Electromagnetic radiation in the frequency range between about 100 GHz and 5 THz can be used for spectroscopy and microscopy, but it is also promising for security screening and even wireless communication. In the present thesis a planar photoconducting large-area THz radiation source is presented. The device exhibits outstanding properties, in particular high THz field strength and generation efficiency and large spectral bandwidth with short THz pulse length. The THz emission is based on acceleration and deceleration of photoexcited carriers in semiconductor substrates. A metallic interdigitated structure at the surface of semi-insulating GaAs provides the electrodes of an Auston switch. In a biased structure photoexcited charge carriers are accelerated. Hence electromagnetic waves are emitted. An appropriately structured second metallization, electrically isolated from the electrodes, prevents destructive interference of the emitted waves. The structure investigated here combines several advantages of different conventional photoconducting THz sources. First, it provides high electric acceleration fields at moderate voltages owing to the small electrode separation. Second, the large active area in the mm2 range allows excitation by large optical powers of some mW. Optical excitation with near-infrared femtosecond lasers is possible with repetition rates in the GHz range. The presented results point out the excellent characteristics regarding the emitted THz field strength, average power, spectral properties, and easy handling of the interdigitated structure in comparison to various conventional emitter structures. Various modifications of the semiconductor substrate and the optimum excitation conditions were investigated. In the second part of this thesis the dynamic conductivity of GaAs/AlxGa1-xAs superlattices in an applied static electric field was investigated with time-resolved THz spectroscopy. The original goal was to explore whether the predicted effect of gain of electromagnetic radiation at THz frequencies is present in such structures. Superlattice samples were grown according to the experimental requirements, which include high specific resistance and sufficient THz transparency. The characterization of the superlattices by Fourier transform infrared spectroscopy and photoluminescence spectroscopy confirms the pronounced miniband properties of the bandstructure. Furthermore indications of Bloch oscillations were found by transport measurements. However, we could not measure a change of the dynamic conductivity when the electric field was toggled. Specific reasons for this and related experiments of other groups are discussed. / Elektromagnetische Strahlung im Frequenzbereich zwischen etwa 100 GHz und 5 THz wird für verschiedene Anwendungen wie Spektroskopie und Mikroskopie genutzt, kann aber auch für Sicherheitstechnik oder sogar Datenübertragung interessant sein. In der hier vorgestellten Forschungsarbeit wird eine großflächige fotoleitende THz-Strahlungsquelle beschrieben, die sich durch eine große THz-Feldstärke und große spektrale Bandbreite auszeichnet. Die THz-Emission basiert auf der Beschleunigung und Verzögerung fotogenerierter Ladungen in Halbleitersubstraten. Eine metallische Interdigitalstruktur auf der Oberfläche von semi-isolierendem GaAs bildet die Elektroden eines Fotoschalters. Ist an diese Struktur eine Spannung angeschlossen, werden optisch generierte Ladungsträger beschleunigt und strahlen elektromagnetische Wellen ab. Eine geeignet strukturierte und isolierte zweite Metallisierung verhindert destruktive Interferenzen der abgestrahlten Wellen. Die vorgeschlagene Struktur vereinigt dabei die Vorteile verschiedener herkömmlicher fotoleitender THz-Quellen. Einerseits ermöglicht der kleine Elektrodenabstand große elektrische Felder zur Beschleunigung fotogenerierter Ladungen schon bei moderaten Spannungen. Andererseits kann die große aktive Fläche von einigen mm2 mit großen optischen Leistungen im Bereich einiger mW angeregt werden. Die optische Anregung mit Nahinfrarot-Femtosekunden- Lasern kann mit Wiederholraten bis in den GHz-Bereich geschehen. Bedingt durch die Eigenschaften der Anregungspulse entstehen kurze spektral breite THz-Pulse. Die vorliegenden Ergebnisse verdeutlichen die hervorragenden Eigenschaften der Interdigitalstruktur im Vergleich zu verschiedenen herkömmlichen Geometrien bezüglich der Feldstärke der abgestrahlten Wellen, der mittleren Leistung und der spektralen Eigenschaften. Dabei ist die Struktur sehr einfach zu handhaben. Es wurden verschiedene Modifikationen des Substrates und die optimalen Bedingungen der optischen Anregung untersucht. Der zweite Teil dieser Arbeit behandelt die Erforschung der dynamische Leitfähigkeit von GaAs/AlxGa1-xAs-Übergittern in Abhängigkeit von einem elektrischen Feld mit Hilfe der zeitaufgelösten THz-Spektroskopie. Es sollte geklärt werden, ob der vorhergesagte Effekt der Verstärkung elektro-magnetischer Strahlung in solchen Strukturen möglich ist. Dazu wurden Übergitterproben gemäß den experimentellen Anforderungen hergestellt. Zu den Vorgaben gehört ein hoher spezifischer Widerstand und ausreichende Transparenz im THz-Bereich. Die Charakterisierung der Übergitter mit Fotolumineszenz- und Fourier-Transformations-IR-Spektroskopie bestätigte die ausgeprägten Minibandeigenschaften der Bandstruktur. Hinweise auf Bloch-Oszillationen wurden durch Ladungstransportmessungen gefunden. Dennoch war eine Änderung der dynamischen Leitfähigkeit beim Schalten des elektrischen Feldes nicht messbar. Gründe dafür und ähnliche Experimente anderer Gruppen werden diskutiert.

From September 17 to October 5, 2012, a field campaign with focus on clouds, aerosols, radiation and dynamics and their interaction in clouds that was coordinated and organized by the Leipzig Institute for Meteorology took place at the Zugspitze mountain. / Vom 17. September bis 5. Oktober wurde vom Leipziger Institut eine Feldkampagne zur Untersuchung der Wechselwirkung von Aerosolen, Niederschlag und Strahlung insbesondere in Hinblick auf konvektive Wolken auf der Zugspitze koordiniert und organisiert.

The Monte Carlo (MC) method is an effective approach to simulate the radiative transfer in an inhomogeneous cloudy atmosphere. It is based on the direct physical simulation of the extinction processes that solar and thermal photons incur when traveling through the atmosphere. A detailed description of the MC method is presented in the second chapter. A new three-dimensional Monte Carlo radiative transfer model, based on a pre-existing model (Trautmann et al. [1999]), has been developed. Some outstanding characteristics of this model are discussed in chapter 3. Several simulations of reflectances, transmittances, absorptances and horizontal flux densities have been performed, the results of which have been compared with worldwide accepted codes (chapter 4). The two cases selected for the radiative transfer computations were taken from the Intercomparison of 3D Radiative Codes (I3RC) project: an ARM (Atmospheric Radiation Measurements) reconstructed cloud and a 3D marine boundary layer cloud / Die Monte Carlo (MC) Methode ist ein effektives Verfahren, um den Strahlungstransport in einer inhomogenen bewölkten Atmosphäre zu simulieren. Es begründet sich auf der direkten Simulation der Extinktionsprozesse eines solaren oder thermischen Photons auf seinem Weg durch die Atmosphäre. Eine detallierte Beschreibung der MC Methode erfolgt in Kapitel 2. In Kapitel 3 wird ein neues dreidimensionales MC-Strahlungstranportmodell vorgestellt, das, aufbauend auf einem schon bestehenden Modell (Trautmann et al. [1999]), entwickelt wurde. Mehrere Simulationen von Reflektanzen, Transmittanzen, Absorptanzen und Strahlungsflussdichten für zwei Fälle des \'Intercomparison of 3D radiative Codes\' projektes, nämlich eine ARM rekonstruierte Wolke und eine 3D marine Grenzschichwolke, wurden durchgeführt, und mit den Ergebnissen anderer weltweit akzeptierten Codes verglichen.

