Techn. Universiẗat, Diss., 2003--Dresden.

Der zukünftige Linearbeschleuniger (International Linear Collider - ILC) wird für die Teilchenforschung im Energiebereich bis zu einem Tera-Elektronenvolt (TeV scale) entwickelt. In dieser Arbeit wird der Entwurf des inneren Vorwärtsbereichs (Very Forward Region) eines Detektors füur diesen Beschleuniger beschrieben. Das Beam-Kalorimeter - eines der zwei elektromagnetischen Kalorimeter, die hier angeordnet sind - ist Gegenstand dieser Arbeit. Das Beam-Kalorimeter muss eine gute Hermetizität für hochenergetische Elektronen, Positronen und Photonen bis hinab zu sehr kleinen Polarwinkeln gewährleisten. Es dient für die schnelle Strahldiagnose und als Abschirmung des inneren Detektors gegen rückgestreute Beamstrahlungsreste und Synchrotronstrahlung. Als eine mögliche Technologie für das Beam-Kalorimeter wird eine Sandwich-Anordnung aus Diamantsensoren und Wolfram- Absorberplatten betrachtet. Es werden detaillierte Simulationen einer solchen Anordnung durchgeführt. Die Nachweiseffektivität und die Energie- sowie Winkelauflösung für elektromagnetische Schauer werden untersucht. Im Ergebnis der Simulationsrechnungen wird nachgewiesen, dass die vorgeschlagene Anordnung die Anforderungen an ein Beam-Kalorimeter erfüullt. Zusätzlich werden Untersuchungen an polykristallinem Diamantmaterial, hergestellt mittels Abscheidung aus der Dampfphase (Chemical Vapour Deposition - CVD), durchgeführt, um dessen Eigenschaften als Sensormaterial für ein Beam-Kalorimeter zu ermitteln. Die Ergebnisse der Messungen von Mustern verschiedener Hersteller werden dargestellt diskutiert. / The International Linear Collider (ILC) is being designed to explore particle physics at the TeV scale. The design of the Very Forward Region of the ILC detector is considered in the presented work. The Beam Calorimeter - one of two electromagnetic calorimeters situated there - is the subject of this thesis. The Beam Calorimeter has to provide a good hermeticity for high energy electrons, positrons and photons down to very low polar angles, serve for fast beam diagnostics and shield the inner part of the detector from backscattered beamstrahlung remnants and synchrotron radiation. As a possible technology for the Beam Calorimeter a diamond-tungsten sandwich calorimeter is considered. Detailed simulation studies are done in order to explore the suitability of the considered design for the Beam Calorimeter objectives. Detection efficiency, energy and angular resolution for electromagnetic showers are studied. At the simulation level the diamond-tungsten design is shown to match the requirements on the Beam Calorimeter performance. Studies of polycrystalline chemical vapour deposition (pCVD) diamond as a sensor material for the Beam Calorimeter are done to explore the properties of the material. Results of the measurements performed with pCVD diamond samples produced by different manufacturers are presented.

Aus der Einleitung: "Das selektive Elektronenstrahlschmelzen (engl. Electron Beam Melting (EBM®)) ist ein pulverbettbasiertes additives Fertigungsverfahren, mit dessen Hilfe metallische Bauteile schichtweise hergestellt werden können. Der schematische Aufbau einer entsprechenden Anlage ist in Abbildung 4 dargestellt. Dabei erfolgt die Strahlerzeugung im Bereich 1 (die Kathode besteht entweder aus Wolfram oder bei den neuesten Systemen aus einkristallinem LaB6). Die Strahlablenkung durch ein elektromagnetisches Linsensystem erfolgt im Bereich 2. Der Bereich 3 ist die eigentliche Baukammer, in der sich unter anderem die Vorratsbehälter für das Pulver, das Rakelsystem sowie die Komponenten des Bauraums (Käfig mit Hitzeschild, Bauplattform mit Startplatte) befinden. ..."

