Um die zu erwartenden Eigenschaften einer ERLbasierten Synchrotronstrahlungsquelle zu untersuchen, baut das Helmholtz Zentrum Berlin die Testanlage bERLinPro. Die Strahlenergie in diesem Testbeschleuniger beträgt Ekin = 50MeV bei einem Strom von 100 mA. Solch ein hochstromiger Elektronenstrahl im mittleren Bereich der kinetischen Energie ist Raumladungskräften unterworfen. Raumladungskräfte sind eine Quelle von Microbunching Instabilität, die zu einer Dichtemodulation in einer Elektronenverteilung führen kann. Eine solch modulierte Verteilung kann z.B. beim Durchgang durch einen Dipol kohärente, hochbrillante Synchrotronstrahlung emittieren, also Strahlung mit längeren Wellenlängen als die Verteilung. Im Rahmen dieser Arbeit wird sowohl das Auftreten, als auch die Einsatzmöglichkeit von Microbunching Instabilität in bERLinPro untersucht. Es ist geplant, bERLinPro bei zwei verschiedenen Betriebsarten (normaler Betriebsmodus und KurzPulsModus) zu betreiben. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zum ersten Mal nummerische Simulationen des Testbeschleunigers von dessen Anfang bis dessen Ende durchgeführt, die sowohl von analytischen Rechnungen unterstützt als auch mit ihnen verglichen wurden. Ausführlich werden sowohl der Simulationscode, das Programm zur Nachbearbeitung der nummerischen Untersuchungen als auch ein SigmamatrixTrackingSkript beschrieben. Dieses dient als Basis für analytische Rechnungen, dass zusätzlich auch Impedanz Berechnungen und Gain Rechnungen beinhalten. Für den KurzPulsModus können nur analytische Rechnungen betrachtet werden, denn das entsprechende Design der Maschine, wie auch die Anpassung der Phase im Linearbeschleuniger, sind Gegenstand aktueller Untersuchungen. / To investigate the expected properties of an ERLbased synchrotron light source, the Helmholtz Zentrum Berlin (HZB) is building the test facility bERLinPro. The beam energy of the test facility amounts to Ekin = 50MeV at a current of 100 mA. Such a high current electron beam with a medium bunch energy underlies space charge forces. These are a source of microbunching instability which can lead to a density modulation of the electron distribution in the electron bunch. These modulated bunches can emit highbrilliance coherent synchrotron radiation; radiation with wavelengths longer than the bunch, i.e. by passing a dipole. In the framework of this thesis both the occurence and the possible application of microbunching instability are investigated in bERLinPro. Planes are to run bERLinPro in two different operation modes: Standard operation mode and short pulse mode. In the context of this thesis, numerical start-to-end simulations for standard operation mode have been carried out for the first time. Both were compared and supported with analytical calculations. Elaborated descriptions of simulation codes and postprocessing tools for numerical investigation are described, as well as a sigma matrix tracking script as basis for analytical investigation, including impedance and gain calculations. Since current investigations include lattice design and linac phase adjustments for the short pulse mode, only analytical calculation could be considered for this operation mode.

Das Thema der vorgelegten Dissertation ist der quasi-isochrone Betrieb der Metrology Light Source zur Erzeugung kurzer Elektronenpakete mit der damit verbundenen Emission von kohärenter Sychrotronstrahlung. Die Metrology Light Source wurde schon in der Planungsphase auf den quasi-isochronen Betrieb ausgelegt. Es stehen Quadrupol-, Sextupol- und Oktupolmagnete zur Verfügung, um die drei führenden Ordnungen des sogenannten momentum compaction factors zu kontrollieren. Der Schwerpunkte der Arbeit ist nichtlineare, longitudinale Strahldynamik, insbesondere die sogenannten "alpha-buckets". Der Vergleich zwischen analytischen Ansätzen, numerischen Simulation und experimentellen Daten wird vorgestellt und diskutiert. Desweiteren wurde die Stromlimitierung durch die Bursting-Instabilität an der Metrology Light Source untersucht. Der Großteil der Messungen ist dabei an der Metrology Light Source durchgeführt worden mit komplementären Messungen am Elektronenspeicherring BESSY II. / The subject of this thesis is the operation of an electron storage ring at a low momentum compaction to generate short electron bunches as a source for coherent synchrotron radiation. For this purpose the Metrology Light Source is ideally suited, as it is the first light source designed with the ability to adjust the three leading orders of the momentum compaction factor by quadrupole, sextupole and octupole magnets. Therefore, new opportunities to shape the longitudinal phase space arise. Focus will be put on beam dynamics dominated by nonlinear momentum compaction, in particular the generation of a new bucket type "alpha-buckets" and possible applications. Relation of analytical theory, numerical simulations and experimental data will be presented and discussed. In addition, the current limitation due to the bursting instability at the Metrology Light Source bunches will be investigated. The majority of measurements were conducted at the Metrology Light Source complemented by measurements at the BESSY II storage ring.

