Characterisation and field deployment of a novel quantitative Time-of-Flight Aerosol Mass Spectrometer (ToF-AMS)

Das Time-of-Flight Aerosol Mass Spectrometer (ToF-AMS) der Firma Aerodyne ist eine Weiterentwicklung des Aerodyne Aerosolmassenspektrometers (Q-AMS). Dieses ist gut charakterisiert und kommt weltweit zum Einsatz. Beide Instrumente nutzen eine aerodynamische Linse, aerodynamische Partikelgrößenbestimmung, thermische Verdampfung und Elektronenstoß-Ionisation. Im Gegensatz zum Q-AMS, wo ein Quadrupolmassenspektrometer zur Analyse der Ionen verwendet wird, kommt beim ToF-AMS ein Flugzeit-Massenspektrometer zum Einsatz. In der vorliegenden Arbeit wird anhand von Laborexperimenten und Feldmesskampagnen gezeigt, dass das ToF-AMS zur quantitativen Messung der chemischen Zusammensetzung von Aerosolpartikeln mit hoher Zeit- und Größenauflösung geeignet ist. Zusätzlich wird ein vollständiges Schema zur ToF-AMS Datenanalyse vorgestellt, dass entwickelt wurde, um quantitative und sinnvolle Ergebnisse aus den aufgenommenen Rohdaten, sowohl von Messkampagnen als auch von Laborexperimenten, zu erhalten. Dieses Schema basiert auf den Charakterisierungsexperimenten, die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt wurden. Es beinhaltet Korrekturen, die angebracht werden müssen, und Kalibrationen, die durchgeführt werden müssen, um zuverlässige Ergebnisse aus den Rohdaten zu extrahieren. Beträchtliche Arbeit wurde außerdem in die Entwicklung eines zuverlässigen und benutzerfreundlichen Datenanalyseprogramms investiert. Dieses Programm kann zur automatischen und systematischen ToF-AMS Datenanalyse und –korrektur genutzt werden.

The electron antineutrino angular correlation coefficient a in free neutron decay: Testing the standard model with the aSPECT-spectrometer

The beta-decay of free neutrons is a strongly over-determined process in the Standard Model (SM) of Particle Physics and is described by a multitude of observables. Some of those observables are sensitive to physics beyond the SM. For example, the correlation coefficients of the involved particles belong to them. The spectrometer aSPECT was designed to measure precisely the shape of the proton energy spectrum and to extract from it the electron anti-neutrino angular correlation coefficient "a". A first test period (2005/ 2006) showed the “proof-of-principles”. The limiting influence of uncontrollable background conditions in the spectrometer made it impossible to extract a reliable value for the coefficient "a" (publication: Baessler et al., 2008, Europhys. Journ. A, 38, p.17-26). A second measurement cycle (2007/ 2008) aimed to under-run the relative accuracy of previous experiments (Stratowa et al. (1978), Byrne et al. (2002)) da/a =5%. I performed the analysis of the data taken there which is the emphasis of this doctoral thesis. A central point are background studies. The systematic impact of background on a was reduced to da/a(syst.)=0.61 %. The statistical accuracy of the analyzed measurements is da/a(stat.)=1.4 %. Besides, saturation effects of the detector electronics were investigated which were initially observed. These turned out not to be correctable on a sufficient level. An applicable idea how to avoid the saturation effects will be discussed in the last chapter.

First measurements of the aSPECT spectrometer

The aSPECT spectrometer has been constructed to measure, with high precision, the integral proton spectrum of the free neutron decay. From this spectrum the neutrino electron angular correlation coefficient a can be inferred. The coefficient a is involved in several Standard Model tests, like the unitarity test of the Cabibbo-Kobayashi-Maskawa quark mixing matrix. aSPECT has been designed to determine the coefficient a with an accuracy better than 3×10−4, that is, one order of magnitude better than the best current accuracy. First measurements with neutron beam with the aSPECT spectrometer were performed in the Forschungsneutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz, in Munich. A study of the data taken in this period is presented in this thesis, demonstrating the proof of principle of the spectrometer. However, the observation of situation and time-dependent background instabilities impedes the report of a new value of the coefficient a. A thorough data analysis is carried out to identify sources of these background instabilities in order to improve the aSPECT experiment for future beam times. The investigation indicates that trapped particles are most likely the reason for the background problems. Furthermore, it has been observed that measurements containing less trapped particles provide a-values closer to the currently Particle Data Group value. Based on this findings, different measures are proposed to eliminate potential traps in the spectrometer. Indeed, with the proposed modifications realized for the following beam-times, the observed background instabilities were greatly reduced.

