Doktorand an der PTB
Kapazitive Wandler sind die am häufigsten verwendeten, nichtoptischen Sensoren für die Überwachung der Position und Messung der Verschiebung von Objekten. Für die Messung von geringen Abstandsänderungen werden eine Sensorelektrode mit einem Schutzring und eine Gegenelektrode in der Form eines Plattenkondensators verwendet und der Zusammenhang zwischen der Kapazität und dem Plattenabstand genutzt.
Streukapazitäten und Verzerrungen der elektrischen Feldlinien führen zu Messabweichungen, die in industriellen Anwendungen kalibriert und empirisch korrigiert werden. Aus metrologischer Sicht wird eine modellbasierte Korrektur bevorzugt, welche die bekannten Einflussfaktoren mit einbezieht. In dieser Arbeit wird das Fundament einer solchen Korrektur ausgebaut, um darüber hinaus systematische Sensorverbesserungen zu ermöglichen. Der Fokus liegt auf der Untersuchung des Einflusses von Oberflächenrauheit und von Patch-Potentialen. Anhand eines FEM-Modells wird der Einfluss der Ausbreitung des elektrischen Feldes auf die Kapazität des Sensors und die kapazitive Verschiebemessung simuliert. Es wird gezeigt, dass der Einfluss einer Rauheit vernachlässigbar gegenüber dem Einfluss einer Welligkeit ist und dass Patch-Potentiale die effektive Fläche eines kapazitiven Sensors beeinflussen. Anschließend werden Elektroden mit definierten Topographien und Patch-Potentialen hergestellt und mit dem Kelvin-Probe-Force-Mikroskopie-Modus eines AFM charakterisiert. Auf den Sensoroberflächen befinden sich Patch-Potentiale mit einer lokalen Potentialdifferenz von mehr als 400mV.
Es wird ein Experiment aufgebaut, in dem kapazitive Verschiebemessungen gegen ein Laserinterferometer durchgeführt und die Abweichungen vom idealen Fall ermittelt werden. Die Kombination aus einem berührungslosen und automatisierten Justierprozesses sowie einer Messroutine mit einer Wiederholbarkeit kleiner als 20nm bildet die Grundvoraussetzung für vergleichbare Messungen.
Die experimentellen Untersuchungen zeigen, dass bei heutigen Fertigungsgenauigkeiten der Einfluss der Rauheit vernachlässigbar ist. Ferner wird zum ersten Mal experimentell nachgewiesen, dass Patch-Potentiale die Nichtlinearität relativer kapazitiver Verschiebemessungen beeinflussen. Aus den Ergebnissen in dieser Arbeit wird ein besseres Verständnis für die kapazitive Messtechnik generiert und es werden Verbesserungsmöglichkeiten aufgezeigt.
DOI: 10.24355/dbbs.084-202309071331-0
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Ein THz-Mikroskop dient der dreidimensionalen Bildgebung im Frequenzbereich von etwa 1 GHz bis 5 THz. Als Sensor werden hierbei Josephson-Cantilever verwendet, welche aus dem Hochtemperatur-Supraleiter YBa2Cu3O7 auf LaAlO3 oder MgO Bikristall-Substraten gefertigt werden. Die Funktionsweise des Josephson-Cantilevers beruht auf der Nutzung eines Josephson-Kontakts. Dieser kann zusätzlich mit unterschiedlichen Antennentypen ausgestattet werden. Er ermöglicht es, Hochfrequenzstrahlung sowohl hinsichtlich der Leistung als auch der Frequenz zu untersuchen. Gleichzeitig lassen sich mit dem Josephson-Cantilever aber auch Temperaturen sowie Magnetfelder messen.
In dieser Arbeit wurde ein neues THz-Mikroskop im Forschungszentrum LENA aufgebaut und in Betrieb genommen. Das System umfasst dabei eine evakuierbare Messkammer mit Mu-Metallabschirmung. In dieser wurde ein dreiachsiges Positioniersystem für den Sensor sowie ein zweiachsiges Probenpositioniersystem verbaut. Zur Kühlung stehen zwei separate
Kryosysteme für Sensor und Probe zur Verfügung. Ferner existiert eine
Kontaktdetektion mit der außerdem Höhenprofile aufgenommen werden
können.
Als leistungsstarke THz-Strahlungsquelle steht ein optisch gepumptes Fern-Infrarot Lasersystem zur Verfügung. Mit diesem wurden Frequenzen bis 2,52 THz und Leistungen größer als 100 mW erzeugt. Zur Untersuchung des Laserstrahls hinsichtlich der Feldverteilung und der Frequenz
wurde ein Modenbildscanner sowie ein Interferometer entwickelt.
Die Steuerung des THz-Mikroskops wurde soweit wie möglich automatisiert und erfolgt aus einem einzelnen Programm heraus, welches mit sämtlichen Komponenten und peripheren Geräten des THz-Mikroskops verbunden ist. Zusätzlich steht eine Smartphone-Applikation zur Verfügung, die eine Überwachung der wichtigsten Systemparameter ermöglicht. Beim Einsatz des THz-Mikroskops zur Untersuchung von Hochfrequenzstrahlung kann zwischen zwei wesentlichen Frequenzbereichen unterschieden werden. Im Mikrowellenbereich wurde zur Evaluation des Systems eine Mikrostreifenleitung untersucht. Im Terahertzbereich wurden Messungen mit dem Fern-Infrarot Lasersystem durchgeführt. Hierbei wurde zum einen die Lasermode vermessen. Dabei können nicht nur Aussagen zur allgemeinen Feldverteilung getroffen, sondern auch Frequenzkomponenten im Laserstrahl unterschieden werden. Zum anderen wurde mit Hilfe additiv gefertigter spiralförmiger Phasenplatten Terahertz Twisted-Light erzeugt, die Mode vermessen und der Nachweis des Orbital Angular Momentum mit Hilfe des THz-Mikroskops durchgeführt. Zusätzlich wurden Beugungsmuster von Reflektionsbeugungsgittern aufgenommen.
Doktorand an der PTB
Die Neudefinition des SI im Jahr 2019 ermöglicht es, neue Primärnormale, unter anderem für die Einheit Ampere, einzuführen. Eines dieser neuen Primärnormale sind Einzelelektronenpumpen, welche einen konstanten Strom an Elektronen generieren können. Die Herausforderung, welche mit diesen Einzelelektronenpumpen verbunden ist, besteht darin, dass ihre Genauigkeit nicht wie z. B. beim Josephson-Effekt durch einen makroskopischen Quanteneffekt vorgegeben ist, sondern inhärent einer statistischen Verteilung folgt. Die erreichbare Unsicherheit im Strom ist zwar sehr gut (0,2 ppm), muss allerdings validiert werden. Eine Möglichkeit der Validierung ist das Messen des erzeugten Stroms, rückgeführt auf den Josephson- und Quanten-Hall-Effekt.
In dieser Arbeit wurde ein direkterer Ansatz verfolgt, bei welchem der erzeugte Strom intrinsisch im Bauteil validiert wird. Dies wird erreicht, indem die Einzelelektronenpumpe eine Ladungsinsel auflädt, deren Ladungszustand von einem Einzelelektronendetektor gemessen wird. Ziel dieser Arbeit war es, sowohl ein solches Bauteil, unter der Verwendung von RF-SETs, als auch das für die Charakterisierung des selbigen notwendige Messsystem zu entwickeln. RF-SETs wurden verwendet, um die Messbandbreite zu maximieren. Für deren Betrieb wurden planare Resonatoren auf Basis von NbTiN entwickelt. Es wurde zunächst ein FPGA-gesteuertes Messschema implementiert, in welchem die Messungen mittels eines 2D-Histogramms ausgewertet werden. Die Pumpen wurden zunächst im sogenannten „single-shot“-Modus betrieben. Dabei handelt es sich um einen Betriebsmodus, in dem nur ein einziges Elektron mit einer langen Pause transportiert wird. Während dieser Pause misst der Detektor den Ladungszustand der Insel.
Um die Pumpen im kontinuierlichen Betrieb zu untersuchen, wurde der Burst-Modus entwickelt, in welchem mehrere Elektronen in schneller Folge hintereinander transportiert werden, bevor der Detektor seine Messung durchführt. Damit dabei nicht zu viele Elektronen auf der Insel akkumuliert werden, werden zwei Pumpen synchron in Reihe verwendet. Dadurch lässt der Ladungszustand der Insel nach dem Burst Rückschlüsse auf die Pumpfehler zu. In dieser Arbeit wird weiterhin ein Modell vorgestellt, mithilfe dessen es möglich ist, den Transportprozess der Pumpe zu untersuchen. Weiterhin erlaubt dieses Modell, die Unsicherheit des erzeugten Stroms zu ermitteln, wodurch ein Primärnormal realisiert wird.
doi:10.24355/dbbs.084-202310201055-0
Doktorandin an der PTB
In den letzten Jahrzehnten ist das Leben des Menschen durch die steigende Anzahl von elektrischen und elektronischen Produkten (EEP) deutlich vereinfacht und verbessert worden. Durch die schnelle Zunahme der am Netz betriebenen EEP müssen die Power Quality, bzw. die Netzrückwirkungen im Niederspannungsnetz, die durch EEP verursacht werden, zunehmende Aufmerksamkeit erhalten. Die Netzrückwirkungen von den EEP wurden mit Netzrückwirkungsmesssystemen geprüft, die aus drei Einzelkomponenten aufgebaut sind. Ein Test des Gesamtsystems wurde anfangs nicht durchgeführt, da hierfür bisher keine geeigneten Generatoren zur Verfügung stehen. In dieser Arbeit wurden Prototypen von Prüflasten entwickelt, sowohl für Harmonische- als auch für Flickermessungen, die es ermöglichen, die Netzrückwirkungsmesssysteme als ganzes System zu prüfen. Als Optimierung wurden Temperaturregelungssysteme insbesondere für die FPL entwickelt. Die Parameter der PI-Reglung wurden individuell optimiert. Eine weitere Optimierung ist der EMV-Schutz, besonders bei den FPL, da beim Umschalten der FPL die Gefahr besteht, dass die digitalen Schaltungen gestört werden könnten. Mithilfe dieser Optimierung sind die digitalen Schaltungen geschützt. Weiterhin wurden Simulationsmodelle für alle Prüflasten mithilfe einer präzisen LCR-Brücke einschließlich der Berücksichtigung der induktiven Kompensation des Eingangskreises modelliert. Vergleichsmethoden bzw. Validierungsmethoden für die Simulationsmodelle im Vergleich zu den HW-Aufbauten wurden individuell entwickelt. Für diese Methoden bzw. die Analyseabläufe wurden zugehörige Programme, z.B. Auswertungsprogramme, Resampling-Programme, Nachbildungsprogramme usw., entwickelt. Mithilfe einiger Programme wurden die Auswertungen teilweise automatisiert und Zeit gespart. Nach der Analyse mit den obengenannten Methoden wurden die Ergebnisse unter Berücksichtigung der Messunsicherheit in dieser Arbeit präsentiert. Die Sollwerte der HPL und der FPL, als sie in einem idealen Netzrückwirkungsmesssystem eingeschlossen sind, wurden mithilfe der Simulationsmodelle simuliert und ausgewertet. Ein Netzrückwirkungsmesssystem kann aber nicht ideal sein, deswegen sind in dieser Arbeit Phänomene bei unterschiedlichen Störungen untersucht worden. Die Harmonischen aus der Leistungsquelle und Netzimpedanz zwischen der Leistungsquelle und dem Anschlusspunkt des EEPs bei einem Netzrückwirkungsmesssystem wurden als Hauptstörungen in dieser Arbeit untersucht. In dieser Arbeit wurden die Einflüsse durch zahlreiche unterschiedliche Störungen analysiert, trotzdem besteht zukünftig auch weiterhin der Bedarf daran zu forschen und z.B. die Auswirkungen von mehreren Harmonischen gleichzeitig zu analysieren.
Doktorand an der PTB
The Josephson Arbitrary Waveform Synthesizer (JAWS)generates spectrally pure quantized AC voltages. It is also called pulse-driven AC Josephson voltage standard. To simplify the existing experimental set-up of the JAWS by reducing the number of RF cables at room temperature, to lower the cost of Pulse Pattern Generator and to increase the output voltage of JAWS in the future, on-chip RF power dividers were developed and continuously optimized. This thesis investigates the on-chip power dividers for JAWS focusing on the numerical simulation, ist fabrication process, and measurement of the integrated circuits at 4K.
In this work, there were three iteration steps in the circuit development. Firstly, two different types of RF power dividers were developed: the two-stage serialparallel and the one-stage Wilkinson power divider. The outputs of the power dividers were integrated with bias-tee circuits and series arrays of non-stacked SNS type Josephson junctions (S: superconductor (Nb), N: normal metal (NbxSi1-x)). Both types of power dividers were successfully integrated into JAWS. With the Wilkinson power divider, output AC voltages of 18 mV (RMS) were obtained at a clock frequency of 15 GHz combined with a test array of 1,000 Josephson junctions. The test chip containing the serial-parallel power divider and a test array of 2,000
Josephson junctions generated RMS output voltages of 22 mV.
In the second step, gained knowledge was used. And two new modified broadband Wilkinson power dividers were investigated: the one-stage three-section Wilkinson power divider has extended bandwidth compared to one-stage singlesection Wilkinson divider; the two-stage single-section Wilkinson divider has no phase shift and good isolation between the outputs in contrast to the two-stage serial-parallel power divider. Both modified dividers were integrated with triplestacked Josephson junction series arrays successfully. Spectrally pure sinusoidal waveforms were also successfully synthesized with both types of power dividers. With the one-stage three-sectionWilkinson power divider combined with a test array of 3,000 Josephson junctions, a RMS voltage of nearly 53 mV was obtained at a clock frequency of 15 GHz. As for the two-stage single-sectionWilkinson power divider combined with a test array of 6,000 Josephson junctions, RMS output voltages of about 105 mV was generated.
To further increase the synthesized AC output voltage, the two-stage serialparallel power divider and one-stage single-sectionWilkinson divider were finally integrated with larger Josephson junction arrays (maximum 20,400 junctions per RF channel). The experimental results demonstrates a significant step forward. So far, a maximum RMS voltage of 600 mV per JAWS chip (300 mV per RF channel) has been realized. This represents a significant improvement over previous JAWS circuits and can be improved even further in the future.
DOI: 10.24355/dbbs.084-202211081346-0
ISBN: 978-3-96729-176-6
Doktorand an der PTB
Luftultraschall emittierende Quellen sind heutzutage in vielen Bereichen des Lebens anzutreffen. Insbesondere an industriellen Arbeitsplätzen haben Technologien mit Hochleistungsultraschall zahlreiche und vielfältige Anwendung gefunden. Aufgrund der zunehmenden Verbreitung von Ultraschalltechnologien ist ein anwachsender Personenkreis gegenüber Luftultraschall exponiert. Arbeitgebende sind gesetzlich dazu verpflichtet, zum Schutz vor tatsächlichen und möglichen Gefährdungen der Gesundheit und Sicherheit der Beschäftigten eine Gefährdungsbeurteilung durchzuführen. Hierfür ist die Exposition gegenüber jedem Schall – also auch Ultraschall – zu ermitteln und zu bewerten. Bislang existierte jedoch kein praxistaugliches, wissenschaftlich fundiertes, standardisiertes Messverfahren, um die Exposition gegenüber Ultraschall am Arbeitsplatz valide messen zu können.
