For more than 50 years attening filters have been inserted into the beam path oflinacs to produce a uniform energy fluence distribution of the photon beam and make it suitable for clinical use. Recently, linacs without flattening fifilter (Flattening FilterFree - FFF) are increasingly used in radiotherapy because of its benefifits, e.g. high dose rate (2000 MU/min), reduced scattered and leakage radiation. Hypofractionated radiotherapy is interested in the high dose rate of FFF beams to shorten the treatment delivery time (TDT) especially the FFF beams have acceptable flatness at small fifieldsizes. Radiotherapy techniques that deliver intensity-modulated beams (IMBs), e.g.Tomotherapy, intensity modulated radiation therapy (IMRT) and volumetric modulated arc therapy (VMAT), deal with the non-uniformity of the FFF beam profifile and produce homogeneous dose to the target as FF beams do. Siemens modified the Artiste linac in order to enable photon beam delivery with and without a flattening fifilter. The VMAT version developed by Siemens for Artiste linacs as a novel radiation technique is a modulated arc therapy (mARC). mARC technique is available with single, double and multiple complete or partial arcs. The aims of the current study were the determination of the main characteristics of 7 MV and 11 MV FFF photon beams in comparison with their corresponding 6 MV and 10 MV FF photon beams from Artiste digital linacs. Furthermore, IMRT planning comparisons using FF and FFF photon beams were performed using an Oncentra planning system. The performance of various mARC techniques were estimated and compared with Step and Shoot (S&S) IMRT by using a RayStation planning system. The mARC plans created by FF and FFF beams were evaluated to know which technique is the best. All the treatment plans were created for simple and complex shaped target volumes. The treatment plans are compared using two parameters - plan quality and treatment effi ciency. In addition to the planning study, the plan quality assurance of IMRT and mARC plans were performed using two difffferent volumetric quality assurance devices, Delta4 and Octavius 4D. Removal of the flattening fifilter causes changes in the dosimetric features of photon beams. IMRT plans with and without flattening fifilter were clinically acceptable where both plans have similar quality. In comparison with IMRT-FF, IMRT-FFF plansrequire more MUs and for some clinical cases require longer TDT. mARC technique can deliver dose distributions that are comparable to S&S-IMRT and could be an alternative with a potential to improve the effi ciency of the IMRT treatment delivery.

Zugl.: Dortmund, University, Diss., 2006.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008. / Hergestellt on demand.

Das Thema dieser Arbeit ist die fuer das HEGRA Experiment entwickelte Rekonstruktions-Algoritmen, die Geometry und Energie von hochenergetischen kosmischen Gamma-Strahlen zu rekonstruieren, in die H.E.S.S. software Umgebung zu implementieren und das nicht-gepulste Energie-Spektrum des Krebsnebels zwischen Energien von 300 GeV und 20 TeV zu bestimmen. Dafuer wurden die ersten stereoskopischen Daten von Oktober und November 2003 mit einer 3 Teleskope-Konfiguration des H.E.S.S. Systems der Phase-I verwendet. Die