Fast frontend electronics for high rate particle detectors

Future experiments in nuclear and particle physics are moving towards the high luminosity regime in order to access rare processes. In this framework, particle detectors require high rate capability together with excellent timing resolution for precise event reconstruction. In order to achieve this, the development of dedicated FrontEnd Electronics (FEE) for detectors has become increasingly challenging and expensive. Thus, a current trend in R&D is towards flexible FEE that can be easily adapted to a great variety of detectors, without impairing the required high performance. This thesis reports on a novel FEE for two different detector types: imaging Cherenkov counters and plastic scintillator arrays. The former requires high sensitivity and precision for detection of single photon signals, while the latter is characterized by slower and larger signals typical of scintillation processes. The FEE design was developed using high-bandwidth preamplifiers and fast discriminators which provide Time-over-Threshold (ToT). The use of discriminators allowed for low power consumption, minimal dead-times and self-triggering capabilities, all fundamental aspects for high rate applications. The output signals of the FEE are readout by a high precision TDC system based on FPGA. The performed full characterization of the analogue signals under realistic conditions proved that the ToT information can be used in a novel way for charge measurements or walk corrections, thus improving the obtainable timing resolution. Detailed laboratory investigations proved the feasibility of the ToT method. The full readout chain was investigated in test experiments at the Mainz Microtron: high counting rates per channel of several MHz were achieved, and a timing resolution of better than 100 ps after walk correction based on ToT was obtained. Ongoing applications to fast Time-of-Flight counters and future developments of FEE have been also recently investigated.

Generating vegetation-spectra as a basis for global monitoring of annual vegetation cycles using DOAS satellite observations

Vegetation-cycles are of general interest for many applications. Be it for harvest-predictions, global monitoring of climate-change or as input to atmospheric models.rnrnCommon Vegetation Indices use the fact that for vegetation the difference between Red and Near Infrared reflection is higher than in any other material on Earth’s surface. This gives a very high degree of confidence for vegetation-detection.rnrnThe spectrally resolving data from the GOME and SCIAMACHY satellite-instrumentsrnprovide the chance to analyse finer spectral features throughout the Red and Near Infrared spectrum using Differential Optical Absorption Spectroscopy (DOAS). Although originally developed to retrieve information on atmospheric trace gases, we use it to gain information on vegetation. Another advantage is that this method automatically corrects for changes in the atmosphere. This renders the vegetation-information easily comparable over long time-spans.rnThe first results using previously available reference spectra were encouraging, but also indicated substantial limitations of the available reflectance spectra of vegetation. This was the motivation to create new and more suitable vegetation reference spectra within this thesis.rnThe set of reference spectra obtained is unique in its extent and also with respect to its spectral resolution and the quality of the spectral calibration. For the first time, this allowed a comprehensive investigation of the high-frequency spectral structures of vegetation reflectance and of their dependence on the viewing geometry.rnrnThe results indicate that high-frequency reflectance from vegetation is very complex and highly variable. While this is an interesting finding in itself, it also complicates the application of the obtained reference spectra to the spectral analysis of satellite observations.rnrnThe new set of vegetation reference spectra created in this thesis opens new perspectives for research. Besides refined satellite analyses, these spectra might also be used for applications on other platforms such as aircraft. First promising studies have been presented in this thesis, but the full potential for the remote sensing of vegetation from satellite (or aircraft) could bernfurther exploited in future studies.

E-ToF-Messungen mit kalorimetrischen Tieftemperatur-Detektoren zur Bestimmung spezischer Energieverluste und zur Massenidentifikation niederenergetischer Schwerionen