Airborne in situ measurements of ice particles in the tropical tropopause layer

Ice clouds have a strong effect on the Earth-atmosphere radiative energy balance, on the distribution of condensable gases in the atmosphere, as well as on the chemical composition of the air. The ice particles in these clouds can take on a variety of shapes which makes the description of the cloud microphysical properties more difficult. In the tropical upper troposphere/lower stratosphere (UTLS), a region where ice cloud abundance is relatively high, different types of ice clouds can be observed. However, in situ measurements are rare due to the high altitude of these clouds and the few available research aircraft, only three worldwide, that can fly at such altitudes.rnThis work focuses on in situ measurements of the tropical UTLS clouds performedrnwith a Cloud Imaging Probe (CIP) and a Forward Scattering Spectrometer Probern(FSSP-100), whereof the CIP is the key instrument of this thesis. The CIP is anrnairborne in situ instrument that obtains two-dimensional shadow images of cloud particles. Several cloud microphysical parameters can be derived from these measurements, e.g. number concentrations and size distributions. In order to obtain a high quality data set, a careful image analysis and several corrections need to be applied to the CIP observations. These methods are described in detail.rnMeasurements within the tropical UTLS have been performed during two campaigns:rnSCOUT-O3, 2005 in Northern Australia and SCOUT-AMMA, 2006 inWest Africa. Thernobtained data set includes first observations of subvisible cirrus clouds over a continental area and observations of the anvils of deep convective clouds. The latter can be further divided into clouds in mesoscale convective system outflows of different ages and clouds in overshooting cloud turrets that even penetrated the stratosphere. The microphysical properties of these three cloud types are discussed in detail. Furthermore, the vertical structure of the ice clouds in the UTLS is investigated. The values of the microphysical parameters were found to decrease with increasing altitude in the upper troposphere. Particle numbers and maximum sizes were also decreasing with increasing age of the outflow clouds. Further differences between the deep convective clouds and subvisible cirrus were found in the particle morphology as well as in the ratio of the observed aerosol particles to cloud particles which indicates that the different freezing processes (deposition, contact, immersion freezing) play different roles in the formation of the respective clouds. For the achievementrnof a better microphysical characterisation and description numerical fits have been adjusted onto the cloud particle size distributions of the subvisible cirrus as well as on the size distributions of the clouds at different altitudes in the UTLS.

Measurement of the proton recoil spectrum in neutron beta decay with the spectrometer aSPECT : study of systematic effects

Precision measurements of observables in neutron beta decay address important open questions of particle physics and cosmology. In this thesis, a measurement of the proton recoil spectrum with the spectrometer aSPECT is described. From this spectrum the antineutrino-electron angular correlation coefficient a can be derived. In our first beam time at the FRM II in Munich, background instabilities prevented us from presenting a new value for a. In the latest beam time at the ILL in Grenoble, the background has been reduced sufficiently. As a result of the data analysis, we identified and fixed a problem in the detector electronics which caused a significant systematic error. The aim of the latest beam time was a new value for a with an error well below the present literature value of 4%. A statistical accuracy of about 1.4% was reached, but we could only set upper limits on the correction of the problem in the detector electronics, too high to determine a meaningful result. This thesis focused on the investigation of different systematic effects. With the knowledge of the systematics gained in this thesis, we are able to improve aSPECT to perform a 1% measurement of a in a further beam time.

Measurement of the unpolarized K+ Lambda and K+ Sigma 0 electroproduction cross-section off the proton with KAOS-spectrometer

The new stage of the Mainz Microtron, MAMI, at the Institute for Nuclear Physics of the Johannes Gutenberg-University, operational since 2007, allows open strangeness experiments to be performed. Covering the lack of electroproduction data at very low Q2, p(e,K+)Lambda and p(e,K+)Sigma0, reactions have been studied at Q^2 = 0.036(GeV/c)^2 andrnQ^2 = 0.05(GeV=c)^2 in a large angular range. Cross-section at W=1.75rnGeV will be given in angular bins and compared with the predictions of Saclay-Lyon and Kaon Maid isobaric models. We conclude that the original Kaon-Maid model, which has large longitudinal couplings of the photon to nucleon resonances, is unphysical. Extensive studies for the suitability of silicon photomultipliers as read out devices for a scintillating fiber tracking detector, with potential applications in both positive and negative arms of the spectrometer, will be presented as well.