Hintergrund: Die Entwicklung von Therapieprinzipien zur Behandlung von Krebserkrankungen hat eine anhaltende, sehr hohe wissenschaftliche Relevanz. Ziel dabei ist es, möglichst selektiv nur das erkrankte Gewebe zu schädigen. Besonders relevant ist dabei die Adressierung von für das Zellüberleben wichtigen Strukturen, wie etwa der DNA. Erreicht werden kann dies zum Beispiel durch eine Sensitivierung der DNA gegenüber energiereicher Strahlung. Ein vielversprechender Ansatz ist dabei die Generierung von Auger-Elektronen, welche auf subzellulärer Reichweite eine hohe Energie abgeben (hoher Linearer Energietransfer) und zu DNA-Strangbrüchen führen können. Dass durch unmittelbar an die DNA gekoppelte Auger-Emitter eine besonders effektive DNA-Schädigung zu erreichen ist, wurde zum Beispiel für 111Indium, 123Iod, 125Iod als auch für 99mTechnetium gezeigt. Es konnte sowohl in Untersuchungen an Zellen, als auch an Plasmid-DNA eine erfolgreiche Anregung nicht-radioaktiver Substanzen zur Auger-Emission durch ionisierende Strahlung, wie auch durch UV-Bestrahlung erreicht werden. Bekannt ist diese Sensitivierung gegenüber energiereicher Strahlung für in die DNA integrierte halogenierte DNA-Basen, wie zum Beispiel Iododeoxyuridin, mit Iod markierte DNA-Farbstoffen, wie etwa Iodo-Hoechst, als auch für DNA-gebundenes Platin. Ein bereits Iod enthaltender DNA-Farbstoff ist der Fluoreszenzfarbstoff Propidiumiodid (PI), welcher in die DNA interkaliert. Ob über die Markierung von DNA mit PI eine Sensitivierung gegenüber energiereicher Strahlung durch die Anregung des Iods zur Auger-Emission erreicht werden kann, wird in dieser Arbeit untersucht. Material und Methode: In den Versuchen wurde das Plasmid pUC 19 (2686 Basenpaare) mit unterschiedlichen Strahlenqualitäten (Röntgenstrahlung, niederenergetische Elektronenbestrahlung durch 99mTechnetium, hochenergetische Elektronenbestrahlung durch 188Rhenium, Partikelbestrahlung durch 223Radium, UV-Bestrahlung (254 nm und 366 nm) und Bestrahlung mit visuellem Licht (530-575 nm)) und Modulatoren (Wasserstoffperoxid H2O2, Zinndichlorid SnCl2, Dimethylsulfoxid DMSO) mit und ohne PI behandelt. Die Entstehung von DNA-Einzel-und Doppelstrangbrüchen führt zu einer Veränderung der Plasmidkonformation von einer superspiralisierten (supercoiled SC) zu entspannteren Formen (Einzelstrangbruch ESB-> open circle OC, Doppelstrangbruch DSB-> linearisiert L). Diese verschiedenen Plasmidkonformationen haben unterschiedliche Laufeigenschaften in der Gelelektrophorese und wurden so aufgetrennt. Nach einer Gelfärbung mit dem Fluoreszenzfarbstoff Ethidiumbromid (EtBr) erfolgte die quantitative Auswertung der Fluoreszenzintensität der unterschiedlichen Plasmidkonformations-Banden. Ergebnisse: Als grundsätzliche Voraussetzung für die nachfolgenden Versuche wurde zunächst die konzentrationsabhängige Markierung der DNA mit PI nachgewiesen, welche zu einer proportionalen Zunahme der Fluoreszenzintensität führt. Die Markierung ist stabil über die Zeit und verursacht keine DNA-Strangbrüche, jedoch eine Konformationsänderung der DNA. Eine Interaktion zwischen PI und der nachfolgenden Gelfärbung mit EtBr besteht nicht. Untersuchungen zur Chemotoxizität der Modulatoren ergaben für H2O2 keine relevante DNA-Strangbruchinduktion und für SnCl2 einen starken DNA-schädigenden Effekt mit einer konzentrationsabhängigen Induktion von ESB und DSB, welche durch den Radikalfänger DMSO verhinderbar waren, also über Radikale vermittelt wurden. Die Kombination aus H2O2 und SnCl2 führt zu einer Verstärkung der DNA-Schädigung. Für die ionisierende Strahlung konnte für alle Strahlenqualitäten eine dosisabhängige DNA-Schädigung mit Entstehung von ESB und bei höheren Dosen von DSB gezeigt werden, welche weitestgehend durch DMSO verhinderbar, also radikalvermittelt, waren. Die PI-Markierung der DNA führte in Kombination mit ionisierender Strahlung zu keiner Verstärkung der DNA-Schädigung. Es ließ sich sogar eher ein diskret protektiver Effekt durch PI bei hohen Dosen nachweisen. Da bekannt ist, dass für die Anregung eine Energie grade größer als die Energie der K-Schalen-Elektronen des Iods besonders effektiv ist, wurde vergleichend die Röntgenbestrahlung mit unterschiedlichen Beschleunigungspannungen (32 kV und 200 kV) untersucht. Jedoch führte auch hier die PI-Markierung nicht zu der erwarteten stärkeren DNA-Schädigung bei 200 kV. Die Untersuchung zur UV-Bestrahlung ergab für die Wellenlänge 254 nm einen DNA-toxischen Effekt. Durch die PI-Markierung ließ sich eine geringe Zunahme der ESB, jedoch keine DSB verzeichnen, so dass eine Auger-Emission unwahrscheinlich erscheint. Es scheint aber zu einer direkten Wechselwirkung mit der DNA zu kommen, da die Schädigung durch DMSO nicht vollständig verhinderbar ist. Für die Wellenlänge 366 nm wurde eine DNA-Toxizität, sowohl ohne, als auch mit PI-Markierung ausgeschlossen. Eine Kombination mit H2O2 führte zu einer massiven DNA-Destruktion mit Entstehung von ESB und DSB, welche durch Zugabe von DMSO suffizient verhindert werden konnten. Eine Bestrahlung mit visuellem Licht (530 - 575 nm) verursachte keine DNA-Schädigung. Durch die Markierung mit PI ließ sich eine konzentrationsabhängige DNA-Schädigung mit Entstehung von ESB erreichen. Es konnten jedoch keine DSB detektiert werden, so dass eine Auger-Emission unwahrscheinlich ist. DMSO kann die Schädigung nur partiell verhindern, so dass ein anderer direkter Effekt anzunehmen ist, am wahrscheinlichsten durch die optimale Anregung zur Fluoreszenz im Bereich des Absorptionsmaximums des PI. Schlussfolgerung: Es ließ sich für alle untersuchten Strahlenqualitäten, sowohl