Wir stellen die Resultate einer Untersuchung von Strom-Strom-Korrelatoren beruhend auf den Grundprinzipien der Quantenchromodynamik vor. Wir benutzen die nicht-perturbativen Methoden der sogenannten twisted mass Gitter-QCD mit dynamischem up- und down-Quark unter Ausnutzung der automatischen O(a)-Verbesserung. Als Anwendung diskutieren wir die Berechnung des hadronischen Beitrags zur Korrektur in führender Ordnung in der elektromagnetischen Kopplung zum anomalen magnetischen Moment des Myons. Dieses gilt als eine sehr geeignete Größe für die aktuelle Suche nach neuer Physik jenseits des Standardmodells, besonders im Hinblick auf die Diskrepanz zwischen der Vorhersage aus dem Standardmodell und dem experimentell gemessenen Wert. Innerhalb der theoretischen Bestimmung ist der hadronische Anteil führender Ordnung mit der größten Unsicherheit behaftet und genießt derzeit somit naturgemäß Priorität. Wir beschreiben unsere Studie aller systematischen Unsicherheiten der Gitterrechnung auf Grundlage von drei Gittervolumina, zwei Gitterabständen, Pionmassen im Bereich von 650 MeV bis 290 MeV und den Quark-unverbundenen Beiträgen. Für die Extrapolation zum physikalischen Punkt stellen wir eine neue Methode vor, welche die Abhängigkeit von der Pionmasse hinreichend abschwächt und eine lineare Extrapolation ermöglicht. Im Ergebnis bestimmen wir den Beitrag von up- und down-Quark zu a_mu^hlo(N_f=2) = 5.69 (15) 10^(-8). Die dargelegten Methoden werden auf das Elektron- und das Tau-Lepton erweitert mit dem Resultat a_el^hlo(N_f=2) = 1.512 (43) 10^(-12) bzw. a_tau^hlo(N_f=2) = 2.635 (54) 10^(-6). Wir schätzen den Beitrag des charm-Quarks zu a_mu^hlo in der Partially Quenched tmLQCD mit dem Resultat a_mu^hlo(charm) = 1.447 (24) (30) 10^(-9) in Übereinstimmung mit der Vorhersage über die Dispersionsrelation unter Hinzunahme experimenteller Daten für das hadronische R-Verhältnis. / We present an investigation of hadronic current-current correlators based on the first principles of Quantum Chromodynamics. Specifically we apply the non-perturbative methods of twisted mass lattice QCD with dynamical up and down quark taking advantage of its automatic O(a) improvement. As a special application we discuss the calculation of the hadronic leading order contribution to the muon anomalous magnetic moment. The latter is regarded as a promising quantity for the search for physics beyond the standard model. The origin of the strong interest in the muon anomaly lies in the persistent discrepancy between the standard model estimate and its experimental measurement. In the theoretical determination the hadronic leading order part is currently afflicted with the largest uncertainty and a dedicated lattice investigation of the former can be of strong impact on future estimates. We discuss our study of all systematic uncertainties in the lattice calculation, including three lattice volumes, two lattice spacings, pion masses from 650 MeV to 290 MeV and the quark-disconnected contribution. We present a new method for the extrapolation to the physical point that softens the pion mass dependence of a_mu^hlo and allows for a linear extrapolation with small statistical uncertainty at the physical point. We determine the contribution of up and down quark as a_mu^hlo(N_f=2) = 5.69 (15) 10^(-8). The methods used for the muon are extended to the electron and tau lepton and we find a_el^hlo(N_f=2) = 1.512 (43) 10^(-12) and a_tau^hlo(N_f=2) = 2.635 (54) 10^(-6). We estimate the charm contribution to a_mu^hlo in partially quenched tmLQCD with the result a_mu^hlo(charm) = 1.447 (24) (30) 10^(-9) in very good agreement with a dispersion-relation based result using experimental data for the hadronic R-ratio.

