Nachhaltige Architektur erfordert neue Bauformen, innovative Konstruktionen und die Verwendung neuartiger Baumaterialien. Zur Abschätzung des Risikos von feuchtebedingten Schäden finden Programme der hygrothermischen Bauteilsimulation Anwendung. Bei der Entwicklung solcher Simulationsprogramme spielt die korrekte Modellierung der Klimarandbedingungen eine entscheidende Rolle. Beim Übergang von der kurzwelligen horizontalen Strahlungsstromdichte auf die kurzwellige Strahlungsstromdichte eines beliebigen Bauteils müssen Himmelsrichtung der Flächennormalen und die Neigung des Bauteils zum Ausschluss von Eigenverschattung berücksichtigt werden. Das dargestellte integrale Modell erlaubt die Berechnung und Programmierung in einem hygrothermischen Simulationsprogramm. Für den Fall, dass nur Messwerte der globalen Strahlungsstromdichte zur Verfügung stehen, können die direkten und diffusen Anteile mithilfe geeigneter Modelle mit einer sehr guten Genauigkeit berechnet werden. Zur Berechnung der langwelligen Strahlungsbilanz eines Bauteils stehen nur selten jene Klimaparameter zur Verfügung, mit denen die atmosphärische langwellige Strahlungsflussdichte analytisch bestimmt werden kann, weshalb semi-empirische Modelle Anwendung finden müssen. Die langwellige Ausstrahlung der Atmosphäre kann mithilfe von bodennaher Lufttemperatur und Luftfeuchte sowie zweier Bedeckungsgrad-Indizes berechnet werden, welche die langwelligen Strahlungseigenschaften der Atmosphäre auf der Basis der vorhandenen kurzwelligen Strahlungsstromdichten beschreiben. Damit wird erstmals ein umfassendes Modell für die langwellige Strahlungsbilanz vorgelegt, welches alle Möglichkeiten der Datenverfügbarkeit berücksichtigt. Die Berechnung der Schlagregenstromdichte auf ein Bauteil kann mit den meisten vorliegenden semi-empirischen Modellen nur sehr ungenau erfolgen. Andere Verfahren, wie z.B. CFD-Simulationen, kommen wegen des beträchtlichen Aufwands meist nicht in Frage. Das bislang einzige vorliegende umfassende validierte semi-empirische Modell von Blocken kann durch die Berücksichtigung der mesoklimatischen Verhältnisse in seiner Genauigkeit verbessert werden. / Sustainable architecture requires new building design, innovative constructions and the use of newly developed building materials. In order to determine the risk of moisture-related damages, computer programs for hygrothermal building part simulation are being used. If one develops such a simulation program, correct modelling of climatic boundary conditions plays an important role. When calculating the shortwave solar radiation flux density at an arbitrary building part on the basis of the shortwave solar radiation flux density on the horizontal surface, one must take into consideration the orientation and the inclination of the building part in order to preclude self-shading. The presented integral model allows the calculation and the programming in a hygrothermal simulation program. If only measured values of global radiation flux density are available, direct and diffuse parts can be determined very precisely by means of validated models. When calculating the longwave radiation balance on a building part, the needed values for the correct determination of atmospheric longwave radiation are hardly available. That’s why semi-empirical models will be applied. The longwave radiation flux density of the atmosphere can be determined on the basis of near-ground temperature and relative humidity and two cloud cover indices, which describe the longwave irradiative properties of the atmosphere by means of available shortwave radiation flux densities. Therewith, firstly an integral model is being presented in order to determine longwave radiation balance, which considers all possibilities of data availability. Most models for determination of driving rain load work with very bad accuracy. Other methods such as computational fluid dynamics (CFD) are not possible for hygrothermal building part simulations because of the huge effort. The only fully validated semi-empirical model by Blocken can be improved, if meso-climatic boundary conditions are taken into consideration.

