Im Sommer 1999 wurde im Forschungszentrum eine Zweistrahlführung in Betrieb genommen. Dieses System gestattet, Ionenarten aus unterschiedlichen Beschleunigern gleichzeitig in die Experimentierstationen zu lenken. In der Doppelimplantationsstation wird die Zweistrahlführung zur Synthese neuartiger Materialien genutzt. In der Analysestation wird die Zweistrahlführung in Kombination mit einem magnetischen Browne-Buechner-Spektrometer eingesetzt, um komplexe und hochgenaue Materialanalysen durchzuführen. Das System überträgt Ionen des gesamten Teilchen- und Energiespektrums von 3-MV-Tandetron-Beschleuniger und 500-kV-Ionenimplanter mit minimalen Intensitätsverlusten zu den Experimenten. Steuerung und Kontrolle von Beschleunigern, Strahlführung und Experiment erfolgen in einem hierarchischen Rechnernetz. Die hier beschriebene Zweistrahlanlage ist Teil eines Projekts zur umfassenden Kopplung von Basisgeräten des Forschungszentrums.

For about 20 years now, observations of 6Li in several old metal-poor stars inside the halo of our galaxy have been reported, which are largely independent of the stars’ metallicity, and which point to a possible primordial origin. The observations exceed the predictions of the Standard Big-Bang Nucleosynthesis model by a factor of 500. In the relevant energy range, no directly measured S-factors were available yet for the main production reaction 2H(α,γ)6Li, while different theoretical estimations have an uncertainty of up to two orders of magnitude. The very small cross section in the picobarn range has been measured with a deuterium gas target at the LUNA acceler- ator (Laboratory for Underground Nuclear Astrophysics), located deep underground inside Laboratori Nazionali del Gran Sasso in Italy. A beam-induced, neutron-caused background in the γ-detector occurred which had to be analyzed carefully and sub- tracted in an appropriate way, to finally infer the weak signal of the reaction. For this purpose, a method to parameterize the Compton background has been developed. The results are a contribution to the discussion about the accuracy of the recent 6Li observations, and to the question if it is necessary to include new physics into the Standard Big-Bang Nucleosynthesis model.

Mit der Entdeckung des Higgs-Bosons hat ein Messprogramm begonnen, bei dem die Eigenschaften dieses neuen Teilchens mit der höchstmöglichen Präzision untersucht werden soll um die Gültigkeit des Standardmodells der Teilchenphysik zu prüfen und nach neuer Physik jenseits des Standardmodells zu suchen. Für dieses Ziel wird der Large Hadron Collider (LHC) und sein Upgrade, der High Luminosity-LHC bis etwa zum Jahr 2035 laufen und Daten produzieren. Um an der Spitze der Teilchenphysik zu bleiben, hat die “European Strategy Group for Particle Physics” empfohlen, ambitionierte Nachfolgeprojekte für die Zeit nach dem LHC zu entwickeln. Entsprechend dieser Empfehlung hat das CERN die “Future Circular Collider” (FCC) -Studie gestartet, die die Machbarkeit neuer Speicherringe für Teilchenkollisionen (Collider) untersucht. In dieser Arbeit wird die Entwicklung der Wechselwirkungszonen für FCC-hh, einem Proton-Proton-Speicherring mit einer Schwerpunktsenergie von 100 TeV und einem Umfang von 100 km, beschrieben. Die Wechselwirkungszone ist das Herzstück eines Colliders, da sie die erreichbare Luminosität bestimmt. Es ist daher entscheidend, schon früh im Entwicklungsprozess eine möglichst hohe Kollisionsrate anzustreben. Ausgehend von der optische Struktur der Wechselwirkungszonen des LHC und dem geplanten High Luminosity-LHC (HL-LHC) werden Strategien zur Skalierung hergeleitet um der höheren Strahlenergie gerecht zu werden. Bereits früh im Entwicklungsprozess wird die Strahlungsbelastung durch Teilchentrümmer vom Wechselwirkungspunkt als entscheidender Faktor für das Layout der Wechselwirkungszone identifiziert und eine allgemeine Design-Strategie, die den Schutz der supraleitenden Endfokussierungsmagnete mit einer hohen Luminosität verbindet, wird formuliert und implementiert. Aufgrund des deutlichen Spielraums in Bezug auf beta* wurde die resultierende Magnetstruktur zum Referenzdesign für das FCC-hh-Projekt. / The discovery of the Higgs boson is the start of a measurement program that aims to study the properties of this new particle with the highest possible precision in order to test the validity or the Standard Model of particle physics and to search for new physics beyond the Standard Model. For that purpose, the Large Hadron Collider (LHC) and its upgrade, the High Luminosity-LHC, will operate and produce data until 2035. Following the recommendations of the European Strategy Group for Particle Physics, CERN launched the Future Circular Collider (FCC) study to design large scale particle colliders for high energy physics research in the post-LHC era. This thesis presents the development of the interaction region for FCC-hh, a proton-proton collider operating at 100 TeV center-of-mass energy. The interaction region is the centerpiece of a collider as it determines the achievable luminosity. It is therefore crucial to aim for maximum production rates from the beginning of the design process. Starting from the lattices of LHC and its proposed upgrade, the High Luminosity LHC (HL-LHC), scaling strategies are derived to account for the increased beam rigidity. After identifying energy deposition from debris of the collision events as a driving factor for the layout, a general design strategy is drafted and implemented, unifying protection of the superconducting final focus magnets from radiation with a high luminosity performance. The resulting FCC-hh lattice has significant margins to the performance goals in terms of beta*. Protecting the final focus magnets from radiation with thick shielding limits the minimum beta* and therefore the luminosity. An alternative strategy to increase the magnet lifetime by distributing the radiation load more evenly is developed. A proof of principle of this method, the so-called Q1 split, is provided. In order to demonstrate the feasibility of the derived interaction region lattices, first dynamic aperture studies are conducted.

