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In this thesis we explore the characteristics of strongly interacting matter, described by Quantum Chromodynamics (QCD). In particular, we investigate the properties of QCD at extreme densities, a region yet to be explored by first principle methods. We base the study on lattice gauge theory with Wilson fermions in the strong coupling, heavy quark regime. We expand the lattice action around this limit, and carry out analytic integrals over the gauge links to obtain an effective, dimensionally reduced, theory of Polyakov loop interactions.
The 3D effective theory suffers only from a mild sign problem, and we briefly outline how it can be simulated using either Monte Carlo techniques with reweighting, or the Complex Langevin flow. We then continue to the main topic of the thesis, namely the analytic treatment of the effective theory. We introduce the linked cluster expansion, a method ideal for studying thermodynamic expansions. The complex nature of the effective theory action requires the development of a generalisation of the linked cluster expansion. We find a mapping between generalised linked cluster expansion and our effective theory, and use this to compute the thermodynamic quantities.
Lastly, various resummation techniques are explored, and a chain resummation is implemented on the level of the effective theory itself. The resummed effective theory describes not only nearest neighbour, next to nearest neighbour, and so on, interactions, but couplings at all distances, making it well suited for describing macroscopic effects. We compute the equation of state for cold and dense heavy QCD, and find a correspondence with that of non-relativistic free fermions, indicating a shift of the dynamics in the continuum.
We conclude this thesis by presenting two possible extensions to new physics using the techniques outlined within. First is the application of the effective theory in the large-$N_c$ limit, of particular interest to the study of conformal field theory. Second is the computation of analytic Yang Lee zeros, which can be applied in the search for real phase transitions.
In this work the main emphasis is put on the investigation of relativistic shock waves and Mach cones in hot and dense matter using the microscopic transport model BAMPS, based on the relativistic Boltzmann equation. Using this kinetic approach we study the complete transition from ideal-fluid behavior to free streaming. This includes shock-wave formation in a simplified (1+1)-dimensional setup as well as the investigation of Mach-cone formation induced by supersonic projectiles and/or jets in (2+1)- and (3+1)-dimensional static and expanding systems. We further address the question whether jet-medium interactions inducing Mach cones can contribute to a double-peak structure observed in two-particle correlations in heavy-ion collision experiments. Furthermore, BAMPS is used as a benchmark to compare kinetic theory to several relativistic hydrodynamic theories in order to verify their accuracy and to find their limitations.
Using a partonic transport model we investigate the evolution of conical structures in ultrarelativistic matter. Using two different source terms and varying the transport properties of the matter we study the formation of Mach Cones. Furthermore, in an additional study we extract the two-particle correlations from the numerical calculations and compare them to an analytical approximation. The influence of the viscosity to the shape of Mach Cones and the corresponding two-particle correlations is studied by adjusting the cross section of the medium.
In the 1960s, theoretical concepts prepared the path to nuclear matter with proton and neutron numbers far beyond the nuclei known at that time. The new laboratory GSI was founded for research on reactions with heavy ions, in particular those for production of the predicted super-heavy nuclei. In this contribution it is presented how the interaction between experiment and theory resulted in a continuous improvement of the experimental set-ups on the one hand, and of the knowledge of the processes during the nuclear reaction and of the properties of the produced nuclei on the other hand. In the course of this work six new elements from 107 to 112 were produced and identified. An overview of the present status of experimental results and a comparison with theoretical interpretations is given.
In this thesis, the production of charged kaons and Φ mesons in Au+Au collisions at sqrt sAuAu = 2.4 GeV is studied. At this energy, all particles carrying open and hidden strangeness are produced below their respective free nucleon-nucleon threshold with the corresponding so-called excess energies: sqrt sK+ exc = -0.15 GeV, sqrt sK- exc = -0.46 GeV, sqrt sΦ exc = -0.49 GeVGeV. As a consequence, the production cross sections are very sensitive to medium effects like momentum distributions, two- or multistep collisions, and modification of the in-medium spectral distribution of the produced states [1]. K+ and K- mesons exhibit different properties in baryon dominated matter, since only K- can be resonantly absorbed by nucleons. Although strangeness exchange reactions have been proposed to be the dominant channel for K- production in the analyzed energy regime, the production yield and kinematic distributions could also be explained in smaller systems based on statistical hadronization model fits to the measured particle yields, including a canonical strangeness suppression radius RC, and taking the Φ feed-down to kaons into account [2, 3]. For the first time in central Au+Au collisions at such low energies, it is possible to reconstruct and do a multi differential analysis of K- and Φ mesons. In principle, this should be the ideal environment for strangeness exchange reactions to occur, as the particles are produced deeply sub-threshold in a large and long-living system. Therefore, it is the ultimate test to differentiate between the different sources for K- production in HIC.
In total 7.3x10exp9 of the 40% most central Au(1.23 GeV per nucleon)+Au collisions are analyzed. The data has been recorded with the High Acceptance DiElectron Spectrometer HADES located at Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GSI in April/May 2012. A substantially improved reconstruction method has been employed to reconstruct the hadrons with high purity in a wide phase space region.
The estimated particle multiplicities follow a clear hierarchy of the excess energy: 41.5 ± 2.1|sys protons at mid-rapidity per unit in rapidity, 11.1 ± 0.6|sys ± 0.4|extrapol π-, (3.01 ± 0.03|stat ± 0.15|sys ± 0.30|extrapól) x10 exp -2 K+, (1.94 ± 0.09|stat ± 0.10|sys ± 0.10|extrapol)x10 exp -4 K- and (0.99 ± 0.24|stat ± 0.10|sys ± 0.05|extrapol)x10 exp -4 Φ per event. The multiplicities of the strange hadrons increase more than linear with the mean number of participating nucleons hAparti, supporting the assumption that the necessary energy to overcome the elementary production threshold is accumulated in multi-particle interactions. Transport models predict such an increase, but are overestimating the measured particle yield and are not able to describe the kinematic distributions of K+ mesons perfectly. However, the best description is given by the IQMD model with a density dependent kaonnucleon potential of 40 MeV at nuclear ground state density.
The K-=K+ multiplicity ratio is constant as a function of centrality and follows with (6.45 ± 0.77)x10 exp -3 the trend of increasing with beam energy indicated from previous experiments [4]. The effective temperature of K- TK+eff = (84 ± 6) MeV is found to be systematically lower than the one of K+ TK+eff = (104 ± 1) MeV, which has also been observed by the other experiments.
The Φ=K- ratio is with a value of 0.52 ± 0.16 higher than the one obtained at higher center-of-mass energies and smaller systems. This behavior is predicted from a tuned version of the UrQMD transport model [5], when including higher mass baryonic resonances which can decay into Φ mesons and from statistical hadronization models when suppressing open strangeness canonically. The found ratio is constant as a function of centrality and results with a branching ratio of 48.9%, that ~ 25% of all measured K- originate from Φ feed-down decays. A two component PLUTO simulation, consisting of a pure thermal and a K- contribution originating from Φ decays, can fully explain the observed lower effective temperature in comparison to K+ and the shape of the measured rapidity distribution of K-. As a result, we find no indication for strangeness exchange reactions being the dominant mechanism for K- production in the SIS18 energy regime, if taking the contribution from Φ feed-down decays into account.
The hadron yields for the 20% most central collisions can be described by a statistical hadronization model fit with the chemical freeze-out temperature of Tchem = (68 ± 2) MeV and baryochemical potential of μB = (883 ± 25) MeV, which is higher than expected from previous parameterizations. The analysis of the transverse mass spectra of protons indicate a kinetic freeze-out temperature of Tkin = (70 ± 4) MeV and radial flow velocity of βr = 0.43 ± 0.01, which is in agreement with the parameters obtained from the linear dependence of the effective temperatures on the particle mass Tkin = (71.5 ± 4.2) MeV and βr = 0.28 ± 0.09.
The Standard Model is one of the greatest successes of modern theoretical physics. Itl describes the physics of elementary particles by means of three forces, the electro-magnetisc, the weak and the strong interactions. The electro-magnetic and the weak interaction are rather well understood in comparison to the strong interaction.
The latest is as fundamental as the others, it is responsible for the formation of all hadrons which are classified into mesons and baryons. Well-known examples of the former is the pion and of the latter is the proton and the neutron, which form the nucleus of every atom. This fundamental force is believed to be described by the Quantum Chromodynamics (QCD) theory. According to this theory, hadrons are not elementary particles but are composed of quarks and gluons. The latter are the vector particles of the force and so are bosons of spin 1 and the former constitute the matter and are fermions with spin 1/2. To describe the interaction a new quantum number had to be introduced: the color charge which exists in three different types (blue, green and red). The name has not been chosen arbitrary as elements created from three quarks of different colors are colorless in the same way that mixing the three primary colors leads to white. However, experimentally no colored structure has ever been observed. The quarks and the gluons seem to be confined in colorless hadrons. This property of QCD is called confinement and results from a large coupling constant at low energy (or large distance). For high energy (or small distance), the perturbative analysis of QCD permits to establish the coupling constant to be small and quarks and gluons are almost free. This property is called asymptotic freedom. The possibility for QCD to describe both behaviors is one of its amazing characteristics. However, both phenomena are not well understood and one needs a method to study both the pertubative and the confining regime.
The only known method which fulfills the above criteria is Lattice QCD and more generally Lattice Quantum Field Theory (LQFT). It consists of a discretization of the spacetime and a formulation of QCD on a four-dimensional Euclidean spacetime grid of spacing a. In this way, the theory is naturally regularized and mathematically well-defined. On the other hand, the path integral formalism allows the theory to be treated as a Statistical Mechanics system which can be evaluated via a Markov chain Monte-Carlo algorithm. This method was first suggested by Wilson in 1974 [1] and shortly after Creutz performed the first numerical simulations of Yang-Mills theory [2] using a heath-bath Monte-Carlo algorithm. It appears that this method is extremely demanding in computational power. In its early days the method was criticized as the only feasible simulations involved non-physical values such as extremely large quark masses, large lattice spacing a and no dynamical quarks. With the progress of the computers and the appearance of the super-computer, the studies have come close to the physical point. But one still needs to deal with discrete space time and finite volume. Several techniques have been developed to estimate the infinite volume limit and the continuum limit. The smaller the lattice spacing and the larger the volume, the better the extrapolation to continuum and infinite volume limits is. The simulations are still very expensive and for the moment a typical length of the box is L ≈ 4fm and a ≈ 0.08fm. However, it has been realized simulating pure Yang-Mills theory and other lower dimensional models that the topology is freezing at small a [3]. It was also observed recently on full QCD simulations [4,5].
The typical lattice spacing for which this problem appears in QCD is a ≈ 0.05fm but this value depends on the quark mass used and on the algorithm. The freezing of topology leads to results which differ from physical results. Solving this issue is important for the future of LQCD [6]. Recently several methods to overcome the problem have been suggested, one of the most popular is the used of open boundary conditions [7] but this promising method has still its own issues, mainly the breaking of translation invariance.
Electronic states with non-trivial topology host a number of novel phenomena with potential for revolutionizing information technology. The quantum anomalous Hall effect provides spin-polarized dissipation-free transport of electrons, while the quantum spin Hall effect in combination with superconductivity has been proposed as the basis for realizing decoherence-free quantum computing. We introduce a new strategy for realizing these effects, namely by hole and electron doping kagome lattice Mott insulators through, for instance, chemical substitution. As an example, we apply this new approach to the natural mineral herbertsmithite. We prove the feasibility of the proposed modifications by performing ab-initio density functional theory calculations and demonstrate the occurrence of the predicted effects using realistic models. Our results herald a new family of quantum anomalous Hall and quantum spin Hall insulators at affordable energy/temperature scales based on kagome lattices of transition metal ions.
For the transport of high-intensity hadron beams in low-energy beam lines of linear accelerators, the compensation of space charge forces by the accumulation of particles of opposite charge is an important effect, reducing the required focusing strength and potentially the emittance growth due to space charge forces. In this thesis, space charge compensation was studied by including the secondary particles in particle-in-cell simulations.
For this purpose, a new electrostatic particle-in-cell code named bender was developed. The software was tested using known self-consistent solutions for an electron plasma confined in an external potential as well as for a KV distributed beam in a periodic focusing lattice. For the simulation of compensation, models for residual gas ionisation by proton and electron impact were implemented.
The compensation process was studied for a 120 keV, 100 mA proton beam transported through a short drift section. Various features in the particle distributions were identified, which can not explained by a uniform reduction in the electric field of the beam. These were tied to the presence of thermal electrons confined within the beam potential. Using the Poisson-Boltzmann equation, their distribution could be reproduced and their influence on the beam for a wider range of parameters studied. However, the observed temperatures show a significant numerical influence. The hypothesis was formed, that stochastical heating present in particle-in-cell simulations is the mechanism leading to the formation of the observed (partial) thermal equilibrium.