Etablierung eines high content imaging-basierten in vitro Testsystems zur Evaluierung genotoxischer Substanzen

Zur Registrierung von Pharmazeutika ist eine umfassende Analyse ihres genotoxischen Potentials von Nöten. Aufgrund der Vielzahl genotoxischer Mechanismen und deren resultierenden Schäden wird ein gestaffeltes Testdesign durch die ICH-Richtlinie S2(R1) „Guidance on genotoxicity testing and data interpretation for pharmaceuticals intended for human use S2(R1)“ definiert, um alle genotoxischen Substanzen zu identifizieren. Die Standardtestbatterie ist in der frühen Phase der Arzneimittelentwicklung aufgrund des geringen Durchsatzes und des Mangels an verfügbarer Substanzmenge vermindert anwendbar. Darüber hinaus verfügen in vitro Genotoxizitätstests in Säugerzellen über eine relativ geringe Spezifität. Für eine vollständige Sicherheitsbeurteilung wird eine in vivo Testung auf Kanzerogenität benötigt. Allerdings sind diese Testsysteme kosten- und zeitintensiv. Aufgrund dessen zielen neue Forschungsansätze auf die Verbesserung der Prädiktivität und die Erfassung des genotoxischen Potentials bereits in der frühen Phase der Arzneimittelentwicklung ab. Die high content imaging (HCI)-Technologie offeriert einen Ansatz zur Verbesserung des Durchsatzes verglichen mit der Standardtestbatterie. Zusätzlich hat ein Zell-basiertes Modell den Vorteil Daten relativ schnell bei gleichzeitig geringem Bedarf an Substanzmenge zu generieren. Demzufolge ermöglichen HCI-basierte Testsysteme eine Prüfung in der frühen Phase der pharmazeutischen Arzneimittelentwicklung. Das Ziel dieser Studie ist die Entwicklung eines neuen, spezifischen und sensitiven HCI-basierten Testsytems für Genotoxine und Progenotoxine in vitro unter Verwendung von HepG2-Zellen gewesen. Aufgrund ihrer begrenzten metabolischen Kapazität wurde ein kombiniertes System bestehend aus HepG2-Zellen und einem metabolischen Aktivierungssystem zur Testung progenotoxischer Substanzen etabliert. Basierend auf einer vorherigen Genomexpressionsprofilierung (Boehme et al., 2011) und einer Literaturrecherche wurden die folgenden neun unterschiedlichen Proteine der DNA-Schadensantwort als putative Marker der Substanz-induzierten Genotoxizität ausgewählt: p-p53 (Ser15), p21, p-H2AX (Ser139), p-Chk1 (Ser345) p-ATM (Ser1981), p-ATR (Ser428), p-CDC2 (Thr14/Tyr15), GADD45A und p-Chk2 (Thr68). Die Expression bzw. Aktivierung dieser Proteine wurde 48 h nach Behandlung mit den (pro-) genotoxischen Substanzen (Cyclophosphamid, 7,12-Dimethylbenz[a]anthracen, Aflatoxin B1, 2-Acetylaminofluoren, Methylmethansulfonat, Actinomycin D, Etoposid) und den nicht-genotoxischen Substanzen (D-Mannitol, Phenforminhydrochlorid, Progesteron) unter Verwendung der HCI-Technologie ermittelt. Die beste Klassifizierung wurde bei Verwendung der folgenden fünf der ursprünglichen neun putativen Markerproteine erreicht: p-p53 (Ser15), p21, p-H2AX (Ser139), p-Chk1 (Ser345) und p-ATM (Ser1981). In einem zweiten Teil dieser Arbeit wurden die fünf ausgewählten Proteine mit Substanzen, welche von dem European Centre for the Validation of Alternative Methods (ECVAM) zur Beurteilung der Leistung neuer oder modifizierter in vitro Genotoxizitätstests empfohlen sind, getestet. Dieses neue Testsystem erzielte eine Sensitivität von 80 % und eine Spezifität von 86 %, was in einer Prädiktivität von 84 % resultierte. Der synergetische Effekt dieser fünf Proteine ermöglicht die Identifizierung von genotoxischen Substanzen, welche DNA-Schädigungen durch eine Vielzahl von unterschiedlichen Mechanismen induzieren, mit einem hohen Erfolg. Zusammenfassend konnte ein hochprädiktives Prüfungssystem mit metabolischer Aktivierung für ein breites Spektrum potenziell genotoxischer Substanzen generiert werden, welches sich aufgrund des hohen Durchsatzes, des geringen Zeitaufwandes und der geringen Menge benötigter Substanz zur Substanzpriorisierung und -selektion in der Phase der Leitstrukturoptimierung eignet und darüber hinaus mechanistische Hinweise auf die genotoxische Wirkung der Testsubstanz liefert.

