The objective of this study is to test whether human intentions to sustain or cease movements in right and left hands can be decoded reliably from spatially filtered single trial magneto-encephalographic (MEG) signals. This study was performed using motor execution and motor imagery movements to achieve a potential high performance Brain-Computer interface (BCI). Seven healthy volunteers, naïve to BCI technology, participated in this study. Signals were recorded from 275-channel MEG and synthetic aperture magnetometry (SAM) was employed as the spatial filter. The four-class classification for natural movement intentions was performed offline; Genetic Algorithm based Mahalanobis Linear Distance (GA-MLD) and direct-decision tree classifier (DTC) techniques were adopted for the classification through 10-fold cross-validation. Through SAM imaging, strong and distinct event related desynchronisation (ERD) associated with sustaining, and event related synchronisation (ERS) patterns associated with ceasing of hand movements were observed in the beta band (15 - 30 Hz). The right and left hand ERD/ERS patterns were observed on the contralateral hemispheres for motor execution and motor imagery sessions. Virtual channels were selected from these cortical areas of high activity to correspond with the motor tasks as per the paradigm of the study. Through a statistical comparison between SAM-filtered virtual channels from single trial MEG signals and basic MEG sensors, it was found that SAM-filtered virtual channels significantly increased the classification accuracy for motor execution (GA-MLD: 96.51 ± 2.43 %) as well as motor imagery sessions (GA-MLD: 89.69 ± 3.34%). Thus, multiple movement intentions can be reliably detected from SAM-based spatially-filtered single trial MEG signals. MEG signals associated with natural motor behavior may be utilized for a reliable high-performance brain-computer interface (BCI) and may reduce long-term training compared with conventional BCI methods using rhythm control. This may prove tremendously helpful for patients suffering from various movement disorders to improve their quality of life.

This thesis study focuses on the realization of an online cue based Motor Imagery (MI) Brain Computer Interface (BCI). For this purpose, some signal processing and classification methods are investigated. Specifically, several time-spatial-frequency methods, namely the Short Time Fourier Transform (STFT), Common Spatial Frequency Patterns (CSFP) and the Morlet Transform (MT) are implemented on a 2-class MI BCI system. Distinction Sensitive Learning Vector Quantization (DSLVQ) method is used as a feature selection method. The performance of these methodologies is evaluated with the linear and nonlinear Support Vector Machines (SVM), Multilayer Perceptron (MLP) and Naive Bayesian (NB) classifiers. The methodologies are tested on BCI Competition IV dataset IIb and an average kappa value of 0.45 is obtained on the dataset. According to the classification results, the algorithms presented here obtain the 4th level in the competition as compared to the other algorithms in the competition. Offline experiments are performed in METU Brain Research Laboratories and Hacettepe Biophysics Department on two subjects with the original cue-based MI BCI paradigm. Average prediction accuracy of the methods on a 2-class BCI is evaluated to be 76.26% in these datasets. Furthermore, two online BCI applications are developed: the ping-pong game and the electrical wheelchair control. For these applications, average classification accuracy is found to be 70%. During the offline experiments, the performance of the developed system is observed to be highly dependent on the subject training and experience. According to the results, the EEG channels P3 and P4, which are considered to be irrelevant with the motor imagination, provided the best classification performance on the offline experiments. Regarding the observations on the experiments, this process is related to the stimulation mechanism in the cue based applications and consequent visual evoking effects on the subjects.

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.

