This thesis describes XL, an x-ray imaging simulator for luggage inspection. This software system runs on a workstation and models x-ray sources, x-ray detectors and objects between them. A simple graphical interface permits the user to specify simulation parameters and inputs. XL then uses Monte Carlo methods to simulate x-ray interaction with matter, including the photoelectric effect, coherent scattering, and incoherent scattering. Finally, XL can produce x-ray images which agree closely with experimental data obtained from a commercial luggage scanner. The simulator will be a valuable tool in the development of future x-ray scanners, particularly those designed to detect explosives in luggage. / Master of Science

An inspection system was required in order to eliminate the difficulties which appear during the inspection of the vehicles according to specific criteria at Turkish Custom Border in a short time and effectively. In this thesis, we performed experiments on such a system to obtain the overall performance of its inspection quality. We firstly give with reasons, why the source of beam is selected as X-ray source. The subsystems of the main system are the accelerator subsystem and detector subsystem. Their structures and working principles are studied in detail by comparing them with their alternatives. Series of experiments are carried out to verify the general performance of system in terms of radiation security and quality of images produced by the system. These experiments were classified as general scan experiment, inspection performance experiment, image quality indicator experiment, radiation safety experiment and general performance experiment. The container inspection system studied and experimented in this thesis is now used effectively in Turkish Customs Boarder, Edirne Kapikule and Edirne ipsala.

Idag finns det inte tillräckligt underhåll på de 15 svamp- och bakterietankar som finns på AstraZenecas vattenreningsverk i Gärtuna, Södertälje. Företaget använder sig av avhjälpande underhåll där de väntar på att tankarna ska gå sönder för att sedan laga dem. Reningsverket vill skapa en underhållsstrategi på tankarna genom att ta reda på om livslängden kan förlängas eller om, och i så fall när, utrustningen behöver renoveras, uppgraderas eller bytas ut. I litteraturstudier undersöktes underhållsstrategier, vattenreningsverk och olika tillståndskontroller. Besök gjordes för att få en bättre uppfattning om hur arbetet på vattenreningsverket ser ut idag. Intervjuer hölls med chefen för vattenreningsverket, en erfaren drifttekniker samt två externa företag som jobbar med underhåll. I resultatet framgår information om vilka fel som uppstått, vilka åtgärder som vidtagits samt vad det kostat. Det framgår även hur underhåll kan ske med olika externa parter och kostnader för detta. Två olika tillståndskontroller, digital röntgenskanning och penetrantprovning föreslås för att upptäcka fel på tankarna. Efter analys av resultatet har slutsatser om en ny underhållsstrategi kunnat dras. Rekommendationer om hur den kan implementeras och lämpligt intervall har tagits fram. AstraZeneca föreslås gå från ett avhjälpande till ett schemalagt tillståndsbaserat underhåll, där tillståndskontroller utförs var tredje, fjärde eller femte år beroende på personalens bedömning och de rekommenderas också att använda sig av externa resurser när det kommer till tvättning och tillståndskontroller av tankarna. Avhjälpande underhåll är omöjligt att planera och kommer med vår lösning att minimeras. Schemalagt tillståndsbaserat underhåll som vi rekommenderar kommer resultera i en mycket enklare planering och oväntade kostnader likväl som oväntade stopptider kommer undvikas. Regelbundet underhåll kommer troligtvis resultera i att tankarnas livslängd ökar vilket bidrar till en bättre hållbarhet och man slipper köpa in nya tankar. / Today, there is not enough maintenance on the 15 fungal and bacterial tanks found at AstraZeneca's wastewater treatment plant in Gärtuna, Södertälje. The company uses a maintenance strategy where they wait for the tanks to fail and then fix them. The treatment plant wants to create a maintenance strategy for the tanks by finding out if the life span can be extended or if, and if so, when the equipment needs to be renovated, upgraded, or replaced. With literature studies maintenance strategies, wastewater treatment plants and various condition investigations, were analysed. The visits were made to get a better idea of how the work at the wastewater treatment plant looks like today. Interviews were held with the head of the water treatment plant, an experienced operating technician and two external companies working on maintenance. The result shows information about what errors occurred, what measures were taken and what it cost. It also shows how maintenance can be done with various external sources and costs for this. Two different condition investigations, digital x-ray scanning and penetrant testing are suggested to detect errors in the tanks. After analysing the results, conclusions about a new maintenance strategy could be drawn. Recommendations on how it can be implemented, and an appropriate interval have been developed. AstraZeneca should go from corrective to scheduled condition-based maintenance, where condition investigations are performed every three, four or five years depending on the staff's assessment and they could make use of external sources when it comes to washing and condition investigations of the tanks. Corrective maintenance is impossible to plan and our solution will minimize this. Scheduled condition-based maintenance that we recommend will result in a much simpler planning where unexpected costs as well as unexpected downtime will be avoided. Regular maintenance will probably result in an increase in the service life of the tanks, which contributes to better durability and they will not have to buy new tanks.