AMANDA-II ist ein Neutrino-Teleskop, das sich im Eis des Suedpols befindet. Es wurde optimiert um Spuren von hochenergetischen Myonen, die in Neutrino-Wechselwirkungen entstanden sind, anhand ihrer Emission von Cerenkov-Licht zu detektieren. In dieser Arbeit analysieren wir die Daten, die in 1001 Tagen effektiver Detektorlaufzeit in den Jahren 2000 bis 2004 gesammelt worden sind, um ein Signal von einer Neutrino-Punktquelle zu finden. Ein derartiges Signal wird von kosmischen Objekten erwartet, die Hadronen zu sehr hohen Energien beschleunigen, welche daraufhin mit Photonen und Protonen in der Umgebung des Objekts wechselwirken. Die wichtigste Signatur um ein Myon aus einer Neutrino-Wechselwirkung zu identifizieren ist eine nach oben laufende Spur. Ein Datensatz mit 4282 aufwaertslaufenden Ereignissen wurde aus den ca. 10 Milliarden im Zeitraum dieser Analyse registrierten Ereignissen extrahiert. Diese Zahl ist konsistent mit der erwarteten Anzahl atmosphaerischer Neutrinos. In der Suche nach Punktquellen wird nach einem lokalen Ereignissueberschuss in diesem Datensatz gesucht. Zuerst wird ein Katalog von Quellkandidaten untersucht. Danach wird eine Rastersuche nach unbekannten Quellen auf dem ganzen noerdlichen Himmel durchgefuehrt. Darueberhinaus werden Methoden entwickelt um die Chancen einer Detektion von Quellen zu erhoehen von denen vermutet wird, dass ihre Neutrinoemission hochvariabel ist. Kein signifikanter lokaler Ereignissueberschuss wurde im analysierten Datensatz gefunden. Deswegen berechnen wir obere Grenzen fuer Neutrinofluesse, die mit dieser Beobachtung vertraeglich sind. Die mittlere obere Flussgrenze fuer ein Neutrinospektrum dPhi/dE proportional zu E^-2, die mit dieser Analyse erreicht wird, ist E^2 dPhi/dE = 1.0^-7 GeV cm^-2 s^-1 fuer den aufaddierten Fluss von nu_mu + nu_tau unter der Annahme eines Flavor-Verhaeltnisses von 1:1. Dies entspricht der momentan niedrigsten Flussgrenze fuer Neutrinofluesse von Punktquellen. / AMANDA-II is a neutrino telescope located in the glacial ice at the South Pole. It is optimized to detect neutrino induced muon tracks with energies larger than 100 GeV by their Cerenkov light emission. We analyzed the data collected in 1001 effective days of detector operation between the years 2000 and 2004 for a signal from point-like sources of neutrinos. Such a signal is expected from cosmic objects that accelerate hadrons to very high energies, which subsequently interact with ambient protons or photons. The dominant event class recorded in AMANDA-II are muons produced in the interactions of cosmic rays in the atmosphere. Due to their energy loss, the muons cannot penetrate the Earth and have down-going directions. The main signature to identify a neutrino induced event is therefore its up-going direction. A sample of 4282 up-going events is extracted from the 10 billion events triggered in the period selected for this analysis. The search for point sources is accomplished on this data sample by looking for a localized excess over the isotropic background of atmospheric neutrinos. The procedure is applied for the directions of candidate sources, like Active Galactic Nuclei, Supernova remnants and X-ray binaries. In a second step, the full northern sky is scanned for unknown sources. Further, we investigate methods to enhance the detection chance for sources which are suspected to be highly variable neutrino emitters. No localized excess has been found in the analyzed dataset. Therefore, we calculate upper limits on the neutrino fluxes which are compatible with this observation. The average upper limit achieved for a combined nu_mu + nu_tau flux with a spectrum of dPhi/dE proportional to E^-2 is E^2 dPhi/dE = 1.0 10^-7 GeV cm^-2 s^-1 assuming a flavor ratio of 1:1. It represents the most stringent upper limit on neutrino fluxes from point-like sources reported so far.

