Eine der drei Säulen der Krebsbehandlung ist die Strahlentherapie. Einer der neuesten Ansätze hierbei ist die Bestrahlung mit Ionen, zurzeit insbesondere Protonen und Kohlenstoffionen. Diese Hochpräzisionstherapie erfordert ein hohes Maß an Kontrolle, da die applizierte Dosisverteilung sehr empfindlich von Dichteveränderungen im durchstrahlten Gewebe abhängt. Das bisher einzige klinisch eingesetzte Verfahren zur in vivo Überwachung der Dosisapplikation bei Ionenbestrahlungen ist die Positronen-Emissions-Tomographie (PET). Sie ermöglicht eine Verifikation der Teilchenreichweite sowie der Lage des Bestrahlungsfeldes. Die mit der PET-Methode gemessene Aktivitätsverteilung lässt sich jedoch nicht direkt mit der geplanten Dosisverteilung vergleichen. Daher ist eine Vorherberechnung der erwarteten Aktivitätsverteilung auf der Grundlage des Bestrahlungsplanes notwendig, welche dann mit der Messung verglichen wird und eine qualitative Beurteilung der Bestrahlung ermöglicht. Die Vorherberechnung der erwarteten Aktivitätsverteilung erfordert bislang die Kenntnis einer Vielzahl von Wirkungsquerschnitten. Nur für wenige dieser Wirkungsquerschnitte liegen jedoch Messdaten im benötigten Energiebereich und mit ausreichender Genauigkeit vor. Daher verwenden viele Monte-Carlo-Simulationen intrinsische Kernmodelle oder semi-empirische Modellierungen, die häufig eine unzureichende Genauigkeit aufweisen. In Fachkreisen ist bisher noch nicht geklärt, welches die optimale Ionensorte für die Tumortherapie ist. Insbesondere Lithiumionen weisen aufgrund ihrer physikalischen und radiobiologischen Eigenschaften ein großes Potenzial auf. Auch für Bestrahlungen mit diesen Ionen ist ein PET-Monitoring der Therapie erstrebenswert. In der vorliegenden Arbeit wird zunächst die Anwendbarkeit der Reichweite-Verifikation mittels PET bei Bestrahlung mit Lithiumionen gezeigt. Des Weiteren wird ein Konzept zur Modellierung der Positronenemitter-Verteilung ohne Kenntnis der Wirkungsquerschnitte entwickelt. Diese Vorhersage beruht auf in Referenzmaterialien (Wasser, Graphit und Polyethylen) gemessenen tiefenabhängigen Positronenemitter-Yields, mit welchen durch geeignete Linearkombination die Verteilung der Positronenemitter in beliebigen Materialien bekannter Stöchiometrie vorausberechnet werden kann. Die Anwendbarkeit des Yield-Konzeptes wird gezeigt für Lithium- und Kohlenstoffbestrahlungen homogener Polymethylmethacrylat (PMMA) Targets sowie verschiedener inhomogener Targets. / One of the three main tumour treatment forms is radiation therapy. Here, the application of ion beams, in particular protons and carbon ions, is of growing importance. This high precision therapy requires a consequent monitoring of the dose delivery since the induced dose deposition is very sensitive to density changes in the irradiated tissue. Up to now, positron emission tomography (PET) is the only in vivo method in clinical use for monitoring the dose deposition in ion beam therapy. It allows for the verification of the particle range as well as the position of the irradiation field. The distribution of activity measured by means of PET cannot be compared directly to the planned dose distribution. Thus, a calculation of the expected activity distribution is required which then can be compared to the measurement. Simulation of the expected activity distribution requires the exact knowledge of various cross sections. Only a few of them have been measured in the required energy range so far. Therefore, in Monte Carlo simulations often intrinsic nuclear models or semi-empirical parametrization are used which often exhibit insufficient accuray. Among experts the question on the optimum ion species for tumour therapy is still open. Especially lithium ions exhibit a great potential due to their favourable physical and radiobiological properties. Also for these ions a PET monitoring is highly desirable. The presented work shows the feasibility of range verification by means of PET for lithium irradiation. Furthermore, a concept for modeling positron emitter distributions without the knowledge of cross sections is developed. This prediction is based on depth-dependent positron emitter yields measured in reference materials (water, graphite and polyethylene). With these data the positron emitter distribution in any material of known stoichiometry can be calculated by means of an appropriate linear combination. The feasibility of the yield concept is shown for lithium and carbon irradiation, respectively, of homogeneous polymethyl methacrylate (PMMA) as well as various inhomogeneous targets.

