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Ein Leben ohne Elektrizität ist in unserer heutigen Gesellschaft nicht mehr vorstellbar. Die Deckung des enormen und stetig ansteigenden Energiebedarfs der Menschheit erfordert in den kommenden Jahrzehnten, angesichts schwindender fossiler Ressourcen, bedeutsame Anstrengungen. Primäres Ziel der Leistungselektronik, als Bindeglied zwischen der elektrischen Stromerzeugung und den einzelnen elektrischen und elektronischen Geräten, liegt demnach klar in einer Steigerung des Wirkungsgrads. Gleichzeitig ergeben sich durch den gesellschaftlichen Wandel und die fortschreitende Digitalisierung in nahezu allen Lebensbereichen neue Herausforderungen hinsichtlich Bauvolumen und Leistungsdichte. Vor diesem Hintergrund beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Modellierung und Auslegung hochfrequent taktender resonanter Konvertertopologien. Zu Beginn erfolgt eine grundlegende Untersuchung des Nullspannungsschaltens anhand einer Halbbrückenkonfiguration. Im Nachgang findet eine detaillierte Analyse der transienten Schaltvorgänge im MOSFET bei induktiver Belastung der Brücke statt. Es zeigt sich, dass in dieser Betriebsart, eine leistungsfähige Ansteuerschaltung vorausgesetzt, keine nennenswerten Ausschaltverluste im Schalter anfallen. Falls der Umladevorgang der am Halbbrückenmittelpunkt wirksamen Schalterkapazitäten innerhalb der Verzugszeit vollständig abgeschlossen werden kann, entfallen zudem auch die Einschaltverluste. Andernfalls steigen diese mit der Restspannung, die unmittelbar vor dem Einschaltzeitpunkt über dem Schalter anliegt, an und erreichen abhängig von der Schaltfrequenz teilweise relativ hohe Werte. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass bereits in vielen Fällen eine geeignete Betrachtung der energetischen Verhältnisse in den Schaltern zu einer präzisen Verlustvorhersage während der Schaltflanke führt. Grundlage dieser Abschätzung bilden die in den Datenblättern der Halbleiterhersteller angegebenen Kapazitätsverläufe. Neben dem Einsatz fester Tot- bzw. Verzugszeiten ist auch die Implementierung einer adaptiven Verzugszeit denkbar. Letztere findet heute bereits in vielen Ansteuerbausteinen für resonante Konverter Anwendung und verspricht aufgrund ihrer arbeitspunktabhängigen Verzugszeitanpassung diverse Vorteile. Wie diese Arbeit deutlich macht, kommen diese Vorteile insbesondere bei hochfrequent taktenden Resonanzwandlern zum Tragen. Der LLC-Konverter repräsentiert die derzeit wohl populärste resonante Schaltungstopologie. Auf Basis dieses Gleichspannungswandlers finden unterschiedliche Analyseverfahren für die Auslegung Anwendung. Neben der weit verbreiteten Grundschwingungsanalyse im Frequenzbereich zählt hierzu auch die exakte Konverterbeschreibung im Zeitbereich. Für Letztere kommt das Verfahren der Zeitdiskreten Modellierung zum Einsatz, das sich, unter Anwendung geeigneter Näherungsbeziehungen, auch zur Modellierung der transienten, nichtlinearen Schaltflanken in der Halbbrücke eignet. Als Anwendungsbeispiel dient eine industrielle 48 V/5 A-Applikation. Zunächst findet die Auslegung gemäß einer gängigen und bewährten Strategie im Frequenzbereich statt, die auf eine Minimierung der Strombelastungen in den Bauelementen abzielt. Bei der Evaluation des so ermittelten Resonanzkreisdesigns stellt sich heraus, dass ein Verlust der Nullspannungsfähigkeit selbst für verhältnismäßig geringe Schaltfrequenzen nicht ausgeschlossen werden kann. In der Folge wird eine erweiterte Auslegestrategie erarbeitet, die spannungs- bzw. verlustlose Schaltvorgänge in der Halbbrücke selbst für hohe Schaltfrequenzen sicherstellt. Nachdem der Erfolg eines derartigen Auslegeverfahrens mitunter vom Rechenaufwand sowie den insgesamt benötigten Rechenzeiten für eine ganzheitliche Optimierung abhängt, entwickelt diese Arbeit alternative Schätzverfahren basierend auf einer vereinfachenden Ladungsbetrachtung. Diese erlauben dann, selbst für hohe Schaltfrequenzen, belastbare Aussagen hinsichtlich der auftretenden Schaltverluste im MOSFET, ohne auf nichtlineare, zeitintensive (Bauelement-)Simulationen im Zeitbereich zurückgreifen zu müssen. Basierend auf dem vielversprechendsten dieser Verfahren findet im Anschluss eine erneute Auslegung des Resonanzwandlers statt. Unter Berücksichtigung der Schaltverluste erfolgt eine ausführliche Darstellung, inwieweit die Wahl des MOSFET-Typs, der Resonanzfrequenz und auch der Verzugszeit die optimalen Resonanzkreisparameter des LLC-Konverters beeinflusst. Es wird deutlich herausgearbeitet, dass der Einsatz höherer Schaltfrequenzen eine Anhebung der zirkulierenden Blindleistung im Konverter erfordert. Vor diesem Hintergrund erweist sich die Implementierung einer arbeitspunktabhängigen, adaptiven Verzugszeit als vorteilhaft. Aus der Literatur ist bekannt, dass mitunter auch das Transformatordesign die Auslegung des LLC-Konverters beeinflusst. Durch die Entwicklung eines einfachen, zugleich aber auch effektiven Modellierungsansatzes gelingt es, selbst diese Komponente in die erweiterte Auslegestrategie einzubinden und so deren Einfluss auf eine hochfrequente Resonanzkreisauslegung sichtbar zu machen. Die Verifikation der Simulationsergebnisse erfolgt anhand eines hardwaretechnisch umgesetzten Prototyps mit Mittelpunktgleichrichtung. Die Untersuchungen zeigen, dass eine praktische Vermessung des in der Theorie postulierten Verzugszeitfensters möglich ist. Wenngleich auch die tendenzielle Form dieses Fensters korrekt vorhergesagt wird, so zeigen sich dennoch erkennbare Unterschiede. Diese basieren im Wesentlichen auf den in der Praxis vorhandenen parasitären Transformator- und Diodenkapazitäten, die im Zuge der Konvertermodellierung keine Beachtung finden. Durch eine Vergrößerung der während des Umladevorgangs effektiv benötigten Ladungsmenge lässt sich eine Annäherung des vorhergesagten Verzugszeitfensters an die Praxis erreichen. Mit der Vergrößerung der Luftspaltlänge im Transformator wird zum Abschluss eine prinzipiell mögliche Maßnahme diskutiert, die in der Praxis zu einer Aufweitung des Verzugszeitfensters führt, jedoch auf Kosten einer höheren, zirkulierenden Blindleistung. Life without electricity is no longer imaginable in our society today. In order to meet the enormous and continuously rising demands concerning global energy consumption, huge efforts are needed within the upcoming decades, especially in the face of dwindling fossil resources. The primary goal for power electronic systems, which connect the electrical generators to the electronic loads, is an improvement of efficiency. In addition to that the evolution of society and the higher degree of digitalization lead to new challenges in terms of systems’ volume and power density. In this context, this thesis deals with modeling and designing high frequency resonant converters. In a first step, this thesis investigates the basic principle of zero voltage switching based on a half-bridge configuration. In a second step, a detailed analysis is performed concerning the MOSFETs’ switching transients for inductive loads. According to the simulation results, no significant turn-off losses occur for this operation mode assuming a suitable driving circuit for the MOSFETs. Furthermore, even the turn-on losses of the semiconductor devices can be fully eliminated, if all parasitic half-bridge capacitances can be completely charged within the given dead-time. Otherwise, these losses increase with the residual voltage, which remains across the MOSFET imminent to its next turn-on event. Depending on the switching frequency of the input bridge, these losses can be dominant in the end. As the simulation results prove, already some suited energetic considerations are often sufficient to end up with an accurate loss prediction. This estimation is purely based on datasheet information about the voltage-dependent capacitances provided by the semiconductor manufactures. In general, the dead-time of the half-bridge can either be fixed or adaptive. Adapting this value to the point of operation is beneficial in many ways, and thus this solution is implemented within several today’s control ICs for resonant converters. The thesis proves that the benefits of an adaptive dead time become noticeable especially at high switching frequencies. The LLC converter currently represents the most popular resonant converter topology. This thesis analyses the converter in the frequency as well as in the time domain. While the analysis in the frequency domain is done using the well-known First Harmonic Approximation, the Sampled Data Modeling approach is applied leading to an exact converter description in the time domain. As far as some modifications are introduced to this method, it can also be used to predict and evaluate the nonlinear switching transients of the input bridge. Within this thesis, the LLC converter is designed towards an industrial 48 V/5 A application. First of all, the design process is performed according to an approved strategy in the frequency domain by minimizing the current stresses in the components. The evaluation of the identified converter design reveals that this strategy is not appropriate in the end to guarantee a fully lossless turn-on event for the input switches. Hence, a new strategy is developed, which assures the zero voltage switching feature even at high switching frequencies. Since the success of such a design process strongly depends on the corresponding calculation efforts as well as the related simulation times needed for an overall system optimization, this thesis develops and introduces novel estimation methods. These methods are based on a proper charge concept and lead to a relatively accurate prediction of the switching losses, even at high switching frequencies. This means that time-consuming and non-linear (device) simulations can be omitted in the end. Out of these methods, only the most promising one is used for a re-design of the LLC converter. By considering the occurring switching losses in the input bridge, this thesis clearly points out how the optimal resonant tank design is influenced by the choice of MOSFET type, resonant frequency and dead time. Moreover, it is clearly stated that higher switching frequencies go hand in hand with higher circulating reactive powers. Especially in this context, adaptive dead times provide advantages. According to literature, the design of LLC converters is often significantly influenced by the resonant transformer. Hence, this thesis presents a simple, but effective modeling approach to integrate the magnetic component within the LLC converter’s extended design strategy. By doing so, the transformer’s influence on the resonant tank design is highlighted. Special attention is paid towards high switching frequencies, too. A hardware prototype using a center-tapped rectifier is built to verify the simulation results. According to the performed analyses, it is possible to measure and identify the postulated dead time window. Although its shape tends to be correctly predicted, there exist clear differences compared to the (theoretical) simulation results. This is mainly due to the parasitic capacitances of the transformer and the rectifying diodes, which are not considered so far within the LLC converter models. This effect can at least be partially covered with the existing models, if the charge needed for the half-bridge transition is increased to some extent. As a result, the accuracy of the dead time window is significantly increased. Finally, the modification of the transformer’s air gap is discussed. Although this measure leads to a wider dead time window, it increases the circulating reactive powers in the resonant tank.

