Während eines Experimentes an der Forschungsstation Melpitz des IfT (Institut für Tropossphärenforschung) im September 1997 wurden erstmalig zwei verschiedene Meßmethoden gleichzeitig eingesetzt, die flächengemittelte Lufttemperaturen (Akustische Tomographie - Leipziger Institut für Meteorologie (LIM)) sowie liniengemittelte fühlbare Wärmeflüsse (Scintillometertechnik - IfT) lieferten. Es konnte gezeigt werden, daß teilweise erhebliche Temperaturdifferenzen an einem Strahlungstag auf dieser oberflächlich betrachteten horizontal homogenen Wiese existieren. Die geringe Datenbasis, größtenteils bedingt durch die ungünstige Anströmrichtung während dieses Zeitraums, läßt noch keinen sicheren Schluß zu, ob diese horizontalen Temperaturdifferenzen für die ebenfalls beobachteten horizontalen Unterschiede der vertikalen fühlbaren Wärmeflüsse und damit für die manchmal in Melpitz beobachtete Nicht-Schließung der Energiebilanz verantwortlich sind. / During an experiment at the Iff field research station Melpitz in September 1997 for the first time two different techniques were used to determine simultaneously area averaged air temperatures (Acoustic Tomography -LIM) and line averaged sensible heat fluxes (Scintillation technique - IfT). lt could be shown that on a \''golden\'' day appreciably large temperature differences occurred on this superficially considered horizontal homogeneous meadow. Because of the weak data base mostly due to difficult fetch conditions it could not be proven that these temperature differences led to the horizontal differences of vertical sensible heat fluxes and therefore to the sometimes observed non-closure of the energy balance in Melpitz.

Zur Validierung des Verfahrens der akustischen Tomographie, das als Fernerkundungssverfahren trägheits- und berührungslos arbeitet, werden Vergleichsmessungen mit herkömmlichen Sensoren für die Lufttemperatur und Luftfeuchte durchgeführt. Dabei zeigen sich die Grenzen der Erfassung dieser Größen in Bezug auf Strahlungseinfluss und Trägheit der Messgeräte. Hier werden einige Probleme bei der Verwendung konventioneller Hütten und Lösungsvorschläge aufgezeigt. / In order to validate measurements with the acoustic tomography, which operates as an remote sensing system lagless and contactless, comparison measurements were performed with conventional sensors for the air temperature and humidity. The accuracy of these quantities is limited by the radiation influence and the lag of the instruments. Here some difficulties are pointed out by using conventional shelters and solutions are demonstrated.

Acoustic travel time tomography is presented as an experimental technique for remote monitoring of areally averaged meteorological quantities as the air temperature and the horizontal wind speed. This ground based remote sensing technique uses the nearly horizontal propagation of sound waves in the atmospheric surface layer. Here the acoustic travel time tomography was applied by measuring the travel time at defined propagation paths between several sound sources and receivers. The resulting sound speed were used to obtain estimates of the meteorological parameters. A measuring campaign was carried out at the test site in Lindenberg (DWD) to compare the acoustically derived data with conventional systems. These observations demonstrated that on one side the accuracy of the acoustic system is comparable with in-situ measurements and on the other side the temperature was particularly significant overestimated by the standard sensors, e.g. due to the radiation influence. / Die Akustische Laufzeittomographie wird als ein experimentelles Verfahren zur Sondierung meteorologischer Parameter, wie z.B. der Lufttemperatur und der horizontalen Windgeschwindigkeit, vorgestellt. Dieses bodengebundene Fernerkundungsverfahren nutzt die horizontale Ausbreitung von Schallwellen in der atmosphärischen Grenzschicht. Hier wird das Verfahren der Laufzeittomographie angewendet, d.h. bei bekannter Weglänge wird die Ausbreitungszeit von ausgesendeten Schallsignalen zwischen mehreren Schallquellen und Empfängern gemessen. Die resultierenden Schallgeschwindigkeitsinformationen werden genutzt, um daraus die entsprechenden meteorologischen Parameter abzuleiten. Auf dem Gelände des Meteorologischen Observatoriums Lindenberg (DWD) wurde eine Messkampagne durchgeführt, um die akustischen Sondierungen mit konventionellen Systemen zu vergleichen. Die Auswertungen zeigen, dass einerseits die Genauigkeit der Akustischen Tomographie vergleichbar mit den konventionellen in-situ Messungen ist und andererseits, dass die Lufttemperatur aufgrund des Strahlungseinflusses bei Messungen mit den üblichen Sensoren zum Teil erheblich überschätzt wird.

