Entwicklung eines leistungsstarken Polarisators und Kompressors für 3 He für medizinische MR Tomographie

Zusammenfassung: Michael EbertEntwicklung eines leistungsstarken Polarisators und Kompressorsfür 3-He für medizinische MR Tomographie Durch Optisches Pumpen von metastabilem3-He*--Gas bei einem Druck von 1 mb und Spinübertrag mittels Metastabileraustauschstöße aufden Grundzustand, wird 3-He auf 53 % bei einemmittleren Fluß von f = 58 bar*liter/Tag aufpolarisiert. Bei einem Fluß von f = 122bar*l/Tag wird immer noch eine Polarisation von 30 % erzielt. DurchSteigerung der Laserleistung von derzeit 12 Watt aufwünschenswerte 30 Watt, könnten beigleichem Fluß Kernspinpolarisationen des Heliums von 70 % erreicht werden. Mittels einer eigens entwickelten Ganzmetall--Titan--Kolbenpumpeerfolgt die Kompression in zwei Stufen. Zuerst wird einZwischenvolumen auf Drücke 200 bis 800 mb,je nach Anwendung gefüllt. Mit dem selben Kompressor könnenanschließend abnehmbare, verschließbare Experimentierzellen ausdiesem Zwischenvolumen auf Drücke 1 bis 6 bar gefüllt werden. Auf Grund des großen Hubvolumens von 15,4 Liter können große Gasmengen proKompressionszyklus verdichtet werden. Wegen des großen Verhältnisaus Kompressionshub h = 100 cm undKompressordurchmesser 14 cm kommt es imKompressionsraum zu keinen meßbaren Polarisationsverlusten.Zusammen mit dem großen Kompressionsfaktor von K = 10000sind diese konstruktiven Maßnahmen für den vollständigen Erhaltder Polarisation bei der Kompression des polarizierten 3-He--Gasesverantwortlich. Diese großen Gasmengen an hyperpolarisiertem 3-He haben ersteklinische Studien funktioneller Lungen--MRT ermöglicht. DurchMessung des Sauerstoffpartialdrucks und dessen Abnahmerate, derBestimmung der Ventillation und Messung der DiffusionskonstantenADC in der Lunge, können die Funktionen dieses Organs lokalquantitativ beurteilt werden.

Die Mammographie als Anwendungsbeispiel der elektrischen Impedanztomographie

Die medizinische Forschung hat gezeigt, daß die frühzeitigeErkennung des Brustkrebses die Heilungschancen entscheidendverbessert. Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit demVersuch, dieses Vorhaben durch die elektrischeImpedanztomographie zu realisieren. Dazu werden an der BrustElektroden angebracht, über die Strom in die Brust fließt.Zu verschiedenen Stromkonfigurationen werden die jeweilsresultierenden Potentialverteilungen gemessen, wasRückschlüsse auf die Leitfähigkeitsverteilung zuläßt. Tumorelassen sich somit aufgrund ihrer im Vergleich zu normalemGewebe anderen elektrischen Eigenschaften lokalisieren. Diese Dissertation beschreibt verschiedene in der Praxisdenkbare Vorgehensweisen. Das Problem wird in zwei und indrei Dimensionen mit ein oder mehreren Stromkonfigurationen untersucht. Im zweidimensionalen Fall werden Schnittbildervon Objekten in einem Versuchstank mit realistischenMeßdaten berechnet. Alle Untersuchungen in drei Dimensionenbeziehen sich auf künstlich generierte Daten. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit liegt in der Bestimmungdes Stromflusses durch Elektroden in drei Dimensionen. DieKenntnis dieser Stromdichten ist für eine präzise Behandlungdes Vorwärtsproblems von großer Bedeutung.

Hochauflösende Resonanzionisationsspektroskopie an Samarium und Gadolinium

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die mehrstufige Resonanzionisation zur Spektroskopie im Gadolinium und Samarium eingesetzt und am Gadolinium für analytische Untersuchungen weiterentwickelt. Der Einsatzbereich der RIMS mit kontinuierlichen und gepulsten Lasern an komplexen Atomen wurde damit deutlich erweitert. Samarium und Gadolinium gehören zur Gruppe der Lanthanide, aufgrund der komplizierten Elektronenkonfigurationen zeichnen sie sich durch ein interessantes atomares Spektrum aus. Im Samarium wurde der erste von maximal drei resonanten Übergängen bezüglich Isotopieverschiebung und Hyperfein-strukturaufspaltung untersucht, knapp unterhalb des ersten Ionisationslimits nach möglichst ungestörten Rydbergserien gesucht und aus der Konvergenz dieser Serien das Ionisationspotenzial für 154Sm isotopenselektiv zu IP = 45519.30793(43) cm-1 bestimmt. Samarium und Gadolinium besitzen eine komplexe Kontinuumsstruktur, die sich durch schmale und starke autoionisierende Resonanzen auszeichnet. Daten früherer Untersuchungen zur Gadoliniumkontinuumsstruktur wurden in dieser Arbeit systematisch ausgewertet und durch eigene Messungen ergänzt. Zur theoretischen Beschreibung der Linienprofile interferierender autoionisierender Zustände wurde neben Fanoprofilen auch auf einen Ansatz aus der Kernphysik zurückgegriffen, den K-Matrix-Formalismus, und ein entsprechendes Simulationsprogramm eingesetzt. Anwendung auf ausgewählte spektrale Bereiche im Samarium und Gadolinium zeigt gute Reproduktion der Linienformen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde darüber hinaus die Einsetzbarkeit von gepulsten Lasern für die Spurenanalyse untersucht und die Erreichbarkeit der notwendigen Spezifikationen für medizinische Fragestellungen demonstriert.