Die ALS ist eine fortschreitende neurodegenerative Erkrankung, deren Symptome durch den Untergang der Motoneuronen bedingt sind. Neueste zytogenetische Untersuchungen zeigen ein vermehrtes Auftreten konstitutioneller Chromosomenveränderunge bei ALS-Patienten. Dies lässt eine Verbindung zwischen dem Ausbruch der Erkrankung und der auffälligen Zytogenetik vermuten. Das Auftreten spontaner Chromosomenveränderungen als Zeichen einer chromosomalen Instabilität wurde in der vorliegenden Arbeit an ALS-Patienten untersucht. METHODE: Neben der Karyotypisierung, der Bestimmung der SCE-Rate und der Bruchrate nach Behandlung mit Bleomycin kam die Fluoreszenz in situ Hybridisierung zum Einsatz. Die Untersuchungen wurden an Patienten mit sporadischer ALS (45), an Kontrollpersonen (38) und Verwandten (9) durchgeführt. ERGEBNISSE: Die Karyotypisierung ergab bei den Patienten eine spontane Translokationsrate von 0,02 Translokationen/Zelle (t/Z), bei den Kontrollen 0,04 t/Z. Weitere numerische oder strukturelle Auffälligkeiten waren nicht signifikant verschieden. Es wurden keine konstitutionellen Chromosomenaberrationen gefunden. Die Häufigkeit der Schwesterchromatidaustausche (SCE-Rate) bewegte sich mit 7-8 SCE/Z in der Patientengruppe innerhalb der Normwerte. Durch die Zugabe von Bleomycin in die Zellkultur stieg die Zahl der Chromatidbrüche von 0,0 auf 0,8 Brüche/Z an. Dabei zeigten die untersuchten Gruppen ähnliche Progredienzen in den Bruchraten. Mit der Fluoreszenz in situ Hybridisierung werden quantitative Aussagen über spontane Translokationsraten gemacht. Sie betrug in der Kontroll-und Patientengruppe 0,03 bis 0,04 t/Z. DISKUSSION: Die vorliegenden Ergebnisse liefern keinen Anhalt für eine chromosomale Instabilität als Risikofaktor für die Entstehung der sporadischen ALS. Indizien für eine chromosomale Instabilität wie erhöhte Bruchraten und SCEs als auch vermehrtes Auftreten somatischer Aberrationen konnten bei den ALS-Patienten nicht nachgewiesen werden. Über mögliche Auffälligkeiten in den Motoneuronen lässt sich allerdings mit den Untersuchungen an Blutlymphozyten keine hinreichend sichere Aussage machen. / Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a progressive neurodegenerative disease which is characterized by the degeneration of motor neurons. Recently, a high rate of constitutional structural chromosomal rearrangements has been reported in apparently sporadic ALS patients. It remains questionable whether or not these genomic rearrangements are caused by a chromosomal instability involved in the pathogenesis of the disease. Therefore, we performed different cytogenetic studies on chromosomal instability. METHOD: We performed chromosome analyses from patients (N=45), control subjects (N=38), and relatives (N=9) after culturing blood lymphocytes. Conventional chromosome analysis after GTG-banding, chromosomal breakage test after Bleomycin treatment, the rate of sister chromatid exchange (SCE), and whole chromosome painting were used for these analyses. RESULTS: Neither karyotyping nor whole chromosome painting revealed higher levels of structural or numerical aberrations in lymphocytes of patients with sALS. After karyotyping we found 0.02 t/cell in patients and 0.04 t/cell in controls. Whole chromosome painting revealed 0.04 t/cell in patients and 0.03 t/cell in controls. The chromosomal breaks increased likewise after Bleomycin treatment in the control group and the patient group as well. Cell cultures without Bleomycin did not show any breaks while the highest Bleomycin concentration induced up to 0.08 breaks/cell. The SCE rate in patients which corresponds to the chromatid repair activity did not rise to a higher level than in the control individuals. Both groups were in the normal range of 7 to 8 SCE/cell. DISCUSSION: The pathomechanism of neurodegeneration in ALS patients is still unknown. We tried to find a cytogenetic correlative being a risk factor for the development of ALS. However, so far there is no clue for chromosomal instability being involved in the neurodegenerative process.

