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Magnetic Particle Imaging meets computed tomography: first simultaneous imaging (2019)
Vogel, Patrick ; Markert, Jonathan ; Rückert, Martin A. ; Herz, Stefan ; Keßler, Benedikt ; Dremel, Kilian ; Althoff, Daniel ; Weber, Matthias ; Buzug, Thorsten M. ; Bley, Thorsten A. ; Kullmann, Walter H. ; Hanke, Randolf ; Zabler, Simon ; Behr, Volker C.
Magnetic Particle Imaging (MPI) is a promising new tomographic modality for fast as well as three-dimensional visualization of magnetic material. For anatomical or structural information an additional imaging modality such as computed tomography (CT) is required. In this paper, the first hybrid MPI-CT scanner for multimodal imaging providing simultaneous data acquisition is presented.
Acute Response of Circulating Vascular Regulating MicroRNAs during and after High-Intensity and High-Volume Cycling in Children (2016)
Kilian, Yvonne ; Wehmeier, Udo F. ; Wahl, Patrick ; Mester, Joachim ; Hilberg, Thomas ; Sperlich, Billy
Aim: The aim of the present study was to analyze the response of vascular circulating microRNAs (miRNAs; miR-16, miR-21, miR-126) and the VEGF mRNA following an acute bout of HIIT and HVT in children. Methods: Twelve healthy competitive young male cyclists (14.4 ± 0.8 years; 57.9 ± 9.4 ml•min−1•kg−1 peak oxygen uptake) performed one session of high intensity 4 × 4 min intervals (HIIT) at 90–95% peak power output (PPO), each interval separated by 3 min of active recovery, and one high volume session (HVT) consisting of a constant load exercise for 90 min at 60% PPO. Capillary blood from the earlobe was collected under resting conditions, during exercise (d1 = 20 min, d2 = 30 min, d3 = 60 min), and 0, 30, 60, 180 min after the exercise to determine miR-16, -21, -126, and VEGF mRNA. Results: HVT significantly increased miR-16 and miR-126 during and after the exercise compared to pre-values, whereas HIIT showed no significant influence on the miRNAs compared to pre-values. VEGF mRNA significantly increased during and after HIIT (d1, 30′, 60′, 180′) and HVT (d3, 0′, 60′). Conclusion: Results of the present investigation suggest a volume dependent exercise regulation of vascular regulating miRNAs (miR-16, miR-21, miR-126) in children. In line with previous data, our data show that acute exercise can alter circulating miRNAs profiles that might be used as novel biomarkers to monitor acute and chronic changes due to exercise in various tissues.
Teilchenbeschleunigung an kollisionsfreien Schockfronten (2015)
Kilian, Patrick
Das Magnetfeld der Sonne ist kein einfaches statisches Dipolfeld, sondern weist wesentlich kompliziertere Strukturen auf. Wenn Rekonnexion die Topologie eines Feldlinienbündels verändert, wird viel Energie frei, die zuvor im Magnetfeld gespeichert war. Das abgetrennte Bündel wird mit dem damit verbundenen Plasma mit großer Geschwindigkeit durch die Korona von der Sonne weg bewegen. Dieser Vorgang wird als koronaler Massenauswurf bezeichnet. Da diese Bewegung mit Geschwindigkeiten deutlich über der Alfv\'en-Geschwindigkeit, der kritischen Geschwindigkeit im Sonnenwind, erfolgen kann, bildet sich eine Schockfront, die durch den Sonnenwind propagiert. Satelliten, die die Bedingungen im Sonnenwind beobachten, detektieren beim Auftreten solcher Schockfronten einen erhöhten Fluss von hochenergetischen Teilchen. Mit Radioinstrumenten empfängt man zeitgleich elektromagnetische Phänomene, die als Radiobursts bezeichnet werden, und ebenfalls für die Anwesenheit energiereicher Teilchen sprechen. Daher, und aufgrund von theoretischen Überlegungen liegt es nahe, anzunehmen, daß Teilchen an der Schockfront beschleunigt werden können. Die Untersuchung der Teilchenbeschleunigung an kollisionsfreien Schockfronten ist aber noch aus einem zweiten Grund interessant. Die Erde wird kontinuierlich von hochenergetischen Teilchen, die aus historischen Gründen als kosmische Strahlung bezeichnet werden, erreicht. Die gängige Theorie für deren Herkunft besagt, daß zumindest der galaktische Anteil durch die Beschleunigung an Schockfronten, die durch Supernovae ausgelöst wurden, bis zu den beobachteten hohen Energien gelangt sind. Das Problem bei der Untersuchung der Herkunft der kosmischen Strahlung ist jedoch, daß die Schockfronten um Supernovaüberreste aufgrund der großen Entfernung nicht direkt beobachtbar sind. Es liegt dementsprechend nahe, die Schockbeschleunigung an den wesentlich näheren und besser zu beobachtenden Schocks im Sonnensystem zu studieren, um so Modelle und Simulationen entwickeln und testen zu können. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich daher mit Simulationen von Schockfronten mit Parametern, die etwa denen von CME getriebenen Schocks entsprechen. Um die Entwicklung der Energieverteilung der Teilchen zu studieren, ist ein kinetischer Ansatz nötig. Dementsprechend wurden die Simulationen mit einem Particle-in-Cell Code durchgeführt. Die Herausforderung ist dabei die große Spanne zwischen den mikrophysikalischen Zeit- und Längenskalen, die aus Gründen der Genauigkeit und numerischen Stabilität aufgelöst werden müssen und den wesentlich größeren Skalen, die die Schockfront umfasst und auf der Teilchenbeschleunigung stattfindet. Um die Stabilität und physikalische Aussagekraft der Simulationen sicherzustellen, werden die numerischen Bausteine mittels Testfällen, deren Verhalten bekannt ist, gründlich auf ihre Tauglichkeit und korrekte Implementierung geprüft. Bei den resultierenden Simulationen wird das Zutreffen von analytischen Vorhersagen (etwa die Einhaltung der Sprungbedingungen) überprüft. Auch die Vorhersagen einfacherer Plasmamodelle, etwa für das elektrostatischen Potential an der Schockfront, das man auch aus einer Zwei-Fluid-Beschreibung erhalten kann, folgen automatisch aus der selbstkonsistenten, kinetischen Beschreibung. Zusätzlich erhält man Aussagen über das Spektrum und die Bahnen der beschleunigten Teilchen.
The first SEPServer event catalogue similar to ~68-MeV solar proton events observed at 1 AU in 1996-2010 (2013)
Vainio, Rami ; Valtonen, Eino ; Heber, Bernd ; Malandraki, Olga E. ; Papaioannou, Athanasios ; Klein, Karl-Ludwig ; Afanasiev, Alexander ; Agueda, Neus ; Aurass, Henry ; Battarbee, Markus ; Braune, Stephan ; Dröge, Wolfgang ; Ganse, Urs ; Hamadache, Clarisse ; Heynderickx, Daniel ; Huttunen-Heikinmaa, Kalle ; Kiener, Jürgen ; Kilian, Patrick ; Kopp, Andreas ; Kouloumvakos, Athanasios ; Maisala, Sami ; Mishev, Alexander ; Miteva, Rosita ; Nindos, Alexander ; Oittinen, Tero ; Raukunen, Osku ; Riihonen, Esa ; Rodriguez-Gasen, Rosa ; Saloniemi, Oskari ; Sanahuja, Blai ; Scherer, Renate ; Spanier, Felix ; Tatischeff, Vincent ; Tziotziou, Kostas ; Usoskin, Ilya G. ; Vilmer, Nicole
SEPServer is a three-year collaborative project funded by the seventh framework programme (FP7-SPACE) of the European Union. The objective of the project is to provide access to state-of-the-art observations and analysis tools for the scientific community on solar energetic particle (SEP) events and related electromagnetic (EM) emissions. The project will eventually lead to better understanding of the particle acceleration and transport processes at the Sun and in the inner heliosphere. These processes lead to SEP events that form one of the key elements of space weather. In this paper we present the first results from the systematic analysis work performed on the following datasets: SOHO/ERNE, SOHO/EPHIN, ACE/EPAM, Wind/WAVES and GOES X-rays. A catalogue of SEP events at 1 AU, with complete coverage over solar cycle 23, based on high-energy (similar to 68-MeV) protons from SOHO/ERNE and electron recordings of the events by SOHO/EPHIN and ACE/EPAM are presented. A total of 115 energetic particle events have been identified and analysed using velocity dispersion analysis (VDA) for protons and time-shifting analysis (TSA) for electrons and protons in order to infer the SEP release times at the Sun. EM observations during the times of the SEP event onset have been gathered and compared to the release time estimates of particles. Data from those events that occurred during the European day-time, i.e., those that also have observations from ground-based observatories included in SEPServer, are listed and a preliminary analysis of their associations is presented. We find that VDA results for protons can be a useful tool for the analysis of proton release times, but if the derived proton path length is out of a range of 1 AU < s less than or similar to 3 AU, the result of the analysis may be compromised, as indicated by the anti-correlation of the derived path length and release time delay from the associated X-ray flare. The average path length derived from VDA is about 1.9 times the nominal length of the spiral magnetic field line. This implies that the path length of first-arriving MeV to deka-MeV protons is affected by interplanetary scattering. TSA of near-relativistic electrons results in a release time that shows significant scatter with respect to the EM emissions but with a trend of being delayed more with increasing distance between the flare and the nominal footpoint of the Earth-connected field line.
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