizable background correlation structures in addition to the femtoscopic signal. The radii increase with event multiplicity and decrease with pair transverse momentum. When taken at comparable multiplicity, the radii measured in p-Pb collisions, at high multiplicity and low pair transverse momentum, are 10-20% higher than those observed in pp collisions but below those observed in A-A collisions. The results are compared to hydrodynamic predictions at large event multiplicity as well as discussed in the context of calculations based on gluon saturation.
We report the results of the femtoscopic analysis of pairs of identical pions measured in p-Pb collisions at sNN−−−√=5.02 TeV. Femtoscopic radii are determined as a function of event multiplicity and pair momentum in three spatial dimensions. As in the pp collision system, the analysis is complicated by the presence of sizable background correlation structures in addition to the femtoscopic signal. The radii increase with event multiplicity and decrease with pair transverse momentum. When taken at comparable multiplicity, the radii measured in p-Pb collisions, at high multiplicity and low pair transverse momentum, are 10-20% higher than those observed in pp collisions but below those observed in A-A collisions. The results are compared to hydrodynamic predictions at large event multiplicity as well as discussed in the context of calculations based on gluon saturation.
We report the results of the femtoscopic analysis of pairs of identical pions measured in p-Pb collisions at sNN−−−√=5.02 TeV. Femtoscopic radii are determined as a function of event multiplicity and pair momentum in three spatial dimensions. As in the pp collision system, the analysis is complicated by the presence of sizable background correlation structures in addition to the femtoscopic signal. The radii increase with event multiplicity and decrease with pair transverse momentum. When taken at comparable multiplicity, the radii measured in p-Pb collisions, at high multiplicity and low pair transverse momentum, are 10-20% higher than those observed in pp collisions but below those observed in A-A collisions. The results are compared to hydrodynamic predictions at large event multiplicity as well as discussed in the context of calculations based on gluon saturation.
We present an effective model for timing-dependent synaptic plasticity (STDP) in terms of two interacting traces, corresponding to the fraction of activated NMDA receptors and the concentration in the dendritic spine of the postsynaptic neuron. This model intends to bridge the worlds of existing simplistic phenomenological rules and highly detailed models, thus constituting a practical tool for the study of the interplay of neural activity and synaptic plasticity in extended spiking neural networks. For isolated pairs of pre- and postsynaptic spikes, the standard pairwise STDP rule is reproduced, with appropriate parameters determining the respective weights and timescales for the causal and the anticausal contributions. The model contains otherwise only three free parameters, which can be adjusted to reproduce triplet nonlinearities in hippocampal culture and cortical slices. We also investigate the transition from time-dependent to rate-dependent plasticity occurring for both correlated and uncorrelated spike patterns.
Ulrich Gerhardt : Nachruf
(2018)
We demonstrate ultra-sharp (≲10 nm) lateral p-n junctions in graphene using electronic transport, scanning tunneling microscopy, and first principles calculations. The p-n junction lies at the boundary between differentially-doped regions of a graphene sheet, where one side is intrinsic and the other is charge-doped by proximity to a flake of α-RuCl3 across a thin insulating barrier. We extract the p-n junction contribution to the device resistance to place bounds on the junction width. We achieve an ultra-sharp junction when the boundary between the intrinsic and doped regions is defined by a cleaved crystalline edge of α-RuCl3 located 2 nm from the graphene. Scanning tunneling spectroscopy in heterostructures of graphene, hexagonal boron nitride, and α-RuCl3 shows potential variations on a sub-10 nm length scale. First principles calculations reveal the charge-doping of graphene decays sharply over just nanometers from the edge of the α-RuCl3 flake.
We demonstrate ultra-sharp (≲10 nm) lateral p-n junctions in graphene using electronic transport, scanning tunneling microscopy, and first principles calculations. The p-n junction lies at the boundary between differentially-doped regions of a graphene sheet, where one side is intrinsic and the other is charge-doped by proximity to a flake of α-RuCl3 across a thin insulating barrier. We extract the p-n junction contribution to the device resistance to place bounds on the junction width. We achieve an ultra-sharp junction when the boundary between the intrinsic and doped regions is defined by a cleaved crystalline edge of α-RuCl3 located 2 nm from the graphene. Scanning tunneling spectroscopy in heterostructures of graphene, hexagonal boron nitride, and α-RuCl3 shows potential variations on a sub-10 nm length scale. First principles calculations reveal the charge-doping of graphene decays sharply over just nanometers from the edge of the α-RuCl3 flake.
This study presents an ultra-wideband, elliptical slot, planar monopole antenna for early breast cancer microwave imaging. The on-body antenna's operation is optimised by direct contact with the patient's skin. With a compact size of 9 × 7 mm, the antenna covers a wide bandwidth from 16 to 24 GHz for reflection coefficients lower than –10 dB. Besides, it also features an electrode for electrical impedance tomography applications. Verification on a volunteer's breast gives an excellent agreement with the simulation for the defined bandwidth. Furthermore, as the first stage of the system's characterisation, pork fat is also used to demonstrate the possibility to enhance the transmission between the antennas within the high loss environment. Those results propose the feasibility of implementing a high-frequency radar system for breast cancer detection.
In der modernen Festkörperphysik spielen elektronisch stark korrelierte Systeme mit ihrem komplexen Vielteilchenverhalten eine zentrale Rolle. Insbesondere das Wechselspiel zwischen thermischen und Quantenfluktuationen in den Ladungs- und Spinfreiheitsgraden führt zur Entstehung verschiedenster neuartiger Grundzustände.
Die vorliegende Dissertation „Ultrasonic and Magnetic Investigations in frustrated Lowdimensional Spin Systems“ beschäftigt sich mit den besonderen physikalischen Eigenschaften niedrig dimensionaler Spinsysteme. Diese Materialklasse, die auch zu den stark korrelierten Systemen zählt, wird seit vielen Jahren intensiv sowohl experimentell als auch theoretisch untersucht. Auf theoretischer Seite sind die niedrigdimensionalen Spinsysteme besonders interessant, da sie als Modellsysteme die exakte Beschreibung des Grundzustandes und des Anregungsspektrums ermöglichen. Von experimenteller Seite ist es in den letzten Jahrzehnten gelungen, verschiedenste Materialklassen niedrigdimensionaler Spinsysteme zu synthetisieren.
In der vorliegenden Arbeit werden die grundlegenden Theorien und physikalischen Konzepte niedrigdimensionaler Spinsysteme diskutiert. Insbesondere auch die Spin-Phonon-Wechselwirkung dieser Materialien, die für die hier beobachteten elastischen Anomalien verantwortlich ist. Weiterhin wird auch das elastische Verhalten bei magnetischen Phasenübergängen beschrieben.
Da die Ultraschallexperimente einen Schwerpunkt dieser Arbeit bilden, wird der Versuchsaufbau zur phasenempfindlichen Detektion von Schallgeschwindigkeit und Ultraschalldämfung ausführlich beschrieben. Diese Messmethode ist ideal zur Untersuchung der Spin-Phonon Wechselwirkung geeignet.
In this thesis, Planck size black holes are discussed. Specifically, new families of black holes are presented. Such black holes exhibit an improved short scale behaviour and can be used to implement gravity self-complete paradigm. Such geometries are also studied within the ADD large extra dimensional scenario. This allows black hole remnant masses to reach the TeV scale. It is shown that the evaporation endpoint for this class of black holes is a cold stable remnant. One family of black holes considered in this thesis features a regular de Sitter core that counters gravitational collapse with a quantum outward pressure. The other family of black holes turns out to nicely fit into the holographic information bound on black holes, and lead to black hole area quantization and applications in the gravitational entropic force. As a result, gravity can be derived as emergent phenomenon from thermodynamics.
The thesis contains an overview about recent quantum gravity black hole approaches and concludes with the derivation of nonlocal operators that modify the Einstein equations to ultraviolet complete field equations.
In this Letter, we propose a new scenario emerging from the conjectured presence of a minimal length ℓ in the spacetime fabric, on the one side, and the existence of a new scale invariant, continuous mass spectrum, of un-particles on the other side. We introduce the concept of un-spectral dimension DU of a d-dimensional, euclidean (quantum) spacetime, as the spectral dimension measured by an “un-particle” probe. We find a general expression for the un-spectral dimension DU labelling different spacetime phases: a semi-classical phase, where ordinary spectral dimension gets contribution from the scaling dimension dU of the un-particle probe; a critical “Planckian phase”, where four-dimensional spacetime can be effectively considered two-dimensional when dU=1; a “Trans-Planckian phase”, which is accessible to un-particle probes only, where spacetime as we currently understand it looses its physical meaning.
To gain a better understanding of complex mechanisms in biological systems, simultaneous control over multiple processes is key. To this purpose selective photouncaging has been developed. Photo-uncaging is an experimental scheme in which a molecule of interest has been inactivated synthetically and is activated by light. Usually a bond is cleaved and a leaving group is set free. The molecule which inactivates the molecule of interest and sets the leaving group free is called (photo-)cage. In a selective photo-uncaging scheme a number of leaving groups can be released independently, usually by irradiation with light of different wavelengths. This approach is, however, seriously limited in its applicability due to the properties of the involved cages and irradiation schemes. A major drawback is the usually quite broad UV-Vis absorption of the cages. This makes a selective activation by light difficult and limits the maximal number of independent cages severely.
Therefore, the aim of this thesis is to introduce the Vibrationally Promoted Electronic Resonance (VIPER) 2D-IR pulse sequence in a alternative selective uncaging scheme.
The VIPER 2D-IR pulse sequence is a spectroscopic tool which allows to generate 2D-IR signals whose lifetime are independent of the vibrational relaxation lifetime. It has been first used to monitor chemical exchange. It consists of a narrowband infared pump pulse, a subsequent UV-Vis pump pulse and a broadband infrared probe pulse. The UV-Vis pump pulse is off-resonant with regard to the UV-Vis absorption band. Electronic excitation becomes only possible, if the infrared pump pulse modulates the UV-Vis transition of the IR-excited molecule. This modulation brings the UV-Vis transition in resonance with the UV-Vis pump pulse. Thereby, only the molecules which were pre-excited with the infrared pulse can be excited into the electronically excited state. A computational prediction of the modulation was carried out by Jan von Cosel in the Burghardt group.
The narrowband infrared pump pulse can be used to selectively excite a subensemble of molecules in a mixture into an electronically excited state even if the UV-Vis spectra of all molecules are virtually identical. For this the sub-ensemble needs to exhibit an identifiable infrared spectrum. Combined with the introduction of isotope labels, which lead to changes in the infrared absorption spectra, the larger selectivity in the infrared region can be exploited for an alternative selective uncaging approach. In VIPER uncaging the infrared pump pulse selects the species and the subsequent UV-Vis pulse provides the energy needed for electronic excitation upon which the photo cleavage can occur.
After an introduction of the principle idea of uncaging and VIPER spectroscopy, the concept of VIPER uncaging is introduced and its limits and requirements are discussed. Some examples for possible VIPER cages are reviewed.
A coumarin molecule (7-diethylamino coumarin) which can release an azide group was chosen as a first test molecule for VIPER uncaging. Its isotopomers were characterized to determine suitable spectroscopic markers for successful uncaging and to find fitting experimental conditions. The chosen coumarin cage has an UV-Vis absorption band at approximately 380 nm and a steep flank on the high wavelength side of the band. The quantum yield for the azide compound is between 10-20 % depending on the solvent’s water content. The release was found to be on a picosecond timescale which is among the fastest known photo reactions, but the photo reaction mechanism has proven to be not straightforward. For the VIPER experiment on the mixture two isotopomers were chosen with a 13C atom at different positions. In one species a ring mode of the coumarin is changed by the 13C atom. In the other isotopomer the carbonyl stretching mode is influenced. The change in the ring mode region allows to select one species or the other with the infrared pre-excitation. Because of experimental difficulties only isotopomers with the same leaving group could be used. The successful selective electronic excitation of the individual isotopomers in a mixture was monitored by probing the carbonyl region.
As a second VIPER cage, para-hydroxyphenacyl (pHP) was chosen. A thiocyanate group was selected as leaving group. pHP cages have their electronic transition in the UV, with a maximum absorption at 290 nm. The shape of the spectrum is suitable and the quantum yield is very high, with values in the literature of up to 90 %. Also the photo reaction is well studied and the expected byproducts are well characterized. The chosen isotopologues were characterized spectroscopically. The resulting data on the photo reaction were in agreement with the mechanism proposed in the literature. The mixture for the VIPER experiment consisted of two isotopologues, where for one species all the C atoms in the ring were labelled and for the other the C-atom in the thiocyanate leaving group was labelled. Here the release of the different leaving groups, labelled and unlabelled thiocyanate, could be monitored selectively. This shows that it is possible to selectively release a molecule in a mixture of caged molecules by applying the VIPER pulse sequence.
The samples were synthesized by Matiss Reinfelds from the Heckel group and the VIPER experiments were done together with Carsten Neumann and with support
of the Bredenbeck group.
The leaving groups were chosen because of their infrared absorption which allowed to directly monitor the successful cleavage by spectroscopy. This was needed for the proof-of-concept experiment and to allow direct optimization of the experimental parameters but is not necessarily a requirement for VIPER uncaging.
Concerning the selectivity of the VIPER uncaging, the approach is at the moment mainly limited by the infrared pulse energy. The selective VIPER excitation is competing with unselective excitation directly by just the UV-Vis pulse. A more intense infrared pump pulse would increase only the selective VIPER excitation and thereby improve the contrast to the unspecific background.
To address this issue, the first steps towards an alternative infrared light generation are undertaken. In this alternative approach the infrared light for preexcitation is directly generated by difference frequency generation of the laser output, i.e. the high energy 800 nm fundamental, and the output of a non-collinear optical parametric amplifier (NOPA). To achieve a narrowband pump pulse the pulses are chirped before mixing. In the scope of this thesis a NOPA has been installed and the mixing has been tested with available test crystal medium. While infrared wavelength region and power were not in the aspired range with this alternative crystal the feasibility of mixing between a NOPA output and the fundamental could be shown.
Other possibilities to increase the contrast to the unspecific background excitation by the UV-Vis pump pulse are discussed. For most applications of selective VIPER uncaging the detection by fs-laser spectroscopy will not be needed and could be replaced by other methods e.g. chromatography. This will allow the experimental parameters of the VIPER pulse sequence to be changed in a way which reduces unspecific excitation i.e. reducing the UV-Vis-pump energy and result in much better contrast.
In conclusion, the experimental data in this thesis shows the VIPER pulse sequence to be applicable to selective uncaging schemes and indicates measures to arrive at the specificity necessary for uncaging applications. This thesis was focused on uncaging photo reactions with isotopomers and isotopologues, but other types of photo reactions could in principle be controlled in the same way. It should be possible to address different isomers in mixtures or different ground states of proteins selectively. The discussed experiments are a significant step towards control over photo reactions in mixtures.
In two-dimensional (2D) NbSe2 crystal, which lacks inversion symmetry, strong spin-orbit coupling aligns the spins of Cooper pairs to the orbital valleys, forming Ising Cooper pairs (ICPs). The unusual spin texture of ICPs can be further modulated by introducing magnetic exchange. Here, we report unconventional supercurrent phase in van der Waals heterostructure Josephson junctions (JJs) that couples NbSe2 ICPs across an atomically thin magnetic insulator (MI) Cr2Ge2Te6. By constructing a superconducting quantum interference device (SQUID), we measure the phase of the transferred Cooper pairs in the MI JJ. We demonstrate a doubly degenerate nontrivial JJ phase (ϕ), formed by momentum-conserving tunneling of ICPs across magnetic domains in the barrier. The doubly degenerate ground states in MI JJs provide a two-level quantum system that can be utilized as a new dissipationless component for superconducting quantum devices. Our work boosts the study of various superconducting states with spin-orbit coupling, opening up an avenue to designing new superconducting phase-controlled quantum electronic devices.
This article reports measurements characterizing the Underlying Event (UE) associated with hard scatterings at midrapidity (|η| < 0.8) in pp collisions at s√ = 13 TeV. The hard scatterings are identified by the leading particle, the charged particle with the highest transverse momentum (pleadingT) in the event. Charged-particle number-densities and summed transverse-momentum densities are measured in different azimuthal regions defined with respect to the leading particle direction: Toward, Transverse, and Away. The Toward and Away regions contain the fragmentation products of the hard scatterings in addition to the UE contribution, whereas particles in the Transverse region are expected to originate predominantly from the UE. The study is performed as a function of pleadingT with three different pT thresholds for the associated particles, ptrackT > 0.15, 0.5, and 1.0 GeV/c. The charged-particle density in the Transverse region rises steeply for low values of pleadingT and reaches a plateau. The results confirm the trend that the charged-particle density in the Transverse region shows a stronger increase with s√ than the inclusive charged-particle density at midrapidity. The UE activity is increased by approximately 20% when going from 7 TeV to 13 TeV pp collisions. The plateau in the Transverse region (5 <pleadingT< 40 GeV/c) is further characterized by the probability distribution of its charged-particle multiplicity normalized to its average value (relative transverse activity, RT) and the mean transverse momentum as a function of RT. Experimental results are compared to model calculations using PYTHIA 8 and EPOS LHC. The overall agreement between models and data is within 30%. These measurements provide new insights on the interplay between hard scatterings and the associated UE in pp collisions.
This article reports measurements characterizing the Underlying Event (UE) associated with hard scatterings at midrapidity in pp collisions at s√=13 TeV. The hard scatterings are identified by the leading particle, the charged particle with the highest transverse momentum (pleadingT) in the event. Charged-particle number and summed transverse-momentum densities are measured in different azimuthal regions defined with respect to the leading particle direction: Toward, Transverse, and Away. The Toward and Away regions contain the fragmentation products of the hard scatterings in addition to the UE contribution, whereas particles in the Transverse region are expected to originate predominantly from the UE. The study is performed as a function of pleadingT with three different pT thresholds for the associated particles, pminT> 0.15, 0.5, and 1.0 GeV/c. The charged-particle density in the Transverse region rises steeply for low values of pleadingT and reaches a plateau. The results confirm the trend that the charged-particle density in the Transverse region shows a stronger increase with s√ than the inclusive charged-particle density at midrapidity. The UE activity is increased by approximately 20% when going from 7 to 13 TeV. The plateau in the Transverse region (5<pleadingT< 40 GeV/c ) is further characterized by the probability distribution of its charged-particle multiplicity normalized to its average value (relative transverse activity, RT) and the mean transverse momentum as a function of RT. Experimental results are compared to model calculations using PYTHIA 8 and EPOS LHC. The overall agreement between models and data is within 30%. These measurements provide new insights on the interplay between hard scatterings and the associated UE in pp collisions.
This article reports measurements characterizing the Underlying Event (UE) associated with hard scatterings at midrapidity (|η|<0.8) in pp collisions at s√ = 13 TeV. The hard scatterings are identified by the leading particle, the charged particle with the highest transverse momentum (pleadingT) in the event. Charged-particle numbers and summed transverse-momentum densities are measured in different azimuthal regions defined with respect to the leading particle direction: Toward, Transverse, and Away. The Toward and Away regions contain the fragmentation products of the hard scatterings in addition to the UE contribution, whereas particles in the Transverse region are expected to originate predominantly from the UE. The study is performed as a function of pleadingT with three different pT thresholds for the associated particles, ptrackT> 0.15, 0.5, and 1.0 GeV/c. The charged-particle density in the Transverse region rises steeply for low values of pleadingT and reaches a plateau. The results confirm the trend observed at lower collision energies that the charged-particle density in the Transverse region shows a stronger increase with s√ than the inclusive charged-particle density at midrapidity. The plateau in the Transverse region (5<pleadingT<40 GeV/c) is further characterized by the probability distribution of its charged-particle multiplicity normalized to its average value (relative transverse activity, RT) and the mean transverse momentum as a function of RT. Experimental results are compared to model calculations obtained using PYTHIA 8 and EPOS LHC. The overall agreement between models and data is within 30%. These measurements provide new insights on the interplay between hard scatterings and the associated UE in pp collisions.
