Detection of small buried objects: asymptotic factorization and MUSIC

In this work, we consider a simple model problem for the electromagnetic exploration of small perfectly conducting objects buried within the lower halfspace of an unbounded two–layered background medium. In possible applications, such as, e.g., humanitarian demining, the two layers would correspond to air and soil. Moving a set of electric devices parallel to the surface of ground to generate a time–harmonic field, the induced field is measured within the same devices. The goal is to retrieve information about buried scatterers from these data. In mathematical terms, we are concerned with the analysis and numerical solution of the inverse scattering problem to reconstruct the number and the positions of a collection of finitely many small perfectly conducting scatterers buried within the lower halfspace of an unbounded two–layered background medium from near field measurements of time–harmonic electromagnetic waves. For this purpose, we first study the corresponding direct scattering problem in detail and derive an asymptotic expansion of the scattered field as the size of the scatterers tends to zero. Then, we use this expansion to justify a noniterative MUSIC–type reconstruction method for the solution of the inverse scattering problem. We propose a numerical implementation of this reconstruction method and provide a series of numerical experiments.

A sampling method for detecting buried objects using electromagnetic scattering

We consider a simple (but fully three-dimensional) mathematical model for the electromagnetic exploration of buried, perfect electrically conducting objects within the soil underground. Moving an electric device parallel to the ground at constant height in order to generate a magnetic field, we measure the induced magnetic field within the device, and factor the underlying mathematics into a product of three operations which correspond to the primary excitation, some kind of reflection on the surface of the buried object(s) and the corresponding secondary excitation, respectively. Using this factorization we are able to give a justification of the so-called sampling method from inverse scattering theory for this particular set-up.

Contribution of tectonic processes to the exhumation of the Cycladic blueschist unit, Greece and Turkey

In dieser Studie werden strukturgeologische, metamorphe und geochronologische Daten benutzt, um eine Quantifizierung tektonischer Prozesse vorzunehmen, die für die Exhumierung der Kykladischen Blauschiefereinheit in der Ägäis und der Westtürkei verantwortlich waren. Bei den beiden tektonischen Prozessen handelt es sich um: (1) Abschiebungstektonik und (2) vertikale duktile Ausdünnung. Eine finite Verformungsanalyse an Proben der Kykladischen Blauschiefereinheit ermöglicht eine Abschätzung des Beitrags von vertikaler duktiler Ausdünnung an der gesamten Exhumierung. Kalkulationen mit einem eindimensionalen, numerischen Model zeigt, daß vertikale duktile Ausdünnung nur ca. 10% an der gesamten Exhumierung ausmacht. Kinematische, metamorphe und geochronologische Daten erklären die tektonische Natur und die Evolution eines extensionalen Störungssystems auf der Insel Ikaria in der östlichen Ägäis. Thermobarometrische Daten lassen erkennen, daß das Liegende des Störungssystems aus ca. 15 km Tiefe exhumiert wurde. Sowohl Apatit- und Zirkonspaltspurenalter als auch Apatit (U-Th)/He-Alter zeigen, daß sich das extensionale Störungssystem zwischen 11-3 Ma mit einer Geschwindigkeit von ca. 7-8 km/Ma bewegte. Spät-Miozäne Abschiebungen trugen zur Exhumierung der letzten ~5-15 km der Hochdruckgesteine bei. Ein Großteil der Exhumierung der Kykladischen Blauschiefereinheit muß vor dem Miozän stattgefunden haben. Dies wird durch einen Extrusionskeil erklärt, der ca. 30-35 km der Kykladischen Blauschiefereinheit in der Westtürkei exhumierte. 40Ar/39Ar und 87Rb/86Sr Datierungen an Myloniten des oberen Abschiebungskontakts zwischen der Selçuk Decke und der darunterliegenden Ampelos/Dilek Decke der Kykladischen Blauschiefereinheit als auch des unteren Überschiebungskontakts zwischen der Ampelos/Dilek Decke und den darunterliegenden Menderes Decken zeigt, daß sich beide mylonitische Zonen um ca. ~35 Ma formten, was die Existenz eines Spät-Eozänen/Früh-Oligozänen Extrusionskeils beweist.

