Linear and nonlinear measures of fetal heart rate patterns evaluated on very short fetal magnetocardiograms

We analyzed the effectiveness of linear short- and long-term variability time domain parameters, an index of sympatho-vagal balance (SDNN/RMSSD) and entropy in differentiating fetal heart rate patterns (fHRPs) on the fetal heart rate (fHR) series of 5, 3 and 2 min duration reconstructed from 46 fetal magnetocardiograms. Gestational age (GA) varied from 21 to 38 weeks. FHRPs were classified based on the fHR standard deviation. In sleep states, we observed that vagal influence increased with GA, and entropy significantly increased (decreased) with GA (SDNN/RMSSD), demonstrating that a prevalence of vagal activity with autonomous nervous system maturation may be associated with increased sleep state complexity. In active wakefulness, we observed a significant negative (positive) correlation of short-term (long-term) variability parameters with SDNN/RMSSD. ANOVA statistics demonstrated that long-term irregularity and standard deviation of normal-to-normal beat intervals (SDNN) best differentiated among fHRPs. Our results confirm that short-and long-term variability parameters are useful to differentiate between quiet and active states, and that entropy improves the characterization of sleep states. All measures differentiated fHRPs more effectively on very short HR series, as a result of the fMCG high temporal resolution and of the intrinsic timescales of the events that originate the different fHRPs.

Development of an AMR-ACB Array for Gastrointestinal Motility Studies

The association between anisotropic magnetoresistive (AMR) sensor and AC biosusceptometry (ACB) to evaluate gastrointestinal motility is presented. The AMR-ACB system was successfully characterized in a bench-top study, and in vivo results were compared with those obtained by means of simultaneous manometry. Both AMR-ACB and manometry techniques presented high temporal cross correlation between the two periodicals signals (R = 0.9 +/- 0.1; P < 0.05). The contraction frequencies using AMR-ACB were 73.9 +/- 7.6 mHz and using manometry were 73.8 +/- 7.9 mHz during the baseline (r = 98, p < 0.05). The amplitude of contraction using AMR-ACB was 396 +/- 108 mu T.s and using manometry were 540 +/- 198 mmHg.s during the baseline. The amplitudes of signals for AMR-ACB and manometric recordings were similarly increased to 86.4% and 89.3% by neostigmine, and also decreased to 27.2% and 21.4% by hyoscine butylbromide in all animals, respectively. The AMR-ACB array is nonexpensive, portable, and has high-spatiotemporal resolution to provide helpful information about gastrointestinal tract.

New activity in the large circumstellar disk of the Be-shell star 48 Librae

Aims. Spectroscopic, polarimetric, and high spectral resolution interferometric data covering the period 1995-2011 are analyzed to document the transition into a new phase of circumstellar disk activity in the classical Be-shell star 48 Lib. The objective is to use this broad data set to additionally test disk oscillations as the basic underlying dynamical process. Methods. The long-term disk evolution is described using the V/R ratio of the violet and red emission components of H alpha and Br gamma, radial velocities and profiles of He I and optical metal shell lines, as well as multi-band BVRI polarimetry. Single-epoch broad-band and high-resolution interferometric visibilities and phases are discussed with respect to a classical disk model and the given baseline orientations. Results. Spectroscopic signatures of disk asymmetries in 48 Lib vanished in the late nineties but recovered some time between 2004 and 2007, as shown by a new large-amplitude and long-duration V/R cycle. Variations in the radial velocity and line profile of conventional shell lines correlate with the V/R behavior. They are shared by narrow absorption cores superimposed on otherwise seemingly photospheric He I lines, which may form in high-density gas at the inner disk close to the photosphere. Large radial velocity variations continued also during the V/R-quiet years, suggesting that V/R may not always be a good indicator of global density waves in the disk. The comparison of the polarization after the recovery of the V/R activity shows a slight increase, while the polarization angle has been constant for more than 20 years, placing tight limits on any 3-D precession or warping of the disk. The broad H-band interferometry gives a disk diameter of (1.72 +/- 0.2) mas (equivalent to 15 stellar radii), position angle of the disk (50 +/- 9)degrees and a relatively low disk flattening of 1.66 +/- 0.3. Within the errors the same disk position angle is derived from polarimetric observations and from photocenter shifts across Br gamma. The high-resolution interferometric visibility and phase profiles show a double or even multiple-component structure. A preliminary estimate based on the size of the Br gamma emitting region indicates a large diameter for the disk (tens of stellar radii). Overall, no serious contradiction between the observations and the disk-oscillation model could be construed.