Kalorimetrische Tieftemperatur-Detektoren (Calorimetric Low Temperature Detectors, CLTDs) wurden erstmals in Messungen zur Bestimmung des spezifischen Energieverlustes (dE/dx) niederenergetischer Schwerionen beim Durchgang durch Materie eingesetzt. Die Messungen wurden im Energiebereich unterhalb des Bragg-Peaks, mit 0.1 - 1.4 MeV/u 238U-Ionen in Kohlenstoff und Gold sowie mit 0.05 - 1.0 MeV/u 131Xe-Ionen in Kohlenstoff, Nickel und Gold, durchgeführt. Die Kombination der CLTDs mit einem Flugzeitdetektor ermöglichte dabei, kontinuierliche dE/dx-Kurven über größere Energiebereiche hinweg simultan zu bestimmen. Im Vergleich zu herkömmlichen Meßsystemen, die Ionisationsdetektoren zur Energiemessung verwenden, erlaubten die höhere Energieauflösung und -linearität der CLTDs eine Verringerung der Kalibrierungsfehler sowie eine Erweiterung des zugänglichen Energiebereiches der dE/dx-Messungen in Richtung niedriger Energien. Die gewonnen Daten können zur Anpassung theoretischer und semi-empirischer Modelle und somit zu einer Erhöhung der Präzision bei der Vorhersage spezifischer Energieverluste schwerer Ionen beitragen. Neben der experimentellen Bestimmung neuer Daten wurden das alternative Detektionsprinzip der CLTDs, die Vorteile dieser Detektoren bezüglich Energieauflösung und -linearität sowie der modulare Aufbau des CLTD-Arrays aus mehreren Einzeldetektoren genutzt, um diese Art von Messung auf potentielle systematische Unsicherheiten zu untersuchen. Unter anderem wurden hierbei unerwartete Channeling-Effekte beim Durchgang der Ionen durch dünne polykristalline Absorberfolien beobachtet. Die koinzidenten Energie- und Flugzeitmessungen (E-ToF) wurden weiterhin genutzt, um das Auflösungsvermögen des Detektor-Systems bei der direkten in-flight Massenbestimmung langsamer und sehr schwerer Ionen zu bestimmen. Durch die exzellente Energieauflösung der CLTDs konnten hierbei Massenauflösungen von Delta-m(FWHM) = 1.3 - 2.5 u für 0.1 - 0.6 MeV/u 238U-Ionen erreicht werden. In einer E-ToF-Messung mit Ionisationsdetektoren sind solche Werte in diesem Energie- und Massenbereich aufgrund der Limitierung der Energieauflösung durch statistische Schwankungen von Verlustprozessen beim Teilchennachweis nicht erreichbar.

Probing the decay characteristics of the Pygmy Dipole Resonance in the semi-magic nucleus 140 Ce with gamma-gamma coincidence measurements

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neuartiger Experimentaufbau -- das γ3 Experiment -- zur Messung von photoneninduzierten Kern-Dipolanregungen in stabilen Isotopen konzipiert und an der High Intensity γ-Ray Source (HIγS) an der Duke University installiert.rnDie hohe Energieauflösung und die hohe Nachweiseffizienz des Detektoraufbaus, welcher aus einer Kombination von LaBr Szintillatoren und hochreinen Germanium-Detektoren besteht, erlaubt erstmals die effiziente Messung von γ-γ-Koinzidenzen in Verbindung mit der Methode der Kernresonanzfluoreszenz.rnDiese Methode eröffnet den Zugang zum Zerfallsverhalten der angeregten Dipolzustände als zusätzlicher Observablen, die ein detaillierteres Verständnis der zugrunde liegenden Struktur dieser Anregungen ermöglicht.rnDer Detektoraufbau wurde bereits erfolgreich im Rahmen von zwei Experimentkampagnen in 2012 und 2013 für die Untersuchung von 13 verschiedenen Isotopen verwendet. Im Fokus dieser Arbeit stand die Analyse der Pygmy-Dipolresonanz (PDR) im Kern 140Ce im Energiebereich von 5,2 MeV bis 8,3 MeV basierend auf den mit dem γ3 Experimentaufbau gemessenen Daten. Insbesondere das Zerfallsverhalten der Zustände, die an der PDR beteiligt sind, wurde untersucht. Der Experimentaufbau, die Details der Analyse sowie die Resultate werden in der vorliegenden Arbeit präsentiert. Desweiteren erlaubt ein Vergleich der Ergebnisse mit theoretischen Rechnungen im quasi-particle phonon model (QPM) eine Interpretation des beobachteten Zerfallsverhaltens.

Plasmonic nanoparticles as sensors : a novel approach to quantify adsorption and diffusion kinetics

Biosensors find wide application in clinical diagnostics, bioprocess control and environmental monitoring. They should not only show high specificity and reproducibility but also a high sensitivity and stability of the signal. Therefore, I introduce a novel sensor technology based on plasmonic nanoparticles which overcomes both of these limitations. Plasmonic nanoparticles exhibit strong absorption and scattering in the visible and near-infrared spectral range. The plasmon resonance, the collective coherent oscillation mode of the conduction band electrons against the positively charged ionic lattice, is sensitive to the local environment of the particle. I monitor these changes in the resonance wavelength by a new dark-field spectroscopy technique. Due to a strong light source and a highly sensitive detector a temporal resolution in the microsecond regime is possible in combination with a high spectral stability. This opens a window to investigate dynamics on the molecular level and to gain knowledge about fundamental biological processes.rnFirst, I investigate adsorption at the non-equilibrium as well as at the equilibrium state. I show the temporal evolution of single adsorption events of fibrinogen on the surface of the sensor on a millisecond timescale. Fibrinogen is a blood plasma protein with a unique shape that plays a central role in blood coagulation and is always involved in cell-biomaterial interactions. Further, I monitor equilibrium coverage fluctuations of sodium dodecyl sulfate and demonstrate a new approach to quantify the characteristic rate constants which is independent of mass transfer interference and long term drifts of the measured signal. This method has been investigated theoretically by Monte-Carlo simulations but so far there has been no sensor technology with a sufficient signal-to-noise ratio.rnSecond, I apply plasmonic nanoparticles as sensors for the determination of diffusion coefficients. Thereby, the sensing volume of a single, immobilized nanorod is used as detection volume. When a diffusing particle enters the detection volume a shift in the resonance wavelength is introduced. As no labeling of the analyte is necessary the hydrodynamic radius and thus the diffusion properties are not altered and can be studied in their natural form. In comparison to the conventional Fluorescence Correlation Spectroscopy technique a volume reduction by a factor of 5000-10000 is reached.

