Masterarbeit/Batchelorarbeit „Untersuchung der ... · und Medizin. Bisher gab es kaum...

Karlsruhe Institute of Technology Institute for Synchrotron Radiation Hermann-von-Helmholtz-Platz 1 D-76344 Eggenstein-Leopoldshafen www.kit.edu

Masterarbeit/Batchelorarbeit „Untersuchung der Nanopartikelerzeugung durch Laser ablation“

Einleitung Mit gepulster Laserablation werden Nanopartikel verschiedener Materialklassen erzeugt, die frei von chemischen Spuren und Oberflächenpassivierung sind. Diese können in verschiedenen, z.B. medizinischen Anwendungen eingesetzt werden. Der Vorgang der Erzeugung ist komplex und beinhaltet die explosive Ablation des Targetmaterials, die Wechselwirkung der Partikel mit dem flüssigen Medium und die Dynamik des Mediums selbst. Um neben der hohen zeitlichen Auflösung auch eine Empfindlichkeit auf der Nanoskala zu erreichen wird in der Arbeitsgruppe zeitaufgelöste Röntgenbeugung verwendet. In einer Zusammenarbeit mit der Uni Essen und dem Paul-Scherrer-Institut bilden wir die Emission der Partikel mit Röntgenkleinwinkelstreuung und zukünftig auch mit abbildenden Methoden an der ANKA (Campus Nord) ab. Ein geeigneter Experimentieraufbau wird gerade entwickelt. -

Aufgaben Im Rahmen der Masterarbeit wird die Durchflusskammer mit der Anregung durch einen Nanosekundenlaser in Betrieb genommen und Messungen mit Kleinwinkelstreuung, bzw. Röntgenbildgebung durchgeführt. Das Ziel ist die Charakterisierung der räumlichen und zeitlichen Verteilung der Nanopartikel im Bereich des Ablations-“plumes“. Erfahrungen bestehen durch ein an der Swiss Light Source erfolgreich durchgeführtes Experiment. Im Rahmen der Batchelorarbeit soll die Dynamik der Kavitätsblase des Medium mit Abbildungsmethoden im sichtbaren Bereich mit höherer Zeitauflösung gemessen werden und mit Modellrechnungen für die Blasendynamik verglichen werden. Angesprochen werden Studenten mit Interesse an Nanowissenschaften/Festkörperphysik/Optik und Freude am experimentellen Arbeiten. Kontaktinformation PD Dr. Anton Plech [email protected] Tel: 608 28665 (Campus Nord, Gebäude 329)

KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und

nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft www.kit.edu

Master Thesis:

“Automated and Semi-automated 3D Volume Segmentation

of Biological Samples”

Introduction As synchrotron-based microtomography allows non-destructive 3D imaging of millimeter sized objects, it has become a powerful tool for biologists to study the functional morphology of small animals like in-sects. To gain insight into the functionality of an insect body, the separation of distinct morphological structures from the image volume is often necessary. Isolated 3D reconstructions of parts like corre-sponding joint components are used to identify moving axes and pivotal points. The isolation of body parts requires segmentation of the original volume, during which the parts of inter-est are labeled. The labels serve as templates for subsequent surface reconstruction. Segmentation of image volumes from biological samples is particularly difficult, as many morphological distinct structures share common grey values or thin boundaries. Furthermore, some functional struc-tures consist of several sub-units (like muscle fibres) or appear heterogeneous (like intestines). With common segmentation tools it is virtually impossible to segment many important structures automati-cally. Unfortunately, manual segmentation is time-consuming and requires a specialist.

3D volume segmentation of a beetle (left) and surface reconstruction based on the labeled part (right).

Task The focus of the thesis should be the development of automated and/or semi-automated tools that sig-nificantly improve the segmentation of image volumes from biological specimens. The creation of "self-learning" algorithms for the identification of structures similar to those that were already segmented in another volume may also be an option. The design of an interface applicable for users without programming skills is important. A plug-in for the Java-based image-processing software ImageJ may serve the cause, but other suggestions are also welcome.

Qualifications needed Programming skills, applicant should be acquainted with 3D image analysis and volume segmentation. A general interest in life sciences is an advantage.

