Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Modifizierung von Beschichtungen auf Basis von diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC). Die Modifizierung erfolgte mittels Elektronenstrahl (eBeam) und sollte der Oberflächenfunktionalisierung durch die Steuerung der Zelladhäsion dienen. Das Anwendungsfeld der modifizierten DLC-Schichten findet sich im biomedizinischen Bereich. Als Anwendungsbeispiel wurden Aktoren aus Formgedächtnislegierung (FGL) herangezogen. Diese sollen in Hüftendoprothesen genutzt werden. Ihre Aufgabe ist es, bei Implantatlockerung eine Wiederverankerung im Knochen, ohne äußeren Eingriff zu ermöglichen. Die Aktoren stellen an eine Beschichtung besondere Herausforderungen hinsichtlich Schichtstabilität und -flexibilität, Zelladhäsion sowie Barrierefunktion. Im Folgenden werden die untersuchten Schwerpunkte mit Bezug auf dieses Anwendungsbeispiel zusammenfassend dargestellt. Im ersten Abschnitt der vorliegenden Arbeit wurden vier Abscheidemethoden für DLC-Beschichtungen verglichen: die plasmaaktivierte chemische Gasphasenabscheidung (PA CVD), das Magnetronsputtern (PVD-Spu), und die Lichtbogenverdampfung ungefiltert und -gefiltert (PVD-Arc bzw. PVD-Arcfil). Aus diesen Abscheidemethoden sollte eine für das medizintechnische Einsatzgebiet geeignete Methode zur DLC-Abscheidung ausgewählt werden. Dafür wurden folgende Kriterien untersucht: Schichtmorphologie und stabilität, Biokompatibilität und die Möglichkeit zur Modifizierung mittels eBeam. Es zeigte sich, dass mittels Magnetronsputtern homogene DLC-Schichten abgeschieden werden können. Diese Beschichtungen zeigen im Vergleich zu den Beschichtungen der anderen Abscheideverfahren die beste Biokompatibilität. Die Modifizierung der Schichten mittels eBeam ermöglicht eine gezielte Verringerung der Zelladhäsion auf den Oberflächen, ohne zelltoxische Nebenwirkungen. Mit diesem Resultat wird die ausgewählte Beschichtung den Funktionsansprüchen des Anwendungsbeispiels gerecht. Als Anwendungsbeispiel wurden Aktoren einer intelligenten Hüftendoprothese herangezogen. Die Aktoren bestehen aus FGL-Material und sollen im Anwendungsfall eine intrakorporale Verformung durchführen. Die DLC-Beschichtung soll den Austritt von toxischen Nickelionen aus diesem Material verringern. Daher ist die Stabilität der DLC-Schichten auf den Aktoren für den zielgerechten Einsatz von grundlegender Bedeutung. Die Formflexibilität von DLC-Schichten ist aus der Literatur bekannt, womit sie eine geeignete Barrierebeschichtung für verformbare Bauteile darstellen, ohne dabei die Funktion des Substratmaterials zu beeinträchtigen. Grundlage für diese Formflexibilität stellen eine gute Schichthaftung und Langzeitstabilität dar. Auch an dieser Stelle zeigten die mittels Magnetronsputtern abgeschiedenen DLC-Schichten sehr gute Ergebnisse. Selbst die Beanspruchung durch wiederholte Desinfektion und Sterilisation führte bei dieser Beschichtung zu keiner Veränderung. Im Anwendungsbeispiel Hüftendoprothese kann es an der Implantat-Knochen-Schnittstelle zu Mikrobewegungen kommen. Durch die im Vergleich zu den anderen Beschichtungen sehr guten Ergebnisse der PVD-Spu-Schichten bei der tribologischen Charakterisierung, stellen diese Schichten eine für das Anwendungsbeispiel geeignete Beschichtung dar. Ein geringer Reibwert gewährleistet dabei eine ungestörte Gewebsintegration. Das Magnetronsputtern wurde basierend auf diesen Ergebnissen als geeignete Abscheidemethode für die DLC-Beschichtung von Implantatmaterialien ausgewählt. Im zweiten Abschnitt der Arbeit wurden die Modifizierung der Beschichtung, die Reaktion im biologischen