Assessing biophysical variable parameters of bean crop with hyperspectral measurements

Recently high spectral resolution sensors have been developed, which allow new and more advanced applications in agriculture. Motivated by the increasing importance of hyperspectral remote sensing data, the need for research is important to define optimal wavebands to estimate biophysical parameters of crop. The use of narrow band vegetation indices (VI) derived from hyperspectral measurements acquired by a field spectrometer was evaluated to estimate bean (Phaseolus vulgaris L.) grain yield, plant height and leaf area index (LAI). Field canopy reflectance measurements were acquired at six bean growth stages over 48 plots with four water levels (179.5; 256.5; 357.5 and 406.2 mm) and tree nitrogen rates (0; 80 and 160 kg ha-1) and four replicates. The following VI was analyzed: OSNBR (optimum simple narrow-band reflectivity); NB_NDVI (narrow-band normalized difference vegetation index) and NDVI (normalized difference index). The vegetation indices investigated (OSNBR, NB_NDVI and NDVI) were efficient to estimate LAI, plant height and grain yield. During all crop development, the best correlations between biophysical variables and spectral variables were observed on V4 (the third trifoliolate leaves were unfolded in 50 % of plants) and R6 (plants developed first flowers in 50 % of plants) stages, according to the variable analyzed.

Towards the construction of a validated numerical system to study the mesoscale dynamics of the North East Atlantic (2003-2006)

Máster en Oceanografía

Atmospheric radiative transfer in multiple scattering conditions. Application to NWP models.

High spectral resolution radiative transfer (RT) codes are essential tools in the study of the radiative energy transfer in the Earth atmosphere and a support for the development of parameterizations for fast RT codes used in climate and weather prediction models. Cirrus clouds cover permanently 30% of the Earth's surface, representing an important contribution to the Earth-atmosphere radiation balance. The work has been focussed on the development of the RT model LBLMS. The model, widely tested in the infra-red spectral range, has been extended to the short wave spectrum and it has been used in comparison with airborne and satellite measurements to study the optical properties of cirrus clouds. A new database of single scattering properties has been developed for mid latitude cirrus clouds. Ice clouds are treated as a mixture of ice crystals with various habits. The optical properties of the mixture are tested in comparison to radiometric measurements in selected case studies. Finally, a parameterization of the mixture for application to weather prediction and global circulation models has been developed. The bulk optical properties of ice crystals are parameterized as functions of the effective dimension of measured particle size distributions that are representative of mid latitude cirrus clouds. Tests with the Limited Area Weather Prediction model COSMO have shown the impact of the new parameterization with respect to cirrus cloud optical properties based on ice spheres.

Millimeter characteristics of Galactic and extragalactic starbursts

The goal of the thesis was to compare Galactic and extragalactic star-forming environments, to understand whether we can derive scaling relations for the extragalactic star formation from our understanding of the Galactic star formation; and to analyze the effect of the angular resolution of the observations and the molecular tracer used in extragalactic studies. It is therefore necessary to perform observations at the same linear resolution in both cases. With this in mind we have started a program aimed at comparing properties of mini-starburst regions in our Galaxy and starbursts in nearby galaxies at similar linear resolutions.

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.

Entwicklung einer Fokalebenen-Driftkammer für niederenergetische Pionen und experimentelle Bestimmung einer inversen Transfermatrix für das Short-Orbit-Spektrometer