Die vorliegende Arbeit widmet sich der Entwicklung eines solchen Messverfahrens, welches die Charakteristika von luftgeleitetem Ultraschall berücksichtigt und für eine Anwendung im Rahmen des Arbeitsschutzes geeignet ist. Nach dem Aufbau eines Labormesssystems zur räumlich hochauflösenden Vermessung von Luftultraschallfeldern in den Laboren der Physikalisch- Technischen Bundesanstalt (PTB) wurde das Schallfeld einer repräsentativen industriellen Luftultraschallquelle vermessen und der Einfluss einer im Schallfeld befindlichen Person untersucht. Im Ergebnis zeigten sich fein strukturierte Schallfelder mit maximalen Schalldruckpegeln von über 130 dB (re 20 μPa). Die heterogenen räumlichen Schalldruckpegelverteilungen waren durch eine omnidirektionale Schallemission der Quelle sowie lokale Schalldruckextrema mit hohen Schalldruckpegeldifferenzen von bis zu 40 dB und geringen Abständen im Millimeterbereich gekennzeichnet.
Die Untersuchungsergebnisse belegten, dass die im Hörschallbereich etablierten Messverfahren für die Anwendung im Ultraschallbereich ungeeignet sind, und motivierten ein neues Messverfahren, bei dem das Mikrofon während der Datenakquise abstreifend durch das Messvolumen geführt wird. Um den Anforderungen im Arbeitsschutz nach einer praxistauglichen, zeitsparenden und gleichermaßen validen Expositionsbestimmung gerecht zu werden, wurden Untersuchungen hinsichtlich Auflösung und Mikrofongröße durchgeführt. Hierzu wurden die Schallfelddaten hinsichtlich der auftretenden Schalldruckpegel und der räumlichen Struktur mit Methoden der Statistik und Bildverarbeitung parametrisiert. Anhand der Parameter und bezogen auf zuvor definierte Akzeptanzgrenzen wurden nach einer systematischen Variation der Auflösung und Simulationen von Messungen mit unterschiedlichen Mikrofongrößen entsprechende Mindestanforderungen abgeleitet.
Eine abschließende Validierung des entwickelten Messverfahrens im Rahmen von Messungen im industriellen Umfeld bestätigte die Praxistauglichkeit, Robustheit und Allgemeingültigkeit des Messverfahrens für unterschiedliche Ultraschallmodalitäten.
DOI: 10.24355/dbbs.084-202212140912-0
ISBN: 978-3-96729-171-1
Wissenschaftlicher Mitarbeiter vom 01.07.2015 bis 31.08.2020
This work comprises a multiparametric analysis of particle-matrix interactions using magnetic particle spectroscopy (MPS) and the corresponding imaging modality magnetic particle imaging (MPI). To investigate particle-matrix interactions, the dynamic magnetization response of magnetic nanoparticles to externally applied alternating magnetic fields is evaluated. Due to the nonlinear magnetization characteristics of magnetic nanoparticles, the higher harmonics of the magnetization resulting from the periodic excitation in particular serve as source of information.
The measurements presented were realized with a temperature-controlled MPS setup implemented as part of this work. For multiparametric investigations, measurement parameters such as the magnetic field strength of the externally applied field, the excitation frequency, the sample temperature, the dynamic viscosity of the medium surrounding the particles or particle systems and related properties were varied. Based on the results, conclusions are drawn about physical relationships and the quantifiability of measurement results and their transferability to the MPI imaging technique are discussed.
It is shown that particle-matrix interactions in MPS can be resolved in the millisecond range. Temperature-dependent measurement results are traced back to the dominant relaxation mechanism of the used particle system. With the help of Fokker-Planck simulations, the structure of multicore particles is clarified from a viscosity series based on CoFe2O4 particles. Furthermore, the influence of the dynamic viscosity on the measurement data is discussed. Magnetization curves reconstructed from the measurement data are used to analyze thermal interactions with the carrier medium. Furthermore, the spectral decomposition of the magnetization harmonics is introduced and applied to derive temperature and viscosity dependent mapping functions. Due to the degree of similarity of the measurement principles, the findings from experimental MPS data can be transferred to the MPI imaging method in order to assess and validate the quantifiability of the method. Dilution series of particle suspensions serve to characterize both the MPS setup and the institute’s custom-built dual-frequency MPI scanner. Finally, realized 2D and 3D MPI measurement results are shown and dual-frequency mobility MPI data of different viscosity levels are presented.
DOI: 10.24355/dbbs.084-202207060821-0
ISBN: 978-3-96729-155-1
Doktorand an der PTB
Ziel dieser Arbeit ist ein präzises Referenzmessgerät für Wirkleistung zu konstruieren, das mit sehr kleinen Messunsicherheiten im Frequenzbereich bis 150 kHz als Sekundär- oder Gebrauchsnormal nutzbar ist.
Aufbauend auf der modularen Leistungsmessgeräteserie LMG600 der Firma ZES ZIMMER Electronic Systems GmbH wird ein hochpräziser Messkanal entwickelt, Referenzlasten für den Abgleich konstruiert und die erreichbare Genauigkeit abgeschätzt.
Im Rahmen der Entwicklung werden folgende Themen bearbeitet:
• Entwicklung eines breitbandigen Eingangsspannungsteilers für den Spannungsmesskanal mit großer Messbereichsdynamik der Messbereichsnominalwerte von 30 mV bis 500 V und mit kleiner Messunsicherheit im Frequenzbereich bis 150 kHz.
• Konstruktion eines breitbandigen Shuntmoduls für den Strommesskanal mit der Messbereichsdynamik der Messbereichsnominalwerte von 2,5 mA bis 10 A in diesem Frequenzbereich.
• Anpassen des Signalpfads im Leistungsmessgerät, der Signalkonditionierung, Messbereichsumschaltung, Signalfilter und der Analog-Digital-Wandler sowie deren Referenzspannungsquellen auf die hohen Genauigkeitsanforderungen für die Strom-, Spannungs- und Wirkleistungsmessung.
• Für den Phasenabgleich wird eine Toroidluftspule als Referenzlast aufgebaut und deren Unsicherheit abgeschätzt.
Die dabei erzielten Ergebnisse sind:
• Das Gebrauchsnormal REF600 ist erfolgreich fertiggestellt und die Genauigkeit experimentell in unterschiedlichen Messbereichen mit Signalen verschiedener Frequenzen und Leistungsfaktoren entwicklungsbegleitend überprüft.
• Durch Messungen bei der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig PTB konnte die spezifizierte Messgenauigkeit bestätigt werden.
• REF600 wird im Kalibrierlabor bei ZES die breitbandige Wirkleistungsreferenz zum Kalibrieren der Seriengeräte darstellen.
DOI: 10.24355/dbbs.084-202207121436-0
ISBN: 978-3-96729-157-5
Doktorand an der PTB
Die Winkel zwischen den Achsen von mehrachsigen Spulen- und Sensorsystemen werden meist als orthogonal angenommen, und auch die Orthogonalitätsfehler von integrierten Sensoren werden ignoriert oder vernachlässigt. Hinsichtlich magnetischer Positionssensorik führt dies zu signifikanten Fehlern, welche sich nachteilig auf die Genauigkeit der Anwendung auswirken. Diese Arbeit verfolgt das Ziel, Methoden für die Kalibrierung der Orthogonalität sowohl von mehrachsigen Spulen- als auch Sensorsystemen zu entwickeln, welche eine vollständige Berechnung der Messunsicherheit erlauben und somit für die Formulierung von Kalibrierrichtlinien geeignet sind. Dazu werden im ersten Schritt mathematische Modelle aufgestellt, welche die Berechnung von Spulensystemen zur Erzeugung von homogenen Magnetfeldern erlauben. Durch Berücksichtigung der Wicklung bei der Berechnung kann diese als eine Ursache für Orthogonalitätsfehler identifiziert werden, welche vergleichbare Abweichungen vom idealen Magnetfeld verursacht wie Fertigungstoleranzen. Es wird gezeigt, dass Orthogonalitätsfehler sowohl die Homogenität des Magnetfeldes als auch die Winkel zwischen mehrachsigen Spulensystemen beeinträchtigen. Um die Orthogonalität von mehrachsigen Spulensystemen zu bestimmen, wird im zweiten Schritt eine Methode entwickelt, welche die Kalibrierung der Winkel mittels Rotation eines Magnetfeld-Sensors ermöglicht. Für das Verfahren wird die Berechnung der Messunsicherheit durchgeführt und anhand einer 3-D Helmholtz-Spule demonstriert. Im dritten Schritt wird für mehrachsige integrierte Sensorsysteme eine Betrachtung der Ursachen von Orthogonalitätsfehlern durchgeführt, welche hauptsächlich auf Fertigungstoleranzen bei der Herstellung und beim Aufbau zurückzuführen sind. Durch die Vermessung verschiedener kommerziell erhältlicher 3-D Magnetfeld-Sensoren kann gezeigt werden, dass alle Messprinzipien von Orthogonalitätsfehlern betroffen sind, die sich als Querempfindlichkeiten auf den Ausgangswert äußern. Speziell für integrierte Hall-Sensoren wird untersucht, welche typischen Merkmale die Querempfindlichkeiten zeigen und wie sich diese verringern lassen. Für die Kalibrierung der Empfindlichkeiten und Querempfindlichkeiten von mehrachsigen Magnetfeld-Sensoren wird im vierten und letzten Schritt ein Verfahren entwickelt, welches das zuvor kalibrierte 3-D Spulensystem verwendet. Dieses Verfahren ermöglicht nicht nur eine einfache und schnelle Kalibrierung, sondern toleriert auch eine beliebige Positionierung des Sensors im homogenen Volumen der Spule und beliebige Winkel zwischen den Sensorachsen. Die Kalibrierung wird anhand eines integrierten 3-D Hall-Sensors demonstriert, wobei auch die Berechnung der Messunsicherheit durchgeführt wird. Durch Entwicklung und Durchführung der beiden Kalibrierverfahren wird das Ziel der Arbeit erfüllt und eine Grundlage geschaffen, diese im nächsten Schritt in Kalibrierrichtlinien zu überführen.
DOI: 10.24355/dbbs.084-202207151114-0
ISBN: 978-3-96729-154-4
Doktorand an der PTB
In der vorliegenden Arbeit wird eine quantenbasierte Referenzspannungsrauschquelle für metrologische Anwendungen in der primären Rauschthermometrie aufgebaut und charakterisiert. Das Ziel der Arbeit besteht darin die Rauschquelle für den Betrieb im vorgesehenen Signalfrequenzbereich bis 225 kHz zu optimieren, um eine Amplitudengenauigkeit im einstelligen μV/V-Bereich bei zukünftigen Rauschthermometer-Kalibrierungen zu gewährleisten.
Das System basiert auf einer Serienschaltung pulsgetriebener Josephson-Kontakte und ermöglicht es quantenbasierte Spannungen zu erzeugen. Nach der umfassenden Systemcharakterisierung und
-beschreibung wird die exzellente Funktionalität, welche die Josephson-Spannungsrauschquelle bietet, experimentell demonstriert. Die Optimierung der Probenstangenabschirmung und Filterung des Pulse-Bias-Stroms bewirkt eine Reduktion potentieller Störeinflüsse durch elektromagnetische Interferenz und Übersprechen.
Erstmalig erfolgen im Verlauf der Arbeit Wechselspannungsvergleiche zwischen zwei pulsgetriebenen Josephson-Spannungsnormalen zur Überprüfung der Amplitudengenauigkeit für einen Frequenzbereich bis 500 kHz. Die hochfrequenten Amplitudenabweichungen durch die Ausgangsverkabelung und den Pulse-Bias-Strom werden systematisch analysiert. Die Messergebnisse stimmen sehr gut mit dem erstellten Modell über ein und liegen für alle untersuchten Konfigurationen nach Korrektur der erwarteten Frequenzabhängigkeit innerhalb ±1 μV/V bis 500 kHz.
Abschließend erzeugt die optimierte Josephson-Spannungsrauschquelle verzerrungsarme Mehrtonwellenformen zur Kalibrierung des Frequenzgangs und Untersuchung der Signalverstärkungslinearität kritischer Rauschthermometerkomponenten. Der Vergleich unterschiedlicher Mehrtonwellenformen demonstriert den Einfluss von Intermodulationsverzerrung während der Kalibrierung. Es kann eine Verstärkungslinearität des Signalpfads einschließlich des Analog-Digital-Umsetzers und eines Prototyp-Verstärkers für das neue Thermometer innerhalb
±2 μV/V für eingangsbezogene Rauschpegel von 9,7 μV bis 465 μV experimentell nachgewiesen werden.
Die Ergebnisse der Arbeit belegen die Einsatztauglichkeit und Genauigkeit der Josephson-Spannungsrauschquelle zur Kalibrierung des neuen Rauschthermometers bis 225 kHz. Darüber hinaus liefern die Erkenntnisse substanzielle Beiträge zum vertieften Verständnis pulsgetriebener Josephson-Spannungsnormale bis 500 kHz. Ferner tragen die Ergebnisse zur Verbesserung des zukünftigen Rauschthermometers bei.
DOI: 10.24355/dbbs.084-202210280914-0
ISBN: 978-3-96729-141-4
Doktorand an der PTB
In der vorliegenden Arbeit wird eine quantenbasierte Referenzspannungsrauschquelle für metrologische Anwendungen in der primären Rauschthermometrie aufgebaut und charakterisiert. Das Ziel der Arbeit besteht darin die Rauschquelle für den Betrieb im vorgesehenen Signalfrequenzbereich bis 225 kHz zu optimieren, um eine Amplitudengenauigkeit im einstelligen μV/V-Bereich bei zukünftigen Rauschthermometer-Kalibrierungen zu gewährleisten.
Das System basiert auf einer Serienschaltung pulsgetriebener Josephson-Kontakte und ermöglicht es quantenbasierte Spannungen zu erzeugen. Nach der umfassenden Systemcharakterisierung und -beschreibung wird die exzellente Funktionalität, welche die Josephson-Spannungsrauschquelle bietet, experimentell demonstriert. Die Optimierung der Probenstangenabschirmung und Filterung des Pulse-Bias-Stroms bewirkt eine Reduktion potentieller Störeinflüsse durch elektromagnetische Interferenz und Übersprechen.
Erstmalig erfolgen im Verlauf der Arbeit Wechselspannungsvergleiche zwischen zwei pulsgetriebenen Josephson-Spannungsnormalen zur Überprüfung der Amplitudengenauigkeit für einen Frequenzbereich bis 500 kHz. Die hochfrequenten Amplitudenabweichungen durch die Ausgangsverkabelung und den Pulse-Bias-Strom werden systematisch analysiert. Die Messergebnisse stimmen sehr gut mit dem erstellten Modell über ein und liegen für alle untersuchten Konfigurationen nach Korrektur der erwarteten Frequenzabhängigkeit innerhalb ±1 μV/V bis 500 kHz.
Abschließend erzeugt die optimierte Josephson-Spannungsrauschquelle verzerrungsarme Mehrtonwellenformen zur Kalibrierung des Frequenzgangs und Untersuchung der Signalverstärkungslinearität kritischer Rauschthermometerkomponenten. Der Vergleich unterschiedlicher Mehrtonwellenformen demonstriert den Einfluss von Intermodulationsverzerrung während der Kalibrierung. Es kann eine Verstärkungslinearität des Signalpfads einschließlich des Analog-Digital-Umsetzers und eines Prototyp-Verstärkers für das neue Thermometer innerhalb ±2 μV/V für eingangsbezogene Rauschpegel von 9,7 μV bis 465 μV experimentell nachgewiesen werden.
Die Ergebnisse der Arbeit belegen die Einsatztauglichkeit und Genauigkeit der Josephson-Spannungsrauschquelle zur Kalibrierung des neuen Rauschthermometers bis 225 kHz. Darüber hinaus liefern die Erkenntnisse substanzielle Beiträge zum vertieften Verständnis pulsgetriebener Josephson-Spannungsnormale bis 500 kHz. Ferner tragen die Ergebnisse zur Verbesserung des zukünftigen Rauschthermometers bei.
