OPUS 4 | Universitätspublikationen

Entwicklung einer reagenzienfreien Methode zur quantitativen Bestimmung der Inhaltsstoffe von Körperflüssigkeiten mit ATR-FTIR-Spektroskopie (2006)

Gamze Hoşafçı

Teile dieser Arbeit sind Thema folgender Publikationen: Gamze Hosafci, Oliver Klein, Gerhard Oremek, Werner Mäntele: Clinical chemistry without reagents? An infrared spectroscopic technique for determination of clinically relevant constituents of body fluids Anal Bioanal Chem, DOI 10.1007/s00216-006-0841-3 Gamze Hosafci, Oliver Klein, Gerhard Oremek, Werner Mäntele: Ein Tropfen Blut genügt: Reagenzienfreie Labordiagnostik in der Medizin mittels Infrarotspektroskopie GIT Labor-Fachzeitschrift, Bd 50 (2006), H. 4, S. 322-325, GIT Darmstadt Gamze Hosafci, Oliver Klein, Gerhard Oremek, Werner Mäntele: It Will Just Need a Drop of Blood: Reagent-free Laboratory Diagnostics in Medicine Based on Infrared Spectroscopy GIT Laboratory Journal, Bd 50 (2006), H. 2, S. 34-37, GIT Darmstadt Patent: W. Mäntele, O. Klein, G. Hosafci, G. Oremek: Vorrichtung für die qualitative und/oder quantitative Bestimmung von IR-aktiven Inhaltsstoffen in Flüssigkeiten sowie ein Verfahren zur qualitativen und/oder quantitativen Bestimmung von IR-aktiven Inhaltsstoffen in Flüssigkeiten Schutzrecht: DE102005048807 16.11.2006

Strongly correlated ultracold bosons in an optical lattice (2012)

Yongqiang Li

In this thesis, we have investigated strongly correlated bosonic gases in an optical lattice, mostly based on a bosonic version of dynamical mean field theory and its real-space extension. Emphasis is put on possible novel quantum phenomena of these many-body systems and their corresponding underlying physics, including quantum magnetism, pair-superfluidity, thermodynamics, many-body cooling, new quantum phases in the presence of long-range interactions, and excitational properties. Our motivation is to simulate manybody phenomena relevant to strongly correlated materials with ultracold lattice gases, which provide an excellent playground for investigating quantum systems with an unprecedented level of precision and controllability. Due to their high controllability, ultracold gases can be regarded as a quantum simula- tor of many-body systems in solid-state physics, high energy astrophysics, and quantum optics. In this thesis, specifically, we have explored possible novel quantum phases, thermodynamic properties, many-body cooling schemes, and the spectroscopy of strongly correlated many-body quantum systems. The results presented in this thesis provide theoretical benchmarks for exploring quantum magnetism in upcoming experiments, and an important step towards studying quantum phenomena of ultracold gases in the presence of long-range interactions.

Ultrasonic and magnetic investigations in frustrated low-dimensional spin systems (2012)

Thanh Cong Pham

Untersuchung von Size-Effekten thermischer Transportkoeffizienten von Nanodrähten (2012)