Contact information

Dr. Thomas van de Kamp 0721/608-28655

[email protected]

Karlsruhe Institute of Technology

Institute for Synchrotron Radiation

Hermann-von-Helmholtz-Platz 1

D-76344 Eggenstein-Leopoldshafen

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Master Thesis

“Automation of Data Processing for Talbot Grating Interfer-

ometer Technique“

Introduction X-ray tomography is an invaluable tool for me-dical imaging and materials characterization. However, conventional absorption contrast to-mography is limited in the case of weakly ab-sorbing objects. One approach to overcome this limitation is phase contrast tomography, in which a signal is obtained from the refraction of the X-rays (phase shift). Among existing phase-contrast techniques, Talbot interferometer offers high phase sensitiv-ity even with low brilliance X-ray laboratory sources. Above all, a Talbot grating interfer-ometer simultaneously yields information of at-tenuation, differential phase and dark-field sig-nals within a single measurement. The Talbot interferometer based on two diffraction gratings (superposition of two periodic patterns, Moiré pattern):

1. phase grating, acting as a beam splitter and producing periodic wave profile 2. absorption grating positioned directly in front of the detector as a mask

Wavefront modulations induced by the sample will influence periodicity of Moiré pattern, see figure. Ap-plying phase-stepping technique, at least 4 images are obtained within single radiography. Based on Fourier transformations original data set is reconstructed, resulting in 4 different object information:

1. absorption (attenuation) 2. gradient phase 3. phase 4. dark-field (small-angle scattering).





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Tasks The grating interferometer setup was recently designed and installed at TOPO-TOMO beamline, ANKA Karlsruhe. Data analysis is up to now performed in Matlab and not optimized for large and fast data process-ing. The aim of this work is to realize optimization and automation of phase-retrieval process based on the exist-ing mathematical algorithms.

Qualifications needed C/C++ programming language and parallel programming skills needed, GPU computing (CUDA or OpenCL) is advantage.

Contact information Venera Altapova 0721/608-29203 [email protected]





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Master Thesis

“Fluorescence Algebraic Reconstruction Technique”

Introduction Tomography is an imaging methods, where three-dimensional (3D) information is retrieved from several 2D projection images which are acquired for different angles of view. Algebraic Reconstruction Tech-nique (ART) is commonly used to reconstruct tomography datasets when only few projections are taken. Compared to the widely used filtered backprojection (FBP), ART can offer better results with fewer artifacts. However, as ART methods are iterative, they are computationally rather expensive, and optimized methods using GPU calculations are required for high throughput calculations. ART is a flexi-ble technique that is suitable for many scanning geometries, and in ART corrective factors can be taken naturally into account, which is not possible in FBP. Recently ART has been extended to fluorescence laminography, an imaging technique where the elemental composition of a flat extended sample can be determined. However, there is still much space for improvement.

Task Your main task is to develop and optimize the ART for 3D fluorescence imaging. To improve the results, physical effects like self absorption have to be taken into account and correction should be included in the code. The optimizations include speeding up the code by utilizing GPU calculations. To test and verify the algorithm, you will get the opportunity to participate in experiments at synchrotron radiation facilities where new data is measured, and in writing of publications of the results.

Qualifications needed To be successful in this position, strong skills in computer programming are mandatory. Knowledge of MATLAB/OCTAVE for data treatment purposes is desirable. Short business trips to synchrotrons and conferences should be acceptable to you.

Contact information Feng Xu 0721/608-29223 [email protected]





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Master Thesis

“Phase Retrieval for Ultra-Fast Grating Interferometry”

Introduction For the past decades the Talbot grating interferometry was successfully established as X-ray phase contrast imaging method at most of the synchrotron facilities and even at Laboratory source. Wide ap-plication of this technique with low coherence and brilliance sources promises upcoming broad applica-tion in medicine. However as method rely on phase-stepping technique, for each projection 4 images are required questioning contrast information versus dose received by the probe. To decrease dose ex-position fast measurements are required. Therefore, at Topo-Tomo beamline ANKA fast imaging with grating interferometer was performed: - based on two gratings, phase-stepping technique is based on translation of one of the gratings within

4 steps, resulting in 4 images - sample is rotated to the projection angle and phase-stepping is performed - for fast acquisition, rotation stage was used as a fast axis, meaning that for each position of the grat-

ing, complete tomogram was acquired. That allowed speeding up the measurements from standard 5-6 hours to a few minutes.

