Die Dissertation beschreibt die Entwicklung eines Triggers fuer den Backward Silicon Tracker (BST). Der Detektor wurde im Jahre 2001 installiert und nach der Modifizierung von HERA zur Erreichung hoeherer Luminositaet in Betrieb genommen. Der Backward Silicon Tracker des H1-Experiments wird in Verbindung mit einem Blei-Scintillationsfaser Kalorimeter zur detaillierten Untersuchung der inklusiven tief inelastischen Streuung von Leptonen an Protonen, und der Charm-Erzeugung bei kleinen Werte der Bjorken Variable x eingesetzt. Die guten Eigenschaften von Festkoerper-Halbleitern, geringes elektronisches Rauschen und schnelle Signalantworten, wurden bei der Entwicklung des Silizium Pad-Detektors zum Nachweis von Spuren in der Rueckwaertsregion des H1-Experiments in der ersten Stufe des Triggersystems ausgenutzt. Der neue Triggerdetektor des BST, der Pad-Detektor und die dafuer entwickelte Ausleseelektronik wie auch die implementierte Logik werden beschrieben. Resultate von Teststrahlmessungen und von ersten Messungen unter Luminositaetsbedingungen an HERA-II werden dargestellt. / The Backward Silicon Tracker of the H1 experiment is being used in conjunction with a lead-fiber Calorimeter for detailed investigations of inclusive deeply inelastic scattering of leptons from protons, and of charm production at small values of the Bjorken variable x. In this thesis the development of a trigger for the Backward Silicon Tracker is described. The detector was installed in 2001 and started to operate in H1 after the HERA upgrade. Exploiting the low noise performance and fast time response of solid state semiconductors, a silicon pad detector telescope was developed for the first level trigger on tracks scattered in the backward region of the H1 detector. The design of the new trigger part of the BST consisting of silicon pad detectors and dedicated fast readout circuitry is described. Results of beam tests and first luminosity data are presented.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem HERA-B-Experiment zur CP-Verletzung bei DESY in Hamburg und beschreibt die Rekonstruktion des für HERA-B wichtigen Zerfalls J/psi->e^+e^- und dem darauf aufbauenden Ausblick auf Lebensdauermessungen von Teilchen mit schweren Quarks. Zunächst wurde zur Frühjahr-1999-Datennahme mit ausgeschaltetem Magneten die relative Ausrichtung zwischen dem Vertexdetektor und dem elektromagnetischen Kalorimeter untersucht. Daraufhin konnten die Vierervektoren Elektronspuren gemessen werden. Die energieabhängige Ortsauflösung des Kalorimeters wurde bestimmt. Die späteren Datennahmen mit eingeschaltetem Magneten im Herbst 1999 erlaubten eine Impulsmessung aller geladenen Teilchen. Die höhere geometrische Akzeptanz des weiter ausgebauten Detektors und der erweiterte Trigger erlaubte eine reguläre Beobachtung des J/psi-Signals. Die Breite des Signals konnte durch die in den Frühjahr-Daten gefundene Ortsauflösung des Kalorimeters erklärt werden. Die rekonstruierten J/psi-Mesonen wurden verwendet, um die Ortsauflösung der Vertizes zu untersuchen. Für Detektorkonfiguration im Herbst 1999 wurde ein Fehler des J/psi-Vertex in z-Richtung von sigma_z=1.29mm gefunden. Die Primärvertizes konnten bei Benutzung der Targetposition mit einer Unsicherheit von sigma_z=57mu m rekonstriert werden. Der HERA-B-J/psi-Trigger wird die vollständige Rekonstruktion von bisher wenig bekannten b-Baryonen ermöglichen. Vor allem interessant sind das Xi_b^- und das Sigma_b^0. Es besteht die Möglichkeit, dass ihre Lebensdauer mit den Daten eines HERA-B-Jahres mit der Genauigkeit von sigma_tau=0.1ps gemessen werden kann. / This thesis has been done at the HERA-B experiment for CP violation at DESY in Hamburg and describes the reconstruction of the for HERA-B important decay J/psi->e^+e^- and gives an outlook on possible lifetime measurements of particles with heavy quarks. In the spring 1999 runs a relative alignment between vertex detector and electromagnetic calorimeter was performed with the HERA-B magnet switched off. The four-vectors of electron tracks could be calculated and the energy-dependent spatial resolution of the calorimeter was measured. The fall 1999 runs with magnet switched on allowed a momentum measurement of charged particles. The increased geometrical acceptance and the extended trigger lead to the regular observation of the J/psi signal. Its width could be described by the spatial resolution of the calorimeter measured in the spring runs. The reconstructed J/psi mesons were used to analyze the vertex resolution. In the 1999 detector setup the J/psi vertex resolution in z was sigma_z=1.29mm. Using the target constraints the primary vertex resolution was sigma_z=57mu m. The HERA-B J/psi trigger will make the exclusive reconstruction of so far not well known b charged baryons possible. Especially the Xi_b^- and the Sigma_b^0 are interesting. One year of HERA-B data taking can permit their lifetime measurement with an accuracy of sigma_tau=0.1ps.

