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Die Forschung an mikrowelleninduzierten Atmosphärendruckplasmen am INP führte zu verschiedenen potentiellen Applikationen. Dabei besitzt die mikrobiologische Dekontamination sowohl von thermolabilen Medizinprodukten als auch von Lebensmitteln schon zum jetzigen Zeitpunkt ein hohes industrielles Anwendungspotential. Den aufgeführten Anwendungen gemeinsam ist, dass für eine erfolgreiche Weiterentwicklung der Prozesse, sowie der Plasmaquelle, ein grundlegendes Verständnis der vorliegenden dynamischen Mikrowellenplasmawechselwirkung notwendig ist. Durch den begrenzten diagnostischen Zugang der zu untersuchenden Plasmaquelle wird ein kombinierter Ansatz aus diagnostischen Methoden und Modellierung gewählt. Die Entladung wird in Argon bei reduziertem Druck (ab 10 mbar) zur Vereinfachung des Modells betrieben. Daher musste die Plasmaquelle für diesen Einsatz weiterentwickelt werden. Dieses beinhaltet die Neuauslegung der Prozesswärmeabfuhr, auf Grund der nicht oder nur teilweisen Anwendbarkeit von etablierten Verfahren im Atmosphärendruck (hohe Gasflüsse, Wasserkühlung). Die Plasmamikrowellenwechselwirkung dieser Quelle ist anschließend mit Methoden zur Charakterisierung des Plasmas und des Mikrowellenfeldes für unterschiedliche Arbeitspunkte in Druck und Leistung untersucht worden. Zur Bestimmung der Elektronendichte des Plasmas wurde ein frequenzvariables Mikrowelleninterferometer auf Basis eines Vektornetzwerkanalysators erstmalig etabliert. Dieses neue Messsystem wurde im Vorfeld detailliert untersucht, um das korrekte Zusammenspiel aller Komponenten zu überprüfen. In diesem Zusammenhang wurde ein frequenzaufgelöstes Mikrowelleninterferometer zur Messung der Elektronendichte in einer Fluoreszenzlampe aufgebaut. Durch diesen neuartigen Ansatz konnte der Einfluss der dielektrischen Umhüllung (Glasrohr der Lampe) auf die Mikrowelleninterferometrie untersucht werden. In einer weiteren Untersuchung an einem Induktiv Gekoppelten Plasma wurden die Resultate dieses Messsystems mit denen von Langmuir-Sondenmessungen. Auf Grund der konstruktiven Gegebenheiten des Reaktors ist das Plasma nur über ein Fenster für das Mikrowelleninterferometer zugänglich. Der Vergleich der ermittelten Elektronendichten ergab einen Unterschied von Faktor zwei zwischen Interferometer und Langmuir-Sonde. Die Untersuchungen an der Fluoreszenzlampe und dem Induktiv Gekoppelten Plasma zeigten zum einen die korrekte Funktion des neu etablierten frequenzvariablen Mikrowelleninterferometers mit erreichbaren Phasenauflösungen unterhalb von 0,1 mrad. Zum anderen wurde festgestellt, dass die dielektrische Umhüllung des Plasmas zu einem systematischen Fehler von bis 53 % bei der Elektronendichtebestimmung führen kann. Diese gewonnenen Erkenntnisse hatten bei der Konzipierung des Mikrowelleninterferometers zur Untersuchung der Plasmamikrowellenwechselwirkung einen entscheidenden Einfluss. Neben der Untersuchung des Plasmas ist ebenfalls eine Diagnostik des Mikrowellenfeldes nötig, um die Plasmamikrowellenwechselwirkung dieser Entladung experimentell zu charakterisieren. Auf Grundlage dieser Daten können die Resultate des Modells bewertet werden, die einen Einblick in die Plasmaquelle und ihrer dynamischen Vorgänge erlaubt, was für die Weiterentwicklung der Applikationen essentiell ist. Aus diesem Grund ist ein heterodynes Reflektometer entwickelt worden. Dieses Messsystem wurde umfangreich getestet und kann mit einer maximalen Zeitauflösung von 100 ns den komplexen Reflektionsfaktor mit einer Phasengenauigkeit von 10 mrad bestimmen. Das Reflektometer erlaubt einen experimentellen Zugang zur aktiven Zone schon in der Frühphase der Entladung. Mit Hilfe der Diagnostiken zur Untersuchung des Plasmas und des Mikrowellenfeldes wurde die Entladung von der Zündung bis zur stationären Phase charakterisiert und mit den Ergebnissen des Modells verglichen. Es zeigte sich eine gute Übereinstimmung im Millisekundenzeitbereich, sowie eine starke Dynamik im Reflektionsfaktor in der ersten Millisekunde, hervorgerufen durch die Plasmamikrowellenwechselwirkung. Durch die hohe Zeitauflösung des Reflektometers konnten diese Vorgänge im Mikrosekundenzeitbereich erstmalig experimentell aufgelöst werden, was die Interpretation mittels des Modells möglich macht. Es konnten die Vorgänge während der Zündung des Plasmas detailliert untersucht werden und damit die Richtigkeit von Annahmen, die bei der Entwicklung der Zündtechnologie getroffen wurden, überprüft werden. Dieses erworbene grundlegende Verständnis ermöglicht eine Weiterentwicklung dieser Technologie. Mit Hilfe der erzielten Ergebnisse wurde eine neue Optimierungsstrategie für die Abstimmung der Mikrowellenplasmaquelle entwickelt. Dies führte zu einer wesentlichen Verbesserung der Reproduzierbarkeit der mikrobiologischen Ergebnisse. Darüber hinaus bilden die erzielten Ergebnisse eine solide Grundlage für weitere experimentelle und theoretische Untersuchungen dieser Entladung in beispielsweise anderen Arbeitsgasen.
In this thesis, it was the subject to build a setup to study the interaction of clusters with intense laser light. A magnetron sputter cluster ion source was built to create metal clusters for the planned investigations. Furthermore, a linear Paul trap setup was built in order to allow the investigation of the mentioned interaction at one specific cluster size. The whole apparatus was characterized and first experiments were performed.
Recent experimental campaigns in the Wendelstein 7-X stellarator, a
plasma-confining device designed to investigate the Magnetic Confinement Fusion
(MCF) approach to generating electrical power, have shown that the injection of
fuelling pellets had an unexpected and considerable impact on the performance of
the plasma. Rather than simply refuelling the device and `diluting' the plasma
energy, pellet injection is followed by a significant increase in the ratio of
the ion temperature to the electron temperature. It has been suggested that this
is not merely due to the improved confinement following the reduction of
turbulent transport after the pellet material has homogenised with the bulk
plasma, but also due to a direct transfer of energy from electrons to ions. The
proposed mechanism for this energy transfer is the ambipolar expansion of the
pellet plasmoid, the localised plasma structure produced by the
ionisation of ablated pellet material, along magnetic field lines.
Early work on pellet plasmoid expansion predicted that half the heating power
deposited in plasmoid electrons by collisions with hot ambient electrons is
transferred to plasmoid ions in the form of flow velocity as the plasmoid
expands. The complicated nature of the system of the pellet plasmoid embedded in
the ambient plasma, particularly the behaviour of electrons, which experience
many collisional and collisionless phenomena on multiple disparate timescales,
means that early models of the expansion were not wholly self-consistent, but
rather made use of strong approximations that apply in some regions of the
plasmoid but not in others. For example, only electrons and ions associated with
the plasmoid were rigorously treated, meaning that the framework was one of
`expansion into vacuum'. Combined with the assumption of Maxwellian electrons,
this led to an electric potential that was unbounded at infinity. Naturally, the
validity of the conclusions of such a model are called into question because the
approximations lose their validity far from the plasmoid and as time advances,
yet predictions about the final state of the plasma are desired. A deeper
investigation is required: careful consideration of the phenomena in question
and the timescales (and lengthscales) on which they act must be made in order to
rigorously construct a model that is valid throughout the entire expansion.
The first two papers presented in this thesis iterate on the model established
in the paper that first predicted the electron-to-ion energy transfer; their aim
was to find out how the character of the expansion changes with a more
sophisticated and accurate description of various phenomena, while remaining
within the existing framework of expansion into vacuum. Ultimately, we find that
the qualitative character is unchanged, and that approximately half the heating
power deposited in plasmoid electrons is transferred to ions.
Two other papers in this thesis address the limitations of the original model.
This is achieved by properly considering the electron kinetic problem in a
plasmoid. One paper considers the electron kinetic problem when electrons are
highly isotropised. In this case the kinetic equation can be integrated to
remove all but two independent variables, which is the maximum possible
reduction considering it is a time-dependent problem. The full nonlinear
integro-differential Landau self-collision operator is integrated exactly and
few approximations are made, leading to a rather general kinetic equation.
