Der Kompakte Linearbeschleuniger CLIC, ist ein Konzept für einen zukünftigen Elektron– Positron Beschleuniger mit einer Schwerpunktsenergie von 3 TeV. Die hohen Ladungsdichten, verursacht durch kleine Strahlgrößen, und die hohe Strahlenergie am CLIC, führen zur Produktion einer großen Menge von Teilchen durch Strahl-Strahl-Wechselwirkungen. Ein großer Teil dieser Teilchen wird den Detektor ohne Wechselwirkung verlassen, aber eine signifikante Menge Energie wird dennoch im Vorwärtsbereich des Detektors deponiert. Dadurch werden Sekundärteilchen erzeugt, von denen Einige Untergrund im Detektor verursachen werden. Es werden auch einige Teilchen mit inhärent großem Polarwinkel erzeugt, die direkt Untergrund in den Spurdetektoren und Kalorimetern verursachen können. Die Hauptursache von Untergrund im Detektor, entweder direkt oder durch Sekundärteilchen, sind inkohärente e+e− Paare und Teilchen aus hadronischen Zwei-Photon Ereignissen. Die Untergrund- und Strahlungspegel im Detektor müssen bestimmt werden, um zu untersuchen, ob ein Detektor mit den Untergrundbedingungen bei CLIC zurechtkommen kann. Mit Hilfe von Simulation der inkohärenten Paare in dem auf GEANT4 basierendem Programm MOKKA, wird die Geometrie eines auf Detektors für CLIC optimiert um den Untergrund im Vertexdetektor zu minimieren. In diesem optimiertem Detektor werden die Untergrund- und Strahlungspegel durch inkohärente e+e− Paare und hadronischen Zwei-Photon Ereignissen bestimmt. Des Weiteren wird die Möglichkeit untersucht, ob Schauer von hochenergetischen Elektron bei kleinen Polarwinkeln im BeamCal zu identifizieren sind. / The high charge density—due to small beam sizes—and the high energy of the proposed CLIC concept for a linear electron–positron collider with a centre-of-mass energy of up to 3 TeV lead to the production of a large number of particles through beam-beam interactions at the interaction point during every bunch crossing (BX). A large fraction of these particles safely leaves the detector. A still significant amount of energy will be deposited in the forward region nonetheless, which will produce secondary particles able to cause background in the detector. Furthermore, some particles will be created with large polar angles and directly cause background in the tracking detectors and calorimeters. The main sources of background in the detector, either directly or indirectly, are the incoherent e+e− pairs and the particles from gamma gamma to hadron events. The background and radiation levels in the detector have to be estimated, to study if a detector is feasible, that can handle the Compact Linear Collider (CLIC) background conditions. Based on full detector simulations of incoherent e+e− pairs with the GEANT4 based MOKKA program, the detector geometry of a CLIC detector is optimised to minimise the background in the vertex detector. Following the optimisation of the geometry, the background and radiation levels for incoherent pairs and gamma gamma to hadron events are estimated. The possibility of identifying high energy electron showers with the most forward calorimeter, the BeamCal, is investigated.

Dans le cadre de cette thèse, une technique de diagnostic optique a été développée pour mesurer simultanément l’évaporation différentielle, la distribution de température, et la concentration massique de fuel dans un jet multi-composant. Cette technique a été examinée dans les conditions d’un moteurs essence. La technique de mesure est basée sur l’utilisation des deux traceurs excités par une seule longueur d’onde.Pour pouvoir examiner l’évaporation différentielle d’un carburant multi-composant, deux traceurs ont été sélectionnés : le p-difluorobenzène et le 1-methylnaphtalène. Ces traceurs reproduisent deux types de volatilité : faible et moyenne à élevée. Les traceurs choisis fluorescent dans deux régions spectrales distinctes ce qui rend l’application de cette technique possible. Une étude photophysique a été menée pour caractériser les deux traceurs, indépendamment puis en mélange, pour différentes conditions de pression, température, et composition du bain gazeux. L’étude photophysique est essentielle pour pouvoir mesurer quantitativement l’évaporation différentielle. Les résultats photophysiques montrent que le spectre du 1-methylnaphthalène est sensible à la température. Cette caractéristique permet de mesurer la distribution en température dans le jet.Les essais ont été réalisés dans une cellule haute pression / haute température, ca-pable de simuler les conditions d’un moteur thermique. Des sprays générés par un injecteur ECN Spray G et un piézo-électrique d’une ouverture annulaire ont été étudiés. Des mesures initiales ont été menées avec chaque traceur pour pouvoir fixer la proportion de mélange des traceurs. La précision de la méthode de mesure a été calculée suivant une configuration de filtres identiques. Ensuite, les champs de tempé-rature calculés par la LIF et ceux déterminés depuis les champs de concentration massique, ont été comparés. Les résultats démontrent que la température est homo-gène ce qui signifie que