Studienseminar für Mess- und Regelungstechnik

Die Magnetic Particle Spectroscopy (MPS) stellt ein Verfahren dar, um die Eignung magnetischer Nanopartikel (MNP) für die bildgebende Modalität, dem Magnetic Particle Imaging (MPI), untersuchen zu können. Darüber hinaus erlaubt die Erfassung der MNP-Eigenschaften mit der MPS die Auswertung von Bioassays mit magnetischen Nanopartikeln und stellt damit z.B. eine Alternative zu Antigen-Schnelltests für die Detektion von SARS-CoV-2 Viruspartikeln dar. Für die Detektion geringer Mengen biologischen Materials muss das MPS-Messsystem eine möglichst geringe Nachweisgrenze für MNP besitzen. Eine Weiterentwicklung der MPS, die vielversprechend erscheint, um dieses Ziel zu erreichen, basiert auf der Anwendung von MPS mit einem DC Offset Feld. Im Rahmen des Studienseminars wird die klassische Magnetic Particle Spectroscopy mit dem Ansatz eines Spektrometers mit zusätzlichem DC Offset Felds verglichen und es werden die Vorteile sowie Nachteile herausgearbeitet. Zudem wird ein Überblick gegeben, wie ein entsprechendes System realisiert werden kann.

Betreuer: Florian Wolgast, MSc.

DNA-basierte Biosensoren nutzen die einzigartigen Eigenschaften von DNA-Molekülen, um bestimmte Moleküle oder Umweltbedingungen zu erkennen. Diese Biosensoren sind vielseitig und finden in verschiedenen Bereichen Anwendung, darunter im Gesundheitswesen, in der Umweltüberwachung und in der Lebensmittelsicherheit.

Im Rahmen des Studienseminars sollen zunächst die Grundlagen der DNA dargestellt sowie ein Überblick über die möglichen DNA-basierten Biosensoren gegeben werden. Die Funktionsweise einer dieser Sensoren soll von Grund auf erläutert werden. Abschließend sollen die Vor- und Nachteile des ausgewählten Biosensors diskutiert und ein Ausblick auf zukünftige Entwicklungen gegeben werden.

Betreuerin: Rebecca Sack, MSc.

Die Verbindung zwischen dem Gehirn und einem Computer ist bereits seit längerer Zeit von Interesse. Diese Technologie, die als Brain-Computer-Interface (BCI) bekannt ist, eröffnet eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten in verschiedenen Bereichen, von der Medizin bis hin zur Unterhaltung. Insbesondere in der Rehabilitation und Unterstützung von Menschen mit motorischen Einschränkungen könnten BCI-Systeme unterstützen, indem es Ihnen bei alltäglichen Tätigkeiten hilft, die sonst für sie schwierig oder unmöglich wären.

In den letzten Jahren hat die Forschung im Bereich der BCI-Systeme bedeutende Fortschritte verzeichnet, insbesondere durch die Entwicklung invasiver Systeme. Kürzlich ist es Forschern gelungen, mit Hilfe eines invasiven BCI-Systems Sprache aus den neuronalen Signalen auszulesen. Diese Entdeckung könnte die Kommunikation für Menschen mit Sprach- oder Bewegungsstörungen revolutionieren. Im Rahmen dieses Seminarvortrags soll die Funktionsweise von BCI-Systemen sowie der aktuelle Stand hinsichtlich des Auslesens der Sprache durch BCI-Systeme anhand aktueller wissenschaftlicher Publikationen erarbeitet und in Form einer Präsentation vorgestellt werden.

Betreuerin: Janine Gläßner, MSc.

Einzelmolekülspektroskopie ist heutzutage unersetzlich in der biophysikalischen und biologischen Grundlagenforschung, um neue Aspekte von Molekülen und Zellen zu untersuchen, welche mit volumetrischen Methoden nicht adressierbar sind. Zu den am häufigsten benutzten Einzelmolekülmethoden gehören die Rasterkraftmikroskopie sowie optische und magnetische Pinzetten. Dabei haben magnetische Pinzetten bestimmte Vorteile gegenüber den anderen Methoden, dazu gehören die gezielte Erzeugung kleiner Kräfte sowie die Möglichkeit von Langzeitmessungen. Konventionelle magnetische Pinzetten basieren auf zwei Dauermagneten, die mittels eines mechanischen Motors dicht an die Probe herangefahren werden. Die zu untersuchenden Biomoleküle sind mit magnetischen Partikeln funktionalisiert, welche durch die Dauermagneten beeinflusst werden können und die Probe so einer mechanischen Kraft oder einem Drehmoment aussetzen. Um schnelle Prozesse wie z.B. die Rotation von biologisch relevanten Rotationsmotoren mit einer bisher unerreichten Zeitauflösung zu untersuchen, sind Weiterentwicklungen sowohl hinsichtlich der magnetischen Partikel als auch dem Messaufbau erforderlich. In diesem Vortrag sollen die Funktionsprinzipien verschiedener magnetischer Pinzetten vorgestellt werden. Im Zuge dessen sollen die Grundlagen von superparamagnetischen Beads und deren Eigenschaften erläutert sowie Anwendungsbeispiele im Bereich der Untersuchung von mechanischen Eigenschaften von DNA aufgezeigt werden.

