Optische Spektroskopie an Fermium (Z=100)

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde erstmals Laser-Atomspektroskopie an einem Element durchgeführt, für das bisher keine atomaren Niveaus bekannt waren. Die Experimente wurden am Element Fermium mit der Ordnungszahl Z=100 mit der Resonanzionisationsspektroskopie (RIS) in einer Puffergaszelle durchgeführt. Verwendet wurde das Isotop 255Fm mit einer Halbwertszeit von 20.1 h, das im Hochflusskernreaktor des ORNL, Oak Ridge, USA, hergestellt wurde. Die von einem elektrochemischen Filament in das Argon-Puffergas bei einer Temperatur von 960(20)°C abgedampften Fm-Atome wurden mit Lasern in einem Zweistufenprozess resonant ionisiert. Dazu wurde das Licht eines Excimerlaser gepumpten Farbstofflasers für den ersten Anregungsschritt um die Wellenlänge 400 nm durchgestimmt. Ein Teil des Excimer (XeF) Laser Pumplichtes mit den Wellenlänge 351/353 nm wurde für die nicht-resonante Ionisation verwendet. Die Ionen wurden mit Hilfe elektrischer Felder aus der optischen Zelle extrahiert und nach einem Quadrupol Massenfilter mit einem Channeltron-Detektor massenselektiv nachgewiesen. Trotz der geringen Probenmenge von 2.7 x 10^10 eingesetzten Atomen wurden zwei atomare Resonanzen bei Energien von 25099.8(2) cm-1 und 25111.8(2) cm-1 gefunden und das Sättigungsverhalten dieser Linien gemessen. Es wurde ein theoretisches Modell entwickelt, dass sowohl das spektrale Profil der sättigungsverbreiterten Linien als auch die Sättigungskurven beschreibt. Durch Anpassung an die Messdaten konnten die partiellen Übergangsraten in den 3H6 Grundzustand Aki=3.6(7) x 10^6/s und Aki=3.6(6) x 10^6/s bestimmt werden. Der Vergleich der Niveauenergien und Übergangsraten mit Multikonfigurations Dirac-Fock Rechnungen legt die spektroskopische Klassifizierung der beobachteten Niveaus als 5f12 7s7p 5I6 und 5G6 Terme nahe. Weiterhin wurde ein Übergang bei 25740 cm-1 gefunden, der aufgrund der beobachteten Linienbreite von 1000 GHz als Rydbergzustand Zustand mit der Niveauenergie 51480 cm-1 interpretiert wurde und über einen Zweiphotonen Prozess angeregt werden kann. Basierend auf dieser Annahme wurde die Obergrenze für die Ionisationsenergie IP = 52140 cm-1 = 6.5 eV abgeschätzt. In den Messungen wurden Verschiebungen in den Zeitverteilungsspektren zwischen den mono-atomaren Ionen Fm+ und Cf+ und dem Molekül-Ion UO+ festgestellt und auf Driftzeitunterschiede im elektrischen Feld der gasgefüllten optischen Zelle zurückgeführt. Unter einfachen Modellannahmen wurde daraus auf die relativen Unterschiede Delta_r(Fm+,Cf+)/r(Cf+) ˜ -0.2 % und Delta_r(UO+,Cf+)/r(Cf+) ˜ 20 % in den Ionenradien geschlossen. Über die Bestimmung der Abnahme der Fm-a Aktivität des Filamentes auf der einen Seite und die Messung der Resonanzzählrate auf der anderen Seite, wurde die Nachweiseffizienz der Apparatur zu 4.5(3) x 10^-4 bestimmt. Die Nachweisapparatur wurde mit dem Ziel weiterentwickelt, Laserspektroskopie am Isotop 251Fm durchzuführen, das über die Reaktion 249Cf(a,2n)251Fm direkt in der optischen Zelle erzeugt werden soll. Das Verfahren wurde am chemischen Homolog Erbium getestet. Dabei wurde das Isotop 163Er über die Reaktion 161Dy(a,2n)163Er erzeugt und nach Resonanzionisation nachgewiesen. Die Nachweiseffizienz der Methode wurde zu 1 x 10^-4 bestimmt.

Modeling surface-atmosphere exchange of trace gases and energy within and above the Amazon rain forest