IceTop ist ein Detektorfeld fuer kosmische Strahlung, das momentan am Suedpol errichtet wird. Es ist Teil des IceCube-Observatoriums und wird nach Fertigstellung eine Flaeche von 1km^2 ueberspannen. Es zielt auf den Nachweis von Teilchenkaskaden ab, die von kosmischer Strahlung mit Energien im PeV-Bereich induziert werden. Die Dissertation beinhaltet die erste Analyse hochenergetischer kosmischer Strahlung mit IceTop. Zunaechst wird hierfuer die Lichtausbeute der Detektortanks untersucht. Dies ermoeglicht die Erstellung einer Erwartungswertverteilung der Schauersignale, und eines entsprechenden Likelihood-Rekonstruktionsalgorithmus. Die damit erreichten Aufloesungen werden untersucht und Effizienzen berechnet. Anschliessend wird das Ansprechverhaltenn von IceTop im Bezug auf die Energie genauer evaluiert. Aus den Ergebnissen werden Faltungsmatrizen fuer unterschiedliche Primaerteilchensorten extrahiert. Darauf basierend werden zwei Entfaltungsalgorithmen vorgestellt, und vier Faltungsmatrizen fuer verschiedene Kompositionsannahmen berechnet. Im August 2007 genommene Daten werden in drei Zenithwinkel-Abschnitte eingeteilt und separat mit den Kompositionsmodellen entfaltet. Die resultierenden Spektren decken einen Energiebereich von 1-80PeV ab. Mit der Forderung isotropen Flusses lassen sich Wahrscheinlichkeiten definieren, die sensitiv sind auf die Konsistenz der Kompositionsannahmen. Diese neue Methode ermoeglicht eine Untersuchung der Komposition ohne Zuhilfenahme weiterer Detektorkomponenten. Die Analyse zeigt eine klare Praeferenz der Modelle gemischter Komposition. Schliesslich wird das Spektrum mit der hoechsten relativen Wahrscheinlichkeit untersucht. Die gemessenen Parameter stimmen innerhalb der systematischen Fehler gut mit denen anderer Experimente ueberein. Die ermittelte Position des sogenannten Knies des Spektrums ist 3,1+-0,3(stat.)+-0,3(sys.)PeV, die Exponenten davor und danach sind -2,71+-0,07(stat.) und -3,110+-0,014(stat.)+-0,08(sys.). / IceTop is a square-kilometer scale detector array for highly energetic cosmic radiation. It is a part of the IceCube Observatory that is presently being built at the geographic South Pole. It aims for the detection of huge particle cascades induced by PeV cosmic rays in the atmosphere. This thesis presents the first analysis of highly energetic cosmic ray data taken with IceTop. First, the light response of the IceTop tanks is parametrised as a function of energy and particle type. An expectation function for the distribution of shower signals in the detector plane is developed. Based on that, a likelihood reconstruction algorithm is developed and its resolution and performance is studied. The resulting energy response of the array is investigated to set up response matrices for different primary nuclei and inclinations. Two unfolding algorithms are implemented, and response matrices are modeled for four different composition assumptions. With each assumption, energy spectra are unfolded for three different bins in inclination, using a data sample taken in August 2007. The range of the spectrum is 1-80PeV. Finally, a new analysis method is developed that uses the fact that cosmic rays in the PeV range are expected to be isotropic. It is shown that this requirement can be used for a likelihood estimation that is sensitive to composition without using additional information from other detector components. The analysis shows a clear preference of the mixed composition models over pure proton or iron assumption. The spectrum with the highest likelihood shows good agreement with results from other experiments within the systematic uncertainties. The found position of the so-called knee feature is 3.1+-0.3(stat.)+-0.3(sys.)PeV, the power indices before and after that are -2.71+-0.07(stat.) and -3.110+-0.014(stat.)+-0.08 (sys.).

