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Fünf Aufsätze über Anreizverträge
No full textThis thesis comprises five studies analyzing incentive contracts in complex production situations in which performance and payment play a seminal role. The first chapter analyzes which distribution norms are relevant in complex team production situations using a laboratory experiment. Chapter two and three investigate the effects of various monetary performance incentives physicians, whose performance is difficult to measure in the field, on their provision behavior using a laboratory experiment. The fourth chapter analyzes the impact of non-monetary performance incentives for physicians on the quality of care by also utilizing a laboratory experiment. The last chapter represents a theoretical model incorporating both financial and non-financial performance incentives for physicians, and explores whether the latter can reduce costs and increase quality in the health care market.Diese Doktorarbeit umfasst fünf Studien, die Anreizverträge in komplexen Produktionssituationen analysieren, in denen Performanz und Entlohnung eine wichtige Rolle spielen. Das erste Kapitel analysiert anhand eines Laborexperiments welche Aufteilungsnormen in komplexen Team-Produktionssituationen relevant sind. Kapitel zwei und drei untersuchen die Effekte von unterschiedlichen monetären Performanz-Anreizen für Ärzte, deren Performanz im Feld schwierig zu messen ist, auf ihr Leistungserbringungsverhalten in einem Laborexperiment. Das vierte Kapitel analysiert den Einfluss von nicht-monetären Performanz-Anreizen für Ärzte auf die Behandlungsqualität ebenfalls anhand eines Laborexperiments. Das letzte Kapitel stellt ein theoretisches Modell dar, das finanzielle und nicht-finanzielle Performanz-Anreize für Ärzte beinhaltet und untersucht, ob letztere im Gesundheitswesen Kosten senken und Qualität verbessern können
Gender differences in mathematical abilities and academic self-concepts with children in kindergarten and at the beginning of elemtary school
No full textBei Betrachtung der aktuellen Forschungslage bezüglich Geschlechtsunterschieden in mathematischen Fähigkeiten bei Kindern im Vor- und frühen Grundschulalter ergeben sich Forschungsdesiderata insofern, dass vor allem für den deutschsprachigen Raum kaum Untersuchungen zu Unterschieden zwischen Mädchen und Jungen in diesem frühen Altersbereich vorhanden sind bzw. die Ergebnisse inkonsistent ausfallen. Ähnlich verhält es sich mit Studien zum akademischen Selbstkonzept. Somit werden in der Dissertation drei Studien vorgestellt, die die angesprochenen Themen genauer betrachten.
Die erste Studie befasst sich mit Geschlechtsunterschieden in mathematischen Fähigkeiten von Vor- und Grundschülern. Es zeigte sich, dass Jungen ab der zweiten Klasse bessere mathematische Fähigkeiten aufweisen, allerdings nur wenn die verbalen Fähigkeiten berücksichtigt werden. Als mögliche Erklärung für die frühen Leistungsunterschiede könnten Unterschiede in den akademischen Selbstkonzepten herangezogen werden, da die Zusammenhänge zwischen den Einstellungen bezüglich der eigenen Fähigkeiten und entsprechender Leistungen bereits nachgewiesen wurden.
Aufgrund der eingeschränkten Möglichkeiten zur Erfassung des akademischen Selbstkonzepts von Kindern zu Beginn der Grundschulzeit wird in der zweiten Studie ein neues Verfahren vorgestellt, mit dem die fachspezifischen Selbstkonzepte valider erfasst werden können als mit den zumeist angewendeten Fragebogenmethoden. Die Ergebnisse der Untersuchung bestätigten die Überlegenheit des neuen Verfahrens, da die Korrelationen mit Leistungswerten (Lehrereinschätzung und Testverfahren) für den adaptiven Mitschülervergleich höher ausfielen als für die üblicherweise genutzten Fragebogenitems. Die konvergente Validität kann somit für den Mitschülervergleich als neues Verfahren im Gegensatz zu den Fragebogenitems als gesichert angesehen werden.
In der dritten Studie wurden der adaptive Mitschülervergleich und zusätzlich auch die Fragebogenitems eingesetzt, um Geschlechtsunterschiede zwischen verschiedenen fachspezifischen Selbstkonzepten zu Beginn der Grundschule zu untersuchen. Es zeigten sich keine Selbstkonzeptunterschiede zwischen Mädchen und Jungen bei Erfassung der Selbstkonzeptfacetten mittels Mitschülervergleich. Bei Verwendung der Fragebogenitems konnten für die Bereiche Lesen und Schreiben auch keine Geschlechtsunterschiede gefunden werden. Allerdings erreichten Mädchen beim Fragebogenverfahren höhere Werte beim mathematischen Selbstkonzept als Jungen. Zusätzlich wurden weitere Variablen wie z.B. Lehrereinschätzungen und Testleistungen zur Erklärung dieses Effekts betrachtet.