Visualisierung vergrabener Objekte: Ein Sampling-Verfahren für die Maxwell-Gleichungen

Wir untersuchen die numerische Lösung des inversen Streuproblems der Rekonstruktion der Form, Position und Anzahl endlich vieler perfekt leitender Objekte durch Nahfeldmessungen zeitharmonischer elektromagnetischer Wellen mit Hilfe von Metalldetektoren. Wir nehmen an, dass sich die Objekte gänzlich im unteren Halbraum eines unbeschränkten zweischichtigen Hintergrundmediums befinden. Wir nehmen weiter an, dass der obere Halbraum mit Luft und der untere Halbraum mit Erde gefüllt ist. Wir betrachten zuerst die physikalischen Grundlagen elektromagnetischer Wellen, aus denen wir zunächst ein vereinfachtes mathematisches Modell ableiten, in welchem wir direkt das elektromagnetische Feld messen. Dieses Modell erweitern wir dann um die Messung des elektromagnetischen Feldes von Sendespulen mit Hilfe von Empfangsspulen. Für das vereinfachte Modell entwickeln wir, unter Verwendung der Theorie des zugehörigen direkten Streuproblems, ein nichtiteratives Verfahren, das auf der Idee der sogenannten Faktorisierungsmethode beruht. Dieses Verfahren übertragen wir dann auf das erweiterte Modell. Wir geben einen Implementierungsvorschlag der Rekonstruktionsmethode und demonstrieren an einer Reihe numerischer Experimente die Anwendbarkeit des Verfahrens. Weiterhin untersuchen wir mehrere Abwandlungen der Methode zur Verbesserung der Rekonstruktionen und zur Verringerung der Rechenzeit.

Forensisch-anthropologische und traumatologische Untersuchungen an den menschlichen Skeletten aus der spätmittelalterlichen Schlacht von Dornach (1499 n. Chr.)

Der Forschungsgegenstand der vorliegenden Arbeit war die Identifikation und Interpretation von Traumata an menschlichen Skeletten. Neben einer umfassenden Darstellung des aktuellen Kenntnisstandes unter verschiedenen Gesichtspunkten wurden menschliche Überreste aus der Schlacht von Dornach 1499 n. Chr. untersucht. Ergänzend wurde eine Versuchsreihe mit Replika mittelalterlicher Waffen an Kunstköpfen durchgeführt. Für die Ansprache und Kategorisierung von Traumata an Skelettfunden existiert kein einheitliches und allgemein gebräuchliches System. Die verschiedenen Herangehensweisen und ihre Vor- und Nachteile wurden benannt und diskutiert. Nachfolgend wurden die Erscheinungsformen prä-, peri- und postmortaler Traumata bzw. Defekte sowie von Verletzungen durch stumpfe und scharfe Gewalt, Schussverletzungen und anderen Verletzungsarten dargestellt. Weitere besprochene Aspekte waren die Abgrenzung von Traumata gegen pathologische Veränderungen und anatomische Varianten sowie eine Diskussion der Methodik und Problematik der Erfassung von Verletzungsfrequenzen. Neben der Bestimmung von Geschlecht, Sterbealter und Körperhöhe wurden an den zur Untersuchung zur Verfügung stehenden Schädeln (N=106) und Femora (N=33) aus der Schlacht von Dornach 1499 n. Chr. pathologische und postmortale Veränderungen sowie als Schwerpunkt prä- und perimortale Traumata identifiziert und beschrieben. Die anthropologischen Befunde zeichneten das Bild einer in Hinsicht auf Sterbealter und Körperhöhe heterogenen Gruppe von Männern mit wenigen pathologischen Veränderungen. Die Ergebnisse wurden vor dem Hintergrund des spätmittelalterlichen Söldnerwesens diskutiert. An den Schädeln wurden insgesamt 417 perimortale Traumata identifiziert, wobei Hiebverletzungen stark überwogen. Die Entstehungsweise charakteristischer Merkmale von Hiebverletzungen konnte experimentell nachvollzogen werden. Weiter stellte sich heraus, dass Hiebverletzungen durch Schwerter und Hellebarden nur in Ausnahmefällen voneinander unterschieden werden können. Verletzungen durch punktuelle Einwirkungen und stumpfe Gewalt sowie Schussverletzungen wurden in weitaus geringerer Häufigkeit festgestellt. Experimentell konnte gezeigt werden, dass die Verletzungen durch punktuelle Einwirkungen mit einer Beibringung durch Langspiesse, Stossspitzen und Reisshaken von Hellebarden sowie Armbrustbolzen vereinbar sind, wobei beträchtliche Limitationen einer genaueren Waffenzuordnung offenkundig wurden. Die Verletzungen konnten als wohl typisch für die damalige Zeit bezeichnet werden, da sie das zeitgenössische Waffenspektrum deutlich widerspiegeln. Die Lokalisation der perimortalen Traumata am Schädel liess kein Muster erkennen, mit Ausnahme der Feststellung, dass grössere Schädelknochen mehr Verletzungen aufwiesen als kleinere. Diese regellose Verteilung wurde als Hinweis darauf verstanden, dass die Kampfweise keine „ritterliche“ gewesen sein dürfte, was in Einklang mit den damals geltenden Kriegsordnungen steht. Postmortale Veränderungen unterschiedlicher Art liessen vermuten, dass die untersuchten Individuen nicht bestattet wurden und dass die vom Schlachtfeld aufgesammelten Gebeine in Beinhäusern aufbewahrt wurden. Die Resultate bestätigten damit Angaben aus Schriftquellen und erlaubten die Zuordnung der Skelettreste zu Gefallenen des Reichsheeres. Beim Vergleich der Dornacher Stichprobe mit anderen mittelalterlichen Schlachtfeldserien traten sowohl hinsichtlich der anthropologischen Befunde als auch im Hinblick auf die Verletzungen und Verletzungsmuster deutliche Ähnlichkeiten zutage. Diese ergänzten nicht nur das lückenhafte Bild spätmittelalterlicher Heere und ihrer Kampfweise, sondern beleuchteten auch Unterschiede zwischen mittelalterlicher und neuzeitlicher Kriegsführung.

