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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.

Die dreidimensionale Erfassung der Umgebung bietet vielfältige Möglichkeiten in vielerlei Anwendungen. Im Automobilbereich wird sie heute in Fahrerassistenzsystemen wie Notbremssystemen zur Erhöhung der Sicherheit eingesetzt. Auch für eines der großen Zukunftsthemen der Branche, dem autonomen Fahren, spielt sie eine entscheidende Rolle. In den letzten Jahren erlangte die Nutzung elektromagnetischer Wellen im sichtbaren oder infraroten Bereich für die berührungslose Distanzmessung, das sogenannte Light Detection and Ranging, zunehmende Bedeutung. Dieses Verfahren basiert auf der Messung der Zeit, die ein ausgesendetes Lichtsignal zum Zielobjekt und wieder zurück benötigt. Zur Minimierung der emittierten Lichtleistung sind hochempfindliche Photodetektoren nötigt, weshalb in der vorliegenden Arbeit auf Single-Photon Avalanche Dioden basierende Sensoren betrachtet werden. Der Einsatz dieser Systeme in einer Umgebung mit hohem Hintergrundlicht stellt eine der größten Herausforderungen für den Einsatz im Automobil dar. Im Rahmen der Arbeit wurde ein Laufzeitsensor für Anwendungen im Automobil entwickelt, wobei die Reduktion des negativen Einflusses hoher Hintergrundstrahlung im Vordergrund stand. Hierfür wurde zunächst die Statistik der bekannten Verfahren bei Verwendung von Single-Photon Avalache Dioden betrachtet und Modelle zu Bestimmung der Messvarianz entwickelt. Auf Grundlage dieser Modelle wurden im weiteren Konzepte zur Reduktion des Hintergrundlichteinflusses auf die Distanzmessung entworfen. Jedes Konzept wurde theoretisch unter Zuhilfenahme von statistischen Berechnungen sowie mittels Simulationen untersucht und bewertet. Die Betrachtung der verschiedenen Konzepte ließ den Schluss zu, dass eine direkte Laufzeitmessung, bei welcher die Laufzeit eines ausgesendeten Laserpulses mittels einer hochauflösenden elektronischen Stoppuhr gemessen wird, in Verbindung mit der Erfassung zeitlich korrelierter Photonen das beste Ergebnis verspricht. Basierende auf diesen Erkenntnissen wurde ein entsprechender Doppelzeilensensor mit 192 Pixeln je Zeile, wobei jedes 4 Dioden zur Detektion zeitlich korrelierter Photonen mit einer Korrelationszeit unterhalb der SPAD-typischen Totzeit enthält, in einem 0,35-µm-CMOS-Prozess entwickelt und charakterisiert. Der Sensor wurde dabei so entworfen, dass die Parameter der Photonenkorrelation variabel sind, was eine gleichbleibende Messleistung bei unterschiedlicher Reflektanz des Zielobjektes ermöglicht. Die Messergebnisse zeigen eine hohe Übereinstimmung mit den theoretischen Berechnungen und bestätigen die Machbarkeit einer Messung bei hohem Hintergrundlicht. The three-dimensional perception of the environment offers many different possibili-ties in many different applications. In the automotive field it is used in driver assistance systems like emergency braking to improve the traffic safety. Additionally, in autono-mous driving, one of the most important topics in automotive today, environment observation is essential. In recent years the use of electromagnetic waves in the visible or near infrared spectrum for distance measurement gained more and more interest. This technique, called light detection and ranging, obtains the distance from the time an emitted light signals needs to travel to an object and back to the sensor. To minimize the required optical emission power high sensitive photodetectors are required, therefore, sensors based on single-photon avalanche diodes are investigated in this work. The operation of these systems in high ambient illumination environments is one of the main problems for the use in automotive applications. In this work a time-of-flight sensor for automotive applications with focus on the reduction of the negative influence of high ambient illumination was developed. In the first step the statistics of the known measurement techniques using single-photon avalanche diodes as detectors were investigated and models for determining the distance uncertainty were developed. Based on these models concepts to reduce the negative influence of ambient light have been designed. Each concept was investigated and evaluated by the use of theoretical calculations as well as simulations. As a result of the investigations, the direct time-of-flight technique along with the detection of temporal correlated photons was chosen for the sensor design. In the direct technique the time-of-flight of a short light pulse is measured by a high resolution electronical stopwatch. Based on this technique a double line sensor with 192 pixels in each line was designed in a 0.35 µm standard CMOS process and characterized. Each pixel of the sensor uses four single SPADs to allow the detection of correlated photons having a temporal spacing shorter than the dead time of the SPADs. Additionally, several parameters of the correlation detection circuit are adjustable to allow a constant measurement performance at varying target reflectivity. The performed measurements of the sensor show a good agreement with the theoretical calculations and confirm the feasibility of distance measurements at high ambient illumination. Dissertation, Universität Duisburg-Essen, 2018