Zusammenfassend konnten insgesamt neue bzw. aktuelle Erkenntnisse bezüglich der Geschlechtsunterschiede in mathematischen Fähigkeiten und akademischen Selbstkonzepten bei jungen Kindern für den deutschsprachigen Raum gewonnen werden.When looking at the current research concerning the gender gap in mathematical abilities with children in kindergarten and elementary school, a lack of studies is obvious. Especially in German-speaking countries there are few studies about gender differences with young children and results are inconsistent. It is the same problem with research about the academic self-concept.
Thus, in this doctoral dissertation three studies about the correspondent topics are presented. The first study addresses gender differences in mathematical abilities of kindergarten and elementary school children. Results show that boys perform better than girls in 2nd grade, but only if verbal abilities are integrated into the analyses. A possible reason for that finding could be found in differences of academic self-concept, because correlations of attitudes towards one´s abilities and the appropriate achievement have been demonstrated in many studies.
Possibilities for measuring young children´s academic self-concept are limited. Thus, in the second study a new method is introduced, so that academic self-concepts can be measured in a more valid way than with usual paper-pencil questionnaires. Results approve the advantage of the new method because analyses show high correlations with achievement values (teacher ratings and mathematical test), but not for the usual items of questionnaires. Therefore, convergent validity seems to be assured for the new and adaptive classmate comparison method.
In the third study again the classmate comparison method and the usual questionnaire items were used to investigate gender differences in subject-specific self-concepts at the beginning of elementary school. No differences between girls and boys can be found when using the classmate comparison method. It is the same for the reading and writing self-concepts when using the questionnaire items. But girls rated their mathematical self-concept higher than boys when asking with the questionnaire item. Additional variables like teacher ratings and a mathematical test were measured to find an explanation for this effect.
Summing up, new and updated results concerning gender differences in mathematical abilities and academic self-concept with young children especially in Germany could be produced
NAT Traversal und verlässliche Datenverteilung in geschichteten Peer-to-Peer Systemen
No full textPeer-to-Peer basierte Systeme haben in den letzten Jahren insbesondere im Bereich des Dateiaustasuches zunehmend an Verbreitung gewonnen. Peer-to-Peer Systeme sind dezentrale Netzwerke, in denen jeder Teilnehmer bzw. jeder Peer gleichberechtigt ist. Jeder Peer kann Dienste in Anspruch nehmen und stellt gelichzeitig anderen Teilnehmern Dienste zur Verfügung. Im Rahmen des Peers@play Projektes wird untersucht, ob auch komplexere Anwendungen, wie beispielsweise virtuelle Welten, auf Basis von Peer-to-Peer Systemen entwickelt werden können. In dieser Arbeit werden verschiedene Ansätze vorgestellt, die für die Entwicklung einer Peer-to-Peer-basierten virtuellen Welt verwendet werden können. Die vorliegende Arbeit betrachtet hierbei drei Aspekte aus unterschiedlichen Forschungsgebieten. Der erste Aspekt, der im Rahmen dieser Arbeit betrachtet wird, betrifft die Kommunikation zwischen Peers. Diese Kommunikation wird durch die Verbreitung von Network Address Translation (NAT) Routern erschwert. NAT Router reduzieren die Konnektivität der Rechner, die sich hinter den NAT Routern befinden. Die Herausforderung besteht darin, den Nachrichtenaustausch zwischen Peers, die sich hinter NAT Routern befinden, zu gewährleisten. Verfahren, die dies ermöglichen, werden als NAT Traversal Verfahren bezeichnet. In dieser Arbeit wird ein neues NAT Traversal Verfahren für das Transportprotokoll TCP vorgestellt. Da die Erfolgswahrscheinlichkeit eines NAT Traversal Verfahrens stark von den verwendeten NAT Routern abhängig ist, wird in dieser Arbeit zusätzlich ein Protokoll vorgestellt, das es ermöglicht das NAT Traversal Verfahren auszuwählen, das in einer bestimmten Situation die höchste Erfolgswahrscheinlichkeit bietet. Eine weitere Herausforderung betrifft die Umsetzung und konkrete Entwicklung einer Peer-to-Peer-basierten Anwendung. Hier existiert oft eine Vielzahl unterschiedlicher Ansätze für unterschiedliche Problemstellungen. Dabei ist es nicht immer im Vorfeld ersichtlich, welche Kombination von diesen Ansätzen die Beste in Bezug auf Performanz oder Stabilität ist. Um dies zu evaluieren, werden häufig Ansätze zuerst für existierende Simulationsumgebungen implementiert und anschließend für die eigentliche Anwendung. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird eine geschichtete Softwarearchitektur vorgestellt, die eine Peer-to-Peer-basierte Anwendung in Schichten und Komponenten unterteilt. Hierdurch können verschiedene Ansätze einfach ausgetauscht werden. Zusätzlich ermöglicht es die Architektur denselben Quelltext für die eigentliche Anwendung als auch für Simulationen zu verwenden. Der dritte Aspekt dieser Arbeit betrifft die Datenspeicherung. In einem Server-basierten System wird der Zustand einer virtuellen Welt auf einem zentralen Server gespeichert. In einem Peer-to-Peer System hingegen muss der Zustand der virtuellen Welt auf den Peers des Peer-to-Peer Netzwerks gespeichert werden. Hierbei müssen eine Reihe von Anforderungen bezüglich der Verlässlichkeit und Sicherheit der gespeicherten Daten erfüllt werden. Zusätzlich müssen Daten effizient abgefragt werden können. Daher werden im letzten Teil dieser Arbeit ein Peer-to-Peer Netzwerk sowie ein Replikationsverfahren vorgestellt, die die Grundlage für einen sicheren und verlässlichen Peer-to-Peer-basierten Datenspeicher bilden
Towards the ‘Greater West’ or a ‘Post-Western World’? International Institutions, Integration and Confrontation in India’s and Brazil’s foreign policy strategy
No full textNach Jahrzehnten der Bipolarität während des Kalten Krieges befindet sich das internationale System im Umbruch. Nach ein bis zwei „uni-multipolaren“ Jahrzehnten stehen wir am Beginn eines multipolaren einundzwanzigsten Jahrhunderts. Der Großteil der Studien zum diesem Thema konzentriert sich dabei auf die Großmächte, die die internationale Politik dominieren. China und die Europäische Union werden in der Regel als die wichtigsten Akteure neben den Vereinigten Staaten angesehen.
Dagegen argumentieren Khanna und Kennedy, dass nicht nur diese drei Akteure die Struktur des globalen Systems bestimmen, sondern die sogenannte “Zweite Welt”, die aus aufsteigenden, jedoch noch nicht etablierten Mächten wie zum Beispiel Brasilien und Indien besteht. In diesem Zusammenhang prognostizieren Fareed Zakaria und Kishore Mahbubani die ‘Post-Amerikanische Welt’ und den ‘Aufstieg der Anderen’, und Ciorciari vertritt die These, dass die Entscheidungen aufsteigender und nicht etablierter Mächte wie Brasilien und Indien systemverändernde Konsequenzen haben können.
Werden sich Brasilien und Indien mit dem Westen verbünden und sich in das westliche System integrieren? Oder werden sie eine unabhängige Strategie verfolgen und den Westen damit konfrontieren? Wie verhalten sich die Staaten in der Peripherie der internationalen Institutionen und der globalen Machtverteilung; Staaten, die ihre Position im Prozess der Internationalisierung von Autorität stärken wollen? Die Diskussion darüber, wie ‘der Rest’ aufsteigen wird, ist von Vertretern des Realismus und des Liberalismus dominiert. Sie sind uneins darüber, was in einer multipolaren Welt geschehen wird. Liberale erwarten Integration, Realisten halten Konfrontation für wahrscheinlicher.
Jedoch zeigt eine erste Analyse, dass Indiens und Brasiliens Verhalten weder vollends den Erwartungen der Realisten, noch denen der Liberalen entspricht. Auf der einen Seite legen beide Länder integratives Verhalten an den Tag. Zum Beispiel haben sich beide Staaten zu IWF-Geberländern gewandelt, und die jeweiligen Regierungen haben großen internen Widerstand überwunden, der oft anti-westliche Untertöne trug. Auf der anderen Seite machen beide Länder nicht den Eindruck, als würden sie sich problemlos in alle Institutionen integrieren. Zum Beispiel war Indien die einzige liberale Demokratie, die sich während des Kalten Krieges klar vom Westen distanziert hat und mitunter eine Gegenposition einnahm. Indien lehnt den Nichtverbreitungsvertrag ab und Brasilien weigert sich, zusätzliche und verschärfte Inspektionsbestimmungen zu unterstützen, die das nukleare Nichtverbreitungsregelwerk stärken würden. Daneben sind Brasilien und Indien die Staaten, die am häufigsten bei der Welthandelsorganisation Klage einreichen. Nayar und Paul heben hervor, dass Indien “auf fundamentaler Ebene nicht mit der internationalen Ordnung übereinstimmt, die von den status quo Mächten gefördert und gestärkt wird.” Andrew Hurrell stellt fest, dass Brasilien das internationale System historisch stets als negativ und ungerecht empfunden hat.