Biofunktionalisierung oxidischer Titanoberflächen über eine spezifische Anbindung von biotinyliertem Fibronektin für die medizinische Anwendung

In der hier vorliegenden Dissertation wird die Entwicklung und Charakterisierung einer biomimetischen Beschichtung für Titanimplantatoberflächen, insbesondere Dentalimplantate, beschrieben. Ziel war es, die Adhäsion und Aktivität von Osteoblasten auf Titanoberflächen zu steigern und so eine Beschleunigung der Implantatintegration in das Knochengewebe zu erreichen. Hierfür wurde eine spezielle Art der biomimetischen Beschichtung entwickelt, bei der biotinyliertes Fibronektin (bFn) über Streptavidin auf eine biotinylierte TiOX-Modelloberfläche immobilisiert wurde. Die Biotinmodifizierung der TiOX-Oberfläche erfolgte hierbei über einen „Self-Assembly-Prozess“ durch sequenzielle Chemiesorption von N-(6-aminohexyl)aminopropyltrimethoxysilan sowie verschiedenen Sulfo-NHS-Biotin-Derivaten, welche den Aufbau einer Streptavidin-Monolage ermöglichten. Als ein wichtiges Resultat zeigte sich, dass die Streptavidin-Monolage effektiv die unspezifische Adsorption von Proteinen an die TiOX-Oberfläche unterbindet und hierdurch die Adhäsion von Osteoblasten auf dieser unterdrückt. Dies hat den Vorteil, dass auf eine antiadhäsive Basisbeschichtung, welche für eine spezifische Zellreaktion wichtig ist, verzichtet werden kann. Dieses osteoblastere Adhäsionsverhalten änderte sich signifikant nach Anbindung von bFn an die Streptavidin-Monolage, mit dem Ergebnis, einer drastischen Steigerung der Osteoblastenadhäsion. Weiterhin besaßen Osteoblasten auf diesen Oberflächen ein Proteinexpressionsmuster, das auf eine erhöhte Osteoinduktion schließen lässt. Es zeigte sich darüber hinaus eine verstärkte Zelladhäsion sowie eine Steigerung des osteoinduktiven Effekts auf Substraten, bei denen bFn über eine Streptavidin-Monolage immobilisiert wurde, gegenüber mit nativem Fibronektin (Fn) modifizierten TiOX-Oberflächen. Ein wesentlicher Schwerpunkt bestand daher in der Analyse der Zusammensetzung und Struktur der biomimetischen Beschichtung über „Surface Plasmon Spectroscopy“ und „Atomic Force Microscopy“. Diese ergab, dass bFn und natives Fn auf den jeweiligen Oberflächen eine unterschiedliche Konformation einnimmt. Im Gegensatz zu nativem Fn, das bei der Adsorption unter physiologischen Bedingungen auf TiOX-Oberflächen eine kompakte Konformation besitzt, nimmt bFn auf einer Streptavidin-Monolage eine entfaltete Konformation ein. Bei letzterer handelt es sich um dieselbe, welche Fn in vivo innerhalb der extrazellulären Matrix besitzt. Sie unterscheidet sich von der kompakten Fn-Konformation dahingehend, dass entlang der Fn-Achse weitere Proteinbindestellen zugänglich werden und hierdurch die Zellaffinität von Fn gesteigert wird. Die nachgewiesene Konformationsänderung kann somit als Grund für die gesteigerte Osteoblasten-Adhäsion und Aktivität auf Oberflächen mit bFn angenommen werden. Diese Kenntnisse konnten weiterhin für die Optimierung des biomimetischen Schichtsystems genutzt werden. So war es möglich, durch alternierendes Inkubieren der Biotin-aktivierten Oberfläche mit Streptavidin und bFn, ein Multilayersystem gezielt aufzubauen. Der Vorteil dieses Multilayersystems gegenüber einer einfachen Monolage aus bFn besteht in einer erhöhten Stabilität der biomimetischen Beschichtung, wodurch eine Anwendung in der Praxis erleichtert würde.