Heiko Reith

In den letzten Jahren haben die Forschungsaktivitäten im Bereich Thermoelektrik stetig zugenommen. Das neu erweckte Interesse an der Thermoelektrik ist zurückzuführen auf neue nanostrukturierte Materialien, Quantenschicht-Strukturen und Nanodrähte, welche eine wesentliche Steigerung der thermoelektrischen Effektivität Z im Vergleich zum Massivmaterial versprechen. Für Nanodrähte ist die größte Steigerung der thermoelektrischen Effektivität zu erwarten. Zur Bestätigung der Theorie bedarf es neuer Messmethoden zur Bestimmung des Seebeck-Koeffizienten S, der elektrischen Leitfähigkeit σ und der Wärmeleitfähigkeit λ, um hieraus eine Steigerung der thermoelektrischen Effektivität Z = (Sexp2)σ/λ experimentell zu bestätigen. Der Schwerpunkt der Doktorarbeit lag in der Untersuchung thermoelektrischer Eigenschaften von Nanodrähten. Hierzu wurden neueMessmethoden zur Bestimmung der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit von Nanodrähten entwickelt. Die elektrische und thermische Leitfähigkeit von Pt-Nanodrähten wurden mit dem in dieser Arbeit entwickelten λ-Chip gemessen. Die elektrische Leitfähigkeit der Pt-Nanodrähte ist im Vergleich zum Massivmaterial entsprechend der klassischen Size-Effekt-Theorie reduziert. Ebenso wurde eine Abnahme der Wärmeleitfähigkeit beobachtet. Die Ergebnisse stimmen mit den im Rahmen der klassischen Size-Effekt-Theorie zu erwartenden Resultaten gut überein, jedoch bedarf die Reduzierung der Lorenz-Zahl noch einer theoretischen Erklärung. Im Weiteren wurde die elektrische Leitfähigkeit von BixTe1-x und BixSb1-x-Nanodrähten mit dem λ-Chip bestimmt. Hierzu wurden zunächst unterschiedliche Kontaktmaterialien getestet, um die Diffusion des Kontaktmaterials in den Nanodraht auszuschließen. Als bewährtes Kontaktmaterial stellte sich ein Schichtsystem aus Titan und Gold heraus. Die Ti-Schicht wirkt hierbei als Diffusionsbarriere und Haftvermittler-Schicht. Die Wärmeleitfähigkeit der Bi-haltigen Nanodrähte konnte mit dem λ-Chip nicht gemessen werden, da die Unterätzung der Nanodrähte mittels reaktivem Ionenätzen die Nanodrähte angriff. Als Alternative können die Nanodrähte auf dem λ-Chip mit einem fokusierten Ionenstrahl unterätzt werden. Der Aufwand hierzu ist jedoch relativ hoch und diese Alternative wurde deshalb nicht weiter verfolgt. Als weitere Alternative wurde der Z-Chip entwickelt. Hierbei werden die Nanodrähte auf den fertigen Chip aufgebracht und mittels Elektronenstrahl-induzierter Deposition an den elektrischen Kontakten fixiert. Der Chip ermöglicht die Messung der elektrische Leitfähigkeit in 4-Punkt-Anordnung, der Wärmeleitfähigkeit und des Seebeck-Koeffizienten an einem einzelnen Nanodraht. Somit ist die Bestimmung der thermoelektrischen Effektivität an einem Nanodraht möglich. DesWeiteren wurden die theoretischen Grundlagen zur Bestimmung der Wärmekapazität an einzelnen Nanodrähten mit dem Z-Chip präsentiert. Zum Zeitpunkt der Durchführung dieser Arbeit fehlte jedoch das notwendige Equipment zur Ausführung der Wärmekapazitätsmessung an einzelnen Nanodrähten. Des Weiteren wurde die Cross-Plane Methode zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit an eingebetteten Nanodrähten entwickelt. Analog der Messmethode, welche für die Einzeldrahtmessungen verwendet wird, handelt es sich hierbei um eine stationäre „Joule- Heating“ Methode. Die Temperaturdifferenz wird aus der Widerstandsänderung einer auf die eingebetteten Nanodrähte aufgebrachten Heizschicht bestimmt.Mit derMethode wurde die Wärmeleitfähigkeit von BixTe1-x-Nanodrähten ermittelt. Die elektrische Leitfähigkeit wurde von BixTe1-x-Nanodrähten unterschiedlicher Zusammensetzung und Herstellungsparameter mit dem λ- und dem Z-Chip bestimmt. Die gemessenen Nanodrähte zeigen sowohl intrinsisches wie extrinsisches Leitungsverhalten verbunden mit einer, im Vergleich zum Volumenmaterial, reduzierten Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit infolge von Oberflächen- und Korngrenzenstreuung der Ladungsträger. Die elektrischen Leitfähigkeitsmessungen stimmen mit Beobachtungen anderer Gruppen gut überein. Die Wärmeleitfähigkeit konnte an einem einzelnen BixTe1-x-Nanodraht und an eingebetteten BixTe1-x-Nanodrähten gemessen werden. Die Wärmeleitfähigkeit ist gegenüber dem Massivmaterial reduziert. Die Ergebnisse sind in guter Übereinstimmung mit bisher publizierten Ergebnissen von Bismuttellurid-Nanodrähten.

Electroweak quantum chemistry: Parity violation in spectra of chiral molecules containing heavy atoms (2012)

Sophie Nahrwold

The intriguing effects of electroweak induced parity violation (PV) in molecules have yet to be observed, but experiments on molecular PV promise to provide fascinating insights. They potentially offer a novel testing ground for the low energy sector of the standard model and, in addition, a successful measurement of PV differences between the two enantiomers of a chiral molecule could promote a deeper understanding of molecular chirality, by essentially establishing a new link between particle physics and biochemistry. A key challenge in the design of such experiments is the identification of suitable molecules, which in turn requires widely applicable computational schemes for the prediction of PV experimental signals. To this end, a quasirelativistic density functional theory approach to the calculation of PV effects in nuclear magnetic resonance (NMR) spectra of chiral molecules has been developed and implemented during the course of this thesis. It includes relativistic as well as electron--correlation effects and has been used extensively in the screening of molecules possibly suited for a first observation of molecular PV. Some relevant compound classes have been identified, but none of their selected representatives are predicted to exhibit PV NMR frequency shifts that can be detected under current experimental restrictions. In order to advance the design of molecules which exhibit particularly large PV signals in experiments, systematic effects on PV NMR frequency splittings such as scaling with nuclear charge, conformational dependence and the impact of atomic substitution around the NMR active nucleus have been studied. Previously predicted scaling laws were confirmed and it was determined that the environment of the NMR active nucleus, both in terms of conformation and atomic composition, can be tuned to increase PV frequency shifts by several orders of magnitude. In addition to molecules suited for NMR experiments, a fascinating chiral actinide compound was studied with regard to PV frequency shifts in vibrational spectra. This compound displays the largest such shift ever predicted for an existing molecule, which lies well within the attainable experimental resolution. The challenge now lies in making it compatible with current experimental setups.

