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The Frankfurt Neutron Source at the Stern-Gerlach-Zentrum is driven by a 2 MeV proton linac consisting of a 4-rod-radio-frequency-quadrupol (RFQ) and an 8 gap IH-DTL structure. RFQ and IH cavity will be powered by only one radio frequency (RF) amplifier to reduce costs. The RF-amplifier of the RFQ-IH combination is coupled into the RFQ. Internal inductive coupling along the axis connects the RFQ with the IH cavity ensuring the required power transition as well as a fixed phase relation between the two structures. The main acceleration of 120 keV up to 2.03 MeV will be reached by the RFQ-IH combination with 175 MHz and at a total length of 2.3 m. The losses in the RFQ-IH combination are about 200 kW.
A CW RFQ prototype
(2011)
A short RFQ prototype was built for RF-tests of high power RFQ structures. We will study thermal effects and determine critical points of the design. HF-simulations with CST Microwave Studio and measurements were done. The cw-tests with 20 kW/m RF-power and simulations of thermal effects with ALGOR were finished successfully. The optimization of some details of the HF design is on focus now. First results and the status of the project will be presented.
The miniaturization of electronics is reaching its limits. Structures necessary to build integrated circuits from semiconductors are shrinking and could reach the size of only a few atoms within the next few years. It will be at the latest at this point in time that the physics of nanostructures gains importance in our every day life. This thesis deals with the physics of quantum impurity models. All models of this class exhibit an identical structure: the simple and small impurity only has few degrees of freedom. It can be built out of a small number of atoms or a single molecule, for example. In the simplest case it can be described by a single spin degree of freedom, in many quantum impurity models, it can be treated exactly. The complexity of the description arises from its coupling to a large number of fermionic or bosonic degrees of freedom (large meaning that we have to deal with particle numbers of the order of 10^{23}). An exact treatment thus remains impossible. At the same time, physical effects which arise in quantum impurity systems often cannot be described within a perturbative theory, since multiple energy scales may play an important role. One example for such an effect is the Kondo effect, where the free magnetic moment of the impurity is screened by a "cloud" of fermionic particles of the quantum bath.
The Kondo effect is only one example for the rich physics stemming from correlation effects in many body systems. Quantum impurity models, and the oftentimes related Kondo effect, have regained the attention of experimental and theoretical physicists since the advent of quantum dots, which are sometimes also referred to as as artificial atoms. Quantum dots offer a unprecedented control and tunability of many system parameters. Hence, they constitute a nice "playground" for fundamental research, while being promising candidates for building blocks of future technological devices as well.
Recently Loss' and DiVincenzo's p roposal of a quantum computing scheme based on spins in quantum dots, increased the efforts of experimentalists to coherently manipulate and read out the spins of quantum dots one by one. In this context two topics are of paramount importance for future quantum information processing: since decoherence times have to be large enough to allow for good error correction schemes, understanding the loss of phase coherence in quantum impurity systems is a prerequisite for quantum computation in these systems. Nonequilibrium phenomena in quantum impurity systems also have to be understood, before one may gain control of manipulating quantum bits.
As a first step towards more complicated nonequilibrium situations, the reaction of a system to a quantum quench, i.e. a sudden change of external fields or other parameters of the system can be investigated. We give an introduction to a powerful numerical method used in this field of research, the numerical renormalization group method, and apply this method and its recent enhancements to various quantum impurity systems.
The main part of this thesis may be structured in the following way:
- Ferromagnetic Kondo Model,
- Spin-Dynamics in the Anisotropic Kondo and the Spin-Boson Model,
- Two Ising-coupled Spins in a Bosonic Bath,
- Decoherence in an Aharanov-Bohm Interferometer.
A modern linear accelerator of ions is a long chain of different accelerating-focusing structures. The design of new linacs, as well as an upgrade and optimization of operating facilities, requires precise and reliable beam matching with the subsequent sections. Proper matching of the beam to the channel allows to improve the performance of the whole linac and to reduce the specific costs. Additionally it helps to avoide particle loss in high energy high intensity linacs. Generally a matching algorithm combines precisely measured or calculated accelerating-focusing external fields and experimentally obtained details of the beam parameters with an advanced code for beam dynamics simulations including space charge effects. Experimental results are introduced into a code as input data. The described algorithm has already been successfully implemented for several GSI projects: an upgrade of the GSI heavy ion linac UNILAC, an ion linac for the cancer therapy, the proton linac for the FAIR facility, a facility for laser acceleration of ions and others. Measured data and results of beam dynamics simulations leading to an achieved improvement of the linac performance are presented.
Ziel der durchgeführten Experimente war es, die Zerfallsmechanismen Van-der-Waals gebundener Argon- und Neon Di- und Trimere in intensiven Laserfeldern zu untersuchen, um mehr über den Einfluss der schwachen Van-der-Waals Bindung auf die Dynamik des Ionisationsprozesses zu erfahren. Da Dimere aufgrund ihrer elektronischen Struktur sehr stark zwei separaten benachbarten Atomen gleichen, vereinen sie atomare und molekulare Eigenschaften in sich und ihre Untersuchung verspricht ein tieferes Verständnis der Wechselwirkungsmechanismen in starken Laserfeldern. Die Verwendung der Impulsspektroskopie Methode COLTRIMS ermöglichte die koinzidente Messung aller beim Aufbruch entstandener ionischer Fragmente sowie eines elektronischen Impulsvektors. Für die beidseitige Einfachionisation des Argon Dimers, konnten bei der gewählten Intensität (etwa 3.3E14W/cm2) drei unterschiedliche Ionisationsprozesse identifiziert werden, von denen zwei zu einer überraschend hohen kinetischen Gesamtenergie der Ionen führen. Aufgrund der Messung der Winkelverteilung der ionischen Fragmente und eines der emittierten Elektronen für lineare und zirkulare Polarisation gelang es, die den drei Prozessen zugrunde liegende Dynamik im Laserfeld zu entschlüsseln. Der dominierende Zerfallskanal stellt demzufolge eine schnelle sequentielle Doppelionisation des Argon Dimers dar, die noch am Gleichgewichtsabstand des Dimers stattfindet. Für den zweithäufigsten Ionisationsprozess ergaben sich zwei mögliche Erklärungsansätze: Entweder wird das Dimer zunächst einseitig doppelionisiert, so dass es auf einer attraktiven Potentialkurve zusammenläuft, bevor es zu einem späteren Zeitpunkt – wenn das Laserfeld bereits abgeklungen ist – durch eine Umverteilung seiner Ladungen in einer Coulomb Explosion fragmentiert, oder das Dimer wird bei einer beidseitigen Tunnelionisation zugleich angeregt, so dass die Coulomb Explosion von einer Potentialkurve erfolgt, die wesentlich steiler als 1/R verläuft. Der schwächste Zerfallskanal, der sich durch die höchste Gesamtenergie auszeichnet, ist auf eine "Frustrated Triple Tunnel Ionization" zurückzuführen, bei der ein hoch angeregter Rydberg Zustand erzeugt wird. Bei der Untersuchung des Neon Dimers konnte bei der gewählten Intensität (etwa 6.3E14W/cm2) nur die sequentielle beidseitige Einfachionisation identifiziert werden, obwohl die Daten Hinweise auf einen weitern Ionisationsprozess mit sehr geringer Statistik aufweisen. Zudem wurde in dieser Arbeit nach der Methode des Coulomb-Explosion-Imaging aus den in Koinzidenz gemessenen Impulsvektoren aller einfachgeladenen ionischen Fragmente eines Aufbruchs die geometrische Struktur der Cluster im Orts-und Impulsraum rekonstruiert. Die ermittelte Grundzustandswellenfunktion des Argon und Neon Dimers zeigt eine gute Übereinstimmung mit quantenmechanischen Berechnungen. Für das Argon und Neon Trimer konnten aus den gemessenen Impulsvektoren mittels einer numerischen Simulation die Bindungswinkel im Ortsraum bestimmt werden, so dass erstmals gezeigt werden konnte, dass diese Trimere gleichseitige Dreieckskonfigurationen aufweisen. Vergleiche mit theoretischen Berechnungen zeigen für die breite Winkelverteilung des Neon Trimers eine hervorragende Übereinstimmung, während die gemessene Winkelverteilung des Argon Trimers etwas breiter als die berechnete ist.
Neutroneneinfangquerschnitte werden häufig mithilfe der Aktivierungsmethode bestimmt. Hierbei wird die zu untersuchende Probe mit Neutronen der gew¨unschten Energie bestrahlt und danach in einem untergrundoptimierten Labor ausgezählt. Am Institut für Angewandte Physik der Goethe Universität Frankfurt wurde ein solcher Aufbau realisiert. Er besteht aus zwei Clover Detektoren, die gegenüberliegend in enger Geometrie angeordnet sind. Die aktivierte Probe wird mittels spezieller Probenhalter reproduzierbar und zentriert zwischen den Detektoren platziert. Die Clover Detektoren sind mit passiven Schilden (Pb) und einer aktiven Abschirmung (BGO) umgeben. Die unterschiedlichen Abschirmungen wirken sich in verschieden Energiebereichen jeweils anders aus.
Diese Arbeit befasst sich mit der astrophysikalischen Motivation und dem Aufbau, mit dem später die Ausbeute einer neutronenaktivierten Probe bestimmt werden kann. Außerdem werden die Ergebnisse der verschiedenen Untergrundmessungen miteinander verglichen.
Beam test of the direct plasma injection scheme (DPIS) is carried out successfully for the first time in China, by setting up a comprehensive test and research platform of RFQ and laser ion source. The C6+ beam is accelerated successfully, and the peak beam current reaches more than 6mA which is measured by a Faraday cup of unique structure. The RF power coupled into the RFQ cavity is also examined, and results reveal that it is the RF power of about 195kW that can produce the peak beam current.
The ARMADILLO bunch compressor currently being designed at IAP is capable of reaching a longitudinal pulse compression ratio of 45 for proton beams of 150 mA at 2 MeV. It will provide one nanosecond proton pulses with a peak current of 7.7 A. The system guides nine linacμbunches deflected by a 5 MHz rf kicker and uses four dipole magnets - two homogeneous and two with field gradients - to merge them on the target. For longitudinal focusing and an energy variation of ±200 keV two multitrack rf cavities are included. ARMADILLO will be installed at the end of the Frankfurt Neutron Source FRANZ making use of the unique 250 kHz time structure. This contribution will provide an overview of the layout of the system as well as recent advances in component design and beam dynamics of the compressor.
Beam measurements with the new RFQ beam matching section at the Frankfurt Funneling Experiment
(2011)
Funneling is a method to increase low energy beam currents in multiple stages. The Frankfurt Funneling Experiment is a model of such a stage. The experiment is built up of two ion sources with electrostatic lens systems, a Two-Beam-RFQ accelerator, a funneling deflector and a beam diagnostic system. The two beams are bunched and accelerated in a Two-Beam RFQ. A funneling deflector combines the bunches to a common beam axis. A new beam transport system between RFQ accelerator and deflector has been constructed and mounted. With these extended RFQ-electrodes the drift between the Two-Beam-RFQ and the rf-deflector will be minimized and therefore unwanted emittance growth reduced. After first rf measurements current work are beam tests with the improved Two-Beam-RFQ. First results will be presented.
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.
Chromatic, geometric and space charge effects on laser accelerated protons focused by a solenoid
(2011)
We studied numerically emittance and transmission effects by chromatic and geometric aberrations, with and without space charge, for a proton beam behind a solenoid in the laser proton experiment LIGHT at GSI. The TraceWin code was employed using a field map for the solenoid and an initial distribution with exponential energy dependence close to the experiment. The results show a strong effect of chromatic, and a relatively weak one of geometric aberrations as well as dependence of proton transmission on distance from the solenoid. The chromatic effect has an energy filtering property due to the finite radius beam pipe. Furthermore, a relatively modest dependence of transmission on space charge is found for p production intensity below 1011.
Fast thermalization and a strong build up of elliptic flow of QCD matter were investigated within the pQCD based 3+1 dimensional parton transport model BAMPS including bremsstrahlung 2 <-> 3 processes. Within the same framework quenching of gluonic jets in Au+Au collisions at RHIC can be understood. The development of conical structure by gluonic jets is investigated in a static box for the regimes of small and large dissipation. Furthermore we demonstrate two different approaches to extract the shear viscosity coefficient n from a microscopical picture.
Intense ion beams with small phase space occupation (high brilliance) are mandatory to keep beam losses low in high current injector accelerators like those planned for FAIR. The low energy beam transport from the ion source towards the linac has to keep the emittance growth low and has to support the optimization of the ion source tune. The Frankfurt Neutron Source Facility FRANZ is currently under construction. An intense beam of protons (2 MeV, 200 mA) will be used for neutron production using the Li7(p,n)Be7 reaction for studies of the astrophysical s-process. A collimation channel, which can be adjusted to allow the transport of beams with a certain beam emittance, is an ideal tool to optimize the ion source tune in terms of beam brightness. Therefore a collimation channel in the Low Energy Beam Transport section will be used. Through defined apertures and transversal phase space rotation using focusing solenoids the beam halo as well as unwanted H2+ and H3+ fractions will be cut. Theoretical studies which were carried out so far and a first design of the setup will be presented.
An optimized design of a stellarator-type storage ring for low energy ion beams was numerically investigated. The magnetic field variation along the circumference and therefore magnetic heating is suppressed by using simple circular correction coils. Particle-in-Cell (PIC) simulations in a magnetic flux coordinate system show the ability of high current ion beam accumulation in such a configuration with unique features for clockwise and anticlockwise moving beams. Additionally scaled down experiments with two 30 degree room temperature toroidal segments were performed to demonstrate toroidal transport and to develop optical beam diagnostics. Properties of multi-component beams, redistribution of transversal momenta in the non-adiabatic part of the experimental configuration and investigation of strongly confined beam induced electron clouds will be addressed.