The suitability of an improved GPS time and frequency transfer technique, Integer Precise Point Positioning (IPPP), for the frequency comparison of optical clocks on the 1e−16 level was investigated. An optical fiber link established between Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) and Laboratoire national de métrologie et d’essais - Système de Références Temps-Espace (LNE-SYRTE), which due to its superior stability and accuracy serves as the ground truth, was used to characterize the PPP and IPPP links between both institutes. For two different GPS stations at LNE-SYRTE, the agreement between the IPPP link and the optical fiber link was (−0.34 ± 2.66)e-16 and (−0.23 ± 0.57)e−16 for an averaging time of 1.2e6 s and 0.9e6 s respectively. Direct remote frequency comparisons of 171-Yb ion clocks developed at PTB and National Physical Laboraty (NPL) via IPPP links were performed. The impact of frequent dead time due to the limited duty cycle of the clocks on the statistical uncertainty of the clock comparison via GPS link was studied. A method to optimize the statistical uncertainty of the clock comparison was applied that uses flywheel oscillators to bridge the frequent dead time. The average fractional frequency deviation of the clocks based on the electric quadrupole transition in the 171-Yb ion was y(PTB)−y(NPL)=(−1.46 ± 0.55)e−15 including the systematic uncertainties of the optical clocks. A systematic frequency offset, not accounted for in the systematic uncertainty budgets was observed. For the clocks based on the electric octupole transition, the average fractional frequency deviation was y(PTB)−y(NPL)=(−0.1 ± 3.1)e−16, no systematic frequency offset was observed.

Increasing sampling rates and sampling accuracies of analog-to-digital converters (ADCs) are growing the importance of digital data acquisition and signal processing for applications requiring high bandwidth. In this context, this work is focused on researching and developing new techniques and a new system architecture for optimal throughput and minimal intrinsic dead time. The investigations of this work concentrate on event processing systems by pulse shaping on SuperSampleRate (SSR) ADC data streams. SSR ADC data streams are data streams which require processing of more than one sample per clock cycle by digital circuits. To implement data processing in this work only Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) are used, as they provide the right approach for high throughput and minimum dead time with ability to adapt to high- application-specific circuits afterwards. As a result of this work a system architecture was developed which decouples the event acquisition and their processing inside the FPGA. This property is realized by a special FIFO structure in the FPGA. This concept achieves an intrinsic dead time of one ADC sample period and allows pre-processing of all channels by multiple instantiated processing cores and scheduling in hardware. By means of this new system architecture, two conventional scientific measuring instruments based on analog technology were improved by digital data acquisition and signal processing. These measuring instruments are a spectrometer for time-differential perturbed angular correlations (TDPAC) and a digital spectrometer and data acquisition system at a nuclear microprobe for ion beam analysis and imaging. Both measuring instruments detect elementary particles or radiation emitted by the measuring sample by detectors as events. The time curves of several analog detector output signals (channels) are now recorded by ADCs and forwarded without loss as SSR data streams to one FPGA. The hardware used here are FPGA digitizers which isolate the data acquisition and subsequent pre-processing by FPGAs into modules. The improvement of the measuring efficiency of the two digital measuring instruments was achieved by minimizing the dead time, increasing the throughput, and by matching their time and energy resolutions with the conventional measuring instruments. Specifically to enable better time and energy resolutions combined with maximum throughput, this work has developed and implemented parallel processing SSR FIR and SSR IIR filters for pulse shaping as processing cores in the FPGAs which can handle multiple samples per clock cycle. To match the time resolution performance of conventional Constant Fraction Discriminators (CFDs) these filter implementations realize a digital Constant Fraction Trigger (CFT) with fractional delays (below one sampling period). In this work the energy resolution was optimized by implementing a transfer function adjustable SSR IIR filter. Thus the filter provides maximum flexibility for pulse shaping of different detector types. By implementing the computationally intensive pre-processing in FPGAs, the measuring instruments could be equipped with only one underutilized PC, which can now implement new functionalities. These functionalities include a runtime-optimized coincidence measurement of stretched cascades (like for 180mHf) for the TDPAC spectrometer and a digital pileup rejection for the data acquisition system for ion beam analysis. Die digitale Messwerterfassung und -verarbeitung erhält unter anderem durch steigende Abtastraten und Abtastgenauigkeiten von Analog-Digital-Wandlern (ADCs) wachsende Bedeutung für Anwendungen, welche eine hohe Bandbreite voraussetzen. In diesem Rahmen widmet sich diese Arbeit der Erforschung und Entwicklung neuer Techniken und einer neuen Systemarchitektur, mit denen eine Datenaufnahme und anschließende Signalverarbeitung, bei optimalem Durchsatz und minimaler intrinsische Totzeit umgesetzt werden kann. Die Untersuchungen fokussieren sich dabei auf Systeme zur Ereignisverarbeitung durch Impulsformung (pulse shaping) auf SuperSampleRate(SSR)-ADC-Datenströmen. SSR-ADC-Datenströme sind dabei ADC-Datenströme, welche eine Verarbeitung durch digitale Schaltungen benötigen, bei denen mehr als ein Sample pro Taktzyklus behandelt werden muss, um Datenverlust zu verhindern. Zur Implementierung der Datenverarbeitung kommen dazu ausschließlich Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) zum Einsatz, da diese den passenden Ansatz für digitale Schaltungen mit hohen Durchsatz und minimaler Totzeit mit gleichzeitiger nachträglicher Anpassbarkeit für hoch anwendungsspezifische Schaltungen bieten. Als Ergebnis wurde in dieser Arbeit eine Systemarchitektur entwickelt, welche die Ereigniserfassung und deren Verarbeitung im FPGA voneinander entkoppelt. Dies wird durch eine im FPGA realisierte FIFO-Struktur ermöglicht. Durch dieses Konzept wird eine intrinsische Totzeit der Systeme in der Größenordnung der ADC-Abtastperiodenlänge erreicht und eine Vorverarbeitung aller Kanäle durch mehrfache instanziierte Verarbeitungskerne und Scheduling in Hardware ermöglicht. Mittels dieser neuen Systemarchitektur werden zwei auf analogtechnisch basierende konventionelle wissenschaftliche Messinstrumente, durch digitale Messwerterfassung und Signalverarbeitung, verbessert. Bei diesen Messinstrumenten handelt es sich um ein Spektrometer zur zeitaufgelösten gestörten Winkelkorrelation (engl. Time Differential Perturbed Angular Correlation (kurz TDPAC-Spektrometer)) und ein Datenerfassungssystem zur ortsaufgelösten elementspezifischen Ionenstrahlanalyse und Ionenstrahlmikroskopie, welche im Wesentlichen von der Messprobe emittierte und durch Detektoren erfasste Elementarteilchen oder Strahlung als Ereignisse verarbeiten. Die Verläufe der analogen Detektorausgangssignale werden dabei mittels ADCs erfasst und verlustfrei als SSR-Datenströme an einen FPGA weitergeleitet. Dabei werden mehrere ADC-Datenströme (dann Kanäle genannt) von einem FPGA verarbeitet. Als Hardware kommen hier FPGA-Digitizer zum Einsatz. Diese Module isolieren die digitale Messwerterfassung durch ADCs und eine anschließende Vorverarbeitung von FPGAs, deren digitale Schaltung individuell implementiert werden kann, in eine Hardware. Eine Verbesserung der Messeffizienz der beiden digitalisierten Messinstrumente konnte durch die Minimierung der Totzeit, die Erhöhung des Durchsatzes aber auch durch die Anknüpfung ihrer Zeit- und Energieauflösung der detektierten Ereignisse erreicht werden. Speziell zur Ermöglichung besserer Zeit- und Energieauflösungen von Detektorereignissen mit maximalem Durchsatz wurden in dieser Arbeit SSR-FIR- und SSR-IIR-Filter zur Impulsformung als Verarbeitungskerne in den verwendeten FPGAs implementiert, welche pro Taktzyklus mehrere Samples verarbeiten können. Diese Filterimplementierungen setzen zur Optimierung der Zeitauflösung im Subsample-Bereich mit den Constant Fraction Trigger (CFT) an der Leistungsfähigkeit konventioneller Constant Fraction Discriminator (CFDs) an und ermöglichen ebenso Fractional Delays (Zeitverzögerungen unter einer Abtastperiode). Die Energieauflösung wurde in dieser Arbeit dadurch optimiert, dass der entwickelte SSR-IIR-Filter in seiner Übertragungsfunktion anpassbar ist und so maximale Flexibilität zur Impulsformung unterschiedlicher Detektortypen bietet. Durch die Umsetzung der rechenintensiven Vorverarbeitung in FPGAs konnten die Messinstrumente mit lediglich einem Mess-PC ausgestattet werden, welcher nun neue Funktionalitäten umsetzen kann. Zu diesen Funktionalitäten gehört eine laufzeitoptimierte Koinzidenzmessung gestreckter Kaskaden (Kaskade mit mehr als einem Start-Ereignis) für das TDPAC-Spektrometer und eine digitale Pileup-Verwerfung für das Datenerfassungssystem zur Ionenstrahlanalyse.