RF acceleration of intense laser generated proton bunches (2012)

Ali Almomani

J/psi Production in √s=7 TeV pp Collisions (2012)

Frederick Kramer

Quarkonia are very promising probes to study the quark-gluon plasma. The essential baseline for measurements in heavy-ion collisions is high-precision data from proton-proton interactions. However, the basic mechanisms of quarkonium hadroproduction are still being debated. The most common models, the Color-Singlet Model, the non-relativistic QCD approach and the Color-Evaporation Model, are able to describe most of the available cross-section data, despite of their conceptual differences. New measures, such as the polarization, and data at a new energy regime are crucial to test the competing models. Another issue is an eventual interplay between the production process of a quarkonium state and the surrounding pp event. Current Monte Carlo event generators treat the hard scattering independently from the rest of the so-called underlying event. The investigation of possible correlations with the pp event might be very valuable for a detailed understanding of the production processes. ALICE ist the dedicated heavy-ion experiment at the LHC. Its design has been optimized for high-precision measurements in very high track densities and down to low transverse momenta. ALICE is composed of various different detectors at forward and at central rapidities. The most important detectors for this study are the Inner Tracking System and the Time Projection Chamber, allowing to reconstruct and identify electron candidate tracks within eta < 0.9. The Transition Radiation Detector has not been utilized at this stage of the analysis; however, it will strongly improve the particle identification and provide a dedicated trigger in the upcoming beam periods. ...

Electron-tunneling studies on CeCoIn5 heavy-fermion thin films and microstructures (2012)

Oleksandr Foyevtsov

Investigation of low-temperature electronic properties of MBE grown CeCoIn5 and CeIn3 thin films by means of electron tunneling and quantum electron interference effects.

Zellulare Nichtlineare Netzwerke - Optimierungsverfahren und Anwendungen (2012)

Gunter Geis

Zellulare Nichtlineare Netzwerke bzw. Zellulare Neuronale Netzwerke, sogenannte CNN, wurden 1988 von L.O. Chua und L.Yang eingeführt und seither intensiv untersucht. Diese sind als Simulations-Software und als schaltungstechnische Realisierungen, in Hardware, verfügbar. Als analog arbeitende Hardware Schaltungen können diese Netzwerke erhebliche Rechenleistungen erzielen. Durch ihren Aufbau ermöglichen sie eine parallele Daten- und Signalverarbeitung. Eine Einführung in CNN wird gegeben und das EyeRIS 1.1 Systems des Unternehmens ANAFOCUS Ltd. vorgestellt. Das EyeRIS 1.1 System ist mit einem analog arbeitenden Focal Plane Prozessor (FPP) und einem digitalen Prozessor ausgestattet, wobei der Focal Plane Prozessor auch als Kamera zur Aufnahme von Bildern und Bildsequenzen benutzt werden kann. Dies ermöglicht es, analoge CNN-Algorithmen zusammen mit digitalen Algorithmen auf einem System zu implementieren und so die Vorteile beider Ansätze zu nutzen. Der Datenaustausch zwischen dem analogen und digitalem Teil des EyeRIS 1.1 Systems geschieht mittels digital/analog und analog/digital Wandlung. Es werden Algorithmen auf dem EyeRIS 1.1 System untersucht und mit Ergebnissen die mittels Simulationen erzeugt wurden verglichen. In Voruntersuchungen werden die Darstellungsgenauigkeit von Werten im analogen Teil des EyeRIS 1.1 Systems und die Verarbeitungsgeschwindigkeiten des EyeRIS 1.1 Systems untersucht. Im Weiteren wird besonderes Augenmerk auf medizinische und technische Anwendungsgebiete gelegt werden. Im medizinischen Anwendungsbereich wird die Implementierung von Algorithmen zur Vorhersage epileptischer Anfälle untersucht. Hierfür wird ein evolutionär motiviertes Optimierungsverfahren entwicklet und auf dem EyeRIS 1.1-System implementiert. Hierbei werden Simulationen durchgeführt und mit Ergebnissen, die mittels Verwendung des EyeRIS 1.1 Systems erlangt wurden, verglichen. Ein zweites Verfahren geht die Signalanalyse für die Vorhersage auf dem EyeRIS 1.1-System mittels Mustererkennung an. Das Mustererkennungsverfahren wird eingehend beschrieben sowie die hierbei zu beachtenden Randbedingungen erläutert. Die Ergebnisse zeigen, daß Algorithmen zur Vorhersage von epileptischen Anfällen auf schaltungstechnichen Realisierungen von CNN implementiert werden können. Im technischen Bereich wird die Anwendbarkeit auf die Problemstellung der Bildverarbeitung gelegt und die Möglichkeit von CNN basierten Algorithmen zur Erkennung von Prozessparametern bei Laserschweißverfahren untersucht. Ein solcher Prozessparameter ist das sogenannte Key-Hole, welches in Bildsequenzen von Laserschweißprozessen als ein Maß für die zu erwartende Qualität einer Schweißnaht herangezogen werden kann. Ein CNN basierter Algorithmus für die Erkennung solcher Key-Holes wird in dieser Arbeit vorgestellt und untersucht. Für die Überwachung eines Laserschweißverfahrens wird der entwickelte Algorithmius und seine Funktionsweise beschrieben. Dieser wird in Teilalgorithmen auf die analog bzw. digital arbeitenden Komponenten des EyeRIS 1.1 Systems verteilt. Die Teilalgorithmen und die möglichen Aufteilungen und deren Laufzeitverhalten werden beschrieben und untersucht. Die Ergebnisse der Untersuchung zeigen, daß eine Prozessüberwachung mittels CNN möglich ist und heben die Vorteile hervor, welche die Bildaufnahme und -verarbeitung mittels analoger CNN-Hardware bietet. Eine Untersuchung des Laufzeitverhaltens auf Grafikkarten Prozessoren (GPU's) wird im Anhang vorgestellt.