We report about the properties of the underlying event measured with ALICE at the LHC in pp and p−Pb collisions at sNN−−−√=5.02 TeV. The event activity, quantified by charged-particle number and summed-pT densities, is measured as a function of the leading-particle transverse momentum (ptrigT). These quantities are studied in three azimuthal-angle regions relative to the leading particle in the event: toward, away, and transverse. Results are presented for three different pT thresholds (0.15, 0.5, and 1 GeV/c) at mid-pseudorapidity (|η|<0.8). The event activity in the transverse region, which is the most sensitive to the underlying event, exhibits similar behaviour in both pp and p−Pb collisions, namely, a steep increase with ptrigT for low ptrigT, followed by a saturation at ptrigT≈5 GeV/c. The results from pp collisions are compared with existing measurements at other centre-of-mass energies. The quantities in the toward and away regions are also analyzed after the subtraction of the contribution measured in the transverse region. The remaining jet-like particle densities are consistent in pp and p−Pb collisions for ptrigT>10 GeV/c, whereas for lower ptrigT values the event activity is slightly higher in p−Pb than in pp collisions. The measurements are compared with predictions from the PYTHIA 8 and EPOS LHC Monte Carlo event generators.
We report about the properties of the underlying event measured with ALICE at the LHC in pp and p−Pb collisions at sNN−−−√=5.02 TeV. The event activity, quantified by charged-particle number and summed-pT densities, is measured as a function of the leading-particle transverse momentum (ptrigT). These quantities are studied in three azimuthal-angle regions relative to the leading particle in the event: toward, away, and transverse. Results are presented for three different pT thresholds (0.15, 0.5, and 1 GeV/c) at mid-pseudorapidity (|η|<0.8). The event activity in the transverse region, which is the most sensitive to the underlying event, exhibits similar behaviour in both pp and p−Pb collisions, namely, a steep increase with ptrigT for low ptrigT, followed by a saturation at ptrigT≈5 GeV/c. The results from pp collisions are compared with existing measurements at other centre-of-mass energies. The quantities in the toward and away regions are also analyzed after the subtraction of the contribution measured in the transverse region. The remaining jet-like particle densities are consistent in pp and p−Pb collisions for ptrigT>10 GeV/c, whereas for lower ptrigT values the event activity is slightly higher in p−Pb than in pp collisions. The measurements are compared with predictions from the PYTHIA 8 and EPOS LHC Monte Carlo event generators.
We report about the properties of the underlying event measured with ALICE at the LHC in pp and p−Pb collisions at sNN−−−√=5.02 TeV. The event activity, quantified by charged-particle number and summed-pT densities, is measured as a function of the leading-particle transverse momentum (ptrigT). These quantities are studied in three azimuthal-angle regions relative to the leading particle in the event: toward, away, and transverse. Results are presented for three different pT thresholds (0.15, 0.5, and 1 GeV/c) at mid-pseudorapidity (|η|<0.8). The event activity in the transverse region, which is the most sensitive to the underlying event, exhibits similar behaviour in both pp and p−Pb collisions, namely, a steep increase with ptrigT for low ptrigT, followed by a saturation at ptrigT≈5 GeV/c. The results from pp collisions are compared with existing measurements at other centre-of-mass energies. The quantities in the toward and away regions are also analyzed after the subtraction of the contribution measured in the transverse region. The remaining jet-like particle densities are consistent in pp and p−Pb collisions for ptrigT>10 GeV/c, whereas for lower ptrigT values the event activity is slightly higher in p−Pb than in pp collisions. The measurements are compared with predictions from the PYTHIA 8 and EPOS LHC Monte Carlo event generators.
The deuteron coalescence parameter 𝐵2 in proton+proton and nucleus+nucleus collisions in the energy range of √s N N = 900–7000 GeV for proton + proton and √s N N = 2–2760 GeV for nucleus + nucleus collisions is analyzed with the Ultrarelativistic Quantum Molecular Dynamics (UrQMD) transport model, supplemented by an event-by-event phase space coalescence model for deuteron and anti-deuteron production. The results are compared to data by the E866, E877, PHENIX, STAR and ALICE experiments. The 𝐵2 values are calculated from the final spectra of protons and deuterons. At lower energies, √s N N ≤ 20 GeV, B2 drops drastically with increasing energy. The calculations confirm that this is due to the increasing freeze-out volume reflected in B2 ∼ 1/V . At higher energies, √s N N ≥ 20 GeV, B2 saturates at a constant level. This qualitative change and the vanishing of the volume suppression is shown to be due to the development of strong radial flow with increasing energy. The flow leads to strong space-momentum correlations which counteract the volume effect.
Motivated by the on-going discussion on the nature of magnetism in the quantum Ising chain CoNb2O6, we present a first-principles-based analysis of its exchange interactions by applying an \textit{ab initio} approach with additional modelling that accounts for various drawbacks of a purely density functional theory ansatz. With this method we are able to extract and understand the origin of the magnetic couplings under inclusion of all symmetry-allowed terms, and to resolve the conflicting model descriptions in CoNb2O6. We find that the twisted Kitaev chain and the transverse-field ferromagnetic Ising chain views are mutually compatible, although additional off-diagonal exchanges are necessary to provide a complete picture. We show that the dominant exchange interaction is a ligand-centered exchange process - involving the eg electrons -, which is rendered anisotropic by the low-symmetry crystal fields environments in CoNb2O6, giving rise to the dominant Ising exchange, while the smaller bond-dependent anisotropies are found to originate from d−d kinetic exchange processes involving the t2g electrons. We demonstrate the validity of our approach by comparing the predictions of the obtained low-energy model to measured THz and inelastic neutron scattering spectra.
Topological phases set themselves apart from other phases since they cannot be understood in terms of the usual Landau theory of phase transitions. This fact, which is a consequence of the property that topological phase transitions can occur without breaking symmetries, is reflected in the complicated form of topological order parameters. While the mathematical classification of phases through homotopy theory is known, an intuition for the relation between phase transitions and changes to the physical system is largely inhibited by the general complexity.
In this thesis we aim to get back some of this intuition by studying the properties of the Chern number (a topological order parameter) in two scenarios. First, we investigate the effect of electronic correlations on topological phases in the Green's function formalism. By developing a statistical method that averages over all possible solutions of the manybody problem, we extract general statements about the shape of the phase diagram and investigate the stability of topological phases with respect to interactions. In addition, we find that in many topological models the local approximation, which is part of many standard methods for solving the manybody lattice model, is able to produce qualitatively correct phase transitions at low to intermediate correlations.
We then extend the statistical method to study the effect of the lattice, where we evaluate possible applications of standard machine learning techniques against our information theoretical approach. We define a measure for the information about particular topological phases encoded in individual lattice parameters, which allows us to construct a qualitative phase diagram that gives a more intuitive understanding of the topological phase.
Finally, we discuss possible applications of our method that could facilitate the discovery of new materials with topological properties.
Vibronic (vibrational-electronic) transition is one of the fundamental processes in molecular physics. Indeed, vibronic transition is essential both in radiative and nonradiative photophysical or photochemical properties of molecules such as absorption, emission, Raman scattering, circular dichroism, electron transfer, internal conversion, etc. A detailed understanding of these transitions in varying systems, especially for (large) biomolecules, is thus of particular interest. Describing vibronic transitions in polyatomic systems with hundreds of atoms is, however, a difficult task due to the large number of coupled degrees of freedom. Even within the relatively crude harmonic approximation, such as for Born-Oppenheimer harmonic potential energy surfaces, the brute-force evaluation of Franck-Condon intensity profiles in a time-independent sum-over-states approach is prohibitive for complex systems owing to the vast number of multi-dimensional Franck-Condon integrals. The main goal of this thesis is to describe a variety of molecular vibronic transitions, with special focus on the development of approaches that are applicable to extended molecular systems. We use various representations of Fermi’s golden rule in frequency, time and phase spaces via coherent states to reduce the computational complexity. Although each representation has benefits and shortcomings in its evaluation, they complement each other. Peak assignment of a spectrum can be made directly after calculation in the frequency domain but this sum-over-states route is usually slow. In contrast, computation is considerably faster in the time domain with Fourier transformation but the peak assignment is not directly available. The representation in phase space does not immediately provide physically-meaningful quantities but it can link frequency and time domains. This has been applied to, herein, for example (non-Condon) absorption spectra of benzene and electron transfer of bacteriochlorophyll in the photosynthetic reaction center at finite temperature. This work is a significant step in the treatment of vibronic structure, allowing for the accurate and efficient treatment of complex systems, and provides a new analysis tool for molecular science.
We present a unified formulation of the interaction of electrons with the electromagnetic field in heavy ion collisions, based on quantized interacting fields. This reduces the effort in treating many-electron systems substantially, as compared with the usual S-matrix theory. Both formalisms are shown to be equivalent. The simplification achieved by our new approach is demonstrated in detail for the example of quasi-molecular radiation.
Using recent lattice data on the thermodynamics of QCD in the presence of a background magnetic field, we show that the ratio of transverse to longitudinal pressure exhibits, to good accuracy, a simple scaling behavior over a wide range of temperature and magnetic field, essentially depending only on the ratio T/B $$ T/\sqrt{B} $$. We compare this QCD response to the corresponding magnetoresponse in maximally supersymmetric Yang Mills theory. Given suitable calibrations defining the comparison, we find excellent agreement. This may be viewed as a further test of the applicability of holographic models for hot QCD.
Ultrafast protein dynamics are of great interest for understanding the molecular basis of biochemical function. One method to study structural changes with highest time-resolution starting in the femtosecond regime is 2D-IR spectroscopy. However its application to investigate protein dynamics both with high temporal and spatial resolution is currently limited to few biological systems with intrinsic chromophores. Spectral congestion, the contribution of many similar oscillators to the same signals, makes it difficult to draw conclusions about local structural dynamics in most other proteins.
The aim of this thesis is to extend the application of 2D-IR spectroscopy to a wider range of proteins by introducing unnatural amino acids (UAAs) with azide or nitrile groups as site-specific vibrational probes, which absorb in the free spectral window between 1800 to 3000 cm-1 by using methods from chemical biology.
In a comparative experimental study using FTIR and 2D-IR spectroscopy of single amino acids azidohomoalanine (Aha), a methionine analogue, was identified as preferred label. To demonstrate the application potential of UAAs as site-specific probes, Aha was then incorporated into different positions in a small globular protein. By using both FTIR and ultrafast 2D-IR it was shown, that indeed the local microenvironment as well as conformational fluctuations on picosecond timescale could be monitored with high spatial information. The azide moiety shows a shift of its absorption frequency depending on the polarity of its surrounding. Using this approach, different subensembles for the protein conformations with more polar and less polar environment around the vibrational probe can be distinguished.
A second major application of site-specific labels is the study of vibrational energy transfer processes (VET), predicted to be relevant for allosteric communication in protein domains such as the PDZ domain. VET can be tracked with high spatial resolution using time-resolved IR spectroscopy by exciting a localized vibrational mode and probing separate modes in a two-colour 2D-IR experiment. To extend this kind of experiment to proteins, a specific donor-acceptor pair of two UAAs was introduced. It uses an azulene moiety as donor that can be excited in the visible range but deposits the excess energy by internal conversion into the vibrational modes of the ground state. In small peptides this VET pair was applied successfully, showing a distance-dependent energy transfer induced signal for VET through covalent bonds. These findings bare great promise for the direct observation of vibrational energy flow in proteins in real-time.
Overall this thesis is the basis for extending the usability of 2D-IR spectroscopy to study structural dynamics in a wide range of proteins systems both with high temporal and spatial resolution.
Unparticle Casimir effect
(2017)
In this paper we present the un-Casimir effect, namely the study of the Casimir energy in the presence of an unparticle component in addition to the electromagnetic field contribution. The distinctive feature of the un-Casimir effect is a fractalization of metallic plates. This result emerges through a new dependence of the Casimir energy on the plate separation that scales with a continuous power controlled by the unparticle dimension. As long as the perfect conductor approximation is valid, we find bounds on the unparticle scale that are independent of the effective coupling constant between the scale invariant sector and ordinary matter. We find regions of the parameter space such that for plate distances around 5 μm and larger the un-Casimir bound wins over the other bounds.
In the present work we study the effect of unparticle modified static potentials on the energy levels of the hydrogen atom. By using Rayleigh–Schrödinger perturbation theory, we obtain the energy shift of the ground state and compare it with experimental data. Bounds on the unparticle energy scale U as a function of the scaling dimension and the coupling constant λ are derived. We show that there exists a parameter region where bounds on U ar are stringent, signaling that unparticles could be tested in atomic physics experiments.
We present the first very long baseline interferometric (VLBI) observations of the blazar OJ 287 carried out jointly with the Global Millimeter VLBI Array (GMVA) and the phased Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) at 3.5 mm on 2017 April 2. The participation of phased ALMA has not only improved the GMVA north–south resolution by a factor of ∼3, but has also enabled fringe detections with signal-to-noise ratios up to 300 at baselines longer than 2 Gλ. The high sensitivity has motivated us to image the data with newly developed regularized maximum likelihood imaging methods, revealing the innermost jet structure with unprecedentedly high angular resolution. Our images reveal a compact and twisted jet extending along the northwest direction, with two bends within the inner 200 μas, resembling a precessing jet in projection. The component at the southeastern end shows a compact morphology and high brightness temperature, and is identified as the VLBI core. An extended jet feature that lies at ∼200 μas northwest of the core shows a conical shape, in both total and linearly polarized intensity, and a bimodal distribution of the linear polarization electric vector position angle. We discuss the nature of this feature by comparing our observations with models and simulations of oblique and recollimation shocks with various magnetic field configurations. Our high-fidelity images also enabled us to search for possible jet features from the secondary supermassive black hole (SMBH) and test the SMBH binary hypothesis proposed for this source.
We use black holes with a negative cosmological constant to investigate aspects of the freeze-out temperature for hadron production in high energy heavy-ion collisions. The two black hole solutions present in the anti-de Sitter geometry have different mass and are compared to the data showing that the small black hole solution is in good agreement. This is a new feature in the literature since the small black hole in general relativity has different thermodynamic behavior from that of the large black hole solution. We find that the inclusion of the cosmological constant (which can be interpreted as the plasma pressure) leads to a lowering of the temperature of the freeze-out curve as a function of the baryochemical potential, improving the description previously suggested by Castorina, Kharzeev, and Satz.
Eine möglichst realistische Abschätzung von Strahlenschäden ist von entscheidender Bedeutung im Strahlenschutz und für die Strahlentherapie. Die primären Strahlenschäden an der DNS werden heute mit Monte-Carlo-Codes berechnet. Diese Codes benötigen möglichst genaue Fragmentierungsquerschnitte verschiedenster biomolekularer Systeme als Eingangsparameter. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein Experiment aufgebaut, welches die Bestimmung der Fragmentierungsquerschnitte von Biomolekülen ermöglicht. Die einzelnen Baugruppen des Aufbaus wurden vor dem Beginn des Experimentes bezüglich ihrer Eigenschaften, die die Genauigkeit der Messergebnisse beeinflussen können, charakterisiert. Die Resultate dieser Experimente werden als Eingangsdaten für die Berechnung von primären strahleninduzierten Schäden in der DNS mit Hilfe von Monte-Carlo-Codes eingesetzt.
Eine besondere Herausforderung stellte die Präparation eines Überschallgasstrahls für biomolekulare Substanzen dar. Für die Präparation müssen die Targetsubstanzen zunächst in die Gasphase überführt werden. Im Falle von Biomolekülen ist diese Überführung auf Grund ihrer niedrigen Dampfdrücke bei Raumtemperatur und chemischen Reaktivität mit technischen Problemen verbunden. Die Probleme wurden mittels einer speziellen Konstruktion der Präparationseinrichtung, welche eine direkte Einleitung der Probensubstanzen in die vom Trägergas durchströmte Mischkammer ermöglicht, gelöst. Für die Genauigkeit der gemessenen Fragmentierungsquerschnitte spielen mehrere Faktoren eine Rolle. Neben dem Bewegungsprofil des Überschallgasstrahls, den kinetischen Energien der Fragmentionen und den ionenoptischen Eigenschaften des Flugzeitspektrometers beeinflusst die geometrische Beschaffenheit der Detektionszone maßgeblich die Genauigkeit des Experimentes. Die Position und Ausdehnung des sichtbaren Volumens sind nicht nur durch den Überlappungsbereich zwischen dem Elektronen- und dem Überschallgasstrahl bestimmt, sondern hängen auch von der kinetischen Energie der Fragmente ab. Für dessen Ermittlung wurden daher auch die Trajektorien der Fragmente simuliert. Bei den Experimenten an der PTB-Apparatur ist die frei wählbare Zeitdifferenz zwischen dem Auslösen eines Elektronenpulses und dem Absaugen der Fragmentionen ein wichtiger Messparameter. Ihr Einfluss auf die Messergebnisse wurde ebenfalls neben der Nachweiswahrscheinlichkeit des verwendeten Ionendetektors untersucht. Die Kalibrierung der Flugzeitspektren, d. h. die Umwandlung der Flugzeitspektren in Massenspektren erfolgte anhand der bekannten Flugzeitspektren von Edelgasen und Wasserstoff.
Nach der Charakterisierung der Einflussfaktoren und Kalibrierung der Flugzeitspektren wurden die energieabhängigen Fragmentierungsquerschnitte für Elektronenstoß von mehreren organischen Molekülen, darunter die von Modellmolekülen für die DNS-Bausteine gemessen. Die Flugzeitspektren von THF wurden mit der PTB-Apparatur für einige kinetische Energien der Elektronen in Abhängigkeit von der Zeitdifferenz zwischen dem Auslösen des Elektronenpulses und dem Starten der Analyse durchgeführt. Messungen von Pyrimidin wurden sowohl an der PTB-Apparatur als auch mit COLTRIMS durchgeführt. Die mit COLTRIMS gewonnenen Ergebnisse liefern wichtige Zusatzinformationen über die Fragmentierungsprozesse. COLTRIMS ermöglicht die Messung der zeitlichen Korrelationen zwischen den auftretenden Fragmentionen und damit tiefere Einblicke in die bei der Entstehung der Fragmente beteiligten Reaktionskanäle. Der Vorteil der PTB-Apparatur besteht darin, dass die relativen Auftrittswahrscheinlichkeiten aller Fragmentionen genauer bestimmt werden können.