For the low-energy beam transport line of the Frankfurt neutron source FRANZ, bender was used to predict the pulse shaping in the novel ExB chopper system. The code was also used for the design and the study of an electron lens for the Integrable Optics Test Accelerator at Fermi National Accelerator Laboratory. Aberrations due to guiding center drifts and the strong electric field of the electron beam as well as the current limits in such a system were investigated.
In der Experimentierhalle der Physik am Campus Riedberg der Goethe – Universität wird gegenwärtig die Beschleunigeranlage FRANZ aufgebaut. FRANZ steht für Frankfurter Neutronenquelle am Stern-Gerlach-Zentrum. Die Anlage bietet vielfältige Experimentiermöglichkeiten in der Untersuchung intensiver, gepulster Protonenstrahlen. Ein Forschungsschwerpunkt an den sekundären Neutronenstrahlen sind Messungen zur nuklearen
Astrophysik. Die Neutronen werden durch einen 2 MeV Protonenstrahl mittels der Reaktion 7Li (p, n) 7Be erzeugt. Die geplanten Experimente erfordern sowohl eine hier weltweit erstmals realisierte Pulsrepetitionsrate von bis zu 250 kHz bei Pulsströmen im 100 mA – Bereich als auch eine extreme Pulskompression auf eine Nanosekunde bei dann auftretenden Pulsströmen im Ampere – Bereich. Daneben ist auch ein Dauerstrich – Strahlbetrieb im mA – Strombereich möglich. Auch viele einzelne Beschleunigerkomponenten wie die Ionenquelle, der Chopper zur Pulsformung, die hochfrequent gekoppelte RFQ-IH-Kombination, der Rebuncher in Form einer CH – Struktur und der Bunchkompressor sind Neuentwicklungen. Mittlere Strahlleistungen von bis zu 24 kW treten im Niederenergiestrahltransportbereich auf, da die Ionenquelle grundsätzlich im Dauerstrich zu betreiben ist, auch bei Hochstrom mit hohen Pulsrepetitionsraten. Der Personen- und Geräteschutz spielt damit auch eine wesentliche Rolle bei der Auslegung des Kontrollsystems für FRANZ. Der Aufbau von FRANZ und seine wesentlichen Komponenten werden in Kapitel 2 erläutert. Die vielen unterschiedlichen Komponenten wie Hochspannungsbereich, Magneten, Hochfrequenzbauteile und Kavitäten, Vakuumbauteile, Strahldiagnose und Detektoren machen plausibel, dass auch das Kontrollsystem für eine solche Anlage speziell ausgelegt werden muss. In Kapitel 4 werden zum Vergleich die Konzepte zur Steuerung und Regelung aktueller, großer Beschleunigerprojekte aufgezeigt, nämlich für die „European Spallation Source ESS“ und für die „Facility for Antiproton and Ion Research FAIR“. In der vorliegenden Arbeit wurde die Ionenquelle als komplexe Beschleunigerkomponente ausgewählt, um Entwicklungen zur Steuerung und Regelung durchzuführen und zu testen. Zum Anfahren und Betreiben der Ionenquelle wurde ein Flussdiagramm (Abb. 5.15) entwickelt und realisiert. Im Detail wurden Untersuchungen zur Abhängigkeit der Heizkathodenparameter von der Betriebsdauer gemacht. Daraus konnte ein Algorithmus zur Vorhersage eines rechtzeitigen Filamentaustausches abgeleitet werden. Weiterhin konnte die Nachregelung des Kathodenheizstromes automatisiert werden, um damit die Bogenentladungsspannung innerhalb eines Intervalls von ± 0.5 V zu stabilisieren. Das Anfahren des Filamentstroms wurde ebenfalls automatisiert. Dazu wird die Vakuumdruckänderung in Abhängigkeit der Filamentstromerhöhung gemessen, ausgewertet und daraus der nächste erlaubte Stromerhöhungsschritt abgeleitet. Auf diese Weise wird der Betriebszustand schneller und kontrollierter erreicht als bei manuellem Hochfahren. Das Ziel eines unbemannten Ionenquellenbetriebs ist damit näher gerückt. In einem ersten Test zur Komponentensteuerung und zur Datenaufnahme wurde ein Ionenstrahl extrahiert und durch den ersten Fokussierungsmagneten – einen Solenoiden – transportiert. Es wurde der Erregungsstrom des Solenoiden sowie die Strahlenergie automatisch durchgefahren, die Daten abgespeichert und daraus ein Kontourplot zum gemessenen Strahlstrom hinter der Fokussierlinse erstellt (Abb. 5). Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich nur mit den „langsamen“ Steuerungs- und Regelungsprozessen, während die schnellen Prozesse im Hochfrequenzregelungssystem unabhängig geregelt werden. Neben der Überwachung des Betriebszustandes aller Komponenten werden auch alle für den Service und die Personensicherheit benötigten Daten weggeschrieben. Das System basiert auf MNDACS (Mesh Networked Data Acquisition and Control System) und ist in JAVA geschrieben. MNDACS besteht aus einem Kernel, welcher die Komponententreiber-Software sowie den Netzwerkserver und das graphische Netzwerkinterface (GUI) betreibt. Weterhin gehört dazu das Driver Abstraction Layer (DAL), welches den Zugang zu weiteren Computern oder zu lokalen Treibern ermöglicht. CORBA stellt die Middleware für Netzwerkkommunikation dar. Dadurch wird Kommunikation mit externer Software geregelt, weiterhin wird die Umlegung von Kommunikation im Fall von Leitungsunterbrechungen oder einem lokalen Computerabsturz festgelegt. Es gibt bei FRANZ zwei Kontrollebenen: Über Ethernet läuft die „High Level Control“ und die Datenverarbeitung. Über die „Low Level Control“ läuft das Interlock – und Sicherheitssystem. Die Netzwerkverbindungen laufen über 1 Gb Ethernet Links, womit ein schneller Austausch auch bei lokalen Netzwerkstörungen noch möglich ist. Um bei Stromausfällen das Computersystem am Laufen zu halten, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein „Uninterruptable Power Supply“ UPS beschafft und erfolgreich am Hochspannungsterminal getestet.
Study of hard core repulsive interactions in an hadronic gas from a comparison with lattice QCD
(2016)
We study the influence of hard-core repulsive interactions within the Hadron-Resonace Gas model in comparison to first principle calculation performed on a lattice. We check the effect of a bag-like parametrization for particle eigenvolume on flavor correlators, looking for an extension of the agreement with lattice simulations up to higher temperatures, as was yet pointed out in an analysis of hadron yields measured by the ALICE experiment. Hints for a flavor depending eigenvolume are present.
The Large Hadron Collider (LHC) is the biggest and most powerful particle accelerator in the world, designed to collide two proton beams with particle momentum of 7 TeV/c each. The stored energy of 362MJ in each beam is sufficient to melt 500 kg of copper or to evaporate about 300 litre of water. An accidental release of even a small fraction of the beam energy can cause severe damage to accelerator equipment. Reliable machine protection systems are necessary to safely operate the accelerator complex. To design a machine protection system, it is essential to know the damage potential of the stored beam and the consequences in case of a failure. One (catastrophic) failure would be, if the entire beam is lost in the aperture due to a problem with the beam dumping system.
This thesis presents the simulation studies, results of a benchmarking experiment, and detailed target investigation, for this failure case. In the experiment, solid copper cylinders were irradiated with the 440GeV proton beam delivered by the Super Proton Synchrotron (SPS) at the High Radiation to Materials (HiRadMat) facility at CERN. The experiment confirmed the existence of the so-called hydrodynamic tunneling phenomenon for the first time. Detailed numerical simulations for particle-matter interaction with FLUKA, and with the two-dimensional hydrodynamic code, BIG2, were carried out. Excellent agreement was found between the experimental and the simulation results that validate predictions for the 7TeV beam of the LHC. The hydrodynamic tunneling effect is of considerable importance for the design of machine protection systems for accelerators with high stored beam energy. In addition, this thesis presents the first studies of the damage potential with beam parameters of the Future Circular Collider (FCC).
To detect beam losses due to fast failures it is essential to have fast beam instrumentation. Diamond based particle detectors are able to detect beam losses within a nanosecond time scale. Specially designed diamond detectors were used in the experiment mentioned above. Their efficiency and response has been studied for the first time over 5 orders of bunch intensity with electrons at the Beam Test Facility (BTF) at INFN, Frascati, Italy. The results of these measurements are discussed in this thesis. Furthermore an overview of the applications of diamond based particle detectors in damage experiments and for LHC operation is presented.
Measurements of the transverse momentum (pt) spectra of K0 s and Λ(Λ̄) in Pb–Pb and pp collisions at √sNN = 2.76TeV with the ALICE detector at the LHC at CERN up to pt = 20GeV/c and pt = 16GeV/c, respectively, are presented in this thesis. In addition, the particle rapidity densities at mid-rapidity and nuclear modification factors of K0 s and Λ(Λ̄) are shown and discussed. The analysis was performed using the Pb–Pb data set from 2010 and the pp data set from 2011. For the identification of K0 s and Λ(Λ̄), the on-the-fly V0 finder was employed on tracking information from the TPC and ITS detectors. The Λ and Λ̄ spectra were feed-down corrected using the measured published Ξ− spectra as input.
Regarding the rapidity density at mid-rapidity, a suppression of the strange particle production in pp as compared to Pb–Pb collisions is observed at all centralities, whereas the production per pion rapidity density stays constant as a function of dNch/dη including both systems. Furthermore, the relative increase of the individual particle species in pp and AA collisions is compatible for non- and single-strange particles when going from RHIC (√sNN = 0.2TeV) to LHC energies. On the other hand, in case of multi-strange baryons, a stronger increase in the particle production in pp is seen. The Λ̄ and Λ production in Pb–Pb and pp collisions was found to be equal. Concerning the nuclear modification factors, at lower pt (pt <5GeV/c), an enhancement of the RAA of Λ with respect to that of K0 s and charged hadrons is observed. This baryon-to-meson enhancement appearing in central Pb–Pb collisions at RHIC and LHC is currently explained by the interplay of the radial flow and recombination as the dominant particle production mechanism in this pt sector. The effect of radial flow is thus also seen in the low and intermediate pt region of RAA, where a mass hierarchy is discovered among the baryons and mesons, respectively, with the heaviest particle being least suppressed. When comparing the results from RHIC and LHC, the RCP is found to be similar at low-to-intermediate pt, while a significantly smaller RAA of K0 s and Λ in central and peripheral events at the LHC is observed in this pt region as compared to the RHIC results. This can be attributed to the larger radial flow in AA collisions and to the harder spectra at the LHC. At high pt (pt > 8GeV/c), a strong suppression in central Pb–Pb collisions with respect to pp collisions is found for K0 s and Λ(Λ̄). A significant high-pt suppression of these hadrons is also observed in the ratio of central-to-peripheral collisions. The nuclear modification of K0 s and Λ(Λ̄) is compatible with the modification of charged hadrons at
high pt. The calculations with the transport model BAMPS agree with these results suggesting a similar energy loss for all light quarks, i.e. u, d and s. Moreover, a compatible suppression for c-quarks appears in the ALICE measurements via the D meson RAA as well as in the BAMPS calculations, which hints to a flavour-independent suppression if light- and c-quarks are regarded. Within this consideration, no indication for a medium-modified fragmentation is found yet.
To summarize, for the particle production in Pb–Pb collisions at the LHC relative to pp neither at lower pt (rapidity density) nor at higher pt (nuclear modification factor) a significant difference of K0 s and Λ(Λ̄) carrying strangeness to hadrons made of u- and d-quarks was found.
Mit der hier vorliegenden Arbeit ist das Entladungsverhalten einer Dielektrischen Barriere Entladung anhand der elektrischen Parameter untersucht worden. Dazu wurde ein planparallele Elektrodenkonfiguration entwickelt und aufgebaut, die mit einer Sinus-Spannungs von maximal 5000 Vss und einer Frequenz von 5 kHz-20 kHz angesteuert wurde. Als Arbeitsgas wurde Argon im Druckbereich von 100 mbar - 1000 mbar verwendet. Auf diese Weise konnte ein Plasma erzeugt werden, in das bei einer maximalen Transfereffiienz von 96%, eine mittlere Leistung von bis zu 845 mW eingekoppelt werden konnte.
Da die Dielektrische Barriere Entladung auf Grund der Abschirmung der Elektroden vom Gasraum einige Besonderheiten gegenüber eines klassischen kapazitiv eingekoppelten Plasmas aufweist, können keine Rückschlüsse mittels einer einfachen Strom-Spannungsmessung auf die Vorgänge im Plasma gemacht werden.
Um trotzdem Einblick in die Entladung zu erhalten, wurde das von [Tra08] vorgeschlagene Ladungstransportmodel für die Analyse herangezogen und an den hier vorliegenden experimentellen Aufbau angepasst. So konnte unter anderem der Ein
uss der auf den Dielektrika befindlichen Restladungsträger auf die Ausbildung der Entladung untersucht werden. Des Weiteren ist aus den gewonnen Größen die Elektronendichte des Plasmas bestimmt worden. Diese liegt bei der hier untersuchten dielektrischen Glimmentladung, je nach Gasdruck und Frequenz, im Bereich zwischen 5 X 10exp9 - 2 X 10exp10 1/cm3 . Auch konnten in diesem Zusammenhang qualitative Aussagen über die Entwicklung der Elektronentemperatur gemacht werden.
Zusammen mit Kurzzeitaufnahmen, die den Verlauf der Entladung dokumentieren und den in [Sch11] gemachten Untersuchungen zur Excimerstrahlung konnte so ein umfassendes Bild der Vorgänge im Plasma erstellt und Kriterien erarbeitet werden, die den für eine Dielektrische Barriere Entladung typischen Ubergang zwischen einer Glimmentladung zu einer filamentierten Entladung erklären können.
Im Rahmen dieser Diplomarbeit haben Arbeiten am Elektronen-Streuexperiment von Prof. J. Jacoby und Dr. R. Berezov an der Goethe-Universität Frankfurt stattgefunden. Am Experiment wurden durch Møller-Streuung verschränkte Elektronen auf ihre Spin-Abhängigkeit untersucht. Die Untersuchung erfolgte als Koinzidenzmessung, dessen Genauigkeit von der zeitlichen Auflösung der Detektoren abhängt. Als Koinzidenzlogik diente ein von Julian Schunk entwickeltes Datenerfassungsprogramm, das auf einem Oszilloskop installiert wurde...
Die vorliegende Arbeit präsentiert den Aufbau und die Diagnostik eines Niederdruck-HF-Plasmas. Durchgeführt wurden die Messungen in einem Gasgemisch aus Ar/He (50%=50%). Sie dienten dazu, nähere Einblicke in die Plasmaparameter eines HF-Plasmas zu erhalten. Einen Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit bildete dabei die Auswirkung unterschiedlicher Antennengeometrien auf die Entladungseigenschaften. Hierfür wurden die Plasmaparameter Elektronentemperatur Te, Elektronendichte ne und HF-Leistung in Abhängigkeit des Gasdruckes bei einer Vorwärtsleistung des HF-Generators von 1kW untersucht. Um eine sinnvolle Diagnostik zu gewährleisten, war es zunächst erforderlich eine induktive HF-Einspeisung zu konzipieren und eine Impedanzanpassung an dem vorhandenen 13,56MHz Generator vorzunehmen. Die Einspeisung der HF-Leistung geschieht über eine Spule, nach dem Transformatorprinzip. Der Aufbau bietet die Möglichkeit einer modularen Gestaltung der verwendeten Antennengeometrie. Hierdurch ist es möglich, sowohl die Länge, die Windungsbreite als auch die Windungsanzahl schnell zu ändern, um experimentell ein Optimum der Plasmaparameter bezüglich der Plasmaanregung zu erreichen.
Für die Bestimmung der Plasmaparameter wurde vorwiegend eine nicht invasive Diagnostiktechnik, die Emissionsspektroskopie, eingesetzt. Sie bietet den Vorteil, ein Plasma unberührt zu lassen und dessen Eigenschaften nicht zu verfälschen. Zusätzlich wurde mit einer Langmuirsonde die Elektronendichte gemessen. Die eingespeiste HF-Leistung wurde mit einem im HF-Generator befindlichen Reflektometer überwacht und dokumentiert. Durch systematisch durchgeführte Messungen konnte die Elektronentemperatur in Abhängigkeit des Gasdruckes für unterschiedliche Spulengeometrien mit Hilfe der Spektroskopie bestimmt werden. Es ergaben sich typische Elektronentemperaturen einer induktiven Entladung zwischen 1 eV und 5 eV. Die Ursache einer höheren Elektronentemperatur bei niedrigen Gasdrücken, unterhalb von 1 Pa, kann durch die stochastische Heizung sowie resonante Heizmechanismen erklärt werden.
Die mit der Langmuirsonde bestimmte Elektronendichte belief sich auf 4 x 10 exp 15 m exp -3 bei niedrigen Gasdrücken und einem Maximum von 4 x 10 exp 17 m exp -3 bei einem Gasdruck von 3 Pa. Elektronendichten dieser Größenordnung sind typisch für induktive Entladungsplasmen, die ein Maximum von 1019 m exp -3 [Lie05] erreichen können.
Die eingespeiste HF-Leistung zeigte dabei eine starke Abhängigkeit von der Antennengeometrie. Durch die Optimierung der Spulenkonfiguration ergab sich eine maximale eingespeisten HF-Leistung von 0,8kW.
Ein Vergleich von HF-Leistung und Elektronendichte bestätigte die theoretische Modellvorstellung, die einen linearen Zusammenhang zwischen diesen beiden Größen postuliert. Somit konnten wichtige Eigenschaften bezüglich einer HF-Entladung sowie Einflüsse der Antennengeometrie auf die Entladungseigenschaften untersucht und umfangreich diskutiert werden.
Optische Untersuchungen des Entladungsverhaltens einer dielektrischen Barriere Entladung in Argon
(2011)
Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine "Dielektrische Barriere Entladung" (DBE) mit planparalleler Elektrodengeometrie aufgebaut und mittels optischer Diagnostik untersucht und analysiert. Die mit der Dielektrischen Barriere Entladung erzeugte Strahlung soll für die Wassersterilisation durch UV-Entkeimung genutzt werden.
Als Arbeitsgas wurde Argon verwendet. Argon Excimere emittieren VUV-Strahlung mit einer Wellenlänge von 126nm. Die Ansteuerung der DBE erfolgte mit einer Sinusspannung. Die Amplitude der Sinusspannung wurde von 1600V/SS-5000V/SS bei einer Frequenz von 5kHz-20kHz und einem Druck von 100mbar-1000mbar variiert.
Bei der Entwicklung einer Lampe zur Wassersterilisation ist die Kenntnis der Effizienz notwendig. In dieser Arbeit wurde daher untersucht, welchen Einfluss Druck, Spannung und Frequenz auf die VUV-Konversionseffizienz (Verhältnis der eingekoppelten Leistung zur Lichtleistung bei 126nm) haben. Bei einem Druck von 600mbar und einer Effektivspannung von ca. 1050V konnte bei 6kHz eine
maximale VUV-Konversionseffizienz von ca. 6% erzielt werden. Die Lichtleistung bei einer Wellenl¨ange von 126nm betrug dabei 11, 5mW.
Die Bildung von Excimeren setzt das Vorhandensein von Argonatomen im metastabilen Zustand voraus. Zum einen entstehen diese metastabilen Anregungszustände durch direkte Anregung bei Stoßprozessen, zum anderen können sie durch Abregung eines höheren Anregungszustandes unter Aussendung von Strahlung entstehen. Die Wellenlängen, der bei einem solchen Übergang emittierten Strahlung (Erzeugerlinien) befinden sich im sichtbaren Bereich. Zur Analyse des sichtbaren Spektrums wurde ein Spektrometer verwendet. Es konnte ein direkter Zusammenhang zwischen den Erzeugerlinien und der Entstehung von Excimerstrahlung nachgewiesen werden. Eine Messung dieser Erzeugerlinien kann daher als erster Indikator für die Erzeugung von VUV-Excimerstrahlung dienen. Bei dielektrischen Barriere Entladungen muss zwischen drei Entladungsformen unterschieden werden. Man unterscheidet homogene, filamentierte und quasihomogene Entladungen. Zur genaueren Untersuchung der Dynamik der DBE und der Entstehung dieser unterschiedlichen Entladungsformen wurden Aufnahmen mittels Kurzzeitkamera angefertigt und in Bezug auf die Parameter Druck, Spannung und Frequenz untersucht. In Zusammenarbeit mit [Hoc11] wurden Entladungsphasendiagramme erstellt, welche unter Kenntnis von Druck, Spannung und Frequenz eine Zuordnung der Entladungsform bei den jeweiligen Parametern ermöglichen. Es wurde gezeigt, dass die maximale VUV-Konversionseffizienz im Bereich homogener Entladungen erreicht wird und das homogene Entladungen bei Variation der Parameter nur einen kleinen Bereich im Vergleich zu den anderen Entladungsformen einnehmen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Kabelpulsgenerator entwickelt und untersucht, der zur Erzeugung dielektrischer Barriereentladungen, genutzt wird. Diese Barriereentladung soll zur Wassersterilisation angewendet werden. Als schnelles Schaltelement des Kabelpulsers wurde ein Lorentz-Drift-Schalter (LDS), der ebenfalls in der Arbeitsgruppe Plasmaphyik entwickelt wird, verwendet. Dieser wurde grundlegend auf dessen elektrische Eigenschaften in Bezug auf den Einsatz in einem Pulsgenerator untersucht. Zudem sollen diese Messungen zur Weiterentwicklung des LDS von Nutzen sein und werden in diesem Kapitel zusammengefasst und interpretiert.
Zur Bestimmung des Arbeitsgasdrucks wurde der Verlauf der Durchbruchspannung verschiedener Gase in Abhängigkeit des Drucks aufgenommen. Durch diese Messungen konnte die maximale Haltespannung zum jeweiligen Druck, sowie der optimale Arbeitsdruckbereich des Schalters, der möglichst nahe des Selbstdurchbruchs liegt, ermittelt werden. Es wurde ein Verlauf entsprechend der Abhängigkeit der Paschenkurve bestimmt. Dabei wurde festgestellt, dass sich die Druckbereiche der Gase Argon, Stickstoff und Luft stark von dem des Wasserstoffs unterscheiden.
Um möglichst steile Pulsflanken des Kabelpulsgenerators zu gewährleisten, wurden Messungen der Spannungabfallraten am LDS durchgeführt. Da das Plasma im Schalter als ohmsche Last angesehen werden kann, korreliert der Spannungsabfall mit dem Stromanstieg. Hierbei konnte generell ein Anstieg der Spannungsabfallzeit mit zunehmender Ladespannung festgestellt werden. Teilweise konnte ein sprunghaftes Verhalten nachgewiesen werden, was wie folgt zu interpretieren ist: Der LDS ist ein schneller Gasentladungsschalter für hohe Ströme und hohe Spannungen. Um eine laufende Entladung durch die Lorentzkraft im Elektrodenzwischenraum zu erreichen, wird eine gewisse Stromdichte benötigt, die das ”saubere” Durchzünden des Schalters gewährleistet, das Plasma an den Elektroden nach oben laufen lässt und später die Selbstlöschung einleitet. Die in der Kapazität des Koaxialkabels gespeicherte Energie reichte bei kleinen Ladespannungen nur zu einer kurzen Uberbrückung der Elektroden. Zudem konnte eine Steigerung der Spannungsabfallzeit mit zunehmendem Druck festgestellt werden, was dafur spricht den Schalter bei einem Druckbereich möglichst nahe des Selbstdurchbruchs zu betreiben, um ein optimales Entladeverhalten zu gewährleisten. Weitere wichtige Parameter eines Gasentladungsschalters sind die Delay- und Jitterwerte. Neben dem Delay wurden im Rahmen dieser Arbeit erstmals Jittermessungen am LDS durchgefuürt. Diese wurden mit den oben genannten Gasen mit unterschiedlichen Triggerpulsen gemessen. Im Wesentlichen wurde ein kürzerer und ein längerer Triggerpuls mit Pulslängen von 1 µs und 31 µs verwendet.
Weiterhin fand erstmals der Betrieb des LDS mit Wasserstoff als Arbeitsgas statt. Neben diversen Vorteilen im Entladeverhalten, erlaubt ein Betrieb des Schalters mit Wasserstoff die Verwendung von reversiblen Gasspeichern auf Titan- oder Zirkoniumbasis. Durch beheizen dieser Speicher, geben sie Gas ab und nehmen es beim Abkühlen wieder auf. Dadurch sind abgeschlossene Schaltsysteme, sogenannte ”Sealed-Off”-Systeme, fur weitere Prototypen realisierbar [Pet07].