Hard x rays come along with a variety of extraordinary properties which make them an excellent probe for investigation in science, technology and medicine. Their large attenuation length in matter opens up the possibility to use hard x-rays for non-destructive investigation of the inner structure of specimens. Medical radiography is one important example of exploiting this feature. Since their discovery by W. C. Röntgen in 1895, a large variety of x-ray analytical techniques have been developed and successfully applied, such as x-ray crystallography, reflectometry, fluorescence spectroscopy, x-ray absorption spectroscopy, small angle x-ray scattering, and many more. Each of those methods reveals information about certain physical properties, but usually, these properties are an average over the complete sample region illuminated by the x rays. In order to obtain the spatial distribution of those properties in inhomogeneous samples, scanning microscopy techniques have to be applied, screening the sample with a small x-ray beam. The spatial resolution is limited by the finite size of the beam. The availability of highly brilliant x-ray sources at third generation synchrotron radiation facilities together with the development of enhanced focusing x-ray optics made it possible to generate increasingly small high intense x-ray beams, pushing the spatial resolution down to the sub-100 nm range. During this thesis the prototype of a hard x-ray scanning microscope utilizing microstructured nanofocusing lenses was designed, built, and successfully tested. The nanofocusing x-ray lenses were developed by our research group of the Institute of Structural Physics at the Technische Universität Dresden. The prototype instrument was installed at the ESRF beamline ID 13. A wide range of experiments like fluorescence element mapping, fluorescence tomography, x-ray nano-diffraction, coherent x-ray diffraction imaging, and x-ray ptychography were performed as part of this thesis. The hard x-ray scanning microscope provides a stable x-ray beam with a full width at half maximum size of 50-100 nm near the focal plane. The nanoprobe was also used for characterization of nanofocusing lenses, crucial to further improve them. Based on the experiences with the prototype, an advanced version of a hard x-ray scanning microscope is under development and will be installed at the PETRA III beamline P06 dedicated as a user instrument for scanning microscopy. This document is organized as follows. A short introduction motivating the necessity for building a hard x-ray scanning microscope is followed by a brief review of the fundamentals of hard x-ray physics with an emphasis on free-space propagation and interaction with matter. After a discussion of the requirements on the x-ray source for the nanoprobe, the main features of synchrotron radiation from an undulator source are shown. The properties of the nanobeam generated by refractive x-ray lenses are treated as well as a two-stage focusing scheme for tailoring size, flux and the lateral coherence properties of the x-ray focus. The design and realization of the microscope setup is addressed, and a selection of experiments performed with the prototype version is presented, before this thesis is finished with a conclusion and an outlook on prospective plans for an improved microscope setup to be installed at PETRA III. / Aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften kommt harte Röntgenstrahlung in vielfältiger Weise in der Wissenschaft, Industrie und Medizin zum Einsatz. Vor allem die Fähigkeit, makroskopische Gegenstände zu durchdringen, eröffnet die Möglichkeit, im Innern ausgedehnter Objekte verborgene Strukturen zum Vorschein zu bringen, ohne den Gegenstand zerstören zu müssen. Eine Vielzahl röntgenanalytischer Verfahren wie zum Beispiel Kristallographie, Reflektometrie, Fluoreszenzspektroskopie, Absorptionsspektroskopie oder Kleinwinkelstreuung sind entwickelt und erfolgreich angewendet worden. Jede dieser Methoden liefert gewisse strukturelle, chemische oder physikalische Eigenschaften der Probe zutage, allerdings gemittelt über den von der Röntgenstrahlung beleuchteten Bereich. Um eine ortsaufgelöste Verteilung der durch die Röntgenanalyse gewonnenen Information zu erhalten, bedarf es eines sogenannten Mikrostrahls, durch den die Probe lokal abgetastet werden kann. Die dadurch erreichbare räumliche Auflösung ist durch die Größe des Mikrostrahls begrenzt. Aufgrund der Verfügbarkeit hinreichend brillanter Röntgenquellen in Form von Undulatoren an Synchrotronstrahlungseinrichtungen und des Vorhandenseins verbesserter Röntgenoptiken ist es in den vergangen Jahren gelungen, immer kleinere intensive Röntgenfokusse zu erzeugen und somit das räumliche Auflösungsvermögen der Röntgenrastermikroskope auf unter 100 nm zu verbessern. Gegenstand dieser Arbeit ist der Prototyp eines Rastersondenmikroskops für harte Röntgenstrahlung unter Verwendung refraktiver nanofokussierender Röntgenlinsen, die von unserer Arbeitsgruppe am Institut für Strukturphysik entwickelt und hergestellt werden. Das Rastersondenmikroskop wurde im Rahmen dieser Promotion in Dresden konzipiert und gebaut sowie am Strahlrohr ID 13 des ESRF installiert und erfolgreich getestet. Das Gerät stellt einen hochintensiven Röntgenfokus der Größe 50-100 nm zur Verfügung, mit dem im Verlaufe dieser Doktorarbeit zahlreiche Experimente wie Fluoreszenztomographie, Röntgennanobeugung, Abbildung mittels kohärenter Röntgenbeugung sowie Röntgenptychographie erfolgreich durchgeführt wurden. Das Rastermikroskop dient unter anderem auch dem Charakterisieren der nanofokussierenden Linsen, wobei die dadurch gewonnenen Erkenntnisse in die Herstellung verbesserten Linsen einfließen. Diese Arbeit ist wie folgt strukturiert. Ein kurzes einleitendes Kapitel dient als Motivation für den Bau eines Rastersondenmikroskops für harte Röntgenstrahlung. Es folgt eine Einführung in die Grundlagen der Röntgenphysik mit Hauptaugenmerk auf die Ausbreitung von Röntgenstrahlung im Raum und die Wechselwirkungsmechanismen von Röntgenstrahlung mit Materie. Anschließend werden die Anforderungen an die Röntgenquelle besprochen und die Vorzüge eines Undulators herausgestellt. Wichtige Eigenschaften eines mittels refraktiver Röntgenlinsen erzeugten Röntgenfokus werden behandelt, und das Konzept einer Vorfokussierung zur gezielten Anpassung der transversalen Kohärenzeigenschaften an die Erfordernisse des Experiments wird besprochen. Das Design und die technische Realisierung des Rastermikroskops werden ebenso dargestellt wie eine Auswahl erfolgreicher Experimente, die am Gerät vollzogen wurden. Die Arbeit endet mit einem Ausblick, der mögliche Weiterentwicklungen in Aussicht stellt, unter anderem den Aufbau eines verbesserten Rastermikroskops am PETRA III-Strahlrohr P06.