Im Rahmen dieser Arbeit ist es gelungen, eine weltweit einmalige Messapparatur zu entwickeln, mit der Wasserstoffmolekülionen mittels kurzer Laserpulse ionisiert und die Reaktionsprodukte kinematisch vollständig vermessen werden können. Es wird dazu eine an die Coltrims-Technik angelehnte Detektionsmethode genutzt, bei der sowohl Protonen als auch Elektronen über den vollen Raumwinkel nachgewiesen werden können. Die H2+ -Ionen stammen aus einer Hochfrequenz-Ionenquelle und werden auf 400keV beschleunigt. Die Besetzungshäufigkeit der Vibrationsniveaus entspricht daher der Franck-Condon-Verteilung für den Übergang aus dem Grundzustand des neutralen Wasserstoffmoleküls in den elektronischen Grundzustand des Molekülions: H2 (xPg, ν = 0) → H2+ (1sσg, ν′) Dieser Ionenstrahl wird mit einem 780 nm Laserpuls der Pulslänge 40 fs überlappt. Nach der Reaktion fragmentiert das Molekülion entweder über den Dissoziationskanal H2+ + nhν ⇒ H + H+ oder über eine Ionisation gefolgt von einer Coulomb-Explosion: H2+ + nhν ⇒ H+ + H+ + e−. Die Projektile werden nach einer Driftstrecke von etwa 3 m auf einem Ionendetektor nachgewiesen. Für den Nachweis der Elektronen wurde ein spezielles Spektrometer konzipiert, das eine Unterdrückung ungewollter Elektronen erlaubt und so die Messung der Elektronen ermöglicht. Um Elektronen auszublenden, die vom Laser aus dem Restgas ionisiert werden, ist der Elektronendetektor in Flugrichtung der Ionen versetzt angebracht. Durch die unkonventionelle Ausrichtung des Lasers in einem Winkel von 20◦ relativ zur Flugrichtung der Ionen können vom Laser erzeugte Elektronen nur dann den Elektronendetektor erreichen, wenn sie aus dem bewegten Bezugsystem der Projektile stammen. Diese Unterdrückung macht die Messung der Elektronen erst möglich, hat aber auch eine nachteilige Geometrie der Verteilungen gegenüber den Detektorebenen zur Folge. Durch die Ausnutzung der Projektilgeschwindigkeit ist überdies die Benutzung eines B-Feldes zur Verbesserung der Flugzeitauflösung der Elektronen nicht möglich. Um eine Überlappung des Ionenstrahls mit dem Laserfokus zu erreichen, wurde im Bereich der Reaktionszone ein System zur Visualisierung der Strahlpositionen integriert. Dieses kann überdies für eine Intensitätseichung bei linear polarisiertem Licht verwendet werden. Bei der Reaktion kommt es durch die vergleichsweise lange Pulsdauer schon bei relativ niedrigen Intensitäten zu Dissoziationsprozessen. Das dissoziierende Molekül erreicht noch während der ansteigenden Flanke des Laserpulses auf diese Weise Abstände, bei denen der Prozess der Charge-Resonance-Enhanced-Ionization (CREI) stattfinden kann. Auch die in einem sehr engen Winkelbereich um die Polarisationsrichtung des Lasers liegende Winkelverteilung der gemessenen Protonen deutet darauf hin, dass CREI der dominante Ionisationsprozess ist. Durch die vorausgehende Dissoziation nimmt das Molekül schon vor der Ionisation eine kinetische Energie auf, so dass die gemessene KER-Verteilung einer Summe aus KERDissoziation und KERIonisation darstellt. Ein Vergleich mit den KER-Spektren des Dissoziationsprozesses zeigt, dass die aufgenommene Energie durch Dissoziation zu einem überwiegenden Anteil in einem Bereich von 0, 6 ± 0, 35 eV besitzt, während die Gesamt-KER-Verteilung deutlich höhere Werte bis zu 6 eV aufweist. Dies ermöglicht, aus der gemessenen KER-Verteilung den internuklearen Abstand zum Ionisationszeitpunkt näherungsweise zu bestimmen. Die gemessenen Elektronen weisen, ebenso wie die Protonen, eine scharfe Ausrichtung entlang der Laserpolarisation auf, was durch den Einfluss des Lasers auf dieser Achse nicht verwunderlich ist. Bei zirkularer Polarisation dagegen findet eine Netto-Beschleunigung der Elektronen senkrecht zur Richtung des elektrischen Feldes zum Ionisationszeitpunkt statt, sodass die Messung der Elektronenimpulse eine geeignete Messgröße zur Untersuchung des Ionisationsprozesses darstellt. Auf diese Art konnten Winkelverteilungen der Elektronen bezüglich der internuklearen Achse innerhalb der Polarisationsebene gemessen werden. Abhängig von KER und Elektronenergie konnte dabei eine Verdrehung der Verteilung gegenüber den klassisch erwarteten 90◦ relativ zur internuklearen Achse festgestellt werden. Die Winkelverteilung rotiert dabei mit steigendem KER entgegen des Drehsinns. Dies widerspricht der gängigen Vorstellung einer Tunnelionisation, bei der nur die Beschleunigung des Elektrons im Laserfeld eine Rolle spielt und der Einfluss des Coulomb-Potentials vernachlässigt wird. Für höhere Elektronenergien zeigt sich eine zweite konkurrierende Struktur, die für die höchsten Energien die sonst vorherrschende erste Struktur sogar dominiert. Da sich in den Protonenspektren für linear polarisiertes Licht kein Einfluss einer Ionisationsenkrecht zur Polarisationsrichtung findet, erscheint dies als Grund für die zweite Struktur in den Elektron-Winkelverteilungen als unwahrscheinlich. Eine stichhaltige und gestützte Erklärung gibt es bisher weder für die Rotation der ersten Struktur noch für die Herkunft der zweiten. Dies zeigt deutlich, dass es auch für dieses einfachste Molekülsystem noch einen erheblich Handlungsbedarf sowohl auf theoretischer als auch von experimenteller Seite gibt. Da dieses Experiment den ersten experimentellen Zugang für die direkte Untersuchung der Elektronimpulse bei der Ionisation von H2+ -Ionen in kurzen Laserpulsen darstellt, bietet sich hier die bisher einzige Möglichkeit, dieses Verhalten experimentell zu untersuchen.
Untersuchung der Konformation und Dynamik von RNA mit Hilfe fluoreszierender Farbstoffmoleküle
(2010)
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung der konformationellen und elektronischen Eigenschaften sowie der Dynamik verschiedener RNA-Systeme. Zur Durchführung dieser Experimente wurde zusätzlich zu bereits vorhandenen statischen und zeitaufgelösten Absorptionsspektrometern im Rahmen dieser Arbeit eine Apparatur zur Messung von Fluoreszenzlebensdauern entwickelt, die durch die integrative Verwendung zweier verschiedener, etablierter Technologien (TCSPC und Aufkonvertierung) über einen weiten Zeitbereich von 9 Größenordnungen (100 fs - 0,1 ms) operiert. Mit diesem Aufbau konnten neben den RNA-Studien wichtige Beiträge zum Verständnis der Isomerisierung eines Retinalproteins, des Transportprozess des Membrantransportproteins TbSMR und der im Infraroten liegenden Fluoreszenz des Radikalkations von Astaxanthin gewonnen werden. Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit liegt auf der Untersuchung verschiedener RNA-Systeme: So werden die optischen Eigenschaften einer 1-Ethinylpyren-modifzierten RNA-Adeninbase allein und in RNA-Strängen eingebunden untersucht. Statische Fluoreszenzmessungen zeigen einen ausgeprägten Ladungstransfercharakter des Chromophors und eine generell große Wechselwirkung zwischen Ethinylpyren und Adenin, die in einer substanziellen Änderung der optischen Eigenschaften des Pyrens resultiert. Die Untersuchung der schnellen Photodynamik von Pyrenadenin zeigt zudem eine Verringerung der Lebensdauer von Pyren um etwa 2 Größenordnungen. Pyrenadenin zeigt sowohl Fluoreszenz eines neutralen (100-200 ps), als auch eines energetisch tiefer liegenden Ladungstransferzustands (1-2 ns). Die Formationszeit des Ladungstransferzustandes fällt mit steigender Polarität des Lösemittels. Eingebunden in Modell-RNA-Stränge ist Fluoreszenzquantenausbeute des Chromophors ein deutlicher Indikator für seine Interkalation. Nur in der stabileren Umgebung von GC-Basenpaaren ist das Pyren in der Lage, sich dauerhaft innerhalb des Duplex aufzuhalten, während in einer flexibleren AU-Umgebung eine Position außerhalb des RNA-Duplex präferiert wird. Transiente Absorptionsmessungen zeigen, dass die Photophysik des in RNA eingebundenen Pyrenadenins nur kleine Variationen im Vergleich zur Photophysik des Labels allein aufweist. Die deutliche Abnahme der Quantenausbeute des interkalierten Chromophors geht hauptsächlich auf Kosten der langlebigeren Ladungstransferfluoreszenz, so dass interkaliertes Pyren insgesamt schneller in den Grundzustand zurückkehrt als nicht interkaliertes. Mit Hilfe eines doppelt modifizierten Duplex, bei dem sich jeweils ein Farbstoff an einem der beiden Stränge befindet, kann nachgewiesen werden, dass aufgrund von Exzimerwechselwirkungen eine Verschiebung des Fluoreszenzmaximums von 35 nm auftritt. Kurzzeitspektroskopische Messungen zeigen Signale, die als Superposition von Monomeren und Exzimeren interpretiert werden können, wobei die Lebensdauer des letzteren mit 18,5 ns die der Monomerkomponente um ein Vielfaches übertrifft. Ein weiterer Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit einer Studie zur Bindung des fluoreszenten Liganden Tetrazyklin an das Tetrazyklin bindende Aptamer. Hier wird auf Basis verschiedener Mutanten mit Hilfe des TCSPC eine Analyse der Stabilität der Bindetasche sowie mit der Stopped-Flow-Methode eine Beobachtung des Bindungsprozesses durchgeführt. Insgesamt folgt die Bindung des Tetrazyklins an das Aptamer einer zweistufigen Kinetik, deren zweiter Schritt irreversibel ist. Die Bindung läuft, verglichen mit anderen Aptameren, sehr schnell ab. Während die Mutationen von A13 und A50,die direkte Kontakte zum Substrat bilden, nur einen leichten Einfluss auf beide Bindungsschritte ausüben, führt eine Mutation der für die Präformation verantwortlichen Base A9 zu einer Verlangsamung des Bindungsprozesses um mehr als einen Faktor 20 durch eine immens gesteigerten Rückreaktionsrate des ersten Bindungsschritts. Hieraus lässt sich schließen, dass bei fehlender Präformation des Aptamers nur wenige Tetrazyklinmoleküle ein für vollständige Bindung geeignetes Aptamer vorfinden. Die Bindung an A13 und A50 geschieht bereits im ersten Schritt des Bindungsprozesses. Ferner konnte anhand von Lebensdauermessungen gezeigt werden, dass nach dem Wildtyp die Mutante A9G die stabilste Bindetasche aufwies. Das Fehlen eines direkten Kontaktes wirkt sich deutlich stärker aus. Insbesondere führt die Abwesenheit der Fixierung des Gegenions durch A50 zu der instabilsten Bindetasche. Wie in dieser Arbeit gezeigt wird, ist die zeitaufgelöste optische Spektroskopie insbesondere in Verbindung mit fluoreszierenden Molekülen ein ausgezeichnetes Mittel zur Beobachtung von Struktur und Dynamik von RNA. Die Empfindlichkeit von Fluoreszenz auf die Veränderung der Umgebung des Chromophors erlaubt es, Konformationsdynamik und elektronische Konfigurationen in Echtzeit zu beobachten.
Die vorliegende Arbeit präsentiert die wissenschaftlichen Erkenntnisse, welche im Rahmen dreier verschiedener Messreihen gewonnen wurden. Kernthema ist in allen Fällen die Ionisation von molekularem Wasserstoff mit Photonen.
Im Rahmen der Messung sollte eine 2014 veröffentlichte Vorhersage der theoretischen Physiker Vladislav V. Serov und Anatoli S. Kheifets im Experiment überprüft werden. Ihren Berechnungen zufolge kann ein sich langsam vom Wasserstoff Molekülion entfernendes Photoelektron durch sein elektrisches Feld das Mutterion polarisieren und dafür sorgen, dass beim anschließenden Aufbruch in ein Proton und ein Wasserstoffatom eine asymmetrische Emissionswinkelverteilung zu beobachten ist [SK14]. Diese Vorhersage konnte mit den Ergebnissen der hier vorgestellten Messung zweifelsfrei untermauert werden. Für drei verschiedene Photonenenergien, welche im relevanten Reaktionskanal Photoelektronenenergien von 1, 2 und 3 eV entsprechen, wurden die prognostizierten Symmetrien in den Messdaten herauspräpariert. Es zeigte sich, dass diese sowohl in qualitativer wie auch in quantitativer Hinsicht gut bis sehr gut mit den Vorhersagen übereinstimmen.
Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde erneut die Dissoziationsreaktion, allerdings bei deutlich höheren Photonenenergien, untersucht. Ziel war es, den in Zusammenarbeit mit den Physikern um Fernando Martin gelungenen theoretischen Nachweis der Möglichkeit einer direkten Abbildung von elektronischen Wellenfunktionen auch im Experiment zu vollziehen. Der überwiegende Teil aller Veröffentlichungen im Vorfeld dieser Messung fokussierte sich bei den Untersuchungen der Wellenfunktion entweder auf die rein elektronischen Korrelationen - so zum Beispiel in Experimenten zur Ein-Photon-Doppelionisation, wo Korrelationen zwischen beiden beteiligten Elektronen den Prozess überhaupt erst möglich machen - oder aber auf den Einfluss, welchen das Molekülpotential auf das emittierte Elektron ausübt. Die wenigen Arbeiten, die sich bis heute an einer unmittelbaren Abbildung elektronischer Wellenfunktionen versuchten, gingen meist den im Vergleich zu dieser Arbeit umgekehrten Weg: Man untersuchte hier das Licht höherer Harmonischer, wie sie bei der lasergetriebenen Ionisation und anschließenden Rekombination eines Photoelektrons mit seinem Mutterion entstehen.
In dieser Arbeit wurde ein Ansatz präsentiert, der zwei überaus gängige und verbreitete Messtechniken geschickt kombiniert - Während das Photoelektron direkt nachgewiesen und seine wesentlichen Eigenschaften abgefragt werden, kann der quantenmechanische Zustand des zweiten, gebunden verbleibenden Elektrons über einen koinzident dazu geführten Nachweis des ionischen Reaktionsfragments bestimmt werden. Dieser Vorgang stützt sich wesentlich auf Berechnungen der Gruppe um Fernando Martín, welche eine Quantifizierung der Beiträge einzelner Zustande zum gesamten Wechselwirkungsquerschnitt dieser Reaktion erlauben. Diese unterscheiden sich je nach Energie der Fragmente signifikant, so dass über eine Selektion des untersuchten KER-Intervalls Kenntnis vom elektronischen Zustand des H2 +-Ions nach der Photoemission erlangt werden kann. Die experimentellen Daten unterstützen die Theorie von Martin et al. nicht nur mit verblüffend guter Übereinstimmung, die gemessenen Emissionswinkelverteilungen stehen darüber hinaus auch in sehr gutem Einklang mit ihren theoretisch berechneten Gegenstücken. Die Ergebnisse wurden zwischenzeitlich in der renommierten Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht [WBM+17].
Die dritte Messreihe innerhalb dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Photodoppelionisation von Wasserstoff. Im Rahmen des selben Experiments wie die weiter vorn beschriebene Dissoziationsmessung bei 400 eV Photonenenergie aufgenommen, belegen die Ergebnisse auf wunderbar anschauliche Art und Weise, dass die Natur in unserer Umgebung voller Prozesse ist, die ursprünglich als rein quantenmechanische Laborkonstrukte angesehen wurden. Es konnte zweifelsfrei gezeigt werden, dass die beiden Elektronen, die bei der Photodoppelionisation freigesetzt werden, als ein Quasiteilchen aufgefasst werden können. Sie befinden sich in einem verschränkten Zweiteilchenzustand, und nur eine koinzidente Messung beider Elektronen vermag es, Interferenzeffekte in ihren Impulsverteilungen sichtbar zu machen - betrachtet man beide hingegen individuell, so treten keinerlei derartige Phänomene auf. Es gelang dabei zudem, eine beispielhafte Übereinstimmung zwischen den gemessenen Daten und einer theoretischen Berechnung der Kollegen um Fernando Martín zu erreichen.
Zur Erforschung des Strahlstransports durch zwei Toroidsegmente wurden im Rahmen dieser Arbeit theoretische Betrachtungen, Simulationen und experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Dazu wurde ein toroidaler Teststand, bestehend aus zwei 30 Grad Toroidsegmenten mit einer magnetischen Feldstärke von 0,6 T und einer Driftsektion zwischen diesen beiden Magneten von 400 mm Länge, verwendet. Von einer Volumenionenquelle wurde ein Wasserstoffionenstrahl erzeugt und dieser mittels eines Solenoids angepasst und in das erste Toroidsegment eingeschossen. Mit Hilfe eines beweglichen Detektors konnte der Ionenstrahl an jeder Position im Rezipienten beim Transport durch den toroidalen Aufbau experimentell untersucht und vermessen werden.
Bei den Experimenten mit dem vorhandenen Detektor konnten auf den Aufnahmen der Leuchtdichteverteilung starke Sekundärelektroneneffekte beobachtet werden, welche die Untersuchung des Ionenstrahls mit dem Detektor erschwerten oder teilweise ganz unmöglich machten. Aus diesem Grund wurde zur Unterdrückung dieser Elektronen eine Wasserstoffatmosphäre im Rezipienten aufgebaut, welche die Elektronen stärker absorbiert als die Ionen und damit die Beobachtung des Ionenstrahls ermöglichen sollte. Auf diesem Wege lässt sich das transversale Verhalten des Strahls beim Strahltransport durch die toroidalen Magnetfelder mit dem vorhandenen Detektor untersuchen. Die Auswirkungen des Wasserstoffgases auf die geladenen Teilchen wurden dabei theoretisch und experimentell untersucht und analysiert. Die Auswirkung von Helium-, Stickstoff- und Argongas auf den Ionenstrahl und die Elektronen wurde in diesem Zusammenhang experimentell betrachtet.
Des Weiteren wurde mit Hilfe des Computerprogramms TBT der Strahltransport durch die zwei toroidalen Magnetfeldsegmente unter Verwendung von Referenzeinstellungen simuliert und die Ergebnisse mit den theoretischen und experimentellen Daten des Strahltransports verglichen. Bei diesen Simulationen konnten die Gyrationsbewegungen sowie die Transmission des Ionenstrahls durch die Driftsektion genauer untersucht werden.
Da die Magnetfelder der Toroidsegmente auch in der Driftsektion als Führungsfelder dienen sollen, sind die im experimentellen Aufbau verwendeten Toroidsegmente nicht magnetisch geschirmt. Dies hat zur Folge, dass das von den Magneten erzeugte Feld Auswirkungen auf andere Komponenten des toroidalen Teststandes besitzt. Aus diesem Grund wurden die Auswirkungen dieser Magnetfelder auf die Ionenquelle sowie auf das Druckmesssystem des Teststands genauer betrachtet.
Die Arbeit entstand im Rahmen des Förderprogramms ”Profil NT” und war Bestandteil des BMBF–Projektes ”NANOTHERM” (FKZ17PNT005). Dabei sollte die Möglichkeit der Integration und Verwendung von Nanodrähten als funktionsbestimmende Komponente im thermoelektrischen Sensorelement untersucht werden. Eine wichtige Aufgabe bestand darin die thermoelektrischen Eigenschaften der einzelnen Nanodrähte, insbesondere den Seebeck–Koeffizienten, zu untersuchen. Im Hinblick auf die weitere Entwicklung der Nanotechnologie ist es sehr wichtig, geeignete Messplattformen zu generieren und der Wissenschaftlichen Gemeinschaft zur Verfügung zu stellen für die Charakterisierung von Nanostrukturen. Für die Forschung bedeutet dies, dass man immer präziser die ”Physik im kleinen” studieren kann. Im Bezug auf die Anwendungen stellen die ausgeführten Untersuchungen eine wesentliche Basis für die Bauelemente–Optimierung und ihren späteren industriellen Einsatz dar.
