Ein Experiment zur Bestimmung des g-Faktors des gebundenen Elektrons in wasserstoff- und lithiumähnlichen mittelschweren Ionen

In dieser Arbeit werden der experimentelle Aufbau und erste Messungen für die Bestimmung des g-Faktors des Elektrons gebunden in wasserstoff- und lithiumähnlichen mittelschweren Ionen beschrieben. Mit dem hochpräzisenWert des g-Faktors können theoretische Berechnungen der Quantenelektrodynamik gebundener Zustände überprüft werden. Die Messungen werden in einem Dreifach-Penningfallen-System durchgeführt. Dort wurden im Rahmen dieser Arbeit auch erstmals hochgeladene Ionen bis 28Si13+ in einer hierfür entwickelten Elektronenstrahl-Ionenquelle/-falle erzeugt. Für die Bestimmung des g-Faktors werden die freie Zyklotronfrequenz und die Larmorfrequenz benötigt. Erstere wird aus den drei Eigenfrequenzen des in der Präzisionsfalle gespeicherten Ions berechnet. Um das Ion bei den Messungen nicht zu verlieren, werden die Eigenfrequenzen des Ions durch Kopplung an einen radiofrequenten Nachweisschwingkreis nicht-destruktiv nachgewiesen. Die freie Zyklotronfrequenz konnte dabei mit einer relativen Genauigkeit von wenigen 10E−9 bestimmt werden. Zur Bestimmung der Larmorfrequenz ist die genaue Kenntnis der Spinrichtung des Elektrons im Magnetfeld notwendig. Diese wird durch den kontinuierlichen Stern-Gerlach-Effekt in der sogenannten Analysefalle bestimmt. Hierzu muss eine hohe Stabilität der axialen Frequenz des Ions erreicht werden. Um dies sowie die Hochpräzisionsmessungen in der Präzisionsfalle zu erreichen, wurden in dieser Arbeit beide Fallen hinsichtlich ihrer elektrischen und magnetischen Eigenschaften charakterisiert.

The g-factor of the electron bound in 28 Si 13+ : the most stringent test of bound-state quantum electrodynamics

This thesis describes the ultra-precise determination of the g-factor of the electron bound to hydrogenlike 28Si13+. The experiment is based on the simultaneous determination of the cyclotron- and Larmor frequency of a single ion, which is stored in a triple Penning-trap setup. The continuous Stern-Gerlach effect is used to couple the spin of the bound electron to the motional frequencies of the ion via a magnetic bottle, which allows the non-destructive determination of the spin state. To this end, a highly sensitive, cryogenic detection system was developed, which allowed the direct, non-destructive detection of the eigenfrequencies with the required precision.rnThe development of a novel, phase sensitive detection technique finally allowed the determination of the g-factor with a relative accuracy of 40 ppt, which was previously inconceivable. The comparison of the hereby determined value with the value predicted by quantumelectrodynamics (QED) allows the verification of the validity of this fundamental theory under the extreme conditions of the strong binding potential of a highly charged ion. The exact agreement of theory and experiment is an impressive demonstration of the exactness of QED. The experimental possibilities created in this work will allow in the near future not only further tests of theory, but also the determination of the mass of the electron with a precision that exceeds the current literature value by more than an order of magnitude.

Synthese und Evaluierung von [18 F]-Fluormethyltosylat als prosthetische Gruppe für die 18 F-Fluormethylierung von ZNS-Liganden für die PET