ionisierende Strahlung als auch Lichtbestrahlung, kein Effekt im Sinne einer Anregung zur Auger-Emission und der damit einhergehenden zu erwartenden Entstehung von DSB durch die Markierung mit PI unter den gegebenen Versuchsbedingungen nachweisen. Jedoch ließen sich Wechselwirkung bei der Bestrahlung mit Licht verzeichnen, so dass das grundlegende Prinzip einer Sensitivierung gegenüber energiereicher Strahlung für die Entwicklung von Therapiekonzepten weiterhin im Fokus steht.:1 Einleitung 1 2 Material und Methoden 3 2.1 Material 3 2.1.1 DNA 3 2.1.2 Chemikalien 4 2.1.3 Radionuklide und Bestrahlungssysteme 6 2.2 Methoden 10 2.2.1 Experimentelles Design 10 2.2.2 Charakterisierung der Plasmidkonformationen 12 2.2.3 Dosimetrie 13 2.2.4 Statistische Auswertung 14 3 Ergebnisse 15 3.1 Standardisierung der Messergebnisse und Quantifizierung 15 3.2 Einfluss physikalischer und chemischer Parameter auf die Plasmid-DNA 15 3.2.1 Festlegung Inkubationstemperatur und pH-Wert 15 3.2.2 Einfluss von DMSO auf die Plasmid-DNA 16 3.2.3 Einfluss von PI auf die Plasmid-DNA 16 3.2.3.1 Einfluss von DMSO auf Konformationsänderung durch PI 21 3.2.4 Einfluss von H2O2 auf die Plasmid-DNA und Wirkung von DMSO 23 3.2.5 Einfluss von H2O2 und PI auf die Plasmid-DNA 24 3.2.6 Einfluss von SnCl2 im TechneScan PYP-Kit auf die Plasmid-DNA 26 3.2.6.1 Einfluss von DMSO auf die Schädigung durch SnCl2 27 3.2.6.2 Einfluss von H2O2 auf die Schädigung durch SnCl2 29 3.2.6.3 Einfluss von DMSO auf die Schädigung durch SnCl2 und H2O2 30 3.3 Dosiswirkungsbeziehungen nach Exposition mit unterschiedlichen Strahlenqualitäten 31 3.3.1 Bestrahlung mit externer Röntgenstrahlung 31 3.3.1.1 Schädigung durch Röntgenbestrahlung und Einfluss von DMSO 31 3.3.1.2 Einfluss von PI auf Schädigung durch Röntgenbestrahlung mit Röhrenspannung von 200 kV und 32 kV 33 3.3.2 Bestrahlung mit 99mTc 36 3.3.2.1 Bestrahlung mit 99mTc und Einfluss von PI 36 3.3.3 Bestrahlung mit 188Re 40 3.3.3.1 Bestrahlung mit 188Re und Einfluss von PI 40 3.3.4 Bestrahlung mit 223Ra 42 3.3.4.1 Bestrahlung mit 223Ra und Einfluss von PI 43 3.3.5 Bestrahlung mit UV-Licht (254 nm) und Einfluss von PI 46 3.3.5.1 Einfluss von DMSO auf die Schädigung durch UV-Bestrahlung mit 254 nm 47 3.3.6 Bestrahlung mit UV-Licht (366 nm) und Einfluss von PI 48 3.3.6.1 Einfluss von H2O2 auf die Bestrahlung mit UV-Licht (366 nm) 49 3.3.6.2 Einfluss von DMSO auf die Schädigung durch H2O2 und UV-Bestrahlung (366 nm) 51 3.3.7 Bestrahlung mit VIS (530-575 nm) und Einfluss von PI 52 3.3.7.1 Einfluss von DMSO auf die Schädigung durch PI und VIS-Bestrahlung 54 4 Diskussion 56 4.1 Experimentelles Designe 58 4.1.1 DNA-Markierung mit PI 58 4.1.2 DNA-Markierung mit EtBr 59 4.2 Untersuchungen zur Chemotoxizität 60 4.2.1 Wechselwirkung zwischen H2O2 und Plasmid-DNA 60 4.2.2 Wechselwirkung zwischen SnCl2 und Plasmid DNA 60 4.2.2.1 Wechselwirkung zwischen H2O2 und SnCl2 61 4.3 Untersuchungen zu ionisierender Strahlung 62 4.3.1 DNA-Schädigung durch ionisierende Strahlung 62 4.3.2 Wechselwirkung zwischen ionisierender Strahlung und PI 63 4.4 Untersuchungen zur Bestrahlung mit Licht 66 4.4.1 Bestrahlung mit UV-Licht (254 nm) 66 4.4.2 Bestrahlung mit UV-Licht (366 nm) 67 4.4.2.1 Wechselwirkung zwischen H2O2 und UV-Licht (366 nm) 67 4.4.3 Bestrahlung mit visuellem Licht (VIS 530 - 575 nm) 68 4.4.4 Grenzen der Methode und Fehlerbetrachtung 69 4.5 Ausblick 70 5 Zusammenfassung 72 6 Summary 75 7 Literaturverzeichnis 77 8 Anhang 84 8.1 Abbildungsverzeichnis 84 8.2 Tabellenverzeichnis 92 8.3 Tabellen mit Daten zu den Abbildungen 96 8.3.1 Einfluss von PI auf die Plasmidkonformation 96 8.3.2 Einfluss von DMSO auf die Konformationsänderung durch PI 99 8.3.3 Einfluss von H2O2 auf die Plasmid-DNA und Wirkung von DMSO 100 8.3.4 Einfluss von H2O2 und PI auf die Plasmid-DNA 101 8.3.5 Einfluss von SnCl2 im TechneScan PYP-Kit auf die Plasmid-DNA 102 8.3.6 Einfluss von DMSO auf die Schädigung durch SnCl2 102 8.3.7 Einfluss von H2O2 auf die Schädigung durch SnCl2 103 8.3.8 Einfluss von DMSO auf die Schädigung durch H2O2 und SnCl2 104 8.3.9 Schädigung durch Röntgenbestrahlung und Einfluss von DMSO 104 8.3.10 Einfluss von PI auf Schädigung durch Röntgenbestrahlung mit Röhrenspannung von 200 kV und 32 kV 105 8.3.11 Bestrahlung mit 99mTc und Einfluss von PI 106 8.3.12 Bestrahlung mit 188Re und Einfluss von PI 107 8.3.13 Bestrahlung mit 223Ra und Einfluss von PI 108 8.3.14 Bestrahlung mit UV-Licht (254 nm) und Einfluss von PI 109 8.3.15 Einfluss von DMSO auf die Schädigung durch UV-Bestrahlung mit 254 nm 110 8.3.16 Bestrahlung mit UV-Licht (366 nm) und Einfluss von PI 110 8.3.17 Einfluss von H2O2 auf die Bestrahlung mit UV-Licht (366 nm) 110 8.3.18 Einfluss von DMSO auf die Schädigung durch H2O2 und UV- Bestrahlung (366 nm) 111 8.3.19 Bestrahlung mit VIS (530-575 nm) und Einfluss von PI 112 8.3.20 Einfluss von DMSO auf die Schädigung durch PI und VIS-Bestrahlung 113 8.3.21 Vergleich Strahlenqualitäten 114 9 Erklärung zur Eröffnung des Promotionsverfahrens 116 10 Erklärung zur Einhaltung gesetzlicher Vorgaben 117 11 Danksagung 118 / Introduction and aim of the study: The development of therapeutic principles for the treatment of cancer has a lasting, very high scientific relevance. The aim is to damage the diseased tissue only. The addressing of structures that are important for cell survival, such as the DNA, is particularly relevant. This can for example be achieved, by sensitizing the DNA to energized radiation. A promising approach is the generation of Auger electrons, which release high energy (high linear energy transfer) at sub-cellular range and can lead to DNA strand breaks. It has