Die vorliegende Arbeit ist Teil eines Forschungsprojekts zur Entwicklung eines neuartigen Systems zur zerstörungsfreien und bildgebenden Untersuchung von Luftfracht mittels Neutronen- und Gammastrahlung. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Strahlungsquelle entwickelt, die optimal auf die Anwendung angepasst ist: Ein gepulster Deuteronenstrahl wird in einer Ionenquelle erzeugt und mittels eines niederenergetischen Strahltransportsystems zum Hauptbeschleuniger geführt. Dieser besteht aus einem Radiofrequenz Quadrupol (RFQ) mit einer finalen Energie von 6 MeV. Da für die Anwendung sehr kurze Pulse der Strahlung in der Größenordnung einiger Nanosekunden unabdingbar sind, musste eine neuartige Lösung zur Pulsung des Deuteronenstrahls gefunden werden. Eine große Herausforderung bestand hierbei im Zusammenspiel der kurzen Pulsdauer und hohen Pulsladung in Kombination mit der hohen Wiederholrate. Dieses wurde erreicht, indem ein spezielles Pulsungssystem innerhalb des Strahlentransportes zwischen Ionenquelle und RFQ eingefügt wurde. Dieses System enthält neben einem strahlablenkenden auch ein strahlbündelndes Element. Der Deuteronenstrahl wird hinter dem RFQ auf ein Target geführt, welches aus Borcarbid besteht. In dieser Arbeit wird das komplette physikalische Design der Strahlungsquelle diskutiert sowie Simulationen zum Pulsungssystem bzw. dem RFQ-Beschleuniger präsentiert. Weiterhin werden Proof-of-Principle Experimente beschrieben, die mithilfe eines Prototypen-Pulsungssystems entwickelt im Rahmen dieser Arbeit und gefertigt von der RI Research Instruments GmbH an einem speziell für diesen Zweck errichteten Teststands durchgeführt wurden. Außerdem wurden mehrere Experimente sowohl an der Beschleunigeranlage der Physikalisch- Technischen Bundesanstalt (PTB) Braunschweig als auch am RFQ Beschleuniger der Nuclear Energy Corporation of South Africa (NECSA) in Pelindaba durchgeführt, um das Target zu optimieren und das erzeugte Strahlungsfeld zu charakterisieren. / This thesis is part of a research project whose goal is to develop a novel, non-destructive imaging system to be employed for air freight security. The screening will be performed employing neutron- and gamma-radiation based techniques. One of the critical issues in this project was the absence of an adequate particle source. Thus, a new type of source was developed during this work. The new source consists of four main parts: A pulsed deuteron beam is formed in an ion source (IS) and is fed, via a matching low energy beam transport system (LEBT), into the main accelerator. The latter comprises a radio frequency quadrupole (RFQ) that produces a deuteron beam with a final energy of 6 MeV. Since pulsing of this beam in the regime of several nanoseconds is mandatory for the application, a novel solution had to be found to apply the required pulsing scheme, without undershoot the required beam charge per pulse. A major challenge in doing so was the combination of pulse length, high bunch charge as well as high repetition rate. This could be achieved by adding a pulsing system in between the LEBT section and RFQ: it consists of a beam-deflection, as well as a beam-bunching element. The deuteron beam is ultimately directed to a wobbling, plasma sprayed boron carbide (B4C) target. This work focuses on an entire physical design as well as simulation work of the pulsing system and RFQ. Furthermore, proof-of-principle experiments concerning a prototype of the pulsing system developed in the framework of this thesis and manufactured by RI Research Instruments GmbH could be performed at a test bench dedicated to this project. To round up the study, the suitability of the target and target reaction was demonstrated during multiple experiments performed at Physikalisch- Technische Bundesanstalt (PTB) at Braunschweig as well as the Nuclear Energy Corporation of South Africa (NECSA) in Pelindaba.