les mesures d’évaporation différentielle n’ont pas influencé par la distribution de température dans le jet.Les images obtenues en détectant les signaux depuis le mélange de traceurs ont permis de localiser l’évaporation différentielle. Une variation en distribution spatiale des composants est observée 550–600 K. Cet effet disparaît en augmentant la température, ce qui explique que l’évaporation est plus rapide à haute température. La localisation de l’évaporation différentielle varie avec le type d’injecteur. La géométrie du nez ainsi que la structure du jet a donc un impact sur la formation du mélange. / A non-intrusive quantitative laser-induced fluorescence (LIF) technique capable of simultaneously measuring preferential evaporation, temperature distribution, and fuel-mass concentration across a multi-component vaporized spray has been developed and investigated under engine-relevant conditions. The measurement technique is based on two-tracer LIF with single wavelength excitation.To assess preferential evaporation, a tracer pair with suitable co-evaporation and spectral properties was selected based on vapor-liquid equilibrium calculations repre-sentative for gasoline fuels. Evaporation studies have shown that one tracer (p-difluoro-benzene) co-evaporates with the high-to-medium-volatility end of the multi-component fuel while the other (1-methylnaphthalene) co-evaporates with the low-volatility end. For quantitative measurements the photophysical properties of both tracers (each tracer separately and the combined tracers) were determined under a wide range of pressure, temperature, and bath-gas composition conditions. 1-methylnaphthalene LIF shows a strong red-shift with temperature which enables measurements of the temperature distribution across the spray.Spray evaporation and vapor mixing experiments were performed in a high-pressure high-temperature vessel capable of simulating in-cylinder conditions. An ECN Spray-G and a piezo-electric outward opening injector were used in this study. Initial measure-ments were carried out with each tracer added separately to the fuel to assess signal cross-talk and to determine the best tracer concentrations. Once the proportions were determined, accuracy and precision of the method were determined from the LIF-signal ratio of spray images within identical spectral bands. Temperature fields, obtained by two-color 1-methylnaphthalene LIF and derived from fuel concentration maps based on the assumption of adiabatic evaporation, were examined for inhomogeneities in the area of interest since fluctuations potentially influence the two-color method. It was shown that the temperature is homogeneous in the measurement volume.To localize preferential evaporation, two-color two-tracer LIF images were evaluated. Taking into account the measurement accuracy and precision, variations in the spatial distribution of the fuel volatility classes were observed for 550–600 K. At higher tem-peratures, the effect is less pronounced, which is consistent with the fact that evapora-tion is faster. The localization of preferential evaporation varied with each injector used indicating the impact of injector nozzle geometry and jet structure on mixture formation. / Eine berührungsfreies quantitatives Verfahren auf Basis von laserinduzierter Fluoreszenz (LIF) wurde entwickelt, um simultan präferenzielle Verdampfung, Temperaturverteilung und Kraftstoffkonzentration im verdampften Bereich eines Mehrkomponenten-Kraftstoffsprays unter motorrelevanten Bedingungen zu messen. Verfahren beruht auf Zwei-tracer-LIF mit Anregungmit einem Laser.Es wurde ein Tracer-Paar mit geeigneten Verdampfungs- und spektralen Eigenschaften auf Basis von Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichtsrechnungen für Otto-Kraftstoffe ausgewählt. Verdampfungsmessungen haben gezeigt, dass ein Tracer (p-Difluorbenzol) gleichzeitig mit dem mittel- und höherflüchtigen Siedeklassen verdampft, während der andere (1-Methylnaphthalin) den schwerflüchtigen Komponentenfolgt. Für quantitative Messungen wurden die photophysikalischen Eigenschaften beider Tracer (einzeln und als Kombination) in einem weiten Bereich von Druck, Temperatur und Gaszusammensetzung bestimmt. 1-Methylnaphthalin-LIF zeigt eine starke Rotverschiebung mit der Temperatur, die Messungen der Temperaturverteilung ermöglicht. Es wurde ein Tracer-Paar mit geeigneten Verdampfungs- und spektralen Eigenschaften auf Basis von Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichtsrechnungen für Otto-Kraftstoffe ausgewählt. Verdampfungsmessungen haben gezeigt, dass ein Tracer (p-Difluorbenzol) gleichzeitig mit dem mittel- und höherflüchtigen Siedeklassen verdampft, während der andere (1-Methylnaphthalin) den schwerflüchtigen Komponentenfolgt. Für quantitative Messungen wurden die photophysikalischen Eigenschaften beider Tracer (einzeln und als Kombination) in einem weiten Bereich von Druck, Temperatur und Gaszusammensetzung bestimmt. 1-Methylnaphthalin-LIF zeigt eine starke Rotverschiebungmit der Temperatur, die Messungen der Temperaturverteilung ermöglicht.