Helmholtz Zentrum Berlin (HZB) baut seit 2011 eine Testanlage Energy Recovery Linac (ERL) Project – BERLinPro. Das Ziel dieses Projektes ist den hohen Strom und hohe Brillanz von dem Elektronenstrahl in einem ERL zu demonstrieren. Die angestrebten Strahlparameter sind vergleichbar mit den Parametern von e.g. zukünftigen ERL-basierten Lichtquellen. Eine von solchen Anlagen ist Femto-Science Factory (FSF), die am HZB konzipiert wurde. FSF ist eine Lichtquelle in Röntgenbereich auf Basis von einem mehrumläufigen ERL mit zweistüfiger Injektion und Energie von einigen GeV. Die Quelle soll Diffraktionslimitiert sein und kurze (Femtosekundenbereich) Lichtpulse erzeugen. Die durchschnittliche und spitzen- Brillanz soll mindesten eine Größenordnung höher liegen als die Brillanz der modernen Speicherring-basierten Lichtquellen. Ein Überblick von BERLinPro und FSF ist gegeben. Eine potentielle Schwäche von ERL besteht in Strahlinstabilitäten, insbesondere regenerative Beam Break Up (BBU). Die Instabilität kann den erreichbaren durchschnittlichen Strom in einem ERL begrenzen. Der Grenzstrom von der BBU für BERLinPro ist berechnet in der Dissertation. Vergleich von zwei Linacs mit zwei verschiedenen supraleitenden Kavitätendesigns ist vorgestellt. Drei Methoden für Strahlstabilisierung (Einfluss von Strahlrotation mit einem Soleniod, Pseudoreflektor, und Tripleten von Quadrupolen in dem Linac auf den Grenzstrom) sind untersucht. Analytische Lösungen für die Twiss-Parameter wurden gefunden für die beste Linacoptik mit und ohne zusätzliche optische Elemente. Zukünftige große ERLs können unterschiedliche Beschleunigungsschemen benutzen. Diese Dissertation vergleicht drei Schemas: unmittelbare Injektion in einen 6 GeV Linac; zweistufige Injektion in einen 6 GeV Linac; und zweistufige Injektion in einen mehrumläufigen Beschleuniger mit geteiltem Hauptlinac in zwei 1 GeV Linacs. Der Basis für den Vergleich ist die Vollkostenanalyse sowie erreichbarer Grenzstrom von den Instabilitäten. / In January 2011 Helmholtz-Zentrum Berlin officially started the realization of the Berlin Energy Recovery Linac (ERL) Project – BERLinPro. The goal of this compact ERL is to develop the accelerator physics and technology required to accelerate a high-current (100 mA) low emittance beam. The parameters are desired for future large scale facilities based on ERLs, e.g. ERL-based synchrotron light sources. One of such large scale facilities is in the design phase at Helmholtz-Zentrum Berlin. This facility is called Femto-Science Factory (FSF). It is a GeV-scale multi-turn ERL-based light source. This light source will operate in the diffraction limited regime for X-rays and offer a short length of a light pulse in the femtosecond region. The average and peak brightness will be at least an order of magnitude higher than achievable from storage rings. In this work an overview of these two projects is given. One potential weakness of the Energy Recovery Linacs is a regenerative form of BBU – transverse beam break up instability. This instability can limit a beam current. In this work the threshold current of the BBU instability was calculated for BERLinPro. The comparison of two linacs based on different types of superconducting cavities is made. Different methods of BBU suppression are investigated (e.g. the influence of solenoid, pseudo-reflector and quadruple triplets in the linac structure on the BBU threshold). Analytic solutions of the Twiss parameters are used to find the best optic in the linac with and without external focusing are presented. Large scale ERL facilities can be realized on different schemes of beam acceleration. This dissertation compares a direct injection scheme with acceleration in a 6 GeV linac, a two-stage injection with acceleration in a 6 GeV linac and a multi-turn (3-turn) scheme with a two-stage injection and two main 1 GeV linacs. The key points of the comparison were total costs and BBU instability. Linac optic solutions are presented.