Im Rahmen dieser Arbeit werden durch die Nutzung zweier neuartiger experimenteller Aufbauten SAXS- und WAXS-Experimente durchgeführt, welche frei von einem Behältnis im Strahlengang des Röntgenstrahls sind. Es werden dadurch direkte Einblicke in bisher unzugängliche Nukleations- und Wachstumsstadien von CdS-Nanopartikeln in wässriger Lösung ermöglicht. Das Setup zur Messung am freien Strahl erreicht sehr kurze Reaktionszeiten zwischen 100 µs und 2,5 ms. Mit Hilfe dieses Setups wurden die Nukleation und das frühe Wachstum von CdS-Nanopartikeln in wässriger Lösung in-situ untersucht. Die SAXS-Experimente deuten auf eine bimodale Partikelgrößenverteilung von sphärischen Partikeln hin. Während die Größe der einen Population als Funktion der Zeit wächst, zeigt die andere Population einen konstanten Durchmesser von etwa 1 nm. Entsprechend der Entwicklung der Partikelgrößen der wachsenden Population ist ein durch die Diffusion von Clustern limitierter Formationsmechanismus vorgeschlagen. Die simultanen WAXS-Experimente bestätigen die Existenz einer Clusterpopulation. Temperaturabhängige SAXS-Experimente weisen auf eine Diffusionsbarriere der Cluster von 0,6 eV hin. Das Setup zur Messung am freien Tropfen erlaubt Experimente an schnell gemischten Chemikalienlösungen, beginnend nach einer Totzeit von 100 ms. Mit Hilfe dieses Setups wurde der Formationsmechanismus von EDTA-stabilisierten CdS-Nanopartikeln mittels In-situ-SAXS-Experimenten beobachtet. Es zeigt sich, dass die Zugabe des Stabilisators sowohl eine starke Änderung der Wachstumsgeschwindigkeit hervorruft, wie auch den Reaktionsmechanismus fundamental ändert. Beide Setups erweitern die Auswahl an experimentellen Probenumgebungen und sind über die Methoden der Klein- und Weitwinkelröntgenstreuung hinaus für eine Vielzahl von experimentellen Methoden und zur Untersuchung weiterer Probensysteme einsetzbar. Darüber hinaus sind in dieser Arbeit detaillierte Einblicke in den CdS-Formationsmechanismus gegeben, sowohl auf einer bisher unerreichten Zeitskala unterhalb 1 ms, wie auch auf einer ausgedehnten Zeitskala der Reaktionszeit bis hin zu mehreren Minuten. This work introduces containment-free SAXS and WAXS experiments on the nucleation and growth of nanoparticles in aqueous solution using two novel experimental setups. These allow getting direct insights into so far not accessible early nucleation and growth states of CdS nanoparticles. The free jet setup accesses very short reaction times in the range from 100 µs up to 2,5 ms. Using this setup, the nucleation and early growth of CdS nanoparticles in aqueous solution was followed in-situ. The SAXS experiments support a spherical bimodal particle size distribution. While the size of one population is growing with time, the other population shows a constant particle size of about 1 nm in diameter. According to the growth behavior of the larger population, a cluster diffusion limited formation process is proposed. The simultaneous WAXS experiments support the existence of the cluster population. Temperature dependent experiments show an energy barrier for the cluster diffusion in water of about 0,6 eV. The setup for experiments at a free drop enables containment-free scattering experiments of rapidly mixed chemicals starting after a dead time of 100 ms. Using this setup, the formation process of EDTA stabilized CdS nanoparticles was followed via in-situ SAXS experiments. The addition of the stabilizer shows an impact both on the growth speed and on the formation mechanism. Both setups extend the tool box of existing experimental environments and are suitable for applications for various experimental techniques (beyond SAXS and WAXS) to investigate various sample systems. Furthermore, detailed insights into the CdS formation process, both at a so far not accessible time scale below 1 ms and at an extended time scale up to several minutes are provided.

Im Radiochemie-Messraum des Atominstituts der Technischen Universit��t Wien sind zwei alte Gamm��Spektroskopiesysteme f��r hohe Z��hlraten beheimatet. Diese zwei Systeme tragen folgende Namen: 'Der dicke Fritz' und 'Der Russe'. Die Gamm��Spektroskopiesysteme sind aus folgender Hardware zusammengebaut: HPGe-Detektor, Front-End-Elektronik, PC und AccuSpec-IS��Steckkarte, die das Herzst��ck beider Systeme bildet. Die beiden Systeme werden im Loss-Free-Counting (LFC) Modus betrieben, sodass w��hrend des Betriebs keine Totzeit auftritt. Die PCs verf��gen ��ber ein Mainboard mit IS��Slot und laufen unter Microsoft Windows 98. Alle Messungen werden ��ber die Genie-2000 Basic Spectroscopy Software und die AccuSpec/B-IS�� Steckkarte gesteuert. Das Ziel dieser Diplomarbeit ist die Erneuerung bzw. der Versuch der Erneuerung der Elektronik der Gamm��Spektroskopiesysteme f��r hohe Z��hlraten am Atominstitut. Im Laufe der Diplomarbeit werden zwei verschiedene Upgrade-M��glichkeiten durch verschiedene Messungen mittels der Zwei-Quellen-Methode auf ihre Vergleichbarkeit mit dem alten System ��berpr��ft, insbesondere auf Unterschiede in der Aufl��sung und der Korrektur bei hohen Z��hlraten. Zuerst wird die Anwendbarkeit des ARSTech USB2IS��Adapters ��berpr��ft, welcher das letzte Glied eines analogen Messsystems ist. Der Versuch besteht darin, die AccuSpec/B-IS��Steckkarte ��ber den USB2IS��Adapter auf einem neueren PC (Windows 7) zum Laufen zu bringen. Der zweite Upgrade-Versuch wird mithilfe des Canberra DS��1000 durchgef��hrt, wo durch das Variieren des Shapings die Anwendbarkeit des DS��1000 ��berpr��ft wird. Bei dem zweiten Upgrade-Versuch wird die Elektronik komplett durch den DS��1000 ausgetauscht und damit ein digitales Messsystem gebildet, Two High-Count-Rate Gamma Spectroscopy Systems are located at the radiochemistry lab of the Institute of Atomic and Subatomic Physics, Vienna. Those two systems have following names: 'Der dicke Fritz' and 'Der Russe'. Both gamma spectroscopy systems are made up of the following hardware components: HPGe detector, front-end-electronics, a personal computer and an AccuSpec board, which is the key element of the system. Both systems are operated within Loss-Free-Counting (LFC) mode, therefore no dead time occurs. The personal computers are equipped with an ISA slot mainboard and running Windows 98. All measurements are controlled via Genie 2000 Basic Spectroscopy Software and AccuSpec/B ISA card. The aim of this master's thesis is the renewal of the electronics and modernization of the High-Count-Rate Gamma Spectroscopy System. During the thesis, two upgrade possibilities are tested by various measurements using the s��called tw��source-method. The research is focused on res�� lution and count loss determination in high count rate radiation systems, so the new systems are compared to the old gamma spectroscopy system. First of all, the applicability of the ARSTech USB2ISA adapter is revised. This adapter is the last element of an analog measuring system. The attempt is to mount the AccuSpec/B board into the USB2ISA adapter and to link the adapter with a new personal computer running Windows 7. The second upgrade option is carried out using DS��1000, where applicability of the DS��1000 is revised by varying the parameters of shaping. The old electronics are replaced by the DS��1000, therefore a digital measuring system is established.