Verlässliche Vorhersagen zum Verlauf von Störfallszenarien in Reaktorsystemen sind mit CFD-Modellen möglich, wenn diese anhand von Experimenten entwickelt und validiert sind. Motiviert durch die Vorgänge, die bei einem Thermoshock-Szenario unter Druck im Primärkreis eines Druckwasserreaktors entstehen, wurden im Rahmen dieser Arbeit Experimente zur Direktkontaktkondensation von Dampf an unterkühltem Wasser bei hohen Drücken untersucht. Der beschriebene Versuchsaufbau erlaubt es, in einer Anlage, die drei Phänomene geschichtete Strömung, Strahl und Blasenmitriss zu untersuchen. Eine umfassende Instrumentierung ermöglichte es, besonders viele Informationen aus den Experimenten zu erfassen. Verschiedene bildgebende Messverfahren erlauben einen besonderen Einblick in die Strömung ohne Rückkopplung ins Fluid zu haben. Einzelne Mess- und Auswertemethoden wurden extra für die Untersuchung entwickelt und beschrieben. Vor Allem die Messergebnisse der Strahlexperimente mit Kondensation sind umfangreich und neuartig. Die starke Turbulenz im Inneren der untersuchten Strahlen führen zu den höchsten Kondensationsraten in den vorliegenden Experimenten. Hier wurden die Strahldurchmesser-Verläufe für verschiedene Randbedingungen verglichen, um zu zeigen, wie stark die Kondensation an Strahlen vom Umgebungsdruck abhängt. Die Gas-Mitriss-Experimente sind die ersten dokumentierten Versuche dieser Art. Sie zeigen, dass das mitgerissene Gas bei Eintrittsunterkühlungen oberhalb von 10 K sofort an der Eintrittsstelle kondensiert. Es kommt nicht zur Bildung von Blasen oder zum Mitriss nach unten. Vielmehr ist ausschließlich ein negativer Meniskus zu erkennen, der eine von den Randbedingungen abhängige Geometrie hat. Je geringer die Eintritts-Unterkühlung und je höher die Strahlgeschwindigkeit ist, desto tiefer dringt der Gas-Meniskus in die Wasservorlage ein. Die Menge an mitgerissenem Gas ist auch bei hohen Geschwindigkeiten klein gegenüber der Kondensationsmenge am Strahl. Die Experimente wurden im Wesentlichen darauf ausgelegt, Daten für den Vergleich mit CFD-Simulationen zu liefern. Vor allem der Einfluss des Umgebungsdruckes auf die Strahlgeometrie und die Kondensationsrate sollte weiter untersucht und in Simulationen abgebildet werden.:1. Motivation 2. Stand von Wissenschaft und Technik 2.1. Kondensation in geschichteter Strömung 2.2. Geometrie von Freistrahlen 2.3. Kondensation am Freistrahl 2.4. Blasenmitriss 2.5. Blasenmitriss bei gleichzeitiger Kondensation 2.6. Modellierung 2.7. Anwendung der Erkenntnisse auf den Hypothetischen Störfall 3. Versuchsanlage 3.1. Messtechnik 3.1.1. Schnelle Temperaturmesstechnik 3.1.2. Hochgeschwindigkeitskamera 3.1.3. Infrarotkamera 3.1.4. Temperatur- und Druckmesslanzen 3.2. Abgeleitete Größen 3.3. Messung der Kondensationsrate 3.4. Geschwindigkeits- und Turbulenzmessung 4. Experimente und Ergebnisse 4.1. Geschichtete Strömung 4.2. Freistrahl 4.3. Gasmitriss 5. Zusammenfassung und Ausblick / Reliable predictions on the behaviour of accident scenarios in reactor systems are possible with CFD models if they have been developed and validated on the basis of experiments. Motivated by the processes that occur in a Pressurized Thermal Shock scenario in the primary circuit of a Pressurized Water Reactor, experiments on the Direct Contact Condensation of steam on subcooled water were investigated at high pressures. The described experimental setup allows to study all three phenomena: stratified flow, jet and bubble entrainment. Comprehensive instrumentation made it possible to gather a considerable amount of information from the experiments. Various imaging techniques allow a particular insight in the flow without feedback into the fluid. Some of the measurement and evaluation methods were specifically developed for the investigation and have been described. Especially the measurement results of the jet experiments with condensation are comprehensive and unique. The strong turbulence inside the examined jets results in the highest condensation rates in these experiments. Here, the