Es wurde festgestellt, dass der Delay stark von der Triggermethode bzw. der Pulslänge des Triggers abhängt. Auch hier wird ein schneller Spannungsanstieg benötigt. Je schneller die Startelektronen durch das Triggerelement bereitgestellt werden, desto schneller zundet das Plasma im Elektrodenzwischenraum. Für einzelne Schaltvorgänge spielt der Delay eine untergeordnete Rolle, betrachtet man jedoch Repetitionsraten gewinnt jeder einzelne zeitliche Ablauf eines Schaltprozesses an Bedeutung. Bei den oben erwähnten ersten Jittermessungen konnten bei allen Gasen sehr niedrige Jitterwerte von deutlich unter 100 ns erreicht werden. Auch hier wurde eine starke Triggerpuls- und Arbeitsgasabhängigkeit festgestellt. Auffällig wurde dies bei Untersuchungen mit Luft. Hier konnte der Jitter mit dem steilen Anstieg des kurzen Triggerpulses halbiert werden. Bei Messungen mit Wasserstoff wurde ein Jitter von 13 ns erreicht. Wiederum ergab sich eine Verbesserung des Jitters mit zunehmender Ladespannung.
Des Weiteren wurde die Pulsform und deren Impedanzabh¨angigkeit am Spannungsausgang des Kabelpulsers untersucht. Unterschiedliche Impedanzwiderstände wurden angefertigt und in den Pulseraufbau integriert. Es zeigte sich eine eher geringe Änderung der Pulsform bei unterschiedlichen Impedanzwiderständen. Untersuchungen zeigten, dass die Spannungsamplitude mit dem Widerstandswert variiert, da er wie ein Spannungsteiler wirkt. Die radialsymmetrischen Impedanzwiderstände erzeugen eine weniger stufig abfallende Flanke. Die besten Resultate, was die Pulsform betrifft, wurde jedoch durch eine niederinduktivere Erdung erzielt. Es wurde ein Kabelpulsgenerator mit einem relativ ebenen Pulsplateau entwickelt, dessen Parameter, wie z.B. die Pulsbreite und die Spannungsamplitude, weitgehend unabhängig voneinander variierbar sind.
In dieser Diplomarbeit wurden zwei vom Funktionsprinzip und Aufbau her vollständig unterschiedliche Plasmabeschleuniger aufgebaut und bezüglich ihrer Eigenschaften untersucht. Der erste Aufbau ist ein Lorentzdriftbeschleuniger (LDB) mit kapazitiv erzeugten Plasmen, bei dem das Funktionsprinzip auf der Wirkung der Lorentzkraft auf bewegte Ladungsträger im Magnetfeld beruht. Der zweite Teil des Experiments stellt einen induktiven Beschleuniger (IB) dar, dessen Erzeugung und Beschleunigung von Plasmen auf Grund von Induktionskräften geschieht.
Die optischen und elektrischen Messungen von beiden Beschleunigern wurden in einem speziell konstruierten Experimentieraufbau durchgeführt. Beim Lorentzdriftbeschleuniger wurde der Einfluss der Elektrodenlänge auf den Bewegungsablauf der Plasmaentladung untersucht. Später, bei der Durchführung der Messungen mit dem induktiven Beschleuniger wurde der LDB als Schalter eingesetzt. Dabei stellte sich heraus, dass die Erosion der Elektroden aus Messing, die die Lebensdauer des Lorentzdriftbeschleunigers begrenzt, von der Stromstärke abhängt.
Als Ergebnis stellte sich heraus, dass der LDB einen einfacheren Aufbau als der IB hatte, die Ausstoßgeschwindigkeit des Plasmas war im Vergleich zum IB höher und betrug im Durchschnitt etwa 50-60 [km/s] gegenüber ≈ 21,5±6,5 [km/s] beim IB. Dagegen wurde beim IB eine größere Plasmamasse von 27 [μg] erzeugt gegenüber 2,8 [μg] beim LDB. Somit erreichte der IB eine höhere Schubkraft von ≈ 66 [N] bei einem Impuls von 0,58±0,17 [mNs] pro Puls mit Pulslängen um 0,88 ×10 -5 [s] . Im Gegensatz dazu lag die Schubkraft des LDB`s bei etwa 27-32 [N] mit einem Impuls von 0,135-0,162 [mNs] pro Puls mit Pulslängen von 5-5,75 ×10 -6 [s].
Optimierung der Rekonstruktionsparameter zur Messung von Quarkonia im zentralen ALICE Detektor
(2011)
Seit den ersten Kollisionen im November 2009 läuft der LHC am CERN und dringt in noch nie dagewesene Energiebereiche vor. Die Schwerionenkollisionen innerhalb des ALICE Detektors sollen Aufschluss über die stark wechselwirkende Materie und ihre verschiedenen Phasen geben. Dem liegt die Untersuchung des Quark-Gluon-Plasmas zugrunde. Eine Signatur des Quark-Gluon-Plasmas ist die Rate von produzierten Quarkonia. Diese zerfallen in Leptonenpaare und sind damit zu identifizieren.
In der vorliegenden Arbeit wird diese Rate zur Messung von Quarkonia aufgegriffen und untersucht. Bei der Untersuchung der Simulation durch die Selektion der e++e--Paare, die ausschließlich aus einem J/y stammen, lässt sich ein Massenspektrum produzieren, das im Rahmen dieser Arbeit genauer betrachtet wurde. Durch die genaue Untersuchung der Bremsstrahlung und deren Lokalisierung lässt sich zeigen, dass besonders der ITS ein hohes Maß an Bremsstrahlungsprozessen mit sich bringt, was auf die große Materialanhäufung zurückzuführen ist. Um dies näher zu untersuchen, wurde das Augenmerk auf den ITS gelegt. Eines der wichtigsten Merkmale, die den Bremsstrahlungsprozess beschreiben, ist der Energieverlust. Durch die Bethe-Heitler-Funktion lässt sich der gesamte Detektor nur bedingt beschreiben. Erst die Betrachtung, die sich mit einer Einschränkung auf den ITS und den Azimutwinkel beschäftigt, zeigt eine genaue Beschreibung durch die Parameter der Funktion.
Nach der genauen Beschreibung der Bremsstrahlung wurden verschiedene Methoden entwickelt, in denen die Bremsstrahlungsprozesse innerhalb des invarianten Massenspektums der e++e--Paare ausgeschnitten werden können. Die Methoden der Selektion durch die Anzahl der Spurpunkte sowie die Selektion durch die Position der Spurpunkte zeigen, dass bereits minimale Selektionen ein sehr gutes Signal ergeben. Durch den Vergleich mit den herkömmlichen Selektionen SPDany und SPDfirst, zeigt sich, dass hierbei viel Signal verloren geht und diese Methode für bestimmte Analysen optimiert werden kann.
Durch die Anwendung auf die Datensätze, die während einer Strahlzeit im Jahr 2010 genommen wurden, bestätigte sich die Vermutung. Durch die Selektion von SPDany wird das Signal reduziert. Vergleicht man die Anzahl der Einträge im Signalbereich durch die Reduktion der Teilchen ohne Spurpunkte im ITS (NITSpunkten>0) zu der Anzahl der Einträge durch SPDany, ergibt dies eine Verminderung von bis zu 40%. Die Ursache für den großen Verlust innerhalb des Signalbereichs wird zusätzlich verstärkt, indem der SPD durch Kühlungsprobleme ausgeschaltet ist.
Eine weitere Methode, die untersucht wurde, war die Reduktion der Auswirkungen von Bremsstrahlung mit Hilfe der Kinkanalyse. Diese Methode ließ keine qualitativen Rückschlüsse auf die Analyse der Bremsstrahlung zu.
Dennoch zeigt das Ergebnis, dass das Signal von J/y’s in Proton-Proton Kollisionen um mehr als 40% mehr Einträge verbessert werden kann und sich dieses Prinzip nicht nur theoretisch in den simulierten Daten niederschlägt sondern auch in den untersuchten Datensätzen. Nun gilt es, diese Methode auch in anderen Studien einzubauen, um so eine alltagstaugliche Überprüfung der Erkenntnisse zu gewährleisten.
The measurement of dielectrons (electron-positron pairs) allows to investigate the properties of strongly interacting matter, in particular the Quark-Gluon Plasma (QGP), which is created in relativistic heavy-ion collisions at the LHC. The evolution of the collision can be probed via dielectrons since electrons do not interact strongly and are created during all stages of the collision. One of the interests in dielectron measurements is motivated by possible modifications of the electromagnetic emission spectrum in the QGP, where pp collisions are used as a medium-free reference. The dielectron spectrum consists of contributions from various processes. In order to estimate contributions of known dielectron sources, simulations of the so-called dielectron cocktail are performed. In this thesis, dielectron cocktails in minimum bias pp collisions at p s = 7 TeV, p–Pb collisions at p sNN = 5.02 TeV and in central (0-10%) and semi-central (20-50%) Pb–Pb collisions at p sNN = 2.76 TeV at the LHC are presented.
Das Compressed Baryonic Matter Experiment (CBM) wird im Rahmen der Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) entwickelt, um das Phasendiagramm stark wechselwirkender Materie vorwiegend im Bereich hoher Dichte ausgiebig zu studieren. Dazu sollen Kollisionen schwerer Ionen durchgeführt werden und die Reaktionsprodukte mit hoher Präzision in Teilchendetektoren gemessen und identfiziert werden. Eine wichtige Aufgabe besteht in der Unterscheidung von Elektronen und Pionen, zu der ein Übergangsstrahlungszähler (Transition Radiation Detector) beiträgt. Übergangsstrahlung wird im relevanten Impulsbereich dieser Teilchen nur von Elektronen emittiert und soll im Detektor registriert werden.
In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung dieses Detektors auf Basis von Vieldrahtproportionalkammern (Multiwire Proportional Chamber ) hauptsächlich anhand von Simulationen diskutiert, aber auch erste Testmessungen eines Prototypen vorgestellt. Der Schwerpunkt der Simulationen eines einzelnen Detektors liegt in der Untersuchung der Effiienz in Abhängigkeit seiner Dicke.
Der Übergangsstrahlungszähler für CBM wird aus mehreren Detektorlagen bestehen. Daher wird außerdem die Effizienz des Gesamtsystems analysiert, indem verschiedene Methoden zur Kombination der einzelnen Signale angewendet werden. Darüber hinaus wird die Effizienz des verfolgten Detektorkonzepts in Abhängigkeit des Radiators, der Anzahl der Detektorlagen, sowie des Teilchenimpulses präsentiert.
In dieser Arbeit wurde die Leistungsfähigkeit des neuen Inner Tracking System (ITS) in Bezug auf die Messung von Spektren der invarianten Masse von Dielektronpaaren im Rahmen des ALICE Experiments am LHC ausgewertet. Zu Beginn der Planungen zum zukünftigen ITS wurden zwei verschiedene Designmöglichkeiten in Betracht gezogen: Auf der einen Seite ein ITS, welches die Möglichkeit zur Teilchenidentifizierung mittels spezifischem Energieverlust pro Wegstrecke bietet und auf der anderen Seite ein ITS welches diese Möglichkeiten nicht hat. Es wurde untersucht, ob es zukünftig möglich sein wird aus der Steigung des Spektrums der invarianten Masse von Dileptonen zwischen 1,1 GeV/c2 < Mee < 2,0 GeV/c2 direkt die Temperatur des Quark-Gluon-Plasmas zu extrahieren. Weiterhin wurde geprüft welches der beiden Systeme diese Aufgabe besser erfüllt.
Das neue ITS bietet gegenüber dem alten ITS Vorteile, die in dieser Analyse genutzt wurden. Zuerst, siehe Abschnitt 3.4, wurde ein zweidimensionaler Schnitt auf den Öffnungswinkel und die invariante Masse angewandt um Elektronen und Positronen aus Dalitzzerfällen und Photonkonversionen zu identifizieren und für die folgende Analyse zu verwerfen. Hierzu wurde die verbesserte Spurfindungseffizienz hin zu kleinen Transversalimpulsen ausgenutzt, um die Anzahl an zu kombinierenden Teilchen und damit die Wahrscheinlichkeit richtige Paare zu finden, zu erhöhen. Allerdings können Teilchen, welche nur im ITS nachgewiesen werden können, nicht zweifelsfrei (ITSPID), beziehungsweise gar nicht (ITSnoPID) identifiziert werden. Die Simulationen ergeben, dass ein zukünftiges ITS mit der Möglichkeit zur Teilchenidentifizierung leicht bessere Werte in der Signifikanz und im Verhältnis von Signal zu Untergrund liefern kann.
Die verbesserte Vertexfindung wird zur Reduktion des Beitrags durch Elektronen und Positronen aus semileptonisch zerfallenden D-Mesonen (Abschnitt 3.4.4) ausgenutzt.