Radiomarkierung von HPMA-basierten, funktionalisierten Polymeren mit metallischen Radionukliden für die medizinische Anwendung als Theranostika

Für eine erfolgreiche Behandlung bösartiger Tumore ist eine frühzeitige Diagnose, aber auch eine effektive und effiziente Therapie essentiell. In diesem Zusammenhang sind Nanomaterialien in den Fokus der Arzneimittelentwicklung gerückt, welche für Diagnostik und Therapie genutzt werden könnten.rnSystematische Studien zur Radiometallmarkierung von Nanopartikeln und deren Stabilität in vitro im Zusammenhang mit der Struktur des Linkers und dem Anteil an Chelator wurden anhand verschiedener HPMA-DOTA-Konjugate durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass die Linkerstruktur und der Belegungsgrad sowohl die Markierung als auch die in vitro -Stabilität von radiometallmarkierten HPMA-rnDOTA-Konjugaten beeinflussen.rnFür die Markierung selbst stehen mehrere Generator-produzierte metallische Positronenemitter zur Verfügung. Infolge der gesetzlichen Bestimmungen muss das Eluat der Generatoren bestimmte Spezifikationen (Elutionsausbeute, Durchbruch des Mutternuklids, Gehalt an Fremdionen, pH-Wert etc.) erfüllen, um für die Darstellung von Radiopharmaka verwendet werden zu können.rnFür das bereits etablierte PET-Nuklid 68Ga konnte eine Ethanol-basierte Aufreinigung entwickelt werden, welche hohe Elutions- und Markierungsausbeuten sowie Radionuklidreinheit garantiert und damit einen wichtigen Schritt für die Entwicklung von Kit-Formulierungen repräsentiert. Ausserdem konnten zwei Methoden zur Qualitätskontrolle entwickelt werden, welche es ermöglichen die Radionuklidreinheit des initialen 68Ga-Eluats, aber auch des finalen 68Ga-Radiopharmakons innerhalb einer Stunde ohne γ–Spektroskopie zu bestimmen.rnWährend mit 68Ga die Pharmakokinetik markierter Derivate für einen Zeitraum von bis 3 Stunden zugänglich ist, deckt das Generator-produzierte 44Sc eine Periode von bis zu einem Tag ab. Damit lässt sich die Pharmakokinetik markierter polymerer Drug Carrier-Systeme – von der frühen Ausscheidungsphase bis hin zu organspezifischen Akkumulationen durch passives und aktives Targeting – gut beschreiben.rnFür 44Sc konnte anhand der Modellverbindung DOTATOC gezeigt werden, dass das aufgereinigte Generatoreluat für die Markierung mit hohen radiochemischen Ausbeuten geeignet ist und etablierte Markierungsmethoden übertragbar sind. In weiterführenden Studien zur molekularen Bildgebung könnte das Potential dieses PET-Nuklids für die Langzeitbildgebung gezeigt werden.

Konstruktion und Inbetriebnahme eines kompakten 3-He-Polarisators

Im Jahr 1996 wurde die erste Aufnahme der menschlichen Lunge in einem Kernspintomographen unter Benutzung des hyperpolarisierten Edelgases ³He als Kontrastgas veröffentlicht. Es folgten zahlreiche medizinische Studien mit diesem neuen Lungenbildgebungsverfahren. Als Konsequenz aus dem steigenden Bedarf an hyperpolarisiertem ³He wurde am Institut für Physik der Universität Mainz ein ³He-Polarisator entwickelt, der die Versorgung dieser Studien mit polarisiertem Gas gewährleistet. Für den Fall jedoch, dass die Lungenbildgebung mit hyperpolarisiertem ³He in die medizinische Praxis übernommen wird, wären die Produktionskapazitäten der bestehenden Anlage nicht mehr ausreichend. Daher wurde im Rahmen dieser Arbeit ein kompaktes System zum Polarisieren von ³He direkt am Einsatzort entwickelt, welches als eine Art Industrieprodukt in beliebiger Stückzahl nachgebaut werden kann. So steht nun ein kompakter, mobiler ³He Polarisator zur Verfügung, dessen Produktionsrate in der Größenordnung eines Standardliters (1 l, 1 bar, Raumtemperatur) pro Stunde bei einer Polarisation von > 60% liegt.