jet diameter profiles were compared for different boundary conditions in order to show that condensation in jets is strongly influenced by ambient pressure. The gas entrainment experiments are the first documented experiments of their kind. They show that the entrained gas condenses immediately at the point of entrainment with inlet subcooling above 10 K. There is no formation of bubbles or entrainment downwards. Only a negative meniscus is visible, which has a geometry dependent on the boundary conditions. The lower the inlet subcooling and the higher the jet velocity, the deeper the gas meniscus penetrates into the water layer. The amount of entrained gas is small in comparison to the amount of condensation at the jet even at high velocities. The experiments were essentially designed to provide data for comparison with CFD simulations. In particular, the influence of the ambient pressure on the beam geometry and the condensation rate should be further investigated and reproduced in simulations.:1. Motivation 2. Stand von Wissenschaft und Technik 2.1. Kondensation in geschichteter Strömung 2.2. Geometrie von Freistrahlen 2.3. Kondensation am Freistrahl 2.4. Blasenmitriss 2.5. Blasenmitriss bei gleichzeitiger Kondensation 2.6. Modellierung 2.7. Anwendung der Erkenntnisse auf den Hypothetischen Störfall 3. Versuchsanlage 3.1. Messtechnik 3.1.1. Schnelle Temperaturmesstechnik 3.1.2. Hochgeschwindigkeitskamera 3.1.3. Infrarotkamera 3.1.4. Temperatur- und Druckmesslanzen 3.2. Abgeleitete Größen 3.3. Messung der Kondensationsrate 3.4. Geschwindigkeits- und Turbulenzmessung 4. Experimente und Ergebnisse 4.1. Geschichtete Strömung 4.2. Freistrahl 4.3. Gasmitriss 5. Zusammenfassung und Ausblick

Mit zeitaufgelöster Massenspektrometrie untersuchen wir die Winkelverteilung von Kohlendioxid-Monomeren bei der Streuung von Kohlendioxid-Clustern an einer Si(111)/Siliciumdioxid-Oberfläche unter Ultrahochvakuum-Bedingungen. Die präsen- tierten Studien decken eine große Breite der Clustergrößen, , 1,000 < N < 200,000 Moleküle pro Partikel, ab. Dabei liegt der Fokus auf dem Einfluss der Ausgangsentropie, die durch eine präzise Einstellung des Ausgangsdruckes und der Düsentemperatur realisiert wurde. Es zeigt sich, daß die Streuverteilung direkt den Expansionspfad widerspiegelt, wodurch eine Unterscheidung zwischen Clustern, die durch eine Expansion auf der gasförmigen oder flüssigen Seite des kritischen Punktes und der metstabilen Phase ent- stehen, ermöglicht wird. Um bei den hohen Teilchendichten eine verlässliche Aussage zu ermöglichen, wurden im Vorfeld die Eigenschaften gepulster Molekularstrahlen untersucht, insbesondere deren Abhängigkeit vom Restgasdruck und den Wechselwirkungen mit Strahlblenden. Hierzu diente die elektronische Anregung eines Helium-Strahls. Die Optimierung der Randbedingungen ermöglicht viel kältere Strahlen, so dass Helium-Cluster sogar bei einer Ausgangstemperatur von T = 410.0 K gefunden werden können. Dieses Ergebnis ist für die Cluster-Forschung, die Molekülspektroskopie und Experimente in der Quantenphysik von Bedeutung. / Employing pulsed high-pressure supersonic jet expansion and a dedicated setup for the experimental investigation of chemical processes occurring between neutral, van der Waals bound clusters and a solid surface, we report on the angular distribution observed for large carbon dioxide clusters scattered off a Si(111)/Silicon Dioxide surface under ultrahigh vacuum conditions. Scattered particles are detected using angle and time resolved mass spectrometry. The presented studies cover a broad range of cluster sizes, , 1,000 < N < 200,000 molecules per particle. The focus is on the influence of source entropy, realized by accurately setting stagnation pressure and temperature. This thesis demonstrates a dependence of the angular distribution of scattered carbon dioxide monomers on source conditions: the scattering distribution directly reflects the expansion path, allowing us to distinguish between clusters generated via expansion on the gaseous or