Fakultät für Physik - Digitale Hochschulschriften der LMU - Teil 04/05

Das Regime mit hohem Einschluss (H-Mode) in einem Tokamak Plasma zeichnet sich durch eine besondere Randregion aus. Auf einem kleinen räumlichen Bereich von 1-2 cm ändern sich die Eigenschaften des Plasmas signifikant. In dieser Region, auch Pedestal genannt, variieren einige Parameter um 1-2 Größenordnungen. Bisher sind die Entstehung dieses Pedestals und seine Stabilität nur unvollständig verstanden.

Daher ist es ein Ziel dieser Dissertation, zu dem Verständnis des Pedestals beizutragen und Skalierungen für größere Maschinen, wie ITER oder DEMO, zu entwickeln.

Mit Messungen von verschiedenen Tokamaks - ASDEX Upgrade, DIII-D, JET - wurde eine Pedestal-Datenbank aufgebaut. Das Pedestal wurde für alle Maschinen mit derselben Methode charakterisiert. Dadurch erhält man den maximalen Wert im Pedestal, seine Breite und seine Steigung, jeweils für die Elektronendichte ne, Elektronentemperatur Te und Ionentemperatur Ti. Diese Größen und Ableitungen davon, wie Druck oder Einschlusszeit, wurden analysiert. Für diesen Zweck wurden zwei verschiedene Sets von Parametern verwendet: normierte Größen (Druck beta, Zeit nu*, Länge rho*, Form fq und technische Größen (Ausdehnung a, magnetisches Feld Bt, Plasma Strom Ip, Heizleistung P).

Alle Ergebnisse werden durch die Wahl des Koordinatensystems beeinflusst: normierter poloidaler Fluss PsiN oder Ortsraum r/a. Bei beiden Parametersets wurde beobachtet, dass die Pedestalbreiten in Elektronentemperatur und Elektronendichte unterschiedlich skalieren. Für ITER oder DEMO würde diese Skalierung bedeuten, dass das Temperaturpedestal deutlich breiter ist als das Dichtepedestal.

Der Druck am Pedestal zeigt verschiedene Abhängigkeiten für Elektronen und Ionen. Die Extrapolationen zu ITER und DEMO geben ein Te,ped von 4 keV bzw. 10 keV, allerdings ergeben sich deutlich niedrigere Werte für die Ionentemperatur. Eine zwei-Phasen Analyse der Energieeinschlusszeit tauE wurde angewandt, um den Beitrag des Pedestals zur gesamten Einschlusszeit abzuschätzen. Die Abhängigkeiten, die sich aus der Skalierung für tauE,ped ergeben, sind nahezu identisch mit denen der IPB98 Skalierung. Dies ist ein deutlicher Hinweis darauf, dass durch das Pedestal ein signifikanter Beitrag zum gesamten Einschluss geleistet wird. Die Extrapolationen zu ITER zeigen eine Einschlusszeit von 3 s, was sich am unteren Rand der IPB98 Skalierung befindet.

Die Pedestalgradienten im Ortsraum zeigen eine deutliche Korrelation mit den Werten am oberen Rand des Pedestals. Besonders ausgeprägt ist diese Abhängigkeit für die Elektronentemperatur, hier wurde zudem keine Abhängigkeit mit einem anderen Parameter beobachtet. Die Gradienten in PsiN zeigen keine vergleichbare Korrelation.

Der normierte Druckgradient alpha, der für die Stabilität des Pedestals wichtig ist, ist korreliert mit dem normierten Druck und der Plasmaform. Auch andere Beobachtungen lassen auf eine wichtige Rolle der Plasmaform schließen, was einen starken Einfluss auf Extrapolationen haben kann.