Die Drei-Spektrometer-Anlage am Mainzer Institut für Kernphysik wurde um ein zusätzliches Spektrometer ergänzt, welches sich durch seine kurze Baulänge auszeichnet und deshalb Short-Orbit-Spektrometer (SOS) genannt wird. Beim nominellen Abstand des SOS vom Target (66 cm) legen die nachzuweisenden Teilchen zwischen Reaktionsort und Detektor eine mittlere Bahnlänge von 165 cm zurück. Für die schwellennahe Pionproduktion erhöht sich dadurch im Vergleich zu den großen Spektrometern die Überlebenswahrscheinlichkeit geladener Pionen mit Impuls 100 MeV/c von 15% auf 73%. Demzufolge verringert sich der systematische Fehler ("Myon-Kontamination"), etwa bei der geplanten Messung der schwachen Formfaktoren G_A(Q²) und G_P(Q²), signifikant. Den Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit bildet die Driftkammer des SOS. Ihre niedrige Massenbelegung (0,03% X_0) zur Reduzierung der Kleinwinkelstreuung ist auf den Nachweis niederenergetischer Pionen hin optimiert. Aufgrund der neuartigen Geometrie des Detektors musste eine eigene Software zur Spurrekonstruktion, Effizienzbestimmung etc. entwickelt werden. Eine komfortable Möglichkeit zur Eichung der Driftweg-Driftzeit-Relation, die durch kubische Splines dargestellt wird, wurde implementiert. Das Auflösungsvermögen des Spurdetektors liegt in der dispersiven Ebene bei 76 µm für die Orts- und 0,23° für die Winkelkoordinate (wahrscheinlichster Fehler) sowie entsprechend in der nicht-dispersiven Ebene bei 110 µm bzw. 0,29°. Zur Rückrechnung der Detektorkoordinaten auf den Reaktionsort wurde die inverse Transfermatrix des Spektrometers bestimmt. Hierzu wurden an Protonen im ¹²C-Kern quasielastisch gestreute Elektronen verwendet, deren Startwinkel durch einen Lochkollimator definiert wurden. Daraus ergeben sich experimentelle Werte für die mittlere Winkelauflösung am Target von sigma_phi = 1,3 mrad bzw. sigma_theta = 10,6 mrad. Da die Impulseichung des SOS nur mittels quasielastischer Streuung (Zweiarmexperiment) durchgeführt werden kann, muss man den Beitrag des Protonarms zur Breite des Piks der fehlenden Masse in einer Monte-Carlo-Simulation abschätzen und herausfalten. Zunächst lässt sich nur abschätzen, dass die Impulsauflösung sicher besser als 1% ist.

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.

Laser guide stars wavefront sensors for the EELT

The Adaptive Optics is the measurement and correction in real time of the wavefront aberration of the star light caused by the atmospheric turbulence, that limits the angular resolution of ground based telescopes and thus their capabilities to deep explore faint and crowded astronomical objects. The lack of natural stars enough bright to be used as reference sources for the Adaptive Optics, over a relevant fraction of the sky, led to the introduction of artificial reference stars. The so-called Laser Guide Stars are produced by exciting the Sodium atoms in a layer laying at 90km of altitude, by a powerful laser beam projected toward the sky. The possibility to turn on a reference star close to the scientific targets of interest has the drawback in an increased difficulty in the wavefront measuring, mainly due to the time instability of the Sodium layer density. These issues are increased with the telescope diameter. In view of the construction of the 42m diameter European Extremely Large Telescope a detailed investigation of the achievable performances of Adaptive Optics becomes mandatory to exploit its unique angular resolution . The goal of this Thesis was to present a complete description of a laboratory Prototype development simulating a Shack-Hartmann wavefront sensor using Laser Guide Stars as references, in the expected conditions for a 42m telescope. From the conceptual design, through the opto-mechanical design, to the Assembly, Integration and Test, all the phases of the Prototype construction are explained. The tests carried out shown the reliability of the images produced by the Prototype that agreed with the numerical simulations. For this reason some possible upgrades regarding the opto-mechanical design are presented, to extend the system functionalities and let the Prototype become a more complete test bench to simulate the performances and drive the future Adaptive Optics modules design.

Klassische und ab initio Molekulardynamik-Untersuchungen zu Germaniumdioxidschmelzen

