Educating and Training Accelerator Scientists and Technologists for Tomorrow

Accelerator science and technology is inherently an integrative discipline that combines aspects of physics, computational science, electrical and mechanical engineering. As few universities offer full academic programs, the education of accelerator physicists and engineers for the future has primarily relied on a combination of on-the-job training supplemented with intense courses at regional accelerator schools. This paper describes the approaches being used to satisfy the educational interests of a growing number of interested physicists and engineers.Comment: 19 pages, 3 figure

Annual Report 2012 / Institute for Pulsed Power and Microwave Technology = Jahresbericht 2012 / Institut für Hochleistungsimpuls- und Mikrowellentechnik. (KIT Scientific Reports ; 7643)

The Institute for Pulsed Power and Microwave Technology (Institut für Hochleistungsimpuls- und Mikrowellentechnik - IHM) is doing research in the areas of pulsed power and high power microwave technologies. Both, research and development of high power sources as well as related applications are in the focus. Applications for pulsed power technologies are ranging from material processing to bioelectrics. Microwave technologies are focusing on RF sources for electron cyclotron resonance heating and on applications for material processing at microwave frequencies

Advanced power sources for space missions

Approaches to satisfying the power requirements of space-based Strategic Defense Initiative (SDI) missions are studied. The power requirements for non-SDI military space missions and for civil space missions of the National Aeronautics and Space Administration (NASA) are also considered. The more demanding SDI power requirements appear to encompass many, if not all, of the power requirements for those missions. Study results indicate that practical fulfillment of SDI requirements will necessitate substantial advances in the state of the art of power technology. SDI goals include the capability to operate space-based beam weapons, sometimes referred to as directed-energy weapons. Such weapons pose unprecedented power requirements, both during preparation for battle and during battle conditions. The power regimes for these two sets of applications are referred to as alert mode and burst mode, respectively. Alert-mode power requirements are presently stated to range from about 100 kW to a few megawatts for cumulative durations of about a year or more. Burst-mode power requirements are roughly estimated to range from tens to hundreds of megawatts for durations of a few hundred to a few thousand seconds. There are two likely energy sources, chemical and nuclear, for powering SDI directed-energy weapons during the alert and burst modes. The choice between chemical and nuclear space power systems depends in large part on the total duration during which power must be provided. Complete study findings, conclusions, and eight recommendations are reported

Quantum Computing

Quantum mechanics---the theory describing the fundamental workings of nature---is famously counterintuitive: it predicts that a particle can be in two places at the same time, and that two remote particles can be inextricably and instantaneously linked. These predictions have been the topic of intense metaphysical debate ever since the theory's inception early last century. However, supreme predictive power combined with direct experimental observation of some of these unusual phenomena leave little doubt as to its fundamental correctness. In fact, without quantum mechanics we could not explain the workings of a laser, nor indeed how a fridge magnet operates. Over the last several decades quantum information science has emerged to seek answers to the question: can we gain some advantage by storing, transmitting and processing information encoded in systems that exhibit these unique quantum properties? Today it is understood that the answer is yes. Many research groups around the world are working towards one of the most ambitious goals humankind has ever embarked upon: a quantum computer that promises to exponentially improve computational power for particular tasks. A number of physical systems, spanning much of modern physics, are being developed for this task---ranging from single particles of light to superconducting circuits---and it is not yet clear which, if any, will ultimately prove successful. Here we describe the latest developments for each of the leading approaches and explain what the major challenges are for the future.Comment: 26 pages, 7 figures, 291 references. Early draft of Nature 464, 45-53 (4 March 2010). Published version is more up-to-date and has several corrections, but is half the length with far fewer reference

Lipase-catalysed synthesis of glycolipids - utilization of innovative media, reactors and substrates -