Die vorliegende Studie bestätigt, dass die Randtransport Barriere nicht durch eine einzelne Theorie beschrieben werden kann. Die Höhe des Pedestals in der Elektronen- und Ionentemperatur sowie der Dichte kann separat durch entsprechenden Transport limitiert sein, während sie zusammen durch eine Stabilitätsgrenze limitiert sind. Gleichzeitig skaliert die radiale Ausdehnung der Temperatur und der Dichte verschieden.

This thesis is divided into two parts: an instrumentation part and an astrophysical part.

The instrumentation part describes the development and implementation of the fiber coupler

and guiding subsystems of the 2nd generation VLTI instrument GRAVITY. The astrophysical

part describes the derivation of the star formation history of the Milky Way’s

nuclear star cluster based on imaging and spectroscopic data obtained at the Very Large

Telescope.

The future VLTI instrument GRAVITY will deliver micro-arcsecond astrometry, using the

interferometric combination of four telescopes. The instrument is a joint project of several

European institutes lead by the Max Planck Institut f¨ur extraterrestrische Physik.

The instrumental part of this thesis describes the fiber coupler unit and the guiding system.

They serve for beam stabilization and light injection in GRAVITY. In order to deliver

micro-arcsecond astrometry, GRAVITY requires an unprecedented stability of the VLTI

optical train. We therefore developed a dedicated guiding system, correcting the longitudinal

and lateral pupil wanderas well as the image jitter in VLTI tunnel. The actuators for

the correction are provided by four fiber coupler units located in the GRAVITY cryostat.

Each fiber coupler picks the light of one telescope and stabilizes the beam. Furthermore

each unit provides field de-rotation, polarization adjustment as well as atmospheric piston

correction. A novel roof-prism design offers the possibility of on-axis as well as off-axis

fringe tracking. Finally the stabilized beam is injected with minimized losses into singlemode

fibers via parabolic mirrors. We present lab results of the first guiding- as well as

the first fiber coupler prototype, in particular the closed loop performance and the optical

quality. Based on the lab results we derive the on-sky performance of the systems and the

implications concerning the sensitivity of GRAVITY.

The astrophysical part of this thesis presents imaging and integral field spectroscopy data

for 450 cool giant stars within 1 pc from Sgr A*. We use the prominent CO bandheads

to derive effective temperatures of individual giants. Additionally we present the deepest

spectroscopic observation of the Galactic Center so far, probing the number of B9/A0 main

sequence stars (2.2 − 2.8M) in two deep fields. From spectro-photometry we construct

a Hertzsprung-Russell diagram of the red giant population and fit the observed diagram

with model populations to derive the star formation history of the nuclear cluster. We

find that (1) the average nuclear star-formation rate dropped from an initial maximum

10Gyrs ago to a deep minimum 1-2Gyrs ago and increased again during the last few

hundred Myrs, and (2) that roughly 80% of the stellar mass formed more than 5Gyrs ago; (3) mass estimates within R 1 pc from Sgr A* favor a dominant star formation

mode with a normal Chabrier/Kroupa initial mass function for the majority of the past

star formation in the Galactic Center. The bulk stellar mass seems to have formed under

conditions significantly different from the observed young stellar disks, perhaps because at

the time of the formation of the nuclear cluster the massive black hole and its sphere of

influence was much smaller than today.

This thesis contributes to the field of nonequilibrium phenomena in many-body quantum systems. The properties of systems driven out of equilibrium are studied from three different perspectives: dynamics, thermodynamics, and dynamical phase transitions. The real-time dynamics of quenched quantum systems is studied on the basis of explicit examples of strongly-correlated many-body systems such as the Kondo model, the Luttinger liquid, and the anisotropic Heisenberg chain. The thermodynamic point of view is addressed in terms of the nonequilibrium work fluctuation theorems. In particular, it is shown that work distribution functions and thus also the Crooks relation can be measured in optical spectra of the x-ray edge type. The central aspect of this thesis is the definition of a dynamical phase transition for closed quantum many-body systems that is then analyzed in detail for the one-dimensional transverse field Ising model. In the end the properties of periodically driven quantum systems is discussed for different models such as the Kondo model, resonant level model, and the Luttinger liquid.