Vor allem in gasisolierten Schaltanlagen und Leitungen werden zylindrische Leiter aus Aluminium mit großen Durchmessern für den Energietransport eingesetzt. Um die Leiter mit anderen Bauteilen zu verbinden, werden i. d. R. lösbare Steckverbindungen mit federnden Kontaktelementen genutzt. Es ist zu prüfen, ob die Steckverbindungen in vielen Fällen durch nicht lösbare stromführende Verbindungen ersetzt werden können. Dadurch soll vorrangig die Kosten- aber auch die Energieeffizienz sowie die Zuverlässigkeit der gasisolierten Anlagen erhöht werden. Betriebserfahrungen lagen für diese Verbindungen bisher nicht vor. Deshalb ist zuerst sicherzustellen, dass diese, über die Lebenszeit der Anlagen von mehreren Jahrzehnten Dauerströme im Kiloampere-Bereich langzeitstabil führen können. Um nicht lösbare stromführende Verbindungen mit zylindrischen Leitern aus Aluminium herzustellen, können verschiedene Fügetechnologien eingesetzt werden. Im Rahmen der Arbeit werden das Längs- und Querpressen sowie das elektromagnetische Umformen zum Herstellen nicht lösbarer Verbindungen betrachtet. Das elektrische Kontakt- und Langzeitverhalten, der mit diesen Fügetechnologien hergestellten Verbindungen, wurde bisher nur unzureichend untersucht. Es wurde daher das elektrische Kontaktverhalten der zylindrischen Verbindungen abhängig von verschiedenen Fügeparametern experimentell ermittelt. Aus den Ergebnissen wurden Empfehlungen zur Vorbehandlung und zum Fügevorgang beim Längs- und Querpressen sowie zur Form der Innenteile beim elektromagnetischen Umformen erarbeitet. Mit mechanischen Modellen auf Basis der Finite-Elemente-Methode wurde der Fügevorgang beim Längs- und Querpressen nachgebildet. Ein Zusammenhang zwischen dem Kraftschluss in den Verbindungen und dem ermittelten Kontaktverhalten der Verbindungen konnte damit hergestellt werden. Um das elektrische Langzeitverhalten der Verbindungen zu bewerten, wurden diese bei thermischer und elektrisch-thermischer Belastung unter normaler Atmosphäre für eine Zeit von mindestens 20.000 h untersucht. Dabei zeigten die Verbindungen mit unbeschichteten Kontaktpartnern, im Gegensatz zu Verbindungen mit einem silberbeschichteten und einem unbeschichteten Kontaktpartner, ein sehr stabiles Langzeitverhalten. Die sehr große scheinbare Kontaktfläche und die relativ geringe mittlere mechanische Spannung sind für die untersuchten zylindrischen Verbindungen charakteristisch. Mit dem Kontaktwiderstandsbelag wurde ein elektrisches Vergleichs- und Bewertungskriterium für kraftschlüssige Flächenkontakte eingeführt. Es konnte gezeigt werden, dass das Kontaktverhalten quergepresster Verbindungen mit dem von Stromschienen mit deutlich kleinerer Kontaktfläche bei homogener Verteilung der Kontaktkraft vergleichbar und somit skalierbar ist.:1 Einleitung 2 Theorie zum stromführenden Verbinden von zylindrischen Leitern 2.1 Lösbares Verbinden 2.2 Nicht lösbares Verbinden 2.3 Kontakt- und Langzeitverhalten 3 Fügetechnologien für zylindrische Leiter 3.1 Pressen 3.1.1 Längspressen 3.1.2 Querpressen 3.1.3 Auslegen von längs- und quergepressten Verbindungen nach DIN 7190-1 3.2 Elektromagnetisches Umformen 4 Aufgabenstellung 5 Elektrisches Kontaktverhalten von Verbindungen mit zylindrischen Leitern 5.1 Vorbetrachtungen 5.1.1 Messen der Kontakt- und Verbindungswiderstände 5.1.2 Genauigkeit der Widerstandsmessung mit dem Mikroohmmeter 5.2 Fügen der Verbindungen 5.2.1 Längspressen 5.2.2 Querpressen 5.2.3 Elektromagnetisches Umformen 5.3 Experimentelle Untersuchungen 5.3.1 Einfluss der Vorbehandlung beim Längs- und Querpressen auf den Widerstand 5.3.2 Anfangswert des Widerstands nach dem Fügen 5.3.3 Charakterisieren der Eigenschaften der Kontaktflächen 5.4 Berechnen des Fügevorgangs von längs- und quergepressten Verbindungen 5.4.1 FE-Modell der Fügeprozesse 5.4.2 Materialmodell und Materialverhalten der eingesetzten Leiterwerkstoffe 5.4.3 Qualitatives Verifizieren der FEM-Berechnungen 5.4.4 Kontaktkraft und mechanische Spannung in der Kontaktfläche 5.5 Metallographische Untersuchungen 6 Langzeitverhalten von Verbindungen mit zylindrischen Leitern 6.1 Versuche im Wärmeschrank 6.1.1 Versuchsaufbau und -durchführung 6.1.2 Versuchsergebnisse 