Improvements in production and storage of HP-129 Xe

Seit seiner Entdeckung im Jahre 1978 wurden für hyperpolarisiertes (HP) 129Xe zahlreiche Anwendungen gefunden. Aufgrund seiner hohen Verstärkung von NMR-Signalen wird es dabei typischerweise für Tracer- und Oberflächenstudien verwendet. Im gasförmigen Zustand ist es ein interessantes, klinisches Kontrastmittel, welches für dynamische Lungen MRT genutzt oder auch in Blut oder lipophilen Flüssigkeiten gelöst werden kann. Weiterhin findet HP-Xe auch in der Grundlagenphysik in He-Xe Co-Magnetometern Verwendung, mit welchen z. B. das elektrische Dipolmoment von Xe bestimmt werden soll, oder es dient zur Überprüfung auf Lorentz-Invarianzen. Alle diese Anwendungen profitieren von einem hohen Polarisationsgrad (PXe), um hohe Signalstärken und lange Lagerzeiten zu erreichen. rnIn dieser Arbeit wurden zwei mobile Xe-Polarisatoren konstruiert: einer für Experimente in der Grundlagenphysik mit einer Produktionsrate von 400 mbar·l/h mit PXe ≈ 5%. Der zweite Xe-Polarisator wurde für medizinische Anwendungen entwickelt und soll 1 bar l/h mit PXe > 20% erzeugen. Der letztere wurde noch nicht getestet. Die Arbeitsbedingungen des Xe-Polarisators für Grundlagenphysik (Strömung des Gasgemischs, Temperatur, Druck und Konzentration von Xe) wurden variiert, um einen höchstmöglichen Polarisationsgrad zu erzielen. Die maximale Polarisation von 5,6 % wurde bei Verwendung eine Gasmischung von 1% Xe bei einem Durchfluss von 200 ml/min, einer Temperatur von 150°C und einem Gesamtdruck von 4 bar erreicht. rnWeiterhin muss HP-Xe auch effizient gelagert werden, um Polarisationsverluste zu minimieren. Das ist besonders für solche Anwendungen notwendig, welche an einem entfernten Standort durchgeführt werden sollen oder auch wenn lange Spinkohärenzeiten gefordert sind, z.B. bei He-Xe Co-Magnetometern. rnHierbei bestand bisher die größte Schwierigkeit darin, die Reproduzierbarkeit der gemessenen Lagerzeiten sicherzustellen. In dieser Arbeit konnte die Spin-Gitter-Relaxationszeit (T1) von HP-129Xe in unbeschichteten, Rb-freien, sphärischen Zellen aus Aluminiumsilikatglas (GE-180) signifikant verbessert werden. Die T1–Zeit wurde in einem selbstgebauten Niederfeld-NMR-System (2 mT) sowohl für reines HP-Xe als auch für HP-Xe in Mischungen mit N2, SF6 und CO2 bestimmt. Bei diesen Experimenten wurde die maximale Relaxationszeit für reines Xe (85% 129 Xe) bei (4,6 ± 0,1) h festgestellt. Dabei lagen die typischen Wand-Relaxationszeiten bei ca. 18 h für Glaszellen mit einem Durchmesser von 10 cm. Des Weiteren wurde herausgefunden, dass CO2 eine unerwartet hohe Effizienz bei der Verkürzung der Lebensdauer der Xe-Xe Moleküle zeigte und somit zu einer deutlichen Verlängerung der gesamten T1-Zeit genutzt werden kann. rnIm Verlauf vieler Experimente wurde durch wiederholte Messungen mit der gleichen Zelle, ein "Alterungsprozess“ bei der Wandrelaxation identifiziert und untersucht. Dieser Effekt könnte leicht rückgängig gemacht werden, indem die anfängliche Reinigungsprozedur wiederholt wurde. Auf diese Weise kann eine konstante Wandrelaxation sichergestellt werden, durch die sehr reproduzierbare T1-Messungen möglich werden. rnSchließlich wurde die maximale Relaxationszeit für HP-Xe mit natürlicher Häufigkeit in Mischungen mit SF6 bestimmt. Überraschenderweise war dieser Wert um ca. 75% niedriger als der Wert für Xenon, das zu 85% mit 129Xe angereichert war. Dieser Effekt wurde durch drei unabhängige Experimente bestätigt, da er nicht von der bestehenden Theorie der Xe-Relaxation ableitbar ist. rnDie Polarisation von HP-Xe, PXe, wird normalerweise durch den Vergleich der NMR-Signale des HP-Xe mit einer thermischen polarisierten Probe (z. B. 1H2O oder Xe) bestimmt. Dabei beinhaltet der Vergleich unterschiedlicher Messungen an verschiedenen Proben (unterschiedlicher Druck, Signalintensität und Messverfahren) viele experimentelle Unsicherheiten, welche sich oft nicht leicht bestimmen lassen. Eine einfache, genaue und kostengünstige Methode zur Bestimmung von PXe durch eine direkte Messung der makroskopischen Magnetisierung in einem statischen Magnetfeld vermeidet alle diese Unsicherheiten. Dieses Verfahren kann Polarisationen von > 2 % mit einer Genauigkeit von maximal 10% fast ohne Polarisationsverlust bestimmen. Zusätzlich kann diese Methode ohne weitere Änderungen auch für Bestimmungen des Polarisationsgrades anderer HP-Gase verwendet werden.rn

Condensational growth of atmospheric aerosol particles in an expanding water saturated air flow