Previous studies on the family of inter-metallic rare-earth compounds R2PdSi3 revealed multifaceted magnetic properties, for instance, spin-glass like behavior. Experimental observations include: Signs of a crystallographic superstructure, complicated magnetic structures both in zero field and in applied magnetic fields as well as a generic phase in applied fields for compounds in the series with the heavy rare-earths R = Gd, Tb, Dy, Ho, Er and Tm. This thesis expands the studies on the magnetic properties of R2PdSi3 employing mainly neutron scattering on single crystals with the focus on the compounds with R = Ho, Er and Tm. A detailed analysis of the crystallographic superstructure using modulation wave approach and group theory is presented. The resulting structure implies the existence of two different rare-earth sites with reduced symmetry and an arrangement of the different sites according to sequences as determined by the superstructure. It will be shown that the reduced symmetry of the rare-earth sites is explicitly observed in the energy spectra of inelastic neutron scattering. The results on the magnetic structures and excitations are shown and discussed in the framework of the superstructure model. Specifically the generic phase in applied fields is interpreted as a direct consequence of the crystallographic superstructure. It is rather unusual that a crystallographic superstructure is playing such a decisive, and through the field dependence also tunable role in determining the magnetic properties as observed in R2PdSi3. The mediating interactions between the crystallographic part and the magnetic part of the system will be discussed. / Frühere Untersuchungen der Familie der intermetallischen Selten-Erd Verbindungen R2PdSi3 zeigten vielfältige magnetische Eigenschaften, zum Beispiel ein Spin-glas ähnliches Verhalten. Die experimentellen Beobachtungen beinhalten: Zeichen für eine kristallographische Überstruktur, komplizierte magnetische Strukturen, sowohl im Nullfeld als auch in angelegten Magnetfeldern und darüberhinaus eine generische Phase in Magnetfeldern in den untersuchten Verbindungen mit den schweren Selten-Erden R = Gd, Tb, Dy, Ho, Er und Tm. Diese Dissertation erweitert die Untersuchungen der magnetischen Eigenschaften von R2PdSi3, hauptsächlich durch Verwendung von Neutronenstreuung an Einkristallen, mit dem Schwerpunkt auf den Verbindungen mit R = Ho, Er und Tm. Eine genaue Analyse der kristallographischen Überstruktur mittels Modulationswellenansatz und Gruppentheorie wird präsentiert. Das resultierende Strukturmodell impliziert die Existenz zweier unterschiedlicher Selten-Erd Lagen mit reduzierter Symmetrie in einer Anordnung entsprechend der durch die Überstruktur festgelegten Sequenzen. Es wird gezeigt, dass die reduzierte Symmetrie der Selten-Erd Lagen durch Beobachtungen der inelastischen Neutronenstreuung explizit bestätigt wird. Die Ergebnisse der magnetischen Strukturen und Anregungen werden im Rahmen des Überstrukturmodels diskutiert. Speziell die generische Phase folgt als direkte Konsequenz aus der Überstruktur. Es ist eher ungewöhnlich, dass eine kristallographische Überstruktur eine solch bestimmende und bei Magnetfeldvariation auch “tunebare” Rolle spielt, wie dies in den R2 PdSi3 Verbindungen beobachtet wird. Die vermittelnden Wechselwirkungen zwischen Struktur und Magnetismus werden diskutiert.

The purpose of this study was to evaluate the effectiveness of the database system used at the South African Radiation Control Authority and compare it with RAIS (Regulatory Authority Information System). A radiation regulatory authority requires an adequate and effective data management system in order to carry out its regulatory control program efficiently and effectively. RAIS is a comprehensive system that includes all of the main functionality required to support a regulatory framework. A mixed methods approach, including a quantitative descriptive comparative evaluation research study was conducted to determine if the database system currently used by the South African Radiation Control Authority is effective as a data management tool for a regulatory body. Two analyses were conducted. Firstly, the specification records of the South African database system were compared with that of RAIS. Secondly, current database users were surveyed by means of a structured questionnaire. Both analyses reveal that RAIS performs better than the Radiation Control database in the main areas of the regulatory framework. The study results also highlight some of the shortcomings and strengths of the Radiation Control database / Medical Informatics / M.A. (Public Health)

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.