We review our knowledge of the phase diagram of QCD as a function of temperature, chemical potential and quark masses. The presence of tricritical lines at imaginary chemical potential m = i p 3 T, with known scaling behaviour in their vicinity, puts constraints on this phase diagram, especially in the case of two light flavors. We show first results in our project to determine the finite-temperature behaviour in the Nf = 2 chiral limit.
Within the present work, photodissociation reactions on 100Mo, 93Mo and 92Mo isotopes were studied by means of the Coulomb dissociation method at the LAND setup at GSI. Experimental data on these isotopes are important to explain the problem of the underproduction of the lighter p-nuclei - 92; 94Mo - within the models of the p-process nucleosynthesis. The reaction rates used in the nucleosynthesis calculations are usually obtained within the framework of the statistical model. In order to verify the model predictions and reduce the uncertainties, experimental measurements of the reaction cross sections are required. In particular, the data on (γ,n) reactions are of interest, since these reactions were shown to dominate the p-process flow in the molybdenum mass region.
As a result of the analysis of the present experiment, integrated Coulomb excitation cross sections of the 100Mo(γ,n), 100Mo(γ,2n), 93Mo(γ,n) and 92Mo(γ,n) reactions were determined. The measurement of the 93Mo isotope is particularly important, since this nucleus is unstable, and the corresponding cross section has not been measured before.
It should be emphasized that Coulomb dissociation is a unique tool to study photoninduced reactions on unstable nuclei, which is especially relevant in the context of nucleosynthesis network calculations. However, because of to the complexity of the data analysis procedure and a number of model assumptions that are required in order to extract the Coulomb excitation cross section from the data, one of the main aspects of this thesis was to verify the method by comparing the results with the previously published data obtained with real photon beams. Integrated cross sections of the 100Mo(γ,n) and 100Mo(γ,2n) reactions were directly compared to the data by Beil et al., obtained at Saclay with photons from positron annihilation, while an indirect comparison could be performed with a recent photoactivation measurement by Erhard and co-workers. A reasonable agreement was observed for the 1n channel: a scaling factor of 0.8 ± 0.1 between our result and Beil et al. data is consistent with the scaling factor of 0.89±0.09 reported by Erhard et al. between their data and Beil et al. data. Both results are in agreement with the scaling factor of 0.85 ± 0.03 recommended by Berman et al. for the data measured at Saclay on nuclei in the respective mass region. A somewhat lower factor of 0.61 ± 0.09 between the present data and Beil et al. data was obtained for the 2n channel. The discrepancy might be explained by both the substantial efficiency correction that has to be applied to the LAND data in the two-neutron case, as well as by an insufficiently accurate assumption that the Saclay neutron detector efficiency is energy- and multiplicity- independent.
A second important topic of the present thesis is the investigation of the efficiency of the CsI gamma detector. The calorimetric information that it delivers is essential to reconstruct the energy-differential cross section from the present measurement. The data taken with the gamma calibration sources shortly after the experiment were used for the investigation. In addition, a test experiment in refined conditions was conducted within the framework of this thesis. Numerous GEANT3 simulations of the detector were performed in order to understand various aspects of its performance. As a result, the efficiency of the detector was determined to be approximately a factor of 2 lower than the efficiency expected from the simulation. This result is consistent with several independent investigations, which were performed using different methods. At the same time, a remarkable agreement between the simulated and experimental data was achieved under assumption that the inefficiency of the detector is explained by the loss of data from a number of crystals, which are randomly chosen in each event according to their averaged performance ratio (the ”on-off” effect). The reasons for the observed malfunction are yet not fully clear. Regardless of the exact reason, in the present conditions a deconvolution of the measured data from the CsI response is not possible. Consequently, within the framework of this thesis, the results are presented in terms of integrated cross sections. A search for alternative methods of data interpretation, allowing to extract energy-differential information out of the available data, in currently ongoing.
In the more recent experiments at the LAND setup, where the Crystal Ball gamma detector was used as a calorimeter, the reconstruction of the energy-differential cross section with a reasonable resolution was already shown to be feasible. It means that, even considering the uncertainties of the present experiment of the order of 10%, the uncertainties of the statistical model predictions, which are on average estimated to be within a factor of 1.5-2, can already be constrained.
The analysis of the present experiment is still in progress. As a next step, Coulomb excitation cross section for 94Mo will be obtained. The 94Mo(γ,n) reaction cannot be studied by photoactivation, since the life time of the daughter nucleus is too long (4000 y). At the same time, this reaction plays a key role in the p-process nucleosynthesis.
The future of the LAND setup - the R3B setup1 at FAIR2 - will take advantage of a three orders of magnitude higher intensity of the radioactive beams [85], as well as of a completely new detector system. High-resolution measurements of the energy-differential cross sections will be possible for exotic nuclei, which were never accessible in the laboratory before. Such measurements will open great opportunities for nuclear astrophysics, allowing to obtain high-quality experimental data even for regions of the nuclear chart where the statistical model calculations are not applicable.
Für das Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung (GSI), in Darmstadt, wurde ein neuer RFQ zur Beschleunigung schwerer Ionen für den Hochladungsinjektor (HLI) entwickelt. Dieser RFQ hat den bereits vorhandenen ersetzt und soll, für die Anpassung des HLI an die neue 28 GHz-ECR-Ionenquelle, den Duty-cycle von 25 % auf 100 % erhöhen, um superschwere Ionen zu erzeugen und die Experimente mit schweren Ionen zu versorgen. Der RFQ hat die Aufgabe schwere, hochgeladene Ionen von 4 keV/u auf 300 keV/u zu beschleunigen. Wichtige Eigenschaften sind ein hoher Strahlstrom, eine hohe Strahl-Transmission, eine kleine Strahlemittanz und eine geringe transversale Emittanzzunahme. Die Erhöhung der Injektionsenergie von 2,5 keV/u auf 4 keV/u ermöglicht eine Verkleinerung des Konvergenzwinkels. Der Aufbau des 4-Rod-RFQs für den HLI ist Thema der vorliegenden Arbeit. Die Auslegung des HLI-RFQs bezieht sich auf ein festgelegtes max. Masse zu Ladungsverhältnis von A/q = 6, bei einer Betriebsfrequenz von 108,408 MHz. Die Ionen sollen bei einem Strahlstrom von 5 mA von 4 keV/u auf 300 keV/u beschleunigt werden. Durch die spezielle teilchendynamische Auslegung konnte die Länge des Tanks von vorher 3 m auf jetzt 2 m verkürzt werden. Dies begünstigt den CW-Betrieb der Struktur. Durch den CW-Betrieb hat man eine hohe Leistungsaufnahme, dies erfordert eine besondere teilchendynamische und hochfrequenztechnische Auslegung der RFQ-Struktur und eine effiziente Kühlung. Zur Simulation der Hochfrequenzeigenschaften wurde ein Modell des RFQ mit dem Programm Microwave Studio (MWS) erstellt. Die Simulationen ergaben einen nur 2 m langen RFQ mit sehr hoher Transmission > 95%. Nach den entsprechenden Simulationsrechnungen bezüglich der Teilchendynamik und der Hochfrequenzeigenschaften wurde der RFQ aufgebaut. Der zeitaufwändige Aufbau lässt sich in drei Abschnitte einteilen. Die Elektroden wurden präzise ausgemessen. Danach wurden Stützen, Elektroden und Tuningplatten an der Bodenplatte montiert und in den Tank eingesetzt. Im Tank wurden die Elektroden justiert, die zuerst außerhalb vermessen wurden. Die korrekte Position der Elektroden zur Referenzfläche wurde berechnet und mit Hilfe eines Faro-Gage im Tank eingemessen. Die maximale Abweichung der Elektrodenposition konnte auf 0,03 mm reduziert werden. Nach der mechanischen Einrichtung folgte die HF-Anpassung des Resonators. Durch das Erhöhen der Tuningplattenpositionen zwischen den Stützen konnte die Resonanzfrequenz von 90,8 MHz auf 108,4 MHz erhöht werden. Als nächstes wurde die Spannungsverteilung im Tank gemessen und mit Hilfe der Tuningplatten konnte sie so eingestellt werden, dass die maximale Abweichung zur mittleren Elektrodenspannung bei nur ± 2% liegt. Zur weiteren Hochfrequenzabstimmung wurde die Wirkung zweier Tauchkolben mit einem Durchmesser von 75 mm untersucht. Die Tauchkolben ermöglichen eine Anpassung der Frequenz im Bereich von 1,4 MHz. Sie sollen die möglichen Frequenzverschiebungen durch beispielsweise thermische Effekte, auf Grund des HF-Betriebs, regulieren. Für die Hochfrequenzabstimmung wurde eine Ankoppelschleife gefertigt und angepasst. Die Güte des Resonators betrug Q0 = 3100, bei einem RP-Wert RP = 100 kΩm, d.h. die zur Versorgung stehende HF-Leistung (50 kW im CW-Betrieb) reicht aus. An der GSI wurde nach dem Transport eine Kontrolle der Elektroden vorgenommen, danach wurde der RFQ erst einzeln, danach als komplette HLI Einheit getestet. Dazu wurden verschiedene Pulsmessungen und Emittanzmessungen mit Argon 7+ und Argon 8+ durchgeführt. Bei der ersten Strahlinbetriebnahme wurden die Transmission, die Ionenenergie und die Emittanz mit verschiedenen Ionen gemessen. Die ersten Tests des HLI-RFQ waren sehr vielversprechend. In den Tests war zu sehen, dass die vorgenommenen Arbeiten, wie Justage und HF-Abstimmung der Resonanzstruktur, erfolgreich waren. Danach wurde der Strahlbetrieb mit Calcium, bei einer Leistung von 50 kW, durchgeführt. Die gemessene Transmission bei einer Spannung von 43 kV lag bei 70 %. Im Mai 2010 gab es eine 14Stickstoff2+ -Strahlzeit mit einer gepulsten Leistung von N = 90 kW. Danach wurde Anpassungstests mit verschiedenen Schwerionen durchgeführt. Im November 2010 wurden neue Tuningplatten mit einer besseren Stützenkontaktierung sowie einer besseren Kühlung eingebaut. Die Elektroden wurden nach diesen Maßnahmen auf ± 0,04 mm einjustiert. Die Flatness liegt bei ± 2,1 %, die Güte beträgt Q0 = 3300. Der RFQ wurde in die Beamline eingebaut und geht im Januar 2011 in Betrieb.
Design and optimization of the lattice of the superconducting synchrotron SIS300 for slow extraction
(2011)
The superconducting synchrotron SIS300 is planned to be built at the new Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR), at GSI-Darmstadt [1]. SIS300 will be a versatile machine, which by means of a low-energy stretcher-mode or a high-energy ramped-mode will provide slowly extracted heavy ion beams towards the experimental areas. To reach the required maximum field of 4.5 T, cos(θ) magnets are necessary. Thus, SIS300 will become the first superconducting synchrotron worldwide with cos(θ) magnets providing resonant slow extraction.
Since SIS300 will be installed in the same tunnel as the SIS100 synchrotron, the dipole layout of SIS300 cannot be freely chosen. Thus, a standard lattice cannot be applied. A redesign of the SIS300 lattice accepting compromises concerning the positions and phase advances between the optical elements has been proposed. Using the analytical model of the slow extraction, firstly proposed by Kobayashi, and the analytical description of the resonance driving modes, a multiobjective optimization algorithm has been developed for the optimization of the lattice under the given boundary conditions. The final goal of the lattice optimization is a higher efficiency of the slow extraction. The results are evaluated by means of tracking simulations performed with the code Elegant.
The field quality in superconducting cos(θ) magnets is determined by the positions of the superconducting cable and the static and time-dependent effects of the current in the cable. Furthermore, the fast ramp rates of 1 T/s in the dipoles, which are fifty times faster than in any other superconducting cos(θ) magnet, together with the fact that the aperture is smaller than in conventional accelerator magnets, makes it extremely difficult to obtain a high-quality magnetic field. The unavoidable field errors affect the beam dynamics and worsen the slow extraction efficiency. Therefore, the field errors in the SIS300 dipoles have been estimated, and their effects have been taken into account in the optimization algorithm. As a result a compensation scheme has been proposed, in which time-dependent gradients in the sextupoles counteract the decay of the sextupole field errors in the dipole magnets during the slow extraction. For the limits where the compensation was no longer possible, tolerances to the magnet field errors have been determined.
MYRRHA is conceived as an accelerator driven system (ADS) for transmutation of high level nuclear waste. The neutron source is created by coupling a proton accelerator of 600 MeV with a 4 mA proton beam, a spallation source and a sub-critical core. The IAP of Frankfurt University is responsible for the development of the 17 MeV injector operated at 176 MHz. The injector consists of a 1.5 MeV 4-Rod-RFQ and six CH-drifttube-structures. The first two CH-structures will be operated at room temperature and the other CH-structures are superconducting cavities assembled in one cryo-module. To achieve the extremely high reliability required by the ADS application, the design of the 17 MeV injector has been intensively studied, with respect to thermal issues, minimum peak fields and field distribution.
Development of fragmented low-Z ion beams for the NA61 fixed-target experiment at the CERN SPS
(2011)
The NA61 experiment, aims to study the properties of the onset of deconfinement at low SPS energies and to find signatures of the critical point of strongly interacting matter. A broad range in T-μB phase diagram will be covered by performing an energy (13A-158A GeV/c) and system size (p+p, Be+Be, Ar+Ca, Xe+La) scan. In a first phase, fragmented ion beams of 7Be or 11C produced as secondaries with the same momentum per nucleon when the incident primary Pb-ion beam hits a thin Be target will be used. The H2 beam line that transports the beam to the experiment acts as a double spectrometer which combined with a new thin target (degrader) where fragments loose energy proportional to the square of their charge allows the separation of the wanted A/Z fragments. Thin scintillators and TOF measurement for the low energy points are used as particle identification devices. In this paper results from the first test of the fragmented ion beam done in 2010 will be presented showing that a pure Be beam can be obtained satisfying the needs of the experiment.