Hard x-ray photoelectron spectroscopy of bulk and thin films of Heusler compounds

X-ray photoemission spectroscopy (XPS) is one of the most universal and powerful tools for investigation of chemical states and electronic structures of materials. The application of hard x-rays increases the inelastic mean free path of the emitted electrons within the solid and thus makes hard x-ray photoelectron spectroscopy (HAXPES) a bulk sensitive probe for solid state research and especially a very effective nondestructive technique to study buried layers.rnThis thesis focuses on the investigation of multilayer structures, used in magnetic tunnel junctions (MTJs), by a number of techniques applying HAXPES. MTJs are the most important components of novel nanoscale devices employed in spintronics. rnThe investigation and deep understanding of the mechanisms responsible for the high performance of such devices and properties of employed magnetic materials that are, in turn, defined by their electronic structure becomes feasible applying HAXPES. Thus the process of B diffusion in CoFeB-based MTJs was investigated with respect to the annealing temperature and its influence on the changes in the electronic structure of CoFeB electrodes that clarify the behaviour and huge TMR ratio values obtained in such devices. These results are presented in chapter 6. The results of investigation of the changes in the valence states of buried off-stoichiometric Co2MnSi electrodes were investigated with respect to the Mn content α and its influence on the observed TMR ratio are described in chapter 7.rnrnMagnetoelectronic properties such as exchange splitting in ferromagnetic materials as well as the macroscopic magnetic ordering can be studied by magnetic circular dichroism in photoemission (MCDAD). It is characterized by the appearance of an asymmetry in the photoemission spectra taken either from the magnetized sample with the reversal of the photon helicity or by reversal of magnetization direction of the sample when the photon helicity direction is fixed. Though recently it has been widely applied for the characterization of surfaces using low energy photons, the bulk properties have stayed inaccessible. Therefore in this work this method was integrated to HAXPES to provide an access to exploration of magnetic phenomena in the buried layers of the complex multilayer structures. Chapter 8 contains the results of the MCDAD measurements employing hard x-rays for exploration of magnetic properties of the common CoFe-based band-ferromagnets as well as half-metallic ferromagnet Co2FeAl-based MTJs.rnrnInasmuch as the magnetoresistive characteristics in spintronic devices are fully defined by the electron spins of ferromagnetic materials their direct measurements always attracted much attention but up to date have been limited by the surface sensitivity of the developed techniques. Chapter 9 presents the results on the successfully performed spin-resolved HAXPES experiment using a spin polarimeter of the SPLEED-type on a buried Co2FeAl0.5Si0.5 magnetic layer. The measurements prove that a spin polarization of about 50 % is retained during the transmission of the photoelectrons emitted from the Fe 2p3/2 state through a 3-nm-thick oxide capping layer.rn

High mobility rates during the period of the "Celtic migrations"? - 87 Sr, 86 Sr and delta 18 O evidence from Early La Tène Europe

