Polarization and correlation phenomena in the radiative electron capture by bare highly-charged ions

In dieser Arbeit wird die Wechselwirkung zwischen einem Photon und einem Elektron im starken Coulombfeld eines Atomkerns am Beispiel des radiativen Elektroneneinfangs beim Stoß hochgeladener Teilchen untersucht. In den letzten Jahren wurde dieser Ladungsaustauschprozess insbesondere für relativistische Ion–Atom–Stöße sowohl experimentell als auch theoretisch ausführlich erforscht. In Zentrum standen dabei haupsächlich die totalen und differentiellen Wirkungsquerschnitte. In neuerer Zeit werden vermehrt Spin– und Polarisationseffekte sowie Korrelationseffekte bei diesen Stoßprozessen diskutiert. Man erwartet, dass diese sehr empfindlich auf relativistische Effekte im Stoß reagieren und man deshalb eine hervorragende Methode zu deren Bestimmung erhält. Darüber hinaus könnten diese Messungen auch indirekt dazu führen, dass man die Polarisation des Ionenstrahls bestimmen kann. Damit würden sich neue experimentelle Möglichkeiten sowohl in der Atom– als auch der Kernphysik ergeben. In dieser Dissertation werden zunächst diese ersten Untersuchungen zu den Spin–, Polarisations– und Korrelationseffekten systematisch zusammengefasst. Die Dichtematrixtheorie liefert hierzu die geeignete Methode. Mit dieser Methode werden dann die allgemeinen Gleichungen für die Zweistufen–Rekombination hergeleitet. In diesem Prozess wird ein Elektron zunächst radiativ in einen angeregten Zustand eingefangen, der dann im zweiten Schritt unter Emission des zweiten (charakteristischen) Photons in den Grundzustand übergeht. Diese Gleichungen können natürlich auf beliebige Mehrstufen– sowie Einstufen–Prozesse erweitert werden. Im direkten Elektroneneinfang in den Grundzustand wurde die ”lineare” Polarisation der Rekombinationsphotonen untersucht. Es wurde gezeigt, dass man damit eine Möglichkeit zur Bestimmung der Polarisation der Teilchen im Eingangskanal des Schwerionenstoßes hat. Rechnungen zur Rekombination bei nackten U92+ Projektilen zeigen z. B., dass die Spinpolarisation der einfallenden Elektronen zu einer Drehung der linearen Polarisation der emittierten Photonen aus der Streuebene heraus führt. Diese Polarisationdrehung kann mit neu entwickelten orts– und polarisationsempfindlichen Festkörperdetektoren gemessen werden. Damit erhält man eine Methode zur Messung der Polarisation der einfallenden Elektronen und des Ionenstrahls. Die K–Schalen–Rekombination ist ein einfaches Beispiel eines Ein–Stufen–Prozesses. Das am besten bekannte Beispiel der Zwei–Stufen–Rekombination ist der Elektroneneinfang in den 2p3/2–Zustand des nackten Ions und anschließendem Lyman–1–Zerfall (2p3/2 ! 1s1/2). Im Rahmen der Dichte–Matrix–Theorie wurden sowohl die Winkelverteilung als auch die lineare Polarisation der charakteristischen Photonen untersucht. Beide (messbaren) Größen werden beträchtlich durch die Interferenz des E1–Kanals (elektrischer Dipol) mit dem viel schwächeren M2–Kanal (magnetischer Quadrupol) beeinflusst. Für die Winkelverteilung des Lyman–1 Zerfalls im Wasserstoff–ähnlichen Uran führt diese E1–M2–Mischung zu einem 30%–Effekt. Die Berücksichtigung dieser Interferenz behebt die bisher vorhandene Diskrepanz von Theorie und Experiment beim Alignment des 2p3/2–Zustands. Neben diesen Ein–Teichen–Querschnitten (Messung des Einfangphotons oder des charakteristischen Photons) wurde auch die Korrelation zwischen den beiden berechnet. Diese Korrelationen sollten in X–X–Koinzidenz–Messungen beobbachtbar sein. Der Schwerpunkt dieser Untersuchungen lag bei der Photon–Photon–Winkelkorrelation, die experimentell am einfachsten zu messen ist. In dieser Arbeit wurden ausführliche Berechnungen der koinzidenten X–X–Winkelverteilungen beim Elektroneneinfang in den 2p3/2–Zustand des nackten Uranions und beim anschließenden Lyman–1–Übergang durchgeführt. Wie bereits erwähnt, hängt die Winkelverteilung des charakteristischen Photons nicht nur vom Winkel des Rekombinationsphotons, sondern auch stark von der Spin–Polarisation der einfallenden Teilchen ab. Damit eröffnet sich eine zweite Möglichkeit zur Messung der Polaristion des einfallenden Ionenstrahls bzw. der einfallenden Elektronen.