Im Sommer 1999 wurde im Forschungszentrum eine Zweistrahlführung in Betrieb genommen. Dieses System gestattet, Ionenarten aus unterschiedlichen Beschleunigern gleichzeitig in die Experimentierstationen zu lenken. In der Doppelimplantationsstation wird die Zweistrahlführung zur Synthese neuartiger Materialien genutzt. In der Analysestation wird die Zweistrahlführung in Kombination mit einem magnetischen Browne-Buechner-Spektrometer eingesetzt, um komplexe und hochgenaue Materialanalysen durchzuführen. Das System überträgt Ionen des gesamten Teilchen- und Energiespektrums von 3-MV-Tandetron-Beschleuniger und 500-kV-Ionenimplanter mit minimalen Intensitätsverlusten zu den Experimenten. Steuerung und Kontrolle von Beschleunigern, Strahlführung und Experiment erfolgen in einem hierarchischen Rechnernetz. Die hier beschriebene Zweistrahlanlage ist Teil eines Projekts zur umfassenden Kopplung von Basisgeräten des Forschungszentrums.

Elektronen- und Positronenstrahlen mit niedrigsten Emittanzen und hohen Strömen werden in zukünftigen Linearbeschleunigern, wie zum Beispiel dem Compact Linear Collider (CLIC), benötigt, um die geforderte Leuchtkraft für physikalische Experimente bereit zu stellen. Diese Strahlen können in Dämpfungsringen, ausgestattet mit starken, supraleitenden Dämpfungswigglermagneten, erzeugt werden. In dieser Arbeit sind Designkonzepte verschiedener supraleitender Dämpfungswigglermagnete entwickelt worden. Testspulen sowie Modelle sind gebaut und getestet, elektrische Verbindungstechniken entwickelt worden. Eine Wärmelastrechnung für den Betrieb in Dämpfungsringen und ein Designkonzept für den kryogenen Betrieb bei 4.2 K ist erstellt worden. Es konnte theoretisch und experimentell gezeigt werden, dass supraleitende Dämpfungswigglermagnete mit Nb-Ti und Nb3Sn Niedertemperatursupraleitern die magnetischen, mechanischen, elektrischen und thermischen Anforderungen erfüllen und in Dämpfungsringen betrieben werden können.

The ongoing trend to more heterogeneous systems forces us to rethink the design of systems. In this work, I study a new system design that considers heterogeneous compute units (general-purpose cores with different instruction sets, DSPs, FPGAs, fixed-function accelerators, etc.) from the beginning instead of as an afterthought. The goal is to treat all compute units (CUs) as first-class citizens, enabling (1) isolation and secure communication between all types of CUs, (2) a direct interaction of all CUs, removing the conventional CPU from the critical path, and (3) access to operating system (OS) services such as file systems and network stacks for all CUs. To study this system design, I am using a hardware/software co-design based on two key ideas: 1) introduce a new hardware component next to each CU used by the OS as the CUs' common interface and 2) let the OS kernel control applications remotely from a different CU. The hardware component is called data transfer unit (DTU) and offers the minimal set of features to reach the stated goals: secure message passing and memory access. The OS is called M³ and runs its kernel on a dedicated CU and runs the OS services and applications on the remaining CUs. The kernel is responsible for establishing DTU-based communication channels between services and applications. After a channel has been set up, services and applications communicate directly without involving the kernel. This approach allows to support arbitrary CUs as aforementioned first-class citizens, ranging from fixed-function accelerators to complex general-purpose cores.

Anhydrit II (AII) wird industriell hauptsächlich als Bindemittel bei der Fußbodenestrich-Herstellung eingesetzt. Zur Beschleunigung der Abbindereaktion und der daraus resultierenden schnelleren Verfestigung des Fußbodens wird Kaliumsulfat als Additiv verwendet. Im Rahmen dieser Arbeit wurden anorganische Salze (Sulfate und Chloride) im Vergleich zu Kaliumsulfat hinsichtlich ihrer beschleunigenden Wirkung auf die Abbindereaktion von AII untersucht, um eine mögliche Alternative und einen Mechanismus für die Wirkungsweise der Additive angeben zu können. Unter den verwendeten Salz-Additiven wurde keine Alternative zu K2SO4 für die industrielle Anwendung gefunden. Als Ursache für die beschleunigende Wirkung von K2SO4 wird die Bildung des Doppelsalzes Syngenit auf der Anhydrit-Oberfläche angenommen. Durch epitaktische Beziehungen von Kristallflächen oder den Zerfall des Syngenits wird die heterogene Gips-Keimbildung begünstigt und die Abbindereaktion beschleunigt.