Magnetic nozzles, like Laval nozzles, are observed in several natural systems and have application in areas such as electric propulsion and plasma processing. Plasma flowing through these nozzles is inherently tied to the field lines and must separate for momentum redirection or particle transport to occur. Plasma detachment and associated mechanisms from a magnetic nozzle are investigated. Experimental results are presented from the plume of the VASIMR® VX-200 device flowing along an axisymmetric magnetic nozzle and operated at two ion energies to explore momentum dependent detachment. The argon plume expanded into a 150m3 vacuum chamber where the background pressure was low enough that charge-exchange mean-free-paths were longer than experiment scale lengths. This magnetic nozzle system is demonstrated to hydrodynamically scale up to astrophysical plasmas, particularly the solar chromosphere, implying general relevance to all systems. Plasma parameters were mapped over a large spatial range using measurements from multiple plasma diagnostics. The data show that the plume does not follow the magnetic field lines. A mapped integration of the ion flux shows the plume may be divided into three regions where 1) the plume briefly follows the magnetic flux, 2) diverges quadratically before 3) expanding with linear trajectories. Transitioning from region 1→2, the ion flux departs from the magnetic flux suggesting ion detachment. An instability forms in region 2 driving an oscillating electric field that causes ions to expand before enhancing electron cross-field transport through anomalous resistivity. Transitioning from region 2→3 the electric field dissipates, the trajectories linearize, and the plume effectively detaches. A delineation of sub-to-super Alfvénic flow aligns well with the inflection points of the linearization without a change in magnetic topology. The detachment process is best described as a two part process: First, ions detach by a breakdown of the magnetic moment when the quantity |v/fcLB| becomes of order unity. Second, the turbulent electric field enhances electron transport up to a factor of 4±1 above collisional diffusion; electron cross-field velocities approximate that of the ions and depart on more centralized field lines. Electrons are believed to detach by breakdown of magnetic moment further downstream in the weaker magnetic field.

Les effets cohérents dans l’interaction des particules à haute énergie avec les cristauxouvrent de nouvelles opportunités d’accélération et détection de particules. Les champs électromagnétiquesefficaces présents dans les cristaux qui se présentent dans ce cas peuvent dépassermille fois les champs qui sont maintenant réalisables dans les installations expérimentales.La première partie de la thèse est consacrée à l’étude théorique des effets de diffusion multiples surla dynamique et le rayonnement des particules chargées de haute énergie dans les cristaux. L’undes objectifs de cette étude est de trouver des conditions optimales pour effectuer la mesure dumoment magnétique anormal du baryon Lamda au LHC. En raison de la courte durée de vie de cetteparticule, le seul moyen de fournir une telle mesure est d’utiliser un cristal courbé, qui peut imiter lechamp magnétique de l’ordre de milliers de Tesla.L’optimisation des paramètres du set up expérimental a été réalisée sur la base de la simulation parordinateur du passage du Baryon Lamda à travers un cristal courbé à l’aide du modèle de collisions binaires, entenant compte de la diffusion incohérente sur les vibrations thermiques des atomes des noeuds enréseau et de la diffusion sur un sous-système électronique d’un cristal. Les résultats de la recherchemenée dans la thèse démontre la possibilité d’effectuer une telle expérience au LHC et sont devenusla base de la proposition correspondante.Les effets de diffusion multiple des électrons ultra relativistes et le rayonnement des positons dansles cristaux alignés sont également considérés dans la première partie de la thèse.Il est également démontré que la distribution angulaire spectrale et les caractéristiques de polarisationdu rayonnement diffèrent essentiellement des résultats de la théorie de Bethe–Heitler. Lesconditions d’observation expérimentale de ces effets sont présentées.La deuxième partie de la thèse est consacrée à l’étude des processus transitoires des réacteursrapides fonctionnant dans un régime d’onde de combustion nucléaire auto-entretenue (OCN). C’estun nouveau concept de réacteurs de fission nucléaire avec la soi-disant “sécurité intrinsèque”, danslaquelle le développement d’une réaction nucléaire à chaîne incontrôlable est impossible en raisondes principes physiques du fonctionnement du réacteur. Les concepts prometteurs du réacteur OCNdans le cas de sa mise en œuvre permettent d’utiliser l’uranium appauvri et fournit le traitement desdéchets radioactifs à longue durée de vie.Cette étude est basée sur la résolution numérique de l’équation de diffusion non linéaire non stationnairedu transport de neutrons avec un ensemble d’équations de combustion pour les composantsdu carburant et les équations de la cinétique nucléaire pour les noyaux précurseurs des neutronsretardés, en utilisant une approche “effective multigroup”. Le modèle du réacteur cylindrique homogèneavec le combustible métallique des cycles de carburant U–Pu, Th–U et mixte Th–U–Pu estconsidéré dans le cadre du concept de flambage.