Die vorliegende Dissertation untersucht die biogeochemischen Vorgänge in der Vegetationsschicht (Bestand) und die Rückkopplungen zwischen physiologischen und physikalischen Umweltprozessen, die das Klima und die Chemie der unteren Atmosphäre beeinflussen. Ein besondere Schwerpunkt ist die Verwendung theoretischer Ansätze zur Quantifizierung des vertikalen Austauschs von Energie und Spurengasen (Vertikalfluss) unter besonderer Berücksichtigung der Wechselwirkungen der beteiligten Prozesse. Es wird ein differenziertes Mehrschicht-Modell der Vegetation hergeleitet, implementiert, für den amazonischen Regenwald parametrisiert und auf einen Standort in Rondonia (Südwest Amazonien) angewendet, welches die gekoppelten Gleichungen zur Energiebilanz der Oberfläche und CO2-Assimilation auf der Blattskala mit einer Lagrange-Beschreibung des Vertikaltransports auf der Bestandesskala kombiniert. Die hergeleiteten Parametrisierungen beinhalten die vertikale Dichteverteilung der Blattfläche, ein normalisiertes Profil der horizontalen Windgeschwindigkeit, die Lichtakklimatisierung der Photosynthesekapazität und den Austausch von CO2 und Wärme an der Bodenoberfläche. Desweiteren werden die Berechnungen zur Photosynthese, stomatären Leitfähigkeit und der Strahlungsabschwächung im Bestand mithilfe von Feldmessungen evaluiert. Das Teilmodell zum Vertikaltransport wird im Detail unter Verwendung von 222-Radon-Messungen evaluiert. Die ``Vorwärtslösung'' und der ``inverse Ansatz'' des Lagrangeschen Dispersionsmodells werden durch den Vergleich von beobachteten und vorhergesagten Konzentrationsprofilen bzw. Bodenflüssen bewertet. Ein neuer Ansatz wird hergeleitet, um die Unsicherheiten des inversen Ansatzes aus denjenigen des Eingabekonzentrationsprofils zu quantifizieren. Für nächtliche Bedingungen wird eine modifizierte Parametrisierung der Turbulenz vorgeschlagen, welche die freie Konvektion während der Nacht im unteren Bestand berücksichtigt und im Vergleich zu früheren Abschätzungen zu deutlich kürzeren Aufenthaltszeiten im Bestand führt. Die vorhergesagte Stratifizierung des Bestandes am Tage und in der Nacht steht im Einklang mit Beobachtungen in dichter Vegetation. Die Tagesgänge der vorhergesagten Flüsse und skalaren Profile von Temperatur, H2O, CO2, Isopren und O3 während der späten Regen- und Trockenzeit am Rondonia-Standort stimmen gut mit Beobachtungen überein. Die Ergebnisse weisen auf saisonale physiologische Änderungen hin, die sich durch höhere stomatäre Leitfähigkeiten bzw. niedrigere Photosyntheseraten während der Regen- und Trockenzeit manifestieren. Die beobachteten Depositionsgeschwindigkeiten für Ozon während der Regenzeit überschreiten diejenigen der Trockenzeit um 150-250%. Dies kann nicht durch realistische physiologische Änderungen erklärt werden, jedoch durch einen zusätzlichen cuticulären Aufnahmemechanismus, möglicherweise an feuchten Oberflächen. Der Vergleich von beobachteten und vorhergesagten Isoprenkonzentrationen im Bestand weist auf eine reduzierte Isoprenemissionskapazität schattenadaptierter Blätter und zusätzlich auf eine Isoprenaufnahme des Bodens hin, wodurch sich die globale Schätzung für den tropischen Regenwald um 30% reduzieren würde. In einer detaillierten Sensitivitätsstudie wird die VOC Emission von amazonischen Baumarten unter Verwendung eines neuronalen Ansatzes in Beziehung zu physiologischen und abiotischen Faktoren gesetzt. Die Güte einzelner Parameterkombinationen bezüglich der Vorhersage der VOC Emission wird mit den Vorhersagen eines Modells verglichen, das quasi als Standardemissionsalgorithmus für Isopren dient und Licht sowie Temperatur als Eingabeparameter verwendet. Der Standardalgorithmus und das neuronale Netz unter Verwendung von Licht und Temperatur als Eingabeparameter schneiden sehr gut bei einzelnen Datensätzen ab, scheitern jedoch bei der Vorhersage beobachteter VOC Emissionen, wenn Datensätze von verschiedenen Perioden (Regen/Trockenzeit), Blattentwicklungsstadien, oder gar unterschiedlichen Spezies zusammengeführt werden. Wenn dem Netzwerk Informationen über die Temperatur-Historie hinzugefügt werden, reduziert sich die nicht erklärte Varianz teilweise. Eine noch bessere Leistung wird jedoch mit physiologischen Parameterkombinationen erzielt. Dies verdeutlicht die starke Kopplung zwischen VOC Emission und Blattphysiologie.

Advanced lithium and lithium-ion rechargeable batteries for automotive applications