Phase-contrast is extremely sensitive to beam position and phase variations. Due to the fact that the acquisition was done with 60000 frames per second, beam oscillation of ANKA source is imprinted in the data. Thus, standard phase reconstruction algorithms failed, see figure. Theoretically, phase-stepping scan where for each position of the grating the CT scan is performed should look like a step function. However, in real measurements it includes all fre-quencies of beam variations as well. Flat-field phase stepping (without the sample) is affected by the same prob-lem, where normally for each grating position around 100 flat-field images are acquired. Meaning for each data set point there are 100 possible flat-fields. One can not average them be-cause of the beam frequencies dis-turbance, thus only one flat-field im-age should be chosen for each pro-jection. This introduces a problem of finding correspondent flat-field effi-ciently.

Tasks Compensate beam instabilities resulting in wrong flat-field corrections. Statistical analysis is required, where for each phase-stepping data set its “own” phase-stepping flat-field is found. This means proc-essing of large volumes, mathematical operations in 4D data sets and fast reconstruction at the same time are of the great demand. The aim of this work is to develop and implement algorithm for finding right flat-fields from fast interfer-ometry data set. Work also includes testing the algorithm on existing data sets and optimization.





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Qualifications needed C/C++ knowledge, parallel programming experience, image processing background. GPU programming (CUDA or OpenCL) are great advantage.

Contact information Venera Altapova 0721/608-29203 [email protected]





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Diplom-/Masterarbeitsthemen in der ANKA THz-Gruppe

Der Bereich des elektromagnetischen Spektrums zwischen 0.3 und 20 THz gilt als vorderste Front der Spektroskopie in Physik, Chemie, Biologie, Materialwissenschaften und Medizin. Bisher gab es kaum Möglichkeiten, hinreichend intensive und brillante Strahlung in dem fraglichen Wellenlängenbereich zu erzeugen, weshalb der Bereich auch als „THz Lücke“ bezeichnet wird. Einen Weg, diese Lücke zu füllen, bietet die Erzeugung hoch intensiver kohärenter Strahlung der entsprechenden Frequenzen in Beschleunigern.

Die ANKA THz-Gruppe widmet ihre Forschung dem Verständnis der komplexen Dynamik der hierzu notwendigen ultrakurzen Elektronenpakete im ANKA-Speicherring im Wechselspiel von Theorie und Experiment. Hierbei kommen State-of-the-Art Techniken an der Grenze des heute technologisch machbaren zum Einsatz. Ziel ist nicht nur, die THz-Lücke für Nutzer dieser Strahlung zu schliessen, sondern insbesondere, diese Strahlung als “Lupe” in die Elektronenstrahldynamik zu verwenden und damit das Wissen in der Beschleunigerphysik voran zu bringen.

Sie können hierzu beitragen, z. B. durch eine Arbeit mit dem Thema:

1. Untersuchung der Bursting Schwelle bei der Erzeugung kohärenter Synchrotronstrahlung im ANKA Speicherring

Selbstwechse lwi rkungsprozesse der kohärenten Strahlung mit der emittierenden Elektronenwolke führen dazu, dass die THz Strahlung in Schüben, sogenannten ʻBurstsʻ emittiert wird. Die genaue Zeitabhängigkeit und das Muster dieser Bursts ermöglicht tiefe E inb l icke in d ie zugrundel iegenden beschleunigerphysikalischen Prozesse. Im Rahmen dieser Arbeit analysieren Sie die mit neu entwickelter ultraschneller Mess-Elektronik systematisch (von Ihnen selbst) aufzunehmenden Messreihen solcher Bursting-Muster für Elektronenpakete unter verschiedenen Strahlbedingungen.

Voraussetzungen sind hier eine gewisse experimentelle Veranlagung, gutes analytisches Denken und keine (allzu grosse) Scheu vor dem Programmieren. Thematisch berührt diese Arbeit ein extrem breites Feld von THz-(Gauss)-Optik, Mikrowellen, Magnetoptik / Strahldynamik, Elektronik, supraleitende Detektoren und Elektrodynamik.

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2. Eine Optik mit negativem Momentum Compaction Faktor für den ANKA Speicherring

Die Größe des Momentum Compaction Faktors ist ein Mass für die Länge der Elektronpulse im S p e i c h e r r i n g . Ve r s u c h e a n a n d e r e n Speicherringen haben gezeigt, dass ein negatives Vorzeichen Vorteile für die Stabilität des Beschleunigers mit sich bringt. Im Rahmen dieser Arbeit entwerfen Sie mithilfe von Beschleunigersimulationsprogrammen eine Optik für den ANKA-Speicherring, die Sie dann auch am Beschleuniger testen. Das beinhaltet ein ausführliches Beschleunigermessprogramm (z .B . Opt ik funk t ionen, aber auch d ie Charakterisierung der emittierten kohärenten Synchrotronstrahlung mit verschiedenen Detektionssystemen).