Aerosol particles and water vapour are two important constituents of the atmosphere. Their interaction, i.e. thecondensation of water vapour on particles, brings about the formation of cloud, fog, and raindrops, causing the water cycle on the earth, and being responsible for climate changes. Understanding the roles of water vapour and aerosol particles in this interaction has become an essential part of understanding the atmosphere. In this work, the heterogeneous nucleation on pre-existing aerosol particles by the condensation of water vapour in theflow of a capillary nozzle was investigated. Theoretical and numerical modelling as well as experiments on thiscondensation process were included. Based on reasonable results from the theoretical and numerical modelling, an idea of designing a new nozzle condensation nucleus counter (Nozzle-CNC), that is to utilise the capillary nozzle to create an expanding water saturated air flow, was then put forward and various experiments were carried out with this Nozzle-CNC under different experimental conditions. Firstly, the air stream in the long capillary nozzle with inner diameter of 1.0~mm was modelled as a steady, compressible and heat-conducting turbulence flow by CFX-FLOW3D computational program. An adiabatic and isentropic cooling in the nozzle was found. A supersaturation in the nozzle can be created if the inlet flow is water saturated, and its value depends principally on flow velocity or flow rate through the nozzle. Secondly, a particle condensational growth model in air stream was developed. An extended Mason's diffusion growthequation with size correction for particles beyond the continuum regime and with the correction for a certain particle Reynolds number in an accelerating state was given. The modelling results show the rapid condensational growth of aerosol particles, especially for fine size particles, in the nozzle stream, which, on the one hand, may induce evident `over-sizing' and `over-numbering' effects in aerosol measurements as nozzle designs are widely employed for producing accelerating and focused aerosol beams in aerosol instruments like optical particle counter (OPC) and aerodynamical particle sizer (APS). It can, on the other hand, be applied in constructing the Nozzle-CNC. Thirdly, based on the optimisation of theoretical and numerical results, the new Nozzle-CNC was built. Under various experimental conditions such as flow rate, ambient temperature, and the fraction of aerosol in the total flow, experiments with this instrument were carried out. An interesting exponential relation between the saturation in the nozzle and the number concentration of atmospheric nuclei, including hygroscopic nuclei (HN), cloud condensation nuclei (CCN), and traditionally measured atmospheric condensation nuclei (CN), was found. This relation differs from the relation for the number concentration of CCN obtained by other researchers. The minimum detectable size of this Nozzle-CNC is 0.04?m. Although further improvements are still needed, this Nozzle-CNC, in comparison with other CNCs, has severaladvantages such as no condensation delay as particles larger than the critical size grow simultaneously, low diffusion losses of particles, little water condensation at the inner wall of the instrument, and adjustable saturation --- therefore the wide counting region, as well as no calibration compared to non-water condensation substances.

Untersuchung von Nukleon-Nukleon Korrelationen mit Hilfe der Reaktion 16 O(e,e'pp) 14 C in super-paralleler Kinematik

Im Rahmen dieser Arbeit wurde an derDrei-Spektrometer-Anlage des Beschleunigers MAMI das erstehochauflösende (e,e'pp)-Experiment in super-parallelerKinematik zur Untersuchung kurzreichweitiger Korrelationendurchgeführt. Mit der erzielten Energieauflösung in derAnregungsenergie des Restkerns von ?E_x ? 500 keVkonnten die einzelnen Endzustände der Reaktion¹⁶O(e,e'pp)¹⁴C gut voneinandergetrennt werden. Die Durchführung mehrerer Messungen mitunterschiedlichen Einstellungen der Hadronspektrometer hates ermöglicht, Verteilungen im fehlende Impuls für dieeinzelnen Endzustände von ¹⁴C im Bereich von -100MeV/c bis etwa 300 MeV/c anzugeben. Die apparativen Voraussetzungen für die Durchführung diesesExperimentes wurden durch den Aufbau und die Inbetriebnahmedes Spurdetektors von Spektrometer C im Rahmen dieser Arbeitgeschaffen. Der Detektor besteht aus vier Ebenen vonvertikalen Driftkammern mit einer sensitiven Fläche von(0.34 x 2.32) m². Die Ortsauflösung ist besserals 100 ?m, die Winkelauflösung besser als 0.3 mrad in dendispersiven Koordinaten des Spektrometers. Durch den Einsatzspezieller Programme zur Spurrekonstruktion könnenNachweiswahrscheinlichkeiten von nahezu 100 % erzieltwerden. Nach der Inbetriebnahme von Spektrometer C wurde im Rahmendieser Arbeit die erste Dreifach-Koinzidenz-Testmessung ander Drei-Spektrometer-Anlage vorbereitet und erfolgreichdurchgeführt, sowie die ersten Messungen zum³He(e,e'pp)n-Experiment begonnen. Das bestehendeWassertarget wurde in Betrieb genommen, an die speziellenErfordernisse des C-Experimentes angepaßt und dessenZuverlässigkeit verbessert. Die Ergebnisse des¹⁶O(e,e'pp)¹⁴C-Experimentes wurden mitzwei mikroskopischen Rechnungen, die von realistischenNukleon-Nukleon-Potentialen ausgehen, verglichen, denModellen der Pavia- und der Gent-Gruppe. Der Vergleich zeigtein recht gute Übereinstimmung zwischen Theorie undExperiment. Gerade die gute Beschreibung des Grundzustandesum p_m = 0 MeV/c gibt deutliche Hinweise aufkurzreichweitige Korrelationen im Grundzustand von¹⁶O. Die Untergrundprozesse, insbesondere dieAnregung der ?-Resonanz, werden von den Modellen gutbehandelt. Dies wird durch die sehr gute Beschreibung desÜberganges zum 1⁺ Zustandes bei E_x =11.3 MeV belegt, da dieser Übergang durch die Emission von³P Protonpaare dominiert wird. Bei derBeschreibung des Überganges zum ersten 2⁺ Zustandgibt es noch Diskrepanzen, die eine nicht ausreichendeBeschreibung dieses Überganges durch die theoretischenModelle andeuten.