The crossbar H-mode (CH) cavity is an accelerating structure operated in the H21(0) mode. The robustness of the crossbar geometry allows one to realize room temperature as well as superconducting linac cavities. The shunt impedance characteristics of this structure are attractive to develop proton and heavy ion linacs in the low and medium beta range. A first room temperature eight-cell prototype has proven the feasibility of the crossbar design in terms of mechanical construction, copper plating, and cooling. An innovative rf coupling concept has been developed where two CH cavities are connected by a two gap E010-mode resonator which, at the same time, provides transverse focusing by a quadrupole triplet. The concept has been applied in the design of the new FAIR proton linac and a scaled model of the second cavity of this injector has been built and tested too. The full scale prototype is now under construction at the University of Frankfurt. In this paper, the room temperature CH cavity development as well as the general layout of the FAIR proton injector (70 MeV, 325 MHz, 70 mA) is presented and discussed.
The HITRAP linear decelerator currently being set up at GSI will provide slow, few keV/u highly charged ions for atomic physics experiments. The expected beam intensity is up to 105 ions per shot. To optimize phase and amplitude of the RF systems intensity, bunch length and kinetic energy of the particles need to be monitored. The bunch length that we need to fit is about 2 ns, which is typically measured by capacitive pickups. However, they do not work for the low beam intensities that we face. We investigated the bunch length with a fast CVD diamond detector working in single particle counting mode. Averaging over 8 shots yields a clear, regular picture of the bunched beam. Energy measurements by capacitive pickups are limited by the presence of intense primary and partially decelerated beam and hence make tuning of the IH-structure impossible. The energy of the decelerated fraction of the beam behind the first deceleration cavity was determined to about 10 % accuracy with a permanent dipole magnet combined with a MCP. Better detector calibration should help reaching the required 1%. Design of the detectors as well as the results of the measurements will be presented.
SIS100 is the main synchrotron of the FAIR project. It is designed to accelerate high intensity intermediate charge state uranium beams from 200 MeV/u up to 2.7 GeV/u. Intermediate charge state heavy ions are exposed to a high probability of charge exchange due to collisions with residual gas molecules. Since the charge exchange process changes the magnetic rigidity, the involved ions are lost behind dispersive elements, and an energy-dependent gas desorption takes place. The StrahlSim code has been used to predict the stability of the residual gas pressure in SIS100 under beam loss driven dynamic conditions. The results show, that a stable operation at highest U28+ intensities is possible, under the constraint that the vacuum chambers of the ion catcher system are cold enough to pump hydrogen. Furthermore, in order to determine the load to the cryogenic system, the average beam energy deposition onto the ion catcher system has been calculated.
We study the kinetic and chemical equilibration in 'infinite' parton-hadron matter within the Parton-Hadron-String Dynamics transport approach, which is based on a dynamical quasiparticle model for partons matched to reproduce lattice-QCD results – including the partonic equation of state – in thermodynamic equilibrium. The 'infinite' matter is simulated within a cubic box with periodic boundary conditions initialized at different baryon density (or chemical potential) and energy density. The transition from initially pure partonic matter to hadronic degrees of freedom (or vice versa) occurs dynamically by interactions. Different thermody-namical distributions of the strongly-interacting quark-gluon plasma (sQGP) are addressed and discussed.
Dynamics of chaotic strings
(2011)
The main topic of this thesis is the investigation of dynamical properties of coupled Tchebycheff map networks. At every node of the network the dynamics is given by the iteration of a Tchebycheff map, which shows strongest possible chaotic behaviour. By applying a coupling between the various individual dynamics along the links of the network, a rich structure of complex dynamical patterns emerges. Accordingly, coupled chaotic map networks provide prototypical models for studying the interplay between local dynamics, network structure, and the emergent global dynamics. An exciting application of coupled Tchebycheff map lattices in quantum field theory has been proposed Beck in Spatio-temporal chaos and vacuum fluctuations of quantized fields' (2002). In this so-called chaotic string model, the coupled map lattice dynamics generates the noise needed for the Parisi-Wu approach of stochastic quantization. The remarkable obversation is that the respective dynamics seems to reproduce distinguished numerical values of coupling constants that coincide with those observed in the standard model of particle physic. The results of this thesis give insights into the chaotic string model and its network generalization from a dynamical point of view. This leads to a deeper understanding of the dynamics, which is essential for a critical discussion of possible physical embeddings. Apart from this specific application to particle physics, the investigated concepts like synchronization or a most random behaviour of the dynamics are of general interest for dynamical system theory and the science of complex networks. As a first approach, discrete symmetry transformations of the model are studied. These transformations are formulated in a general way in order to be also applicable to similar dynamics on bipartite network structures. An observable of main interest in the chaotic string model is the interaction energy. In Spatio-temporal chaos and vacuum fluctuations of quantized fields' (2002) it has been observed that certain chaotic string couplings, corresponding to a vanishing interaction energy, coincide with coupling constants of the standard model of elementary particle physics. Since the interaction energy is basically a spatial correlation measure, an interpretation of the respective dynamical states in terms of a most random behaviour is tempting. In order to distinguish certain states as most random', or evoke another dynamical principle, a deeper understanding of the dynamics essential. In the present thesis the dynamics is studied numerically via Lyapunov measures, spatial correlations, and ergodic properties. It is shown that the zeros of the interaction energy are distinguished only with respect to this specific observable, but not by a more general dynamical principle. The original chaotic string model is defined on a one-dimensional lattice (ring-network) as the underlying network topology. This thesis studies a modification of the model based on the introduction of tunable disorder. The effects of inhomogeneous coupling weights as well as small-world perturbations of the ring-network structure on the interaction energy are discussed. Synchronization properties of the chaotic string model and its network generalization are studied in later chapters of this thesis. The analysis is based on the master stability formalism, which relates the stability of the synchronized state to the spectral properties of the network. Apart from complete synchronization, where the dynamics at all nodes of the network coincide, also two-cluster synchronization on bipartite networks is studied. For both types of synchronization it is shown that depending on the type of coupling the synchronized dynamics can display chaotic as well as periodic or quasi-periodic behaviour. The semi-analytical calculations reveal that the respective synchronized states are often stable for a wide range of coupling values even for the ring-network, although the respective basins of attraction may inhabit only a small fraction of the phase space. To provide analytical results in closed form, for complete synchronization the stability of all fixed points and period-2 orbits of all chaotic string networks are determined analytically. The master stability formalism allows to treat the ring-network of the chaotic string model as a special case, but the results are valid for coupled Tchebycheff maps on arbitrary networks. For two-cluster synchronization on bipartite networks, selected fixed points and period-2 orbits are analyzed.
QCD at finite temperature and denisty remains intractable by Monte Carlo simulations for quark
chemical potentials m >∼T. It has been a long standing problem to derive effective theories from
QCD which describe the phase structure of the former with controlled errors. We propose a
solution to this problem by a combination of analytical and numerical methods. Starting from
lattice QCD with in Wilson’s formulation, we derive an effective action in terms of Polyakov
loops by means of combined strong coupling and hopping expansions. The theory correctly
reflects the centre-symmetry in the pure gauge limit and its breaking through quarks. It is valid
for heavy quarks and lattices up to Nt ∼ 6. Its sign problem can be solved and we are able to
calculate the deconfinement transition of QCD with heavy quarks for all chemical potentials.
We compute the phase and the modulus of an energy- and pressure-free, composite, adjoint, and
inert field φ in an SU(2) Yang-Mills theory at large temperatures. This field is physically relevant in describing part of the ground-state structure and the quasiparticle masses of excitations. The field φ possesses nontrivial S1-winding on the group manifold S3. Even at asymptotically high temperatures, where the theory reaches its Stefan-Boltzmann limit, the field φ, though strongly power suppressed, is conceptually relevant: its presence resolves the infrared problem of thermal perturbation theory.
The energy dependence of the local and violation in Au+Au and Cu+Cu collisions in a large energy range is estimated within a simple phenomenological model. It is expected that at LHC the chiral magnetic effect will be about 20 times weaker than at RHIC. At lower energy range, covered by the low-energy scan at RHIC and future NICA/FAIR facilities, the created magnetic field strength and energy density of deconfined matter are rather high providing necessary conditions for the chiral magnetic effect. However, the particular model for the chiral magnetic effect predicts that this effect should vanish sharply at energy somewhere above the top SPS one. To elucidate CME background effects the Hadron-String-Dynamics (HSD) transport model including electromagnetic fields is put forward. Importance of new planning experiments at LHC and for the low-energy RHIC scan program is emphasized.
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...
Im Rahmen des Programms zur Intensitätserhöhung am Universal Linear Accelerator UNILAC für das Element Uran hat sich die Forderung nach einer Ionenquelle ergeben, die einen intensiven, hochbrillianten Ionenstrahl aus vierfach geladenen Uranionen bereitstellen kann. Ziel war es, im Zusammenspiel von Ionenquelle, Nachbeschleunigungssystem und Niederenergiestrahlführung einen Strahlstrom von mindestens 15 emA U4+ am Eingang des RFQ-Beschleunigers bereitzustellen. Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit den Optimierungen und den experimentellen Untersuchungen an der Vakuumbogenionenquelle VARIS für den Uranbetrieb, welche schließlich ihre Leistungsfähigkeit an der Beschleunigeranlage der GSI erfolgreich unter Beweis gestellt hat. Der erste Teil dieser Arbeit widmet sich der Theorie der Vakuumbogenentladung unter besonderer Berücksichtigung der Erzeugung von U4+. Die Generierung von U4+ erfolgt dabei zu einem Teil im dichten Kathodenspotplasma, wo das Ionisationspotential von 31 auf 21 eV herabgesetzt ist, U4+ also bei vergleichsweise niedrigen Elektronenenergien erzeugt werden kann. Der U4+-Anteil beträgt jedoch nur 30 %. Die Erzeugung eines höheren Anteils an U4+ ist geknüpft an zusätzlich Ionisationsvorgänge im expandierenden Zwischenelektrodenplasma, für welches eine neuartige Theorie (MHD Ansatz) angegeben werden konnte. Für die Vakuumbogenentladung im axialen Magnetfeld konnte eine Erhöhung der Elektronentemperatur vorhersagt werden, die für eine höhere Ionisationsrate für U4+ verantwortlich ist. Für die Elektronentemperatur wurde bei einer magnetischen Flußdichte von 40 mT ein Wert von 10 eV vorhergesagt, welcher experimentell bestätigt werden konnte. Zieht man zudem die berechneten Wirkungsquerschnitte für die Ein- und Mehrfachionisation heran, so konnte aus den Wirkungsquerschnitten vorausgesagt werden, daß für die Produktion eines hohen Anteils an U4+ eine Elektronenenergie von zirka 50 eV für die Generierung von U4+ aus U3+ erforderlich ist. Im weiteren wurde ausgeführt, wie ein Extraktionssystem ausgelegt sein muß, welches den Forderungen nach einem Gesamtstrom von 140 mA entspricht oder diesen übertrifft. Das Erreichen dieses Stroms ist im Einlochextraktionssystem mit Schwierigkeiten verbunden (große Emissionsfläche, langes Extraktionssystem, Extraktionsspannung zirka 180 kV). Aus diesen Gründen ist die Entscheidung zugunsten eines Extraktionssystem mit 13 Öffnungen mit einem Durchmesser von jeweils 3 mm gefallen. Die Gesamtemissionsfläche aller Aperturen liegt bei 0,92 cm2. Zur Bestimmung der Strahlformierung einer Öffnung im Extraktionssystem ist das Strahlsimulationsprogramm KOBRA3INP unter Berücksichtigung einer experimentell gut zugänglichen Feldstärke von 11 kV/mm bei einem Aspektverhältnis von 0,5 genutzt worden. Es ergab sich ein minimaler Divergenzwinkel von etwa 55 mrad, die unnormierte effektive Emittanz geht mit steigender Stromdichte asymptotisch einem Wert von 65p mm mrad entgegen. Für das Extraktionssystem (13 Öffnungen) kann die unnormierte effektive Emittanz zu 610p mm mrad abgeschätzt werden. Die Stromdichte, welche der Plasmagenerator bereitstellen muß, beträgt etwa 1600 A/m2. Die Extraktionsspannung liegt bei 32 kV, welche, ebenso wie die Stromdichte, experimentell erreicht wurde. Bei den experimentellen Untersuchungen wurde zunächst untersucht, inwieweit die Impedanz des Vakuumbogenplasmas gesteigert werden kann. Ziel war es, eine möglichst hohe Plasmaimpedanz und damit eine hohe Bogenspannung zu erhalten, wodurch die erreichbare Elektronenenergie vergrößert wird (Regelung der Bogenspannung durch die Plasmaimpedanz). Es ist gezeigt worden, daß die Impedanz vor allem durch eine geeignete Magnetfeldkonfiguration erhöht werden kann (axiales Feld). Ebenso sind die Geometrie der Ionenquelle (Abstand Kathode-Anode 15 mm, Anodenöffnung 15 mm) und die verwendeten Materialien (Anode aus Edelstahl, kleiner Sputterkoeffizient und Sekundärelektronenaus97 löse) entscheidend, wobei zugunsten eines zuverlässigen Zündverhaltens der Ionenquelle die Entscheidung für eine Anodenöffnung von 15 mm statt 25 mm gefallen ist. So erreicht man für eine magnetische Flußdichte von 120 mT bei einem Bogenstrom von 700 A eine Bogenspannung von 54 V, wodurch die Erzeugung bis zu sechsfach geladenen Uranionen möglich wird. Um grundlegende Eigenschaften des Vakuumbogenplasmas zu bestimmen und das theoretische Modell zur Erzeugung von U4+ zu überprüfen, wurden die Ionen- und Elektronenenergieverteilung im Plasma gemessen ...