Characterization of Novel Fabry Pérot Filter Arrays for Nanospectrometers in Medical Applications

Optische Spektroskopie ist eine sehr wichtige Messtechnik mit einem hohen Potential für zahlreiche Anwendungen in der Industrie und Wissenschaft. Kostengünstige und miniaturisierte Spektrometer z.B. werden besonders für moderne Sensorsysteme “smart personal environments” benötigt, die vor allem in der Energietechnik, Messtechnik, Sicherheitstechnik (safety and security), IT und Medizintechnik verwendet werden. Unter allen miniaturisierten Spektrometern ist eines der attraktivsten Miniaturisierungsverfahren das Fabry Pérot Filter. Bei diesem Verfahren kann die Kombination von einem Fabry Pérot (FP) Filterarray und einem Detektorarray als Mikrospektrometer funktionieren. Jeder Detektor entspricht einem einzelnen Filter, um ein sehr schmales Band von Wellenlängen, die durch das Filter durchgelassen werden, zu detektieren. Ein Array von FP-Filter wird eingesetzt, bei dem jeder Filter eine unterschiedliche spektrale Filterlinie auswählt. Die spektrale Position jedes Bandes der Wellenlänge wird durch die einzelnen Kavitätshöhe des Filters definiert. Die Arrays wurden mit Filtergrößen, die nur durch die Array-Dimension der einzelnen Detektoren begrenzt werden, entwickelt. Allerdings erfordern die bestehenden Fabry Pérot Filter-Mikrospektrometer komplizierte Fertigungsschritte für die Strukturierung der 3D-Filter-Kavitäten mit unterschiedlichen Höhen, die nicht kosteneffizient für eine industrielle Fertigung sind. Um die Kosten bei Aufrechterhaltung der herausragenden Vorteile der FP-Filter-Struktur zu reduzieren, wird eine neue Methode zur Herstellung der miniaturisierten FP-Filtern mittels NanoImprint Technologie entwickelt und präsentiert. In diesem Fall werden die mehreren Kavitäten-Herstellungsschritte durch einen einzigen Schritt ersetzt, die hohe vertikale Auflösung der 3D NanoImprint Technologie verwendet. Seit dem die NanoImprint Technologie verwendet wird, wird das auf FP Filters basierende miniaturisierte Spectrometer nanospectrometer genannt. Ein statischer Nano-Spektrometer besteht aus einem statischen FP-Filterarray auf einem Detektorarray (siehe Abb. 1). Jeder FP-Filter im Array besteht aus dem unteren Distributed Bragg Reflector (DBR), einer Resonanz-Kavität und einen oberen DBR. Der obere und untere DBR sind identisch und bestehen aus periodisch abwechselnden dünnen dielektrischen Schichten von Materialien mit hohem und niedrigem Brechungsindex. Die optischen Schichten jeder dielektrischen Dünnfilmschicht, die in dem DBR enthalten sind, entsprechen einen Viertel der Design-Wellenlänge. Jeder FP-Filter wird einer definierten Fläche des Detektorarrays zugeordnet. Dieser Bereich kann aus einzelnen Detektorelementen oder deren Gruppen enthalten. Daher werden die Seitenkanal-Geometrien der Kavität aufgebaut, die dem Detektor entsprechen. Die seitlichen und vertikalen Dimensionen der Kavität werden genau durch 3D NanoImprint Technologie aufgebaut. Die Kavitäten haben Unterschiede von wenigem Nanometer in der vertikalen Richtung. Die Präzision der Kavität in der vertikalen Richtung ist ein wichtiger Faktor, der die Genauigkeit der spektralen Position und Durchlässigkeit des Filters Transmissionslinie beeinflusst.

