Within the framework of an Institutional Partnership of the Alexander von Humboldt Foundation, the Budker Institute of Nuclear Physics Novisibirsk (BINP) and Forschungszentrum Dresden-Rossendorf worked together in a joint project devoted to the research at the coupled GDT-SHIP facility of the BINP with the focus on the study of plasma phenomena within the SHIP mirror section. The project began at July 1st, 2005 and ended on August 30th, 2008. It included work packages of significant theoretical, computational and analyzing investigations. The focus of this final report is on the presentation of results achieved whereas the work that was done is described briefly only. Chapter 2 illustrates the GDT-SHIP facility and describes shortly the planned topics of the SHIP plasma research. Chapter 3 explains the main extensions and modifications of the Integrated Transport Code System (ITCS) which were necessary for the calculations of the fast ion and neutral gas particle fields in SHIP, describes briefly the scheme of computations and presents significant results of pre-calculations from which conclusions were drawn regarding the experimental program of SHIP. In chapter 4, the theoretical and computational investigations of self-organizing processes in two-component plasmas of the GDT-SHIP device are explained and the results hitherto achieved are presented. In chapter 5, significant results of several experiments with moderate and with enhanced plasma parameters are presented and compared with computational results obtained with the ITCS. Preparing neutron measurements which are planned for neutron producing experiments with deuterium injection, Monte Carlo neutron transport calculations with the MCNP code were also carried out. The results are presented. Finally, from the results obtained within the joint research project important conclusions are drawn in chapter 6.

In this thesis we investigate experimentally certain aspects of the interaction of terahertz (THz) radiation with intersubband transitions and excitonic transitions in semiconductor quantum wells. The first part deals with a more fundamental view on an intersubband transition in a symmetric, undoped GaAs/AlGaAs multiple quantum well. After optical excitation of carriers, the considered electronic conduction intersubband transition is probed in the low-intensity linear regime using broadband THz pulses. These pulses are detected via field-resolved electro-optic sampling. While the sample’s terahertz absorption shows the expected single peak of the resonant intersubband transition, the differential transmission spectra, i.e. the photoexcitation-induced changes in transmission, display strong Fano signatures. On the basis of a microscopic theory, we show that they originate from a phase sensitive superposition of THz current and ponderomotive current. The latter one results from the wiggling motion of carriers induced by the accelerating THz field. Our findings demonstrate for the first time that the ponderomotive contribution has to be taken into account also at the lowest THz intensities. The following issues consider the interaction with THz pulses of higher intensity from the free-electron laser (FEL) of the Forschungszentrum Dresden-Rossendorf. In one experiment we investigate efficient second order sideband generation in the GaAs/AlGaAs multiple quantum well mentioned above. To this end a near-infrared laser tuned to excitonic interband transitions is mixed inside the sample with the inplane polarized FEL beam to create the sum- and difference-frequencies between them. We compare the sideband efficiencies for the THz beam tuned to the interexcitonic heavy-hole light-hole transition and to the intraexcitonic heavy-hole 1s-2p transition. In the latter case we achieve a ten times higher n=+2 low-temperature efficiency around 0.1%. This value is comparable to previous studies in the literature, but our approach involves different transitions in a much simpler geometry. At room temperature the efficiency drops only by a factor of 7 for low THz powers. The last part of this thesis addresses another fundamental quantum-mechanical phenomenon: the splitting of an absorption line in a strong THz field. In the same abovementioned quantum well sample the FEL wavelength is tuned near the intraexcitonic 1s-2p heavy-hole transition. The THz radiation induces a power-dependent splitting of the heavy-hole 1s exciton absorption line which manifests itself in the transmitted spectrum of a broadband near-infrared probe beam. The FEL-wavelength-dependent strength of this so-called Autler-Townes splitting is discussed on the basis of a simple two-level model.

Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen einer Kooperation des Forschungszentrums Dresden-Rossendorf mit Qimonda Dresden GmbH & Co. OHG. Mithilfe der hochauflösenden Rutherford-Streuspektrometrie (HR-RBS) wurden das Diffusionsverhalten und Schichtwachstum von ZrO2 auf SiO2 und TiN im Anfangsstadium untersucht. Auf Grund der exzellenten Tiefenauflösung von 0,3 nm an der Oberfläche stand die Analyse von Konzentrationsprofilen in ultradünnen Schichten, respektive an deren Grenzflächen im Vordergrund. Zur qualitativen Verbesserung der Messergebnisse wurde erstmals ein zweidimensionaler positionsempfindlicher Halbleiterdetektor in den Aufbau der HR-RBS implementiert und charakterisiert. Außerdem wurde ein Messverfahren in Betrieb genommen, das mögliche Schädigungen durch den Ioneneintrag in die Messprobe minimiert. Durch die Optimierung der experimentellen Bedingungen und die Entwicklung eines Programmpaketes zur Unterstützung des Analysten konnte ein effizienter Routine-Messablauf erstellt werden. Im Moment einer binären Kollision zwischen einfallendem Ion und Targetelement kommt es bei kleinem Stoßparameter zu Veränderungen des Ladungszustands der gestreuten Ionen, insbesondere durch die abrupte Geschwindigkeitsänderung des Projektils und der Überlappung der Elektronenwolken. Bei der HR-RBS mit Energie separierendem Dipolmagneten muss zur Interpretation von Streuspektren die Ladungszustandsverteilung der gestreuten Projektile bekannt sein. Erstmalig konnte eine signifikante Abhängigkeit der Ladungszustandsverteilung gestreuter C-Ionen sowohl von der Schichtdicke als auch der Ordnungszahl des detektierten Targetelements, hier der vierten Nebengruppe, nachgewiesen werden. Diese gewonnen Erkenntnisse ermöglichten systematische Untersuchungen zum ZrO2-Schichtwachstum im Anfangsstadium. Zur Herstellung der ZrO2-Schichten wurde die Atomlagenabscheidung (ALD) verwendet. Anhand der nachgewiesenen Agglomeration von ZrO2 auf nativen SiO2 wurde mithilfe der Rasterkraftmikroskopie (AFM) zur Bestimmung von Oberflächenrauigkeiten eine Methode konzipiert, welche die Auswirkung lokaler Schichtdickeninhomogenitäten auf die niederenergetische Flanke eines Streuspektrums berücksichtigt. Auf dieser Grundlage durchgeführte Simulationsrechnungen ergeben, dass keine Diffusion von Zr in die darunter liegende Schicht stattfand, jedoch eine ZrSiO4-Grenzflächenschicht existiert. Für das Wachstum von ZrO2 auf TiN wird aus den hoch aufgelösten Streuspektren ein völlig anderes Verhalten abgeleitet. Messungen zu Oberflächentopografien der TiN-Schicht liefern nicht zu vernachlässigende Werte für die Rauigkeit. Um den Einfluss der Oberflächenrauigkeit auf die Form des hoch aufgelösten Spektrums erfassen zu können, wurde eine Software entwickelt. Auf Basis von AFM-Messungen ermöglicht dieses Programm das Extrahieren einer Energieverteilung aus den Weglängen von ausschließlich an der Oberfläche gestreuten Ionen. Unter Berücksichtigung des Effekts der Oberflächenrauigkeit auf die HR-RBS Spektrenform konnte die Diffusion von Zr in das polykristalline TiN erstmals verifiziert werden. Die Beobachtungen weisen daraufhin, dass bereits nach dem ersten ALD-Zyklus ein geringer Anteil der deponierten Zr-Atome bis in eine Tiefe von etwa 3 nm in das TiN diffundiert. Die vorläufigen Ergebnisse legen Korngrenzendiffusion nahe.