Glykolipide sind vielversprechende nichtionische Tenside mit einem breiten Anwendungsspektrum. Man begegnet ihnen täglich in Reinigungsmitteln, Pharmazeutika oder auch in Lebensmitteln. Aufgrund ihrer Vielseitigkeit und Präsenz in Hygieneprodukten steigt die Nachfrage weltweit kontinuierlich an. Die etablierte chemische Synthese von Glykolipiden weist einige Nachteile wie mangelnde Spezifität und Selektivität auf. Im Gegensatz zu den traditionellen Tensiden fossilen Ursprungs weisen sie nicht nur hervorragende Tensid- und Emulgiereigenschaften auf, sondern sind auch biologisch abbaubar und nicht toxisch für die Umwelt. Glykolipide können durch mikrobielle Fermentation, durch chemische oder enzymatische Synthese unter Verwendung erneuerbarer Ressourcen hergestellt werden. In der vorliegenden Arbeit zeigen wir unter Verwendung von Lipasen, dass die Esterbildung unter milden und nahezu wasserfreien Bedingungen erreicht werden kann, wobei letztere erforderlich sind, um die Kondensation anstelle der Hydrolysereaktion zu begünstigen. So wurde unter Verwendung von Lösungsmitteln mit geringer Wasseraktivität der enzymatisch synthetisierte Zuckeralkoholester, Sorbitollaurat, als Modellprodukt verwendet. Folglich hebt diese Dissertation die enzymatische Synthese als Methode der Wahl für die maßgeschneiderte Herstellung einer potenziell breiten Palette von neuartigen Tensiden hervor. Die Biokatalyse ermöglichte eine innovative Herangehensweise an dieses aktuelle Thema mit einem multidisziplinären Ansatz im Hinblick auf die aktuellen Bedenken zur Nachhaltigkeit. Die Löslichkeit von Polyolen wie Zuckern oder Zuckeralkoholen in organischen Lösungsmitteln ist eher gering. Die enzymatische Synthese dieser Verbindungen ist jedoch in nahezu wasserfreien Medien unter Verwendung kostengünstiger und nachwachsender Rohstoffe möglich. Mit Hilfe von Lipasen kann die Esterbildung unter milden Bedingungen erreicht werden. Wir schlagen zunächst ein "2-in-1"-System vor, das die Löslichkeitsprobleme überwindet, da ein Deep Eutectic System (DES) aus Sorbitol und Cholinchlorid entweder ein rein organisches oder wässriges Medium ersetzt. Erstmals wurden 16 kommerziell erhältliche Lipase-Formulierungen verglichen und Faktoren, die den Umsatz beeinflussen, untersucht, um diesen Prozess dank einer neu entwickelten HPLC-ELSD-Methode zur Quantifizierung zu optimieren. So konnte bei der optimierten Synthese von Sorbitollaurat (SL) unter Verwendung von 50 g/L der Lipaseformulierung Novozym 435® bei 50°C eine 28%ige molare Umsetzung von 0,5 M Vinyllaurat zu seinem Zuckeralkoholmonoester erreicht werden, wenn das DES 5 Gew.-% Wasser enthielt. Nach 48h wurde das de novo synthetisierte Glykolipid durch Flüssig-Flüssig-Extraktion vom Medium abgetrennt, durch Flash-Chromatographie gereinigt und durch ein- und zweidimensionale Kernspinresonanz (NMR)-Experimente und Massenspektrometrie (MS) charakterisiert. Abschließend erbringen wir einen ersten Nachweis der Skalierbarkeit für diesen Prozess. Die Verwendung eines 2,5-L-Rührkesselreaktors (STR) ermöglichte eine Batch-Produktion bis zu 25 g/L in einem hochviskosen Zweiphasensystem. Dennoch bleiben viele Herausforderungen bestehen und begrenzen die Erwartungen an eine industrielle Anwendung. Eine lange Produktionszeit und relativ niedrige Anfangsreaktionsgeschwindigkeiten gehören zu den Barrieren, die es zu überwinden gilt. Wir konzentrierten uns in diesem Zusammenhang auf die Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeiten und Ausbeuten bei der Herstellung von Sorbitollaurat durch eine mikrowellenunterstützte Methode, die wir jedoch mit einer konventionellen Heizmethode verglichen. Es wurden auch verschiedene Lösungsmittelsysteme miteinander konkurriert, wobei sich 2M2B als ein leistungsfähigeres Lösungsmittelsystem als das DES erwies. So erlaubte die Verwendung von 20 g/L immobilisierter Lipaseformulierung, 0,75 M Vinyllaurat, 0,25 M Sorbitol bei 50°C in 2M2B eine 92%ige Konversionsausbeute zu erreichen, was einer 168 g/L Titerproduktion entspricht. Der Einsatz der Mikrowellentechnologie ermöglichte danach eine 50-fache Steigerung der ursprünglichen Reaktionsgeschwindigkeit im organischen Lösungsmittel bei 75°C. Die Wiederverwendung des Biokatalysators wurde auch in 2M2B und DES untersucht, wobei bei letzterem eine größere Destabilisierung des Enzyms festgestellt wurde. Wir bringen somit eine Nuance in die intensive Entwicklung, die DESs derzeit in der Literatur als Medium für die Biokatalyse erfahren. Nichtsdestotrotz zeigen wir ermutigende Aussichten auf Verbesserungen, um DESs konkurrenzfähig zu Standardmedien für Biokonversionen zu machen. Abschließend untersuchten wir die Effizienz unseres Downstream-Prozesses, der die vollständige Rückgewinnung von Sorbitollaurat nach 4 Zyklen der Flüssig-Flüssig-Extraktion ermöglicht. Bestehende Berichte, die integrierte Prozesse zur Glykolipidproduktion aus nachwachsenden Rohstoffen beschreiben, verwenden viele Reaktionsschritte. Daher zielten wir darauf ab, das Verfahren zu vereinfachen. Durch die Verwendung von dielektrischer Mikrowellenerwärmung wurde die Herstellung von DESs zunächst erheblich beschleunigt. Unsere Vergleichsstudie ergab eine durchschnittlich 16-fach schnellere Vorbereitungszeit als die konventionelle Erhitzungsmethode in einem Inkubator. Darüber hinaus konnten Lipide aus robuster ölhaltiger Hefe-Biomasse erfolgreich bis zu 70% extrahiert werden, ohne die Vorbehandlungsmethode für den Zellaufschluss zu verwenden, wodurch der für einen solchen Prozess notwendigen Energieaufwand begrenzt. Angesäuerte DESs, die entweder aus Xylit oder Sorbit und Cholinchlorid bestanden, vermittelten den Eintopfprozess und ermöglichten die anschließende Umwandlung der Lipide in monoacylierte Palmitat-, Oleat-, Linoleat- und Stearat-Zuckeralkoholester. Somit zeigen wir, dass die Zugabe von immobilisierter Candida antarctica Lipase B (Novozym 435®) in einer angesäuerten DES-Mischung eine vereinfachte und schnelle Glykolipidsynthese unter Verwendung direkt ölhaltiger Hefebiomasse ermöglicht. Schließlich stellen wir fest, dass der DES-ähnliche Manuka-Honig auch als Medium für die Glykolipidsynthese dienen kann. Diese übersättigte Zuckerlösung kann in Bezug auf die physikochemischen Eigenschaften mit den zuckerbasierten DESs verglichen werden. Da Honigprodukte für therapeutische Zwecke kommerziell verfügbar sind, erscheint es interessant, ihre Bioaktivität zu erhöhen. Im letzten Kapitel dieser Dissertation wird untersucht, ob die Anreicherung von medizinischem Honig mit in situ enzymatisch synthetisierten Glykolipiden die antimikrobielle Eigenschaft der Mischung verbessern kann. Die getesteten Mischungen bestehen aus Manuka-Honig, der mit Octanoat-, Decanoat-, Laurat- und Myristat-Zuckerestern angereichert ist, die jeweils als GOH, GDH, GLH und GMH bezeichnet werden. Um die Bioaktivität dieser Mischungen zu charakterisieren, wurde zunächst ein qualitatives Screening mittels Agar-Well-Diffusionstest mit Methicillin-resistentem Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis, Candida bombicola, Escherichia coli und Pseudomonas putida durchgeführt, das eine deutlich erhöhte Empfindlichkeit dieser Mikroorganismen gegenüber den verschiedenen mit Glykolipiden angereicherten Honigmischungen bestätigte. Dann wurde ein entworfener Biosensor E. coli-Stamm verwendet, der ein Stressreportersystem aufweist, das aus drei stressspezifisch induzierbaren, rot, grün und blau fluoreszierenden Proteinen besteht, die jeweils physiologischen Stress, Genotoxizität und Zytotoxizität übersetzen. Letzteres ermöglichte die Charakterisierung der Bioaktivität und zeigte eine sechsfache Steigerung des physiologischen Stresses durch GOH im Vergleich zu regulärem Manuka-Honig bei einer Konzentration von 1,6% (v/v). Der antibakterielle Agar-Well-Diffusionstest mit E. coli wurde dann durchgeführt und zeigte ein verbessertes hemmendes Potential mit GOH bei 20% (v/v) Konzentration

