Qucosa – Hemholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
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Zeitaufgelöste PIV-Untersuchungen zur Strömungskontrolle mittels elektromagnetischer Kräfte in schwach leitfähigen Fluiden
Get PDFDie vorwiegend experimentelle Arbeit befasst sich mit der systematischen Untersuchung von Parametervariationen bei der aktiven Strömungskontrolle mit elektromagnetischen Kräften. An einer angestellten Platte und einem NACA0015-Profil wurde die saugseitige abgelöste Strömung durch das Einbringen einer periodischen wandparallelen Lorentzkraft an der Vorderkante beeinflusst und experimentell mittels zeitaufgelöster Particle Image Velocimetry (PIV) untersucht. Dabei wurde für verschiedene Anstellwinkel und Reynoldszahlen die Frequenz der Anregung, deren Impulseintrag und der zeitliche Kraftverlauf variiert.
Die zeitaufgelöste PIV-Technik erlaubt die zeitliche und räumliche Erfassung der für die Strömungsvorgänge essentiellen Wirbelstrukturen. Die zusätzliche Synchronisierung mit dem Kraftsignal der Anregung und der Auftriebs- sowie Widerstandsmessung zeigt die direkte Abhängigkeit der aerodynamischen Beiwerte von den in der Strömung generierten Wirbelstrukturen. Zusätzlich zur Phasenmittlung wurde für die Untersuchung der Vektorfelder nach Wirbelstrukturen ein Algorithmus entwickelt, welcher auf der kontinuierlichenWaveletanalyse beruht.
Durch eine Kalibrierung mit dem theoretischen Wirbelmodell eines Lamb-Oseen Wirbels können charakteristische Daten wie beispielsweise Position, Größe, Geschwindigkeit und Stärke der Wirbelstrukturen ermittelt werden. Die statistische Auswertung der Wirbelcharakteristik mittels des Waveletalgorithmus liefert einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der Wirkung der Anregung auf die Strömungsform und ermöglicht somit die Wirkung bei unterschiedlichen Parametern der Anregung direkt zu evaluieren. Als weitere Methode die Daten auf wesentliche Informationen zu untersuchen dient die Orthogonalmodenzerlegung. Angewandt auf die Wirbelstärke liefert sie enstrophieoptimale Moden der Strömung. Die enstrophiereichsten Moden zeigen dabei sehr deutlich Gebiete hohen Impulsaustausches. Die experimentell gewonnenen Orthogonalmoden können zur Aufstellung eines reduzierten Modellsystems der Umströmung genutzt werden. Die Strömungskontrolle durch Lorentzkräfte kann anhand eines solchen Modells mit mathematischen Methoden optimiert werden.
Die Messgenauigkeit kann für zeitaufgelöste Daten erhöht werden, indem lokal der Bildabstand für die PIV Auswertung variiert wird. In der Arbeit werden Beiträge dazu vorgestellt. Verschiedene Optimierungskriterien zeigen hier signifikante Verbesserungen anhand synthetischer Partikelbilder. Aufgrund des hohen Rechenaufwandes bei der Auswertung wurden diese Methoden für die Messungen jedoch nicht verwendet.
Grundlegende Unterschiede in der Wirkung der Anregung stellen sich in Abhängigkeit vom Anstellwinkel ein. Für kleine Anstellwinkel (hier alpha ≤ 16°;Re = 10^4 ...10^5) kann von Ablösekontrolle
gesprochen werden. Hier kann mit kleinen Impulskoeffizienten die Strömung komplett wieder angelegt werden, der Auftrieb steigt, der Widerstand sinkt. Im Bereich der Ablösekontrolle zeigt die Erhöhung des Impulskoeffizienten hinsichtlich des Auftriebes ein nichtmonotones Verhalten. Als optimal stellte sich c'my ≈ 0.2% heraus. Eine starke Frequenzabhängigkeit konnte nicht beobachtet werden. Günstige Wellenformen sind Rechteckpulse, die gegenüber allen anderen Wellenformen die besten Gleitzahlen lieferten.