Diese wissenschaftliche Arbeit setzt sich mit dem Design, der baulichen Umsetzung und der Untersuchung eines auf Galliumnitrid (GaN) basierten bidirektionalen DC-DC-Wandlers auseinander. Die DC-DC-Wandler-Hardware gliedert sich in die Hoch- und Niedervoltseite, welche getrennt voneinander analysiert wurden. Die Hochvoltbrücke des Wandlers wurde mit einer Active Neutral Point Clamped (ANPC)-Topologie umgesetzt. Damit konnte die am Anfang der Forschungsarbeit eingeschränkte Sperrspannung der kommerziell erhältlichen GaN-Leistungstransistoren umgangen werden. Die Niedervoltseite wird als Vollbrücke ausgeführt. Nach einer Literaturrecherche zu möglichen Topologien für die Umsetzung des DC-DC- Wandlers stellte sich ein „Dual Active Bridge“ (DAB)-Wandler oder ein LLC-Resonanzwandler als die aussichtsreichsten Topologien dar, welche simulationsgestützt untersucht wurden, um Aussagen zu den Verlusten und des Wirkungsgrades zu erhalten. Mit Hilfe einer Bewertungsmatrix konnten die Ergebnisse der Simulation und der Aufwand der Topologien berücksichtigt werden, mit dem Ergebnis, dass beide recherchierten Varianten nur wenig voneinander abweichen und somit vergleichbar und auch realisierbar sind. Für diese Arbeit wurde der LLC-Wandleransatz gewählt. Im Vorfeld der Umsetzung der ANPC-Brücke wurden normally-on und normally- off GaN-Leistungstransistoren in einer Halbbrücke analysiert, um eine Referenz für die Untersuchung der ANPC-Brückenvarianten zu erhalten. In der normally- on ANPC-Brücke, die mit Texas Instruments (TI)-Evaluationsboards verbunden, über ein Mainboard aufgebaut wurden, bilden sich Resonanzen aus, welche in der Spannungsamplitude die Sperrspannung einzelner Leistungstransistoren überschreitet. Diese Überspannung konnte bei der Vermessung des TI-Evaluationsboards als (einzelne) Halbbrücke nicht beobachtet werden. Mit Hilfe einer 3D-Finite Elemente Methode (FEM) Simulation der ANPC-Brücke konnten als Ursache die erhöhte parasitäre Induktivität und Kapazität der Kopplung, der Halbbrücke und des Verbindungsboards identifiziert werden. Um die Kopplung durch Reduktion der geometrischen Abstände der einzelnen Leistungstransistoren zu verbessern, wurde die ANPC-Brücke mit normally-off Transistoren auf einer Leiterplatte umgesetzt. Das Ergebnis der 3D-FEM Simulation demonstrierte eine deutliche Verbesserung der parasitären Induktivität im Vergleich zur Halbbrücken-Mainboard Lösung. In der Untersuchung der schaltbedingten Überspannungen zeigte die normally-off Variante keine kritischen Überspannungen. Dadurch ist der Einsatz bei vorgegebener Zwischenkreisspannung und Leistung in der Endanwendung möglich. Die thermische Analyse der Niedervolt-Vollbrücke zeigte, dass die hohen Verluste aufgrund des hohen Laststroms durch eine Wasserkühlung beherrschbar bleiben. Die Untersuchung der Verlustverteilung im GaN-Leistungstransistor mit Hilfe einer Halbbrücke im Tiefsetzstellerbetrieb bei kontinuierlichem Stromfluss demonstrierte sehr deutlich, dass die Totzeitverluste eine dominante Rolle spielen. In der Untersuchung des Schaltverhaltens stellte sich heraus, dass der maximal schaltbare Strom durch Erreichen der erlaubten Überspannung begrenzt und somit die Leistung der Endanwendung limitiert ist. Die Untersuchung der Kommutierungsschleife in einer 3D-FEM Simulation ergab, dass zusätzliche Anpassungen des Layouts der Vollbrücke zu keiner garantierten Reduktion der parasitären Induktivität führen muss, welche dann zu einer deutlichen Reduktion der schaltbedingten Überspannungen führen könnte. Ein weiterer Lösungsansatz diese Limitierung zu umgehen, ist der Aufbau der Vollbrücke mit einer Parallelschaltung der Leistungstransistoren. Um die komplexe Verteilung der parasitären Induktivitäten im Leistungs- und Gatekreis der Parallelschaltung abschätzen zu können und um die Funktionalität der Parallelschaltung zu erhöhen, wurde eine 3D- FEM- Simulation des Designs durchgeführt. Die Charakterisierung des Schaltverhaltens der umgesetzten Parallelschaltung demonstriert eine deutliche Steigerung des möglich schaltbaren Stroms um ca. 70%. Die Untersuchung der symmetrischen Aufteilung der Ströme in den parallelgeschalteten Transistoren weist eine kurzzeitige Asymmetrie direkt nach dem Schaltvorgang auf. Mit Hilfe einer Simulation konnte eine mögliche Begründung für das Schaltverhalten in der Durchlassspannung der Leistungstransistoren ermittelt werden. Die für diese Untersuchungen notwendigen Strommesswiderstände erzeugten in der Endanwendung hohe Verluste und mussten deshalb entfernt werden, was wiederum das symmetrische Schalten infrage stellte. Durch eine Untersuchung der schaltbedingten Überspannungen und einer dynamischen Widerstandsuntersuchung ohne Strommesswiderstände der Parallelschaltung konnte die Symmetrie der Parallelschaltung bestätigt werden. Der DC-DC-Wandler ist als LLC-Resonanzwandler aufgebaut, der anhand einer vereinfachten Spannungsregelung seine Funktionalität in der Endanwendung bestätigte. Eine erweiterte Stromregelung in einem rotierenden Koordinatensystem erhöht die Dynamik des Wandlers im Vergleich zur vereinfachten Spannungsregelung. Die Wirkungsgraduntersuchung wurde anhand dieser Regelung durchgeführt., This scientific work discusses the design, implementation and investigation of a galliumnitride (GaN)-based bidirectional DC-DC converter. The DC-DC converter hardware is divided into two stages, the high and the low voltage side which are analyzed separately. The high voltage converter stage has been implemented with an Active Neutral Point Clamped (ANPC)-bridge to overcome the blocking voltage limitation of the commercially available GaN transistors at the beginning of the research work. The low voltage side is implemented as an actively switched full-bridge converter. Based on a literature research the “Dual Active Bridge” (DAB) and an LLC resonant converter have been identified as promising DC-DC converter topologies. Converter losses and efficiencies are analyzed using circuit simulations. The acquired simulation results as well as the estimated topology effort are fed into an evaluation matrix showing minor advantages in the considered operation scenario in case of the resonant converter. This small difference shows that both topologies are almost comparable. The LLC resonant topology was selected for the final circuit demonstrator. For the high-voltage ANPC-stage, two circuit variations, using either normally-on or normally-off GaN transistors are implemented. For reference and verification purpose, both GaN power transistor devices are additionally characterized in a (single) half-bridge topology. The normally-on ANPC-stage consists of a motherboard carrying three separate half- bridge evaluation boards commercially available from Texas Instruments (TI). In the investigation, resonance oscillations are observed exceeding the transistors maximum blocking voltage specification. In contrast, similar transient voltage overshoots could not be observed in the measurement of the reference single TI evaluation board half-bridge circuit. A significant parasitic stray inductance between the half-bridges is validated by a finite element method (FEM) and causes the severe parasitic oscillation. In order to minimize the parasitic elements by reducing the geometric spacing of the single transistors, the revised ANPC-stage has been implemented on a 4-layer printed circuit board using normally-off transistors. A reduced parasitic stray inductance results in a lower transient voltage overshoot, confirmed by 3D-FEM simulation and switching tests. In the investigation of the switching behavior, the variant with normally-off transistors no longer shows critical voltage overshoots. The improved ANPC-stage is successfully operated under the specified DC-link voltage and output power. A thermal analysis of the low-voltage full-bridge shows that the high current-related device losses can be dissipated by using a water-cooling strategy. The in-circuit investigation of the loss distribution in the GaN transistor using a half-bridge buck converter in continuous operation demonstrates that the