However, for fuelling pellets some anisotropy in the electron distribution is
expected. Another paper considers the electron kinetic problem (and the entire
plasmoid expansion) allowing for electron anisotropy. Careful consideration of
the ordering of timescales of electron phenomena in a pellet plasmoid leads to a
steady-state kinetic problem that we call collisional quasi-equilibrium (QE). QE
appears in many ways similar to the collisional steady-state characterising a
true thermal equilibrium. It was found that the time-dependent kinetic problem
of the earlier paper, with isotropic electrons, produces the QE distribution
function, corroborating the existence of the QE state. We then take moments of
the electron kinetic equation that is valid on the expansion timescale, assuming
that the electron distribution is that given as the solution to the QE kinetic
problem. This is completely analogous to what is done to obtain the Braginskii
equations or any Chapman-Enskog theory. The result is a set of equations for the
long-term evolution of the macroscopic quantities that describe the distribution
function existing in a quasi-steady-state at each point in time. It is from this
point that one may feasibly describe the plasmoid expansion with an accurate
picture of the electron kinetics and finally obtain the electron-to-ion energy
transfer so desired in a rigorous model of the expansion.
From a broader point of view, the two frameworks provided by these rigorous
investigations of the electron kinetic problem serve as a basis for the future
study of plasmoids. Such a `first-principles' approach to plasmoid dynamics is
novel and interesting in its own right, but it will be demonstrated that such an
approach is essential for pellet plasmoids owing to the fact that they are
poorly described by the `standard tools' of plasma physics.
Using the QE framework it was found that, once more, about half the heating
power experienced by plasmoid electrons is transferred to plasmoid ions. The
incredible robustness of the prediction of such an energy transfer is, in the
author's opinion, the result of the self-similar nature of the expansion found
as a solution to the original model. As a rule, the profiles of self-similar
solutions tend to be attractors for the `real', more complicated, system, and
the qualitative predictions involving no parameters, of which the
electron-to-ion energy transfer is one, tend to be very sturdy.
Aside from fuelling pellets, composed of hydrogen or deuterium, one paper in
this thesis investigates the physics of high-Z pellets that are designed to
terminate the plasma safely in the event of a `disruption', where much of the
magnetic field energy is channelled into a runaway electron beam with
potentially disastrous consequences if the beam encounters a plasma-facing
component. The paper draws on the work carried out in the paper concerning the
kinetic problem of isotropised electrons in a plasmoid.
This thesis is `cumulative'; the vast majority of the work carried out is
described within a set of Papers, labelled A-E, placed at the back of the text.
There is a preceding `wrapper text' (given in numbered Sections) tasked with
introducing the reader to the topic, guiding the reader through the papers, and
expounding some of their main results. Some amount of material not present in
the papers is also provided in the wrapper text. Naturally, the wrapper text
mainly focusses on the results of the papers which are under my first
authorship. In the course of publishing papers over an extended period of time
the nomenclature is bound to vary. Although it is mostly consistent between the
papers, a few difference do arise, and the section `Common symbols and
subscripts' is provided in the frontmatter to alleviate confusion. Particular
care should be taken with the symbols x and z; both can refer to the
coordinate parallel to the magnetic field line, but in papers where z is used
for this purpose x tends to have another definition. In the wrapper text the
choice of symbols is generally chosen to reflect those in the corresponding
paper.
Polyelektrolyt-Multischichtfilme (PEMs) werden durch schichtweise (eng. Layer by Layer, LbL)
sequentielle Ablagerung von entgegengesetzt geladenen Polyelektrolyten auf einer
geladenen Oberfläche hergestellt. Die LbL Methode kann auf verschiedene Weise zur
Herstellung von PEM eingesetzt werden, z.B. durch Tauchen, Rotation, Sprühen oder
Beschichten mit elektromagnetischen und fluidischen Methoden. In allen Artikeln dieser
Dissertation wurde die Tauchmethode verwendet. Durch zyklische Wiederholung der
Abscheidungsschritte kann die Dicke der PEM leicht gesteuert werden. Die Oberflächen und
Grenzflächen des Films können mit der LbL Technik auch durch die elektrostatische
Wechselwirkung zwischen positiv und negativ geladenen Polyelektrolyten modifiziert werden.
Auf diese Weise lassen sich einige Eigenschaften des Films optimieren, beispielsweise
Oberflächenadhäsion und Biokompatibilität, z. B. in der Gewebezüchtung oder es kann
eine Monoschicht als Barriere an der Grenzfläche des Films adsorbiert werden, um die
Diffusion von Molekülen im Film zu begrenzen z.B. bei Aufnahme oder Freisetzen von
Medikamenten.
Daher wurde die Rolle einiger Faktoren, wie die molare Masse der Polyelektrolyte und das
Vorhandensein von Salzionen in der Präparationslösung auf die interne Struktur sowie die
Oberfläche der PEMs untersucht.
Für alle Untersuchungen dieser Dissertation wurde das häufig verwendete Modell-System aus
dem positiv geladenen Polyelektrolyten Polydimethyldiallylammonium (PDADMA), und dem
negativ geladenen Polyelektrolyten Polystyrolsulfonat (PSS), verwendet. Die Dicke der Filme
wurde mit Röntgenreflektometrie, Ellipsometrie, UV-Vis-NIR-Spektrometrie bestimmt die
interne Struktur mit Neutronenreflektometrie und die Oberflächentopografie mit Rasterkraftmikroskopie
(eng. AFM) und Rasterelektronenmikroskopie (eng. SEM).
In Artikel 1 wurde mit Hilfe der Neutronenreflektometrie die Struktur des Filmes und die
Diffusion des Polyanions PSS (DPSS) senkrecht zur PEM Oberfläche untersucht. Variiert wurde
die molare Masse des Polykations PDADMA und die Salzkonzentration der
Präparationslösung. PEMs wurden aus drei verschiedenen NaCl-Konzentrationen in der
Abscheidelösung hergestellt: 10 mmol/L, 100 mmol/L und 200 mmol/L. Die Salzkonzentration
in der Polyelektrolytlösung bestimmt die Konformation der Polyelektrolyte während der
Adsorption. Die Ketten werden weniger flach adsorbiert, wenn mehr Salzionen in der
Adsorptionslösung vorhanden sind und die Filme werden dicker.
Die Diffusion nahm mit zunehmender molarer Masse von PDADMA in Filmen, die aus 10
mmol/L, 100 mmol/L und 200 mmol/L hergestellt wurden, um mindestens drei Größenordnungen
ab, denn die Zunahme der Kettenlänge, erhöht den Vernetzungsgrad im Film. Dabei zeigten Filme aus 10 mmol/L (NaCl) mit einer niedrigen molaren Masse von PDADMA
die größte Diffusion (DPSS = 4.9 × 10−20 m2/s). Der Diffusionskoeffizient DPSS als Funktion des
Polymerisationsgrades folgt zwei Potenzgesetzen mit einem Übergang bei einem
Polymerisationsgrad von 288. Bei kürzeren Ketten stimmt der Exponent des Potenzgesetzes
gut mit dem Modell der Sticky Reptation überein. Bei längeren Ketten war der Exponent viel
größer, was vermuten lässt, dass die PSS-Ketten in einem zunehmend komplexen
Polymernetzwerk gefangen sind. Wir verstehen den Übergang als Verschränkungsgrenze für
das untersuchte System.
Bei PEMs, die aus 100 mmol/L hergestellt wurden, konnte kein Potenzgesetz festgestellt
werden. DPSS nahm sprunghaft um drei Größenordnungen ab, wenn die molare Masse von
PDADMA von 45 kDa auf 72 kDa erhöht wurde.
In Artikel 2 wurden die Oberfläche von PEMs aus Polyelektrolyten unterschiedlicher molarer
Massen untersucht. Die Oberflächenrauhigkeit und die Dicke des Films wurden mit
Röntgenreflektometrie und Ellipsometrie bestimmt. Die Oberflächentopografie wurde mit AFM
und SEM aufgenommen. Alle PEMs wurden aus PE-Lösungen mit 0,1 mol/L NaCl hergestellt.