In dieser Arbeit werden zwei Chipdesigns vorgestellt für die Bestimmung des Seebeck–Koeffizienten, die eine ausreichend hohe Temperaturdifferenz in Nanostrukturen erzeugen. Für beide Chips wird die mikromechanische Fertigung im einzelnen erläutert. Zusätzlich wurden die Chips in FEM–Simulationen analysiert. Eine messtechnische Charakterisierung der Chips bestätigt die Simulationen und die Funktionsweise der Chips für Untersuchungen des Seebeck–Koeffizienten an Nanostrukturen. Erstmals wurden Wolfram bzw. Platin FEBID–Deponate hinsichtlich des Seebeck–Koeffizienten untersucht. Für die Wolfram–Deponate ergab sich ein negativer Seebeck–Koeffizient. Der gemessenen Seebeck–Koeffizient war über mehrere Tage stabil. Als Ergebnis temperaturabhängiger Messungen des Seebeck–Koeffizienten konnte eine Wurzel-T Abhängigkeit beobachtet werden, die in der Theorie beschrieben wird.
Eine Untersuchung des Seebeck–Koeffizienten an Pt–FEBID–Deponaten zeigt einen Vorzeichenwechsel für Proben mit geringer elektrischer Leitfähigkeit (isolierender Charakter, schwache Kopplung). In der Literatur wird dieser Vorzeichenwechsel allerdings für Proben mit metallischer elektrischer Leitfähigkeit beschrieben. Aufgrund der Messergebnisse ist zu prüfen inwiefern die Theorie des Seebeck–Koeffizienten auf Proben mit schwacher Kopplung zu übertragen ist. Da die gemessenen Seebeck–Koeffizienten bei einigen nanoskaligen Proben sehr klein waren, wurde der Seebeck–Koeffizient des Kontaktmaterials in separaten Versuchen untersucht. Für das hier verwendete Schichtsystem Ti(40nm)/Au(120nm) kann ein Seebeck–Koeffizient von -0,22µV/K angegeben werden. Bei der Charakterisierung der Pt–FEBID–Deponaten wurde dieser Beitrag des Kontaktschichtsystems zur Thermospannung berücksichtigt.
Untersuchungen an BiTe–Nanodrähten mit dem Seebeck–Chip ergaben einen negativen Seebeck–Koeffizienten. Die ersten Untersuchungen wurden mit Kupfer als Kontaktmaterial durchgeführt, weil dieses sehr gute Lift–Off Eigenschaften besaß. Trotz der Kupferdiffusion in den Nanodraht hinein, wird der negative Seebeck–Koeffizient einem Tellur–Überschuss zugeschrieben, denn an Proben mit einer geeigneten Diffusionsbarriere war in nachfolgenden Untersuchungen ebenso ein negativer Seebeck–Koeffizient zu messen. Die ermittelten Beweglichkeiten sind niedriger als die von Bulkmaterial und können durch klassische Size–Effekte erklärt werden. Die gemessenen Ladungsträgerkonzentrationen liegen in typischen Bereichen für Halbmetalle. Die Charakterisierung des Seebeck–Koeffizienten mit Hilfe des hier vorgestellten Z–Chip ergab einen negativen Seebeck–Koeffizienten für die BiTe–Nanodrähte, die wie oben erläutert auf einen Tellur–Überschuss zurückzuführen sind. Eine Abschätzung eines mit Nanodrähten aufgebauten Sensors zeigt, dass im Vergleich zu konventionellen Dünnschicht–Thermopiles deutlich höhere Empfindlichkeiten zu erzielen sind. Erste technologische Konzepte für den Aufbau von Nanodraht–Arrays wurden erarbeitet und durch entsprechende Untersuchungen verifiziert.
Grundsätzlich ist der Z–Chip für die Charakterisierung aller drei Transportkoeffizienten geeignet und bietet die Option, anderen Arbeitsgruppen eine universelle thermoelektrische Messplattform zur Verfügung zu stellen.
Epileptische Anfälle, unabhängig von ihrer Art und Auftrittshäufigkeit, bilden eine Symptomatik, welche bei ca. 1% der Weltbevölkerung auftritt. Hierbei kann es beispielsweise zu unkontrollierten Muskelkrämpfen kommen, ebenso aber zu einer Vielzahl anderer Symptome, die in ihrer Gesamtheit das Krankheitsbild der sogenannten Epileptogenesis bilden. Bei etwa zwei Drittel der an Epilepsie leidenden Patienten kann in vielen Fällen Anfallsfreiheit im Rahmen einer medikamentösen Therapie erreicht werden. Dies umso besser, wenn die Medikation präventiv zum geeigneten Zeitpunkt erfolgen könnte. Demzufolge würden in einer großen Anzahl von Fällen Patienten von einem System profitieren, das eine automatisierte zuverlässige Anfallsvorhersage ermöglicht. Bei nur 20% der anderen Patienten kann eine chirurgische Behandlung erfolgreich sein.
In dieser Arbeit soll eine weitergehende Untersuchung des im Institut für Angewandte Physik der Johann Wolfgang Goethe- Universität entwickelten Prädiktionsverfahrens an verschiedenen EEG-Registrierungen unterschiedlicher Patienten erfolgen. Dabei soll im speziellen untersucht werden, ob basierend auf den Resultaten einer Signalprädiktion eine Unterscheidung zwischen Voranfallszeitraum, Anfall und anfallsfreier Phase getroffen werden kann, und ob basierend auf den Kenngrößen eines Prädiktors und des Prädiktionsfehlers eine Merkmalsdefinition gefunden werden kann, welche in einem späteren, implantierbaren Frühwarnsystem eine automatisierte Anfallsvorhersage ermöglicht. Als Datenbasis sollen vier Langzeit-EEG-Registrierungen mit einer Länge von jeweils 5 – 10 Tagen zugrunde gelegt werden. Zur Prädiktion sollen zeitdiskrete, gedächtnisbehaftete, mehrschichtige Zellulare Nichtlineare Netzwerke herangezogen werden. Dabei soll insbesondere anhand von unterschiedlichen Netzwerken festgestellt werden, inwieweit mittels einer Signalprädiktion Synchronisationseffekte zwischen EEG-Signalen verschiedener Hirnareale festgestellt werden können.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden grundlegende Eigenschaften von GEM-Verstärkungsstrukturen untersucht. Dies waren der Einfluss des Alignmenteffektes auf die Reproduzierbarkeit von Messungen, die Elektronenextraktionseffizienz von GEMs im allgemeinen und die Auswirkungen von Druckschwankungen auf die Gasverstärkung. Weiterhin wurden verschiedene vierlagige GEM-Verstärkungssysteme mit einer MP-GEM an erster Stelle in Hinblick auf Ionenrückfluss und Energieauflösung untersucht.
Der Alignmenteffekt ist noch nicht vollkommen verstanden und verlangt weitere Untersuchungen. Was aber definitiv gesagt werden kann ist, dass das Drehen der GEMs um 90° die Reproduzierbarkeit der Messergebnisse sicherstellt.
Die unterschiedlichen Elektronenextraktionseffizienzen der verschiedenen GEM-Typen sind noch unverstanden. Auch wenn die grundsätzliche Zunahme der Extraktion mit zunehmenden Transferfeld verständlich ist, so bleibt vor allem das Verhalten einer LP-GEM in diesem Kontext bis jetzt unerklärlich.
Die Versuche mit einer MP-GEM an erster Stelle einer vierlagigen Verstärkungsstruktur haben sich als keine Verbesserung im Vergleich zu den S-Konfigurationen herausgestellt. Auch wenn manche gefundenen Einstellungen die Kriterien von einem IBF von weniger als 1 % und einem σ(55Fe) von weniger als 12 % gleichzeitig erfüllen, liegen diese Messpunkte so knapp an den definierten Grenzen, dass sie nicht für den Betrieb in der Spurendriftkammer von ALICE geeignet sind. Eine Erkenntnis, die trotzdem gewonnen werden konnte, ist, dass sich das Verhalten von verschiedenen Konfigurationen verstehen lässt. So ist die beste untersuchte Konfiguration die MP-LP-LP-S-Konfiguration gewesen, danach folgte die MP-S-LP-S und als schlechteste hat die MP-S-LP-SP-Konfiguration abgeschnitten. Dies ist genau die gleiche Reihenfolge, wie sie auch bei den S-Konfigurationen auftritt: S-LP-LP-S, dann S-S-LP-S und danach S-S-LP-SP. Ein wichtiger Schritt in einem guten Kompromiss zwischen Ionenrückfluss und σ(55Fe), scheinen zwei LP-GEMs an zweiter und dritter Stelle zu sein und weniger der Lochabstand der letzten GEM.
Die Druckabhängigkeit der Gasverstärkung hat einen großen Einfluss auf die Verstärkung und damit auf die Reproduzierbarkeit von Messungen. Bei einem Höhenunterschied von ca. 400 m ergibt sich eine Änderung der Verstärkung von ca. 35 %. Zusätzlich wird dieser Effekt von lokalen Wetterbedingungen überlagert. Der Einfluss des Luftdruckes kann jedoch mit dem Fit in Abbildung 43 berücksichtigt und damit herausgerechnet werden
Untersuchung von Korrelationseffekten in der Doppelphotoemission von normal- und supraleitendem Blei
(2012)
Im Rahmen dieser Arbeit wurde für die erstmalige Untersuchung der Doppelphotoemission von supraleitenden Materialien eine neue Messapparatur aufgebaut. Mit ihr lassen sich auf eine neue Weise Korrelationseffekte zwischen zwei Elektronen untersuchen, denn beide werden für jedes Reaktionsereignis mit ihrem vollständigen Impulsvektor aufgezeichnet. Die Apparatur kann daher für einen direkten Nachweis der Cooperpaarung in Supraleitern verwendet werden. Dazu wurden ein speziell für diesen Zweck angepasstes Spektrometer, Vakuumsystem und Probenhalter konstruiert. Ein mehrfach verbessertes Vakuumsystem sorgte dafür, dass eine Bleioberfläche über einen Zeitraum von mindestens 15 Stunden nach einer Reinigung gemessen werden konnte. Das Spektrometer erlaubte die koinzidente Messung von Elektronen über einen großen Raumwinkelbereich mit ausschließlich elektrischen Feldern. Dadurch war es auch im supraleitenden Zustand möglich, die Trajektorien der Elektronen zu berechnen. Die Energieauflösung für jedes Elektron lag zwischen 1/30 und 1/50, je nach untersuchtem Emissionswinkel. Ein eigens entwickelter Probenhalter erlaubte es, eine nur von einer Seite thermisch abgeschirmte Probe auf eine Temperatur von 4,5 K zu kühlen. Die Experimente wurden an einer Beamline des Berliner Synchrotrons BESSY durchgeführt.
Von entscheidender Bedeutung für die Auswertung der Daten ist die Qualität der Pulserkennungsroutine. Sie bestimmt die Totzeit der Messapparatur, das heisst wie nahe zwei Elektronen zeitlich und räumlich beieinander liegen dürfen, um noch detektiert zu werden. Sie beeinflusst somit die Beobachtung erheblich. In den als digitalisierte Pulse aufgenommen Rohdaten besteht die Schwierigkeit darin, zwei übereinander liegende Signale als solche zu erkennen und die richtige Zeit beider Signale zu bestimmten. Dies wurde erheblich verbessert, indem ein in Vorabeiten simulierter Doppelpulsalgorithmus modifiziert und erstmalig verwendet wurde. In der Folge konnte die Totzeit deutlich verringert und daher bis zu 20% mehr Doppelereignisse gefunden werden. Darüber hinaus ließen sich Fehler bei der Zeiterkennung nahe aufeinander folgender Pulse korrigieren. Ein in diesem Zusammenhang entwickeltes Programm erzeugte durch die Addition von gemessenen Einzelpulsen künstliche Doppelereignisse mit beliebiger Abstandsverteilung und erlaubte so erstmals eine exakte Simulation der Detektortotzeit mit verschiedenen Pulserkennungsalgorithmen.
Neben den Koinzidenzereignissen wurden auch die Ergebnisse der gewöhnlichen Photoemission untersucht und mit Bandstrukturrechnungen verglichen. Aufgrund der Messmethode wurde keine Vorauswahl bezüglich des Emissionswinkels oder der kinetischen Energie getroffen. Die Ergebnisse der Fermiflächen stimmen innerhalb der erreichten Auflösung mit den theoretischen Vorhersagen überein. Ebenso konnten die Strukturen in den Parallelimpulsspektren der Elektronen, die aus lokalisierten Energieniveaus emittiert wurden, mit der Interferenz der ausgehenden Wellenfunktionen erklärt werden. Eine Simulation dieses Effekts lieferte trotz der vergleichsweise sehr niedrigen Elektronenenergien eine gute Übereinstimmung der wesentlichen Merkmale.
Es wurden Doppelphotoemissionspektren von Blei bei verschiedenen Photonenenergien im Bereich von 21,22 eV bis 40 aufgenommen. Dabei konnten verschiedene Emissionskanäle identifiziert werden. Das Korrelationsloch ist ein sehr grundlegender Effekt, der aufgrund der Coulombabstoßung und des Pauli-Prinzips auftritt und daher bei allen Metallen vorkommt. Betrachtet man das Korrelationsloch im Impulsraum, so führt es dazu, dass zwei gleichzeitig emittierte Elektronen keine ähnlichen Impulsvektoren besitzen dürfen. Durch die verbesserten Pulserkennungsalgorithmen war es möglich, das Korrelationsloch zu untersuchen und über einen weiten Energiebereich zu vermessen. Es zeigte sich wie erwartet als Verarmungszone in der Impulsverteilung eines Elektrons um den Impuls eines zweiten. Ein solcher Effekt ist mit einem einzelnen Detektor sehr schwer zu messen, da die Totzeit die gleiche Auswirkung auf die Spektren hat. Durch eine Simulation konnte ihr Einfluss in jedem Spektrum herausgefunden und so beide Effekte voneinander getrennt werden. Sie stehen damit für einen Vergleich mit einer noch zu entwickelnden theoretischen Vorhersage zur Verfügung.
Aufgrund der bei Blei sehr nahe an der Fermikante liegenden, lokalisierten Energieniveaus konnte der Augerzerfall aus dem Valenzband identifiziert und untersucht werden. Korrelationseffekte zwischen den beiden Elektronen spielten aufgrund des sehr breiten Valenzbandes wie erwartet eine untergeordnete Rolle. Dies ließ sich nachweisen, indem die Energieverteilung durch eine Selbstfaltung der Valenzbandzustandsdichte beschrieben wurde und die Winkelverteilung der Augerelektronen keine Beeinflussung durch die Emissionsrichtung der Photoelektronen zeigte. Beide Beobachtungen deuten auf einen vollständig unabhängigen Emissionsprozess der beiden Elektronen hin. Überraschenderweise zeigte sich aber eine Energieverschiebung des Photoelektrons, abhängig von der kinetischen Energie des Augerelektrons. Dieser in der Gasphase als Post-Collision-Interaction bekannte Effekt sollte aufgrund der schnellen Abschirmung der im Festkörper zurückbleibenden Löcher nicht auftauchen. Die Ursache für die Energieverschiebung ist noch unbekannt.
Für die Identifizierung der Emission von Cooperpaaren wurden Messungen oberhalb und unterhalb der Sprungtemperatur bei verschiedenen Photonenenergien zwischen 20 eV und 40 eV durchgeführt. Verschiedene Spektren wurde nach der Signatur des Prozesses untersucht. Aufgrund der geringen Statistik konnte er nicht identifiziert werden. Demnach konnte auch die theoretische Vorhersage nicht widerlegt werden. Da dieses Experiment aus technischer Sicht äußerst herausfordernd ist, war die Untersuchung von Blei, als einfach zu präparierendes Material mit hoher Sprungtemperatur, naheliegend. Es stellte sich jedoch durch die Auswertung heraus, dass es im Hinblick auf die untersuchte Fragestellung einen wesentlichen Nachteil besitzt. Die Hauptintensität befindet sich im Gegensatz zu Kupfer für alle hier verwendeten Photonenenergien bei niedrigen Elektronenenergien, so dass nur wenige Ereignisse in dem für die Cooperpaaremission interessanten Energiefenster liegen.
Ionenstrahlen werden in der Grundlagenforschung, in der Industrie und der Medizin verwendet. Um die Teilchen für die jeweiligen Anforderungen nutzbar zu machen, werden sie mit Ionenbeschleunigern je nach Anwendung auf eine bestimmte Energie beschleunigt. Eine Beschleunigeranlage besteht dabei aus einer Reihe von unterschiedlichen Elementen: Ionenquellen, Linearbeschleuniger, Kreisbeschleuniger, Fokussierelemente, Diagnosesysteme usw. In jeder dieser Kategorien gibt es wiederum verschiedene Realisierungsmöglichkeiten, je nach Anforderung des jeweiligen Abschnitts und der gesamten Anlage. Im Bereich der Linearbeschleuniger ist als Bindeglied zwischen Ionenquelle/Niederenergiebereich und Nachfolgebeschleuniger der Radiofrequenzquadrupol (RFQ) weit verbreitet. Dieser kann den aus der Quelle kommenden Gleichstromstrahl in Teilchenpakete (Bunche) formen und diese gleichzeitig auf die nächste Beschleunigerstufe angepasst vorbeschleunigen. Desweiteren wird der Teilchenstrahl innerhalb des RFQ kontinuierlich fokussiert, wodurch insbesondere bei diesen niedrigen Energien Strahlverluste minimiert werden. Bei hohem Masse-zu-Ladungs-Verhältnis wird für schwere Ionen eine niedrige Resonanzfrequenz von deutlich unter 100 MHz benötigt. Dies führt zu längeren Beschleunigungszellen entlang der Elektroden, womit durch eine bessere Fokussierung auch höhere Strahlströme beschleunigt werden können. Im Allgemeinen bedeutet eine niedrigere Resonanzfrequenz aber auch einen größeren Querschnitt der Resonanzstruktur sowie einen längeren Beschleuniger. Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung unterschiedlicher RFQ-Strukturen für niedrige Frequenzen, wie sie beispielsweise im Linearbeschleunigerbereich der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt Anwendung finden. Zunächst wird die Beschleunigeranlage des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt und dessen zur Zeit im Bau befindliche Erweiterung FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) kurz vorgestellt. Teil dieser Anlage ist der Hochstrominjektor genannte Anfangsbeschleuniger, der wiederum aus einem RFQ und zwei nachfolgenden Driftröhrenbeschleunigern besteht. Dieser Hochstrominjektor dient als Referenz für die vorliegende Arbeit. In Kapitel 3 wird kurz auf Linearbeschleuniger im Allgemeinen und auf das Grundprinzip und die Eigenschaften eines RFQ näher eingegangen. Anschließend werden verschiedene RFQ-Strukturkonzepte vorgestellt und die Strahldynamik in einem RFQ sowie charakteristische Resonatorgrößen beschrieben. Ausgangspunkt ist der aktuelle RFQ des Hochstrominjektors (Kapitel 4). Dieser IH-RFQ mit einer Betriebsfrequenz von 36 MHz ist seit vielen Jahren in Betrieb und soll für eine verbesserte Effizienz und Betriebssicherheit ein Upgrade erfahren. Dazu wurden Simulationen sowohl der bestehenden Struktur als auch mit Modifikationen durchgeführt und diese miteinander verglichen. Zur Entwicklung eines kompakten Resonators werden in Kapitel 5 verschiedene Splitring-RFQ-Modelle als Alternative zur IH-Struktur mittels Simulationen untersucht. Diese wurden für eine niedrigere Frequenz von 27 MHz entworfen, was der Frequenz des ursprünglichen Wideröe-Beschleunigers (Vorgänger des Hochstrominjektors HSI) entspricht und ebenso wie die 36 MHz des IH-RFQ eine Subharmonische der 108 MHz des Folgebeschleunigers ist. Abschließend wurde noch eine neue RFQ-Struktur, der Splitframe-RFQ, entworfen und untersucht. Auch dieser wurde für eine Frequenz von 27 MHz ausgelegt. Die Ergebnisse dieser Entwicklung, die eine Mischung aus einem Splitring- und einem klassischen 4-Rod-RFQ darstellt, befinden sich in Kapitel 6. Alle Feldsimulationen wurden mit dem Programm Microwave Studio von CST durchgeführt. Zusammenfassend werden die verschiedenen Konzepte anhand der charakteristischen Resonatorgrößen verglichen und ein Ausblick auf weiterführende Arbeiten gegeben.