Previous studies on the family of inter-metallic rare-earth compounds R2PdSi3 revealed multifaceted magnetic properties, for instance, spin-glass like behavior. Experimental observations include: Signs of a crystallographic superstructure, complicated magnetic structures both in zero field and in applied magnetic fields as well as a generic phase in applied fields for compounds in the series with the heavy rare-earths R = Gd, Tb, Dy, Ho, Er and Tm. This thesis expands the studies on the magnetic properties of R2PdSi3 employing mainly neutron scattering on single crystals with the focus on the compounds with R = Ho, Er and Tm. A detailed analysis of the crystallographic superstructure using modulation wave approach and group theory is presented. The resulting structure implies the existence of two different rare-earth sites with reduced symmetry and an arrangement of the different sites according to sequences as determined by the superstructure. It will be shown that the reduced symmetry of the rare-earth sites is explicitly observed in the energy spectra of inelastic neutron scattering. The results on the magnetic structures and excitations are shown and discussed in the framework of the superstructure model. Specifically the generic phase in applied fields is interpreted as a direct consequence of the crystallographic superstructure. It is rather unusual that a crystallographic superstructure is playing such a decisive, and through the field dependence also tunable role in determining the magnetic properties as observed in R2PdSi3. The mediating interactions between the crystallographic part and the magnetic part of the system will be discussed. / Frühere Untersuchungen der Familie der intermetallischen Selten-Erd Verbindungen R2PdSi3 zeigten vielfältige magnetische Eigenschaften, zum Beispiel ein Spin-glas ähnliches Verhalten. Die experimentellen Beobachtungen beinhalten: Zeichen für eine kristallographische Überstruktur, komplizierte magnetische Strukturen, sowohl im Nullfeld als auch in angelegten Magnetfeldern und darüberhinaus eine generische Phase in Magnetfeldern in den untersuchten Verbindungen mit den schweren Selten-Erden R = Gd, Tb, Dy, Ho, Er und Tm. Diese Dissertation erweitert die Untersuchungen der magnetischen Eigenschaften von R2PdSi3, hauptsächlich durch Verwendung von Neutronenstreuung an Einkristallen, mit dem Schwerpunkt auf den Verbindungen mit R = Ho, Er und Tm. Eine genaue Analyse der kristallographischen Überstruktur mittels Modulationswellenansatz und Gruppentheorie wird präsentiert. Das resultierende Strukturmodell impliziert die Existenz zweier unterschiedlicher Selten-Erd Lagen mit reduzierter Symmetrie in einer Anordnung entsprechend der durch die Überstruktur festgelegten Sequenzen. Es wird gezeigt, dass die reduzierte Symmetrie der Selten-Erd Lagen durch Beobachtungen der inelastischen Neutronenstreuung explizit bestätigt wird. Die Ergebnisse der magnetischen Strukturen und Anregungen werden im Rahmen des Überstrukturmodels diskutiert. Speziell die generische Phase folgt als direkte Konsequenz aus der Überstruktur. Es ist eher ungewöhnlich, dass eine kristallographische Überstruktur eine solch bestimmende und bei Magnetfeldvariation auch “tunebare” Rolle spielt, wie dies in den R2 PdSi3 Verbindungen beobachtet wird. Die vermittelnden Wechselwirkungen zwischen Struktur und Magnetismus werden diskutiert.