Die Oberfläche der PEM, präpariert aus langem PSS und kurzem PDADMA oder langem PSS
und langem PDADMA, war immer flach. Bei einer Filmzusammensetzung aus langen
Polykationen (Mw (PDADMAlang) = 322 kDa) und kurzen PSS Molekülen (Mw (PSSkurz) = 10,7
kDa) wurden drei Wachstumsregime identifiziert: exponentiell, parabolisch und linear. Im
exponentiellen Wachstumsregime bildet sich nach etwa sieben Beschichtungsschritten von
PDADMA/PSS (eng. bilayers, bl) eine granulare Oberflächenstruktur aus mit einer
Oberflächenrauigkeit von 1,6 nm und einer lateralen Periodizität von 70 nm. Mit zunehmender
Schichtzahl nimmt die Oberflächenrauhigkeit sowie die laterale Periodizität zu. Im
parabolischen Wachstumsbereich aggregieren die Strukturen zu Säulen, mit einer
Oberflächenrauigkeit bis zu 23 nm und einer lateralen Periodizität bis zu 210 nm. Im linearen
Wachstumsregime sind die säulenförmigen Domänen vollständig ausgebildet und die
Oberflächenstruktur ändert sich nicht mehr. Diese Strukturen wurden schon während der
Präparation, bereits vor dem Trocknen beobachtet. Dies zeigt, dass sich die Strukturen
während der Abscheidung von PDADMA/PSS bilden.
Bei Beobachtungen im Vakuum (SEM) war im linearen Bereich die Säulenstruktur bei der
PDADMA terminierten PEM ausgeprägter als bei der PSS terminierten.
Diese Strukturen bilden sich nur im Film mit anfänglichem exponentiellem Wachstum, d.h.
wenn kurzen Ketten durch den ganzen Film diffundieren können. Das legt nahe, dass es für
die Strukturbildung nicht ausreicht, dass der Polyelektrolyt kurz ist, sondern dass es auch
beweglich sein muss. Um dies näher zu untersuchen wurde in Manuskript 1 die molare Masse des PSS variiert. Es
wurden PEMs aus langem 322 kDa PDADMA und kurzem 6,5 kDa und 3,9 kDa PSS
hergestellt und mit den Messungen von PEMs aus 10,7 kDa PSS verglichen.
Die Verkürzung von PSS hat subtile Auswirkungen auf den Filmaufbau und die
Selbststrukturierung. Für PEM aus PSS mit einer molaren Masse von 6,5 kDa konnten nur
zwei Wachstumsregime ermittelt werden: ein exponentielles und ein lineares Wachstumsregime.
Der Übergang vom exponentiellen zum linearen Wachstum erfolgte bei 28
Doppelschichten. Bei PEMs, die aus 3,9 kDa PSS hergestellt wurden, wurde bis zu 29 bl nur
ein exponentielles Wachstum beobachtet. Dies zeigt, dass eine Verringerung der molaren
Masse von PSS das exponentielle Wachstum auf eine größere Anzahl von abgeschiedenen
Doppelschichten ausdehnt. Dies ist auf die zunehmende PSS-Diffusion zurückzuführen.
In allen Filmen wurden Selbststrukturierungen beobachtet. Der Abstand und die Höhe der
säulenartigen Domänen nehmen mit jeder abgeschiedenen PDADMA/PSS-Doppelschicht
deutlich zu. Der durchschnittliche Domänenabstand ändert sich weniger und korreliert mit den
vertikalen Wachstumsregimen. Der Domänenabstand schwankt zwischen 70 nm und 750 nm.
Die größten lateralen Abstände und ein längeres exponentielles Wachstumsregime wurden
mit dem kürzesten PSS (3,9 kDa) erreicht, was auf die hohe Mobilität des PSS zurückgeführt
wird. Die Domänenhöhe ist immer kleiner als der Domänenabstand. Wenn die PEM mit
PDADMA terminiert ist, sind die Oberflächenrauhigkeit und der durchschnittliche Abstand
größer als bei PSS terminierten Filme in Wasser und nach dem Trocknen.
Darüber hinaus wurden zwischen den Domänen Filamente beobachtet. Die Filamente
bestehen aus PDADMA/PSS-Komplexen. Eine mögliche Vermutung ist, dass diese Komplexe
zwischen den Domänen diffundieren und ihren Abstand anpassen.
Die Oberflächenstruktur des Films aus PSS 10,7 kDa zeigt eine symmetrische gaußförmige
Höhenverteilung in allen drei Wachstumsregimen von 5 bis 40 bl. Für die kurze PSS war eine
solche Verteilung nur bis 15 bl (6,5 kDa) bzw. 20 bl (3,9 kDa) zu beobachten. Danach wurde
für 6,5 kDa schiefe Verteilung mit Ausläufern zu größeren Höhen beobachtet. 3,9 kDa PSS
zeigte dann sogar eine bimodale Höhenverteilung.
Die lineare Ladungsdichte von PDADMA ist etwa halb so groß wie die von PSS. Folglich
adsorbiert PDADMA in einer bürstenartigen Konformation. Wenn die oberste Schicht
PDADMA ist, dann ist das PDADMA-Molekül nicht fest an die Oberfläche gebunden. Daher ist
die durch die Oberflächenspannung erzeugte Kraft für PDADMA groß genug, um zu einer
Veränderung der Oberflächenmorphologie und folglich zu einer kleineren Gesamtoberfläche
zu führen.Außerdem sind die Domänen in 1 M NaCl-Lösung stabil, schrumpfen aber in 2 M NaCl enorm,
während ihr Abstand leicht zunimmt.
Diese Untersuchungen zeigten, dass die Mobilität des Polyelektrolyten PSS die
Voraussetzung für den Aufbau einer strukturierten Oberfläche in einem PEM-System aus
PDADMA/PSS ist. Diese Ergebnisse zeigten auch, dass die Verkürzung der Kette der PSS Moleküle
die Herstellung von Filmen erleichtert, deren Dicke und Selbststrukturierung je nach
dem gewünschten Zweck angepasst werden kann. Solche Filme können in der Medizin und
Biologie als geeignetes Substrat zur Optimierung der Adsorption von Zellen und anderen
Molekülen oder als Nanofilter effektiv eingesetzt werden.
In dieser Dissertation konnte ich zeigen, wie die Verkürzung der Kette der PSS-Moleküle zur
Bildung einer lateralen selbststrukturierten Oberfläche führt und wie die zunehmende Mobilität
der PSS-Moleküle die Oberflächenmorphologie signifikant beeinflusst.
Modern cavity QED and cavity optomechanical systems realize the interaction of light with mesoscopic devices, which exhibit discrete (atom-like) energy spectra or perform micromechanical motion. In this thesis we have studied the crossover from the quantum regime to the classical limit of two prototypical models, the Dicke model and the generic optomechanical model. The physical problems considered in this approach range from a ground state phase transition, its dynamical response to general nonequilibrium dynamics including Hamiltonian and driven dissipative chaotic motion. The classical limit of these models follows from the classical limit of at least one of its subsystems. The classical equations of motion result from the respective quantum equations through the application of the semiclassical approximation, i.e., the neglect of quantum correlations. The approach of the results from quantum mechanics to the prediction of the classical equations can be obtained by subsequently decreasing the respective scaling parameter. In order to obtain exact results we have utilized advanced numerical methods, e.g., the Lanczos diagonalization method for ground state calculations, the Kernel Polynomial Method for dynamical response functions, Chebyshev recursion for time propagation, and quantum state diffusion for open system dynamics. We have studied the quantum phase transition of the Dicke model in the classical oscillator limit. Our work shows that in this limit the transition occurs already for finite spin length but with the same critical behavior as in the classical spin limit. We have derived an effective model for the oscillator degrees of freedom and have discussed the differences of both classical limits with respect to quantum fluctuations around the mean-field ground state and spin-oscillator entanglement. In this thesis we have proposed a variational ansatz for the Dicke model which extends the mean-field description through the inclusion of spin-oscillator correlations. The ansatz becomes correct in the limit of large oscillator frequency and in the limit of a large spin. For the latter it captures the leading quantum corrections to the classical limit exactly including the spin-oscillator entanglement entropy. We have studied the dynamics of spin and oscillator coherent states in the nonresonant Dicke model at weak coupling. In this regime periodic collapses and revivals of Rabi oscillations occur, which are accompanied by the buildup and decay of atom-field entanglement. The spin-oscillator wave function evolves into a superposition of multiple field coherent states that are correlated with the spin configuration. In our work we provide a description of the underlying dynamical mechanism based on perturbation theory. Our analysis shows that collapse and revival at nonresonance is distinguished from the resonant case treated within the rotating wave approximation by the appearance of two time scales instead of one. We have extended our study of the Dicke dynamics to the case of increasing spin length, as the system approaches the classical spin limit. We described the emergence of collective excitations above the ground state that converge to the coupled spin-oscillator oscillations observed in the classical limit. With increased spin length the corresponding Green functions thus reveal quantum dynamical signatures of the quantum phase transition. For the dynamics at larger coupling and energy, classical phase space drift and quantum diffusion hinders the direct comparison of quantum and classical observables. As we show in our work, signatures of classical quasiperiodic orbits can be identified in the Husimi phase-space functions of the propagated wave function and individual eigenstates with energies close to that of the quasiperiodic orbits. The analysis of the generic optomechanical system complements our study of cavity QED systems by a quantum dissipative system. In this thesis we have shown for the first time, how the route to chaos in the classical optomechanical system takes place, given as a sequence of consecutive period doubling bifurcations of self-induced cantilever oscillations. In addition to the semiclassical dynamics we have analyzed the possibility of chaotic motion in the quantum regime. Our results showed that quantum mechanics protects the optomechanical system against irregular dynamics. In sufficient distance to the semiclassical limit simple periodic orbits reappear and replace the classically chaotic motion. In this way direct observation of the dynamical properties of an optomechanical system makes it possible to pin down the crossover from quantum to classical mechanics.