The worldwide demand for a clean and low-fuel-consuming transport promotes the development of safe, high energy and power electrochemical storage and conversion systems. Lithium-ion batteries (LIBs) are considered today the best technology for this application as demonstrated by the recent interest of automotive industry in hybrid (HEV) and electric vehicles (EV) based on LIBs. This thesis work, starting from the synthesis and characterization of electrode materials and the use of non-conventional electrolytes, demonstrates that LIBs with novel and safe electrolytes and electrode materials meet the targets of specific energy and power established by U.S.A. Department of Energy (DOE) for automotive application in HEV and EV. In chapter 2 is reported the origin of all chemicals used, the description of the instruments used for synthesis and chemical-physical characterizations, the electrodes preparation, the batteries configuration and the electrochemical characterization procedure of electrodes and batteries. Since the electrolyte is the main critical point of a battery, in particular in large- format modules, in chapter 3 we focused on the characterization of innovative and safe electrolytes based on ionic liquids (characterized by high boiling/decomposition points, thermal and electrochemical stability and appreciable conductivity) and mixtures of ionic liquid with conventional electrolyte. In chapter 4 is discussed the microwave accelerated sol–gel synthesis of the carbon- coated lithium iron phosphate (LiFePO 4 -C), an excellent cathode material for LIBs thanks to its intrinsic safety and tolerance to abusive conditions, which showed excellent electrochemical performance in terms of specific capacity and stability. In chapter 5 are presented the chemical-physical and electrochemical characterizations of graphite and titanium-based anode materials in different electrolytes. We also characterized a new anodic material, amorphous SnCo alloy, synthetized with a nanowire morphology that showed to strongly enhance the electrochemical stability of the material during galvanostatic full charge/discharge cycling. Finally, in chapter 6, are reported different types of batteries, assembled using the LiFePO 4 -C cathode material, different anode materials and electrolytes, characterized by deep galvanostatic charge/discharge cycles at different C-rates and by test procedures of the DOE protocol for evaluating pulse power capability and available energy. First, we tested a battery with the innovative cathode material LiFePO 4 -C and conventional graphite anode and carbonate-based electrolyte (EC DMC LiPF 6 1M) that demonstrated to surpass easily the target for power-assist HEV application. Given that the big concern of conventional lithium-ion batteries is the flammability of highly volatile organic carbonate- based electrolytes, we made safe batteries with electrolytes based on ionic liquid (IL). In order to use graphite anode in IL electrolyte we added to the IL 10% w/w of vinylene carbonate (VC) that produces a stable SEI (solid electrolyte interphase) and prevents the graphite exfoliation phenomenon. Then we assembled batteries with LiFePO 4 -C cathode, graphite anode and PYR 14 TFSI 0.4m LiTFSI with 10% w/w of VC that overcame the DOE targets for HEV application and were stable for over 275 cycles. We also assembled and characterized ―high safety‖ batteries with electrolytes based on pure IL, PYR 14 TFSI with 0.4m LiTFSI as lithium salt, and on mixture of this IL and standard electrolyte (PYR 14 TFSI 50% w/w and EC DMC LiPF 6 50% w/w), using titanium-based anodes (TiO 2 and Li 4 Ti 5 O 12 ) that are commonly considered safer than graphite in abusive conditions. The batteries bearing the pure ionic liquid did not satisfy the targets for HEV application, but the batteries with Li 4 Ti 5 O 12 anode and 50-50 mixture electrolyte were able to surpass the targets. We also assembled and characterized a lithium battery (with lithium metal anode) with a polymeric electrolyte based on poly-ethilenoxide (PEO 20 – LiCF 3 SO 3 +10%ZrO 2 ), which satisfied the targets for EV application and showed a very impressive cycling stability. In conclusion, we developed three lithium-ion batteries of different chemistries that demonstrated to be suitable for application in power-assist hybrid vehicles: graphite/EC DMC LiPF 6 /LiFePO 4 -C, graphite/PYR 14 TFSI 0.4m LiTFSI with 10% VC/LiFePO 4 -C and Li 4 T i5 O 12 /PYR 14 TFSI 50%-EC DMC LiPF 6 50%/LiFePO 4 -C. We also demonstrated that an all solid-state polymer lithium battery as Li/PEO 20 –LiCF 3 SO 3 +10%ZrO 2 /LiFePO 4 -C is suitable for application on electric vehicles. Furthermore we developed a promising anodic material alternative to the graphite, based on SnCo amorphous alloy.

The grain-scale distribution and behaviour of melt and fluid in crystalline analogue systems

The production, segregation and migration of melt and aqueous fluids (henceforth called liquid) plays an important role for the transport of mass and energy within the mantle and the crust of the Earth. Many properties of large-scale liquid migration processes such as the permeability of a rock matrix or the initial segregation of newly formed liquid from the host-rock depends on the grain-scale distribution and behaviour of liquid. Although the general mechanisms of liquid distribution at the grain-scale are well understood, the influence of possibly important modifying processes such as static recrystallization, deformation, and chemical disequilibrium on the liquid distribution is not well constrained. For this thesis analogue experiments were used that allowed to investigate the interplay of these different mechanisms in-situ. In high-temperature environments where melts are produced, the grain-scale distribution in “equilibrium” is fully determined by the liquid fraction and the ratio between the solid-solid and the solid-liquid surface energy. The latter is commonly expressed as the dihedral or wetting angle between two grains and the liquid phase (Chapter 2). The interplay of this “equilibrium” liquid distribution with ongoing surface energy driven recrystallization is investigated in Chapter 4 and 5 with experiments using norcamphor plus ethanol liquid. Ethanol in contact with norcamphor forms a wetting angle of about 25°, which is similar to reported angles of rock-forming minerals in contact with silicate melt. The experiments in Chapter 4 show that previously reported disequilibrium features such as trapped liquid lenses, fully-wetted grain boundaries, and large liquid pockets can be explained by the interplay of the liquid with ongoing recrystallization. Closer inspection of dihedral angles in Chapter 5 reveals that the wetting angles are themselves modified by grain coarsening. Ongoing recrystallization constantly moves liquid-filled triple junctions, thereby altering the wetting angles dynamically as a function of the triple junction velocity. A polycrystalline aggregate will therefore always display a range of equilibrium and dynamic wetting angles at raised temperature, rather than a single wetting angle as previously thought. For the deformation experiments partially molten KNO3–LiNO3 experiments were used in addition to norcamphor–ethanol experiments (Chapter 6). Three deformation regimes were observed. At a high bulk liquid fraction >10 vol.% the aggregate deformed by compaction and granular flow. At a “moderate” liquid fraction, the aggregate deformed mainly by grain boundary sliding (GBS) that was localized into conjugate shear zones. At a low liquid fraction, the grains of the aggregate formed a supporting framework that deformed internally by crystal plastic deformation or diffusion creep. Liquid segregation was most efficient during framework deformation, while GBS lead to slow liquid segregation or even liquid dispersion in the deforming areas.

