Die Frage nach der Herkunft und der dynamischen Entwicklung langlebiger kosmischer Magnetfelder ist in vielen Details noch unbeantwortet. Es besteht zwar kein Zweifel daran, dass das Magnetfeld der Erde und anderer kosmischer Objekte durch den sogenannten Dynamoeffekt verursacht werden, der genaue Mechanismus als auch die notwendigen Voraussetzungen und Randbedingungen der zugrundeliegenden Strömungen sind aber weitgehend unbekannt. Die für einen Dynamo interessanten Strömungsmuster, die im Inneren von Himmelskörpern durch Konvektion und differentielle Rotation entstehen, sind Konvektionsrollen parallel zur Rotationsachse. Auf einer Strömung mit eben solcher Geometrie, der sogenannten Roberts-Strömung, basieren die in der vorliegenden Arbeit untersuchten Dynamomodelle. Mit Methoden der nichtlinearen Dynamik wird versucht, das Systemverhalten bei Änderung der Systemparamter genauer zu charakterisieren. Die numerischen Untersuchungen beginnen mit einer Analyse der Dynamoaktivität der Roberts-Strömung in Abhängigkeit von den zwei freien Parametern in den Modellgleichungen, der magnetischen Prandtl-Zahl und der Stärke des Energieinputs. Gefunden werden verschiedene Lösungstypen die von einem stationären Magnetfeld über periodische bis zu chaotischen Zuständen reichen. Die yugrundeliegenden Symmetrien werden beschrieben und die Bifurkationen, die zum Wechsel der Lösungstypen führen, charakterisiert. Zusätzlich gibt es Bereiche bei sehr kleinen Prandtl-Zahlen, in denen überhaupt kein Dynamo existiert. Dieses Verhalten wird in der Literatur auch für viele andere numerisch ausgewertete Modelle beschrieben. Im Übergangsbereich zwischen dynamoaktivem und dynamoinaktivem Bereich wird das Auftreten einer sogenannten Blowout-Bifurkation gefunden. Desweiteren beschäftigt sich die Arbeit mit der Frage, inwiefern Helizität, also eine schraubenförmige Bewegung, der Strömung den Dynamoeffekt beeinflusst. Dazu werden ähnliche Strömungstypen verglichen, die sich hauptsächlich in ihrem Helizitätswert unterscheiden. Es wird gefunden, dass ein bestimmter Wert der Helizität nicht unterschritten werden darf, um einen stabilen Roberts-Dynamo zu erhalten. / The question of origin and development of longlasting cosmic magnetic fields is in many details an unanswered question. There is no doubt that the magnetic fields of cosmic objects like the earth, the sun and larger structures are caused by the so called dynamo effect. The exact mechanism as well as the necassary properties and boundary conditions for the underlying flow field are mostly unknown. The flow pattern believed to act as the source of dynamo activity in the inner of cosmic bodies are convection-like rolls parallel to the rotation axis of this objects and are results of the acting body forces due to differential rotation and thermal convection. The basis of the considered dynamo model is a flow field revealing such flow structures, the so called Roberts flow. The numerical investigations start with an analysis of dynamo activity of the Roberts flow in dependence on the two free parameters magnetic Prandtl number and forcing strength. The model shows different types of solutions starting from steady magnetic states in a very small parameter region at larger magnetic Prandtl numbers, time-periodic solutions and chaotic behavior for stronger forcing. For small magnetic Prandtl numbers the system doesn't carry any magnetic field. This 'small Prandtl number problem' is in accordance with the behavior of several other numerically investigated dynamo models described in the literature. The transient region between dynamo activity and the non-magnetic states can be classified by a so-called blowout bifurcation. Furthermore the investigation deals with the question in what way the helical structure of the flow field indicated by a non-vanishing kinetic helicity influences the dynamo process. The comparison of very similar flow families, mainly distinguishable by their different helicity values, leads to the result that beneath a lower bound no stable Roberts dynamo is working.