In den letzten Jahren haben die Forschungsaktivitäten im Bereich Thermoelektrik stetig zugenommen. Das neu erweckte Interesse an der Thermoelektrik ist zurückzuführen auf neue nanostrukturierte Materialien, Quantenschicht-Strukturen und Nanodrähte, welche
eine wesentliche Steigerung der thermoelektrischen Effektivität Z im Vergleich zum Massivmaterial versprechen. Für Nanodrähte ist die größte Steigerung der thermoelektrischen Effektivität zu erwarten. Zur Bestätigung der Theorie bedarf es neuer Messmethoden zur Bestimmung des Seebeck-Koeffizienten S, der elektrischen Leitfähigkeit σ und der Wärmeleitfähigkeit λ, um hieraus eine Steigerung der thermoelektrischen Effektivität Z = (Sexp2)σ/λ experimentell zu bestätigen.
Der Schwerpunkt der Doktorarbeit lag in der Untersuchung thermoelektrischer Eigenschaften von Nanodrähten. Hierzu wurden neueMessmethoden zur Bestimmung der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit von Nanodrähten entwickelt.
Die elektrische und thermische Leitfähigkeit von Pt-Nanodrähten wurden mit dem in dieser Arbeit entwickelten λ-Chip gemessen. Die elektrische Leitfähigkeit der Pt-Nanodrähte ist im Vergleich zum Massivmaterial entsprechend der klassischen Size-Effekt-Theorie reduziert. Ebenso wurde eine Abnahme der Wärmeleitfähigkeit beobachtet. Die Ergebnisse stimmen mit den im Rahmen der klassischen Size-Effekt-Theorie zu erwartenden Resultaten gut überein, jedoch bedarf die Reduzierung der Lorenz-Zahl noch einer theoretischen Erklärung.
Im Weiteren wurde die elektrische Leitfähigkeit von BixTe1-x und BixSb1-x-Nanodrähten mit dem λ-Chip bestimmt. Hierzu wurden zunächst unterschiedliche Kontaktmaterialien getestet, um die Diffusion des Kontaktmaterials in den Nanodraht auszuschließen. Als bewährtes Kontaktmaterial stellte sich ein Schichtsystem aus Titan und Gold heraus. Die Ti-Schicht wirkt hierbei als Diffusionsbarriere und Haftvermittler-Schicht. Die Wärmeleitfähigkeit der Bi-haltigen Nanodrähte konnte mit dem λ-Chip nicht gemessen werden, da die Unterätzung der Nanodrähte mittels reaktivem Ionenätzen die Nanodrähte angriff. Als Alternative können die Nanodrähte auf dem λ-Chip mit einem fokusierten Ionenstrahl unterätzt werden. Der Aufwand hierzu ist jedoch relativ hoch und diese Alternative wurde deshalb nicht weiter verfolgt. Als weitere Alternative wurde der Z-Chip entwickelt. Hierbei werden die Nanodrähte auf den fertigen Chip aufgebracht und mittels Elektronenstrahl-induzierter Deposition an den elektrischen Kontakten fixiert. Der Chip ermöglicht die Messung der elektrische Leitfähigkeit in 4-Punkt-Anordnung, der Wärmeleitfähigkeit und des Seebeck-Koeffizienten an
einem einzelnen Nanodraht. Somit ist die Bestimmung der thermoelektrischen Effektivität an einem Nanodraht möglich. DesWeiteren wurden die theoretischen Grundlagen zur Bestimmung der Wärmekapazität an einzelnen Nanodrähten mit dem Z-Chip präsentiert. Zum Zeitpunkt der Durchführung dieser Arbeit fehlte jedoch das notwendige Equipment zur Ausführung der Wärmekapazitätsmessung an einzelnen Nanodrähten.
Des Weiteren wurde die Cross-Plane Methode zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit an eingebetteten Nanodrähten entwickelt. Analog der Messmethode, welche für die Einzeldrahtmessungen verwendet wird, handelt es sich hierbei um eine stationäre „Joule-Heating“ Methode. Die Temperaturdifferenz wird aus der Widerstandsänderung einer auf die eingebetteten Nanodrähte aufgebrachten Heizschicht bestimmt.Mit derMethode wurde die Wärmeleitfähigkeit von BixTe1-x-Nanodrähten ermittelt.
Die elektrische Leitfähigkeit wurde von BixTe1-x-Nanodrähten unterschiedlicher Zusammensetzung und Herstellungsparameter mit dem λ- und dem Z-Chip bestimmt. Die gemessenen Nanodrähte zeigen sowohl intrinsisches wie extrinsisches Leitungsverhalten verbunden mit einer, im Vergleich zum Volumenmaterial, reduzierten Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit infolge von Oberflächen- und Korngrenzenstreuung der Ladungsträger. Die elektrischen Leitfähigkeitsmessungen stimmen mit Beobachtungen anderer Gruppen gut überein.
Die Wärmeleitfähigkeit konnte an einem einzelnen BixTe1-x-Nanodraht und an eingebetteten BixTe1-x-Nanodrähten gemessen werden. Die Wärmeleitfähigkeit ist gegenüber dem Massivmaterial reduziert. Die Ergebnisse sind in guter Übereinstimmung mit bisher publizierten Ergebnissen von Bismuttellurid-Nanodrähten.
Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung eines neuen Prototypen für den Übergangsstrahlungsdetektor im zukünftigen CBM-Experiment. Da der TRD zur Untersuchung des Quark-Gluon-Plasmas im Bereich hoher Baryonendichten bei hohen Kollisionsraten besonders schnell sein muss, wurde ein Prototyp mit einem kleinen Gasvolumen ohne Driftbereich entwickelt. Die Geometrie ist jedoch mit einer Reduzierung der Stabilität der Gasverstärkung verbunden, denn das elektrische Feld in der Kammer ist bei den geringen Abständen von Verformungen des dünnen Kathodenfensters abhängig. Daher wurde eine vielversprechende, veränderte Drahtgeometrie eingeführt: zwischen den Anodendrähten wurden zusätzliche Felddrähte positioniert, um das elektrische Feld im Bereich der Gasverstärkung zu stabilisieren.
Der neue Prototyp mit alternierender Hochspanngung und mit einer Dicke von 8 mm sowie einer aktiven Fläche von 15 x 15 cm2 wurde im Labor mit einer 55Fe-Quelle getestet.
Dazu wurden Strommessungen und eine spektrale Analyse für 25 verschiedene Positionen der Quelle vor der Kammer durchgeführt, sowohl mit der neuen Kammer als auch mit einer Standardkammer als Referenz. Die mit der neuen Kammer verbundenen positiven Erwartungen konnten durchweg bestätigt werden. Sowohl für die Strom- als auch für Energiemessung konnte eine signifikante Verbesserung der Stabilität der Gasverstärkung festgestellt werden. Variationen von über 60 % über die verschiedenen Messpunkte für die Standardkammer konnten mit der Kammer mit alternierender Hochspannung auf unter 15 % reduziert werden. Auch bei einer Variation des differentiellen Drucks, der mit der Ausdehnung des Folienfensters verbunden ist, kann das elektrische Feldes mithilfe der Felddrähte stabilisiert werden. Ebenso kann eine Analyse der Energieauflösung für die mit den Prototypen aufgezeichneten Spektren den stabilisierenden Effekt bestätigen. Eine zusätzliche Verbesserung durch das Anlegen einer negativen Spannung an den Felddrähten konnte allerdings nicht beobachtet werden. Ebenso zeigten die Messungen mit einer zweiten Kammer mit asymmetrischer Geometrie, das heißt die Drahtebene wurde in Richtung der hinteren Kathode verschoben, keine weitere Stabilisierung. Messungen der an den Felddrähten influenzierten Ströme zeigen, dass diese etwa bei einem Drittel der Anodenströme liegen, wobei sie für eine Erhöhung der Felddrahtspannung ebenso wie für die Messung mit der asymmetrischen Kammer leicht ansteigen. Die Ströme an den Felddrähten sind mit der Bewegung der Ionen in der Kammer verbunden, die das elektrische Feld stören können. Durch die Einführung der Felddrähte wird sich ein Teil der Ionen zu diesen bewegen, anstelle den Weg durch die Kammer bis zu den Kathoden zurückzulegen.
Die positiven Ergebnisse für die Kammer mit alternierenden Drähten sind nun Ausgangspunkt für weitere Schritte. Größere Kammern mit einer Fläche von 60 x 60 cm2, wie sie auch im finalen Experiment eingesetzt werden, wurden bereits gebaut und in einem gemischten Elektron-Pion-Strahl am PS (Protonsynchrotron) und mit einem Bleitarget am SPS (Super-Proton Synchrotron) am CERN getestet. Dabei wurde die Dicke des Gasvolumens nochmals – auf 7 mm – reduziert, was die Schnelligkeit des Detektors weiter erhöht, allerdings auch die Stabilität der Gasverstärkung wieder auf die Probe stellt. Die Daten werden derzeit ausgewertet. Eine weitere Analyse auf Basis der Padauslese im Labor ist in Planung. Hierbei ist insbesondere die Verteilung eines Signals über die Pads (Pad-Response-Funktion) von Bedeutung, wobei diese von der Bewegung der Ionen und damit von der Geometrie des elektrischen Feldes beeinflusst wird. Die Einführung der Felddrähte spielt hier eine wesentliche Rolle; insbesondere beträgt der Drahtabständ zwischen den Andodendrähten nun 5 mm, während die Abstände bei den vorhergehenden Generationen bei 2-3 mm lagen.
Auch die Signalform ist von Interesse. Die derzeit ebenfalls in Entwicklung befindliche Ausleseelektronik und die Algorithmen zur Datenverarbeitung sind auf die bekannte Signalform eines Standardprototypen ausgerichtet. Eine veränderte Form müsste entsprechend berücksichtigt werden, um aussagekräftige Ergebnisse zu erhalten. Die Auswertungen in dieser Arbeit zeigen, dass sich die Signalform grundsätzlich nicht von der des Standardprototypen unterscheidet. Wichtig sind auch die Driftzeiten für Elektronen aus der Lawine. Sie spielen eine entscheidende Rolle für die die Schnelligkeit des Detektors. Mit der Einführung der Felddrähte liegen sie zwar zum großen Teil nach wie vor im Bereich eines Standardprototyen mit entsprechender Dicke des Gasvolumens von 8 mm bei bis zu 150 ns, jedoch folgt dann ein sehr langsamer Abfall mit Elektrondriftzeiten von bis zu 450 ns [47]. Eine Verbesserung ist durch ein kleineres Gasvolumen möglich, für einen Anoden-Kathoden-Abstand von 3 mm sinken die maximalen Driftzeiten auf 300 ns. Eine andere Alternative ist das Anlegen einer negativen Spannung an das Eintrittsfenster.
Die minoren Aktinoiden dominieren auf lange Sicht die Radioaktivität des gesamten abgebrannten Brennstoffes und können somit, obwohl sie nur etwa 0,2 % davon ausmachen, als die Hauptverursacher der Endlagerproblematik betrachtet werden.
Neben einer möglichen Endlagerung und den damit verbundenen Problemen, bietet die Transmutation eine Alternative im Umgang mit dieser Art der radioaktiven Abfälle. Hierbei werden die minoren Aktinoide durch Neutroneneinfang zur Spaltung angeregt, wodurch sowohl deren Halbwertszeit, als auch deren Radiotoxizität deutlich reduziert werden soll.
Innerhalb des in der vorliegenden Arbeit vorgestellten MYRRHA-Projektes, das im belgischen Mol realisiert werden soll, soll gezeigt werden, dass die Transmutation in einem industriellen Maßstab möglich ist. Bei MYRRHA handelt es sich um ein sog. ADS (Accelerator Driven System), bei dem ein 4 mA Protonenstrahl mit 600 MeV in einem Target aus LBE (Lead-Bismuth Eutectic) per Spallation Neutronen erzeugen soll, die für die Transmutation in einem ansonsten unterkritischen Reaktor notwendig sind. Da eine solche Anlage enorme Ansprüche an die Zuverlässigkeit des Teilchenstrahls stellt, um den thermischen Stress innerhalb des Reaktors so gering wie möglich zu halten, werden auch hohe Ansprüche an die verwendeten Kavitäten innerhalb des Beschleunigers gestellt.
Besonderes Augenmerk muss hierbei auf den Injektor gelegt werden. In diesem wird der Protonenstrahl auf 16,6 MeV beschleunigt, wobei in seinem aktuellen Design nur noch normalleitende Kavitäten verwendet werden.
Als erstes beschleunigendes Bauteil nach der Ionenquelle fungiert hier ein im Rahmen der vorliegenden Arbeit gebauter 4-Rod-RFQ, dessen HF-Design auf dem bereits am IAP getesteten MAX-Prototypen basiert.
Für den MYRRHA-RFQ konnte eine neue Art der Dipolkompensation für 4-Rod-RFQs entwickelt werden, die bereits in anderen Beschleunigern, wie etwa dem neuen HLI-RFQ-Prototypen eingesetzt werden konnte. Hierbei werden die Stützen, auf denen die Elektroden befestigt werden alternierend verbreitert, um so den Strompfad zum niedrigeren Elektrodenpaar zu verlängern, wodurch sich die dortige Spannung erhöht. Im Zuge dieser Entwicklung wurden Simulations- und Messmethoden erarbeitet, um den Dipolanteil sowohl an bereits gebauten, wie auch an zukünftigen 4-Rod-RFQs untersuchen zu können. Der Erfolg dieser neuartigen Dipolkompensation konnte in den Low-Level-Messungen, die sich an den Zusammenbau des MYRRHA-RFQs anschlossen, validiert werden.
Die CH-Sektion, die im MYRRHA-Injektor auf den RFQ und die MEBT folgt, besteht aus insgesamt 16 normalleitenden Kavitäten. Sie gliedert sich in sieben beschleunigende CHs, auf die ein CH-Rebuncher und weitere acht beschleunigende CHs folgen.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde - aufbauend auf bereits vorhandenen Entwürfen - das Design der ersten sieben CH-Strukturen des MYRRHA-Injektors erstellt und hinsichtlich seiner HF-Eigenschaften optimiert.
Die dabei während den Simulationen zu CH1 auftretende Problematik einer parasitären Tunermode konnte durch zahlreiche Simulationen umgangen werden.
Weiter wurde das aus der FRANZ-CH bekannte Kühlkonzept überarbeitet, um eine hohe thermische Stabilität gewährleisten zu können, wobei mehrere verschiedene Konzepte entwickelt, simuliert und bewertet wurden.
Das so entwickelte HF- und Kühldesign der ersten sieben MYRRHA-CHs dient als Vorlage für die weiteren MYRRHA-CHs sowie für zukünftige Beschleunigerprojekte, wie etwa HBS am Forschungszentrum Jülich.
Im Anschluss an die Designphase wurden die ersten beiden CH-Strukturen des Injektors und ein zusätzlicher dickschichtverkupferter Deckel für CH1 von den Fimen NTG und PINK gefertigt und anschließend Low-Level-Messungen unterzogen, in denen die Simulationsergebnisse bestätigt werden konnten, während diese Messungen zusätzlich als Vorbereitung für die Konditionierung dienten.
Sowohl der MYRRHA-RFQ, als auch die CH-Strukturen wurden nach ihren jeweiligen Low-Level-Messungen duch eine Konditionierung auf den späteren Strahlbetrieb vorbereitet.\\
Die Konditionierung des MYRRHA-RFQ erfolgte in zwei Phasen. Zunächst wurde er in der Experimentierhalle des IAP im cw-Betrieb vorkonditioniert, bevor er nach Louvain-la-Neuve transportiert wurde. In der dort fortgesetzten Konditionierung, die sowohl gepulst, als auch im cw-Betrieb erfolgte, konnten im Rahmen dieser Arbeit 120 kW cw stabil eingkoppelt werden, wobei diese transmittierte Leistung später noch vom SCK auf bis zu 145 kW cw gesteigert wurde. Nach Abschluss der Konditionierung konnten sowohl vom IAP, als auch vom SCK Röntgenspektren aufgenommen werden, um so die Shuntimpedanz bestimmen zu können. Die Ergebnisse dieser Messungen zusammen mit der alternativen Bestimmung der Shuntimpedanz über den R/Q-Wert wurden ebenfalls in dieser Arbeit besprochen.
Die CH-Kavitäten wurden im Bunker der Experimentierhalle des IAP konditioniert, wobei zusätzlich neue Konditionierungsmethoden erarbeitet und erprobt werden konnten. In den abschließenden Untersuchungen, die sich an jede der drei Konditionierungen anschlossen, konnten Erkenntnisse über das thermische Verhalten der CHs, sowie über den Einfluss verschiedener Verschaltungen des Kühlsystems darauf gewonnen werden, die bei der Installation auch zukünftiger CHs von Nutzen sein werden.
Zur vollständigen Charakterisierung der Hochstrom-Protonenquelle im Rahmen des FRANZ-Projektes war es notwendig, die Emittanz dieser zu bestimmen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung zweier unterschiedlicher Emittanz-Messsysteme, welche in der Lage sind, im kritischen Einsatzbereich hinter der Ionenquelle die Emittanz zu bestimmen.
Die grundsätzliche Problematik der Emittanzmessung an Hochstrom-Ionenquellen liegt in den besonderen Anforderungen, die an diese Messsysteme gestellt werden. Zum einen müssen diese extrem hohe Strahlleistungsdichten und Strahlströme verarbeiten können, ohne Schaden zu nehmen. Zum anderen, was die besondere Herausforderung darstellt, ist es notwendig, dass sie unempfindlich gegenüber Hochspannungsüberschläge sind, da es naturgemäß an einer Ionenquelle zu Hochspannungsüberschlägen kommen kann, welche die sensible und teure Messelektronik schädigen können.
Aus diesem Grund wurde eine Pepperpot-Emittanz-Messanlage weiterentwickelt, welche komplett ohne hochspannungsempfindliche Elektronik auskommt. Diese besteht aus einem effizient wassergekühlten Messkopf mit einer Lochblende aus einer Wolframlegierung. Die Lochgeometrie wurde an die zu vermessende Ionenquelle angepasst. Anstelle einer Multichannelplate und / oder eines Leuchtschirms kommt eine mit Öl vorbehandelte Aluminiumplatte als Schirm zum Einsatz. Aufgrund der Wechselwirkung der, durch die Lochblende hindurch driftenden, Teilstrahlen mit der Oberfläche des Schirms, bilden sich auf diesem, mit bloÿem Auge sichtbare, Kohlenstoffabdrücke aus. Aus der Lage im Ortsraum und der Intensitätsverteilung der einzelnen Abdrücke kann die Phasenraum-Verteilung berechnet werden. Der Nachweis, dass die Intensitätsverteilung der Kohlenstoffabdrücke proportional zur Strahlstromdichtenverteilung eines jeden Abdrucks ist, wurde im Rahmen der Grundlagenuntersuchungen erbracht. Parallel wurde eine zweite, konventionelle Schlitz-Gitter-Emittanz-Messanlage entwickelt und aufgebaut.