Molekulardynamiksimulationen zur Untersuchung des Mischalkali-Effektes in silikatischen Gläsern

In der vorliegenden Arbeit wird mittels Molekulardynamik(MD)-Computersimulationen die Dynamik von verschiedenen Alkalisilikaten in der Schmelze und im Glas untersucht. Es ist bekannt, daß diese Systeme ionenleitend sind, was auf eine hohe Mobilität der Alkaliionen im Vergleich zu den glasbildenden Komponenten Si und O zurückzuführen ist. Im Mittelpunkt des Interesses steht der sog. Mischalkalieffekt (MAE), der in ternären Mischungen aus Siliziumdioxid mit zwei Alkalioxiden auftritt. Gegenüber Mischungen mit nur einer Alkaliionensorte weisen letztere Systeme eine signifikante Verlangsamung der Alkaliionendiffusion auf. Zunächst werden zwei binäre Alkalisilikate simuliert, nämlich Lithiumdisilikat (LS2) und Kaliumdisilikat (KS2). Die Simulationen zeigen, daß der Ursprung der hohen Mobilität der Alkaliionen in der Struktur begründet ist. KS2 und LS2 weisen auf intermediären Längenskalen Ordnung auf, die in partiellen statischen Strukturfaktoren durch Prepeaks reflektiert ist. Die den Prepeaks zugrundeliegende Struktur erklärt sich durch perkolierende Netzwerke aus alkalioxidreichen Kanälen, die als Diffusionskanäle für die mobilen Alkaliionen fungieren. In diesen Kanälen bewegen sich die Ionen mittels Sprüngen (Hopping) zwischen ausgezeichneten Plätzen. In der Simulation beobachtet man für die hohen Temperaturen (4000K>=1500K) eine ähnliche Aktivierungsenergie wie im Experiment. Im Experiment findet allerdings unterhalb von ca.1200K ein Crossover in ein Arrheniusverhalten mit höherer Aktivierungsenergie statt, welches von der Simulation nicht nachvollzogen wird. Das kann mit der in der Simulation nicht im Gleichgewicht befindlichen Si-O-Matrix erklärt werden, bei der Alterungseffekte beobachtet werden. Am stärksten ist der MAE für eine Alkalikomponente, wenn deren Konzentrationsanteil in einem ternären Mischalkalisystem gegen 0 geht. Daher wird ein LS2-System untersucht, in dem ein Li-Ion gegen ein K-Ion getauscht wird. Der Einfluß des K-Ions ist sowohl lokal in den charakteristischen Abständen zu den ersten nächsten Nachbarn (NN) zu sehen, als auch in der ortsaufgelösten Koordinationszahlverteilung bis zu Längenskalen von ca. 8,5 Angstrom. Die Untersuchung der Dynamik des eingesetzten K-Ions zeigt, daß die Sprungwahrscheinlichkeit nicht mit der Lokalisierung, einem Maß für die Bewegung eines Teilchens um seine Ruheposition, korreliert ist, aber daß eine chemische Umgebung mit wenig Li- und vielen O-NN oder vielen Li- und wenig O-NN ein Sprungereignis begünstigt. Zuletzt wird ein ternäres Alkalisilikat (LKS2) untersucht, dessen Struktur alle charakteristischen Längenskalen von LS2 und KS2 aufweist. Es stellt sich also eine komplexe Struktur mit zwei perkolierenden Subnetzwerken für Alkaliionen ein. Die Untersuchung der Dynamik zeigt eine geringe Wahrscheinlichkeit dafür auf, daß Ionen in ein Subnetzwerk andersnamiger Ionen springen. Auch kann gezeigt werden, daß das Modellpotential den MAE reproduzieren kann, daß also die Diffusionskonstanten in LKS2 bei bis zu einer Größenordnung langsamer sind als in KS2 bzw. LS2. Der beobachtete Effekt stellt sich zudem vom funktionalen Verlauf her so dar, wie er beim MAE erwartet wird. Es wurde auch festgestellt, daß trotz der zeitlichen Verzögerung in den dynamischen Größen die Anzahl der Sprünge pro Zeit nicht geringer ist und daß für niedrige Temperaturen (d.h.im Glas) Sprünge auf den Nachbarplatz mit anschließendem Rücksprung auf die vorherige Position deutlich wahrscheinlicher sind als bei hohen Temperaturen (also in der Schmelze). Die vorliegenden Resultate geben Aufschluß über die Details der Mechanismen mikroskopischer Ionenleitung in binären und ternären Alkalisilikaten sowie dem MAE.

Computational investigations of ion conduction mechanisms using enhanced sampling methods

Proper ion channels’ functioning is a prerequisite for a normal cell and disorders involving ion channels, or channelopathies, underlie many human diseases. Long QT syndromes (LQTS) for example may arise from the malfunctioning of hERG channel, caused either by the binding of drugs or mutations in HERG gene. In the first part of this thesis I present a framework to investigate the mechanism of ion conduction through hERG channel. The free energy profile governing the elementary steps of ion translocation in the pore was computed by means of umbrella sampling simulations. Compared to previous studies, we detected a different dynamic behavior: according to our data hERG is more likely to mediate a conduction mechanism which has been referred to as “single-vacancy-like” by Roux and coworkers (2001), rather then a “knock-on” mechanism. The same protocol was applied to a model of hERG presenting the Gly628Ser mutation, found to be cause of congenital LQTS. The results provided interesting insights about the reason of the malfunctioning of the mutant channel. Since they have critical functions in viruses’ life cycle, viral ion channels, such as M2 proton channel, are considered attractive targets for antiviral therapy. A deep knowledge of the mechanisms that the virus employs to survive in the host cell is of primary importance in the identification of new antiviral strategies. In the second part of this thesis I shed light on the role that M2 plays in the control of electrical potential inside the virus, being the charge equilibration a condition required to allow proton influx. The ion conduction through M2 was simulated using metadynamics technique. Based on our results we suggest that a potential anion-mediated cation-proton exchange, as well as a direct anion-proton exchange could both contribute to explain the activity of the M2 channel.