Die Elektronen und Positronen, welche nach den Schnitten in der Stichprobe blieben, wurden verwendet um den Untergrund zu simulieren (Abschnitt 3.4.5). Daraufhin wurde die Signifikanz und das Verhältnis von Signal zu Untergrund berechnet. Mit diesen Informationen (Abschnitt 3.5.3) wurde ein Spektrum der invarianten Masse von Dileptonen mit der zu erwartenden Anzahl von 2,5 · 109 zentralen Blei-Blei-Kollisionen erzeugt. Dies führt zu den in Abschnitt 3.5.4 gezeigten Spektren. Nach Abzug der Beiträge durch die semileptonischen D-Meson Zerfälle und durch den hadronischen Cocktail ist noch der zu erwartende Beitrag durch die thermische Strahlung (Abschnitt 1.5) im Spektrum vorhanden. Eine Parametrisierung dieser Kurve ergibt die Temperatur des Quark-Gluon-Plasmas.
Der Unterschied der ermittelten Messwerte der Temperatur zwischen dem zukünftigen ITS mit Teilchenidentifizierung und ohne ist gering (Abschnitt 3.5.5). Die Messung ergibt keine signifikanten Unterschiede zwischen beiden ITS Entwürfen. Aufgrund dieses Ergebnisses kann man sagen, dass für die Messung von Dileptonen im Niedrigmassenbereich keine ITS PID notwendig ist. In den mittlerweile veröffentlichten ITS Technical Design Report sind die Ergebnisse dieser Studie eingeflossen. Es wurde beschlossen, dass der ITSnoPID umgesetzt wird.
Da in der Run 3 Periode des CERN LHC die Kollisionsrate auf 50 kHz erhöht werden soll, muss die ALICE TPC umgebaut werden. Die Vieldrahtproportionalkammern mit Sperrgitter sollen gegen eine GEM-basierte Auslese ausgetauscht werden, um eine kontinuierliche Auslese zu ermöglichen.
Es wurde eine GEM-Testkammer, die mit drei und vier GEM-Folien betrieben werden kann, entwickelt und gebaut. GEM-Folien wurden unter dem Mikroskop auf Fehler untersucht und auf ihre Spannungsfestigkeit hin getestet sowie gerahmt und in die Kammer eingesetzt. Mit der fertigen kleinen TPC mit GEM-basierter Auslese wurden IBF und Energieauflösung gemessen. Ziel der Messungen war es, einen möglichst geringen IBF von unter 1 % zu erhalten, um so wenig wie möglich Feldverzerrungen im Driftvolumen der TPC zu erhalten, bei gleichzeitig guter Energieauflösung von mindestens 12 %, um eine gute Teilchenidentifikation in der TPC sicherzustellen.
Da standard GEM-Konfigurationen mit nur drei GEM-Folien zwar eine gute Energieauflösung, jedoch zu viel IBF aufweisen, wurden die Messungen hauptsächlich mit vier GEM-Folien durchgeführt. Es wurden zwei verschiedene Arten von GEM-Folien verwendet, Standard (S) und Large-Pitch (LP) GEM-Folien, die bei einem Großteil der Messungen in der S-LP-LP-S-Konfiguration angeordnet waren.
Es wurde festgestellt, dass sich IBF und Energieauflösung gegenläufig verhalten, bei besser werdendem IBF also die Energieauflösung schlechter wird und umgekehrt.
Es wurden zwei verschiedene Gasmischungen, Ne-CO2-N2 (90-10-5) und Ar-CO2 (90-10), untersucht. Mit Neon wurde bei einem Gain von 2000 gemessen, mit Argon nur bei einem Gain von 1000, da bei Argon die Anzahl der produzierten Elektronen pro cm etwa doppelt so groß ist.
Der IBF war mit beiden Gasmischungen etwa gleich groß. Die Energieauflösung war mit Argon jedoch aufgrund des niedrigeren Gains erheblich schlechter. Mit Ne-CO2-N2 (90-10-5) gelang es, einen Arbeitspunkt mit einer Energieauflösung von etwa 12 % und einem IBF von unter 1 % zu finden, mit Ar-CO2 (90-10) war dies jedoch nicht der Fall.
In dieser Arbeit wurde der mittlere Transversalimpuls 〈pT〉 für nicht identifizierte, geladene Hadronen in pp und Pb–Pb Kollisionen bestimmt. Dazu wurden die pT -Spektren mit verschiedenen Funktionen bis pT = 0 extrapoliert. Die 〈pT〉 -Abhängigkeit wurde sowohl für die Anzahl der gemessen Teilchen nacc , als auch für die Anzahl der geladene Spuren nch gezeigt. Im Rahmen der Zentralitätsabhängigkeit wurde für periphere Ereignisse (70% bis 80 %) 〈pT〉 = 550, 1MeV/c gemessen. Der mittlere Transversalimpuls steigt bis auf 〈pT〉 = 628, 9MeV/c für Zentralitäten von 5% - 20% und verringert sich dann auf 〈pT〉 = 626, 8MeV/c für die zentralsten Kollisionen (0% - 5%) ab. Der Vergleich zu pp und Pb–Pb Kollisionen zeigte Gemeinsamkeiten für niedrige Multiplizitäten und ein sich unterscheidendes Verhalten für höhere Multiplizitäten.
Neben der Bestimmung der systematischen Unsicherheiten ist ein nächster Schritt die Unterscheidung zwischen hadronischer und elektromagnetischer Wechselwirkung für geringe Multiplizitäten in Pb–Pb Kollisionen. Eine Möglichkeit zur Unterscheidung wurde bereits mit Hilfe des ZDC gezeigt [Opp11]. Ebenfalls die Unterschiede zwischen pp und Pb–Pb betrifft eine Untersuchung der 〈pT〉 -Entwicklung für Jets und den sie umgebenden Hintergrund.
Eine allgemeine Erweiterung der Analyse stellt die Untersuchung von 〈pT〉 für identifizierte Teilchen da. Diese Analyse würde vor allem die besonderen PID Fähigkeiten von ALICE nutzen und könnte die schon beobachteten Unterschiede der NA49 Kollaboration[NA499] bei höheren Energien untersuchen
Die vorgestellte Arbeit beschreibt die Messung neutraler Pionen in pp-Kollisionen bei √s = 8 TeV. Die Messung kann als Referenz für Pb-Pb-Kollisionen dienen und somit dazu beitragen, die Eigenschaften des QGP zu untersuchen. Für die Messung werden Daten des ALICE-EMCal-Detektors verwendet, die 2012 gemessen wurden. Das EMCal kann die deponierte Energie und die Position von Photonen messen. Es fasst die deponierte Energie zu sogenannten Clustern zusammen. Durch die Kombination von Clustern aus derselben Kollision werden π0 rekonstruiert. Mithilfe des ITS wird der primäre Vertex bestimmt, um die Verteilung der Cluster-Paare als Funktion von minv und pT anzugeben. Die potentiellen π0 werden anschließend in pT-Bereiche eingeteilt. Durch die mixed Event Methode wird der unkorrelierte Untergrund abgezogen. Das im Folgenden extrahierte π0-Signal wird parametrisiert, um die Position des peaks zu bestimmen. Ausgehend von der Parametrisierung wird der korrelierte Untergrund subtrahiert und das Signal in einem definierten Bereich um die peak-Position integriert. Man erhält ein pT abhängiges Spektrum. Das Spektrum wird sowohl für die gemessenen Daten als auch für simulierte Daten berechnet. Durch die Simulation wird eine Korrektur des Spektrums hinsichtlich der Akzeptanz des Detektors und Effizienz der Analyse-Methoden ermöglicht. Das korrigierte Spektrum wird für die Standardanalyse sowie für systematische Variationen berechnet. Aufgrund von resultierenden Unterschieden kann eine systematische Unsicherheit für das Ergebnis abgeschätzt werden.
Ergebnis dieser Arbeit ist der Lorentz-invariante Yield (vgl. Abbildung 23) als Funktion von pT. Das Raw Yield wurde dazu mithilfe von Simulationen korrigiert und systematische Fehler wurden abgeschätzt.
Die Messung kann mit anderen π0 Analysen verglichen werden. Für π0 Analysen können neben dem EMCal auch weitere Detektoren verwendet werden. Eine dieser Analysen verwendet eine Rekonstruktion der π0 durch konvertierte Photonen, die sogenannte Photon-Conversion-Method (PCM). Außerdem sind Analysen mit dem PHOS Kalorimeter und hybride Methoden möglich, beispielsweise PCM-EMCal.
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
The Time Projection Chamber (TPC), a large gaseous detector, is the main particle identification device of the ALICE experiment at the CERN LHC. The desired performance of the TPC defines the requirements for the gas mixture used in the detector. The active volume was filled with either Ne-CO2 (90-10) or Ne-CO2-N2 (90-10-5) during the first LHC running period. For LHC Run 2 the gas mixture is changed to Ar-CO2. Calculations of relevant gas properties are performed for Ar-based gas mixtures and compared to Ne-based gas mixtures to identify the most suitable Ar mixture. The drift velocity of ions in Ar is lower than in Ne. The closing time of the gating grid has to be adjusted accordingly to avoid drift field distortions due to back-drifting ions. The drift times of ions in the TPC readout chambers are calculated for the respective gas mixtures to determine the time to collect all ions from the amplification region. For LHC Run 3 the TPC readout chambers will be upgraded. The Multiwire Proportional Chambers (MWPCs) will be replaced by readout chambers based on Gas Electron Multipliers (GEMs) which are operated in continuous mode. As a consequence an ion backflow of the order of 1% causes significant space-charge distortions in the TPC drift volume. Similar distortions are expected in data taken specifically for the study of space-charge effects at the end of Run 1. The gating grid of the MWPCs is operated in the open state allowing the ions from the amplification region to enter the drift volume. The magnitude of the distortions in this data is measured and compared to the expectations for the TPC upgrade and results from current simulations.
In dieser Arbeit wurden die ersten Schritte unternommen um Elektronen aus den Zerfällen schwerer Quarks zu messen. Im Folgenden wird zunächst ein Überblick zum physikalische Hintergrund gegeben und der elliptische Fluss als Sonde zur Untersuchung des QGP motiviert. Anschließend werden der LHC und ALICE näher beleuchtet und die einzelnen Detektorsysteme, die für diese Analyse wichtig sind, vorgestellt. Im weiteren wird eine Methode zur Identifizierung von Elektronen vorgestellt und die Kontamination des Elektronensignals durch Hadronen bestimmt. Abschließend wird der elliptische Fluss eines von Hadronen bereinigten Inklusiv-Elektronen Spektrums bestimmt und ein Ausblick auf weitere Analyseschritte gegeben.
Im Laufe dieser Bachelor-Arbeit wurden verschiedene GEM-Anordnungen systematisch auf ihr IBF-Verhalten hin untersucht. Neben der Reproduktion zuvor durchgeführter Messungen wurden auch neue GEM-Kombinationen getestet. Insbesondere lag der Fokus darauf, eine Verbesserung des IBFs gegenüber des Baseline-Setups zu erzielen. Dabei kamen neben der bisher verwendeten S und LP Folien auch SP Folien zum Einsatz. Die Messungen brachten jedoch kein Ergebnis hervor, welches als Verbesserung gegenüber der Ausgangslage angesehen werden könnte. Da mit SP GEMs zuvor wenig gearbeitet wurde, war es unter anderem ein Ziel, zu untersuchen, wie sich die Verwendung dieser GEMs auf den IBF auswirkt. Insbesondere war die Frage zu klären, ob durch ihre Verwendung der IBF des Baseline-Setups
verbessert werden kann. Zum besseren Verständnis wurde ebenfalls eine Variante, S-S-LPS, untersucht. Für dieses Setup konnte durch die Verwendung einer SP Folie auf Position 4 eine Verbesserung des IBF bewirkt werden, für das Baseline-Setup jedoch nicht. Ein wesentliches Ergebnis dieser Bachelor-Arbeit war, dass das Alignment der GEMs, entgegen bisheriger Annahmen, eine große praktische Relevanz hat. Die relative Orientierung zweier aufeinander folgender GEMs gleichen Lochabstands zueinander hat einen großen Ein
uss auf die lokale Ionentransmission. Eine genauere Untersuchung hat ergeben, dass man dem entgegenwirken kann, indem man aufeinander folgende GEMs um 90° gedreht einbaut. Aufgrund der Geometrie der Folien verhindert man dadurch, dass sich die Löcher zweier Folien direkt ßber- bzw. untereinander anordnen. Ein solcher Aufbau konnte durch eine geringfügige Modifikation der Testkammer erreicht werden.
