Bochum, Universiẗat, Diss., 2000.

Thesis--Brunswick. / In Periodical Room.

Regensburg, Univ., Diss., 2010.

Nürnberg, Universiẗat, Diss., 2002--Erlangen.

L’objectif de ce projet est de développer des méthodes d’analyse et de caractérisation des défauts structurels des matériaux s’appuyant sur la thermographie infrarouge stimulée. Nous pouvons à l’aide d’une excitation photothermique distante et d’un outil d’analyse que nous avons développé en laboratoire, déterminer la structure sous jacente d’un matériau, repérer précisément ses défauts et les mesurer. L’application qui nous intéresse ici porte sur la prévention, le diagnostique et la restauration des oeuvres d’art, nous avons démontré par de précédents travaux, la pertinence de cette approche et son potentiel important dans de nombreux domaines, qu’ils soient industriels, culturels, médicales ou autres. Nous avons fait la démonstration qu’il était possible d’analyse des matériaux fragiles de façon fiable et sans contact et nous comptons généraliser cette approche en l’étendant dans ses domaines d’intervention et dans sa précision. / The objective of this project is to develop analysis and characterization of structural defects in material methods based on photothermal radiometry,We can by means of a remote photothermal excitation and an analysis tool that we have developed in the laboratory to determine the underlying structure of a material, precisely locate its flaws and measure. The application of interest here focuses on the prevention, diagnosis and restoration of works of art, we have demonstrated by previous work, the relevance of this approach and its significant potential in many areas, such as industrial cultural, medical or other. We have demonstrated that it was possible to analyze fragile materials reliably and without contact and we intend to generalize this approach by extending its focal areas and its accuracy.

Die vorliegende Arbeit behandelt die radiometrische Nutzung von Wellenlängenschiebern an Elektronenspeicherringen. Die grundsätzlichen Aspekte der Radiometrie, der technischen Voraussetzungen und des Einflusses von Wellenlängenschiebern auf den Speicherring werden am Beispiel eines bei BESSY installierten Gerätes aufgezeigt. Ein Großteil der Rechnungen wurden mit dem Programm WAVE durchgeführt, das im Rahmen der Arbeit entwickelt wurde. WAVE erlaubt die Berechnung der Synchrotronstrahlung von Wellenlängenschiebern mit einer relativen Unsicherheit von 1/100000. Maschinenphysikalische Eigenschaften eines Wellenlängenschiebers und eine Erzeugenden-Funktion für symplektische Tracking-Rechnungen können ebenfalls mit WAVE berechnet werden. Letztere wurden in den Tracking-Code BETA implementiert. Damit lassen sich die Einflüsse von Insertion Devices auf die dynamische Apertur und die Emittanz des Speicherringes untersuchen. Die Ergebnisse dieser Studien führten zum Konzept alternierender High- und Low-Beta-Sektionen, die den Betrieb supraleitender Insertion Devices bei BESSY-II ohne signifikante Störung der Speicherringoptik ermöglichen. Um auch die experimentelle Seite der Radiometrie an Wellenlängenschiebern zu untersuchen, wurde ein Programm auf der Basis des Monte-Carlo-Codes GEANT4 entwickelt. Es erlaubt die Simulation der radiometrischen Messung und der Absorptionseigenschaften des Detektors. Mit den entwickelten Programmen wurden erste radiometrische Messungen der PTB analysiert. Ein Vergleich zwischen Messungen und Rechnung zeigt eine zufriedenstellende Übereinstimmung mit Abweichungen von ca. fünf Prozent für Messungen im Energiebereich zwischen 40 keV und 120 keV hinter einem 1-mm-Kupferfilter. Eine bessere Übereinstimmung wurde im Bereich von 20 - 80 keV ohne Kupferfilter erzielt. In diesem Fall stimmen die gemessenen Daten im Rahmen der systematischen Unsicherheiten von zwei Prozent mit den Rechnungen überein. / Subject of this thesis are the operation of wave-length shifters at electron storage rings and their use in radiometry. The basic aspects of the radiometry, the technical requirements, the influence of wave-length shifters on the storage ring, and results of first measurements are presented for a device installed at BESSY. Most of the calculations are carried out by the program WAVE, which has been developed within this thesis. WAVE allows to calculate the synchrotron radiation spectra of wave-length shifters within an relative uncertainty of 1/100000. The properties of wave-length shifters in terms of accelerator physics as well as a generating function for symplectic tracking calculations can also be calculated by WAVE. The later was implemented in the tracking code BETA to investigate the influence of insertion devices on the dynamic aperture and emittance of the storage ring. These studies led to the concept of alternating low- and high-beta-sections at BESSY-II, which allow to operate superconducting insertion devices without a significant distortion of the magnetic optics. To investigate the experimentel aspects of the radiometry at wave-length shifters, a program based on the Monte-Carlo-code GEANT4 has been developed. It allows to simulate the radiometrical measurements and the absorption properties of detektors. With the developed codes first radiometrical measurements by the PTB have been analysed. A comparision of measurements and calculations show a reasonable agreement with deviations of about five percent in the spectral range of 40 - 60 keV behind a 1-mm-Cu filter. A better agreement was found between 20 keV and 80 keV without Cu filter. In this case the measured data agreed within a systematic uncertainty of two percent with the results of the calculations.