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Zusammenhänge zwischen der molekularen Architektur, Morphologie und den mechanischen bzw. bruchmechanischen Eigenschaften in S-SB-S-Triblockcopolymeren und deren Blends und in PI-PS-Multipfropfcopolymeren herauszuarbeiten und damit einerseits einen Beitrag für das Verständnis der Struktur-Eigenschaftsbeziehungen in Block- und Pfropfcopolymeren zu leisten und andererseits Möglichkeiten zur Entwicklung neuer Materialien aufzuzeigen, welche besondere Eigenschaftskombinationen aufweisen und damit ein bedeutendes Interesse für industrielle Anwendungen hervorrufen. Für die Untersuchungen wurde dabei der PS-Außenblockanteil und das S/B-Verhältnis im SB-Mittelblock in S-SB-S-Triblockcopolymeren, die Thermoplast/Thermoplastisches Elastomer (TP/TPE) -Zusammensetzung in S-SB-S-Triblockcopolymer-Blends sowie die Funktionalität und die Anzahl der Verknüpfungspunkte in PI-PS-Multipfropfcopolymeren variiert. Zur Charakterisierung der Phasenmischbarkeit und der Morphologie wurden die dynamisch mechanische Analyse (DMA), die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und die Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS) angewandt. Die mechanischen Eigenschaften wurden mit dem einachsigen Zugversuch untersucht. Bruchmechanische Untersuchungen erfolgten unter Anwendung der „Essential Work of Fracture“- (EWF-) Methode, welche als Konzept der „Post-Yield“-Bruchmechanik innerhalb der Fließbruchmechanik für duktile nanostrukturierte polymere Materialien sehr gut anwendbar ist und Aussagen zur Bruchzähigkeit der Materialien liefert. Zur näheren Charakterisierung des zeitaufgelösten Deformationsverhaltens sowie der Rissausbreitungskinetik wurden die Dehnungsfeldanalyse, eine Bruchflächenanalyse mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) sowie das Risswiderstandskurven-Konzept angewandt. Die Untersuchungen der S-SB-S-Triblockcopolymersysteme und der PI-PS-Multipfropfcopolymere konnten den signifikanten Einfluss der molekularen Architektur, der Blockzusammensetzung und des PS-Gehaltes auf das Phasenverhalten, die Morphologie und die Eigenschaften klar herausstellen. Durch die Variation dieser Parameter kann das Eigenschaftsspektrum von thermoplastisch zu elastomer eingestellt und somit sowohl TPs oder TPEs mit hoher Steifigkeit und Zähigkeit als auch TPEs mit superelastischem Charakter erzeugt werden. Daraus eröffnet sich ein breiter Anwendungsbereich dieser Materialien, welche aufgrund ihrer Transparenz und physiologischen Verträglichkeit auch interessante optische und gesundheitliche Vorteile mitbringen. Es konnte gezeigt werden, dass durch die systematische Variation der Architektur die gezielte Einstellung gewünschter Eigenschaftsprofile möglich ist. Die Arbeit leistet somit einen Beitrag zur Entwicklung anwendungsorientierter Materialkonzepte, welche ingenieurwissenschaftlich interessant sind. / The aim of this thesis was to study the relation between molecular architecture, morphology and (fracture) mechanical properties of S-SB-S triblock copolymers and PI-PS multigraft copolymers. Hence, this work should contribute to the understanding of structure-property-relationship in block and multigraft copolymers and thus offer possibilities for the development of novel materials with special properties interesting for industrial application. Within this study in the case of S-SB-S triblock copolymers the PS outer block content and the S/B ratio of the middle block, in the case of S-SB-S triblock copolymer blends the thermoplast/thermoplastic elastomer (TP/TPE) composition and in case of PI-PS multigraft copolymers the functionality and number of branch points were varied. For the characterisation of morphology and phase miscibility dynamic mechanical analysis (DMA), transmission electron microscopy (TEM) and small angle X-ray scattering (SAXS) were applied. Uniaxial tensile tests were carried out to investigate the mechanical properties. The fracture mechanical behaviour was studied using essential work of fracture (EWF) concept based on the post yield fracture mechanic principles, which is suitable to characterise fracture toughness of ductile