DOI: 10.24355/dbbs.084-202108050920-0
ISBN: 978-3-96729-111-7
Doktorandin an der PTB
For the quantitative characterization of scientific and industrial relevant magnetic microstructures traceably calibrated measurement techniques are required. Here, two magnetic stray field detection approaches, namely scanning Hall probe microscopy (SHPM) and magneto-optical indicator film (MOIF) technique, are presented. Hall sensors based on gold and graphene with active areas down to 50 nm x 50 nm were fabricated utilizing electron beam lithography. After the characterization, gold Hall sensors on cantilever tips were integrated into an atomic force microscopy based scanning system. This allowed the traceable measurement of the stray field distribution of a magnetic scale under ambient conditions. To complete the calibration process, a systematic uncertainty analysis for the Hall sensor characterization as well as for the SHPM was performed. The results were verified by comparison to the output from two simulation approaches. Moreover, a calibration procedure for fast magnetic sample measurements based on the magneto-optical Faraday effect is introduced and demonstrated on the example of a commercial MOIF device. First, a macroscopic calibration is executed which relates the intensity measured by the device to the homogeneous, magnetic flux density applied perpendicular to the sensor surface by an electromagnet. Properties of the electromagnet and the behavior of the MOIF device itself enter into the detailed uncertainty budget. This pixel-wise calibration incorporates spatially varying MOIF properties and a inhomogeneous illumination as well as the influence of magnetic anisotropies of the MOIF material which were ascertained via ferromagnetic resonance measurements. Second, the microscopic calibration has the aim of simulating the device response to stray fields of microscale magnetic samples with spatially fast varying magnetic fields. For the here utilized MOIF, a significant effect of in-plane stray field components and a neglectable influence of the MOIF thickness was observed. The validity of not only implemented but also traceably calibrated SHPM and MOIF techniques was proven by a cross-comparison of results from the characterization of a magnetic scale under consideration of the uncertainty budgets. The results of this thesis enable the metrological traceable characterization of magnetic stray fields on scales of a few micrometer and in a field range from 2 mT to 1 T.
DOI: 10.24355/dbbs.084-202103021210-0
ISBN: 978-3-96729-081-3
Doktorand an der PTB
In Deutschland dürfen Reizstoffsprühgeräte (RSG) nur mit Zulassung hergestellt und verkauft werden, wenn sie als Selbstverteidigungsmittel gegen Menschen gedacht sind. Nach der Änderung des Waffenrechts im Jahr 2003 hat die Fraunhofer-Gesellschaft die Zuständigkeit der Prüfung der Reizstoffsprühgeräte abgegeben. Es gab seitdem keine Richtlinien für die Messeinrichtungen. Aktuell ist die Physikalisch-Technische Bundesanstalt für die Zulassung zuständig. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde eine Anforderung für Reizstoffsprühgeräte erstellt. Sie ermöglicht neue Zulassungen von RSG durch die PTB. Das Prüfverfahren wurde getestet.
Der zweite Teil der Arbeit fokussiert sich auf die Untersuchung der Gefahr des Herzkammerflimmerns von Elektroimpulsgeräten (EIG) und deren neue Bewertungsverfahren. EIG gehören zu den bekanntesten Personenschutzgeräten und dürfen in Deutschland verkauft werden. Sie übertragen wie ein TASER© Impulse in den Körper der Zielperson. Die Wirkung von Elektroimpulsgeräten soll die direkte oder indirekte Erregung einer großen Masse von Zellen im Körper durch den Strom hervorrufen. Zu den erregbaren Zellen zählen die Nervenzellen und die Muskelzellen. Die Gefährdung eines EIG wird auch von seinem Strom verursacht. Ein anatomisches menschliches CAD-Körpermodell wurde nach der Anforderung dieser Arbeit angepasst. Das Modell wurde in einer Finite-Elemente-Methode-Modellierung (FEM) eingesetzt. Mit der Modellierung kann die Stromverteilung im Körper berechnet werden, welche als Mittel der Bewertung der Gefährlichkeit eines möglichen vom EIG verursachten Herzkammerflimmerns verwendet wird.
Um das computerbasierte Modell zu erstellen, werden die elektrischen Eigenschaften des menschlichen Körpers benötigt. Die Leitfähigkeit von Muskelgewebe wurde im Rahmen dieser Arbeit im Hochspannungsbereich gemessen. Die Feldstärkeabhängigkeit der Leitfähigkeit wurde nachgewiesen. Deren gemessene Kennlinie wurde zum Aufbau des Gleichungssystems in das FEM-Modell eingesetzt. Drei physikalische Modelle wurden in dieser Arbeit verglichen, nämlich ein elektrisches quasistatisches Modell, ein frequenzabhängiges Modell und ein Modell mit einer feldstärkeabhängigen Leitfähigkeit.
Die Kenngrößen Ausgangsspannung, Elektrodenabstand und Elektrodendurch-messer eines EIG führten über das FEM-Modell zu einer Aussage der Stromdichte auf der Herzoberfläche. Das Modell mit einer feldstärkeabhängigen Leitfähigkeit wurde zusammen mit einem Nervenzellenmodell als das Berechnungstool in dem neuen Bewertungsverfahren verwendet. Das neue Verfahren kann auch die Wirksamkeit von EIG evaluieren. Um die zukünftige komplizierte Berechnung mit dem FEM-Modell zu vermeiden, wurde eine Lookup-Tabelle erstellt.
Wissenschaftliche Mitarbeiterin
Magnetische Nanopartikel haben vielfältige Einsatzbereiche. Die Möglichkeit, sie durch ein magnetisches Feld manipulieren und steuern zu können, macht sie für industrielle, bioanalytische und medizinische Anwendungen interessant. In diesen Gebieten sind die Partikel in der Regel in unterschiedlichsten Matrixmaterialien, zum Beispiel in Polymeren, Gelen oder Blut, suspendiert. Die gegenseitige Beeinflussung zwischen den Partikeln und den sie umgebenden Medien ist für die Anwendung in diesen Gebieten von großer Bedeutung. Dabei spielt neben der Größe, der Konzentration und dem Material der Partikel sowie den Eigenschaften des sie umgebenden Mediums auch die Größe des angelegten magnetischen Feldes eine bedeutende Rolle. Dynamische magnetische Messmethoden bieten die Möglichkeit, die Partikel auch in undurchsichtigen Medien zu untersuchen, ohne äußere Kräfte auf die Medien auszuüben, wie das zum Beispiel bei makrorheologischen Untersuchungen der Fall ist. In dieser Arbeit werden magnetische Nanopartikel mithilfe der AC-Suszeptometrie und der Magnetrelaxometrie in verschiedenen Matrixmaterialien untersucht. Anhand verschiedener theoretischer Modelle werden Rückschlüsse auf die lokalen rheologischen Eigenschaften, wie die dynamische Viskosität und das Schermodul, des umgebenden Mediums gezogen. Dabei wurden sowohl rein viskose als auch viskoelastische Medien verwendet. Bei den Partikelsystemen wurden das Material (zum Beispiel Fe2O3/Fe3O4 und CoFe2O4) und die äußere Form (Kugeln und Stäbe) variiert. Die angelegten Magnetfelder reichen von 90 µT bis zu 9 mT. Die erhaltenen Ergebnisse wurden mit Berechnungen und makrorheologischen Vergleichsmessungen validiert. Es kann gezeigt werden, dass sich besonders die AC-Suszeptometrie gut eignet, um die rheologischen Eigenschaften der Matrix, die die Partikel umgibt, zu bestimmen. Größere Magnetfelder beeinflussen wie die Matrixeigenschaften die Rotationsbewegung der magnetischen Nanopartikel und führen zu zusätzlichen Effekten in den Messergebnissen. Parametrische Messungen, zum Beispiel bei verschiedenen Temperaturen oder bei vari ierenden Amplituden des Magnetfeldes, können genutzt werden, um eine Trennung der verschiedenen Einflussgrößen zu erreichen.
Wissenschaftliche Mitarbeiterin
Non-contact capacitive electrodes for bioelectric diagnostics provide an interesting alternative to classical galvanically coupled electrodes. Such a low cost diagnostic system can be applied without preparation time and in mobile wireless environments. For even higher user comfort textile capacitive electrodes are preferable. In this work, a comprehensive model for the electronic noise properties and frequency dependent responses of PCB-based, as well as textile non-contact capacitive electrodes, is presented. A thorough study of the influence of the electrical components on the resulting noise properties of these electrodes, is provided by independently measuring the corresponding noise spectra. The most important low frequency noise source of capacitive electrode is the necessary high input bias resistance. By comparing the noise measurements with the theoretical noise model of the electrode, it is concluded that the surface of the electrode contributes to an additional 1/f-power noise. It is also found that the highest possible coupling capacitance is most favorable for low noise behavior. Therefore, we implemented electrodes with electrically conducting fabric surfaces. With these electrodes, it is possible to enlarge the surface of the electrode while simultaneously maintaining a small distance between the body and the electrode over the whole surface area, thus maximizing the capacitance. We also show that the use of textile capacitive electrodes, reduces the noise considerably. Furthermore, this thesis describes the construction of a capacitive non-contact textile electroencephalography measuring hat (cEEG hat) with seven measuring channels. This hat benefits from the low noise characteristics of the integrated developed textile capacitive electrodes. The measured noise spectrum of this cEEG hat shows low noise characteristics at low frequencies. This fulfills many requirements for measuring brain signals. The implemented cEEG hat is comfortable to wear during very long measurements and even during sleep periods. In contrast to common methods, the cEEG hat provides a possibility of measuring EEG signal during sleep outside laboratories and in the comfort of home. EEG sleep measurements shown in this work, are recorded inside a normal apartment. The possibility of brain computer interface application is also shown by measuring steady state visually evoked potentials (SSVEP) at different frequencies.
Doktorand an der PTB
Sowohl in der Wissenschaft als auch in der Technik nimmt die Bedeutung kleiner Gleichströme im Sub-Nanoamperebereich stetig zu. Die höchsten Anforderungen bestehen zurzeit bei der Charakterisierung von Einzelelektronenpumpen. Hier werden Unsicherheiten von unter 0.1 µA/A bei 100 pA gefordert. Bis 2014 waren in diesem Bereich allerdings nur Unsicherheiten von typisch 10 µA/A möglich. Durch die Entwicklung des ultrastabilen rauscharmen Stromverstärkers (ULCA) konnten in der Kleinstrom-Metrologie in den vergangenen Jahren wesentliche Fortschritte bei der Messunsicherheit erzielt und damit neue Weltrekorde im Bereich der Einzelelektronenpumpenforschung aufgestellt werden.
Der ULCA ist ein halbleiterbasierter Verstärker zur Messung und Erzeugung kleiner Stromstärken. Sein Verstärkungsfaktor (Transresistanz) ist extrem stabil. Das Rauschniveau von 2.4 fA/sqrt(Hz) begrenzt allerdings bei sehr kleinen Stromstärken die in der Praxis erreichbare Unsicherheit.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde der ULCA weiterentwickelt und optimiert. Hierfür wurde ein Modell für das Rauschen und den Eingangsruhestrom erarbeitet. Mit Hilfe dieses Modells erfolgte die Entwicklung einer rauschoptimierten ULCA-Variante, die ein reduziertes Rauschen ohne Stabilitätsminderung erzielt. Die unveränderte hohe Stabilität der Transresistanz wurde durch umfangreiche Messungen nachgewiesen. Mit dem rauschoptimierten ULCA lassen sich daher die langen Messzeiten bei der Charakterisierung von Einzelelektronenpumpen bei gleicher Unsicherheit um bis auf die Hälfte reduzieren.
Für sehr kleine Ströme unterhalb von ca. 1 pA wurde eine ULCA-Variante mit minimalem Rauschen entwickelt. Sie erreicht ein Rauschniveau von 0.4 fA/sqrt(Hz) und ermöglicht Unsicherheiten bis herab zu 10 µA/A. Ferner liegt der Eingangsruhestrom bei dieser Variante unter 100 aA und ist sowohl zeitlich als auch über der Temperatur sehr stabil. Dadurch kann in vielen Fällen auf das bei Präzisionsmessungen übliche Umpolen des Messstroms zur Unterdrückung von Offset-Effekten verzichtet werden. Mit dieser ULCA-Variante wurde das Stromrauschen von Kabeln untersucht und eine rauscharme Verkabelung für die kryogenen Messaufbauten von Einzelelektronenpumpen gefunden.
Die Ergebnisse dieser Arbeit lieferten wichtige Beiträge für die Präzisionsmessung kleiner Gleichströme. Der rauschoptimierte ULCA ist mittlerweile kommerziell erhältlich und es ist zu erwarten, dass sich dieses Instrument in der Kleinstrom-Metrologie als Standard etablieren wird.
Doktorand an der PTB
In der vernetzten Welt, in der wir leben, ist es immer wichtiger geworden, genau und vergleichbar zu messen. Um die Vergleichbarkeit von Messungen zu gewährleisten, wurde daher seit 1790 an einem internationalen Einheitensystem gearbeitet, aus dem schließlich das SI-System hervorgegangen ist. Alle Messungen sind dazu auf die Definition des Meters, der Sekunde, des Ampere, des Kelvin, des Mol und der Candela zu beziehen. Dies gilt auch für davon abgeleitete Größen, wie das Pascal für den Ultraschallwechseldruck in Wasser. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines Messplatzes für die Primärkalibrierung von Ultraschallhydrophonen. Hydrophone sind Geräte, die den Schalldruck in eine messbare Spannung umwandeln. Das Verhältnis zwischen der Spannung und dem Schalldruck ist die Hydrophonempfindlichkeit und dieses Verhältnis wird durch die Kalibrierung ermittelt. Im ersten Schritt der Kalibrierung erfolgt die Bestimmung des Ultraschallwechseldruckes im Wasser durch die Messung der Auslenkung der Wasseroberfläche. Dazu wird ein Hochfrequenz-Laservibrometer eingesetzt. Über die Wellenlänge des Laserstrahls ist direkt der Bezug zu dem Meter gewährleistet. Im zweiten Schritt der Kalibrierung wird das Hydrophon dem durch die Messung mit dem Vibrometer bekannten Schallfeld ausgesetzt und dabei seine Spannung gemessen. Aus den beiden Messungen wird die Hydrophonempfindlichkeit ermittelt. Dabei wurden auch Korrekturen für das Schallfeld berücksichtigt und das Unsicherheitsbudget wurde ermittelt. Für die Erzeugung des Ultraschallsignals wird ein Impulsverfahren verwendet, das erstmals bei der Primärkalibrierung eingesetzt wird. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass der Frequenzbereich von 1 MHz bis 100 MHz durch eine einzige Messung abgedeckt wird und als Ergebnis sowohl die Amplitude als auch die Phase ermittelt wird. Dadurch ist das Übertragungsverhalten vollständig charakterisiert. Dies ist eine wesentliche Verbesserung zu den bisher für die Primärkalibrierung eingesetzten monofrequenten Bursts, die für die Kalibrierung bis 60 MHz genutzt wurden und nur die Bestimmung der Amplitude ermöglichten. Die Daten der Kalibrierung können nun, wie an einem Beispiel gezeigt wird, dazu verwendet werden, um die mit dem Hydrophon gemessenen Signale zu entfalten und so den realen Schalldruckverlauf zu rekonstruieren. Dadurch lassen sich breitbandige Hydrophonsignale auswerten.