Theoretical and numerical study of the laser-plasma ion acceleration

The laser driven ion acceleration is a burgeoning field of resarch and is attracting a growing number of scientists since the first results reported in 2000 obtained irradiating thin solid foils by high power laser pulses. The growing interest is driven by the peculiar characteristics of the produced bunches, the compactness of the whole accelerating system and the very short accelerating length of this all-optical accelerators. A fervent theoretical and experimental work has been done since then. An important part of the theoretical study is done by means of numerical simulations and the most widely used technique exploits PIC codes (“Particle In Cell'”). In this thesis the PIC code AlaDyn, developed by our research group considering innovative algorithms, is described. My work has been devoted to the developement of the code and the investigation of the laser driven ion acceleration for different target configurations. Two target configurations for the proton acceleration are presented together with the results of the 2D and 3D numerical investigation. One target configuration consists of a solid foil with a low density layer attached on the irradiated side. The nearly critical plasma of the foam layer allows a very high energy absorption by the target and an increase of the proton energy up to a factor 3, when compared to the ``pure'' TNSA configuration. The differences of the regime with respect to the standard TNSA are described The case of nearly critical density targets has been investigated with 3D simulations. In this case the laser travels throughout the plasma and exits on the rear side. During the propagation, the laser drills a channel and induce a magnetic vortex that expanding on the rear side of the targer is source of a very intense electric field. The protons of the plasma are strongly accelerated up to energies of 100 MeV using a 200PW laser.

Investigation of the dipole response of nickel isotopes in the presence of a high-frequency electromagnetic field

The electric dipole response of neutron-rich nickel isotopes has been investigated using the LAND setup at GSI in Darmstadt (Germany). Relativistic secondary beams of 56−57Ni and 67−72Ni at approximately 500 AMeV have been generated using projectile fragmentation of stable ions on a 4 g/cm2 Be target and subsequent separation in the magnetic dipole fields of the FRagment Separator (FRS). After reaching the LAND setup in Cave C, the radioactive ions were excited electromagnetically in the electric field of a Pb target. The decay products have been measured in inverse kinematics using various detectors. Neutron-rich 67−69Ni isotopes decay by the emission of neutrons, which are detected in the LAND detector. The present analysis concentrates on the (gamma,n) and (gamma,2n) channels in these nuclei, since the proton and three-neutron thresholds are unlikely to be reached considering the virtual photon spectrum for nickel ions at 500 AMeV. A measurement of the stable 58Ni isotope is used as a benchmark to check the accuracy of the present results with previously published data. The measured (gamma,n) and (gamma,np) channels are compared with an inclusive photoneutron measurement by Fultz and coworkers, which are consistent within the respective errors. The measured excitation energy distributions of 67−69Ni contain a large portion of the Giant Dipole Resonance (GDR) strength predicted by the Thomas-Reiche-Kuhn energy-weighted sum rule, as well as a significant amount of low-lying E1 strength, that cannot be attributed to the GDR alone. The GDR distribution parameters are calculated using well-established semi-empirical systematic models, providing the peak energies and widths. The GDR strength is extracted from the chi-square minimization of the model GDR to the measured data of the (gamma,2n) channel, thereby excluding any influence of eventual low-lying strength. The subtraction of the obtained GDR distribution from the total measured E1 strength provides the low-lying E1 strength distribution, which is attributed to the Pygmy Dipole Resonance (PDR). The extraction of the peak energy, width and strength is performed using a Gaussian function. The minimization of trial Gaussian distributions to the data does not converge towards a sharp minimum. Therefore, the results are presented by a chi-square distribution as a function of all three Gaussian parameters. Various predictions of PDR distributions exist, as well as a recent measurement of the 68Ni pygmy dipole-resonance obtained by virtual photon scattering, to which the present pygmy dipole-resonance distribution is also compared.

Vector meson photoproduction in ultra-peripheral heavy ion collisions with ALICE at the LHC

Ultra-relativistic heavy ions generate strong electromagnetic fields which offer the possibility to study γ-γ and γ-nucleus processes at the LHC in the so called ultra-peripheral collisions (UPC). The photoproduction of J/ψ vector mesons in UPC is sensitive to the gluon distribution of the interacting nuclei. In this thesis the study of coherent and incoherent J/ψ production in Pb-Pb collisions at √sNN = 2.76 TeV is described. The J/ψ has been measured via its leptonic decay in the rapidity range -0.9 < y < 0.9. The cross section for coherent and incoherent J/ψ are given. The results are compared to theoretical models for J/ψ production and the coherent cross section is found to be in good agreement with those models which include nuclear gluon shadowing consistent with EPS09 parametrization. In addition the cross section for the process γ γ→ e+e− has been measured and found to be in agreement with the STARLIGHT Monte Carlo predictions. The analysis has been published by the ALICE Collaboration in the European Physical Journal C, with one of its main plot depicted on the cover-front of the November 2013 issue.