Rastertunnelmikroskopie kombiniert mit optischen Methoden und ihre Anwendung für opto-elektronische Experimente an nanoskopischen Strukturen

Die vorliegende Arbeit untersucht mittels lichtunterstützter Tunnelmikroskopie (STM) den Elektronentransport in farbstoffbedeckten, nanoporösen TiO2-Schichten, die in photoelektrochemischen Solarzellen eingesetzt werden. Transportrelevante Eigenschaften wie die elektronische Zustandsdichte sowie lichtinduzierte Vorgänge wie der Aufbau einer lichtinduzierten Oberflächenladung und lokale Photoströme werden ortsaufgelöst gemessen. Für einen möglichen Einsatz in lichtunterstützter Tunnelmikroskopie werden desweiteren Gold-Nanopartikel auf einer Amino-Hexanthiol-Monolage auf Coulomb-Blockaden untersucht. Den zweite Schwerpunkt stellen methodische Arbeiten zur Messung optischer Nahfelder in STM-Experimenten dar. Erstens sollen die Vorteile von Apertur- und aperturloser optischer Rasternahfeld-Mikroskopie mit komplett metallisierten Faserspitzen verbunden werden, die durch die Faser beleuchtet werden. Es gelingt nicht, theoretisch vorhergesagte hohe optische Auflösungen zu bestätigen. Zweitens werden transparente Spitzen aus Sb-dotiertem Zinnoxid erfolgreich als Tunnelspitzen getestet. Die Spitzen ermöglichen STM-Elektrolumineszenz-Experimente zur Charakterisierung optischer Nahfelder, ohne diese durch eine metallische Spitze zu beeinträchtigen. In einer STM-Studie wird das Selbstorganisations-Verhalten von Oktanthiol und Oktandithiol auf Au(111) aus Ethanol untersucht. Bei geringer relativer Konzentration der Dithiole (1:2000), bildet sich eine Phase liegender Dithiole, deren Ordnung durch die Präsenz der Oktanthiole katalysiert wird. Schließlich wird ein als 'dynamische Tunnelmikroskopie' bezeichneter Modus für die Tunnelmikroskopie in elektrisch leitfähiger Umgebung erfolgreich getestet, der zur Unterdrückung des elektrochemischen Leckstromanteils die Ableitung des Stroms nach dem Abstand als STM-Abstandssignal verwendet.

Massenspektrometrische in-situ Messungen zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung von natürlichem und anthropogenem Aerosol

Für die vorliegende Arbeit wurde die chemische Zusammensetzung von natürlichen und anthropogenen Aerosolpartikeln untersucht. Zu diesem Zweck wurde das Aerosolmassenspektrometer (AMS) der Firma Aerodyne, Inc. eingesetzt, womit neben den chemischen Substanzen auch die Massengrößenverteilungen der einzelnen Komponenten der Aerosolpartikel in einem Größenbereich zwischen 20 und 1500 nm quantitativ gemessen werden können. Im Rahmen der HAZE2002-Messkampagne am Meteorologischen Observatorium Hohenpeißenberg wurden die Aerosolpartikel aus natürlichen Quellen untersucht. Diese Partikel bestanden aus Sulfat, Nitrat, Ammonium und organischen Komponenten (Organics). Sulfat, Nitrat und Ammonium wiesen den gleichen Durchmesser auf, was auf eine interne Mischung dieser drei chemischen Substanzen in den Partikeln hinwies. Die Organics hatten einen kleineren Durchmesser, was auf jüngere Partikel hindeutete. Die Analyse der organischen Substanzen in den Aerosolpartikeln zeigte, dass diese zu einem großen Teil aus oxidierten Kohlenwasserstoffen bestanden, die während den Nachmittagsstunden gebildet wurden. Die thermische Abhängigkeit der Bildung von Ammoniumnitrat konnte sowohl gemessen als auch mit Hilfe Konzentrationsberechnungen nach [Seinfeld und Pandis, 1998] nachvollzogen werden. Die gemessene Partikelneubildung konnte auf die ternäre Nukleation aus H2SO4/H2O/NH3 zurückgeführt werden. Aerosolpartikel aus anthropogenen Quellen, wie z.B. der motorischen Verbrennung, wurden während der Messungen in Zusammenarbeit mit dem Ford Forschungszentrum in Aachen (FFA) untersucht. Nukleationspartikel (D 45 nm) konnten bei Experimenten auf dem Rollenprüfstand nur bei einer ausreichend hohen Verdünnung, einem hohen Schwefelgehalt im Kraftstoff und einem hohen Lastzustand nachgewiesen werden. Die Messungen an der Autobahn A4 ergaben eine bimodale Massengrößenverteilung der organischen Partikel, wobei die erste Mode Partikeln aus der motorischen Verbrennungen zugeschrieben werden konnte. Aufgrund der guten Charakterisierung stellt das AMS ein vielseitig einsetzbares Aerosolmessgerät dar, welches in einer hohen Zeitauflösung eine quantitative, größenaufgelöste chemische Analyse der zu messenden Aerosolpartikel bereitstellt.