Für die Auswertung der Rohdaten wurde eine Analysesoftware entwickelt, welche kompatibel zu beiden Messsystemen ist. Mittels dieser kann aus den Rohdaten die Phasenraum-Verteilung, die Emittanzen (Lage und Fläche) berechnet und in verschiedenen Schnittebenen graphisch dargestellt werden. Ein Hauptaspekt lag in der notwendigen Untergrundreduktion. Insbesondere bei der Analyse der Pepperpot-Schirme tritt bei der Digitalisierung derselben eine nicht physikalische Veränderung der Intensitätsverteilung der Kohlenstoffabdrücke auf. Die erfolgreiche Separation der Abdrücke vom Hintergrund war von entscheidender Bedeutung.
Mit beiden Emittanzmesssystemen konnte im Rahmen dieser Arbeit die Emittanz der FRANZ-Hochstrom-Protonenquelle bestimmt und Abhängigkeiten diverser Strahlparameter untersucht werden. Dabei zeigen die Ergebnisse beider Messsysteme eine sehr gute Übereinstimmung, was die Leistungsfähigkeit des Pepperpot-Messsystems in diesem Einsatzbereich bestätigt.
Für die Erzeugung der, im Rahmen verschiedener Emittanzmessungen, benötigten Plasmadichten wurde die eingespeiste Bogenleistung um 265% von 2.85kW auf 7.56kW erhöht. Die geringe Varianz der gemessenen Emittanzen lässt den Schluss zu, dass sich die Ionentemperatur im Rahmen der Messgenauigkeit in dem untersuchten Bereich nicht merklich ändert. Dies ist insofern bemerkenswert, da dies bedeutet, dass sich die Ionentemperatur nicht signifikant verändert hat, obwohl die Leistung im Plasma stark erhöht wurde.
Im Laufe der Grundlagenuntersuchungen des Pepperpot-Systems wurde festgestellt, dass es unter bestimmten Voraussetzungen zur Bildung von zwei Kohlenstoffabdrücken pro Blendenloch kommen kann. Mit Hilfe von Strahlsimulationen mittels dem Code IGUN sowie vergleichenden Emittanzmessungen konnte nachgewiesen werden, dass bei der Extraktion im sogenannten angepassten Fall zwei Teilstrahlen extrahiert werden. Durch eine geringfügige Erhöhung der Perveanz können diese beiden Teilstrahlen in einen laminaren Ionenstrahl überführt werden.
Im Hinblick auf die Konditionierung der FRANZ-LEBT wurde erstmals im Institut der Transport eines Hochstrom-Ionenstrahls durch einen Solenoiden sowie die Auswirkungen dessen auf die Strahlemittanz untersucht. Aufgrund des projektierten Protonenstroms von Ip = 50mA wurden diese Untersuchungen mit einem vergleichbaren Protonenstrom und einer Strahlenergie von E = 55keV durchgeführt.
Darüber hinaus wurde die zeitliche Entwicklung der Emittanz innerhalb eines Strahlpulses (80Hz,1ms,Ip = 56mA,It = 70mA) hinter dem Solenoiden untersucht. Eine Analyse zeigt, dass die Strahlemittanz innerhalb der Messgenauigkeit entlang des Pulsplateus nahezu konstant bleibt. Jedoch ändert sich die Divergenz des Strahlkerns innerhalb des Zeitraumes des Pulsanstiegs, aufgrund der Raumladungskompensation sowie des ansteigenden Stroms.
In dieser Arbeit wurde die grundsätzliche Funktionsweise und die Eigenschaften von photokonduktiven CW-Thz-Emittern dargestellt. In diesem Rahmen wurde der Prozess des Photomischens und die Funktionsweise und Eigenschaften von Antennen auf Halbleitersubstraten untersucht. Um das erwartete frequenzabhängige Emissionsverhalten zu überprüfen wurde ein Messplatz zur Durchführung von Vergleichsmessungen diverser Emitter aufgebaut. Desweiteren wurde ein Fourier-Transform-Interferometer zur frequenzaufgelösten Detektion im THz-Bereich entwickelt. Zur Charakterisierung der Emitter wurde die emittierte Leistung in Abhängigkeit der Frequenz gemessen. Als abstrahlende Strukturen wurden Dipol- und Patch-Antennen verwendet. Dabei wurde gezeigt, daß eine Einschränkung der Bandbreite eine Verstärkung der Emission in dem verbleibenden Frequenzbereich ergibt. Dies wird bei Dipolantennen durch eine Filterstruktur oder allgemein durch Verwendung einer stark resonanten Antennenstruktur wie der Patchantenne erreicht. Es wurde gezeigt, daß die Einbeziehung der zu höheren Frequenzen abfallenden Leistung des Photomischers notwendig für eine Beschreibung der Resonanzkurve ist. Dadurch verschiebt sich das Maximum der Abstrahlung und liegt im Falle des Dipols nicht mehr bei der Anregung nah der Wellenlänge die gleich der Dipollänge ist. Allerdings wurde auch gezeigt, daß dies nicht für eine Beschreibung der Resonanzkurve ausreicht, und daß zur korrekten Modellierung die Übertragung der Leistung von Photomischer auf die Antenne eingefügt werden muß. Diese ist stark von dem komplexen Widerstand des Photoschalters abhängig. Die Resonanzcharakteristik von Patch-Antennen konnte durch die Berechnung der TMModen eines dreidimensionalen mit einem Dielektrikum gefüllten Resonators erklärt werden. Dieser besitzt aber so viele mögliche Moden, daß schon kleine geometrische Veränderungen die Resonanzfrequenz verändern können. Somit ist die Berechnung der Resonanzfrequenz sehr schwierig, und die praktische Einsetzbarkeit der gezeigten Patch-Antennen gering. Allerdings ist bei Patchantennen anders als bei Dipolen die Quelle der Emission, in diesem Fall der Resonator aus Polyamid, unabhängig vom Substrat auf dem sich die Antenne befindet. Dies macht ein Aufbringen auf ein für die Emission optimales Substrat oder einen Spiegel möglich. Die berechnete Resonanzfrequenz der Filterstruktur in der Zuleitung ist auch die tatsächliche Resonanzfrequenz des Dipols. Hier ist eine Vorhersage und somit ein funktionierendes Design relativ leicht zu erreichen. Allerdings wurde die durch die Filterstruktur in der Zuleitung gewählte Resonanzfrequenz fälschlicherweise für eine Anregung mit der vollen Wellenlänge gewählt und liegt wie die vergleichende Messung mit identischem Dipol ohne Filterstruktur zeigt, nicht im Emissionsmaximum des Emitters. Für zukünftige Designs muß eine detaillierte Berechnung oder eine Messung des Emissionsmaximums des Dipols ohne Verwendung eines Filters vorangehen, um die Resonanzfrequenz des Filters auf dieses Maximum zu legen. Um eine bestimmte Frequenz zu erreichen muß also erst der Dipol ohne Filter so gewählt werden, daß dessen Emissionsmaximum bereits bei der gewünschten Frequenz liegt, um dann die Emission mit Hilfe eines Filters zu verstärken. Ebenfalls muß in der Zukunft um die Anwendbarkeit zu erhöhen, die bolometrische Detektion durch photokonduktive oder elektrooptische Detektion ersetzt werden.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden neue Ansätze zur Optimierung eines Alvarez Beschleunigers für Schwerionen untersucht. Dabei dient die Alvarez-Sektion des GSI UNILAC als Untersuchungsfeld, da für den Injektionsbetrieb für FAIR eine Erneuerung dieser Sektion erforderlich ist. Dies wird durch einen neuen und optimierten Alvarez-Beschleuniger gewährleistet, wobei Effizienz und Feldstabilität sowie hohe Verfügbarkeit eine wichtige Rolle spielen. Dazu wurden im Rahmen dieser Arbeit wichtige Simulationsrechnungen durchgeführt, ein Messaufbau zum experimentellen Test eines neuartigen Konzepts zur Feld-Stabilisierung ausgelegt, in Betrieb genommen und anhand von Messungen an einem speziell dafür entwickelten Resonatormodell verifiziert.
Ziel dieser Arbeit war es die experimentelle Demonstration des neuen Konzepts zur Feldstabilisierung eines Resonators. Es sollte geprüft werden, ob die zuvor durchgeführten Simulationen die realen Felder hinreichend zuverlässig vorhersagen. Diese experimentelle Prüfung ist angesichts der sehr hohen Baukosten eines realen Resonators von mehreren Millionen Euro unerlässlich. Vor Beginn dieser Arbeit war ein geeigneter Messaufbau, d.h. im Wesentlichen ein dediziertes Resonator-Modell, nicht verfügbar. Es galt ein Modell zu entwickeln, dessen Geometrie seht gut durch Simulationen modelliert werden kann, dessen Aufbau es aber trotzdem gestattet, eben diese Geometrie lokal zu variieren, um den angestrebten Effekt der Feld-Stabilisierung zu erreichen.
Aufgrund von Fertigungs- sowie Justage-Toleranzen gibt es Störungen der Feldhomogenität auf der Strahl- bzw. Resonatorachse. Die Feldhomogenität quantifiziert die Fluktuationen der tatsächlichen Feldstärke bezüglich des Idealwertes. Ein perfekt homogenes Feld weist keine Abweichungen auf. Bei einer lokalen Störung ist die Feldveränderung am Ort der Störung maximal und verringert sich mit dem Abstand von dieser. Es entsteht eine Verkippung des Feldes. Die Feldverkippung ist definiert als die durch die Störung verursachte Feldabweichung normiert auf die ungestörte Feldverteilung sowie auf die damit verbundene Änderung der Modenfrequenz. Letztere wird mit Tauchkolben kompensiert; die Feldhomogenität allerdings kann nicht wieder hergestellt werden. Die Feldhomogenität muss durch eine andere Maßnahme sichergestellt werden. Bei Alvarez-Kavitäten mit einem Tankradius R < 0,4m werden „post-coupler“ eingesetzt. Post-coupler sind dünne zylinderförmige Kupferstangen die seitlich an die Driftröhren herangefahren werden und an die Resonanzmode des Beschleunigers koppeln. Gleichzeitig wird die Sensibilität auf Störungen im Tank verringert, sodass die homogene Feldverteilung auch bei Störungen gut erhalten bleibt. Bei Beschleunigerstrukturen mit größeren Tankradien werden die post-coupler zu lang und erfordern einen zu großen Aufwand in der Konstruktion. In dieser Arbeit wurde eine alternative Methode für die Stabilisierung der Feldverteilung untersucht, welche die Winkelposition der Driftröhrenstützen nutzt.
Der in dieser Arbeit realisierte Resonator erlaubt die freie Einstellung der Winkel der Stützen sowie die exakte Justage der Driftröhren auf der Strahlachse. Es wurde ein Aluminium-Modell im Maßstab 1:3 zum realen Alvarez-Resonator gebaut. Dieser hatte zunächst eine Länge von ∼ 525mm und neun Driftröhren. Das Modell ist mit einem Profil der Geschwindigkeit der zu beschleunigenden Ionen ausgestattet, sodass die Driftröhren sowie die Spaltabstände entlang des Resonators länger werden. Mittels Simulationen wurden diverse Stützenkonfigurationen ausgewählt, die in den Messungen getestet wurden.
Mit dem Modell konnte gezeigt werden, dass bei bestimmten Stützenanordnungen die nächst höheren Moden weiter von der Betriebsmode entfernt werden können. Die besten Ergebnisse lieferte die Stützenkonfiguration mit fünf nach unten und vier nach oben orientierten Stützenpaaren (V-Stützen-Konfiguration 5+4). Hier liegt die nächst höhere Mode in den Messungen um mehr als 160MHz von der Grundfrequenz (326,7MHz) entfernt (Vergleich originale V-Stützen-Konfiguration: nächste Mode liegt 88MHz von der Grundmode entfernt). Wichtig ist die Eigenschaft der Modenseparation vor allem für den realen Einsatz der Kavität, da hier die Moden nur um wenige MHz voneinander entfernt liegen und dies zu Störungen im Betrieb des Resonators bei hoher HF-Leistung führen kann. Bei ungenügender Modenseparation wird die eingekoppelte HF-Leistung vom Resonator reflektiert. Mitunter können die erforderlichen Felder der Betriebsmode nicht erzeugt werden.
Im Falle einer Feldverkippung stimmt die reale Ionengeschwindigkeit entlang des Tanks nicht mehr mit der bei der Auslegung angenommenen überein. Das führt zu einer Verringerung der longitudinalen Strahlqualität bezüglich der erreichbaren Energieschärfe.
Zur systematischen Prüfung der Methode zur Feldstabilisierung wurden definierte Störungen in den Tank eingebaut. Die erste Driftröhre wurde jeweils um 1, 2 und 3mm verlängert. Da die Zahl der Zellen zu gering war für die statistisch signifikante Feldverkippungs-Messung, musste das Modell auf 21 Spalte erweitert werden. Die besten Ergebnisse bzgl. Feld-Stabilisierung lieferte die V-Stützen-Konfiguration 7+7+6. Hier bleibt das Feld trotz Störstelle homogen. Die Feldverkippung kann auf weniger als die Hälfte derjenigen der originalen V-Stützen-Konfiguration reduziert werden. Für den Fall der originalen Stützenkonfiguration erzeugt die oben beschriebene Störung eine Abweichung der Feldhomogenität von ±28%. Mit der in dieser Arbeit optimierten Stützenkonfiguration verändert sich die Feldhomogenität nur um ±9%.
Die Methode zur Feldstabilisierung mit einer optimierten Stützenanordnung ohne den Einsatz von post-couplern konnte am Modell gezeigt werden. Weiterhin wurde eine bessere Effizienz mit Zunahme der Tanklänge verifiziert. Im realen Alvarez-Tank wird die Anzahl der Spalte um einen Faktor 3 größer sein. Damit ergeben sich durch die erhöhte Anzahl zur Verfügung stehenden Stützen zusätzliche Konfigurationen, um eine Feldhomogenität von besser als ±1% zu gewährleisten.
Auf der Basis dieser Untersuchungen ist bei GSI der Bau einer zunächst ca. 2m langen Sektion des neuen Alvarez-DTL mit 11 Driftröhren vorgesehen. Dabei werden Flansche für verschiedene Stützenkonfigurationen integriert. Ziel ist es hierbei die Konstruktion, die Produktion, die Feldabstimmung sowie den Betrieb bei nominalen FAIR-Parametern zu testen. Sind die Tests erfolgreich, kommt diese Sektion bei der ersten Serie für den neuen Beschleuniger zum Einsatz.
Die Dokumente enthalten jeweils die gleiche Arbeit, allerdings in drei unterschiedlichen Varianten, die sich in der Qualität der Bilder und damit in der Filegröße unterscheiden: * Bilder in voller Druckqualität (8,2 MB): DissWFOM1.pdf (Dokument1) * Photos in reduzierter Auflösung (3,1 MB): DissWFOM2.pdf (Dokument2) * Photos und Zeichnungen in red. Auflösung (1,4 MB): DissWFOM3.pdf (Dokument3)
Das Ziel der vorliegenden Arbeit war der Einbau, die Inbetriebnahme, die Abstimmung und der Test eines Strahlmatchingsystems in eine Zweistrahl-RFQ-Beschleunigerstruktur. Dieses Strahlmatchingsystem wurde entwickelt, um die Beschleunigereinheit des Frankfurter Funneling-Experimentes besser an die nachfolgende HF-Deflektoreinheit anzupassen und um zu zeigen, dass ein Strahlmatching innerhalb der RFQ-Beschleunigerstruktur möglich ist. Des Weiteren wurden die zum Versuch gehörigen Ionenquellen modifiziert, um eine bessere Anpassung der Strahlherstellung an die Beschleunigerstruktur zu erreichen. Die Spannungsverteilung in der Beschleunigerstruktur selbst wurde durch weitergehende Tuningmaßnahmen verbessert, um die Teilchenverluste weiter zu minimieren Mit dem Funnelingexperiment soll experimentell geprüft werden, ob eine Strahlstromerhöhung durch das Zusammenführen mehrerer Ionenstrahlen verschiedener Ionenquellen möglich ist. Solch ein System ist für einige Zukunftsprojekte (HIDIF, SNS-Ausbau, ESS, u.ä.), die große Strahlströme benötigen, die nicht aus nur einer Ionenquelle extrahiert werden können, erforderlich. Das in dieser Arbeit behandelte Strahlmatching ist für das Experiment notwendig, da zu große Teilchenverluste in der Funnelsektion entstanden und somit eine bessere Anpassung des Strahls an den HF-Deflektor erforderlich wurde. Es konnte gezeigt werden, dass die hier verwendete Art der Strahlfokussierung auch in eine komplizierte RFQ-Beschleunigerstruktur integrierbar ist, in der zwei Strahlkanäle auf der gleichen Stützen-Bodenplatten-Konstruktion aufgebaut sind. Die Verlängerung der Endelektroden und die Integration einer Strahlanpassung haben einen positiven Einfluss auf die Transsmission innerhalb des Beschleunigers und verbessern die Transmission durch den Deflektor. Es konnten Energiemessungen und zeitaufgelöste Faradaytassenmessungen der Teilchenbunche sowie zeitaufgelöst Makropulse mit der Faradaytasse gemessen werden. Floureszensschirmmessungen zeigten, dass die beiden Teilchenstrahlen auf eine neue gemeinsame Strahlachse gebogen wurden. Die Energiemessung zeigte, dass die Simulationen mit RFQSIM sehr genau die Endenergie der Teilchen berechnen konnte. Im Strahlkreuzungspunkt hinter dem Zweistrahl-RFQ-Beschleuniger konnten nahezu identische Teilchenbunche erzeugt werden. Diese Teilchenbunche wiesen zudem die in vorherigen Simulationen errechneten Charakteristika auf, in denen eine transversale und eine longitudinale Fokussierung gegenüber dem ungematchten Strahl simuliert wurden. Es konnte auch eine weitere Strahlradiusreduzierung gemessen werden, die auf eine exaktere Justierung der Elektroden zurückzuführen ist. Die Phasenfokussierung konnte verbessert werden, indem die Elektrodenspannung besser an die Strahlmatchingsektion angepasst wurde. Hierzu mussten auch die Einschussparameter der Strahlen in die Beschleuniger angepasst werden, damit die Transmission der Beschleuniger sich nicht verschlechterte. Insgesamt konnte mit den durchgeführten Experimenten erstmals demonstriert werden, dass zwei Strahlen in einem RFQ-Beschleuniger auf einen Punkt hinter dem Beschleuniger angepasst werden können und die Spannungsverteilung in solch einer Struktur durch Tuningmaßnahmen abstimmbar ist. Es konnte erstmals demonstriert werden das über 90% der Teilchen beider Strahlen, bei guten Strahleigenschaften, auf eine neue gemeinsame Strahlachse abgelenkt (gefunnelt) wurden.
