The transverse emittance is one of the most important quantities which characterize the quality of an electron source. For high quality experiments low beam emittance is required. By means of theoretical considerations and simulation calculations we have studied how the emittance of the Rossendorf superconducting radio-frequency photoelectron source (SRF gun) can be minimized. It turned out that neither a solenoid magnet nor the effect of space charge forces is needed to create a pronounced emittance minimum. The minimum appears by just adjusting the starting phase of the electron bunch with respect to the RF phase of the gun in a suitable way. Investigation of various correlations between the properties of the beam particles led to an explanation on how the minimum comes about. It is shown that the basic mechanism of minimization is the fact that the longitudinal properties of the particles (energy) are strongly influenced by the starting phase. Due to the coupling of the longitudinal and transverse degrees of freedom by the relativistic equation of motion the transverse degrees of freedom and thereby the emittance can be strongly influenced by the starting phase as well. The results obtained in this study will be applied to minimize the emittance in the commissioning phase of the SRF gun.

The Institute of Resource Ecology (IRE) is one of the eight institutes of the Helmholtz-Zentrum Dresden – Rossendorf (HZDR). The research activities are mainly integrated into the program “Nuclear Waste Management, Safety and Radiation Research (NUSAFE)” of the Helmholtz Association (HGF) and focused on the topics “Safety of Nuclear Waste Disposal” and “Safety Research for Nuclear Reactors”. Additionally, various activities have been started investigating chemical and environmental aspects of processing and recycling of strategic metals, namely rare earth elements. These activities are located in the HGF program “Energy Efficiency, Materials and Resources (EMR)”. Both programs, and therefore all work which is done at IRE, belong to the research sector “Energy” of the HGF. The research objectives are the protection of humans and the environment from hazards caused by pollutants resulting from technical processes that produce energy and raw materials. Treating technology and ecology as a unity is the major scientific challenge in assuring the safety of technical processes and gaining their public acceptance. We investigate the ecological risks exerted by radioactive and nonradioactive metals in the context of nuclear waste disposal, the production of energy in nuclear power plants, and in processes along the value chain of metalliferous raw materials. A common goal is to generate better understanding about the dominating processes essential for metal mobilization and immobilization on the molecular level by using advanced spectroscopic methods. This in turn enables us to assess the macroscopic phenomena, including models, codes, and data for predictive calculations, which determine the transport and distribution of contaminants in the environment.

Der Reaktordynamikcodes DYN3D wurde in der neu entwickelten Mehrgruppen-Version DYN3D-MG für die Anwendung auf wassergekühlte Reaktoren alternativ zu industriellen DWR und SWR ertüch-tigt. Es wurde die Anwendbarkeit für den graphitmoderierten Druckröhrenreaktor EGP-6 (KKW Bilibi-no), eine Konzeptstudie eines fortgeschrittenen Siedewasserreaktors mit schnellem Neutronenspekt-rum (RMWR) und das Reaktorkonzept RUTA-70 zur Wärmeversorgung nachgewiesen. Beim RUTA-Reaktor geht es vor allem um die Modellierung des Naturumlaufs des Kühlmittels bei niedrigen Sys-temdrücken. Zur Validierung wurden Experimente zu flashing-induzierten Naturumlaufinstabilitäten an der Versuchsanlage CIRCUS der TU Delft mit RELAP5 nachgerechnet. Für die Anwendung von DYN3D auf die alternativen Reaktorkonzepte wurden Modellerweiterungen und Anpassungen vorgenommen, u.a. Modifikationen in den Wärmeleitungs- und -übergangsmodellen. Vergleichsrechnungen mit dem stationären russischen Feingitter-Diffusionscode ACADEM ergänzen die Verifikationsdatenbasis von DYN3D-MG. Zur Validierung wurden zwei reak-tordynamische Experimente am Reaktor EGP-6 nachgerechnet. Für Reaktoren EGP-6, RMWR und RUTA wurden verschiedene Transienten mit Ausfahren von Re-gelstäben mit und ohne Reaktorschnellabschaltung gerechnet. Weiterhin wurden Analysen für den ATWS-Störfall \"Abschalten aller Hauptkühlmittelpumpen bei Vollleistung\" für den RUTA-Reaktor mit den gekoppelten Programmkomplexen DYN3D/ATHLET und DYN3D/RELAP5 durchgeführt. Der Reaktor geht in einen sicheren Zustand mit reduzierter Leistung bei Naturumlauf des Kühlmittels über. Die Ergebnisse von Analysen zum unkontrollierten Ausfahren einer Regelgruppe für den RMWR lassen dagegen eine belastbare Schlussfolgerung bezüglich der Beherrschbarkeit des Aus-fahrens einer Regelgruppe nicht zu. Abschließend wurde der Nutzen der Programmertüchtigung von DYN3D für die Anwendung auf GenIV -Konzepte und LWR mit hohem Konversionsfaktor bewertet.

