Fakultät für Physik - Digitale Hochschulschriften der LMU - Teil 01/05 Archiv

Am neuen Forschungsreaktor München II (FRM II) wird der Münchener Spaltfragmentbeschleuniger MAFF (Munich Accelerator for Fission Fragments) entwickelt. Ziele dieses Projektes sind die Produktion von stabilen neuen schweren Elementen (mit Z > 100) und Experimente zur Untersuchung der Kernstruktur von neutronenreichen Spaltprodukten und des r-Prozesses in der Astrophysik. Der LINAC von MAFF besteht aus einem RFQ, einer Boostersektion mit drei Beschleunigertanks und einer energievariablen Sektion mit zwei baugleichen 7-Spalt-Resonatoren. Durch Ein- bzw. Abschalten des dritten Beschleunigertanks können die Spaltfragmente mit zwei verschiedenen Energien (4.15 MeV/u bzw. 5.40 MeV/u) in die 7-Spalt-Sektion eingeschossen werden. Durch Nachbeschleunigen bzw. Abbremsen soll stufenlos ein Endenergiebereich von 3.7 MeV/u bis 5.9 MeV/u abgedeckt werden können. Alle Komponenten des LINAC sind als IH-Resonatoren ausgeführt. Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht die Entwicklung und der Bau der 7-Spalt-Resonatoren. Diese wurden für eine mittlere Teilchengeschwindigkeit von β = 0.10 und einem Masse/Ladungs Verhältnis von A/q ≤ 6.3 ausgelegt. Die Resonatoren sollen bei einer Frequenz von 202.56 MHz (CERN-Frequenz) und einer gepulsten Leistung bis max. 100 kW betrieben werden (Tastverhältnis = 1:10). Nach Festlegung dieser Parameter wurden durch Simulationen mit dem Code MAFIA die Dimensionen eines 1:1 Modells bestimmt, an dem dann durch Variation der Geometrien die Resonatoreigenschaften experimentell untersucht wurden. Mit den Programmen LINAC und LORASR wurde die Strahldynamik untersucht. Die Rechnungen zeigten transversal und longitudinal ein geringes Emittanzwachstum von unter 5 % für die extremsten Beschleunigungs- und Abbremsszenarien. An einem Leistungsresonator wurden anschließend sowohl Niederleistungsmessungen zur Verifizierung der Rechnungen durchgeführt, als auch Hochleistungtests, um zu demonstrieren, daß die geforderten Designspannungen und damit auch die entsprechenden Beschleunigungen erreicht werden können. Dazu wurde am Maier-Leibnitz-Labor eine Test-Stahllinie aufgebaut, in der ein 16O5+ Ionenstrahl mit 4.15 MeV/u (DC und gepulst) in den Resonator eingeschossen und erfolgreich beschleunigt bzw. abgebremst wurde. Die dabei ermittelte Shuntimpedanz von 120 MΩ/m für hohe Senderleistung läßt bei maximaler Senderleistung theoretisch eine Gesamtresonatorspannung von bis zu 2.4 MV erwarten, wodurch ein Endenergiebereich von 3.6 MeV/u bis 6.0 MeV/u abgedeckt werden kann. Der IH-Resonator läßt eine einfache Modifikation der Driftr¨ohrenstruktur zu. Es ist vorgesehen, bis zur Fertigstellung von MAFF, den schon gebauten Prototyp als 9-Spalt-Resonator in zwei einfach umzubauende Versionen beim REX-ISOLDEProjekt am CERN einzusetzen. Die für eine Leistungssteigerung von 2.2 MeV/u auf 3.1 MeV/u nötigen Komponenten der Driftröhrenstruktur wurden bereits gefertigt und probeweise in den Resonatortank eingebaut. Bei Niederleistungstest von Resonanzfrequenz und Spaltspannungsverteilung wurde eine sehr gute Übereinstimmung mit den Simulationen festgestellt. Die gemessene Resonanzfrequenz lag dabei nur ca. 0.05% über der berechneten Frequenz. Die Güte Q wurde bei den Niederleistungsmessungen mit 9833 bestimmt.