Die 11C-Methylierung von Radioliganden ist eine weit verbreitete Markierungsstrategie für PET-Liganden. Aber die kurze Halbwertszeit des Kohlenstoff-11 von 20,3 Minuten limitiert seinen Nutzen. Daher ist die 18F-Fluoralkylierung eine Möglichkeit, Fluor-18, das eine Halbwertszeit von 109,8 Minuten hat, in Target-Moleküle einzuführen. Während die 18F-Fluorethylierung eine weitverbreitete Markierungsstrategie ist, wird die 18F-Fluormethylierung bisher nur selten angewendet. Eine Ursache dafür ist die geringe Stabilität der 18F-Fluormethylgruppe in vivo. Durch Substitution des Wasserstoffs in der 18F-Fluormethylgruppe durch Deuterium kann deren Stabilität jedoch deutlich erhöht werden. Dadurch kann die 18F-Fluormethylierung eine wichtige Synthesestrategie für ZNS-Liganden sein, bei denen große strukturelle Varianz zum Einführen des Fluor-18 nicht möglich ist. rnAls prosthetische Gruppen zur 18F-Fluormethylierung wurden [18F]Fluormethyltosylat und [18F]Fluor-[d2]methyltosylat mit radiochemischen Ausbeuten bis zu 50% synthetisiert. Die Reaktionsbedingungen der 18F-Fluormethylierung mit d2-[18F]FMT und die Abtrennung der Radioliganden wurden an einer Modellverbindungen und den drei Zielstrukturen [18F]Fluor-[d2]methylharmol, [18F]Fluor-[d2]methyl-MH.MZ und [18F]Fluor-[d2]methylflumazenil optimiert. Es konnten radiochemischen Ausbeuten zwischen 25 und 60% erzielt werden. rnMit allen drei ZNS-Liganden wurden Kleintier-PET-Studien durchgeführt. Das d2-[18F]FMH zeigte eine schnelle und 1,5fach höhere Anreicherung im Hirn innerhalb der ersten fünf Minuten als die Vergleichssubstanz [18F]FEH. Für d2-[18F]FM-MH.MZ wurde in vivo eine höhere spezifische Anreicherung des Radiotracers im frontalen Cortex beobachtet als bei der 18F-fluorethylierten Vergleichssubstanz. Für das [18F]Fluor-[d2]methylflumazenil konnte keine Aufnahme ins Hirn festgestellt werden, sondern es kam zur vollständigen Zersetzung des Radioliganden durch Defluorierung. d2-[18F]FMH und d2-[18F]FM-MH.MZ waren bei physiologischen Bedingungen zu mehr als 90% stabil.rn

Advanced aspects of radiation protection in the use of particle accelerators in the medical field

In this work, the well-known MC code FLUKA was used to simulate the GE PETrace cyclotron (16.5 MeV) installed at “S. Orsola-Malpighi” University Hospital (Bologna, IT) and routinely used in the production of positron emitting radionuclides. Simulations yielded estimates of various quantities of interest, including: the effective dose distribution around the equipment; the effective number of neutron produced per incident proton and their spectral distribution; the activation of the structure of the cyclotron and the vault walls; the activation of the ambient air, in particular the production of 41Ar, the assessment of the saturation yield of radionuclides used in nuclear medicine. The simulations were validated against experimental measurements in terms of physical and transport parameters to be used at the energy range of interest in the medical field. The validated model was also extensively used in several practical applications uncluding the direct cyclotron production of non-standard radionuclides such as 99mTc, the production of medical radionuclides at TRIUMF (Vancouver, CA) TR13 cyclotron (13 MeV), the complete design of the new PET facility of “Sacro Cuore – Don Calabria” Hospital (Negrar, IT), including the ACSI TR19 (19 MeV) cyclotron, the dose field around the energy selection system (degrader) of a proton therapy cyclotron, the design of plug-doors for a new cyclotron facility, in which a 70 MeV cyclotron will be installed, and the partial decommissioning of a PET facility, including the replacement of a Scanditronix MC17 cyclotron with a new TR19 cyclotron.

Detection of individual spin transitions of a single proton confined in a cryogenic Penning trap