Die Suche nach Neutrino-Punktquellen bietet eine Möglichkeit, astrophysikalische Teilchenbeschleuniger als Quellen der Kosmischen Strahlung zu identifizieren. Eine etablierte Methode in der Neutrinoastronomie ist die Messung der Tscherenkow-Strahlung induzierter Myonen in unterirdischen Detektoren. Die hier vorgestellte Analyse basiert auf Daten, die zwischen 2007 und 2008 mit IceCube, dem größten Neutrinoteleskop dieser Art, gesammelt wurden. Bisherige Neutrino-Punktquellensuchen waren auf eine Hemisphäre beschränkt gewesen, da nur aufwärts laufende Ereignisse betrachtet wurden, um den atmosphärischen Myon-Untergrund zu eliminieren. Hier wird gezeigt, dass der Bereich über dem Horizont durch eine energieabhängige Selektion miteinbezogen werden kann. Dies erhöht die Sensitivität für Energien oberhalb einiger PeV, die bisher aufgrund von Neutrinoabsorption unterhalb des Horizonts vollkommen unzugänglich waren. Zum Nachweis richtungsabhängiger Neutrinosignale wurde eine Musterung beider Himmelshälften durchgeführt. Modellvorhersagen für Aktive Galaktische Kerne dienten als Grundlage für separate Tests anhand einer Liste von Quellkandidaten und mittels einer zeitabhängigen Suche nach kurzen Neutrinoemissionen vom Blazar 3C279. Es konnten keine signifikanten Ereignisüberschüsse über dem Untergrund beobachtet werden. Daraus leiten sich die ersten oberen Neutrino-Flussgrenzen für Punktquellen am Südhimmel bei Energien bis in den EeV Bereich ab. Für bestimmte Quellkandidaten sind es die besten Einschränkungen für Neutrinovorhersagen bei PeV Energien. Mit den gleichen Ereignissen wurde eine Suche nach Korrelationen zwischen Neutrinos und den höchstenergetischen geladenen Teilchen der Kosmischen Strahlung durchgeführt. Die Ursprungsrichtungen von Luftschauern, veröffentlicht durch das HiRes Experiment und das Pierre Auger Observatorium, dienten zur Bestimmung solcher Koinzidenzen. Das Ergebnis ist im Einklang mit den Untergrunderwartungen. / Searching for point-like neutrino signals provides a chance of identifying astrophysical particle accelerators as sources of cosmic rays. An established approach to realise high energy neutrino astronomy is the observation of Cherenkov radiation from induced muon tracks in subsurface detectors. Presented here is an analysis based on data taken between 2007 and 2008 with IceCube, the largest of these neutrino telescopes. Neutrino point source searches had been so far restricted to one hemisphere, due to the exclusive selection of upward going events as a way of rejecting the atmospheric muon background. This work demonstrates that the region above the horizon can be included by suppressing the background through an energy-sensitive event selection. The approach improves the sensitivity above PeV energies, previously not accessible at all due to absorption of neutrinos from below the horizon. Both celestial hemispheres were scanned to identify neutrino fluxes from individual directions. Based on model predictions for Active Galactic Nuclei, separate tests were performed by compiling a list of specific neutrino source candidates and by searching for short neutrino flares from the blazar 3C279. No significant excesses above the atmospheric background were found. The resulting upper limits on neutrino fluxes are the first that cover point sources in the southern sky up to the EeV energy range. For certain source candidates, these limits provide the best constraints on models predicting neutrinos above PeV energies. Based on the same event sample, a search for correlations between neutrinos and the most energetic charged cosmic rays was performed. The arrival directions of air showers, reported by the HiRes experiment and the Pierre Auger Observatory, were used to determine such coincidences. The result of this study is compatible with the background hypothesis.

Mit Hilfe von experimentellen Untersuchungen wird nachgewiesen, daß sich die nutzerseitig abgegebene Wärmestromdichte des außenwandnahen Fußbodenbereiches nicht allein über die Differenz zwischen der Heizflächen- und Raumtemperatur beschreiben läßt. Die Ableitung verallgemeinerbarer Berechnungsansätze ist Schwerpunkt der Arbeit. Die experimentellen Untersuchungen erfolgen in einem Modellraum in Originalgröße. Meßtechnisch erfaßt werden die Oberflächentemperaturen, die Lufttemperaturverteilung, die Luftgeschwindigkeitsverteilung und die örtliche Gesamtwärmestromdichte der beheizten Fußbodenbereiche. Der konvektive Wärmeübergang wird maßgeblich von der über dem Fußboden umgelenkten Falluftströmung an der Außenwand beeinflußt. Zur Berechnung der örtlichen Maximalgeschwindigkeiten wird ein einfacher Berechnungsansatz entwickelt. Mit Hilfe numerischer Untersuchungen erfolgt ein Vergleich verschiedener Heizsysteme hinsichtlich der Empfindungstemperaturverteilung.