In this thesis I present the properties of two samples of galaxy groups containing 39 high quality X-ray selected systems and 38 optically (spectroscopically) selected systems in coincident spatial regions at 0.12

Eine wichtige Frage in der aktuellen Wetter- und Klimaforschung ist die quantitative Erfassung des

Luftmassenaustauschs durch die Tropopause. Dabei hat insbesondere der Fluss an Ozon und Wasserdampf durch die Tropopause einen großen Einfluss auf die Chemie und die Strahlungsbilanz der Atmosphäre und spielt damit eine wichtige Rolle für das Verständnis und die Vorhersage des globalen Klimawandels. Mit modernen meteorologischen Messinstrumenten sind die Beobachtungsfehler allerdings teilweise noch vergleichsweise groß und manche Größen lassen sich nur indirekt bestimmen. Es besteht daher großer Bedarf an zusätzlichen und genaueren Beobachtungsmethoden, mit möglichst hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung und hoher Genauigkeit.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Messinstrument AMALFI (Amalgamated Lidars for the Measurement of Trace Gas Fluxes in the Atmosphere), zur Tracer-basierten Vermessung von Austauschprozessen durch die Tropopause, fertiggestellt. Es wurde ein leistungsstarkes Ozonlidar entwickelt, das die Möglichkeiten des am DLR bestehenden Wasserdampflidar WALES (WAter Vapor Lidar Experiment in Space) dahingehend erweitert, dass Ozon und Wasserdampf gleichzeitig mit

einem Instrument gemessen werden können. Dazu wurde ein OPO-basierter Frequenzkonverter entwickelt,

welcher aus dem Licht der Wellenlänge 1064 nm die erforderlichen UV-Wellenlängen durchstimmbar

im Bereich um 305 nm mit einer mittleren Ausgangsleistung von über 1 Watt erzeugt. Dabei lag aufgrund der limitierten Zerstörschwellen der Optiken die größte Herausforderung in der Steigerung der mittleren Ausgangsleistung um eine Größenordnung im Vergleich zum bereits am DLR bestehenden Ozonlidar-Transmitter. Der hier entwickelte flugzeugtaugliche Konverter ist optisch sowie mechanisch und elektrisch mit den 100-Hz Nd:YAG-Pumpmodulen von WALES kompatibel, sodass eine unkomplizierte und schnelle Modifikation von dem Vier-Wasserdampf-Wellenlängen-Lidar WALES auf das Zwei-Wasserdampf- und Zwei-Ozon-Wellenlängen-Lidar ermöglicht wird. Mit AMALFI besteht weltweit erstmals die Möglichkeit, mittels aktiver Fernerkundung gleichzeitig Ozon und Wasserdampf in der Tropopausenregion von dem Flugzeug HALO aus zu vermessen.

Aufgrund der mit HALO verbundenen Terminverzögerungen konnten keine gemeinsamen Ozon- und Wasserdampf-Messungen vorgenommen werden. Alternativ wurde der entwickelte Ozon-Lidartransmitter vom Boden aus getestet und mit zwei unterschiedlichen Ozonmessverfahren des DWD-Observatoriums

vom Hohenpeißenberg validiert. Im Rahmen der Messgenauigkeiten konnte eine Übereinstimmung der drei Instrumente nachgewiesen werden. Weiter kann aus der Übereinstimmung zwischen den experimentellen Messungen und den numerischen Simualtionen gefolgert werden, dass

mit dem Ozonlidar im Flugzeugbetrieb die gestellten Anforderungen zur Vermessung von Ozon im Tropopausenbereich in Bezug auf Auflösung und Genauigkeit tatsächlich erfüllt werden. Damit konnte dessen Eignung im Rahmen der gegebenen Möglichkeiten bewiesen werden.