Phase-I des H.E.S.S. Systems wurde im Dezember 2003 fertiggestellt, nachdem das vierte Teleskop in Betrieb genommen wurde. Die Rekonstruktionsalgorithmen wurden mit Monte Carlo Simulationen fuer die vollstaendige Phase-I des Teleskop-Systems getestet. Die Aufloesung fuer die rekonstruierte Richtung und Energie der einzelnen gamma-Ereignisse sind 0.15 Grad und 14 Prozent bei 45 Grad Zenitwinkel. Die Daten des Krebsnebels, die eine Wobble-Versetzung von +-0.5 Grad and +-1.0 Grad haben und die im Zenitwinkel-Bereich von 45 Grad bis 50 Grad fuer 4 Stunden beobachtet wurden, geben ein Signal von 50 Standardabweichungen. Das differentielle Energiespektrum des Krebsnebels zwischen 450 GeV und 20 TeV nach den Schnitten ist (dN / dE) = (3.37+-0.47)*10^{-11}*E^{-2.59+-0.12} cm^{-2} s^{-1} TeV^{-1}. Der integrierte Fluss oberhalb 1 TeV ist (2.11+-0.29)*10^{-11} cm^{-2} s^{-1}. Diese Resultate sind konsistent mit Messungen anderer Experimente, speziell von HEGRA und Whipple. Die Resultate stimmen mit den Erwartungen der synchroton self-Compton Modelle fuer den TeV Emissionbereich ueberein. Das magnetische Feld in der Region, wo die TeV gamma-Strahlen vermutlich entstehen, wird zu 0.18+-0.01 mG bestimmt. Die Resultate dieser Arbeit zeigen die Leistungsfaehigkeit des H.E.S.S. Teleskop-Systems. / The goal of this thesis is to implement the methods developed for the HEGRA experiment to reconstruct the geometry and energy of the air-showers induced by the cosmic high-energy gamma rays into the software environment of the H.E.S.S. experiment. Furthermore, using the implemented algorithms, a search for the unpulsed emission is aimed in the energy range between 300 GeV and 20 TeV from the Crab Nebula using the first stereoscopic data taken during October and November 2003 with the 3 telescope configuration of the H.E.S.S. array in Phase-I. The Phase-I of the H.E.S.S. array was completed in December 2003 by the addition of the fourth telescope. By testing the reconstruction algorithms of a complete Phase-I H.E.S.S. array with Monte Carlo simulations, it is found that the resolution of the reconstructed direction and energy of a gamma-ray event from a zenith angle of 45 degrees is around 0.15 degrees and 14 percent, respectively. The data on the Crab Nebula including runs with wobble offset of +-0.5 degrees and +-1.0 degrees is collected at zenith angles from 45 degrees to 50 degrees for a total of 4 hours and gives a background subtracted signal of about 50 standard deviations. The differential energy spectrum of the unpulsed gamma-ray emission from the Crab Nebula is found to be (dN / dE) = (3.37+-0.47)*10^{-11}*E^{-2.59+-0.12} cm^{-2} s^{-1} TeV^{-1} between 450 GeV and 20 TeV after all cuts. The integral flux above 1 TeV is (2.11+-0.29)*10^{-11} cm^{-2} s^{-1}. These results are consistent with the results published by other experiments, in particular HEGRA and Whipple. The results agree well with the expectation from synchrotron self-Compton models for TeV emission range. The magnetic field in the region, where TeV gamma rays are produced, is found to be 0.18+-0.01 mG. This result agrees with the magnetic field values deduced by the models. The results obtained for the Crab Nebula in this thesis demonstrate the performance of the H.E.S.S. array.