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Durch die Einführung von Synchrozyklotronen und Laser-Teilchenbeschleunigern, entwickelt mit dem Ziel günstigere und kompaktere Protonentherapieanlagen bereitzustellen, werden stark gepulste Strahlenfelder möglicherweise Anwendung in der Teletherapie finden. Darüber hinaus bergen stark gepulste Strahlenfelder das Potential klinischer Vorteile durch eine bessere Schonung gesunden Gewebes oder die verbesserte Behandlung bewegter Tumore. Allerdings ergeben sich neue Herausforderungen im Bereich der Dosimetrie, der Grundlage für eine präzise therapeutische Anwendung ionisierender Strahlung. Diese Herausforderungen betreffen sowohl den Bereich der klinischen Dosimetrie für die unmittelbare Strahlenanwendung als auch die Strahlenschutzdosimetrie zum Schutz von Umwelt und Personal. Luftgefüllte Ionisationskammern, die primären Messinstrumente der klinischen Dosimetrie, sind von einem zunehmenden Signalverlust aufgrund von Volumenrekombination betroffen, da stark gepulste Strahlenfelder eine hohe Ionisationsdichte innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums erzeugen. Beschreibungen für diese Effekte sind zwar gut etabliert für die moderat gepulsten Felder im gegenwärtigen klinischen Einsatz (Boags Theorie), allerdings sind die dafür nötigen Näherung höchst wahrscheinlich unzureichend für die stark gepulsten Strahlenfelder zukünftiger Beschleuniger. Ferner sind Dosisleistungsmessgeräte, welche im Strahlenschutz als fest installierte oder mobile Überwachungsdosimeter eingesetzt werden, nur für kontinuierliche Strahlenfelder geprüft und bauartzugelassen, was Zweifel an ihrer Eignung für die Messung gepulster Felder eröffnet. In dieser Arbeit wurden beide Bereiche der Dosimetrie, sowohl Strahlenschutz als auch klinische Dosimetrie, untersucht, um die medizinische Anwendung stark gepulster Strahlung zu ermöglichen. Für ein möglichst umfassendes Verständnis wurden dabei experimentelle Untersuchungen mit theoretischen Überlegungen und Entwicklungen verzahnt. Mit dem ELBE-Forschungsbeschleuniger wurde ein gepulster 20 MeV Elektronenstrahl und somit ein gepulstes Strahlungsfeld erzeugt, welches eine systematische Untersuchung in einem großen Bereich in Bezug auf Pulsdosis und Pulsdauer erlaubte. Ionisationskammern für den klinischen Einsatz wurden mit diesem Elektronenstrahl direkt bestrahlt und ein Faraday-Becher diente als unabhängige Referenzmessung. Dosisleistungsmessgeräte hingegen wurden im, durch den Elektronenstrahl im Faraday-Becher erzeugten, Bremsstrahlungsfeld bestrahlt. Dabei fungierte die Ionisationskammer vor dem Faraday-Becher als Strahlmonitor und diente zur Bestimmung der Referenzdosis des Bremsstrahlungsfeldes über eine Querkalibrierung mit Thermolumineszenzdosimetern. Es wurden drei Dosisleistungsmessgeräte basierend auf unterschiedlichen Messprinzipien untersucht, die damit einen großen Teil der im Strahlenschutz eingesetzten Messprinzipien abdecken: Die Ionisationskammer RamION, das Proportionalzählrohr LB1236-H10 und der Szintillationsdetektor AD-b. Für die klinische Dosimetrie wurden zwei verbreitete Ionisationskammergeometrien untersucht: die Advanced Markus Kammer als Flachkammer und die PinPoint Kammer als Kompaktkammer. Zusätzlich zu der üblichen Luftfüllung wurde außerdem eine Füllung mit reinem Stickstoff und zwei Flüssigionisationskammern mit Isooctan und Tetramethylsilan untersucht. Ferner wurde eine numerische Berechnung der Volumenrekombination in Ionisationskammern durch die Beschreibung der Prozesse von Ladungsfreisetzung, Ladungstransport und Reaktion entwickelt, um eine Beschreibung zu erhalten, die ohne die für Boags Theorie notwendigen Näherungen auskommt. Insbesondere berücksichtigt diese Berechnung den Einfluss der freigesetzten Ladungen auf das elektrische Feld, der in Boags Theorie vernachlässigt wird. Von den drei untersuchten Dosisleistungsmessgeräten zeigte nur das RamION Messungen innerhalb der gegebenen Toleranzen in den untersuchten Strahlungsfeldern. Die unerwartet schlechte Präzision des AD-b Szintillationsdetektors, der keinen prinzipiellen Beschränkungen in gepulsten Feldern unterliegen sollte, wurde auf die Signalverarbeitung im Messgerät zurückgeführt, welche das prinzipielle Problem einer unbekannten Signalverarbeitung in kommerziellen Geräten hervorhebt. Das LB 1236-H10 Proportionalzählrohr andererseits maß den Erwartungen entsprechend. Dies unterstützt zwar die in DIN IEC/TS 62743 dargelegten Erwartungen für zählende Dosimeter, zeigt allerdings zugleich die allgemeine Unzulänglichkeit solcher Instrumente für die Messung stark gepulster Felder und demonstriert die Notwendigkeit für weitere normative Bestrebungen, um einheitliche Bedingungen für die Untersuchung nicht-zählender Dosimeter (wie das RamION) zu schaffen. Durch die Aufnahme dieser Ergebnisse in die Literatur der Strahlenschutzkommission wurde hier der Grundstein für eine