Chopper systems are used to pulse charged particle beams. In most cases, electric deflection systems are used to generate beam pulses of defined lengths and appropriate repetition rates. At high beam intensities, the field distribution of the chopper system needs to be adapted precisely to the beam dynamics in order to avoid aberrations. An additional challenge is a robust design which guarantees reliable operation. For the Frankfurt Neutron Source FRANZ, an E×B chopper system is being developed which combines static magnetic deflection with a pulsed electric field in a Wien filter configuration. It will generate proton pulses with a flat top of 50 ns at a repetition rate of 250 kHz for 120 keV, 200 mA beams. For the electric deflection, pre-experiments with static and pulsed fields were performed using a helium ion beam. In pulsed mode operation, ion beams of different energies were deflected with voltages of up to ±6 kV and the resulting response was measured using a beam current transformer. A comparison between experiments and theoretical calculations as well as numerical simulations are presented.
For the research program with cooled antiprotons at FAIR a dedicated 70 MeV, 70 mA proton injector is required. The main acceleration of this room temperature linac will be provided by six CH cavities operated at 325 MHz. Each cavity will be powered by a 2.5 MW Klystron. For the second acceleration unit from 11.5 MeV to 24.2 MeV a 1:2 scaled model has been built. Low level RF measurements have been performed to determine the main parameters and to prove the concept of coupled CH cavities. For this second tank technical and mechanical investigations have been performed in 2010 to develop a complete technical concept for the manufacturing. In Spring 2011, the construction of the first power prototype has started. The main components of this cavity will be ready for measurements in summer 2011. At that time, the cavity will be tested with a preliminary aluminum drift tube structure, which will allow precise frequency and field tuning. This paper will report on the recent technical development and achievements. It will outline the main fabrication steps towards that novel type of proton DTL. Also first low level RF measurements are expected.
A test stand for optical beam tomography was developed. As a new non-destructive beam-diagnostic system for high current ion beams, the test stand will be installed in the low energy beam transport section (LEBT) of the Frankfurt Neutron Source (FRANZ) behind the chopper system. The test stand consists of a rotatable vacuum chamber with a mounted CCD camera. The maximum rotation angle amounts to 270°. In a first phase the optical beam profile measurement and 3D density reconstruction is tested with a time independent 10 keV He beam. The measurements and performance of data processing algorithms are compared with the beam transport simulations. In a later phase the performance with time dependent beams (120 keV, 200 mA) at a repetition rate of 250 kHz and a duty cycle of 2.5% has to be evaluated. An overview of the first phase results is shown.
In der LEBT-Sektion der Frankfurter Neutronenquelle am Stern-Gerlach-Zentrum (FRANZ) befinden sich zur transversalen Fokussierung des Ionenstrahls vier Solenoide. Die ersten beiden dienen dem Einschuss in das ExB-Choppersystem, die letzten beiden dem Einschuss in die erste Beschleunigerstruktur, den Radiofrequenzquadrupol (RFQ). In numerischen Transportsimulationen konnte gezeigt werden, dass insbesondere der erste Solenoid einen hohen Füllgrad aufweisen wird, was zu Strahlaberrationen und damit zu einer unerwünschten Erhöhung der Strahlemittanz führen kann.
Um diesen Effekt zu untersuchen, wurden die Fokussier- und Abbildungseigenschaften des ersten FRANZ-Solenoides analysiert. Analytische Rechnung unter Verwendung der Twissparametertransformation wurden durchgeführt, numerische Simulationen mit einem idealisiertem und einem realistischem Magnetfeldverlauf gemacht und 2 Messaufbauten mit einer Volumenquelle, dem Solenoid und einer Schlitz-Gitter-Emittanzmessanlage realisiert, um gemessene mit analytischen und numerischen Daten vergleichen zu können. Die Parameter, die ausgewertet und verglichen wurden, sind die Lage der Emittanzellipse, die Emittanz im x-x'-Phasenraum und die normierten vierten Momente (Wölbung) im Ortsraum.
As the successor of the EUROTRANS project, the MAX project is aiming to continue the R&D effects for a European Accelerator-Driven System and to bring the conceptual design to reality. The layout of the driver linac for MAX will follow the reference design made for the XT-ADS phase of the EUROTRANS project. For the injector part, new design strategies and approaches, e.g. half resonant frequency, half transition-energy between the RFQ and the CH-DTL, and using the 4-rod RFQ structure instead of the originally proposed 4-vane RFQ, have been conceived and studied to reach a more reliable CW operation at reduced costs. In this paper, the design and simulation results of the MAX injector are presented.
The MYRRHA Project (Multi Purpose Hybrid Reactor for High Tech Applications) at Mol/belgium will be a user facility with emphasis on research with neutron generated by a spallation source. One main aspect is the demonstration of nuclear waste technology using an accelerator driven system. A superconducting linac delivers a 4 mA, 600 MeV proton beam. The first accelerating section is covered by the 17 MeV injector. It consists of a proton source, an RFQ, two room temperature CH cavities and 4 superconducting CH-cavities. The initial design has used an RF frequency of 352 MHz. Recently the frequency of the injector has been set to 176 MHz. The main reason is the possible use of a 4-rod-RFQ with reduced power dissipation and energy, respectively. The status of the overall injector layout including cavity design is presented.
In recent years, Hagedorn states have been used to explain the equilibrium and transport properties of a hadron gas close to the QCD critical temperature. These massive resonances are shown to lower h/s to near the AdS/CFT limit close to the phase transition. A comparison of the Hagedorn model to recent lattice results is made and it is found that the hadrons can reach chemical equilibrium almost immediately, well before the chemical freeze-out temperatures found in thermal fits for a hadron gas without Hagedorn states.
We present results on Hanbury Brown-Twiss (HBT) radii extracted from the Ultra-relativistic Molecular Dynamics (UrQMD) approach to relativistic heavy ion collisions. The present investigation provides a comparison of results from pure hadronic transport calculations to a Boltzmann + Hydrodynamic hybrid approach with an intermediate hydrodynamic phase. For the hydrodynamic phase different Equations of State (EoS) have been employed, i.e. bag model, hadron resonance gas and a chiral EoS. The influence of various freeze-out scenarios has been investigated and shown to be negligible if hadronic rescatterings after the hydrodynamic evolution are included. Furthermore, first results of the source tilt from azimuthal sensitive HBT and the direct extraction from the transport model are presented and exhibit a very good agreement with E895 data at AGS.
Heavy quark and charmonium production as well as their space-time evolution are studied in transport simulations of heavy-ion collisions at RHIC and LHC. In the partonic transport model Boltzmann Approach of MultiParton Scatterings (BAMPS) heavy quarks can be produced in initial hard parton scatterings or during the evolution of the quark-gluon plasma. Subsequently, they interact with the medium via binary scatterings with a running coupling and a more precise Debye screening which is derived from hard thermal loop calculations, participate in the flow and lose energy. We present results of the elliptic flow and nuclear modification factor of heavy quarks and compare them to available data. Furthermore, preliminary results on J/psi suppression at forward and mid-rapidity are reported for central and non-central collisions at RHIC. For this, we study cold nuclear matter effects and the dissociation as well as regeneration of J/psi in the quark-gluon plasma. XLIX International Winter Meeting on Nuclear Physics 24-28 January 2011 BORMIO, Italy
We present the current status of hybrid approaches to describe heavy ion collisions and their future challenges and perspectives. First we present a hybrid model combining a Boltzmann transport model of hadronic degrees of freedom in the initial and final state with an optional hydrodynamic evolution during the dense and hot phase. Second, we present a recent extension of the hydrodynamical model to include fluctuations near the phase transition by coupling a chiral field to the hydrodynamic evolution.
In dieser Arbeit wurden Verfahren zur Identifikation hirnelektrischer Aktivität mit Zellularen Nichtlinearen Netzwerken (CNN), im Besonderen Reaktions-Diffusions-Netzwerken, entwickelt und untersucht. Mit Hilfe der eingeführten Methoden wurden Langzeitaufzeichnungen hirnelektrischer Aktivität bei Epilepsie analysiert und mittels eines automatisierten Verfahrens ermittelt, inwieweit sich mögliche Voranfallszustände vom anfallsfreien Zustand im statistischen Sinne trennen lassen.
Zunächst wurde ein Überblick über CNN gegeben und deren Beschreibung durch Systeme gekoppelter Differentialgleichungen dargestellt. Weiterhin wurden die Möglichkeiten der Informationsverarbeitung mit CNN durch Ausnutzung von Gleichgewichtszuständen oder der vollständigen raum-zeitlichen Dynamik der Netzwerke diskutiert. Zusätzlich wurde die Klasse der Reaktions-Diffusions-Netzwerke (RD-CNN) eingeführt. Für die Repräsentation der hierbei benötigten weitgehend allgemeinen nichtlinearen Zellkopplungsvorschriften wurden polynomiale Gewichtsfunktionen vorgeschlagen. Mit einer Darstellung der Theorie der Lokalen Aktivität wurden notwendige Bedingungen für emergentes Verhalten in RD-CNN angegeben. Die statistische Bewertung von Vorhersagemodellen wurde aus theoretischer Sicht beleuchtet. Mit der Receiver Operating Characteristic (ROC) wurde eine Analysemethode zur Beurteilung der Vorhersagekraft des zeitlichen Verlaufs von Kenngrößen bezüglich bevorstehender epileptischer Anfälle vorgestellt.
Als nächstes wurden Überlegungen zur numerischen Simulation von CNN und deren flexible und erweiterbare programmtechnische Umsetzung entwickelt. Die daraus resultierende und im Rahmen dieser Arbeit entstandene objektorientierte Simulationsumgebung FORCE++ wurde konzeptionell und im Hinblick auf die Softwarearchitektur vorgestellt.
Die Verfahren zur numerischen Simulation wurden auf die Problemstellung der Systemidentifikation mit CNN angewandt. Dazu wurden Netzwerke derart bestimmt, dass deren Zellausgangswerte entsprechende Signalwerte des beobachteten, zu identifizierenden Systems approximieren.
Da die Parameter der zu bestimmenden CNN im vorliegenden Fall der Untersuchung hirnelektrischer Aktivität nicht bekannt sind und nicht direkt abgeleitet werden können, wurden überwachte Lernverfahren zur Bestimmung der Netzwerke eingesetzt. Hierbei wurden Lernverfahren verschiedener Klassen für die Identifikation mit CNN mit polynomialen Gewichtsfunktionen untersucht. Die Leistungsfähigkeit des vorgestellten Identifikationsverfahrens wurde anhand bekannter Systeme einer genauen Betrachtung unterzogen. Dabei wurde festgestellt, dass die betrachteten Systeme mit hoher Genauigkeit durch CNN repräsentiert werden konnten. Exemplarisch wurde das Parametergebiet lokaler Aktivität für ein RD-CNN berechnet und durch numerische Simulationen die Ausbildung von Mustern innerhalb des Netzwerkes nachgewiesen.
Nach einem einleitenden Überblick über die medizinischen Hintergründe von Epilepsie und der Erfassung hirnelektrischer Aktivität wurde eine vergleichende Übersicht über den Stand veröffentlichter Studien zur Vorhersage epileptischer Anfälle gegeben. Für die Anwendung des hier vorgestellten Identifikationsverfahrens zur Analyse hirnelektrischer Aktivität wurde zunächst die Genauigkeit der Approximation kurzer, als quasi-stationär betrachteter Abschnitte, von EEG-Signalen untersucht. Durch gezielte Erhöhung der Komplexität herangezogener Netzwerke konnte hier die Genauigkeit der Repräsentation von EEG-Signalverläufen deutlich verbessert werden. Dabei wurde zudem die Verallgemeinerungsfähigkeit der ermittelten Netzwerke untersucht, wobei festgestellt wurde, dass auch solche Signalwerte mit guter Genauigkeit approximiert werden, die nicht im Identifikationsverfahren durch die überwachte Parameteroptimierung berücksichtigt waren. Um speziell den Einfluss der Information aus der Korrelation benachbarter Elektrodensignale zu untersuchen, wurde ein Verfahren zur multivariaten Prädiktion mit Discrete Time CNN (DT-CNN) entwickelt.
Hierbei werden durch ein CNN Signalwerte der betrachteten Elektrode aus vergangenen, korrelierten Signalwerten von Nachbarelektroden geschätzt. Für diese Aufgabenstellung konnte eine Methode zur Bestimmung der Netzwerkparameter im optimalen Sinn, alleine aus den statistischen Eigenschaften der Elektrodensignale angegeben werden. Dadurch gelang eine erhebliche Reduzierung der Rechenkomplexität, die eine umfangreiche Untersuchung intrakranieller Langzeitableitungen ermöglichte.
Zur Analyse von Langzeitaufzeichnungen mit dem RD-CNN Identifikationsverfahren, wurden die numerischen Berechnungen zur Simulation von CNN mit FORCE++ auf einem durchsatz-orientierten Hochleistungs-Rechnernetzwerk durchgeführt. Mit den so gewonnen Ergebnissen konnten vergleichende Analysen vorgenommen werden. Zudem wurden Untersuchungen zum Vorliegen lokaler Aktivität in den ermittelten RD-CNN durchgeführt.
Die bei den beschriebenen Verfahren extrahierten Kenngrößen hirnelektrischer Aktivität wurden durch ein automatisiertes Verfahren auf ihre Vorhersagekraft für epileptische Anfälle bewertet. Dabei wurde untersucht, inwieweit der anfallsfreie Zustand und ein angenommener Voranfallszustand durch die jeweils betrachtete Kenngröße im statistischen Sinn diskriminiert werden kann. Durch parallele Analysen mit Anfallszeitsurrogaten wurden hierzu ergänzende Signifikanztests durchgeführt.