Multiplication is one of the widely used arithmetic operations in a variety of applications, such as image/video processing and machine learning. FPGA vendors provide high-performance multipliers in the form of DSP blocks. These multipliers are not only limited in number and have fixed locations on FPGAs but can also create additional routing delays and may prove inefficient for smaller bit-width multiplications. Therefore, FPGA vendors additionally provide optimized soft IP cores for multiplication. However, in this work, we advocate that these soft multiplier IP cores for FPGAs still need better designs to provide high-performance and resource efficiency. Toward this, we present generic area-optimized, low-latency accurate, and approximate softcore multiplier architectures, which exploit the underlying architectural features of FPGAs, i.e., lookup table (LUT) structures and fast-carry chains to reduce the overall critical path delay (CPD) and resource utilization of multipliers. Compared to Xilinx multiplier LogiCORE IP, our proposed unsigned and signed accurate architecture provides up to 25% and 53% reduction in LUT utilization, respectively, for different sizes of multipliers. Moreover, with our unsigned approximate multiplier architectures, a reduction of up to 51% in the CPD can be achieved with an insignificant loss in output accuracy when compared with the LogiCORE IP. For illustration, we have deployed the proposed multiplier architecture in accelerators used in image and video applications, and evaluated them for area and performance gains. Our library of accurate and approximate multipliers is opensource and available online at https://cfaed.tu-dresden.de/pd-downloads to fuel further research and development in this area, facilitate reproducible research, and thereby enabling a new research direction for the FPGA community.

HESS J1741−302 ist eine nicht identifizierte Quelle sehr hochenergetischer Gammastrahlen, welche circa 1,7 Grad vom Zentrum der Milchstraße entfernt liegt. Diese Quelle ist eines der schwächsten Objekte im TeV-Bereich mit einem Photonfluss von Φ(>1 TeV) = (1.65 ± 0.28stat ± 0.33sys) × 10^−13 cm^−2 s^−1, was ~1% des Krebsnebelflusses im gleichen Energiebereich entspricht. Die Analyse des aktuellen H.E.S.S. Datensatzes von 145 Stunden Beobachtungen mit hoher Qualität gibt Einblicke in die Morphologie von HESS J1741−302. Das Energiespektrum von HESS J1741−302 geht über 10 TeV hinaus, ohne dabei ein klares Anzeichen für einen spektralen Abbruch zu zeigen. Das Spektrum kann durch ein Potenzgesetz mit einem spektralen Index von Γ = 2.28 ± 0.16stat ± 0.20sys und einer Normierung bei 1 TeV von Φ0 = (2.12 ± 0.42stat ± 0.42sys) × 10^−13 cm^−2 s^−1 TeV^−1 beschrieben werden. In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Szenarien für die beobachtete Gammastrahlung und deren Entstehung in Betracht gezogen. Diese beinhalten die Wechselwirkung von Protonen der kosmischen Strahlung mit Molekülwolken entlang der Sichtlinie, IC Streuung an Infrarot-Photonen eines nahe gelegenen OH/IR Sterns und die Präsenz eines Pulsarwindnebels, welcher möglicherweise zu PSR B1737−30 gehört. / HESS J1741−302 is an unidentified very-high-energy (VHE) γ-ray source located in the Galactic Plane at about 1.7° away from the Galactic Center. It is one of the faintest TeV objects detected so far, with a flux Φ(>1 TeV) = (1.65 ± 0.28stat ± 0.33sys) × 10^−13 cm^−2 s^−1 corresponding to ~ 1% of the Crab Nebula flux at the same energies. The data analysis of an updated high-quality dataset of ~145 hours of VHE H.E.S.S. data taken between 2004 and 2013 has revealed the morphology of HESS J1741−302. The γ-ray spectrum of HESS J1741−302 extends beyond 10 TeV without showing any clear evidence of a cut-off. The source spectrum is well described by a power-law model with a spectral index of Γ = 2.28 ± 0.16stat ± 0.20sys and a normalization at 1 TeV of Φ0 = (2.12 ± 0.42stat ± 0.42sys) × 10^−13 cm^−2 s^−1 TeV^−1. Different scenarios will be considered in this thesis, including the interaction of cosmic-ray protons with molecular clouds found along the line of sight, inverse Compton scattering of infra-red photons provided by a nearby OH/IR star and the presence of a nearby pulsar wind nebula possibly related to PSR B1737−30, in order to explain the observed VHE gamma-ray emission.