Voraussetzungen sind hier vor allem keine Scheu vor Simulationsprogrammen und der Wille eine breite Palette experimenteller Techniken einzusetzen und beherrschen zu lernen. Thematisch berührt diese Arbeit Magnetoptik / Strahldynamik, Optimierungstechniken, Supraleitende Detektoren und optische Detektoren.

3. Messung der Elektronenpaketlänge mit einem LNB Detektorsystem

Ein LNB (Low Noise Block) ist ein kommerziell e r h ä l t l i c h e r D e t e k t o r b e k a n n t v o n Satellitenempfängern. Dieser preisgünstige aber extrem empfindliche Detektor zeigte sich in ersten Versuchen als überraschenderweise äusserst geeignet als Werkzeug für die Elektronenstrahldiagnose. Er erlaubt neue Einblicke in den Aufbau des Speicherrings und könnte sogar als Detektor für die Länge der Elektronenpakete in ANKA benutzt werden. Im Rahmen dieser Arbeit würden Sie einen solchen Detektor systematisch untersuchen und mit geeigneten Methoden kalibrieren. Vergleichende Messungen mit etablierten Systemem, wie z.B. einer sogenannten Streak Camera, die Pulsdauern im Picosekunden-Bereich auflösen kann, gehören natürlich auch dazu.

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Voraussetzungen sind eine gewisse experimentelle Veranlagung, vor allem für den Aufbau der Experimente im optischen und Mikrowellenbereich, gutes analytisches Denken und keine (allzu grosse) Scheu vor dem Programmieren. Thematisch berührt diese Arbeit die Bereiche (Gauss)-Optik, Mikrowellen, Magnetoptik, Kalibrationswesen und Elektronik

4. Systematische Untersuchung von Methoden zur Bestimmung der Schwelle zur Micro-Bunching Instabilität

Ü b e r s c h r e i t e t d i e L a d u n g e i n e s Elektronenpaketes einen bestimmten Schwellenwert, führt u.a. die emittiert kohärente Synchrotronstrahlung dazu, dass sich Micro-Strukturen auf der Ladungsverteilung ausbilden. Das führt zu einer Änderung sowohl verschiedener Strahlparameter als auch der emittierten Strahlung an sich. Im Rahmen dieser Arbeit vergleichen Sie systematisch verschiedene Methoden und Techniken, diese Schwelle präzise zu vermessen bzw. sinnvoll zu definieren.

Voraussetzungen sind ausgeprägtes experimentelles Geschick, gutes analytisches Denken und Spass am sorgfältigen Arbeiten und an der Datenauswertung. Thematisch berührt diese Arbeit die Felder Strahldynamik, Messtechnik, ultraschnelle Detektoren für sichtbares Licht und THz-Strahlung und Elektronenstrahldiagnose.

5. Simulationen der Strahldynamik des ANKA Speicherrings mit kohärenter Synchrotronstrahlung

Extrem kurze Elektronenpakete können kohärente Synchronstrahlung emittieren. Diese hochintensive Strahlung beeinflusst ihrerseits die Dynamik der ca. 108 Elektronen in einem Paket im Speicherring. Ziel dieser Arbeit ist es, die komplexe Strahldynamik der Elektronen unter Einwirkung der kohärenten Strahlung und unter Berücksichtigung der transversalen Elektronenbewegung mithilfe des Simulationspaketes ELEGANT zu untersuchen. Hier ist es essentiell, die Simulationen zu optimieren und zu parallelisieren, da hier heutige Computing Techniken an ihre Grenzen stossen....

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-210 -210!2 -110 -110!2 1 2 3 4 5 6 71

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beam current / mA

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S bu

nch

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= 30.8 kHzsf = 18.6 kHzsf = 15.1 kHzsf

= 9.3 kHzsf = 8.4 kHzsf = 6.6 kHzsf = 5.6 kHzsf

Bursting threshold Si-Bolometer (multi-bunch)Bursting threshold HEB (single-bunch)

Voraussetzungen sind sehr gutes analytisches Denken, Phantasie und Kreativität sowie Spass am der Arbeit mit Supercomputern. Thematisch berührt diese Arbeit die Felder Computingtechniken, Strahloptik und Strahldynamik.