In der vorliegenden Arbeit wird erstmals das QQDS-Magnetspektrometer für die höchstauflösende Ionenstrahlanalytik leichter Elemente am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf umfassend vorgestellt. Zusätzlich werden sowohl alle auf die Analytik Einfluss nehmenden Parameter untersucht als auch Methoden und Modelle vorgestellt, wie deren Einfluss vermieden oder rechnerisch kompensiert werden kann. Die Schwerpunkte dieser Arbeit gliedern sich in fünf Bereiche. Der Erste ist der Aufbau und die Inbetriebnahme des QQDS-Magnetspektrometers, der zugehörige Streukammer mit allen Peripheriegeräten und des eigens für die höchstauflösende elastische Rückstoßanalyse entwickelten Detektors. Sowohl das umgebaute Spektrometer als auch der im Rahmen dieser Arbeit gebaute Detektor wurden speziell an experimentelle Bedingungen für die höchstauflösende Ionenstrahlanalytik leichter Elemente angepasst und erstmalig auf einen routinemäßigen Einsatz hin getestet. Der Detektor besteht aus zwei Komponenten. Zum einen befindet sich am hinteren Ende des Detektors eine Bragg-Ionisationskammer, die zur Teilchenidentifikation genutzt wird. Zum anderen dient ein Proportionalzähler, der eine Hochwiderstandsanode besitzt und direkt hinter dem Eintrittsfenster montiert ist, zur Teilchenpositionsbestimmung im Detektor. Die folgenden zwei Schwerpunkte beinhalten grundlegende Untersuchungen zur Ionen-Festkörper-Wechselwirkung. Durch die Verwendung eines Magnetspektrometers ist die Messung der Ladungszustandsverteilung der herausgestreuten Teilchen direkt nach einem binären Stoß sowohl möglich als auch für die Analyse notwendig. Aus diesem Grund werden zum einen die Ladungszustände gemessen und zum anderen mit existierenden Modellen verglichen. Außerdem wird ein eigens entwickeltes Modell vorgestellt und erstmals im Rahmen dieser Arbeit angewendet, welches den ladungszustandsabhängigen Energieverlust bei der Tiefenprofilierung berücksichtigt. Es wird gezeigt, dass ohne die Anwendung dieses Modells die Tiefenprofile nicht mit den quantitativen Messungen mittels konventioneller Ionenstrahlanalytikmethoden und mit der Dickenmessung mittels Transmissionselektronenmikroskopie übereinstimmen, und damit falsche Werte liefern würden. Der zweite für die Thematik wesentliche Aspekt der Ionen-Festkörper-Wechselwirkung, sind die Probenschäden und -modifikationen, die während einer Schwerionen-bestrahlung auftreten. Dabei wird gezeigt, dass bei den hier verwendeten Energien sowohl elektronisches Sputtern als auch elektronisch verursachtes Grenzflächendurchmischen eintreten. Das elektronische Sputtern kann durch geeignete Strahlparameter für die meisten Proben ausreichend minimiert werden. Dagegen ist der Einfluss der Grenzflächendurchmischung meist signifikant, so dass dieser analysiert und in der Auswertung berücksichtigt werden muss. Schlussfolgernd aus diesen Untersuchungen ergibt sich für die höchstauflösende Ionenstrahlanalytik leichter Elemente am Rossendorfer 5-MV Tandembeschleuniger, dass die geeignetsten Primärionen Chlor mit einer Energie von 20 MeV sind. In Einzelfällen, wie zum Beispiel der Analyse von Bor, muss die Energie jedoch auf 6,5 MeV reduziert werden, um das elektronische Sputtern bei der notwendigen Fluenz unterhalb der Nachweisgrenze zu halten. Der vierte Schwerpunkt ist die Untersuchung von sowohl qualitativen als auch quantitativen Einflüssen bestimmter Probeneigenschaften, wie beispielsweise Oberflächenrauheit, auf die Form des gemessenen Energiespektrums beziehungsweise auf das analysierte Tiefenprofil. Die Kenntnis der Rauheit einer Probe an der Oberfläche und an den Grenzflächen ist für die Analytik unabdingbar. Als Resultat der genannten Betrachtungen werden die Einflüsse von Probeneigenschaften und Ionen-Festkörper-Wechselwirkungen auf die Energie- beziehungsweise Tiefenauflösung des Gesamtsystems beschrieben, berechnet und mit der konventionellen Ionenstrahlanalytik verglichen. Die Möglichkeiten der höchstauflösenden Ionenstrahlanalytik werden zudem mit den von anderen Gruppen veröffentlichten Komplementärmethoden gegenübergestellt. Der fünfte und letzte Schwerpunkt ist die Analytik leichter Elemente in ultradünnen Schichten unter Berücksichtigung aller in dieser Arbeit vorgestellten