been shown that the direct coupling of Auger emitters to the DNA like indium-111, iodine-123, iodine-125 and technetium-99m cause particularly effective DNA damage. In investigations on cells as well as on plasmid DNA a successful excitation of non-radioactive substances for the emission of Auger electrons by ionizing radiation as well as UV-radiation was achieved. This sensitivity to energized radiation is known for halogenated DNA bases integrated into the DNA, such as iododeoxyuridine, iodine-labelled DNA dyes such as iodo-Hoechst and DNA-linked platinum. A DNA dye that already contains iodine is the fluorescent dye propidium iodide (PI) which intercalates into the DNA. This paper examines whether the labeling of DNA with PI can be used to achieve a sensitivity to energized radiation by excitation the iodine to Auger-emission. Materials and methods: In the experiments, the plasmid pUC 19 (2686 base pairs) was treated with different radiation qualities (X-ray radiation, low-energy electron irradiation by technetium-99m, high-energy electron irradiation by rhenium-188, particle-irradiation by radium-223, UV-irradiation (254 nm and 366 nm) and irradiation with visual light (530-575 nm)) and modulators (hydrogen peroxide H2O2, tin dichloride SnCl2, dimethyl sulfoxide DMSO) both with and without PI. The formation of DNA single- and double-strand breaks leads to alteration in plasmid conformation from superspiralized (supercoiled SC) to more relaxed forms (single strand break SSB-> open circle OC, double strand break DSB-> linear L). These different plasmid conformations have different running properties in gel electrophoresis and were separated this way. After gel staining with the fluorescent dye ethidium bromide (EtBr) the fluorescence intensity of the different plasmid conformational bands was evaluated quantitatively. Results: As a basic prerequisite for the subsequent experiments, the concentration-dependent labelling of the DNA with PI was demonstrated first, which leads to a proportional increase in fluorescence intensity. The labelling is stable over time and does not cause DNA strand breaks, but a conformational alteration of the DNA. There is no interaction between PI and the subsequent gel staining with EtBr. Investigations on the chemotoxicity of the modulators showed no relevant DNA strand breakage induction for H2O2 and a strong DNA-damaging effect for SnCl2 with a concentration-dependent induction of SSB and DSB, which was prevented by the radical scavanger DMSO, i. e. radical induced. The combination of H2O2 and SnCl2 leads to an increase of the DNA damage. For ionizing radiation, dose-dependent DNA damage with the formation of SSB and at higher doses of DSB, which was largely prevented by DMSO, i. e. radical induced, could be shown for all radiation qualities. The PI labeling of the DNA in combination with ionizing radiation did not lead to any amplification of the DNA damage. In fact, a discrete protective effect of PI at high doses could be demonstrated. Because it is known that the excitation with energy just greater than the energy of the K-shell electrons of iodine is particularly effective, the X-ray irradiation with different accelerating voltages (32 kV and 200 kV) was compared. However, the PI-labelling did not lead to the expected stronger DNA damage at 200 kV. The investigation of UV irradiation showed a DNA-toxic effect for the wavelength 254 nm. Due to the PI-labelling, a slight increase in SSB but no DSB were recorded, so that an Auger emission appears unlikely. However, it seems that there is a direct interaction with the DNA, because the damage is not completely preventable by DMSO. For the wavelength 366 nm a DNA toxicity was excluded, both without and with PI-marking. A combination with H2O2 led to a massive DNA destruction with the formation of SSB and DSB, which could be prevented sufficiently by the addition of DMSO. Irradiation with visual light (530-575 nm) did not cause DNA damage. By labelling with PI, concentration-dependent DNA damage with the formation of SSB could be achieved. However, no DSB could be detected, so that an Auger emission is unlikely. DMSO can only partially prevent the damage, so that another direct effect can be assumed, most likely through optimal excitation of the fluorescence around the absorption maximum of PI. Conclusion: For all investigated radiation qualities, i. e. ionizing radiation as well as light irradiation, no effect could be proven in the sense of an excitation to Auger emission and the associated expected development of DSB by labelling with PI under the given test conditions. However, interactions could be observed for the irradiation with light, so that the basic principle of sensitization to energized radiation for the development of therapy concepts remain of interest.:1 Einleitung 1 2 Material und Methoden 3 2.1 Material 3 2.1.1 DNA 3 2.1.2 Chemikalien 4 2.1.3 Radionuklide und Bestrahlungssysteme 6 2.2 Methoden 10 2.2.1 Experimentelles Design 10 2.2.2 Charakterisierung der Plasmidkonformationen 12 2.2.3 Dosimetrie 13 2.2.4 Statistische Auswertung 14 3 Ergebnisse 15 3.1 Standardisierung der Messergebnisse und Quantifizierung 15 3.2 Einfluss physikalischer und chemischer Parameter auf die Plasmid-DNA 15 3.2.1 Festlegung Inkubationstemperatur und pH-Wert 15 3.2.2 Einfluss von DMSO auf die Plasmid-DNA 16 3.2.3 Einfluss von PI auf die Plasmid-DNA 16 3.2.3.1 Einfluss von DMSO auf Konformationsänderung durch PI 21 3.2.4 Einfluss von H2O2 auf die Plasmid-DNA und Wirkung von DMSO 23 3.2.5 Einfluss von H2O2 und PI auf die Plasmid-DNA 24 3.2.6 Einfluss von SnCl2 