In order to guarantee the comparability of the results of the various working teams and experimental conditions within the preservation of organs, above all of the preservation of kidneys, it is referred to the importance which belongs to the clear establishment of the used notions, such as time of hyperthermy (duration), time of ischaemia and dead time (warm and cold). For the practice of kidney taking simple time determinations between two steps of taking have made their way. The warm dead time is the duration between clamping of the renal vessels and the beginning of the flow with cold preservation solution. This establishment is justified by the standardised conditions of taking. For reserach these pauschal temporary data are not sufficient and the exact establishment of the notion used is necessary.

The interactions between one enemy and one prey population are described by the aid of cybernetic concepts, including plants as prey.By their numerical responses the populations of enemy and prey together constitute a feedback control system (Fig.1). Both of them can be interpreted either as regulator or as controlled system. The negative feedback is made possible by limitation of the enemy's searching ability. The difference between (the logarithms of) density independent fertility and mortality of both populations can be regarded as disturbance or as command variable. The encounter of both populations has the effect of a detecting element or of an correcting element (Fig. 2).To a first approximation, both populations react like integrating elements with dead time. Their interactions in the feedback control system can be described appropriately by these means. Thus there is no need for interpreting the enemies as temporarily defective regulator.If the individual prey organisms cannot be utilized by different enemies as often as they are found, there exists a competition for prey. Its intensity depends on enemy density. In the mode of a second regulator the competition reacts negatively upon the enemy population. In the information flow diagram it can be represented by an additional element (Fig. 3). Together with the prey it composes a PI-regulator of the enemy (Fig.4).The limited feeding capacity of the enemy often causes a relative decrease of the enemy's activity with increasing prey density. This decrease can be taken into account by a further element (Fig. 5), that reacts positively upon the prey population.Considering only numerial responses the enemy-prey system is composed of two integrating elements. Consequently both densities oscillate after every change of disturbance with amplitudes that increase because of the dead time in each element. The competition for prey among enemies is probably able to damp the oscillations in certain cases. On the other hand, the relative decrease of activity caused by the limited feeding capacity favours instability. If the system is not damped sufficiently by itself quenching is possible only by the proportional effects of additional regulators.By the cybernetical approach the complex system is divided into simple components. With that cybernetics provides a model of structure which, among others, facilitates insight into kind and degree of density dependence of different factors. When the effects of the single elements are characterized by mathematical functions a dynamic model will arise.On principle the cybernetical model can be extended by adding further components.

Die Totalreflexionsr��ntgenfluoreszenzanalyse (TXRF) ist ein leistungsf��higes Verfahren zur Detektion und Untersuchung von Kontamination auf Waferoberfl��chen. Die Anwendung und G��ltigkeit dieser Nachweismethode wird durch Absorptionseffekte limitiert. Durch die Erforschung von Picolitertechnologien ist es m��glich, die auftretende Absorption zu minimieren und den linearen Verlauf des TXRF Signals f��r h��here Massen zu erweitern. In der vorliegenden Arbeit wurde zun��chst der Waferanalysator TXRF 8300W in Betrieb genommen. Aufgrund einer Kontamination im Detektor wurde der urspr��ngliche eingebaute Siliziumdriftdetektor mit einem Si(Li)-Detektor getauscht. Dazu wurde eine spezielle Halterung konstruiert, um Positionierungsfehler auszugleichen und die manuelle F��llung des Dewars mit Stickstoff zu erm��glichen. Nachdem die genaue Ausrichtung der Messposition kontrolliert wurde, konnte ein leistungsf��higer Betrieb der Anlage gew��hrleistet werden. Bei der ersten Untersuchung wurden die Vorz��ge von Picoliterproben gegen��ber den in der Waferanalyse ��blichen ��l-Proben analysiert. Die Messungen zeigten, dass die Absorption f��r ��l-Proben bei geringeren Massen auftritt, was zu einer Limitierung der TXRF f��r diesen Probentyp f��hrte. Dagegen konnte f��r die Picoliterproben ein linearer Verlauf bis zur gr����ten Probenmasse gemessen werden. Dies rechtfertigte die Untersuchung und Anwendung von kleinen Probenvolumina in der TXRF. In einer weiteren Messserie wurden in Kooperation mit dem Los Alamos National Laboratory, USA, und der Universit��t Hamburg, Deutschland, drei unterschiedliche Picoliter Dropletanordnungen mit dem Waferanalysator untersucht. Schwerpunkt bei den Messungen lag auf der Erforschung von Abschattungseffekten, welche fundamental f��r die auftretende Absorption in der TXRF bei h��heren Massen sind. Die Proben hatten jeweils dieselbe Gesamtmasse und wurden durch eine unterschiedliche Anordnung der Droplets charakterisiert. Um die Resultate zu vergleichen, wurden die Geometrien auch mit einem Simulationsmodell berechnet. Es zeigte sich eine Linearit��t bis zur gr����ten Probenmasse, was auch das Ergebnis der Simulationen war. Dadurch konnte die Anwendung der drei Strukturen als m��gliche Referenzprobe in der TXRF best��tigt werden. Aufgrund der Orientierung des Siliziumeinkristalls mussten die Messungen allerdings unter einem Rotationswinkel von 37 �� durchgef��hrt werden, um den Hintergrund und die Totzeit des Detektors zu minimieren. Die Berechnungen unter einem anderen Rotationswinkel zeigten in der Labor-TXRF einen messbaren Abschattungseffekt. Au��erdem konnte bei einem flacheren Strahleinfall eine signifikante Abschattung f��r alle drei Geometrien simuliert werden. Dies ist relevant f��r Synchrotronmessungen, da hier mit sehr flachen Einfallswinkeln gemessen wird. Die Ergebnisse dieser Untersuchung wurden als Vortr��ge bei der European Conference on X-Ray Spectrometry in Bologna, Italien, im Juni 2014 und bei der Denver X-Ray Conference in Montana, USA, im August 2014 pr��sentiert., The Total Reflection X-Ray Fluorescence (TXRF) is a powerful tool when detecting and analyzing contaminants on wafer surfaces. The application and validation of this method is limited by absorption effects. Investigations of picoliter technologies indicate that it is possible to minimize this absorption and extend the linearity of the TXRF signal to higher sample masses. In this thesis the spectrometer TXRF 8300W was brought into operation for the first time. As a result of a nickel contamination in the first implemented silicon drift detector the detector had to be removed and replaced by a Si(Li)-Detector. To integrate the new detector a new detector device was constructed which was able to compensate positioning errors and enable the filling of the Dewar vessel with liquid nitrogen. After controlling the exact place of the measuring position the spectrometer could be brought into operation for analyzing real samples. The first study focused on the comparison of picoliter samples and ��l-samples, which are currently used in wafer surface analysis. It could be shown that the absorption starts at lower masses for ��l-samples which shortened the application of TXRF for those sample types. In contrast to this the picoliter samples showed a linear relation of the count rate over the total sample mass. According to the results of this study, the exploration and application of small sample volumes in TXRF analysis could be justified. In the next study three different picoliter droplet arrays were investigated with the wafer analyzer in cooperation with the Los Alamos University, USA, and the University of Hamburg, Germany. The investigations were focused on shading effects, which are significant for the absorption in TXRF analysis when analyzing higher sample masses. Each of the samples had the same total masses and was characterized by different droplet arrangements on the wafer surfaces. For a better understanding of the measurement results all three geometries were also calculated by a simulation model. It could be shown that all three arrays show a good TXRF linearity including the highest sample masses. This was also the result of the data evaluation using the simulation model. The application of the three picoliter structures as an appropriate reference sample for laboratory TXRF could be confirmed. As a result of the orientation of the silicon crystal the measurements had to be performed at an angle of 37 �� of wafer rotation to reduce the background and the dead time of the detector. The simulations of a 0�� rotation angle showed a significant shading effect for all three geometries. Furthermore a higher shading effect could be calculated for a very low beam angle, which is used at Synchrotron facilities. The results of this master thesis were presented as an oral talk on the European Conference on X-Ray Spectrometry in Bologna, Italy, in June 2014 and on the Denver X-Ray Conference in Montana, USA, in August 2014.