The inclusive rate of leptons produced from charmed particle decays (from Z -> charm anticharm) has been measured using a data sample of four million hgadronic Z decays recorded by the ALEPH experiment at LEP from 1991 to 1995. The analysis uses a double-tag and is self-calibrating, i.e. it makes minimum use of the Monte Carlo simulated information. Each event is divided into two hemispheres; hemispheres containing charm quarks are identified with a NEural Network anlaysis method. Lepton candidates are then searched for in the opposite hemisphere. Based on fully reconstructed D candidates, a value of BR(c -> l + X) = 9.09 +/- 0.61 % (l = e or mu) is obtained. The uncertainy includes both the statistical and systematic components.

Molecular machines are at the ultimate limit of miniaturization. Living organisms provide a variety of examples for such molecular machines, but in order to utilize and to control them, they need to be interfaced with the macroscopic world. On the other h and, there are synthetic molecular machines. Some have been interfaced already but usually in high vacuum at very low temperatures, which is clearly not desirable for technical applications. In this thesis, AFM-based single molecule force spectroscopy (S M FS) was utilized to investigate the mechanical change in single synthetic molecules upon environmental changes (external stimuli) in liquid environment at room temperature. The molecules are either from theory or from bulk experiments supposed to be ab le to convert such an external stimulus into mechanical work, which is a prerequisite for molecular motors. Three different types of molecules and various external energy inputs were investigated which led to the realization of a light driven synthetic mo le cular machine: - Polyelectrolytes should, by OSF-theory, change their persistence length (and therefore the overall length at a constant force) with the Debye screening length of the solvent (which is manipulated by the salt concentration). Therefore, t he elasticity of the polyelectrolyte polyvinylamine, which could be covalently attached to the substrate and the AFM tip, was investigated in dependence on the salt concentration. It was found that the dependence of persistence length on salt concentr atio n is much smaller than expected from OSF-theory, which made this system less attractive for a molecular machine, but led to new theoretical insights. - The adhesive properties of polyelectrolytes onto charged solid supports in aqueous solution are a subj ect of current research in industry and academia. A manipulation of polymer – substrate adhesion, e. g. at an AFM tip, could lead to a molecular 'grab and release' device. Therefore, the desorption force of single polyvinylamine-molecules from solid suppo rts was investigated. Polyvinylamine was physisorbed to a glass substrate and covalently attached to the cantilever. Then, the charge-charge interaction was manipulated by variation in salt concentration and polymer charge. While this has not led t o a sin gle molecule device yet, it gave new insights into the desorption of polyelectrolytes from charged substrates. The measurements performed here revealed that van der Waals forces and other non-covalent chemical interactions such as hydrogen and coo rdinative bonds can by far outweigh the electrostatic coulomb force (namely at short distances), and are therefore a more promising candidate for the tuning of adhesion forces. - Elastin-based polypeptides have proven various kinds of energy conversion i n cross-linked bulk samples. The mechanism is based on a hydrophobic folding transition, which can be manipulated by temperature, salt, pH, electrochemistry, and/or by the composition (hydrophobicity) of the polymers. The difference between the folded and random state could be detected and investigated here at the level of individual polymer chains and characterized by the force-extension traces of the two polypeptides (GVGVP)nx251 and (GVGIP)nx260. Because of their different hydophobicity their folding t emperatu res lie above and below room temperature, respectively. With the polypeptide (GVGIP)nx260 the folded state was investigated extensively. All observations support the conjecture, that intermolecular aggregation dominates intramolecular aggregatio n. This i s further supported by the finding that neither a change in temperature nor the treatment with sodium dodecyl sulfate or guanidinium hydrochloride could force any of the two polypeptides from the folded to the random state or vice versa within a n experime nt, which in turn would be a prerequisite for a polypeptide based molecular motor. - The most successful approach to building an AFM-interfaced molecular machine was in taking advantage of reversible configurational changes in azobenzene poly mer molecul es upon irradiation with light. Azobenzene can be driven from a shorter 'cis' to a longer 'trans' configuration by illumination with l = 420 nm light and vice versa by l = 365 nm. In order to utilize azobenzene, a setup had to be developed and built, whic h allows for the coupling of light into the AFM experiment. Total internal reflection geometry was necessary to avoid any artifacts due to direct effects of the light on the cantilever. A polypeptide chain with multiple functional azobenzene units was cov alently fixed to both, a gold coated cantilever and a flint glass substrate. In the force-extension traces lengthening as well as shortening of the polyazopeptide was observed even under an applied external force. This is not only a proof of principle for the first single molecule motor interfaced to the macroscopic world, but also generates discussion concerning potential energy landscapes under external force.