Kontakt und die Barrierefunktion der Schichten bewertet. Durch die eBeam-Modifizierung der DLC-Beschichtung wird eine Hydrophilierung erzielt, die mit einer signifikanten Verringerung der Zellzahl auf der Oberfläche verbunden ist. Nach Beurteilung der Schichtmorphologie von unbehandelten und modifizierten DLC-Oberflächen konnte ausgeschlossen werden, dass die Hydrophilierung auf Veränderungen der Oberflächenmorphologie zurück zu führen ist. Vielmehr wurden chemisch-energetische Veränderungen als Ursache identifiziert, wobei die indirekte eBeam-Wirkung während der Modifizierung zum Tragen kommt. Die Intensität der Hydrophilierung ist dosisabhängig und zeigt eine Art Sättigungsverhalten ab 500 kGy. Es konnte gezeigt werden, dass durch die Modifizierung der Anteil stickstoff- und sauerstoffhaltiger Funktionalitäten auf der DLC-Oberfläche zunimmt. Die Verringerung der Zellzahl, welche ebenfalls eine Art Sättigung bei 500 kGy zeigt, steht über die Proteinadhäsion mit diesen Veränderungen in direktem Zusammenhang. In Korrelation mit der Literatur scheint es durch die Zunahme der sauerstoffhaltigen Funktionalitäten zu einer veränderten Proteinadhäsion zu kommen. Dabei wird die Proteinkonformation verändert, was die anschließende Zelladhäsion verringert. Mittels eBeam können sehr feine Strukturen bis in den Mikrometerbereich modifiziert werden, was bedeutet, dass damit die Zelladhäsion in den aneinander angrenzenden Bereichen des Aktors gezielt eingestellt werden kann. Damit wird die DLC-Beschichtung mit dieser Modifizierung den Funktionsansprüchen des Aktorbauteiles gerecht. Die Analyse der Langzeitstabilität zeigte, dass die Modifizierung sowohl an Luft als auch in phosphatgepufferter Salzlösung (PBS) über einen Zeitraum von mindestens zwei Monaten stabil ist. Somit kann für das Anwendungsbeispiel die Modifizierung bereits langfristig vor dem Einsatz eines Implantates erfolgen. Bisher wurden derartige Modifizierungen hauptsächlich mittels Plasmabehandlung durchgeführt. Im Gegensatz zur vorliegenden Arbeit können damit jedoch keine zeitlich stabilen Effekte erzielt werden. Weitere Nachteile der Plasmamethoden ergeben sich durch Materialveränderungen und verhältnismäßig lange Prozesszeiten. Weiterhin wird laut Literatur bei der Plasmabehandlung von DLC-Oberflächen eine Steigerung der Zelladhäsion erzielt. In der vorliegenden Arbeit besteht das Ziel jedoch in der Verringerung der Zelladhäsion, wodurch sich auch unter diesem Aspekt die eBeam-Modifizierung gegenüber der Plasmamodifizierung als vorteilhaft erweist. Zusätzlich wurde neben der Langzeitstabilität für die eBeam-modifizierten DLC-Beschichtungen auch eine Stabilität gegenüber chemisch-mechanischer Reinigung mit anschließender Dampfsterilisation belegt. Da jedoch die FGL-Aktoren im Anwendungsbeispiel durch thermischen Energieeintrag aktiviert werden, könnte die herkömmliche Anwendung der Dampfsterilisation ein Problem darstellen. Auch dafür bietet die eBeam-Behandlung als alternative Sterilisationsmethode einen Lösungsansatz. Mit einer Sterilisationsdosis von lediglich 25 kGy ist die Anwendung des eBeams sowohl zur Sterilisation von unbehandelten als auch modifizierten DLC-Oberflächen möglich, ohne deren Eigenschaften oder die des beschichteten Substrates zu beeinflussen. Die eBeam-Modifizierung der DLC-Oberflächen bietet basierend auf den vorliegenden Ergebnissen eine Möglichkeit zur Steuerung der Zelladhäsion, da in den modifizierten Bereichen eine signifikante Verringerung der Zellzahl erzielt wird. Eine Verringerung der Zellzahl ist für die beweglichen Bereiche der FGL-Aktoren besonders wichtig, um deren Funktion