Mit diesem veränderten Aufbau wäre es nun das Ziel gewesen, alle bisherigen Messungen zu wiederholen und auf Reproduzierbarkeit hin zu überprüfen. Die Wiederholung einer Messreihe mit um 90° gedrehten GEMs hat im Rahmen der Fehlertoleranzen reproduzierbare
Ergebnisse geliefert. Aus zeitlichen Gründen war es jedoch im Rahmen dieserArbeit nicht möglich, eine vollständige Wiederholung aller Messungen durchzuführen. Dies wurde zu einem späteren Zeitpunkt von anderen Personen getan.
In dieser Arbeit wurden im Rahmen des HADES-Experimentes von 2007 Proton-Proton-Stöße bei einer kinetischen Energie von Tkin = 3.5GeV der Reaktion pp → ppw simuliert. Insbesondere wurde mittels einer Pluto-Simulation untersucht, welche Auswirkungen die Berücksichtigung möglicher Verteilungsfunktionen für cos(θω) und cos(θ pp), die neben 2 weiteren Parametern als voneinander unabhängige Observablen zur Beschreibung der Reaktion gewählt wurden, auf die Anzahl der simulierten Ereignisse Nsim innerhalb der Detektorakzeptanz des HADES haben könnte. Hierbei stammt die gewählte Winkelverteilung für die w-Produktion aus Messungen des nicht mehr existierenden DISTO-Spektrometers, das Proton-Proton-Stöße bei einer leicht geringeren Energie von Tkin = 2.85GeV durchgeführt hatte, während die Verteilung für die Proton-Proton-Paar-Ausrichtung auf einer Annahme basiert und vorläufig gewählt wurde. Unter Verwendung eines weiteren Modells, das den 3-Teilchen-Zerfall ω → π+π−π0 beschreibt, wurde ein theoretisches Modell von Lutz et al. [1] in die Simulation implementiert, dessen Auswirkung auf Nsim es ebenfalls zu untersuchen galt. Dieses erlaubt eine Reduzierung der Anzahl der Freiheitsgrade des Systems von 12 auf 4, was eine Akzeptanzkorrektur der Reaktion pp→ ppω ermöglicht.
Die Ergebnisse zeigten eine starke Abhängigkeit der Anzahl der simulierten Teilchen von der Proton-Proton-Ausrichtung, die zu einer Reduzierung der Ereignisanzahl von etwa 15% führt. Dies hat zur Folge, dass eine Bestimmung der Verteilungsfunktion für diese Observable absolut notwendig ist. Die Auswirkungen der w-Winkelverteilung beträgt etwa 4−9%. Ein Vergleich der Simulationsergebnisse mit und ohne Modell führte zu dem Ergebnis, dass eine geringe Änderung der Nsim von 1−2% zu Gunsten des Zerfallsmodells vorliegt. Eine Berücksichtigung in Simulationen, die der Untersuchung des betrachteten Zerfalls dienen, ist also keine Notwendigkeit.
Bei der Ionenstrahltherapie bestimmt die Energie der Ionen die Eindringtiefe in das Gewebe und damit die Lage des Braggpeaks, in dem der größte Teil der Ionisationsenergie deponiert wird.
Um die gewünschte Dosis möglichst genau im Tumor zu lokalisieren, müssen in den aufeinanderfolgenden Extraktionen die gewünschten unterschiedlichen Energien möglichst genau sein.
In der Beschleunigungsphase werden die Magnetfelder der Magnete im Synchrotron bis zum vorgegebenen Exktraktionswert hochgefahren. Dieser bestimmt zusammen mit der Synchrotronfrequenz die Strahlenergie. Während und insbesondere am Ende dieser Phase, Rampe genannt, sollte das Magnetfeld daher sehr genau dem berechneten Sollwert folgen, um Strahlverluste zu minimieren und die geforderte Strahlqualität zu erreichen.
In der zeitlichen Steuerung der Magnetströme müssen magnetische Effekte, die hauptsächlich im Eisen der Magnete auftreten, wie Wirbelströme und die Hysterese berücksichtigt werden, da sie das Feld verfälschen und damit den Strahl in unerwünschter Weise beeinflussen. Die während der Rampe entstehenden Wirbelströme stören das Magnetfeld, so dass bisher vor der Extraktion des Strahls eine Wartezeit eingeführt wurde, bis die Wirbelströme abgeklungen waren.
Bei beliebig wählbaren Abfolgen der vordefinierten Zyklen kommt es durch die Hysterese des Eisens zu unterschiedlichen Remanenzfeldern, die das Magnetfeld verändern. Um dem vorzubeugen, durchliefen die Magnete eine vordefinierte Hystereseschleife. Ist die geforderte Energie des Strahls erreicht, wird das Magnetfeld konstant gehalten und die Teilchen aus dem Synchrotron extrahiert. Der Rest der Hystereseschleife wurde am Ende des Zyklus durchlaufen.
Die im Rahmen dieser Dissertation entwickelte dynamische Magnetfeldregelung misst das integrale Magnetfeld sehr genau und korrigiert die Feldfehler. Das integrale Magnetfeld folgt damit jederzeit seiner Vorgabe, unabhängig von den dynamischen Störeffekten. Die Wirbelströme und die Hysterese sind zwar immer noch vorhanden, die dadurch verursachten Feldfehler können aber durch eine Rückkopplung auf den Strom des Magneten korrigiert werden.
Es werden verschiedene Verfahren zur Messung der Magnetfelder untersucht. Am besten eignet sich für die dynamische Magnetfeldregelung die Kombination aus einer Hallsonden- und einer Induktionsspulenmessung. Die Messung muss das integrale Magnetfeld des Magneten BL, also das gesamte Feld entlang des Strahlwegs, bestimmen. Die Induktionsspule, oder Pickupspule, liegt deshalb entlang des Strahlrohrs im Magneten und liefert eine Spannung in Abhängigkeit von der Änderung des magnetischen Flusses. Durch die Integration dieser Spannung erhält man das integrale Feld des Magneten. Die Messung wird mit einer Hallsondenmessung zu Beginn des Beschleunigerzyklus auf einen absoluten Messwert geeicht.
Der Hauptteil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung des sogenannten HIT Integrators, der die Integration der Pickupspulenspannung übernimmt. Bisher verfügbare Integratoren konnten die notwendigen Anforderungen an Genauigkeit, Echtzeitfähigkeit, automatische Kalibrierung, ständige Messbereitschaft, Temperaturunabhängigkeit und hohe Verfügbarkeit nicht erfüllen. Der neu entwickelte HIT Integrator wurde diesen Anforderungen entsprechend entwickelt. Der Integrator mit dem neuartigen Konzept der gleichzeitigen Messung und Kalibrierung in Echtzeit ist als Patent angemeldet worden. Neben der Entwicklung und Verwirklichung des Gesamtkonzepts war die numerische Integration des stark verrauschten Pickupspulensignals und die sofortige Umsetzung des integralen Werts in ein Steuersignal für die Dipolmagnetstromgeräte eine besondere technische Herausforderung.
Die elektronischen Schaltungen für die dynamische Magnetfeldregelung sind in der Baugruppe des HIT Integrators zusammengefasst. Die Ansteuerung der Hallsonde mit einer temperaturkompensierten Stromquelle, der Signalaufbereitung und Analog-Digital-Wandlung, sowie der Integrator und der Regler bilden eine technische Einheit.
Der HIT Integrator ist speziell für den Einsatz im bestehenden Beschleunigerkontrollsystem und den Magnetnetzgeräten entwickelt worden.
Die Regler der Magnetnetzgeräte wurden so verändert, dass sie einen Zusatzsollwert verarbeiten können, der auf den berechneten Sollwert der Datenversorgung addiert wird.
Die Magnetfeldregelung wurde in den Therapiebeschleuniger integriert, dazu wurde die Datenversorgung und das Kontrollsystem angepasst. Die Magnetfeldregelung stellt ein neues Gerät im Beschleuniger dar, das in die Netzgeräte der Synchrotronmagnete eingebaut worden ist. Die Datenversorgung dieser Geräte beinhaltet u.a. eine neue Methode der Kalibrierung.
Es konnte durch Messungen gezeigt werden, dass die Magnetfeldregelung mit hoher Genauigkeit funktioniert. Es wird eine Genauigkeit von besser als 10^{-4} des maximalen Feldes von 1.5 T erreicht, also weniger als 150uT, der dreifachen Stärke des Erdmagnetfelds. Vor allem die Bestrahlungszeit mit Protonen und die Bestrahlung bei niedrigen Energien profitiert von der Magnetfeldregelung, da hier das Extraktionsniveau der Magnete relativ gering ist und das Durchlaufen der vordefinierten Hystereseschleife prozentual mehr Zeit im Zyklus in Anspruch nimmt. Durch den Wegfall dieser Phase wird daher pro Zyklus mehr Zeit eingespart. Die Messungen zeigen, dass im Beschleunigerzyklus trotz der fehlenden Wartezeiten, die bis zu 24% betragen, eine gleichbleibend gute Strahlqualität erreicht wird. Dies wurde mit Vergleichsmessungen gezeigt, bei denen der Strahl mit und ohne Feldregelung vermessen wurde. Untersucht wurde eine große Stichprobenmenge aus dem Parameterraum, gegeben durch zwei Ionensorten mit jeweils 255 Strahlenergien, 10 verschiedenen Teilchenraten und 4 Strahlbreiten. Außerdem wurde die Energie des Strahls nachgemessen.
Für die Einführung in den Therapiebetrieb musste eine Impactanalyse gemacht werden, die mögliche Auswirkungen des neuen Verfahrens behandelt. Das Risiko für Patienten, Mitarbeiter und Dritte darf durch die Magnetfeldregelung nicht erhöht werden. Daraus entstand auch die Forderung nach einem redundanten System, das Fehler erkennt und die Bestrahlung abbricht.
Die mittlere Leistungsaufnahme des Beschleunigers des Heidelberger Ionenstrahltherapiezentrums liegt bei etwa 1 MW, bei einem Jahresenergieverbrauch von 8 GWh mit Kosten von etwa 1 Million Euro. Dies entspricht einer deutschen Kleinstadt mit 10000 Einwohnern. Die Verkürzung der Zykluszeiten wirkt sich direkt auf die Bestrahlungszeit und auf die Energiekosten aus. Würde man die Anlage durch die Zeiteinsparungen kürzer betreiben, würde man etwa 2 GWh pro Jahr sparen, was die Stromkosten um etwa 250000 Euro reduziert.
Zusätzlich zu den eingesparten Kosten wird auch die Bestrahlungszeit kürzer und damit auch die Zeit, die der Patient bei der Behandlung fixiert wird. Die Behandlung für die Patienten wird angenehmer. Man kann aber auch durch die eingesparte Bestrahlungszeit pro Patient entsprechend mehr Patienten behandeln. Das heißt man kann an Stelle von 700 Patienten im Jahr 910 Patienten mit einem Tumor behandeln. Dieser für die Patienten willkommene Effekt bedeutet auf der anderen Seite für HIT aber auch Mehreinnahmen von 4.2 Millionen Euro im Jahr.
Das Konzept der Magnetfeldregelung kann auch an anderen Beschleunigeranlagen zum Einsatz kommen. Dazu müssen die Magnete mit den Sonden bestückt werden und die Magnetnetzgeräte einen Eingang für einen Zusatzsollwert bekommen. Das Beschleunigerkontrollsystem kann erweitert werden, damit es einen Sollwert mit allen notwendigen Kalibrierungen berechnen kann. Der HIT Integrator wird dann als eigenständiges Gerät in das Kontrollsystem eingebunden.
The planned Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) at GSI has to cope with a wide range of beam intensities in its high-energy beam transport systems and in the storage rings. To meet the requirements of a non-intercepting intensity measurement down to nA range, it is planned to install a number of Cryogenic Current Comparator (CCC) units at different locations in the FAIR beamlines. In this work, the first CCC system for intensity measurement of heavy ion beams, which was developed at GSI, was re-commissioned and upgraded to be used as a 'GSI - CCC prototype' for extensive optimization and development of an improved CCC for FAIR. After installation of a new SQUID sensor and related electronics, as well as implementation of improved data acquisition components, successful beam current measurements were performed at a SIS18 extraction line. The measured intensity values were compared with those of a Secondary Electron Monitor (SEM). Furthermore, the spill-structure of a slowly extracted beam was measured and analyzed, investigating its improvement due to bunching during the slow-extraction process. Due to the extreme sensitivity of the superconducting sensor, the determined intensity values as well as the adjustment of the system for optimal performance are strongly influenced by the numerous noise sources of the accelerators environment. For this reason, detailed studies of different effects caused by noise have been carried out, which are presented together with proposals to reduce them. Similarly, studies were performed to increase the dynamic range and overcome slew rate limitations, the results of which are illustrated and discussed as well. By combining the various optimizations and characterizations of the GSI CCC prototype with the experiences made during beam operation, criteria for a more efficient CCC System could be worked out, which are presented in this work. The details of this new design are worked out with respect to the corresponding boundary conditions at FAIR. Larger beam tube diameters, higher radiation resistivity and UHV requirements are of particular importance for the cryostat. At the same time these parameters affect the CCC superconducting magnetic shielding, which again has significant influence on the current resolution of the system. In order to investigate the influence of the geometry of the superconducting magnetic shield on different magnetic field components and to optimize the attenuation, FEM simulations have been performed. Based on the results of these calculations, modifications of the shield geometry for optimum damping behavior are proposed and discussed in the thesis.