Die Dissertationsschrift widmet sich einer systemtheoretischen Untersuchung zur verkehrsabhängigen Steuerung von Lichtsignalanlagen in Straßennetzwerken. Aus einem mathematischen Modell für den Verkehrsablauf auf Knotenzufahrten wird ein Verfahren abgeleitet, mit dem sich Umschaltzeitpunkte und Phasenwechsel flexibel an das tatsächliche Verkehrsgeschehen anpassen lassen. Der Ansatzpunkt ist, die einzelnen Knotenpunkte des Netzwerks lokal zu optimieren. Eine "Grüne Welle" soll sich von selbst einstellen, und zwar genau dann, wenn dadurch lokal Wartezeiten eingespart werden. Indem die lokale Optimierung in ein lokales Stabilisierungsverfahren eingebettet wird, können Instabilitäten aufgrund netzwerkweiter Rückkopplungen ausgeschlossen werden. Das vorgestellte Verfahren setzt sich aus drei Teilen zusammen: (i) einem lokalen Prognoseverfahren zur Bewertung von Schaltzuständen und Phasenübergängen bezüglich zukünftig entstehender Wartezeiten, (ii) einem lokalen Optimierungsverfahren, das jeder Phase einen dynamischen Prioritätsindex zuweist und die Phase mit höchster Priorität zur Bedienung auswählt und (iii) einem lokalen Stabilisierungsverfahren, das zum Einhalten einer mittleren und einer maximalen Bedienperiode korrigierend in die lokale Optimierung eingreift. Indem die Knotenpunkte ausschließlich über die Verkehrsströme gekoppelt sind, ergeben sich die Umschaltzeitpunkte unmittelbar aus den Ankunftszeitpunkten der Fahrzeuge selbst. Die Phasenwechsel stellen sich somit von selbst bedarfsgerecht ein. Simulationsergebnisse machen deutlich, dass sich aufgrund der höheren Flexibilität sowohl die Wartezeiten als auch der Kraftstoffverbrauch senken lassen.

In this thesis we investigate the formation of patterns in a simple activator-inhibitor model supplemented with an inhibitory nonlocal coupling term. This model exhibits a wave instability for slow inhibitor diffusion, while, for fast inhibitor diffusion, a Turing instability is found. For moderate values of the inhibitor diffusion these two instabilities occur simultaneously at a codimension-2 wave-Turing instability. We perform a weakly nonlinear analysis of the model in the neighbourhood of this codimension-2 instability. The resulting amplitude equations consist in a set of coupled Ginzburg-Landau equations. These equations predict that the model exhibits bistability between travelling waves and Turing patterns. We present a study of interfaces separating wave and Turing patterns arising from the codimension-2 instability. We study theoretically and numerically the dynamics of such interfaces in the framework of the amplitude equations and compare these results with numerical simulations of the model near and far away from the codimension-2 instability. Near the instability, the dynamics of interfaces separating small amplitude Turing patterns and travelling waves is well described by the amplitude equations, while, far from the codimension-2 instability, we observe a locking of the interface velocities. This locking mechanism is imposed by the absence of defects near the interfaces and is responsible for the formation of drifting pattern domains, i.e. moving localised patches of travelling waves embedded in a Turing pattern background and vice versa.

In this work, atomic scale investigation of pressure-induced transformations in the solid state have been carried out. A series of compounds including GaN, ZnO, CaF2, and AgI, in addition to elemental phosphorus have been studied. The corresponding transition mechanisms have been elucidated with a clear description of atomic displacements and intermediate structures involved therein. In the first group of compounds, the long standing debate on the transition path of the wurtzite(WZ)-to-rocksalt(RS) transition in semiconductors, GaN and ZnO was resolved using geometrical modeling combined with molecular dynamics (MD) simulations conducted in the frame of transition path sampling (TPS) method. In GaN, a two-step mechanism through a metastable intermediate phase with a tetragonal structure iT has been revealed from simulations. In ZnO, the tetragonal intermediate structure was kinetically less stable, although still part of the real transition mechanism. It appeared at the interface between WZ and RS as consequence of a layers shearing. The transition regime in ZnO was characterized by a competition between iT structure and another hexagonal intermediate with hexagonal symmetry iH. Although possible, the latter is not functional for the transition. In both cases, GaN and ZnO, two points of agreement with experiments have been revealed. The tilting of structures after transition, and the phonon mode softening associated with atomic displacements leading to the tetragonal structure iT In the second group of compounds, the investigation of transitions in superionic conductors, CaF2 and AgI, demonstrated a different and particular behavior of atomic motion under pressure. The solid-solid reconstruction