À la suite de ces études, l’existence du mode OCN dans le cas du combustible mixte Th–U–Puet de ses avantages essentiels est démontrée; l’analyse détaillée d’un type spécial de rétroactionnégative inhérente au régime OCN et sous-jacente à la “sécurité intrinsèque” d’un tel réacteur esteffectuée; les scénarios d’un démarrage en douceur, d’un arrêt forcé et d’un redémarrage ultérieurdu réacteur OCN sont développés. / The coherent effects in the high energy particle interaction with crystals open up new opportunities for accelerating and detecting techniques. The effective electromagnetic fields that arise in this case can exceed a thousand times the fields that are now attainable at experimental installations. The first part of the thesis is devoted to the theoretical study of the multiple scattering effects on the dynamics and radiation of high energy charged particles in crystals. One of the goals of this study is to find optimal conditions to carry out the measurement of the anomalous magnetic moment of the charmed Lambda Baryon at the LHC. Due to the short lifetime of this particle the only way to provide such a measurement is to use a bent crystal, which can imitate the magnetic field of order of thousand Tesla. The optimization of the parameters for an experimental setup was carried out on the basis of computer simulation of the Lamda Baryon passage through a bent crystal using the binary collisions model, taking in to account incoherent scattering on thermal vibrations of atoms at lattice nodes, and scattering on an electronic subsystem of a crystal. The results of the research conducted in the thesis give an optimistic forecast for the possibility of carrying out such an experiment at the LHC and became the basis of the corresponding proposal. The multiple scattering effects of the thesis. This study is performed in the framework of classical electrodynamics approach for describing the relativistic particle radiation and the computer simulation of fast charged particles passing through a crystal using the above-mentioned model. It is shown, that the spectral-angular distribution and the polarization characteristics of radiation essentially differ from the results of the Bethe–Heitler theory. The conditions for the experimental observation of these effects are presented. The second part of the thesis is devoted to the study of transient processes in advanced fast reactor breeder working in a self-sustained nuclear burning wave (NBW) regime. It is a new concept of nuclear fission reactors with the so-called “intrinsic safety”, in which the development of uncontrolled chain nuclear reaction is impossible due to the physical principles of reactor operation. The promising concepts of NBW reactor in the case of its implementation allows to utilize the depleted Uranium and provides the treatment of long-lived radioactive waste. This study is based on numerical solving the non-stationary non-linear diffusion equation of neutron transport together with a set of the burn-up equations for fuel components and the equations of nuclear kinetics for precursor nuclei of delayed neutrons using effective multi-group approach. The model of cylindrical homogeneous reactor with metallic fuel of U–Pu, Th–U and mixed Th–U–Pufuel cycles is considered in the framework of the buckling concept. As a result of these studies the existence of the NBW mode in the case of mixed Th–U–Pu fuel and its essential advantages are demonstrated; the detailed analysis of a special kind of the negative reactivity feedback that is inherent to the NBW regime and underlies the “intrinsic safety” of such a reactor is performed; the scenarios of a smooth start-up, forced shutdown and subsequent restart of the NBW reactor are developed.

This diploma thesis is about the basics of satellite systems, about their sorting, usage and technologies. An important part is the description of the principles controlling and stabilization of the small experimental CubeSat type satellites. The main point is the proposition and construction of the laboratory model of the CubeSat type satellite that should simulate the chosen methods of controlling and stabilization in laboratory conditions. The thesis describes the construction of the electronic parts of the model, the controlling software of the satellite’s processor and user software for easy controlling by PC.