Modelle, wie die Reduzierung des Einflusses von Strahlschäden oder die Quantifizierung der Elemente im dynamischen Ladungszustandsnichtgleichgewicht. Es wird die Tiefenprofilierung von Mehrschichtsystemen, bestehend aus SiO2-Si3N4Ox-SiO2 auf Silizium, von Ultra-Shallow-Junction Bor-Implantationsprofilen und von ultradünnen Oxidschichten, wie zum Beispiel High-k-Materialien, demonstriert. / In this thesis the QQDS magnetic spectrometer that is used for high resolution ion beam analysis (IBA) of light elements at the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf is presented for the first time. In addition all parameters are investigated that influence the analysis. Methods and models are presented with which the effects can be minimised or calculated. There are five focal points of this thesis. The first point is the construction and commissioning of the QQDS magnetic spectrometer, the corresponding scattering chamber with all the peripherals and the detector, which is specially developed for high resolution elastic recoil detection. Both the reconstructed spectrometer and the detector were adapted to the specific experimental conditions needed for high-resolution Ion beam analysis of light elements and tested for routine practice. The detector consists of two compo-nents. At the back end of the detector a Bragg ionization chamber is mounted, which is used for the particle identification. At the front end, directly behind the entrance window a proportional counter is mounted. This proportional counter includes a high-resistance anode. Thus, the position of the particles is determined in the detector. The following two points concern fundamental studies of ion-solid interaction. By using a magnetic spectrometer the charge state distribution of the particles scattered from the sample after a binary collision is both possible and necessary for the analysis. For this reason the charge states are measured and compared with existing models. In addition, a model is developed that takes into account the charge state dependent energy loss. It is shown that without the application of this model the depth profiles do not correspond with the quantitative measurements by conventional IBA methods and with the thickness obtained by transmission electron microscopy. The second fundamental ion-solid interaction is the damage and the modification of the sample that occurs during heavy ion irradiation. It is shown that the used energies occur both electronic sputtering and electronically induced interface mixing. Electronic sputtering is minimised by using optimised beam parameters. For most samples the effect is below the detection limit for a fluence sufficient for the analysis. However, the influence of interface mixing is so strong that it has to be included in the analysis of the layers of the depth profiles. It is concluded from these studies that at the Rossendorf 5 MV tandem accelerator chlorine ions with an energy of 20 MeV deliver the best results. In some cases, such as the analysis of boron, the energy must be reduced to 6.5 MeV in order to retain the electronic sputtering below the detection limit. The fourth focus is the study of the influence of specific sample properties, such as surface roughness, on the shape of a measured energy spectra and respectively on the analysed depth profile. It is shown that knowledge of the roughness of a sample at the surface and at the interfaces for the analysis is needed. In addition, the contribution parameters limiting the depth resolution are calculated and compared with the conventional ion beam analysis. Finally, a comparison is made between the high-resolution ion beam analysis and complementary methods published by other research groups. The fifth and last focus is the analysis of light elements in ultra thin layers. All models presented in this thesis to reduce the influence of beam damage are taken into account. The dynamic non-equilibrium charge state is also included for the quantification of elements. Depth profiling of multilayer systems is demonstrated for systems consisting of SiO2-Si3N4Ox-SiO2 on silicon, boron implantation profiles for ultra shallow junctions and ultra thin oxide layers, such as used as high-k materials.