dead-time losses play a dominant role. The investigation of the switching characteristics emphasizes that the maximum switchable current is limited by the tolerable transient turn-off voltage overshoot which has a direct influence on the maximum output power of the final converter. Investigation of the commutation loop layout in a 3D-FEM simulation shows that redesigning the layout of the full bridge converter does not necessarily lead to a reduction in the parasitic inductance, thus reducing the transient turn-off voltage overshoots. Paralleling of GaN power transistors in the full-bridge design is another suitable approach to overcome the current limitation. The layout optimization of the full-bridge stage employing a total number of eight GaN power transistors is performed by a 3D-FEM simulation. Special attention is paid to the distribution of parasitic inductances in the commutation and gate loops to ensure extremely fast switching transitions and minimal parasitic oscillations. In-circuit characterization of the switching behavior has validated a significant increase of the maximum switched load current by 70%. Directly after the switching event, a temporary asymmetry of the transient device current share of both paralleled power transistors is observed. A circuit simulation is used to determine a possible root cause based on the threshhold voltage of the GaN power transistors. The shunt resistors required for transient current acquisition generate significant losses at high load currents. Replacing the shunt resistors with short circuits allowed continuous operation at acceptably low losses, but can have a significant impact on the symmetry of the device current. Nevertheless, the symmetrical operation of the parallel transistors has been confirmed in terms of switching behavior and dynamic on-resistance. The final circuit demonstrator is designed as an LLC resonant converter. A single stage voltage control strategy proves the functionality of the final application. An underlying current control designed in a rotated coordinated system has demonstrated a increased control dynamic. On the basis of this control, an efficiency investigation is performed to show that the estimated efficiency of the simulation can be achieved.

Ziele dieses mehrmonatigen Projekts waren die Erstellung einer hochauflösenden Spektrenbibliothek mittels Quatrupol Time-of-Flight Massenspektrometrie (Q-TOF-MS), - gekoppelt mit einer Ultra high pressure liquid chromatography (UHPLC) - für illegale Arzneimittel mit den Parametern Retentionszeit, Lösungsmittel, MS und MS² Spektrum. Die erhaltenen Spektren der Substanzen wurden mit den entsprechenden vorhandenen MS²-Spektren der In-house Ionenfalle MS Spektrenbibliothek verglichen, um eine Weiterverwendung dieser Spektren zu beurteilen. Zusätzlich wurden die Nachweisgrenzen aller Substanzen bestimmt, um die Anwesenheit in pharmakologisch aktiver Menge in den zu untersuchenden Proben weitestgehend ausschließen zu können. Es wurde eine UHPLC-Q-TOF Methode etabliert, die sowohl eine Trennung, als auch eine Abtrennung von Matrix ermöglicht unter der Berücksichtigung von Totzeit (die Matrix soll nicht retendiert werden, und nicht mit der Totzeit eluiert werden; Vermeidung der irreversiblen Adsorption der Substanzen auf der Säule), Ionisierung und Zerfall. Durch die erstellte hochauflösende Spektrenbibliothek wurde die Identifizierung von Wirkstoffen in illegalen Arzneimitteln erheblich beschleunigt. Objectives of this several months lasting project consisted of creating a high-resolution spectral library using quadrupole time-of-flight mass spectrometry (Q-TOF-MS)-coupled with a ultra high pressure liquid chromatography (UHPLC) for illegal drugs with the parameters retention time, solvents, MS and MS² spectrum. The resulting spectra of the compounds were compared with the corresponding existing MS² spectra of the in-house ion-trap-MS spectra library to assess further use of these spectra. In addition, the detection limits of all substances were determined to rule out the presence largely in pharmacologically active amount (in examined samples). A UHPLC-Q-TOF method was established containing both, a resolution and the separation of matrix that allows consideration of dead time ( Matrix should not be retained and not eluted with the dead time; avoid the "sticking" of the substances on the column), ionization and decay. By the created high-resolution spectral library the time for the identification of active compounds in illegal drugs has been greatly decreased. vorgelegt von: Alexander Gaco Masterarbeit Wien, FH Campus Wien 2014

Die Coltrims-Methode hat sich seit den 1990er Jahren als gutes experimentelles Instrument in der Atomphysik und darüberhinaus etabliert. Sie beruht darauf, dass die bei einer Reaktion entstehenden Fragmente mit ortssensitiven Detektoren nachgewiesen werden. Die Signale der Detektoren wurden bisher mit einem analogen Vorverstärker verstärkt und dann mit Hilfe eines Constant Fraction Discriminators in digitale Signale umgewandelt. Die Zeitinformation der digitalen Signale wurden von Time to Digital Convertern aufgenommen und im Computer gespeichert. Mit dieser Form der Auslese und Analyse der von den Detektoren stammenden Signale können nur einige wenige Fragmente nachgewiesen werden. Die Lösung dieses Problems besteht also darin, eine neue Variante für die Auslese und Analyse der Signale zu finden. Diese wurde in der Verwendung eines Transientenrekorders gefunden. Anstatt nur die Zeitinformation zu speichern, nimmt dieser die gesamte Signalform der Detektoren auf. Die Aufgabe, die in dieser Arbeit bearbeitet werden sollte, bestand darin, eine Software zu entwickeln, mit deren Hilfe der Transientenrekorder gesteuert werden kann. Auch sollte ein Weg gefunden werden nur die für das Experiment notwendigen Informationen des aufgenommenen Zeitfensters zu speichern. Des Weiteren sollten Methoden aufgezeigt werden, wie die aufgenommen Signale untersucht und deren Parameter extrahiert werden können. Diese Methoden wurden dann an realen Signalen getestet. Nachdem im ersten Kapitel die Motivation zu dieser Arbeit und einige theoretische Hintergründe vorgestellt werden, wird im zweiten Kapitel auf verschiedene Methoden der Signalanalyse eingegangen. Der Augenmerk liegt dabei sowohl auf Einzel- sowie Doppelsignalanalyse. Die Güte der vorgestellten Algorithmen wird mit Hilfe von künstlichen Signalen ermittelt. Es zeigt sich, dass die beste Methode die zeitliche Position der Einzelsignale zu finden, der Pulsfit ist. Mit dieser Methode kann eine Auflösung von etwa 50 ps erzielt werden. Bei der Betrachtung der Doppelsignale stellt sich heraus, dass der minimale Abstand zwischen den Signalen 5 ns bis 7 ns betragen muss. Das dritte Kapitel zeigt eine Anwendung des neuen Aufnahmesystems. Dort werden die physikalischen Ergebnisse, die mit Hilfe des neuen Systems gewonnen werden konnten, mit einem herkömmlichen Aufnahmesystem verglichen. Aufgrund der geringeren Totzeit des neuen Aufnahmesystems konnte mehr Statistik gewonnen werden. Der dadurch gewonnene Vorteil zeigt sich deutlich in den Ergebnissen, bei denen eine vierfach Koinzidenz verlangt wird. Bei dem nächsten Kapitel beschriebenen Experiment mussten sehr viele Fragmente nachgewiesen werden. Hierzu wird ein weiteres Kriterium neben der Zeitsumme vorgestellt mit dem die Anodensignale einander zugewiesen werden können. Die in diesem Kapitel gezeigten physikalischen Ergebnisse zeigen die Impulsverteilungen für Neon und Helium für unterschiedliche Lichtintensitäten bzw. Ionisationsprozesse. Im darauf folgenden Kapitel wird beschrieben, wie die neue Aufnahmemethode dazu verwendet werden kann, die von den Detektoren kommenden Signale genauer zu analysieren. Die physikalische Reaktion führte dazu, dass von dem Detektor hauptsächlich Doppelsignale aufgenommen wurden. Dies erlaubt die Untersuchung der Doppelsignalalgorithmen an realen Signalen. Hierbei zeigte sich, dass die Totzeit bei realen Signalen vergleichbar mit der Totzeit bei künstlichen Signalen ist. Die Algorithmen können bei Abständen der Einzelsignale von weniger als 10 ns die Position der Signale nicht mehr genau bestimmen. Anhand der Pulshöhenverteilung kann gezeigt werden, dass der verwendete Detektor in der Mitte eine geringere Nachweiseffizienz hatte. Im letzten Kapitel wird die Güte der verschiedenen Methoden der Einzelsignalanalyse anhand von realen Signalen überprüft. Dabei wurden Signale desselben Detektors mit unterschiedlichen Vorverstärkern verstärkt. Die beiden Vorverstärker unterschieden sich in ihrer Bandbreitenbegrenzung. Die Daten wurden mit einem Transientenrekorder mit 2 GS aufgenommen. Es wird gezeigt wie diese Daten umgewandelt werden können, so dass sie einem System mit nur 1 GS entsprechen. Dies erlaubt es die Güte der Methoden