Untersuchung von NEA-Photokathoden mittels zeitlich hochauflösender Vermessung von Intensitäts- und Spinpolarisationsverteilungen

Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung von Photokathoden mit negativer Elektronenaffinität (NEA) mittels zeitlich hochauflösender Vermessung der emittierten Ladungs- und Spinpolarisationsverteilungen nach Anregung mit einem ultrakurzen Laserpuls. Untersucht wurden uniaxial deformierte GaAsP-Photokathoden mit dünnen emittierenden Schichten (≤150nm), sowie undeformierte GaAs-Photokathoden mit unterschiedlichen Schichtdicken. Die Untersuchungen wurden an einer 100keV-Elektronenquelle durchgeführt, wie sie am Mainzer Mikrotron (MAMI) zur Erzeugung eines Spinpolarisierten Elektronenstrahls verwendet wird. Mit der Apparatur konnte eine Zeitauflösung von 2,5ps erreicht werden. Es zeigte sich, dass die tatsächliche Antwortzeit der Photokathoden die erreichte Zeitauflösung noch unterschreitet. Eine Depolarisation in den kurzen, wegen der Zeitauflösung auf 2,5ps begrenzten, Elektronenpulsen konnte aber nachgewiesen werden. Weiterhin wurde gezeigt, dass der Polarisationsverlust der emittierten Elektronen bei dünnen Schichten im Wesentlichen auf eine energiekorrelierte Depolarisation beim Durchqueren der Bandbiegungszone zurückzuführen ist. Als weiteres Resultat wird, für die GaAsP-Photokathoden mit einer Schichtdicke von 150nm, eine Obergrenze für die mittlere Emissionszeit von ≤1,25ps angegeben. Daraus ergibt sich nach dem hier verwendeten Diffusionsmodell eine Untergrenze für die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit an der Bandbiegungszone von S≥1,2·10^7 cm/s.

Untersuchung zur Bestimmung quantitativer Parameter der Lungenventilation mittels CT und MRT