solche Entwicklung gelegt. Die Untersuchung der Ionisationskammern für klinische Dosimetrie zeigte z.T. starke Abweichungen zwischen Boags Theorie und experimentellen Beobachtungen. Boags Theorie beschreibt Volumenrekombination hinreichend genau lediglich für die zwei Flüssigionisationskammern. Im Falle sämtlicher gasgefüllter Kammern waren effektive Parameter notwendig, deren Wert kaum einen Zusammenhang mit der ursprünglichen Definition besaß. Doch auch dieser Ansatz versagt jedoch für die Advanced Markus-Kammer bei Sammelspannungen ≥ 300 V und Pulsdosen ab ca. 100 mGy. Das entwickelte numerische Berechnungsverfahren lieferte eine deutlich passendere Berechnung der Volumenrekombination und ermöglichte es, die Ursache für die Unterschiede zu Boags Theorie in dem Einfluss der freigesetzten Ladungen auf das elektrische Feld zu identifizieren. Eine aufgrund der erhöhten Pulsdosis erhöhte positive Raumladung verlangsamt die Sammlung der normalerweise schnellen freien Elektronen, welche von Volumenrekombination zunächst unbeeinträchtigt sind. Aufgrund der längeren Verweildauer im Kammervolumen, lagert sich jedoch ein höherer Anteil der Elektronen an und bildet negative Ionen. Der daraus resultierende höhere Anteil an Ladungen die Volumenrekombination ausgesetzt sind, zusätzlich zu der erhöhten Ladungsmenge, bedingt eine Erhöhung der Volumenrekombination mit der Pulsdosis, die sich nicht durch Boags Theorie beschreiben lässt. Insbesondere von Bedeutung ist dieser Effekt bei hohen elektrischen Feldstärken und kleinen Elektrodenabständen, die in einem hohen Anteil freier Elektronen resultieren. Des Weiteren erlaubt das numerische Verfahren die Berechnung für beliebige Pulsdauern, wohingegen Boags Theorie auf verschwindend geringe Pulsdauern beschränkt ist. Im Allgemeinen ergab das numerische Berechnungsverfahren Ergebnisse in guter Übereinstimmung mit den experimentellen Beobachtungen für die sehr verschiedenartigen Füllungen von Luft, Stickstoff und Flüssigkeiten. Auch die geometrisch komplexere Kompaktkammer konnte prinzipiell damit beschrieben werden, wobei sich jedoch für die untersuchte PinPoint-Kammer einige Diskrepanzen zu den experimentellen Beobachtungen ergaben. Eine vielversprechende Weiterentwicklung der Berechnung wäre die verbesserte Beschreibung der Sammelspannungsabhängigkeit der Volumenrekombination. In ihrer derzeitigen Form erfordert die Berechnung eine Charakterisierung jeder Kammer und Spannung, was durch eine Weiterentwicklung der Berechnung möglicherweise eliminiert werden könnte. Nichtsdestotrotz stellt die entwickelte numerische Berechnung eine deutliche Verbesserung gegenüber Boag's Theorie durch die korrekte Beschreibung der Pulsdosis- und Pulsdauerabhängigkeit der Volumenrekombination in stark gepulsten Felder dar, was prinzipiell eine absolute Dosimetrie dieser Felder ermöglichen sollte. / Synchrocyclotrons and laser based particle accelerators, developed with the goal to enable more compact particle therapy facilities, may bring highly pulsed radiation field to external beam radiation therapy. In addition, such highly pulsed fields may be desirable due to their potential clinical benefits regarding better healthy tissue sparing or improved gating for moving tumors. However, they pose new challenges for dosimetry, the corner stone of any application of ionizing radiation. These challenges affect both clinical and radiation protection dosimetry. Air-filled ionization chambers, which dominate clinical dosimetry, face the problem of increased signal loss due to volume recombination when a highly pulsed field liberates a large amount of charge in a short time in the chamber. While well established descriptions exist for this volume recombination for the moderately pulsed fields in current use (Boag's formulas), the assumptions on which those descriptions are based will most likely not hold in the prospective, highly pulsed fields of future accelerators. Furthermore, ambient dose rate meters used in radiation protection dosimetry as survey meters or fixed installations are generally only tested for continuous fields, casting doubt on their suitability to measure pulsed fields. This thesis investigated both these aspects of dosimetry - clinical as well as radiation protection - to enable the medical application of highly pulsed radiation fields. For a comprehensive understanding, experimental investigations were coupled with theoretical considerations and developments. Pulsed fields, varying in both dose-per-pulse and pulse duration over a wide range, were generated with the ELBE research accelerator, providing a 20 MeV pulsed electron beam. Ionization chambers for clinical dosimetry were investigated using this electron beam directly, with an aluminium Faraday cup providing the reference measurement. Whereas the dose rate meters were irradiated in the photon field generated from stopping the electron beam in the Faraday cup. In