Dans un monde de plus en plus ouvert, les flux de personnes sont amenés à exploser dans les prochaines années. Fluidifier et contrôler ces flux, tout en respectant de fortes contraintes sécuritaires, apparaît donc comme un élément clef pour favoriser le dynamisme économique mondial. Cette gestion des flux passe principalement par la connaissance et la vérification de l’identité des personnes. Pour son aspect pratique et a priori sécurisé, la biométrie, et en particulier celle des empreintes digitales, s’est imposée comme une solution efficace, et incontournable. Néanmoins, elle souffre de deux sévères limitations. La première concerne les mauvaises performances obtenues avec des doigts détériorés. Ces détériorations peuvent être involontaires (travailleurs manuels par exemple), ou bien volontaires, à des fins d’anonymisation. La deuxième concerne les failles de sécurité des capteurs. En particulier, ils sont vulnérables à des attaques avec de fausses empreintes, réalisées par des personnes mal intentionnées dans un but d’usurpation d’identité. D’après nous, ces limitations sont dues à la faible quantité d’information exploitée par les capteurs usuels. Elle se résume souvent à une simple image de la surface du doigt. Pourtant, la complexité biologique des tissus humains est telle qu’elle offre une information très riche, unique, et difficilement reproductible. Nous avons donc proposé une approche d’imagerie, basée sur la Tomographique par Cohérence Optique, un capteur 3D sans contact, permettant de mesurer finement cette information. L’idée majeure de la thèse consiste à étudier divers moyens de l’exploiter, afin de rendre la biométrie plus robuste et vraiment sécurisée / In an increasingly open world, the flows of people are brought to explode in the coming years. Facilitating, streamlining, and managing these flows, by maintaining strict security constraints, therefore represent a key element for the global socio-economic dynamism. This flows management is mainly based on knowledge and verification of person identity. For its practicality and a priori secured, biometrics, in particular fingerprints biometrics, has become an effective and unavoidable solution.Nevertheless, it still suffers from two severe limitations. The first one concerns the poor performances obtained with damaged fingers. This damage can be involuntary (e.g. manual workers) or volunteers, for purposes of anonymity. The second limitation consists in the vulnerability of the commonly used sensors. In particular, they are vulnerable to copies of stolen fingerprints, made by malicious persons for identity theft purpose. We believe that these limitations are due to the small amount of information brought by the usual biometric sensors. It often consists in a single print of the finger surface. However, the biological complexity of human tissue provides rich information, unique to each person, and very difficult to reproduce. We therefore proposed an imaging approach based on Optical Coherence Tomography (OCT), a 3D contactless optical sensor, to finely measure this information. The main idea of the thesis is therefore to explore novel ways to exploit this information in order to make biometrics more robust and truly secured. In particular, we have proposed and evaluated different fingerprint imaging methods, based on the phase of the OCT signal

Le projet CaLIPSO (Calorimètre Liquide Ionisation Position Scintillation Organométallique) a pour ambition de mettre au point un détecteur de γ 511 keV très efficace et très rapide pour la tomographie par émission de positons. Pour cela nous utilisons comme milieu de détection un nouveau liquide, le TMBi (TriMéthylBismuth). Dans le TMBi, l’interaction de photons γ produit des photons optiques et des paires électrons-ions. Le but de cette thèse est de mesurer les paramètres d’ionisation du TMBi et de construire, un détecteur de charge instrumentant efficacement ce liquide, et son électronique associée. Afin de pouvoir détecter les électrons libres créés par l’ionisation du liquide, celui-ci doit être ultrapur, c’est-à-dire débarrassé de tout composé électronégatif qui pourraient capturer les électrons et diminuer le signal. Ceci a été travaillé à l’aide de tamis moléculaires. Les signaux à détecter sont très faibles (fA, fC). Ainsi, l’environnement de l’expérience et le détecteur ont été développés pour des mesures très bas bruit (niveaux de bruit mesurés inférieurs à 10 fA et 200 électrons). Nous avons travaillé à mesurer le rendement d’ionisation (ou Gfi) qui quantifie le rendement de production de charge dans le liquide, la mobilité des électrons dans le TMBi et la résolution en énergie du détecteur. Ce sont les principaux paramètres permettant de valider l’utilisation de TMBi pour l’imagerie TEP. Les futurs développements comprennent la mise en œuvre d’un détecteur densément pixellisé et l’optimisation de la résolution en énergie. / The CALIPSO project (Calorimètre Liquide Ionisation Position Scintillation Organométallique) aims to develop a very efficient and very fast 511 keV γ detector for positron emission tomography. For this we use an organometallic liquid for the detection medium, the TMBi (TriMéthylBismuth). In TMBi, the interaction of a γ photon produces optical photons and electron-ion pairs.The aim of this thesis is to measure the ionization parameters of the liquid TMBi and build an efficient charge detector and its associated electronics.In order to detect the free electrons created by the ionization in the liquid, this liquid must be highly pure (which means free of any electronegative compound which could capture electrons and reduce the signal). This has been worked on using molecular sieves.The signals to be detected are very weak (fA, fC). Thus, the test setup and detector were developed for very low noise measurements (measured noise levels below 10 fA and 200 electrons).We measured the ionization yield (or Gfi) which quantifies the charge production yield in the liquid, the electrons mobility in the TMBi and the energy resolution of the detector. These are the main parameters to validate the use of TMBi for PET imaging.Future developments include the implementation of a pixelated detector and optimization of the detector energy resolution.

Cette thèse est consacrée à l'étude des problèmes inverses des transformations de Radon pondérées dans les espaces euclidiens. D'une part, nos études sont motivées par l'application des transformations de Radon pondérées pour différentes tomographies, par exemple en tomographie d'émission (PET, SPECT), en tomographie de fluorescence et en tomographie optique. En particulier, nous développons une nouvelle approche de reconstruction pour les tomographies en 3D, où les données sont modélisées par des transformations des rayons pondérées le long des rayons parallèles à un plan fixe. À cet égard, nos résultats contiennent : des formules pour la réduction des transformées des rayons pondérés en transformées de Radon le long de plans en 3D ; un analogue de la formule d'inversion approximative de Chang et un analogue de l'algorithme d'inversion itératif de type Kunyansky pour les transformations de Radon pondérées en multidimension ; des reconstructions numériques à partir de données simulées et réelles. D'autre part, nos études sont motivées par des problèmes mathématiques liés aux transformations susmentionnées. Plus précisément, nous poursuivons l'étude de l'injectivité et de la non-injectivité des transformations de Radon et des transformations des rayons pondérées en multidimension et construisons une série de contre-exemples à l'injectivité de ces dernières. Ces contre exemples sont intéressants et, dans un certain sens, inattendus parce qu'ils sont proches des cas où ces transformations deviennent injectives. En particulier, par l'une de nos constructions, nous donnons des contre-exemples à des théorèmes d'injectivité bien connus pour les transformations des rayons pondérées (Quinto (1983), Markoe, Quinto (1985), Finch (1986), Ilmavirta (2016)) lorsque les hypothèses de régularité des poids sont légèrement relaxées. Par ce résultat, nous montrons en particulier que les hypothèses de régularité sur les poids sont cruciales pour l'injectivité et qu'il y a une "brisure" de cette dernière si les hypothèses sont légèrement affaiblies. / This thesis is devoted to studies of inverse problems for weighted Radon tranforms in euclidean spaces. On one hand, our studies are motivated by applications of weighted Radon transforms in different tomographies, for example, in emission tomographies (PET, SPECT), flourescence tomography and optical tomography. In particular, we develop a new reconstruction approach for tomographies in 3D, where data are modelized by weighted ray transforms along rays parallel to some fixed plane. In this connection our results include: formulas for reduction of the aforementioned weighted ray transforms to weghted Radon transforms along planes in 3D; an analog of Chang approximate inversion formula and an analog of Kunyansky-type iterative inversion algorithm for weighted Radon transforms in multidimensions; numercal reconstructions from simulated and real data. On the other hand, our studies are motivated by mathematical problems related to the aforementioned transforms. More precisely, we continue studies of injectivity and non-injectivity of weighted ray and Radon transforms in multidimensions and we construct a series of counterexamples to injectivity for the latter. These counterexamples are interesting and in some sense unexpected because they are close to the setting when the corresponding weighted ray and Radon transforms become injective. In particular, by one ofour constructions we give counterexamples to well-known injectivity theorems for weighted ray transforms (Quinto (1983), Markoe, Quinto (1985), Finch (1986), Ilmavirta (2016)) when the regularity assumptions on weights are slightly relaxed. By this result we show that, in particular, the regularity assumptions on weights are crucial for the injectivity and there is a breakdown of the latter if the assumptions are slightly relaxed.