Die zuverlässige Berechnung von quantitativen Parametern der Lungenventilation ist für ein Verständnis des Verhaltens der Lunge und insbesondere für die Diagnostik von Lungenerkrankungen von großer Bedeutung. Nur durch quantitative Parameter sind verlässliche und reproduzierbare diagnostische Aussagen über den Gesundheitszustand der Lunge möglich. Im Rahmen dieser Arbeit wurden neue quantitative Verfahren zur Erfassung der Lungenventilation basierend auf der dynamischen Computer- (CT) und Magnetresonanztomographie (MRT) entwickelt. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde die Frage untersucht, ob das Aufblähen der Lunge in gesunden Schweinelungen und Lungen mit Akutem Lungenversagen (ARDS) durch einzelne, diskrete Zeitkonstanten beschrieben werden kann, oder ob kontinuierliche Verteilungen von Zeitkonstanten die Realität besser beschreiben. Hierzu wurden Serien dynamischer CT-Aufnahmen während definierter Beatmungsmanöver (Drucksprünge) aufgenommen und anschließend aus den Messdaten mittels inverser Laplace-Transformation die zugehörigen Verteilungen der Zeitkonstanten berechnet. Um die Qualität der Ergebnisse zu analysieren, wurde der Algorithmus im Rahmen von Simulationsrechnungen systematisch untersucht und anschließend in-vivo an gesunden und ARDS-Schweinelungen eingesetzt. Während in den gesunden Lungen mono- und biexponentielle Verteilungen bestimmt wurden, waren in den ARDS-Lungen Verteilungen um zwei dominante Zeitkonstanten notwendig, um die gemessenen Daten auf der Basis des verwendeten Modells verlässlich zu beschreiben. Es wurden sowohl diskrete als auch kontinuierliche Verteilungen gefunden. Die CT liefert Informationen über das solide Lungengewebe, während die MRT von hyperpolarisiertem 3He in der Lage ist, direkt das eingeatmete Gas abzubilden. Im zweiten Teil der Arbeit wurde zeitlich hochaufgelöst das Einströmen eines 3He-Bolus in die Lunge erfasst. Über eine Entfaltungsanalyse wurde anschließend das Einströmverhalten unter Idealbedingungen (unendlich kurzer 3He-Bolus), also die Gewebeantwortfunktion, berechnet und so eine Messtechnik-unabhängige Erfassung des Einströmens von 3He in die Lunge ermöglicht. Zentrale Fragestellung war hier, wie schnell das Gas in die Lunge einströmt. Im Rahmen von Simulationsrechnungen wurde das Verhalten eines Entfaltungsalgorithmus (basierend auf B-Spline Repräsentationen) systematisch analysiert. Zusätzlich wurde ein iteratives Entfaltungsverfahren eingesetzt. Aus zeitlich hochaufgelösten Messungen (7ms) an einer gesunden und einer ARDS-Schweinelunge konnte erstmals nachgewiesen werden, dass das Einströmen in-vivo in weniger als 0,1s geschieht. Die Ergebnisse zeigen Zeitkonstanten im Bereich von 4ms–50ms, wobei zwischen der gesunden Lungen und der ARDS-Lunge deutliche Unterschiede beobachtet wurden. Zusammenfassend ermöglichen daher die in dieser Arbeit vorgestellten Algorithmen eine objektivere Bestimmung quantitativer Parameter der Lungenventilation. Dies ist für die eindeutige Beschreibung ventilatorischer Vorgänge in der Lunge und somit für die Lungendiagnostik unerlässlich. Damit stehen quantitative Methoden für die Lungenfunktionsdiagnostik zur Verfügung, deren diagnostische Relevanz im Rahmen wissenschaftlicher und klinischer Studien untersucht werden kann.

Verifikation der Niederschlagsvorhersage für Deutschland von 2001 - 2004

Die Verifikation numerischer Modelle ist für die Verbesserung der Quantitativen Niederschlagsvorhersage (QNV) unverzichtbar. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung von neuen Methoden zur Verifikation der Niederschlagsvorhersagen aus dem regionalen Modell der MeteoSchweiz (COSMO-aLMo) und des Globalmodells des Europäischen Zentrums für Mittelfristvorhersage (engl.: ECMWF). Zu diesem Zweck wurde ein neuartiger Beobachtungsdatensatz für Deutschland mit stündlicher Auflösung erzeugt und angewandt. Für die Bewertung der Modellvorhersagen wurde das neue Qualitätsmaß „SAL“ entwickelt. Der neuartige, zeitlich und räumlich hoch-aufgelöste Beobachtungsdatensatz für Deutschland wird mit der während MAP (engl.: Mesoscale Alpine Program) entwickelten Disaggregierungsmethode erstellt. Die Idee dabei ist, die zeitlich hohe Auflösung der Radardaten (stündlich) mit der Genauigkeit der Niederschlagsmenge aus Stationsmessungen (im Rahmen der Messfehler) zu kombinieren. Dieser disaggregierte Datensatz bietet neue Möglichkeiten für die quantitative Verifikation der Niederschlagsvorhersage. Erstmalig wurde eine flächendeckende Analyse des Tagesgangs des Niederschlags durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass im Winter kein Tagesgang existiert und dies vom COSMO-aLMo gut wiedergegeben wird. Im Sommer dagegen findet sich sowohl im disaggregierten Datensatz als auch im COSMO-aLMo ein deutlicher Tagesgang, wobei der maximale Niederschlag im COSMO-aLMo zu früh zwischen 11-14 UTC im Vergleich zu 15-20 UTC in den Beobachtungen einsetzt und deutlich um das 1.5-fache überschätzt wird. Ein neues Qualitätsmaß wurde entwickelt, da herkömmliche, gitterpunkt-basierte Fehlermaße nicht mehr der Modellentwicklung Rechnung tragen. SAL besteht aus drei unabhängigen Komponenten und basiert auf der Identifikation von Niederschlagsobjekten (schwellwertabhängig) innerhalb eines Gebietes (z.B. eines Flusseinzugsgebietes). Berechnet werden Unterschiede der Niederschlagsfelder zwischen Modell und Beobachtungen hinsichtlich Struktur (S), Amplitude (A) und Ort (L) im Gebiet. SAL wurde anhand idealisierter und realer Beispiele ausführlich getestet. SAL erkennt und bestätigt bekannte Modelldefizite wie das Tagesgang-Problem oder die Simulation zu vieler relativ schwacher Niederschlagsereignisse. Es bietet zusätzlichen Einblick in die Charakteristiken der Fehler, z.B. ob es sich mehr um Fehler in der Amplitude, der Verschiebung eines Niederschlagsfeldes oder der Struktur (z.B. stratiform oder kleinskalig konvektiv) handelt. Mit SAL wurden Tages- und Stundensummen des COSMO-aLMo und des ECMWF-Modells verifiziert. SAL zeigt im statistischen Sinne speziell für stärkere (und damit für die Gesellschaft relevante Niederschlagsereignisse) eine im Vergleich zu schwachen Niederschlägen gute Qualität der Vorhersagen des COSMO-aLMo. Im Vergleich der beiden Modelle konnte gezeigt werden, dass im Globalmodell flächigere Niederschläge und damit größere Objekte vorhergesagt werden. Das COSMO-aLMo zeigt deutlich realistischere Niederschlagsstrukturen. Diese Tatsache ist aufgrund der Auflösung der Modelle nicht überraschend, konnte allerdings nicht mit herkömmlichen Fehlermaßen gezeigt werden. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Methoden sind sehr nützlich für die Verifikation der QNV zeitlich und räumlich hoch-aufgelöster Modelle. Die Verwendung des disaggregierten Datensatzes aus Beobachtungen sowie SAL als Qualitätsmaß liefern neue Einblicke in die QNV und lassen angemessenere Aussagen über die Qualität von Niederschlagsvorhersagen zu. Zukünftige Anwendungsmöglichkeiten für SAL gibt es hinsichtlich der Verifikation der neuen Generation von numerischen Wettervorhersagemodellen, die den Lebenszyklus hochreichender konvektiver Zellen explizit simulieren.