In der vorliegenden Arbeit wird erstmals das QQDS-Magnetspektrometer für die höchstauflösende Ionenstrahlanalytik leichter Elemente am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf umfassend vorgestellt. Zusätzlich werden sowohl alle auf die Analytik Einfluss nehmenden Parameter untersucht als auch Methoden und Modelle vorgestellt, wie deren Einfluss vermieden oder rechnerisch kompensiert werden kann. Die Schwerpunkte dieser Arbeit gliedern sich in fünf Bereiche. Der Erste ist der Aufbau und die Inbetriebnahme des QQDS-Magnetspektrometers, der zugehörige Streukammer mit allen Peripheriegeräten und des eigens für die höchstauflösende elastische Rückstoßanalyse entwickelten Detektors. Sowohl das umgebaute Spektrometer als auch der im Rahmen dieser Arbeit gebaute Detektor wurden speziell an experimentelle Bedingungen für die höchstauflösende Ionenstrahlanalytik leichter Elemente angepasst und erstmalig auf einen routinemäßigen Einsatz hin getestet. Der Detektor besteht aus zwei Komponenten. Zum einen befindet sich am hinteren Ende des Detektors eine Bragg-Ionisationskammer, die zur Teilchenidentifikation genutzt wird. Zum anderen dient ein Proportionalzähler, der eine Hochwiderstandsanode besitzt und direkt hinter dem Eintrittsfenster montiert ist, zur Teilchenpositionsbestimmung im Detektor. Die folgenden zwei Schwerpunkte beinhalten grundlegende Untersuchungen zur Ionen-Festkörper-Wechselwirkung. Durch die Verwendung eines Magnetspektrometers ist die Messung der Ladungszustandsverteilung der herausgestreuten Teilchen direkt nach einem binären Stoß sowohl möglich als auch für die Analyse notwendig. Aus diesem Grund werden zum einen die Ladungszustände gemessen und zum anderen mit existierenden Modellen verglichen. Außerdem wird ein eigens entwickeltes Modell vorgestellt und erstmals im Rahmen dieser Arbeit angewendet, welches den ladungszustandsabhängigen Energieverlust bei der Tiefenprofilierung berücksichtigt. Es wird gezeigt, dass ohne die Anwendung dieses Modells die Tiefenprofile nicht mit den quantitativen Messungen mittels konventioneller Ionenstrahlanalytikmethoden und mit der Dickenmessung mittels Transmissionselektronenmikroskopie übereinstimmen, und damit falsche Werte liefern würden. Der zweite für die Thematik wesentliche Aspekt der Ionen-Festkörper-Wechselwirkung, sind die Probenschäden und -modifikationen, die während einer Schwerionen-bestrahlung auftreten. Dabei wird gezeigt, dass bei den hier verwendeten Energien sowohl elektronisches Sputtern als auch elektronisch verursachtes Grenzflächendurchmischen eintreten. Das elektronische Sputtern kann durch geeignete Strahlparameter für die meisten Proben ausreichend minimiert werden. Dagegen ist der Einfluss der Grenzflächendurchmischung meist signifikant, so dass dieser analysiert und in der Auswertung berücksichtigt werden muss. Schlussfolgernd aus diesen Untersuchungen ergibt sich für die höchstauflösende Ionenstrahlanalytik leichter Elemente am Rossendorfer 5-MV Tandembeschleuniger, dass die geeignetsten Primärionen Chlor mit einer Energie von 20 MeV sind. In Einzelfällen, wie zum Beispiel der Analyse von Bor, muss die Energie jedoch auf 6,5 MeV reduziert werden, um das elektronische Sputtern bei der notwendigen Fluenz unterhalb der Nachweisgrenze zu halten. Der vierte Schwerpunkt ist die Untersuchung von sowohl qualitativen als auch quantitativen Einflüssen bestimmter Probeneigenschaften, wie beispielsweise Oberflächenrauheit, auf die Form des gemessenen Energiespektrums beziehungsweise auf das analysierte Tiefenprofil. Die Kenntnis der Rauheit einer Probe an der Oberfläche und an den Grenzflächen ist für die Analytik unabdingbar. Als Resultat der genannten Betrachtungen werden die Einflüsse von Probeneigenschaften und Ionen-Festkörper-Wechselwirkungen auf die Energie- beziehungsweise Tiefenauflösung des Gesamtsystems beschrieben, berechnet und mit der konventionellen Ionenstrahlanalytik verglichen. Die Möglichkeiten der höchstauflösenden Ionenstrahlanalytik werden zudem mit den von anderen Gruppen veröffentlichten Komplementärmethoden gegenübergestellt. Der fünfte und letzte Schwerpunkt ist die Analytik leichter Elemente in ultradünnen Schichten unter Berücksichtigung aller in dieser Arbeit vorgestellten