Les travaux de thèse ont porté sur le développement de deux plateformes de radiomarquage polyvalentes pour faciliter l’incorporation du fluor-18, un isotope de choix pour l’imagerie TEP (Tomographie par Emission de Positons). La première plateforme comporte une structure sultone conduisant à un [18F]fluorosulfonate par ouverture du cycle avec le [18F]fluorure. Celle-ci a été valorisée par le couplage avec des ligands 2-nitroimidazoliques pour former un agent d’imagerie TEP spécifique de l’hypoxie. Une série de dérivés caractérisés par des propriétés d’hydrophilie différentes a été synthétisée afin de comparer leur efficacité en imagerie. Parmi ces dérivés, le [18F]FLUSONIM a révélé dans différents modèles précliniques tumoraux (rhabdomyosarcome, tumeurs cérébrales et mélanome) des ratios tumeur sur bruit de fond inégalés jusqu’à présent, et ce à des temps très précoces post-injection. La deuxième plateforme est de nature boratrane. Celle-ci est capable de réagir avec le [18F]fluorure en milieu physiologique pour former un [18F]monofluoroborate zwitterionique facile à séparer du précurseur boratrane. / This work focused on the development of versatile platforms for fluorine-18 labelling. The first platform contained a sultone moiety which was converted to [18F]fluorosulfonate by ring opening with [18F]fluoride. The sultone was coupled to 2-nitroimidazolyl ligands to obtain radiotracers for hypoxia PET imaging. A series of compounds were synthesized in order to compare their performance in PET imaging. Among them, [18F]FLUSONIM displayed high tumor/background ratios after a short delay post-injection on different animal models (rabdomyosarcoma, glioblastoma and melanoma). The second platform was based on a boratrane structure, that was able to captur [18F]fluoride in aqueous medium to form zwiterionic [18F]monofluoroborate.