Evaporation of sessile microdrops studied with microcantilevers

The aim of this work is to investigate the evaporation dynamics of water microdrops deposited on atomic force microscope cantilevers, which were employed as sensitive stress, mass and temperature sensors with high time resolution. The technique has some advantages with respect to video-microscope imaging and ultra-precision weighting with electronic microbalances or quartz crystal microbalances, since it allows to measure more drop parameters simultaneously for smaller drop sizes. On hydrophobic surfaces a single measurement with a silicon cantilever provides data for the drop mass, contact angle and radius until very close to complete evaporation. On hydrophilic surfaces, it is as well possible to measure drop mass and inclination of the cantilever. The technique further allows to detect differences between water microdrops evaporating from clean hydrophilic and hydrophobic surfaces. On hydrophilic surfaces the cantilever inclination is negative at the end of the evaporation process. Negative inclination mostly occurs when drops are pinned. This effect can not be detected with any of the other well-established methods. The evidence arises that on the hydrophilic surface a thin water film forms, while this is not the case for the hydrophobic surface. Metal coated cantilevers can be used as thermometers, and allow to precisely measure the temperature of an evaporating microdrop. This can be relevant for further applications of cantilevers as calorimetric sensors for chemical reactions taking place in drops on their surface. The applicability of Young’s equation was verified for microdrops. It was shown that Young’s equation can not be applied to microscopic drops due to their fast evaporation. A study on evaporation of microdrops in saturated vapor atmosphere was performed to estimate evaporation times and compare them with a theory developed, which relates the initial drop volume with the overall evaporation time.

Diffusion in polymer systems studied by fluorescence correlation spectroscopy

Fluorescence correlation spectroscopy (FCS) is a powerful technique to determine the diffusion of fluorescence molecules in various environments. The technique is based on detecting and analyzing the fluctuation of fluorescence light emitted by fluorescence species diffusing through a small and fixed observation volume, formed by a laser focused into the sample. Because of its great potential and high versatility in addressing the diffusion and transport properties in complex systems, FCS has been successfully applied to a great variety of systems. In my thesis, I focused on the application of FCS to study the diffusion of fluorescence molecules in organic environments, especially in polymer melts. In order to examine our FCS setup and a developed measurement protocol, I first utilized FCS to measure tracer diffusion in polystyrene (PS) solutions, for which abundance data exist in the literature. I studied molecular and polymeric tracer diffusion in polystyrene solutions over a broad range of concentrations and different tracer and matrix molecular weights (Mw). Then FCS was further established to study tracer dynamics in polymer melts. In this part I investigated the diffusion of molecular tracers in linear flexible polymer melts [polydimethylsiloxane (PDMS), polyisoprene (PI)], a miscible polymer blend [PI and poly vinyl ethylene (PVE)], and star-shaped polymer [3-arm star polyisoprene (SPI)]. The effects of tracer sizes, polymer Mw, polymer types, and temperature on the diffusion coefficients of small tracers were discussed. The distinct topology of the host polymer, i.e. star polymer melt, revealed the notably different motion of the small tracer, as compared to its linear counterpart. Finally, I emphasized the advantage of the small observation volume which allowed FCS to investigate the tracer diffusions in heterogeneous systems; a swollen cross-linked PS bead and silica inverse opals, where high spatial resolution technique was required.