im TechneScan PYP-Kit auf die Plasmid-DNA 26 3.2.6.1 Einfluss von DMSO auf die Schädigung durch SnCl2 27 3.2.6.2 Einfluss von H2O2 auf die Schädigung durch SnCl2 29 3.2.6.3 Einfluss von DMSO auf die Schädigung durch SnCl2 und H2O2 30 3.3 Dosiswirkungsbeziehungen nach Exposition mit unterschiedlichen Strahlenqualitäten 31 3.3.1 Bestrahlung mit externer Röntgenstrahlung 31 3.3.1.1 Schädigung durch Röntgenbestrahlung und Einfluss von DMSO 31 3.3.1.2 Einfluss von PI auf Schädigung durch Röntgenbestrahlung mit Röhrenspannung von 200 kV und 32 kV 33 3.3.2 Bestrahlung mit 99mTc 36 3.3.2.1 Bestrahlung mit 99mTc und Einfluss von PI 36 3.3.3 Bestrahlung mit 188Re 40 3.3.3.1 Bestrahlung mit 188Re und Einfluss von PI 40 3.3.4 Bestrahlung mit 223Ra 42 3.3.4.1 Bestrahlung mit 223Ra und Einfluss von PI 43 3.3.5 Bestrahlung mit UV-Licht (254 nm) und Einfluss von PI 46 3.3.5.1 Einfluss von DMSO auf die Schädigung durch UV-Bestrahlung mit 254 nm 47 3.3.6 Bestrahlung mit UV-Licht (366 nm) und Einfluss von PI 48 3.3.6.1 Einfluss von H2O2 auf die Bestrahlung mit UV-Licht (366 nm) 49 3.3.6.2 Einfluss von DMSO auf die Schädigung durch H2O2 und UV-Bestrahlung (366 nm) 51 3.3.7 Bestrahlung mit VIS (530-575 nm) und Einfluss von PI 52 3.3.7.1 Einfluss von DMSO auf die Schädigung durch PI und VIS-Bestrahlung 54 4 Diskussion 56 4.1 Experimentelles Designe 58 4.1.1 DNA-Markierung mit PI 58 4.1.2 DNA-Markierung mit EtBr 59 4.2 Untersuchungen zur Chemotoxizität 60 4.2.1 Wechselwirkung zwischen H2O2 und Plasmid-DNA 60 4.2.2 Wechselwirkung zwischen SnCl2 und Plasmid DNA 60 4.2.2.1 Wechselwirkung zwischen H2O2 und SnCl2 61 4.3 Untersuchungen zu ionisierender Strahlung 62 4.3.1 DNA-Schädigung durch ionisierende Strahlung 62 4.3.2 Wechselwirkung zwischen ionisierender Strahlung und PI 63 4.4 Untersuchungen zur Bestrahlung mit Licht 66 4.4.1 Bestrahlung mit UV-Licht (254 nm) 66 4.4.2 Bestrahlung mit UV-Licht (366 nm) 67 4.4.2.1 Wechselwirkung zwischen H2O2 und UV-Licht (366 nm) 67 4.4.3 Bestrahlung mit visuellem Licht (VIS 530 - 575 nm) 68 4.4.4 Grenzen der Methode und Fehlerbetrachtung 69 4.5 Ausblick 70 5 Zusammenfassung 72 6 Summary 75 7 Literaturverzeichnis 77 8 Anhang 84 8.1 Abbildungsverzeichnis 84 8.2 Tabellenverzeichnis 92 8.3 Tabellen mit Daten zu den Abbildungen 96 8.3.1 Einfluss von PI auf die Plasmidkonformation 96 8.3.2 Einfluss von DMSO auf die Konformationsänderung durch PI 99 8.3.3 Einfluss von H2O2 auf die Plasmid-DNA und Wirkung von DMSO 100 8.3.4 Einfluss von H2O2 und PI auf die Plasmid-DNA 101 8.3.5 Einfluss von SnCl2 im TechneScan PYP-Kit auf die Plasmid-DNA 102 8.3.6 Einfluss von DMSO auf die Schädigung durch SnCl2 102 8.3.7 Einfluss von H2O2 auf die Schädigung durch SnCl2 103 8.3.8 Einfluss von DMSO auf die Schädigung durch H2O2 und SnCl2 104 8.3.9 Schädigung durch Röntgenbestrahlung und Einfluss von DMSO 104 8.3.10 Einfluss von PI auf Schädigung durch Röntgenbestrahlung mit Röhrenspannung von 200 kV und 32 kV 105 8.3.11 Bestrahlung mit 99mTc und Einfluss von PI 106 8.3.12 Bestrahlung mit 188Re und Einfluss von PI 107 8.3.13 Bestrahlung mit 223Ra und Einfluss von PI 108 8.3.14 Bestrahlung mit UV-Licht (254 nm) und Einfluss von PI 109 8.3.15 Einfluss von DMSO auf die Schädigung durch UV-Bestrahlung mit 254 nm 110 8.3.16 Bestrahlung mit UV-Licht (366 nm) und Einfluss von PI 110 8.3.17 Einfluss von H2O2 auf die Bestrahlung mit UV-Licht (366 nm) 110 8.3.18 Einfluss von DMSO auf die Schädigung durch H2O2 und UV- Bestrahlung (366 nm) 111 8.3.19 Bestrahlung mit VIS (530-575 nm) und Einfluss von PI 112 8.3.20 Einfluss von DMSO auf die Schädigung durch PI und VIS-Bestrahlung 113 8.3.21 Vergleich Strahlenqualitäten 114 9 Erklärung zur Eröffnung des Promotionsverfahrens 116 10 Erklärung zur Einhaltung gesetzlicher Vorgaben 117 11 Danksagung 118

Zur Zeit wird das IceCube Neutrino-Teleskop am Südpol im Eis der Antarktis installiert, die Hälfte des Detektors ist bereits im Betrieb. Bei Fertigstellung im Jahr 2011 wird mehr als 1 km^3 Eis mit Photovervielfachern instrumentiert sein. IceCube bietet damit eine einzigartige Möglichkeit, die Quellen der kosmischen Strahlung mit Hilfe hochenergetischer Neutrinos zu finden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Sensitivität des kompletten Icecube Detektors für den Nachweis eines diffusen Flusses von Elektronneutrinos bestimmt. Ziel war es, die Eigenschaften des Detektors für Energien oberhalb von einem PeV zu bestimmen. Besonderes Augenmerk wurde dabei auf die Simulation von elektromagnetischen Kaskaden gelegt, die in Neutrino-Nukleon-Wechselwirkungen auftreten. Da existierende Parametrisierungen die Unterdrückung der Wechselwirkungsquerschnitte durch den LPM-Effekt nicht beinhalten, wurde eine Simulation des Energieverlustes von elektromagnetischen Kaskaden für Energien oberhalb von 1 PeV entwickelt, die entsprechend modifizierte Wirkungsquerschnitte verwendet. Die Analyse, die in dieser Arbeit vorgestellt wird, nutzt die komplette Information des durch einen Photovervielfacher aufgezeichneten Ladungsverlaufes aus, die mit der Datennahme des IceCube Detektors zur Verfügung steht. Es werden neue Methoden entwickelt, um zwischen atmosphärischen Myonen-Hintergrund- und Signalereignissen von Kaskaden aus Neutrino-Nukleon-Wechselwirkungen zu unterscheiden. Die erreichbare Sensitivität innerhalb einer Laufzeit von einem Jahr ist 1.5*10^-8 E^-2 GeV/(cm^2 sr s) in einem Energiebereich von 16 TeV bis 13 PeV für den Nachweis von Elektronneutrinos eines diffusen Flusses. Eine Verbesserung von mindestens einer Größenordnung wird erwartet, wenn alle Neutrinofamilien in die Analyse einbezogen werden. Damit sollte