In der Medizin werden ionisierende Strahlen zum Nutzen der Patienten auf vier klassischen Gebieten angewendet: | ❚ künstliche ionisierende Strahlung ❚ Röntgendiagnostik – bildgebende medizinische Diagnostik mit Röntgenstrahlen ❚ Nuklearmedizin – nuklearmedizinische bildgebende Diagnostik und Therapie ❚ Strahlentherapie – Radioonkologie ❚ natürliche ionisierende Strahlung ❚ Radonbalneologie–Therapie mit dem radioaktiven Gas Radon Diese vier Anwendungsgebiete werden in der vorliegenden Broschüre näher beleuchtet. Für Leser, die sich tiefgreifender mit der Problematik befassen wollen, wurden im Anhang einige Internetadressen zusammengestellt. Weitere Informationen sind auch in der Broschüre „Radioaktivität und Strahlenschutz“ des Sächsischen StaatsminisH2teriums für Umwelt und Landwirtschaft zu finden. Redaktionsschluss: 30.06.2015

For more than 50 years attening filters have been inserted into the beam path oflinacs to produce a uniform energy fluence distribution of the photon beam and make it suitable for clinical use. Recently, linacs without flattening fifilter (Flattening FilterFree - FFF) are increasingly used in radiotherapy because of its benefifits, e.g. high dose rate (2000 MU/min), reduced scattered and leakage radiation. Hypofractionated radiotherapy is interested in the high dose rate of FFF beams to shorten the treatment delivery time (TDT) especially the FFF beams have acceptable flatness at small fifieldsizes. Radiotherapy techniques that deliver intensity-modulated beams (IMBs), e.g.Tomotherapy, intensity modulated radiation therapy (IMRT) and volumetric modulated arc therapy (VMAT), deal with the non-uniformity of the FFF beam profifile and produce homogeneous dose to the target as FF beams do. Siemens modified the Artiste linac in order to enable photon beam delivery with and without a flattening fifilter. The VMAT version developed by Siemens for Artiste linacs as a novel radiation technique is a modulated arc therapy (mARC). mARC technique is available with single, double and multiple complete or partial arcs. The aims of the current study were the determination of the main characteristics of 7 MV and 11 MV FFF photon beams in comparison with their corresponding 6 MV and 10 MV FF photon beams from Artiste digital linacs. Furthermore, IMRT planning comparisons using FF and FFF photon beams were performed using an Oncentra planning system. The performance of various mARC techniques were estimated and compared with Step and Shoot (S&S) IMRT by using a RayStation planning system. The mARC plans created by FF and FFF beams were evaluated to know which technique is the best. All the treatment plans were created for simple and complex shaped target volumes. The treatment plans are compared using two parameters - plan quality and treatment effi ciency. In addition to the planning study, the plan quality assurance of IMRT and mARC plans were performed using two difffferent volumetric quality assurance devices, Delta4 and Octavius 4D. Removal of the flattening fifilter causes changes in the dosimetric features of photon beams. IMRT plans with and without flattening fifilter were clinically acceptable where both plans have similar quality. In comparison with IMRT-FF, IMRT-FFF plansrequire more MUs and for some clinical cases require longer TDT. mARC technique can deliver dose distributions that are comparable to S&S-IMRT and could be an alternative with a potential to improve the effi ciency of the IMRT treatment delivery.:Abstract Abbreviation list 1 Introduction 2 Theory 2.1 Linac head configuration 2.2 Flattening fifilter disadvantages 2.3 Flattening fifilter free beams 2.4 Intensity modulated radiation therapy 2.5 Multi leaf collimator 2.6 Step and shoot IMRT 2.7 Dynamic delivery 2.8 Intensity modulated arc therapy 2.9 Modulated arc therapy 2.10 Verification of IMRT and mARC treatment plans 3 Materials and Methods 3.1 Materials 3.1.1 Linear accelerator 3.1.2 Dosimetric tools 3.1.3 Dosimetric verification systems 3.1.4 Treatment planning systems 3.2 Methods 3.2.1 Dosimetric parameters of FF and FFF beams 3.2.2 Comparison of IMRT-FF and IMRT-FFF 3.2.3 mARC planning study 3.2.4 Planning comparison parameters 3.2.5 Dosimetric verification 4 Results 4.1 Dosimetric characteristics of FF and FFF beams 4.1.1 Dose rate 4.1.2 Dose profile 4.1.3 Depth dose curve 4.1.4 Dose in buildup region 4.2 Comparison of IMRT-FF and IMRT-FFF 4.2.1 Plan quality 4.2.2Treatment e ciency 4.3 mARC 4.3.1 Final gantry spacing (F.G.S) 4.3.2 mARC and IMRT 4.3.3 Comparison of mARC 10 MV FF and 11 MV FFF plans 4.3.4 Plan verifications 5 Discussion 5.1 Dosimetric parameters of FF and FFF beams 5.2 IMRT-FF and IMRT-FFF 5.3 mARC Summary Bibliography Selbstandigkeitserklarung Curriculum Vitae Acknowledgement