of CaF2 structure was shown to be initiated and precedented by high disorder of the anionic sublattice. The percolation of fluoride ions through voids in the fluorite structure created a thin interface of liquid like state. The sparce regions caused by the departure of anions facilitates the cation sublattice reconstruction. In AgI, ion diffusion during the wurtzite/zincnlende(ZB)$rocksalt transition was more pronounced due to the extended stacking disorder WZ/ZB. The Ag+ ions profited not only from the structure of the interface but used the combination of interstitial voids offered by both phases, WZ and ZB, to achieve long diffusion paths and cause the cation sublattice to melt. Clearly, a proper account for such phenomena cannot be provided by geometry-designed mechanisms based on symmetry arguments. In phosphorus, the question of how the stereochemically active lone pairs are reorganized during the orthorhombic (PI) to trigonal (PV) structural transition was answered by means of simulations. Computation was performed at different levels theory. First, the mechanism of the transition was obtained from TPS MD simulations. MD runs were performed within density functional tight binding method (DFTB). The analysis of atomic displacements along the real transformation path indicated a fast bond switching mechanism. In a second step, the nature of the interplay between orbitals of phosphorus during the bond switching was investigated. A simultaneous deformation of lone pair and P−P bond showed a mutual switching of roles during the transformation. This interplay caused a low dimensional polymerization of phosphorus under pressure. The corresponding structure formed as zigzag linear chain of fourfold coordinated phosphorus atoms (· · ·(P(P2))n · · ·) at the interface between PI and PV phases. A further result of this work was the development of a simulation strategy to incorporate defects and chemical doping to structural transformations. On top of the transition path sampling iterations, a Monte Carlo like procedure is added to stepwise substitute atoms in the transforming system. Introducing a chemically different dopant to a pure system represents a perturbation to the energy landscape where the walk between different phases is performed. Therefore, any change in the transition regime reflects the kinetic preference of a given structural motif at times of phase formation. This method was applied to the elucidation of WZ-RS transition mechanism in the series of semiconducting compounds AlN, GaN, and InN. Simulations showed that In atoms adopt the same transformation mechanism as in GaN and favor it, while Al atoms demonstrated a significant reluctance to the path going through tetragonal intermediate iT. The difference between transition regime in mixed systems InxGa1−xN and AlxGa1−xN is in agreement with experiments on high pressure behavior of AlN, GaN, and InN. While transitions in GaN and InN are reversible down to ambient conditions, AlN is stable. The work presented in this thesis constitutes the seed of new perspectives in the understanding of pressure-induced phase transformations in the solid state, where the physics and the chemistry are brought together by means of computer simulations.

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Die Dissertationsschrift widmet sich einer systemtheoretischen Untersuchung zur verkehrsabhängigen Steuerung von Lichtsignalanlagen in Straßennetzwerken. Aus einem mathematischen Modell für den Verkehrsablauf auf Knotenzufahrten wird ein Verfahren abgeleitet, mit dem sich Umschaltzeitpunkte und Phasenwechsel flexibel an das tatsächliche Verkehrsgeschehen anpassen lassen. Der Ansatzpunkt ist, die einzelnen Knotenpunkte des Netzwerks lokal zu optimieren. Eine "Grüne Welle" soll sich von selbst einstellen, und zwar genau dann, wenn dadurch lokal Wartezeiten eingespart werden. Indem die lokale Optimierung in ein lokales Stabilisierungsverfahren eingebettet wird, können Instabilitäten aufgrund netzwerkweiter Rückkopplungen ausgeschlossen werden. Das vorgestellte Verfahren setzt sich aus drei Teilen zusammen: (i) einem lokalen Prognoseverfahren zur Bewertung von Schaltzuständen und Phasenübergängen bezüglich zukünftig entstehender Wartezeiten, (ii) einem lokalen Optimierungsverfahren, das jeder Phase einen dynamischen Prioritätsindex zuweist und die Phase mit höchster Priorität zur Bedienung auswählt und (iii) einem lokalen Stabilisierungsverfahren, das zum Einhalten einer mittleren und einer maximalen Bedienperiode korrigierend in die lokale Optimierung eingreift. Indem die Knotenpunkte ausschließlich über die Verkehrsströme gekoppelt sind, ergeben sich die Umschaltzeitpunkte unmittelbar aus den Ankunftszeitpunkten der Fahrzeuge selbst. Die Phasenwechsel stellen sich somit von selbst bedarfsgerecht ein. Simulationsergebnisse machen deutlich, dass sich aufgrund der höheren Flexibilität sowohl die Wartezeiten als auch der Kraftstoffverbrauch senken lassen.