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Die Nanotechnologie spielt eine Schlüsselrolle bei der technologischen Entwicklung. Jedoch stellen Nanopartikel ein potentielles Gesundheitsrisiko dar. Durch ihre große Oberfläche zeigen Nanopartikel eine hohe Reaktivität und die geringe Größe trägt zu einer erhöhten Beweglichkeit und Bioverfügbarkeit bei. Beispielsweise können Nanopartikel Entzündungen auslösen oder die Produktion von freien Radikalen fördern. Insbesondere Lungenepithelzellen stellen die wichtigste Barriere zur Aufnahme von industriell relevanten Nanopartikeln im Alltag dar, denn durch ihre geringe Größe können Nanopartikel bis in einzelne Alveolen vordringen und in die Blutbahn gelangen. Aus diesen Gründen ist es notwendig das Risikopotential, was von Nanopartikeln ausgeht zu bewerten. In dieser Dissertation wurden die Metalloxid-Nanopartikel Al2O3, TiO2, Fe2O3, ZnO und CeO2 in einzelnen Lungenzellen erstmals mit Hilfe der Ionenstrahlmikroskopie quantifiziert. Darüber hinaus erfolgte die Quantifizierung von ausgewählten Metalloxid-Nanopartikeln in gedehnten primären Typ 2 Pneumozyten sowie in den Alveolen des Lungengewebes. Außerdem wurden Gold und Silber als Markierungspartikel eingesetzt, um die Aufnahme der organischen Nanopartikel Graphen zu untersuchen. Die Ionenstrahlmikroskopie ist eine hochempfindliche Methode, welche durch die charakteristische Röntgenstrahlung den zellulären Elementgehalt innerhalb einer Zelle visualisieren kann. Dies ist, je nach Element, bis zu einer unteren Konzentrationsgrenze von 5 – 20 ppm möglich. Die Ionenstrahlmikroskopie erlaubt, im Vergleich zur Elektronenstrahlmikroanalyse, biologische Proben bis zu einer Tiefe von ca. 80 µm zu untersuchen. Durch das zelluläre Rückstreusignal konnte bei Kulturzellen entschieden werden, ob die Nanopartikel internalisiert wurden oder auf der Zelloberfläche assoziiert sind. Da biologische Proben eine relativ geringe Dichte und Dicke aufweisen, ist die Signalausbeute und damit die Messzeit ein limitierender Faktor bei der ionenstrahlanalytischen Quantifizierung des Elementgehalts. Durch das Aufziehen der Probe auf einen Aluminiumrahmen, konnte der Abstand zwischen Röntgendetektor und Probe reduziert werden, was zu einer höheren Signalausbeute führte und damit eine schnellere Analyse der Präparate ermöglichte. Die Art und Weise der Probenpräparation kann einen Einfluss auf den zellulären Elementgehalt haben, indem Ionen aus dem Medium an die Zellaußenseite binden oder durch die Waschlösung ein Verlust von intrazellulär lokalisierten organischen und anorganischen Molekülen entsteht. Durch den Vergleich zwischen einer ionenfreien Polyethylenglycol-Lösung mit dem üblicherweise verwendeten Waschpuffer konnte gezeigt werden, dass sich bei der Verwendung des Waschpuffers der zelluläre Elementgehalt von Kalium, Kalzium und insbesondere Chlor erhöht. Allerdings bleiben Phosphor und Schwefel als wichtige zelluläre Strukturelemente und die biologisch relevanten Spurenelemente Eisen und Zink davon unbeeinflusst. Die ionenstrahlmikroskopische Analyse von Lungengewebe erfordert eine Einbettung der Präparate. Dabei erwies sich DePeX, was als Material routinemäßig zur Einbettung verwendet wird, als ungeeignet, da eine inhomogene Zink-Kontamination vorhanden war, welche eine intrazelluläre Zink-Messung verhinderte. Durch die Entwicklung eines neuen zinkfreien Einbettmaterials auf Limonen-Basis, konnte jetzt auch die Zinkkonzentration in Alveolen gemessen werden. Im biologischen Millieu können Proteine und Ionen auf der Oberfläche der Nanopartikel adsorbieren und dadurch deren Aufnahme in die Zelle beeinflussen. Deshalb wurde die zelluläre Aufnahme in Abhängigkeit der Proteinhülle (Korona) bei in vitro Bedingungen untersucht. Tragen die Partikel eine Korona, ist bei allen untersuchten Metalloxid-Nanopartikeln eine geringere zelluläre Konzentration zu beobachten und gleichzeitig sind weniger Nanopartikel auf der Zelloberfläche adsorbiert. Die Aufnahme von CeO2 und ZnO wurde näher untersucht, da ZnO als einziger untersuchter Nanopartikel einen deutlichen toxischen Effekt hervorruft