Das Magnetfeld der Erde wird durch Konvektionsströmungen im elektrisch leitfähigen, flüssigen eisenreichen äußeren Erdkern erzeugt. Eine drastische Ausprägung der dynamischen Prozesse im äußeren Erdkern sind sowohl Polaritätswechsel über geologische Zeiträume, als auch geomagnetische Feldexkursionen (kurze Umpolungen). Letztere sind in geologischen Archiven häufig unzureichend dokumentiert. Für ein verbessertes Verständnis über die Entwicklung des Erdmagnetfeldes in geologischer Vergangenheit benötigen wir Informationen über die Geometrie des gesamten Vektorfeldes, wofür neben der Bestimmung der Feldrichtungen auch die Bestimmung der absoluten Paläointensität und des Alters notwendig ist. Insbesondere Vulkanite bieten die Möglichkeit, Daten über die Richtung und vor allem auch die Intensität des Erdmagnetfeldes zur Zeit ihrer Platznahme zu gewinnen. Bisweilen ist eine genaue Charakterisierung der Entwicklung des Erdmagnetfeldes in Zeit und Raum schwer möglich, was sich in erster Linie auf den generellen Mangel an Paläointensitätsdaten zurückführen lässt. Ein Grund hierfür ist, dass die meisten Methoden zur absoluten Paläointensitätsbestimmung, auf Modifikationen der Thellier Methode basieren, welche nur auf magnetische Minerale im Einbereichs-Domänenzustand anwendbar ist und zudem hohe Ausschussraten liefert. Eine alternative Methode zur Bestimmung der absoluten Paläointensität ist die kürzlich entwickelte „multispecimen parallel differential pTRM“ (MS) Methode, welche im Vergleich zur Thellier Methode den Vorteil hat, dass sie theoretisch unabhängig ist vom Domänenzustand der magnetischen Minerale und somit auf alle Vulkanite anwendbar ist. Ein Schwerpunkt dieser Arbeit lag darauf, neue Informationen über das Auftreten und gegebenfalls die globale Gültigkeit von geomagnetischen Feldexkursionen zu gewinnen. Hierfür wurden etwa 75 Lavaflüsse des Transmexikanischen Vulkangürtels für paläomagnetische Studien beprobt. Eine Korrelation der mittleren Paläorichtungen von 56 mexikanischen Laven mit einer um Feldexkursionen ergänzten geomagnetischen Polaritätszeitskala, lieferte Hinweise auf 4 Exkursionen. Ein bedeutendes Ergebnis dieser Arbeit sind annährend komplett inversen Richtungen zweier Laven der Brunhes Chron. Dies gibt einen Hinweis darauf, dass diese Exkursionen kurze Zeitintervalle inverser Polarität mit globaler Gültigkeit repräsentieren könnten. Ein weiterer Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit war, die neue MS Methode auf ihre Anwendbarkeit und Genauigkeit hin zu testen. Hierfür wurden Paläointensitätsexperimente an 11 historischen Laven aus Mexiko und Island durchgeführt. Ein Vergleich der Paläointensitäten mit Daten von magnetischen Observatorien ergab, dass die MS Methode einen generellen Trend zur Überschätzung der Paläointensität aufweisst, welcher anhand von komplementierenden gesteinsmagnetischen Daten mit magnetischen Mineralen im Mehrbereichsteilchen-Zustand in Verbindung gebracht werden konnte. Diese Beobachtung liefert demnach einen ersten Beweis dafür, dass die MS Methode möglicherweise nicht wie ursprünglich angenommen unabhängig vom Domänenzustand der Trägerminerale ist. Im weiteren wurde eine Komplementierung der Richtungsdaten mexikanischer Laven durch absolute Paläointensitätsbestimmungen angestrebt. Hierfür wurde die MS Methode herangezogen und zum ersten Mal in großem Umfang auf Vulkanite mit Altern von bis zu 3,5 Millionen Jahre angewendet. Ein Vergleich mit Rekonstruktionen des Dipol-Momentes, welche auf den Daten der gegenwärtigen globalen Paläointensitätsdatanbasis basieren, ergaben, dass diese MS Daten mit hoher statistischer Wahrscheinlichkeit im Mittel etwa 30% höher sind. Die generell zu hohen Paläonintensitäten nach der MS Methode bekräftigen daher die Ergebnisse von historischen Laven dieser Arbeit, sowie anderer experimenteller Studien an synthetischen Proben, bei denen Überschätzungen von MS Paläointensitäten von bis zu 30% festgestellt wurden. Der Process, aus dem diese Überschätzung der Paläointensität resultiert ist eine Asymetrie des Entmagnetisierungs- und Remagnetisierungsprozesses heisst, dass ein effektives Entmagnetisieren während der Remagnetisierung im angelegten Laborfeld erfolgt. Diese Asymetrie scheint besonders bei pseudo-Einbereichsteilchen ausgeprägt zu sein. Es wird allerdings davon ausgegangen, dass diese Überschätzung nicht größer ist, als was man bei einem Thellier Experiment an Proben mit ähnlicher magnetischer Korngröße erwarten würde. / The Earth’s magnetic field (EMF) is generated by convections in the electrically conducting liquid iron-rich outer core, modified by the Earth’s rotation. A drastic manifestation of the dynamics of this fluid body is the occurrence of geomagnetic field reversals in the Earth’s history but also geomagnetic excursions, which are more frequent features of otherwise stable polarity chrons, but often poorly constrained in the geological record. To better understand the origin of the field, we need to know how the field has varied on different geological timescales. This