The accumulation of helium atoms in metals or metal tritides is known to result in the formation of helium bubbles in the lattice and to cause degradation of the material. Helium is introduced either through neutron transmutation reaction or via the radioactive decay of tritium. We have performed first-principles calculations of interstitial helium inside Pd and Pd tritide using density functional theory (DFT) and the projector augmented-wave (PAW) method within the generalized gradient approximation (GGA). We model the growth process of an interstitial helium cluster and find that when the size of the cluster reaches to five atoms, the cluster can induce an energetically favorable vacancy with a self-trapping mechanism. The cluster growth mechanism of interstitial helium is addressed by investigating the associated energetics, cluster configurations, and electronic structural properties. In addition, we study the diffusion properties of helium in palladium-based compounds by performing the nudged elastic band (NEB) calculations. Our computational models propose that by loading the lattice with hydrogen atoms at certain concentration, or substituting with alloying metals can modify the diffusivity by increasing its migration barrier, which may impede the cluster formation in the beginning stage.

Das Hauptziel einer Strahlentherapie, die möglichst vollständige Vernichtung des Tumorgewebes bei einer höchstmöglichen Schonung des umliegenden Gewebes und der Risikoorgane, kann mit Kohlenstoffionen besser als mit Elektronen oder Gammastrahlung erreicht werden. Ionen haben ein inverses Tiefen-Dosisprofil, sie geben einen Großteil ihrer Energie am Ende ihres Weges durch Materie ab. Dieses Energieabgabeverhalten, die wohl definierte Reichweite und die erhöhte biologische Wirksamkeit im Tumor prädestinieren zum Beispiel Kohlenstoffionen für die Behandlung inoperabler, gegen konventionell eingesetzte Strahlung resistenter Tumoren. Allerdings führen diese Eigenschaften der Strahlung auch dazu, dass Veränderungen der Dichte der Materie im Strahlweg zu einer Verschiebung des Maximums der Energieabgabe und damit zu einer deutlichen Veränderung der Dosisverteilung führen. Ein Monitoring der reichweitesensitiven Ionenbestrahlungen ist somit erforderlich. Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET), die normalerweise dazu benutzt wird, die Verteilung eines injizierten Positronenemitters im Gewebe zu bestimmen, kann hier eingesetzt werden. Durch Kernreaktionen der einfliegenden Kohlenstoffionen mit Atomkernen des Gewebes kommt es zur Erzeugung von Positronenemittern, die über ihren Zerfall mit dem an der experimentellen Therapieanlage an der Gesellschaft für Schwerionenforschung installierten in-beam PET-Scanner nachgewiesen werden können. Da die Dosisverteilung und die erzeugte Aktivitätsverteilung durch verschiedene physikalische Prozesse bedingt sind, ist ein direkter Vergleich der PET-Messung mit der von den Ärzten und Medizinphysikern festgelegten Dosisverteilung nicht möglich. Aus der Dosisverteilung und dem Zeit-ablauf der Bestrahlung wird eine Vorhersage der Aktivitätsverteilung berechnet, die dann mit der Messung verglichen wird. Auf der Grundlage dieses Vergleiches ist die in-beam PET-Methode in der Lage, während der Behandlung Reichweiteabweichungen im Patienten, Ungenauigkeiten in der Positionierung und auch Fehler im physikalischen Strahlmodell aufzuzeigen. Trotz einer guten Anpassung der in der Vorausberechnung verwendeten physikalischen Modelle an die Realität kommt es zu Abweichungen, die nicht mit einer ungenauen Dosisapplikation begründbar sind. Diese sind zum größten Teil durch die metabolischen Vorgänge im Patienten bedingt, an denen die Positronenemitter teilnehmen. Diese Washout-Prozesse sind zwischen verschiedenen Patienten und verschiedenen Behandlungstagen nicht reproduzierbar. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine Quantifizierung des Washouts in Abhängigkeit verschiedener Parameter vorgenommen, deren Berücksichtigung zur Verbesserung der Vorausberechnung führt. Um eine flexiblere Positionierung des Patienten am raumfesten Bestrahlungssystem der GSI zu ermöglichen, wurde an der GSI ein Bestrahlungsstuhl entwickelt. Um auch bei der Bestrahlung sitzender Patienten eine in-beam PET-Messung zu ermöglichen, sind die beiden Detektor-Einheiten der PET-Kamera um die Strahlachse drehbar. Durch die hohe Eigenmasse der Detektoren kommt es jedoch zu Deformationen der idealen Kreisbahn. Um eine ortsgenaue Rekonstruktion der Daten zu ermöglichen, müssen diese Deformationen quantifiziert und korrigiert werden. Dies war ein weiteres Anliegen dieser Arbeit. Das wichtigste Ziel der vorliegenden Dissertation jedoch war, die in-beam PET-Methode auf neue Ionensorten zu erweitern. Es wurde gezeigt, dass die in-beam PET-Methode auch für 3He-Bestrahlungen angewendet werden kann. Dafür wurden Experimente an einem 3He-Strahl durchgeführt. Die Aktivitätsausbeute ist bei gleicher applizierter Dosis etwa dreimal so hoch wie bei 12C-Bestrahlungen. Die erreichbare Reichweite-Auflösung ist kleiner als 1 mm. Bei der Bestrahlung eines inhomogenen Phantoms wurde gezeigt, dass ein Kontrast zwischen verschiedenen Materialien auflösbar ist. Aus den experimentell bestimmten Reaktionsraten wurden Wirkungsquerschnitte für zu Positronenemittern führende Reaktionen abgeschätzt. Die in den 3He-Experimenten genommenen Daten wurden denen in Kohlenstoff-Ionen-Experimenten gewonnen sowie Literaturdaten für Protonenbestrahlungen gegenübergestellt. Ein Vergleich mit den Rechnungen des Simulationsprogrammes Shield-Hit erfolgte. Eine Zusammenstellung von Wirkungsquerschnittsmodellen und die aufgestellten Anforderungen an ein für in-beam PET verwendbares Simulationsprogramm sind vorbereitend für weitere Arbeiten.

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University, Diss., 2006--Frankfurt (Main). / Zsfassung in dt. und engl. Sprache.

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The Hartree-Fock-Bogoliubov theory of homogeneous boson systems at finite temperatures is rederived using, a free energy variational principle. It is shown that a t-matrix naturally emerges in the theory. Phenomenological modifications are made (1) to remove the energy gap at zero momentum, and (2) to eliminate the Hartree-Fock-like terms, which dress the kinetic energy of the particle. A numerical calculation of the energy spectrum is made over a temperature range of 0.00 to 3.14 K using the Morse dipole-dipole-2 potential and the Frost-Musulin potential. The energy spectrum of the elementary excitations is calculated self-consistently. It has a phonon behavior at low momentum and a roton behavior at higher momentum, so it is in qualitative agreement with the observed energy spectrum of liquid He II. However, the temperature dependence of the spectrum is incorrectly given. At the observed density of 0.0219 atoms A-3, the depletion of the zero-momentum state at zero temperature is 40.5% for the Morse dipole-dipole-2potential, and 43.2% for the Frost- Musulin potential. The depletion increases gradually until at 3.14 K the zero momentum density becomes zero discontinuously, which indicates a transition to the ideal Bose gas.