Beiträge zur Steuerung und Analyse von technischen Bearbeitungssystemen mit Methoden der nichtlinearen Zeitreihenanalyse

Die Nichtlineare Zeitreihenanalyse konnte in den letzten Jahren im Rahmen von Laborexperimenten ihre prinzipelle Brauchbarkeit beweisen. Allerdings handelte es sich in der Regel um ausgewählte oder speziell konstruierte nichtlineare Systeme. Sieht man einmal von der Überwachung von Prozessen und Produkten ab, so sind Anwendungen auf konkrete, vorgegebene dynamische Probleme im industriellen Bereich kaum bekannt geworden. Ziel dieser Arbeit war es, an Hand von zwei Problemen aus der technischen Praxis zu untersuchen, ob die Anwendung des kanonischen Schemas der Nichtlinearen Zeitreihenanalyse auch dort zu brauchbaren Resultaten führt oder ob Modifikationen (Vereinfachungen oder Erweiterungen) notwendig werden. Am Beispiel der Herstellung von optischen Oberflächen durch Hochpräzisionsdrehbearbeitung konnte gezeigt werden, daß eine aktive Störungskompensation in Echtzeit mit einem speziell entwickelten nichtlinearen Vorhersagealgorithmus möglich ist. Standardverfahren der Nichtlinearen Zeitreihenanalyse beschreiten hier den allgemeinen, aber sehr aufwendigen Weg über eine möglichst vollständige Phasenraumrekonstruktion. Das neue Verfahren verzichtet auf viele der kanonischen Zwischenschritte. Dies führt zu einererheblichen Rechenzeitersparnis und zusätzlich zu einer wesentlich höheren Stabilität gegenüber additivem Meßrauschen. Mit den berechneten Vorhersagen der unerwünschten Maschinenschwingungen wurde eine Störungskompensation realisiert, die die Oberflächengüte des bearbeiteten Werkstücks um 20-30% verbesserte. Das zweite Beispiel betrifft die Klassifikation von Körperschallsignalen, die zur Überwachung von Zerspansprozessen gemessen werden. Diese Signale zeigen, wie auch viele andere Prozesse im Bereich der Produktion, ein hochgradig nichtstationäres Verhalten. Hier versagen die Standardverfahren der Nichtlinearen Datenanalyse, die FT- bzw. AAFT-Surrogate benutzen. Daher wurde eine neue Klasse von Surrogatdaten zum Testen der Nullhypothese nichtstationärer linearer stochastischer Prozesse entwickelt, die in der Lage ist, zwischen deterministischen nichtlinear chaotischen und stochastischen linearen nichtstationären Zeitreihen mit change points zu unterscheiden. Damit konnte gezeigt werden, daß die untersuchten Köperschallsignale sich statistisch signifikant einer nichtstationären stochastischen Folge von einfachen linearen Prozessen zuordnen lassen und eine Interpretation als nichtlineare chaotische Zeitreihe nicht erforderlich ist.

Untersuchung zum Entstehungsmechanismus von Smith-Purcell-Strahlung im Nahbereich mit einem 855 MeV Elektronenstrahl geringer Emittanz

Experimental investigations of visible Smith-Purcell-radiation with a micro-focused high relativistic electron beam (E=855 MeV) are presented in the near region, in which the electron beam grazes the surface of the grating. The radiation intensity was measured as a function of the angle of observation and of the distance between electron beam axis and the surface of the grating simultaneously for two different wavelengths (360 nm, 546 nm).In the experiments Smith-Purcell-radiation was identified by the measured angular distribution fulfilling the characteristic coherence condition. By the observed distance dependence of the intensity two components of Smith-Purcell-radiation could be separated: one component with the theoretical predicted interaction length hint, which is produced by electrons passing over the surface of the grating, and an additional component in the near region leading to a strong enhancement of the intensity, which is produced by electrons hitting the surface. To describe the intensity of the observed additional radiation component a simple model for optical grating transition radiation, caused by the electrons passing through the grating structure, is presented. Taking into account the simple scalar model, the results of a Monte-Carlo calculation show that the additional radiation component could be explained by optical grating transition radiation.