We have studied one-proton-removal reactions of about 500MeV/u 17Ne beams on a carbon target at the R3B/LAND setup at GSI by detecting beam-like 15O-p and determining their relative-energy distribution. We exclusively selected the removal of a 17Ne halo proton, and the Glauber-model analysis of the 16F momentum distribution resulted in an s2 contribution in the 17Ne ground state of about 40%.
Magnetism is a beautiful example of a macroscopic quantum phenomenon. While known at least since the ancient Greeks, a microscopic theoretical explanation of magnetism could only be achieved with the advent of quantum mechanics at the beginning of the 20th century. Then it was understood that in a certain class of solids the famous Pauli exclusion principle leads to an effective interaction between the microscopic magnetic moments, i.e., the spins, which favors an ordered, and hence macroscopically magnetic, state. Nowadays, magnetic phenomena are used in a host of applications, and are especially relevant for information storage and processing technologies.
Despite the long history of the field, magnetic phenomena are still an active research topic. In particular, in the last decade the fields of spintronics and spin-caloritronics emerged, which manipulate the microscopic spins via charge and heat currents respectively. This opens new avenues to potential applications; including the possibility to use the magnetic spin degrees of freedom instead of charges as carriers of information, which could provide a number of advantages such as reduced losses and further miniaturization.
In this thesis we do not delve any further into the realm of possible applications. Instead we use sophisticated theories to explore the microscopic spin dynamics which is the basis of all such applications. We also focus on a particular compound: Yttrium-iron garnet (YIG), which is a ferrimagnetic insulator. This material has been widely used in experiments on magnetism over the last decades, and is a popular candidate for spintronic devices. Microscopically, the low-energy magnetic properties of YIG can be described by a ferromagnetic Heisenberg model. For spintronics and spin-caloritronics applications, it is however insufficient to only consider the magnetic degrees of freedom; one should also include the coupling of the spins to the elastic lattice vibrations, i.e., the phonons. Besides giving an overview on techniques used throughout the thesis, the introductory Ch. 1 provides a discussion of the microscopic Hamiltonian used to model the coupled spin-phonon system in the subsequent chapters.
The topic of Ch. 2 are the consequences of the magnetoelastic coupling on the low-energy magnon excitations in YIG. Starting from the microscopic spin-phonon Hamiltonian, we rigorously derive the magnon-phonon hybridization and scattering vertices in a controlled spin wave expansion. For the experimentally relevant case of thin YIG films at room temperature, these vertices are then used to compute the magnetoelastic modes as well as the magnon damping. In the course of this work, the damping of magnons in this system was also investigated experimentally using Brillouin light scattering spectroscopy. While comparison to the experimental data shows that the magnetoelastic interactions do not dominate the total magnon relaxation in the experimentally accessible regime, we are able to show that the spin-lattice relaxation time is strongly momentum dependent, thereby providing a microscopic explanation of a recent experiment.
In the final Ch. 3, we investigate a different phenomenon occurring in thin YIG films: Room temperature condensation of magnons. Prior work attributed this condensation process to quantum mechanics, i.e., it was interpreted as Bose-Einstein condensation. However, this is not satisfactory because at room temperature, the magnons in YIG behave as purely classical waves. In particular, the quantum Bose-Einstein distribution reduces to the classical Rayleigh-Jeans distribution in this case. In addition, the effective spin in YIG is very large. Therefore we start from the hypothesis that the room temperature magnon condensation is actually a new example of the kinetic condensation of classical waves, which has so far only been observed by imaging classical light in a photorefractive crystal. To distinguish this classical condensation from the quantum mechanical Bose-Einstein one, we refer to it as Rayleigh-Jeans condensation. To prove our claim, we consider the classical equations of motion of the coupled spin-phonon system. By eliminating the phonon degrees of freedom, we microscopically derive a non-Markovian stochastic Landau-Lifshitz-Gilbert equation (LLG) for the classical spin vectors. We then use this LLG to perform numerical simulations of the magnon dynamics, with all parameters fixed by experiments. These simulations accurately reproduce all stages of the magnon time evolution observed in experiments, including the appearance of the magnon condensate at the bottom of the magnon spectrum. In this way we confirm our initial hypothesis that the magnon condensation is a classical Rayleigh-Jeans condensation, which is unrelated to quantum mechanics.
Entwicklung und Test einer supraleitenden 217 MHz CH-Kavität für das Demonstrator-Projekt an der GSI
(2016)
In den letzten Jahrzehnten vergrößerten sich die Anwendungsgebiete von Linearbeschleunigern für Protonen und schwere Ionen, insbesondere im Nieder- und Mittelenergiebereich, stetig. Der überwiegende Teil dieser mittlerweile bewährten Anwendungen lag im Bereich der Synchrotroninjektion oder der Nachbeschleunigung von radioaktiven Ionenstrahlen. Darüber hinaus wird seit einiger Zeit die Entwicklung neuartiger, supraleitender Hochleistungslinearbeschleunigerkavitäten stark vorangetrieben, welche vor allem bei der Forschung an Spallationsneutronenquellen, in der Isotopenproduktion oder bei der Transmutation langlebiger Abfälle aus Spaltreaktoren Anwendung finden sollen. Die am Institut für Angewandte Physik der Goethe-Universität Frankfurt entwickelte CH-Kavität ist optimal für den Einsatz in derartigen Hochleistungsapplikationen geeignet. Sie ist die erste Vielzellenstruktur für den Nieder- und Mittelenergiebereich und kann sowohl normal- als auch supraleitend verwendet werden. Bislang konnten in der Vergangenheit ein supraleitender 360 MHz CH-Prototyp sowie eine für hohe Leistungen optimierte supraleitende 325 MHz CH-Struktur erfolgreich bei kryogenen Temperaturen ohne Strahl getestet werden. Um die Forschung im Bereich der Kernphysik, der Kernchemie und vor allem im Bereich der superschweren Elemente auch in Zukunft weiter fortzusetzen, ist der Bau eines neuen supraleitenden, dauerstrichbetriebenen Linearbeschleunigers an der GSI geplant. Das Kernstück des zukünftigen cw-LINAC basiert auf dem Einsatz supraleitender 217 MHz CH-Kavitäten, mit deren Hilfe ein adäquater Teilchenstrahl mit
maximal 7,5 MeV/u für die SHE-Synthese bereitgestellt werden soll. Auf dem Weg zur Realisierung des geplanten cw-LINACs wurde im Zuge des Demonstrator-Projektes die Umsetzung der ersten Sektion des gesamten Beschleunigers beschlossen. Der Fokus des Projektes liegt auf der Demonstration der Betriebstauglichkeit innerhalb einer realistischen Beschleunigerumgebung sowie insbesondere auf der erstmaligen Inbetriebnahme einer supraleitenden CH-Kavität mit Strahl. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die erste supraleitende 217 MHz CH-Kavität für das Demonstrator-Projekt entwickelt, produziert und ihre Hochleistungseigenschaften in einem vertikalen Kryostaten bei 4,2 K getestet. Hierbei lag das Hauptaugenmerk auf der HF-Auslegung der Kavität, den begleitenden Tuningmaßnahmen während der Produktion sowie den ersten Leistungstests unter kryogenen Bedingungen. Weitere Schwerpunkte lagen auf der kompakten Bauweise, dem effektiven Tuning, der Oberflächenpräparation sowie auf dem Strahlbetrieb der Kavität mit einem dauerstrichfähigem 5 kW Hochleistungskoppler. Die Umsetzung
der Kavität beruhte auf dem geometrischen Konzept der supraleitenden, siebenzelligen 325 MHz CH-Struktur.
Ihre elektromagnetische und strukturmechanische Auslegung erfolgte mittels der Simulationsprogramme ANSYS Multiphysics und CST Studio Suite. Um während des Test- bzw. Strahlbetriebs mit der entsprechend notwendigen Kopplungsstärke die HF-Leistung in die Kavität einzuspeisen, wurden unterschiedliche Kopplerantennen für den jeweiligen Fall ausgelegt. Zum Erreichen der geforderten Zielfrequenz wurde ein Verfahren erarbeitet, welches die hierfür notwendigen Mess- und Arbeitsschritte während der einzelnen
Produktionsphasen beinhaltet. Diesbezüglich wurden während der Produktion der Kavität eine Reihe von Zwischenmessungen beim Hersteller durchgeführt, um den Frequenzverlauf innerhalb der jeweiligen Fertigungsschritte entsprechend beeinflussen zu können
und um vorangegangene Simulationswerte zu validieren. Alle untersuchten Parameter konnten während der Messungen in guter Übereinstimmung zu den Simulationen reproduziert und die Zielfrequenz der Kavität schließlich erreicht werden. Nach Abschluss der letzten Oberflächenpräparationen wurde die Kavität in einer neuen kryogenen Testumgebung innerhalb der Experimentierhalle des IAP für einen vertikalen Kalttest vorbereitet.
Daraufhin erfolgte das Evakuieren der Kavität, das Abkühlen auf 4,2 K sowie ihre Konditionierung. Anschließend erfolgte die Bestimmung der intrinsischen Güte der Kavität.
Sie betrug 1,44 x 10E9 und besitzt somit den bisher höchsten Gütewert, der jemals bei einer supraleitenden CH-Struktur erreicht wurde. Es konnte ein maximaler Beschleunigungsgradient von 7 MV/m im Dauerstrichbetrieb erreicht werden, was einer effektiven Spannung von 4,2 MV entspricht. Die zugehörigen magnetischen und elektrischen Oberflächenfelder lagen bei 39,3 mT bzw. 43,5 MV/m. Ein thermaler Zusammenbruch konnte während des gesamten Leistungstests nicht festgestellt werden, was auf eine gute thermische Eigenschaft der Kavität hindeutet. Allerdings zeigte der gemessene Verlauf ein frühes Abfallen der Güte ab 2,5 MV/m, was durch anormale Leistungsverluste aufgrund von Feldemission hervorgerufen wurde. Dies war aufgrund der unzureichenden Oberflächenbehandlung der Kavität zu erwarten, da die Hochdruckspülung aus technischen Gründen nur entlang der Strahlachse erfolgte. Dennoch konnte die Designvorgabe des geplanten cw-LINACs hinsichtlich der Güte bei 5,5 MV/m um einen Faktor 2 übertroffen werden.
Die positiven Ergebnisse der Simulationsrechnungen und der Messungen zeigen, dass die Anforderungen des Demonstrator-Projekts, insbesondere hinsichtlich des benötigten Beschleunigungsgradienten, mittels der entwickelten supraleitenden 217 MHz CH-Kavität erfüllt werden. Somit wurde im Rahmen dieser Arbeit maßgeblich an der Umsetzung des Demonstrator-Projekts bzw. an der Realisierung des geplanten cw-LINACs beigetragen und der Weg für einen Strahlbetrieb der Kavität vorbereitet.
Im Rahmen der vorliegenden Diplomarbeit wurden die bei den Kalttests der supraleitenden 360 MHz CH-Prototypkavität gewonnenen Messergebnisse sowie das Prinzip der Hochfrequenzmessung an supraleitenden Resonatoren vorgestellt. Zudem wurde bei dem Aufbau eines eigens für diese Messungen optimierten horizontalen Kryostaten mitgearbeitet. Die wesentlichen Elemente des Kryostaten wurden dargestellt und das Kaltfahren des gesamten Kryosystems erläutert. Das am IAP erarbeitete Tuningkonzept, bei dem ein langsamer, kettenbetriebener Tuner für den Ausgleich statischer Frequenzänderungen und zusätzlich drei Piezotuner zur Kompensation schneller Frequenzschwankungen eingesetzt werden, konnte aufgrund der zu groÿen Schwankungen der Resonanzfrequenz, die durch die stetige Befüllung des Kryostaten mit Helium hervorgerufen wurde, nur bedingt getestet werden. Dennoch konnte gezeigt werden, dass der Piezotuner die Frequenz der Kavität für kurze Zeit konstant hält und der langsame, mechanische Tuner einen Frequenzhub von 400 kHz erreichen kann. Für weitere Kalttests der CH-Struktur im horizontalen Kryostaten werden zur Zeit sowohl das Regelsystem für die schnellen Piezotuner als auch die Motorsteuerung des mechanischen Tuners optimiert.