für Signale eines Systems mit 2 GS mit denen eines Systems mit 1 GS zu vergleichen. Es zeigt sich in der Pulshöhenverteilung, dass die Signale des stärker bandbreitenbegrenzten Vorverstärkers vergleichbar mit den künstlichen Signalen sind. Die Signale des weniger stark bandbreitenbegrenzten Vorverstärkers weisen eine zu starke Abhängigkeit ihrer Breite von der Pulshöhe auf. Aus diesem Grund sind die Ergebnisse des letzt genannten Vorverstärkers abweichend von den Ergebnissen mit den künstlichen Signalen. Bei diesem Vorverstärker zeigte der einfache Constant Fraction Algorithmus die beste Auflösung. The COLTRIMS method (COLd Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy) has been established since the 1990er years as a successful experimental instrument in atomic physics and other fields. It is based on the fact that atomic fragments created in a reaction are detected with position- and time-sensitive detectors. Until now, the signals of the detectors were amplified with a preamplifier and converted then with the help of constant fraction discriminators into digital signals which are suitable for a timing measurement. The timing information of the digital signals are recorded with Time to Digital Converters and stored in the computer. With this scheme of detection and analysis of the signals coming from the detectors only a few fragments from a reaction can be recognized (resolved?). Thus, the solution of this problem consists of finding a new way for the readout and analysis of the signals. This was found with the use of a transient recorder. Instead of storing only the timing information, this method samples the entire detector signal, i.e. its waveform. The task of the presented work consists in the development of software to operate the transient recorders under the conditions of a real experiment. Another task was to find a proper method of analyzing the recorded signals. Several methods were tested with simulated and real detector signals. In the first chapter the motivation to this work and some theoretical background are presented. In the second chapter methods to analyze single pulses and trains of overlapping pulses are presented. The quality of the presented algorithms is determined by signals created artificially in software. It is shown that the best temporal resolution - for case of non-overlapping pulses - is obtained with a pulse fit. With this method a resolution of approximately 50 ps is achieved. In order to disentangling overlapping pulses a minimum distance in time between the pulses of at least 5 ns to 7 ns peak to peak is necessary. The third chapter shows an application of the new recording system where results of the new recording method are compared to those obtained with the traditional method. Due to the decreased dead time of the new method one could gather more statistics in the presented experiment. This shows dramatically for the cases where a quadruple coincidence, i.e. the simultaneous detection of four particles, is required. The next chapter presents another experiment in which an even larger amount of fragments had to be detected. In order to cope with this requirement further criteria to assign the measured signal to its originating particle is presented. In this chapter results from photo ionization of helium and neon are shown. The momentum distributions for both species are presented for different intensities of the ionizing light and different ionization processes. The next chapter consist of another application of the methods developed in this work on a real experiment: the reaction examined leads in many cases to two particles that need to be detected within a time of only 30 ns. This allows for a detailed investigation of the algorithms that separates overlapping pulses with real signals from an experiment. It turns out that the dead time for real signals is comparable to that of simulated signals. The algorithms cannot accurately determine the timing of two signals that are separated in time by less than 10 ns. On the basis of the pulse height distribution it can be shown that the used detector had smaller efficiency at its center. In the last chapter the quality of the different methods of the single pulse analysis is examined on the basis of real signals. Signals of the same detector were recorded with different preamplifiers. The two preamplifiers differed by their bandwidth limitation. The data were recorded with a transient recorder set to record with 2 GS. It is shown how these data can be converted to correspond to signals recorded at lower sampling rates of only 1 GS in order to allow for a comparison. It is shown that the signals recorded with the peamplifier with a lower bandwidth are comparable to the signals created in the simulation. The signals obtained with the preamplifier with higher bandwidth show a strong dependance of the signal width on the height of the signal. For this reason the results for that preamplifier are deviating from the results of the artificial signals. With this preamplifier a simple constant fraction algorithm showed the best resolution.

Die hohen Photonenflüsse, welche bei modernen Synchrotronstrahlungsquellen zur Verfügung stehen, haben neue Möglichkeiten auf dem Gebiet zeitaufgelöster Messungen, z.B. für Anwendungen in der Grundlagenforschung oder für technische Applikationen, eröffnet. In Bezug auf den Photonennachweis stellen diese Experimente jedoch hohe Anforderungen, welche von kommerziell erhältlichen Röntgendetektoren nicht erfüllt werden können. Neben einer guten Zeitauflösung und Hochratenverträglichkeit muss der Detektor eine angemessene Ortsauflösung und eine möglichst große empfindliche Fläche bei vorgegebenen Kosten bieten. Die vorliegende Arbeit enthält detaillierte Studien eines neuartigen, gasbasierten Einzelphotonzählers mit Gasverstärkung durch Mikrostrukturen und einer interpolierenden Positionsbestimmung durch eine echt zweidimensionale Auslese einer auf Ladungsteilung basierenden widerstandsbeschichteten Anode. Dieses Konzept ermöglicht eine starke Reduktion der Anzahl elektronischer Kanäle im Vergleich zu reinen Pixeldetektoren, erfordert jedoch aufwendige Methoden der Positionsrekonstruktion. Um räumliche Verzerrungen zu vermeiden und eine optimale Ortsauflösung zu erreichen, werden verschiedene lineare Algorithmen miteinander kombiniert. Der Einfluss der Rekonstruktionsalgorithmen und der Ladungsdiffusion auf der Anodenstruktur auf die Totzeit werden abgeschätzt. Um von der Möglichkeit der asynchronen und parallelen Auslese zu profitieren, wird die auf der Auslesestruktur lokal eingeschlossene Ladungsinformation durch eine neu entwickelte Elektronik mit geringer Totzeit ausgelesen. Das Prototypsystem bietet eine Ortsauflösung von < 200 μm (Halbwertsbreite) und eine sensitive Fläche von 56 × 56mm2 bei lediglich 64 elektronischen Kanälen. Die erzielbare Zeitauflösung liegt in der Größenordnung von 100 ns. Die Ratenverträglichkeit beläuft sich auf > 2 · 105 Photonen cm−2s−1, welche sogar 106 Photonen s−1 für räumlich kollimierte Photonenstrahlen erreichen kann. The high photon fluxes provided by modern synchrotron radiation facilities have opened up new possibilities in the field of time resolved measurements e.g. for applications in fundamental research or technical applications. Concerning the photon detection the requirements of these experiments can not be satisfied by commercially available X-ray detectors. Besides a good time resolution combined with a good high rate behaviour the detector has also to provide a fair spatial resolution and a sensitive area as large as possible at given costs. This thesis describes detailed studies of a novel gaseous micro pattern single photon counter with position encoding by a truly two-dimensional interpolating readout of a resistive anode based on charge division. This concept provides a large reduction of the number of electronic channels compared to pure pixel devices. However, this readout design demands for sophisticated position reconstruction methods. To avoid spatial distortions and to optimise the position resolution different linear algorithms are combined. The influence of the reconstruction algorithm and of the charge diffusion at the anode structure on the dead time are estimated. In order to fully exploit the asynchronous and parallel readout capability, the locally confined charge information of the resistive structure is read out selectively by newly developed low dead time electronics. The prototype system provides a position resolution of < 200 μm (fwhm) and a sensitive area of 56×56mm2 with only 64 electronic channels. The achievable time resolution is of the order of 100 ns. The rate capability amounts to > 2 · 105 photons cm−2s−1 which can even reach 106 photons s−1 in spatially collimated photon spots.