includes not only information about changes in the ancient field’s direction but also about the absolute intensity (palaeointensity) and the age. This palaeointensity record is needed for compiling a full-vector description of the field. A palaeomagnetic and palaeointensity study on lava flows allows gaining insights about the evolution of the EMF through time and space. However, constraining the EMF evolution over different geological timescales remains a difficult objective due to the paucity of available palaeointensity data. One new alternative approach in palaeointensity studies is the recently proposed multispecimen parallel differential pTRM (MS) method, which has potentially several advantages over the commonly used Thellier method, because it is in theory independent of magnetic domain state, less prone to biasing effects, such as thermal alteration and significantly faster to perform in the laboratory. A study of highly active volcanic regions, such as the Trans-Mexican Volcanic Belt, seems promising when attempting a full-vector reconstruction or when looking for field excursions. One aim of this thesis was to gain new information about the occurrence and global validity of geomagnetic excursions from the Brunhes- or Matuyama Chron. For this purpose some 75 lava flows from within the Trans-Mexican Volcanic Belt were sampled for palaeomagnetic analyses. The scatter of virtual geomagnetic poles from lavas younger than 1.7 Ma was used for estimating palaeosecular variation and was found to be consistent with latitude dependent Model G and other high quality palaeomagnetic data from Mexico. The palaeomagnetic mean-vectors of 56 lavas were correlated to the Geomagnetic Polarity Timescale supplemented with information on geomagnetic excursions. On the grounds of their associated radioisotopic ages, four lavas were tentatively correlated with known excursions from marine records. Two lava flows dating of Brunhes Chron were associated with the Big Lost and Delts/Stage 17 excursions, respectively. From further two flows dating of Matuyama Chron, one flow was associated with either the Santa Rosa- or Kamikatsura excursions, while the other could have been emplaced during the Gilsa excursion. The most significant outcome was the finding that both Brunhes excursional flows display nearly fully reversed directions that deviate almost 180°C from the expected normal polarity direction. This observation could indicate that in particular the Big Lost and Delta/Stage17 excursions may represent other short periods during which the field completed a full reversal for a short time, such as was previously found for other older cryptochrons or tiny wiggles. Another focus of this thesis was set on estimating the feasibility of the new MS method for routine palaeointensity determination. This was accomplished by applying the MS method to samples from 11 historical lava flows from Mexico and Iceland from which the actual field intensity was either known from contemporary observatory data, or deduced from magnetic field models. Comparing observed with expected intensity values allowed to test the accuracy of the MS method. It a was found that the majority of palaeointensity estimates after the MS method yielded results that were very close or indistinguishable within the range of uncertainty from the expected values. However, a general trend towards an overestimate in the palaeointensity was also observed, which, on the grounds of corroborating rock magnetic analyses, was associated with multidomain material. This observation was taken as first evidence that the MS method is not entirely independent of magnetic domain state, as was originally claimed. However, a second experiment in which a modification of the most widely used Thellier method was applied to sister samples from 5 Icelandic flows revealed that, in comparison to the MS method, the latter produced more accurate and statistically better defined palaeointensities. Thus, from these first results, the MS method appeared as a viable alternative for future palaeointensity studies. Subsequently it was attempted to corroborate the directional record from Mexican lavas with palaeointensity data. It was possible to acquire palaeointensity estimates for 32 out of 51 investigated lava flows. These new results revealed that the new MS palaeointensities for Mexico are, with a high degree of statistical significance, around 30% higher than expected. The generally high palaeointensities seem to corroborate the results obtained from historical lava flows in this study and other previous studies on synthetic samples where domain state effects were found to cause overestimates in the palaeointensity of up to 30 per cent in the MS method. The primary process that leads to this overestimate is assigned to an asymmetry in the demagnetisation and remagnetisation process. Yet, this overestimate is expected to be no larger than what might be expected from Thellier experiments performed on samples with a given degree of multidomain behaviour.