6.2 Versuche bei Belastung mit Wechselstrom 6.2.1 Versuchsaufbau und -durchführung 6.2.2 Versuchsergebnisse 6.3 Zusammenfassung der Untersuchungen zum Kontakt- und Langzeitverhalten von Verbindungen mit zylindrischen Leitern 7 Verbindungen mit zylindrischen Leitern im Vergleich zu anderen Flächenkontakten 7.1 Bestimmen eines Bewertungs- und Vergleichskriteriums 7.2 Einfluss der erhöhten mechanischen Spannungen im Randbereich auf das elektrische Kontaktverhalten zylindrischer Verbindungen 7.3 Versuche bei flächiger Krafteinwirkung 8 Zusammenfassung und Ausblick 9 Literaturverzeichnis 10 Bildverzeichnis 11 Tabellenverzeichnis Anhang / Especially in Gas Insulated Switchgears and Gas Insulated Lines (GIS/GIL), cylindrical aluminum conductors with huge diameters are used for transportation of energy. To connect the conductors with other parts of the system, separable connections with contact elements are the common and most used solution. In many cases, the separable connections can be replaced with permanent connections in order to reduce costs as well as operating power losses and to increase the reliability. Until now, there had been no data of operating experience for these connections. Therefore a stable long-term behavior of the connections during the projected lifetime of the assets needs to be ensured. Different joining technologies can be used to set up these permanent electrical connections with cylindrical aluminum conductors. This work focuses on the press- and shrink-fit technology as well as the electromagnetic forming. Until now the electrical contact- and long-term behavior of connections joined through these technologies had not yet been sufficiently investigated. Therefore, the electrical contact behavior of the cylindrical connections was determined experimentally regarding different joining parameters. From these results, recommendations for the pretreatment and the joining processes when using press- and shrink-fit technologies as well as suggestions regarding the shape of the inserts when using electromagnetic forming were derived. Mechanical models based on the finite element method were used to calculate the joining processes of the press- and shrink-fit technologies. Through these models, a relation between the contact force and the contact behavior of the connections could be established. To evaluate the electrical long-term behavior, the connections were investigated under thermal- and electrical-thermal load for a minimum of 20,000 h within normal atmosphere. As a result, the connections with uncoated contact partners showed very stable long-term behavior compared to those connections with one silver-plated and one uncoated contact partner. Typical for the investigated cylindrical connections are the very large apparent contact area and the comparatively low average mechanical stress. The resistance of contact layer was established as an electrical criteria to compare and evaluate force closure based connections. It could be shown that the contact behavior of shrink-fit connections is comparable to that of joints with busbars, loaded with a homogenous distributed contact force, which have much smaller contact areas. The contact behavior is therefore scalable.:1 Einleitung 2 Theorie zum stromführenden Verbinden von zylindrischen Leitern 2.1 Lösbares Verbinden 2.2 Nicht lösbares Verbinden 2.3 Kontakt- und Langzeitverhalten 3 Fügetechnologien für zylindrische Leiter 3.1 Pressen 3.1.1 Längspressen 3.1.2 Querpressen 3.1.3 Auslegen von längs- und quergepressten Verbindungen nach DIN 7190-1 3.2 Elektromagnetisches Umformen 4 Aufgabenstellung 5 Elektrisches Kontaktverhalten von Verbindungen mit zylindrischen Leitern 5.1 Vorbetrachtungen 5.1.1 Messen der Kontakt- und Verbindungswiderstände 5.1.2 Genauigkeit der Widerstandsmessung mit dem Mikroohmmeter 5.2 Fügen der Verbindungen 5.2.1 Längspressen 5.2.2 Querpressen 5.2.3 Elektromagnetisches Umformen 5.3 Experimentelle Untersuchungen 5.3.1 Einfluss der Vorbehandlung beim Längs- und Querpressen auf den Widerstand 5.3.2 Anfangswert des Widerstands nach dem Fügen 5.3.3 Charakterisieren der Eigenschaften der Kontaktflächen 5.4 Berechnen des Fügevorgangs von längs- und