those measurements, the reference was calculated from the ionization chamber, then serving a an electron beam monitor, cross-calibrated to the photon field with thermoluminescent dosimeters. Three dose rate meters based on different operating principles were investigated, covering a large portion of the operating principles used in radiation protection: the ionization chamber based RamION, the proportional counter LB 1236-H10 and the scintillation detector AD-b. Regarding clinical dosimetry, measurements of two prominent ionization chamber geometries, plane-parallel (Advanced Markus chamber) and thimble type (PinPoint chamber), were performed. In addition to common air-filled chambers, chambers filled with pure nitrogen and two non-polar liquids, tetramethylsilane and isooctane, were investigated. In conjunction with the experiments, a numerical solution of the charge liberation, transport, and recombination processes in the ionization chamber was developed to calculate the volume recombination independent of the assumptions necessary to derive Boag's formulas. Most importantly, the influence of the liberated charges in the ionization chamber on the electric field, which is neglected in Boag's formulas, is included in the developed calculation. Out of the three investigated dose rate meters only the RamION could be identified as an instrument truly capable of measuring a pulsed field. The AD-b performed below expectations (principally, a scintillator is not limited in detecting pulsed radiation), which was attributed to the signal processing, emphasizing the problem of a typical black-box signal processing in commercial instruments. The LB 1236-H10, on the other hand, performed as expected of a counting detector. While this supports the recent effort to formalize these expectations and standardize testing for counting dosimeters in DIN IEC/TS 62743, it also highlights the insufficiency of counting detectors for highly pulsed fields in general and shows the need for additional normative work to establish requirements for dose rate meters not based on a counting signal (such as the RamION), for which no framework currently exists. With these results recognized by the German radiation protection commission (SSK) the first steps towards such a framework are taken. The investigation of the ionization chambers used in radiation therapy showed severe discrepancies between Boag's formulas and the experimentally observed volume recombination. Boag's formulas describe volume recombination truly correctly only in the two liquid-filled chambers. All the gas-filled chambers required the use of effective parameters, resulting in values for those parameters with little to no relation to their original meaning. Even this approach, however, failed in the case of the Advanced Markus chamber for collection voltages ≥ 300 V and beyond a dose-per-pulse of about 100 mGy. The developed numerical model enabled a much better calculation of volume recombination and allowed the identification of the root of the differences to Boag's formulas as the influence of the liberated charges on the electric field. Increased positive space charge due to increased dose-per-pulse slows the collection and reduces the fraction of fast, free electrons, which are unaffected by volume recombination. The resultant increase in the fraction of charge undergoing volume recombination, in addition to the increase in the total amount of charge, results in an increase in volume recombination with dose-per-pulse that is impossible to describe with Boag's formulas. It is particularly relevant in the case of high electric fields and small electrode distances, where the free electron fraction is large. In addition, the numerical calculation allows for arbitrary pulse durations, while Boag's formulas apply only to very short pulses. In general, the numerical calculation worked well for plane-parallel chambers, including those filled with the very diverse media of liquids, nitrogen and air. Despite its increased complexity, the thimble geometry could be implemented as well, although, in the case of the PinPoint chamber, some discrepancies to the experimental data remained, probably due to the required geometrical approximations. A possible future development of the numerical calculation would be an improved description of the voltage dependence of the volume recombination. At the moment it requires characterizing a chamber at each desired collection voltage, which could be eliminated by an improved modeling of the volume recombination's dependence on collection voltage. Nevertheless, the developed numerical calculation presents a marked improvement over Boag's formulas to describe the dose-per-pulse dependence and pulse duration dependence of volume recombination in ionization chambers, in principle enabling the application of ionization chambers in the absolute dosimetry of highly pulsed fields.