Für hohe Anstellwinkel (hier alpha > 16°) kann mit kleinen Impulskoeffizienten die Strömung nicht mehr komplett angelegt werden. Hier kommt es zur dynamischen Auftriebssteigerung durchWirbelstrukturen. Dabei zeigte sich, dass eine im zeitlichen Mittel möglichst lange Stabilisierung eines geschlossenen Rezirkulationsgebietes über der zweiten Hälfte der Profiloberfläche günstig wirkt. Die Anregung mit einem Dreiecksignal zeigte hier für höhere Impulskoeffizienten günstigere Ergebnisse gegenüber der Anregung mit einem Sinus- bzw. Rechtecksignal.
Bei den Untersuchungen stellte sich weiterhin heraus, dass die optimale Frequenz der Anregung um den Auftrieb zu steigern vom Anstellwinkel des Profils abhängig ist. Sie fällt im untersuchten Parameterbereich mit der in der unbeeinflussten Strömung dominierenden Frequenz der Kraftbeiwerte zusammen und liegt im Bereich von F+ = 0.7...0.4 für alpha = 16°...30°. Für die Ablösekontrolle konnte der Auftriebsbeiwert um bis zu 80% für kleine Impulskoeffizienten gesteigert werden. Für hohe Anstellwinkel, also vollständig abgelöste Strömung entspricht die optimale dimensionslose Frequenz einer Strouhalzahl von St = 0:2. Hier scheint eine günstige Kopplung der saugseitigen forcierten Wirbelstrukturen mit dem Nachlauf ursächlich zu sein.
Die optimale Frequenz erlaubt außerdem die Interaktion und das Verschmelzen der Wirbelstrukuren innerhalb einer Periode der Anregung über der Saugseite. Die vollständige Ablösung kann hier um bis zu 8° herausgezögert werden.
Strömungsmechanische Untersuchungen experimenteller und numerischer Natur wurden für eine elektrochemische Zelle und den Fall der Elektrolyse an Millieelektroden unter dem Einfluss externer Magnetfelder durchgeführt. Die Übereinstimmung der gemessenen und berechneten Geschwindigkeitsfelder war dabei sehr gut. Entgegen der Annahme, dass im Falle homogener Magnetfelder keine Strömungen induziert werden, konnte nachgewiesen werden, dass durch die lokale Krümmung der elektrischen Feldlinien in Elektrodennähe starke Lorentzkräfte generiert werden. Dies führt zu sehr komplexen Primär-und Sekundärströmungen. Die gleichen Effekte bewirken ebenfalls in der Nähe von Millieelektroden starke orentzkräfte in homogenen magnetischen Feldern. Die experimentellen Beobachtungen an Millieelektroden von Leventis et. al (2005), welche zum Beweis der Konzentrationsgradientenkraft herangezogen wurden, konnten alle auf das Wirken lokaler Lorentzkräfte zurückgeführt werden. Der experimentelle Nachweis der Konzentrationsgradientenkraft steht damit weiterhin aus. Zur Messung der Konzentrationen in elektrochemischen Systemen wurde erstmals das Hintergrundschlierenverfahren angewendet. Dieses Verfahren erlaubt die Bestimmung der räumlichen Konzentrationsgradienten mit erheblich weniger messtechnischen Aufwand gegenüber spektroskopischen Methoden und der Schlierentechnik
Polyhedral Surface Approximation of Non-Convex Voxel Sets and Improvements to the Convex Hull Computing Method
Get PDFIn this paper we introduce an algorithm for the creation of polyhedral approximations for objects represented as strongly connected sets of voxels in three-dimensional binary images. The algorithm generates the convex hull of a given object and modifies the hull afterwards by recursive repetitions of generating convex hulls of subsets of the given voxel set or subsets of the background voxels. The result of this method is a polyhedron which separates object voxels from background voxels. The objects processed by this algorithm and also the background voxel components inside the convex hull of the objects are restricted to have genus 0. The second aim of this paper is to present some improvements to our convex hull algorithm to reduce computation time