In einem weiteren Arbeitsschritt wurden mit Hilfe der Simulationssoftware ANSYS Rechnungen zur Geometrieoptimierung des neuen dynamischen Balguners für zukünftige supraleitende CH-Strukturen durchgeführt. Das Hauptaugenmerk der Optimierung lag hierbei auf der Reduktion der auftretenden Materialspannungen bei einem vorgesehenen Hub von ca. ± mm, der durch eine äuÿere Belastung hervorgerufen wird. Dabei wurden verschiedene geometrische Gröÿen variiert und die optimalen Parameter gefunden. Zudem wurde eine Modalanalyse durchgeführt, um zu verhindern, dass die mechanischen Eigenfrequenzen des Balgtuners in den Betriebsbereich des Piezotuners, der letztlich für den Antrieb der dynamischen Balgtuner vorgesehen ist, fallen. Die nach sämtlichen Simulationsschritten berechnete und final vorgesehene Tunergeometrie und deren Parameter, die bezüglich des auftretenden von-Mises-Stresses optimiert wurden, sind in Abbildung bzw. Tabelle 9.1 dargestellt.
Desweiteren wurden mit Hilfe des Simulationsprogramms CST MicroWave Studio Untersuchungen zu Multipacting durchgeführt. Aufgrund der problematischen Spannungswerte im oberen Gap des Tuners müssen in weiteren Arbeitsschritten zusätzliche Simulationsrechnungen durchgeführt werden, um die Gefahr von Multipacting zu verhindern. Um die strukturmechanischen Simulationsergebnisse und deren Genauigkeit zu validieren, wurde zu Testzwecken ein Balgtunerprototyp bestehend aus eineinhalb Zellen von der Firma RI in Bergisch Gladbach gefertigt. Messungen der maximalen Auslenkung zeigten zwischen simulierten und gemessenen Werten eine Diskrepanz von einem Faktor von ungefähr 3.
Für weitere Testzwecke soll ein weiterer Balgtunerprototyp bestehend aus 6 Zellen nach den simulierten Parametern angefertigt und später sowohl bei Raumtemperatur als auch unter kryogenen Bedingungen auf dessen Auslenkung getestet werden.
Im Rahmen des FAIR Projektes wurde ein neuartiger Prototyp eines nicht strahlzerstörenden Bunch Struktur Monitors (BSM) am GSI UNILAC entwickelt. Ziel ist es, ein zuverlässiges Diagnosegerät zu entwickeln, welches die longitudinale Struktur der Ionenbunche innerhalb des LINACs untersuchen kann. Notwendig ist hierbei eine effektive Zeitauflösung deutlich unter 100 ps, bei möglichst wenigen Makropuls Mittelungen. Nach der erfolgreichen Inbetriebnahme soll der BSM Prototyp dazu dienen, die Umsetzbarkeit eines weiteren nichtinvasiven Geräts für den geplanten Proton-LINAC bei FAIR mit einer notwendigen Zeitauflösung von 10 ps zu beurteilen.
Die numerische Simulation von Materialien, welche dem Hochstrom-Ionenstrahl ausgesetzt sind, zeigten einen sehr hohen thermischen Stress. Daher wurde der Ansatz eines nicht strahlzerstörenden Diagnosegerätes verfolgt. Das Design beruht auf der Erzeugung von Sekundärelektronen durch Strahl-Restgas Kollisionen im Strahlrohr. Durch das Anlegen eines homogenen Hochspannungspotentials von bis zu -31 kV, wird ein Elektronenstrahl erzeugt, welcher die zeitliche Struktur des Ionenbunches trägt. Die zeitliche Information des Elektronenstrahles wird beim Durchfliegen eines HF-Ablenkers, welcher resonant an die 36 MHz des Beschleunigers gekoppelt ist, in eine räumliche Intensitätsverteilung umgewandelt. Anschließend wird die Elektronenverteilung auf einem bildgebenden MCP-Phosphor-Detektor durch eine CCD-Kamera detektiert und in die Bunch Struktur überführt.
Intensive Untersuchungen der BSM Eigenschaften ergaben eine höchste Auflösung von 37 ±6.3 ps bei gleichzeitig akzeptabler Intensität auf dem MCP-Detektor. Unter anderem wurden auch stabile Einzelschussmessungen durchgeführt, welche für die Profilmessung nur einen einzelnen Makropuls benötigten, statt über typischerweise 8-32 Pulse zu mitteln.
Durch die systematische Manipulation der Bunchlänge durch einen Rebuncher sind nicht gaußförmige Profile von 280 ps bis 650 ps detektiert worden, welche als Studie für eine Emittanzbestimmung genutzt worden sind. In Abhängigkeit des Analyseverfahrens sind Werte von εGauss = 1.42 ±0.14 keV/u ns bis εSD = 3.03 ±0.33 keV/u ns für die Emittanz bestimmt worden.
Des Weiteren ist ein Finite-Elemente Modell erstellt worden, um die Zeitstruktur der Sekundärelektronen innerhalb des elektronenoptischen Systems zu bestimmen. Für das Setup mit der höchsten Auflösung von 37 ps ergab sich eine zusätzliche Zeitverbreiterung von 5.6 ps, welche nur geringfügig die experimentell bestimmte Auflösung verschlechtert.
Der nicht strahlzerstörende BSM liefert eine ausreichend hohe zeitliche Auflösung für detailreiche Untersuchung der longitudinalen Bunchstruktur, ohne negative Einflüsse auf den Ionenstrahl auszuüben. Fortgeschrittene Messungen, wie longitudinale Emittanzbestimmung und Makropulsanalysen, sind möglich und werden dazu beitragen, die LINAC Strukturen besser zu verstehen und weiter zu optimieren.
Obwohl bei der Umsetzung des Arbeitsprinzips für den geplanten Proton-LINAC die veränderten Strahlparameter berücksichtigt werden müssen, zeigen die Ergebnisse, wie die Zeitstrukturuntersuchung und die erreichte Phasenauflösung von 0.5° bei 36 MHz, dass zeitliche Auflösungen bei Aufrechterhaltung der Phasenauflösung von bis zu 10 ps für einen neuen BSM Prototypen möglich sind.
Light scalar mesons can be understood as dynamically generated resonances. They arise as 'companion poles' in the propagators of quark-antiquark seed states when accounting for hadronic loop contributions to the self-energies of the latter. Such a mechanism may explain the overpopulation in the scalar sector - there exist more resonances with total spin J=0 than can be described within a quark model.
Along this line, we study an effective Lagrangian approach where the isovector state a_{0}(1450) couples via both non-derivative and derivative interactions to pseudoscalar mesons. It is demonstrated that the propagator has two poles: a companion pole corresponding to a_{0}(980) and a pole of the seed state a_{0}(1450). The positions of these poles are in quantitative agreement with experimental data. Besides that, we investigate similar models for the isodoublet state K_{0}^{*}(1430) by performing a fit to pion-kaon phase shift data in the I=1/2, J=0 channel. We show that, in order to fit the data accurately, a companion pole for the K_{0}^{*}(800), that is, the light kappa resonance, is required. A large-N_{c} study confirms that both resonances below 1 GeV are predominantly four-quark states, while the heavy states are quarkonia.
The PANDA experiment will be one of the flagship experiments at the future Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) in Darmstadt, Germany. It is a versatile detector dedicated to topics in hadron physics such as charmonium spectroscopy and nucleon structure. A DIRC counter will deliver hadronic particle identification in the barrel part of the PANDA target spectrometer and will cleanly separate kaons with momenta up to 3.5 GeV/c from a large pion background. An alternative DIRC design option, using wide Cherenkov radiator plates instead of narrow bars, would significantly reduce the cost of the system. Compact fused silica photon prisms have many advantages over the traditional stand-off boxes filled with liquid. This work describes the study of these design options, which are important advancements of the DIRC technology in terms of cost and performance. Several new reconstruction methods were developed and will be presented. Prototypes of the DIRC components have been built and tested in particle beam, and the new concepts and approaches were applied. An evaluation of the performance of the designs, feasibility studies with simulations, and a comparison of simulation and prototype tests will be presented.
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.
Nanomaterials, i.e., materials that are manufactured at a very small spatial scale, can possess unique physical and chemical properties and exhibit novel characteristics as compared to the same material without nanoscale features. The reduction of size down to the nanometer scale leads to the abundance of potential applications in different fields of technology. For instance, tailoring the physicochemical properties of nanomaterials for modification of their interaction with a biological environment has been reflected in a number of biomedical applications.
Strategies to choose the size and the composition of nanoscale systems are often hindered by a limited understanding of interactions that are difficult to study experimentally. However, this goal can be achieved by means of advanced computer simulations. This thesis explores, from a theoretical and a computational viewpoints, stability, electronic and thermo-mechanical properties of nanoscale systems and materials which are related to biomedical applications.
We examine the ability of existing classical interatomic potentials to reproduce stability and thermo-mechanical properties of metal systems, assuming that these potentials have been fitted to describe ground-state properties of the perfect bulk materials.
It is found that existing classical interatomic potentials poorly describe highly-excited vibrational states when the system is far from the potential energy minimum. On the other hand, construction of a reliable computational model is essential for further development of nanomaterials for applications. A new interatomic potential that is able to correctly reproduce both the melting temperature and the ground-state properties of different metals, such as gold, platinum, titanium, and magnesium, by means of classical molecular dynamics simulations is proposed in this work. The suggested modification of a many-body potential has a general nature and can be utilized for similar numerical exploration of thermo-mechanical properties of a broad range of molecular and solid state systems experiencing phase transitions.
The applicability of the classical interatomic potentials to the description of nanoscale systems, consisting of several tens-hundreds of atoms, is also explored in this study. This issue is important, for instance, in the case of nanostructured materials, where grains or nanocrystals have a typical size of about a few nanometers. We validate classical potentials through the comparison with density-functional theory calculations of small
atomic clusters made of titanium and nickel. By this analysis, we demonstrate that the classical potentials fitted to describe ground-state properties of a bulk material can describe the energetics of nanoscale systems with a reasonable accuracy.
In this work, we also analyze electronic properties of nanometer-size nanoparticles made of gold, platinum, silver, and gadolinium; nanoparticles composed of these materials are of current interest for radiation therapy applications. We focus on the production of low-energy electrons, having the kinetic energy from a few electronvolts to several tens of electronvolts. It is currently established that the low-energy secondary electrons of such energies play an important role in the nanoscale mechanisms of biological damage resulting from ionizing radiation. We provide a methodology for analyzing the dynamic response of nanoparticles of the experimentally relevant sizes, namely of about several nanometers, exposed to ionizing radiation. Because of a large number of constituent atoms (about 1000 −10000 atoms) and consequently high computational costs, the electronic properties of such systems can hardly be described by means of ab initio methods based on a quantum-mechanical treatment of electrons, and this analysis should rely on model approaches. By comparing the response of smaller systems (of about 1 nm size) calculated within the ab initio- and the model framework, we validate this methodology and make predictions for the electron production in larger systems.
We have revealed that a significant increase in the number of the low-energy electrons emitted from nanometer-size noble metal nanoparticles arises from collective electron excitations formed in the systems. It is demonstrated that the dominating mechanisms of electron yield enhancement are related to the formation of plasmons excited in a whole system and of atomic giant resonances formed due to excitation of valence d electrons in individual atoms of a nanoparticle. Being embedded in a biological medium, the noble metal nanoparticles thus represent an important source of low-energy electrons, able to produce a significant irrepairable damage in biological systems.
A general methodology for studying electronic properties of nanosystems is used to make quantitative predictions for electron production by non-metal nanoparticles. The analysis illustrates that due to a prominent collective response to an external electric field, carbon nanoparticles embedded in a biological medium also enhance the production of low-energy electrons. The number of low-energy electrons emitted from carbon nanoparticles is demonstrated to be several times higher as compared to the case of liquid water.
Abstract We consider the phase structure of hadronic and hadron-quark models at finite temperature and density. The basis for the hadronic part is an extension of a flavor-SU(3) ? ? ? model. We study the effect on the phase diagram by adding additional hadronic resonances to the model. With the resulting equation of state we investigate heavy-ion c... collisions using hydrodynamical simulations. In a combined approach we include quarks and the Polyakov loop field in the calculation and study chiral symmetry restoration and the deconfinement transition.