This thesis consists of two parts which deal with the low-energy electric dipole response (LEDR) of atomic nuclei and the development and commissioning of a digital data acquisition system for nuclear-structure experiments, respectively. A term commonly found in the literature for the overall LEDR of atomic nuclei is Pygmy Dipole Resonance (PDR), which was historically used to imply the picture of a neutron-skin oscillation. Since the underlying mechanisms in the LEDR region have been found to be diverse, the term PDR was avoided within this thesis, unless referring explicitly to a neutron-skin oscillation. Part I tries to uncover the generating nuclear-structure features at play in the LEDR of 120Sn below the neutron-separation threshold via two complementary experiments and their theoretical comprehension. The conducted 120Sn(a,a'g) and 119Sn(d,pg) experiments are presented and nuclear-structure calculations performed within the Quasiparticle-Phonon-Model (QPM) are introduced, together with two corresponding reaction-theory approaches. The alpha-scattering experiment was performed at the Research Center for Nuclear Physics in Osaka, Japan, utilizing the combined particle and gamma-ray spectrometer setup CAGRA+GR. Experimental results indicate the presence of isoscalar excitations with a surface-mode character in the LEDR of 120Sn, resembling a neutron-skin oscillation. The 119Sn(d,pg) transfer experiment was performed with the SONIC@HORUS setup at the University of Cologne and constitutes a novel tool to study the microscopic character of individual LEDR states. The remarkable agreement between theoretically obtained (d,pg) cross sections and the experimental data allows to benchmark the predictive power of the QPM and therein employed Energy-Density-Functional calculations. Furthermore, the QPM reproduces the key structural aspects of the LEDR in 120Sn suggested by previous experiments, including the summed B(E1) strength and a transition to more complex configurations at higher excitation energies. It was enforced that theory and experiment are consistently compared via identical observables and striking agreement is found for several experimentally accessible values on a quantitative level. The microscopic information, obtained for the first time in this thesis, complements the knowledge on the relevant nuclear-structure phenomena present in the LEDR of 120Sn. Part II covers a state-of-the-art digital data acquisition system which was designed and commissioned within this thesis. The flexible system exhibits significantly reduced dead time and reaches excellent energy resolution for gamma-ray spectroscopy. It fully replaces the predecessor system and is suitable for all nuclear-physics experiments performed today and in the near future at the 10 MV FN-Tandem accelerator laboratory of the University of Cologne.

In dieser Arbeit wird die Machbarkeit der Wasserstoff (1H) Magnetresonanztomographie (MRT) mit ultrakurzen Echozeiten zur direkten Bildgebung von ultrakurzen T2*-Komponenten der weißen Hirnsubstanz bei 7 Tesla unter Verwendung der inversionsvorbereiteten Doppelechodifferenzbildgebung mit ultrakurzen Echozeiten (IR-Diff-UTE) demonstriert. Eigenschaften, Chancen und Limitationen dieser Methode werden bei dieser neuen Feldstärke untersucht: Auftretende Artefakte werden reduziert, MR Parameter in der weißen Hirnsubstanz quantifiziert und darauf basierend ein klinisch hochaufgelöstes Protokoll mit UTE Differenz- und Fraktionskontrast vorgestellt. Die IR-Diff-UTE Technik unterdrückt lange T2*-Signale in der weißen Hirnsubstanz durch Verwendung einer adiabatischen Inversionsvorbereitung in Kombination mit Doppelechodifferenzbildgebung. Mittels Bloch-Simulationen wurde das entsprechende Signalverhalten aller relevanten Gewebekompartimente nachgebildet und analysiert. Artefakte, die bei 7T durch Einfaltungen und Verschmierungen langer T2*-Fettsignale aus der Kopfhaut entstehen, wurden reduziert indem die IR Zentralfrequenz so verschoben wurde, dass die betreffenden Frequenzbereiche ebenfalls invertiert wurden. An 8 gesunden Probanden wurden anschließend die T2*-Relaxationszeiten der weißen Hirnsubstanz in Kompartimenten quantifiziert. Darauf aufbauend wurden an 20 gesunden Probanden das Signal- und Kontrast-zu-Rausch Verhältnis (SNR/CNR), sowie die Artefaktunterdrückung als auch die Stabilität der IR-Diff-UTE Kontraste evaluiert. Schließlich wurde bei 6 an Multipler Sklerose (MS) erkrankten Patienten die Fähigkeit der Technik untersucht, krankheitsbedingte Signaländerungen anzuzeigen. Das in dieser Arbeit verwendete 7 Tesla MRT System ermöglichte UTE Messungen im Gehirn mit einer Totzeit von 30 μs. Wirbelstromeffekte nullter Ordnung wurden als vernachlässigbar charakterisiert (Δ < 15°), lineare Beiträge traten besonders auf der x- und y-Gradientenachse auf (Δ < 6m−1) und mussten retrospektiv korrigiert werden. An Messphantomen wurden die vorgeschlagenen Studien zunächst als geeignet für die in vivo Anwendungen verifiziert. Eine optimale IR Unterdrückung der langen T2*-Komponenten in der weißen Hirnsubstanz wurde bei TR = 1500 ms für TI = 430 ms im vorgeschlagenen Quantifizierungsprotokoll und für TI = 465 ms im klinischen Protokoll gefunden. Durch Simulationen und Probandenmessungen wurde aufgezeigt, dass eine Frequenzverschiebung des IR Pulses um −1,2 ppm (d.h. in Richtung der Fettfrequenzen) zu einer guten Unterdrückung der Fettartefakte führt. Damit konnte in der Quantifizierungsstudie ein ultrakurzes Kompartiment von (68 ± 6) % mit einer T2*-Zeit von (147 ± 58) μs und einer chemischen Verschiebung von (−3,6 ± 0,5) ppm von Wasser quantifiziert werden. In der klinischen Kontraststudie wurde für die weiße Hirnsubstanz gesunder Probanden ein stabiler ultrakurzer T2*-Fraktionskontrast von 0,57 ± 0,01 mit einer durchschnittlichen Standardabweichung von 0,20 ± 0,01 berechnet. Für den Differenzkontrast wurden SNRDiff = 4,7±1,1 und CNRDiff = 8,7±2,4 bestimmt. Bei den MS-Patienten wurde eine signifikante Reduktion der gemessenen ultrakurzen Fraktionswerte beobachtet, sowohl in den identifizierten Läsionen (−0,09 ± 0,09) als auch in der normal aussehenden weißen Substanz (0,54 ± 0,05). Die im Rahmen dieser Arbeit gefundenen Ergebnisse deuten darauf hin, dass die in der weißen Hirnsubstanz gemessenen ultrakurzen T2*-Komponenten in erster Linie direkt aus dem Myelingewebe stammen. Die direkte IR-Diff-UTE Bildgebung von ultrakurzen T2*-Komponenten der weißen Substanz ist somit bei 7 Tesla artefaktfrei, mit hoher quantitativer Stabilität und guter Erkennung von Signalverlusten bei MS möglich. In this work, the feasibility of hydrogen (1H) magnetic resonance imaging (MRI) with ultrashort echo times for direct imaging of ultrashort T2* components in the white brain matter at 7 Tesla, by using inversion-prepared dual-echo difference imaging with ultrashort echo times (IR-Diff-UTE) is demonstrated. Properties, opportunities and limitations of this method are investigated at the new field strength: Occurring artifacts are reduced, tissue compartments in the white brain matter are quantified, and based on this a clinical high-resolution protocol with UTE difference and fraction contrasts is presented. The IR-Diff-UTE technique suppresses long T2* signals in the white brain matter by using adiabatic inversion-preparation in combination with dual-echo difference imaging. Bloch simulations were applied to replicate and analyze the corresponding signal behavior of all relevant tissue compartments. Artifacts arising at 7T from aliasing and blurring of long T2* fat signals in the scalp were reduced by shifting the IR central frequency such that the relevant frequencies were inverted likewise. The T2* relaxation times of the white brain matter were then quantified in multiple compartments with 8 healthy volunteers. Based on this, the signal- and contrast-to-noise ratio (SNR/CNR), as well as the artifact suppression and the stability of the IR-Diff-UTE contrasts were evaluated in 20 healthy volunteers. Finally, the ability of the technique to indicate disease-related signal changes was investigated in 6 patients diagnosed with multiple sclerosis (MS). The 7 Tesla MRI system applied in this work allowed UTE measurements in the brain with a dead time of 30 μs. Zero-order eddy current effects were characterized as negligible (Δ < 15°), linear contributions occurred especially on the x- and ygradient axes (Δ < 6m−1) and had to be retrospectively corrected. Using measurement phantoms, the proposed studies were verified as to be suitable for in vivo applications. Optimal IR suppression of the long T2* components in white brain matter was found for TR = 1500 ms in the proposed quantification protocol and for TI = 465 ms in the clinical protocol. Simulations and volunteer measurements demonstrated that a frequency shift of the IR pulse by −1,2 ppm (i.e., towards the fat frequencies) resulted in good suppression of fat artifacts. Based on this, in the quantification study, an ultrashort compartment of (68 ± 6) % with a T2* time of (147 ± 58) μs and a chemical shift of (−3,6 ± 0,5) ppm from water were quantified. In the clinical contrast study, a stable ultrashort T2* fraction contrast of 0,57 ± 0,01 with an average standard deviation of 0,20±0,01 was calculated for the white matter of healthy subjects. For the difference contrast, SNRDiff = 4,7 ± 1,1 and CNRDiff = 8,7 ± 2,4 were determined. A significant reduction in the measured ultrashort fraction levels was observed in MS patients, both in the identified lesions (−0,09 ± 0,09) as well as the normal-appearing white matter (0,54 ± 0,05). The results found in this work indicate that the ultrashort T2* components measured in the white brain matter are primarily originating directly from the myelin tissue. Direct IR-Diff-UTE imaging of ultrashort T2* components in human white matter is thus possible at 7 Tesla without artifacts, with high quantitative stability and good detection of signal loss in MS.