und CeO2 durch die hohe Ausbeute des Rückstreusignals und die starke zelluläre Aufnahme zum näheren Studium der Aufnahme besonders geeignet ist. Es wurde beobachtet, dass CeO2 und ZnO im extrazellulären Raum mit Phosphat und Kalzium aus dem Kulturmedium kolokalisiert sind. Da Kalziumphosphat als Transfektionsagenz bekannt ist, kann diese Modifikation der Partikeloberfläche die Aufnahme der Partikel begünstigen. Im Vergleich zu CeO2, ist bei ZnO auf Grund der erhöhten Toxizität keine Sättigung der zellulären Konzentration zu erkennen. Daneben lässt die die Halbierung der zellulären CeO2-Konzentration nach 72 Stunden Applikationszeit darauf schließen, dass die Zellen in der Lage sind die Nanopartikel durch Exozytose wieder abzugeben. Mit Hilfe von Inhibitoren wurde der Aufnahmemechanismus von CeO2-NP untersucht. Dabei zeigte sich, dass CeO2 Nanopartikel durch Caveolae- bzw. Clathrin-vermittelte Endozytose und Makropinozytose aufgenommen werden. Die Internalisierung von CeO2 und ZnO Nanopartikeln wurde mit Hilfe des zellulären Protonen-Rückstreusignals untersucht. Internalisierte Nanopartikel liefern im Vergleich zu extrazellulär assoziierten Nanopartikeln ein Rückstreusignal bei niedrigeren Energien, da die zurückgestreuten Protonen durch die Passage des Zellmaterials zusätzlich Energie verlieren. Bei diesen Untersuchungen wurde festgestellt dass, ZnO und CeO2-Nanopartikel ohne Proteinhülle häufiger an der Zelloberfläche lokalisiert sind und zu einer höheren zellulären Konzentration führen. Sowohl im Lungengewebe als auch bei gedehnten primären Typ 2 Pneumozyten und kultivierten Lungenepithelzellen zeigte sich eine sehr inhomogene zelluläre Konzentrationsverteilung der Nanopartikel. Hier liegt die Stärke der Ionenstrahlmikroskopie darin, die Konzentration in einzelnen Zellen bzw. Alveolen erfassen zu können. Dadurch erlaubt es diese Methode, das Risiko abzuschätzen, was durch die Extrembelastung in einzelnen Zellen entstehen könnte. Da Lungengewebe aus Typ I und Typ II Pneumozyten besteht und Makrophagen in das Gewebe einwandern können, ist es in zukünftigen Experimenten notwendig die einzelnen Zelltypen zu markieren, um die Nanopartikel-Aufnahme im Lungengewebe mit den Ergebnissen der Zellkultur besser vergleichen zu können. Durch eine Markierung mit Gold-konjugierten Antikörpern, kann erreicht werden, die einzelnen Zelltypen mittels Ionenstrahlmikroskopie zu identifizieren. Durch verschiedene Applikationsformen bei in vitro und in vivo Untersuchungen ist die Wirkung der Nanopartikel nur schwer vergleichbar. Aus diesem Grund wurde in dieser Arbeit das Konzept der effektiv wirksamen zellulären Dosis eingeführt. Dieses erlaubt es, der Dosis, welche tatsächlich zellulär oder im Gewebe vorhanden ist, einen toxischen Effekt der Nanopartikel zuzuordnen. Dadurch kann die effektive Dosis als wichtige Größe zum systematischen Vergleich von toxikologischen Studien auf in vitro und in vivo Basis eingesetzt werden. Die Ionenstrahlmikroskopie ist zur Zeit die einzige Methode, welche für die intrazelluläre Quantifizierung von unmarkierten Nanopartikeln auf Einzelzellebene in Frage kommt. Deshalb ist sie als zukünftige Referenzmethode für die Dosimetrie von Nanopartikeln sehr gut geeignet.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Oberflächenglättung und selbstorganisierten Musterbildung auf Si(100) und Ge(100) durch Beschuss mit niederenergetischen Edelgasionen (Ne, Ar, Kr, Xe). Die Untersuchungen wurden für Ionenenergien zwischen 400 eV und 2000 eV für Ioneneinfallswinkel von 0° bis 85° durchgeführt. Zudem wurde die zeitliche Entwicklung spezifischer Erosionsformen durch die Variation der Fluenz über zwei Größenordnungen analysiert. In den Experimenten finden sich deutliche Anzeichen einer Facettierung sowie einer Vergröberung der Strukturen mit zunehmender Erosionszeit. Diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass von Beginn an gradientenabhängiges Zerstäuben und die Reflexion von Primärionen einen wesentlichen Einfluss auf die Strukturentwicklung haben. Die Ergebnisse werden im Kontext bestehender Musterbildungsmodelle diskutiert.