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The Qweak experiment at Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) will measure the proton's weak charge by measuring the parity violating asymmetry in elastic electron-proton scattering at very low momentum transfer, with the aim of determining the proton's weak charge with 4% combined statistical and systematic errors. The experimental apparatus includes a longitudinally polarized electron beam, a liquid hydrogen target, a room temperature toroidal magnetic spectrometer, and a set of precision detectors for the scattered electrons. The toroidal magnetic spectrometer, which will deflect away the inelastic scattered electrons and focus the elastic scattered electrons onto the detectors, plays a crucially important role in the experiment. In this thesis, in order to meet the requirements for the installation and calibration of the toroidal magnetic spectrometer, the numerical simulation of the spectrometer's magnetic field based on a realistic magnet model is discussed, a precise 3D field mapping is introduced, and some simulation results are provided. The zero-crossing analysis technique, which can be used to precisely infer the individual coil locations of the toroidal magnet, is presented and explored in detail. / October 2007

ABB:s MACH2 system uses a number of currents to ignite thyristors for AC/DC-trassfformation and they are measured for control and protection. The measurement methods used today has major drawbacks. Two alternative techniques are investigated, one based on the Hall-Effect (HED) and the other based on Anisotropic Magnetoreistanse (AMR), both techniques sensing the magnetic field produced by currents in a conductor. The HED hawe low sensitivity so some kind of flux concentrators is needed. This adds volume, costs and complexity to the device. The AMR technique is much more sensitive than the HED. Unfortunately AMR are also much more sensitive for high over currents that may damage the devise, and they are not as common on te market. By testing linearity, step response and frequency dependency for some components, my conclusion is that HED components with toroidal flux concentrators utilizing magnetic feedback (Closed Loop, CL) may be used in this particular application. A drawback with CL are that they, when measuring sharp edged step signals, suffer from overshoots at the output that might activate the over current protection.

In this study, analysis of Magnetic Resonance Imaging (MRI) in inhomogeneous main magnetic field is conducted. A numerical model based on Bloch equation is implemented for MRI, to understand effect of inhomogeneous magnetic field to Magnetic Resonance (MR) signal. Using the model, relations between inhomogeneity levels in main magnetic field with energy, decay time, bandwidth of the FID signal is investigated. Also relation between the magnetic field inhomogeneity and field of view is determined. To simulate measurement noise in the FID signal under inhomogeneous main magnetic field, noise model for MRI with homogeneous main field is altered. Following the numerical model development an image reconstruction algorithm for inhomogeneous main magnetic field is developed to remove undesirable effect of field inhomogeneity in image reconstruction. To evaluate capability of the reconstruction algorithm, the algorithm is tested for several input parameters which results in different noise levels in the FID signal. Then reconstruction errors are analysed to gain information about feasibility of MRI in inhomogeneous main magnetic field.

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<p>For some cases of lattice layout in particle accelerators, the major part of the energy deposition coming from the collision is located in the midplane of the magnets. The heat produced might result in a quench in superconducting magnets. One solution for reducing the energy deposition in the coil is to introduce an opening in the midplane, which will lead away most of the particles to a safe zone instead of hitting the superconductors in the magnets.</p><p>The aim of this work is to optimize the field quality in dipoles based on the cosθ-design, where an opening in the midplane has been inserted. The equations for finding the solutions for the coil layout for different sizes of the opening are studied, and the solution giving the best field quality for each case is presented. Then, optimization procedures are applied to lay-outs with Rutherford cables. Finally, the resulting field strength from the solutions obtained is presented.</p>