TU1208 open database of radargrams. the dataset of the IFSTTAR geophysical test site

This paper aims to present a wide dataset of ground penetrating radar (GPR) profiles recorded on a full-size geophysical test site, in Nantes (France). The geophysical test site was conceived to reproduce objects and obstacles commonly met in the urban subsurface, in a completely controlled environment; since the design phase, the site was especially adapted to the context of radar-based techniques. After a detailed description of the test site and its building process, the GPR profiles included in the dataset are presented and commented on. Overall, 67 profiles were recorded along eleven parallel lines crossing the test site in the transverse direction; three pulsed radar systems were used to perform the measurements, manufactured by different producers and equipped with various antennas having central frequencies from 200 MHz to 900 MHz. An archive containing all profiles (raw data) is enclosed to this paper as supplementary material. This dataset is the core part of the Open Database of Radargrams initiative of COST (European Cooperation in Science and Technology) Action TU1208 “Civil engineering applications of Ground Penetrating Radar”. The idea beyond such initiative is to share with the scientific community a selection of interesting and reliable GPR responses, to enable an effective benchmark for direct and inverse electromagnetic approaches, imaging methods and signal processing algorithms. We hope that the dataset presented in this paper will be enriched by the contributions of further users in the future, who will visit the test site and acquire new data with their GPR systems. Moreover, we hope that the dataset will be made alive by researchers who will perform advanced analyses of the profiles, measure the electromagnetic characteristics of the host materials, contribute with synthetic radargrams obtained by modeling the site with electromagnetic simulators, and more in general share results achieved by applying their techniques on the available profiles