quergepressten Verbindungen 5.4.1 FE-Modell der Fügeprozesse 5.4.2 Materialmodell und Materialverhalten der eingesetzten Leiterwerkstoffe 5.4.3 Qualitatives Verifizieren der FEM-Berechnungen 5.4.4 Kontaktkraft und mechanische Spannung in der Kontaktfläche 5.5 Metallographische Untersuchungen 6 Langzeitverhalten von Verbindungen mit zylindrischen Leitern 6.1 Versuche im Wärmeschrank 6.1.1 Versuchsaufbau und -durchführung 6.1.2 Versuchsergebnisse 6.2 Versuche bei Belastung mit Wechselstrom 6.2.1 Versuchsaufbau und -durchführung 6.2.2 Versuchsergebnisse 6.3 Zusammenfassung der Untersuchungen zum Kontakt- und Langzeitverhalten von Verbindungen mit zylindrischen Leitern 7 Verbindungen mit zylindrischen Leitern im Vergleich zu anderen Flächenkontakten 7.1 Bestimmen eines Bewertungs- und Vergleichskriteriums 7.2 Einfluss der erhöhten mechanischen Spannungen im Randbereich auf das elektrische Kontaktverhalten zylindrischer Verbindungen 7.3 Versuche bei flächiger Krafteinwirkung 8 Zusammenfassung und Ausblick 9 Literaturverzeichnis 10 Bildverzeichnis 11 Tabellenverzeichnis Anhang

Für das CsI(Tl)-Kalorimeter des Babar-Detektors wurde ein Verfahren zur Kalibration entwickelt und implementiert. Es ist in der Lage, für alle 6580 Kristalle absolute Kalibrationskonstanten zu bestimmen und die zeitliche Änderung der Kristalleigenschaften zu monitorieren. Der Algorithmus basiert auf dem Vergleich von gemessener Energie und erwarteter deponierter Energie von Teilchen aus Ereignissen der Bhabha-Streuung. Die gemessene Energie wird aus einem Cluster von getroffenen Kristallen bestimmt, wobei die Kalibrierung der Einzelkristallenergien durch Multiplikation mit einer Kalibrationskonstante c erfolgt. Die erwartete Energie wird aus einer Monte-Carlo-Simulation extrahiert. Die Minimierung eines chi^2-Terms - in dem erwartete und gemessene Cluster-Energien verglichen werden - bezüglich der Kalibrationskonstanten c, führt zu einem linearen Gleichungssystem mit einer 6580*6580 Matrix, die numerisch invertiert werden kann. Die Methode kalibriert die Kristalle im Energiebereich von 2,5 bis 8 GeV. Bei einer Luminosität von 3*10^33 Ereignissen pro cm^2 und s erlaubt die hohe Rate an Bhabha-Ereignissen am PEP-II-Beschleuniger eine Kalibration mit einer statistischen Genauigkeit von 0,32 % innerhalb von 12 Stunden. Der Einfluss systematischer Unsicherheiten wurde untersucht und zu +0,81% -0,72% abgeschätzt. Durch die Kalibration konnten Energieauflösungen sigma_E / E von 1,8% bei Elektronen mit einer Energie von 7,5 GeV erreicht werden. Im Jahr 2000 wurde von Mitte Mai bis Ende Oktober ein Absinken der Lichtausbeute der Kristalle der Endkappe von etwa 2,8% beobachtet. / A technique to calibrate the CsI(Tl) calorimeter of the Babar experiment was developed and implemented. The method allows a calculation of absolute calibration constants for all 6580 crystals. With these constants, a monitoring of the change of the light yield of the crystals is possible. The algorithm is based on the comparison of the measured energy and the expected deposited energy of particles in Bhabha scattering events. The measured energy is calculated from a cluster of hit crystals. The individual crystal energies are calibrated by a multiplication with a calibration constant c. The expected energy is extracted from a Monte-Carlo-Simulation. Minimizing a chi^2 term - which compares the expected and the measured cluster energies - with respect to the constants c yields a system of linear equations with a 6580x6580 matrix, that can be inverted numerically. The crystals are calibrated in an energy range of 2.5 to 8 GeV. The large rate of Bhabha scattering events at the PEP-II accelerator allows a calibration with a statistical precision of 0.32% within 12 hours of data taking at a luminosity of 3*10^33 events per square centimeter and second. The influence of systematic uncertainties was studied and estimated to be +0.81% -0.72%. Due to the calibration an energy resolution sigma_E / E of 1.8% could be obtained for electrons with an energy of 7.5 GeV. With the calibration constants a decrease in the lightyield of the endcap crystals of 2.8% could be observed between May and October 2000.