Although the period of the historic “Celtic migrations” is archaeologically extensively studied, the long-lasting question whether mass migration or increased individual mobility caused the expansion of the La Tène culture throughout continental Europe persist. Strontium (Sr) and in part oxygen (O) isotope analysis of human remains from the early La Tène cemeteries of Nebringen (Germany), Münsingen-Rain (Switzerland), Monte Bibele (Italy) and the Czech cemeteries of Radovesice I, Radovesice II and Kutná Hora was, therefore, carried out to investigate the importance of residential changes during this time period. These isotope analyses showed that most analysed individuals either came from the area they were buried in or from the surrounding area of the cemetery. An exception was formed by the Czech cemeteries, where almost a quarter of the studied individuals appeared non-local. Together with Nebringen, these cemeteries also had the most varied Sr isotope ratios, which suggest highly mobile communities in which individuals regularly changed their residency. The isotopic ratios of the cemeteries of Münsingen-Rain and Monte Bibele appeared far less varied. In part, these differences might be explained by the community structures of these cemeteries. Morphological kinship analysis in Münsingen-Rain demonstrated biological relatedness among most of the analysed individuals. These related individuals also shared similar isotope signatures, which suggest an origin from the surrounding Aar Valley. In the vicinity of the cemetery of Monte Bibele, an associated settlement site was discovered. The deceased presumably not only shared this settlement, but also cultivated the same land plots. Dispersed settlement structures were suggested for Nebringen, Radovesice and Kutná Hora, as these agriculturally favourable landscapes were densely populated during prehistoric times. Connected to these community structures are the prevailing geological conditions in these areas. Both Münsingen-Rain and Monte Bibele are located in a region where homogeneous geological conditions prevail, whereas the landscapes of Nebringen, Radovesice and Kutná Hora are characterised by complex heterogeneous geological conditions. As the majority of individuals in Nebringen and the Czech cemeteries correspond to the expected isotope values for the studied areas, regularly changing land plots might have contributed to the observed variation. Although mass migration as depicted by the historical sources was not observed individual mobility of a small part of these studied communities certainly played a role. Males appeared, thereby, to have slightly more often a non-local birthplace or moved during childhood. Male mobility was, however, not always associated with burial as a warrior. Females, on the other hand, originated more often from the region. Patrilocal residential patterns, with the exception of the Czech cemeteries, were nevertheless not observed. Objects and ideas also seem to have been exchanged freely, as there are no indications that individuals with particular grave goods came from specific areas. It rather appears that the individuals buried with them were either local or had different places of origin. This can be explained by the fact that the exact origin of grave goods is difficult to establish and the occurrence of similar 87Sr/86Sr values in different areas. This study provided important new insights on the period of the “Celtic migrations” and the way of life of these prehistoric people.

Medicalgenomics.org : an open source database and retrieval system for biomedical analysis

Die Molekularbiologie von Menschen ist ein hochkomplexes und vielfältiges Themengebiet, in dem in vielen Bereichen geforscht wird. Der Fokus liegt hier insbesondere auf den Bereichen der Genomik, Proteomik, Transkriptomik und Metabolomik, und Jahre der Forschung haben große Mengen an wertvollen Daten zusammengetragen. Diese Ansammlung wächst stetig und auch für die Zukunft ist keine Stagnation absehbar. Mittlerweile aber hat diese permanente Informationsflut wertvolles Wissen in unüberschaubaren, digitalen Datenbergen begraben und das Sammeln von forschungsspezifischen und zuverlässigen Informationen zu einer großen Herausforderung werden lassen. Die in dieser Dissertation präsentierte Arbeit hat ein umfassendes Kompendium von humanen Geweben für biomedizinische Analysen generiert. Es trägt den Namen medicalgenomics.org und hat diverse biomedizinische Probleme auf der Suche nach spezifischem Wissen in zahlreichen Datenbanken gelöst. Das Kompendium ist das erste seiner Art und sein gewonnenes Wissen wird Wissenschaftlern helfen, einen besseren systematischen Überblick über spezifische Gene oder funktionaler Profile, mit Sicht auf Regulation sowie pathologische und physiologische Bedingungen, zu bekommen. Darüber hinaus ermöglichen verschiedene Abfragemethoden eine effiziente Analyse von signalgebenden Ereignissen, metabolischen Stoffwechselwegen sowie das Studieren der Gene auf der Expressionsebene. Die gesamte Vielfalt dieser Abfrageoptionen ermöglicht den Wissenschaftlern hoch spezialisierte, genetische Straßenkarten zu erstellen, mit deren Hilfe zukünftige Experimente genauer geplant werden können. Infolgedessen können wertvolle Ressourcen und Zeit eingespart werden, bei steigenden Erfolgsaussichten. Des Weiteren kann das umfassende Wissen des Kompendiums genutzt werden, um biomedizinische Hypothesen zu generieren und zu überprüfen.