Computersimulation von Positronium-Annihilation in Polymeren

In dieser Arbeit wird eine neue Methode zur Berechnung derLebensdauern von Ortho-Positronium in Polymerenbeschrieben. Zur Auswertung vonPositronium-Annihilations-Experimenten wurde bislang eineinfaches Modell verwendet, dessen Gültigkeit im Falle vonPolymeren fragwürdig ist. Durch ein verbessertes Modell wirdeine realistischere Beschreibung der Lebensdauernmöglich. Mit verschiedenen quantenmechanischen Methoden wirdeine Näherung für das Wechselwirkungspotential desPositroniums mit der Polymermatrix bestimmt. DieElektronendichte im Polymer wird mit quantenchemischenRechnungen ermittelt, während die Polymerstruktur selbst mitMolekulardynamik-Simulationen auf atomistis cher Ebeneberechnet wird. Die Pfad-integral-Monte-Carlo-Methodegestattet es dann, die Aufenthaltswahrscheinlichkeit unddaraus die Lebensdauer von Ortho-Positronium in den zumfreien Volumen gehörenden Löchern im Polymer zuberechnen. Diese werden mit Ergebnissen ausPositroniu-Annihilations-Experimenten verglichen. Wenn sieübereinstimmen, läßt sich schließen, daß diezugrundeliegenden simulierten Polymerkonfigurationen inBezug auf das freie Volumen ein realistisches Abbild desrealen Polymers sind. Da die Positionen der Atome in der Simulation bekannt sind,wird das freie Volumen mit der Gittermethode bestimmt undmit einem Clusteralgorithmus zu Löchern zusammengefaßt, diedann geometrisch analysiert werden. So können Informationenüber Gestalt, Größe und Verteilung der Löcher gewonnenwerden, die weit über das bislang verwendete Standardmodellhinausgehen. Es zeigt sich, daß einige der Annahmen desStandardmodells nicht erfüllt sind. Die Möglichkeiten des neuen Verfahrens werden an Polystyrolund Bisphenol-A-Polycarbonat demonstriert. ExperimentelleLebensdauerspektren können gut reproduziert werden. Eswurden umfangreiche Analysen des freien Volumensdurchgeführt. Im Falle des Polystyrols wurde auch seineTemperaturabhängigkeit untersucht. Des weiteren werden Simulationen zur Diffusion vonKohlendioxid in Polystyrol bei verschiedenen Temperaturenund Drücken präsentiert. Die Berechnung vonDiffusionskoeffizienten in NpT-Simulationen wird diskutiert;es wird eine Methode dargestellt, die die Berechnung derVerschiebung der Teilchen in ungefalteten Koordinatenerlaubt, auch wenn die Größe der Simulationszellefluktuiert, weil eine automatische Druckkontrolle verwendetwird. Damit werden Diffusionskoeffizientenermittelt. Außerdem wird der Frage nachgegangen, welcheLöcher die Kohlendioxidmoleküle besetzen. Dies ist von derexperimentellen Seite interessant, weil häufig gasbeladenePolymere durch Positronium untersucht werden, um dieAnzahldichte der Löcher zu bestimmen; diese wird wiederumbenötigt, um aus dem mittleren Volumen eines Loches dasgesamte freie Volumen zu berechnen.

Re-Entrance-Phasenbildung und elektronische Eigenschaften epitaxialer Schichten des Kondo-Halbmetalls CeSb

Durch das Anlegen eines elektrischen Feldes an eine Feldeffektanordung kann die Anzahl der freien Ladungstraeger im Kanalmaterial direkt moduliert und der Einfluá auf die Transporteigenschaften und den damit zusammenhaengenden typischen Energieskalen untersucht werden. Mit der Konzeption und dem Aufbau einer Praeparationsapparatur, sowie der Etablierung eines Praeparationsprozesses zur Herstellung duenner epitaktischer Schichten des Kondo-Halbmetalls CeSb sollte im Rahmen dieser Arbeit der Grundstein fuer die Realisierung einer dazu notwendigen Feldeffektanordnung gelegt werden. Mit dem Verfahren der Molekularstrahlepitaxie konnten sowohl (100)- als auch (111)-orientierte phasenreine CeSb-Schichten hergestellt werden. In Abhaengigkeit der Sb-Verdampfertemperatur wurden fuer das Schichtwachstum auf Saphir (1120) zwei voneinander getrennte Bereiche der Phasenbildung gefunden, in denen jeweils die (111)- respektive die (100)-Wachstumsrichtung dominiert. Das beobachtete Re-Entrance-Verhalten beruht auf dem Einfluss der Sb-Tiegeltemperatur auf Verdampfungsrate und Strahlzusammensetzung. Durch die Verwendung von Saphir (0001)-Substraten konnte das Wachstum (111)-orientierter Schichten massgeblich verbessert werden. Die Untersuchung der elektronischen Eigenschaften mittels Magnetotransportmessungen ergab eine weitreichende šbereinstimmung mit den bekannten Einkristallergebnissen. In Uebereinstimmung mit den Ergebnissen der an der ETH Zuerich durchgefuehrten MOKE-Untersuchungen laesst sich aus den Hallmessungen auf eine Reduktion der freien Ladungstraeger in den duennen Schichten schliessen.