THz Plasma Waves in Field-Effect-Transistors: A Monte Carlo Study

Sensing with electromagnetic waves having frequencies in the Terahertz-range is a very attractive investigative method with applications in fundamental research and industrial settings. Up to now, a lot of sources and detectors are available. However, most of these systems are bulky and have to be used in controllable environments such as laboratories. In 1993 Dyakonov and Shur suggested that plasma waves developing in field-effect-transistors can be used to emit and detect THz-radiation. Later on, it was shown that these plasma waves lead to rectification and allows for building efficient detectors. In contrast to the prediction that these plasma waves lead to new promising solid-state sources, only a few weak sources are known up to now. This work studies THz plasma waves in semiconductor devices using the Monte Carlo method in order to resolve this issue. A fast Monte Carlo solver was developed implementing a nonparabolic bandstructure representation of the used semiconductors. By investigating simplified field-effect-transistors it was found that the plasma frequency follows under equilibrium conditions the analytical predictions. However, no current oscillations were found at room temperature or with a current flowing in the channel. For more complex structures, consisting of ungated and gated regions, it was found that the plasma frequency does not follow the value predicted by the dispersion relation of the gated nor the ungated device.

On-the-Fly Maintenance of Series-Parallel Relationships in Fork-Join Multithreaded Programs

A key capability of data-race detectors is to determine whether one thread executes logically in parallel with another or whether the threads must operate in series. This paper provides two algorithms, one serial and one parallel, to maintain series-parallel (SP) relationships "on the fly" for fork-join multithreaded programs. The serial SP-order algorithm runs in O(1) amortized time per operation. In contrast, the previously best algorithm requires a time per operation that is proportional to Tarjan’s functional inverse of Ackermann’s function. SP-order employs an order-maintenance data structure that allows us to implement a more efficient "English-Hebrew" labeling scheme than was used in earlier race detectors, which immediately yields an improved determinacy-race detector. In particular, any fork-join program running in T₁ time on a single processor can be checked on the fly for determinacy races in O(T₁) time. Corresponding improved bounds can also be obtained for more sophisticated data-race detectors, for example, those that use locks. By combining SP-order with Feng and Leiserson’s serial SP-bags algorithm, we obtain a parallel SP-maintenance algorithm, called SP-hybrid. Suppose that a fork-join program has n threads, T₁ work, and a critical-path length of T[subscript ∞]. When executed on P processors, we prove that SP-hybrid runs in O((T₁/P + PT[subscript ∞]) lg n) expected time. To understand this bound, consider that the original program obtains linear speed-up over a 1-processor execution when P = O(T₁/T[subscript ∞]). In contrast, SP-hybrid obtains linear speed-up when P = O(√T₁/T[subscript ∞]), but the work is increased by a factor of O(lg n).

Laser stripe peak detector for 3D scanners: a FIR filter approach

The accuracy of a 3D reconstruction using laser scanners is significantly determined by the detection of the laser stripe. Since the energy pattern of such a stripe corresponds to a Gaussian profile, it makes sense to detect the point of maximum light intensity (or peak) by computing the zero-crossing point of the first derivative of such Gaussian profile. However, because noise is present in every physical process, such as electronic image formation, it is not sensitive to perform the derivative of the image of the stripe in almost any situation, unless a previous filtering stage is done. Considering that stripe scanning is an inherently row-parallel process, every row of a given image must be processed independently in order to compute its corresponding peak position in the row. This paper reports on the use of digital filtering techniques in order to cope with the scanning of different surfaces with different optical properties and different noise levels, leading to the proposal of a more accurate numerical peak detector, even at very low signal-to-noise ratios

Probabilistic sonar scan matching for an AUV

This paper proposes MSISpIC, a probabilistic sonar scan matching algorithm for the localization of an autonomous underwater vehicle (AUV). The technique uses range scans gathered with a Mechanical Scanning Imaging Sonar (MSIS), the robot displacement estimated through dead-reckoning using a Doppler velocity log (DVL) and a motion reference unit (MRU). The proposed method is an extension of the pIC algorithm. An extended Kalman filter (EKF) is used to estimate the robot-path during the scan in order to reference all the range and bearing measurements as well as their uncertainty to a scan fixed frame before registering. The major contribution consists of experimentally proving that probabilistic sonar scan matching techniques have the potential to improve the DVL-based navigation. The algorithm has been tested on an AUV guided along a 600 m path within an abandoned marina underwater environment with satisfactory results