Gammastrahlenblitze (Gamma-Ray Bursts, GRBs) gehören zu den energiereichsten transienten Ereignissen im Universum und werden als mögliche Quellen von ultra-hochenergetischen kosmischen Strahlen (Ultra-High-Energy Cosmic Rays, UHECRs) gehandelt. Eine eindeutige Bestätigung durch UHECR-Messungen ist jedoch schwierig, da die Richtungsinformation der kosmischen Strahlen während ihrer Ausbreitung aufgrund von Ablenkung durch Magnetfelder teilweise verloren geht. In dieser Dissertation folgen wir einem alternativen multi-messenger Ansatz in welchem die Anwesenheit von kosmischen Strahlen in einem astrophysikalischen Objekt durch Neutrino- oder Photon-Signaturen angezeigt wird. Hierfür simulieren wir GRBs im Internal-Schock-Szenario, welches verschiedene Emissionszonen entlang des astrophysikalischen Jets erfasst, und berechnen nukleare Wechselwirkungen mit modernsten numerischen Codes. In diesem Rahmen diskutieren wir unter welchen Voraussetzungen die Quellklasse von GRBs UHECR-Daten beschreiben kann ohne Neutrinolimits. Letzere begründen sich im Mangel an gemessenen hoch-energetischen (High-Energy, HE) Neutrinos, die mit bekannten GRBs assoziert werden konnten. Die Neutrinolimits können alternativ in Objekten niedriger Leuchtkraft eingehalten werden, die typischerweise eine niedrige Neutrinoproduktionseffizienz haben. Wir präsentieren leptonische Strahlungsmodellierungen für die Unterklasse von GRBs niedriger Leuchktraft mit einem Fokus auf sehr hoch-energetischer (Very-High-Energy, VHE) Emission welche von aktuellen/zukünfitgen Instrumenten beobachtet werden könnte und bestimmen wir die maximalen Energien verschiedener Atomkerne. Die Präsenz von Hadronen kann alternativ durch Signaturen in verschiedenen Wellenlängen des Photonspektrums angezeigt werden. Wir erforschen diesen Ansatz in lepto-hadronischen Modellen für GRBs mit hoher Leuchtkraft, wobei wir kritisch diskutieren, welche Bedingungen erfüllt sein müssen damit typische GRB-Spektren reproduziert werden können. / Gamma-Ray Bursts (GRBs) are among the most energetic transients in the Universe and candidate sources of Ultra-High-Energy Cosmic Rays (UHECRs). A clear confirmation from UHECR measurements is however challenging, as the directional information of cosmic rays is partially lost due to deflection by (inter-)galactic magnetic fields. In this dissertation we follow an alternative multi-messenger approach, in which the presence of UHECRs in an astrophysical object is indicated by neutrino or photon signatures produced in nuclear interactions. For this, we simulate GRBs in the multi-zone internal shock model, which accounts for different emission zones along the astrophysical jet and calculate nuclear interactions with state-of-the-art numerical codes. In this framework we discuss under which conditions the population of GRBs can still account for UHECR measurements while obeying current neutrino limits that stem from the lack of detected High-Energy (HE) neutrinos which could be associated with known GRBs. These neutrino limits may alternatively be met in low-luminosity objects, which typically have low neutrino production efficiency. We present leptonic radiation models of the sub-class of low-luminosity GRBs, with a focus on Very-High-Energy (VHE) emission potentially observable by current/future instruments. Connecting to UHECRs, we determine maximal energies of different cosmic-ray nuclei. The presence of nuclei may also be indicated by multi-wavelength signatures in the photon spectrum. We explore this approach in lepto-hadronic models of high-luminosity bursts, where we also critically review the conditions necessary to reproduce typical GRB spectra within our model.