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
The fabrication of products by additively building them layer by layer promises exciting possibilities, including realisation of Industry 4.0, sustainability, local manufacturing and a measurement dataset which describes every voxel of the produced part. Measurement methodologies, which can measure such a dataset and interpret the result, are therefore needed. A cost-effective additive manufacturing technique, which can help with the worldwide plastic pollution problem, is Fused Filament Fabrication. This is an open source concept and ideal for adoption by developing economies. Measurement approaches are needed, though, to develop this technology beyond a rapid prototyping and modelling tool, to a functional production solution. This thesis develops cost effective, accessible solutions to improve the material feed mechanism, which is one of the most critical process components. A detailed review of the process steps is given first, which also contributes to this still rapidly developing field. This review includes the motion tool chain, from the stepper motor actuation to the firmware implementation to realise motor control. The feedstock materials and the liquefier design are also presented. Five methods for optimisation of the process are developed and experimentally tested. This includes the optical monitoring of the feed mechanism, which can measure the volumetric flow rate, a method to measure the exit flow rate, a pressure sensor to measure the liquefier state, single print optimisation with design of experiments and a link between the in-process and post process measured data. This is taken further by presenting the Vapour Deposition Fabrication concept, which is like the Dynamic Stencil Lithography process, but realised with a configuration based on the Fused Filament Fabrication electronics and firmware. The design and construction of the first Vapour Deposition Fabrication micro-printer are presented. This thesis finds that rate material addition in additive manufacturing is an important process variable, which needs to be monitored with indirect methods. Furthermore, standardisation is important for additive manufacturing, and this includes how G-codes are interpreted by the printer firmware. Finally, many process parameters must be optimised, and the single print optimisation method shown here is an example method, which can form part of a complete printer development, qualification and conformance solution.
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Magnetic Particle Imaging (MPI), being a new tomographic imaging modality based on magnetic nanoparticle tracers, offers potential applications in medicine and medical research. Possessing spatial resolution in the millimeter range and high temporal resolution, it is well suited for many applications. Since MPI doesn't rely on ionizing radiation, substitution of radiological methods by MPI benefits the safety of patients and medical staff. One of the challenges MPI faces is to provide capabilities that surpass what is currently possible with tracer based imaging systems. A possible advantage of MPI is the presence of nanoparticle tracers that can be modified to interact in well defined ways with their environment through surface functionalization. By exploiting particle dynamics, these interactions can be measured magnetically and can provide a spatially resolved map of particles states, enabling quantitative, functional imaging. This work describes the development and application of a MPI scanner designed specifically to demonstrate and further research the functional imaging capability of MPI through the measurement of particle mobility. This concept, called moblity MPI (mMPI), can be realized based on the Brownian relaxation mechanism. One possible technique involves the use of multiple excitation frequencies, that can be used to separate information on the spatial distribution from particle dynamics. Since the particle relaxation is inherently dependent on the excitation frequency, acquiring the same image at several drive frequencies provides the additional data required for functionally and spatially resolved MPI. Since current MPI scanners rely on transmit and receive chains tuned to the excitation frequency, the scanner hardware needs to be adapted. This thesis describes in detail the design and construction of a MPS and a mMPI system and their components. Several design techniques, such as a method for the accurate prediction of coil parasitics, have been developed for this task. Other noteworthy aspects are the design of transmit and receive filters, offering high stop band attenuation and good linearity. The development of a fully differential receive coil completes the effort to provide a system suitable for the demonstration of mMPI. After acquiring conventional one- and two-dimensional MPI images, the new scanner was used to demonstrate the capability of MPI to provide spatially resolved information on particle mobility.
Doktorand an der PTB
Time interval and frequency can be measured with lower uncertainty and greater resolution than any other physical quantity. Using caesium fountain clocks, the SI-second can be realized with uncertainties of several parts in 10^16. In a fountain clock, microwave fields are used to manipulate the atomic states. These fields are driven by dedicated microwave signals. The generation of microwave signals is a key aspect for the operation of fountain clocks, as it can significantly contribute to the clocks statistical as well as the systematic uncertainty. This thesis discusses the contributions of the microwave signal generation to the uncertainty of a caesium fountain. Several methods aimed at the reduction of the statistical as well as the systematic uncertainty were implemented and assessed. A modular microwave synthesizer has been designed, ensuring high reliability and high availability. By utilizing a high stability local oscillator, the contribution of the microwave signal generation to the statistical uncertainty of the fountain clock could be reduced to an insignificant level. The synthesizer has been augmented with a modulation scheme to implement the method of Rapid Adiabatic Passage for collisional frequency shift measurements. Application of this method in the fountain clock CSF2 lead to a significant reduction of the collisional shift uncertainty and enabled fountain operation with high atom numbers. Phase perturbations in the microwave fields during the state manipulation can lead to shifts of the fountain frequency if they are synchronous with the fountain cycle. To facilitate a detailed analysis of cyclic perturbations on the micro-radian level, a dedicated phase transient analyzer was developed. With this system, the effect of cyclic phase perturbations can be evaluated at the low 10^-17 level. Uncontrolled interactions between the caesium atoms and resonant microwave fields can also be a source of frequency shifts. A method for the suppression of such shifts has been developed, relying upon a precise control of the field's frequency detuning. By using this scheme, the uncertainty contributions due to such interactions at CSF2 could be limited to few parts in 10^17.
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Magnetic nanoparticles composed ofiron oxide facilitate attractive possibilities in biomedical applications. The controllable size of few nanometers can be tailored with very tight tolerances, enabting them to get dose to biological entities of interest. The additiqnal possibility to coat the particles with biological molecules allows for interaction or binding with cells, proteins or even genes. Along with the magnetic properties this allows to manipulate them by an external magnetic field gradient or to make them resonantly respond to a time-varying magnetic field. These unique properties prospect manifold non-invasive in vivo diagnostics or therapies. Magnetic resonance imaging, hyperthermia treatment and drug delivery are only few ofthe many biomedicat applications with promising results. It is almost disconcerting that - in prospect ofthe apparent advantages - only very few magnetic nanoparticles are ticensed for in vivo applications, not least due to lack of standardized characterization methods.
This thesis is concerned with the size characterization ofdifFerent classes of magnetic nanoparticles via frequency and time dependent magnetization and relaxation measurements. A multitude ofmagnetic nanoparticle samples has been prepared including dilution series, immobilization experiments and exposure to magnetic
fietds to assess distinct features such äs particle interactions, anisotropy energy measurements on unmodified and altered samples under different conditions. Reviewing the weil established models and implementing necessary modifications to derive further information, a comprehensive size characterization of all samples has been carried out. The derived parameters are compared and the origins of deviations are investigated in order to harmonize the size characterization of magnetic nanoparticles. Further chaltenges ofa standardized size characterization of magnetic nanoparticles are investigated and incorporated into the analysis.
As a result, the findings are condensed into a self-consistent size characterization and compiled into Standard operating procedures for alternating current susceptometry, magnetorelaxometry and the rotating magnetic fielet method.
Dissertation TU Braunschweig
ch verlag
ISBN: 978-3-86387-965-5
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
The fluxgate sensor is known as a precision, low noise, reliable magneticfield sensor, and has been developed for decades. The sensor has been used in measurement systems, which need high precision in magnetic field measurements such as in satellite systems, navigation, and geological exploration. Although there are lots of competitors to the fluxgate such as Halt, GMR, and AMR sensors, the development of fluxgate sensors is still continuing to get better performance. There are still many potential developments offluxgate sensors, to make it better than what is nowadays commercially available. The main big potential is the development of sensitivity and noise properties. Many efForts have been done to obtain this such as treatment ofthe core material, tuning the coils, making a new model of Output voltage involving the core permeabitity or coil inductance, and the etectronics signal processing optimization. The new model is intended to obtain the good permeability, inductance, or any other parameters for the best sensitivity and noise performance by designing the geometry.
This thesis describesthe developmentofa novel fluxgate analyzerforfluxgate sensor chararterization, which is used for modeling the fluxgate sensor Output to study the parameters that affect fluxgate sensor Output. The characterization is based on the impedance offluxgate sensor coils, which contain high permeability material as fluxgate sensor core. The non-linearity ofthe core permeability becomes the crucial and important topic in designing the impedance analyzer. The instrument has been designed to comply with the fluxgate sensor characteristics, which has low impedance and hjgh core permeability. For that reason, the fluxgate analyzer has been designed with low Output impedance and to be able to provide a very low current for fluxgate impedance measurement. A model from the impedance measurement is used to calculate and predict the fluxgate output sensitivity. Together with other physical parameters such äs winding number and length, the model is utilized to set-up an equation to calcutate the fluxgate output voltage and sensitivity.
doi: 10.24355/dbbs.084-201909041058-0
ISBN: 978-3-86387-964-8
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Messsystem zur Analyse der dominierenden Rauschquellen und Rauschprozesse von magnetoresistiven (MR-) Magnetfeldsensoren entwickelt, vorgestellt und charakterisiert. Die wichtigsten magnetoresistiven Sensoren sind die AMR-, GMR- und TMR-Sensoren. Die intrinsischen Rauschprozesse dieser Sensoren werden von den physikalischen Prozessen auf der mikro- und makroskopischen Ebene hervorgerufen und begrenzen das Detektionslimit der Sensoren. Eine Charakterisierung und Analyse der Rauschprozesse ist für die Spezifizierung des Auflösungsvermögens der Sensoren, das physikalische Verständnis der Sensorphysik und die weiterführende Verbesserung der Sensoren notwendig.
Die Untersuchung des Rauschens ist eine komplexe Messaufgabe, da die intrinsischen Signale von den Sensor- und Umgebungsparametern (Magnetischer Arbeitspunkt, Temperatur, etc.) abhängen und von den Rauschquellen der Messelektronik signifikant überlagert und damit gestört sein können. Die Charakterisierung des Ausgangsrauschens findet aus diesen Gründen in einer extrem rauscharmen, sehr stabilen und abgeschirmten Messumgebung statt.
Zur Analyse der Wechselwirkungen und Abhängigkeiten der Rauschquellen ermöglicht das Messsystem die Charakterisierung in Abhängigkeit von der Temperatur, der Versorgung, dem Stützmagnetfeld und dem magnetischen Arbeitspunkt. Hervorzuheben sind dabei das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Temperatursystem mit einem Temperaturbereich von ±175 °C und die Stromquelle zur Erzeugung extrem rauscharmer und breitbandiger Magnetfelder innerhalb eines 3-Achsen Helmholtz-Spulensystems.
Zusätzlich und unabhängig von der MR-Sensorik wurde eine GMI-Elefrtronik in das Messsystem integriert, welche die Analyse und Charakterisierung von selbst hergestellten GMI-Elementen in oflFener und geschlossener Regelschleife ermöglicht.
Nach einer Charalrterisierung des Messsystems erfolgen Messungen an kommerziell verfügbaren AMR-, GMR- und TMR-Sensoren. Dazu wird zum Einstieg ein Überblick des Detektionsvermögens verschiedener AMR-Sensoren gezeigt und am Beispiel eines AMR-Sensors eine Analyse der dominanten Rauschquellen durchgeführt. Die Untersuchungen an mehreren GMR- und TMR-Sensoren weisen ein ausgeprägtes i/f-Rauschen auf und zeigen damit direkt die Problematik der beiden Sensorarten.
doi: 10.24355/dbbs.084-201905080926-0
ISBN: 978-3-86387-956-3
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
THz microscopy was employed to investigate reflection and diffraction properties of additive manufactured structures in this thesis. These structures were irradiated by a far-infrared laser. The THz microscope was developed at the Institut für Elektrische Messtechnik und Grundlagen der Elektrotechnik. It generates three dimensional images by moving a sensor above a sample. The sensors are Josephson cantilevers, which consist of the high temperature superconductor YBa2Cu3O7 on LaAlO3 bicrystal substrates. These sensors are sensitive to high frequency electromagnetic radiation, static magnetic fields and temperature fields. A pre-characterization of the sensors is necessary. It can be performed in the THz microscope or in a separate setup. A scanning force procedure can be employed to collect topological data in addition. Furthermore, the Josephson cantilever can be complemented by other sensors such as pyroelectric detectors. These are also sensitive for high frequency radiation and are available at favorable prices. Though, they cannot reach the spatial resolution of the Josephson cantilever and not their frequency resolution. The far-infrared laser is optically pumped by a carbon dioxide laser. The Gaussian beam is quasi-optically coupled into the THz microscope by multiple mirrors and lenses. The calculated beam parameters are verified by measurements. Additive manufacturing processes offer the opportunity to manufacture prototypes for optical components very fast. The printing processes stereolithography (SLA), fused deposition modeling (FDM) and ceramic paste extrusion can be employed for different applications. Metrology is gaining importance in the field off additive manufacturing to obtain reproducible results. Diffraction gratings are optical components which are particularly suited for beam manipulation. Multiple diffraction gratings were calculated, constructed and eventually additively manufactured. These objects were implemented into the THz microscope and the diffraction patterns were investigated.
Doktorand an der PTB
Magnetic Particle Imaging (MPI) is a medical imaging modality, that is (in the current state in 2017) in the preclinical stage. It is based on the spatially encoded detection of magnetic nanoparticles that are magnetized by an external magnetic field. Employing gradient fields and pickup coils the particle distribution can be reconstructed from the measurement signal. Body tissue is ignored with this technology. Based the potential high spatial and temporal resolution, MPI is a worldwide topic of research. Besides MPI, the Magnetic Particle Spectroscopy (MPS) has been established for the characterization of magnetic nanoparticles under MPI conditions. Since this method only yields relative information, an MPI scanner is still needed for quantitative estimations regarding the spatial resolution under consideration of the signal-to-noise ratio. This leaves room for optimization. The first part of the thesis describes the influence of the measurement signal on the spatial resolution in MPI. Based on classic theories of signal-processing and imaging, the MPI signal is analyzed regarding the Nyquist-Shannon-Sampling-Theorem and the spatial frequencies and a direct relationship between spatial frequencies and harmonic structure is indicated. Finally, the spatial resolution is related to the harmonics above noise level. In the second part, it is presented based on simulation results how the tracer properties may be optimized for MPI. It is shown, that due to dynamic effects, tracers need to be attuned specifically for MPI via several parameters. Finally, a parameter is presented for the optimization of MNP that is independent of the applied field strength and frequency. In the third and last part of the thesis, an enhancement of the standard MPS characterization is presented to estimate the spatial resolution of the tracer in dependence on the amount of the tracer and its properties. Besides the characterization of several commercially available tracers, the theory from the first part of the thesis is successfully verified. Moreover, a study is presented in which several resolution phantoms were imaged in a commercial MPI-scanner and successfully compared to the previous resolution characterization of the tracer.
Doktorand an der PTB
This thesis presents a complete set of proton-impact ionization cross section data of DNA constituents determined at the Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB). The cross section data describe the probabilities for the ionization of gas-phase tetrahydrofuran, pyrimidine and trimethyl phosphate that are structural analogues to the base, sugar, and phosphate residue of the DNA, respectively. Total, single-differential and double-differential ionization cross sections were determined, whereby the differential description refers to the energy or angular dependence of electron emission. Double-differential cross sections were measured for impact energies between 75 keV and 3000 keV over an angular range between 15бу and 150бу in 15бу intervals. Both single-differential and total ionization cross sections were derived by integration of the measured double-differential cross sections. The measurements of double-differential cross sections were carried out using a crossed-beam arrangement in a high-vacuum chamber. The proton beam, which perpendicularly crosses an effusive gas jet target of DNA constituents inside the chamber, was generated either by the 3.75 MV Van de Graaff accelerator of the PTB ion accelerator facility (PIAF) or a newly developed 155 kV ion accelerator. In the measurement a newly constructed electron spectrometer was used to detect the secondary electrons produced by proton collisions with the target molecules. The energy of the secondary electrons was selected by a hemispherical electron energy analyzer, which was mounted on a turntable to allow the spectrometer to rotate around the axis of the gas jet. Hence, the energy spectra could be recorded at defined observation angles with respect to the proton beam. These spectra were converted into absolute cross section values via a normalization procedure based on previously published absolute electron-impact cross section data.