Counterion condensation for rigid linear polyelectrolytes

Diese Doktorarbeit studiert steife, lineare Polyelektrolyteim Rahmen eines Zellenmodells. Im Mittelpunkt steht dabeidas Phänomen der Gegenionenkondensation an der Oberflächeeines geladenen Makroions. Seine Abhängigkeit vonParametern wie Dichte, Bjerrum-Länge, Valenz undIonenstärke wird untersucht, und seine Auswirkungen aufwichtige Observablen wie Ionenverteilungen und osmotischerDruck werden diskutiert. Von theoretischer Seite werdendiese Probleme mit Hilfe der nichtlinearen undlinearisierten Poisson-Boltzmann Gleichung sowieallgemeineren Dichtefunktionaltheorien behandelt.Molekulardynamik-Simulationen ergänzen die theoretischenErgebnisse und grenzen den Bereich ihrer Gültigkeit ab. Ausgehend von der Poisson-Boltzmann Theorie wird einneuartiges Kriterium fuer Gegenionenkondensationvorgeschlagen, welches mit der Manning-Theorie verträglichist. Ein neuer Korrekturterm fuer die freie Energie inPoisson-Boltzmann Näherung wird hergeleitet, ausgehend vomModell eines einkomponentigen Plasmas. Die entsprechendenFunktionale der freien Energie werden mittels einerneuartigen Monte-Carlo Methode minimiert. Diedurchgeführten Computersimulationen untersucheninsbesondere die qualitativ neuen Phänomene, welche beihoher Ionenstärke auftreten, wie etwa Ladungsumkehr, einnegativer osmotischer Druck oder ein nicht-monotoneszeta-Potential. In all diesen Fällen wird die Bedeutungmultivalenter Ionen offensichtlich. In den Simulationen werden elektrostatische Wechselwirkungenmittels Particle-Mesh-Ewald Algorithmen berechnet. DerenAufbau wird in einem einheitlichen mathematischen Rahmenanalysiert. Speziell fuer die P3M Methode wird erstmalseine analytische Fehlerabschätzung hergeleitet.

Untersuchungen zur Speicherung, Laserkühlung und Kristallisation von Ca+-Ionen in einer linearen Paulfalle

ZusammenfassungUntersuchungen zur Speicherung, Laserkühlung und Kristallisation von Ca+-Ionen in einer linearen PaulfalleIn dieser Arbeit wurden grundlegende Untersuchungen vonlasergekühlten Ionen in einer linearen Paulfalledurchgeführt. Diese können in drei Bereiche gegliedertwerden: Dynamik der Ionen in der linearen Paulfalle. Hierzuwurden Speicherbereich, parametrische Anregungen undSchwingungsfrequenzen der Ionen in der linearen Paulfalleauch hinsichtlich der Unterschiede zur traditionellendreidimensionalenuntersucht. Über die genaue Messung der Schwingungsfrequenzenkonnte der Abstand zweier Ionen in einem Kristall bis auf 10-4genau bestimmt werden. Diese Genauigkeit der Abstandsbestimmung ist notwendig, um theoretische Vorhersagen zu kooperativen Effektenüberprüfen zu können. Laserkühlung an einem 3-Niveau-SystemsHierzu wurden für Bereiche außerhalb des Lamb-Dicke Regimes Simulationen zur Laserkühlung an einem einzelnen Ion durchgeführt und soweit möglich experimentellüberprüft. Es wurden Kühlzeiten und Temperaturlimits für verschiedene Verstimmungen der Laser bestimmt.Diese stehen zum Teil im Widerspruch mit den bisherigen Annahmen.Die Kenntnis der Laserverstimmungen für die effektivste Lasekühlung sind notwendig, um bei weiterführenden Kühlmethoden eine hinreichendgute Vorkühlung erreichen zu können.Kristallstrukturen in der linearen Paulfalle.Hier wurden verschiedene theoretisch vorhergesagte Kristallstrukturen der Ionen bei abzählbaren Ionenanzahlenfür dreidimensionalen und quasi-zweidimensionaleSpeicherpotentiale mit experimentellen Werten verglichen. Dabei konnten Abweichungen zur Theoriefestgestellt werden. Ferner wurde die durchden Lichtdruck hervorgerufene Trennung von atomaren Zuständenin großen Ionenkristallen beobachtet.