This thesis presents the production of polyanionic clusters within two ion storage devices:
Considering a Penning trap, the accessible range of polyanionic aluminium clusters has been expanded up to the 10th charge state. In particular, abundance curves for clusters with 5 to 9 excess electrons have been measured for the first time and analysed with respect to their lifetime-dependent appearance sizes. These sizes reveal a nearly quadratic dependency on the charge state for experimentally accessible lifetimes.
Additionally, the production of polyanionic clusters has been enabled in a radiofrequency ion trap. Therefore, the transition from a harmonic to a digital 2- and 3-state guiding signal has been investigated with respect to the ion storage. The passing of electrons through the trap during field-free periods of the guiding signal led to the first production of polyanionic clusters within a radiofrequency ion trap.
The rapid neutron-capture or the r-process is responsible for the origin of about half of the neutron-rich atomic nuclei in the universe heavier than iron. For the calculation of the abundances of those nuclei, atomic masses are required as one of the input parameters with very high precision. In the present work, the masses of the neutron-rich Zn isotopes (A=71 to 81) lying in the r-process path have been measured in the ISOLTRAP experiment at ISOLDE/CERN. The mass of 81Zn has been measured directly for the first time. The half-lives of the nuclides ranged from 46.5 h (72Zn) down to 290 ms (81Zn). In case of all the nuclides, the relative mass uncertainty (∆m/m) achieved was in the order of 1E-8 corresponding to a 100-fold improvement in precision over previous measurements.
In der Arbeit werden hydrodynamische Modelle und numerische Verfahren zur theoretischen Beschreibung von anisothermen Plasmen untersucht und zur Analyse von Argonentladungen eingesetzt. Es wird ein neues Vier-Momenten-Modell sowie ein neues Drift-Diffusionsmodell zur Beschreibung der Elektronen hergeleitet. Die Beschreibung der Schwerteilchen erfolgt auf Basis eines Zwei-Momenten-Modells bzw. eines Drift-Diffusionsmodells. Zur selbstkonsistenten Bestimmung des elektrischen Feldes wird die Poisson-Gleichung gelöst. Es wird gezeigt, dass die neu entwickelten Fluid-Modelle eingesetzt werden können, um nichtlokale Transporteffekte der Elektronen zu studieren. Zur Diskretisierung der Mehr-Momenten-Modelle werden neue FCT-Verfahren auf Basis der Finiter-Differenzen- und der Finite-Elemente-Methode hergeleitet. Die Diskretisierung der Drift-Diffusionsmodelle erfolgt mittels einer modifizierten Scharfetter-Gummel-Methode. Zur Unterstützung experimenteller Untersuchungen werden neben einer Niederdruckglimmentladung, einer RF-Entladung bei Niederdruck und einer gepulsten Atmosphärendruckentladung auch eine dielektrisch behinderte Entladung bei Atmosphärendruck analysiert. Es wird gezeigt, dass die experimentell beobachteten Schichtstrukturen auf die lange Lebensdauer metastabiler Argonatome zurückzuführen sind.
In der vorliegenden Arbeit wurde die Wechselwirkung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) mit organischen Molekülen anhand zweier unterschiedlicher Systeme analysiert. Während einerseits der Einfluss von ROS auf eine organische Monoschicht am Beispiel des synthetischen, kationischen Polyelektrolyten Polyethylenimin (PEI) untersucht wurde, stand andererseits die Wechselwirkung von ROS mit einem DNS-Molekül, dem Biopolyelektrolyten pBR322 im Fokus des Interesses. Für die Untersuchungen der ROS-PEI-Wechselwirkung wurde zunächst verzweigtes PEI flach (RMS-Rauigkeit < 1 nm) auf einem Silizium-Substrat adsorbiert. Mit Hilfe der Fenton-Reaktion wurde die PEI-Monoschicht dem Einfluss von ROS ausgesetzt. Anhand von Kraft-Abstands-Kurven (KAK) konnte gezeigt werden, dass die flache Konformation der PEI-Monoschicht nach dem ROS-Einfluss erhalten bleibt. Des Weiteren konnte mittels Adsorption negativ geladener Gold-Nanopartikel (AuNP) demonstriert werden, dass die PEI-Oberfläche auch nach der Wechselwirkung mit ROS positiv geladene Gruppen enthält. Darüber hinaus konnte mit Hilfe der KAK gezeigt werden, dass sowohl die Oberflächenladungsdichte (OFL) als auch das Oberflächenpotential (OFP) unter ROS-Einfluss um einen Faktor 0,5 reduziert wurden. Es wurde gezeigt, dass die Reduzierung von OFL bzw. OFP auf die Abspaltung positiv geladener Gruppen der PEI-Monoschicht zurückgeführt werden kann. Mit Hilfe der dreidimensionalen Kraftspektroskopie wurde gezeigt, dass OFL und OFP auf einer Längenskala von 1,8 bis 30 µm lateral homogen sind. Darüber hinaus wurde anhand der AuNP-Belegungsdichte demonstriert, dass die Ladungsträger innerhalb der PEI-Oberfläche auf einer Längenskala oberhalb von 36 nm homogen verteilt sind. Hinsichtlich kleiner Längenskalen (< 36 nm) kann konstatiert werden, dass aufgrund einer verzögerten Adsorptionskinetik der AuNP nach der ROS-PEI-Wechselwirkung mit einer partiell reduzierten Bindungswahrscheinlichkeit zu rechnen ist. Vermutlich bewirkt der ROS-Einfluss eine inhomogene Verteilung der positiven Ladungsträger innerhalb der PEI-Monoschicht auf einer Längenskala von einigen nm. Experimentell ergibt sich darüber hinaus, dass eine 50 %ige Reduzierung des PEI-Oberflächenpotentials einer Abnahme von etwa 10 % der maximalen, anteiligen AuNP-Belegungsdichte entspricht. Diese experimentell bestimmten Parameter konnten unter Einbeziehung eines erweiterten drei-Körper RSA-Modelles erklärt werden. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit wurde eine neue Methode der Quantifizierung ROS-induzierter DNS-Schäden eingeführt. Dazu wurden die DNS-Moleküle zunächst mittels Fenton-Reaktion dem Einfluss von ROS ausgesetzt, auf Polyallylamin-Hydrochlorid-funktionalisiertem Glimmer adsorbiert und mittels des RKM im intermittierenden Modus (RKM-IM) abgebildet. Die Klassifizierung der DNS-Moleküle erfolgt unter Berücksichtigung des Kettenhöhenunterschiedes von doppelsträngiger- (dsDNS) und einzelsträngiger (esDNS) DNS. Als ROS-induzierter DNS-Schaden wird hierbei der Konformationsübergang von dsDNS (intakt) in esDNS (defekt) identifiziert. Die zentrale Messgröße der vorgestellten Methode ist demnach die DNS-Kettenhöhe, welche sich im Falle immobilisierter DNS-Moleküle mit einer Genauigkeit im Sub-Ångström-Bereich mit Hilfe des RKM-IM bestimmen lässt. Für die automatisierte Quantifizierung der Flächen, welche mit dsDNS respektive esDNS belegt sind, wurde ein Höhengrenzwert-basierter Auswertungs-Algorithmus konstruiert. Neben der Variation der Stärke der ROS-DNS-Wechselwirkung mittels verschiedener H2O2-Konzentrationen innerhalb der Fenton-Reaktion, wurde der Einfluss eines Radikalfängers am Beispiel des Natriumacetats (NaOAc) auf diese Wechselwirkung untersucht. Mit der Quantifizierung der ROS-DNS-NaOAc-Wechselwirkung wurde gezeigt, dass der anteilige DNS-Schaden mit wachsender H2O2-Konzentration zunimmt und mit steigender NaOAc-Konzentration abnimmt. Darüber hinaus wurde die Anwendbarkeit der in dieser Arbeit eingeführten Quantifizierung ROS-induzierter DNS-Schäden mit Hilfe eines reaktionskinetischen Ansatzes unter Verwendung des Modelles der kompetitiven Hemmung analysiert. Auf diese Weise wurden Ratenkonstanten der Wechselwirkung zwischen NaOAc mit Hydroxylradikalen verifiziert und somit die Validität des eingeführten Konzeptes demonstriert. Des Weiteren ermöglicht die automatisierte Datenanalyse einen vergleichsweise hohen Datendurchsatz und eignet sich daher gut für die Untersuchung der komplexen Wechselwirkung zwischen ROS, Radikalfänger und DNS. Anhand eines Vergleiches mit den etablierten Methoden zur Quantifizierung ROS-induzierter DNS-Schäden ergibt sich unter Einbeziehung des, in dieser Arbeit eingeführten Analyseverfahrens, ein komplementäres Verständnis der ROS-DNS-Wechselwirkung über einen großen Längenskalenbereich.