Zwischen 10 und 1000 s nach dem Urknall bildeten sich während der Big Bang Nukleosynthese (BBN) die ersten leichten Elemente aus Protonen und Neutronen. Die primordialen Häufigkeiten dieser Elemente hingen von denWirkungsquerschnitten der beteiligten Kernreaktionen ab. Vergleiche zwischen den Ergebnissen nuklearer Netzwerkrechnungen mit astronomischen Beobachtungen bieten eine einzigartige Möglichkeit, etwas über das Universum zu dieser Zeit zu erfahren. Da es für die p(n,g)d-Reaktion, die eine Schlüsselreaktion der BBN ist, kaum Messungen im relevanten Energiebereich gibt, beruht deren Reaktionsrate in Netzwerkrechnungen auf theoretischen Berechnungen. Darin fließen auch experimentelle Daten der Nukleon-Nukleon-Streuung, des Einfangquerschnitts für thermische Neutronen sowie (nach Anwendung des Prinzips des detaillierten Gleichgewichts) der d(g,n)p-Reaktion mit ein. Diese Reaktion, die Photodissoziation des Deuterons, ist bei BBN-Energien (Tcm = 20–200 keV) ebenfalls kaum vermessen. Die großen experimentelle Unsicherheiten machen Vergleiche mit den präzisen theoretischen Berechnungen schwierig. In den letzten Jahren wurde die d(g,n)p-Reaktion und insbesondere der M1-Anteil des Wirkungsquerschnitts mit quasi-monoenergetischen g-Strahlen aus Laser-Compton-Streuung oder durch Elektrodesintegration untersucht. Üblicherweise verwendete man für Messungen des d(g,n)p-Wirkungsquerschnitts entweder die auf wenige diskrete Energien beschränkte Strahlung des g-Zerfalls oder Bremsstrahlung, für die aber eine genaue Photonenflussbestimmung sowie der Nachweis von einem der Reaktionsprodukte und dessen Energie nötig ist. Da diese Energie im Bereich der BBN relativ gering ist, gab es bisher noch keine absoluten Messung des d(g,n)p-Wirkungsquerschnitts bei Tcm < 5 MeV mit Bremsstrahlung. Das Ziel dieser Dissertation ist eine solche Messung mit einer Unsicherheit von 5 % im für die BBN relevanten Energiebereich und darüber hinaus bis Tcm ~ 2,5 MeV unter Verwendung gepulster Bremsstrahlung an der Strahlungsquelle ELBE. Dieser supraleitende Elektronenbeschleuniger befindet sich am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf und stellte einen Elektronenstrahl hoher Intensität bereit. Die kinetische Elektronenenergie von 5 MeV wurde mit einem Browne-Buechner-Spektrometer präzise gemessen. Die Energieverteilung der in einer Niob-Folie erzeugten Bremsstrahlungsphotonen wurde berechnet. Die Photonenflussbestimmung nutzte die Kernresonanzstreuung an 27Al, das sich mit deuteriertem Polyethylen in einem mehrschichtigen Target befand. Die 27Al-Abregungen wurden mit abgeschirmten, hochreinen Germanium-Detektoren nachgewiesen, deren Effektivität mit GEANT4 simuliert und durch Quellmessungen normiert wurde. Die Messung der Energie der Neutronen aus der d(g,n)p-Reaktion erfolgte mittels deren Flugzeit in Plastikszintillatoren, die an zwei Seiten von Photoelektronenvervielfachern mit hoher Verstärkung ausgelesen wurden. Die Nachweiseffektivität dieser Detektoren wurde in einem eigenen Experiment in den Referenz-Neutronenfeldern der PTB Braunschweig kalibriert. Die Nachweisschwelle lag bei etwa 10 keV kinetischer Neutronenenergie.Wegen der guten Zeitauflösung der Neutronendetektoren und des ELBE-Beschleunigers genügte eine Flugstrecke von nur 1 m. Die Energieauflösung betrug im d(g,n)p-Experiment 1–2 %. Leider gingen viele Neutronen bereits durch Streuung in dem großen Target verloren oder sie wurden erst durch Teile des kompakten Experimentaufbaus in die Detektoren gestreut. Beide Effekte wurden mit Hilfe von FLUKA simuliert um einen Korrekturfaktor zu bestimmen, der aber bei niedrigen Energien relativ groß war. Der d(g,n)p-Wirkungsquerschnitts wurde daher nur im Bereich 0.7 MeV < Tcm < 2.5 MeV bestimmt. Die Ergebnisse stimmen mit anderen Messungen, Daten-Evaluierungen sowie theoretischen Rechnungen überein. Die Gesamtunsicherheit beträgt circa 6.5 % und kommt zu fast gleichen Teilen von den statistischen und systematischen Unsicherheiten. Die statistische Unsicherheit könnte durch eine längere FLUKA Simulation noch von 3–5 % auf 1 % verringert werden. Die systematische Unsicherheit von 4.5 % ist vorrangig auf die Photonenflussbestimmung, die Neutronen-Nachweiseffektivität und die Target-Zusammensetzung zurückzuführen.