Betreuer: Dr. Aidin Lak

Die Beurteilung der Vitalparameter ist ein grundlegender Bestandteil der Tierversorgung bei der präklinischen Bildgebung von Kleintieren und liefert wertvolle Informationen über den physiologischen Zustand des Tieres. Vitalparameter sind messbare Indikatoren für wesentliche Körperfunktionen, einschließlich Temperatur, Herzfrequenz, Atemfrequenz, Blutdruck und Sauerstoffsättigung. In diesem Vortrag soll die Bedeutung der Vitalzeichen-Messung, ihre Komponenten und technische Umsetzung erläutert werden, die zur Überwachung und Bewertung des allgemeinen Gesundheitszustands eines Tieres dienen. Dabei sollen insbesondere die technischen Herausforderungen bei der Messung im Bildgebungssystem, z.B. mit veränderlichen Magnetfeldern im MRT, dargestellt werden. Dieses Thema kann gut zur Einarbeitung für eine nachfolgende BA/MA-Arbeit dienen.

Betreuer: Dr.-Ing. Thilo Viereck

Fluxgate-Sensoren gehören zu den empfindlichsten und rauschärmsten Magnetfeldsensoren, die bei Raumtemperatur arbeiten. Sie erlauben die Messung von DC- und niederfrequenten AC-Magnetfeldern und besitzen eine Ansprechschwelle im pT-Bereich. Es gibt verschiedene geometrische Ansätze für den Aufbau eines solchen Sensors, ebenso existieren diverse Konzepte zur Auslesung des Messsignals.

In diesem Seminarvortrag soll dargestellt werden, wie ein Fluxgate-Sensor arbeitet und welche Fortschritte in den letzten Jahren bei diesem Sensortyp erzielt wurden. Dabei soll insbesondere auf die verschiedenen Rauschbeiträge eingegangen werden. Spannend ist in diesem Zusammenhang auch ein Vergleich mit anderen bei Raumtemperatur arbeitenden Magnetfeldsensoren mit einer Übersicht über die jeweiligen Einsatzgebiete. Was kann man jeweils messen – und was nicht?

Betreuer: Dr.-Ing. Dennis Rühmer

GPS ist in unserem Alltag unverzichtbar geworden und wird in zahlreichen Anwendungen wie Navigation, Fahrzeugverfolgung und Landwirtschaft eingesetzt. Die Geschichte des GPS ist geprägt von einer kontinuierlichen Genauigkeitsverbesserung. Anfangs durch das "Selective Availability"-Programm eingeschränkt, hat technologischer Fortschritt die Genauigkeit dramatisch gesteigert, wodurch neue Anwendungen wie z.B. die Verwendung in Drohnen zur Positionsregelung möglich wurden. Augmentationssysteme wie EGNOS tragen wesentlich zur Erhöhung der Genauigkeit bei. Für Spezialanwendungen ist sogar eine Positionsbestimmung mit nur wenigen Zentimetern Messungenauigkeit möglich.

In diesem Seminarvortrag sollen die technische Funktionsweise von GPS und die Ursachen für dessen begrenzte Genauigkeit erläutert werden. Anschließend sollen die technischen Lösungsansätze, mit denen die Genauigkeit verbessert werden konnte, vorgestellt werden.

Betreuer: Julius Mumme, MSc.

SFF ist ein Verfahren zur 3D-Formrekonstruktion durch Analyse einer Reihe von 2D-Bildern, die mit unterschiedlichen Schärfegraden aufgenommen wurden. Es handelt sich um ein optisches Verfahren, das die Tiefe von Objekten schätzt, indem es feststellt, welche Teile des Bildes in verschiedenen Tiefen scharf sind. Der Vortrag soll sowohl die theoretischen Grundlagen von SFF als auch die praktischen Anwendungen vorstellen. Dazu sollen auch die Vor- und Nachteile im Vergleich mit anderen Methoden der 3D-Formrekonstruktion beleuchtet werden.

Betreuer: Marc-Andre Tucholke, MSc.