Mit dem Dileptonenspektrometer HADES sollen Dielektronen aus Kern - Kern - Stößen in einem hadronischen Untergrund bei hohen Multiplizitäten untersucht werden. Die Ereignisrate von 106 pro Sekunde erfordert eine Auslese der Detektoren innerhalb von 10 mikrosek. Die erwarteten hohen Multiplizitäten führen zu einer hohen Granularität der Detektoren und damit auch der Ausleseelektronik. Durch die Verwendung mehrere Triggerstufen wird eine Aufteilung des Auslesesystems auf mehrere Stufen notwendig. Für die Auslese von ~ 26.000 Driftzellen in 24 Driftkammermodulen wurde ein an die Anforderungen des Detektorsystems angepaßtes Auslesekonzept entwickelt. Analoge Signalaufbereitung und Messung der Driftzeit werden direkt am Detektor auf zwei miteinander kombinierten Karten untergebracht. Die nötige Integrationsdichte im Digitalisierungsteil wird durch die Verwendung eines speziellen Zeitmeßverfahrens (TDC) erreicht, das auf Signallaufzeiten in Halbleiterschaltungen basiert. Im gleichen Chip befindet sich auch eine Datenübertragungseinheit, die in der Lage ist die Daten mit der erforderlichen Geschwindigkeit zu transferieren. Durch zwei weitere Module mit Speicher zum Puffern der Ereignisdaten wird den Anforderungen des Triggerkonzeptes Rechnung getragen. Dem verwendete Zeitmeßverfahren (Ringoszillator) ist eine Abhängigkeit der Zeitauflösung von Temperatur und Versorgungsspannung inherent. Ausführliche Messungen im Rahmen dieser Arbeit zeigen, daß die relativen Abhängigkeiten mit 0,2 Promille jedoch in einem Bereich liegen, in dem sie durch geeignete Maßnahmen kontrolliert werden können. Dazu zählen die regelmäßige Kalibrierung, sowie die Messung und Überwachung von Temperatur und Versorgungsspannung. Die Leistungsaufnahme des Auslesesystems liegt mit 5kW (total) noch um ca. einen Faktor zwei über den Spezifikationen. Sowohl die Tests des TDC Zeitmeßteils, als auch die Simulationen zeigen die Realisierbarkeit des Systems. Dies konnte auch durch Simulationen des gesamten Auslesesystems im Rahmen einer Projektstudie zum Triggerkonzept an der Universität Giessen nachgewiesen werden. Ein abschließender Funktionstest der Ausleseelektronik mit dem TDC an der Prototypdriftkammer im Labor ist gegenwärtig in Vorbereitung. Zur endgültigen Realisierung der Ausleseelektronik bedarf es noch der Reduzierung des Platzbedarfes sowie der Leistungsaufnahme. Zur Reduktion der Größe des Motherboardes wird eine mehrlagige Platine entwickelt. Für die Anbringung der Daughterboards ist eine platzsparende Geometrie vorgesehen. Die Reduktion der Leistungsaufnahme wird hauptsächlich durch neuere Entwicklungen bei den Daughterboards möglich. Auch die Verwendbarkeit des im Rahmen eines anderen Projektes entwickelten SAM - Modules als Konzentrator für die Driftkammerauslese ist zu untersuchen. Da diese Karte auch einen DSP enthält, ist entsprechende Software erforderlich. Die Segmentierung des modularen Spektrometersystems erlaubt den endgültigen Aufbau in mehreren Schritten. Vorgesehen ist, zunächst nur einzelne Segmente oder einzelne Ebenen der Driftkammern aufzubauen, und das komplette System erst zu einem spätern Zeitpunkt in Betrieb zu nehmen. Einzelne Komponenten können durch Neuentwicklungen ersetzt werden.
Die vorliegende Arbeit hat das Ziel, Plasmen koaxialer Beschleuniger in Hinblick auf die Erzeugung hoher Elektronendichten sowie als intensive UV/VUV-Backlighterquelle zu untersuchen. Hierzu wurde zunächst die Geometrie eines einzelnen Beschleunigers charakterisiert und optimiert, um die bestmöglichen Voraussetzungen für die anschließend durchgeführten Untersuchungen zur Kollision und Kompression der erzeugten Plasmen zu schaffen.
Das Funktionsprinzip des verwendeten Plasmabeschleunigers basiert auf einer Lorentzkraft, die aus dem Stromfluss zwischen zwei koaxial angeordneten Elektroden und dem damit verbundenen Magnetfeld resultiert. Da weder Stromdichte noch Magnetfeld homogen sind, wirkt auch die Lorentzkraft inhomogen auf die Plasmaschicht. Unter Einbeziehung von Simulationen wurde der Abstand zwischen den Elektroden auf 2,5 mm gesetzt, sodass die Ausprägung dieser Inhomogenität möglichst gering gehalten wird. Um ein Pinchen des Plasmas am Ende der Elektroden zu vermeiden haben die Elektroden im Gegensatz zu Plasma Focus Devices die gleiche Länge. Der mit 130 nH niederinduktive elektrische Aufbau ermöglicht die zur Ausbildung einer Plasmaschicht erforderlichen Stromanstiegsraten in der Größenordnung von 10^11 A/s.
Die Messung der Geschwindigkeit der Plasmaschicht erfolgte mit einem Array aus sechs Dioden, die gleichzeitig die Geschwindigkeitsabnahme im Rezipienten dokumentieren. Zusätzlich wurden die Messungen mit Kameraaufnahmen verglichen. Bei einer Elektrodenlänge von 100 mm konnten mit dem verwendeten Heliumgas Schichtgeschwindigkeiten von bis zu (79,49 ± 7,98) km/s erreicht werden. Die Untersuchung von Elektroden mit 200 mm Länge verfolgte das Ziel, durch die größere Beschleunigungszeit höhere Geschwindigkeiten und kinetische Energien der austretenden Plasmaschicht zu erreichen. Es zeigte sich jedoch, dass es hierbei zur Ausbildung einer zweiten Entladung und einer damit verbundenen Abbremsung des Initialplasmas kommt. Die Untersuchungen ergaben, dass die optimale Elektrodenlänge dadurch gegeben ist, dass der Austritt des Plasmas aus dem Beschleuniger zum Zeitpunkt des ersten Stromnulldurchgangs erfolgt. Für die Berechnung der optimalen Elektrodenlänge wurde ein Skalierungsgesetz gefunden, die auf experimentellen Ergebnissen und Simulationen basiert.
Mit spektroskopische Messungen der Stark-Verbreiterung der Hβ-Linie konnte die Elektronendichte des Plasmas zeit- und ortsintegriert bestimmt werden. Die hierbei erzielte Maximaldichte von (6,83 ± 0,83) · 10^15 cm^-3 wurde bei 9 kV und 70 mbar gemessen. Die nach der Boltzmann-Methode zeit- und ortsintegriert bestimmten Elektronentemperaturen bewegt sich bei etwa 1 eV.
Nach ausreichender Charakterisierung des Einzelbeschleunigers wurde das Experiment um einen zweiten, baugleichen Plasmabeschleuniger erweitert, um die planare Kollision zweier Plasmen zu untersuchen. Die maximal gemessene Elektronendichte von n max e = (1,36 ± 0,21) · 10^16 cm^-3 bei 9 kV und 70 mbar stellt im Vergleich zum Einzelplasma eine Steigerung um einen Faktor von 2,48 dar und ist mit einer Temperaturerhöhung einhergehend. Diese Elektronendichteerhöhung lässt sich nicht durch einfaches Durchdringen der Schichten erklären. Vielmehr muss es in der Kollisionszone zu Wechselwirkungsprozesse in Form von Kompression, zur Erzeugung neuer Ladungsträger oder der Kombination aus beidem kommen.
Das Spektrum im UV/VUV-Bereich weist Linien von ab 85 nm auf. Dies stellt eine Verbesserung gegenüber dem Einzelbeschleuniger dar, bei dem die hochenergetischste Spektrallinie erst bei 97 nm gemessen wurde. In der Kollisionskonfiguration mit einem Beschleunigerabstand von 30 mm steigt die integrierte Gesamtintensität des Spektrums bis 300 nm zudem um einen Faktor von etwa 5,2.
Als Alternative zur Plasmakollision wurde die Kompression des Plasmas des Einzelbeschleunigers durch unterschiedliche Trichtergeometrien untersucht. Die untersuchten Trichter der ersten und zweiten Generation unterscheiden sich im Wesentlichen im Durchmesser der kleineren Öffnung. Dieser wurde basierend auf Simulationen von 5 mm auf 0,5 mm reduziert. Die Dichtediagnostik der ersten Trichtergeneration erfolgte hierbei über Hα-Linie, da die Verbreiterung der Hβ-Linie zu stark und daher nicht mehr anwendbar war. Die Auswertung der Halbwertsbreiten der Hα-Linie führt zu Elektronendichten in der Größenordnung von bis zu 1018 cm−3 bei Spannungen von 9 kV. Diese Steigerung um 1,5 bis 2,5 Größenordnungen im Vergleich zum Einzelbeschleuniger ist deutlich höher als das Verhältnis der Flächen des initialen Plasmas bzw. dem Ende des Trichters von etwa acht.
Der Trichter mit verringerter Öffnung wurde bei 5 kV und 5 mbar vermessen, um die mechanische Belastung durch den hohen Druck gering zu halten. Die Bestimmung der Elektronendichte erfolgte durch die Verbreiterung der Kupferlinie bei 479,4 nm nach den quadratischen Stark-Effekt. Trotz der im Vergleich zur ersten Trichtergeneration reduzierten Entladungsenergie und verringertem Druck sind die gemessenen Elektronendichten ebenfalls bei bis zu 10^18 cm^-3.
Durch die Kompression des Plasmas weist das Spektrum im UV/VUV-Bereich bereits Linien ab Wellenlängen etwa 53 nm auf, wobei es unter Berücksichtigung der Transmissionsgrenze von Helium bei 50 nm denkbar ist, dass das Plasma noch niedrigere Wellenlängen emittiert.
Aufgrund der gesammelten Ergebnisse lässt sich festhalten, dass sich die Elektronendichte sowohl durch die Kollision zweier Plasmen als auch durch die Kompression in Trichtergeometrien steigern lässt. Der Verdichtungseffekt der Trichterkompression ist hierbei um ein vielfaches höher, als bei der Plasmakollision. Dies spiegelt sich auch im UV/VUV-Spektrum wider. Beide Versuchsanordnungen eignen sich als Linienstrahler, allerdings weist das Spektrum der Trichterkompression Linien deutlich höherer Anregungszustände auf.
A model for the quantum yield of the coloration caused by UV-light in spiropyran layers is described. This model allows to calculate the sensitivity of layers having different compositions. The mechanism concerning the stability of the coloration is essentially clarified. Calculations of the stability for layers of different compositions are possible by a model describing the mechanism approximately.
Die Dissertation betrachtet zunächst die Anatomie der Lautentstehung und die Historie von Untersuchungen zu Sprechtraktakustik (u.a. Ibn Sina, Hook, Mical, Kratzenstein, Kempelen, Faber, Wheatstone, Helmholz, Riesz, Dunn, Chiba, Kajiyama, Kelly, Lochbaum, Saito, Itakura, Burg ) und geht insbesondere auf das Rohrmodell zu Beschreibung der Vokaltraktakustik ein.
Mittels Finiter-Differenzen wird die Aksutik der Sprechens dann dreidimensional beschrieben, und die zuätzlich auftretenden Effekte betrachtet. Fur die sich beim Sprechen schnell bewegende Mundhöhle wird ein Verfahren entwickelt und untersucht, mittels Sprachsignalen durch inverse Filterung und MRT-Aufnahmen die räumliche Konfiguration zu bestimmen. Für den Nasaltrakt wurden dreidimensional abbildende Verfahren aus der medizinischen Diagnostik verglichen (MRT und CT), und anhand eines Computer-Tomographischen Datensatzes die akustischen Vorgänge dreidimensional bestimmt.
One of the key challenges for nuclear physics today is to understand from first principles the effective interaction between hadrons with different quark content. First successes have been achieved using techniques that solve the dynamics of quarks and gluons on discrete space-time lattices. Experimentally, the dynamics of the strong interaction have been studied by scattering hadrons off each other. Such scattering experiments are difficult or impossible for unstable hadrons and so high-quality measurements exist only for hadrons containing up and down quarks. Here we demonstrate that measuring correlations in the momentum space between hadron pairs produced in ultrarelativistic proton-proton collisions at the CERN Large Hadron Collider (LHC) provides a precise method with which to obtain the missing information on the interaction dynamics between any pair of unstable hadrons. Specifically, we discuss the case of the interaction of baryons containing strange quarks (hyperons). We demonstrate how, using precision measurements of p-omega baryon correlations, the effect of the strong interaction for this hadron-hadron pair can be studied with precision similar to, and compared with, predictions from lattice calculations. The large number of hyperons identified in proton-proton collisions at the LHC, together with an accurate modelling of the small (approximately one femtometre) inter-particle distance and exact predictions for the correlation functions, enables a detailed determination of the short-range part of the nucleon-hyperon interaction.
One of the key challenges for nuclear physics today is to understand from first principles the effective interaction between hadrons with different quark content. First successes have been achieved using techniques that solve the dynamics of quarks and gluons on discrete space-time lattices1,2. Experimentally, the dynamics of the strong interaction have been studied by scattering hadrons off each other. Such scattering experiments are difficult or impossible for unstable hadrons3,4,5,6 and so high-quality measurements exist only for hadrons containing up and down quarks7. Here we demonstrate that measuring correlations in the momentum space between hadron pairs8,9,10,11,12 produced in ultrarelativistic proton–proton collisions at the CERN Large Hadron Collider (LHC) provides a precise method with which to obtain the missing information on the interaction dynamics between any pair of unstable hadrons. Specifically, we discuss the case of the interaction of baryons containing strange quarks (hyperons). We demonstrate how, using precision measurements of proton–omega baryon correlations, the effect of the strong interaction for this hadron–hadron pair can be studied with precision similar to, and compared with, predictions from lattice calculations13,14. The large number of hyperons identified in proton–proton collisions at the LHC, together with accurate modelling15 of the small (approximately one femtometre) inter-particle distance and exact predictions for the correlation functions, enables a detailed determination of the short-range part of the nucleon-hyperon interaction.
The proton drip-line nucleus 17Ne is investigated experimentally in order to determine its two-proton halo character. A fully exclusive measurement of the 17Ne(p, 2p)16F∗ →15O+p quasi-free one-proton knockout reaction has been performed at GSI at around 500 MeV/nucleon beam energy. All particles resulting from the scattering process have been detected. The relevant reconstructed quantities are the angles of the two protons scattered in quasi-elastic kinematics, the decay of 16F into 15O (including γ decays from excited states) and a proton, as well as the 15O+p relative-energy spectrum and the 16F momentum distributions. The latter two quantities allow an independent and consistent determination of the fractions of l = 0 and l = 2 motion of the valence protons in 17Ne. With a resulting relatively small l = 0 component of only around 35(3)%, it is concluded that 17Ne exhibits a rather modest halo character only. The quantitative agreement of the two values deduced from the energy spectrum and the momentum distributions supports the theoretical treatment of the calculation of momentum distributions after quasi-free knockout reactions at high energies by taking into account distortions based on the Glauber theory. Moreover, the experimental data allow the separation of valence-proton knockout and knockout from the 15O core. The latter process contributes with 11.8(3.1) mb around 40% to the total proton-knockout cross section of 30.3(2.3) mb, which explains previously reported contradicting conclusions derived from inclusive cross sections.
We report on the status of ongoing investigations aiming at locating the deconfinement critical point with standard Wilson fermions and Nf = 2 flavors towards the continuum limit (standard Columbia plot); locating the tricritical masses at imaginary chemical potential with unimproved staggered fermions at Nf = 2 (extended Columbia plot); identifying the order of the chiral phase transition at μ = 0 for Nf = 2 via extrapolation from non integer Nf (alternative Columbia plot).
HADES is a fixed target experiment using SIS18 heavy-ion beams. It investigates the microscopic properties of matter formed in heavy-ion, proton and pion - induced reactions in the 1-3.5 GeV/u energy regime. In 2014 HADES used a secondary pion beam produced by interaction between high-intensity nitrogen primary beam and a beryllium target. In these conditions beam losses, generated by slow extraction and beam transport to the experimental area, led to activation of the beam line elements and triggered radiation alarms. The primary beam intensity had to be reduced and the beam optics modified in order to keep radiation levels within the allowed limits. Similar beam conditions are requested by HADES experiment for upcoming run in 2018 and in the following years. Therefore, a number of measures have been proposed to improve beam transmission and quality. These measures are: additional shielding, additional beam instrumentation, modification of beam optics and increase of vacuum chambers' apertures in critical locations. The optics study and preliminary results of FLUKA simulations for optimization of location of loss detectors are presented.
Results are presented from a search for the decays D0 -> K min pi plus and D0 bar -> K plus pi min in a sample of 3.8x10^6 central Pb-Pb events collected with a beam energy of 158A GeV by NA49 at the CERN SPS. No signal is observed. An upper limit on D0 production is derived and compared to predictions from several models.
We present results of hard X-ray angle-resolved photoemission spectroscopy and photoemission diffraction measurements performed on high-quality single crystals of the valence transition compound EuPd2Si2 for temperatures 25~K ≤ T ≤ 300~K. At low temperatures we observe a Eu 4f valence v=2.5, % occupation number n=6.5, which decreases to v=2.1 for temperatures above the valence transition around TV≈160~K. The experimental valence numbers resulting from an evaluation of the Eu(III)/Eu(II) 3d core levels, are used for calculating band structures using density functional theory. The valence transition significantly changes the band structure as determined by angle-resolved photoemission spectroscopy. In particular, the Eu 5d valence bands are shifted to lower binding energies with increasing Eu 4f occupancy. To a lesser extent, bands derived from the Si 3p and Pd 4d orbitals are also affected. This observation suggests a partial charge transfer between Eu and Pd/Si sites. Comparison with {\it ab-initio} theory shows a good agreement with experiment, in particular concerning the unequal band shift with increasing Eu 4f occupancy.
The quantum van der Waals (QvdW) extension of the ideal hadron resonance gas (HRG) model which includes the attractive and repulsive interactions between baryons – the QvdW-HRG model – is applied to study the behavior of the baryon number related susceptibilities in the crossover temperature region. Inclusion of the QvdW interactions leads to a qualitatively different behavior of susceptibilities, in many cases resembling lattice QCD simulations. It is shown that for some observables, in particular for χBQ11/χB2, effects of the QvdW interactions essentially cancel out. It is found that the inclusion of the finite resonance widths leads to an improved description of χB2, but it also leads to a worse description of χBQ11/χB2, as compared to the lattice data. On the other hand, inclusion of the extra, unconfirmed baryons into the hadron list leads to a simultaneous improvement in the description of both observables.
Vanadium and Manganese Carbonyls as Precursors in Electron-Induced and Thermal Deposition Processes
(2022)
The material composition and electrical properties of nanostructures obtained from focused electron beam-induced deposition (FEBID) using manganese and vanadium carbonyl precursors have been investigated. The composition of the FEBID deposits has been compared with thin films derived by the thermal decomposition of the same precursors in chemical vapor deposition (CVD). FEBID of V(CO)6 gives access to a material with a V/C ratio of 0.63–0.86, while in CVD a lower carbon content with V/C ratios of 1.1–1.3 is obtained. Microstructural characterization reveals for V-based materials derived from both deposition techniques crystallites of a cubic phase that can be associated with VC1−xOx. In addition, the electrical transport measurements of direct-write VC1−xOx show moderate resistivity values of 0.8–1.2 × 103 µΩ·cm, a negligible influence of contact resistances and signatures of a granular metal in the temperature-dependent conductivity. Mn-based deposits obtained from Mn2(CO)10 contain ~40 at% Mn for FEBID and a slightly higher metal percentage for CVD. Exclusively insulating material has been observed in FEBID deposits as deduced from electrical conductivity measurements. In addition, strong tendencies for postgrowth oxidation have to be considered.
We present a method that enables the identification and analysis of conformational Markovian transition states from atomistic or coarse-grained molecular dynamics (MD) trajectories. Our algorithm is presented by using both analytical models and examples from MD simulations of the benchmark system helix-forming peptide Ala5, and of larger, biomedically important systems: the 15-lipoxygenase-2 enzyme (15-LOX-2), the epidermal growth factor receptor (EGFR) protein, and the Mga2 fungal transcription factor. The analysis of 15-LOX-2 uses data generated exclusively from biased umbrella sampling simulations carried out at the hybrid ab initio density functional theory (DFT) quantum mechanics/molecular mechanics (QM/MM) level of theory. In all cases, our method automatically identifies the corresponding transition states and metastable conformations in a variationally optimal way, with the input of a set of relevant coordinates, by accurately reproducing the intrinsic slowest relaxation rate of each system. Our approach offers a general yet easy-to-implement analysis method that provides unique insight into the molecular mechanism and the rare but crucial (i.e., rate-limiting) transition states occurring along conformational transition paths in complex dynamical systems such as molecular trajectories.