A review of sensor fusion techniques for underwater vehicle navigation

This work provides a general description of the multi sensor data fusion concept, along with a new classification of currently used sensor fusion techniques for unmanned underwater vehicles (UUV). Unlike previous proposals that focus the classification on the sensors involved in the fusion, we propose a synthetic approach that is focused on the techniques involved in the fusion and their applications in UUV navigation. We believe that our approach is better oriented towards the development of sensor fusion systems, since a sensor fusion architecture should be first of all focused on its goals and then on the fused sensors

Accuracy estimation of a new omnidirectional 3D vision sensor

We present a computer vision system that associates omnidirectional vision with structured light with the aim of obtaining depth information for a 360 degrees field of view. The approach proposed in this article combines an omnidirectional camera with a panoramic laser projector. The article shows how the sensor is modelled and its accuracy is proved by means of experimental results. The proposed sensor provides useful information for robot navigation applications, pipe inspection, 3D scene modelling etc

Overview of coded light projection techniques for automatic 3D profiling

Obtaining automatic 3D profile of objects is one of the most important issues in computer vision. With this information, a large number of applications become feasible: from visual inspection of industrial parts to 3D reconstruction of the environment for mobile robots. In order to achieve 3D data, range finders can be used. Coded structured light approach is one of the most widely used techniques to retrieve 3D information of an unknown surface. An overview of the existing techniques as well as a new classification of patterns for structured light sensors is presented. This kind of systems belong to the group of active triangulation method, which are based on projecting a light pattern and imaging the illuminated scene from one or more points of view. Since the patterns are coded, correspondences between points of the image(s) and points of the projected pattern can be easily found. Once correspondences are found, a classical triangulation strategy between camera(s) and projector device leads to the reconstruction of the surface. Advantages and constraints of the different patterns are discussed

Neptune: a hil simulator for multiple UUVs

This paper overviews the field of graphical simulators used for AUV development, presents the taxonomy of these applications and proposes a classification. It also presents Neptune, a multivehicle, real-time, graphical simulator based on OpenGL that allows hardware in the loop simulations

Caracterización y ajuste del factor de magnificación para radiología digital de cadera

Introducción. Las imágenes obtenidas mediante rayos X, determinan una conducta clínica en ortopedia y son analizadas por parte del cirujano en el momento previo a realizar un acto quirúrgico. El planeamiento pre quirúrgico basado en radiografías de cadera, permite predecir el tamaño de los componentes protésicos a utilizar en un reemplazo de cadera. Con el advenimiento de las radiografías digitales, existe la falsa percepción de que estas tienen corregido el factor de magnificación. La corrección de dicho factor requiere un protocolo de calibración de imágenes, aún no implementado en la Fundación Santa Fe de Bogotá (FSFB). Como consecuencia, las radiografías de cadera actualmente resultan magnificadas. Materiales y métodos. Fueron seleccionados 73 pacientes con reemplazo articular total de la cadera intervenidos en la FSFB. Para cada paciente, se estableció la dimensión de la cabeza protésica en la radiografía de cadera obtenida mediante el sistema de radiología digital (PACS-IMPAX) y su tamaño fue comparado con el de la cabeza femoral implantada. Resultados. La concordancia entre los dos observadores al medir la dimensión radiológica de los componentes protésicos fue excelente y el coeficiente de magnificación promedio de 1.2 (20%). Este será introducido al PACS-IMPAX para ajustar el tamaño definitivo de la radiografía. Conclusión. El ajuste del PACS-IMPAX permite obtener radiografías en las cuales se refleja con mayor precisión el tamaño de los segmentos anatómicos y de los componentes protésicos.

Apodisation, denoising and system identification techniques for THz transients in the wavelet domain

This work describes the use of a quadratic programming optimization procedure for designing asymmetric apodization windows to de-noise THz transient interferograms and compares these results to those obtained when wavelet signal processing algorithms are adopted. A systems identification technique in the wavelet domain is also proposed for the estimation of the complex insertion loss function. The proposed techniques can enhance the frequency dependent dynamic range of an experiment and should be of particular interest to the THz imaging and tomography community. Future advances in THz sources and detectors are likely to increase the signal-to-noise ratio of the recorded THz transients and high quality apodization techniques will become more important, and may set the limit on the achievable accuracy of the deduced spectrum.