In this thesis, a specially-designed detector for use in a state-of-the-art reaction microscope was built and tested. It uses a con guration of a delay-line-anode combined with a Z-stack multichannel plate detector. This detector system will be used to analyze the momentum of all constituent particles in ion-atom-collisions. By irradiating an aperture with -particles, the detector's time and spatial resolution was determined to be approximately 140 ps and < 0; 69 mm, respectively. Due to systematic rst measurement errors, the spatial resolution should be improved by a factor of 3. On the other hand, the detector's dead time has a precision of about 6 ns.

Eine Vielzahl biologischer und technischer Anwendungen an Synchrotronstrahlungsquellen erfordert schnelle, bildgebende Röntgendetektoren, die sich durch eine gute Zeit- und Ortsauflösung bei gleichzeitig großer sensitiver Fläche auszeichnen. Aufgrund fehlender kommerziell erhältlicher Systeme für diesen Anwendungsbereich, werden in der vorliegenden Arbeit detaillierte Studien eines neuartigen, gasbasierten Einzelphotonzählers mit Gasverstärkung durch Mikrostrukturen vorgestellt. Diesbezüglich wird die Eignung von MicroCAT- und GEM-Strukturen, ihrer Kombination und Konstellationen von Zweifachund Dreifach-GEMs für den Einsatz in Hochgeschwindigkeitsmessungen, die im Allgemeinen hohe Photonenflüsse erfordern, diskutiert. Da die Hochratenverträglichkeit des Detektors im Wesentlichen durch Raumladungseffekte und durch Totzeit beschränkt ist, konzentrieren sich die Untersuchungen auf die Optimierung des Ladungstransfers und der Signallänge, aber auch auf das Gasverstärkungsverhalten bei unterschiedlichen Gasmischungen und -drücken. Die zweidimensionale Positionsbestimmung eines Ereignisses wird durch ein interpolierendes Auslesekonzept realisiert, das auf resistiver Ladungstrennung basiert und große sensitive Flächen bei gleichzeitig wenigen elektronischen Kanälen ermöglicht. Um von der asynchronen und parallelen Auslesefähigkeit zu profitieren, wird ein neues, speziell an das interpolierende Auslesekonzept angepasstes, elektronisches Datenverarbeitungs- und Auslesesystem entwickelt. Durch die lokal beschränkte Auslese der Orts- und Energieinformationen zeichnet sich dieses System durch eine hohe Ereignisausleserate bei geringer, lokal begrenzter Totzeit aus. Die erfolgreiche Optimierung des hier vorgestellten Detektorsystems für Hochgeschwindigkeitsmessungen führt zu einem flexibel einsetzbaren Werkzeug, das eine Zeitauflösung in der Größenordnung von 100 ns und eine lokale Ratenverträglichkeit von > 106 Photonen s−1 in punktförmigen Beugungsmaxima bietet. Die globale Ratenverträglichkeit, die direkt proportional zur sensitiven Fläche ist, beträgt mehr als 2 · 105 Photonen cm−2 s−1. Many biological and technical applications at synchrotron radiation facilities require fast X-ray imaging detectors with good temporal and spatial resolution and large sensitive area. Motivated by the absence of commercially available detectors for these purposes, this thesis describes detailed studies of a novel gaseous single photon counter with gas amplification by micro pattern devices. In this respect, the suitability of MicroCAT and GEM micro structures, their combination and constellations of double- and triple-GEM stages is investigated for utilisation in high speed measurements, which usually demand high photon fluxes. Since the high rate capability of the detector is mainly limited by space charge effects and by dead time, the studies are focussed on the optimisation of the charge transfer behaviour and the signal lengths but also on the gas gain performance in different gas mixtures and pressures. The truly two-dimensional determination of the event position is realised by an interpolating readout concept based on resistive charge division, providing a large sensitive area with only a few electronic channels at the same time. To fully exploit the asynchronous and parallel readout capability, a newly developed electronic preprocessing and readout system has specially been adapted to the interpolating readout concept, offering low dead times and a high readout speed owing to the use of a locally confined readout of the spatial and energy information. The optimisation of the detector system, presented here, with respect to high speed measurements successfully leads to a flexible tool providing a time resolution of the order of 100 ns and a rate capability > 106 photons s−1 in diffraction peaks. The total rate capability amounts to more than 2 · 105 photons cm−2 s−1 and is proportional to the sensitive area of the detector.