Die vorliegende Arbeit widmet sich der Beschreibung und Kritik der am Museum für Musikinstrumente der Universität Leipzig für die Erfassung von Streichinstrumenten, insbesondere Geigen, angewendeten Methoden. Objektive Kriterien werden sowohl auf die Erfassung klangrelevanter Komponenten angewendet als auch auf die stilistische Ebene der Geigenbeschreibung ausgeweitet. Im Fokus stehen dabei vor allem die metrologischen Techniken und ausgewählte bildgebende Untersuchungsmethoden. Ziel ist die methodische Präzisierung und Standardisierung, um die diffizilen individuellen Eigenschaften von Geigen in Daten erfassbar und sammlungsübergreifend auswertbar zu machen.:Inhaltsverzeichnis EINFÜHRUNG 9 1 GESCHICHTLICHER HINTERGRUND UND AUSGANGSLAGE 15 Methoden und Dokumentationen in der Geschichte der Sammlung des heutigen Museums für Musikinstrumente der Universität Leipzig 15 1.1 Dokumentation durch Paul de Wit: Kataloge und Geigenzettel-Publikationen 15 1.1.1 Paul de Wit und die Leipziger Musikinstrumentensammlung 15 1.1.2 Paul de Wits Bildband von 1892 und die Kataloge von 1893, 1893–1896 (Nachträge) und 1904 17 1.1.2.1 Der Bildband 17 1.1.2.2 Die Kataloge 20 1.1.2.2.1 Beschreibung der Einzelinstrumente 27 1.1.2.2.2 Maßangaben 27 1.1.2.2.3 Abbildungen 28 1.1.3 Bezüge zwischen Paul de Wits Geigenzettel alter Meister und seiner Sammlung 29 1.2 Dokumentation durch Georg Kinsky: Der Katalog von 1912 35 1.2.1 Wilhelm Heyer und das Musikhistorische Museum in Köln 35 1.2.2 Bestand an Streichinstrumenten im Museum Wilhelm Heyers 36 1.2.3 Die Beschreibung der Streichinstrumente durch Georg Kinsky im Katalog von 1912 42 1.2.3.1 Julius Rühlmanns Geschichte der Bogeninstrumente als Quelle für Georg Kinsky 42 1.2.3.2 Gedanke der Höherentwicklung 43 1.2.3.3 Aussagen zum Klang 44 1.2.3.4 Beschreibungsschema der Streichinstrumente 50 1.2.3.5 Angabe der Orientierung 57 1.2.3.6 Allgemeine Bewertung 57 1.2.3.7 Lack 59 1.2.3.8 Schalllöcher 61 1.2.3.9 Angaben über den Zustand und erfolgte Veränderungen 62 1.2.3.10 Wölbung 63 1.2.3.11 Material 64 1.2.3.12 Korpus 65 1.2.3.13 Typisierende Vergleiche 66 1.2.3.14 Wirbelkasten 66 1.2.3.15 Abbildungen 67 1.2.3.16 Abbildungen von Geigenzetteln 67 1.2.3.17 Angabe von Maßen 69 1.2.3.18 Angaben zu Vorbesitzern 75 1.2.4 Einfluss des Katalogs von Georg Kinsky auf Curt Sachs und Weiterführung der Systematik 81 1.3 Sammlungsentwicklung und inventarisierende Sammlungsdokumentation von 1945 bis 1995 87 1.3.1 Inventar-Kartei 87 1.3.2 Dokumentenordner 90 1.3.3 Sammlungsentwicklung nach 1945 im Spiegel der Erwerbsdokumente 90 1.3.4 Die Situation um 1985 96 1.3.5 Restaurierungsunterlagen 97 1.3.5.1 Dokumentationsweise und Inhaltsübersicht der Restaurierungsakten 98 1.3.5.2 Zustandsdokumentation 102 1.3.5.3 Rubriken der Beschreibung und Vermaßung 102 1.3.5.4 Maßangaben 105 1.4 Grundzüge der Methodenentwicklung 107 1.5 Exkurs: Zur Typenbildung von Merkmalen 112 2 METROLOGIE 115 2.1 Geschichte der Metrologie im Geigenbau und in der Instrumentenkunde 115 2.1.1 Das Maß im Geigenbau ab 1780 – Vorbilder, Empfehlungen, Normen 115 2.1.1.1 Überblick zur Bagatella-Rezeption 118 2.1.1.2 Aus Empfehlungen werden Normen 121 2.1.1.3 Normmaße der modernen Geige 123 2.1.1.4 Metrologie als schöpferische Methode im Geigenbau 126 2.1.3 Metrologie in der Instrumentenkunde 128 2.1.2.1 Inventarergänzende und systematisierende Maße 131 2.1.2.2 Messen für die Maßanalyse 132 2.1.2.3 Vermessen von stil- und klangrelevanten Merkmalen 133 2.1.3 Messtoleranzen und Fehlerquellen bei traditionellen Messtechniken 134 2.1.3.1 Vergleich von Maßstäben und Maßbändern 134 2.1.3.2 Messen „direkt“ oder „über die Wölbung“ – Verschiedene Methoden, verschiedene Ergebnisse 135 2.1.3.3 Messung über die Wölbung – Werteabweichungen gegenüber der direkten Messung 137 2.1.3.4 Weitere Messfehler 140 2.1.3.5 Bewertung der Messmethoden „über die Wölbung“ und „direkt“ und Konsequenzen für die Auswertung 141 2.3.3.6 Aussagekraft von Grundmaßen am Beispiel der Lira MfM 780 144 2.1.3.7 Verortung von Maßen 148 2.1.3.8 Rekonstruktion von Formmaßen 153 2.1.4 Zusammenfassung 156 2.2. Koordinatenmessung – 3D-Laserscan 157 2.2.1 Evaluation von Messtechniken 157 2.2.1.1 Moiré-Topografie 157 2.2.1.2 Streifenprojektionsmesstechnik 158 2.2.1.3 Fotogrammetrische Techniken 159 2.2.1.4 Mechanisches Koordinatenmessen 159 2.2.2 Koordinaten-Laser-Messung 162 2.2.2.1 Beschreibung und Geschichte der Laser-Messung 162 2.2.2.2 Adaption und Verwendung der Laser-Messung am Museum für Musikinstrumente der Universität Leipzig 164 2.2.2.3 Prototyp 3D-Messbrücke 1997 164 2.2.2.4 Weiterentwickelter 3D-Messtisch 166 2.2.3 In der Praxis zu erreichende Genauigkeit des 3D-Laser-Messtischs am Leipziger Museum 166 2.2.3.1 Fehlerquellen und Fehlerkorrektur 169 2.2.3.2 Fehlerentstehung und Fehlervermeidung an lackierten Oberflächen 170 2.2.3.3 Kantenerkennung bei Laser-Messung 171 2.2.3.4 Laserscanner des Instituts für Mineralogie, Kristallographie und Materialwissenschaft an der Universität Leipzig 173 2.2.4 Bestand an 3D-Laserscans am MfM 174 2.2.4.1 Bestand an Oberflächenscans und Wölbungskurven 