Integration der Positronen-Emissions-Tomographie in die Strahlentherapie mit hochenergetischen Photonen
Get PDFStudy of high temperature and high density plasmoids in axially symmetrical magnetic fields
Get PDFWithin the framework of an Institutional Partnership of the Alexander von Humboldt Foundation, the Budker Institute of Nuclear Physics Novisibirsk (BINP) and Forschungszentrum Dresden-Rossendorf worked together in a joint project devoted to the research at the coupled GDT-SHIP facility of the BINP with the focus on the study of plasma phenomena within the SHIP mirror section. The project began at July 1st, 2005 and ended on August 30th, 2008. It included work packages of significant theoretical, computational and analyzing investigations. The focus of this final report is on the presentation of results achieved whereas the work that was done is described briefly only. Chapter 2 illustrates the GDT-SHIP facility and describes shortly the planned topics of the SHIP plasma research. Chapter 3 explains the main extensions and modifications of the Integrated Transport Code System (ITCS) which were necessary for the calculations of the fast ion and neutral gas particle fields in SHIP, describes briefly the scheme of computations and presents significant results of pre-calculations from which conclusions were drawn regarding the experimental program of SHIP. In chapter 4, the theoretical and computational investigations of self-organizing processes in two-component plasmas of the GDT-SHIP device are explained and the results hitherto achieved are presented. In chapter 5, significant results of several experiments with moderate and with enhanced plasma parameters are presented and compared with computational results obtained with the ITCS. Preparing neutron measurements which are planned for neutron producing experiments with deuterium injection, Monte Carlo neutron transport calculations with the MCNP code were also carried out. The results are presented. Finally, from the results obtained within the joint research project important conclusions are drawn in chapter 6
Silicon based microcavity enhanced light emitting diodes
Get PDFRealising Si-based electrically driven light emitters in a process technology compatible with mainstream microelectronics CMOS technology is key requirement for the implementation of low-cost Si-based optoelectronics and thus one of the big challenges of semiconductor technology. This work has focused on the development of microcavity enhanced silicon LEDs (MCLEDs), including their design, fabrication, and experimental as well as theoretical analysis. As a light emitting layer the abrupt pn-junction of a Si-diode was used, which was fabricated by ion implantation of boron into n-type silicon. Such forward biased pn-junctions exhibit room-temperature EL at a wavelength of 1138 nm with a reasonably high power efficiency of 0.1% [1]. Two MCLEDs emitting light at the resonant wavelength about 1150 nm were demonstrated: a) 1 MCLED with the resonator formed by 90 nm thin metallic CoSi2 mirror at the bottom and semitranparent distributed Bragg reflector (DBR) on the top; b) 5:5 MCLED with the resonator formed by high reflecting DBR at the bottom and semitransparent top DBR. Using the appoach of the 5:5 MCLED with two DBRs the extraction efficiency is enhanced by about 65% compared to the silicon bulk pn-junction diode.:List of Abbreviations and Symbols
1 Introduction and motivation
2 Theory
2.1 Electronic band structure of semiconductors
2.2 Light emitting diodes (LED)
2.2.1 History of LED
2.2.2 Mechanisms of light emission
2.2.3 Electrical properties of LED
2.2.4 LED e ciency
2.3 Si based light emitters
2.4 Microcavity enhanced light emitting pn-diode
2.4.1 Bragg reflectors