In dieser Arbeit wurde ein Sensorkonzept mit Hilfe der Si-basierten Lichtemitter (MOSLED) zum Östrogennachweis in wässrigen Lösungen entwickelt. Das Sensorkonzept basiert auf einer direkten Fluoreszenzanalyse und besteht aus der Anordnung der Bio-Komponenten und dem Verfahren zu ihrer Herstellung sowie dem eigentlichen Meßverfahren. Die Anordnung besteht aus drei Teilen: die Funktionalisierung der MOSLED-Oberfläche, die Immobilisierung des hER -Rezeptors und die Herstellung der Referenzlösung. Den Schwerpunkt dieser Arbeit bildet die Ausführung dieser drei Teile. Die Funktionalisierung der SiO2-Oberfläche der MOSLED wurde mit Hilfe eines im Rahmen dieser Arbeit entwickelten SSC (Spraying Spin Coating)- Verfahrens realisiert. Die Ausgangsmaterialien dieses Verfahrens sind organofunktionelle Silangruppen mit drei unterschiedlichen funktionellen Gruppen, nämlich die Amino-, Carboxyl- und die Thiolgruppen. Die Optimierung dieser Methode erfolgte mittels der zwei Silangruppen APMS ((3- Aminopropyl)trimethoxysilane und Triamino-APMS (N-[3-(Trimethoxysilyl)propyl]ethylenediamine mit der gleichen Molekülstruktur, aber mit einer unterschiedlichen Anzahl an funktionellen Gruppen. Diese Resultate wurden mit in der Literatur beschriebenen Verfahren verglichen. Die Optimierung der SSC-Methode wurde zuerst auf einfache SiO2-Oberflächen und dann auf der Oberfläche der MOSLED angewendet. Die Proben wurden mit Hilfe üblicher Methoden der Oberflächenphysik- wie FTIR-, Raman- und XPS-Spektroskopie untersucht.Die Oberflächenrauhigkeit wurde mittels AFM-Spektroskopie ermittelt, deren Aufnahmen eine glatte Oberfläche bei den mit der SSC-Methode silanisierten Proben zeigen. Während die Hydrophobizität der funktionalisierten SiO2-Oberflächen zunimmt, sinkt dabei die Oberflächenenergie, welche die Anbindung eines hER -Rezeptors mit großer Bindungsenergie begünstigt. Zur Immobilisierung des hER -Rezeptors wurde dieser erst an das Hüllenmolekül des QDots R-655-Farbstoffs gebunden und anschließend an der SSC-silanisierten SiO2-Oberflächen adsorbiert. Der Anteil der immobilisierten Rezeptoren wurde mittels PL-Messung kontrolliert. Eine andere Immobilisierungstrategie des hER -Rezeptors an die SiO2-Oberfläche kann mit Hilfe eines Aminosäure-Derivates um den Rezeptor realisiert werden. Eine Adsorption der Lysinaminosäure an die SSC-APMS silanisierten SiO2- Oberflächen als Funktion des pH-Wertes wurde durchgeführt, und der Adsorbatsanteil des Lysins mittels XPS-Messung durch die Bindungsenergien der Energieniveaus C1s und N1s berechnet. Eine Referenzlösung mit QDots R 800-Farbstoff markierten Östrogenmolekülen kommt zum Einsatz. Dabei wird die Position 17 des β-Estradiolmoleküls, welches mit einem N-Hydroxysuccinimide Derivat versehen ist, an das Hüllenmolekül des QDots R 800-Farbstoff gebunden,sodass der Phenolring des β-Estradiols frei bleibt. Insbesondere ist bei den FTIR-Spektren eine nichtgebunden OH-Gruppe des β-Estradiolmoleküls gut erkennbar. Das gesamte Sensorkonzept wurde an zwei mit Östrogen mit einer Konzentration von 1mM und 1μM versetzten Wasserproben getestet. Die Anordnung der Bio-Komponenten wurde mittels PL nachgewiesen. Der Östrogennachweis wurde mit Hilfe des Ge- und Tb-basierten Lichtemitters demonstriert.

The Institute of Safety Research (ISR) is one of the six Research Institutes of Forschungszentrum Dresden-Rossendorf e.V. (FZD), which is a member institution of the Wissenschaftsgemeinschaft Gottfried Wilhelm Leibniz (Leibnizgemeinschaft). Together with the Institutes of Radiochemistry and Radiation Physics, ISR implements the research programme „Nuclear Safety Research“, which is one of the three scientific programmes of FZD. The programme includes two main topics, i. e. “Safety Research for Radioactive Waste Disposal” and “Safety Research for Nuclear Reactors”.

In computed tomography (CT) cross-sectional images of the attenuation distribution within a slice are created by scanning radiographic projections of an object with a rotating X-ray source detector compound and subsequent reconstruction of the images from these projection data on a computer. CT can be made very fast by employing a scanned electron beam instead of a mechanically moving X-ray source. Now this principle was extended towards high-energy electron beam tomography with an electrostatic accelerator. Therefore a dedicated experimental campaign was planned and carried out at the Budker Insitute of Nuclear Physics (BINP), Novosibirsk. There we investigated the capabilities of BINP’s accelerators as an electron beam generating and scanning unit of a potential high-energy electron beam tomography device. The setup based on a 1 MeV ELV-6 (BINP) electron accelerator and a single detector. Besides tomographic measurements with different phantoms, further experiments were carried out concerning the focal spot size and repeat accuracy of the electron beam as well as the detector’s response time and signal to noise ratio.