zu gewährleisten (s. Abbildung 1). Für die modifizierten Schichten werden dabei keine Beeinträchtigung der Zellvitalität oder Veränderungen der Phasen des Zellzyklus festgestellt. Weiterhin ist belegt, dass von diesen Beschichtungen kein erhöhtes Entzündungspotential ausgeht, was den uneingeschränkten Einsatz der modifizierten DLC-Beschichtungen im biomedizinischen Bereich ermöglicht. Die unbehandelten DLC-Oberflächen hingegen sollen im Anwendungsbeispiel eine schnelle Implantatintegration gewährleisten. Auch diesem Anspruch wird die Beschichtung gerecht, da die osteogene Differenzierung humaner mesenchymaler Stammzellen auf diesen Oberflächen uneingeschränkt verläuft. Die Analyse des Calciumgehaltes als späten Differenzierungsmarker lässt sogar auf einen stimulierenden Effekt durch die Schichten schließen. Folglich kann für den Anwendungsfall der Hüftendoprothese eine beschleunigte Osseointegration erwartet werden. Die größte Herausforderung für die DLC-Beschichtungen bestand in der Verringerung des Nickelaustrittes aus dem FGL-Material. Die Ergebnisse der Extraktionsversuche belegen, dass aus unbeschichteten FGL Nickelionen austreten und die Stoffwechselaktivität von Osteoblasten beeinflussen. Auf DLC-beschichteten Proben hingegen kann kein messbarer Austritt von Nickelionen festgestellt werden. Im Direktkontakt mit humanen Osteoblasten zeigt sich auf den unbeschichteten FGL eine unnatürliche Zellmorphologie, was auf den Nickelaustritt zurückgeführt werden kann. Dahingegen erscheinen die Zellen auf den DLC-beschichteten Oberflächen in vitaler Morphologie. Diese Ergebnisse demonstrieren die Wirksamkeit der DLC-Beschichtung als Barriere gegenüber dem Austritt von Nickelionen. Zusammenfassend wird festgestellt, dass das Magnetronsputtern die Abscheidung von DLC-Schichten ermöglicht, die dem Anwendungsbeispiel Hüftendoprothese mit FGL-Aktor sowohl hinsichtlich Barrierefunktion als auch Biokompatibilität gerecht werden. Die Modifizierung mittels eBeam gewährleistet dabei die gezielte Steuerung der Zellzahl, wodurch die DLC-Beschichtungen auch die biofunktionalen Ansprüche des Anwendungsbeispiels bedienen. DLC-Beschichtungen weisen aufgrund ihrer großen Variabilität hinsichtlich Materialeigenschaften und der sehr guten Biokompatibilität ein breites Spektrum für biomedizinische Anwendungen auf. Die eBeam-Modifizierung der Beschichtungen eröffnet aufgrund ihrer Langzeitstabilität darüber hinaus weitere Einsatzfelder. Vor allem die Option einer partiellen Oberflächenmodifizierung ermöglicht es, variierenden Funktionsansprüchen zahlreicher Anwendungen gerecht zu werden und die im Rahmen der vorliegenden Arbeit gewonnen Erkenntnisse auf weitere Einsatzfelder zu übertragen.

There is a strong push worldwide to develop multi-Joule femtosecond duration laser pulses at wavelengths around 3.5-4 and 9-11 mu m within important atmospheric transmission windows. We have shown that pulses with a 4 mu m central wavelength are capable of delivering multi-TW powers at km range. This is in stark contrast to pulses at near-IR wavelengths which break up into hundreds of filaments with each carrying around 5 GW of power per filament over meter distances. We will show that nonlinear envelope propagators fail to capture the true physics. Instead a new optical carrier shock singularity emerges that can act to limit peak intensities below the ionization threshold leading to low loss long range propagation. At LWIR wavelengths many-body correlations of weakly-ionized electrons further suppress the Kerr focusing nonlinearity around 10 mu m and enable whole beam self-trapping without filaments.