The extensive experimental results presented in this report provide a high-quality database for air-/water flows in a vertical pipe with a nominal diameter of 200 mm. This database can be used for the development and validation of CFD-like models for two-phase flows, e.g. for bubble coalescence and fragmentation. In particular, the investigations aim on the evolution of the two-phase flow along the pipe height. Therefore, up to 18 single measurements with varying distances between the gas injection and measurement plane were realised for each of the 92 combinations of gas and water flow rates. The pressure at the position of the activated gas injection was kept constant at 0.25 MPa(a). This boundary condition has the advantage that the measured data represent exactly the evolution of the flow along the pipe, i.e. they reflect a configuration at which the gas injection is at a fixed height position, while the measurement plane varies. Important results of this test series are time averaged radial profiles of the gas fraction, and the gas velocity, as well as the time and cross-section averaged bubble size distributions. Furthermore, gas fraction data resolved regarding the bubble size and spatial distribution are presented. As in previous test series, flow patterns were analysed, whereby the classification results from the bubble size. A substantial part of these new air/water experiments were quality and plausibility checks of the measured data. In the result, a clear and consistent trend regarding their evolution with increasing distance from the position of the gas injection was found. Comparisons of the trend of time and cross section averaged gas volume fraction along the pipe height with the theoretically expected values were carried out. The influence of the orifice diameter of the gas injection on flow patterns is also discussed in the report.

Die im Rahmen dieser Versuchsserie erzielten umfangreichen experimentellen Ergebnisse bilden eine hochwertige Datenbasis für Luft-Wasser-Strömungen in einem vertikalen DN200-Rohr, die für die Entwicklung und Validierung von CFD-Modellen, beispielweise bzgl. Blasenkoaleszenz und -fragmentierung, genutzt werden können. Besonderes interessant ist die Untersuchung der Entwicklung der Zweiphasenströmung über der Rohrhöhe. Aus diesem Grund wurden für jede der 92 betrachteten Kombinationen aus Gas- und Wasser-Volumenstromdichten bis zu 18 Messungen mit variablen Abständen zwischen Gaseinspeisung und Messebene durchgeführt. Dabei wurde der Druck an der Gaseinspeisestelle konstant auf 0,25 MPa(a) gehalten. Diese Randbedingung bietet den Vorteil, dass die so gemessenen Daten die Entwicklung der Strömung über der Rohrhöhe widerspiegeln, d.h. eine Konfiguration beschreiben, bei der das Gas an einer festen Höhenposition eingespeist wird und die Messungen in verschiedenen darüberliegenden Ebenen erfolgen. Wesentliche Ergebnisse dieser Messserie sind radiale zeitgemittelte Profile für den Gasgehalt und die Gasgeschwindigkeit sowie zeit- und querschnittsgemittelte Blasengrößenverteilungen. Außerdem liegen blasengrößen- und ortsaufgelöste Gasgehaltsdaten vor. Wie bereits bei früheren Versuchsserien wurden auch in diesem Fall die Strömungsformen analysiert, wobei die Klassifizierung anhand der Blasengröße erfolgte. Ein wesentlicher Bestandteil dieser neuen Luft/Wasser-Versuche war die Qualitäts- und Plausibilitätsprüfung der Messdaten. Es konnte festgestellt werden, dass die Daten einen eindeutigen, widerspruchsfreien Trend bzgl. ihrer Entwicklung mit zunehmendem Abstand von der Gaseinspeisung aufweisen. Zur Plausibilitätsprüfung wurden Vergleiche des Gasgehaltsverlaufes über der Rohrhöhe mit theoretisch zu erwartenden Kurven durchgeführt. Zusätzlich zu diesen Ergebnissen enthält der Bericht eine Einschätzung des Einflusses des Bohrungsdurchmessers an der Gaseinspeisung auf die sich einstellende Strömung.