A light pulser system for the Babar CsI(Tl) calorimeter, capable of monitoring the light yield of the 6580 crystals and of checking the function and linearity of the readout electronics, was developed in a collaboration with groups from Bochum and Edinburgh. The light pulser system is based on the coupling of light from Xenon flashlamps through optical fibers into the individual crystals. The absolute intensity is measured by two special reference systems whose stability is monitored using a radioactive source. During the construction phase the light pulser was used to check the electronics in order to ensure its functioning before the insertion of the calorimeter into the detector where the preamplifier electronics is inaccessable for repair. In monitoring the short term performance of the light pulser system, the stability over one week is better than 0.15 %. Over six months between February and August 2000 the crystal response, as measured by the light pulser, of the three rings of the endcap that are closest to the beam dropped by up to 2 % in comparison with the three outer rings of the endcap, due to radiation damage. Through linearity measurements with the light pulser a flaw in the ADC boards of the calorimeter electronics, which will be fixed in the near future, and cross-talk between channels was found. By a software correction of these effects implemented by members of the collaboration an improvement of the energy resolution of the calorimeter was achieved. / Fuer das CsI(Tl)-Kalorimeter des Babar-Detektors wurde in Zusammenarbeit mit Gruppen aus Bochum und Edinburgh ein Lichtpulsersystem entwickelt, das in der Lage ist, die Lichtausbeute der 6580 Kristalle zu monitorieren und die Funktionsfaehigkeit und Linearitaet der Kalorimeterelektronik zu ueberpruefen. Das Lichtpulsersystem basiert auf der Einkopplung des Lichts von Xenon-Blitzlampen ueber Lichtleitfasern in einzelne Kristalle. Die absolute Lichtmenge wird durch zwei spezielle Lichtnormale gemessen, deren Stabilitaet durch eine radioaktive Quelle monitoriert wird. In der Aufbauphase kam der Lichtpulser fuer die Ueberpruefung der Elektronik zum Einsatz, um deren Funktionsfaehigkeit sicherzustellen, bevor das Kalorimeter in den Detektor eingebaut wurde, weil danach die Vorverstaerkerelektronik fuer Reparaturen nicht mehr zugaenglich war. In der Monitorierung ist die Kurzzeitstabilitaet des Lichtpulsersystems ueber eine Woche besser als 0,15 %. Ueber sechs Monate zwischen Februar und August 2000 sank, bedingt durch Strahlenschaeden, die mit dem Lichtpulser gemessene Antwort der Kristalle fuer die strahlnaechsten drei Ringe der Endkappe um bis zu 2 % staerker als in den aeusseren drei Ringen der Endkappe. Durch die Linearitaetsmessungen mit dem Lichtpulser konnte ein Fehler in der Kalorimeterelektronik im Bereich der ADC-Karten, der in naher Zukunft behoben werden wird, sowie ein Uebersprechen zwischen den Kanaelen gefunden werden. Durch Softwarekorrekturen dieser Effekte von seiten der Kollaboration konnte eine Verbesserung der Energieaufloesung des Kalorimeters erreicht werden.

Supplying wireless sensors from ambient energy is nowadays highly demanded for a higher flexibility of use and low system maintenance costs. Vibration sources are thereby especially attractive due to their availability and the relatively high energy density they can provide. The aim of this work is to realize a hybrid energy converter for vibration sources having low amplitude and low frequency. The idea is to combine two diverse harvesters to realize a higher energy density and at the same time to improve the converter reliability. We focus on the design, modeling, and test of the hybrid vibration converter. For an appropriate converter design, the vibration profiles of several ambient vibration sources are characterized. The results show that the typical frequency and acceleration ranges are between 5 Hz to 60 Hz and 0.1 g to 1.5 g respectively. The proposed converter is based on the magnetoelectric (ME) and electromagnetic (EM) principles. These two principles can be easily combined within almost the same volume, because they generate energy form the same varying magnetic field coupled to the mechanical vibration of the source. Thereby, the energy density is improved as the ME converter is incorporated within the relatively large coil housing of the electromagnetic converter. The proposed converter is based on the use of a magnetic spring instead of the typically used mechanical springs, which applies the repulsive force to the seismic mass of the converter. The applied vibration is transmitted to the converter based on the magnetic spring principle instead of the conventional mechanical springs. Due to the nonlinearity of the magnetic spring, the converter is able to operate for a frequency bandwidth instead of resonant