on the liquid side of the critical point, and an intermediate regime where the expansion passes the metastable gas-liquid region. To optimize the supersonic beam, on the other hand, we reveal a substantial influence of residual gas pressure and beam–skimmer interactions on beam properties, particularly the minimum attainable translational temperature in a model system. This study contains the systematic investigation of supersonic jet expansions of helium, employing the variable distance between the Even-Lavie valve and different types of skimmers. Utilizing the ultra-high precision time-of-flight measurements of electronically tagged particles, the terminal velocities and the spread of particles allow us to correspondingly obtain much colder beams with the same source conditions. As a result, helium clusters can be found even in the jet expansion from a source temperature of T = 410.0 K. This knowledge is of particular interest to cluster science, molecular spectroscopy, and quantum physics.

In der vorliegenden Arbeit wurden Strömungen räumlich begrenzter Strahlen untersucht. Zum einen wurde die Ausströmung eines runden Strahls in ein Rohr betrachtet, der sog. begrenzte Strahl. Zum anderen wurde die Ausströmung von 7 hexagonal angeordneten runden Strahlen in ein Rohr betrachtet, das sog. hexagonale Strahlbündel. Die Motivation zur vorliegenden Arbeit ergab sich aus der Entwicklung von Durchflussmessgeräten, die als Bypassapparaturen ausgeführt sind und stromabwärts des Staudruckkörpers ein Strömungsgebiet mit begrenzten Strahlen aufweisen. Dafür wurden mit Hilfe der Ähnlichkeitstheorie die zugrundeliegenden Kennzahlen bestimmt. Besonderes Augenmerk lag auf der Charakterisierung der instationären bzw. turbulenten Strömungseigenschaften für Reynolds-Zahlen zwischen 1.000 und 20.000. Es wurden die selbstähnlichen Eigenschaften der Strömungen untersucht, wobei sich insbesondere für den begrenzten Strahl wichtige Erkenntnisse ergaben. Für das hexagonale Strahlbündel wurden mit Hilfe der numerischen Strömungssimulation die grundlegenden Eigenschaften des Strömungsfeldes untersucht. Dabei weisen die Geometriekennzahlen einen dominierenden Einfluss auf. So konnten in Abhängigkeit zum Durchmesserverhältnis und Strahlabstand drei Strömungsformen identifiziert und experimentell mittels Laser-Doppler Anemometrie nachgewiesen werden. Eine wesentliche Fragestellung bestand in der Anwendung der numerischen Strömungssimulation, des RANS-Ansatzes und des SST-Turbulenzmodells. Dazu wurde die Anpassung der Modellkoeffizienten untersucht, wobei für den begrenzten Strahl ein allgemein gültiger Satz gefunden wurde. / In the present work flows of spatially limited radiation were investigated. On the one hand, the outflow of a round jet into a pipe was considered, the so-called confined jet. On the other hand, the outflow of 7 hexagonal arranged round jets into a pipe was con-sidered, the so-called hexagonal jet array. The motivation for the present work arose from the development of flowmeters which are designed as bypass apparatures that have a jet array flow downstream of the dynamic pressure body. For this purpose the underlying similarity parameters were determined. Special attention was paid to the cha-racterization of transient and turbulent flow properties for Reynolds numbers between 1,000 and 20,000. The self-similar properties of the flows were investigated with im-portant findings in particular for the confined jet. For the hexagonal jet array the basic properties of the flow field were investigated by using computational fluid dynamics. The geometric similarity parameters have a dominant influence. Thus, depending on the di-ameter ratio and jet distance ratio, three flow patterns could be identified and experimen-tally detected by the use of laser Doppler anemometry. An important question was the application of the computational fluid dynamic method, the RANS approach and the SST turbulence model. For this purpose a generally valid set of model coefficients was found for the confined jet flow.