In the presented work, a population of twelve very young bona fide and candidate brown dwarfs in the ChaI star forming cloud (ChaHa1-12) was studied observationally in terms of their kinematic properties, the occurrence of multiple systems among them as well as their rotational characteristics. Based on high-resolution spectra taken for nine out of the twelve objects with UVES at the VLT, radial and rotational velocities have been measured with high accuracy. A kinematic study of the sample showed that their radial velocity dispersion is relatively small (2.2 kms). It is significantly smaller than the radial velocity dispersion of the T~Tauri stars in the field (3.6 kms) and slightly larger than that one of the surrounding molecular gas (1.2 kms). This result indicates that the studied brown dwarfs are not ejected during their formation with velocities large than ~2 kms as proposed in recent formation scenarios. The brown dwarfs may have larger 3D velocities. However, brown dwarfs ejected during the early accretion phase in directions with a significant fraction perpendicular to the line-of-sight, would have flown out of the field a long time ago. By means of time-resolved UVES spectra, a radial velocity survey for close companions to the targets was conducted. In addition, a direct imaging survey for wide companions was carried out with the WFPC camera on board the HST, with FORS at the VLT as well as with SofI at the NTT. With these two complementary search methods, a wide range of possible companion separations has been covered. For brown dwarf companions (> 13 M_Jup) to the targets, separations < 3 AU and between 50 and 1000 AU were covered. With more restricted separations (< 0.1 AU and 300-1000 AU) the surveys were sensitive also to companion masses down to 1 M_Jup. HST images of ChaHa2 hint at a binary system comprised of two approximately equal-mass companions with a separation of ~30 AU. No further indications for companions have been found in the images. Furthermore, the radial velocities of the targets turned out to be rather constant setting upper limits for the mass Msini of possible companions to 0.1 M_Jup to 2 M_Jup These findings hint at a rather low (smaller or equal 10%) multiplicity fraction of the studied brown dwarfs. Furthermore, a photometric monitoring campaign of the targets yielded the determination of rotational periods for ChaHa2, 3 and 6 in the range of 2.2 to 3.4 days. These are the first rotational periods for very young brown dwarfs and among the first for brown dwarfs at all. They are complemented by measurements of rotational velocities vsini from UVES spectra. The observations show that brown dwarfs at an age of 1-5 Myr display surface spots like T Tauri stars and are moderately fast rotators in contrast to rapidly rotating old brown dwarfs consistent with them being in an early contracting stage. A comparison with rotational periods from the literature indicates that most of the acceleration of brown dwarfs takes place in the first 30 million years or less of their lifetime.

The present work gives an overview on the experimental results of the spectroscopy in the second minimum of the double-humped fission barrier of ^240Pu and the derived conclusions on the structure of collective excitation modes in deformed nuclei. From the combined analysis of γ-decay and conversion electron measurements and an experiment on the transmission resonances in the prompt fission probability a detailed level scheme for the second minimum of an actinide nucleus could be established for the first time. Excitation energies, spins, parities and lifetimes of collective excitations above the groundstate band of the isomer up to β-vibrational multiphonon excitations could be established. Contrary to the experiments in the high-spin region of superdeformed nuclei, which were promoted extraordinarily during the last years, the K-purity of the isomer states populated with low spins allows for a clear separation of vibrational and rotational excitations. Therefore low-lying collective vibrational bands could be identified unambiguously as K^π i=0^-, 1^- and 2^- -octupole bands, as well as the lowest-lying β-vibrational band. After determining the energy of the β-vibrational phonon it became possible to identify the resonance groups in the prompt fission probability as the third and fourth β-vibrational phonon. The complete spectroscopy of the K^ π =0^+ states in the transmission resonance experiment made it possible to determine the excitation energy of the fission isomeric ground state from measured level densities with a recently developed method. Very interesting was furthermore the observation of the predominant population of negative parity states (98 %) in the second minimum, most likely attributed to a filtering action of the inner and outer fission barrier. Finally the measured rotational bands give hints on the behaviour of the moments of inertia of superdeformed nuclei with increasing excitation energy. The measurements could help to better understand the multiphonon states in the first minimum, where much stronger mixing with quasiparticle states occur.