175 2.2.4.2 Bestand an Umriss-Daten 177 2.2.5 Möglichkeiten und Anwendungen der optischen Laservermessung 178 2.2.5.1 Anwendungsbeispiele zu Formen und Umrissen 178 2.2.5.2 Verdeutlichen von Asymmetrien 179 2.2.5.3 Vergleich unterschiedlicher Baugrößen 181 2.2.5.4 Rand und Einlagespan – Ist-Maße und Soll-Maße 183 2.2.5.5 Flächen 185 2.2.5.6 Schnitte, Profile – Vergleich der Erfassung von Wölbungsprofilen in analoger, zeichnerischer Übertragung und als Koordinatenmessung im Laserscan 189 2.2.5.7 Anwendungsbeispiele zu Profilen und Schnittdarstellungen 194 2.2.5.8 Erfassen feinster Oberflächenstrukturen 199 2.2.5.9 Ausblick – zukünftige Auswertungen 199 2.3.6 Bearbeitung von Messkurven 201 2.2.6.1 Geometrische Entzerrung von Messkurven 201 2.2.6.2 Fehler bei der grafischen Darstellung von Oberflächen 202 2.2.7 Bewertung der Laser-Koordinatenmessung 203 2.3 Techniken zur Stärkenmessung an Resonanzplatten 205 2.3.1 Evaluation der Techniken zur Stärkenmessung 205 2.3.1.1 Durchlicht-Methode am Lichttisch 205 2.3.1.2 Mechanische Abtastungen 206 2.3.1.3 Magnetische Methode 207 2.3.1.4 Elektronisch-magnetische Methode 207 2.3.1.5 Messung mit Ultraschall 208 2.3.1.6 Zusammenfassung zu den Techniken der Stärkenmessung 209 2.3.2 Erfassung und Dokumentation von Holzstärken am Leipziger Museum 210 2.3.2.1 Bestand an Holzstärkenmessungen nach Erfassungsschema 1 (punktuell) am Leipziger Museum 210 2.3.2.2 Bestand an Holzstärkenmessungen nach Erfassungsschema 2 (vollflächig) am Leipziger Museum 211 2.3.3 Möglichkeiten und Anwendungen der feinaufgelösten, flächigen Holzstärkenerfassung 215 2.3.3.1 Praktisch vorkommende Typen der Holzstärkenverteilung 215 2.3.3.2 Holzstärkenkonzepte – Lehrmeinungen und praktische Befunde 225 2.3.3.3 Holzstärken – Arbeitsweise und Konstruktion 230 2.3.3.4 Holzstärken und Klang 231 2.3.3.5 Zeit- und werkstattspezifischer Umgang mit Holzstärken 233 2.3.3.6 Nachvollziehen und Dokumentieren von Veränderungen 234 2.3.3.7 Rekonstruktion möglicher früherer Zustände 235 2.3.3.8 Sicherheit: Identifikation einzelner Instrumente 238 2.3.3.9 Zusammenfassende Betrachtung und Ausblick zur Messung und Kartierung von Holzstärken 239 3 FOTOGRAFISCHE TECHNIKEN 242 3.1 Bilder vor der Fotografie 243 3.2 Das Verhältnis von Abbild und Maß 245 3.3. Allgemeine geometrische Abbildungsfehler und Auswertungsmöglichkeiten von Fotografien 246 3.4 Fotostandards für die Aufnahme in der Instrumentenkunde 247 3.5 Fotografische Techniken am Museum für Musikinstrumente der Universität Leipzig 250 3.5.1 Bildtypen im Fotobestand des Leipziger Museums 250 3.5.2 Glasnegative 253 3.5.2.1 Geschichte und Technik der Glasplattenfotografie 253 3.5.2.2 Bestand von Glasnegativen am Leipziger Museum 254 3.5.2.3 Entstehungszeit und Entstehungszweck der Glasnegative 259 3.5.2.4 Bildauflösung der Glasnegative 264 3.5.2.5 Metrische Auswertungen von Glasnegativen 265 3.5.2.6 Bewertung der Glasnegative 269 3.5.3 Sicherheitsfotos 270 3.5.3.1 Sicherheitsfotos vom Typ 1, von etwa 1970 bis 1995 271 3.5.3.2 Bestand an Sicherheitsfotos vom Typ 1, um 1970 bis 1995 271 3.5.3.3 Sicherheitsfotos vom Qualitätstyp 3, 1996 bis 1999 272 3.5.3.4 Bestand an Sicherheitsfotos vom Qualitätstyp 3, 1996 bis 1999 273 3.5.3.5 Angewendete Aufnahmestandards für die Sicherheitsfotos vom Qualitätstyp 3 274 3.5.3.7 Ausblick zur Formerkennung durch Bildauswertung am Beispiel der Schneckenformen 278 3.5.4 Endoskopie 286 3.5.4.1 Bestand an endoskopischen Fotografien am Leipziger Museum 286 3.5.4.2 Anwendungsbeispiele der Endoskopie 289 3.5.5 UV-Licht-Fotografie 292 3.5.5.1 Bestand an UV-Fotografien am Leipziger Museum 293 3.5.5.2 Anwendungsbeispiele der UV-Fluoreszenz und ihrer fotografischen Dokumentation 294 3.5.5.3 Bewertung des bestehenden UV-Foto-Bestands und Ausblick 298 3.5.6 Zusammenfassende Bewertung der Bildquellen und Ausblick 298 4 RADIOLOGIE 300 4.1 Röntgenbilder 300 4.1.1 Beschreibung der Röntgenuntersuchung 300 4.1.1.1 Röntgenuntersuchung in der Instrumentenkunde und speziell am MfM 302 4.1.1.2 Vergleich unterschiedlicher Röntgentechniken bei der Anwendung für instrumentenkundliche Untersuchungen 304 4.1.2 Bestand an Röntgenbildern und Röntgendokumentationen am Leipziger Museum 308 4.1.2.1 Analoge Röntgenbilder auf Filmen 308 4.1.2.2 Digitale Röntgenbilder 308 4.1.2.3. Röntgendokumentationen in Abfotografien, Zeichnungen und in Schriftform 309 4.1.3 Möglichkeiten der Röntgenuntersuchung an Beispielen 312 4.1.3.1 Grundsätzliches zur Interpretation von Röntgenbildern 312 4.1.3.2 Messen an Röntgenbildern 317 4.1.3.3 Konstruktion und Technologie 318 4.1.3.4 Reparatur und Umbau 321 4.1.3.5 Material und Bildvorlage für die Dendrochronologie 324 4.1.4 Bewertung des Röntgens 325 4.2 Computertomografie 326 4.2.1 Beschreibung und Techniken der Computertomografie 326 4.2.2 Bestand an computertomografischen Untersuchungen am Leipziger Museum 328 4.2.3 Möglichkeiten computertomografischer Untersuchungen an Beispielen 330 4.2.3.1 Möglichkeiten der Darstellung und Auswertung 332 4.2.3.2 Auflösungsgenauigkeiten und Vermessungen 333 4.2.3.3 Bild- und Messfehler 335 4.2.3.4 