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Zellulare Nichtlineare Netzwerke - Optimierungsverfahren und Anwendungen
(2012)
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Gunter Geis
- Zellulare Nichtlineare Netzwerke bzw. Zellulare Neuronale Netzwerke, sogenannte CNN, wurden 1988 von L.O. Chua und L.Yang eingeführt und seither intensiv untersucht. Diese sind als Simulations-Software und als schaltungstechnische Realisierungen, in Hardware, verfügbar.
Als analog arbeitende Hardware Schaltungen können diese Netzwerke erhebliche Rechenleistungen erzielen.
Durch ihren Aufbau ermöglichen sie eine parallele Daten- und Signalverarbeitung.
Eine Einführung in CNN wird gegeben und das EyeRIS 1.1 Systems des Unternehmens ANAFOCUS Ltd. vorgestellt.
Das EyeRIS 1.1 System ist mit einem analog arbeitenden Focal Plane Prozessor (FPP) und einem digitalen Prozessor ausgestattet, wobei der Focal Plane Prozessor auch als Kamera zur Aufnahme von Bildern und Bildsequenzen benutzt werden kann.
Dies ermöglicht es, analoge CNN-Algorithmen zusammen mit digitalen Algorithmen auf einem System zu implementieren und so die Vorteile beider Ansätze zu nutzen. Der Datenaustausch zwischen dem analogen und digitalem Teil des EyeRIS 1.1 Systems geschieht mittels digital/analog und analog/digital Wandlung. Es werden Algorithmen auf dem EyeRIS 1.1 System untersucht und mit Ergebnissen die mittels Simulationen erzeugt wurden verglichen.
In Voruntersuchungen werden die Darstellungsgenauigkeit von Werten im analogen Teil des EyeRIS 1.1 Systems und die Verarbeitungsgeschwindigkeiten des EyeRIS 1.1 Systems untersucht.
Im Weiteren wird besonderes Augenmerk auf medizinische und technische Anwendungsgebiete gelegt werden.
Im medizinischen Anwendungsbereich wird die Implementierung von Algorithmen zur Vorhersage epileptischer Anfälle untersucht.
Hierfür wird ein evolutionär motiviertes Optimierungsverfahren entwicklet und auf dem EyeRIS 1.1-System implementiert.
Hierbei werden Simulationen durchgeführt und mit Ergebnissen, die mittels Verwendung des EyeRIS 1.1 Systems erlangt wurden, verglichen.
Ein zweites Verfahren geht die Signalanalyse für die Vorhersage auf dem EyeRIS 1.1-System mittels Mustererkennung an.
Das Mustererkennungsverfahren wird eingehend beschrieben sowie die hierbei zu beachtenden Randbedingungen erläutert.
Die Ergebnisse zeigen, daß Algorithmen zur Vorhersage von epileptischen Anfällen auf schaltungstechnichen Realisierungen von CNN implementiert werden können.
Im technischen Bereich wird die Anwendbarkeit auf die Problemstellung der Bildverarbeitung gelegt und die Möglichkeit von CNN basierten Algorithmen zur Erkennung von Prozessparametern bei Laserschweißverfahren untersucht. Ein solcher Prozessparameter ist das sogenannte Key-Hole, welches in Bildsequenzen von Laserschweißprozessen als ein Maß für die zu erwartende Qualität einer Schweißnaht herangezogen werden kann. Ein CNN basierter Algorithmus für die Erkennung solcher Key-Holes wird in dieser Arbeit vorgestellt und untersucht.
Für die Überwachung eines Laserschweißverfahrens wird der entwickelte Algorithmius und seine Funktionsweise beschrieben.
Dieser wird in Teilalgorithmen auf die analog bzw. digital arbeitenden Komponenten des EyeRIS 1.1 Systems verteilt.
Die Teilalgorithmen und die möglichen Aufteilungen und deren Laufzeitverhalten werden beschrieben und untersucht.