Im Rahmen der Arbeit wurden Experimente aus den Jahren 2008/09 für die Kerne 86Kr und 136Ba analysiert. Zur Auswertung mussten neben Photonenfluss- und Effizienzbestimmung auch Simulationen durchgeführt werden, welche die experimentellen Bedingungen widerspiegeln. Nicht am Kern gestreute Ereignisse und Detektorantwortfunktionen wurden mit Hilfe des Programmpaketes GEANT4 simuliert, um in den gemessenen Daten berücksichtigt zu werden. Daraus zeigt sich, dass neben diskreten Energiezuständen auch ein beachtlicher Teil des ermittelten Anregungsquerschnitts in einer Art Quasikontinuum aus unauflösbaren Peaks liegt. Die ermittelten Wirkungsquerschnitte werden mit Hilfe eines statistischen Ansatzes auf Verzweigung in mögliche Zerfallskanäle und auf Fütterung durch Zustände höherer Energie korrigiert.

Eine der wichtigsten nuklearen Prozesse stellt der Neutroneneinfang dar. In der kosmischen Nukleosynthese (s-Prozess) schwerer Elemente werden Kerne mit Massenzahlen größer als die von Eisen (A = 56) produziert, welche durch Kernfusion nicht produziert werden können. Dabei fängt ein Kern ein Neutron ein, wird durch die frei werdende Bindungsenergie angeregt und kann sich anschließend unter Aussenden von Photonen (Gamma-Quanten) wieder abregen. Aus der Abregung über Gammastrahlung können Rückschlüsse auf die Struktur des aktivierten Nuklids gezogen werden. Im Rahmen dieser Arbeit werden die ausgesendeten Photonen des angeregten Elements 78Se, welches durch Neutroneneinfang an 77Se am Reaktor des Instituts Laue-Langevin in Grenoble, Frankreich produziert wurde, näher untersucht. Dazu mussten zunächst Effi zienzkalibrierung und Addback-Korrekturen vorgenommen werden. Im Anschluss konnten mit Hilfe des EXILL-Multidetektoraufbaus Koinzidenzbeziehungen mehrerer aufeinander folgender Photonen untersucht und in einem Niveauschema zusammengefasst werden. Mit Hilfe der Winkelverteilung konnten diversen Zuständen Spins zugeordnet werden. Des Weiteren wurden die Ergebnisse einer Simulation von Gammakaskaden (DEX) und eines Photonenstreuungsexperiments am Elektronenbeschleuniger ELBE des HZDR mit den in Grenoble aufgenommenen experimentellen Daten verglichen.