nanostructured materials. The time resolved analysis of deformation and fracture behaviour was characterised qualitatively by strain field analysis, scanning electron microscopy (SEM) of the fractured surfaces and quantitatively by evaluation of the crack propagation kinetics and construction of R-curves. This study clearly highlights the significant influence of molecular architecture block composition and PS content on the phase behaviour, morphology and properties of S-SB-S triblock copolymers and PI-PS multigraft copolymers. By varying these parameters the property profile can be adjusted diversifying from thermoplastic to elastomeric and both TP or TPE materials with high stiffness and toughness and TPEs with super-elastic characteristics can be designed. Hence, fundamentally it offers a broad scope of application of these materials, in which physiological compatibility and transparency are added advantages. Thus, conceptually it could be shown, that by systematic variation of the architecture desired property profiles can be adjusted. Therefore the present work contributes to the development of application-oriented material concepts, which are interesting in engineering terms.

Thesis (doctoral) - Humboldt Universität, Berlin, 2003. / Includes bibliographical references (p. [107]-113) and index. Also issued online.

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Eine der drei Säulen der Krebsbehandlung ist die Strahlentherapie. Einer der neuesten Ansätze hierbei ist die Bestrahlung mit Ionen, zurzeit insbesondere Protonen und Kohlenstoffionen. Diese Hochpräzisionstherapie erfordert ein hohes Maß an Kontrolle, da die applizierte Dosisverteilung sehr empfindlich von Dichteveränderungen im durchstrahlten Gewebe abhängt. Das bisher einzige klinisch eingesetzte Verfahren zur in vivo Überwachung der Dosisapplikation bei Ionenbestrahlungen ist die Positronen-Emissions-Tomographie (PET). Sie ermöglicht eine Verifikation der Teilchenreichweite sowie der Lage des Bestrahlungsfeldes. Die mit der PET-Methode gemessene Aktivitätsverteilung lässt sich jedoch nicht direkt mit der geplanten Dosisverteilung vergleichen. Daher ist eine Vorherberechnung der erwarteten Aktivitätsverteilung auf der Grundlage des Bestrahlungsplanes notwendig, welche dann mit der Messung verglichen wird und eine qualitative Beurteilung der Bestrahlung ermöglicht. Die Vorherberechnung der erwarteten Aktivitätsverteilung erfordert bislang die Kenntnis einer Vielzahl von Wirkungsquerschnitten. Nur für wenige dieser Wirkungsquerschnitte liegen jedoch Messdaten im benötigten Energiebereich und mit ausreichender Genauigkeit vor. Daher verwenden viele Monte-Carlo-Simulationen intrinsische Kernmodelle oder semi-empirische Modellierungen, die häufig eine unzureichende Genauigkeit aufweisen. In Fachkreisen ist bisher noch nicht geklärt, welches die optimale Ionensorte für die Tumortherapie ist. Insbesondere Lithiumionen weisen aufgrund ihrer physikalischen und radiobiologischen Eigenschaften ein großes Potenzial auf. Auch für Bestrahlungen mit diesen Ionen ist ein PET-Monitoring der Therapie erstrebenswert. In der vorliegenden Arbeit wird zunächst die Anwendbarkeit der Reichweite-Verifikation mittels PET bei Bestrahlung mit Lithiumionen gezeigt. Des Weiteren wird ein Konzept zur Modellierung der Positronenemitter-Verteilung ohne Kenntnis der Wirkungsquerschnitte entwickelt. Diese Vorhersage beruht auf in Referenzmaterialien (Wasser, Graphit und Polyethylen) gemessenen tiefenabhängigen Positronenemitter-Yields, mit welchen durch geeignete Linearkombination die Verteilung der Positronenemitter in beliebigen Materialien bekannter Stöchiometrie vorausberechnet werden kann. Die Anwendbarkeit des Yield-Konzeptes wird gezeigt für Lithium- und Kohlenstoffbestrahlungen homogener Polymethylmethacrylat (PMMA) Targets sowie verschiedener inhomogener Targets. / One of the three main tumour treatment forms is radiation therapy. Here, the application of ion beams, in particular protons and carbon ions, is of growing importance. This high precision therapy requires a consequent monitoring of the dose delivery since the induced dose deposition is very sensitive