6. Untersuchungen zur Stabilisierung von Micro-Strukturen auf Elektronenpaketen im ANKA Speicherring

Kohärente Strahlung emittierende, extrem kurze Elektronenpakete können unter geeigneten Bedingungen Micro-Strukturen auf der Ladungsverteilung ausbilden. Das führt dazu, dass die THz Strahlung in Schüben äusserst starker Strahlung, sogenannten ʻBurstsʻ und nicht kontinuierlich emittiert wird. Im Rahmen dieser Arbeit untersuchen Sie mithilfe von Simulationen, wie sich diese Micro-Strukturen durch die Einwirkung elektromagnetischer Felder stabil isieren lassen, um so die Strahlungsemission substantiell zu verstärken.

Voraussetzungen sind vor allem Programmierkenntnisse und Spass daran, Physik numerisch zu beschreiben. Thematisch berührt diese Arbeit die Felder Elektrodynamik, Computingtechniken bzw. numerische Simulationen, Strahldynamik.

7. Studien zur Femto-Puls-Injektion in eine quasi-isochrone Speicherringoptik

Dank jüngster Erfolge mit der Technik der Plasma-Beschleunigung an verschiedenen Labors ist es heute denkbar, solche Plasma-Beschleuniger als Injektoren für z.B. Speicherringe zur Erzeugung von Synchrotronstrahlung in Erwägung zu ziehen. Elektronenpulse aus Plasma-Beschleunigungs-prozessen zeichnen sich u.a. durch extrem kurze Pu ls längen aber auch durch e ine n ich t vernachlässigbare Energiestreuung aus. Im Rahmen dieser Arbeit untersuchen Sie, wie sich solche Pakete verhalten, wenn sie in einen Speicherring injiziert werden, im dem durch eine spezielle Optik die Laufzeiten für Elektronen verschiedener Energien nahezu gleich (“quasi-isochron”) sind .

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0.1

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-6 -4 -2 0 2 4 6

char

ge d

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normalised X

420TURN:

Section 10

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Voraussetzungen sind sind hier vor allem keine Scheu vor Simulationsprogrammen, gutes analytisches Denken, Kreativität sowie Spass daran, die Grenzen heutiger Technologien zu erweitern. Thematisch berührt diese Arbeit die Felder Simulationstechniken, Strahloptik und Strahldynamik.

8. Ein HF-Photoinjektor für den FLUTE Beschleuniger

Ein neuer (Linear-)Beschleuniger am KIT namens FLUTE soll dazu beitragen, die komplexe Dynamik extrem kurzer Elektronenpakete zu untersuchen und besser zu verstehen. Im Rahmen dieser Arbeit nehmen Sie einen HF-Photoinjektor als Elektronenquelle für FLUTE in Betrieb. Bei einem Photoinjektor werden die Elektronen mithilfe eines intensiven Laserstrahls aus einer Kathode emittiert und dann im umgebenden starken Hochfrequenzfeld auf ca. 7 MeV beschleunigt. Die Arbeit beinhaltet die geeignete Dimensionierung der Photokathode, Optimierung, Kontrolle und Steuerung des Laserspots sowie entsprechende Tests mit dem Hochfrequenzfeld.

Voraussetzungen sind eine ausgeprägte experimentelle Veranlagung sowie ein breites Interesse an verschiedenen Bereichen der Beschleunigertechnologie. Thematisch berührt diese Arbeit die Felder Laser- und Hochfrequenztechnologie.

9. Ein Terahertz-Strahltransportsystem für FLUTE

Der neue (Linear-)Beschleuniger am KIT namens FLUTE wird hoch in tens i ve kohä ren te S t rah lung im Te rahe r t z -Frequenzbereich erzeugen. Die Untersuchung dieser Strahlung erlaubt es, die komplexe Dynamik extrem kurzer Elektronenpakete besser zu verstehen. Im Rahmen dieser Arbeit untersuchen Sie experimentel l die Eigenschaften (wie z.B. Fokussierbarkeit, etc.) von Elektronen emittierter kohärenter THz-Strahlung am ANKA-Speicherring und entwerfen ein geeignetes Strahltransport- und Fokussierungssystem für die ungleich intensivere Strahlung von FLUTE.

Voraussetzungen sind experimentelle Veranlagung, Kreativität sowie Freude am Aufbau neuer Beschleuniger. Thematisch berührt diese Arbeit die Bereiche THz-(Gauss)-Optik, Mikrowellen, (supraleitende) THz-Detektoren und Elektrodynamik.