Investigation of the lithium ion mobility in cyclic model compounds and their ion conducting properties

Efficient energy storage and conversion is playing a key role in overcoming the present and future challenges in energy supply. Batteries provide portable, electrochemical storage of green energy sources and potentially allow for a reduction of the dependence on fossil fuels, which is of great importance with respect to the issue of global warming. In view of both, energy density and energy drain, rechargeable lithium ion batteries outperform other present accumulator systems. However, despite great efforts over the last decades, the ideal electrolyte in terms of key characteristics such as capacity, cycle life, and most important reliable safety, has not yet been identified. rnrnSteps ahead in lithium ion battery technology require a fundamental understanding of lithium ion transport, salt association, and ion solvation within the electrolyte. Indeed, well-defined model compounds allow for systematic studies of molecular ion transport. Thus, in the present work, based on the concept of ‘immobilizing’ ion solvents, three main series with a cyclotriphosphazene (CTP), hexaphenylbenzene (HBP), and tetramethylcyclotetrasiloxane (TMS) scaffold were prepared. Lithium ion solvents, among others ethylene carbonate (EC), which has proven to fulfill together with pro-pylene carbonate safety and market concerns in commercial lithium ion batteries, were attached to the different cores via alkyl spacers of variable length.rnrnAll model compounds were fully characterized, pure and thermally stable up to at least 235 °C, covering the requested broad range of glass transition temperatures from -78.1 °C up to +6.2 °C. While the CTP models tend to rearrange at elevated temperatures over time, which questions the general stability of alkoxide related (poly)phosphazenes, both, the HPB and CTP based models show no evidence of core stacking. In particular the CTP derivatives represent good solvents for various lithium salts, exhibiting no significant differences in the ionic conductivity σ_dc and thus indicating comparable salt dissociation and rather independent motion of cations and ions.rnrnIn general, temperature-dependent bulk ionic conductivities investigated via impedance spectroscopy follow a William-Landel-Ferry (WLF) type behavior. Modifications of the alkyl spacer length were shown to influence ionic conductivities only in combination to changes in glass transition temperatures. Though the glass transition temperatures of the blends are low, their conductivities are only in the range of typical polymer electrolytes. The highest σ_dc obtained at ambient temperatures was 6.0 x 10-6 S•cm-1, strongly suggesting a rather tight coordination of the lithium ions to the solvating 2-oxo-1,3-dioxolane moieties, supported by the increased σ_dc values for the oligo(ethylene oxide) based analogues.rnrnFurther insights into the mechanism of lithium ion dynamics were derived from 7Li and 13C Solid- State NMR investigations. While localized ion motion was probed by i.e. 7Li spin-lattice relaxation measurements with apparent activation energies E_a of 20 to 40 kJ/mol, long-range macroscopic transport was monitored by Pulsed-Field Gradient (PFG) NMR, providing an E_a of 61 kJ/mol. The latter is in good agreement with the values determined from bulk conductivity data, indicating the major contribution of ion transport was only detected by PFG NMR. However, the μm-diffusion is rather slow, emphasizing the strong lithium coordination to the carbonyl oxygens, which hampers sufficient ion conductivities and suggests exploring ‘softer’ solvating moieties in future electrolytes.rn

Implications of regional fault distribution and kinematics for the uplift of rift flanks around the Rwenzori Mountains, Southwestern Uganda