Ion beam therapy (IBT) is a promising treatment option in radiotherapy. The characteristic physical and biological properties of light ion beams allow for the delivery of highly tumour conformal dose distributions. Related to the sparing of surrounding healthy tissue and nearby organs at risk, it is feasible to escalate the dose in the tumour volume to reach higher tumour control and survival rates. Remarkable clinical outcome was achieved with IBT for radio-resistant, deep-seated, static and well fixated tumour entities. Presumably, more patients could benefit from the advantages of IBT if it would be available for more frequent tumour sites. Those located in the thorax and upper abdominal region are commonly subjected to intra-fractional, respiration related motion. Different motion compensated dose delivery techniques have been developed for active field shaping with scanned pencil beams and are at least available under experimental conditions at the GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt, Germany. High standards for quality assurance are required in IBT to ensure a safe and precise dose application. Both underdosage in the tumour and overdosage in the normal tissue might endanger the treatment success. Since minor unexpected anatomical changes e.g. related to patient mispositioning, tumour shrinkage or tissue swelling could already lead to remarkable deviations between planned and delivered dose distribution, a valuable dose monitoring system is desired for IBT. So far, positron emission tomography (PET) is the only in vivo, in situ and non-invasive qualitative dose monitoring method applied under clinical conditions. It makes use of the tissue autoactivation by nuclear fragmentation reactions occurring along the beam path. Among others, +-emitting nuclides are generated and decay according to their half-life under the emission of a positron. The subsequent positron-electron annihilation creates two 511 keV photons which are emitted in opposite direction and can be detected as coincidence event by a dedicated PET scanner. The induced three-dimensional (3D) +- activity distribution in the patient can be reconstructed from the measured coincidences. Conclusions about the delivered dose distribution can be drawn indirectly from a comparison between two +-activity distributions: the measured one and an expected one generated by a Monte-Carlo simulation. This workflow has been proven to be valuable for the dose monitoring in IBT when it was applied for about 440 patients, mainly suffering from deep-seated head and neck tumours that have been treated with 12C ions at GSI. In the presence of intra-fractional target motion, the conventional 3D PET data processing will result in an inaccurate representation of the +-activity distribution in the patient. Fourdimensional, time-resolved (4D) reconstruction algorithms adapted to the special geometry of in-beam PET scanners allow to compensate for the motion related blurring artefacts. Within this thesis, a 4D maximum likelihood expectation maximization (MLEM) reconstruction algorithm has been implemented for the double-head scanner Bastei installed at GSI. The proper functionality of the algorithm and its superior performance in terms of suppressing motion related blurring artefacts compared to an already applied co-registration approach has been demonstrated by a comparative simulation study and by dedicated measurements with moving radioactive sources and irradiated targets. Dedicated phantoms mainly made up of polymethyl methacrylate (PMMA) and a motion table for regular one-dimensional (1D) motion patterns have been designed and manufactured for the experiments. Furthermore, the general applicability of the 4D MLEM algorithm for more complex motion patterns has been demonstrated by the successful reduction of motion artefacts from a measurement with rotating (two-dimensional moving) radioactive sources. For 1D cos2 and cos4 motion, it has been clearly illustrated by systematic point source measurements that the motion influence can be better compensated with the same number of motion phases if amplitudesorted instead of time-sorted phases are utilized. In any case, with an appropriate parameter selection to obtain a mean residual motion per phase of about half of the size of a PET crystal size, acceptable results have been achieved. Additionally, it has been validated that the 4D MLEM algorithm allows to reliably access the relevant parameters (particle range and lateral field position and gradients) for a dose verification in intra-fractionally moving targets even from the intrinsically low counting statistics of IBT-PET data. To evaluate the measured +-activity distribution, it should be compared to a simulated one that is expected from the moving target irradiation. Thus, a 4D version of the simulation software is required. It has to emulate the generation of +-emitters under consideration of the intra-fractional motion, their decay at motion state dependent coordinates and to create listmode data streams from the simulated coincidences. Such a revised and extended version that has been compiled for the special geometry of the Bastei PET scanner is presented within this thesis. The therapy control system provides information about the exact progress of the motion compensated dose delivery. This information and the intra-fractional target motion needs to be taken into account for simulating realistic +-activity distributions. A dedicated preclinical phantom simulation study has been performed to demonstrate the correct functionality of the 4D simulation program and the necessity of the additional, motionrelated input parameters. Different to the data evaluation for static targets, additional effort is required to avoid a potential misleading interpretation of the 4D measured and simulated +-activity distributions in the presence of deficient motion mitigation or data processing. It is presented that in the presence of treatment errors the results from the simulation might be in accordance to the measurement although the planned and delivered dose distribution are different. In contrast to that, deviations may occur between both distributions which are not related to anatomical changes but to deficient 4D data processing. Recommendations are given in this thesis to optimize the 4D IBT-PET workflow and to prevent the observer from a mis-interpretation of the dose monitoring data. In summary, the thesis contributes on a large scale to a potential future application of the IBT-PET monitoring for intra-fractionally moving target volumes by providing the required reconstruction and simulation algorithms. Systematic examinations with more realistic, multi-directional and irregular motion patterns are required for further improvements. For a final rating of the expectable benefit from a 4D IBT-PET dose monitoring, future investigations should include real treatment plans, breathing curves and 4D patient CT images.

The year 2013 was the third year of HZDR as a member of the Helmholtz Association (HGF), and we have made progress of integrating ourselves into this research environment of national Research centers. In particular, we were preparing for the evaluation in the framework of the so-called program oriented funding (POF), which will hopefully provide us with a stable funding for the next five years (2015 – 2019). In particular, last fall we have submitted a large proposal in collaboration with several other research centers. The actual evaluation will take place this spring. Most of our activities are assigned to the program “From Matter to Materials and Life” (within the research area “Matter”). A large fraction of this program is related to the operation of large-scale research infrastructures (or user facilities), one of which is our Ion Beam Center (IBC). The second large part of our research is labelled “in-house research”, reflecting the work driven through our researchers without external users, but still mostly utilizing our large-scale facilities such as the IBC, and, to a lesser extent, the free-electron laser. Our in-house research is performed in three so-called research themes, as depicted in the schematic below. What is missing there for simplicity is a small part of our activities in the program “Nuclear Waste Management and Safety” (within the research area “Energy”).