Germaniumdioxid (GeO2) ist ein Glasbildner, der wie das homologe SiO2 ein ungeordnetes tetraedrisches Netzwerk ausbildet. In dieser Arbeit werden mit Hilfe von Molekulardynamik-Computersimulationen die Struktur und Dynamik von GeO2 in Abhängigkeit von der Temperatur untersucht. Dazu werden sowohl Simulationen mit einem klassischen Paarpotentialmodell von Oeffner und Elliott als auch ab initio-Simulationen gemäß der Car-Parrinello-Molekulardynamik (CPMD), bei der elektronische Freiheitsgrade mittels Dichtefunktionaltheorie beschrieben werden, durchgeführt. In der klassischen Simulation werden dazu ein Temperaturen zwischen 6100 K und 2530 K betrachtet. Darüberhinaus ermöglichen Abkühlläufe auf T=300 K das Studium der Struktur des Glases. Zum Vergleich werden CPMD-Simulationen für kleinere Systeme mit 60 bzw. 120 Teilchen bei den Temperaturen 3760 K und 3000 K durchgeführt. In den klassischen Simulationen kann die im Experiment bis 1700 K nachgewiesene, im Vergleich zu SiO2 starke, Temperaturabhängigkeit der Dichte auch bei höheren Temperaturen beobachtet werden. Gute Übereinstimmungen der Simulationen mit experimentellen Daten zeigen sich bei der Untersuchung verschiedener struktureller Größen, wie z.B. Paarkorrelationsfunktionen, Winkelverteilungen, Koordinationszahlen und Strukturfaktoren. Es können leichte strukturelle Abweichungen der CPMD-Simulationen von den klassischen Simulationen aufgezeigt werden: 1. Die Paarabstände in CPMD sind durchweg etwas kleiner. 2. Es zeigt sich, daß die Bindungen in den ab initio-Simulationen weicher sind, was sich auch in einer etwas stärkeren Temperaturabhängigkeit der strukturellen Größen im Vergleich zu den klassischen Simulationen niederschlägt. 3. Für CPMD kann ein vermehrtes Auftreten von Dreierringstrukturen gezeigt werden. 4. In der CPMD werden temperaturabhängige Defektstrukturen in Form von Sauerstoffpaaren beobachtet, die vor allem bei 3760 K, kaum jedoch bei 3000 K auftreten. Alle strukturellen Unterschiede zwischen klassischer und CPMD-Simulation sind eindeutig nicht auf Finite-Size-Effekte aufgrund der kleinen Systemgrößen in den CPMD-Simulationen zurückzuführen, d.h. sie sind tatsächlich methodisch bedingt. Bei der Dynamik von GeO2 wird in den klassischen Simulationen ebenfalls eine gute Übereinstimmung mit experimentellen Daten beobachtet, was ein Vergleich der Diffusionskonstanten mit Viskositätsmessungen bei hohen Temperaturen belegt. Die Diffusionskonstanten zeigen teilweise ein verschiedenes Verhalten zum homologen SiO2. Sie folgen in GeO2 bei Temperaturen unter 3000 K einem Arrheniusgesetz mit einer deutlich niedrigeren Aktivierungsenergie. Darüberhinaus werden die Möglichkeiten der Parametrisierung eines neuen klassischen Paarpotentials mittels der Kräfte entlang der CPMD-Trajektorien untersucht. Es zeigt sich, daß derartige Parametrisierungen sehr stark von den gewählten Startparametern abhängen. Ferner führen sämtliche an die Schmelze parametrisierten Potentiale zu zu hohen Dichten im Vergleich zum Experiment. Zum einen liegt dies sehr wahrscheinlich daran,daß für das System GeO2 Kraftdaten allein nicht ausreichen, um grundlegende strukturelle Größen, wie z.B. Paarkorrelationen und Winkelverteilungen, der CPMD-Simulationen gut reproduzieren zu können. Zum anderen ist wohl die Beschreibung mittels Paarpotentialen nicht ausreichend und es ist erforderlich, Merkörperwechselwirkungen in Betracht zu ziehen.

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.

The APSEL4D Monolithic Active Pixel Sensor and its Usage in a Single Electron Interference Experiment

We have realized a Data Acquisition chain for the use and characterization of APSEL4D, a 32 x 128 Monolithic Active Pixel Sensor, developed as a prototype for frontier experiments in high energy particle physics. In particular a transition board was realized for the conversion between the chip and the FPGA voltage levels and for the signal quality enhancing. A Xilinx Spartan-3 FPGA was used for real time data processing, for the chip control and the communication with a Personal Computer through a 2.0 USB port. For this purpose a firmware code, developed in VHDL language, was written. Finally a Graphical User Interface for the online system monitoring, hit display and chip control, based on windows and widgets, was realized developing a C++ code and using Qt and Qwt dedicated libraries. APSEL4D and the full acquisition chain were characterized for the first time with the electron beam of the transmission electron microscope and with 55Fe and 90Sr radioactive sources. In addition, a beam test was performed at the T9 station of the CERN PS, where hadrons of momentum of 12 GeV/c are available. The very high time resolution of APSEL4D (up to 2.5 Mfps, but used at 6 kfps) was fundamental in realizing a single electron Young experiment using nanometric double slits obtained by a FIB technique. On high statistical samples, it was possible to observe the interference and diffractions of single isolated electrons traveling inside a transmission electron microscope. For the first time, the information on the distribution of the arrival time of the single electrons has been extracted.

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.