Wissenschaftliche Mitarbeiterin vom 1. August 2013 bis 31. März 2017
Die Messung der Gehirnströme mittels Elektroenzophalographie (EEG) ist ein Standardverfahren in der heutigen medizinischen Diagnostik. Neben der diagnostischen Anwendung werden aktuell Brain-Computer-Interface-Anwendungen (BCIs) entwickelt, welche EEG als Eingabemöglichkeit am PC nutzen. Dies ist insbesondere für Patienten mit Locked-In-Syndrom, welche keine Möglichkeit zur Kommunikation haben, wie ALS-Patienten, eine Chance, sich in Zukunft verständigen zu können. In dieser Arbeit wird mit einem kapazitiven EEG-Helmsystem das Potential visueller Stimulation via Schachbrettmusterumkehr bei unterschiedlichen Frequenzbereichen und Farbkombinationen analysiert. Dabei wurde der Bereich der Stimulationsfrequenzen, welcher standardmäßig im Bereich zwischen 8 und 20 Hz liegt, auf 40 Hz erweitert, um in einer störungs- und rauscharmen Frequenzumgebung bessere Ergebnisse zu erzielen. Neben dem gewünschten Resultat, dass diese zusätzlichen Frequenzen ein nutzbares Signal mit individuellen Unterschieden in der Signalstärke zeigen, wurde beobachtet, dass die Signalfrequenzen im aufgenommenen EEG von der im Stimulationsprogramm eingestellten abweichen. Dadurch wurden neben den EEGMessungen auch u. a. Messungen der real dargestellten Frequenzen mittels eines am Monitor angebrachten Phototransistors durchgeführt, um die Ursache dieser Abweichung zu finden. Dabei wurde beobachtet, dass die Anzeige zwischen zwei Frequenzen wechselt und das EEG einen Peak bei der gemittelten Frequenz aufweist. Die Hauptursache für die Abweichung wurde in dem bislang verwendeten Programm zur Stimulationserzeugung in Kombination mit dem nicht echtzeitfähigen Windows als Betriebssystem gefunden. Zum Vergleich wurde ein alternatives Stimulationsprogramm mittels DirectX entwickelt und getestet. Die eingestellten Frequenzen wurden exakt angezeigt, bei keiner Messung gab es Abweichungen. Als zweites Thema wurden Haut- und Übergangswiderstände zwischen zwei Menschen unter diversen Randbedingungen behandelt und das Übertragungsverhalten elektrischer Signale zwischen Personen untersucht.
Wissenschaftliche Mitarbeiterin vom 1. Oktober 2009 bis 31. Mai 2014
Brain-Computer Interfaces (BCI) sind Systeme, die ohne Nutzung des peripheren Nervensystems, d.h. ohne Bewegung der Extremitäten oder Bildung von Sprachlauten, die Kommunikation zwischen Mensch und Maschine ermöglichen. Sie stellen eine direkte Verbindung zwischen Gehirnsignalen und einem externen ausführenden Gerät her. Bei Patienten mit dem Locked-In-Syndrom oder Querschnittslähmung ist in vielen Fällen nur mit Hilfe solcher Systeme eine Kommunikation mit der Umwelt möglich, Anwendungen sind darüber hinaus im Bereich der Steuerung von Maschinen oder Computerspielen angesiedelt. Aufgrund hoher Zeitauflösung und unmittelbarer Wiedergabe neuronaler Prozesse werden die zugrundeliegenden Gehirnsignale in dieser Arbeit mittels nicht-invasiver kapazitiver Elektroenzephalografie (cEEG) direkt an der Kopfoberfläche aufgenommen. Die Elektroden sind in einen Helm integriert, der im 3D-Druck hergestellt wurde. Die anwendungsbezogene Entwicklung des kabellosen 25-Kanal cEEG-Helms stellt somit einen Schwerpunkt dieser Arbeit dar. Nach Übertragung der Daten an einen PC setzt die entwickelte Software diese in Steuerungsbefehle um, die der Nutzer mittels Biofeedback kontrollieren kann. In dieser Arbeit steht die Umsetzung einer Schreibanwendung (Speller) mittels Steady-State Visually Evoked Potentials (SSVEP) im Vordergrund. Hierbei werden die zu messenden Signale visuell durch Schachbrettmusterumkehrstimulation evoziert. Um optimale Funktionalität zu gewährleisten, ist eine Anpassung der Stimulation und softwareseitigen Datenverarbeitung auf den jeweiligen Nutzer notwendig. Dies wurde mittels Color-Frequency Scan (CFS) nachgewiesen und durchgeführt. Hierbei wird überprüft, wie unterschiedlich das Gehirn des Nutzers Signale mit verschiedenen Farben und Frequenzen verarbeitet und wie demzufolge die für eine Anwendungssteuerung am besten zu verwendenden Signale hervorzurufen sind. Aufgrund der Betrachtung der verschiedenen Schnittstellen und Teilprozesse des Gesamtsystems entstand eine interdisziplinäre Arbeit, die neben elektrotechnischen auch designbezogene sowie mechanische und medizinische Fragestellungen umfasst. BCI ist mit seiner Vielzahl an Anwendungsgebieten somit ein Thema der Zukunft, jedoch wird man sich jenseits der reinen Forschung und Entwicklung auch den ethischen Fragestellungen nicht entziehen können, die die Identifikation und Umsetzung des menschlichen Willens ohne sichtbaren Impuls ausschließlich über Gehirnsignale mit sich bringt.
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Magnetic Particle Imaging (MPI) is a new imaging modality that delivers tracer-based volume images with high spatial and temporal resolution. The properties of the nanoparticular tracer, that needs to be present in the imaging volume for MPI to render image contrast, have direct impact on the MPI performance. The magnetization dynamics of the superparamagnetic nanoparticles are a critical factor in MPI system design. However, once understood and numerically modelled the particle's magnetization dynamics are key to enabling functional imaging with MPI based on potential particle functionalization. This thesis describes the development of a magnetic particle imaging scanner and its accompanying particle characterization technique, magnetic particle spectroscopy (MPS). The devices have been designed, built and tested to deliver insights into particle dynamics and to function as a prototype platform for MPI research. That includes the scanner hardware as well as the software for modelling the particle's magnetization response and image reconstruction. The main focus is on the development and evolution of the so called 'Mobility MPI' (mMPI) which promises to provide an estimate of the particle mobility, including the hydrodynamic diameter of the particles and the viscosity of the surrounding medium, in additional to the standard concentration-weighted MPI image. By allowing a discrimination between Néel and Brownian contributions, mMPI in conjunction with a suitable tracer enables binding detection in the imaging volume. The harmonic spectrum connected with the dynamic magnetization response of the tracer is studied in MPS. The ability for conducting bio-assays with MPS is explored and the results are evaluated in context of appropriate numerical models. Furthermore, the effect of viscosity on the MPI system matrix is studied and different approaches for deducing mobility information from an MPI experiment are investigated.
Wissenschaftlicher Mitarbeiter vom 1. April 2011 bis 31. Mai 2015
In this work, the rotational dynamics of magnetic nanoparticles (MNPs) was investigated with respect to its application in rotating magnetic field-based homogeneous bioassays. This concept enables the direct quantitative detection of proteins in solution, which is a promising technique owing to the increasing need for patient-side laboratory diagnostics. A fluxgate-based measurement system was developed, which detects the stray field of the MNP sample magnetization induced by a rotating magnetic field (RMF). The gradiometric sensor arrangement facilitates a robust magnetic detection of various MNP types. For the analysis of the rotational dynamics, the phase lag between the rotating magnetic field and the MNP sample magnetization was calculated, which enables in the investigated concentration range a particle concentration-independent characterization of the dissolved MNPs, for example the determination of the hydrodynamic size. Numerical solutions of the Fokker-Planck equation adapted to the RMF and an empirical model derived from these results were analyzed for the evaluation of the RMF measurements and bioassay concept, which relies on the change of the phase lag caused by proteins specifically bound to the particles. Measurements on various spherical and rod-shaped MNPs with single- and multi-cores matched perfectly with simulations based on these theories and were supported by additional characterization techniques, for example photon correlation spectroscopy. Experiments with spherical single-core iron oxide nanoparticles dominated by the Brownian relaxation and conjugated with protein G demonstrated the feasibility of the quantitative protein detection based on the RMF concept. For this MNP type a core diameter of 30 nm was found to be optimal since its dynamics is significantly affected by small proteins bound to the surface but it is still clearly dominated by the Brownian relaxation. Multi-core particles with larger hydrodynamic sizes and partly dominated by the Néel relaxation process were less suitable for the direct detection of proteins in solution when avoiding cross-linking effects. Measurements on streptavidin functionalized single-core particles demonstrated the principle quantitative analysis of samples containing the biomedical relevant biomarker HER2.
Wissenschaftlicher Mitarbeiter vom 1. Juli 2010 bis 31. Dezember 2014
In dieser Arbeit wurde das dynamische Verhalten von magnetischen Nanoteilchen (MNP) mit Magnetrelaxometrie (MRX) bei einer Temperatur von 77 K untersucht. Das Messprinzip basiert auf der Ausrichtung der magnetischen Momente der MNP in einem hinreichend großen Magnetfeld. Nach dem Abschalten des Magnetfeldes nimmt die Magnetisierung mit einer charakteristischen Zeitkonstante ab. Aus der Messung der Relaxation lassen sich unter anderem Rückschlüsse auf die Größenverteilung der MNP ziehen. Als Magnetfeldsensoren wurden in dieser Arbeit supraleitende Quanteninterferenzdetektoren (SQUID) basierend auf dem Hochtemperatursupraleiter Yttrium-Barium-Kupfer-Oxid (YBCO) verwendet. Für die Sensorherstellung wurde die Abscheidung der Supraleiter- und Isolatorschichten durch gepulste Laserablation (PLD) mittels statistischer Versuchsplanung optimiert. Auf Grundlage der abgeschiedenen Schichten wurden mit optischer Fotolithografie und Argonionen-Ätzen verschiedene Arten von direkt gekoppelten SQUID-Magnetometern hergestellt und charakterisiert. Das am Institut vorhandene MRX-Forschungssystem mit Fluxgates wurde angepasst, um MRX-Messungen mit den hergestellten direkt gekoppelten Magnetometern bei 77 K durchführen zu können. Nach einer Charakterisierung des Messsystems erfolgten MRX-Messungen, bei denen die Relaxation einer Menge von etwa 100 Milliarden MNP in einem Abstand von 5 mm zum Sensor detektiert werden konnte. Um die minimale detektierbare Menge zu verkleinern und die Sensoren unempfindlicher gegenüber Störfeldern zu machen, wurde ein neuartiger Typ SQUID entwickelt, hergestellt und charakterisiert. Bei diesem selbstkompensierenden SQUID konnte ein Kompensationsfaktor von bis zu 195 experimentell nachgewiesen werden. Anhand von mit Elektronenstrahllithografie direkt auf den Sensoren präparierten MNP-Proben konnte gezeigt werden, dass die Relaxation von 167 MNP detektierbar ist. Die Messgrenze des Systems wurde aus den Messungen zu 58 MNP abgeschätzt. Für die MRX-Messungen erfolgte eine Verifikation der MNP-Anzahl durch Finite-Elemente-Methode (FEM)-Simulationen.
Wissenschaftlicher Mitarbeiter vom 1. Januar 2009 bis 31. Dezember 2012
Das statistische Bundesamt zur Bevölkerungsentwicklung Deutschlands sagt einen Anstieg des mittleren Bevölkerungsalters in den kommenden Jahren voraus. Eine Entlastung des Fachpersonals für die größer werdende Anzahl pflegebedürftiger Menschen durch unterstützende Technik ist dabei ratsam. Mit dieser Thematik befasst sich der niedersächsische Forschungsverbund zur Gestaltung altersgerechter Lebenswelten, der es sich zur Aufgabe gemacht hat, interdisziplinär eine Alltagsunterstützung für den alternden Menschen zu finden. Neben der Betrachtung aus sozialer Sicht wurden ebenfalls technische Aspekte behandelt, die unter anderem die Grundlage der in dieser Arbeit entwickelten mobilen Vitalparameterüberwachung bilden. Als zu überwachende Parameter wurden Elektrokardiogramm, Blutdruck, Körpertemperatur, Bewegung und Blutsauerstoffsättigung gewählt, da diese Werte bereits eine grundsätzliche Einschätzung des Gesundheitszustands im Alter ermöglichen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Prototyp mit den notwendigen Sensoren und einer Mikrocontrolleransteuerung entworfen. Die sogenannte Vital-Sign-Watch wird mit einer Manschette am Handgelenk getragen und nutzt diese gleichzeitig zur Blutdruckbestimmung; die Sensorik für EKG, Temperatur und Sauerstoffsättigung des Bluts wird über Kabel mit dem Gerät verbunden. Interner Speicher und ein Bluetooth-Interface bilden die Grundlage zur Offline-Auswertung von Messdaten. Das Sensorsystem wurde in Betrieb genommen und die grundsätzliche Funktionalität wurde evaluiert. Der EKG-Sensor liefert ein störungsarmes Signal zur Auswertung der Herzfrequenz; mit der Blutdruckmessung können Werte ermittelt werden, die mit denen kommerzieller Geräte vergleichbar sind. Der Temperaturfühler bietet im axillaren Einsatz die Möglichkeit zur Messung der Körpertemperatur und mit Hilfe des Accelerometers kann die aktuelle Bewegungsart erkannt werden. Die Möglichkeit zur Aufnahme des Photoplethysmogramms mit zwei optischen Wellenlängen bildet die Grundlage zur Bestimmung der Blutsauerstoffsättigung. Eine zeitsynchrone Aufnahme erlaubt eine Korrelation der Messdaten, wodurch diese fusioniert werden können. Dargestellt wird dieses anhand einer alternativen Blutdruckbestimmung aus den Sensordaten von EKG und Photoplethysmogramm.
Wissenschaftlicher Mitarbeiter vom 1. Januar 2009 bis 31. Dezember 2012
Bei geothermischen Bohrungen und bei der Erschließung von High Pressure High Temperature Öl- und Gas-Lagerstätten werden die unter Tage eingesetzte Elektronik sowie die Sensoren mit herausfordernden Umgebungsbedingungen konfrontiert. Diese umfassen die beim Bohrprozess auftretenden Vibrationen, hohe Umgebungsdrücke von 2000 bar sowie Temperaturen von 200 bis 300 °C. Stand der Technik ist, dass für diese Temperaturen keine zuverlässig operierende Elektronik und Sensoren für Measuring While Drilling oder Wireline Instrumente existieren. Da die Bohrkosten bei der Tiefengeothermie 70 % der Gesamtkosten ausmachen, wird von einem Ölfeld-Service Unternehmen erwartet, dass es für die Erschließung heißer Reservoire, technische Lösungen entwickelt.
Eine Lösungsmöglichkeit stellt hierbei ein aktives Kühlsystem dar, welches in Verbindung mit einer thermischen Isolierung, die Lebensdauer und Zuverlässigkeit elektronischer Komponenten erhöht bzw. einen Einsatz im Bohrloch überhaupt erst ermöglicht. Auf Grund der Eigenschaft, im Bohrloch ohne externe Energiezufuhr kontinuierlich und ohne bewegliche Komponenten Kühlleistung zur Verfügung zu stellen, ergibt sich ein Adsorptionskühlsystem als ein geeignetes Kühlverfahren.