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

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

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die erstmalige, umfassende und systematische Untersuchung aller Teilprozesse bei der ionenstrahlgestützten Schichtabscheidung (IBSD). Silber (Metall) und Germanium (Halbleiter) wurden als Beispielsysteme ausgewählt, da auf Grund der unterschiedlichen Eigenschaften der beiden Materialien prinzipielle Unterschiede in der Zerstäubung und Schichtabscheidung zu erwarten sind. Zur Bearbeitung der wissenschaftlichen Fragestellung erfolgte eine Charakterisierung der Primärteilchen sowie der zerstäubten und gestreuten Teilchen bezüglich ihrer Energie und Winkelverteilung sowie eine Charakterisierung der abgeschiedenen Schichten bezüglich ihrer Schichtdicke, Komposition, Struktur, Oberflächentopographie, elektrischen und optischen Eigenschaften unter Variation der Art (Argon und Xenon), der Energie (0.5 keV–1.5 keV) und des Einfallswinkels der Primärteilchen relativ zur Targetnormalen (0°–60°) sowie des betrachteten polaren Emissionswinkels (-40°–90°). Die dargestellten Ergebnisse demonstrieren den systematischen Einfluss der primären Prozessparameter (Ionenart, Energie, Einfallswinkel und Emissionswinkel) auf die Eigenschaften der zerstäubten und gestreuten Teilchen und auf die Eigenschaften der erzeugten Silber- und Germaniumschichten, wobei die Eigenschaften der abgeschiedenen Schichten mit den Eigenschaften der schichtbildenden Teilchen korrelieren. Bei der IBSD von Silber führt der Einfluss der hochenergetischen zerstäubten und gestreuten Teilchen auf die Schichten zu kleineren mittleren Korngrößen und damit zu höheren spezifischen Widerständen und Variationen in den optischen Eigenschaften. Die Untersuchungen zur IBSD von Germanium zeigen, dass der Einbau von Prozessgas in die abgeschiedenen Schichten mit der Anzahl der gestreuten Primärionen, deren Energie hoch genug für eine Implantation in die Schicht ist, korreliert werden kann.

The procedure for milling micrometre scale cantilevers of lutetium iron garnet using a focused ion beam microscope was developed. The infrastructure to study these cantilevers using rotational hysteresis loops and ferromagnetic resonance experiments was set up. The cantilevers were shown to remain magnetic after milling, and the origin of their hysteresis loops investigated with a variant of the Stoner-Wohlfarth model. Ferromagnetic resonance in the cantilevers was demonstrated as the first step towards studying magnetomechanical coupling.