to density changes in the irradiated tissue. Up to now, positron emission tomography (PET) is the only in vivo method in clinical use for monitoring the dose deposition in ion beam therapy. It allows for the verification of the particle range as well as the position of the irradiation field. The distribution of activity measured by means of PET cannot be compared directly to the planned dose distribution. Thus, a calculation of the expected activity distribution is required which then can be compared to the measurement. Simulation of the expected activity distribution requires the exact knowledge of various cross sections. Only a few of them have been measured in the required energy range so far. Therefore, in Monte Carlo simulations often intrinsic nuclear models or semi-empirical parametrization are used which often exhibit insufficient accuray. Among experts the question on the optimum ion species for tumour therapy is still open. Especially lithium ions exhibit a great potential due to their favourable physical and radiobiological properties. Also for these ions a PET monitoring is highly desirable. The presented work shows the feasibility of range verification by means of PET for lithium irradiation. Furthermore, a concept for modeling positron emitter distributions without the knowledge of cross sections is developed. This prediction is based on depth-dependent positron emitter yields measured in reference materials (water, graphite and polyethylene). With these data the positron emitter distribution in any material of known stoichiometry can be calculated by means of an appropriate linear combination. The feasibility of the yield concept is shown for lithium and carbon irradiation, respectively, of homogeneous polymethyl methacrylate (PMMA) as well as various inhomogeneous targets.

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Zusammenhänge zwischen der molekularen Architektur, Morphologie und den mechanischen bzw. bruchmechanischen Eigenschaften in S-SB-S-Triblockcopolymeren und deren Blends und in PI-PS-Multipfropfcopolymeren herauszuarbeiten und damit einerseits einen Beitrag für das Verständnis der Struktur-Eigenschaftsbeziehungen in Block- und Pfropfcopolymeren zu leisten und andererseits Möglichkeiten zur Entwicklung neuer Materialien aufzuzeigen, welche besondere Eigenschaftskombinationen aufweisen und damit ein bedeutendes Interesse für industrielle Anwendungen hervorrufen. Für die Untersuchungen wurde dabei der PS-Außenblockanteil und das S/B-Verhältnis im SB-Mittelblock in S-SB-S-Triblockcopolymeren, die Thermoplast/Thermoplastisches Elastomer (TP/TPE) -Zusammensetzung in S-SB-S-Triblockcopolymer-Blends sowie die Funktionalität und die Anzahl der Verknüpfungspunkte in PI-PS-Multipfropfcopolymeren variiert. Zur Charakterisierung der Phasenmischbarkeit und der Morphologie wurden die dynamisch mechanische Analyse (DMA), die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und die Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS) angewandt. Die mechanischen Eigenschaften wurden mit dem einachsigen Zugversuch untersucht. Bruchmechanische Untersuchungen erfolgten unter Anwendung der „Essential Work of Fracture“- (EWF-) Methode, welche als Konzept der „Post-Yield“-Bruchmechanik innerhalb der Fließbruchmechanik für duktile nanostrukturierte polymere Materialien sehr gut anwendbar ist und Aussagen zur Bruchzähigkeit der Materialien liefert. Zur näheren Charakterisierung des zeitaufgelösten Deformationsverhaltens sowie der Rissausbreitungskinetik wurden die Dehnungsfeldanalyse, eine Bruchflächenanalyse mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) sowie das Risswiderstandskurven-Konzept angewandt. Die Untersuchungen der S-SB-S-Triblockcopolymersysteme und der PI-PS-Multipfropfcopolymere konnten den signifikanten Einfluss der molekularen Architektur, der Blockzusammensetzung und des PS-Gehaltes auf das Phasenverhalten, die Morphologie und die Eigenschaften klar herausstellen. Durch die Variation dieser Parameter kann das Eigenschaftsspektrum von thermoplastisch zu elastomer eingestellt und somit sowohl TPs oder TPEs mit hoher Steifigkeit und Zähigkeit als auch TPEs mit