Die Bedingungen im Bohrloch resultieren in besonderen Anforderungen an das Adsorbens. Eine Charakterisierung der Adsorptionskapazität verschiedener Adsorbentien bei Temperaturen von 200 bis 300 °C und hohen Wasserdampfdrücken ist entscheidend für die Entwicklung eines unter Tage Adsorptionskühlsystems. Die gemessenen Adsorptionskapazitäten werden mit einem Modell zur Beschreibung des Gleichgewichtes der Adsorption erklärt. Verglichen werden des Weiteren Adsorbentien in verschiedener technischer Realisierung. Hierbei stellt sich heraus, dass gepresste und extrudierte kompakte Formkörper aus einem zeolithischen Molekularsieb die benötigte Länge eines unter Tage Adsorptionskühlsystems entscheidend verringern. Untersucht wird auch der Einfluss von Luft auf den Adsorptionsprozess und die Folgen für die Entwicklung eines unter Tage Adsorptionskühlsystems. Die mechanische Stabilität geeigneter Adsorbentien gegenüber den beim Bohrprozess auftretenden Vibrationen sowie der Aufbau und Test eines Funktionsprototypens schließen die Untersuchungen ab.
Dissertation TU Braunschweig ISBN: 978 3 86387 575 6
Doktorand an der PTB
In internationalen Normen zum Explosionsschutz ist Ultraschall als eine von 13 Zündquellenarten beschrieben. Darin werden für Anwendungen von Ultraschall in explosionsgefährdeten Bereichen strenge Anforderungen gestellt, die jedoch allein auf theoretischen Abschätzungen in Analogie zu anderen, besser erforschten Zündquellen basieren. Zudem existieren zu diesen Abschätzungen keine verlässlichen Aufzeichnungen oder Veröffentlichungen. Auch ist unklar, wie die Einhaltung des derzeit gültigen Grenzwert messtechnisch nachgewiesen werden kann. Deshalb wird in der vorliegenden Dissertation die Zündwirksamkeit von Ultraschall in explosionsfähigen Atmosphären umfassend untersucht. Dabei wurden im Rahmen von theoretischen Überlegungen Worst-Case Bedingungen für Ultraschall in flüssigen und gasförmigen Ausbreitungsmedien entwickelt, die eine Zündung provozieren könnten und in experimentelle Versuchsanordnungen umgesetzt. Zündversuche in diesen Anordnungen haben erstmals gezeigt, dass Ultraschall tatsächlich als Zündquelle wirksam werden kann, wenn die akustische Energie von einem stark schallabsorbierenden Zielkörper in Wärme umgewandelt wird. Für Ultraschall in gasförmigen Medien konnten Schwefelstaub-Luft Gemische und Schwefelkohlenstoff-Luft Gemische gezündet werden. Als Worst-Case wurde dabei ein Ultraschallstehwellenfeld einer Frequenz von 20 kHz verwendet, wie es in der akustischen Levitationstechnik Anwendung findet. Unter dem Einfluss extremer Schalldruckpegel erwärmten sich Zielkörper aus porösen Festkörpern so stark, dass es zu einer Zündung an ihrer heißen Oberfläche kam. In Flüssigkeiten konnte einerseits gezeigt werden, dass hoch fokussierter Ultraschall im MHz Bereich explosionsfähige Atmosphären aus Dampf-Luft Gemischen niedriger Zündtemperatur zünden kann. Als Zielkörper zur Transformation der akustischen Energie in Wärme wurde in diesem Fall ein temperaturbeständiger Kunststoff verwendet. Andererseits kann akustische Kavitation als Zündmechanismus ausgeschlossen werden. Entsprechend der Untersuchungsergebnisse werden neue Anforderungen für den sicheren Betrieb von Ultraschallanwendungen in explosionsfähigen Atmosphären formuliert und diskutiert. In diesem Zusammenhang werden für Ultraschall in gasförmigen und flüssigen Medien jeweils neue Grenzwerte vorschlagen, die eine Anhebung gegenüber den derzeit gültigen um zwei Größenordnungen bei gleichem Sicherheitsniveau bedeuten.
Doktorand an der PTB
Der Einsatz sogenannter „energy harvester“, zur Energieversorgung von Elektronik ohne Batterien oder Kabel, nimmt beständig zu. „Energy harvester“ sind Mikrogeneratoren, wie z.B. piezoelektrische Bauteile, die Energie, beispielsweise von Vibrationen, aus ihrer Umgebung aufnehmen und in elektrische Energie umwandeln. Um den Anwendern dieser Generatoren die zur Auswahl der Bauteile benötigten Vergleichsmöglichkeiten zu geben, wurde im Rahmen des European Metrology Research Programme (EMRP) das Forschungsprojekt „Metrology for Energy Harvesting“ durchgeführt. Ziel war es, eine rückgeführte Messung des Wirkungsgrades für Mikrogeneratoren zu entwickeln. Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen dieses Projektes durchgeführt und widmet sich der Aufgabe den Energiegehalt der elektrischen Ausgangssignale zu messen. Diese Signale können beliebige Kurvenform aufweisen und sind in der Regel nichtstationär. Ausgehend von den etablierten Verfahren zur Bestimmung von Leistung und Effektivwert quasistationärer Signale wurden drei Messverfahren realisiert und untersucht. Eines dieser Verfahren stützt sich auf genaue Abtastung des Messsignals mit einer Abtastfrequenz von mehreren 100 kHz und wurde mittels einer kommerziellen Abtastkarte realisiert. Die beiden anderen Verfahren basieren auf Thermokonvertern, wie sie zur Effektivwertbestimmung durch ac-dc Transfer in vielen nationalen Metrologieinstituten verwendet werden. Eines der thermischen Verfahren basiert auf dem mathematischen Modell eines Thermokonverters, aus dessen Ausgangssignal die Eingangsenergie berechnet wird. Für das zweite wurde ein speziell modifizierter Thermokonverter entworfen, welcher mittels einer Regelschleife in einem vorgegebenen Arbeitspunkt stabilisiert wird. Die thermischen Verfahren wurden zu funktionierenden Prototypen weiterentwickelt und zusammen mit dem slowenischen (SIQ) und dem italienischen nationalen Metrologieinstitut (INRIM) untersucht.
Wissenschaftlicher Mitarbeiter vom 1. September 2004 bis 31. Januar 2010
Komplexe oxidische Materialien lassen sich aufgrund interessanter Eigenschaften als elektrische Sensoren, Aktoren und in Bauelementen nutzen. Voraussetzung für die technische Nutzung der Eigenschaften ist das kontrollierte Wachstum qualitativ hochwertiger dünner Schichten. Die Kombination der Wachstumsmethode der gepulsten Laserdeposition (PLD) mit der in-situ Charakterisierungstechnik des reflection high energy electron diffraction (RHEED) ermöglicht die Anwendung innovativer Konzepte zur Herstellung von oxidischen Schichten hoher Qualität in einem zweidimensionalen Wachstumsmodus. Im Rahmen dieser Arbeit wird das Wachstum von halbleitendem Zinkoxid, von magnetischem Lanthankalziummanganat und von multiferroischen Supergittern in Hinblick auf die Anwendung in mehrlagigen Bauelementen untersucht und optimiert. Zunächst wurden das in-situ RHEED-PLD-System und der Prozess der Herstellung und Strukturierung in Hinblick auf das Wachstum von Multilagen weiterentwickelt, optimiert und automatisiert. Als Voraussetzung für die p-Dotierung des Materials Zinkoxid wurden innovative Wachstumskonzepte untersucht und angewendet. RHEED-Oszillationen, die dem Wachstum einer ladungsneutralen Lage zugeordnet werden können, konnten beobachtet werden. Mit der Methode der pulsed laser interval deposition (PLID) wurde Zinkoxid zweidimensional auf GaN/Saphir aufgewachsen. Dies zeigt eine Möglichkeit auf für die Verbesserung der Herstellung von qualitativ hochwertigen Hybrid-Bauelementen aus Galliumnitrid und Zinkoxid. Das Wachstum von Lanthankalziummanganat wurde optimiert. Sowohl mit der Methode der kontinuierlichen Deposition als auch mit der PLID-Methode konnte das Material zweidimensional unter der Beobachtung von RHEED-Oszillationen aufgewachsen werden. Die Abhängigkeit der strukturellen, magnetischen und elektrischen Eigenschaften von der Kalziumdotierung wird diskutiert. Darüber hinaus wurden Supergitter aus alternierenden Lagen von ferromagnetischem Lanthankalziummanganat und ferroelektrischem Bariumtitanat mit Kontrolle über die in-situ RHEED-Charakterisierung in sehr guter struktureller Qualität der Schichten und Grenzflächen bis hin zu 195 Lagen aufgewachsen. Auf eine mögliche magneto-elektrische Kopplung deutet die Abhängigkeit der magnetischen Eigenschaften von der Dicke der Bariumtitanatlage hin.
Doktorandin an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Die einseitige Bestimmung von Wanddicken ist in vielen Bereichen der Industrie wichtig für die Sicherheit und Qualitätssicherung von Anlagen. Ziel ist es, die Dichtheit der Komponente zu garantieren, um einerseits den Austritt gefährlicher Stoffe zu vermeiden und andererseits den Verlust wertvoller Flüssigkeiten oder Gase zu verhindern. Bei Rohren, Druckbehältern und chemischen Anlagen hat man für eine Prüfung der Wanddicke in der Regel nur Zugang von der Außenwand – abgesehen von Rohrprüfungen z. B. mittels Ultraschallsonden (sogenannte Molche), welche in den Produktstrom durch die Rohre geleitet werden. Um die Wanddicke zu bestimmen, gibt es verschiedene Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung (z. B. Ultraschall-, Röntgen- und Wirbelstromprüfung, Thermografie). Einer der Vorteile der Thermografie ist, dass sie berührungslos funktioniert. Bei der aktiven Thermografie wird der Probekörper kurzzeitig erwärmt oder abgekühlt, und die thermische Antwort wird mit einer Infrarot-Kamera gemessen und evaluiert. Aus den aufgenommenen Wärmebildern wird die Rückwandgeometrie, d. h. die Wanddicke für ein Profil oder flächendeckend (2D/3D), bis in den sub-mm-Bereich ermittelt, wobei es sich mathematisch um ein inverses Problem handelt. Eines der klassischen Verfahren für inverse Probleme, die Levenberg-Marquardt-Methode, wird in dieser Arbeit erstmalig an experimentell gewonnenen thermografischen Daten der zerstörungsfreien Prüfung erfolgreich angewendet. Die untersuchten Probekörper repräsentieren unterschiedliche Materialien (PVC, Stahl) und besaßen neben künstlichen Defekten (Nuten verschiedener Form, Flachbodenbohrungen) auch Defekte, welche auf natürlichem Wege entstanden waren (Korrosionslöcher in Rohren). Der punktweise Rekonstruktionsfehler war tiefenabhängig und erreichte im Schnitt aller Nutprobekörper maximal 2 bzw. 6 mm für Tiefenlagen unter bzw. über 10 mm.
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
In this thesis, single-core superparamagnetic iron oxide nanoparticles were synthesized via decomposition of iron-oleate. The impact of synthesis parameters on particle size distribution and magnetic properties were explored by exploiting design of experiment methodology. An empirical growth model presenting the dependencies of particle hydrodynamic size on reaction temperature and time and iron-oleate concentration was found. The formation of highly monodisperse particles was attributed to burst nucleation and rapidly terminating growth mechanisms. The slow decomposition of iron-oleate results in larger particles via gradual nucleation and retarded growth mechanisms. We established a robust synthesis to tailor the particle core size from 12 to 25 nm while preserving the size deviation < 10%. A model describing the change in the particle phase composition from pure Fe3O4 to a mixture of Fe3O4, FeO and an interfacial FeO-Fe3O4 phase as particle size enlarges was established. A deteriorated magnetic performance seen in large biphasic particles was related to the existence of differently oriented Fe3O4 crystalline domains in particle outer layers and paramagnetic FeO phase. The particles were transferred into water via exchanging oleic acid with polyethylene glycol. The particles show an excellent water stability and their magnetic core remained monodisperse and intact after PEGylation. They also exhibited a moderate cytotoxic effect on macrophages and no release of inflammatory or anti-inflammatory cytokines. The PEGylated particles with a mean core and hydrodynamic size of 24 and 60 nm were functionalized with Herceptin antibodies for homogeneous magnetic bioassays. The particle surface functionalization was monitored by measuring particle phase lag change using a fluxgate-based rotating magnetic field setup. The results showed that these particles, primarily relaxing via the Brownian mechanism, are a potent tracer for magnetic bioassays.
Doktorand an der PTB
T2 relaxometry refers to the quantitative determination of spin-spin relaxation times in magnetic resonance imaging (MRI). Particularly in clinical diagnostics, the method provides important information about tissue structures and respective pathologic alterations. Unfortunately, it also requires comparatively long measurement times which preclude widespread practical applications. To overcome such limitations, a so-called model-based reconstruction concept has recently been proposed. The method allows for the estimation of spin-density and T2 parameter maps from only a fraction of the usually required data. So far, promising results have been reported for a radial data acquisition scheme. However, due to technical reasons, radial imaging is only available on a very limited number of MRI systems. The present work deals with the realization and evaluation of different model-based T2 reconstruction methods that are applicable for the most widely available Cartesian (rectilinear) acquisition scheme. The initial implementation is based on the conventional assumption of a mono-exponential T2 signal decay. A suitable sampling scheme as well as an automatic scaling procedure are developed, which remove the necessity of manual parameter tuning. As demonstrated for human brain MRI data, the technique allows for a more than 5-fold acceleration of the underlying data acquisition. Furthermore, general limitations and specific error sources are identified and suitable simulation programs are developed for their detailed analysis. In addition to phase variations in image space, the simulations reveal truncation effects as a relevant cause of reconstruction artifacts. To reduce the latter, an alternative model formulation is developed and tested. For noisefree simulated data, the method yields an almost complete suppression of associated artifacts. Residual problems in the reconstruction of experimental MRI data point to the predominant influence of other errors in practice. The last part of this thesis focuses on the development of a refined T2 reconstruction technique which employs a signal model that considers contributions from stimulated echoes to the spin-echo signal. The method yields an increased accuracy of the estimated T2 relaxation times. In comparison, however, the mono-exponential model proves to be less sensitive to artifacts when the data acquisition is highly accelerated. This T2 relaxometry method is currently evaluated in a first clinical trial.
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Die Magnetrelaxometrie misst Relaxationszeitkonstanten von superparamagnetischen Nanopartikeln. Diese sind in der Biomedizintechnologie verbreitet und zur spezifischen Bindung funktionalisierbar. In einem bestimmten Größenbereich ist ihre Relaxationszeitkonstante abhängig vom Bindungszustand. Zur Messung werden die magnetischen Momente in einem Magnetfeld ausgerichtet und ihre Relaxation nach dessen Abschaltung . In dieser Arbeit wird ein Magnetrelaxometrie-Scanner zur ortsaufgelösten Messung und grafischen Darstellung von zweidimensionalen Verteilungen magnetischer Nanopartikel präsentiert. Hiermit konnten Nanopartikel, die an beschichteten Kunststofffolien durch spezifische Bindung immobilisiert wurden, und deren Messsignal von Signalen ungebundener Partikel überlagert wurde, detektiert und grafisch separat dargestellt werden. Der Scanner verwendet einen kommerziellen Verschiebetisch zur Probenpositionierung, eine Zylinderspule zur Ausrichtung der magnetischen Momente der Nanopartikel und Fluxgate-Magnetfeldsensoren zur Detektion ihres Magnetfelds. Dieses Magnetfeld entsteht durch Überlagerung der einzelnen Dipolfelder der Nanopartikel und ist stark inhomogen. Fluxgate-Sensoren, die zu den empfindlichsten Raumtemperatur-Magnetfeldsensoren gehören, sind im Regelfall auf die Detektion von homogenen Feldern optimiert. In dieser Arbeit wurden drahtgewickelte Fluxgate-Sensoren mit Racetrack-Kerngeometrie auf die Messsituation in Dipolfeldern optimiert. Hierzu wurden Finite-Elemente-Simulationen der Feldverteilung durchgeführt und daraus abgeleitet die Größe und die Position der Detektionsspule sowie die Kerngröße der Sensoren angepasst, so dass sowohl die Orts- als auch die Feldauflösung gesteigert werden konnten. Weiterhin wird eine auflösungsverbessernde Schirmung der Sensoren diskutiert. Insgesamt konnten Signal-zu-Rauschverhältnis in Dipolfeldern vervierfacht und die der Punktspreizfunktion um 40% reduziert werden.