Modelle, wie die Reduzierung des Einflusses von Strahlschäden oder die Quantifizierung der Elemente im dynamischen Ladungszustandsnichtgleichgewicht. Es wird die Tiefenprofilierung von Mehrschichtsystemen, bestehend aus SiO2-Si3N4Ox-SiO2 auf Silizium, von Ultra-Shallow-Junction Bor-Implantationsprofilen und von ultradünnen Oxidschichten, wie zum Beispiel High-k-Materialien, demonstriert. / In this thesis the QQDS magnetic spectrometer that is used for high resolution ion beam analysis (IBA) of light elements at the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf is presented for the first time. In addition all parameters are investigated that influence the analysis. Methods and models are presented with which the effects can be minimised or calculated. There are five focal points of this thesis. The first point is the construction and commissioning of the QQDS magnetic spectrometer, the corresponding scattering chamber with all the peripherals and the detector, which is specially developed for high resolution elastic recoil detection. Both the reconstructed spectrometer and the detector were adapted to the specific experimental conditions needed for high-resolution Ion beam analysis of light elements and tested for routine practice. The detector consists of two compo-nents. At the back end of the detector a Bragg ionization chamber is mounted, which is used for the particle identification. At the front end, directly behind the entrance window a proportional counter is mounted. This proportional counter includes a high-resistance anode. Thus, the position of the particles is determined in the detector. The following two points concern fundamental studies of ion-solid interaction. By using a magnetic spectrometer the charge state distribution of the particles scattered from the sample after a binary collision is both possible and necessary for the analysis. For this reason the charge states are measured and compared with existing models. In addition, a model is developed that takes into account the charge state dependent energy loss. It is shown that without the application of this model the depth profiles do not correspond with the quantitative measurements by conventional IBA methods and with the thickness obtained by transmission electron microscopy. The second fundamental ion-solid interaction is the damage and the modification of the sample that occurs during heavy ion irradiation. It is shown that the used energies occur both electronic sputtering and electronically induced interface mixing. Electronic sputtering is minimised by using optimised beam parameters. For most samples the effect is below the detection limit for a fluence sufficient for the analysis. However, the influence of interface mixing is so strong that it has to be included in the analysis of the layers of the depth profiles. It is concluded from these studies that at the Rossendorf 5 MV tandem accelerator chlorine ions with an energy of 20 MeV deliver the best results. In some cases, such as the analysis of boron, the energy must be reduced to 6.5 MeV in order to retain the electronic sputtering below the detection limit. The fourth focus is the study of the influence of specific sample properties, such as surface roughness, on the shape of a measured energy spectra and respectively on the analysed depth profile. It is shown that knowledge of the roughness of a sample at the surface and at the interfaces for the analysis is needed. In addition, the contribution parameters limiting the depth resolution are calculated and compared with the conventional ion beam analysis. Finally, a comparison is made between the high-resolution ion beam analysis and complementary methods published by other research groups. The fifth and last focus is the analysis of light elements in ultra thin layers. All models presented in this thesis to reduce the influence of beam damage are taken into account. The dynamic non-equilibrium charge state is also included for the quantification of elements. Depth profiling of multilayer systems is demonstrated for systems consisting of SiO2-Si3N4Ox-SiO2 on silicon, boron implantation profiles for ultra shallow junctions and ultra thin oxide layers, such as used as high-k materials.