* Titel, Danksagung und Inhaltsverzeichnis * Einleitung * RoboCup als Benchmark * Lernen in der Robotik * Eingesetzte Roboterplattform * Lernen der Roboterdynamik * Gelernte Robotersimulation * Besser fahren lernen * Fehlertoleranz lernen * Lernen von Steuerungs-Parametern * Zusammenfassung * Literaturverzeichnis * Anlagen gemäß Promotionsordnung, Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Lernverfahren für autonome mobile Roboter. Es werden verschiedene Lernmethoden auf unterschiedlichen Komplexitäts- und Abstraktions-Ebenen des Roboters angewendet, um das Verhalten des Roboters zu verbessern und die Entwicklung des Gesamtsystems zu beschleunigen. Die vorgestellten Methoden reichen von der Regelung der Motoren des Roboters bis zu einer automatisch gelernten Simulation. Es werden Prozesse vorgestellt, die die Totzeit eines Systems durch Lernen kompensieren. Basierend auf gelernten Vorhersagemodellen werden Methoden entwickelt, die einen Roboter mit ausgefallenen Motoren steuern, die Fahrweise von Robotern auf unterschiedlichen Abstraktionsebenen optimiert, die Fahrdynamik ohne ein physikalisches Modell lernt und Steuerungsfehler beseitigt. Die beschriebenen Lernmethoden können schnell und einfach auf andere Roboter oder Maschinen übertragen werden. Die präsentierten Verfahren haben die gemeinsame Eigenschaft, dass sie die Entwicklung der Steuerung von Robotern vereinfachen und beschleunigen. Zeitaufwändige analytische Methoden zur Erstellung von Modellen für die Optimierung können entfallen, da die Algorithmen die Modelle lernen und die Parameter zur Steuerung optimieren., The dissertation describes learning algorithms for autonomous mobile robots. Different learning methods are applied to various levels of complexity and abstraction of the robot in order to enhance its behaviour and to accelerate the development of the whole system. The presented techniques vary from the on-board feedback control of the motors to an automatically learned simulation system. This thesis introduces approaches for compensating the dead-time of a system by observing and learning its behavour. Based on a learned prediction model, different methods are developed to * control a robot with a defect motor, * optimize the driving pattern of the robot on different levels of abstraction, * learn the driving dynamics without a physical model, and * eliminate control failures and errors. The specified learning methods can simply and safely be applied to other robots and plants. The presented techniques have the common property that they simplify and accelerate the development of robots. Time-consuming analytical processes for the design of physical models are thus omitted, because the algorithms learn and optimize the parameters and models of the robots automatically.