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10. Modulation/Formung des Longitudinalen Phasenraums bei FLUTE

FLUTE, der neue (Linear-)Beschleuniger am KIT wird extrem kurze Elektronenpakete von nur etwa 30 μm Länge erzeugen. Kurze Ladungsverteilungen emittieren in geeigneten Radiatoren hochintensive kohärente Strahlung. Auch Strukturen auf dieser Ladungsverteilung zeigen sich im Spektrum der emittierten Strahlung. Ziel dieser Arbeit ist es zu untersuchen, wie mithilfe von Modulationen der Ladungsverteilung das Spektrum der emittierten Strahlung kontrolliert variiert werden kann.

Voraussetzungen sind sind hier vor allem Programmierkenntnisse, Kreativität und Spass daran, Physik numerisch zu beschreiben. Thematisch berührt diese Arbeit die Felder Computingtechniken, Strahloptik und Strahldynamik sowie die Erzeugung kohärenter Strahlung.

Forschungsschwerpunkte der ANKA THz Gruppe

Das Kernthema der Gruppe ist die Dynamik ultrakurzer Elektronenpakete (Bunche), die in engem Wechselspiel von Theorie und Experiment untersucht wird. Ein Schwerpunkt ist die Untersuchung solcher Bunche in Speicherringen, wo sie u.a. zur Erzeugung kohärenter THz-Strahlung genutzt werden. Die Gruppe hat in den letzten Jahren nicht nur Expertise im Bereich von Simulationsrechnungen erworben, sondern ist auch in Bezug auf die experimentelle und messtechnische Ausstattung auf der Höhe der Zeit. So werden von uns z.B. neuentwickelte, ultra-schnelle THz-Detektoren (so genannte HEBs) eingesetzt, um Wechselwirkungen zwischen benachbarten Elektronenpaketen zu untersuchen. In enger Kooperation mit Kollegen des ANKA Femto-Labs konnte erstmals an einem Speicherring der aus kurzen Bunchen emittierte kohärente THz-Puls mittels asynchroner elektrooptischer Abtastung detektiert werden. Ein System zur elektrooptischen Abtastung des Bunch-Signals im Speicherring ist in Planung. Neben der Bestimmung von Länge, Form und Substruktur der Ladungsverteilungen umfassen die von der Gruppe bearbeiteten Themen auch das Design von Optiken für die Erzeugung und den Transport kurzer Bunche, die Untersuchung von Multi-Bunch Effekten auf die Erzeugung kohärenter Synchrotronstrahlung sowie die Charakterisierung der emittierten THz-Strahlung. Die Arbeitsgruppe ist ausserdem federführend in der Auslegung und Entwicklung einer neuen, linearbeschleunigerbasierten Lichtquelle für kohärente Strahlung aus dem THz- bis mittleren Infrarotbereich (“TBONE”) und einer Beschleuniger-Testanlage für Erzeugung kohärenter THz-Strahlung (“FLUTE”). Die Aktivitäten der Gruppe sind eingebunden in ein Netzwerk von nationalen und internationalen Kooperationen.

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www.kit.eduKIT – University of the State Baden-Würrtemberg and National Laboratory of the Helmholtz Association

Karlsruhe Institute of TechnologyInstitute for Synchrotron RadiationHermann-von-Helmholtz-Platz 1D-76344 Eggenstein-Leopoldshafenwww.kit.edu

Masterarbeitsthemen

Diplom-/Masterarbeitsthemen in der ANKA THz-Gruppe

1. Untersuchung der Bursting Schwelle bei der Erzeugung kohärenter Synchrotronstrah-lung im ANKA SpeicherringVoraussetzungen sind hier eine gewisse experimentelle Veranlagung, gutes analytisches Denken und keine (allzu grosse) Scheu vor dem Programmieren. Thematisch berührt diese Arbeit ein extrem breites Feld von THz-(Gauss)-Optik, Mikrowellen, Mag-netoptik / Strahldynamik, Elektronik, supraleitende Detektoren und Elektrodynamik.

2. Eine Optik mit negativem Momentum Compaction Faktor für den ANKA SpeicherringVoraussetzungen sind hier vor allem keine Scheu vor Simulationsprogrammen und der Wille eine breite Palette experimenteller Techniken einzusetzen und beherrschen zu lernen. Thematisch berührt diese Arbeit Magnetoptik / Strahldynamik, Optimierungstechniken, Supralei-tende Detektoren und optische Detektoren.