The deformation mechanisms operating in diamond-like carbon (DLC) coatings on (100) and (111) Si, has been investigated. The effect of coating thickness, indenter geometry, substrate orientation and deposition technique on the deformation of DLC coatings and the underlying substrate was studied by undertaking nanoindentation followed by subsurface microstructural characterization. Uncoated (111) Si was also investigated for comparison. The observed microstructural features were correlated to the indentation response of the coatings and compared with simulation studies, as well as observations on uncoated Si. In uncoated (111) Si, phase transformation was found to be responsible for the discontinuities in the load-displacement curves, similar to (100) Si. However, slip was activated on {311} planes instead of on {111} planes. Moreover, the density of defects was also significantly lower and their distribution asymmetric. The coatings were adherent, uniformly thick and completely amorphous. The load-displacement curves displayed several pop-ins and a pop-out, the indentation loads for the first pop-in and the pop-out depending primarily on the thickness of the coating. The coatings exhibited localized compressive deformation in the direction of loading without any through-thickness cracks. The extent of this localized deformation increased with indentation load. Hardness and thickness of the coatings and the geometry of the indenter influenced the magnitude of compressive strains. Harder and thinner coatings and a blunt indenter exhibited the minimum degree of deformation. Densification by rearrangement of molecules has been suggested as the mechanism responsible for plastic compression. At indentation loads corresponding to the first pop-in, (100) and (111) silicon substrates initially deformed by <111> and <311> slip respectively. Higher indentation loads caused phase transformation. Therefore, unlike in uncoated Si, dislocation nucleation in the Si substrate has been proposed as the mode responsible for the first pop-in. Subsequent pop-ins were attributed to further deformation by slip and twinning, phase transformation and extensive cracking (median and secondary cracks) of the substrate. The pop-out, however, was ascribed to phase transformation. Extensive deformation in the substrate, parallel to the interface, is attributed to the wider distribution of the stress brought about by the DLC coating. Good correlation was obtained between the nanoindentation response, microstructural features and simulation studies.

The ability to generate three dimensional (3D) microstructures in solids is of great importance in understanding their true nature, as it eliminates speculation about the spatial distribution of features associated with conventional two dimensional (2D) imaging techniques. There are several recently-developed 3D techniques for determining the spatial distribution of microstructural features, each with a given resolution. There is considerable interest in the development of a specific serial sectioning methodology, termed 3D electron backscatter diffraction (3D-EBSD), which combines a focused ion beam (FIB) with EBSD interfaced to a field emission gun scanning electron microscope. Here, FIB is used as a serial sectioning device for cutting parallel slices of single- and multi-phase materials with a site-specific accuracy of up to 50 nm. Each consecutive slice is mapped by EBSD and the complete dataset combined using advanced computer algorithms to generate a volume of a material whereby the true crystallographic features can be analyzed at submicron resolution. The aims of the thesis was to develop 3D-EBSD into a powerful materials analysis tool and use it to resolve several issues concerning the nature of the deformed state and the nucleation and the growth behaviour of recrystallizing grains. The study commenced with an investigation into the effect of material type (restricted to face centred cubic AI, Cu and Au metallic crystals), FIB milling conditions and EBSD software variables on the quality of EBSD patterns generated on ion-milled surfaces of these materials. The effect of material type on EBSD pattern quality following FIB milling was found to be significant with relatively poor quality EBSD patterns obtained for metals of low atomic number. It was demonstrated, particularly for the high atomic number metals, that moderate FIB milling currents (~1-5nA) generated good quality EBSD maps from a given ion-milled surface. This preliminary work was necessary for balancing the time required for serial sectioning during 3D-EBSD and the generation of sufficient quality EBSD maps from each ion-milled surface. The outcomes of this investigation were applied to two major 3D-EBSD investigations on the microstructural and crystallographic characteristics of: (i) deformation features generated in a cold rolled interstitial free (IF) steel, with particular emphasis on the formation of microbands; and (ii) recrystallization of a cold rolled nickel alloy containing coarse (>1 ??m) silica particles, with particular attention given to the generation of particle deformation zones and their influence on nucleation and growth of recrystallizing grains including particle stimulated nucleation (PSN), twin formation during PSN and the growth behaviour of various types of grain boundary into the deformation microstructure. The foregoing 3D-EBSD studies were significant as they revealed various microstructural and crystallographic features not usually clearly evident in conventional 2D micrographs obtained by either EBSD or optical metallography. For example, the technique demonstrated that microbands in cold rolled IF steel consist of irregular curved surfaces that reconcile findings that microbands straight and aligned parallel to slip planes when viewed in normal direction-rolling direction sections but are wavy in transverse direction-rolling direction sections. Three slip planes were found within the angular range of the curved surface of the microband, which indicates that multiple slip planes are operative during deformation. The work also showed the influence of particle diameter on the misorientations generated within particle deformation zones and clearly showed that particle stimulated nucleation (PSN) occurred at particles greater than 1.5-2 ??m. It was observed that PSN in the nickel sample also generates contiguous grains separated by both coherent and incoherent twin boundaries and, on further growth of these grains into the matrix, the coherent boundary dominates and remains parallel to the primary growth direction of the grains.

Thesis (Ph.D.) - University of St Andrews, November 2007.