Diese Arbeit enthält die Ergebnisse der Suche nach Neutrino-induzierten kaskadenartigen Ereignissen mit dem AMANDA-II Detektor. Die Signatur von Elektron- und Tauonneutrinowechselwirkungen sind elektromagnetische sowie hadronische Teilchenschauer, sogenannte Kaskaden. Zusätzlich können Neutrinos aller Arten, die über neutrale Ströme wechselwirken, durch hadronische Kaskaden nachgewiesen werden. Es wurden Methoden zur Orts- und Energierekonstruktion von Kaskadenereignissen verbessert sowie neuentwickelt. Sowohl Orts- und Energieauflösung konnten mit Hilfe von künstlichen Lichtquellen verifiziert werden. Ausserdem wurde ein Neutrinogenerator entwickelt, der es erlaubt bis zu den höchsten Energien Neutrino-induzierte Ereignisse zu simulieren. Ein Filter zur Trennung Neutrino-induzierter Kaskaden vom Untergrund atmo- sphärischer Myonereignisse wurde entwickelt. Der erste Datensatz des AMANDA-II Detektors aus dem Jahr 2000 wurde auf die Sig- natur von hochenergetischen Neutrino-induzierten Kaskaden untersucht. Ein einzelnes Ereignis passierte alle Selektionsschnitte. Diese Beobachtung ist mit der erwarteten Anzahl Ereignisse durch atmosphärische Neutrinos und Myonen verträglich. Es wurden obere Grenzen auf den zusätzlichen Beitrag astrophysikalischer Neutrinos bestimmt. Unter der Annahme eines Neutrinoflußes phi(E), welcher proportional zu E^-2 ist, kann eine obere Grenze von E^2 phi(E)=9 10^-7 GeV s^-1 sr^-1 cm^-2 auf den Fluss von Neutrinos aller Arten angegeben werden (90% CL). Die obere Grenze stellt zur Zeit die restriktivste Einschränkung des Neutrinoflußes in einem Energiebereich von circa 50 TeV bis 5 PeV dar. Einige der untersuchten Modellvorhersagen sind nicht mit der Beobachtung verträglich und können somit ausgeschlossen werden. / The subject of this dissertation was the search for a diffuse flux of high energy neutrinos using the data collected with the AMANDA-II detector. In particular this work focused on the detection of neutrino-induced cascades. The signature of a charged current interaction of electron and tau neutrinos is a hadronic and/or electro-magnetic cascade. Additional cascade events from all neutrino flavors are obtained from neutral current interactions. Methods for reconstructing cascades were further improved or newly developed. Where possible, the performance of the reconstruction was tested with in-situ light sources. A Monte Carlo generator was developed, which allows state-of-the-art simulation of all-flavor neutrino events. A dedicated filter was designed which aimed at reducing the large background of atmospheric muons, while keeping a high efficiency for neutrino-induced cascades. The first year of data collected with the AMANDA-II detector has been analyzed. The observed event rates are consistent with the expected rate of neutrinos and muons produce by cosmic ray interaction in the Earth atmosphere. Upper limits on a diffuse flux of extraterrestrial electron, tau and muon neutrinos are presented. A flux of neutrinos following an E^-2 spectrum and consisting of an equal mix of all flavors is limited to E^2 phi(E) < 9 10^-7 GeV s^-1 sr^-1 cm^-2 (at 90 % CL) for a neutrino energy range 50 TeV to 5 PeV. In this energy range the limits are currently the most stringent available and rule out several existing flux predictions for extraterrestrial neutrinos.