Das Ziel dieser Arbeit bestand in der Untersuchung der Störungsverteilung und der Störungskinematik im Zusammenhang mit der Hebung der Riftschultern des Rwenzori Gebirges.rnDas Rwenzori Gebirge befindet sich im NNE-SSWbis N-S verlaufenden Albertine Rift, des nördlichsten Segments des westlichen Armes des Ostafrikanischen Grabensystems. Das Albertine Rift besteht aus Becken unterschiedlicher Höhe, die den Lake Albert, Lake Edward, Lake George und Lake Kivu enthalten. Der Rwenzori horst trennt die Becken des Lake Albert und des Lake Edward. Es erstreckt sich 120km in N-S Richtung, sowie 40-50km in E-W Richtung, der h¨ochste Punkt befindet sich 5111 ü. NN. Diese Studie untersucht einen Abschnitt des Rifts zwischen etwa 1°N und 0°30'S Breite sowie 29°30' und 30°30' östlicher Länge ersteckt. Auch die Feldarbeit konzentrierte sich auf dieses Gebiet.rnrnHauptzweck dieser Studie bestand darin, die folgende These auf ihre Richtigkeit zu überprüfen: ’Wenn es im Verlauf der Zeit tatsächlich zu wesentlichen Änderungen in der Störungskinematik kam, dann ist die starke Hebung der Riftflanken im Bereich der Rwenzoris nicht einfach durch Bewegung entlang der Graben-Hauptst¨orungen zu erklären. Vielmehr ist sie ein Resultat des Zusammenspiels mehrerer tektonische Prozesse, die das Spannungsfeld beeinflussen und dadurch Änderungen in der Kinematik hervorrufen.’ Dadurch konzentrierte sich die Studie in erster Linie auf die Störungsanalyse.rnrnDie Kenntnis regionaler Änderungen der Extensionsrichtung ist entscheidend für das Verständnis komplexer Riftsysteme wie dem Ostafrikanischen Graben. Daher bestand der Kern der Untersuchung in der Kartierung von Störungen und der Untersuchung der Störungskinematik. Die Aufnahme strukturgeologischer Daten konzentrierte sich auf die Ugandische Seite des Rifts, und Pal¨aospannungen wurden mit Hilfe von St¨orungsdaten durch Spannungsinversion rekonstruiert.rnDie unterschiedliche Orientierung spr¨oder Strukturen im Gelände, die geometrische Analyse der geologischen Strukturen sowie die Ergebnisse von Mikrostrukturen im Dünnschliff (Kapitel 4) weisen auf verschiedene Spannungsfelder hin, die auf mögliche Änderungen der Extensionsrichtung hinweisen. Die Resultate der Spannungsinversion sprechen für Ab-, Über- und Blattverschiebungen sowie für Schrägüberschiebungen (Kapitel 5). Aus der Orientierung der Abschiebungen gehen zwei verschiedene Extensionsrichtungen hervor: im Wesentlichen NW-SE Extension in fast allen Gebieten, sowie NNE-SSW Extension im östlichen Zentralbereich.rnAus der Analyse von Blattverschiebungen ergaben sich drei unterschiedliche Spannungszustände. Zum Einen NNW-SSE bis N-S Kompression in Verbindung mit ENE-WSW bzw E-W Extension wurde für die nördlichen und die zentralen Ruwenzoris ausgemacht. Ein zweiter Spannungszustand mit WNW-ESE Kompression/NNE-SSW Extension betraf die Zentralen Rwenzoris. Ein dritter Spannungszustand mit NNW-SSE Extension betraf den östlichen Zentralteil der Rwenzoris. Schrägüberschiebungen sind durch dazu schräge Achsen charakterisiert, die für N-S bis NNW-SSE Kompression sprechen und ausschließlich im östlichen Zentralabschnitt auftreten. Überschiebungen, die hauptsächlich in den zentralen und den östlichen Rwenzoris auftreten, sprechen für NE-SW orientierten σ2-Achsen und NW-SE Extension.rnrnEs konnten drei unterschiedliche Spannungseinflüsse identifiziert werden: auf die kollisionsbedingte Bildung eines Überschiebungssystem folgte intra-kratonische Kompression und schließlich extensionskontrollierte Riftbildung. Der Übergang zwischen den beiden letztgenannten Spannungszuständen erfolgte Schrittweise und erzeugte vermutlich lokal begrenzte Transpression und Transtension. Gegenw¨artig wird die Störungskinematik der Region durch ein tensiles Spannungsregime in NW-SE bis N-S Richtung bestimmt.rnrnLokale Spannungsvariationen werden dabei hauptsächlich durch die Interferenzrndes regionalen Spannungsfeldes mit lokalen Hauptst¨orungen verursacht. Weitere Faktoren die zu lokalen Veränderungen des Spannungsfeldes führen können sind unterschiedliche Hebungsgeschwindigkeiten, Blockrotation oder die Interaktion von Riftsegmenten. Um den Einfluß präexistenter Strukturen und anderer Bedingungen auf die Hebung der Rwenzoris zu ermitteln, wurde der Riftprozeß mit Hilfe eines analogen ’Sandbox’-Modells rekonstruiert (Kapitel 6). Da sich die Moho-Diskontinuität im Bereich des Arbeitsgebietes in einer Tiefe von 25 km befindet, aktive Störungen aber nur bis zu einer Tiefe von etwa 20 km beobachtet werden können (Koehn et al. 2008), wurden nur die oberen 25 km im Modell nachbebildet. Untersucht und mit Geländebeobachtungen verglichen wurden sowohl die Reihenfolge, in der Riftsegmente entstehen, als auch die Muster, die sich im Verlauf der Nukleierung und des Wachstums dieser Riftsegmente ausbilden. Das Hauptaugenmerk wurde auf die Entwicklung der beiden Subsegmente gelegt auf denen sich der Lake Albert bzw. der Lake Edward und der Lake George befinden, sowie auf das dazwischenliegende Rwenzori Gebirge. Das Ziel der Untersuchung bestand darin herauszufinden, in welcher Weise das südwärts propagierende Lake Albert-Subsegment mit dem sinistral versetzten nordwärts propagierenden Lake Edward/Lake George-Subsegment interagiert.rnrnVon besonderem Interesse war es, in welcherWeise die Strukturen innerhalb und außerhalb der Rwenzoris durch die Interaktion dieser Riftsegmente beeinflußt wurden. rnrnDrei verschiedene Versuchsreihen mit unterschiedlichen Randbedingungen wurden miteinander verglichen. Abhängig vom vorherrschenden Deformationstyp der Transferzone wurden die Reihen als ’Scherungs-dominiert’, ’Extensions-dominiert’ und als ’Rotations-dominiert’ charakterisiert. Die Beobachtung der 3-dimensionalen strukturellen Entwicklung der Riftsegmente wurde durch die Kombination von Modell-Aufsichten mit Profilschnitten ermöglicht. Von den drei genannten Versuchsreihen entwickelte die ’Rotationsdominierten’ Reihe einen rautenförmiger Block im Tranferbereich der beiden Riftsegmente, der sich um 5−20° im Uhrzeigersinn drehte. DieserWinkel liegt im Bereich des vermuteten Rotationswinkel des Rwenzori-Blocks (5°). Zusammengefasst untersuchen die Sandbox-Versuche den Einfluss präexistenter Strukturen und der Überlappung bzw. Überschneidung zweier interagierender Riftsegmente auf die Entwicklung des Riftsystems. Sie befassen sich darüber hinaus mit der Frage, welchen Einfluss Blockbildung und -rotation auf das lokale Stressfeld haben.