Die perturbative Quantenfeldtheorie ist das am weitesten entwickelte Modell, zur präzisen Analyse vieler verschiedener physikalischer Phänomene. Das Standardwerkzeug der perturbativen QFT sind Feynman-Diagramme. Bei Rechnungen bis zu einer Schleife ist aber auch der Wärmekern eine mächtige Technik. Um in der QFT, über die Störungstheorie hinauszugehen ist Symmetrie von großer Bedeutung. Insbesondere die konforme Symmetrie schränkt die Korrelatoren stark ein. In dieser Arbeit wird sie mit der Average Null Energy Condition (ANEC) kombiniert, um die Hofman-Maldacena-Schranken für die Anomaliekoeffizienten in vier Dimensionen abzuleiten. Im Folgenden untersuchen wir verschiedene Probleme der perturbativen Quantenfeldtheorie. Zunächst studieren wir die Weyl-Anomalie für einen nicht-konformen freien Skalar in einer vierdimensionalen gekrümmten Raumzeit. Wir verstehen die Definition der Anomalie diagrammatisch ohne klassische Symmetrie und wir interpretieren die bekannte Wärmekernberechnung präzise. Dann untersuchen wir Eichtheorien mit höheren Ableitungen in sechs Dimensionen. Diese sind natürliche Kandidaten, um perturbativ nicht-unitäre konforme Theorien zu konstruieren. Die Berechnung erfolgt mit der Wärmekernmethode und wir leiten den allgemeinen Ausdruck des, zuvor nicht Bekannten, relevanten Koeffizienten her. Supersymmetrie sowie das Hinzufügen des Yang-Mills-Terms werden ebenfalls berücksichtigt. Schließlich beginnen wir die Untersuchung der Implikationen der ANEC auf nicht-konforme Feldtheorien, angefangen mit dem selbst-wechselwirkenden Skalar in vier Dimensionen. Der Energiefluss eines Zustands mit einer einzelnen Feldeinfügung wird berechnet. Ausgehend von den perturbativen Euklidischen Korrelatoren im Impulsraum konstruieren wir die relevante Wightman-Funktion, um den Energiefluss auszuwerten. Die Berechnung ist kompliziert, aber wir erhalten das erwartete Ergebnis und eröffnen so die Möglichkeit, interessantere Zustände zu untersuchen. / Perturbative quantum field theory is our most developed framework to accurately analyse many physical phenomena. The standard tool is Feynman diagrams, but at one-loop the heat kernel is also a powerful technique. It is however difficult to go beyond perturbation theory, and symmetry is a key factor. In particular, conformal symmetry strongly restricts the correlators, and have been combined with the average null energy condition (ANEC) to derive the Hofman-Maldacena bounds on the anomaly coefficients in four dimensions. In this thesis we study different problems in perturbative quantum field theory. First, we study the Weyl anomaly for a non-conformal free scalar in a four-dimensional curved spacetime. We diagrammatically understand the definition of the anomaly without classical symmetry, and we precisely interpret the well-known heat kernel calculation. Then, we study higher-derivative gauge theories in six dimensions. These theories are the natural candidate to perturbatively construct non-unitary conformal theories. The calculation is done with the heat kernel method and we derive the general expression of the relevant coefficient, which was previously unknown. Supersymmetry or the addition of a Yang-Mills term are also considered. Finally, we initiate the study of the consequence of the ANEC on non-conformal field theories with the example of the self-interacting scalar in four dimensions. The energy flux of a state with a single field insertion is computed. Starting from the perturbative momentum-space Euclidean correlators, we construct the relevant Wightman function to evaluate the energy flux. The calculation is considerably complicated, but we recover the expected result, opening the possibility of studying more interesting states.

Das Standardmodell (SM) der Teilchenphysik hat sich in der Praxis als vielseitige Theorie bewährt, dennoch deuten nichtverschwindende Neutrinomassen, dunkle Materie und Baryonenasymmetrie auf Physik jenseits des SM (BSM) hin. Um also ein mit den Beobachtungen konsistentes Modell zu entwickeln, ist eine umfassendere Theorie nötig. Experimentell kann entweder in Abweichungen von den Vorhersagen des SM nach neuer Physik gesucht werden. So kann jedes BSM-Szenario getestet werden. In dieser Arbeit werden BSM-Szenarien im Quark- sowie im Leptonen-Sektor und deren phänomenologische Konsequenzen auf messbare Observablen betrachtet. Ein konkretes Beispiel in dieser Dissertation sind Neutrino massen modellierung mit der Einführung von sterilen Neutrinos. Wir untersuchen die phänomenologische Konsequenz ihrer Einführung auf verschiedenen Massenskalen im Zusammenhang mit symmetriegenerierten oder strukturlosen Neutrinomassenmodellen. Unter den geschmacksabhängigen aktivsterilen Mischungen in den durch Symmetrie erzeugten Massenmodellen finden wir deutliche Hierarchien, die als Modelldiskriminator für zukünftige Experimente dienen. Ähnlich wie beim Ausnutzen von Symmetrien im Neutrinosektor, kann man Symmetrien auch in Modellen für Quarkmassen nutzen. In dieser Arbeit werden Symmetrien behandelt, die den Cabibbo-Winkel für Quarkmischung in führender Ordnung quantisieren können. Dies führt zu einer Vielzahl möglicher Symmetrien, welche genutzt werden können um spezifische Modelle für Quarkmassen zu entwickeln. BSM-Physik indirekt mit Hilfe astrophysikalischer Neutrinos zu testen stellt eine Alternative zur direkten Detektion dar, und führt bei Betrachtung der Zusammensetzung des NeutrinoFlavours zu klaren Abweichungen von den Erwartungen. Neben der Behandlung verschiedenster BSM-Szenarien wird auch das Potenzial zukünftiger Experimente betrachtet, vor Allem im Hinblick auf deren Effektivität Physik jense. / The Standard Model (SM) of particle physics is a well-tested and predictive theory, however non-zero neutrino masses, the existence of dark matter, and the baryon asymmetry suggest physics beyond the SM. Thus, in order to have a model consistent with observations, a more complete theory is needed. Experimentally, one can search for new physics, thereby differentiate different BSM scenarios. We consider BSM scenarios in the quark and lepton sectors, and study their phenomenological consequence on measurable observables. A specific example is neutrino mass modeling with the introduction of sterile neutrinos. We study the phenomenological consequence of introducing them at different mass scales in the context of symmetry-generated or structureless neutrino mass models. We find distinct hierarchies among the flavor-dependent active-sterile mixings in the symmetry-generated mass models, which acts as a model discriminator for future experiments. Similarly as using symmetries in the neutrino sector, one can also use symmetries in quark mass models. This thesis consider symmetries capable of quantizing the Cabibbo quark mixing angle to leading order. As a result, a variety of possible symmetries are obtained, which can be used to build specific quark mass models. Probing BSM physics indirectly via astrophysical neutrinos, acts as an alternative to direct detection, and using the neutrino flavor composition as observable, BSM physics leads to clear deviations from expectation. Additional information comes from other effects, and it helps in constraining the parameter space further. Beside discussing different BSM scenarios, we illustrate the potential of future experiments, emphasizing their effectiveness to test and discriminate BSM physics.