Im Kapitel 2 geben wir einen Überblick über alle Evolutionären Algorithmen mit der oben beschriebenen Reproduktion und Selektion. Als Mutation haben wir einen Diffusionsprozeß angenommen. Im eigentlichen Sinne zählt die zuerst behandelte Boltzmann-Strategie nicht zu den Evolutionären Strategien, da es im engerem Sinne keine Reproduktion und Selektion gibt. Aufgrund der ähnlichen Struktur der dynamischen Gleichungen wird sie aber im erweiterten Sinne mit dazugezählt. Danach führen wir die Darwin-Strategie ein, welche ein klassisches Beispiel für eine evolutionäre Strategie ist. Eine Analyse dieser beiden Strategien hat ein gegenläufiges Verhalten beim Überwinden einer Barriere ergeben. Da dieser Fall eine Standardsituation auf Fitnesslandschaften ist, führen wir eine Mischung der Darwin- und Boltzmann-Strategie ein. Dabei entsteht die Gemischte Strategie, die sich schon in vielen Computerexperimenten bewährt hat. In den nächsten beiden Abschnitten behandeln wir die Frage nach einer Anpassung der Mutationsstärke (äquivalent mit der Schrittweite) und leiten erstmalig die Gleichung für die Veränderung der Schrittweite bei einer Darwin-Strategie her. Die Grundidee für diese adaptive Darwin-Strategiestammt von Schwefel, der sie in der Folgezeit ausgiebig untersucht hat. Ein ähnliches Problem tritt auch bei der Boltzmann-Strategie auf, die als freien Parameter für die Schrittweite eine reziproke Temperatur besitzt. Eine "Abkühlung" führt zu einem Hängenbleiben der Strategie in den lokalen Minima. Dabei setzen wir voraus, daß die Abkühlung so langsam vor sich geht, daß dabei das globale Minimum gefunden wird. Diese Strategie wird als "simulated annealing" bezeichnet. Wie wir uns denken, ist die Wahl der Abkühlung das eigentliche Problem. Rose fand einen evolutionären Ausweg aus diesem Dilemma, indem er jedem Individuum der Gemischten Strategie eine Temperatur gab, die auch der Selektion ausgesetzt wurde. Dadurch konnte die Strategie ihre Abkühlungskurve selbst finden. Im letzten Abschnitt dieses Kapitels gehen wir noch der Frage nach einer einheitlichen Darstellung der dynamischen Gleichung nach. Dabei ergibt sich eineverallgemeinerte Wärmeleitungsgleichung, die auf einem metrischen Raum definiert ist. Die Wahl der Metrik und Koeffizienten listen wir für alle Strategien auf. Die Bedeutung dieses Ergebnisses liegt in der späteren Klassi kation begründet. Den größten Teil der Arbeit bildet das Kapitel 3, welches sich mit dem Vergleich der Strategien beschäftigt. Dazu führen wir verschiedene Maße zur Messung von Geschwindigkeiten der Strategien ein. Diese Maße bestehen vorrangig aus Kombinationen der Erwartungswerte von Polynomen der Fitnessfunktion sowie deren zeitliche Ableitungen. Wir behandeln und berechnen diese Größen anhand von zwei Beispielen: der Parabel und des Doppeltopfes. Beide Fälle stellen zugleich dieeinfachsten Probleme für eine Optimierung dar. Für die Parabel ist es wichtig, daß wir die Geschwindigkeit der Strategie messen. Die einfachste Größe, die dies beschreibt, ist die zeitliche Änderung des Erwartungswerts der Fitness. Sie ist die Geschwindigkeit der Strategie auf der Fitnesslandschaft. Als weitere interessante Größe betrachten wir die Varianz der Verteilungsfunktion der Individuen auf der Fitnesslandschaft. Sie gibt Auskunft über die Variabilität der Individuen bezüglich der Fitness. Diese beiden Größen werden im Fall der Parabel für die Boltzmann- und Darwin-Strategie explizit berechnet. Dabei ergeben sich ähnliche Ergebnisse, die für diesen Fall nicht erstaunlich sind, da die Strategie immer dem Gradienten der Fitnessfunktion folgen. Das zweite Beispiel ist der Doppeltopf. Hierbei interessiert uns vor allem die Wahrscheinlichkeit, daß die Strategie von einem Topf in den anderen wechselt. Dazu starten wir im lokalen Minimum und versuchen in das globalen Minimum zu gelangen. Die Wahrscheinlichkeit dafür ist durch das Integral über die Wahrscheinlichkeitsverteilung 1 gegeben. Deren zeitliche Ableitung läßt sich als Strom von Suchern durch die Barriere interpretieren. Eine Untersuchung dieser Größen für die Boltzmann-und Darwin-Strategie erbringt das Ergebnis, daß die Boltzmann-Strategie auf achen Fitnessland-schaften schneller als die Darwin-Strategie ist. Andererseits ist die Darwin-Strategie auf stark zerklüfteten Landschaften schneller als die Boltzmann-Strategie. Das gegenläuge Verhalten