eine Sensitivität erreicht werden, die auf dem gleichen Niveau einer diffusen Myonenanalyse liegt. / IceCube is a neutrino telescope currently under construction in the glacial ice at South Pole. At the moment half of the detector is installed, when completed it will instrument 1 km^3 of ice providing a unique experimental setup to detect high energy neutrinos from astrophysical sources. In this work the sensitivity of the complete IceCube detector for a diffuse electron-neutrino flux is analyzed, with a focus on energies above 1 PeV. Emphasis is put on the correct simulation of the energy deposit of electromagnetic cascades from charged-current electron-neutrino interactions. Since existing parameterizations lack the description of suppression effects at high energies, a simulation of the energy deposit of electromagnetic cascades with energies above 1 PeV is developed, including cross sections which account for the LPM suppression of bremsstrahlung and pair creation. An attempt is made to reconstruct the direction of these elongated showers. The analysis presented here makes use of the full charge waveform recorded with the data acquisition system of the IceCube detector. It introduces new methods to discriminate efficiently between the background of atmospheric muons, including muon bundles, and cascade signal events from electron-neutrino interactions. Within one year of operation of the complete detector a sensitivity of 1.5*10^-8 E^-2 GeV/(cm^2 sr s) is reached, which is valid for a diffuse electron-neutrino flux in the energy range from 16 TeV to 13 PeV. Including all neutrino flavors in this analysis, an improvement of at least one order of magnitude is expected, reaching the anticipated performance of a diffuse muon analysis.

Aktive galaktische Kerne (AGN) gehören zu den besten Quellkandidaten der hochenergetischen kosmischen Strahlung. Es wird erwartet, dass hochenergetische Neutrinos durch Interaktion der kosmischen Strahlung mit Materie oder Photonfeldern in der Nähe der Quellen erzeugt werden. Der resultierende Neutrinofluss kann dieselbe Zeitvariabilität aufweisen wie elektromagnetische Strahlung die von diesen Quellen emittiert wird. Diese Zeitvariabiltät kann in Neutrinoanalysen zusätzlich zu Energie-und Ortsinformationen benutzt werden, um die Detektionswahrscheinlichkeit zu erhöhen. Im Rahmen dieser Arbeit werden zwei neue Methoden entwickelt, welche benutzt werden um nach Neutrino-flares in Aktiven Galaktischen Kernen zu suchen: Die Multi-flare und Multi-flare-Stacking-Methode. Die Multi-flare-Methode ist so entworfen, dass sie nicht nur sensitiv auf einen hellen Flare ist, sondern auch auf weitere schwächere Flares welche normalerweise individuell nicht detektiert werden können. Die Multi-Flare-Methode benötigt keine Zeitkoinzidenz mit Ausbrüchen im elektromagnetischen Spektrum. Sie ist auch sensitiv auf unkorrelierter Neutrinoemission mit unterschiedlicher Dauer der einzelnen Flares, was in einigen Emissionsmodellen vorkommt. Die Multi-Flare-Stacking-Methode ist eine Erweiterung der Multi-Flare-Methode auf zusätzliche Quellen. In ihr werden mehrere schwache, variable Quellen, welche individuell zu schwach sein können um detektiert zu werden, zusammen mit der Stackingmethode analysiert. Die beiden Analysemethoden werden auf eine vorselektierte Liste von Aktiven Galaktischen Kernen angewandt. Hierfür werden drei Jahre Daten des IceCube Neutrinoteleskops verwendet (Mai 2009-June-2012). Kein statistisch signfikanter Neutrinoflare wurde gefunden und obere Fluenzgrenzen f ̈ur jede der Quellen werden ausgerechnet. Diese Grenzen sind im Durchschnitt um einen Faktor zwei besser als vorherige Obergrenzen von Analysen einzelner Flares. / Active Galactic Nuclei are among the best candidate sources for high-energy cosmic rays. High-energy neutrinos are expected to be produced in these sources via interactions of cosmic rays with matter or photon fields present in the source vicinity. The resulting neutrino flux may exhibit time variability on the same time scales than the ones observed in the electromagnetic radiation that is emitted from these sources. Time variability can be taken into account in high-energy neutrino searches in order to increase their detection probability with respect to search methods that include only energy and spatial information. In this work, two new methods are developed to look for high-energy neutrino flares emitted from Active Galactic Nuclei: the Multi-flare and Multi-flare stacking method. The Multi-flare method is designed to be sensitive not only to one bright flare emitted from a single source, as considered in other existing search methods, but also to several weak flares that might not be detected individually. This is achieved by developing a likelihood stacking approach that analyzes the cumulative neutrino emission from several flares. This method does not assume a-priori time coincidences with photon flares observed in the electromagnetic spectrum, allowing uncorrelated neutrino emission with different flare durations as considered in some emission models. The Multi-flare stacking method is an extension of the Multi-flare method to include several sources that might be too weak for individual detection. The two search methods are applied to a pre-selected list of Active Galactic Nuclei using data of the IceCube Neutrino Observatory (May-2009 to May 2012). No statistically significant neutrino flares are detected and fluence upper limits are calculated for each selected source. These limits are on average a factor of two better than previous upper limits from single-flare searches.