In der vorliegenden Arbeit wird die erstmalige Erzeugung eines Bose-Einstein-Kondensats in einer Mikrochip-Falle beschrieben; dies ist eine Magnetfalle für Neutralatome, die mithilfe stromführender Leiterbahnen auf einem Chipsubstrat gebildet wird. Die Eigenschaften dieser Chipfallen, speziell die hohen Magnetfeldgradienten und -krümmungen, haben es ermöglicht, die Bose-Einstein-Kondensation in weniger als einer Sekunde Verdampfungskühlzeit zu erreichen, was rund eine Größenordnung schneller als in bisher verwendeten Magnetfallen ist und ein Faktor drei schneller als auf dem bisher schnellsten Weg in einer optischen Dipolfalle. Damit verbunden sind die Ansprüche an den experimentellen Aufbau, insbesondere das Vakuumsystem und den Laseraufbau, deutlich gesunken. Weiterhin wird der zerstörungsfreie Transport des Bose-Einstein-Kondensats entlang der Chipoberfläche über makroskopische Distanzen demonstriert wie auch erstmalig die Aufspaltung eines Kondensates in zwei getrennte Kondensate mit rein magnetischen Mitteln. Diese Resultate, nämlich kohärente Materie in einem integrierten atomoptischen System manipulieren zu können, lassen hoffen, daß in naher Zukunft Anwendungen wie Atominterferometrie, Untersuchungen zu niederdimensionalen Quantengasen und Quanteninformationsverarbeitung "on-chip" verwirklicht werden können.

In der vorliegenden Arbeit wird die erstmalige Erzeugung von kontinuierlicher, kohärenter VUV-Strahlung bei Lyman-alpha und die Spektroskopie an Wasserstoff mit dieser Strahlung beschrieben. Die experimentellen Beobachtungen zur VUV-Erzeugung können durch Modell-Rechnungen richtig wiedergegeben werden. Lyman-alpha-Strahlung liegt bei einer Wellenlänge von 121,56 nm im Vakuum-Ultraviolett und wird mithilfe von Vier-Wellen-Mischen erzeugt. Dazu werden drei Laserstrahlen überlagert und in Quecksilberdampf fokussiert. Die erzeugte Strahlung bei Lyman-alpha hat eine Leistung von etwa 20 nW. Der Lyman-alpha-Strahl kreuzt einen Wasserstoff-Atomstrahl und regt Atome zur Fluoreszenz an. Es konnten erstmals 1S-2P-Spektren von Wasserstoff mit einer Linienbreite von nur 120 MHz aufgenommen werden, was nahezu der natürlichen Linienbreite entspricht. Für zukünftige Experimente an Antiwasserstoff ist Strahlung bei Lyman-alpha von zentraler Bedeutung, da sie sowohl zur Spektroskopie als auch zur Laserkühlung benötigt wird.

DNA ist als Trägermolekül der Erbinformation von zentraler biologischer Bedeutung. Die vielfältigen Strukturen, die DNA bildet, werden dabei durch molekulare Erkennungsmechanismen gesteuert, die für jede Sequenz einzigartig sind. So bietet DNA auch die Möglichkeit gezielt und selbstorganisiert Strukturen aufzubauen, die als Grundlage für nanotechnologische Systeme dienen können. Um die Funktion einer Zelle sicher zu stellen treten viele verschiedene Moleküle mit DNA in Wechselwirkung. Dabei wird die DNA kompaktiert, entwunden, aufgetrennt und komplexiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Kraftmessungen an einzelnen DNA-Molekülen durchgeführt. Dabei wurde sowohl das Entfalten (Unzipping), als auch das Überstrecken und kraftinduzierte Schmelzen untersucht. Insbesondere wurden die mechanischen Aspekte der Wirkung DNA-bindender Pharmaka auf molekularer Ebene studiert.