beider Strategien beim Problem des Doppeltopfes legt die Idee der Mischung der Strategien nahe. Nun fragen wir uns natürlich, ob eine Mischung wirklich den gewünschten Erfolg zeigt. Im nächsten Abschnitt wird daher erneut der Doppeltopf behandelt. Dabei zeigen wir, daß die gemischte Strategie für fast alle Parametersätze das globale Minimum findet. Desweiteren werden Kriterien für die Wahl des Mischungsparameters angegeben. Im letzten Abschnitt dieses Kapitels beschreiben wir die Simulationsalgorithmen der Boltzmann- und Darwin-Strategie. Im Kapitel 4 beschäftigen wir uns mit den mathematischen Eigenschaften von Schrödinger-Operatoren. Dabei steht der Zugang über das Spektrum zusammen mit den Eigenschaften des sogenannten Wärmeleitungskerns am Anfang im Mittelpunkt des Interesses. Wir zeigen, daß die Geschwindigkeit der Strategie mit solchen Eigenschaften wie Spektraldichte im Zusammenhang steht. Andererseits ist das Spektrum auch in der Quantenmechanik anwendbar. Durch die Bestimmung der Änderung der Autokorrelationsfunktion in Bezug auf die Erwartungswerte der Fitness wird über eine Hierarchie das gesamte Spektrum aufgebaut. Eine Diskussion des Einflusses einer Deformation der Fitnessfunktion auf das Spektrum rundet diesen ersten Abschnitt ab. Gerade die Diskussion dieser Beziehung zu den Korrelationen sowie die Diskussion der Deformation der Fitnessfunktion sind neu. Der Hauptteil des Kapitels ist der Klassifikation von Schrödinger-Operatoren durch die Untersuchung der topologischen Eigenschaften des Lösungsraums gewidmet. Zuerst führen wir das Problem auf ein algebraisches Problem zurück, was gleichzeitig eine Vereinfachung der ursprünglichen Fragestellung bedeutet. Eine Charakterisierung der Äquivalenzklassen ist mit Hilfe der Singularitätstheorie möglich. Dabei treten als kleinste Einheiten der Fitnesslandschaft 6 Singularitäten auf, d.h. falls zwei Fitnesslandschaften die gleiche Zerlegung der Landschaft bezüglich der Singularitäten besitzen, so verhalten sich die Strategien ebenfalls gleich. Damit ist ein Zusammenhang zwischen der Struktur der Fitnesslandschaft und dem Verhalten der Strategien gefunden. Als weitere Anwendung dieses Ergebnisses erhalten wir eine Charakterisierung des Grundzustandes von Schrödinger-Operatoren. Aufbauend auf den mathematischen Ergebnissen des letzten Kapitels wird in Kapitel 5 die Klassifikation der Strategien durchgeführt. Dabei erhalten wir das wichtige Resultat, daß zwei Fitnesslandschaften, die lokal aus den gleichen Singularitäten (siehe Tabelle 4.5) bestehen dasselbe Verhalten der Evolutionären Strategie implizieren. Dieses Ergebnis wurde zuerst nur für die Darwin-Strategie erhalten, um es dann auch auf die anderen behandelten Strategien auszudehnen. Im letzten Kapitel der Arbeit wird noch der Frage nach derVeränderung der Mutationsverteilung nachgegangen. Bisher haben wir dafür eine Diffusionsnäherung benutzt, die aber im allgemeinen in Computerexperimenten nicht verwendet wird. Lassen wir diese Einschränkung fallen, so wechselt die Beschreibungsweise von partiellen Differentialgleichungen zu Integro-Differentialgleichungen. Eine Angabe der Lösung ist über die Methode des iterierten Kerns möglich. Am Beispiel der Gauß- bzw. Cauchy-Verteilung werden die Standardprobleme Parabel und Doppeltopf studiert. Die Ergebnisse erbrachten für die Gauß-Verteilung ein ähnliches Ergebnis wie für die Diffusionsnäherung. Dagegen sind die Eigenschaften der Lösung für die Cauchy-Verteilung im Falle des Doppeltopfes von denen der Gauß-Verteilung verschieden. Eine Darstellung der einheitlichen Beschreibung dieser Strategien sowie ein Ansatz zur Klassifikation beenden das letzte Kapitel. Am Schluß der Arbeit befinden sich 4 Anhänge, welche die umfangreichen Rechnungen und Formeln enthalten. Im Anhang A berechnen wir eine wichtige Invariante von Fitnesslandschaften, die über den Einfluß von Zwangsbedingungen auf die Optimierung die Aussagen treffen. Danach analysieren wir im Anhang B die Gegenwertprobleme der Boltzmann- und Darwin-Strategie, um eine alternative Möglichkeit zu den Berechnungen des Kapitels 3 zu erhalten. Der Anhang C ist der vollständigen Berechnung des Stromes für den Fall eines stückweise quadratischen Doppeltopfes gewidmet. Im Anhang D schließlich ist eine Zusammenstellung der Formeln für die Gemischte Strategie am Beispiel der Parabel und des Doppeltopfs zu finden.