A central point of this thesis is the investigation of surface structure and surface forces, which are created by single layers of linear polyelectrolytes (PE). In detail, the properties of cationic poly(allylamine)hydrochloride (PAH) and poly-l-lysine (PLL) and anionic sodium poly(styrene sulfonate) (PSS) are determined, which have been physisorbed onto oppositely charged silica surfaces in presence of a predefined salt concentration IAds. For these investigations, a new averaging method for colloidal probe (CP) force profiles is developed, which leads to an ultimate force resolution of 1 pN after the data processing, (signal to noise ratio of > 1000). Furthermore, a new kind of tapping mode imaging is presented (so called colloidal probe tapping mode, CPTM), which uses a CP instead of a sharp tip and hence which allows to resolve lateral inhomogeneously distributed surface forces. The basics to understand such-like obtained tapping mode images are developed. For adsorption from salt-free solution (IAds = 0) the dominance of an electrostatic double layer repulsion is observed, which is commonly attributed to the adsorption of the PE chains into a rather flat and compact layer and which is in full agreement with theoretical predictions and enormous experimental data available in literature. However, even a small addition of salt to the deposition solution (i.e. IAds > 1 mM NaCl) introduces a new contribution to the surface force, which is attributed to PE chains that are non-flatly physisorbed. Using scaling considerations, it is shown for all investigated PE that this non-flat conformation can be described by brush-like chain adsorption (cf. Section 3.3.5); other conformations like mushroom or pancake are excluded (cf. Section 5.3). Interestingly, these non-flatly physisorbed chains combine properties of neutral and PE brushes: (i) The force is very well described by the theory of Alexander and de Gennes (AdG, cf. Section 5.4). By fitting the AdG force law to the data, it is possible to determine the (brush) thickness L of the PE layer and the average distance s between brush-like physisorbed chains. Although the chains are charged the electrostatic contribution to the surface forces is too small to be noticeable (cf. Section 5.4.2). (ii) The thickness L of this PE layer is much larger compared to the compact layer (observed for salt-free adsorption) and is also subject to a pronounced swelling and shrinking if the bulk salt concentration I is decreased or increased, respectively. Surprisingly, all measurements indicate that L follows a scaling law known for salted end-grafted PE brushes, i.e. L ~ N (I s^2)^(-1/3) (with N denoting the degree of polymerization). Furthermore, the osmotic brush phase is never observed in the experiments, but chain stretching up to 1 / 3 of the contour length is regularly achieved. CPTM imaging applied to PSS shows that the brush-like physisorbed chains are not homogenously distributed over the surface, but form brush domains which coexist with flatly physisorbed chains (cf. sections 5.5 and 5.6). This clearly shows that PSS generally physisorbs in two distinct phases, which differ in conformation (flat vs. brush) and the surface force caused (electrostatic vs. steric repulsion). The force profile of the two phase system is in good approximation simply the superposition of a steric and an electrostatic repulsion, whereby their respective contribution to the composed force profile is given by their area fraction. The quantitative analysis reveals that L and s of the brush phase are independent on IAds. This is remarkable, as a change in IAds is known to induce a continuous transition between a stretched (low IAds) and coiled chain conformation (high IAds) in the deposition solution (cf. [Fleer1993, Yashiro2002]). Hence, one can conclude that the conformation in solution does not necessarily correspond to the conformation after adsorption. It is also shown that the area fraction A of the brush domains strongly depends on N and IAds. For example, for constant N the scaling relation A ~ sqrt(IAds) is determined, which is very similar to the common observation that the surface coverage %Gamma of adsorbed PE layers increases also with %Gamma ~ sqrt(IAds) [Schmitt1996, Cosgrove1986, Ahrens2001, Yim2000, Gopinadhan2007, Cornelson2010]. This suggest that brush-like physisorbed PE chains are responsible for the increase in %Gamma. In fact, Section 5.6 shows that the mass of the brush phase is approx. 0.5 mg/m² which is comparable to the increase in %Gamma reported in literature for IAds = 1 M NaCl [Cosgrove1986, Schmitt1996, Ahrens2001]. As a change in IAds does not affect L and s, but solely the brush area fraction A, it is argued in Section 5.6 that an increase in IAds can be understood as a phase transition from the (disordered) flat phase towards the (ordered and extended) brush phase. Here, further theoretical considerations would be desirable.
Bei moderaten sinusförmigen Betriebsspannungen tritt in reinem Stickstoff der diffuse Townsend-Modus (APTD) auf. Das elektrische Feld ist hier über den Entladungsspalt annähernd konstant, weshalb ein anodengerichteter exponentieller Anstieg der Intensität der Emission beobachtet wird. Dementsprechend ist das Intensitätsmaximum direkt vor der Anode lokalisiert. Überraschenderweise lässt sich die APTD unter den gegebenen experimentellen Bedingungen (Breite des Entladungsspalts d_Spalt=1 mm und sinusförmige Betriebsspannung) ebenfalls in einer Helium-BE genieren. Für gewöhnlich wird jedoch in einer Helium-Entladung der diffuse Glimmentladungs-Modus (APGD) beobachtet, wobei der Entladungsspalt zwischen 2-5 mm breit ist. Das Emissionsmaximum einer solchen Entladung befindet sich durch die Ausbildung eines Kathodenfallgebiets vor der Kathode. Die geringe Breite des Entladungsspalts verhindert hier jedoch die Ausbildung der APGD. Entsprechend kann sich das Kathodenfallgebiet nicht entwickeln, wodurch die Spaltspannung nur schwach einbricht. Das Intensitätsmaximum der Emissionsentwicklung befindet sich wie bei der diffusen Stickstoff-BE direkt vor der Anode. Die Zünd- und Brennspannung ist in Stickstoff größer als in Helium, da die Vibrationszustände des Stickstoffs effizient durch Elektronen angeregt werden und diesen dabei Energie entzogen wird. Helium hat jedoch keine Vibrationszustände, weshalb die Elektronentemperatur ansteigt und die Zünd- und Brennspannung deutlich geringer ist. Eine Erhöhung des Spannungsanstiegs dU/dt beeinflusst signifikant die Entladungsentwicklung in der diffusen Helium-Entladung. So führt eine Variation von der Sinus- zur Rechteckspannung zu einem Wechsel des Entladungsmodus, nämlich von der APTD zur APGD. Die Ursache hierfür ist der deutlich höhere Energieeintrag, was sich auf die Ionisationsprozesse auswirkt. Die Verwendung einer Sägezahnspannung stellt in Bezug auf den Spannungsanstieg dU/dt eine Kombination aus der Sinus- und der Rechteckspannung dar. Mit dieser Betriebsspannung war es erstmals möglich, in einer Entladungsperiode entsprechend der Spannungsgradienten beide Entladungsformen (APTD und APGD) zu beobachten und zu studieren. Durch die Oberflächenladungsmessung konnte nachgewiesen werden, dass die während eines elektrischen Durchbruchs im Entladungsvolumen transferierte Ladung vollständig auf den Dielektrika akkumuliert wird. Der Vergleich der phasenaufgelösten Oberflächenladungsdichtemessung mit der zeitlichen Integration der Stromdichte zeigt, dass die Akkumulation von Oberflächenladungen instantan mit dem Auftreten eines Strompulses stattfindet. Nach einem Entladungsstrompuls bleiben die Oberflächenladungen unabhängig vom Entladungsmodus auf dem Dielektrikum konstant, bis die Entladung in der nächsten Halbwelle erneut zündet. In der filamentierten Entladung markieren die Oberflächenladungen den Auftreffpunkt der einzelnen Mikroentladungen. Die Oberflächenladungen sind an diesen Stellen stark lokalisiert. Die gemittelten radialen Oberflächenladungsdichteprofile haben gezeigt, dass diese sowohl für die negativen als auch für die positiven Oberflächenladungen einer Gauß-Verteilung folgen. Die volle Halbwertebreite der entsprechenden Oberflächenladungsdichteprofile unterscheidet sich. Die negativen Oberflächenladungen nehmen eine größere Fläche ein als die positiven Oberflächenladungen. Es konnte erstmals gezeigt werden, dass Mikroentladungen über viele Entladungsperioden immer wieder an der gleichen Stelle zünden, wo sich aus einer vorhergehenden Entladung ein lokalisierter Oberflächenladungsfleck entgegengesetzter Polarität befand. Dieses Phänomen wird als Memory-Effekt bezeichnet. Durch zeitlich definiertes Abschalten der Entladung konnten die Lebensdauern von Oberflächenladungen beider Polaritäten auf dem BSO-Kristall gemessen werden. Es konnte gezeigt werden, dass der Abbau der Oberflächenladungen in zwei Zerfallsprozesse k_1 und k_2 unterteilt ist. Während des Prozesses k_1 nimmt die Oberflächenladungsdichte innerhalb einiger weniger Sekunden deutlich ab. Die Zeitkonstante k_1 ist trotz der photoleitenden Eigenschaft des BSO-Kristalls unabhängig von der Beleuchtungsfrequenz des Kristalls ist. Der zweite deutlich langsamer ablaufende Prozess zeigte hingegen eine starke Abhängigkeit von der Beleuchtungsfrequenz der BSO-Kristalls. Wurde der Kristall kontinuierlich beleuchtet, verschwanden die Oberflächenladungen unabhängig von ihrer Polarität nach wenigen Sekunden vollständig. Je kleiner die Beleuchtungsrate des Kristalls ist, desto länger waren die Oberflächenladungen nachweisbar. Der Zerfallsprozess k_2 beruht auf intrinsischen Transportprozessen. Hierbei wird davon ausgegangen, dass die negativen Oberflächenladungen durch Elektronen nahe der Oberfläche gebildet werden. Die positiven Oberflächenladungen sind Löcher im Valenzband, die durch Elektronen-Ionen-Rekombination entstehen.