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Les particules cosmiques sont émises par différentes sources galactiques et sont composées de protons et de noyaux d'hélium. Ces éléments interagissent avec les matériaux et y déposent leur énergie par interaction nucléaire. L'instrument Planck/HFI a observé le ciel depuis l'espace dans le but de cartographier le fond diffus cosmologique. Pour cela, HFI embarque un plan focal refroidit à 100 mK composé de 54 bolomètres. Le flux de particules cosmiques, interagissant avec les composants des détecteurs (thermomètre, grille, wafer), chauffe ponctuellement les capteurs (glitches) ce qui entraine une dégradation du signal scientifique. Leur étude a révélé un autre effet thermique caractérisé par un chauffage global du plan focal de l'ordre du microkelvin, les High Coincidence Events (HCE). Deux familles de HCE ont été isolées dans les données : les rapides, générés par des gerbes de particules secondaires formées dans les couches externes du satellite et interagissant avec l'ensemble de l'instrument HFI ; les lents, généré par la vaporisation d'hélium formant un lien thermique ponctuel entre le plan focal et l'étage à 1,6 K lui faisant face. L'exposition d'une matrice de bolomètres TES à une source de particules α a démontré une réponse similaire mais également des glitches simultanés entre les pixels.Ces recherches démontrent que les particules cosmiques et les gerbes de particules doivent être étudiées afin d'éviter des effets thermiques prédominant. Le développement des prochaines générations de détecteurs, devront ainsi prendre en compte ces interactions indissociables d'une mission spatiale et s'en prémunir. / Cosmic rays are emitted from different galactic sources and consist of protons and helium nuclei. These elements interact with matter and deposit part of their energy by nuclear interaction.The Planck/HFI instrument observed the sky from space to map the Cosmic Microwave Background. For this purpose, HFI has a focal plane cool down to 100 mK and composed of 54 bolometers. The interactions of the cosmic ray flux with the detectors' components (thermometer, grid and wafer) heat up regularly the sensor (glitches) which leads to a degradation of the scientific signal. Studying them revealed another thermal effect characterized by a thermal increase of the entire focal plane up to the microkelvin range, the High Coincidence Events (HCE).Two HCE famillies were separated: the fast ones, generated by cosmic ray showers developed in the external layers of the satellite and interacting with the entire HFI instrument and the slow ones, generated by the vaporisation of helium forming a ponctual thermal link between the focal plane and the 1.6 K stage facing it.Exposure of a TES bolometer matrix to an α particules source showed a similar response but also simultaneous glitches on several pixels. This work demonstrates that cosmic rays and particle showers on next low temperature experiments has to be studied to prevent predominating thermal effects from it. The developpement of futur space experiments will have to take these interactions into account to elimiate them from data.

Les boucles de circulation naturelle d'hélium diphasiques sont utilisées comme systèmes de refroidissement d'aimants supraconducteurs de grande envergure, vus leurs avantages inhérents de sûreté et d'entretien. Des exemples sont le détecteur CMS au CERN (déjà en opération) ou les aimants du spectromètre R3B-GLAD au GSI (en installation). Une des préoccupations majeures lors du refroidissement par ébullition est la crise d'ébullition : la dégradation soudaine du transfert de chaleur pariétal au-delà d'une certaine valeur de flux de chaleur, dénommée critique. L'augmentation de température de paroi qui en résulte peut entraîner la perte de l'état supraconducteur de l'aimant.Les boucles de circulation naturelle à l'hélium ont déjà été étudiées expérimentalement et numériquement en régime permanent, spécialement en régimes pré-critiques (ébullition nucléée). Les travaux sur les transferts de masse et de chaleur en hélium en ébullition en régime transitoire présents dans la littérature ciblent principalement des systèmes de petites dimensions, des canaux très étroits ou trop courts, ou l'ébullition en bain. Bien que des comportements qualitativement similaires sont attendus, l'extrapolation de ces résultats à une boucle de circulation naturelle n'est pas évident, si possible. C'est pourquoi une étude particulière du comportement thermohydraulique transitoire de boucles d'hélium en circulation naturelle, lors d'une augmentation soudaine de la charge thermique, est nécessaire. Une partie de cette étude consiste en des expériences sur une boucle d'hélium diphasique en circulation naturelle de 2 m de haut, à 4,2 K. Deux sections chauffées verticales de diamètre différent (10 et 6 mm) et d'environ 1 m de longueur ont été testées. Les transitoires sont induits par une marche soudaine de puissance. Deux types de condition initiale ont été considérés : statique (sans puissance initiale), et en équilibre dynamique (puissance initiale non-nulle). L'évolution de la température de paroi le long de la section, le débit massique et la perte de charge a été mesurée. Parmi d'autres phénomènes, un fort intérêt a été porté au début de la crise d'ébullition. Les valeurs limites de flux de chaleur final auxquelles la crise arrive ont été déterminées. D'un côté, on a observé que la crise peut avoir lieu de