Photolumineszenz-Techniken spielen eine wichtige Rolle bei der Charakterisierung verschiedener funktionaler Fluorophore in den Lebens- und Materialwissenschaften, in der Biologie und bis hin zu den Quantentechnologien. Ein entscheidender und wichtiger Parameter für den Vergleich von Fluorophoren ist die Quanteneffizienz, die ein direktes Maß für die Umwandlungseffizienz von absorbierten Photonen in emittierte Photonen darstellt. Diese Größe charakterisiert die Nutzbarkeit von Emittern für Anwendungen in optischen Geräten, Einzelphotonenquellen und im biomedizinischen Bereich. Mehrere Techniken wie optische und photothermische Methoden werden verwendet, um die photolumineszente Quanteneffizienz zu messen, und so die Eignung von Fluorophoren für verschiedene Anwendungen zu bewerten. Quanteneffizienz-Messungen können jedoch eine Herausforderung für hochverdünnte Fluorophore sein, die in dünne Schichten eingebettet sind. Die in dieser Arbeit beschriebene Forschung überwindet die Herausforderungen der Quanteneffizienzmessung durch eine Modifikation der Wechselwirkung zwischen Licht und Umgebung. / Photoluminescence techniques play an important role for characterization of various functional fluorophores in the life and material sciences from biology to quantum technologies. A crucial and key parameter for comparing the performance of fluorophores is the photoluminescence quantum efficiency or quantum yield, which presents a direct measure of conversion efficiency of absorbed photons into emitted photons. This quantity characterizes the performance of emitters for applications in optical devices as single photon sources and in the biomedical sector. Several techniques such as optical and photothermal methods are used to measure the photoluminescence quantum efficiency of emitters in various environments and aggregation states. Quantum efficiency measurements can be challenging for fluorophores in solid matrix, in scattering systems and for highly diluted fluorophores embedded to thin films. The research described in this thesis overcomes these challenges by performing quantum efficiency measurement via modifying the spontaneous emission as a fundamental process of light-matter interaction.

Existierende Neutrinoteleskope sind für den Nachweis von Neutrinos aus astrophysikalischen Quellen mit Energien im TeV Bereich optimiert. Aufgrund der geringen Flüsse und Wirkungsquerschnitte wurden bislang keine extraterrestrischen hochenergetischen Neutrinos beobachtet. Erst die im Bau befindlichen kubikkilometer-großen Cherenkov-Neutrinodetektoren werden das notwendige Volumen haben, um diese nachzuweisen. Für Neutrinos aus Wechselwirkungen der kosmischen Strahlung im EeV-Bereich mit dem kosmischen Mikrowellenhintergrund wird dennoch nicht mehr als ein Ereignis im Jahr erwartet. Nachweisvolumen in der Größenordnung von 100 km^3 sind notwendig, um den Fluß dieser Neutrinos zu bestimmen und die vorhergesagten Wirkungsquerschnitte zu überprüfen. Alternative Meßtechniken sind erforderlich, um einen Detektor dieses Ausmaßes zu realisieren. Eine vielversprechende Idee ist die Erfassung akustischer Wellen aus den in der Neutrinowechselwirkung erzeugten hadronischen Kaskaden. Aufgrund der höheren Signalstärke und der großen Schalldämpfungslängen ist die Eisdecke des Südpols dem Wasser der Ozeane als Medium vorzuziehen. Zunächst sind jedoch geeignete Sensoren, eine Überprüfung der thermo-akustischen Schallerzeugung und Kenntnisse der akustischen Eigenschaften des Eises von Nöten. In einer theoretischen Ableitung konnte die Äquivalenz der Mechanismen der Erzeugung akustischer Wellen durch thermo-elastische Anregung in Flüßigkeiten und isotropen Festkörpern gezeigt werden. Einer Analyse des existierenden Wissensstandes folgte die Simulation eines kombinierten Cherenkov-Radiowellen-Ultraschall-Detektors. Für den Einsatz im Eis wurden spezielle akustische Sensoren entwickelt und zur Erfassung der Schallemission von intensiven Protonen- und Laserstrahlen eingesetzt. Darauf aufbauend wurde ein akustische Sender- und Empfänger-Aufbau entwickelt, mit dem Ziel, die Ultraschalleigenschaften des südpolaren Eises in-situ zu untersuchen. Die Ergebnisse dieser ersten Bemühungen werden in dieser Arbeit vorgestellt. / Current neutrino telescopes are designed to detect neutrinos with energies in the TeV range. Due to the low fluxes and small cross sections, no high energy neutrinos of extraterrestrial origin have been observed so far. Only the Cherenkov neutrino detectors on the km^3 scale that are currently under construction will have the necessary volume to observe these rare interactions. Yet, for neutrinos from interactions of the ultra-high energy cosmic at EeV energies rays with the ambient cosmic microwave background, event rates of only one per year are expected. To measure the flux and verify the predicted cross sections of these cosmogenic neutrinos, an observed volume of around 100 km^3 will be necessary, that will not be feasible with existing detection techniques. Alternative methods are required to build a detector on these scales. One promising idea is to record the acoustic waves generated in cascades following the neutrino interaction. Higher amplitudes of the sonic signal and the large absorption length of sound favour South Polar ice instead of sea water as a medium. For an estimate of the potential of such a detector, suitable acoustic sensors, a verification of the model of thermo-acoustic sound generation and a determination of the acoustic properties of the ice are necessary. In a theoretical derivation the mechanism of thermo-elastic excitation of acoustic waves was shown to be equivalent for isotropic solids and liquids. A detailed analysis of the existing knowledge and a simulation study of a hybrid optical-radio-acoustic detector have been performed. Ultrasonic sensors dedicated to in-ice application were developed and have been used to record acoustic signals from intense proton and laser beams. Based on this, the hitherto largest array of acoustic sensors and transmitters was devised and implemented, with the aim to study the ultrasonic properties of the South Polar ice in-situ. Results from all of these first efforts are presented.