frequency which is the case while using a mechanical spring. Hence, this leads to realize a high converter efficiency even under random vibrations characterized by frequency bandwidth. As well, using magnetic spring principle enables to adjust the resonant frequency of the converter relative to the applied vibration source easily by just adjusting the moving magnet size. For the converter design, a parametric study is conducted using finite element analysis. Two main criteria are thereby taken into account, which are the compactness and the efficiency of the converter. Parameters affecting these two criteria are classified in mechanical, electromagnetic and magnetoelectric parameters. Results show that the combination of the EM and ME principles leads to an improvement of the energy output compared to a single EM or ME converter. The novel hybrid converter is realized and tested under harmonic and real vibration profiles. It comprises two main parts: A fixed part, where the coils and the ME transducer are fixed in order to ensure a good reliability of the converter by avoiding wire movements. A moving part, where the moving magnet of the magnetic spring and the magnetic circuit are placed. The presented converter is reliable and compact, which is able to harvest energy with a maximum output power density of 0.11 mW/cm³ within a frequency bandwidth of 12 Hz for a resonance frequency of 24 Hz under an applied harmonic vibration with an amplitude of 1 mm. / Die Versorgung von drahtlosen Sensoren aus der Umgebungsenergie ermöglicht heutzutage eine hohe Einsatzflexibilität und die Senkung des Systemwartungsaufwands. Schwingungsquellen sind aufgrund ihrer Verfügbarkeit und der damit erreichbaren Energiedichte besonders attraktiv. Ziel dieser Arbeit ist es, einen hybriden Energiewandler für Vibrationsquellen mit geringer Amplitude und niedriger Frequenz zu realisieren. Der Ansatz dabei ist, zwei verschiedene Wandler zu kombinieren, um eine höhere Energiedichte zu erreichen und die Zuverlässigkeit zu verbessern. Der Entwurf konzentriert sich auf die Modellierung und den Test des hybriden Vibrationswandlers. Für einen geeigneten Wandlerentwurf werden die Schwingungsprofileigenschaften mehrerer Umgebungsschwingungsquellen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die typische Frequenz zwischen 5 Hz und 60 Hz und der Beschleunigungsbereich zwischen 0,1 g und 1,5 g liegen. Der vorgeschlagene Wandler kombiniert das magnetoelektrischen (ME) Prinzip mit dem elektromagnetischen (EM) Prinzip. Diese beiden Prinzipien können innerhalb des fast gleichen Volumens leicht integriert werden, da sie Energie aus der Variation des gleichen Magnetfeldes, das mit der mechanischen Schwingung gekoppelt ist, erzeugen können. Dadurch wird die Energiedichte verbessert, da der ME-Wandler in das relativ große Spulengehäuse des elektromagnetischen Wandlers eingesetzt werden kann. Darüber hinaus basiert der vorgeschlagene Wandler auf der Verwendung von Magnetfedern, um die Repulsivkraft auf die seismische Masse zu realisieren. Aufgrund der Nichtlinearität der Magnetfeder, kann der Wandler in einem breiteren Frequenzbereich betrieben werden, anstatt nur bei der Resonanzfrequenz, wie es bei der Verwendung einer mechanischen Feder der Fall ist. Dies führt dazu, dass der Wandler auch bei zufälligen breitbandigen Schwingungsquellen effizient betrieben werden kann. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung des Magnetfederprinzips eine einfache Einstellung der Resonanzfrequenz des Wandlers in Bezug auf die Schwingungsquelle, durch Einstellen der Größe des beweglichen Magneten. Für den Wandlerentwurf wird eine Parameterstudie mit Hilfe der Finite-Elemente-Analyse durchgeführt. Zwei Hauptkriterien werden dabei berücksichtigt: Die Kompaktheit und die Energieeffizienz des Wandlers. Parameter die diese beiden Kriterien beeinflussen, können in mechanische, elektromagnetische und magnetoelektrische unterteilt werden. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die Kombination der EM- und ME-Prinzipien zu einer Verbesserung der Energieausbeute im Vergleich zu einem einzelnen EM- oder ME-Wandler geführt hat. Der neuartige Hybrid-Wandler wurde realisiert und unter harmonischen und realen Schwingungsprofilen getestet. Der Wandler besteht aus zwei Hauptteilen: Ein festes Teil, an dem die Spulen und der ME-Wandler befestigt sind, um eine hohe Zuverlässigkeit zu gewährleisten indem auf einen beweglichen Draht verzichtet wird, und ein bewegliches Teil, das sich aus einem beweglichen Magneten zusammensetzt. Der vorgestellte Wandler ist zuverlässig, kompakt und in der Lage, Energie mit einer maximalen Ausgangsleistungsdichte von 0,11 mW/cm 3 und einer Bandbreite von 12 Hz bei einer Resonanzfrequenz von 24 Hz unter einer angelegten harmonischen Schwingung mit einer Amplitude von 1 mm zu gewinnen.