Imaging and modeling of pore scale processes in porous media using X-ray computed tomography and lattice Boltzmann solver

In der Erdöl– und Gasindustrie sind bildgebende Verfahren und Simulationen auf der Porenskala im Begriff Routineanwendungen zu werden. Ihr weiteres Potential lässt sich im Umweltbereich anwenden, wie z.B. für den Transport und Verbleib von Schadstoffen im Untergrund, die Speicherung von Kohlendioxid und dem natürlichen Abbau von Schadstoffen in Böden. Mit der Röntgen-Computertomografie (XCT) steht ein zerstörungsfreies 3D bildgebendes Verfahren zur Verfügung, das auch häufig für die Untersuchung der internen Struktur geologischer Proben herangezogen wird. Das erste Ziel dieser Dissertation war die Implementierung einer Bildverarbeitungstechnik, die die Strahlenaufhärtung der Röntgen-Computertomografie beseitigt und den Segmentierungsprozess dessen Daten vereinfacht. Das zweite Ziel dieser Arbeit untersuchte die kombinierten Effekte von Porenraumcharakteristika, Porentortuosität, sowie die Strömungssimulation und Transportmodellierung in Porenräumen mit der Gitter-Boltzmann-Methode. In einer zylindrischen geologischen Probe war die Position jeder Phase auf Grundlage der Beobachtung durch das Vorhandensein der Strahlenaufhärtung in den rekonstruierten Bildern, das eine radiale Funktion vom Probenrand zum Zentrum darstellt, extrahierbar und die unterschiedlichen Phasen ließen sich automatisch segmentieren. Weiterhin wurden Strahlungsaufhärtungeffekte von beliebig geformten Objekten durch einen Oberflächenanpassungsalgorithmus korrigiert. Die Methode der „least square support vector machine” (LSSVM) ist durch einen modularen Aufbau charakterisiert und ist sehr gut für die Erkennung und Klassifizierung von Mustern geeignet. Aus diesem Grund wurde die Methode der LSSVM als pixelbasierte Klassifikationsmethode implementiert. Dieser Algorithmus ist in der Lage komplexe geologische Proben korrekt zu klassifizieren, benötigt für den Fall aber längere Rechenzeiten, so dass mehrdimensionale Trainingsdatensätze verwendet werden müssen. Die Dynamik von den unmischbaren Phasen Luft und Wasser wird durch eine Kombination von Porenmorphologie und Gitter Boltzmann Methode für Drainage und Imbibition Prozessen in 3D Datensätzen von Böden, die durch synchrotron-basierte XCT gewonnen wurden, untersucht. Obwohl die Porenmorphologie eine einfache Methode ist Kugeln in den verfügbaren Porenraum einzupassen, kann sie dennoch die komplexe kapillare Hysterese als eine Funktion der Wassersättigung erklären. Eine Hysterese ist für den Kapillardruck und die hydraulische Leitfähigkeit beobachtet worden, welche durch die hauptsächlich verbundenen Porennetzwerke und der verfügbaren Porenraumgrößenverteilung verursacht sind. Die hydraulische Konduktivität ist eine Funktion des Wassersättigungslevels und wird mit einer makroskopischen Berechnung empirischer Modelle verglichen. Die Daten stimmen vor allem für hohe Wassersättigungen gut überein. Um die Gegenwart von Krankheitserregern im Grundwasser und Abwässern vorhersagen zu können, wurde in einem Bodenaggregat der Einfluss von Korngröße, Porengeometrie und Fluidflussgeschwindigkeit z.B. mit dem Mikroorganismus Escherichia coli studiert. Die asymmetrischen und langschweifigen Durchbruchskurven, besonders bei höheren Wassersättigungen, wurden durch dispersiven Transport aufgrund des verbundenen Porennetzwerks und durch die Heterogenität des Strömungsfeldes verursacht. Es wurde beobachtet, dass die biokolloidale Verweilzeit eine Funktion des Druckgradienten als auch der Kolloidgröße ist. Unsere Modellierungsergebnisse stimmen sehr gut mit den bereits veröffentlichten Daten überein.