0 Titelblatt, Inhalt, Abbildungs- u. Tabellenverzeichnis 1 Einleitung 1 1.1 Das Prionprotein 1 1.2 Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie 12 1.3 Zielsetzung 31 2 Material und Methoden 35 2.1 Proteinsynthese und -reinigung 35 2.2 Darstellung von reinem SHaPrP90 232-Oligomer 43 2.3 FTIR-Spektroskopie 45 2.4 MALDI-TOF-Massenspektrometrie 56 2.5 Lichtstreuung 57 2.6 Elektronenmikroskopie 58 2.7 Rasterkraftmikroskopie 58 2.8 FRET-Spektroskopie 58 2.9 Rekonstituierte planare Membranen 59 2.10 Zellkulturexperimente 64 2.11 NMR-Spektroskopie 64 3 Ergebnisse 67 3.1 Charakterisierung der rekombinanten Prionproteine 67 3.2 Das kritische Oligomer des SHaPrP90 232 72 3.3 Weitere Umfaltungs- und Aggregationsbedingungen 90 3.4 Wechselwirkungen von SHaPrP90 232 mit Membranen 101 4 Diskussion 107 4.1 Überblick 107 4.2 Rekombinantes Prionprotein als Modell für die Faltung des PrPC 108 4.3 Stopped-Flow-FTIR-Spektroskopie 111 4.4 Das kritische Oligomer des SHaPrP90 232 115 4.5 Temperaturinduzierte Denaturierung/Aggregation 130 4.6 Wechselwirkung des SHaPrP90 232 mit Membranen 131 4.7 Ausblick 134 5 Zusammenfassung 139 6 Abstract 143 Literaturverzeichnis 147 Abkürzungen 159 Publikationen 163 Danksagung 165 Lebenslauf 167, Das Prionprotein repräsentiert der Nur-Protein-Hypothese folgend den alleinigen Erreger der sog. Prionkrankheiten, einer Gruppe von übertragbaren neurodegenerativen Erkrankungen beim Menschen und bei Tieren. Die krankheitsauslösende Eigenschaft erhält das Prionprotein durch Umwandlung seiner apathogenen zellulären Form PrPC in die pathogene Scrapie-Form PrPSc. Diese Umwandlung geht u. a. mit einer Änderung der vorwiegend durch α-Helices dominierten Sekundärstruktur in eine überwiegend von β-Faltblättern beherrschte Struktur (α->β-Umfaltung) sowie einer damit verbundenen Aggregation des Proteins einher. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden diese α->β-Umfaltung und diese Aggregation am Modell des rekombinanten Prionproteins des Hamsters SHaPrP90 232 mit mehreren unabhängigen Methoden unter verschiedenen Bedingungen untersucht. Der methodische Schwerpunkt lag dabei auf der zeitaufgelösten Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR- Spektroskopie). Die monomere α-helikale Isoform des SHaPrP90 232 konnte unter geeigneten Bedingungen in eine β-Faltblatt-reiche oligomere Isoform überführt werden. Die während der α->β-Umfaltung abnehmenden α-helikalen Anteile der Sekundärstruktur spiegelten sich in IR-Differenzbanden bei 1 653 cm 1 (Amid-I-Bereich) und 1 551 cm 1 (Amid-II-Bereich) wider, während die entstehenden β-Faltblatt-Strukturen Differenzbanden bei 1 691 und 1 621 cm 1 (Amid-I-Bereich) sowie bei 1 529 cm 1 (Amid-II-Bereich) hervorriefen. Die Lage der Amid-I-β-Faltblatt-Banden ist charakteristisch für intermolekulare und antiparallele β-Faltblatt-Strukturen mit starken Wasserstoffbrückenbindungen. Der Verlust an α-helikaler Sekundärstruktur und die Bildung von β-Faltblatt- Struktur fanden gleichzeitig statt, ohne dass eine ungefaltete intermediäre Isoform identifiziert werden konnte. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass innerhalb der experimentellen Totzeit von 250 ms kein β-Faltblatt gebildet wurde. Der parallel zur α->β-Umfaltung erfolgte Aggregationsprozess des SHaPrP90 232 wurde mittels Lichtstreuung zeitaufgelöst untersucht. Dabei zeigte sich, dass das monomere Protein über ein transient stabiles Oligomer das sog. kritische Oligomer zu Protofibrillen aggregierte. Die für die Bildung des kritischen Oligomers benötigte Zeit war ebenso wie dessen Größe von der Proteinkonzentration abhängig. Es wurde eine minimale Größe des kritischen Oligomers von 8 Monomereinheiten bestimmt. Mittels Elektronenmikroskopie und Rasterkraftmikroskopie wurde das kritische Oligomer morphologisch charakterisiert. Es konnten sowohl kompakte als auch ringförmige Oligomere mit einem Durchmesser von 10 15 nm identifiziert werden, deren Höhe rund einem Viertel ihrer lateralen Ausdehnung entsprach. Kritische Oligomere des SHaPrP90 232 wurden rein dargestellt und durch geeignete Pufferbedingungen stabilisiert; ihre Stabilität wurde mittels MALDI-TOF- Massenspektrometrie überprüft. Die Wechselwirkungen zwischen dem SHaPrP90 232 in seiner monomeren und seiner oligomeren Form mit Modellmembranen wurden mittels Fluoreszenz-Resonanz-Energietransfer-Spektroskopie und Experimenten an rekonstituierten planaren Membranen vergleichend untersucht. Es wurden deutliche Interaktionen beider SHaPrP90 232-Isoformen mit Membranen, die aus dem negativ geladenen Phosphatidylserin aufgebaut waren, beobachtet. Keine Interaktionen konnten hingegen mit Membranen, die aus dem neutralen Phosphatidylcholin aufgebaut waren, festgestellt werden. Das kritische Oligomer zeigte dabei in Abhängigkeit des pH-Werts im Vergleich zum Monomer ähnlich starke oder schwächere Wechselwirkungen mit den untersuchten Membranen. Weder das kritische Oligomer noch das monomere SHaPrP90 232 konnten Poren in den untersuchten Membranen bilden. Negativ geladene Membranen wurden jedoch durch beide Isoformen des Proteins signifikant destabilisiert. Um die Bildung der kritischen Oligomere von der Entstehung temperaturinduzierter Aggregate des SHaPrP90 232 abgrenzen zu können, wurde die thermische Denaturierung des Proteins FTIR-spektroskopisch untersucht. Die durch Inkubation oberhalb der Denaturierungstemperatur entstandenen β-Faltblatt- Strukturen riefen Absorptionsbanden hervor, die von denen der kritischen Oligomere klar unterschieden werden konnten. So zeigten die bei der thermischen Denaturierung beobachteten β-Faltblatt-spezifischen Amid-I-Differenzbanden bei 1 690 und 1 624 cm 1 zwar auch eine antiparallele, intermolekulare β-Faltblatt-Struktur an, doch waren deren Wasserstoffbrücken deutlich schwächer als die des β-Faltblatts in den kritischen Oligomeren. Um hochaufgelöste Informationen zur Struktur der kritischen Oligomere zu gewinnen, wurde vollständig mit dem Kohlenstoffisotop 13C und dem Stickstoffisotop 15N markiertes 13C-15N-SHaPrP90 232 hergestellt, zu Oligomeren umgesetzt und ersten NMR-spektroskopischen Experimenten unterzogen. In den NMR-Spektren der kritischen Oligomere konnten nach vorläufiger Auswertung hauptsächlich Signale von Aminosäuren aus dem flexiblen N-terminalen Bereich des Proteins detektiert werden. Demgegenüber konnten praktisch keine Signale von Aminosäuren aus strukturell geordneten Abschnitten beobachtet werden. Durch weitergehende Auswertung der bislang gewonnenen Daten sollten aber sequenzspezifische Strukturinformationen zugänglich sein, anhand deren sich in naher Zukunft durch Kombination mit den FTIR-Daten dieser Arbeit erstmals ein Strukturmodell für die kritischen Oligomere des Prionproteins entwickeln ließe., According to the protein-only hypothesis, the prion protein represents the sole infectious agent of so-called prion diseases, which are a group of transmissible neurodegenerative diseases in both humans and animals. The prion protein gains its disease-causing function by conversion of its apathogenic cellular form PrPC into the pathogenic scrapie form PrPSc. This conversion causes a change of the predominantly α-helical secondary structure into a structure dominated by β-sheets (α->β refolding) and thereby leads to an aggregation of the protein. Within the scope of the work at hand, this α->β refolding and aggregation were studied using several independent methods under a variety of conditions with recombinant Syrian hamster prion protein (SHaPrP90 232) as a model. Methodical emphasize was placed on time-resolved Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR spectroscopy). Under appropriate conditions, the monomeric α-helical isoform of SHaPrP90 232 was transformed into a β-sheet rich oligomeric isoform. The loss of α-helical parts of the secondary structure during α->β refolding was represented by IR difference bands at 1 653 cm 1 (amide I region) and 1 551 cm 1 (amide II region), whereas the formation of β-sheets was indicated by difference bands at 1 691 and 1 621 cm 1 (amide I region) and at 1 529 cm 1 (amide II region). The position of the amide I β-sheet difference band is characteristic for intermolecular and antiparallel β-sheet structures with strong hydrogen bonds. The loss of α-helical secondary structure and the formation of β-sheets occurred concomitantly; an unfolded intermediate state has not been observed. Furthermore, it could be shown that no β-sheet was formed within the experimental dead time of 250 ms. The aggregation process of SHaPrP90 232, which paralleled the α->β refolding, was investigated by time-resolved light scattering. Thereby, it was observed that monomeric protein aggregated to protofibrils via a transient stable oligomer: the so-called critical oligomer. Both the time required for formation of the critical oligomer and its size were dependent on protein concentration. The minimal size of the critical oligomer was assigned to 8 monomer units. By electron microscopy and atomic force microscopy the critical oligomer was morphologically characterised. Both compact and annular shaped oligomers were identified. Their diameter was 10 15 nm with their height being only a quarter of their width. Pure critical oligomers of SHaPrP90 232 were produced and stabilised by appropriate buffer conditions; their stability was checked by MALDI-TOF mass spectrometry. Interactions between SHaPrP90 232 in its monomeric and in its oligomeric form with model membranes were comparatively investigated by fluorescence resonance energy transfer spectroscopy and by experiments with reconstituted planar membranes. Significant interactions of both isoforms with membranes constituted of negatively charged phosphatidylserine could be observed. No interactions, however, were detected with membranes constituted of neutral phophatidylcholine. Compared to the monomer, the critical oligomer showed depending on pH equally strong or weaker interactions with the examined membranes. Neither the critical oligomer nor the monomeric SHaPrP90 232 were able to form pores within the examined membranes. However, negatively charged membranes were significantly destabilised by both isoforms of the protein. To distinguish between formation of critical oligomers and creation of temperature induced aggregates of SHaPrP90 232, thermal denaturation of the protein was investigated by FTIR spectroscopy. The β-sheet structures formed by incubation above the denaturation temperature evoked absorption bands that could be clearly distinguished from those of the critical oligomers: Although also the β-sheet specific amide I difference bands at 1 690 and at 1 624 cm 1, observed during thermal denaturation, were indicative for antiparallel intermolecular β-sheet structure, the hydrogen bonds of this structure were clearly weaker than those of the β-sheets of critical oligomers. To gain high resolution information on the structure of critical oligomers, 13C-15N- SHaPrP90 232 completely labelled with the carbon isotope 13C and the nitrogen isotope 15N was produced, transformed into critical oligomers and used for initial experiments by NMR spectroscopy. After primary evaluation of the data, mainly signals from the flexible N-terminal region of the protein could be observed in the NMR spectra of critical oligomers. Contrary, almost no signals from amino acids lying in structured parts of the protein could be observed. After further evaluation of the data, more sequence specific structural information should be available, on the basis of which it should soon be possible to develop in combination with the FTIR data of this work a structural model of the critical oligomers of the prion protein.