Magnetic reconnection is a fundamental plasma process where a change in field line connectivity occurs in a current sheet at the boundary between regions of opposing magnetic fields. In this process, energy stored in the magnetic field is converted into kinetic and thermal energy, which provides a source of plasma heating and energetic particles. Magnetic reconnection plays a key role in many space and laboratory plasma phenomena, e.g. solar flares, Earth’s magnetopause dynamics and instabilities in tokamaks. A new linear device (VINETAII) has been designed for the study of the fundamental physical processes involved in magnetic reconnection. The plasma parameters are such that magnetic reconnection occurs in a collision-dominated regime. A plasma gun creates a localized current sheet, and magnetic reconnection is driven by modulating the plasma current and the magnetic field structure. The plasma current is shown to flow in response to a combination of an externally induced electric field and electrostatic fields in the plasma, and is highly affected by axial sheath boundary conditions. Further, the current is changed by an additional axial magnetic field (guide field), and the current sheet geometry was demonstrated to be set by a combination of magnetic mapping and cross-field plasma diffusion. With increasing distance from the plasma gun, magnetic mapping results in an increase of the current sheet length and a decrease of the width. The control parameter is the ratio of the guide field to the reconnection magnetic field strength. Cross-field plasma diffusion leads to a radial expansion of the current sheet at low guide fields. Plasma currents are also observed in the azimuthal plane and were found to originate from a combination of the field-aligned current component and the diamagnetic current generated by steep in-plane pressure gradients in combination with the guide field. The reconnection rate, defined via the inductive electric field, is shown to be directly linked to the time-derivative of the plasma current. The reconnection rate decreases with increasing ratio of the guide field to the reconnection magnetic field strength, which is attributed to the plasma current dependency on axial boundary conditions and the plasma gun discharge. The above outlined results offer insights into the complex interaction between magnetic fields, electric fields, and the localized current flows during reconnection.
Turbulence is a state of a physical system characterized by a high degree of spatiotemporal disorder. Turbulent processes are driven by instabilities exhibiting complex nonlinear dynamics, which span over several spatial as well as temporal scales. Apart from fluids and gases, turbulence is observed in plasmas. While turbulent mixing of a system is sometimes a desired effect, often turbulence is an undesired state. In hot, magnetically confined plasmas, envisaged for energy generation by thermonuclear fusion, plasma turbulence is clearly a problem, since the magnetic confinement time is drastically deteriorated by turbulent transport. Hence, a control mechanism to influence and to suppress turbulence is of significance for future fusion power devices. An important area of plasma turbulence is drift wave turbulence. Drift waves are characterized by currents parallel to the ambient magnetic field, that are tightly coupled to a coherent mode structure rotating in the perpendicular plane. In the present work, the control of drift waves and drift wave turbulence is experimentally investigated in the linear magnetized helicon experiment VINETA. Two different open-loop control systems - electrostatic and electromagnetic - are used to drive dynamically parallel currents. It is observed that the dynamics of the drift waves can be significantly influenced by both control schemes. If the imposed mode number as well as the rotation direction match those of the drift waves, classical synchronization effects like, e.g., frequency locking, frequency pulling, and Arnold tongues are observed. These confirm the nonlinear interaction between the control signal and the drift wave dynamics. Finally, the broadband drift wave turbulence, and thereby turbulent transport, is considerably reduced if the applied control signal is sufficiently large in amplitude.
The central aim of this thesis was the investigation of protein/polyanion interaction using circular dichroism (CD) spectroscopy, enzyme immune assay (EIA), isothermal titration calorimetry (ITC) and flow cytometry (FC). A further aim was to understand why an endogenous protein becomes immuno-genic when forming a complex. The focus was on the protein platelet factor (PF4), which gained wide interest in the clinical field, due to its role in the life-threatening, immune-driven, adverse drug effect heparin-induced thrombocytopenia (HIT). PF4 is a small homotetrameric chemokine with several basic amino acids on its surface, forming a positively charged ring. The antibodies that are formed during HIT recognize an epitope exposed on PF4, when it is in a complex with heparin at a certain molar ratio at which, PF4 tetramers are aligned on the heparin and forced into close approximation. The main results and conclusions of the thesis are summarized below: 5.1 Evolutionary Conservation of PF4 (Paper I – PF4/Evolution) By carrying out an amino acid sequence survey we found that the positively charged amino acids contributing to the heparin binding site on the surface of PF4 and related proteins are highly conserved in all vertebrates, including fish species. PF4 interacts with the phospholipid lipid A, the innermost part of the lipopolysaccharide (LPS) of Gram negative bacteria. We showed that the shorter the sugar chain of the O antigen, outer and inner core of the LPS were the more PF4 was binding. The interaction of PF4 with lipid A is inhibited by heparin, suggesting that the amino acids known to contribute to heparin binding are also involved in binding to lipid A. 5.2 PF4 Interaction with Polyanions (PA) of varying Length and Degree of Sulfation (Paper II – PF4/PA) CD spectroscopy was found to be a powerful technique to monitor structural changes of PF4 caused by binding to various clinically relevant polyanions. Therefore PF4 was titrated with different PA to investigate the dependencies: i. impact of the PF4:PA molar ratio, ii. degree of polymerization of the PA and iii. degree of sulfation of the PA. In all cases, exposure of HIT-relevant epitope(s) was only observed for PA that also induced changes in secondary structure of PF4. A comparison of results of an immune ¬assay with CD spectroscopic data showed that the extent of complex anti¬genicity correlates well with the magnitude of changes in PF4 secondary structure, and that the structural changes of PF4 have to exceed a certain threshold to achieve PF4/PA complex antigenicity. These findings allowed us to calculate expectation intervals for complex antigenicity solely using CD spectroscopic data. To our knowledge, this was the first demonstration that the capability of drugs to induce antigenicity of PF4 can be assessed without the necessity of in vivo studies or the use of antibodies obtained from immunized patients specific for the antigens. The antigenicity of PF4 in complex is not restricted to negative charges originating from sulfate groups, PA with phosphate groups are also capable (binding to phospholipids). We investigated inorganic polyphosphates (polyP) with a chain length of 75 Pi and showed that the induced secondary structural changes are even higher compared to the changes induced by the different heparins and that the PF4/P75 complexes are antigenic as well. 5.3 PF4 Interaction with defined oligomeric Heparins (Paper III – PF4/defined Heparins) We tested highly purified, monodisperse heparins. In contrast to the clinically relevant but relatively undefined (high polydispersity index) glycosamino glycans reported in paper II (PF4/PA). The defined heparins induced higher secondary structural changes. Here we showed for the first time that strong conformational changes during PF4/PA complex formation are necessary but not sufficient for to the expression of the anti-PF4/heparin antibody binding site. Also, the size of the complexes is not the only prerequisite for anti-PF4/heparin antibody binding (tested by atomic force microscopy). By ITC we found that antigenicity is only induced if the PF4/PA complex has a high binding enthalpy and the complex formation leads to a negative change in entropy. 5.4 PF4/Polyphosphates (polyP) Complex Antigenicity and Interaction with Escherichia coli (E. coli, Paper IV – PF4/polyP) PolyP with chain lengths of 45 Pi and 75 Pi induced remarkable secondary structural changes in the PF4 molecule, thereby exposing the epitope recognized by anti-PF4/heparin antibodies. The induced conformational changes were similar to the changes induced by the defined heparins. Again a high binding enthalpy was observed but here in connection with a positive change in entropy. Further we showed that polyP (≥45 Pi) enhance PF4 binding to the surface of Gram negative E. coli at intermediate concentration and disrupt the binding at elevated polyP concentrations. The increased amounts of PF4 on the bacterial surface also improved the binding of anti-PF4/heparin antibodies and thereby the phagocytosis of the bacteria by poly¬morpho¬nuclear leucocytes. 5.5 Nucleic acid based Aptamers induce structural Changes in the PF4 Molecule (Paper V – PF4/Aptamer) Nucleic acids are another class of molecules containing phosphate groups. Especially after cell damage their extra¬cellular concentration can be locally quite high (>2 mg/ml). We found that certain aptamers form complexes with PF4 and thereby inducing anti-PF4/aptamer antibodies which cross-react with PF4/heparin complexes. Moreover by CD spectroscopy we showed that the protein C-aptamer caused similar secondary structural changes of PF4 like heparin, but already at much lower concentration. The maximally induced changes by the protein-C aptamer were even higher and persisted over a broader concentration range. 