Retrievals of thick cloud optical depth from the Geoscience Laser Altimeter System (GLAS) by calibration of solar background signal

Laser beams emitted from the Geoscience Laser Altimeter System (GLAS), as well as other spaceborne laser instruments, can only penetrate clouds to a limit of a few optical depths. As a result, only optical depths of thinner clouds (< about 3 for GLAS) are retrieved from the reflected lidar signal. This paper presents a comprehensive study of possible retrievals of optical depth of thick clouds using solar background light and treating GLAS as a solar radiometer. To do so one must first calibrate the reflected solar radiation received by the photon-counting detectors of the GLAS 532-nm channel, the primary channel for atmospheric products. Solar background radiation is regarded as a noise to be subtracted in the retrieval process of the lidar products. However, once calibrated, it becomes a signal that can be used in studying the properties of optically thick clouds. In this paper, three calibration methods are presented: (i) calibration with coincident airborne and GLAS observations, (ii) calibration with coincident Geostationary Opera- tional Environmental Satellite (GOES) and GLAS observations of deep convective clouds, and (iii) cali- bration from first principles using optical depth of thin water clouds over ocean retrieved by GLAS active remote sensing. Results from the three methods agree well with each other. Cloud optical depth (COD) is retrieved from the calibrated solar background signal using a one-channel retrieval. Comparison with COD retrieved from GOES during GLAS overpasses shows that the average difference between the two retriev- als is 24%. As an example, the COD values retrieved from GLAS solar background are illustrated for a marine stratocumulus cloud field that is too thick to be penetrated by the GLAS laser. Based on this study, optical depths for thick clouds will be provided as a supplementary product to the existing operational GLAS cloud products in future GLAS data releases.

Design and fabrication of infrared filters for remote sounding instrumentation

Cooled infrared filters have been used in pressure modulation and filter radiometry to measure the dynamics, temperature distribution and concentrations of atmospheric elements in various satellite radiometers. Invariably such instruments use precision infrared bandpass filters and coatings for spectral selction, often operating at cryogenic temperatures. More recent developments in the use of spectrally-selective cooled detectors in focal plane arrays have simplified the optical layout and reduced the component count of radiometers but have placed additional demands on both the spectral and physical performance requirements of the filters. This paper describes and contrasts the more traditional radiometers using discrete detectors with those which use focal plane detector array technology, with particular emphasis on the function of the filters and coatings in the two cases. Additionally we discuss the spectral techniques and materials used to fabricate infrared coatings and filters for use in space optics, and give examples of their application in the fabrication of some demanding long wavelength dichroics and filters. We also discuss the effects of the space environment on the stability and durability of high performance infrared filters and materials exposed to low Earth orbit for 69 months on the NASA Long Duration Exposure Facility (LDEF).

Infrared filters for space-flight focal plane array applications

Infrared filters and coatings have been employed on many sensing radiometer instruments to measure the thermal emission profiles and concentrations of certian chemical constituents found in planetary atmospheres. The High Resolution Dynamics Limb Sounder ( HIRDLS) is an example of the most recent developments in limb-viewing radiometry by employing a cooled focal plane detector array to provide simultaneous multi-channel monitoring of emission from gas and aerosols over an altitude range between 8 - 70 km. The use of spectrally selective cooled detectors in focal plane arrays has simplified the optical layout of radiometers, greatly reducing the number of components in the optical train. this has inevitably led to increased demands for the enviromnetal durability of the focal plane filters because of the need to cut sub-millimeter sizes, whilst maintaining an optimal spectral performance. Additionally the remaining refractive optical elements require antireflection coatings which must cover the entire spectral range of the focal plane array channels, in this case 6 to 18µm, with a minimum of reflection and absorption. This paper describes the optical layout and spectral design requirements for filteriong in the HIRDLS instrument, and reports progress on the manufacturing and testing of the sub-millimetre sized cooled filters. We also report on the spectral and environmental performance of prototype wideband antireflection coatings which satisfy the requirements above.