Das in dieser Arbeit vorgestellte Experiment zur Messung des magnetischen Moments des Protons basiert auf der Messung des Verhältnisses von Zyklotronfrequenz und Larmorfrequenz eines einzelnen, in einer kryogenen Doppel-Penning Falle gespeicherten Protons. In dieser Arbeit konnten erstmalig zwei der drei Bewegungsfrequenzen des Protons gleichzeitig im thermischen Gleichgewicht mit entsprechenden hochsensitiven Nachweissystemen nicht-destruktiv detektiert werden, wodurch die Messzeit zur Bestimmung der Zyklotronfrequenz halbiert werden konnte. Ferner wurden im Rahmen dieser Arbeit erstmalig einzelne Spin-Übergänge eines einzelnen Protons detektiert, wodurch die Bestimmung der Larmorfrequenz ermöglicht wird. Mithilfe des kontinuierlichen Stern-Gerlach Effekts wird durch eine sogenannte magnetische Flasche das magnetische Moment an die axiale Bewegungsmode des Protons gekoppelt. Eine Änderung des Spinzustands verursacht folglich einen Frequenzsprung der axialen Bewegungsfrequenz, welche nicht-destruktiv gemessen werden kann. Erschwert wird die Detektion des Spinzustands dadurch, dass die axiale Frequenz nicht nur vom Spinmoment, sondern auch vom Bahnmoment abhängt. Die große experimentelle Herausforderung besteht also in der Verhinderung von Energieschwankungen in den radialen Bewegungsmoden, um die Detektierbarkeit von Spin-Übergängen zu gewährleisten. Durch systematische Studien zur Stabilität der axialen Frequenz sowie einer kompletten Überarbeitung des experimentellen Aufbaus, konnte dieses Ziel erreicht werden. Erstmalig kann der Spinzustand eines einzelnen Protons mit hoher Zuverlässigkeit bestimmt werden. Somit stellt diese Arbeit einen entscheidenden Schritt auf dem Weg zu einer hochpräzisen Messung des magnetischen Moments des Protons dar.

Der g-Faktor des Protons

In dieser Arbeit wird die bisher präziseste und erste direkte Hochpräzisionsmessung des g-Faktors eines einzelnen Protons präsentiert. Die Messung beruht auf der nicht-destruktiven Bestimmung der Zyklotronfrequenz und der Larmorfrequenz eines in einer Penning-Falle gespeicherten Protons. Zur Bestimmung der Larmorfrequenz wird die Spin-Flip-Wahrscheinlichkeit als Funktion einer externen Spin-Flip-Anregung aufgenommen. Zu diesem Zweck wird der kontinuierliche Stern-Gerlach Effekt verwendet, welcher zu einer Kopplung des Spin-Moments an die axiale Bewegung des Protons führt. Ein Spin-Flip zeigt sich dabei in einem Sprung der axialen Bewegungsfrequenz. Die Schwierigkeit besteht darin, diesen Frequenzsprung auf einem Hintergrund axialer Frequenzfluktuationen zu detektieren. Um diese Herausforderung zu bewältigen, wurden neuartige Methoden und Techniken angewandt. Zum einen wurden supraleitende Nachweise mit höchster Empfindlichkeit entwickelt, welche schnelle und damit präzise Frequenzmessungen erlauben. Zum anderen wurde eine auf dem statistischen Bayes Theorem basierende Spin-Flip-Analyse-Methode angewandt. Mit diesen Verbesserungen war es möglich, einzelne Spin-Flips eines einzelnen Protons zu beobachten. Dies wiederum ermöglichte die Anwendung der sogenannten Doppelfallen-Methode, und damit die eingangs erwähnte Messung des g-Faktors mit einer Präzision von 4.3 10^-9.

Neuartige kryogene Penning-Falle für den Nachweis von Spin-Übergängen eines Protons und Bestimmung seines g-Faktors