Inhalt dieser Arbeit ist die Design-Studie für einen kompakten Niederenergie-Elektronenspeicherring für die Radiometrie. Im Ring sollen Elektronen mit Energien im Bereich von 200 MeV bis 600 MeV gespeichert werden können, wobei die Emittanz möglichst klein und die Strahllebensdauer über den gesamten Energiebereich bei einem Strom von 100 mA mindestens eine Stunde sein sollten.Diese Vorgaben wurden in Abstimmung mit einem der potentiellen Hauptnutzer, der Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), festgelegt und sollen den Speicherring zu einer optimalen Synchrotronstrahlungsquelle für die Radiometrie im ultravioletten und vakuumultravioletten Spektralbereich mit Photonenenergien zwischen etwa 5 eV und 200 eV machen. Im Rahmen dieser Arbeit werden die aus physikalischer Sicht wichtigsten Teilsysteme eines Speicherringes konzeptioniert: Magnetoptik, Hochfrequenz-, Vakuum-, Diagnose- und Injektionssystem sowie die Magnetauslegung. Außerdem werden die zu erwartenden Synchrotronstrahlungsspektren berechnet. Der entworfene Speicherring hat einen Umfang von 34.2 m und besteht aus zwei "Triple Bend Achromat"-Bögen, die durch gerade Strecken miteinander verbunden sind. In eine dieser geraden Strecken kann ein maximal 5.6 m langes "Insertion Device" eingebaut werden, die andere ist durch die Injektionselemente und das Hochfrequenz-Cavity belegt. Insgesamt können mit dem Design des hier vorgestellten Speicherringes alle gestellten Anforderungen erfüllt werden: die natürliche Emittanz ist vergleichsweise niedrig und liegt bei günstigen linearen und nichtlinearen Eigenschaften der Magnetoptik nah an ihrem minimal möglichen Wert. Mit der gewählten Auslegung von Magnetoptik, Hochfrequenz- und Vakuumsystem beträgt die Strahllebensdauer mit einem Speicherringstrom von 100 mA bei niedrigen Elektronenenergien zwischen (200...300)MeV etwas über eine Stunde und steigt auf mehr als sechs Stunden bei der Maximalenergie von 600 MeV. Die Strahllebensdauer übertrifft damit im gesamten Energiebereich die Vorgabe. / The subject of this work is the preparation of a design study for a compact low energy electron storage ring for radiometry in the ultraviolet and vacuum ultraviolet spectral range. Electrons with energies between 200 MeV and 600 MeV are to be stored. A small natural emittance is desired and the lifetime of a stored electron beam of 100 mA should not be less than one hour in the considered energy range. These major guidelines have been fixed in cooperation with one of the potential main users, the Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB), to optimize the storage ring for radiometric applications in the ultraviolet and vacuum ultraviolet spectral range with photon energies from approximately 5 eV to 200 eV. In this work the physical layout for the most important subsystems is given: magnet optics, rf-, vacuum-, diagnostic and injection system as well as the main magnet design. Additionally the expected synchrotron radiation spectra are calculated. The storage ring has a circumference of 34.2 m and consists of two Triple Bend Achromat cells, connected by two long straight sections. In one of these straight sections a 5.6 m long insertion device can be build in. The other one is occupied by the injection elements and the rf-cavity. All aspired guidelines are feasible with the presented storage ring design: the natural emittance is comparably small and with good linear and nonlinear optical properties close to its minimum value. With the presented solution (magnet optics, rf- and vacuum-system) the electron beam lifetime with 100 mA ring current is slightly above one hour at energies between (200...300) MeV and increases to more than 6 hours at the maximum energy of 600 MeV. Thus beam lifetime exceeds the guidelines at all energies.