2.4.2 Fabry-Perot resonators
2.4.3 Optical mode density and emission enhancement in coplanar Fabry-Perot resonator
2.4.4 Design and optical properties of a Si microcavity LED
3 Preparation and characterisation methods
3.1 Preparation techniques
3.1.1 Thermal oxidation of silicon
3.1.2 Photolithography
3.1.3 Wet chemical cleaning and etching
3.1.4 Ion implantation
3.1.5 Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (PECVD) of silicon nitride
3.1.6 Magnetron sputter deposition
3.2 Characterization techniques
3.2.1 Variable Angle Spectroscopic Ellipsometry (VASE)
3.2.2 Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR)
3.2.3 Microscopy
3.2.4 Electroluminescence and photoluminescence measurements
4 Experiments, results and discussion
4.1 Used substrates
4.1.1 Silicon substrates
4.1.2 Silicon-On-Insulator (SOI) substrates
4.2 Fabrication and characterization of distributed Bragg reflectors
4.2.1 Deposition and characterization of SiO2
4.2.2 Deposition of Si
4.2.3 Distributed Bragg Reflectors (DBR)
4.2.4 Conclusions
4.3 Design of Si pn-junction LED
4.4 Resonant microcavity LED with CoSi2 bottom mirror
4.4.1 Device preparation
4.4.2 Electrical Si diode characteristics
4.4.3 EL spectra
4.4.4 Conclusions
4.5 Si based microcavity LED with two DBRs
4.5.1 Test device
4.5.2 Device fabrication
4.5.3 LED on SOI versus MCLED
4.5.4 Conclusions
5 Summary and outlook
5.1 Summary
5.2 Outlook
A Appendix
A.1 The parametrization of optical constants
A.1.1 Kramers-Kronig relations
A.1.2 Forouhi-Bloomer dispersion formula
A.1.3 Tauc-Lorentz dispersion formula
A.1.4 Sellmeier dispersion formula
A.2 Wafer holder
List of publications
Acknowledgements
Declaration / Versicherun
CFD Modellierung einer partikelbelasteten Kühlmittelströmung im Sumpf und in der Kondensationskammer
Get PDFDer Bericht beschreibt die Arbeiten zur CFD-Modellentwicklung zur Beschreibung des Fasertransportes in einer Wasserströmung, die im Unterauftrag der Hochschule Zittau/Görlitz erfolgten. Während die experimentellen Arbeiten zu dieser Thematik in Zittau durchgeführt wurden, lag der Schwerpunkt der theoretischen Arbeiten in Rossendorf. Im Arbeitspunkt EZ 1 des Projektantrages ist die Erweiterung der Einzeleffektuntersuchungen vorgesehen. Die entsprechenden Modellansätze zum Partikeltransport sind im Kapitel 3.1. beschrieben. Die Modellanpassung und Validierung ist in 3.2 und 3.3 dargestellt. Der Fasertransport in einer Wasserströmung wird durch Jet-Phänomene bestimmt. Untersuchungen dazu sind im EZ3.1 des Projektantrages: 3D-Phänomene infolge Blasenmitriss vorgesehen und die Modellansätze und der Vergleich zu Experimenten in den Kapiteln 4.1 bis 4.3 dargestellt. Des Weiteren wird der Einfluss auf den Ausgleich der Temperatur für den Fall untersucht, dass der Jet kälter als die Wasservorlage im Tank ist. Dieser Abschnitt entspricht damit der EZ3.2 des Antrages: 3D-Phänomene infolge Temperaturdifferenzen. Im Kapitel 4.4 wird auf die Strömungsvorgänge in der Zittauer Strömungswanne eingegangen und damit der Punkt EZ4 des Antrages: Integraluntersuchungen bearbeitet. Kapitel 5 beschreibt die Entwicklung eines Sieb-Modells, das die Faser-Kompaktierung berücksichtigt und auf der Darcy-Gleichung basiert. Die Modellparameter werden an Experimenten in Zittau justiert. Diese Experimente wurden für verschiedene Materialien durchgeführt und mit deren Hilfe ein Koeffizientenkatalog erstellt. Das Modell wurde in den CFD-Code CFX implementiert und anhand einiger Anwendungsbeispiele demonstriert
Wechselwirkung langsamer hochgeladener Ionen mit der Oberfläche von Ionenkristallen