Die Untersuchung von III-V-Heterostruktur-Grenzflächen spielt aufgrund des starken Einflusses der Grenzflächen auf die Eigenschaften von Halbleiterbauelementen eine elementare Rolle. Die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) hat sich als eines der geeignetsten Methoden für die Analyse von Grenzflächen erwiesen. Jedoch stellt die Interpretation von zweidimensionalen Projektionen, insbesondere bei dreidimensionalen (3D) Strukturen, eine Herausforderung dar, da die Information über die Tiefe in der Projektion verloren geht. In dieser Arbeit wird diskutiert, dass Grenzflächen als 3D Objekte gesehen werden können, insbesondere bei großen Rauheiten oder chemischen Durchmischungen. Zur Charakterisierung von vergrabenen III-V-Halbleitergrenzflächen wurde eine neue analytische Methode auf Basis der Elektronentomographie entwickelt. Diese Methode wird anhand eines (Al,Ga)As/GaAs-Mehrschichtsystems als Fallstudie vorgestellt. Es wird gezeigt, dass die tomographische Rekonstruktion von Grenzflächen ausgenutzt werden kann, um sogenannte Iso-Konzentrationsflächen zu erhalten, welche die Lage einer festgelegten Konzentration an der Grenzfläche beschreiben. Sie erlauben die Erstellung topographischer Höhenkarten, die die Rauheit von Grenzflächen visualisieren und ermöglichen die Bestimmung wesentlicher Grenzflächenparameter wie die quadratische Rauheit oder die lateralen und vertikalen Korrelationslängen. Zusätzlich wurden Isoflächen an unterschiedlichen Konzentrationsniveaus verwendet, um topographische Karten der Grenzflächenbreite zu erzeugen. Die Stärke der Methodik liegt in der Möglichkeit, alle chemisch-strukturellen Parameter von vergrabenen Grenzflächen mit einer einzelnen Tomographiemessung zu bestimmen. Die Applikation dieser neuen Grenzflächentomographie-Technik wird an unterschiedlichen Halbleitermaterialien für optische Anwendungen demonstriert: An einer (Al,Ga)As/GaAs-Mikrokavität, einem (Al,Ga)N/GaN-Bragg-Reflektor und einem 3D (In,Ga)N/GaN-Nanodraht. / The investigation of III-V heterostructure interfaces plays a key role in developing novel semiconductor devices due to the strong influence of interfaces on device characteristics. Transmission electron microscopy (TEM) has proven to be one of the most suitable tools for an interface analysis. The interpretation of two-dimensional projections can be challenging, especially for three-dimensional (3D) structures, since the depth information is lost in the projection. It is discussed in this thesis that interfaces can be seen as 3D objects, particularly when interfaces are subject to large roughnesses or chemical intermixing. A new analytical method for the comprehensive characterization of buried III-V semiconductor interfaces based on electron tomography was developed. This method is applied to an (Al,Ga)As/GaAs multilayer system as a case study. It is shown that the tomographic reconstruction of a tomography needle of this material can be exploited to obtain so-called iso-concentration surfaces. These surfaces describe the positions of a chosen concentration value at the interfaces. They enable the creation of topographic height maps revealing the roughness of several interfaces. The height maps allow the determination of essential interface parameters as the quadratic mean roughness or the lateral and vertical correlation lengths using the height-height correlation function. In addition, height-difference maps based on isosurfaces corresponding to different concentration levels were used to generate topographic maps of the interface width. The methodology’s main strength is the ability to determine all chemical-structural parameters of buried interfaces with a single measurement. This thesis presents the application of this new interfacial tomography technique on semiconducting materials used for optical application purposes: An (Al,Ga)As/GaAs microcavity, an (Al,Ga)N/GaN Bragg reflector and a complex, 3D (In,Ga)N/GaN multi-shell nanowire.