Das Ziel dieser Dissertation ist das Schließen der radiometrischen Lücke zwischen der klassischen Radiometrie und der Radiometrie im Bereich weniger und einzelner Photonen. In dieser Arbeit wurden dazu zwei wesentliche Themen bearbeitet. Erstens, die Charakterisierung und Validierung eines neuen radiometrischen Detektorprimärnormals für den Wellenlängenbereich von 400 nm bis 800 nm basierend auf Silizium-Photodioden. Dieses neuartige Primärnormal kann sowohl in der Radiometrie im Bereich weniger Photonen als auch in der klassischen Radiometrie eingesetzt werden, der sogenannte “Predictable Quantum Efficient Detector” (PQED). Der PQED wurde im Rahmen dieser Arbeit charakterisiert und experimentell validiert. Für die Validierung war es nötig, die relativen Unsicherheiten der klassischen Radiometrie und insbesondere der Kryoradiometrie, deutlich zu verringern. Mit der Inbetriebnahme eines neuen Kryoradiometers wurde das Ziel, in den Unsicherheitsbereich von ca. 10E−5 vorzudringen, erreicht. Zweitens, es wurde eine Kalibriermethode für Einzelphotonendetektoren eingesetzt, rückgeführt auf das internationale Einheitensystem, die auf den einzigartigen Eigenschaften von Synchrotronstrahlung basiert. Diese Methode kann benutzt werden um sowohl Freistrahl- als auch fasergekoppelte Einzelphotonendetektoren bei praktisch jeder gewünschten Wellenlänge zu kalibrieren und erreicht im Moment die weltweit geringsten Messunsicherheiten. Mit dem neuen Kryoradiometer, dem PQED und dem auf Synchrotronstrahlung basierenden Kalibrierverfahren sind die erreichbaren Messunsicherheiten in der Radiometrie im Bereich von wenigen Photonen bis zu Strahlungsleistungen im Milliwattbereich deutlich reduziert worden. / This thesis addresses the bridging of the radiometric gap in the transition from classical radiometry to the few and single photon radiometry. In this context, two main tasks were emphasised. First: A new radiometric primary detector standard for wavelengths between 400 nm and 800 nm, suitable for classical and few photon radiometry, the so-called “Predictable Quantum Efficient Detector” (PQED) was characterised and validated. For the validation of the PQED, the relative uncertainties achievable in classical radiometry and, in particular, with cryogenic radiometers had to be reduced to a level of 10E−5 with the commissioning of a new cryogenic radiometer facility. Second: A calibration method for single photon detectors in the visible and NIR has been used which is based on the unique properties of synchrotron radiation. This calibration method allows radiometric single photon detector calibrations with the lowest uncertainties reported so far. This method can be used to calibrate free space and fibre-coupled single photon detectors traceable to the international system of units at practically every desired optical wavelength. With the new cryogenic radiometer, the PQED, and the calibration method based on synchrotron radiation, the uncertainties in radiometry have been significantly reduced in the range from milliwatts of radiant power down to attowatts corresponding to a few photons per second.

Basierend auf einer Analyse der spezifischen Merkmale der Drucksondierung (DS) und der radiometrischen Kombinationsdrucksondierung (KDS) sowie einer Dimensionsanalyse wurde ein Verfahren zur Aufstellung materialspezifischer Korrelationsbeziehungen zwischen den Messgrößen der Drucksondierung und den bei der KDS gewonnenen bodenphysikalischen Parametern Porenanteil, Dichte und Feinkornanteil entwickelt, wodurch die Effizienz von Drucksondierungen signifikant erhöht werden konnte. Es wird anhand geostatistischer Untersuchungen gezeigt, wie der für flächendeckende Untersuchungen erforderliche Mindestabstand zwischen Sondieransatzpunkten bestimmt werden kann. Möglichkeiten der Darstellung flächendeckender bzw. räumlicher Parameterverteilungen sowie statistische Tests zur Übertragbarkeit der Ergebnisse werden diskutiert. Abschließend wird die praktische Umsetzung der Ergebnisse am Beispiel von Standsicherheitsuntersuchungen für die Uferböschung eines Tagebaurestsees dargestellt.

Basierend auf einer Analyse der spezifischen Merkmale der Drucksondierung (DS) und der radiometrischen Kombinationsdrucksondierung (KDS) sowie einer Dimensionsanalyse wurde ein Verfahren zur Aufstellung materialspezifischer Korrelationsbeziehungen zwischen den Messgrößen der Drucksondierung und den bei der KDS gewonnenen bodenphysikalischen Parametern Porenanteil, Dichte und Feinkornanteil entwickelt, wodurch die Effizienz von Drucksondierungen signifikant erhöht werden konnte. Es wird anhand geostatistischer Untersuchungen gezeigt, wie der für flächendeckende Untersuchungen erforderliche Mindestabstand zwischen Sondieransatzpunkten bestimmt werden kann. Möglichkeiten der Darstellung flächendeckender bzw. räumlicher Parameterverteilungen sowie statistische Tests zur Übertragbarkeit der Ergebnisse werden diskutiert. Abschließend wird die praktische Umsetzung der Ergebnisse am Beispiel von Standsicherheitsuntersuchungen für die Uferböschung eines Tagebaurestsees dargestellt.