A light pulser system for the Babar CsI(Tl) calorimeter, capable of monitoring the light yield of the 6580 crystals and of checking the function and linearity of the readout electronics, was developed in a collaboration with groups from Bochum and Edinburgh. The light pulser system is based on the coupling of light from Xenon flashlamps through optical fibers into the individual crystals. The absolute intensity is measured by two special reference systems whose stability is monitored using a radioactive source. During the construction phase the light pulser was used to check the electronics in order to ensure its functioning before the insertion of the calorimeter into the detector where the preamplifier electronics is inaccessable for repair. In monitoring the short term performance of the light pulser system, the stability over one week is better than 0.15 %. Over six months between February and August 2000 the crystal response, as measured by the light pulser, of the three rings of the endcap that are closest to the beam dropped by up to 2 % in comparison with the three outer rings of the endcap, due to radiation damage. Through linearity measurements with the light pulser a flaw in the ADC boards of the calorimeter electronics, which will be fixed in the near future, and cross-talk between channels was found. By a software correction of these effects implemented by members of the collaboration an improvement of the energy resolution of the calorimeter was achieved. / Fuer das CsI(Tl)-Kalorimeter des Babar-Detektors wurde in Zusammenarbeit mit Gruppen aus Bochum und Edinburgh ein Lichtpulsersystem entwickelt, das in der Lage ist, die Lichtausbeute der 6580 Kristalle zu monitorieren und die Funktionsfaehigkeit und Linearitaet der Kalorimeterelektronik zu ueberpruefen. Das Lichtpulsersystem basiert auf der Einkopplung des Lichts von Xenon-Blitzlampen ueber Lichtleitfasern in einzelne Kristalle. Die absolute Lichtmenge wird durch zwei spezielle Lichtnormale gemessen, deren Stabilitaet durch eine radioaktive Quelle monitoriert wird. In der Aufbauphase kam der Lichtpulser fuer die Ueberpruefung der Elektronik zum Einsatz, um deren Funktionsfaehigkeit sicherzustellen, bevor das Kalorimeter in den Detektor eingebaut wurde, weil danach die Vorverstaerkerelektronik fuer Reparaturen nicht mehr zugaenglich war. In der Monitorierung ist die Kurzzeitstabilitaet des Lichtpulsersystems ueber eine Woche besser als 0,15 %. Ueber sechs Monate zwischen Februar und August 2000 sank, bedingt durch Strahlenschaeden, die mit dem Lichtpulser gemessene Antwort der Kristalle fuer die strahlnaechsten drei Ringe der Endkappe um bis zu 2 % staerker als in den aeusseren drei Ringen der Endkappe. Durch die Linearitaetsmessungen mit dem Lichtpulser konnte ein Fehler in der Kalorimeterelektronik im Bereich der ADC-Karten, der in naher Zukunft behoben werden wird, sowie ein Uebersprechen zwischen den Kanaelen gefunden werden. Durch Softwarekorrekturen dieser Effekte von seiten der Kollaboration konnte eine Verbesserung der Energieaufloesung des Kalorimeters erreicht werden.

Für das CsI(Tl)-Kalorimeter des Babar-Detektors wurde ein Verfahren zur Kalibration entwickelt und implementiert. Es ist in der Lage, für alle 6580 Kristalle absolute Kalibrationskonstanten zu bestimmen und die zeitliche Änderung der Kristalleigenschaften zu monitorieren. Der Algorithmus basiert auf dem Vergleich von gemessener Energie und erwarteter deponierter Energie von Teilchen aus Ereignissen der Bhabha-Streuung. Die gemessene Energie wird aus einem Cluster von getroffenen Kristallen bestimmt, wobei die Kalibrierung der Einzelkristallenergien durch Multiplikation mit einer Kalibrationskonstante c erfolgt. Die erwartete Energie wird aus einer Monte-Carlo-Simulation extrahiert. Die Minimierung eines chi^2-Terms - in dem erwartete und gemessene Cluster-Energien verglichen werden - bezüglich der Kalibrationskonstanten c, führt zu einem linearen Gleichungssystem mit einer 6580*6580 Matrix, die numerisch invertiert werden kann. Die Methode kalibriert die Kristalle im Energiebereich von 2,5 bis 8 GeV. Bei einer Luminosität von 3*10^33 Ereignissen pro cm^2 und s erlaubt die hohe Rate an Bhabha-Ereignissen am PEP-II-Beschleuniger eine Kalibration mit einer statistischen Genauigkeit von 0,32 % innerhalb von 12 Stunden. Der Einfluss systematischer Unsicherheiten wurde untersucht und zu +0,81% -0,72% abgeschätzt. Durch die Kalibration konnten Energieauflösungen sigma_E / E von 1,8% bei Elektronen mit einer Energie von 7,5 GeV erreicht werden. Im Jahr 2000 wurde von Mitte Mai bis Ende Oktober ein Absinken der Lichtausbeute der Kristalle der Endkappe von etwa 2,8% beobachtet. / A technique to calibrate the CsI(Tl) calorimeter of the Babar experiment was developed and implemented. The method allows a calculation of absolute calibration constants for all 6580 crystals. With these constants, a monitoring of the change of the light yield of the crystals is possible. The algorithm is based on the comparison of the measured energy and the expected deposited energy of particles in Bhabha scattering events. The measured energy is calculated from a cluster of hit crystals. The individual crystal energies are calibrated by a multiplication with a calibration constant c. The expected energy is extracted from a Monte-Carlo-Simulation. Minimizing a chi^2 term - which compares the expected and the measured cluster energies - with respect to the constants c yields a system of linear equations with a 6580x6580 matrix, that can be inverted numerically. The crystals are calibrated in an energy range of 2.5 to 8 GeV. The large rate of Bhabha scattering events at the PEP-II accelerator allows a calibration with a statistical precision of 0.32% within 12 hours of data taking at a luminosity of 3*10^33 events per square centimeter and second. The influence of systematic uncertainties was studied and estimated to be +0.81% -0.72%. Due to the calibration an energy resolution sigma_E / E of 1.8% could be obtained for electrons with an energy of 7.5 GeV. With the calibration constants a decrease in the lightyield of the endcap crystals of 2.8% could be observed between May and October 2000.