Die hier vorgestellte Analyse nutzt die MAGIC Teleskope, zwei abbildende Cherenkov-Teleskope, zum Vermessen des Elektronenflusses. Der Energiebereich dieser Teleskope überschneidet sich großflächig sowohl mit dem der Satellitenmissionen Fermi-LAT und AMS-02 als auch mit den hochenergetischen Messungen der Cherenkov-Teleskope VERITAS und H.E.S.S.. Diese Arbeit hat das Elektronenspektrum im Bereich von 135 GeV bis 4 TeV mittels der MAGIC Teleskope vermesssen. Das Spektrum lässt sich in diesem Bereich mit einem einfachen Potenzgesetz mit dem Index -3.14+-0.05(stat)+-0.5(syst) beschrieben werden. Die für diese Messung entwickelte Analyse weicht grundlegend von der Standardanalyse in MAGIC ab. Die Differenzierung von Signal und Untergrund kann nicht anhand der Richtung der eintreffenden Teilchen vorgenommen werden. Stattdessen basiert die Differenzierung auf einem Algorithmus für maschinelles Lernen, welcher eine Unterscheidung zwischen elektromagnetischen und hadronischen Luftschauern ermöglicht. Der Untergrund muss für diese Analyse anhand von Monte Carlo Simulationen geschätzt werden. Dafür wurden Protonen simuliert. Zudem liegt ein Schwerpunkt der Arbeit auf der Abschätzung systematischer Fehler und Unsicherheiten der neuen Analyse. Erwartungsgemäß sind die Unsicherheiten dieser indirekten Messmethode deutlich größer als bei direkten Messungen der Satellitenexperimente. Aufgrund der großen Unsicherheiten kann ein Bruch bei 800 GeV jedoch auch nicht ausgeschlossen werden. Die hier präsentierte Messung stimmt innerhalb der Fehler mit den Ergebnissen von AMS-02 und Fermi-LAT sowie innerhalb von zwei Standardabweichungen mit den Messungen von H.E.S.S. und VERITAS überein. Eine Interpretation des Elektronenflusses gestaltet sich aufgrund des großen Fehlers als schwierig. Im Endeffekt kann keine der potentiellen neuen Quellen kosmischer Elektronen ausgeschlossen werden. / The measurement presented in this thesis seeks to provide an increased overlap of the Fermi-LAT and AMS-02 measurement, as well as the very-high-energy H.E.S.S. and VERITAS measurement. The MAGIC telescopes, a stereoscopic system of imaging air-shower Cherenkov telescopes, are a good candidate for such a measurement. They overlap largely with the Fermi-LAT energy range, down to 130 GeV, and extend into the energy range of the H.E.S.S. system, extending the measurement up to 4 TeV. The measurement performed in this thesis uses a non-standard method developed especially for this analysis. It is based on a machine-learning-algorithm which differentiates between hadronic and electro-magnetic air showers. The background needs to be simulated from Monte Carlo protons, which were produced in large quantities for this thesis. As this is an indirect detection method, the systematic uncertainties are much larger than those of the satellite missions. A detailed study of the systematic uncertainties was performed in the scope of this thesis, which prove to be much larger than the statistical uncertainties. The measured spectrum presented here extends from 135 GeV up to 4 TeV. It shows no clear break in the spectrum and is in line with an extension of the single power-law observed by Fermi-LAT and AMS-02. A broken power-law interpretation was disfavored when compared to the single power-law. The final spectrum has a powerlaw index of -3.14+-0.05(stat)+-0.5(syst). Due to the large uncertainties no definitive conclusion can be given at this point. Also, the cutoff seen by H.E.S.S. can not be ruled out. The result presented in this thesis is compatible with the Fermi-LAT and AMS-02 results, however there is minor tension with the H.E.S.S. and VERITAS results around 4 TeV. The limiting factor of the method is the large systematic uncertainty, making it impossible to distinguish between different electron sources for the results presented in this thesis.

Das Energiespektrum der kosmischen Strahlung bietet wichtige Hinweise auf ihren Ursprung und ihre Ausbreitung. Verschiedene Messtechniken müssen kombiniert werden, um den ganzen Energiebereich abdecken zu können: Direkte Messungen mit Teilchendetektoren bei niedrigen Energien sowie indirekte Messungen von Luftschauern bei hohen Energien. Dazu kommt die Messung von Photonen, hauptsächlich im GeV- und TeV-Bereich, die bei der Wechselwirkung von kosmischer Strahlung mit Materie oder elektromagnetischen Feldern entstehen. Im Folgenden werde ich zwei Studien dazu vorstellen, die beide auf Daten des abbildenden Tscherenkow-Teleskopes VERITAS beruhen. Erstens stelle ich eine Messung das Energiespektrums von Eisenkernen in der kosmischen Strahlung vor. Für die Bestimmung der Energie und Ankunftsrichtung der Primärteilchen benutze ich eine neuartige Template-Likelihood-Methode, die hier erstmals auf Eisenschauer angewendet wird. Zur Identifizierung der Eisenschauer benutze ich unter anderem das sogenannte direkte Tscherenkow-Licht, welches von geladenen Teilchen vor der ersten Wechselwirkung ausgestrahlt wird. Dazu kommt eine multivariate Klassifizierungsmethode, um den Verbleibenden Untergrund zu charakterisieren. Das so gemessene Energiespektrum von Eisen wird im Bereich von 20 TeV bis 500 TeV gut durch ein Potenzgesetz beschrieben. Zweitens beschreibe ich eine Suche nach Gammastrahlung oberhalb von 100 GeV von den drei Galaxien Arp 220, IRAS 17208-0014 und IC 342. Diese drei Galaxien haben hohe Sternentstehungsraten und daher viele Supernova-Überreste, welche kosmische Strahlung erzeugen. Diese wechselwirkt erwartungshalber mit den dichten Staubwolken in den Sternentstehungsgebieten und erzeugt Gammastrahlung. VERITAS konnte keine solche Gammastrahlung messen. Die daraus abgeleitete Höchstgrenze für die Luminosität schränkt theoretische Modelle der Erzeugung und Propagation von kosmischer Strahlung in der Galaxie Arp 220 ein. / The energy spectrum of cosmic rays can provide important clues as to their origin and propagation. Different experimental techniques have to be combined to cover the full energy range: Direct detection experiments at lower energies and indirect detection via air showers at higher energies. In addition to detecting cosmic rays at Earth, we can also study them via the electromagnetic radiation, in particular gamma rays, that they emit in interactions with gas, dust, and electromagnetic fields near the acceleration regions or in interstellar space. In the following I will present two studies, both using data taken by the imaging air Cherenkov telescope (IACT) VERITAS. First, I present a measurement of the cosmic ray iron energy spectrum. I use a novel template likelihood method to reconstruct the primary energy and arrival direction, which is for the first time adapted for the use with iron-induced showers. I further use the presence of direct Cherenkov light emitted by charged primary particles before the first interaction to identify iron-induced showers, and a multi-variate classifier to measure the remaining background contribution. The energy spectrum of iron nuclei is well described by a power law in the energy range of 20 to 500 TeV. Second, I present a search for gamma-ray emission above 100 GeV from the three star-forming galaxies Arp 220, IRAS 17208-0014, and IC342. Galaxies with high star formation rates contain many young and middle-aged supernova remnants, which accelerate cosmic rays. These cosmic rays are expected to interact with the dense interstellar medium in the star-forming regions to emit gamma-ray photons up to very high energies. No gamma-ray emission is detected from the studied objects and the resulting limits begin to constrain theoretical models of the cosmic ray acceleration and propagation in Arp 220.