Mit dem hier komplettierten System AMALFI können künftig unter der Verwendung von Wasserdampf und Ozon als sogenannte Tracer gezielt Stratosphären-Troposphären-Austauschprozesse analysiert werden. Somit steht mit AMALFI in der STE-Forschung ein neuartiges Messinstrument

mit einer noch nie dagewesenen Messabdeckung von der regionalen bis zur kontinentalen Skala mit

der dafür notwendigen hohen räumlichen Auflösung und Genauigkeit zur Verfügung.

In der vorliegenden Arbeit werden mit Methoden der zeitaufgelösten Absorptions-

und Fluoreszenzspektroskopie im UV und sichtbaren Spektralbereich zwei in der

Photochemie grundlegende Isomerisierungsreaktionen untersucht. Einerseits die

perizyklische Ringöffnungsreaktion, andererseits die Z/E-Isomerisierung.

Im ersten Teil der Arbeit wird gezeigt, dass die in der Literatur etablierten Mo-

delle für die perizyklische Ringöffnungsreaktion von 2,2-Diphenyl-5,6-Benzo(2H)-

Chromen nicht vollständig mit den Ergebnissen der zeitaufgelösten Messungen in

Übereinstimmung zu bringen sind. Mit einer Kombination von Absorptions- und

Emissionsmessungen an diesem Chromen werden Inkonsistenzen der bekannten

Modelle aufgezeigt. In einem neuen Reaktionsmodell zur lichtinduzierten Ringöff-

nung können diese vermieden werden. Auch ist das neue Modell in der Lage weitere

experimentelle Beobachtungen zu erklären.

Der zweite Teil der Arbeit zeigt transiente Absorptionsmessungen von unsubstitu-

iertem Hemithioindigo (HTI). HTI eignet sich aufgrund seiner moderaten Größe

und der lichtinduzierbaren, reversiblen Photoreaktion als Modellsystem für die

Erstellung eines Reaktionsmodells zu der von Heteroatomen beeinflussten Z/E-

Isomerisierung. Die vorgestellten Messungen bilden die Grundlage für moderne

quantenchemische Rechnungen. Durch die Kombination aus Experiment und Theo-

rie kann eine Ursache für die großen Unterschiede in der Isomerisierungszeit und

Quantenausbeute zwischen Z→E und E→Z-Isomerisierung von HTI gefunden wer-

den. Die Rechnungen deuten auf die Existenz eines nicht-reaktiven Zerfallskanals

hin, welcher nur vom E-Isomer aus zugänglich ist, und über den ein Großteil der

Population des angeregten Zustandes ultraschnell zurück in den Grundzustand ge-

langt.

Im letzten Teil wird die Isomerisierung einer HTI ω-Aminosäure im Peptidrück-

grat eines kurzen linearen und eines langen zyklischen Peptids untersucht. Dabei

zeigt sich, dass HTI auch in einem Peptidrückgrat seine Fähigkeit zu Isomerisie-

rung behält. Die Zeitkonstante τ 1 , die eine Relaxation im S 1 in einen Zustand mit

Ladungstrennungs Charakter (CTC) beschreibt, liegt bei den als Referenz dienen-

den reinen Schaltermolekülen und den Chromopeptiden gleichermaßen zwischen

6-10 ps. Die Isomerisierung ist bei den Peptidproben im Vergleich zu den Schalter-

molekülen deutlich verlangsamt. Bei dem zyklischen Peptid wurde nach 3 ns nicht

das cw-Differenzspektrum des Chromophors erreicht. Somit ist von einer weite-

ren Relaxation des HTI-Schalters und des verbundenen Peptids auf einer längeren

Zeitskala auszugehen. Die zeitaufgelösten Absorptionsmessungen im Sichtbaren

geben zusammen mit Untersuchungen ultraschneller IR-Spektroskopie detaillierte

Informationen über die Strukturdynamiken in diesen Chromopeptiden.