Hochintensitätslaser erzeugen im Fokus Lichtintensitäten, deren Feldstärke die rapide Beschleunigung vieler Elektronen und über die dadurch hervorgerufenen quasistatischen Felder die Beschleunigung von Ionen auslöst. Durch verschiedene Kernreaktionen (z.B. Fusion) dieser Ionen können Neutronen erzeugt werden. Ziel dieser Arbeit war es, einerseits die Neutronenausbeute im Hinblick auf Anwendungen als Neutronenquelle zu optimieren, und andererseits durch Spektroskopie der Neutronen Rückschlüsse auf die Verteilung der laserbeschleunigten Ionen zu ziehen. Diese wiederum können dann zum Verständnis der Beschleunigungsmechanismen und damit zur Optimierung der Ausbeute herangezogen werden. So gelang es im Laufe der Arbeit, die Erzeugung von bis zu 10^7 Neutronen pro Joule Laserenergie und die weitere Skalierbarkeit zu noch größeren Ausbeuten zu demonstrieren, so daß bei weiterer Entwicklung der duchschnittlichen Laserleistung in einigen Jahren mit einer Anwendung als Quelle für z.B. Neutronenradiographieanwendungen gerechnet werden kann. Andererseits gelang es, durch den Vergleich der experimentellen Neutronenspektren mit 3-dimensionalen PIC- und Monte-Carlo-Rechnungen die Beschleunigungsmechanismen in Laserfokus selbst und auf der Rückseite von dünnen Folientargets zu untersuchen und zu verstehen. So konnte erstmals ein direkter Vergleich dieser beiden Mechanismen angestellt werden, was dazu beitragen konnte, die seit längerem geführte Diskussion über die relative Stärke der beiden Mechanismen beizulegen. Schlußendlich war es zur Erzielung einer zur Spektroskopie ausreichenden Neutronenausbeute zunächst nötig, die dritte Verstärkerstufe des ATLAS-Lasers am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Betrieb zu nehmen und mit adaptiver Optik auszurüsten. Dadurch konnte die Neutronenausbeute um zwei Größenordnungen gesteigert werden. Die adaptive Optik ist die erste ihrer Art zur gleichzeitigen Korrektur großer Wellenfrontabweichungen von Nah- und Fernfeld und funktioniert mittlerweile im Routinebetrieb.

In this thesis the acceleration of heavy ions to multi-MeV energies by means of a laser is demonstrated for the first time. Using an ultrahigh-intensity laser, with focal intensities exceeding 5 x 10^19 W/cm^2, the laser-plasma interaction becomes relativistic and a strong electron current is driven in laser direction. These relativistic electrons penetrate the target foil and set up a quasistatic electric field at the target rear surface. This field is of the order of TV/m and accelerated Fluorine ions to energies of 100 MeV, i.e. about 10 % light speed, within 300 fs. While a normal accelerator needs a distance of roughly 100 m to reach these energies, the laser-driven acceleration achieves this in about 10 microns. Within the scope of this work, a technique was developed to select a specific ion species. The energy spectra and charge state distributions of several different species were measured and used to analyze the acceleration mechanism. The measured results were than compared to computer simulations to gain detailed information on the strength and timescale of the accelerating fields.

Aus Messungen waehrend der Kampagne LACE 98 (Lindenberger Aerosol-Charakterisierungs-Experiment, Juli/August 1998) wurden aus einer Vielzahl von Messungen zahlreicher Gruppen, sowohl am Boden wie auch von Flugzeugen aus, verschiedenste relevante Parameter bestimmt. Mittels eines flexiblen und umfassenden Strahlungstransportmodell-Pakets werden die von dem Forschungsflugzeug Falcon des DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Oberpfaffenhofen) aus im solaren und terrestrischen Spektralbereich gemessenen Strahlungsflussdichten mit berechneten Werten verglichen. Mit Hilfe von Strahlungstransportmodellen werden die Tagesgaenge des Strahlungsantriebs fuer fuenf Tage mit unterschiedlicher Aerosolbelastung berechnet und diskutiert. Die Faelle wolkenloser und vollstaendig bedeckter Himmel mit tiefen (Stratus) und hohen (Zirren) Wolken werden diskutiert. In den Berechnungen sowohl fuer die Bewoelkungssituationen keine bzw. homogene, vollstaendige Wolkenbedeckung ist der erhaltene Strahlungsantrieb von troposphaerischem Aerosol deutlich geringer als der von den Treibhausgasen verursachte, und kann sowohl kuehlend als auch erwaermend wirken.