Die Entwicklung und Charakterisierung neuer Detektortechnologien ist ein wichtiger Forschungspfad, um künftige Hochenergie- und Astroteilchenphysikexperimente zu ermöglichen. Sowohl für die raue Strahlungsumgebung moderner Collider-Experimente als auch für die protonen-, elektronen- und schwerionenreiche Umgebung in der äußeren Erdumlaufbahn ist die Strahlungshärte moderner Detektoren eine ihrer wichtigsten Leistungsmerkmale. In dieser Arbeit werden die Strahlungshärte und die Optimierung von Detektoren sowohl für die weltraumgestützte Astroteilchenphysik als auch für moderne Beschleuniger-Experimente untersucht. Im ersten Teil wird die Strahlungshärte der Kamera für die ULTRASAT Weltraummission quantifiziert. ULTRASAT ist ein Weitwinkel-Weltraumteleskop, das tiefe zeitaufgelöste Untersuchungen im nahen ultravioletten Spektrum durchführen wird. ULTRASAT wird vom Weizmann Institute of Science in Israel und der israelischen Weltraumbehörde geleitet und soll 2027 gestartet werden. Die CMOS-Kamera (Complementary Metal Oxide Semiconductor) wurde von DESY entwickelt und gebaut. Die Strahlungshärte der CMOS-Bildsensoren wurde sowohl im Hinblick auf kumulative Effekte als auch auf Einzelereignisse bewertet. Darüber hinaus wird die gemessene Degradation genutzt, um die Auswirkungen auf die Nachweisgrenzen der Kamera abzuschätzen. Im zweiten Teil wird die Strahlungshärte des Depleted Monolithic Active Pixel Sensor Tracker MALTA untersucht. MALTA ist ein Tracking-Sensor, dessen Design für die An-forderungen der äußeren Pixelschicht des ATLAS Inner Tracker ausgelegt ist. Es wurden verschiedene Varianten der Pixelgeometrie und des Siliziumwachstums untersucht, um bessere Tracking-Leistungen für künftige Collider-Experimente zu erzielen. / The development and characterization of new detector technologies is an important research path in order to facilitate future high energy and astroparticle physics experiments. For both the harsh radiation environment of modern collider experiments and the proton, electron and heavy ion rich environment in the outer earth orbit, the radiation hardness of modern detectors is one of their most important figures of merit. This thesis explores the radiation hardness and optimization of detectors for both space-borne astroparticle physics and modern collider experiments. In the first part, the radiation hardness of the ULTRASAT space mission's camera is quantified. ULTRASAT is a wide-angle space telescope that will perform deep time-resolved surveys in the near ultraviolet spectrum. ULTRASAT is led by the Weizmann Institute of Science in Israel and the Israel Space Agency and is planned for launch in 2027. The Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) camera was designed and built by DESY. The radiation hardness of the CMOS Imaging Sensors was evaluated in terms of both cumulative damage and single event effects. Furthermore, the measured degradation is used to estimate the impact on the detection limits of the camera. In the second part, the radiation hardness of the depleted monolithic active pixel tracker MALTA is investigated. MALTA is a tracking sensor with a design that targets the ATLAS Inner Tracker outer pixel layer requirements. Several pixel geometries and silicon growing variations have been investigated in order to achieve better tracking performances for the future collider experiments.