Die Quantifizierung bei nuklearmedizinischen Untersuchungen bedeutet die Ermittlung der Aktivitätskonzentration im Gewebe und gegebenenfalls in einem weiteren Schritt die Bestimmung parametrischer Größen zur physiologischen Quantifizierung. Unter der Voraussetzung der korrekten Funktion des Gerätes (Qualitätskontrolle, Normalisierung, Kalibrierung) ist für die Quantifizierung die Anwendung folgender Korrekturen notwendig: Totzeit-, Absorptions-, Streustrahlungs- und ggf. Recovery-Korrektur wie auch Korrektur von zufälligen Koinzidenzen. Aus messtechnischer Sicht basiert die Überlegenheit der PET gegenüber der SPECT auf den Vorteilen des Einsatzes des Koinzidenznachweises (elektronische Kollimierung) anstelle der mechanischen Kollimierung in entsprechend konstruierten ringförmigen Systemen, welche sich in überlegenen physikalischen Abbildungseigenschaften niederschlägt. Der primäre Vorteil der elektronischen Kollimierung ist eine bessere und mehr stationäre räumliche Auflösung, gepaart mit einer höheren Meßempfindlichkeit, welche zu statistisch aussagefähigerer Bildqualität führt, und die Möglichkeit einer geradlinigen, aber präzisen Form der Absorptionskorrektur auf der Basis gemessener Transmissionsdaten. Weitere Vorteile sind ein deutlich verringerter Streustrahlungsanteil, welcher in Verbindung mit den vorstehend genannten Eigenschaften zu kontrast- und detailreicheren Bildern führt, sowie eine deutliche Steigerung der Zählratenkapazität, die durch eine Steigerung der Anzahl der voneinander unabhängigen Zählkanäle bei Verwendung der üblichen Blockdetektoren erreicht wird und die es erlaubt, die gesteigerte Ausbeute ohne einen Zwang zur Aktivitätsreduktion in statistische Bildqualität umzusetzen. Die dargestellten Eigenschaften gestatten dann in Verbindung mit gut entwickelten Korrekturverfahren eine Kalibrierung des PET-Systems und damit die quantitative Analyse von in vivo gemessenen Aktivitätskonzentrationen. Berücksichtigt man die Problematik der Absorptions- und Streustrahlungskorrektur bei der SPECT, so ergibt sich als Folgerung, dass bei der Tomographie mit der Gammakamera eine Quantifizierung nicht möglich ist. Aufgrund der Entwicklungen auf dem Gebiet der Rekonstruktions- und Korrekturverfahren kann damit gerechnet werden, dass die Abbildungseigenschaften von SPECT-Systemen verbessert werden, so dass viele Limitationen der SPECT-Technik zumindest abgemildert werden dürften, die Leistung der PET-Geräte aus physikalischen Gründen jedoch nicht erreicht werden kann., Quantifying in nuclear medicine examinations is equivalent to the determination of local activity concentrations in human tissue and, if appropriate, in an additional step the determination of quantitative physiological parameters. Provided that the instrument is in proper working conditions (quality control, normalization, calibration) quantification requires the application of the following corrections for: dead time, attenuation, scatter and, if applicable, recovery as well as random coincidences. From the physical point of view the superiority of PET over SPECT is based on the advantages offered by coincidence detection (electronic collimation) as compared to mechanical collimation. For ring-type systems of the appropriate design these advantages result in superior imaging quality. The main advantage of the aforementioned electronic collimation is given by a better and more stationary spatial resolution, accompanied by a higher sensitivity resulting in an improved statistical image quality, and an attenuation correction method based on measured transmission data, which is straightforward and accurate. Further advantages are a markedly reduced scatter fraction, leading in combination with the aforementioned properties to images of high contrast and high detail, and a pronounced improvement in count rate performance, caused by an increased number of independent counting channels when using state-of-the-art block detectors. This higher count rate performance allows to transform increased sensitivity without being obliged to reduce administered activity into improved statistical image quality. In conjunction with well established correction methods the physical properties of PET described allow for a calibration of the system and, therefore, for a quantitative analysis of activity concentrations in vivo. Realizing the problems associated with attenuation and scatter correction in gamma camera based tomography leads to the conclusion that quantification in SPECT is not feasible. Taking into account further progress in reconstruction algorithms and correction methods, improvements in SPECT imaging quality may be anticipated thereby diminishing current limitations of the SPECT technique. Nevertheless, by physical arguments the performance of PET cannot be achieved.