Beurteilen von Konstruktion und Materialverbindungen 338 4.2.3.5 Beurteilen von Materialien 340 4.2.4 Bewertung radiologischer Untersuchungen und Ausblick 342 5 SKIZZEN UND TECHNISCHE ZEICHNUNGEN – ZUSAMMENFÜHRENDE DOKUMENTATIONEN 344 5.1 Allgemeine Betrachtungen zu Skizzen und technischen Zeichnungen 344 5.2 Skizzen als Arbeits- und Dokumentationshilfe am Museum für Musikinstrumente der Universität Leipzig 345 5.3 Geschichte und Bestand von technischen Zeichnungen am Museum für Musikinstrumente der Universität Leipzig 350 5.3.1 Informationsgehalt der Technischen Zeichnungen 353 5.4 Zusammenfassende Bewertung von Skizzen und Zeichnungen 355 6 KLANGERLEBEN UND KLANGDOKUMENTATION 357 6.1 Zum Bestand der Klangdokumentationen 357 6.2 Die Geige als Objekt akustischer Forschungen im 20. Jahrhundert 358 6.3 Wörtliche Klangbewertungen in den Erwerbsunterlagen 361 6.4 Anspielproben 1997 – analytische Hörtests mit Worturteil 363 6.4.1 Ablauf, Möglichkeiten und Aussagewert der Tondokumentationen von 1997 364 6.5 Physikalisch-akustische Untersuchungen 371 6.5.1 Ergebnisse der akustischen Messungen und deren Bewertung 372 6.6. Zur Geschichte von Klangerleben, Klangforschung und Klangdokumentation am Museum für Musikinstrumente der Universität Leipzig 373 6.7 Bestand an Klangdokumentationen von Geigeninstrumenten des Museum für Musikinstrumente der Universität Leipzig 378 6.7.1 Abwägung einer Tonaufnahme – Beispiel Violoncello piccolo MfM 918 381 6.7.2 Produzierte und auf Tonträger veröffentlichte Tonaufnahmen mit nachweisbarer Verwendung von Sammlungsinstrumenten bis 1990 382 6.7.3 Aufnahmen mit rekonstruierbarer Instrumentenzuweisung und möglicher Verwendung von Sammlungsinstrumenten 384 6.7.4 Aufnahmen ab 1999 386 6.7.4.1 Tonaufnahmen für CD und 3D-Raumklang-System im Projekt Entwurff einer wohlbestallten Music 386 6.7.4.2 Tonaufnahmen für CDs mit den Kopien der Freiberger Renaissancegeigen 390 6.8 Zusammenfassung 395 6.8.1 Auditive Klangdokumente; Klangbewertung nach musikalischem Erleben und analytischem Hören 395 6.8.2 Zur Notwendigkeit von Klangerleben und Klangbeschreibungen – am Beispiel der Geigen im Freiberger Dom 397 6.8.3 Akustische Messungen 398 6.8.4 Bewertung und Ausblick 398 ZUSAMMENFASSENDE SCHLUSSBETRACHTUNG UND AUSBLICK 401 LITERATUR 406 ABBILDUNGSVERZEICHNIS 425 ERKLÄRUNG 426

Hard x rays come along with a variety of extraordinary properties which make them an excellent probe for investigation in science, technology and medicine. Their large attenuation length in matter opens up the possibility to use hard x-rays for non-destructive investigation of the inner structure of specimens. Medical radiography is one important example of exploiting this feature. Since their discovery by W. C. Röntgen in 1895, a large variety of x-ray analytical techniques have been developed and successfully applied, such as x-ray crystallography, reflectometry, fluorescence spectroscopy, x-ray absorption spectroscopy, small angle x-ray scattering, and many more. Each of those methods reveals information about certain physical properties, but usually, these properties are an average over the complete sample region illuminated by the x rays. In order to obtain the spatial distribution of those properties in inhomogeneous samples, scanning microscopy techniques have to be applied, screening the sample with a small x-ray beam. The spatial resolution is limited by the finite size of the beam. The availability of highly brilliant x-ray sources at third generation synchrotron radiation facilities together with the development of enhanced focusing x-ray optics made it possible to generate increasingly small high intense x-ray beams, pushing the spatial resolution down to the sub-100 nm range. During this thesis the prototype of a hard x-ray scanning microscope utilizing microstructured nanofocusing lenses was designed, built, and successfully tested. The nanofocusing x-ray lenses were developed by our research group of the Institute of Structural Physics at the Technische Universität Dresden. The prototype instrument was installed at the ESRF beamline ID 13. A wide range of experiments like fluorescence element mapping, fluorescence tomography, x-ray nano-diffraction, coherent x-ray diffraction imaging, and x-ray ptychography were performed as part of this thesis. The hard x-ray scanning microscope provides a stable x-ray beam with a full width at half maximum size of 50-100 nm near the focal plane. The nanoprobe was also used for characterization of nanofocusing lenses, crucial to further improve them. Based on the experiences with the prototype, an advanced version of a hard x-ray scanning microscope is under development and will be installed at the PETRA III beamline P06 dedicated as a user instrument for scanning microscopy. This document is organized as follows. A short introduction motivating the necessity for building a hard x-ray scanning microscope is followed by a brief review of the fundamentals of hard x-ray physics with an emphasis on free-space propagation and interaction with matter. After a discussion of the requirements on the x-ray source for the nanoprobe, the main features of synchrotron radiation from an undulator source are shown. The properties of the nanobeam generated by refractive x-ray lenses are treated as well as a two-stage focusing scheme for tailoring size, flux and the lateral coherence properties of the x-ray focus. The design and realization of the microscope setup is addressed, and a selection of experiments performed with the prototype version is presented, before this thesis is finished with a conclusion and an outlook on prospective plans for an improved microscope setup to be installed at PETRA III.:1 Introduction ............................................... 