Isotopenangereicherte hochreine Germanium (HPGe) Strahlungsdetektorkristalle mit herausragender chemischen Reinheit und kristalliner Perfektion spielen eine Schlüsselrolle zur Beantwortung fundamentaler Fragen bezüglich Neutrinos und Dunkler Materie. Diese Dissertation untersucht die einhergehende Materialaufbereitung von Germanium angereichert an 76Ge, Kristallzüchtung, sowie die notwendige Charakterisierung und Beschreibung von Defekten. In dieser Arbeit wird ein Wasserstoff-Reduktionsprozess eingesetzt um 50 kg an angereicherten GeO2 zu halbleitenden Ge zu reduzieren, was anschließend mittels Zonenreinigung auf intrinsische Reinheit gebracht wurde. Die Prozesse wurden hinsichtlich einer minimalen Exposition durch kosmische Strahlung und einer maximaler Ausbeute optimiert. Zudem wurde eine Zonenreinigungstechnologie für HPGe in Quarzglasbooten zur Erreichung der angestrebten Netto-Ladungsträgerdichte von 10^10 cm^-3 entwickelt. [0 0 1] HPGe Einkristalle mit niedriger Defektdichte wurden mittels des Czochralski-Verfahrens gezüchtet. Ein dynamischer Beugungseffekt zeigte die Existenz von Leerstellencluster in versetzungsfreien Ge mit einem Durchmesser von 100 nm und einer Dichte von 10^5 cm^-3 auf, was mit einem Abfall der Ladungsträgerlebensdauer von über 400 auf 83 µs verbunden war. Des Weiteren wurde Versetzungslinien und –typ Selektion in [2 1 1] und [1 1 0] Ge Kristallen durch Weißstrahltopografie und einer damit einhergehenden umfangreichen Burgersvektor-Analyse nachgewiesen. Die hohen Lebensdauern weisen auf eine verbesserte zukünftige Detektorkristalltechnologie hin. Letztendlich wurde die aus der Kristallzüchtung resultierende Versetzungsmultiplikation durch Diskrete Versetzungsdynamik unter Verwendung und Modifizierung des Open-Source Codes ParaDiS beschrieben. Exponentielle Versetzungsmultiplikation wurde beobachtet, mit einer linearen Proportionalität der mittleren Versetzungsgeschwindigkeit und des Multiplikationsparameters zur effektiven Schubspannung. / Isotopically enriched high-purity germanium (HPGe) radiation detector crystals with outstanding crystalline perfection play a key role in answering fundamental questions concerning neutrinos and dark matter. This thesis investigates the related material processing of germanium isotopically enriched in 76Ge, crystal growth, and the necessary defect characterization and description. In this work, a hydrogen reduction process was employed to reduce around 50 kg of enriched GeO2 to semiconducting Ge, which was subsequently purified by zone-refining to intrinsic purity. The processes were optimized towards a minimal exposure to cosmic radiation and a maximal yield. Furthermore, HPGe zone-refining technology in fused silica boats has been developed to reach the target net charge carrier density of 10^10 cm^-3. [0 0 1] HPGe single crystals with low defect density were grown by the Czochralski method. A dynamical X-ray diffraction effect revealed the presence of voids in dislocation-free Ge with a diameter of 100 nm and a density of 10^5 cm^-3, which was accompanied by a decrease in charge carrier lifetime from above 400 to 83 µs. Additionally, dislocation line and type selection were demonstrated in [2 1 1] and [1 1 0] Ge crystals by white beam X-ray topography accompanied by an extensive Burgers vector analysis. The high lifetimes suggest an improved future detector crystal technology. Finally, the dislocation multiplication during crystal growth could be described by discrete dislocation dynamics, utilizing and modifying the open-source code ParaDiS. Exponential dislocation multiplication was observed with an average dislocation velocity and multiplication parameter linearly proportional to the effective shear stress.