In dieser Arbeit wird der Entwurf, der Aufbau, die Inbetriebnahme und die Charakterisierung einer neuartigen Penning-Falle im Rahmen des Experiments zur Bestimmung des g-Faktors des Protons präsentiert. Diese Falle zeichnet sich dadurch aus, dass die Magnetfeldlinien eines äußeren homogenen Magnetfeldes durch eine ferromagnetische Ringelektrode im Zentrum der Falle verzerrt werden. Der inhomogene Anteil des resultierenden Magnetfeldes, die sogenannte magnetische Flasche, lässt sich durch den Koeffizient B2 = 297(10) mT/mm2 des Terms zweiter Ordnung der Ortsabhängigkeit des Feldes quantifizieren. Eine solche ungewöhnlich starke Feldinhomogenität ist Grundvoraussetzung für den Nachweis der Spinausrichtung des Protons mittels des kontinuierlichen Stern-Gerlach-Effektes. Dieser Effekt basiert auf der im inhomogenen Magnetfeld entstehenden Kopplung des Spin-Freiheitsgrades des gefangenen Protons an eine seiner Eigenfrequenzen. Ein Spin-Übergang lässt sich so über einen Frequenzsprung detektieren. Dabei ist die nachzuweisende Änderung der Frequenz proportional zu B2 und zum im Fall des Protons extrem kleinen Verhältnis zwischen seinem magnetischen Moment nund seiner Masse. Die durch die benötigte hohe Inhomogenität des Magnetfeldes bedingten technischen Herausforderungen erfordern eine fundierte Kenntnis und Kontrolle der Eigenschaften der Penning-Falle sowie der experimentellen Bedingungen. Die in der vorliegenden Arbeit entwickelte Penning-Falle ermöglichte den erstmaligen zerstörungsfreien Nachweis von Spin-Quantensprüngen eines einzelnen gefangenen Protons, was einen Durchbruch für das Experiment zur direkten Bestimmung des g-Faktors mit der angestrebten relativen Genauigkeit von 10−9 darstellte. Mithilfe eines statistischen Verfahrens ließen sich die Larmor- und die Zyklotronfrequenz des Protons im inhomogenen Magnetfeld der Falle ermitteln. Daraus wurde der g-Faktor mit einer relativen Genauigkeit von 8,9 × 10−6 bestimmt. Die hier vorgestellten Messverfahren und der experimentelle Aufbau können auf ein äquivalentes Experiment zur Bestimmung des g-Faktors des Antiprotons zum Erreichen der gleichen Messgenauigkeit übertragen werden, womit der erste Schritt auf dem Weg zu einem neuen zwingenden Test der CPT-Symmetrie im baryonischen Sektor gemacht wäre.

Musical Training Induces Functional Plasticity in Human Hippocampus

Training can change the functional and structural organization of the brain, and animal models demonstrate that the hippocampus formation is particularly susceptible to training-related neuroplasticity. In humans, however, direct evidence for functional plasticity of the adult hippocampus induced by training is still missing. Here, we used musicians' brains as a model to test for plastic capabilities of the adult human hippocampus. By using functional magnetic resonance imaging optimized for the investigation of auditory processing, we examined brain responses induced by temporal novelty in otherwise isochronous sound patterns in musicians and musical laypersons, since the hippocampus has been suggested previously to be crucially involved in various forms of novelty detection. In the first cross-sectional experiment, we identified enhanced neural responses to temporal novelty in the anterior left hippocampus of professional musicians, pointing to expertise-related differences in hippocampal processing. In the second experiment, we evaluated neural responses to acoustic temporal novelty in a longitudinal approach to disentangle training-related changes from predispositional factors. For this purpose, we examined an independent sample of music academy students before and after two semesters of intensive aural skills training. After this training period, hippocampal responses to temporal novelty in sounds were enhanced in musical students, and statistical interaction analysis of brain activity changes over time suggests training rather than predisposition effects. Thus, our results provide direct evidence for functional changes of the adult hippocampus in humans related to musical training.

Identification of speeded and slowed familiar melodies by younger, middle-aged, and older musicians and nonmusicians

There is a range of tempos within which listeners can identify familiar tunes (around 0.8 to 6.0 notes/s). Faster and slower tunes are difficult to identify. The authors assessed fast and slow melody-identification thresholds for 80 listeners ages 17–79 years with expertise varying from musically untrained to professional. On fast-to-slow (FS) trials the tune started at a very fast tempo and slowed until the listener identified it. Slow-to-fast (SF) trials started slow and accelerated. Tunes either retained their natural rhythms or were stylized isochronous versions. Increased expertise led to better performance for both FS and SF thresholds (r = .45). Performance declined uniformly across the 62-year age range in the FS condition (r = .27). SF performance was unaffected by age. Although early encoding processes may slow with age, expertise has a greater effect. Musical expertise involves perceptual learning with melodies at a wide range of tempos.