Ionizing radiation (IR) leads to fibrosing alveolitis (FA) after a lag period of several weeks to months. In a rat model, FA starts at 8 weeks after IR. Before that, at 5.5 weeks after IR, the transcription factors Sp1 (stimulating protein 1) and AP-1 (activator protein 1) are inactivated. To find genes/proteins that were down-regulated at that time, differentially expressed genes were identified in a subtractive cDNA library and verified by quantitative RT-PCR (reverse transcriptase polymerase chain reaction), western blotting and immunohistochemistry (IH). The mRNA of the molecular chaperone HSP90AB1 (heat shock protein 90 kDa alpha, class B member 1) was down-regulated 5.5 weeks after IR. Later, when FA manifested, HSP90ab1 protein was down-regulated by more than 90% in lung cells with the exception of mast cells. In most mast cells of the normal lung, both HSP90ab1 and HSP70, another major HSP, show a very low level of expression. HSP70 was massively up-regulated in all mast cells three months after irradiation whereas HSP90AB1 was up-regulated only in a portion of mast cells. The strong changes in the expression of central molecular chaperones may contribute to the well-known disturbance of cellular functions in radiation-damaged lung tissue. (J Histochem Cytochem 62:355–368, 2014)

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Die Arbeit beschäftigt sich mit der neuartigen Wechselwirkung von intensiven und ultrakurzen Röntgenlaserpulsen mit atomaren endlichen Systemen, die derzeit durch eine neue Generation von Lichtquellen, sogenannter X-ray free-electron laser (XFEL) zugänglich gemacht wird. Eine der Vorzeigeanwendungen der XFELs ist die zukünftig potentiell mögliche Strukturbestimmung endlicher nicht-periodischer Systeme mit atomarer Auflösung durch Diffraktion. Hierbei stellt sich der durch die hohe notwendige Pulsintensität bedingte Strahlenschaden an dem System als limitierender Faktor heraus, der ein detailliertes Verständnis der durch Photoabsorption induzierten Dynamik voraussetzt, um diese Art der "Mikroskopie" zum Erfolg zu führen. Wir verwenden daher zur Beschreibung der laserinduzierten Dynamik ein mikroskopisches Modell in dem Photoionisation und inner-atomare Zerfallsprozesse durch quantenmechanische Raten behandelt werden und die Dynamik der Ionen und energetischen Elektronen in einer klassischen Molekulardynamik-Simulation erfasst wird. Eine Neuerung gegenüber bisherigen Modellen ist die Berücksichtigung der Ionisation von Atomen durch starke interne Felder in dem hoch-geladenen System. Durch eine Anwendung des Modells auf Neoncluster kann gezeigt werden, dass diese Feldionisation einen wichtigen Beitrag zur laserinduzierten Dynamik darstellt. Sie führt zur ultraschnellen Formation eines Nanoplasmas, welches sich im Kern des geladenen Clusters ansammelt und dort die Ladung der Clusterionen neutralisert. Hierdurch wird eine vorzeitige Coulomb-Explosion des Clusters vermieden. Es wird dargelegt, dass dieser Mechanismus der lokalen Schadensreduzierung durch die Einbettung des Clusters in ein Heliumtröpfchen auf den gesamten Cluster ausgeweitet werden kann, da durch Feldionisation und Migration von Elektronen die vollständige laserbedingte Aufladung des Clusters auf das Heliumtröpfchen transferiert wird. Eine Analyse der resultierenden Diffraktionsmuster bestätigt, dass der reduzierte Strahlenschaden am Cluster den Anwendungsbereich für Diffraktionsexperimente erheblich ausweitet. Kürzlich wurde am SLAC National Accelerator Laboratory der erste XFEL in Betrieb genommen. Eine Modifikation des Modells auf dort bereits erzielbare Wellenlängen wird genutzt um Vorhersagen über das Photoabsorptionsverhalten, aus dem alle weiteren Schäden folgen, an kleinen Neoncluster zu treffen. Hiermit lassen sich bereits jetzt durch den Vergleich zu Experimenten die wichtigen Schadensmechanismen und ihre theoretische Beschreibung testen. Es wird ferner das interessante Relaxationsverhalten des durch massive Photoionisation in XFEL-Strahlung erzeugten Elektronenplasmas untersucht. Diese neuartige Anregung erfolgt auf einer Femtosekunden-Zeitskala und produziert eine hohe Dichte an energetischen Elektronen. Wir beschreiben dieses Plasma durch ein generisches Modell seiner Vielteilchen-Dynamik. Hierbei kann der gesamte Parameterraum des Modells in vier Klassen unterteilt werden, die sich nach Anregungsgrad, der den Elektronenverlust des Plasmas regelt, und Anregungsdauer, die die transiente Dynamik beeinflusst, unterscheiden. Speziell der Bereich starker Anregung bei gleichzeitig kurzer Anregungsdauer zeigt ein interessantes neues Verhalten, bei dem sich eine Equilibrierung des Systems im Kontinuum andeutet.

