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Das Hauptziel einer Strahlentherapie, die möglichst vollständige Vernichtung des Tumorgewebes bei einer höchstmöglichen Schonung des umliegenden Gewebes und der Risikoorgane, kann mit Kohlenstoffionen besser als mit Elektronen oder Gammastrahlung erreicht werden. Ionen haben ein inverses Tiefen-Dosisprofil, sie geben einen Großteil ihrer Energie am Ende ihres Weges durch Materie ab. Dieses Energieabgabeverhalten, die wohl definierte Reichweite und die erhöhte biologische Wirksamkeit im Tumor prädestinieren zum Beispiel Kohlenstoffionen für die Behandlung inoperabler, gegen konventionell eingesetzte Strahlung resistenter Tumoren. Allerdings führen diese Eigenschaften der Strahlung auch dazu, dass Veränderungen der Dichte der Materie im Strahlweg zu einer Verschiebung des Maximums der Energieabgabe und damit zu einer deutlichen Veränderung der Dosisverteilung führen. Ein Monitoring der reichweitesensitiven Ionenbestrahlungen ist somit erforderlich. Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET), die normalerweise dazu benutzt wird, die Verteilung eines injizierten Positronenemitters im Gewebe zu bestimmen, kann hier eingesetzt werden. Durch Kernreaktionen der einfliegenden Kohlenstoffionen mit Atomkernen des Gewebes kommt es zur Erzeugung von Positronenemittern, die über ihren Zerfall mit dem an der experimentellen Therapieanlage an der Gesellschaft für Schwerionenforschung installierten in-beam PET-Scanner nachgewiesen werden können. Da die Dosisverteilung und die erzeugte Aktivitätsverteilung durch verschiedene physikalische Prozesse bedingt sind, ist ein direkter Vergleich der PET-Messung mit der von den Ärzten und Medizinphysikern festgelegten Dosisverteilung nicht möglich. Aus der Dosisverteilung und dem Zeit-ablauf der Bestrahlung wird eine Vorhersage der Aktivitätsverteilung berechnet, die dann mit der Messung verglichen wird. Auf der Grundlage dieses Vergleiches ist die in-beam PET-Methode in der Lage, während der Behandlung Reichweiteabweichungen im Patienten, Ungenauigkeiten in der Positionierung und auch Fehler im physikalischen Strahlmodell aufzuzeigen. Trotz einer guten Anpassung der in der Vorausberechnung verwendeten physikalischen Modelle an die Realität kommt es zu Abweichungen, die nicht mit einer ungenauen Dosisapplikation begründbar sind. Diese sind zum größten Teil durch die metabolischen Vorgänge im Patienten bedingt, an denen die Positronenemitter teilnehmen. Diese Washout-Prozesse sind zwischen verschiedenen Patienten und verschiedenen Behandlungstagen nicht reproduzierbar. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine Quantifizierung des Washouts in Abhängigkeit verschiedener Parameter vorgenommen, deren Berücksichtigung zur Verbesserung der Vorausberechnung führt. Um eine flexiblere Positionierung des Patienten am raumfesten Bestrahlungssystem der GSI zu ermöglichen, wurde an der GSI ein Bestrahlungsstuhl entwickelt. Um auch bei der Bestrahlung sitzender Patienten eine in-beam PET-Messung zu ermöglichen, sind die beiden Detektor-Einheiten der PET-Kamera um die Strahlachse drehbar. Durch die hohe Eigenmasse der Detektoren kommt es jedoch zu Deformationen der idealen Kreisbahn. Um eine ortsgenaue Rekonstruktion der Daten zu ermöglichen, müssen diese Deformationen quantifiziert und korrigiert werden. Dies war ein weiteres Anliegen dieser Arbeit. Das wichtigste Ziel der vorliegenden Dissertation jedoch war, die in-beam PET-Methode auf neue Ionensorten zu erweitern. Es wurde gezeigt, dass die in-beam PET-Methode auch für 3He-Bestrahlungen angewendet werden kann. Dafür wurden Experimente an einem 3He-Strahl durchgeführt. Die Aktivitätsausbeute ist bei gleicher applizierter Dosis etwa dreimal so hoch wie bei 12C-Bestrahlungen. Die erreichbare Reichweite-Auflösung ist kleiner als 1 mm. Bei der Bestrahlung eines inhomogenen Phantoms wurde gezeigt, dass ein Kontrast zwischen verschiedenen Materialien auflösbar ist. Aus den experimentell bestimmten Reaktionsraten wurden Wirkungsquerschnitte für zu Positronenemittern führende Reaktionen abgeschätzt. Die in den 3He-Experimenten genommenen Daten wurden denen in Kohlenstoff-Ionen-Experimenten gewonnen sowie Literaturdaten für Protonenbestrahlungen gegenübergestellt. Ein Vergleich mit den Rechnungen des Simulationsprogrammes Shield-Hit erfolgte. Eine Zusammenstellung von Wirkungsquerschnittsmodellen und die aufgestellten Anforderungen an ein für in-beam PET verwendbares Simulationsprogramm sind vorbereitend für weitere Arbeiten.