Magnetorheologische Elastomere sind eine Klasse von Smart Materials, welche elastische mit magnetischen Materialeigenschaften verbindet. Die Einbettung von magnetischen Mikropartikeln in eine Elastomermatrix führt zu einem komplexen, bisher nicht vollständig verstandenen Materialverhalten. Die Beeinflussbarkeit der mechanischen Eigenschaften mittels von außen applizierten Magnetfeldern stellt die herausragende und namensgebende Eigenschaft dieser Materialien dar. Das Verständnis der mikroskopischen Anordnung und der magnetisch induzierten Bewegung der eingebetteten Partikel bildet den zentralen Schlüssel zur Ergründung der komplexen makroskopischen Materialeigenschaften. Um sich diesem Ziel zu nähern, wurden unterschiedlichste breitgefächerte Messmethoden auf mikroskopische und makroskopische Aspekte eines einzigen Probenmaterials angewendet. So entstand eine umfassende und skalenübergreifende Charakterisierung eines magnetorheologischen Elastomers. Kern der Experimente bildete die Analyse der Anordnung und der magnetisch induzierten Bewegung der eingebetteten magnetischen Mikropartikel mittels Röntgen-Mikrotomographie. Die tomographisch erhobenen Bilddaten ermöglichten sowohl eine Auswertung der Partikelstruktur auf Basis der Partikelgesamtheit, als auch auf Einzelpartikelbasis mit Hilfe eines Particle-Tracking. So konnten neue Erkenntnisse über den magnetisch induzierten Kettenbildungsprozess der Partikel gewonnen und skalenübergreifende Zusammenhänge zwischen mikroskopischen Partikelbewegungen und makroskopischen mechanischen Materialverhalten aufgezeigt werden.:Danksagung v Inhaltsverzeichnis vii Symbolverzeichnis ix Abkürzungsverzeichnis xii 1 Einleitung 1 2 Grundlagen 8 2.1 Magnetorheologische Elastomere 8 2.1.1 Elastomermatrix 8 2.1.2 Magnetische Partikel 10 2.1.3 Magnetische Eigenschaften 11 2.1.4 Partikelstruktur und mechanische Eigenschaften 19 2.2 Mikrostrukturanalyse 22 2.2.1 Röntgentomographie 23 2.2.2 Digitale Bildverarbeitung 32 2.2.3 Statistik von Partikelverteilungen 37 3 Materialien und Methoden 39 3.1 Probenmaterial 39 3.1.1 Wahl geeigneter Materialien 39 3.1.2 Probensynthese 42 3.2 Messmethoden 44 3.2.1 Messkampagnen 45 3.2.2 Mechanische Charakterisierung 49 3.2.3 Mikrostrukturanalyse 52 3.2.4 Auswertung der Bilddaten 58 3.2.5 Vibrating Sample Magnetometrie 72 3.2.6 Begleitende Messmethoden 73 4 Ergebnisse 78 4.1 Makroskopische mechanische Eigenschaften 78 4.1.1 Elastomer 78 4.1.2 Komposit 79 viii Inhaltsverzeichnis 4.2 Partikelstruktur im Ausgangszustand 83 4.2.1 Datenlage 83 4.2.2 Geometrische Charakterisierung der Partikel 86 4.2.3 Räumliche Verteilung der Partikel 89 4.3 Partikelstruktur im Magnetfeldeinfluss 90 4.3.1 Ausrichtungsverhalten der Partikel im Magnetfeld 91 4.3.2 Einbindung der Partikel in die Matrix 93 4.3.3 Statistische Verteilung der Partikelwinkel 96 4.3.4 Partikelbewegung als Reaktion auf das lokale Feld 101 4.3.5 Partikelbewegung als Reaktion auf sukzessive Magnetisierung 114 4.3.6 Paarkorrelationsfunktionen der Partikelstruktur 123 4.4 Magnetische Eigenschaften 130 5 Zusammenfassende Diskussion 135 5.1 Gewonnene Erkenntnisse 135 5.2 Gegenseitige Beeinflussung von Partikelstruktur, magnetischen und mechanischen Eigenschaften 137 5.3 Grenzen der Messgenauigkeit und Fehlerbetrachtung 137 6 Abschließende Worte und Ausblick 140 Literaturverzeichnis I Abbildungsverzeichnis XIII Tabellenverzeichnis XVII

Grâce à l’implémentation d’algorithmes de reconstruction 3D dans les systèmes d’imagerie TEM/TDM, une étude quantitative à partir des images reconstruites est possible. La quantification d’images TEM/TDM est nécessaire afin de permettre une étude dosimétrique 3D des patients atteints de tumeurs neuroendocrines traités au 177Lu-octréotate. Cependant, afin de permettre une quantification précise des images obtenues, plusieurs paramètres du système doivent être déterminés afin d’appliquer les corrections nécessaires. Dans le cadre de cette étude, l’appareil TEM/TDM utilisé est tout d’abord calibré. Pour ce faire, la stabilité temporelle, la sensibilité, le temps mort et l’effet de volume partiel de l’appareil sont déterminés pour différents radioisotopes. Par la suite, une étude comparative de deux plateformes de reconstruction est effectuée afin de trouver la technique offrant la plus haute précision quantitative d’images TEM/TDM. La calibration et l’étude des reconstructions de l’appareil TEM/TDM a permis de déterminer la procédure optimale pour l’imagerie quantitative du 177Lu et de 99mTc avec une erreur maximale de 3%. Ces résultats pourraient être validés à l’aide de données cliniques.