1 2 Basic Properties of Hard X Rays ............................ 3 2.1 Free Propagation of X Rays ............................... 3 2.1.1 The Helmholtz Equation ................................. 4 2.1.2 Integral Theorem of Helmholtz and Kirchhoff ............ 6 2.1.3 Fresnel-Kirchhoff's Diffraction Formula ................ 8 2.1.4 Fresnel-Kirchhoff Propagation .......................... 11 2.2 Interaction of X Rays with Matter ........................ 13 2.2.1 Complex Index of Refraction ............................ 13 2.2.2 Attenuation ............................................ 15 2.2.3 Refraction ............................................. 18 3 The X-Ray Source ........................................... 21 3.1 Requirements ............................................. 21 3.1.1 Energy and Energy Bandwidth ............................ 21 3.1.2 Source Size and Divergence ............................. 23 3.1.3 Brilliance ............................................. 23 3.2 Synchrotron Radiation .................................... 24 3.3 Layout of a Synchrotron Radiation Facility ............... 27 3.4 Liénard-Wiechert Fields .................................. 29 3.5 Dipole Magnets ........................................... 31 3.6 Insertion Devices ........................................ 36 3.6.1 Multipole Wigglers ..................................... 36 3.6.2 Undulators ............................................. 37 4 X-Ray Optics ............................................... 39 4.1 Refractive X-Ray Lenses .................................. 40 4.2 Compound Parabolic Refractive Lenses (CRLs) .............. 41 4.3 Nanofocusing Lenses (NFLs) ............................... 43 4.4 Adiabatically Focusing Lenses (AFLs) ..................... 45 4.5 Focal Distance ........................................... 46 4.6 Transverse Focus Size .................................... 50 4.7 Beam Caustic ............................................. 52 4.8 Depth of Focus ........................................... 53 4.9 Beam Divergence .......................................... 53 4.10 Chromaticity ............................................ 54 4.11 Transmission and Cross Section .......................... 55 4.12 Transverse Coherence .................................... 56 4.12.1 Mutual Intensity Function ............................. 57 4.12.2 Free Propagation of Mutual Intensity .................. 57 4.12.3 Mutual Intensity In The Focal Plane ................... 58 4.12.4 Diffraction Limited Focus ............................. 59 4.13 Coherent Flux ........................................... 60 4.14 Two-Stage Focusing ...................................... 64 4.14.1 The Prefocusing Parameter ............................. 65 4.14.2 Required Refractive Power ............................. 67 4.14.3 Flux Considerations ................................... 70 4.14.4 Astigmatic Prefocusing ................................ 75 5 Nanoprobe Setup ............................................ 77 5.1 X-Ray Optics ............................................. 78 5.1.1 Nanofocusing Lenses .................................... 79 5.1.2 Entry Slits ............................................ 82 5.1.3 Pinhole ................................................ 82 5.1.4 Additional Shielding ................................... 83 5.1.5 Vacuum and Helium Tubes ................................ 83 5.2 Sample Stages ............................................ 84 5.2.1 High Resolution Scanner ................................ 84 5.2.2 High Precision Rotational Stage ........................ 85 5.2.3 Coarse Linear Stages ................................... 85 5.2.4 Goniometer Head ........................................ 85 5.3 Detectors ................................................ 86 5.3.1 High Resolution X-Ray Camera ........................... 86 5.3.2 Diffraction Cameras .................................... 89 5.3.3 Energy Dispersive Detectors ............................ 91 5.3.4 Photodiodes ............................................ 93 5.4 Control Software ......................................... 94 6 Experiments ................................................ 97 6.1 Lens Alignment ........................................... 97 6.2 Focus Characterization ................................... 99 6.2.1 Knife-Edge Scans ....................................... 