Gas system, gas quality monitor and detector control of the ALICE Transition Radiation Detector and studies for a pre-trigger data read-out system (2012)

Nora Pitz

The main purpose of the Transition Radiation Detector (TRD) located in the central barrel of ALICE (A Large Ion Collider Experiment) is electron identification for separation from pions at momenta pt > 1 GeV/c, since in this momentum range the measurements of the specific energy loss (dE/dx) of the Time Projection Chamber (TPC) is no longer sufficient. Furthermore, it provides a fast trigger for high transverse momentum charged particles (pt > 3 GeV/c) and makes a significant contribution to the optimization of the tracking of reaction products in heavy-ion collisions. Its whole setup comprises 18 supermodules out of which 13 are presently operational and mounted cylindrically around the beam axis of the Large Hadron Collider (LHC). A supermodule contains either 30 or 24 chambers, each consisting of a radiator for transition radiation creation, a drift and an amplifying region followed by the read-out electronics. In total, the TRD is an array of 522 chambers operated with about 28 m3 of a Xe-CO2 [85-15%] gas mixture. During the work of this thesis, the testing, commissioning, operation and maintenance of detector parts, the gas system and its online quality monitor, improvements on the detector control user-interface and studies about a new pre-trigger module for data read-out have been accomplished. The TRD gas system mixes, distributes and circulates the operational gas mixture through the detector. Its overall optimization has been achieved by minimizing gas leakage, surveying, controlling, maintaining and continuously improving it as well as designing and carrying out upgrades. Gas quality monitors of the type \GOOFIE" (Gas prOportional cOunter For drIfting Electrons) can be used in gaseous detectors as on-line monitors of the electron drift velocity, gain and gas properties. One of these devices has been implemented within the TRD gas system, while another one surveys the gas of the TPC. Both devices had to be adapted to the specific needs of the detectors, were under constant surveillance and control, and needed to be further developed on both hardware and software side. To improve the operation of the TRD, modifications on its DCS software (Detector Control System) used for monitoring, controlling, operating, regulating and configuring of hardware and computing devices have been carried out. The DCS is designed to enable an operator to interact with equipment through user interfaces that display the information from the system. The main focus of this work was laid on the optimization of the usability and design of the user interface. The front-end electronics of the TRD require an early start signal (\pre-trigger") from the fast forward detectors or the Time-Of-Flight detector during the running periods. The realization of a new hardware concept for the read-out of the TRD pre-trigger system has been studied and first tests were performed. This new module called PIMDDL (Pre-trigger Interface Module Detector Data Link) is meant to acquire all data necessary to simulate and predict the full pre-trigger functionality, and to verify its proper operation. Furthermore, it shall provide all functionalities of the so-called Control Box Bottom as well as keep the functionalities of the already existing PIM (Pre-trigger Interface Module) in order to combine and replace these two modules in the future.

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