IceTop ist ein Luftschauerdetektor am geographischen Südpol und die Oberflächenkomponente des Neutrinoteleskops IceCube. Seit der Fertigstellung im Dezember 2010 besteht IceTop aus 81 Detektorstationen auf einer Fläche von einem Quadratkilometer. Die vorliegende Dissertation umfasst eine Analyse von Daten, die im Jahr 2007 mit den 26 damals installierten Stationen genommen wurden. Dazu wurden zunächst Schauerposition und -richtung und ein Maß für die Größe des Schauers aus den Signalen rekonstruiert. Der Zusammenhang zwischen Primärenergie und Schauergröße wurde aus Monte-Carlo-Simulationen bestimmt. Dabei wurde eine Annahme über die chemische Zusammensetzung der kosmischen Strahlen gemacht. Damit wurde das Spektrum der Schauergrößen entfaltet um das Energiespektrum zu bestimmen. Dies wurde getrennt für verschiedene Zenitwinkelbereiche durchgeführt. Das Resultat der Entfaltung hängt von der angenommenen Massenkomposition ab. Die Ergebnisse, der Entfaltung in verschiedenen Zenitwinkelintervallen, müssen übereinstimmen, wenn man Isotropie der komischen Strahlung voraussetzt. Es wurde bereits gezeigt, dass dies ausgenutzt werden kann, um die möglichen Annahmen über die Zusammensetzung einzugrenzen. Eine gute Übereinstimmung von Spektren aus verschiedenen Zenitwinkelbereichen wird unter der Annahme von reinen Protonen als Primärteilchen gefunden, sowie für eine Mischung aus Protonen und Eisen mit einem hohen Protonanteil bei niedrigen Energien und einer Mehrheit von Eisen bei hohen Energien. Unter diesen Annahmen ergibt sich die Position des Knies im Spektrum zu 3,97 bis 4,20PeV. Der spektrale Index unterhalb des Knies ist etwa -2,7 und oberhalb des Knies variiert er zwischen -3,08 und -3,15. Reines Eisen auf der anderen Seite kann mit sehr großer Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen werden. Unabhängig von der Annahme über die Zusammensetzung wird oberhalb von etwa 30PeV ein Abflachen des Spektrums mit einem Index von etwa -3,0 beobachtet. / IceTop is an air shower array at the geographic South Pole. It is the surface component of the IceCube neutrino telescope. Since its completion in December 2010, IceTop consists of 81 detector stations covering an area of 1km². In this dissertation, an analysis of data taken in 2007 with 26 IceTop stations operational at that time is presented. Air showers were reconstructed in order to determine the location of the shower core, their direction and the shower size. The relation between primary energy and shower size was determined from Monte Carlo simulations. An assumption was made about the chemical composition of cosmic rays. The information obtained in these simulations were then used to unfold the spectrum of measured shower sizes in order to obtain the all-particle cosmic ray energy spectrum. This was done independently for particles from three different zenith angle intervals. The result of the unfolding depends on the assumed primary composition. Due to the isotropy of cosmic rays, results obtained in different zenith angle intervals must agree. It has already been shown that this requirement can be used to constrain the range of possible assumptions on the chemical composition of primary particles. Good agreement of spectra from different zenith angle ranges has been found under the assumption of pure proton primaries, as well as for a mixture of protons and iron with a relatively large proton contribution at low energies and proton dominance at high energies. Under these assumptions the knee of the cosmic ray energy spectrum has been observed at energies between 3.97 and 4.20PeV. The spectral index below the knee is about -2.7 and varies between -3.08 and -3.15 above the knee. Pure iron as primary particles can be excluded at a high confidence level below 25PeV. Independent of the primary composition assumption a flattening of the energy spectrum with an index of about -3.0 has been observed above 30PeV.

Teilchenschauer können sowohl durch Photonen als auch durch geladene Teilchen erzeugt werden. Letztere kommen etwa 1000-mal häufiger vor als die durch Photonen erzeugten Teilchenschauer. Dies beeinflusst die Sensitivität des VERITAS-Experiments erheblich. Um diese gegenüber Gammastrahlung zu steigern, ist es notwendig, die Gamma-Hadron Separation zu verbessern. In dieser Dissertation wurde eine Analysemethode, basierend auf Boosted Decision Trees (BDTs), entwickelt und für die Analyse der Daten des VERITAS-Observatoriums optimiert. Das große Potential zur Unterscheidung von Teilchenschauern der Photonen und der Hadronen wird anhand ausführlicher Tests und systematischer Studien mit Simulationen von Gammastrahlung und Beobachtungsdaten der kosmischen Strahlung verdeutlicht. Im Vergleich zur Standardanalyse kann die Sensitivität mit Hilfe der BDT Methode deutlich erhöht werden. Die entwickelte und optimierte BDT Methode wird auf Beobachtungsdaten der Cygnus-Region angewandt. Diese ist eine der aktivsten sternbildenden Regionen unserer Galaxie und beherbergt eine Vielzahl von potentiellen kosmischen Teilchenbeschleunigern. Aufgrund der enormen Dichte an potentiellen Quellen sowie der hohen Wahrscheinlichkeit, neue Quellen zu detektieren und zu identifizieren, wurde die Cygnus-Region von April 2007 bis Juni 2012 mit VERITAS beobachtet. Die Beobachtungsdaten wurden mit einer für diese Himmelsregion optimierten Analysetechnik aufbereitet und ausgewertet. Vier Quellen hochenergetischer Gammastrahlung wurden detektiert: VER J2031+415, VER J2019+407, VER J2019+368 und VER J2016+371. Detaillierte spektrale Untersuchungen werden vorgestellt, gefolgt von einer Diskussion möglicher assoziierter Objekte in anderen Wellenlängenbereichen. Schließlich konnten mit Hilfe der verbesserten Sensitivität von VERITAS durch die BDT Methode niedrigere Obergrenzen für den Fluss der hochenergetischen Gammastrahlung von 50 potentiellen Gammastrahlungsquellen abgeleitet werden. / Particle showers can be generated by photons or charged cosmic rays. Before applying any selection requirements, showers initiated by cosmic rays are about 1000 times more common than those initiated by photons. This constitutes a vast amount of background events measured by VERITAS, limiting the sensitivity to gamma rays. To improve the separation power between gamma-ray and cosmic-ray showers, an analysis technique based on Boosted Decision Trees (BDTs) is developed. Extensive tests are performed to study the discrimination capabilities of the BDT method using cosmic-ray data and Monte-Carlo simulations of gamma rays. Compared to the VERITAS standard analysis, the BDT method improves the sensitivity of detecting gamma rays. The BDT method is applied to data obtained from observations of the Cygnus region, one of the most active star-forming regions of our Galaxy. It hosts numerous astrophysical objects capable of accelerating particles to extremely high energies, such as supernova remnants, pulsar wind nebula, binary systems, and associations of massive OB stars. The high density of potential sources and the information from multiwavelength observations led VERITAS to perform observations of the Cygnus region between April 2007 and June 2012. Four sources were detected in very-high-energy gamma rays: VER J2031+415, VER J2019+407, VER J2019+368, and VER J2016+371. They were analysed in detail and compared to possible counterparts measured at other wavelengths. The spectra of the three of the sources were fit to a power law. Two out of three spectra are consistent with those obtained in previous measurements, where the third one shows a softer spectral index than the published result. Finally, the greater sensitivity reached with the BDT method allowed the derivation of the most stringent upper limits to date on 50 potential gamma-ray sources.