Die Akutfolgen ionisierender Strahlung wurden in zahlreichen Studien gut untersucht, ein Zusammenhang zwischen Hochdosisbestrahlung und deterministischen Spätschäden wurde vielfach belegt. Über die Langzeitfolgen niedrig dosierter ionisierender Strahlung hingegen ist bislang weniger bekannt, obwohl epidemiologische Studien auf ein erhöhtes Risiko strahlenassoziierter Spätfolgen hinweisen, sogar bei sehr geringen Dosen. Ionisierende Strahlung bedingt dosis- und zeitabhängigen Veränderungen in zahlreichen Geweben. Mittlere bis hohe Strahlendosen führen unter anderem zur strahleninduzierten koronaren Herzkrankheit mit ihren vielfältigen Folgeerkrankungen. Die vorliegende Studie beschäftigt sich mit den inflammatorischen, thrombotischen und fibrotischen Spätfolgen des murinen ApoE-/- -Herzens 3 bzw. 6 Monate nach Niedrig-Dosis-Bestrahlung. Dazu wurde die Expression ausgewählter Markerproteine an gefroren Herzschnitten und Plasmaproben mittels Immunfluoreszenzanalyse bzw. ELISA quantifiziert. Es konnte gezeigt werden, dass bereits sehr niedrige Bestrahlungsdosen (0,025 – 0,5 Gy) zu kompensatorischen Langzeiteffekten wie beispielsweise einer erhöhte Kapillardichte und Änderungen von Kollagen-IV und Thy-1-Expression führen. Dabei finden sich sowohl pro- als auch antiinflammatorische Effekte. Aus den Erkenntnissen multipler inflammatorischer und thrombotischer Veränderungen nach Niedrigdosisbestrahlung ließen sich möglicherweise wichtige Rationalen der anti-inflammatorischen Strahlentherapie ableiten. Darüber hinaus könnte anhand systemischer Plasmamarker die individuelle Evaluation strahlenassoziierter Spätfolgen und Einleitung adäquater Interventionsstrategien ermöglicht werden. Ob die hier gezeigten Effekte nur in Patienten mit besonderem Risikoprofil, wie erhöhten Cholesterin-Spiegeln, oder auch metabolisch gesunden relevant sind, bleibt weiteren Untersuchungen vorbehalten.

The advantages of contemporary particle injectors are high bunch charges and good beam quality in the case of normal conducting RF guns and increased repetition rates in the one of DC injectors. The technological edge of the concept of superconducting radio frequency injectors is to combine the strengths of both these sides. As many future accelerator concepts, such as energy recovery linacs, high power free electron lasers and certain collider designs, demand particle sources with high bunch charges and high repetition rates combined, applying the superconductivity of the accelerator modules to the injector itself is the next logical step. However, emittance compensation — the cornerstone for high beam quality — in case of a superconducting injector is much more challenging than in the normal conducting one. The use of simple electromagnets generating a solenoid field around the gun’s resonator interferes with its superconducting state. Hence, it requires novel and sophisticated techniques to maintain the high energy gain inside the gun cavity, while at the same time alleviating the detrimental fast transverse emittance growth of the bunch. In the case of the ELBE accelerator at the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, a superconducting electron accelerator provides beam for several independent beamlines in continuous wave mode. The applications include IR to THz free electron lasers, neutron and positron generation, to Thompson backscattering with an inhouse TW laser, and hence, call for a flexible CW injector. Therefore, the development of a 3.5 cell superconducting electron gun was initiated in 1997. The focus of this thesis lies on three approaches of transverse emittance compensation for this photoinjector: RF focusing, the installation of a superconducting solenoid close to the cavity’s exit, and the introduction of a transverse electrical mode of the RF field in the resonator. All three methods are described in theory, examined by numerical simulation, and experimentally reviewed in the particular case of the ELBE SRF Gun II at HZDR and a copy of its niobium resonator at Thomas Jefferson National Laboratory, Newport News, VA, USA.