3. Messung der Elektronenpaketlänge mit einem LNB (Low Noise Block) DetektorsystemVoraussetzungen sind eine gewisse experimentelle Veranlagung, vor allem für den Aufbau der Experimente im optischen und Mikrowellenbereich, gutes analytisches Denken und keine (allzu grosse) Scheu vor dem Programmieren. Thematisch berührt diese Arbeit die Bereiche (Gauss)-Optik, Mikrowellen, Magnetoptik, Kalibrati-onswesen und Elektronik

4. Systematische Untersuchung von Methoden zur Bestimmung der Schwelle zur Micro-Bunching Instabilität Voraussetzungen sind ausgeprägtes experimentelles Geschick, gutes analytisches Denken und Spass am sorgfältigen Arbeiten und an der Datenauswertung. Thematisch berührt diese Arbeit die Felder Strahldynamik, Messtechnik, ultraschnelle Detektoren für sichtbares Licht und THz-Strahlung und Elektronenstrahldiagnose.

5. Simulationen der Strahldynamik des ANKA Speicherrings mit kohärenter Synchrotron-strahlung Voraussetzungen sind sehr gutes analytisches Denken, Phantasie und Kreativität sowie Spass am der Arbeit mit Supercomputern. Thematisch berührt diese Arbeit die Felder Computingtechniken, Strahloptik und Strahldynamik.

6. Untersuchungen zur Stabilisierung von Micro-Strukturen auf Elektronenpaketen im ANKA SpeicherringVoraussetzungen sind vor allem Programmierkenntnisse und Spass daran, Physik numerisch zu beschreiben. Thematisch berührt diese Arbeit die Felder Elektrodynamik, Computingtechniken bzw. numerische



Simulationen, Strahldynamik.

7. Studien zur Femto-Puls-Injektion in eine quasi-isochrone Speicherringoptik Voraussetzungen sind sind hier vor allem keine Scheu vor Simulationsprogrammen, gutes analyti-sches Denken, Kreativität sowie Spass daran, die Grenzen heutiger Technologien zu erweitern. Thematisch berührt diese Arbeit die Felder Simulationstechniken, Strahloptik und Strahldynamik.

8. Ein Hochfrequenz-Photoinjektor für den FLUTE BeschleunigerVoraussetzungen sind eine ausgeprägte experimentelle Veranlagung sowie ein breites Interesse an verschiedenen Bereichen der Beschleunigertechnologie. Thematisch berührt diese Arbeit die Felder Laser- und Hochfrequenztechnologie.

9. Ein Terahertz-Strahltransportsystem für FLUTEVoraussetzungen sind experimentelle Veranlagung, Kreativität sowie Freude am Aufbau neuer Beschleuniger. Thematisch berührt diese Arbeit die Bereiche THz-(Gauss)-Optik, Mikrowellen, (supraleitende) THz-Detektoren und Elektrodynamik.

10. Modulation/Formung des Longitudinalen Phasenraums bei FLUTEVoraussetzungen sind sind hier vor allem Programmierkenntnisse, Kreativität und Spass daran, Physik numerisch zu beschreiben. Thematisch berührt diese Arbeit die Felder Computingtechniken, Strahloptik und Strahldynamik sowie die Erzeugung kohärenter Strahlung.

Kontakt: Dr. Anke-Susanne Müller, Tel: 0721 608 2 62 60, anke-susanne.mueller@iss fzk deMaster:



Algebraic Reconstruction Technique (ART) versus Filtered Back Projection (FBP)

Based on the preliminary findings of present PhD work the potential of ART for a drastic reduc-tion of input data stacks to the 3D reconstruction of then electron density compared to FBP is foreseen. For the parallel-beam case this will be done first on a heuristic level and, if successful, subsequently based on strict mathematical arguments. Extensions to the cone-beam case are encouraged. The analysis is of strong relevance for dose reduction in highly-resolved 4D life-cell imaging.

Contact: R. Hofmann ([email protected])

Signal-to-noise ratio as a function of distance in propagation based phase- contrast imaging

A systematic analysis of optimal propagation distances in dependence of exposure time, flux density, coherence, energy, monochromaticity, and the complexity of strong (nearly) pure-phase objects is envisaged. Optimization is for a maximum signal-to-noise ratio at prescribed radiati-on dose in the parallel and cone-beam case where noise is composed of photon statistics and detector background. Experimental verification of theoretical results is foreseen at synchrotron imaging beamlines .