As a first step towards a realistic phenomenological description of vector and axial-vector mesons in nuclear matter, we calculate the spectral functions of the ρ and the a1 meson in a chiral baryon-meson model as a low-energy effective realization of QCD, taking into account the effects of fluctuations from scalar mesons, nucleons, and vector mesons within the functional renormalization group (FRG) approach. The phase diagram of the effective hadronic theory exhibits a nuclear liquid-gas phase transition as well as a chiral phase transition at a higher baryon-chemical potential. The in-medium ρ and a1 spectral functions are calculated by using the previously introduced analytically-continued FRG (aFRG) method. Our results show strong modifications of the spectral functions—in particular near the critical endpoints of both phase transitions—which may well be of relevance for electromagnetic rates in heavy-ion collisions or neutrino emissivities in neutron-star merger events.
Dilepton production in heavy-ion collisions at top SPS energy is investigated within a coarse-graining approach that combines an underlying microscopic evolution of the nuclear reaction with the application of medium-modified spectral functions. Extracting local energy and baryon density for a grid of small space-time cells and going to each cell’s rest frame enables to determine local temperature and chemical potential by application of an equation of state. This allows for the calculation of thermal dilepton emission. We apply and compare two different spectral functions for the ρ: A hadronic many-body calculation and an approach that uses empirical scattering amplitudes. Quantitatively good agreement of the model calculations with the data from the NA60 collaboration is achieved for both spectral functions, but in detail the hadronic many-body approach leads to a better description, especially of the broadening around the pole mass of the ρ and for the low-mass excess. We further show that the presence of a pion chemical potential significantly influences the dilepton yield.
In high-energy nuclear collisions, heavy quark potential at finite temperature controls the quarkonium suppression. Including the relaxation of the medium induced by the relative velocity between quarkonia and the deconfined expanding matter, the Debye screening is reduced and the quarkonium dissociation takes place at a higher temperature. As a consequence of the velocity-dependent dissociation temperature, the quarkonium suppression at high transverse momentum is significantly weakened in high-energy nuclear collisions at RHIC and LHC.
Das CBM-Experiment konzentriert sich auf die Untersuchung der Eigenschaften des Quark-Gluon-Plasmas bei hohen Netto-Baryonendichten und moderaten Temperaturen. An der zukünftigen Beschleunigeranlage FAIR an der GSI findet das Experiment, neben vielen anderen Experimenten, ihren Platz. Der TRD ist, neben dem RICH, STS und TOF, einer der zentralen Detektoren im CBM-Experiment. Der TRD nutzt dabei den physikalischen Effekt der Übergangsstrahlung, die durch ein geladenes Teilchen beim Durchqueren einer Grenze zweier Medien mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit entsteht, um Elektronen von Pionen trennen zu können. Im Jahr 2017 wurde an der DESY 4 TRD-Prototypen in einer Teststrahlzeit getestet. Dabei handelt es sich um große TRD-Module mit den Maßen 95 · 95 cm2 , was dem finalen Design sehr nahe kommt. Die Untersuchung der DESY-Daten in Kapitel 5 brachte große Problematiken in den Daten zum Vorschein. Die Hauptprobleme der DESY-Daten sind: 1) Bug des SPADIC-Chips 2.0, bei der FN-Trigger zeitlich verschoben wurden; 2) schwache und suboptimale Trigger-Bedingung, wodurch sehr viel Rauschen aufgenommen wurde. Die Daten müssen für weitere Auswertung aufbereitet werden, wobei sehr viel Information und Statistik verloren geht, da einige Daten durch diverse Probleme nicht mehr rekonstruierbar sind. Kapitel 6 beschäftigt sich mit der Simulation der Detektorantwort und geht genauer auf die einzelnen Schritte, die zur Simulation des vom SPADIC erzeugten Pulses benötigt werden, ein. Am Ende werden Ergebnisse aus beiden Datensätzen miteinander verglichen. Um einen optimalen Vergleich zu gewähren, wird die Simulation bestmöglich an die Einstellungen in der Teststrahlzeit angepasst. Hauptsächlich geht es um die Erhöhung des Gasgains und der Verschiebung der Peaking-Zeit des Pulses. Im Allgemeinen können wir in der Simulation einige Effekte, die auch in den DESY-Daten vorkommen, nachsimulieren. Wir erhalten zum Teil sehr unterschiedliche Ergebnisse in der Simulation, deren Richtigkeit nicht verifiziert werden kann, da die Daten aufgrund der Probleme unzuverlässig werden. Durch die Analyse der DESY-Daten konnten wir die Problematik in den Daten besser verstehen. Eine sinnvolle Anpassung der Simulation wird durch die Unzuverlässigkeit der DESY-Daten unmöglich. Für die Optimierung der Simulation müsste man einen Vergleich mit neueren, zuverlässigeren Daten aus zukünftigen Teststrahlzeiten nehmen.
In dieser Arbeit wurde gezeigt, ob Simulation und Messung der realen Struktur übereinstimmen. Dazu wurde mit Hilfe der Störkörpermessmethode über die Phasenverschiebung die elektrische Feldverteilung einer IH-Struktur bestimmt (unter Variation der Tunerhöhe). Die Feldverteilung von Simulation und Messung sind im Kurvenverlauf gleich, allerdings ist die Stärke der Simulationsfelder um einen Faktor 1,1 – 1,2 größer...
With the increasing energies and intensities of heavy-ion accelerator facilities, the problem of an excessive activation of the accelerator components caused by beam losses becomes more and more important. Numerical experiments using Monte Carlo transport codes are performed in order to assess the levels of activation. The heavy-ion versions of the codes were released approximately a decade ago, therefore the verification is needed to be sure that they give reasonable results. Present work is focused on obtaining the experimental data on activation of the targets by heavy-ion beams. Several experiments were performed at GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung. The interaction of nitrogen, argon and uranium beams with aluminum targets, as well as interaction of nitrogen and argon beams with copper targets was studied. After the irradiation of the targets by different ion beams from the SIS18 synchrotron at GSI, the γ-spectroscopy analysis was done: the γ-spectra of the residual activity were measured, the radioactive nuclides were identified, their amount and depth distribution were detected. The obtained experimental results were compared with the results of the Monte Carlo simulations using FLUKA, MARS and SHIELD. The discrepancies and agreements between experiment and simulations are pointed out. The origin of discrepancies is discussed. Obtained results allow for a better verification of the Monte Carlo transport codes, and also provide information for their further development. The necessity of the activation studies for accelerator applications is discussed. The limits of applicability of the heavy-ion beam-loss criteria were studied using the FLUKA code. FLUKA-simulations were done to determine the most preferable from the radiation protection point of view materials for use in accelerator components.
In dieser Arbeit wurde der langsame Neutroneneinfang (s-Prozess) mit dem Nukleosynthese-Programm NETZ simuliert. Ziel solcher Programme ist es, die solare Häufigkeitsverteilung zu reproduzieren.
Der s-Prozess dient der Synthese von Elementen schwerer als Eisen und ereignet sich in astrophysikalischen Szenarien mit relativ geringen Neutronendichten. Dadurch sind die Neutroneneinfangzeiten meist größer als die Betazerfallszeiten und der Prozesspfad folgt dem Stabilitätstal in der Nuklidkarte. Aus diesem Grund sind die Reaktionsraten gut messbar und es steht ein umfangreiches Daten-Netzwerk zur Verfügung, welches in die Simulationen einfließen kann.
Man unterschiedet zwischen der schwachen- und der Hauptkomponente des s-Prozesses. Die schwache Komponente findet in massereichen Sternen (M > 8M⊙) beim Helium-Kernbrennen und Kohlenstoff-Schalenbrennen statt. Bei Temperaturen über 2.5 × 108 K wird die Reaktion 22Ne(α ,n)25Mg aktiviert, welche Neutronen liefert, die von der Eisensaat eingefangen werden. Bei einer mittleren Neutronendichte von 106/cm3 reicht die Neutronenbestrahlung jedoch nicht aus, um den Synthesefluss über die abgeschlossene Neutronenschale bei N = 50 hinweg zu treiben. Folglich werden nur Isotope zwischen Eisen und Yttrium (56 < A < 90) aufgebaut.
Schwerere Isotope (90 ≤ A ≤ 208) werden dagegen in der Hauptkomponente synthetisiert. Diese findet in thermisch pulsierenden AGB-Sternen statt, in denen während des Helium-Schalenbrennens Neutronen hauptsächlich über die Reaktion 13C(α ,n)16O zur Verfügung gestellt werden.
Am Ende der jeweiligen Brennphasen gibt es einen Anstieg von Temperatur und Neutronendichte, welche jedoch nicht die globale Häufigkeitsverteilung, wohl aber Verzweigungspunkte beeinflussen können. An diesen Punkten liegen die Neutroneneinfang- und Betazerfallszeiten in der gleichen Größenordnung, sodass der s-Prozesspfad aufspaltet.
Hinzu kommt, dass unter stellaren Bedingungen die Reaktionsraten starken Änderungen unterworfen sein können. Bei hohen Temperaturen und Dichten befinden sich die Kerne in angeregten Zuständen, die wie auch der Grundzustand Neutronen einfangen oder radioaktiv zerfallen können, jedoch bei veränderten Raten. Dieser Sachverhalt kann einen Einfluss auf die Häufigkeitsverteilung haben.
Das umfangreiche Reaktionsnetzwerk des s-Prozesses kann schnell und mit guter Genauigkeit mit dem Programm NETZ berechnet werden. Dabei muss dem Programm ein Neutronenpuls - der zeitliche Verlauf von Neutronendichte und Temperatur - vorgegeben werden. Ziel dieser Arbeit war es, einen geeigneten solchen Puls zu finden, um die bisherigen Ergebnisse von NETZ zu optimieren. Außerdem wurde eine Aktualisierung der Reaktionsraten und solaren Häufigkeitsverteilung durchgeführt.
Die neuen Neutronenpulse für die schwache- und Hauptkomponente liefern eine Verbesserung in der Übereinstimmung von berechneter und solarer Häufigkeit. Dabei konnte für die Hauptkomponente sowohl ein Profil mit einem rechteckigen als auch mit einem exponentiellen Verlauf der Neutronendichte gefunden werden.
Darüber hinaus bietet NETZ die Möglichkeit, den Einfluss veränderter Reaktionsraten auf die Häufigkeitsverteilung abzuschätzen. Dazu steht inzwischen auch ein Online-Interface zur Verfügung. Dies ist besonders interessant, wenn es neue Messungen z.B. für Neutroneneinfangreaktionen gibt und man die Relevanz für den s-Prozess bestimmen möchte. So konnte in dieser Arbeit die Bedeutung der kürzlich neu gemessenen Raten für 63,65Cu(n,γ) und 69,71Ga(n,γ) beurteilt werden.
Im Rahmen des FAIR Projekts sollen in den Ringbeschleunigern SIS18 und SIS100 Ionenstrahlen mit höchster Intensität beschleunigt werden. Um die Raumladungsgrenze zu erhöhen, werden dazu Ionen mit mittleren Ladungszuständen verwendet. Diese haben aber größere Wirkungsquerschnitte für Umladung in Wechselwirkungen mit im Strahlvakuum vorhandenen Restgasteilchen als hochgeladene Ionen. Kommt es zu Strahlverlusten, lösen die verlorenen Ionen am Auftreffort weitere Restgasteilchen von den Wänden des Strahlrohrs und erhöhen so lokal die Restgasdichte. Die Qualität des Vakuums ist deshalb für einen stabilen Strahlbetrieb essentiell.
Im SIS100 kommen kryogene Vakuumkammern zum Einsatz, deren Wände als Kryosorptionspumpen für Wasserstoff und Helium dienen und alle schwereren Restgaskomponenten durch Kryokondensation binden können. Um die Vorhersagegenauigkeit des abteilungsinternen Programms „StrahlSim“ zur Simulation des dynamischen Vakuums zu verbessern, wurden im Rahmen dieser Arbeit das Saugvermögen und die Pumpkapazität für Wasserstoff auf einer Edelstahloberfläche untersucht.
Dazu wurde ein UHV Teststand entwickelt und aufgebaut. Dieser besteht aus einem warmen Diagnoseteil, mit dem der Gasfluss in und aus dem kalten Teil überwacht werden kann. Im kalten Teil befindet sich eine kleine Kammer mit Edelstahlwänden, für die verschiedene Temperaturen zwischen 7 und 31 K eingestellt werden können. Diese Kammer repräsentiert ein kleines Stück kryogenes Strahlrohr. Bei verschiedenen Temperaturen und Oberflächenbelegungen wurden dort jeweils das Saugvermögen und der sich einstellende Gleichgewichtsdruck im Bereich von 4E-11 bis 2E-7 mbar gemessen. Die Gleichgewichtsdrücke bei einer bestimmten Temperatur bei wachsender Oberflächenbelegung werden als Adsorptionsisotherme bezeichnet. Sie ergeben sich aus dem Gleichgewicht von thermisch desorbierenden Teilchen und deren Readsorption. Die kalte Kammer wird umgeben von einem Kryostaten, bestehend aus thermischem Schild und Außentank. Für diesen wurde die thermische Auslegung durchgeführt, die Konstruktion erfolgte extern.
Aus dem gemessenen Saugvermögen konnte die Haftwahrscheinlichkeit berechnet werden. Sie stellte sich als im Rahmen der Messgenauigkeit als unabhängig von Belegung und Temperatur heraus. Ihr Wert liegt nahe 1 mit einer Unsicherheit bis 0,1. Da sämtliche Oberflächen in den kryogenen Bereichen als Pumpen wirken, ist dieser Wert mehr als ausreichend um die für den stabilen Strahlbetrieb nötigen Vakuumbedingungen zu erreichen und stabil zu halten.
Die Isothermen hingegen sind stark von der Temperatur abhängig. Über 18 K liegen die Gleichgewichtsdrücke bereits bei minimalen Oberflächenbelegungen in für den Strahlbetrieb nicht tolerierbaren Bereichen. Mit sinkender Temperatur können die Oberflächen immer mehr Gas aufnehmen. Doch auch bei den tiefsten vermessenen Temperaturen zwischen 7 und 8 K ist ein stabiler Strahlbetrieb nur bei Belegungen von deutlich unter einer halben Monolage, etwa 5E14 Wasserstoffmoleküle pro cm², möglich.
Diese Ergebnisse wurden in StrahlSim implementiert. Zunächst wurde der Code für die Simulation von teilweise kryogenen Beschleunigern angepasst. Die wichtigste Änderung war die Einführung von thermischer Transpiration. Sie bewirkt, dass die Restgasteilchendichte an Kalt-Warm-Übergängen auf der kalten Seite erhöht ist. Mit dieser Änderung und den implementierten Ergebnissen aus den Messungen wurden Simulationen für das SIS100 durchgeführt. Mit den Isothermen konnten die bei verschiedenen Temperaturen und Bedeckungen zu erwartenden Durchschnittsdichten berechnet werden, die wiederum bestimmend für die Strahlverluste sind. Des Weiteren wurde ein mehrwöchiger Dauerbetrieb simuliert. Es zeigt sich zunächst eine Verschlechterung der Vakuumbedingungen auf Grund der langsamen Sättigung der Oberflächen. Diese verlangsamt sich aber immer mehr und stabilisiert sich bevor zu hohe Restgasdichten auftreten. Im schlechtesten Fall sind die kryogenen Oberflächen so weit gesättigt, dass sie genauso viele Gasteilchen thermisch desorbieren wie sie adsorbieren, sie also praktisch passiv sind. Auch dann wäre die Gleichgewichtsdichte im Beschleuniger noch tief genug, um Verluste durch Umladung hinreichend niedrig zu halten.
Als problematisch könnten sich hingegen dynamische Temperaturerhöhungen der Kammerwände erweisen. In diesem Fall stellt sich praktisch verzögerungsfrei der durch die neue Isotherme definierte Gleichgewichtsdruck ein, der auch bei wenigen Kelvin Temperaturunterschied bereits um mehrere Größenordnungen höher liegen kann. Sind Temperaturerhöhungen während des Betriebs zu erwarten, sollten die Oberflächen so frei wie möglich von Wasserstoff gehalten werden. Dazu kann man sich eben diesen Effekt zunutze machen: Durch temporäres Anwärmen der Oberflächen unmittelbar vor dem Strahlbetrieb können die Oberflächen schnell von Wasserstoff befreit werden, der dann von lokalisierten Pumpen aus dem System entfernt werden kann.
Vibrational energy transfer (VET) is emerging as key mechanism for protein functions, possibly playing an important role for energy dissipation, allosteric regulation, and enzyme catalysis. A deep understanding of VET is required to elucidate its role in such processes. Ultrafast VIS-pump/IR-probe spectroscopy can detect pathways of VET in proteins. However, the requirement of having a VET donor and a VET sensor installed simultaneously limits the possible target proteins and sites; to increase their number we compare six IR labels regarding their utility as VET sensors. We compare these labels in terms of their FTIR, and VET signature in VET donor-sensor dipeptides in different solvents. Furthermore, we incorporated four of these labels in PDZ3 to assess their capabilities in more complex systems. Our results show that different IR labels can be used interchangeably, allowing for free choice of the right label depending on the system under investigation and the methods available.
Virtual photon polarization and dilepton anisotropy in relativistic nucleus–nucleus collisions
(2018)
The polarization of virtual photons produced in relativistic nucleus–nucleus collisions provides information on the conditions in the emitting medium. In a hydrodynamic framework, the resulting angular anisotropy of the dilepton final state depends on the flow as well as on the transverse momentum and invariant mass of the photon. We illustrate these effects in dilepton production from quark–antiquark annihilation in the QGP phase and π+π− annihilation in the hadronic phase for a static medium in global equilibrium and for a longitudinally expanding system.
We investigate viscous effects on the dynamical evolution of QCD matter during the first-order phase transition, which may happen in heavy-ion collisions. We first obtain the first-order phase transition line in the QCD phase diagram under the Gibbs condition by using the MIT bag model and the hadron resonance gas model for the equation of state of partons and hadrons. The viscous pressure, which corresponds to the friction in the energy balance, is then derived from the energy and net baryon number conservation during the phase transition. We find that the viscous pressure relates to the thermodynamic change of the two-phase state and thus affects the timescale of the phase transition. Numerical results are presented for demonstrations.
The way we perceive the visual world depends crucially on the state of the observer. In the present study we show that what we are holding in working memory (WM) can bias the way we perceive ambiguous structure from motion stimuli. Holding in memory the percept of an unambiguously rotating sphere influenced the perceived direction of motion of an ambiguously rotating sphere presented shortly thereafter. In particular, we found a systematic difference between congruent dominance periods where the perceived direction of the ambiguous stimulus corresponded to the direction of the unambiguous one and incongruent dominance periods. Congruent dominance periods were more frequent when participants memorized the speed of the unambiguous sphere for delayed discrimination than when they performed an immediate judgment on a change in its speed. The analysis of dominance time-course showed that a sustained tendency to perceive the same direction of motion as the prior stimulus emerged only in the WM condition, whereas in the attention condition perceptual dominance dropped to chance levels at the end of the trial. The results are explained in terms of a direct involvement of early visual areas in the active representation of visual motion in WM.