Obwohl ultrahohe Magnetfelder jenseits von 100 T mittels spezieller Methoden experimentell nutzbar wurden, sind Magnetisierungsmessungen in diesen Feldern noch immer sehr kompliziert. Magnetfelder im Megagauß-Bereich lassen sich heute allein durch die semidestruktive Single-Turn-Coil (STC)-Methode und durch die vollständig destruktive Flußkompression erzeugen. In beiden Fällen sind die gepulsten Felder auf eine Dauer von wenigen Mikrosekunden und ein nutzbares Feldvolumen von wenigen Kubikzentimetern beschränkt. Dadurch bedingt sind nur solche Methoden für Magnetisierungsmessungen anwendbar, die sich an diese ungünstigen Randbedingungen anpassen lassen. Die Faraday-Rotation kann für optisch transparente Proben sinnvoll sein, jedoch ist die induktive Messung mittels kompensierter Pick-up-Spulen die einzige direkte Methode. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung und Anwendung eines solchen Meßsystems in einem STC-Feldgenerator. Im Hinblick auf das Meßsystem hat sich die sehr gute geometrische Kompensation der Pick-up-Spulen als wesentlich herausgestellt. Wichtig sind daneben aber auch eine hohe Bandbreite bzw. eine unverzerrte Sprungantwort. Als äußerst effektiv hat sich insbesondere die umfassende elektromagnetische Abschirmung des Meßsystems erwiesen, so daß die vom STC-Generator ausgehenden Störungen weitgehend unterdrückt werden. Besondere, für Magnetisierungsmessungen ungünstige Eigenschaften des STC-Systems, werden dargestellt und diskutiert. Magnetisierungsmessungen bei tiefen Temperaturen an den van Vleck-Paramagneten TmPO4 und TmPO4 ergaben Anomalien bei rund 30 T bzw. 50 T für ein Feld parallel zur tetragonalen Achse. Dieser Effekt resultiert aus einer Überkreuzung der beiden niedrigsten Energieniveaus in starken Magnetfeldern und führt zu einem scharfen Sprung in der Magnetisierung. Temperaturabhängige Messungen belegen den wesentlichen Einfluß des magnetokalorischen Effekts in kurzen gepulsten Feldern. Pulverproben der intermetallischen Verbindungen RMn2Ge2 (R = Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Y) wurden bei Helium-Temperaturen in Feldern bis zu 150 T untersucht. Abhängig vom Selten-Erd-Ion wurden in allen Verbindungen ein oder mehrere feldinduzierte metamagnetische Phasenübergänge beobachtet. Sie können auf eine Änderung der magnetischen Struktur des Mn-Untersystems zurückgeführt werden. Die kritischen Felder für den Übergang zur ferromagnetischen Phase betragen zwischen 90 T und 118 T (YMn2Ge2: 55 T). Detaillierte Rechnungen werden im Rahmen eines erweiterten Molekularfeld-Modells durchgeführt. / Although ultrahigh magnetic fields in excess of 100 T have become available by specialized techniques, magnetization measurements in these fields are still a challenging task. Nowadays, magnetic fields in the megagauss range can be produced only by the semidestructive single-turn coil (STC) technique and by the fully destructive flux compression. In both cases these pulsed fields are limited to microsecond pulse duration and a usable field volume of not more than a few cubic centimeters. As a result, only those methods can be used for magnetization measurements, which can be adapted to these difficult boundary conditions. The Faraday rotation can be suitable for optically transparent samples, but the only direct technique is the induction method based on compensated pick-up coils. The present work deals with the development of such a measurement system and its application to various materials in fields up to 150 T produced by the STC. Regarding the measurement system, geometrically very well compensated pick-up coils turned out to be absolutely necessary as well as a large bandwidth and an appropriate transient response. In particular a comprehensive electromagnetic shielding, which makes use of a wire metal, proved to be very effective in suppressing disturbances produced by the STC system. Besides, some inherent characteristics and limitations of the STC generator with respect to magnetization measurements are revealed and discussed. Magnetization measurements were performed on the van Vleck paramagnets TmPO4 and PrVO4, and anomalies were found at about 30 T and 50 T, respectively, at low temperatures for a field along the tetragonal axis. This effect is due to a crossing of the lowest energy levels in high magnetic fields and results in a sharp jump in magnetization. Temperature dependent measurements provide evidence that the magnetocaloric effect plays an essential role in short pulse fields produced by the STC. Powder samples of the intermetallic compounds RMn2Ge2 (R = Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Y) have been investigated at liquid helium temperature up to 150 T. Depending on the rare-earth ion one or more field-induced metamagnetic phase transitions have been observed in all compounds, and they are found to be associated with a change in the magnetic structure of the Mn subsystem. The phase transitions to the ferromagnetic phase occur between 90 T and 118 T (YMn2Ge2: 55 T). Detailed calculations are performed using an extended molecular field model.