Doctor of Philosophy / Food Science Institute / Jayendra K. Amamcharla / Lactose is commercially produced from whey, whey permeate, or milk permeate as α-lactose monohydrate in crystalline form. Focused Beam Reflectance Measurement (FBRM) as a potential tool for in situ monitoring of lactose crystallization at concentrations relevant to the dairy industry was evaluated. Applicability of FBRM at supersaturated lactose concentrations 50%, 55%, and 60% (w/w) was reported in comparison with Brix values obtained from a Refractometer during isothermal crystallization at temperatures 20ºC and 30ºC. FBRM technique was shown to be a valuable tool for monitoring chord length distributions during lactose crystallization. In a different study, the influence of cooling rate during crystallization of lactose in concentrated permeates was studied. Three cooling rates accounting for approximately 17, 11, and 9 h were applied during lactose crystallization to evaluate the lactose crystal yield and quality of lactose crystals. There was no significant difference (P>0.05) found in lactose crystal yield, mean particle size obtained at the end of crystallization. This study suggested that increasing the cooling rate during lactose crystallization within the range explained in this study can save approximately 8 h of crystallization time. These studies evaluated FBRM as a potential tool to monitor lactose crystal chord lengths and counts. Also, process improvements were suggested to increase the productivity of lactose crystallization process by reducing the crystallization time. In chapters 5 and 6, calcium-reduced milk protein concentrates (MPCs) were used as an ingredient to improve the stability of high-protein dairy beverages. Heat stability increased significantly (P>0.05) in 8% protein solutions made from 20% calcium-reduced MPC. A significant increase in heat stability was observed in beverages formulated with 20% calcium-reduced MPC in the absence of chelating agent. In another study, it was evident that the dairy beverage formulation with 20% calcium-reduced MPC showed no sedimentation and age gelation indicating an improved storage stability. These studies confirmed that 20% calcium reduced MPC contributed towards improved heat stability and storage stability of the high-protein beverages.

Les méthodes de combinaison cohérente sont rapidement apparues comme très prometteuses dans la course à la puissance des sources lasers. Cela s’explique par le fait que la puissance autour de l’axe de propagation évolue selon une loi quadratique avec le nombre de faisceaux combinés. Mes premiers travaux ont porté sur la montée en puissance de pompage dans les systèmes de mise en phase passive par auto-organisation. Pour la première fois, nous avons mis en évidence à la fois expérimentalement et numériquement, qu’au-delà du seuil laser, le filtrage spectral intracavité dû à la structure interférométrique du système laser, est un des principaux facteurs limitant l’obtention de qualités de phasage élevées. L’augmentation du nombre d’émetteurs accentue la dégradation de l’efficacité de combinaison avec la montée en puissance, montrant l’incapacité de ce type de méthode à combiner efficacement un grand nombre d’émetteurs lasers de forte puissance. Par la suite, mes travaux ont porté sur l’étude d’une méthode innovante de phasage actif, mise au point à XLIM. Le principe de cette méthode associe un filtrage optique de type contraste de phase, à un algorithme d’optimisation réduisant les écarts de phases entre émetteurs. Les calculs et expériences ont mis en évidence la très faible sensibilité de la méthode au nombre d’émetteurs mis en jeu. Les démonstrations de combinaison cohérente de 7 à 37 émetteurs fibrés délivrant jusqu’à 5W chacun ont été faites. Ce dernier résultat constitue aujourd’hui un record en termes de nombre d’émetteurs combinés de manière active. L’efficacité de combinaison en champ lointain a été estimée à une valeur élevée de 94%, correspondant à une erreur de phase résiduelle d’environ λ/25. Le faible nombre d’itérations d’algorithme nécessaires pour converger a permis de corriger les fluctuations de phase sur une bande d’environ 1kHz. / Coherent laser beam combining techniques rapidly appeared highly promising in the field of ultra-high power laser sources. Indeed, the combined intensity around the propagation axis follows a quadratic law with the number of combined emitters. The first part of my work has been focused on passive phasing techniques, based on self-organization properties of coupled lasers. We have shown, both numerically and experimentally, that the intracavity filtering function due to the interferometric nature of the set-up, is an intrinsic reason for combining efficiency decrease far above laser threshold. The decrease goes steeper when the number of combined laser increases, making that kind of system inappropriate for coherently combining a large number of lasers delivering high power. The second part of my work consisted in studying an innovative active phasing method that associates a phase-contrast like filter with an optimization algorithm reducing phase errors between emitters. Both simulations and experiments showed the weak sensitivity of this method to the number of combined emitters. We demonstrated the phasing of 7 to 37 fiber lasers, delivering up to 5W each. To the best of our knowledge, this last result is the highest number of fiber lasers combined with an active phasing method. The combining efficiency has been estimated around 94%, corresponding to a residual phase error of λ/25. The weak number of algorithm iterations needed to reach the in-phase regime offered a bandwidth of approximately 1kHz.