Positron emission tomography uses photons to receive regional information about dynamic, physiologic, and biochemical processes in the living body. A positron decay is measured indirectly by the simultaneous registration of both gamma rays created by the annihilation. The event is counted, if two directly opposite located detectors register gamma rays in coincidence. Unfortunately the detectors of a positron emission tomography system do not register only true coincident events. There are also scattered and random coincidences. Different types of positron tomographs are presented and scintillation crystals, which are in use for positron emission tomography are discussed. The 2D- and 3D-acquisition methods are described as well as preprocessing methods, such as correction for attenuation, scatter and dead time. For quantification the relative parameter standard uptake value (SUV) is explained. Finally hybrid systems, such as combined positron emission tomography/computed tomography scanners and the use of computed tomography data for attenuation correction are introduced.

Depending on its hydraulic characteristics the control of run-of-river-hydro-schemes sets high standards to the operator of these systems. The main reasons are strong nonlinear properties of the fundamental hydrodynamic process with its large and variable dead time between a change of inflow into the system and a change of the controlled water level at the other end of the hydro scheme. If in addition the water level has to be kept within a tight tolerance band conventional governors regularly fail to guarantee a reliable operation within the set limits. Based on this experience operators frequently call for a model based control of theses hydro schemes similar to process control applications in the chemical and petrochemical industry, particularly because there is hardly any hardware difference between model based and conventional process control systems today. Model based governors promise to show a better control of nonlinear processes due to their built in process knowledge. They are not limited to a single design point like conventional PI-controllers but offer a wide process range. Unfortunately no methods have been published so far to develop model based controllers for the hydro business and to specify its abilities. In order to obtain results about the control quality of conventional and modern approaches this thesis analyzes a variety of both kinds of control methods in their general suitability as far as their weaks and strengths. In this context some new aspects arise even for the definition of regulation parameters and boundary conditions for the design of conventional governing concepts. For the reliable control of ambitious hydro schemes especially when combined with high demands in process quality only MPCs (Model Predictive Control) show to be sophisticated enough to deal with these conditions. Core element of a model-integrated regulation is an appropriate hydro-dynamic simulation model. Usually a one dimensional simulation should be sufficient. As suitable simulation methods for integration into a regulation concept characteristic procedures, finite difference methods and finite volume models are determined. This thesis continues with an evaluation of structure and variants of a MPC concept and defines boundary conditions to be considered. The theoretical approach is confirmed by the discussion of characteristic applications on the basis of hydrodynamic simulations. These simulations show in an impressing way the attainable efficiency and quality of a MPC concept, especially compared with conventional governing methods. MPCs have not been used for real hydro control yet. Therefore additional comments and relevant information are given for a practical implementation in future.

University of Hamburg, Diplomarbeit, 1992; (1992)., During the HERA test runs with colliding beams in October and November '91 the background for the HI-experiment has been investigated with a preliminary test setup of the vetowall. The time structure, rates and amplitudes of background events and the effect of the collimators at the proton ring were analysed. The HI-vetowall was installed together with the HI-detector in the beam position. It has been used to estimate the effect of collimators for synchrotron radiation and for studies of the background during loss of the proton beam. During the first period of data taking with HI in June '92 the background events in the HI- vetowall and the resulting dead time for HI were investigated, Published by DESY, Hamburg

It is reported on experimental investigations in the preservation of mini pig kidneys. At first the behaviour during the initial hypothermic gravitation perfusion is examined. From the relation of perfusate outflow to the perfusate inflow the perfusion quotient PQ is calculated. It is a measure for the volume storage developing during the perfusion (tissue oedema?) and significantly correlates with the warm dead time. The behaviour of the renal current resistance during the following machine permanent perfusion was examined with the help of KABI-albumin-solution and Collins-solution with 5% dextran M 40, and Collins-solution with 5% dextran M 75. Here was shown that the increase of the current resistance correlates with the preservation time depending on the PQ of the initial perfusion. The result is a typical behaviour for the individual solutions. We are of the opinion that the judgement of the behaviour of the kidneys during the machine perfusion must be seen in connection with the initial perfusion.

In strip preparations from the right ventricle of the guinea pig heart, potentiation phenomena due to varied pacing rate (frequency potentiation FP) or paired stimulation (paired pulse potentiation PPP) are studied with respect to contractile strength and dynamics. Heart rate or interstimulus interval of paired stimulation were modulated both stepwise and sinusoidally. Steady state characteristics of FP as well as PPP prove to be linear in a broad range. FP is enhanced by increasing rate, whereas PPP is diminished by increasing interval. Paired stimulation is always more effective than single stimulation at double rate. Effects upon action potential are negligible. The response of PPP to interval steps are first order transients, whereas rate steps produce on/off response of FP, opposite to step direction, with subsequent staircase. Frequency response characteristics of FP and PPP yield in first order transfer functions: for PPP with dead time, and for FP with negative derivative action. After substitution of Ca++ by Sr++ ions, the negative derivative term of FP disappears, whereas positive staircase remains. By means of a compartment hypothesis of electromechanical coupling in the mammalian myocardium the mode of action of the potentiation phenomena and their differences are interpreted, and the obtained dynamic parameters are attributed to presumably underlying Ca transport processes within the cell.