This thesis paper examines the feasibility of using external-beam PIXE to study the surface enrichment effect in metal artifacts. By varying the energy of the incident proton beam, we penetrated the artifact's surface to different levels and were able to produce a depth profile of the elemental composition of the sample. In this study, the sample set we chose to examine consisted of ancient and modern coins. This paper first describes the surface enrichment effect and theoretically how PIXE can be used to study it. It then details the construction of the components of the external-beam setup. Many of the refinements of the hardware and experimental methods are discussed. It recounts the means of calibration of the detector and analytical tools. Finally, an accounting of the research performed on several coins is set forth, along with data showing the effectiveness of PIXE in complementing other methods of elemental analysis. We found that PIXE revealed statistically significant differences in concentrations of modern coins at the two beam energies we used. Ancient coins did not have similarly significant discrepancies between the two beam energies. The modern coin data suggested depletion in copper in copper-silver and copper-gold alloys, which is consistent with predictions of the theory of the surface enrichment effect. We suggest that the ancient coins are so deeply corroded that the PIXE beam is unable to penetrate adequately to observe surface enrichment. Comparison of our PIXE data to XRF and SEM data suggest that the trends we observed in modern coins are verified by the other methods. We therefore assert that external-beam PIXE is an effective tool for studying the surface enrichment effect, though with the beam energies available at Brigham Young University, the study must be limited to fairly modern coins.

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This dissertation is focused on understanding the performance of a particular fiber-reinforced polymeric composite structural beam, a 91.4 cm (36 inch) deep pultruded double-web beam (DWB) designed for bridge construction. Part 1 focuses on calculating the Timoshenko shear stiffness of the DWB and understanding what factors may introduce error in the experimental measurement of the quantity for this and other sections. Laminated beam theory and finite element analysis (FEA) were used to estimate the shear stiffness. Several references in the literature have hypothesized an increase in the effective measured shear stiffness due to warping. A third order laminated beam theory (TLBT) was derived to explore this concept, and the warping effect was found to be negligible. Furthermore, FEA results actually indicate a decrease in the effective shear stiffness at shorter spans for simple boundary conditions. This effect was attributed to transverse compression at the load points and supports. The higher order sandwich theory of Frostig shows promise for estimating the compression related error in the shear stiffness for thin-walled beams. Part 2 attempts to identify the failure mechanism(s) under quasi-static loading and to develop a strength prediction for the DWB. FEA was utilized to investigate two possible failure modes in the top flange: compression failure of the carbon fiber plies and delamination at the free edges or taper regions. The onset of delamination was predicted using a strength-based approach, and the stress analysis was accomplished using a successive sub-modeling approach in ANSYS. The results of the delamination analyses were inconclusive, but the predicted strengths based on the compression failure mode show excellent agreement with the experimental data. A fatigue life prediction, assuming compression failure, was also developed using the remaining strength and critical element concepts of Reifsnider et al. One DWB fatigued at about 30% of the ultimate capacity showed no signs of damage after 4.9 million cycles, although the predicted number of cycles to failure was 4.4 million. A test on a second beam at about 60% of the ultimate capacity was incomplete at the time of publication. Thus, the success of the fatigue life prediction was not confirmed. / Ph. D.

Within the different types of unmanned areal vehicles, multi rotor drones may be used for recreational use. One use case is for the drone to follow the user while keeping a set distance and the correct angle. This may be done by combining a camera with an embedded system powerful enough to run an AI which handles face recognition, tracking the user. This project aims to discover a new method for finding direction which may be used within the same field. With the help of practical methodology, a bream riding system was created to keep a constant track of the direction of the user. / Inom olika typer av obemannade luftfarkoster, quadkopters må användas för fritidsändamål. Ett av dessa är att följa användaren samt hålla en satt distans och korrekt vinkel från dem. Detta kan implementeras med hjälp av en kombination av en kamera samt ett kraftfullt nog inbyggt system att den en lokal AI kan hantera ansiktsigenkänning för att hålla reda på användarens position. Detta projekt har i mål att upptäcka en ny metod att finna användarens riktning, som i sin tur kan användas inom samma område. Med hjälp av en praktiskt metodologi så har ett beam riding system skapats för att konstant hålla reda på användarens riktning.

Non-contact lap splices placed within a single concrete placement are often used and have been studied in previous research projects. However, non-contact lap splices used with each bar in a different concrete placement such that there is a cold joint between the bars, have not been investigated. This situation is found in the repair of adjacent box beam bridges and in the construction of inverted T-beam systems, among others. It is vital to understand whether the same mechanisms are present across a cold joint with two different types of concrete as are present in traditional non-contact lap splices. In this research, eight T-beam specimens with non-contact lap splices were tested. The spacing between the bars, the splice bar blockout length, and presence of transverse bars were varied to study the effectiveness of the splices. The beams were tested in four point bending so that the splice region was under constant moment and the tension forces in the spliced bars were constant. End and midspan deflections were measured along with surface strain measurements at midspan and at the quarter span points, top and bottom. Gap openings were also measured at the ends of the blockouts. The main conclusions found from this research are that beams containing non-contact lap splices were able to develop nominal capacity with the bar spacing less than or equal to 4 in. and the blockout between 17 and 20 in. long. Extending the blockouts and adding transverse bars underneath the splices did not add to the capacity. / Master of Science