Contact: R. Hofmann ([email protected])

Growth of self-organized quantum dots (QDs) by Molecular Beam Epitaxy (MBE) and characterization with in-situ X-Ray Diffraction (XRD) methods

A portable MBE system which is compatible to a synchrotron beamline faciliates in-situ growth studies of nanostructures such as InAs QDs using XRD methods. In the framework of a recent diploma thesis, first in-situ X-ray experiments at a synchrotron beamline using this MBE system were successfully performed. Further investigations yield the possibility for a better understan-ding of the various processes during the growth of self-organized nanostructures.

Contact: Philipp Schroth ([email protected])

„Electron cloud heat load to a cold bore in an electron storage ring“At the synchrotron light source ANKA (ANgstrom light source KArlsruhe) we pursue an R&D program for superconducting insertion devices. One of the key issues for the development of superconducting IDs is the understanding of the beam heat load to the cold vacuum chamber.Studies performed on the cold bore superconducting undulator installed at ANKA indicate that electron bombardment could explain the observed beam heat load and observed pressure rise.



The mechanism generating the drastic increase of electrons impinging the wall with beam cur-rent is still not clear.While electron cloud build-up models have been well bench marked in machines with positively charged beams, in electron machines they do not reproduce the observations satisfactory.Your task consists in performing beam dynamics studies modifying the ECLOUD code developed at CERN including an ion cloud. Contact: Dr. Sara Casalbuoni, 0721/608-28369 [email protected]

Influence of mechanical tolerances on the performance of a superconducting undula-tor with switchable period lengthAt the synchrotron light source ANKA (ANgstrom light source KArlsruhe) there is an ongoing R&D program for superconducting IDs in order to produce high brilliance for the ID beamlines at synchrotron light source ANKA, and to export this technology to third and fourth generation synchrotron light sources.You task is to study the influence of the mechanical tolerances of a superconducting undulator with switchable period length on the spectral properties and on the transparency of the device to the electron beam.Contact: Dr. Sara Casalbuoni, 0721/608-28369 [email protected]

XANES calculations of Coordination complexes

Coordination chemistry is important in a variety of application areas e.g. Solar cells [1], Semi-conductors, Pharmaceuticals and Catalysis to mention a few. The antibonding orbitals, elec-tronic structure, often play an important part in such chemistry (e.g. through backbonnding mechanisms). XANES (X-ray Absorption Near Edge Structure) is a versatile Synchrotron mea-surement technique which measures transitions from core levels to the unoccupied levels (anti-bonding) giving information of the partial density of states. The project principally concerns calculations of XANES spectra at the Carbon, Nitrogen, Sulp-hur and metal edges to compare with experimental data. Through such a comparison an in depth knowledge of the bonding in coordination compounds can be obtained. A possibility of playing an experimental role also exists.

[1] U. Aygül et. al, http://dx.doi.org/10.1021/jp205653n

85% computer work, well based in theory and calculations.15% experiment at beamline

Contact: Dr. DR Batchelor ([email protected])



Multilayer calculations

In recent years technological advances in manufacture and design of multilayer optics has pro-gressed to the stage where reflection optics with efficiencies above 10% and moderate angle gracing angles of a degree for X-Ray energies of 10-20 keV can be produced. In particular, to what at first appears two disparate directions are being pursued, sub micron (100nm) with moderate energy resolution 1% [1] and wide bandpass E/E10% [2] large reflectivity >20%. The first has applications in �nano-focus� trace element analysis however, another potential application is with High resolution high kinetic energy Photoelectron spectroscopy. The second direction concerns spectroscopic applications which need a large bandpass such as XANES and EXAFS: by altering the incidence angle and/or mirror it is possible to cover a substantial energy range and different energies. The project involves the development of calculation codes for the development, and evaluati-on, of multilayer optics for both spectroscopic and nanofocus applications at ANKA.

[1] C. Morawe et al, Nuclear Instruments and Methods In Physics Research A, 493 (2002) 189-198 [2] C. Morawe, CP879 proceedings (2007), Synchrotron Radiation Instrumentation: Ninth International Conference pgs764-769

85-100% computer work, well based in theory and calculations.15-0% experiment at beamline

Contact: Dr. DR Batchelor ([email protected])

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