HESS J1741−302 ist eine nicht identifizierte Quelle sehr hochenergetischer Gammastrahlen, welche circa 1,7 Grad vom Zentrum der Milchstraße entfernt liegt. Diese Quelle ist eines der schwächsten Objekte im TeV-Bereich mit einem Photonfluss von Φ(>1 TeV) = (1.65 ± 0.28stat ± 0.33sys) × 10^−13 cm^−2 s^−1, was ~1% des Krebsnebelflusses im gleichen Energiebereich entspricht. Die Analyse des aktuellen H.E.S.S. Datensatzes von 145 Stunden Beobachtungen mit hoher Qualität gibt Einblicke in die Morphologie von HESS J1741−302. Das Energiespektrum von HESS J1741−302 geht über 10 TeV hinaus, ohne dabei ein klares Anzeichen für einen spektralen Abbruch zu zeigen. Das Spektrum kann durch ein Potenzgesetz mit einem spektralen Index von Γ = 2.28 ± 0.16stat ± 0.20sys und einer Normierung bei 1 TeV von Φ0 = (2.12 ± 0.42stat ± 0.42sys) × 10^−13 cm^−2 s^−1 TeV^−1 beschrieben werden. In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Szenarien für die beobachtete Gammastrahlung und deren Entstehung in Betracht gezogen. Diese beinhalten die Wechselwirkung von Protonen der kosmischen Strahlung mit Molekülwolken entlang der Sichtlinie, IC Streuung an Infrarot-Photonen eines nahe gelegenen OH/IR Sterns und die Präsenz eines Pulsarwindnebels, welcher möglicherweise zu PSR B1737−30 gehört. / HESS J1741−302 is an unidentified very-high-energy (VHE) γ-ray source located in the Galactic Plane at about 1.7° away from the Galactic Center. It is one of the faintest TeV objects detected so far, with a flux Φ(>1 TeV) = (1.65 ± 0.28stat ± 0.33sys) × 10^−13 cm^−2 s^−1 corresponding to ~ 1% of the Crab Nebula flux at the same energies. The data analysis of an updated high-quality dataset of ~145 hours of VHE H.E.S.S. data taken between 2004 and 2013 has revealed the morphology of HESS J1741−302. The γ-ray spectrum of HESS J1741−302 extends beyond 10 TeV without showing any clear evidence of a cut-off. The source spectrum is well described by a power-law model with a spectral index of Γ = 2.28 ± 0.16stat ± 0.20sys and a normalization at 1 TeV of Φ0 = (2.12 ± 0.42stat ± 0.42sys) × 10^−13 cm^−2 s^−1 TeV^−1. Different scenarios will be considered in this thesis, including the interaction of cosmic-ray protons with molecular clouds found along the line of sight, inverse Compton scattering of infra-red photons provided by a nearby OH/IR star and the presence of a nearby pulsar wind nebula possibly related to PSR B1737−30, in order to explain the observed VHE gamma-ray emission.