Nach Auswertung von mehrtägigen Hirnstromsignalen verschiedener Patienten konnte festgestellt werden, dass mit den in dieser Arbeit entwickelten Verfahren Kenngrößen hirnelektrischer Aktivität bestimmt werden konnten, welche offenbar die Identifikation potentieller Voranfallszustände ermöglichen.
Auch wenn für eine breite medizinische Anwendung die Spezifität und Sensitivität noch weiter verbessert werden muss, so können doch die erzielten Ergebnisse einen wesentlichen Schritt hin zu einer implantierbaren, CNN-basierten Plattform zur Erkennung und Verhinderung epileptischer Anfälle darstellen. Die Berechnungen für das Identifikationsverfahren mit RD-CNN könnten dabei durch zukünftige, spezialisierte schaltungstechnische Realisierungen für mehrschichtige CNN mit polynomialen Gewichtsfunktionen eine erhebliche Beschleunigung erfahren.
We explore the shape and orientation of the freezeout region of non-central heavy ion collisions.
For this we fit the freezeout distribution with a tilted ellipsoid. The resulting tilt angle is compared
to the same tilt angle extracted via an azimuthally sensitive HBT analysis. This allows to access
the tilt angle experimentally, which is not possible directly from the freezeout distribution. We
also show a systematic study on the system decoupling time dependence on dNch/dh, using HBT
results from the UrQMD transport model. In this study we found that the decoupling time scales
with (dNch/dh)1/3 within each energy, but the scaling is broken across energies.
We study electron transport through a single-molecule magnet (SMM) and the interplay of its anisotropic spin with quantized vibrational distortions of the molecule. Based on numerical renormalization group calculations we show that, despite the longitudinal anisotropy barrier and small transverse anisotropy, vibrational fluctuations can induce quantum spin-tunneling (QST) and a QST-Kondo effect. The interplay of spin scattering, QST and molecular vibrations can strongly enhance the Kondo effect and induce an anomalous magnetic field dependence of vibrational Kondo side-bands.
Space charge lenses use a confined electron cloud for the focusing of ion beams. The focusing strength is given by the electron density whereas the density distribution influences the mapping quality of the space charge lens and is related to the confinement. The plasma parameters, loss as well as production mechanisms have a strong impact on plasma beam interactions. A scaled up space charge lens was constructed to investigate the properties of a nonneutral plasmas in detail. New non-interceptive diagnostic has been developed to characterize the collective behaviour of the confined nonneutral plasma in terms of an optimized lens design and parameters. Experimental results will be presented in comparison with numerical simulations.
In the work presented herein the microscopic transport model BAMPS (Boltzmann Approach to Multi-Parton Scatterings) is applied to simulate the time evolution of the hot partonic medium that is created in Au+Au collisions at the Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) and in Pb+Pb collisions at the recently started Large Hadron Collider (LHC). The study is especially focused on the investigation of the nuclear modification factor R_{AA}, that quantifies the suppression of particle yields at large transverse momentum with respect to a scaled proton+proton reference, and the simultaneous description of the collective properties of the medium in terms of the elliptic flow v_{2} within a common framework.
Fragment mass distributions for fission after full momentum transfer were measured in the reactions of 30Si,34,36 S,31P,40Ar + 238U at bombarding energies around the Coulomb barrier. Mass distributions change significantly as a function of incident beam energy. The asymmetric fission probability increases at sub-barrier energy. The phenomenon is interpreted as an enhanced quasifission probability owing to orientation effects on fusion and/or quasifission. The evaporation residue (ER) cross sections were measured in the reactions of 30Si + 238U and 34S + 238U to obtain information on fusion. In the latter reaction, significant suppression of fusion was implied. This suggests that fission events different from compound nucleus are included in the masssymmetric fragments. The results are supported by a model calculation based on a dynamical calculation using Langevin equation, in which the mass distribution for fusion-fission and quasifission fragments are separately determined.
The development of a non- destructive measurement method for ion beam parameters has been treated in various projects. Although results are promising, the high complexity of beam dynamics has made it impossible to implement a real time process control up to now. In this paper we will propose analysing methods based on the dynamics of Cellular Nonlinear Networks (CNN) that can be implemented on pixel parallel CNN based architectures and yield satisfying results even at low resolutions.
Der Karlsruhe 4π-Bariumfluorid-Detektor, entwickelt und aufgebaut Ende der Achtzigerjahre am Forschungszentrum Karlsruhe, ist ein effizienter Detektor für Gammastrahlung und bietet vielfältige Einsatzmöglichkeiten für kernphysikalische Experimente. Insbesondere für Experimente der nuklearen Astrophysik ist er geeignet, aber auch für die Forschung zur Entwicklung neutronengetriebener Reaktoren, zum Beispiel zur Transmutation radioaktiver Abfälle. Derzeit befindet sich der Detektor an der Goethe-Universität Frankfurt, wo er mit der sich dort in Entwicklung befindenden FRANZ-Neutronenquelle eingesetzt werden soll. Diese ermöglicht zum Beispiel Messungen von Wirkungsquerschnitten für den s-Prozess in astrophysikalisch relevanten Energiebereichen und bei hohen Intensitäten.
Diese Arbeit behandelt astrophysikalische Möglichkeiten die der Detektor bietet sowie dessen allgemeinen Aufbau und Eigenschaften. Es wurden eine Funktionsprüfung des Detektors, Messungen der Zeit- und Energieauflösung, Energiekalibration sowie kleine Optimierungen und Reparaturen durchgeführt.
Ziel der durchgeführten Experimente dieser Arbeit war es, den Versuch zu unternehmen, Cooper-Paare als Träger des supraleitenden Stroms direkt mit Hilfe des Photoelektrischen Effektes nachzuweisen. Die Methode der koinzidenten Photoelektronenspektroskopie zielt dabei auf den Nachweis von zwei kohärent emittierten Elektronen durch die Wechselwirkung mit einem Photon ab. Da elektrostatische Analysatoren typischerweise nur einen sehr kleinen Raumwinkel erfassen, was mit sehr geringen Koinzidenzraten einhergeht, ist im Zusammenhang mit dieser Arbeit ein Flugzeitprojektionssystem entwickelt worden, welches nahezu den gesamten Raumwinkel auf einem ortsauflösenden Detektor abbildet. Die zur Messung erforderliche gepulste Lichtquelle in Form von spezieller Synchrotronstrahlung ist so schwach eingestellt worden, daß nur vereinzelt Photonen auf die Probe gelangen konnten. Spektroskopiert wurde neben Testmessungen an Silberschichten sowohl ein Blei-Einkristall als Vertreter der klassischen BCS-Supraleiter als auch einkristallines Bi2Sr2CaCu2O8 aus der Gattung der Hochtemperatursupraleiter. Mit Anregungsenergien bis 40 eV konnte gezeigt werden, daß hinreichend glatte und saubere Oberflächen in der supraleitenden Phase innerhalb des Auflösevermögens von ungefähr 0.5 eV keine erkennbaren, signifikanten Unterschiede im Vergleich zur normalleitenden Phase aufweisen. Neben diesen Untersuchungen ist weiterhin ausführlich die einfache Photoemission an den verschiedenen Proben und insbesondere im Falle des Bleikristalls behandelt, da hier keine vergleichbaren Resultate bekannt sind. Dabei wird der gesamte Impulsraum besprochen und die Fermi-Fläche als dreidimensionales Modell erstellt, mit dessen Hilfe die Meßergebnisse diskutiert werden. In den theoretischen Beschreibungen sind verschiedene Modelle zur Cooper-Paar-Emission vorgestellt, wobei beispielsweise dem Impulsaustausch mit dem Kristall eine besondere Rolle beigemessen wird, da dieser bei direkten Anregungen nur über diskrete Gittervektoren erfolgen kann.
Mit dieser Arbeit konnte die Funktionsweise von gekoppelten Resonatoren erklärt werden. Das Verhalten von induktiv gekoppelten Beschleunigerkavitäten wurde näher studiert. Dabei wurde verstanden, wie sich Verstimmungen auf die Resonatoren auswirken und was zu tun ist um die Spannungsamplituden des gekoppelten Systems zu beeinflussen. Zudem wurden die Grundlagen für den gekoppelten Betrieb des FRANZ-Beschleunigers gelegt.
In der vorliegenden Arbeit wird die Ionisation von Stickstoff- und Sauerstoff-Molekülen in starken, nicht-resonanten Laserlicht-Pulsen untersucht. Die dreidimensionalen Impulsvektoren der freigesetzten Elektronen und Ionen wurden mittels eines sogenannten COLTRIMS Spektrometers vermessen. Das Hauptaugenmerk galt dem Kanal der Einfachionisation, der ein stabiles Molekülion ($N_2^+$ / $O_2^+$) erzeugt. Da in diesem Fall keine Dissoziation des Ions stattfindet, kann nicht aus der Flugrichtung ionischer Fragmente auf die Ausrichtung der Molekülachse geschlossen werden. Die Abhängigkeit des Prozesses vom Winkel zwischen der Molekülachse und der Polarisationsrichtung des ionisierenden Lichtes ist nur dann zugänglich, wenn die Ausrichtung der Molekülachsen vordem Zeitpunkt der Ionisation aktiv kontrolliert werden kann. Hierzu wurde die Technik der nichtadiabatischen Molekülausrichtung'' (non-adiabatic molecular alignment'') [1] angewandt. Ein erster, mäßig intensiver Lichtpuls bewirkte die Ausrichtung der Molekülachsen im Laborsystem. Sodann wurden die ausgerichteten Moleküle von einem zweiten, hochintensiven Puls ionisiert. In einem ersten Experiment wurden Elektronen-Impulsverteilungen für zwei verschiedene Molekülausrichtungen bestimmt. Ein Vergleich der Verteilungen brachte zwei wichtige Ergebnisse: 1) Im Bereich niedriger Elektronen-Impulse senkrecht zur Polarisationsrichtung des ionisierenden Lichtpulses wird der Fingerabdruck'' des ionisierten Molekülorbitals sichtbar. 2) Bei höheren Impulsen zeigten sich Strukturen, die als Doppelspalt-Interferenz interpretiert werden können. Ein ionisiertes Elektron propagiert im oszillierenden elektrischen Feld des Laser-Pulses. Von diesem kann es auf das Ion hin zurück beschleunigt werden und dort streuen [2]. Wir betrachten den Fall elastischer Rückstreuung''. In erster Näherung wirken die Bestandteile des diatomaren Molekülions wie ein Doppelspalt, an dem die streuende Elektronen-Welle gebeugt wird. In einem zweiten, dem ersten sehr ähnlichen Experiment wurde die Molekülausrichtungs-Richtung in kleinen Schritten variiert. Sowohl der Effekt der Elektronenbeugung am Ion, als auch - mit Einschränkungen - die Abbildung des ionisierten Orbitals wurde erneut beobachtet. Letztere ist durch eine Projektion des Orbitals in den Impulsraum senkrecht zur Laser-Polarisationsrichtung bestimmt [3,4]. Die Messung der Strukturen unter verschiedenen Molekül-Ausrichtungen im zweiten Experiment entspricht daher der Aufnahme verschiedener Projektionen des Orbitals. Der so gewonnene Datensatz sollte prinzipiell eine Rekonstruktion der dreidimensionalen Elektronen-Dichteverteilung des ionisierten Molekülorbitals mittels eines Tomographie-Algorithmus ermöglichen. Entsprechende Entwicklungen sind bei Kooperationspartnern im Gange. Die beobachtete Beugung des rückgestreuten Elektrons ermöglicht den Rückschluss auf die Positionen der Kerne im Molekülion. Es besteht die Hoffnung, dass sich in Zukunft detailliertere Informationen über das streuende Potential jenseits des einfachen Doppelspalt-Modells gewinnen lassen. Rückstreuung höherenergetischer Elektronen sollte hingegen eine verbesserte Ortsauflösung ermöglichen. Beide Informationen - Ionisiertes Orbital und Beugungsbild des Ions - werden simultan in ein- und derselben Messung gewonnen. Die zeitliche Auflösung wird durch rein optische Parameter (Licht-Wellenlänge, Pulslänge) determiniert. Sie kann mittels ultrakurzer, phasenstabiler Laserlicht-Pulse in den Bereich einer Femtosekunde oder darunter verbessert werden. [1] Stapelfeldt et al., Rev. Mod. Phys. 75, 543-557 (2003). doi:10.1103/RevModPhys.75.543 [2] Corkum, Phys. Rev. Lett. 71, 1994-1997 (1993). doi:10.1103/PhysRevLett.71.1994 [3] Spanner et al., J. Phys. B 37, L243-L250 (2004). doi:10.1088/0953-4075/37/12/L02 [4] Ivanov et al., J. Mod. Opt. 52, 165 (2005). doi:10.1080/0950034042000275360
LatticeQCD using OpenCL
(2011)
Experimental results and theoretical predictions in laser acceleration of protons achieved energies of ten to several tens of MeV. The LIGHT project (Laser Ion Generation, Handling and Transport) is proposed to use the PHELIX laser accelerated protons and to provide transport, focusing and injection into a conventional accelerator. This study demonstrates transport and focusing of laser-accelerated 10 MeV protons by a pulsed 18 T magnetic solenoid. The effect of co-moving electrons on the beam dynamics is investigated. The unique features of the proton distribution like small emittances and high yield of the order of 1013 protons per shot open new research area. The possibility of creating laser based injectors for ion accelerators is addressed. With respect to transit energies, direct matching into DTL's seems adequate. The bunch injection into a proposed CH− structure is under investigation at IAP Frankfurt. Options and simulation tools are presented.
8th International Conference on Nuclear Physics at Storage Rings Stori11, October 9-14, 2011 Laboratori Nazionale di Frascati, Italy.