In dieser Arbeit wurde die Bildung nichtoxidischer Sauerstoffphasen an der Ru(0001)-Oberfläche untersucht. Glatte und defektreiche Oberflächen wurden einem hohen Sauerstoffdruck (bis 1bar) bei moderaten Temperaturen ( / The aim of the thesis presented here was the investigation of the formation of non oxidic oxygen phases on the Ru(0001) surface. Smooth and defect rich surfaces were exposed to high oxygen pressures (up to 1bar) at moderate temperatures (

Nach jahrelanger Suche hat sich bis heute Stringtheorie als einziger Kandidat einer konsistenten Quantentheorie der Gravitation herauskristallisiert. Um aus der Stringtheorie präzise Vorhersagen für unsere Niederenergiewelt zu gewinnen, ist es notwendig, das Vakuumproblem zu lösen, das heißt einen Mechanismus zu finden, der aufzeigt, in welchem Stringvakuum wir leben und warum die Natur dieses ausgewählt hat. Die Beantwortung dieser Frage benötigt nicht-perturbative Informationen.Diese wurden erst in jüngster Zeit zugänglich. Eine besondere Rolle in dieser Entwicklung spielten die sogenannten D-branes. Sie stellen mögliche nicht-perturbative Beiträge zu Stringamplituden dar. Die Identifizierung, daß D-branes einfach Objekte sind, auf denen Strings enden können, ermöglicht sie zu handhaben und zu zeigen, daß ihre Dynamik im wesentlichen durch Eichtheorien erfaßt wird. D-branes erlaubten, zahlreiche Dualit\ätssymmetrien zu etablieren, deren Haupta ussage zu sein scheint, daß alle 5 Stringtheorien sowie 11d Supergravitation nur verschiedene perturbative Limites einer fundamentalen 11d Theorie sind, T-Theorie. In dieser Arbeit habe ich mich mit einigen Anwendungen dieser Ideen beschäftigt. Die Tatsache, daß D-branes durch Super Yang-Mills Theorien beschrieben werden, erlaubt uns einen Stringhintergrund derart zu präparieren, daß wir nahezu jede Eichtheorie als relevante Niederenergiebeschreibung erhalten können. Eine besonders verbreitete Variante dieser Idee sind die sogenannten ``Hanany Witten setups'', in denen dieser Stringhintergrund nur aus flachen branes im flachen Raum besteht. Mit Hilfe dieser Technik habe ich verschiedene Dualitätssymmetrien in Feldtheorien auf Stringdualitäten zurückgeführt. Ferner ist es möglich, mit Hilfe der branes die Existenz nicht trivialer Fixpunkt Theorien in sechs Dimensionen zu beweisen und einige ihrer Eigenschaften zu analysieren. Einige dieser Fixpunkte beschreiben Phasenübergänge zwischen verschiedenen brane Hintergründen. Unter anderem läßt es sich auf diese Weise zeigen, daß es in 4 Dimensionen Übergänge zwischen chiralen und nicht chiralen Vacua gibt. Ferner wurde gezeigt, daß alle anderen Zugänge zu dem Problem, Eichtheorien in Stringtheorie einzubetten, im wesentlichen äquivalent zum HW Ansatz sind, in dem Sinn, daß die entsprechenden Stringhintergründe dual zueinander sind. Dadurch können neue Aspekte der String T-Dualität verstanden werden, so wie z.B. T-Dualitäat für brane Segmente und gebogene branes.Außerdem erlaubt uns diese Verbindung, die Phasenübergänge, die wir im HW Bild entdeckt haben, tatsächlich als Übergänge zwischen topologisch verschiedenen Stringkompaktifizierungen zu verst ehen. / In this thesis I discussed several applications of the connection of non-perturbative string theory and SYM theory. In Chapter 1 I reviewed the physics of D-branes as one example of a non-perturbative effect in string theory. Their dynamics is dominated by gauge theory. This fact can be used to engineer certain string backgrounds which yield interacting SYM theories as their low-energy description. In Chapter 2 I then introduced one of the approaches in detail, the HW setup. I gave a summary of the identification of the classical gauge theory, showed how quantum effects manifest themselves in the brane picture and how to solve them. This way of embedding gauge theories into string theories has several interesting applications. These were the topic of Chapter 3. First I discussed dualities in field theory and showed how they arise as a natural consequence of string duality. As a second application I used branes to prove the existence of non-trivial fixed point theories in 6 dimensions and to study their properties. Some of these fixed points describe phase transitions between two different brane configurations. From a 4d point of view these 6d transitions can induce a chiral non-chiral transition. In Chapter 4 I discussed the relation of the HW setup with the other approaches of embedding gauge theory into string theory, especially the branes as probes approach. The different ways of embedding gauge theories in string theory are shown to be actually T-dual as string backgrounds. For one this allowed us to explore several new aspects of T-duality, like T-duality for bended branes and branes endin g on branes. In addition this relation can be used to show that the transitions found in the brane picture can as well be understood as transitions between topologically distinct compactifications of string theory. Some open problems and directions for further research were mentioned in Chapter 5.