Small satellites are gaining popularity in a wide range of applications where attitude systems require high precision performance. One of the main sources of errors, in case of magnetic attitude control systems, is the residual magnetic moment (RMM) of the spacecraft. To keep the RMM low and stable, mitigation methods shall be applied based on the satellite’s magnetic dipole moment (MDM) characterization, which shall be measured accurately. For small satellites, the most common technique involves the generation of a field-free region for the magnetic measurements using a test bed. The test bed measurement setup is normally mechanical, where measurements from the device under test (DUT) are very tedious. Optical magnetic test beds (OMTB) are being developed for MDM characterization providing simpler set ups and faster measurements than mechanical test beds. In this work, accuracy of OMTB of Aalto University has been evaluated by measuring three permanent magnets in two configurations. The measurements show a relationship between the estimation accuracy and the DUT’s marker area seen by the camera. Moreover, it was observed that the field-free region generated by Helmholtz coil cage can generate false data points. Based on these observations, the detection of the marker’s positions have been evaluated using the view area (VA) and the pointing angle (PA). The analysis shows that there is a consistent pattern depending on the combination of the VA and PA. Hence, the method of data acquisition was improved in order to prioritize the markers which position allow better accuracy. The achieved improvement of MDM estimation results is 2 %, and the test bed’s overall error evaluated is a 13 % in MDM position estimation and 23 % in MDM magnitude estimation. The improved OMTB was used to characterize the MDM of four magnetic attitude coils of Foresail-1 satellite. The measurements results are consistent with design parameters, showing three dipole configuration in all coils with a MDM magnitude order of 10−2 A·m2. / Foresail-1

В данной работе, основываясь на решении уравнения Фоккера-Планка-Брауна аналитически определена динамическая магнитная восприимчивость обездвиженных магнитных частиц к слабым переменным магнитным полям с учетом межчастичных диполь-дипольных взаимодействий. Полученное решение, а также известные из литературы аналитические и численные данные динамической восприимчивости систем подвижных и обездвиженных взаимодействующих магнитных частиц использовались для моделирования и анализа удельной поглощаемой мощности в зависимости от режимных параметров рассматриваемой системы. / In that work, based on the solution of the Fokker-Planck-Brown equation, the dynamic magnetic susceptibility of immobilized magnetic particles to weak alternating magnetic fields is analytically determined taking into account interparticle dipole-dipole interactions. The solution obtained, as well as the analytical and numerical data of the dynamic susceptibility of systems of moving and immobilized interacting magnetic particles known from the literature, were used to model and analyze the specific loss power depending on the regime parameters of the system under consideration.

Cette thèse est une étude théorique sur la interface de porphyrine de cobalt avec des surfaces métalliques avec le code VASP DFT. Le cadre DFT nécessaire a été introduit dans le chapitre 1. La structure de la jBardeen, une programme ecrit en Java, pour la simulation de la STM est expliqué dans le chapitre 2 et le code source est jointe en annexe. Une étude de l'adsorption de CoTPP sur les surfaces métalliques a été entrepris dans le chapitre 3. Différents paramètres de calcul ont été évalués: Le site d'adsorption et de la géométrie à la fois la molécule et la surface ont été étudiés par rapport à la xc-fonctionnel et correction de la dispersion utilisée. Une adsorption site le plus stable est identifié. Par conséquent, ce site plus stable a été étudiée pour sa structure électronique. Calculés images STM avec le code jBardeen ont été comparés avec une experimentation de CoTPP Cu sur une surface (111) avec une couverture sous monocouche. Dans le chapitre 4, un adatome Fe a été présenté à la CoTPP sur Ag système (111). Trois sites de liaison symétrique différentes pour l'atome Fe ont été identifiés sur le macrocycle, marqué les , bi-, brd- et bru-positions. Un moment magnétique pouvait être attestée qui a été principalement situé sur l'atome Fe. Voies possibles entre les quatre, symétriquement équivalentes, sites bi- ont été étudiées avec des méthodes différentes. Simples calculs dans le vacuum et calculs de la “Nudged Elastic Band” (NEB) de l'ensemble du système a révélé une hauteur de barrière légèrement au-dessus de 0,2 eV allant de position bi à la posititon brd. Une analyse de vibration a montré que la commutation de l'atome Fe est susceptible, lorsqu'il est perturbé hors d'équilibre dans les positions brd et bru. / This thesis is a theoretical study on the cobalt porphyrin - coinage metal surface interface with the DFT code VASP. The necessary DFT framework has been introduced in chapter 1. The structure of the Java program jBardeen for STM simulation is explained in chapter 2 and the source code is attached as Appendix. A study of the adsorption of CoTPP on coinage metal surfaces has been undertaken in chapter 3. Different parameters of the calculation have been evaluated: the adsorption site and the geometry of both the molecule and surface have been investigated with respect to the xc-functional and dispersion correction used. A most stable adsorption site -bridge down- is identified. Consequently, this most stable site was investigated for its electronic structure. Calculated STM images with the jBardeen code were compared with an experiment of CoTPP on a Cu(111) surface with sub monolayer coverage. In chapter 4 an Fe adatom was introduced to the CoTPP on Ag(111) system. Three symmetrically different binding sites for the Fe atom were identified on the macrocycle, labelled the bi-, brd- and bru-positions for bisector, bridge down and bridge up respectively. A magnetic moment could be evidenced which was mainly located on the Fe atom. Possible pathways between the four symmetrically equivalent bisector sites were investigated with different methods. Single point calculations in vacuum and Nudged Elastic Band (NEB) of the whole system revealed a barrier height of slightly above 0.2 eV going from bi- to the brd-position. A vibrational analysis showed that switching of the Fe atom is likely, when perturbed out of equilibrium in the brd- and bru- positions.