superelastischem Charakter erzeugt werden. Daraus eröffnet sich ein breiter Anwendungsbereich dieser Materialien, welche aufgrund ihrer Transparenz und physiologischen Verträglichkeit auch interessante optische und gesundheitliche Vorteile mitbringen. Es konnte gezeigt werden, dass durch die systematische Variation der Architektur die gezielte Einstellung gewünschter Eigenschaftsprofile möglich ist. Die Arbeit leistet somit einen Beitrag zur Entwicklung anwendungsorientierter Materialkonzepte, welche ingenieurwissenschaftlich interessant sind. / The aim of this thesis was to study the relation between molecular architecture, morphology and (fracture) mechanical properties of S-SB-S triblock copolymers and PI-PS multigraft copolymers. Hence, this work should contribute to the understanding of structure-property-relationship in block and multigraft copolymers and thus offer possibilities for the development of novel materials with special properties interesting for industrial application. Within this study in the case of S-SB-S triblock copolymers the PS outer block content and the S/B ratio of the middle block, in the case of S-SB-S triblock copolymer blends the thermoplast/thermoplastic elastomer (TP/TPE) composition and in case of PI-PS multigraft copolymers the functionality and number of branch points were varied. For the characterisation of morphology and phase miscibility dynamic mechanical analysis (DMA), transmission electron microscopy (TEM) and small angle X-ray scattering (SAXS) were applied. Uniaxial tensile tests were carried out to investigate the mechanical properties. The fracture mechanical behaviour was studied using essential work of fracture (EWF) concept based on the post yield fracture mechanic principles, which is suitable to characterise fracture toughness of ductile nanostructured materials. The time resolved analysis of deformation and fracture behaviour was characterised qualitatively by strain field analysis, scanning electron microscopy (SEM) of the fractured surfaces and quantitatively by evaluation of the crack propagation kinetics and construction of R-curves. This study clearly highlights the significant influence of molecular architecture block composition and PS content on the phase behaviour, morphology and properties of S-SB-S triblock copolymers and PI-PS multigraft copolymers. By varying these parameters the property profile can be adjusted diversifying from thermoplastic to elastomeric and both TP or TPE materials with high stiffness and toughness and TPEs with super-elastic characteristics can be designed. Hence, fundamentally it offers a broad scope of application of these materials, in which physiological compatibility and transparency are added advantages. Thus, conceptually it could be shown, that by systematic variation of the architecture desired property profiles can be adjusted. Therefore the present work contributes to the development of application-oriented material concepts, which are interesting in engineering terms.

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Das Örtliche Konzept dient der Berechnung von Lebensdauern zyklisch belasteter Konstruktionen. Dabei wird die Ermüdungsfestigkeit des ungekerbten Werkstoffes zugrundegelegt, um die Bauteillebensdauer abzuschätzen. Mit dieser Annahme verbunden ist ein starke Vereinfachung des Ermüdungsvorganges. Die Ursache ist die unzureichende Berücksichtigung wesentlicher Einflußgrößen, die die Festigkeit des interessierenden Bauteiles bestimmen und die andere Ausprägung als an der Werkstoffprobe erfahren. Dadurch ist die Zuverlässigkeit der Rechnung reduziert. Die vorliegende Arbeit untersucht und klassifiziert die Ursachen für dieses Übertragbarkeitsproblem. Mit einem sehr flexiblen multiplikativen Ansatz, der technologischen, statistischen und spannungsemchanischen Effekt berücksichtigt, läßt sich der Unterschied zwischen Festigkeit des Bauteils und der Werkstoffprobe rechnerisch erfassen. Zur numerischen Betrachtung technologischer und statistischer Einflüsse kann auf bereits bestehendes Wissen zurückgegriffen werden. Dies wird konzeptbezogen und mit Rücksicht auf die Anwendung angepaßt. Die Berücksichtigung