Der Frequenzbereich zwischen 300 GHz bis 3 THz wird als Terahertz-Bereich bezeichnet, wobei die obere Grenze auch manchmal bis 30 THz definiert wird. Dieser Bereich wird auch als Terahertz-Lücke bezeichnet, da für die Erzeugung und Manipulation von elektromagnetischen Wellen in diesem Frequenzbereich neue Technologien erprobt werden müssen.

Am Institut wurde ein komplexer Messaufbau für die Messung von THz-Strahlung aufgebaut, welcher als THz-Mikroskop bezeichnet wird. Eine Möglichkeit, um Frequenzen im Terahertz-Bereich zu messen, sind supraleitende Josephson-Kontakte. Diese bilden die physikalische Grundlage des verwendeten Sensors am THz-Mikroskop und wird als Josephson-Cantilever bezeichnet. Mit diesem ist es möglich, dreidimensionale Strahlungsverteilungen im GHz- bis zum THz-Bereich zu messen.

Im Seminarvortrag soll die Funktionsweise von Josephson-Kontakten erklärt werden und die damit ermöglichte Frequenz- und Leistungsmessung von elektromagnetischen Wellen. Dabei soll der Josephson-Cantilever vertieft betrachtet werden. Ebenfalls soll dessen Aufbau erklärt werden sowie auf wichtige Eigenschaften eingegangen werden. Schlussendlich sollen noch Simulationsaspekte vorgestellt werden, die für die Simulation mit einer 3D-Software für elektromagnetische Simulation wichtig sind.

Betreuer: Julius Ritter, MSc.

Am Institut für Elektrische Messtechnik und Grundlagen der Elektrotechnik (EMG) können supraleitende Bauelemente wie Josephson-Kontakte, Josephson-Kontakt-Arrays oder supraleitende Quanteninterferometer (SQUIDs) in Dünnschichttechnologie hergestellt werden. Als Supraleiter wird der Hochtemperatursupraleiter YBa₂Cu₃O₇ verwendet, welcher den Vorteil aufweist, dass Temperaturen von flüssigem Stickstoff bereits zum Erreichen des supraleitenden Zustands ausreichen. Die Herstellung von Josephson-Kontakten kann durch verschiedene Methoden erfolgen.

In diesem Vortrag sollen zunächst wesentliche Grundlagen zum Verständnis der Supraleitung und die Eigenschaften des Josephson-Effekts erläutert werden, die das Fundament der Josephson-Kontakte bilden. Aufbauend darauf soll auf den Herstellungsprozess von YBa₂Cu₃O₇ Dünnschichtbauelementen genauer eingegangen werden. Verschiedene Methoden sind zu erläutern und gegenüberzustellen. Die Methode der Herstellung mittels eines fokussierten Helium-Ionenstrahls soll dabei insbesondere thematisiert und aktuelle Forschungsergebnisse vorgestellt werden.

Betreuer: Max Pröpper, MSc.

Die Detektion einzelner Lichtquanten ist wichtig für die Quantenkommunikation, Fernerkundung usw. Aufgrund ihrer hohen Detektionseffizienz, des außergewöhnlichen Signal-Rausch-Verhältnisses und der schnellen Wiederherstellungszeiten sind supraleitende Nanodraht-Einzelphotonendetektoren (SNSPDs) zu einer entscheidenden Komponente in diesen Anwendungen geworden. Der Betrieb konventioneller SNSPDs erfordert jedoch kostspielige Kryokühler. In der Veröffentlichung „Single-photon detection using high-temperature superconductors” (I. Charaev et al. Nat. Nanotechn. 18, 343 (2023)) hat eine internationale Gruppe von Forschern den Einzelphotonenbetrieb für zwei Typen von Hochtemperatursupraleitenden Nanodrähten demonstriert. Dieser Vortrag soll eine Einführung in die Grundlagen der SNSPDs enthalten und einige der Perspektiven für die Verwendung von Hochtemperatursupraleitern in der Photonen-Zählung umreißen.

(gerne auf Englisch)

Betreuer: Prof. Oleksandr Dobrovolskiy

Kinetic-Inductance Detektoren (KIDs) sind eine Klasse von Detektoren in der modernen Sensorik und Detektionstechnologie. Die Detektion von Photonen beruht auf der Veränderung der kinetischen Induktivität eines Supraleiters, durch die Verstimmung eines damit gebildeten Schwingkreises kann elektromagnetische Strahlung über einen breiten Frequenzbereich erfasst werden.

Schwerpunkte des Vortrags sind die Funktionsweise der Detektoren und die vielfältigen Anwendungsbereiche, darunter Astronomie, Quanteninformatik und medizinische Bildgebung.

Betreuer: Marjan Schubert, MSc.