Get PDFIn dieser Arbeit wird die Erzeugung permanenter Nanostrukturen durch den Beschuss mit langsamen (v < 5x105m/s) hochgeladenen (q < 40) Ionen auf den Oberflächen der Ionenkristalle CaF2 sowie KBr untersucht. Die systematische Analyse der Probenoberfläche mittels Raster-Kraft-Mikroskopie liefert detaillierte Informationen über den Einfluss von potentieller und kinetischer Projektilenergie auf den Prozess der Strukturerzeugung. Der individuelle Einfall hochgeladener Ionen auf der KBr(001)-Oberfläche kann die Erzeugung monoatomar tiefer, lochartiger Strukturen -Nanopits- mit einer lateralen Ausdehnung von wenigen 10nm initiieren. Das Volumen dieser Löcher und damit die Anzahl gesputterter Sekundärteilchen zeigt eine lineare Abhängigkeit von der potentiellen Energie der Projektile. Für das Einsetzen der Locherzeugung konnte ein von der Projektilgeschwindigkeit abhängiger Grenzwert der potentiellen Energie E_grenz^pot (Ekin) gefunden werden. Auf der Basis der defekt-induzierten Desorption durch Elektronen wurde unter Einbeziehung von Effekten der Defektagglomeration ein konsistentes mikroskopisches Modell für den Prozess der Locherzeugung konzipiert. Für die CaF2(111)-Oberfläche kann die aus jüngsten Studien bekannte, individuelle Erzeugung hügelartiger Nanostrukturen -Nanohillocks- durch hochgeladene Ionen in dieser Arbeit auch für kleinste kinetische Energien (E_kin < 150eVxq) verifiziert werden. Die potentielle Energie der einfallenden Ionen wird damit erstmalig zweifelsfrei als alleinige Ursache der Nanostrukturerzeugung identifiziert. Zudem zeigt sich bei geringer Projektilgeschwindigkeit eine Verschiebung der potentiellen Grenzenergie zur Hillock-Erzeugung. Im Rahmen einer Kooperation an der Technischen Universität Wien durchgeführte Simulationsrechnungen auf der Grundlage des inelastischen thermal spike-Modells zeigen, dass die individuelle Hillock-Erzeugung durch hochgeladene Ionen mit einer lokalen Schmelze des Ionenkristalls verknüpft werden kann. Dem essentiellen Einfluss der Elektronenemission während der Wechselwirkung des hochgeladenen Ions mit der Oberfläche auf den Prozess der Nanostrukturerzeugung wird in komplementären Untersuchungen zur Sekundärelektronenstatistik Rechnung getragen. Erstmalig werden dabei Gesamtelektronenausbeuten für Isolatoroberflächen bei kleinsten Projektilgeschwindigkeiten (v < 1x10^5 m/s) bestimmt. Für Geschwindigkeiten v < 5x10^4 m/s findet sich für die Isolatoroberfläche in starkem Kontrast zu Metallen ein signifikanter Abfall der Elektronenausbeute mit sinkender kinetischer Energie. Mögliche Ursachen dieses Effektes werden auf der Grundlage unterschiedlicher Modelle diskutiert
Messung des Wirkungsquerschnitts astrophysikalisch relevanter Kernreaktionen
Get PDFDie 14^N(p,gamma)^15O-Reaktion ist die langsamste im Bethe-Weizsäcker-Zyklus des Wasserstoffbrennens und bestimmt dessen Rate. Der Wirkungsquerschnitt dieser Reaktion wurde in der Vergangenheit über einen weiten Energiebereich gemessen. Erneute, genauere Messungen im niederenergetischen Bereich hatten gezeigt, dass der Wirkungsquerschnitt um einen Faktor zwei niedriger ist als erwartet. Im Rahmen dieser Arbeit soll überprüft werden, ob sich das auch für höhere Energien bestätigt.
Hierzu wurden Messungen am Protonenstrahl des 3 MV Tendetron-Beschleunigers, Forschungszentrum Dresden-Rossendorf, durchgeführt. Zunächst wird eine experimentelle Kalibrierung der gamma-Nachweiswahrscheinlichkeit dreier comptonunterdrückter Reinstgermanium-Detektoren im energiebereich von 0,7 bis 12 MeV durchgeführt. Das Ergebnis wird mit der bisher simulierten Effizienzkurve verglichen. Dann wird im Energiebereich von 0,5 bis 1,5 MeV der Wirkungsquerschnitt für 14^N(p,gamma)^15O*(6.7929), das heißt für den Einfang in den vierten angeregten von 15^O bei 6.792 keV, bestimmt. Der Einfang in diesen Zustand trägt mehr als die Hälfte zum extrapolierten Wirkungsquerschnitt bei Energien wie im Inneren der Sonne bei