Eine oftmals hohe Variantenvielfalt, geringe Produktlebenszeiten und eine hohe Produktqualität kennzeichnen gegenwärtig die Situation der produzierenden Unternehmen in der Bundesrepublik Deutschland. Vor dem Hintergrund der hohen Lohnkosten bestehen keinerlei Alternativen zu einer weiteren, flexiblen Automatisierung, um Qualitäts- und Produktivitätssteigerungen zu erzielen. Gerade Industrieroboter, die eine flexible Anpassung an wechselnde Fertigungsbedingungen ermöglichen und außerdem ein hohes Automatisierungspotential besitzen, können dazu einen wichtigen Beitrag leisten. Letztendlich entscheiden aber nicht alleine die Fähigkeiten des Industrieroboters über den Erfolg oder Mißerfolg von Automatisierungsbestrebungen, sondern die Roboterperipherie und Programmierwerkzeuge tragen wesentlich dazu bei. Insbesondere bei der Integration von externen Sensoren an Roboteranlagen bestehen weitreichende Defizite, die den Einsatz von Industrierobotern in einigen Bereichen einschränken, wenn nicht ganz verhindern. So existieren bisher nur eingeschränkte Möglichkeiten zur flexiblen und schnellen Integration externer Sensordaten, um die Bewegungsbahn von Industrierobotern an die aktuellen Form- und Lagetoleranzen des Werkstück anzupassen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird deshalb ein Konzept entwickelt und realisiert, daß eine konsequente Unterstützung sowohl bei der Auswahl von qualifizierten Sensoren als auch deren schnelle und konfigurierbare Integration in eine Robotersteuerung beinhaltet. Hauptziel ist der Entwurf eines integrierten Gesamtsystems, das den Anwender insbesondere beim Entwurf und der Durchführung einer schnellen Sensorregelung eines Industrieroboters weitreichend und effizient unterstützt. Verschiedene Sensorregelungs- und Integrationskonzepte werden hinsichtlich ihres dynamischen Systemverhaltens untersucht, um Aussagen zur Leistungsfähigkeit von Sensorregelungen bei Bearbeitungsverfahren zu erlangen. Zunächst wird die Situation der Sensorintegration an heutigen, robotergestützten Fertigungsanlagen analysiert und die Notwendigkeit und deren technologisch-ökonomischer Nutzen beleuchtet. Die bekannten Strategien zur Sensorintegration und Sensorregelung lassen sich systematisch strukturieren und bewerten. Eine Diskussion der Defizite bestehender Lösungen runden die Darstellung ab. In einem 2. Schritt werden die Anforderungen an ein konfigurierbares, integriertes Gesamtsystem abgeleitet. Es gilt dabei insbesondere Fragen zu technologischen Anforderungen zu analysieren und zu strukturieren. Die technologischen Zieldefinitionen lassen sich auf die entsprechenden Komponenten eines Gesamtsystems projizieren und bilden die Basis zur Definition des Anforderungsprofils. Diese Überlegungen münden in das Konzept des integrierten Gesamtsystems ISRS, das den Ausfuhrenden bei der Programmerstellung, dem Entwurf von Sensorregelungen und dem Test von Sensorintegrationslösungen weitgehend unterstützt. Der Kern des Gesamtsystems ISRS stellt die flexibel parametrierbare Sensorsteuerung SC dar, die maßgeblich die Sensor Wertverarbeitung, die Übertragung von Sensordaten zur Robotersteuerung und die Kommunikationssteuerung ausfuhrt, sowie weitgehend von der Robotersteuerung aus bedienbar ist. Ein speziell auf die Belange der schnellen Sensorregelung optimiertes Transputersystem dient zur optionalen Erweiterung der Sensorsteuerung SC für den Fall der schnellen Sensorintegration im Lageregeltakt der Robotersteuerung. Der Robotersimulator RC-SIM, eine weitere Komponente des integrierten Gesamtsystems ISRS, erlaubt zudem eine Emulation der Robotersteuerung und deren Kommunikationsfunktionalität, um Sensorprogramme offline ohne die Gefahr einer Beschädigung der Anlage zu testen. Auf der Basis des integrierten Gesamtsystems werden Untersuchungen, die eine Adaption der Bewegungsbahn des Roboters mit Hilfe unterschiedlicher Sensorregelungs- und Integrationskonzepte zum Ziel haben, durchgeführt. Verschiedene Sensorregler können dabei das dynamische Systemverhalten der Sensorregelung im Interpolationstakt verbessern, jedoch wird das dynamische Verhalten von einer totzeitdominanten Regelstrecke geprägt. Im Gegensatz dazu läßt sich mit einfachen Reglern bei der Sensorregelung im Lageregeltakt ein sehr gutes dynamisches Verhalten erzielen, das nur mehr durch die verbleibende Dynamik des Roboterantriebs begrenzt ist. Die resultierenden Schleppfehler bei unterschiedlichen Regelungs- und Integrationsstrategien werden analytisch wie praktisch ermittelt und ein Bezug zu den entsprechenden Anforderungen der Bearbeitungstechnologien hergestellt. Das Gesamtsystem wird zudem um die Fähigkeit zur Integration und Fusion multisensorieller Daten erweitert. Eine Analyse der Defizite bestehender Systeme mündet in ein Konzept, daß eine flexible und je nach den bestehenden Erfordernissen frei konfigurierbare Integration von multisensoriellen Daten innerhalb des integrierten Gesamtsystems erlaubt. An Hand einer exemplarischen Anwendung kann der Nachweis erbracht werden, daß sich das Konzept auch für sensorgeregelte Applikationen eignet. Vor der eigentlichen Integration von Sensoren in eine Roboteranlage müssen zunächst in einem mühsamen und zeitaufwendigen Prozeß qualifizierte Sensoren ausgewählt werden. Eine Analyse des Auswahlvorgangs und der bestehenden Defizite münden in ein Konzept für eine strukturierte Auswahlsystematik. Auf der Basis der Auswahlsystematik wird ein rechnergestütztes Planungssystem entworfen, das den Ausführenden bei Auswahl eines geeigneten Sensors unterstützt., The situation of manufacturing companies in the Federal Republic of Germany is currently characterized by an often large variety of variants, short product lifetimes and high product quality. Against the background of high labor costs, there are no alternatives to further, flexible automation in order to achieve quality and productivity increases. Industrial robots in particular, which enable flexible adaptation to changing production conditions and also have a high level of automation, can make an important contribution to this. Ultimately, however, it is not only the capabilities of the industrial robot that decide whether or not automation efforts succeed, but the robot peripherals and programming tools make a significant contribution. In particular, there are far-reaching deficits when it comes to integrating external sensors into robot systems, which limit, if not completely prevent, the use of industrial robots in some areas. So far, there are only limited possibilities for flexible and fast integration of external sensor data in order to adapt the movement path of industrial robots to the current shape and position tolerances of the workpiece. In the context of the present work, a concept is therefore developed and implemented that consistently supports both the selection of qualified sensors and their quick and configurable integration into a robot controller. The main goal is the design of an integrated overall system that supports the user extensively and efficiently, especially when designing and implementing a fast sensor control for an industrial robot. Various sensor control and integration concepts are examined with regard to their dynamic system behavior in order to obtain information on the performance of sensor controls in machining processes. First, the situation of sensor integration in today's robot-assisted production systems is analyzed and the necessity and its technological-economic benefits are examined. The known strategies for sensor integration and sensor control can be systematically structured and evaluated. A discussion of the deficits of existing solutions round off the presentation. In a second step, the requirements for a configurable, integrated overall system are derived. It is particularly important to analyze and structure questions about technological requirements. The technological target definitions can be projected onto the corresponding components of an overall system and form the basis