The purpouse of the master's thesis is study problematic of focused ion beams and their material influence. In this thesis are described interactions in the sample after impact of ion beam, use and applications of FIB systems. Second part of thesis are simulations of ion influence on different kinds of materials by the help of SRIM program.

Kyoto University (京都大学) / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第15367号 / 工博第3246号 / 新制||工||1488(附属図書館) / 27845 / 京都大学大学院工学研究科建築学専攻 / (主査)教授 中島 正愛, 教授 林 康裕, 教授 吹田 啓一郎 / 学位規則第4条第1項該当

Kyoto University (京都大学) / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第17563号 / 工博第3722号 / 新制||工||1567(附属図書館) / 30329 / 京都大学大学院工学研究科原子核工学専攻 / (主査)教授 森 義治, 教授 伊藤 秋男, 教授 中島 健 / 学位規則第4条第1項該当

Abstract The information age is characterized by ever-growing amounts of data surrounding us. By reproducing this data into usable knowledge we can start moving toward the knowledge age. Data mining is the science of transforming measurable information into usable knowledge. During the data mining process, the measurements pass through a chain of sophisticated transformations in order to acquire knowledge. Furthermore, in some applications the results are implemented as software solutions so that they can be continuously utilized. It is evident that the quality and amount of the knowledge formed is highly dependent on the transformations and the process applied. This thesis presents an application independent concept that can be used for managing the data mining process and implementing the acquired results as software applications. The developed concept is divided into two parts – solution formation and solution implementation. The first part presents a systematic way for finding a data mining solution from a set of measurement data. The developed approach allows for easier application of a variety of algorithms to the data, manages the work chain, and differentiates between the data mining tasks. The method is based on storage of the data between the main stages of the data mining process, where the different stages of the process are defined on the basis of the type of algorithms applied to the data. The efficiency of the process is demonstrated with a case study presenting new solutions for resistance spot welding quality control. The second part of the concept presents a component-based data mining application framework, called Smart Archive, designed for implementing the solution. The framework provides functionality that is common to most data mining applications and is especially suitable for implementing applications that process continuously acquired measurements. The work also proposes an efficient algorithm for utilizing cumulative measurement data in the history component of the framework. Using the framework, it is possible to build high-quality data mining applications with shorter development times by configuring the framework to process application-specific data. The efficiency of the framework is illustrated using a case study presenting the results and implementation principles of an application developed for predicting steel slab temperatures in a hot strip mill. In conclusion, this thesis presents a concept that proposes solutions for two fundamental issues of data mining, the creation of a working data mining solution from a set of measurement data and the implementation of it as a stand-alone application.