Geophysical methods are essential for exploration and monitoring of subsurface formations, e.g. in carbon dioxide sequestration or enhanced geothermal energy. One of the keys to their successful application is the knowledge of how the measured physical quantities are related to the desired reservoir parameters. The work presented in this thesis shows that the presence of carbon dioxide (CO2) in pore space gives rise to multiple processes all of which contribute to the electrical rock conductivity variation. Basically, three mechanisms take place: (1) CO2 partially replaces the pore water, which is equivalent to a decrease in water saturation. (2) CO2 chemically interacts with the pore water by dissolution and dissociation. These processes change both the chemical composition and the pH of the pore filling fluid. (3) The low-pH environment can give rise to mineral dissolution and/or precipitation processes and changes the properties of the grain-water interface. Investigations on the pore water phase show that the reactive nature of CO2 in all physical states significantly acts on the electrical conductivity of saline pore waters. The physico-chemical interaction appears in different manifestations depending mainly on the pore water composition (salinity, ion types) but also on both temperature and pressure. The complex behaviour includes a low- and a high-salinity regime originating from the conductivity increasing effect of CO2 dissociation, which is opposed by the conductivity decreasing effect of reduced ion activity caused by the enhanced mutual impediment of all solutes. These results are fundamental since the properties of the water phase significantly act on all conduction mechanisms in porous media. In order to predict the variation of pore water conductivity, both a semi-analytical formulation and an empirical relationship for correcting the pore water conductivity, which depends on salinity, pressure and temperature, are derived. The central part of the laboratory experiments covers the spectral complex conductivity of water-bearing sand during exposure to and flow-through by CO2 at pressures up to 30MPa and temperatures up to 80°C. It is shown that the impact of CO2 on the real part of conductivity of a clean quartz sand is dominated by the low- and high-salinity regime of the pore water. The obtained data further show that chemical interaction causes a reduction of interface conductivity, which could be related to the low pH in the acidic environment. This effect is described by a correction term, which is a constant value as a first approximation. When the impact of CO2 is taken into account, a correct reconstruction of fluid saturation from electrical measurements is possible. In addition, changes of the inner surface area, which are related to mineral dissolution or precipitation processes, can be quantified. Both the knowledge gained from the laboratory experiments and a new workflow for the description and incorporation of geological geometry models enable realistic finite element simulations. Those were conducted for three different electromagnetic methods applied in the geological scenario of a fictitious carbon dioxide sequestration site. The results show that electromagnetic methods can play an important role in monitoring CO2 sequestration. Compared to other geophysical methods, electromagnetic techniques are generally very sensitive to pore fluids. The proper configuration of sources and receivers for a suitable electromagnetic method that generates the appropriate current systems is essential. Its reactive nature causes CO2 to interact with a water-bearing porous rock in a much more complex manner than non-reactive gases. Without knowledge of the specific interactions between CO2 and rock, a determination of saturation and, consequently, a successful monitoring are possible only to a limited extend. The presented work provides fundamental laboratory investigations for the understanding of the electrical properties of rocks when the reactive gas CO2 enters the rock-water system. All laboratory results are put in the context of potential monitoring applications. The transfer from petrophysical investigations to the planning of an operational monitoring design by means of close-to-reality 3D FE simulations is accomplished.