Die Ergebnisse der Untersuchung zeigen, daß eine Prozessüberwachung mittels CNN möglich ist und heben die Vorteile hervor, welche die Bildaufnahme und -verarbeitung mittels analoger CNN-Hardware bietet.
Eine Untersuchung des Laufzeitverhaltens auf Grafikkarten Prozessoren (GPU's) wird im Anhang vorgestellt.
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Verification of Monte Carlo transport codes by activation experiments
(2012)
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Vera Chetvertkova
- With the increasing energies and intensities of heavy-ion accelerator facilities, the problem of an excessive activation of the accelerator components caused by beam losses becomes more and more important. Numerical experiments using Monte Carlo transport codes are performed in order to assess the levels of activation. The heavy-ion versions of the codes were released approximately a decade ago, therefore the verification is needed to be sure that they give reasonable results. Present work is focused on obtaining the experimental data on activation of the targets by heavy-ion beams. Several experiments were performed at GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung. The interaction of nitrogen, argon and uranium beams with aluminum targets, as well as interaction of nitrogen and argon beams with copper targets was studied. After the irradiation of the targets by different ion beams from the SIS18 synchrotron at GSI, the γ-spectroscopy analysis was done: the γ-spectra of the residual activity were measured, the radioactive nuclides were identified, their amount and depth distribution were detected. The obtained experimental results were compared with the results of the Monte Carlo simulations using FLUKA, MARS and SHIELD. The discrepancies and agreements between experiment and simulations are pointed out. The origin of discrepancies is discussed. Obtained results allow for a better verification of the Monte Carlo transport codes, and also provide information for their further development. The necessity of the activation studies for accelerator applications is discussed. The limits of applicability of the heavy-ion beam-loss criteria were studied using the FLUKA code. FLUKA-simulations were done to determine the most preferable from the radiation protection point of view materials for use in accelerator components.
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Untersuchung der transversalen Strahldynamik beim Transport eines Ionenstrahls durch zwei toroidale Magneten
(2012)
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Heiko Niebuhr
- Zur Erforschung des Strahlstransports durch zwei Toroidsegmente wurden im Rahmen dieser Arbeit theoretische Betrachtungen, Simulationen und experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Dazu wurde ein toroidaler Teststand, bestehend aus zwei 30 Grad Toroidsegmenten mit einer magnetischen Feldstärke von 0,6 T und einer Driftsektion zwischen diesen beiden Magneten von 400 mm Länge, verwendet. Von einer Volumenionenquelle wurde ein Wasserstoffionenstrahl erzeugt und dieser mittels eines Solenoids angepasst und in das erste Toroidsegment eingeschossen. Mit Hilfe eines beweglichen Detektors konnte der Ionenstrahl an jeder Position im Rezipienten beim Transport durch den toroidalen Aufbau experimentell untersucht und vermessen werden.
Bei den Experimenten mit dem vorhandenen Detektor konnten auf den Aufnahmen der Leuchtdichteverteilung starke Sekundärelektroneneffekte beobachtet werden, welche die Untersuchung des Ionenstrahls mit dem Detektor erschwerten oder teilweise ganz unmöglich machten. Aus diesem Grund wurde zur Unterdrückung dieser Elektronen eine Wasserstoffatmosphäre im Rezipienten aufgebaut, welche die Elektronen stärker absorbiert als die Ionen und damit die Beobachtung des Ionenstrahls ermöglichen sollte. Auf diesem Wege lässt sich das transversale Verhalten des Strahls beim Strahltransport durch die toroidalen Magnetfelder mit dem vorhandenen Detektor untersuchen. Die Auswirkungen des Wasserstoffgases auf die geladenen Teilchen wurden dabei theoretisch und experimentell untersucht und analysiert. Die Auswirkung von Helium-, Stickstoff- und Argongas auf den Ionenstrahl und die Elektronen wurde in diesem Zusammenhang experimentell betrachtet.