Intrazelluläre Calcium Signale bilden einen der wichtigsten Bestandteile vieler Signalwege in der Zellbiologie. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der hierachischen Struktur der Calcium Muster, welche durch die Rückkopplung von Ip3 Rezeptor (Ip3R) mit Calcium verursacht wird. Auf der obersten Stufe stehen zellweite Wellen aus Calcium. Das zweite Level der Hierarchie bilden sogenante Puffs oder Sparks und entspricht der Freisetzung von Calcium von einzelnen Clustern. Das untere Ende wird durch Blibs gebildet: kleine Calcium Signale einzelner Kanäle. Die Entstehung der Calcium Wellen und der Zusammenhang mit den Ip3 Bindungszuständen individueller Ip3 Kanäle stehen dabei im Vordergund. Ein erstes Modell verwendet ein System von Reaktions-Diffusions-Gleichungen zur Beschreibung der Calciumentwicklung in der Umgebung einzelner Cluster. Es wird festgestellt, dass ein Cluster nicht-stereotype Puffs erzeugen kann, wobei Dauer und Amplitude durch die Ip3-Konzentration moduliert werden. Stärkere Ip3-Stimulation erhöht die Wahrscheinlichkeit, lang anhaltende Freisetzungsereignisse zu beobachten, welche als die Quelle der Wellenbildung identifiziert werden. Die simulierten Daten werden mit experimentellen Ergebnissen aus Xenopus-Oozyten verglichen, wo eine ähnliche Durchsetzung der Wellen- und Puff-Muster beobachtet werden kann. Ein zweites grobkörniges und phänomenologisches Modell auf Basis von ODEs ermöglicht das Sampling langer Trajektorien für ein größeres System aus gekoppelten Clustern mit vertretbarem Rechenaufwand. Auf einem Gitter von Clustern wird gezeigt, dass die wellenartigen Freisetzungsereignisse sich synchronisieren. Während die Wellenfrequenz mit Ip3 zunimmt, gibt es eine optimale Synchronisation für die mittlere Ip3-Anregung. Dieses Modell zeigt, dass die Terminierung der Wellen durch Dissosation von Ip3 erreicht werden kann, was dazu führt, dass sich Kanäle nicht mehr öffnen, und somit eine anhaltende Freisetzung von Ca2+ verhindert wird. / The dynamics of intracellular calcium represent one of the most important signal pathways in cell biology. Within this work, the focus lies on the hierarchical structure of calcium release events emerging from the feedback of Ip3 receptor Ca2+ ion channel with Ca2+ itself. The head of this hierarchy consists of calcium waves or global oscillations. Release events from individual clusters of channels, constitute the intermediate level. Single channel release events are called blibs. This work investigates the emergence and termination of waves by using a stochastic Ip3R model with non-equilibrium Ip3 binding and discrete individual channel states. First, a system of reaction diffusion equations of calcium and buffers around a single cluster is used as a description of the calcium evolution. It is found, that a cluster can produce non stereotype puffs, where duration and amplitude are modulated by the Ip3 concentration. For increasing Ip3 stimulation, the likelihood to observe long lasting release events increases, and these events are identified as the source of wave formation. The simulated data is compared to experimental results from Xenopus oocytes, where a similar interspersion of puffs between waves can be observed. Specifically, experiments and simulations support the hypothesis of wave-like events already on a single cluster scale. The insights of the first model are then used to develop a second coarse grained and phenomenological model based on ODEs. It allows sampling of long trajectories of a system of coupled clusters with reasonable computational effort. Within a grid of coupled clusters, it is showed that the wave-like release events synchronize. While the wave frequency increases with Ip3, there is an optimal synchronization for intermediate Ip3 excitation. This model indicates that wave termination is achieved by unbinding of Ip3 from the receptor, which renders the channel unable to open, and hence prohibits any further sustained release.