Storage rings offer the possibility of measuring proton- and alpha-induced reactions in inverse kinematics. The combination of this approachwith a radioactive beamfacility allows, in principle, the determination of the respective cross sections for radioactive isotopes. Such data are highly desired for a better understanding of astrophysical nucleosynthesis processes like the p-process. A pioneering experiment has been performed at the Experimental Storage Ring (ESR) at GSI using a stable 96Ru beam at 9-11 AMeV and a hydrogen target. Monte-Carlo simulations of the experiment were made using the Geant4 code. In these simulations, the experimental setup is described in detail and all reaction channels can be investigated. Based on the Geant4 simulations, a prediction of the shape of different spectral components can be performed. A comparison of simulated predictions with the experimental results shows a good agreement and allows the extraction of the cross section.
Nanotechnology is a rapidly developing branch of science, which is focused on the study of phenomena at the nanometer scale, in particular related to the possibilities of matter manipulation. One of the main goals of nanotechnology is the development of controlled, reproducible, and industrially transposable nanostructured materials.
The conventional technique of thin-film growth by deposition of atoms, small atomic clusters and molecules on surfaces is the general method, which is often used in nanotechnology for production of new materials. Recent experiments show, that patterns with different morphology can be formed in the course of nanoparticles deposition process on a surface. In this context, predicting of the final architecture of the growing materials is a fundamental problem worth studying.
Another factor, which plays an important role in industrial applications of new materials, is the question of post-growth stability of deposited structures. The understanding of the post-growth relaxation processes would give a possibility to estimate the lifetime of the deposited material depending on the conditions at which the material was fabricated. Controllable post-growth manipulations with the architecture of deposited structures opens new path for engineering of nanostructured materials.
The task of this thesis is to advance understanding mechanisms of formation and post-growth evolution of nanostructured materials fabricated by atomic clusters deposition on a surface. In order to achieve this goal the following main problems were addressed:
1. The properties of isolated clusters can significantly differ from those of analogous clusters occurring on a solid surface. The difference is caused by the interaction between the cluster and the solid. Therefore, the understanding of structural and dynamical properties of an atomic cluster on a surface is a topic of intense interest from the scientific and technological point of view. In the thesis, stability, energy, and geometry of an atomic cluster on a solid surface were studied using a liquid drop approach which takes into account the cluster-solid interaction. Geometries of the deposited clusters are compared with those of isolated clusters and the differences are discussed.
2. The formation scenarios of patterns on a surface in the course of the process of cluster deposition depend strongly on the dynamics of deposited clusters. Therefore, an important step towards predicting pattern morphology is to study dynamics of a single cluster on a surface. The process of cluster diffusion on a surface was modeled with the use of classical molecular dynamics technique, and the diffusion coefficients for the silver nanoclusters were obtained from the analysis of trajectories of the clusters. The dependence of the diffusion coefficient on the system’s temperature and cluster-surface interaction was established. The results of the calculations are compared with the available experimental results for the diffusion coefficient of silver clusters on graphite surface.
3. The methods of classical molecular dynamics cannot be used for modeling the self-assembly processes of atomic clusters on a surface, because these processes occur on the minutes timescale, what would require an unachievable computer resource for the simulation. Based on the results of molecular dynamics simulations for a single cluster on a surface a Monte-Carlo based approach has been developed to describe the dynamics of the self-assembly of nanoparticles on a surface. This method accounts for the free particle diffusion on a surface, aggregation into islands and detachment from these islands. The developed method is allowed to study pattern formation of structures up to thousands nm, as well as the stability of these structures. Developed method was implemented in MBN Explorer computer package.
4. The process of the pattern formation on a surface was modeled for several different scenarios. Based on the analysis of results of simulations was suggested a criterion, which can be used to distinguish between different patterns formed on a surface, for example: between fractals or compact islands.This criteria can be used to predict the final morphology of a growing structure.
5. The post-growth evolution of patterns on a surface was also analyzed. In particular, attention in the thesis is payed to a systematical theoretical analysis of the post-growth processes occurring in nanofractals on a surface. The time evolution of fractal morphology in the course of the post-growth relaxation was analyzed, the results of these calculations were compared with experimental data available for the post-growth relaxation of silver cluster fractals on graphite substrate.
All the aforementioned problems are discussed in details in the thesis.
Im Rahmen der Bachelorarbeit wurden verschiedene Messungen am CH-Modell des Protonen - Linearbeschleunigers für FAIR durchgeführt.
Zu Beginn wurde die Wirkung der Tuner auf das elektrische Feld im Resonator und die Frequenz untersucht. Aus den systematischen Messungen konnte man feststellen, wie die Tuner das elektrische Feld beeinflussen. Außerdem konnte man sehen, dass die Tuner zu einer Erhöhung der Frequenz führen, was auch durch den theoretischen Hintergrund erwartet wurde. Aus den so gewonnenen Erkenntnissen konnte nun versucht werden, die Spaltspannungen an eine Vorgabe aus LORASR anzupassen. Dies nahm den Hauptteil der Bachelorarbeit ein. Die Anpassung konnte durch Variation der Tuner und der Spaltlängen erreicht werden. Die Abweichungen zur LORASR - Vorgabe lagen alle, bis auf einen Wert, im vorgegebenen Bereich. Allerdings waren die Messungen nicht perfekt reproduzierbar, da es bei der Störkörpermessung zu Fehlern kam. Der Motor, der den Störkörper durch die CH-Struktur ziehen sollte, war in diesem Zeitraum defekt, wodurch sich die gemessenen Spaltspannungen etwas veränderten.
Weiterhin wurde noch eine Sensibilitätsuntersuchung bei Erwärmung des Niederenergieteils des Resonators und eine Modenuntersuchung durchgeführt.
Durch die Erwärmung des Niederenergieteils konnte man sehen, dass das Feld im Inneren des Resonators auf Temperaturunterschiede reagiert. Dies hat aber keinen Einfluss auf die Betriebsfähigkeit des Resonators, da die zu erwartenden Einflüsse auf den Resonator im Betrieb sehr gering sind. Die Modenuntersuchung hat die vorherigen Annahmen bestätigt. Die Hochfrequenzleistung wird über die Linse hinweg störungsfrei weitergegeben und die ersten 4 Moden schwingen alle in dem Modell an und sind messbar, wenn man außen in den Tanks einkoppelt.
We discuss the implementation and results of a recently developed microscopic method for calculating ion-ion interaction potentials and fusion cross-sections. The method uses the TDHF evolution to obtain the instantaneous many-body collective state using a density constraint. The ion-ion potential as well as the coordinate dependent mass are calculated from these states. The method fully accounts for the dynamical processes present in the TDHF time-evolution and provides a parameter-free way of calculating fusion cross-sections.
Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Gammaspektroskopie-Aufbau unter Verwendung eines HPGe-Clover-Detektors zur Nutzung in Aktivierungsexperimenten charakterisiert und untersucht. Die für präzise Aktivitätsmessungen nach einer Aktivierung nötigen Effizienzen werden mit Hilfe der Eichquellen 60Co und 22Na unter Nutzung verschiedener Modi des Clover-Detektors abstandsabhängig errechnet. „Listmode“-Daten ermöglichen dabei eine „offline“-Verarbeitung. Begleitet werden die Messungen von aufwändigen Monte-Carlo-Simulationen in Geant4. Parallele Auswertungsmethoden erlauben einen genauen Vergleich zwischen simulierten und experimentellen Ergebnissen.
A mechanism for locally density-dependent dynamic parton rearrangement and fusion has been implemented into the Ultrarelativistic Quantum Molecular Dynamics (UrQMD) approach. The same mechanism has been previously built in the Quark Gluon String Model (QGSM). This rearrangement and fusion approach based on parton coalescence ideas enables the description of multi-particle interactions, namely 3 -> 3 and 3 -> 2, between (pre)hadronic states in addition to standard binary interactions. The UrQMD model (v2.3) extended by these additional processes allows to investigate implications of multi-particle interactions on the reaction dynamics of ultrarelativistic heavy ion collisions. The mechanism, its implementation and first results of this investigation are presented and discussed.
The present limits of the upper part of the nuclear map are rather close to the beta stability line while the unexplored area of heavy neutron rich nuclides (also those located along the neutron closed shell N = 126 to the right hand side of the stability line) is extremely important for nuclear astrophysics investigations and, in particular, for the understanding of the r-process of astrophysical nucleogenesis. For elements with Z > 100 only neutron deficient isotopes (located to the left of the stability line) have been synthesized so far. The “north-east” area of the nuclear map can be reached neither in fusion–fission reactions nor in fragmentation processes widely used nowadays for the production of new nuclei. Multi-nucleon transfer processes in near barrier collisions of heavy ions seem to be the only reaction mechanism allowing us to produce and explore neutron rich heavy nuclei including those located at the superheavy island of stability. Neutron capture process can be also considered as an alternative method for the production of long-lived neutron rich superheavy nuclei. Strong neutron fluxes might be provided by nuclear reactors and nuclear explosions in laboratory frame and by supernova explosions in nature.
Nonequilibrium phase transitions in chiral fluid dynamics including dissipation and fluctuation
(2011)
Chiral fluid dynamics combines the fluid dynamic expansion of a hot and dense plasma created in a heavy-ion collision with the explicit propagation of fluctuations at the chiral phase transition of quantum chromodynamics. From systems in equilibrium long-range fluctuations are expected at a conjectured critical point. Heavy-ion collisions are, however, finite in size and time and very dynamic. It is thus likely that nonequilibrium effects diminish the signal of a critical point. They can, however, stimulate phenomena at a first order phase transitions, like nucleation and spinodal decomposition. Both of phase transition scenarios are investigated in this work. Based on the linear sigma model with constituent quarks a consistent quantum field theoretical approach using the two-particle irreducible effective action is developed to derive both, the local equilibrium properties of the expanding quark fluid and the damping and noise terms in the Langevin equation of the order parameter of the phase transition, the sigma field. Within this formalism it is possible to obtain a conserved energy-momentum tensor of the coupled system. It describes the energy dissipation from the sigma field to the heat bath during relaxation. Within this model we investigate nonequilibrium phenomena in a scenario with a critical point and a first order phase transition. We observe long relaxation times at the phase transition, phase coexistence at the first order phase transition and critical slowing down at the critical point. We find a substantial supercooling in a first order phase transition in our model and due to the energy-momentum exchange also reheating is present. While at the critical point the correlation length increases slightly we find an enhanced intensity of nonequilibrium fluctuations at the first order phase transition, which leads to an increased production of sigma mesons.
We analyze the universal critical behavior at the chiral critical point in QCD with three degenerate quark masses. We confirm that this critical point lies in the universality class of the three dimensional Ising model. The symmetry of the Ising model, which is Z(2), is not directly realized in the QCD Hamiltonian. After making an ansatz for the magnetization- and energy-like operators as linear admixtures of the chiral condensate and the gluonic action, we determine several non-universal mixing and normalization constants. These parameters determine an unambiguous mapping of the critical behavior in QCD to that of the 3d-Ising model. We verify its validity by showing that the thus obtained orderparameter scales in accordance with the magnetic equation of state of the 3d-Ising model.
The ALICE Time Projection Chamber (TPC) is the main tracking detector of ALICE which was designed to perform well at multiplicities of up to 20000 charged primary and secondary tracks emerging from Pb-Pb collisions. Successful operation of such a large and complex detector requires an elaborate calibration and commissioning. The main goal for the calibration procedures is to provide the information needed for the offline software for the reconstruction of the particle tracks with sufficient precision so that the design performance can be achieved. For a precise reconstruction of particle tracks in the TPC, the calibration of the drift velocity, which in conjunction with the drift time provides the z position of the traversing particles, is essential. In this thesis, an online method for the calibration of the drift velocity is presented. It uses the TPC Laser System which generates 336 straight tracks within the active volume of the TPC. A subset of these tracks, showing sufficiently small distortions, is used in the analysis. The resulting time dependent drift velocity correction parameters are entered into a database and provide start values for the offline reconstruction chain of ALICE. Even though no particle tracking information is used, the online drift velocity calibration is in agreement with the full offline calibration including tracking on the level of about 2 x 10 exp (-4). In chapter 2, a short overview of the ALICE detector, as well as the data taking model of the ALICE, is given. In chapter 3, the TPC detector is described in detail. Lastly in chapter 4, the online drift velocity calibration method is presented, together with a detailed description of the TPC laser system.
A non-interceptive optical diagnostic system on the basis of beam tomography, was developed for the planned Frankfurt Neutron Source (FRANZ). The proton driver linac of FRANZ will provide energies up to 2.0 MeV. The measurement device will non-interceptively derive required beam parameters at the end of the LEBT at beam energies of 120 keV and a current of 200 mA. On a narrow space of 351.2 mm length a rotatable tomography tank will perform a multi-turn tomography with a high and stable vacuum pressure. The tank allows to plug different measurement equipment additionally to the CCD Camera installed, to perform optical beam tomography. A collection of developed algorithms provides information about the density distribution, shape, size, location and emittance on the basis of CCD images. Simulated, as well as measured data have been applied to the evaluation algorithms to test the reliability of the beam. The actual contribution gives an overview on the current diagnostic possibilities of this diagnostic system.