NOVEL AMINO ACID TRANSPORTER-TARGETED RADIOTRACERS FOR BREAST CANCER IMAGING

Breast cancer is the most common malignancy among women in the world. Its 5-year survival rate ranges from 23.4% in patients with stage IV to 98% in stage I disease, highlighting the importance of early detection and diagnosis. 18F-2-Fluoro-2-deoxy-glucose (18F-FDG), using positron emission tomography (PET), is the most common functional imaging tool for breast cancer diagnosis currently. Unfortunately, 18F-FDG-PET has several limitations such as poorly differentiating tumor tissues from inflammatory and normal brain tissues. Therefore, 18F-labeled amino acid-based radiotracers have been reported as an alternative, which is based on the fact that tumor cells uptake and consume more amino acids to sustain their uncontrolled growth. Among those radiotracers, 18F-labeled tyrosine and its derivatives have shown high tumor uptake and great ability to differentiate tumor tissue from inflammatory sites in brain tumors and squamous cell carcinoma. They enter the tumor cells via L-type amino acid transporters (LAT), which were reported to be highly expressed in many cancer cell lines and correlate positively with tumor growth. Nevertheless, the low radiosynthesis yield and demand of an on-site cyclotron limit the use of 18F-labeled tyrosine analogues. In this study, four Technetium-99m (99mTc) labeled tyrosine/ AMT (α-methyl tyrosine)-based radiotracers were successfully synthesized and evaluated for their potentials in breast cancer imaging. In order to radiolabel tyrosine and AMT, the chelators N,N’-ethylene-di-L-cysteine (EC) and 1,4,8,11-tetra-azacyclotetradecane (N4 cyclam) were selected to coordinate 99mTc. These chelators have been reported to provide stable chelation ability with 99mTc. By using the chelator technology, the same target ligand could be labeled with different radioisotopes for various imaging modalities for tumor diagnosis, or for internal radionuclide therapy in future. Based on the in vitro and in vivo evaluation using the rat mammary tumor models, 99mTc-EC-AMT is considered as the most suitable radiotracer for breast cancer imaging overall, however, 99mTc-EC-Tyrosine will be more preferred for differential diagnosis of tumor from inflammation.

High-resolution MALDI-FT-ICR MS imaging for the analysis of metabolites from formalin-fixed, paraffin-embedded clinical tissue samples.

We present the first analytical approach to demonstrate the in situ imaging of metabolites from formalin-fixed, paraffin-embedded (FFPE) human tissue samples. Using high-resolution matrix-assisted laser desorption/ionization Fourier-transform ion cyclotron resonance mass spectrometry imaging (MALDI-FT-ICR MSI), we conducted a proof-of-principle experiment comparing metabolite measurements from FFPE and fresh frozen tissue sections, and found an overlap of 72% amongst 1700 m/z species. In particular, we observed conservation of biomedically relevant information at the metabolite level in FFPE tissues. In biomedical applications, we analysed tissues from 350 different cancer patients and were able to discriminate between normal and tumour tissues, and different tumours from the same organ, and found an independent prognostic factor for patient survival. This study demonstrates the ability to measure metabolites in FFPE tissues using MALDI-FT-ICR MSI, which can then be assigned to histology and clinical parameters. Our approach is a major technical, histochemical, and clinicopathological advance that highlights the potential for investigating diseases in archived FFPE tissues.

Preparatory studies for a high-precision Penning-trap measurement of the 163Ho electron capture Q-value

The ECHo Collaboration (Electron Capture 163Ho aims to investigate the calorimetric spectrum following the electron capture decay of 163Ho to determine the mass of the electron neutrino. The size of the neutrino mass is reflected in the endpoint region of the spectrum, i.e., the last few eV below the transition energy. To check for systematic uncertainties, an independent determination of this transition energy, the Q-value, is mandatory. Using the TRIGA-TRAP setup, we demonstrate the feasibility of performing this measurement by Penning-trap mass spectrometry. With the currently available, purified 163Ho sample and an improved laser ablation mini-RFQ ion source, we were able to perform direct mass measurements of 163Ho and 163Dy with a sample size of less than 1017 atoms. The measurements were carried out by determining the ratio of the cyclotron frequencies of the two isotopes to those of carbon cluster ions using the time-of-flight ion cyclotron resonance method. The obtained mass excess values are ME(163Ho)= −66379.3(9) keV and ME(163Dy)= −66381.7(8) keV. In addition, the Q-value was measured for the first time by Penning-trap mass spectrometry to be Q = 2.5(7) keV.