Des Weiteren wurde mit Hilfe des Computerprogramms TBT der Strahltransport durch die zwei toroidalen Magnetfeldsegmente unter Verwendung von Referenzeinstellungen simuliert und die Ergebnisse mit den theoretischen und experimentellen Daten des Strahltransports verglichen. Bei diesen Simulationen konnten die Gyrationsbewegungen sowie die Transmission des Ionenstrahls durch die Driftsektion genauer untersucht werden.
Da die Magnetfelder der Toroidsegmente auch in der Driftsektion als Führungsfelder dienen sollen, sind die im experimentellen Aufbau verwendeten Toroidsegmente nicht magnetisch geschirmt. Dies hat zur Folge, dass das von den Magneten erzeugte Feld Auswirkungen auf andere Komponenten des toroidalen Teststandes besitzt. Aus diesem Grund wurden die Auswirkungen dieser Magnetfelder auf die Ionenquelle sowie auf das Druckmesssystem des Teststands genauer betrachtet.
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Ultrasonic and magnetic investigations in frustrated low-dimensional spin systems
(2012)
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Thanh Cong Pham
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Thermal expansion studies on low-dimensional frustrated quantum magnets: the case of Kappa-(BEDT-TTF) 2 Cu 2 (CN) 3 and azurite
(2012)
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Rudra Sekhar Manna
- Thermal expansion measurements provide a sensitive tool for exploring a material's thermodynamic
properties in condensed matter physics as they provide useful information
on the electronic, magnetic and lattice properties of a material. In this thesis, thermal
expansion measurements have been carried out both at ambient-pressure and under hydrostatic
pressure conditions. From the materials point of view, the spin-liquid candidate
Kappa-(BEDT-TTF) 2 Cu 2(CN)3 has been studied extensively as a function of temperature and
magnetic field. Azurite, Cu 3 (CO 3) 2 (OH) 2 - a realization of a one-dimensional distorted
Heisenberg chain is also studied both at ambient and hydrostatic pressure to demonstrate
the proper functioning of the newly built setup "thermal expansion under pressure". ...
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The production of _j63 [eta] and _w63 [omega] mesons in 3.5 GeV p+p interaction in HADES
(2011)
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Khaled Teilab
- The study of meson production in proton-proton collisions in the energy range
up to one GeV above the production threshold provides valuable information about
the nature of the nucleon-nucleon interaction. Theoretical models describe the interaction
between nucleons via the exchange of mesons. In such models, different
mechanisms contribute to the production of the mesons in nucleon-nucleon collisions.
The measurement of total and differential production cross sections provide information
which can help in determining the magnitude of the various mechanisms.
Moreover, such cross section information serves as an input to the transport calculations
which describe e.g. the production of e+e− pairs in proton- and pion-induced
reactions as well as in heavy ion collisions.
In this thesis, the production of ω and η mesons in proton-proton collisions at 3.5
GeV beam energy was studied using the High Acceptance DiElectron Spectrometer
(HADES) installed at the Schwerionensynchrotron (SIS 18) at the Helmholtzzenturm
f¨ur Schwerionenforschung in Darmstadt.
About 80 000 ω mesons and 35 000 η mesons were reconstructed. Total production
cross sections of both mesons were determined. Furthermore, the collected statistics
allowed for extracting angular distributions of both mesons as well as performing
Dalitz plot studies.
The ω and η mesons were reconstructed via their decay into three pions (π+π−π0)
in the exclusive reaction pp −→ ppπ+π−π0. The charged particles were identified
via their characteristic energy loss, via the measurement of their time of flight and
momentum, or using kinematics.
The neutral pion was reconstructed using the missing mass method. A kinematic
fit was applied to improve the resolution and to select events in which a π0 was
produced.
The correction of measured yields for the effects of spectrometer acceptance was done
as a function of four variables (two invariant masses and two angles). Systematic
studies of the acceptance for different input distributions were performed.
The measured yields were normalized to the number of measured events of elastic
scattering. Systematic errors due to the methods of the data analysis and the
background subtraction were investigated.