Mixed radiation fields, where different ionizing particles act together, are very important in radiobiology and in radiation protection. Mixed beams are not only the most common form of radiation exposure, but the prediction of their biological effect is also full of uncertainties. Currently, prediction of the biological damage of exposure to mixed radiation fields is based on the default assumption of simple additivity between the effects of all the radiation in the field. This assumption has been proven to be incorrect. Indeed, the simultaneous effect of different radiation qualities has been shown to be greater than additive, namely synergistic. This implicates that, for instance, the predicted cancer risk for astronauts, that remain a prolonged time in space, is currently underestimated as well as the risk of developing secondary cancer for radiotherapy patients. This thesis aims at understanding the mechanisms behind the cellular response to simultaneous exposure to alpha particles and X-rays (that is referred as mixed beam). Paper I describes the cell killing and the mutagenic effect of mixed beam exposure in human lymphoblastoid wild type and in cells with impaired capacity to repair oxidative DNA damage .We found that oxidative DNA damage plays an important role in the lethal, synergistic effect of mixed beams. Paper II and III investigates whether mixed beams exposure leads to an augmented DNA double strand breaks (DSB) induction or to an altered response of the cellular DSB repair machinery. We found that mixed irradiation resulted in synergistic induction of DSB, and that those lesions were repaired with slow kinetics. Paper IV focuses on the effect of mixed beams at the level of DNA damage in normal cells. Induction and repair of DNA lesions such as DSB, single strand breaks and apurinic sites was quantified using the alkaline comet assay. We found that alpha particles and X-rays interacted in inducing DNA damage. Moreover, although mixed beam exposure resulted in strong activation of the DNA damage response, it resulted in delayed repair. Although more research is needed to fully elucidate the mechanisms behind the detected synergistic effects, our results strongly suggest that an overwhelmed DNA-repair system causes delay in repair of damage. / <p>At the time of the doctoral defense, the following papers were unpublished and had a status as follows: Paper 2: Accepted. Paper 3: Manuscript. Paper 4: Manuscript.</p>

Doctor of Philosophy / Department of Physics / Kristan L. Corwin / The focus of this research is improving the pulse output energy of a mid-IR pulsed acetylene-filled Hollow-core Optical Fiber Gas LASer (HOFGLAS) system. Pump pulses and acetylene molecules interact with each other inside hollow-core photonic crystal fiber that effectively confines light and allows for strong gain. This results in lasing at 3.11 μm and 3.17 μm lines based on population inversion of acetylene molecules, which are optically pumped at rotational-vibrational overtones near 1.5 μm using 1 ns pulse duration from an optical parametric amplifier (OPA). This acetylene laser operates with no cavity mirrors because of a high gain in a single pass configuration. There are few laser sources in the mid-IR region while there are many applications for having a laser source in this range such as remote sensing, hazardous chemical detection, and breath analysis. This adds to the importance of the acetylene-filled HOFGLAS system. Some of the applications like remote sensing require high power. So, we moved toward power scaling this laser system by optimizing the laser operation through maximizing the OPA alignment to improve its modal content using longer length of fiber to increase the interaction length and improving the beam quality of the mid-IR emissions. The highest pulse energy ever obtained in the 3 µm mid-IR region from the acetylene-filled HOFGLAS after applying the improvements is reported here (1.4 μJ). Higher mid-IR pulse energies can be achieved by improving the pulse energy achievable from the OPA pump source and working with longer pulse duration to decrease the bandwidth of the OPA. This operation demonstrates many novel properties of acetylene-filled pulsed mid-IR hollow-core fiber lasers. The excellent spatial beam quality at highest power and phenomenological scaling of saturation power and efficiency with pressure that we observe point to the promise of power scaling and motivate further development of numerical models of the laser for deeper insight into these effects. M² measurement method was used to examine spatial beam quality and it was found to be fiber-dependent. For the improved setup, M² was investigated at several input pump powers in addition to the reproducibility checks. M² of 1.14 at the maximum output power motivates for beam combining to scale to higher power. The independence of efficiency on pressure is an evidence for reaching higher mid-IR power at a pressure where saturation behavior does not exist. achieving the highest mid-IR power to date, 1.4 μJ, encourages for building higher power OPA to produce high power mid-IR emissions. Taken as a whole, this laser exhibits novel behavior that motivates both numerical/theoretical investigation and further efforts to scale to higher powers.