A multi-objective genetic algorithm optimisation using variable speed pumps in water distribution systems

Due to its practical importance and inherent complexity, the optimisation of distribution networks for supplying drinking water has been the subject of extensive study for the past 30 years. The optimization is governed by sizing the pipes in the water distribution network (WDN) and / or optimises specific parts of the network such as pumps, tanks etc. or try to analyse and optimise the reliability of a WDN. In this thesis, the author has analysed two different WDNs (Anytown City and Cabrera city networks), trying to solve and optimise a multi-objective optimisation problem (MOOP). The main two objectives in both cases were the minimisation of Energy Cost (€) or Energy consumption (kWh), along with the total Number of pump switches (TNps) during a day. For this purpose, a decision support system generator for Multi-objective optimisation used. Its name is GANetXL and has been developed by the Center of Water System in the University of Exeter. GANetXL, works by calling the EPANET hydraulic solver, each time a hydraulic analysis has been fulfilled. The main algorithm used, was a second-generation algorithm for multi-objective optimisation called NSGA_II that gave us the Pareto fronts of each configuration. The first experiment that has been carried out was the network of Anytown city. It is a big network with a pump station of four fixed speed parallel pumps that are boosting the water dynamics. The main intervention was to change these pumps to new Variable speed driven pumps (VSDPs), by installing inverters capable to diverse their velocity during the day. Hence, it’s been achieved great Energy and cost savings along with minimisation in the number of pump switches. The results of the research are thoroughly illustrated in chapter 7, with comments and a variety of graphs and different configurations. The second experiment was about the network of Cabrera city. The smaller WDN had a unique FS pump in the system. The problem was the same as far as the optimisation process was concerned, thus, the minimisation of the energy consumption and in parallel the minimisation of TNps. The same optimisation tool has been used (GANetXL).The main scope was to carry out several and different experiments regarding a vast variety of configurations, using different pump (but this time keeping the FS mode), different tank levels, different pipe diameters and different emitters coefficient. All these different modes came up with a large number of results that were compared in the chapter 8. Concluding, it should be said that the optimisation of WDNs is a very interested field that has a vast space of options to deal with. This includes a large number of algorithms to choose from, different techniques and configurations to be made and different support system generators. The researcher has to be ready to “roam” between these choices, till a satisfactory result will convince him/her that has reached a good optimisation point.

Setup of a Penning trap for precision laser spectroscopy at HITRAP

Ion traps have been established as a powerful tool for ion cooling and laser spectroscopy experiments since a long time ago. SpecTrap, one of the precision experiments associated to the HITRAP facility at GSI, is implementing a Penning trap for studies of large bunches of externally produced highly charged ions. The extremely strong electric and magnetic fields that exist around the nuclei of heavy elements drastically change their electronic properties, such as energy level spacings and radiative lifetimes. The electrons can therefore serve as sensitive probes for nuclear properties such as size, magnetic moment and spatial distribution of charge and magnetization. The energies of forbidden fine and hyperfine structure transitions in such ions strongly depend on the nuclear charge and shift from the microwave domain into the optical domain. Thus, they become accessible for laser spectroscopy and its potentially high accuracy. A number of such measurements has been performed in storage rings and electron beam ion traps and yielded results with relative accuracies in the 10

Mathematical Optimization Applied to Thermal and Electrical Energy Systems

This Thesis aims at building and discussing mathematical models applications focused on Energy problems, both on the thermal and electrical side. The objective is to show how mathematical programming techniques developed within Operational Research can give useful answers in the Energy Sector, how they can provide tools to support decision making processes of Companies operating in the Energy production and distribution and how they can be successfully used to make simulations and sensitivity analyses to better understand the state of the art and convenience of a particular technology by comparing it with the available alternatives. The first part discusses the fundamental mathematical background followed by a comprehensive literature review about mathematical modelling in the Energy Sector. The second part presents mathematical models for the District Heating strategic network design and incremental network design. The objective is the selection of an optimal set of new users to be connected to an existing thermal network, maximizing revenues, minimizing infrastructure and operational costs and taking into account the main technical requirements of the real world application. Results on real and randomly generated benchmark networks are discussed with particular attention to instances characterized by big networks dimensions. The third part is devoted to the development of linear programming models for optimal battery operation in off-grid solar power schemes, with consideration of battery degradation. The key contribution of this work is the inclusion of battery degradation costs in the optimisation models. As available data on relating degradation costs to the nature of charge/discharge cycles are limited, we concentrate on investigating the sensitivity of operational patterns to the degradation cost structure. The objective is to investigate the combination of battery costs and performance at which such systems become economic. We also investigate how the system design should change when battery degradation is taken into account.

Energy-efficient Communication and Estimation in Wireless Sensor Networks

This thesis focuses on the energy efficiency in wireless networks under the transmission and information diffusion points of view. In particular, on one hand, the communication efficiency is investigated, attempting to reduce the consumption during transmissions, while on the other hand the energy efficiency of the procedures required to distribute the information among wireless nodes in complex networks is taken into account. For what concerns energy efficient communications, an innovative transmission scheme reusing source of opportunity signals is introduced. This kind of signals has never been previously studied in literature for communication purposes. The scope is to provide a way for transmitting information with energy consumption close to zero. On the theoretical side, starting from a general communication channel model subject to a limited input amplitude, the theme of low power transmission signals is tackled under the perspective of stating sufficient conditions for the capacity achieving input distribution to be discrete. Finally, the focus is shifted towards the design of energy efficient algorithms for the diffusion of information. In particular, the endeavours are aimed at solving an estimation problem distributed over a wireless sensor network. The proposed solutions are deeply analyzed both to ensure their energy efficiency and to guarantee their robustness against losses during the diffusion of information (against information diffusion truncation more in general).