100 6.2.2 Far-Field Measurements ................................. 102 6.2.3 X-Ray Ptychography ..................................... 103 6.3 Fluorescence Spectroscopy ................................ 105 6.3.1 Fluorescence Element Mapping ........................... 107 6.3.2 Fluorescence Tomography ................................ 110 6.4 Diffraction Experiments .................................. 111 6.4.1 Microdiffraction on Phase Change Media ................. 112 6.4.2 Microdiffraction on Stranski-Krastanow Islands ......... 113 6.4.3 Coherent X-Ray Diffraction Imaging of Gold Particles ... 115 6.4.4 X-Ray Ptychography of a Nano-Structured Microchip ...... 117 7 Conclusion and Outlook ..................................... 121 Bibliography ................................................. 125 List of Figures .............................................. 139 List of Publications ......................................... 141 Danksagung ................................................... 145 Curriculum Vitae ............................................. 149 Erklärung .................................................... 151 / Aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften kommt harte Röntgenstrahlung in vielfältiger Weise in der Wissenschaft, Industrie und Medizin zum Einsatz. Vor allem die Fähigkeit, makroskopische Gegenstände zu durchdringen, eröffnet die Möglichkeit, im Innern ausgedehnter Objekte verborgene Strukturen zum Vorschein zu bringen, ohne den Gegenstand zerstören zu müssen. Eine Vielzahl röntgenanalytischer Verfahren wie zum Beispiel Kristallographie, Reflektometrie, Fluoreszenzspektroskopie, Absorptionsspektroskopie oder Kleinwinkelstreuung sind entwickelt und erfolgreich angewendet worden. Jede dieser Methoden liefert gewisse strukturelle, chemische oder physikalische Eigenschaften der Probe zutage, allerdings gemittelt über den von der Röntgenstrahlung beleuchteten Bereich. Um eine ortsaufgelöste Verteilung der durch die Röntgenanalyse gewonnenen Information zu erhalten, bedarf es eines sogenannten Mikrostrahls, durch den die Probe lokal abgetastet werden kann. Die dadurch erreichbare räumliche Auflösung ist durch die Größe des Mikrostrahls begrenzt. Aufgrund der Verfügbarkeit hinreichend brillanter Röntgenquellen in Form von Undulatoren an Synchrotronstrahlungseinrichtungen und des Vorhandenseins verbesserter Röntgenoptiken ist es in den vergangen Jahren gelungen, immer kleinere intensive Röntgenfokusse zu erzeugen und somit das räumliche Auflösungsvermögen der Röntgenrastermikroskope auf unter 100 nm zu verbessern. Gegenstand dieser Arbeit ist der Prototyp eines Rastersondenmikroskops für harte Röntgenstrahlung unter Verwendung refraktiver nanofokussierender Röntgenlinsen, die von unserer Arbeitsgruppe am Institut für Strukturphysik entwickelt und hergestellt werden. Das Rastersondenmikroskop wurde im Rahmen dieser Promotion in Dresden konzipiert und gebaut sowie am Strahlrohr ID 13 des ESRF installiert und erfolgreich getestet. Das Gerät stellt einen hochintensiven Röntgenfokus der Größe 50-100 nm zur Verfügung, mit dem im Verlaufe dieser Doktorarbeit zahlreiche Experimente wie Fluoreszenztomographie, Röntgennanobeugung, Abbildung mittels kohärenter Röntgenbeugung sowie Röntgenptychographie erfolgreich durchgeführt wurden. Das Rastermikroskop dient unter anderem auch dem Charakterisieren der nanofokussierenden Linsen, wobei die dadurch gewonnenen Erkenntnisse in die Herstellung verbesserten Linsen einfließen. Diese Arbeit ist wie folgt strukturiert. Ein kurzes einleitendes Kapitel dient als Motivation für den Bau eines Rastersondenmikroskops für harte Röntgenstrahlung. Es folgt eine Einführung in die Grundlagen der Röntgenphysik mit Hauptaugenmerk auf die Ausbreitung von Röntgenstrahlung im Raum und die Wechselwirkungsmechanismen von Röntgenstrahlung mit Materie. Anschließend werden die Anforderungen an die Röntgenquelle besprochen und die Vorzüge eines Undulators herausgestellt. Wichtige Eigenschaften eines mittels refraktiver Röntgenlinsen erzeugten Röntgenfokus werden behandelt, und das Konzept einer Vorfokussierung zur gezielten Anpassung der transversalen Kohärenzeigenschaften an die Erfordernisse des Experiments wird besprochen. Das Design und die technische Realisierung des Rastermikroskops werden ebenso dargestellt wie eine Auswahl erfolgreicher Experimente, die am Gerät vollzogen wurden. Die Arbeit endet mit einem Ausblick, der mögliche Weiterentwicklungen in Aussicht stellt, unter anderem den Aufbau eines verbesserten Rastermikroskops am PETRA III-Strahlrohr P06.:1 Introduction ............................................... 1 2 Basic Properties of Hard X Rays ............................ 3 2.1 Free Propagation of X Rays ............................... 3 2.1.1 The Helmholtz Equation ................................. 4 2.1.2 Integral Theorem of Helmholtz and Kirchhoff ............ 6 2.1.3 Fresnel-Kirchhoff's Diffraction Formula ................ 8 2.1.4 Fresnel-Kirchhoff Propagation .......................... 11 2.2 Interaction of X Rays with Matter ........................ 