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 SIS300 synchrotron, planned for the new Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) at GSI-Darmstadt, will become the first superconducting synchrotron worldwide using cos(θ) magnets for resonant slow extraction. A multi-objective optimization algorithm has been developed for the design of the non-linear magnet scheme. The optimization algorithm makes use of the analytical model for the slow extraction from Kobayashi, the analytical description of the resonance excitation and amplitude-dependent tune-shift from Bengtsson, and corrects the chromaticity in order to fulfill the Hardt condition. As a result, the placement of the chromatic and harmonic sextupole magnets in SIS300, the number of sextupole families and the gradients of these families have been optimized for a high efficiency slow extraction. The algorithm accounts also for the sextupole errors on the dipole magnets, compensating its effects. Furthermore, optimized time-dependent settings for the sextupole magnets are generated to compensate the persistent current decay occurring at slow extraction. Tolerances for the magnets are set for the limits where the compensation is no longer valid.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit optischen und elektrischen Untersuchungen an einer koaxial aufgebauten Lorentz-Drift-Geometrie. So wurden Messungen an der Lorentz-Drift-Sputterquelle bezüglich der Durchbruchspannung durchgeführt. Es hat sich gezeigt, dass das Verhalten der Durchbruchspannung in Abhängigkeit vom Druck trotz der koaxialen Elektrodengeometrie vergleichbar mit der Paschenkurve fur eine planparallele Anordnung ist.
Zur Untersuchung des Sputterverhaltens wurden zunächst einige Kurzzeitaufnahmen mit einer Belichtungszeit im Mikrosekundenbereich durchgefuhrt, um so die Ausbreitung der Plasmawolke zu betrachten. Bei einem Durchbruch führt der Stromfluss zu einem Magnetfeld, sodass ein Lorentz-Drift entsteht. Durch die resultierende Kraft wird das Plasma beschleunigt.
Es zeigt sich, dass sich die Plasmawolke mit zunehmender Zeit bzw. zunehmendem Abstand von den Elektroden homogener im Rezipient verteilt. Da durch die Ausbreitung der Plasmafront auch ausgelöstes Elektrodenmaterial zu einem entsprechend platzierten Substrat beschleunigt wird, lagert sich dort eine dünne Schicht an.
Die Ablagerungen am Substrat wurden bei verschiedenen Drucken und verschiedenen Abständen zu den Elektroden betrachtet. Erste Messungen zeigen, dass die Schichten mit größerem Abstand homogener werden und besser am Substrat haften bleiben, jedoch die Schichtdicke geringer wird. Bei geringem Abstand lagern sich vergleichsweise dicke Schichten an, die jedoch sehr inhomogen und instabil sind. Durch Optimierung sollte es aber möglich sein, einen gewünschten Kompromiss aus Schichtdicke, Stabilität und Homogenität zu finden.
Bei niedrigeren Drucken und somit hohen Durchbruchspannungen kommt es aufgrund der höheren Stromdichte zu stärkeren Lorentz-Drifts, sodass die Teilchenenergien im Plasma steigen und es zu dickeren Ablagerungen kommt.
Die Schlussfolgerung dieser Arbeit ist, dass die Beschichtung durch eine Lorentz-Drift-Geometrie prinzipiell möglich ist. Es konnten bisher qualitative Messungen durchgeführt werden, die jedoch noch quantitativ verifiziert werden sollten.
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.
This work deals with the use of dielectrics with high permeability, so-called high-k dielectrics in organic thin-film field-effect transistors (FETs). The central part was the preparation of the high-k dielectric and its implementation in transistors, in which organic semiconductors were used as active layer. A field-effect transistor can be used to measure the charge carrier mobility. Employing high-k dielectrics the carrier concentration in the active layer can be greatly increased. In this way, high charge carrier concentrations in organic layers can be achieved without chemical doping. As high-k dielectric strontium titanate (STO) was selected. It is also available as a niobium-doped and therefore conducting substrate material. Thus, one has an ideal substrate for the growth of the dielectric layer in conjunction with a substrate which acts as gate electrode. As the organic semiconductor the small molecules pentacene and copper phthalocyanine (CuPc) were sublimated, as electrical contacts gold was used. As a key part of this work an ultra high vacuum chamber system was constructed for in situ preparation of field effect transistors. For the deposition of the organic thin films a molecular beam deposition chamber was built, including a manipulator and effusion cells as evaporation sources. For the preparation of the dielectric a sputtering chamber was set-up. Another chamber was used in conjunction with an effusion cell for the deposition of the gold contacts. For the structured deposition of the different layers in the devices a shadow mask system was implemented. Movable masks could be positioned by means of a wobble stick onto the sample carriers. The system thus allowed for the use of masks in all chambers. The different thin films required in the transistor structure were first individually prepared and characterized. For the characterization primarily X-ray diffraction and optical microscopy were used. The growth of pentacene was analyzed on aplha-AlO substrates. With X-ray diffraction the (00l) reflections of the thin film phase were observed. In growth studies of CuPc aplha-AlO and STO substrates were used. With X-ray diffraction the aplha-phase was detected. With increasing substrate temperature an increase in crystallinity, but also an increase in surface roughness was observed. The sputtering of STO as a high-k dielectric was studied and optimized. Simultaneously, a high deposition rate, a smooth film surface and good crystallinity of the layer were required. As the most important parameters the substrate temperature, pressure and sputtering power were identified. Argon and oxygen were employed as sputtering gases, as substrate MgO was used. The films showed in comparison to crystalline STO a distortion to larger lattice constants. The degree of distortion decreased with increasing chamber pressure, on the other hand, deposition rate decreased with increasing chamber pressure as well. By combining the individual deposition processes FETs in bottom-gate geometry were prepared. The first step was always sputtering of the STO dielectric on niobium-doped STO substrates. Subsequently, the electrodes and the organic layer were deposited. For comparison transistors on silicon substrates with silicon dioxide (SiO2) as the dielectric were prepared. To study the transistor properties a measurement setup was build. A dielectric constant of about 190 for the STO in the transistors was achieved. The transistors with CuPc as active layer showed p-type conduction behavior. The transistors with STO as dielectric had a much stronger response than those with SiO2. They reached mobilities of 2E-4 cm2/Vs at very low applied voltages of 3V. It could thus be demonstrated that STO is suitable as a dielectric for organic FETs, and that through the use of high-k dielectrics high charge carrier densities can be achieved.
The LANSCE linear accelerator at Los Alamos National Laboratory provides H− and H+ beams to several user facilities that support Isotope Production, NNSA Stockpile Stewardship, and Basic Energy Science programs. These beams are initially accelerated to 750 keV using Cockcroft-Walton (CW) based injectors that have been in operation for over 37 years. They have failure modes which can result in prolonged operational downtime due to the unavailability of replacement parts. To reduce long-term operational risks and to realize future beam performance goals in support of the Materials Test Station (MTS) and the Matter-Radiation Interactions in Extremes (MaRIE) Facility, plans are underway to develop a Radio-Frequency Quadrupole (RFQ) based front end as a modern injector replacement for the existing CW injectors. Our progress to date will be discussed.
Das Antiprotonen-Experiment PANDA an der zukünftigen Beschleunigeranlage FAIR wird unter anderem Charmonium-Zustände mit einer bis dato unerreichten Genauigkeit messen können. Um dieses Ziel zu erreichen, wird eine sehr gute Teilchenidentifikationsfähigkeit verlangt. Eine gute Trennung zwischen Pionen und Kaonen wird durch den Einsatz eines Cherenkovdetektors erreicht. Die Leistungsfähigkeit eines DIRC hängt von dessen Radiatorgüte ab. Um die Qualität der Radiatorstäbe spezifizieren zu können, wurde im Rahmen dieser Doktorarbeit eine optische Messapparatur entwickelt. Dieser Aufbau erlaubt es die Transmission sowie die Oberflächenrauheit der Stäbe zu messen. Es wurden mehrere Radiatorstäbe aus synthetischem Quarzglas und Acrylglas untersucht. Die Messgenauigkeit bei hochqualitativen Stäben liegt für die Transmissionsmessung bei etwa 1 Promille und für die Rauheit bei 1-2 Angström. Die Messergebnisse bei verschiedenen Wellenlängen zeigen eine gute Übereinstimmung mit der skalaren Streutheorie, die den Zusammenhang zwischen Reflexionskoeffizienten und Rauheit beschreibt. Bei einer Strahlzeit an der GSI mit einem 2 GeV Protonenstrahl wurde ein erster Prototyp für den Barrel-DIRC mit einem Stab aus synthetischem Quarzglas als Radiator getestet. Durch Variation des Einfallswinkels und der Position des Protonenstrahls auf dem Radiator konnten Cherenkovringe eindeutig nachgewiesen werden. Zudem wurde der Cherenkovwinkel und die Einzelphotonauflösung in guter Übereinstimmung mit dem Erwartetem und der Simulation bestimmt.
This thesis has light mesons and their vacuum interactions as its topic. In particular, the work examines the question where the scalar antiquark-quark states are found in the physical spectrum -- in the energy region below or above 1 GeV. Contrary to the naive expectation, the mentioned states are found in the region above 1 GeV. This has consequences for the building of order parameters for the chiral symmetry breaking of Quantum Chromodynamics (QCD).
Rapidity and transverse momentum dependence of inclusive J/ψ production in pp collisions at √s=7 TeV
(2011)
The ALICE experiment at the LHC has studied inclusive J/ψ production at central and forward rapidities in pp collisions at √s=7 TeV. In this Letter, we report on the first results obtained detecting the J/ψ through the dilepton decay into e+e− and μ+μ− pairs in the rapidity ranges |y|<0.9 and 2.5<y<4, respectively, and with acceptance down to zero pT. In the dielectron channel the analysis was carried out on a data sample corresponding to an integrated luminosity Lint=5.6 nb−1 and the number of signal events is NJ/ψ=352±32(stat.)±28(syst.); the corresponding figures in the dimuon channel are Lint=15.6 nb−1 and NJ/ψ=1924±77(stat.)±144(syst.). The measured production cross sections are σJ/ψ(|y|<0.9)=10.7±1.0(stat.)±1.6(syst.)−2.3+1.6(syst.pol.)μb and σJ/ψ(2.5<y<4)=6.31±0.25(stat.)±0.76(syst.)−1.96+0.95(syst.pol.)μb. The differential cross sections, in transverse momentum and rapidity, of the J/ψ were also measured.
Usually 4-ROD Radio Frequency Quadrupoles (RFQ) are built for frequencies up to 216 MHz. For higher frequencies 4-VANE structures are more common. The advantages of 4-Rod structures, the greater flexibility for tuning and being more comfortable for maintenance, are motivating the development of a 4-Rod RFQ for higher frequencies than 216 MHz. In particular a 325 MHz RFQ with an output energy of 3 MeV is needed for the proton linac for the FAIR project of GSI. This paper reports about the design studies and the latest developments of this RFQ.
We derive the equations of second order dissipative fluid dynamics from the relativistic Boltzmann equation following the method of W. Israel and J. M. Stewart [1]. We present a frame independent calculation of all first- and second-order terms and their coefficients using a linearised collision integral. Therefore, we restore all terms that were previously neglected in the original papers of W. Israel and J. M. Stewart.
This thesis deals with the simulation, optimization and realization of quasi-optical scanning systems for active THz cameras. Active THz cameras are sensitive in the THz regime of the electromagnetic spectrum and are suitable for the detection of metal objects such as weapons behind clothing or fabrics (maybe for security applications) or material investigation. An advantage of active THz-systems is the possibility to measure the phase of the THz-radiation and thus to reconstruct the surface topography of the objects under test. Due to the coherent illumination and the required system parameters (like image field size, working distance and lateral resolution) the optical systems (in the THz region often called quasi-optical systems) must be optimized. Specifically, the active illumination systems require highly optimized quasioptical systems to achieve a good image quality. Since currently no suitable multi-pixel detectors are available, the object has to be scanned in one or two dimensions in order to cover a full field of view. This further reinforces the occurring aberrations. The dissertation covers, alongside the underlying theory, the simulation, optimisation and realisation of three different active THz systems. The subdivision of the chapters is as follows: Chapter 1 deals with a motivation. Chapter 2 develops the underlying theory and it is demonstrated that the geometrical optics is an adequate and powerful description of the image field optimization. It also addresses the developed analytic on-axis and the off-axis image field optimization routine. Chapter 3, 4 and 5 are about the basis of various active THz cameras, each presented a major system aspect. Chapter 3 shows how active THz-cameras with very high system dynamics range can be realised. Within this chapter it could although be demonstrated how very high depth resolution can be achieved due to the coherent and active illumination and how high refresh rate can be implemented. Chapter 4 shows how absolute distance data of the objects under test can be obtained. Therefore it is possible to reconstruct the entire object topography up to a fraction of the wavelength. Chapter 5 shows how off-axis quasi-optical systems must be optimized. It is also shown how the illumination geometry of the active THz systems must be changed to allow for real-time frame rates. The developed widened multi-directional lighting approach also fixes the still existing problem of phase ambiguity of the single phase measurement. Within this chapter, the world’s first active real-time camera with very high frame rates around 10 Hz is presented. This could be only realized with the highly optimised quasioptical system and the multi-directional lighting approach. The paper concludes with a summary and an outlook for future work. Within the outlook some results regarding the simulation of synthetic aperture radar systems and metamaterials are shown.
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.
n order to reach the desired intensities of heavy ion beams for the experiments at FAIR, SIS18 and SIS100 have to be operated with intermediate charge states. Operation with intermediate charge state heavy ions at the intensity level of about 1011 ions per cycle has never been demonstrated elsewhere and requires a dedicated upgrade program for SIS18 and a dedicated machine design for SIS100. The specific problems coming along with the intermediate charge state operation in terms of charge exchange processes at collisions with residual gas atoms, pressure bumps by ion induced desorption and corresponding beam loss appears far below the typical space charge limits. Thus, new design concepts and new technical equipment addressing these issues are developed and realized with highest priority. The upgrade program of SIS18 addressing the goal of minimum ionization beam loss and stable residual gas pressure conditions has been defined in 2005. A major part of this upgrade program has been successfully realized, with the result of a world record in accelerated number of intermediate charge state heavy ions.