Production angular distributions of ω and η mesons were measured. Both mesons
exhibit a slightly anisotropic angular distribution.
The Dalitz plot of ω meson production shows indications of resonant production.
However, the deviation of the distribution from the one expected by phase space
simulations is not large.
The Dalitz plot of η meson production shows a signal of the production via the
N(1535) resonance, The contribution of N(1535) to the production was quantified
to be about 47%. The angular distribution of η mesons does not show significant
differences between resonant and non resonant production.
The total production cross section of ω mesons in the reaction pp −→ ppω was
determined to be 106.5 ± 0.9 (stat) ± 7.9 (sys) [μb] where stat indicates statistical
error and sys indicates systematic error, while that of η mesons was determined to
be 136.9 ± 0.9 (stat) ± 10.1 (sys) [μb] in the reaction pp −→ ppη
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Study of QCD-like theories at nonzero temperatures and densities
(2012)
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Tian Zhang
- In this thesis I use effective models to investigate the properties of QCD-like
theories at nonzero temperature and baryon chemical potential.
First I construct a PNJL model using a lattice spin model with nearestneighbor
interactions for the gauge sector and four-fermion interactions for
the quarks in (pseudo)real representations of the gauge group. Calculating
the phase diagram in the plane of temperature and quark chemical potential
in QCD with adjoint quarks, it is qualitatively confirmed that the critical
temperature of the chiral phase transition is much higher than the deconfinement
transition temperature. At a chemical potential equal to half of the
diquark mass in the vacuum, a diquark Bose–Einstein condensation (BEC)
phase transition occurs. In the two-color case, a Ginzburg–Landau expansion
is used to study the tetracritical behavior around the intersection point
of the deconfinement and BEC transition lines which are both of second order.
A compact expression for the expectation value of the Polyakov loop in
an arbitrary representation of the gauge group is obtained for any number of
colors, which allows us to study Casimir scaling at both nonzero temperature
and chemical potential.
Subsequently I study the thermodynamics of two-color QCD (QC2D) at
high temperature and/or density using ZQCD, a dimensionally reduced superrenormalizable
effective theory, formulated in terms of a coarse grained
Wilson line. In the absence of quarks, the theory is required to respect the Z2
center symmetry, while the effects of quarks of arbitrary masses and chemical
potentials are introduced via soft Z2 breaking operators. Perturbative
matching of the effective theory parameters to the full theory is carried out
explicitly, and it is argued how the new theory can be used to explore the
phase diagram of two-color QCD.
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Strongly correlated ultracold gases in disordered optical lattices
(2012)
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Denis Semmler
- Seit Anbeginn der Festkörperphysik ist die Frage, warum manche Materialien
metallisch sind, andere dagegen isolierend, von zentraler Bedeutung. Eine erste
Erklärung wurde durch die Bändertheorie [23, 44] gegeben. Die Elektronen
sind dem periodischen Potential der Rumpfatome ausgesetzt, wodurch ein
Energiespektrum bestehend aus Bändern erzeugt wird und die Füllung dieser
Bänder bestimmt die Leitungseigenschaften des Festkörpers. ...
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Shedding light on reaction mechanisms : structure determination of reactive intermediates and investigation of protein structural dynamics using 2D-IR spectroscopy
(2012)
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Andreas T. Meßmer
- Detailed knowledge of reaction mechanisms is key to understanding chemical, biological, and biophysical processes. For many reasons, it is desirable to comprehend how a reaction proceeds and what influences the reaction rate and its products.
In biophysics, reaction mechanisms provide insight into enzyme and protein function, the reason why they are so efficient, and what determines their reaction rates. They also reveal the relationship between the function of a protein and its structure and dynamics.
In chemistry, reaction mechanisms are able to explain side products, solvent effects, and the stereochemistry of a product. They are also the basis for potentially optimizing reactions with respect to yield, enhancing the stereoselectivity, or for modifying reactions in order to obtain other related products.