des spannungsmechanischen Einflusses hingegen kann nicht von Bestehendem abgeleitet werden. Dazu wird aus einer umfangreichen Sammlung experimenteller Ergebnisse dieser Einflufaktor abgeleitet. Aus der so gegebenen Stichprobe lassen sich durch eine statistische Auswertung eine Reihe von Kennwerten identifizieren, die die Stützwirkung maßgeblich beeinflussen. Darauf aufbauend wird eine Bestimmungsgleichung für den spannungsmechanischen Einflußfaktor abgeleitet. Somit ist ein Stützwirkungskonzept geschaffen, das es erlaubt, die drei wesentliche Aspekte technologischen, statistischen und spannungsmechanischen Einfluß qualitativ uind quantitativ ins Örtliche Konzept zu integrieren. Mit dieser Vorgehsweise und einer vorliegenden Werkstoffwöhlerlinie läßt sich die bauteilspezifische Festigkeit abschätzen. Die so abgeleitete Wöhlerlinie erlaubt eine wesentlich genauere Lebensdauerberechnung, wie die Kotrolle an umfangreichen, unabhängigen Daten beweist. / The local strain concept serves to estimate the service life of cyclically loaded structures. Here the fatigue strength of the mere material coupon is taken as the basis in the calculation for notched components. This represents a distinct simplification of the complex fatigue process because of disregarding the relevant influences that determine strength and durability. By that the reliability of the calculation is not yet satisfying. The present investigation first classifies the reasons for this problem of transferabillity between notched component and unnotched specimen. A simple but flexible approach is used to describe the technological, statistical and and gradient effect. To consider the technological influences and statistical size effect numerically, known relationships and procedures are taken and adapted to the methodology of the concept. To catch gradient effects a new stress-relief-concept was developed. From a comprehensive database of experimental results gradient effects were were separated. By a statistical analysis relevant variables that govern the stress-relief are identified. Using these, an equation gets derived which enables to compute the gradient effects on fatigue strength. The developed stress-relief-concept allows to estimate a component-related strain(parameter-)-life-curve. Lifetime predictioins based on this are by far more reliable than those based on materials data only. This is verified by a check on an extensive and independent database.

Die Ionenmobilitätsspektrometrie ermöglicht eine selektive Detektion von niedrigkonzentrierten Gasen in Luft. Darauf beruhende Analysegeräte können verhältnismäßig einfach umgesetzt werden und in vielfältigen mobilen Einsatzszenarien wie der Umweltanalytik Anwendung finden. Die vorliegende Dissertation gibt einen Überblick über die Grundlagen der Ionenmobilitätsspektrometrie und setzt die funktionellen Teilkomponenten Ionenfilter und Ionendetektor mit Mikrosystemtechniken um. Dafür werden Möglichkeiten aus dem Stand der Technik vorgestellt und eine für die Umsetzung optimale Variante identifiziert. Ein Ionenfilter basierend auf der Differenzionenmobilitätsspektrometrie zeigt diesbezüglich ein sehr geeignetes Skalierungsverhalten. Zur Integration in einen Demonstrator-Chip wird ein neuartiges Bauelementkonzept verfolgt, mit technologischen Vorversuchen untersetzt und erfolgreich in einen Gesamtherstellungsablauf überführt. Mit Hilfe von weiterführenden analytischen Untersuchungen werden spezifische Phänomene bei der elektrischen Kontaktierung der verwendeten BSOI-Wafer als Ausgangsmaterial hergeleitet und Empfehlungen zur Vermeidung gegeben. Der Funktionsnachweis der Teilkomponente Ionendetektor wird anhand von hergestellten Demonstrator-Chips und mit Hilfe eines entwickelten Versuchsaufbaus begonnen. Es werden die weiteren Schritte zum Nachweis der Gesamtfunktionalität abgeleitet und festgehalten. Auf Basis des umgesetzten Bauelement- und Technologiekonzepts und der vorliegenden Ergebnisse, wird das entwickelte und realisierte Gesamtkonzept als sehr aussichtsreich hinsichtlich der favorisierten Verwendung als Teilkomponente eines miniaturisierten Ionenmobilitätsspektrometers eingeschätzt.