Total internal reflection fluorescence cross-correlation spectroscopy: theory and application for studying boundary slip phenomenon

I present a new experimental method called Total Internal Reflection Fluorescence Cross-Correlation Spectroscopy (TIR-FCCS). It is a method that can probe hydrodynamic flows near solid surfaces, on length scales of tens of nanometres. Fluorescent tracers flowing with the liquid are excited by evanescent light, produced by epi-illumination through the periphery of a high NA oil-immersion objective. Due to the fast decay of the evanescent wave, fluorescence only occurs for tracers in the ~100 nm proximity of the surface, thus resulting in very high normal resolution. The time-resolved fluorescence intensity signals from two laterally shifted (in flow direction) observation volumes, created by two confocal pinholes are independently measured and recorded. The cross-correlation of these signals provides important information for the tracers’ motion and thus their flow velocity. Due to the high sensitivity of the method, fluorescent species with different size, down to single dye molecules can be used as tracers. The aim of my work was to build an experimental setup for TIR-FCCS and use it to experimentally measure the shear rate and slip length of water flowing on hydrophilic and hydrophobic surfaces. However, in order to extract these parameters from the measured correlation curves a quantitative data analysis is needed. This is not straightforward task due to the complexity of the problem, which makes the derivation of analytical expressions for the correlation functions needed to fit the experimental data, impossible. Therefore in order to process and interpret the experimental results I also describe a new numerical method of data analysis of the acquired auto- and cross-correlation curves – Brownian Dynamics techniques are used to produce simulated auto- and cross-correlation functions and to fit the corresponding experimental data. I show how to combine detailed and fairly realistic theoretical modelling of the phenomena with accurate measurements of the correlation functions, in order to establish a fully quantitative method to retrieve the flow properties from the experiments. An importance-sampling Monte Carlo procedure is employed in order to fit the experiments. This provides the optimum parameter values together with their statistical error bars. The approach is well suited for both modern desktop PC machines and massively parallel computers. The latter allows making the data analysis within short computing times. I applied this method to study flow of aqueous electrolyte solution near smooth hydrophilic and hydrophobic surfaces. Generally on hydrophilic surface slip is not expected, while on hydrophobic surface some slippage may exists. Our results show that on both hydrophilic and moderately hydrophobic (contact angle ~85°) surfaces the slip length is ~10-15nm or lower, and within the limitations of the experiments and the model, indistinguishable from zero.

Fluctuation spectroscopy of single plasmonic nanostructures

Plasmonic nanoparticles are great candidates for sensing applications with optical read-out. Plasmon sensing is based on the interaction of the nanoparticle with electromagnetic waves where the particle scatters light at its resonance wavelength. This wavelength depends on several intrinsic factors like material, shape and size of the nanoparticle as well as extrinsic factors like the refractive index of the surrounding medium. The latter allows the nanoparticle to be used as a sensor; changes in the proximate environment can be directly monitored by the wavelength of the emitted light. Due to their minuscule size and high sensitivity this allows individual nanoparticles to report on changes in particle coverage.rnrnTo use this single particle plasmon sensor for future sensing applications it has to meet the demand for detection of incidents on the single molecule level, such as single molecule sensing or even the detection of conformational changes of a single molecule. Therefore, time resolution and sensitivity have to be enhanced as today’s measurement methods for signal read-out are too slow and not sensitive enough to resolve these processes. This thesis presents a new experimental setup, the 'Plasmon Fluctuation Setup', that leads to tremendous improvements in time resolution and sensitivity. This is achieved by implementation of a stronger light source and a more sensitive detector. The new setup has a time resolution in the microsecond regime, an advancement of 4-6 orders of magnitude to previous setups. Its resonance wavelength stability of 0.03 nm, measured with an exposure time of 10 ms, is an improvement of a factor of 20 even though the exposure time is 3000 times shorter than in previous reports. Thus, previously unresolvable wavelength changes of the plasmon sensor induced by minor local environmental alteration can be monitored with extremely high temporal resolution.rnrnUsing the 'Plasmon Fluctuation Setup', I can resolve adsorption events of single unlabeled proteins on an individual nanorod. Additionally, I monitored the dynamic evolution of a single protein binding event on a millisecond time scale. This feasibility is of high interest as the role of certain domains in the protein can be probed by a study of modified analytes without the need for labels possibly introducing conformational or characteristic changes to the target. The technique also resolves equilibrium fluctuations in the coverage, opening a window into observing Brownian dynamics of unlabeled macromolecules. rnrnA further topic addressed in this thesis is the usability of the nanoruler, two nanospheres connected with a spacer molecule, as a stiffness sensor for the interparticle linker under strong illumination. Here, I discover a light induced collapse of the nanoruler. Furthermore, I exploit the sensing volume of a fixed nanorod to study unlabeled analytes diffusing around the nanorod at concentrations that are too high for fluorescence correlation spectroscopy but realistic for biological systems. Additionally, local pH sensing with nanoparticles is achieved.