Doktorand bei SMA
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der komplexwertigen Impedanzspektroskopie an Photovoltaik (PV)-Anlagen. Dabei ist das übergeordnete Ziel eine Methode zu entwickeln, um den PV-Generator in seinen Eigenschaften zu überwachen und Fehlerzustände frühzeitig zu erkennen.
Das im Rahmen dieser Arbeit entstandene Impedanzmesssystem (IMS) ermöglicht die Vermessung der komplexwertigen Impedanz von PV-Generatoren auf hohen DC-Strömen und -Spannungen im Betrieb der PV-Anlage und in beliebigen Arbeitspunkten. Dadurch konnte eine Systemanalyse an ausgewählten Testfeldern durchgeführt werden, um die unterschiedlichen Einflussfaktoren auf die komplexwertige Impedanz des PV-Generators zu untersuchen. Aus den Ergebnissen der Systemanalyse ist ein Systemmodell hervorgegangen, welches das dynamische Verhalten von PV-Generatoren unterschiedlicher Modultechnologien beschreibt. Durch die Identifikation der Parameter des Systemmodells kann der Zustand des PV-Generators bestimmt und eine umfassende Diagnose ausgeführt werden.
Innerhalb der Arbeit richtet sich der Fokus der komplexwertigen Impedanzspektroskopie auf die Erkennung und Klassifizierungvon Lichtbögen. Diese besitzen die Eigenschaft, ein breitbandiges Stromspektrum zu emittieren, welches in den meisten heute verfügbaren Lichtbogendetektionen im Zeitbereich ausgewertet wird. Eine durchgeführte Lichtbogencharakterisierung sowie Impedanzmessungen an PV-Generatoren zeigen, dass ein direkter Zusammenhang zwischen dem Stromspektrum des Lichtbogens und der Impedanz des PV-Generators besteht. Mit Hilfe der komplexwertigen Impedanzspektroskopie ist eine Beschreibung der Korrelation beider Größen entstanden. Diese ermöglicht die Vorhersage des Lichtbogenstroms, wodurch eine an die individuellen Eigenschaften der PV-Anlage angepasste Lichtbogendetektion realisiert werden kann. Darüber hinaus zeigt ein erarbeiteter Verfahrensansatz die Lichtbogenklassifizierung aus der Impedanzmessung selbst. Dabei werden die Arbeitspunktverschiebungen des PV-Generators bei Auftreten eines Lichtbogens als Unterscheidungsmerkmal zwischen den Lichtbogentypen verwendet. Die Lichtbogenklassifizierung stellt eine wesentliche Voraussetzung dar, um sowohl Serien- als auch Parallellichtbögen sicher behandeln zu können.
Dissertation TU Braunschweig
ISBN: 978 3 86387 242 7
The Thompson–Lampard theorem is a theorem of electrostatics which describes a so-called cross capacitance independent of its cross sectional dimensions. It is therefore best suited to be used as a capacitance standard for the absolute determination of the unit of capacitance, the farad. As this cross capacitance is defined for DC but must be operated at AC, a frequency correction must be applied the uncertainty of which is one of the largest contributions to the uncertainty budget. The frequency correction can be calculated with a sufficient accuracy using an equivalent circuit model which describes the behaviour of the calculable cross capacitor at AC. Calculable cross capacitors are mostly operated at a frequency of 1592 Hz ( = 104 rad/s) which is convenient for the link between the farad and the ohm. The determination of the frequency behavior of the PTB calculable cross capacitor in the audio frequency range is carried out by applying an equivalent circuit model which considers the influence of distributed admittances and impedances within the calculable cross capacitor. It has been derived taking into account the main currents flowing inside the calculable cross capacitor and the voltage drops caused by these currents. Most of the circuit parameters of the model were directly measured in the actual configuration of the electrode system with a commercial auto-balancing bridge in a frequency range between 1 kHz and 10 kHz. Owing to the uncertainty of the bridge which is 0.1 % for capacitance measurements and 2 % for inductance measurements, the calculated uncertainty of the frequency correction amounts to a few parts in 108. The capacitances on the calculable cross capacitor were found to be frequency independent, but self-inductances and mutual inductances of the electrodes are frequency dependent and linearly proportional to the inverse square root of the frequency in the examined frequency range. The frequency dependence of the calculable cross capacitor has been calculated based on the measured circuit parameters. It has been found that the frequency dependence of the cross capacitance is proportional to the square of the frequency, and that the influence of mutual inductances of opposite electrodes dominate the behavior at higher frequencies. At a frequency of 1592 Hz, the correction of the PTB calculable cross capacitor with a value of 1 pF amounts to 9.2×10-8 pF with an expanded uncertainty (k=2) of 3.1×10-8 pF.
Doktorand an der PTB
Distorsionsprodukt-otoakustische Emissionen1 (DPOAE) erlauben eine objektive und nichtinvasive Untersuchung der cochleären Funktion. Allerdings ist die Zuverlässigkeit von DPOAE-Hörtests bei hohen Frequenzen bislang nicht zufriedenstellend, weil die Stimulus- Kalibrierung fehleranfällig ist und zu falschen Testergebnissen führen kann. Obwohl bei der Im-Ohr-Kalibrierung der Stimuluspegel für jedes Prüfohr mit der DPOAE-Sonde eingestellt wird, treten ab ca. 3 kHz erhebliche Kalibrierfehler auf. Die Entfernung zwischen der Sonde und dem Trommelfell stellt dabei den Kern des Problems dar. Die wesentlichen Ziele dieser Arbeit bestehen darin, die bei der Im-Ohr-Kalibrierung und Charakterisierung von DPOAE-Sonden auftretenden Fehler zu quantifizieren; nach Wegen zu suchen, um den Einfluss dieser Fehler auf die DPOAE-Ergebnisse weitgehend zu kompensieren; und anschließend den retrograden DPOAE-Signalweg zu analysieren. Für diesen Zweck wurden Finite-Elemente-Modelle der DPOAE-Sonde und Gehörgänge entworfen, Schalldrücke an physikalischen Gehörgangsmodellen aufgenommen, und DPOAEMessungen an Versuchspersonen durchgeführt.
Stehende Wellen führten zu erheblichen Variationen des Schalldrucks im Gehörgang. Dieser Effekt wurde kompensiert, indem die Stimuluskalibrierung auf die Trommelfellposition bezogen wurde. Vorhersagen des Schalldrucks mit ausreichender Genauigkeit konnten bis 8 kHz mit der eindimensionalen Wellenleitertheorie und unter Verwendung der akustischen Länge der Gehörgangsmodelle bei der Transformation erzielt werden. Der Querschnittssprung zwischen Sonde und Gehörgangsmodellen bewirkte eine Verschiebung der Viertelwellenlängen-Frequenz, was als „akustische Verlängerung“ der Gehörgangsmodelle interpretiert wurde, die vor allem bei Modellen größeren Durchmessers auftrat. Um diese Verschiebung zu kompensieren, wurden verschiedene Modifikationen der Ohreinsätze größeren Durchmessers vorgeschlagen und realisiert.
Bei der Quellcharakterisierung von DPOAE-Sonden wurde der Einfluss der Anzahl und der Länge der Kalibriervolumina auf die Abschätzung der akustischen Eingangs-admittanz der Gehörgangsmodelle untersucht. Es wurde ein Auswahlkriterium für die Kalibriervolumina angegeben, welches die Abschätzung der Eingangsdmittanz eines unbekannten Testvolumens mit einer Genauigkeit von 0,3 dB erlaubte.
In einer Pilotstudie wurde eine kombinierte Stimulation von DPOAE über Luft- und Knochenleitung vorgestellt. Diese Stimulation erzeugte messbare DPOAEs, und erlaubte – durch Vertauschen der Signalübertragungswege – eine Identifikation von Fehlern bei der Stimuluskalibrierung. Zudem wurden die äquivalenten Bezugshörschwellen für eine handelsübliche DPOAE-Sonde bestimmt und somit Daten für ihre Standardisierung bereitgestellt. Ferner wurde der Einfluss der Impedanz des Ohreinsatzes auf den retrograden DPOAE-Weg mit Impedanzrohr-Messungen an speziell entworfenen Schaumstoffproben analysiert. Anschließend wurde die gezielte Variation der Einstecktiefe der Sonde im Gehörgang untersucht. Deren Ergebnisse wurden verwendet, um zwischen physiologischen und technischen Distorsionen zu unterscheiden.
Diese Arbeit analysiert die derzeitig nicht zufriedenstellende Kalibrierung von DPOAESonden und stellt eine ausführliche Untersuchung der bei der Charakterisierung und Im- Ohr-Kalibrierung auftretenden Fehler dar. Sowohl theoretische als auch praktische Verfahren, um diese Fehler zu reduzieren und somit die Zuverlässigkeit der DPOAE-Ergebnisse zu erhöhen, wurden behandelt. Ferner wurde mit der kombinierten Stimulation von DPOAEs ein neuer Weg eröffnet, der Vorteile für den klinischen Einsatz mit sich bringen kann.
Dissertation TU Braunschweig
ISBN: 978-3-86387-128-4
Wissenschaftlicher Mitarbeiter vom 18. April 2006 - 31. März 2011
In dieser Arbeit wurde die Einkopplung von Fern-Infrarot-Strahlung (FIR-Strahlung) in supraleitende Josephson-Kontakte untersucht. Diese sind nicht nur extrem empfindliche Detektoren für elektromagnetische Strahlung, sondern auch extrem empfindliche Detektoren für quasistatische Magnetfelder. Verschiedene Antennen wurden simuliert und gebaut, um die Strahlungsleistung optimal in die Josephson-Kontakte einzukoppeln.Es wurden Korngrenzenkontakte aus dem Hochtemperatursupraleiter YBa2Cu3O7 verwendet, die für diese Arbeit hergestellt wurden. Sie sind nur einige _m breit und wurden bis auf eine Temperatur von 35 K gekühlt. Jeweils zwei solcher Kontakte befinden sich auf einem Cantilever, der daher Josephson-Cantilever genannt wird. Durch eine Verfahrmechanik im THz-Mikroskop ist der Josephson-Cantilever in dem Messvolumen in einer magnetischen Abschirmung verfahrbar. Das THz-Mikroskop selbst entstand in zwei vorhergehenden Dissertationen und wurde für die Messungen umgebaut, verbessert und für FIR-Messungen erweitert. Als Strahlungsquelle wurde ein optisch gepumptes FIR-Gaslasersystem aufgebaut, das von einem CO2-Laser gepumpt wurde. Für die beiden Laser wurden Regelkreise aufgebaut, um die Ausgangsleistung von einigen mW im Frequenzbereich von 462 GHz bis 7104 GHz zu stabilisieren. Ein quasioptisches Linsensystem mit Kunststofflinsen wurde entwickelt, gebaut und untersucht, um die Strahlleistung vom FIR-Lasersystem in das Messvolumen im THz- Mikroskop zu übertragen. So konnten die gaußförmigen Strahleigenschaften der Laserstrahlung bei der Übertragung erhalten werden. Auch die Strahlungsübertragung mit einem überdimensionierten, metallischen, runden Wellenleiter wurde untersucht. Im Messvolumen konnten die Strahlung selbst und angestrahlte Proben im FIRBereich untersucht werden. Durch die schichtweise Aufnahme der Detektormessdaten im Messvolumen konnte ein dreidimensionaler Überblick über die Leistungsverteilung der Strahlung — im Nah- und im Fernfeld — gewonnen werden. Durch eine Kalibrierung ist es möglich zu bestimmen, wie viel Leistung eine Antenne in den Freiraum abstrahlt. Auch magnetische Proben wurden untersucht. Verschiedene Ursachen der Auflösungsbegrenzung des THz-Mikroskops werden diskutiert.
Doktorand an der PTB
A sampling system based on a 24-bits sigma-delta analog-to-digital converter (ADC) was built and characterized in order to study the feasibility of using this type of ADCs in electrical metrology. The non-linearities of the sampling system have been studied and a model for postcorrecting the measured data points established. The Hammerstein model, consisting of a static non-linear part and a linear system, was employed. A 4-th order polynomial accounts for the non-linearities of the analog electronics and the input stages of the sigma delta ADC. The linear part corresponds to the transfer function of the decimation filters internal to the ADC. The parameters for the model of the system were determined using noiseless and drift-free waveforms from a Josephson waveform synthesizer. The performance of the sampling system was verified experimentally by comparing the measured root-mean-square (rms) value of sinusoidal signals with the results from an established method. The results obtained using the post-corrected samples from the sampling system at 125 Hz agreed to within 2 μV/V with the de facto standard in metrology laboratories, which uses a high accuracy digital voltmeter. Precision measurements are limited by the decimation filters inside the ADC and can only be carried out for frequencies below 1/24-th of the equivalent sampling rate. The characterization results have shown that the non-linearities have been compensated to 5 μV/V or better and the effective resolution exceeds 20 bits, over an input range of 1 V at the equivalent sampling rate of 32 kHz. The experimental validation has proved that it is possible to measure rms values of sinusoidal signals with 1 V peak amplitudes for frequencies up to 1.3 kHz with uncertainty of 8 μV/V, significantly improving the uncertainty achievable with de facto standard which reaches 8 μV/V at 500 Hz.
Doktorand an der PTB
This thesis proposes that atomic force microscope (AFM) cantilevers be used as encoder for real-time high-resolution displacement measurements. It first focuses on the displacement decoding mathematics. From the mathematical derivation it is found that four AFM cantilever signals are needed when a 2D sinusoidal grating is paired as a reference for real-time forward and backward displacement measurements in any planar direction, and two AFM cantilevers signals are needed when a 1D sinusoidal grating is paired as the reference for real-time forward and backward displacement measurements in x- or y-axis direction. Furthermore it demonstrates that so far a tuning fork (TF) cantilever is the best choice among AFM cantilevers for multi cantilevers to be integrated into a compact encoder head. An AFM with one TF cantilever has been designed and built. The performance and feasibility of one TF cantilever used as encoder for realtime forward or backward displacement measurement has been investigated and experimentally tested. The decoding principle is based on direct count of integer periods plus calculation of two fractional parts of such periods standing at the beginning and at the actual position in the encoded signal corresponding to a given path of displacement. To ensure accurate implementation of this decoding process, a cross-correlation technique has been employed to filter a 1D grating encoded signal in real time. A half sinusoidal waveform template is proved to be very efficient and correct to filter 1D any waveform grating encoded signal by cross- correlating with it. Finally an AFM head with three TF cantilevers as the encoder has been designed and built. It has been experimentally tested for its performance and feasibility of real-time forward and backward displacement measurements in x- or y- axis by using two cantilevers if the distance between two cantilever tips in the AFM head is preset by a special piezo in such that two 1D sinusoidal grating position-encoded signals have a quadrature phase shift. By directly unwrapping the phase between two encoded signals, forward and backward displacements can be detected and measured in real time. Crosscorrelation filtering and differentiation process of two encoded signals are found very successful to guarantee the implementation of real-time displacement measurements by suppressing noise and reducing the offset and tilt of the encoded signals.