façon temporaire ou permanente à une puissance appréciablement plus faible qu'en régime permanente. De l'autre côté, l'augmentation de la circulation initiale, à travers le flux de chaleur initial, peut inhiber partiellement ou totalement cette crise d'ébullition prématurée. On a déterminé que cette dégradation du transfert de chaleur est l'issu de deux phénomènes en compétition, véritablement inhérents à la circulation naturelle : une étape initiale d'accumulation uniforme de vapeur, avec inversion ou diminution de la vitesse d'entrée, et l'établissement ultérieur de la circulation, avec le transit d'un front froid depuis l'entrée. Une analyse semi-empirique nous a permis de déterminer un critère, basé sur l'évolution dynamique du profile spatial du titre massique, pour prédire le déclenchement de la crise. Néanmoins, il est nécessaire de connaître à priori l'évolution du débit massique pour pouvoir appliquer ce critère. La dernière partie de ce travail est dévouée à la production et validation de modèles et outils de calcul pour la simulation du comportement thermohydraulique d'un tel système. Deux options de modélisation sont présentées. L'une est une simplification des équations du modèle homogène 1D des écoulements diphasiques (mise en place en COMSOL) ; l'autre reprend le modèle homogène tel quel (programmé en C). Les simulations d'évolution du débit massique sont en assez bon accord avec les mesures, à l'exception d'un léger déphasage temporel. Ceci pourrait être dû à la combinaison d'un retard de l'instrumentation pour la mesure du débit et de l'inexactitude des hypothèses de base du modèle homogène lors de transitoires très violents. / Boiling helium natural circulation loops are used as the cooling system of large superconducting magnets because of their inherent safety and maintenance advantages. Examples are the cooling systems of the CMS detector solenoid magnet at CERN (already in operation) or the R3B-GLAD spectrometer magnet at GSI (in installation phase). A major concern in boiling cooling systems is that of boiling crisis: a sudden deterioration of the wall heat transfer takes place when the surface heat flux exceeds a certain value, called the critical heat flux (CHF). The resulting high temperatures on the wall could ultimately entail the loss of superconducting state of the magnet.Helium natural circulation loops have already been studied experimentally and numerically in steady state, especially in the pre-critical heat and mass transfer regimes (nucleate boiling). Works on transient boiling heat and mass transfer in helium present in the literature are mostly focused on small systems, very narrow channels, too short pipes or pool boiling. Although it is expected to find qualitative similarities with already observed behavior, the extrapolation to a natural circulation loop is not easy, if even possible. Hence the need for a particular study on the transient thermohydraulic behavior of helium natural circulation loops, after sudden increases in the heat load of the circuit.A part of this study consists of experiments conducted in a 2-meter high two-phase helium natural circulation loop at 4.2 K temperature. Two vertical heated sections with different diameters (10 and 6 mm) and around 1 m length were tested. Heat load transients were driven by a step-pulsed heat load. Transients with two types of initial conditions have been studied: static loop (no initial power applied) and in-dynamic-equilibrium loop (non-zero initial power applied). The evolutions of wall temperature along the heated section, total mass flow rate and pressure drop were measured. Among other phenomena, the nature of the onset of boiling crisis has received a special attention. The values of final heat flux limits for its occurrence have been determined. On the one hand, we observed that boiling crisis can take place in temporary or stable fashion at power significantly lower than in steady state. On the other hand, the increase of initial circulation, by raising initial heat flux, can inhibit partially or completely this power-premature boiling crisis. We could determine that this heat transfer deterioration is the result of two competing phenomena, veritably inherent to the natural circulation feature of the system: an initial stage of uniform vapor accumulation with inlet back-flow or velocity reduction, and the ulterior onset of circulation with the transit of a cold front from the entrance. A semi-empirical analysis of data allowed determining a criterion, based on the dynamic evolution of the quality profile in the section, to predict the incipience of boiling crisis. It became evident that it is necessary to know how the mass flow rate of the system is going to evolve, in order to apply the mentioned criterion.Hence, the other part of this work is aimed to the production and validation of models and calculation tools in order to simulate the thermohydraulic behavior of a two-phase helium natural circulation loop. Two modeling options are proposed. One of them consists of a simplification of the 1D two-phase homogeneous model equations (implemented in COMSOL) and the other of their full version (coded in C language). The simulated mass flow rate represents reasonably well the measured evolution except for a relatively small time phase-shift. This could be due to a combination of the delay of flow-metering instrumentation with the inaccuracy of the basic homogeneous model assumptions during violent transients.