Gegenstand dieser Arbeit sind Wellenphänomene in mesoskopischen Ringstrukturen. In Teil I der Arbeit befassen wir uns mit spinabhängigem Transport von Elektronen in effektiv eindimensionalen Ringen in Gegenwart inhomogener Magnetfelder. Wir benutzen die exakten Lösungen der Schrödinger-Gleichung im allgemeinen nicht-adiabatischen Fall in einem Transfer-Matrix-Formalismus und untersuchen Auswirkungen von geometrischen Phasen auf den Magnetwiderstand. Für den Spezialfall eines Magnetfeldes in der Ringebene sagen wir einen interessanten Spin-Flip-Effekt vorher, der die Steuerung der Polarisationsrichtung von Elektronen über einen externen Aharonov-Bohm-Fluß erlaubt. Optische mesoskopische Systeme sind Thema von Teil II dieser Arbeit. Wir betrachten zweidimensionale annulare Strukturen, charakterisiert durch unterschiedliche Brechungsindizes, sowohl im klassischen Bild der geometrischen Optik als auch mit Wellenmethoden auf der Grundlage der Maxwellschen Gleichungen. Insbesondere diskutieren wir erstmals eine Streumatrixbeschreibung optischer Mikroresonatoren und wenden sie auf das dielektrische annulare Billard an. Ein Vergleich der Ergebnisse des Wellen- und Strahlenbildes liefert eine gute Übereinstimmung, jedoch sind im Grenzfall großer Wellenlängen von der Ordnung der Systemabmessungen Korrekturen zum Strahlenbild nötig. Wir zeigen am Beispiel von Fresnel-Gesetzen für gekrümmte Oberflächen erstmals, daß der Goos-Hänchen-Effekt diese Korrekturen quantitativ erfaßt. Ausgehend von der Wellenbeschreibung leiten wir neue analytische Formeln für verallgemeinerte Fresnel-Gesetze für beide möglichen Polarisationsrichtungen ab. Die Anwendung des Strahlenbildes erlaubt eine schlüssige Interpretation eines Experiments mit einer quadrupolaren Glasfaser, außerdem schlagen wir Strahlenkonzepte als Grundlage der Konstruktion von Mikrolasern mit maßgeschneiderten Charakteristika vor. / In this work we investigate wave phenomena in mesoscopic systems using different theoretical approaches. In Part I, we focus on effectively one-dimensional electronic ring structures and address the phenomenon of geometric phases in spin-dependent electronic transport in the presence of non-uniform magnetic fields. In the general non-adiabatic case, exact solutions of the Schrödinger equation are used in a transfer matrix formalism to compute the transmission probability through the ring. In the magneto-conductance we identify clear signatures of interference effects due to geometric phases, for example in rings where the non-uniform field is created by a central micromagnet. For the special case of an in-plane magnetic field we predict an interesting spin-flip effect that allows one to control the spin polarization of electrons by applying an external Aharonov-Bohm flux. Optical mesoscopic systems are the subject of Part II. We consider two-dimensional annular structures characterized by different refractive indices, and apply classical methods from geometric optics as well as wave concepts based on Maxwell's equations. For the first time, an S-matrix approach is successfully employed in the description of resonances in optical microresonators; in particular we propose the dielectric annular billiard as an attractive model system. Comparing ray and wave pictures, we find general agreement, except for large wavelengths of the order of the system size, where corrections to the ray model are necessary. The Goos-Hänchen effect as an extension of the ray picture is shown to quantitatively account for wave modifications of Fresnel's laws due to curved interfaces. We derive novel analytical expressions for the corrected Fresnel formulas for both polarizations of light. Motivated by the successful ray description, we give a conclusive interpretation of a recent filter experiment on a quadrupolar glass fibre, and suggest novel concepts for microresonator-based lasers.