Methoden zur Analyse, Interpretation und Modellierung des elektrischen Widerstandes von archäologischen Steinstrukturen

In der Archäologie werden elektrische Widerstandsmessungen routinemäßig zur Prospektion von Fundstellen eingesetzt. Die Methode ist kostengünstig, leicht anwendbar und liefert in den meisten Fällen zuverlässige und leicht zu interpretierende Ergebnisse. Dennoch kann die Methode die archäologischen Strukturen in manchen Fällen nur teilweise oder gar nicht abbilden, wenn die bodenphysikalischen und bodenchemischen Eigenschaften des Bodens und der archäologischen Strukturen dies nicht zulassen. Der spezifische elektrische Widerstand wird durch Parameter wie Wassergehalt, Bodenstruktur, Bodenskelett, Bodentextur, Salinität und Bodentemperatur beeinflusst. Manche dieser Parameter, wie z.B. der Wassergehalt und die Bodentemperatur, unterliegen einer saisonalen Veränderung. Die vorliegende Arbeit untersucht den spezifischen elektrischen Widerstand von archäologischen Steinstrukturen und evaluiert die Möglichkeit, auf Grundlage von Geländemessungen und Laboranalysen archäologische Strukturen und Böden als numerische Modelle darzustellen. Dazu wurde eine Kombination von verschiedenen bodenkundlichen, geoarchäologischen und geophysikalischen Methoden verwendet. Um archäologische Strukturen und Bodenprofile als numerische Widerstandsmodelle darstellen zu können, werden Informationen zur Geometrie der Strukturen und ihren elektrischen Widerstandswerten benötigt. Dabei ist die Qualität der Hintergrundinformationen entscheidend für die Genauigkeit des Widerstandsmodells. Die Geometrie der Widerstandsmodelle basiert auf den Ergebnissen von Rammkernsondierungen und archäologische Ausgrabungen. Die an der Ausbildung des elektrischen Widerstands beteiligten Parameter wurden durch die Analyse von Bodenproben gemessen und ermöglichen durch Pedotransfer-Funktion, wie die Rhoades-Formel, die Abschätzung des spezifischen elektrischen Widerstandes des Feinbodens. Um den Einfluss des Bodenskeletts auf den spezifischen elektrischen Widerstand von Bodenprofilen und archäologischen Strukturen zu berechnen, kamen die Perkolationstheorie und die Effective Medium Theory zum Einsatz. Die Genauigkeit und eventuelle Limitierungen der Methoden wurden im Labor durch experimentelle Widerstandsmessungen an ungestörten Bodenproben und synthetischen Materialien überprüft. Die saisonale Veränderung des Wassergehalts im Boden wurde durch numerische Modelle mit der Software HYDRUS simuliert. Die hydraulischen Modelle wurden auf Grundlage der ermittelten bodenkundlichen und archäologischen Stratigraphie erstellt und verwenden die Daten von lokalen Wetterstationen als Eingangsparameter. Durch die Kombination der HYDRUS-Ergebnisse mit den Pedotransfer-Funktionen konnte der Einfluss dieser saisonalen Veränderung auf die Prospektionsergebnisse von elektrischen Widerstandsmethoden berechnet werden. Die Ergebnisse der Modellierungsprozesse wurden mit den Geländemessungen verglichen. Die beste Übereinstimmung zwischen Modellergebnissen und den Prospektionsergebnissen konnte für die Fallstudie bei Katzenbach festgestellt werden. Bei dieser wurden die Modelle auf Grundlage von archäologischen Grabungsergebnissen und detaillierten bodenkundlichen Analysen erstellt. Weitere Fallstudien zeigen, dass elektrische Widerstandsmodelle eingesetzt werden können, um den Einfluss von ungünstigen Prospektionsbedingungen auf die Ergebnisse der elektrischen Widerstandsmessungen abzuschätzen. Diese Informationen unterstützen die Planung und Anwendung der Methoden im Gelände und ermöglichen eine effektivere Interpretation der Prospektionsergebnisse. Die präsentierten Modellierungsansätze benötigen eine weitere Verifizierung durch den Vergleich der Modellierungsergebnisse mit detailliertem geophysikalischem Gelände-Monitoring von archäologischen Fundstellen. Zusätzlich könnten elektrische Widerstandsmessungen an künstlichen Mauerstrukturen unter kontrollierten Bedingungen zur Überprüfung der Modellierungsprozesse genutzt werden.