A key step to investigate reaction mechanisms is the identification and characterization of intermediates, which may be reactive, short-lived, and therefore only weakly populated. Nowadays, the structures of those can in most cases only be hypothesized based on products, side products, and isolable intermediates, because intermediates with a life time of less than a few microseconds are not accessible with the commonly used techniques for structure determination such as X-ray crystallography and nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy.
In this thesis, two-dimensional infrared (2D-IR) spectroscopy is shown to be a powerful complement to the existing techniques for structure determination in solution. 2D-IR spectroscopy uses a femtosecond laser setup to investigate interactions between vibrations - analogous to 2D-NMR, which investigates the interactions between spins. Its ultrafast time resolution makes 2D-IR spectroscopy particularly well suited for the two topics investigated in this thesis: Structure Determination of Reactive Intermediates and Conformational Dynamics of Proteins.
Structure Determination of Reactive Intermediates: The focus of this thesis is using polarization-dependent 2D-IR (P2D-IR) spectroscopy for structure determination of N-crotonyloxazolidinone (referred to as 1), a small organic compound with a chiral oxazolidinone, known as Evans auxiliary, and its reactive complexes with the Lewis acids SnCl4 and Mg(ClO4)2. Chiral oxazolidinones in combination with Lewis acids have frequently been used in stereoselective synthesis for over 30 years. Nevertheless, the detailed mechanisms are in many cases xvi ABSTRACT still mere hypotheses and have not yet been experimentally proven. By accurately measuring the angles between the transition dipole moments in the molecules using an optimized P2D-IR setup and comparing the results to DFT calculations, the conformation of 1 and the conformation and coordination of the main complexes with SnCl4 and Mg(ClO4)2 are unequivocally identified and analyzed in depth. Structural details, such as a slight twist in the solution structure of 1, are detected using P2D-IR spectroscopy; these cannot be inferred from NMR spectroscopy or DFT calculations. In addition to the main Lewis acid complexes, complexes in low concentration are detected and tentatively assigned to different conformations and complexation geometries. The knowledge of those structures is essential for rationalizing the observed stereoselectivities. Additionally, a method is introduced that enables structure determination of molecules in complex mixtures and even in the presence of molecules with similar spectral properties and in high concentration. This work sets the stage for future studies of other substrate-catalyst complexes and reaction intermediates for which the structure determination has not been possible to date.
Conformational Dynamics of Proteins: Exchange 2D-IR spectroscopy allows the investigation of fast dynamics without disturbing the equilibrium of the exchanging species. It is therefore well suited to investigate fast dynamics of proteins and to reveal the speed limit of those. The temperature dependence of the conformational dynamics between the myoglobin substates A1 and A3 in equilibrium is analyzed. The various substates of myoglobin can be detected with FTIR spectroscopy, if carbon monoxide is bound to the heme. From previous studies it is known that the exchange rates at room temperature are in the picosecond time range, well suited to be investigated by 2D-IR spectroscopy. In the temperature range between 0 °C and 40 °C only a weak temperature dependence of the exchange rate in the myoglobin mutant L29I is observed in the present study. The exchange rate approximately doubles from 15 ns-1 at 0 °C to 31 ns-1 at 40 °C. It turned out that the conformational dynamics correlates linearly with the solvent viscosity, which itself is temperature dependent. Comparing our results to measurements at cryogenic temperatures, the linear relation between exchange time constant for this process and the viscosity is shown for the temperature range between -100 °C and 40 °C (corresponding to a viscosity change of 14 orders of magnitude). Thus, it is proven that the dynamics of the conformational switching are mainly determined by solvent dynamics, i.e., the protein dynamics are slaved to the solvent dynamics. This is the first time slaving is observed for such fast processes (in the picosecond time range). The observation implies a long-range structural rearrangement between the myoglobin substates A1 and A3. In addition, the exchange for other mutants and wild type myoglobin is analyzed qualitatively and found to agree with the conclusions drawn from L29I myoglobin.
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RF acceleration of intense laser generated proton bunches
(2012)
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Ali Almomani