Using a cryogenic linear 22-pole rf ion trap, rate coefficients for H/D exchange reactions of OH− with D2 (1) and OD− with H2 (2) have been measured at temperatures between 11 K and 300 K with normal hydrogen. Below 60 K, we obtained k1 = 5.5 × 10−10 cm3 s−1 for the exoergic reaction (1). Upon increasing the temperature above 60 K, the data decrease with a power law, k1(T) [similar] T−2.7, reaching ≈1 × 10−10 cm3 s−1 at 200 K. This observation is tentatively explained with a decrease of the lifetime of the intermediate complex as well as with the assumption that scrambling of the three hydrogen atoms is restricted by the topology of the potential energy surface. The rate coefficient for the endoergic reaction (2) increases with temperature from 12 K up to 300 K, following the Arrhenius equation, k2 = 7.5 × 10−11 exp(−92 K/T) cm3 s−1 over two orders of magnitude. The fitted activation energy, EA-Exp = 7.9 meV, is in perfect accordance with the endothermicity of 24.0 meV, if one accounts for the thermal population of the rotational states of both reactants. The low mean activation energy in comparison with the enthalpy change in the reaction is mainly due to the rotational energy of 14.7 meV contributed by ortho-H2 (J = 1). Nonetheless, one should not ignore the reactivity of pure para-H2 because, according to our model, it already reaches 43% of that of ortho-H2 at 100 K. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

This paper presents a homogeneous system of magnetic colloidal particles that self-assembles via two structural patterns of different symmetry. Based on a qualitative comparison between a real magnetic particles system, analytical calculations and molecular dynamics simulations, it is shown that bistability can be achieved by a proper tailoring of an anisotropic magnetization distribution inside the particles. The presented bistability opens new possibilities to form two-dimensionally extended and flexible structures where the connectivity between the particles can be changed in vivo. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Since the rediscovery of carbon nanotubes (CNTs) due to the publication of Sumio Iijima's article Helical microtubules of graphitic carbon in the magazine Nature in 1991 the interest in carbon nanotubes has rapidly increased. This bachelor thesis also deals with this popular material with the aim to functionalize CNTs for further uses in the microelectronic industry. A promising approach is the functionalization of the CNTs with metal nanoparticles or metal films. To achieve this, one can perform an atomic layer deposition (ALD) on CNTs. In the present work the Trimethylaluminum (TMA) ALD is the chosen process for the functionalization of the CNTs, which will be studied here. Since the available knowledge on the CNT-functionalization by gas phase reactions is very limited, a theoretical study of possible reaction pathways is necessary. Those studies are carried out with two modern quantumchemical programs, Turbomole and DMol³, which are described together with an introduction into Density Functional Theory, as well as an introduction of CNTs and the ALD process. A basic model of a CNT with a Single Vacancy defect, which had been selected according to the demands of the studies, is introduced. Because the TMA ALD process requires hydroxyl groups as its starting point, not only is the performance of a TMA ALD cycle on a CNT studied, but also reactions which result in the CNTs owning of hydroxyl groups. Consequently, this bachelor thesis will focus on two di erent aspects: The performance of one TMA ALD cycle and the study of possible educts for the TMA ALD process. This study of the educts includes possible structures which can be formed when a CNT comes into contact with air.