Die Arbeit beschäftigt sich mit der neuartigen Wechselwirkung von intensiven und ultrakurzen Röntgenlaserpulsen mit atomaren endlichen Systemen, die derzeit durch eine neue Generation von Lichtquellen, sogenannter X-ray free-electron laser (XFEL) zugänglich gemacht wird. Eine der Vorzeigeanwendungen der XFELs ist die zukünftig potentiell mögliche Strukturbestimmung endlicher nicht-periodischer Systeme mit atomarer Auflösung durch Diffraktion. Hierbei stellt sich der durch die hohe notwendige Pulsintensität bedingte Strahlenschaden an dem System als limitierender Faktor heraus, der ein detailliertes Verständnis der durch Photoabsorption induzierten Dynamik voraussetzt, um diese Art der "Mikroskopie" zum Erfolg zu führen. Wir verwenden daher zur Beschreibung der laserinduzierten Dynamik ein mikroskopisches Modell in dem Photoionisation und inner-atomare Zerfallsprozesse durch quantenmechanische Raten behandelt werden und die Dynamik der Ionen und energetischen Elektronen in einer klassischen Molekulardynamik-Simulation erfasst wird. Eine Neuerung gegenüber bisherigen Modellen ist die Berücksichtigung der Ionisation von Atomen durch starke interne Felder in dem hoch-geladenen System. Durch eine Anwendung des Modells auf Neoncluster kann gezeigt werden, dass diese Feldionisation einen wichtigen Beitrag zur laserinduzierten Dynamik darstellt. Sie führt zur ultraschnellen Formation eines Nanoplasmas, welches sich im Kern des geladenen Clusters ansammelt und dort die Ladung der Clusterionen neutralisert. Hierdurch wird eine vorzeitige Coulomb-Explosion des Clusters vermieden. Es wird dargelegt, dass dieser Mechanismus der lokalen Schadensreduzierung durch die Einbettung des Clusters in ein Heliumtröpfchen auf den gesamten Cluster ausgeweitet werden kann, da durch Feldionisation und Migration von Elektronen die vollständige laserbedingte Aufladung des Clusters auf das Heliumtröpfchen transferiert wird. Eine Analyse der resultierenden Diffraktionsmuster bestätigt, dass der reduzierte Strahlenschaden am Cluster den Anwendungsbereich für Diffraktionsexperimente erheblich ausweitet. Kürzlich wurde am SLAC National Accelerator Laboratory der erste XFEL in Betrieb genommen. Eine Modifikation des Modells auf dort bereits erzielbare Wellenlängen wird genutzt um Vorhersagen über das Photoabsorptionsverhalten, aus dem alle weiteren Schäden folgen, an kleinen Neoncluster zu treffen. Hiermit lassen sich bereits jetzt durch den Vergleich zu Experimenten die wichtigen Schadensmechanismen und ihre theoretische Beschreibung testen. Es wird ferner das interessante Relaxationsverhalten des durch massive Photoionisation in XFEL-Strahlung erzeugten Elektronenplasmas untersucht. Diese neuartige Anregung erfolgt auf einer Femtosekunden-Zeitskala und produziert eine hohe Dichte an energetischen Elektronen. Wir beschreiben dieses Plasma durch ein generisches Modell seiner Vielteilchen-Dynamik. Hierbei kann der gesamte Parameterraum des Modells in vier Klassen unterteilt werden, die sich nach Anregungsgrad, der den Elektronenverlust des Plasmas regelt, und Anregungsdauer, die die transiente Dynamik beeinflusst, unterscheiden. Speziell der Bereich starker Anregung bei gleichzeitig kurzer Anregungsdauer zeigt ein interessantes neues Verhalten, bei dem sich eine Equilibrierung des Systems im Kontinuum andeutet.