Ein neuartiges Interferometer zur Messung magneto-optischer Effekte an L-Absorptionskanten von ferromagnetischen Metallen mit linearpolarisierter Undulatorstrahlung

Am Mainzer Mikrotron MAMI wurde ein neuartiges Interferometer entwickelt und getestet, mit dem magneto-optische Effekte an dünnen, freitragenden Folien von 3d-Übergangsmetallen wie Eisen, Kobalt oder Nickel an den L_{2,3}-Absorptionskanten (im Spektralbereich der weichen Röntgenstrahlung) gemessen werden können. Es handelt sich um eine Weiterentwicklung eines an MAMI erprobten Interferometers, das im wesentlichen aus einer kollinearen Anordnung zweier identischer Undulatoren, zwischen die die dünne Probefolie eingebracht wird, und einem Gitterspektrometer besteht. Aus den als Funktion des Abstands der Undulatoren beobachtbaren Intensitätsoszillation lassen sich das Dekrement des Realteils δ und der Absorptionskoeffizient β des komplexen Brechungsindex bestimmen.rnIm Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Apparatur derart weiterentwickelt, dass auch die magnetisch zirkulare Doppelbrechung Δδ und der magnetisch zirkulare Dichroismus Δβ an den L_{2,3}-Absorptionskanten von Übergangsmetallen gemessen werden können. Der zweite Undulator wurde um die Elektronenstrahlachse um den Winkel Ψ = ±107° drehbar gemacht. Damit dient er auch als Analysator der aus der Folie austretenden elliptisch polarisierten weichen Röntgenstrahlung, für die - wie bei der Faraday-Rotation - die Polarisationsebene gedreht ist. Weiterhin kann die Spaltbreite der 10-poligen Hybrid-Undulatoren mit einer Periodenlänge von 12 mm und damit der Undulatorparameter über eine Antriebsmechanik kontinuierlich variiert werden, wodurch eine optimale Anpassung der Amplituden der Undulatorstrahlung aus den beiden Undulatoren möglich wird. Der maximale Undulatorparameter beträgt K = 1.1. Auch das Spektrometer, das auf einem selbstfokussierenden Gitter mit variierter Liniendichte (im Mittel 1400 Linien / mm) basiert, wurde weiterentwickelt. Als Detektor kommt jetzt eine fensterlose CCD mit 1024 x 1024 Pixeln und einer Pixelgröße von 13 μm x 13 μm zum Einsatz, die im Bildmodus betrieben wird, was die gleichzeitige Messung eines Energieintervalls von ca. 50 eV ermöglicht. Die totale Linienbreite wurde bei einer vertikalen Strahlfleckausdehnung von σ_y = 70 μm (rms) am Neon 1s-3p Übergang bei (867.18 ±0.02) eV zu Δħω = (0.218 ±0.002) eV (FWHM) gemessen. Das hohe Auflösungsvermögen von 4000 und die Möglichkeit der Eichung gegen den 1s-3p Übergang von Neon wurden ausgenutzt, um die Energie der Maxima an den Absorptionskanten von Nickel (weiße Linien) neu zu bestimmen. Die Ergebnisse E_{L_2}=(869.65_{-0.16}^{+0.27}) eV und E_{L_3}=(852.37_{-0.11}^{+0.16}) eV stellen eine Verbesserung früherer Messungen dar, die große Streuungen aufwiesen.rnAus systematischen Messungen als Funktion des Abstandes der Undulatoren und des Drehwinkels Ψ wurden die magnetisch zirkulare Doppelbrechung Δδ im Energiebereich 834 eV ≤ ħω ≤ 885 eV an einer freitragenden, bis zur Sättigung magnetisierten Nickelfolie der Dicke von (96.4 ±2.7) nm gemessen. Sowohl das Auflösungsvermögen als auch die Genauigkeit der Messungen für Δδ übersteigen bekannte Literaturangaben signifikant, so dass eine bisher nicht bekannte Feinstruktur gefunden werden konnte. Außerdem wurde der Betrag des magnetisch zirkularen Dichroismus |Δβ| im Bereich des Maximums an der L_3-Absorptionskante mit hoher Genauigkeit gemessen.rn