5.6 Protamine Interaction with Heparin (Paper VI – PS/Heparin) After the intensive investigation of the complex formation between PF4 and many different classes of PA we assessed another protein for structural changes upon complex formation with heparin. Protamine (PS) a protein in routinely used in post-cardiac surgery to reverse the anticoagulant effects of heparin was found to unfold but not to refold with increasing concentration of PA in solution. 5.7 Conclusion and Outlook When starting this thesis, it was believed that repetitive structures formed by PF4 on a heparin chain mold the epitope recognized by antibodies inducing HIT. These repetitive structures might exhibit similarities with viral capsids and are therefore recognized by the immune system of some patients. We found that induced by the close approximation PF4 changes its conformation, thereby exposing a neoepitope. The conserved positively charged amino acids of the heparin binding site and the involvement of these amino acids in the binding to lipid A confirm our hypothesis of PF4 as part of an ancient immune-mediated host defense mechanism. As possible consequence of the “primitive mechanism of defense” the highly variable O-antigens of LPS might have significantly contributed to an efficient escape mechanism by hiding the structures that made the bacteria vulnerable. In turn polyP might be an adaption of the host improve pathogen recognition by PF4 and further by antibodies inducing phagocytosis of the PF4-marked objects. Although shown only for PF4 and PS, our findings might be applicable to other proteins that also express epitopes upon changes in their secondary structure. Our physicochemical methods may further be applied: i. to drug development for the prediction of antigenicity induced by polyanionic drugs, ii. to guide the development of synthetic heparins and other polyanion based drugs, e.g. aptamers, that do not lead to HIT and iii. to provide relevant aspects for other biological functions of heparins.
Impurity ions pose a potentially serious threat to fusion plasma performance by affecting the confinement in various, usually deleterious, ways. Due to the creation of helium ash during fusion reactions and the interaction of the plasma with the wall components, which makes it possible for heavy ions to penetrate into the core plasma, impurities can intrinsically not be avoided. Therefore, it is essential to study their behaviour in the fusion plasma in detail. Within the framework of this thesis, different problems arising in connection with impurities have been investigated. 1. Collisional damping of zonal flows in tokamkas: The effect of impurities on the collisional damping of zonal flows is investigated. Since the Coulomb collision frequency increases with increasing ion charge, heavy, highly charged impurities play an important role in this process. The effect of such impurities on the linear response of the plasma to an external potential perturbation, as caused by zonal flows, is calculated with analytical methods and compared with numerical simulations, resulting in good agreement. 2. Impurity transport driven by microturbulence in tokamaks: Fine scale turbulence driven by microinstabilities is a source of particle and heat transport in a fusion reactor. A semi-analytical model is presented describing the resulting impurity fluxes and the stability boundary of the underlying mode. The results are compared with numerical simulations. Both the impurity flux and the stability boundary are found to depend strongly on the plasma parameters such as the impurity density and the temperature gradient. 3. Pfirsch-Schlüter transport in stellarators: Due to geometry effects, collisional transport plays a much more prominent role in stellarators than in tokamaks. Analytical expressions for the particle and heat fluxes in an impure, collisional plasma are derived from first principles. Contrary to the tokamak case, where collisional transport is exclusively caused directly by friction, in stellarators an additional source of transport exists, namely pressure anisotropy. Since this term is, contrary to the contribution from friction, non-ambipolar, it plays an important role regarding the ambipolar electric field. Furthermore, the behaviour of heavy impurities in the presence of strong radial temperature and density gradients is studied, which lead to a redistribution of the impurities on the flux surfaces. As a consequence, the radial impurity flux is decreased considerably compared with a plasma in which the impurities are evenly distributed on the flux surfaces.
The thesis deals with ions stored in an electrostatic ion beam trap. In the first part of the thesis the so-called self-synchronization effect is discussed. It is demonstrated that the time a bunch of injected ions is conserved by the self-synchronization effect depends on the number of injected ions. In the second part of the thesis the cooling of small anionic cobalt and copper clusters is addressed. Measurements on anionic copper clusters consisting of four to seven atoms are presented and the decay of hot clusters is observed in order to draw conclusions on the internal temperature and the cooling process itself. Afterwards measurements on Co4- are discussed and a measurement scheme based on laser induced delayed electron emission is presented enabling to monitor the internal energy distribution of the clusters over storage time in a temperature-controlled environment. The cooling of initially hot clusters as well as the heating of initially cold clusters were observed.
In the present work, mass determinations of the eleven neutron-deficient nuclides (99-109)Cd, of ten neutron-rich silver nuclides (112-114,121,123)Ag, and seven neutron-rich cadmium nuclides (114,120,122-124,126,128)Cd are reported. Due to the clean production of the neutron-deficient nuclides it was possible to reduce the experimental uncertainties down to 2 keV, whereas the measurements of neutron-rich nuclides were hampered by the presence of contaminations from more stable In and Cs nuclides. In the case of 99Cd and 123Ag the masses were determined for the first time and for the other nuclides the mass uncertainties could be reduced by up to a factor of 50 as in the case of 100Cd. In the case of a potential isomeric mixture as for (115,117,119)Ag and 123Cd, where no assignment to either the ground state or the excited state was possible, the experimental results were adjusted accordingly. Afterwards all results were included in the framework of the atomic-mass evaluation and thus linked and compared with other experimental data. In the case of the neutron-deficient Cd nuclides a conflict between the mass values obtained in the present work and those published by the JYFLTRAP group could be solved by performing an atomic-mass evaluation. These mass measurements are an important step towards an understanding of the physics of the rp process that will enable a more reliable determination of the composition of the produced material at A = 99. It has been shown that the mass of 99Cd strongly affects the A = 99 production in an X-ray burst model, and that uncertainties have been significantly reduced from more than an order of magnitude to about a factor of 3. The dominant source of uncertainty is now the mass of 100In. In principle, other uncertainties will also contribute. These include those of masses of lighter Cd isotopes, where similar rp-process branchpoints occur and which might affect feeding into the 99Cd branchpoint. In addition, nuclear reaction rate uncertainties will also play a role. However, as reaction rates affect branchings in a linear fashion, while mass differences enter exponentially, mass uncertainties will tend to dominate. Also, which reaction rates are important depends largely on nuclear masses. For example, for low Sp(100In) a (p,γ)-(γ,p) equilibrium will be established between 99Cd and 100In and the 100In(p,γ) reaction rate would affect the A = 99 production, while for larger Sp(100In) the 99Cd(p,γ) reaction rate might be more relevant. Therefore, the mass uncertainties should be addressed first. The presented results are relevant for any rp-process scenario with a reaction flow through the 99Cd region. Here, an X-ray burst model has been used to investigate in detail the impact of the present measurements on such an rp process. The νp process in core collapse supernovae might be another possible scenario for an rp process in the 99Cd region. It it is planed to also explore whether in that case mass uncertainties have a similar impact on the final composition. On the neutron-rich side of the valley of stability for the Cd and Ag chains of nuclides, the r process has not yet been reached. Further technical development on suppression of contaminants are required. This includes improvements on the ISOLDE side, e.g., by improving the selectivity of the transfer line or on the ISOLTRAP setup by implementing an electrostatic ion beam trap for a fast and efficient isobaric selection. Nevertheless the obtained results contribute to the knowledge of nuclear structure. The trends in the two-neutron separation-energy S2n and the interaction between the last neutrons and last protons ΔVpn were corrected to more smooth evolutions, as already seen in other regions of the nuclear chart. The strongest corrections have been observed for even-N nuclides, were more new experimental data are available. Thus, new measurements on odd-N nuclides are suggested. This also is underlined by the trends observed in the Garvey-Kelson relations for the neutron-rich Cd nuclides. Furthermore, it has been shown, that the prominent structure of the ΔVpn for an entire chain of nuclides including inflexion points can be reproduced by using simple relations between quantum numbers of the occupied orbits. This approach connects ten values for each nuclide with only one adjusted parameter. This has been investigated for 63 ΔVpn values of even-even nuclides in the vicinity of Z = 50 and 50 ≤ N ≤ 82. The simple model works remarkably well for the elements Cd, Sn, and Te. Small deviation have been observed for the Xe and Pd nuclides which were explained with the limitations of the model to the vicinity of the close shells, where the nuclides have only few valence protons and neutrons.