for the definition of the requirement profile. These considerations lead to the concept of the integrated overall system ISRS, which supports exporters to a large extent with the creation of programs, the design of sensor controls and the testing of sensor integration solutions. The core of the overall ISRS system is the SC sensor controller, which can be configured flexibly, which is responsible for sensor processing, the transmission of sensor data to the robot controller and the communication controller, and which can largely be operated from the robot controller. A transfer system that has been specially optimized for the needs of fast sensor control is used for the optional expansion of the SC sensor control in the event of rapid sensor integration in the position control cycle of the robot control. The RC-SIM robot simulator, another component of the integrated overall ISRS system, also allows the robot controller and its communication functionality to be emulated in order to test sensor programs off-line without the risk of damaging the system. On the basis of the integrated overall system, investigations are carried out that aim to adapt the robot's trajectory with the aid of different sensor control and integration concepts. Various sensor controllers can improve the dynamic system behavior of the sensor control in the interpolation cycle, but the dynamic behavior is characterized by a control system that is dominated by dead time. In contrast, very good dynamic behavior can be achieved with simple controllers in sensor control in the position control cycle, which is now only limited by the remaining dynamics of the robot drive. The resulting following errors with different control and integration strategies are determined analytically and practically and a relation to the corresponding requirements of the processing technologies is established. The overall system is also expanded to include the ability to integrate and fuse multisensory data. An analysis of the deficits of existing systems leads to a concept that allows flexible and freely configurable integration of multisensor data within the integrated overall system depending on the existing requirements. Using an exemplary application, it can be demonstrated that the concept is also suitable for sensor-controlled applications. Before the actual integration of sensors into a robot system, qualified sensors must first be selected in a laborious and time-consuming process. An analysis of the selection process and the existing deficits lead to a concept for a structured selection system. On the basis of the selection system, a computer-aided planning system is designed that supports the operator when selecting a suitable sensor., Fertigungstechnik - Erlangen, 51

Der klassische optische Empf��nger besteht aus einer Photodiode in Kombination mit einem Transimpedanzverst��rker, realisiert als optoelektronisch integrierte Schaltung (engl. optoelectronic integrated circuit, OEIC). Um die Eigenschaften der optischen Empf��nger zu verbessern, wurden in den letzten Jahren vermehrt Lawinenphotodioden (engl. avalanche photodiodes, APDs) eingesetzt. Dabei wird die intrinsische Verst��rkung der APD genutzt, um die Empfindlichkeit des Empf��ngers zu erh��hen. Eine weitere Verbesserung kann dabei durch eine Ver��nderung des Arbeitspunktes der APD erzielt werden. Betreibt man APDs oberhalb der Durchbruchspannung, im sogenannten Geiger-Modus, ist das Verh��ltnis von Lichtmenge zur Anzahl der generierten Ladungstr��ger nicht mehr linear. In diesem Spannungsbereich k��nnen bereits sehr kleine Lichtmengen, bis hin zu einzelnen Photonen, eine selbst erhaltende Ladungslawine ausl��sen, die am Ausgang des Detektors gemessen werden kann. Sie werden daher als Einzelphotonen-Lawinendioden (engl. single photon avalanche diodes, SPADs) bezeichnet. Um eine SPAD ��ber der Durchbruchspannung betreiben zu k��nnen, ist eine Schaltung notwendig, die die generierte Ladungslawine nach einem Triggerereignis erfasst und die Spannung an der Diode anschlie��end unter die Durchbruchspannung reduziert. Die Lawine wird somit gestoppt. Anschlie��end muss die Spannung an der SPAD wieder erh��ht werden. Diese Arbeit befasst sich mit integrierten optischen SPAD-Empf��ngern in Standard m CMOS Technologie. Im ersten Schritt wird neben dem Design der SPAD auch auf die Realisierung der notwendigen Schaltungen eingegangen (Quenchingschaltung). Daf��r wurden in zwei CMOS Prozessen (0.35 m PIN-CMOS und 0.35 m HV-CMOS) sechs unterschiedliche SPAD-Strukturen und drei Quenchingschaltungen vorgestellt. F��r jede der vorgestellten SPAD-Strukturen wurde daraufhin ein eigener OEIC realisiert und untersucht. Die parasit��ren Effekte der SPAD h��ngen stark von der produzierten Ladungsmenge w��hrend des Lawinendurchbruchs ab. Aus den gewonnenen Messdaten konnte eindeutig gezeigt werden, dass durch eine minimale Detektionsschwelle der Quenchingschaltung die Nachfolgepulswahrscheinlichkeit (engl. afterpulsing probability, APP) der SPAD reduziert werden kann. Eine weitere M��glichkeit die APP zu reduzieren ist die Erh��hung der Totzeit. Mit den realisierten Quenchingschaltungen ist es m��glich, beide Methoden zu untersuchen. Im n��chsten Schritt werden die kompletten SPAD-Empf��nger vorgestellt. Jeder der pr��sentierten Empf��nger besteht aus einem Array aus vier SPADs mit einer Quenchingschaltung f��r jedes einzelne Segment. Insgesamt wurden f��nf Empf��nger realisiert und deren Bitfehlerrate und Empfindlichkeit untersucht. Mit den vorgestellten SPAD-Empf��ngern konnte erstmals eine Verbesserung der Empfindlichkeit gegen��ber APD-Empf��ngern erzielt werden und demnach ein wichtiger Grundstein f��r die Entwickelung neuer, moderner Empf��ngerkonzepte gelegt werden., Standard optical receivers consist of a photodetector combined with a transimpedance amplifier. In optoelectronic integrated circuits (OEICs) the photodetector often is realized as photodiode. In order to increase the performance of the overall optical receiver these photodiodes often were designed as avalanche photodiodes (APDs) in the last few years. Driven in the linear mode the APDs offer an intrinsic amplification and therefore increase the sensitivity of the system. Further improvements can be achieved, when the APDs are driven above their breakdown-voltage in the so called Geiger-mode. In this mode, relation between light and generated carriers is not linear any more. Therefore small amounts of light, even single photons, cause a self-sustaining avalanche. Hence the name single photon avalanche diodes (SPADs). The electrical circuits detecting the resulting carrier avalanches are called quenching circuits, and reduce the bias voltage of the SPAD below the breakdown voltage in case of a hit and therefore quench the avalanche, afterwards the bias voltage is increased again for the next detection. This work deals with implementation of optical SPAD-receivers in standard m CMOS technology. The first part is focused on the SPAD design and the quenching circuit. Six different SPAD structures und three different quenching circuits were designed in two CMOS technologies (0.35 m PIN-CMOS and 0.35 m HV-CMOS). For each SPAD a single OEIC was realised and investigated. The parasitic effects of SPADs strongly depend on the amount of charge produced during the avalanche breakdown. Two different methods for decreasing the APP were investigated. On the one hand, the detection threshold of the quenching circuit was minimized and on the other hand, the dead time, i.e. the minimum time between two detections, was increased. The complete SPAD receiver OEICs are presented in the final part. All receivers consist of an array of four SPADs in combination with a quenching circuit for every element. Finally, results of the measured bit error rates und sensitivities for all five receivers are presented. The SPAD receivers exceed sensitivities compared to APD receivers and represent an important step in the evolution of new, modern receiver concepts.