Particle Accelerators and Detectors for medical Diagnostics and Therapy

This Habilitationsschrift (Habilitation thesis) is focused on my research activities on medical applications of particle physics and was written in 2013 to obtain the Venia Docendi (Habilitation) in experimental physics at the University of Bern. It is based on selected publications, which represented at that time my major scientific contributions as an experimental physicist to the field of particle accelerators and detectors applied to medical diagnostics and therapy. The thesis is structured in two parts. In Part I, Chapter 1 presents an introduction to accelerators and detectors applied to medicine, with particular focus on cancer hadrontherapy and on the production of radioactive isotopes. In Chapter 2, my publications on medical particle accelerators are introduced and put into their perspective. In particular, high frequency linear accelerators for hadrontherapy are discussed together with the new Bern cyclotron laboratory. Chapter 3 is dedicated to particle detectors with particular emphasis on three instruments I contributed to propose and develop: segmented ionization chambers for hadrontherapy, a proton radiography apparatus with nuclear emulsion films, and a beam monitor detector for ion beams based on doped silica fibres. Selected research and review papers are contained in Part II. For copyright reasons, they are only listed and not reprinted in this on-line version. They are available on the websites of the journals.

Changes of dissolved organic matter compositions in artifical and natural seawater during Pseudovibrio growth experiment

To study the consumption of dissolved organic matter (DOM) by bacteria living in untra-oligotrophic artificial or natural seawater, we analyzed the composition of DOM before (timepoint t0, directly after inoculation) and after (timepoint t2, 3 weeks of incubation) growth of the bacteria using Fourier transform ion cyclotron mass spectrometry (ESI FT-ICR-MS). The oligotrophic natural seawater used originates from the South Pacific Gyre. Our data show that the bacteria were able to utilize a variety of different organic compounds. These compounds belong to different chemical compound groups and likely fuel the bacterial energy, carbon and nitrogen requirements under the ultra-oligotrophic conditions.

Diatom biostratigraphy and datum levels of sediments from ODP Leg 167 sites

Ocean Drilling Program Leg 167 represents the first time since 1978 that the North American Pacific margin was drilled to study ocean history. More than 7500 m of Quaternary to middle Miocene (14 Ma) sediments were recovered from 13 sites, representing the most complete stratigraphic sequence on the California margin. Diatoms are found in most samples in variable abundance and in a moderately well-preserved state throughout the sequence, and they are often dominated by robust, dissolution-resistant species. The Neogene North Pacific diatom zonation of Yanagisawa and Akiba (1998, doi:10.5575/geosoc.104.395) best divides the Miocene to Quaternary sequences, and updated ages of diatom biohorizons estimated based on the geomagnetic polarity time scale of Cande and Kent (1995, doi:10.1029/94JB03098) are slightly revised to adjust the differences between the other zonations. Most of the early middle Miocene through Pleistocene diatom datum levels that have been proven to be of stratigraphic utility in the North Pacific appear to be nearly isochronous within the level of resolution constrained by sample spacing. The assemblages are characterized by species typical of middle-to-high latitudes and regions of high surface-water productivity, predominantly by Coscinodiscus marginatus, Stephanopyxis species, Proboscia barboi, and Thalassiothrix longissima. Latest Miocene through Pliocene assemblages in the region of the California Current, however, are intermediate between those of subarctic and subtropical areas. As a result, neither the existing tropical nor the subarctic (high latitude) zonal schemes were applicable for this region. An interval of pronounced diatom dissolution detected throughout the Pliocene sequence apparently correspond to a relatively warmer paleoceanographic condition resulting in a slackening of the southward flow of the California Current.