Diese Arbeit untersucht experimentell den Einfluss des metastabilen Zustandes Xe(1s3) und des Resonanzzustandes Xe(1s2) auf die VUV-Strahlungserzeugung in Helium-Xenon-Glimmentladungen (He:Xe = 98:2). Für die Bestimmung der Atomdichten wurde eine experimentelle Anordnung geschaffen, mit der, basierend auf der Methode der Laser-Atom-Absorptionsspektroskopie, orts- und zeitaufgelöste Messungen von optischen Dichten im Säulenplasma durchgeführt wurden. Als Hintergrundstrahlungsquelle kam ein durchstimmbarer Diodenlaser zum Einsatz. Die bereitgestellten Laserwellenlängen von 820 nm bzw. 826 nm entsprechen optischen Übergängen zwischen den Xenonzuständen 6s' 1/2[1/2]0 --> 6p' 1/2[3/2]1 (1s3 --> 2p4) und 6s' 1/2[1/2]1 --> 6p' 1/2[1/2]1 (1s2 --> 2p2).
Den Ausgangspunkt der Untersuchungen stellte die Messung der Absorptionslinienprofile beider Nahinfrarot-Übergänge dar. In Abhängigkeit von den Entladungsparametern Gasdruck, Entladungsstrom und Betriebsweise (Gleichstrom-, gepulste und Wechselstromentladung) wurden daraus die Dichten der angeregten Atome auf der Entladungsachse ermittelt. Durch die Analyse des Abklingens der Besetzungsdichten im Afterglow von gepulst betriebenen Entladungen mit Hilfe eines Systems von gekoppelten Ratengleichungen konnten die dominanten Stoßprozesse für die betrachteten Zustände identifiziert werden. Erstmalig ist in dieser Arbeit die radiale Verteilung der angeregten Spezies Xe(1s3) und Xe(1s2) in He-Xe-Glimmentladungen untersucht worden. Damit ist die VUV-Strahlungsleistung der 129 nm-Linie aus der Dichteverteilung der Resonanzatome ermittelbar.
In this thesis, a stereoscopic camera system is presented that is designed for the use on parabolic flights for the investigation of dusty plasmas under microgravity conditions. This camera system consists of three synchronously triggered high-speed cameras observing a common volume of approximately (15 × 15 × 15) mm³ size. In this volume, the three-dimensional trajectories of a large number of particles surrounded by a dense dust cloud were reconstructed. For this task an intricate set of reconstruction algorithms has been developed, including a four-frame linking algorithm and a complex combined 2D/3D tracking algorithm for a reliable tracking of 3D particles. Furthermore, these algorithms effectively suppress so-called ghost particles in the evaluation process which are reconstructed from falsely identified 2D particle correspondences. Dusty plasmas under microgravity conditions are of special interest due to their complex structure and the variety of observable dynamic phenomena. Under typical discharge conditions, a central dust-free void is formed, surrounded by a dense particle cloud. Since the void is inherently dust-free, particles shot into the void can be uniquely identified and used to probe plasma properties inside this region. In the dust cloud itself, processes like self-excited dust-density waves can be observed under suitable experimental conditions. Using the presented camera setup and reconstruction algorithms, two parts of a dusty plasma under microgravity on parabolic flights are investigated. Initially, the force field creating and sustaining the central void is deduced and characterized. The combination of ion drag and electric field force is measured and compared to current models of the ion drag, showing a good agreement with these models. While previous investigations on the forces were limited to two-dimensional slices through the void, our measurements represent the first three-dimensional quantitative analysis of a large fraction of the void region. From this analysis the structure of the force field is determined and separated into a radial and a non-radial (or orthogonal) contribution. It is shown that the radial contribution dominates in the central void, while non-radial forces increase in magnitude close to the void edge. The radial domination is also observed in the velocity distribution of the probe particles which is significantly shifted to radially outward directed velocities for particles leaving the void. Assuming a strictly radial force profile in the horizontal mid-plane of the void, the friction coefficient determining the interaction of the probe particles with the neutral gas background is experimentally determined and shown to match the theoretical expectation. Subsequently, particles at the outer surface of the dust cloud are reconstructed. There, the particles are found to oscillate due to dust-density waves propagating through the high-density dust cloud. For the investigation of the correlation between waves and oscillating particles, the instantaneous wave and oscillation properties are determined and the instantaneous phase difference is obtained. Modeling the probe particles as driven, damped harmonic oscillators, these phase differences between waves and particles are interpreted with respect to the resonance frequency of the oscillating particles. Spatial variations of the phase difference are observed that may be attributed to different frequencies of the dust-density waves, or to changes of the resonance frequency induced by changing local plasma parameters. From a few measurements of particles oscillating at their resonance frequency, information about the surrounding plasma or properties of the particles themselves can be deduced. However, a larger number of reconstructed trajectories is necessary in order to interpret the phase differences on a reliable data basis. The presented camera setup in combination with the evaluation algorithms is a flexible system for the investigation of three-dimensional dusty plasmas. Its robust construction allows the operation of the system in challenging environments such as on parabolic flights, where spatial limitations and vibrations produced by the aircraft make special demands on such a diagnostic tool. This versatility makes our stereoscopic camera setup and the reconstruction process a suitable standard diagnostic for the application with dusty plasmas; this system will therefore be used in future research amongst other things for the investigation of boundary layers in extended three-dimensional dust clouds under microgravity.
This work investigates turbulence in the core plasma of the optimised stellarator
Wendelstein 7-X. It focuses on experimental characterisation and
evaluation of the electrostatic micro-instabilities, which drive turbulent fluctuations,
and the saturation of turbulence by zonal flows. Expectations for
Wendelstein 7-X are formulated by reviewing theoretical work and with
the help of gyrokinetic simulations. The experimental analysis centres on
line-integrated density fluctuation measurements with the phase contrast
imagining diagnostic in electron cyclotron heated hydrogen discharges. An
absolute amplitude calibration was implemented, and a method for reliable
determination of dominant phase velocities in wavenumber-frequency
spectra of density fluctuations has been developed. Line-averaged density
fluctuation levels are observed to vary between magnetic configurations.
The wavenumber spectra exhibit a dual cascade structure, indicating fully
developed turbulence. The dominant instability driving turbulent density
fluctuations on transport relevant scales is identified as ion-temperaturegradient-
driven modes, which are mainly localised in the edge region of the
confined plasma. Despite the line-integrated nature of the measurement, the
localisation of density fluctuations is shown by comparing their dominant
phase velocity with the radial profile of the E × B rotation velocity due to
the ambipolar neoclassical electric field. Nonlinear gyrokinetic simulations
and a simplified plasma rotation model within a synthetic diagnostic confirm
the localisation. Oscillations of the dominant phase velocity indicate
the existence of zonal flows as a saturation mechanism of ion-temperaturegradient-
driven turbulence. A direct effect on turbulent density fluctuation
amplitudes and radial transport is observed.