13 2.2.1 Complex Index of Refraction ............................ 13 2.2.2 Attenuation ............................................ 15 2.2.3 Refraction ............................................. 18 3 The X-Ray Source ........................................... 21 3.1 Requirements ............................................. 21 3.1.1 Energy and Energy Bandwidth ............................ 21 3.1.2 Source Size and Divergence ............................. 23 3.1.3 Brilliance ............................................. 23 3.2 Synchrotron Radiation .................................... 24 3.3 Layout of a Synchrotron Radiation Facility ............... 27 3.4 Liénard-Wiechert Fields .................................. 29 3.5 Dipole Magnets ........................................... 31 3.6 Insertion Devices ........................................ 36 3.6.1 Multipole Wigglers ..................................... 36 3.6.2 Undulators ............................................. 37 4 X-Ray Optics ............................................... 39 4.1 Refractive X-Ray Lenses .................................. 40 4.2 Compound Parabolic Refractive Lenses (CRLs) .............. 41 4.3 Nanofocusing Lenses (NFLs) ............................... 43 4.4 Adiabatically Focusing Lenses (AFLs) ..................... 45 4.5 Focal Distance ........................................... 46 4.6 Transverse Focus Size .................................... 50 4.7 Beam Caustic ............................................. 52 4.8 Depth of Focus ........................................... 53 4.9 Beam Divergence .......................................... 53 4.10 Chromaticity ............................................ 54 4.11 Transmission and Cross Section .......................... 55 4.12 Transverse Coherence .................................... 56 4.12.1 Mutual Intensity Function ............................. 57 4.12.2 Free Propagation of Mutual Intensity .................. 57 4.12.3 Mutual Intensity In The Focal Plane ................... 58 4.12.4 Diffraction Limited Focus ............................. 59 4.13 Coherent Flux ........................................... 60 4.14 Two-Stage Focusing ...................................... 64 4.14.1 The Prefocusing Parameter ............................. 65 4.14.2 Required Refractive Power ............................. 67 4.14.3 Flux Considerations ................................... 70 4.14.4 Astigmatic Prefocusing ................................ 75 5 Nanoprobe Setup ............................................ 77 5.1 X-Ray Optics ............................................. 78 5.1.1 Nanofocusing Lenses .................................... 79 5.1.2 Entry Slits ............................................ 82 5.1.3 Pinhole ................................................ 82 5.1.4 Additional Shielding ................................... 83 5.1.5 Vacuum and Helium Tubes ................................ 83 5.2 Sample Stages ............................................ 84 5.2.1 High Resolution Scanner ................................ 84 5.2.2 High Precision Rotational Stage ........................ 85 5.2.3 Coarse Linear Stages ................................... 85 5.2.4 Goniometer Head ........................................ 85 5.3 Detectors ................................................ 86 5.3.1 High Resolution X-Ray Camera ........................... 86 5.3.2 Diffraction Cameras .................................... 89 5.3.3 Energy Dispersive Detectors ............................ 91 5.3.4 Photodiodes ............................................ 93 5.4 Control Software ......................................... 94 6 Experiments ................................................ 97 6.1 Lens Alignment ........................................... 97 6.2 Focus Characterization ................................... 99 6.2.1 Knife-Edge Scans ....................................... 100 6.2.2 Far-Field Measurements ................................. 102 6.2.3 X-Ray Ptychography ..................................... 103 6.3 Fluorescence Spectroscopy ................................ 105 6.3.1 Fluorescence Element Mapping ........................... 107 6.3.2 Fluorescence Tomography ................................ 110 6.4 Diffraction Experiments .................................. 111 6.4.1 Microdiffraction on Phase Change Media ................. 112 6.4.2 Microdiffraction on Stranski-Krastanow Islands ......... 113 6.4.3 Coherent X-Ray Diffraction Imaging of Gold Particles ... 115 6.4.4 X-Ray Ptychography of a Nano-Structured Microchip ...... 117 7 Conclusion and Outlook ..................................... 121 Bibliography ................................................. 125 List of Figures .............................................. 139 List of Publications ......................................... 141 Danksagung ................................................... 145 Curriculum Vitae ............................................. 149 Erklärung .................................................... 151