This work is dedicated to the study of the vector and axial vector spectral functions of the τ lepton within the framework of a U(2)L × U(2)R Linear Sigma Model with electroweak interaction. As an effective field theory the Linear Sigma Model describes hadronic degrees of freedom based on the symmetries of the Standard Model. Therefore, the following section aims at giving a very general and concise introduction to the Standard Model and the meaning of symmetries for contemporary elementary particle physics. In the next section the SU(3)C symmetry group will be discussed in short, followed by an introduction to chiral symmetry SU(2)L × SU(2)R. In the last section of this chapter the Glashow-Weinberg-Salam theory of the local group SU(2)L × U(1)Y is presented. Important concepts of the theoretical framework of the Standard Model, such as the Noether Theorem, the Gauge Principle, Spontaneous Symmetry Breaking, and the Higgs Mechanism will be introduced in the context of these three symmetry groups. In Chapter 2 it will be first shown how the symmetries of the Standard Model are realised within the global U(2)L × U(2)R Linear Sigma Model and how electroweak interactions can be introduced to the model on the basis of local SU(2)L × U(1)Y symmetry transformations of the hadronic degrees of freedom. The vertices that are relevant for the vector and axial vector decay channels in weak τ decay are extracted from the Lagrangian with electroweak interaction in Chapter 3. This is followed by a short introduction to the Källen-Lehmann Representation of spectral functions and how these can be parametrised within the framework of this model (Chapter 4). The results of the vector and axial vector spectral functions are presented in Chapter 5 and 6.
The phenomenon of magnetism is a pure quantum effect and has been studied since the beginning of civilization. The practical use of magnetic materials for technical purposes was well established in the 19th century; still nowadays there is no lack of new high-tech applications based on magnetism for example in information technology to store and process data. This thesis does not focus on the development of new applications of magnetism in technology, nor enhancement of known fields of application. Instead, the intention is to use a quantum theory of magnetism for obtaining new insights on physical effects that accompany the phenomenon of magnetism. Therefore three different model systems, each of which are believed to describe a class of real compounds, are considered. Starting from the idea that magnetism can be understood by use of the so-called Heisenberg model that microscopically characterizes the interaction between localized magnetic moments, we restrict ourselves to the case where a long-range magnetic order is present. In order to deduce consequences resulting from this microscopic picture we use the spin-wave theory that is introduced in the first chapter. Central objects of this theory are the magnons which are elementary quantum excitations in ordered magnets. An application of these mathematical techniques to a model that describes an antiferromagnet in an external magnetic field is presented in the second chapter. Quantities like the spin-wave velocity and the damping of magnons are calculated using a Hermitian operator approach in the framework of spin-wave theory. A strong renormalization of the magnetic excitations arises because the symmetry of the system is reduced due to the external magnetic field. In the second model system, that describes thin films of a ferromagnet, concepts of classical physics meet quantum physics: The magnetic dipole-dipole interaction that is also known in everyday life from the magnetic forces between magnets and was initially formulated in the theory of electromagnetism, is included in the microscopic model. Having a special compound in mind where the magnetic excitations are directly accessible in experiments, the energy dispersions of magnon modes in thin-film ferromagnets are deduced. Our approach is essentially a basis for further investigations beyond this thesis to describe strong correlations and condensation of magnons. A recent realization of data processing devices with spin waves puts the understanding of physical processes in these ferromagnetic films in the focus of upcoming research. The third model system brings in the so-called frustration where the interactions between the spins are such that the total energy cannot be minimized by an appropriate alignment of the magnetic moments in the classical picture. In the simplest case this appears because the antiferromagnetically coupled spins are located on a triangular lattice. This situation will lead to strong quantum fluctuations which make this model system interesting. Finally the overall symmetry is reduced by inclusion of spin anisotropies and an external magnetic field. Instead of focusing on the properties of the magnetic excitations, the effect of the magnetic field on the properties of the lattice vibrations is subject to the investigation. This is interesting because the characteristics of lattice vibrations can be measured experimentally using the supersonic technique.
We give a brief overview of recent work examining the presence of α-clusters in light nuclei within the Skyrme-force Hartree-Fock model. Of special signif cance are investigations into α-chain structures in carbon isotopes and 16O. Their stability and possible role in fusion reactions are examined in static and time-dependent Hartree-Fock calculations. We f nd a new type of shape transition in collisions and a centrifugal stabilization of the 4α chain state in a limited range of angular momenta. No stabilization is found for the 3α chain.
At the Institute for Applied Physics (IAP), University of Frankfurt, a s.c. 325 MHz CH-Cavity is under development for future beam tests at GSI UNILAC, Darmstadt. The cavity with 7 accelerating cells has a geometrical beta of 0.15 corresponding to 11.4 AMeV. The design gradient is 5 MV/m. The geometry of this resonator was optimized with respect to a compact design, low peak fields, surface processing, power coupling and tuning. Furthermore a new tuning system based on bellow tuners inside the resonator will control the frequency during operation. After rf tests in Frankfurt the cavity will be tested with a 10 mA, 11.4 AMeV beam delivered by the GSI UNILAC. In this paper rf simulations, multipacting analysis as well as thermal calculations will be presented.
We extend the recently developed strong coupling, dimensionally reduced Polyakov-loop effective theory from finite-temperature pure Yang-Mills to include heavy fermions and nonzero chemical
potential by means of a hopping parameter expansion. Numerical simulation is employed to investigate the weakening of the deconfinement transition as a function of the quark mass. The
tractability of the sign problem in this model is exploited to locate the critical surface in the (M/T,m/T,T) space over the whole range of chemical potentials from zero up to infinity.
The superconducting CH-structure (Crossbar-H-mode) is a multi-cell drift tube cavity for the low and medium energy range operated in the H21-mode, which has been developed at the Institute for Applied Physics (IAP) of Frankfurt University. With respect to different high power applications two types of superconducting CH-structures (f = 325 MHz, β = 0.16, seven cells and f = 217 MHz, β = 0.059, 15 cells) are presently under construction and accordingly under development. The structural mechanical simulation is a very important aspect of the cavity design. Furthermore, several simulations with ANSYS Workbench have been performed to predict the deformation of the cavity walls due to the cavity cool-down, pressure effects and mechanical vibrations. To readjust the fast frequency changes in consequence of the cavity shape deformation, a new concept for the dynamic frequency tuning has been investigated, including a novel type of bellow-tuner.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Messung von ψ(2S) Mesonen mit dem ALICE-Experiment am LHC untersucht. Das ψ(2S) gehört zur Familie der Charmonia und kann sowohl in Proton-Proton- als auch in Nukleon-Nukleon-Kollisionen erzeugt werden und ist daher ein wichiger Parameter in den Studien dieser. Die Rate, mit der ψ(2S) durch verschiedene Mechanismen erzeugt werden, liefert Informationen über den Ablauf der Kollision und ist ein hilfreicher Faktor bei der Suche nach dem Quark-Gluon Plasma. Da es sich beim ψ(2S) um ein Charmonium handelt, das in niedrigere Charmoniumzustände zerfallen kann, ist das Verständis des ψ(2S) ebenso für Studien anderer Charmonia, wie dem J/ψ(1S), relevant.
Space charge lenses using a stable electron cloud for focusing low energy heavy ion beams are an alternative concept to conventional ion optics. Due to external fields electrons are confined inside the lens’ volume. In case of a homogeneously distributed electron cloud the linear electric space charge field enables beam focusing free of aberration. Since the mapping quality of the lens is related to the confinement, non-destructive diagnostics has been developed to determine the plasma parameters and to characterize the collective behavior of the confined nonneutral plasma. Moreover, a scaled up space charge lens was constructed for a detailed investigation of the nonneutral plasma properties as well as beam interactions with a stable confined electron cloud. Experimental results will be presented in comparison with numerical simulations.
The following thesis is the description and the analysis of time resolution measurements of the plastic scintillator protorypes bar with PMT (photomultiplier tube) readout, performed with a 31 MeV electron beam at the HZDR (Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf) [1]. Similar bars will be used as building blocks for the NeuLAND detector (new large area neutron detector) - a ToF (time of flight) wall within the R3B setup (Reactions with Relativistic Radioactive Beams [2]) at the future FAIR facility (GSI Darmstadt [3]). The superconducting ELBE (electron linear-accellerator for beams of high brilliance and low emittance) was used as an electron source. The scintillation material used was RP408.
Two series of measurements were made within three months. In the first series, three bars of different sizes (200 x 5 x 5 cm3; 200 x 3 x 3 cm3; 300 x 5 x 5 cm3, the latter was made by coupling one 100 cm bar with a 200 cm bar using silicon grease) were used in the experiment consecutively. They had one Hamamatsu R8619 photomultiplier tube with an active diameter of 22 mm attached to each side with silicon grease. A measurement with the 200 x 5 x 5 cm3 bar without silicon grease was also performed.
In the second series, two equal scintillator bars (270 x 5 x 5 cm3 with a 10 cm light guide) on each side were used. Measurements with and without silicon coupling as well as with two different types of PMTs (R8619 and R2059) were executed.
Time and charge signals were processed with the TACQUILA electronic board. The time resolution was measured with the very precise pulsed electron signal of the accelerator. The time resolution measurements resulted in ρ200x5x5 ~ 159 ps; ρ200x5x5,no silicon ~ 162 ps; ρ200x3x3 ~ 153 ps; ρ300x5x5 ~ 204 ps.
For the second date they resulted in ρR8619 ~ 149 ps; ρR8619, no silicon ~ 175 ps; ρR2059 ~ 141 ps.
More tests and analysis is required until the results are definite.
This novel kind of neutron beam facility will provide 1 ns short neutron pulses with an approximately thermal energy distribution around 30 keV. The pulse repetition rate will be up to 250 kHz, the total proton number per pulse will be up to 6×1010 in the final stage, starting with a p – source current of 200 mA. A second target station will allow n – activation experiments by cw beam operation. An intense 2 MeV proton beam will drive a neutron source by the 7 Li (p,n) 7 Be reaction. The facility is under construction at the physics experimental hall of the J.W. Goethe – University. The 1m thick concrete tunnel was installed in 2009. In 2011 all rf amplifiers will be delivered and installed. Successful 200 mA proton source experiments in 2010 at a test stand will be followed by experiments on the 120 kV FRANZ terminal in 2011. The 250 kHz, 100 ns chopper in front of the rf linac is under construction, while the 2 MeV bunch compressor design was finished and the technical design of all components has started. The main accelerator cavity is under construction. First 2 MeV beam tests are expected for end of 2012.
Accelerator Driven Systems (ADS) are promising tools for the efficient transmutation of nuclear waste products in dedicated industrial installations, called transmuters. The Myrrha project at Mol, Belgium, placed itself on the path towards these applications with a multipurpose and versatile system based on a liquid PbBi (LBE) cooled fast reactor (80 MWth) which may be operated in both critical and subcritical modes. In the latter case the core is fed by spallation neutrons obtained from a 600 MeV proton beam hitting the LBE coolant/target. The accelerator providing this beam is a high intensity CW superconducting linac which is laid out for the highest achievable reliability. The combination of a parallel redundant and of a fault tolerant scheme should allow obtaining an MTBF value in excess of 250 hours that is required for optimal integrity and successful operation of the ADS. Myrrha is expected to be operational in 2023. The forthcoming 4-year period is fully dedicated to R&D activities, and in the field of the accelerator they are strongly focused on the reliability aspects and on the proper shaping of the beam trip spectrum.
The study of meson production in proton-proton collisions in the energy range
up to one GeV above the production threshold provides valuable information about
the nature of the nucleon-nucleon interaction. Theoretical models describe the interaction
between nucleons via the exchange of mesons. In such models, different
mechanisms contribute to the production of the mesons in nucleon-nucleon collisions.
The measurement of total and differential production cross sections provide information
which can help in determining the magnitude of the various mechanisms.
Moreover, such cross section information serves as an input to the transport calculations
which describe e.g. the production of e+e− pairs in proton- and pion-induced
reactions as well as in heavy ion collisions.
In this thesis, the production of ω and η mesons in proton-proton collisions at 3.5
GeV beam energy was studied using the High Acceptance DiElectron Spectrometer
(HADES) installed at the Schwerionensynchrotron (SIS 18) at the Helmholtzzenturm
f¨ur Schwerionenforschung in Darmstadt.
About 80 000 ω mesons and 35 000 η mesons were reconstructed. Total production
cross sections of both mesons were determined. Furthermore, the collected statistics
allowed for extracting angular distributions of both mesons as well as performing
Dalitz plot studies.
The ω and η mesons were reconstructed via their decay into three pions (π+π−π0)
in the exclusive reaction pp −→ ppπ+π−π0. The charged particles were identified
via their characteristic energy loss, via the measurement of their time of flight and
momentum, or using kinematics.
The neutral pion was reconstructed using the missing mass method. A kinematic
fit was applied to improve the resolution and to select events in which a π0 was
produced.
The correction of measured yields for the effects of spectrometer acceptance was done
as a function of four variables (two invariant masses and two angles). Systematic
studies of the acceptance for different input distributions were performed.
The measured yields were normalized to the number of measured events of elastic
scattering. Systematic errors due to the methods of the data analysis and the
background subtraction were investigated.
Production angular distributions of ω and η mesons were measured. Both mesons
exhibit a slightly anisotropic angular distribution.
The Dalitz plot of ω meson production shows indications of resonant production.
However, the deviation of the distribution from the one expected by phase space
simulations is not large.
The Dalitz plot of η meson production shows a signal of the production via the
N(1535) resonance, The contribution of N(1535) to the production was quantified
to be about 47%. The angular distribution of η mesons does not show significant
differences between resonant and non resonant production.
The total production cross section of ω mesons in the reaction pp −→ ppω was
determined to be 106.5 ± 0.9 (stat) ± 7.9 (sys) [μb] where stat indicates statistical
error and sys indicates systematic error, while that of η mesons was determined to
be 136.9 ± 0.9 (stat) ± 10.1 (sys) [μb] in the reaction pp −→ ppη