DOI: 10.24355/dbbs.084-201112201100-0
Doktorandin an der PTB
Die Entwicklung von Methoden zur Quantifizierung großer Biomoleküle (z. B. Peptide, Proteine) gilt als eine der zentralen Herausforderungen in der Metrologie in der Chemie. Hierzu wurde in der PTB eine grundlegend neue Methode entwickelt, die auf der oberflächenverstärkten Ramanstreuung (Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS) in Verbindung mit der sog. Isotopenverdünnung (ID-SERS) basiert. Diese Kombination gestattet ein Höchstmaß an Sensitivität und Genauigkeit bei der Quantifizierung. Der Einsatz von zertifizierten Referenzmaterialen kombiniert mit dem ID-Prinzip gewährleistet die Möglichkeit zur Rückverfolgung quantitativer Resultate auf die SI-Einheiten mol und kg.
Wesentliches Ziel dieser Arbeit war es, ID-SERS als „on-Chip“-Verfahren zur Quantifizierung äußerst geringer Mengen diagnostischer Marker weiter zu entwickeln. Die gesamte Prozedur wurde dazu auf einem wenige Quadratmillimeter großen, SERS-aktiven Substrat realisiert, dessen Oberfläche zum einen mittels lithographischer Verfahren, zum anderen durch stromlose Abscheidung mit einer metallischen Nanostruktur versehen wurde. In beiden Fällen wurden existierende Verfahren zur Nanostrukturierung verbessert, so daß Gold- bzw. Silber-Arrays mit Partikelabständen von 10 nm und weniger hergestellt wurden, was die Detektion geringer Biomarkerkonzentrationen mittels SERS erst ermöglicht.
Im ersten Fall wurde die Nanostrukturierung durch Kombination von konventioneller Elektronenstrahl-Lithographie mit der sog. „shadow deposition“ erreicht. Dabei werden in einem zweistufigen Verfahren mittels Au-Gasphasenabscheidung durch eine Germanium- Maske regelmäßig angeordnete Arrays von z. B. Nanodreiecken erzeugt. Die Neigung des Substrates in unterschiedlichen Richtungen während der Verdampfung ermöglicht eine Kontrolle der Partikelabstände. So entstehen besonders starke lokale elektrische Felder durch elektromagnetische Kopplung zwischen benachbarten Nanopartikeln.
Bei der stromlosen Abscheidung werden Metallionen, z. B. Ag+ aus einer Lösung zum Metall reduziert, während das Substrat oxidiert wird. Auf diese Weise lassen sich Metall- Nanopartikel selektiv auf einer Substratoberfläche erzeugen, ohne eine externe elektrische Spannung oder ein Reduktionsmittel zu verwenden.
Die Eignung der aus diesen beiden Verfahren resultierenden SERS-aktiven Oberflächen für die Realisierung von Referenz-Verfahren zur Quantifizierung diagnostischer Marker wurde am Beispiel von Harnstoff und Kreatinin in ihren physiologisch relevanten Konzentrationen nachgewiesen.
Weiterhin wurde die Anwendung von ID-SERS zur Quantifizierung von größeren Biomolekülen wie Peptiden oder sogar vollständigen Proteinen untersucht. Als Beispiel wurde dazu das menschliche Wachstumshormon (human Growth Hormone, hGH) gewählt, und ein Modell für die Quantifizierung auf der Grundlage verschiedener charakteristischer Peptidsequenzen entwickelt. Durch diese Untersuchungen konnten zugleich Kenntnisse über das molekulare Bindungsverhalten einzelner Aminosäuren und kurzer Peptidsequenzen gewonnen werden, die eine Abschätzung über das Verhalten längerer Peptide oder gar Proteine ermöglichen.
Schließlich wurde die Möglichkeit untersucht, die SERS-Aktivität von Biomolekülen auf einem Substrat mittels eines externen elektrischen Feldes zu beeinflussen. Das dabei induzierte Dipolmoment führte zusammen mit dem intrinsischen permanenten Moment des Moleküls zu höheren SERS Intensitäten. Auf diese Weise läßt sich die Nachweisgrenze bestimmter Biomarker noch weiter herabsetzen.
Dissertation TU Braunschweig
ISBN: 3 86387 061 4
Doktorandin an der PTB
An innovative way of networking two programmable Josephson arrays generating synchronous waveforms for impedance ratio measurements, as the first of its kind, is presented. This pioneering approach of the Josephson Impedance Bridges is far more flexible than conventional bridges at the same level of measurement uncertainty. Results prove that aside from having the capability of measuring over a wider frequency range, the Josephson bridge permits measurements on two impedances with any value of phase angle between them. In the two-terminal-pair Josephson bridge setup, measurements are made for a 1:1 resistance ratio at the 10-k level in the frequency range between 25 Hz and 10 kHz. Uncertainties reach to levels of better than a few parts in 108 and results agree to the values measured from conventional impedance bridges. Two methods for four-terminal impedance measurements have been investigated, the potential comparison circuit and the coaxial setup. Both methods are capable of measuring from DC to 6 kHz with uncertainties to 10−8. The four-terminal-pair coaxial setup has potential to decrease the relative uncertainty down to 10−9 once systematic errors are analyzed and canceled. Thermal converter measurements have been made to investigate the effects of transients on stepwise approximated sinewaves. Rms measurements show that transients limit the uncertainty to about 10−6 at 1 kHz. A simple model with an equivalent time constant is presented to evaluate the influence of different parameters on the shape of the transients. It has been experimentally established, at the 10−8 level of uncertainty for the determination of impedance ratios, that the variations of the transients in stepwise approximated waveforms can be neglected when using the fundamental component of rectangular waveforms. Quantization at up to 10 kHz has been confirmed by varying the bias current of the Josephson arrays resulting in constant resistance ratios within the measurement resolution.
Wissenschaftlicher Mitarbeiter vom 01. November 2005-31. März 2010
Kapazitive Elektroden ermöglichen eine einfache Messung des Elektrokardiogramms (EKG) und Elektroenzephalogramms (EEG). Sie koppeln im Gegensatz zu herkömmlich verwendeten galvanischen Elektroden das Biosignal über einen isolierten kapazitiven Kontakt zum Körper aus. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Charakterisierung des Übertragungsverhaltens dieser kapazitiven Elektroden und der praktischen Anwendung im Bereich der Routine-Diagnostik und spezieller Interface-Systeme am Beispiel des Brain-Computer Interfaces. Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte portable EKG-System ermöglicht die Messung mit 15 Elektroden, selbst durch Kleidung hindurch, und verbindet die klassische EKG-Messung mit einem einfachen Zugang zu komplexen räumlichen Darstellungen der Herzaktivität in Form von Body-Surface-Potential-Maps. Das Verfahren wird direkt mit etablierten Verfahren verglichen und anhand realer Patientendaten validiert. Dazu wurden Messungen in klinischer Umgebung durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung der Messungen zwischen kapazitivem und galvanischem Aufbau. Durch die spezielle Anordnung der Elektroden im verwendeten System kann eine deutliche Vereinfachung der EKG-Messung realisiert werden. Die in dieser Arbeit durchgeführte elektrische Charakterisierung der Elektroden und die Beschreibung der Rauschprozesse ermöglicht ein besseres Verständnis der besonders für das EEG benötigten höheren Messempfindlichkeit. Um diese praktisch nachzuweisen, bzw. die Grenzen des Systems aufzuzeigen, wird der Aufbau eines kapazitiven 28-Kanal Helmsystems beschrieben, welches zusammen mit der ebenfalls entwickelten analogen und digitalen Signalverarbeitung EEG-Messungen ermöglicht. Gezeigt werden Messungen der Alpha-Aktivität und visuell evozierter Potentiale. Letztere Signale werden zusätzlich in einem speziellen Aufbau zur Realisierung eines kapazitiven Brain-Computer Interfaces verwendet und damit beispielhaft eine Steuerung eines Modellfahrzeugs demonstriert.
Wissenschaftlicher Mitarbeiter vom 01.12. 2001-30.11. 2010
Magnetische Nanopartikel werden in vielen Bereichen der Medizin und Biotechnologie eingesetzt. Die bekanntesten Anwendungen sind der Einsatz als Kontrastmittel in der Kernspintomografie und zur Separation und Aufreinigung von Biomolekülen. Für alle Anwendungen werden spezialisierte Nanopartikel benötigt. Die Spezialisierung der Nanopartikel kann eine bestimmte Größe und Größenverteilung oder eine Funktionalisierung zur spezifischen Bindung an Zielsubstanzen sein. In der Bioanalytik können die magnetischen Relaxationseigenschaften superparamagnetischer Nanopartikel für ein Nachweisverfahren von Biomolekülen genutzt werden. In dieser Arbeit wurde ein Messgerät entwickelt und charakterisiert, mit dem die Magnetrelaxation superparamagnetischer Nanopartikel mit hochempfindlichen Magnetfeldsensoren ohne aufwendige, magnetische Abschirmung bei Raumtemperatur gemessen werden kann. Für die Messung und die Auswertung der Messdaten wurden Programme entwickelt, und die Messunsicherheit sowie die Nachweisgrenze des Systems wurden im Hinblick auf Messungen von kleinsten Konzentrationen an magnetischen Nanopartikeln und Biomolekülen bestimmt. Mit dem aufgebauten Messsystem wurden Bindungsexperimente mit superparamagnetischen Nanopartikeln an verschieden großen Zielsubstanzen durchgeführt, wobei Bindungskinetiken untersucht werden konnten. Im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 578 (vom Gen zum Produkt) wurde das Verfahren der Magnetrelaxometrie erstmals eingesetzt, um die Vernetzungskinetik und Einbettungskapazität von Hydrogelen zu bestimmen. Nachdem die Messeinheit in einem ersten Forschungssystem getestet und eingesetzt worden war, wurde ein Demonstrator eines kompletten Messsystems inklusive Messdatenauswertung in der Größe eines 19"-Gehäuses aufgebaut. Ein solches Laborgerät ermöglicht die kostengünstige Qualitätssicherung und Anwendung von magnetischen Nanopartikeln in der Forschung und Industrie.
Wissenschaftlicher Mitarbeiter vom 01. Februar 2004-30. Juni 2008
In der vorliegenden Arbeit wird ein Messsystem vorgestellt, mit dem in einem Messvorgang statische magnetische Verteilungen, hochfrequente elektromagnetische Felder bis in den THz-Bereich und Temperaturverteilungen (Emissivitätsverteilungen) abgebildet werden können.
Als detektierendes Element werden Josephson-Cantilever eingesetzt. Ein Josephson-Cantilever ist ein supraleitendes Bauelement auf Basis des Josephson-Effekts. Auf einem Josephson-Cantilever sind ein oder mehrere Josephson-Kontakte implementiert. Das Messsystem, in dem diese Josephson-Cantilever eingesetzt werden, besteht im Wesentlichen aus einer Vakuumkammer, einem Kaltkopf mit Kompressor, einem Pumpstand, dem inneren mechanischen Aufbau mit Verfahreinheit, Sensorhalter und Probenhalter sowie einer Messelektronik und einem Steuer- und Auswertungsrechner.
Das erste Kapitel der vorliegenden Arbeit gibt eine Einführung und stellt weitere Messverfahren für die oben genannten Parameter in den Kontext dieser Arbeit. Anschließend wird die zum Verständnis der Messergebnisse dieser Arbeit notwendige Theorie vorgestellt. Das folgende Kapitel enthält eine detaillierte Beschreibung aller Komponenten des Messsystems. Darauf folgt die Beschreibung der Experimente und die Diskussion der Messergebnisse. Es wurden Messungen von Hochfrequenzverteilungen über Mikrostreifenleitungen bei bis zu 20 GHz und bis zu 98 GHz sowie Messungen der Feldverteilungen oberhalb von offenen Hohlleitern bei 762 GHz durchgeführt. Um die Potentiale, die das Messsystem bietet, aufzuzeigen, werden abschließend Messungen vorgestellt, in denen mehrere Parameter simultan abgebildet werden (Hochfrequenz- + statisches Magnetfeld, Hochfrequenz + thermisches Signal). Das letzte Kapitel enthält eine Zusammenfassung des Erreichten und einen Ausblick auf mögliche zukünftige Schritte.
Dissertation TU Braunschweig 2009
ISBN: 3 86664 793 X
Wissenschaftlicher Mitarbeiter vom 01. Juni 2001-31. März 2005
Das Wachstum von supraleitenden Schichten als Grundlage für Josephson-Kontakte aus YBa2Cu307 stellt noch immer eine große Herausforderung an die epitaktische Qualität der Schichten dar. Da der Herstellungsprozess äußerst komplex ist, verhindert er eine kommerzielle Verwendung dieser Materialien. Ziel dieser Arbeit ist es, das Wachstum von Materialien, wie sie bei der Herstellung von Josephson-Kontakten in Rampengeometrie benutzt werden, mittels RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction) bereits während des Aufwachsens zu untersuchen.
Dazu wurde zunächst ein Rezipient konstruiert, in dem ein RHEED-System integriert ist und der es ermöglicht, während der gepulsten Laserdeposition das Wachstum oxidischer Schichten bei hohen Sauerstoffdrücken zu analysieren. Damit wurden Wachstum und Herstellung dünner Schichten aus SrTiO3, YBa2Cu307, PrBa2Cu307 und ZnO auf SrTiO3 (001) untersucht. Um diese Materialien mit hoher Qualität abscheiden zu können, wurde eine Substratvorbehandlung eingeführt, um atomar glatte Oberflächen zu erhalten. Außerdem wurden Substrate mit definiert großem Fehlschnittwinkel und solche mit strukturierten Oberflächen benutzt.
Die Untersuchungen erlauben, die epitaktische Qualität der Schichten schon während der Herstellung zu beurteilen. Ferner geben sie einen Einblick in die Empfindlichkeit des Wachstums auf veränderte Herstellungsbedingungen. Es konnte gezeigt werden, dass RHEED auch beim Wachstum auf angeätzten Oberflächen benutzt werden kann, um Schichtdicken exakt zu bestimmen und das Wachstum zu kontrollieren.
Dissertation TU Braunschweig 2009
ISBN: 3 86664 599 8
Wissenschaftlicher Mitarbeiter vom 01. Juni 2001-30. April 2006
In der Arbeit wird über die Ergebnisse des Aufbaus eines 3D-Nahfeld-Rastermikroskops für den Mikrowellen- und Terahertz-Bereich mit Josephson-Kontakten aus dem Hochtemperatur-Supraleiter YBa2Cu3O7 als Detektoren berichtet. Die Josephson-Kontakte sind dabei auf der Spitze eines Cantilevers integriert.
Es werden die wichtigsten verwandten Verfahren der Raster- und Nahfeld-Rastermikroskopie vorgestellt, um Unterschiede zur Nahfeld-Rastermikroskopie mit Josephson-Kontakten aufzuzeigen. Es folgt ein Überblick über die Eigenschaften von supraleitenden Josephson-Kontakten als Detektoren, insbesondere für Mikro-wellen- und Terahertz-Strahlung, aber auch für Temperatur und Magnetfeld. Zusätzlich wird im Detail auf die Rekonstruktion der Leistungsverteilung aus den gemessenen Strom-Spannungs-Kennlinien der Josephson-Kontakte eingegangen.
Anschließend wird ein kurzer Überblick über Aufbau und Möglichkeiten des realisierten Messsystems sowie Herstellung und Eigenschaften der verwendeten Josephson-Cantilever gegeben. Schließlich werden die ersten sowie aufgenommene Bilder mit induktiven Schleifen und Josephson-Kontakten als Sensoren vorgestellt. Außerdem wurden Untersuchungen an Oszillator-Chips mit Frequenzen von 80,5 bzw. 98,4 GHz durchgeführt, wobei Messungen der Strahlungsverteilung über den Chips aufgenommen wurden.
Nach einer kurzen Diskussion der Ergebnisse endet die Arbeit mit einem Ausblick auf mögliche zukünftige Entwicklungen der Methode der 3D-Nahfeld-Rastermikroskopie mit Josephson-Cantilevern für Frequenzen im Mikrowellen- und Terahertz-Bereich.
Dissertation TU Braunschweig 2007
ISBN: 3 940333-54 4