Die beiden Haupttheorien der Internationalen Beziehungen können dieses Dilemma nicht hinreichend erklären. Die Debatte kann nicht zu tragfähigen Ergebnissen führen, weil die Termini nicht definiert sind, und weil es schwierig ist, die aufsteigenden Mächte auf sinnvolle Art und Weise zu kategorisieren. Wir müssen daher ein größeres Verständnis des internationale Systems entwickeln, eine aussagekräftige Kategorie für die zu untersuchenden Akteure schaffen und aufzeigen, welche Optionen die genannten Akteure haben. Nur dann können wir erklären, inwieweit aufsteigende Mächte, die sich an der ‚Peripherie’ der heutigen internationalen Ordnung befinden, dem Westen annähern, oder sich von ihm distanzieren werden.
Meine Arbeit ist daher wie folgt strukturiert. Zuerst analysiere ich das Konzept des Westens und beschreibe, wie wir den Westen historisch definieren (1.1.). Ich zeige auf, dass traditionelle Definitionen des Wesens des Westens nicht ausreichend sind und einer genauen analytischen Untersuchung nicht standhalten. Zum Beispiel mag die Idee der Menschenrechte oder der Gewaltenteilung in der intellektuellen Geschichte der westlichen Welt eine wichtige Rolle gespielt haben. Die universelle Anwendung oder Missachtung dieser Grundsätze unterscheidet sich im Westen allerdings nicht eindeutig von denen in nicht westlichen Regionen.
Anstelle einer exakten Definition ist es sinnvoller, die praktischen Konsequenzen des Westens zu verstehen und zu erkennen, wie Akteure das Konzept verstehen und umsetzen, indem wir ihr Verhalten gegenüber den internationalen Institutionen untersuchen (1.2.). Aufgrund der tragenden Rolle, die die westlichen Staaten bei der Entstehung der heutigen Weltordnung gespielt haben, können wir das heutige System als ‚westliche Weltordnung‘ bezeichnen. Dieses Konzept ist post-ideologisch und geht über kulturelle, zivilisatorische und historische Aspekte hinaus. Das entscheidende Merkmal sind vielmehr die Prozesse, die dieser Weltordnung zugrunde liegen, unter anderem Repräsentation, Regeln, Mitgliedschaft, intra-instituionalle Mobilität, Fairness, Reziprozität, Demokratie, ökonomische Interdependenz und der konstitutionelle Charakter. Ich definiere Länder, die nur teilweise in die westliche Weltordnung integriert sind, als „Randnationen“ (fringe nations), eine Kategorie der Brasilien und Indien angehören (1.3.).
Zweitens analysiere ich den theoretischen Hintergrund der Frage, wie sich demokratische Akteure aus Sicht des Liberalismus gegenüber internationalen Institutionen verhalten und wie der Liberalismus das internationale System in seiner Gesamtheit interpretiert. Hier zeige ich, wieso die Vertreter der liberalen Theorie erwarten, dass sich die „Randnationen“ in die westliche Weltordnung integrieren werden (1.4.).
Drittens entwickele ich spezifische Kategorien, die uns erlauben, die Optionen aufsteigender Mächte besser zu verstehen und zu interpretieren. Diese Kategorien sind „bedingungslose Integration“, „revisionistische Integration“, „Bündnisstrategie“, „themenbezogene Konfrontation“ und „systemische Konfrontation“. Ich verwende diese Kategorien als Denkmuster für meine Recherche (1.5.).
Viertens gebe ich einen Überblick über Brasiliens und Indiens Verhalten gegenüber einer Reihe von Institutionen, der uns erlaubt zu prüfen, ob der Liberalismus die Haltung der beiden Staaten erklären kann (2.1. und 2.2.). Für die Fälle, in denen der Liberalismus bestimmte Verhaltensmuster nicht erklären kann, entwickele ich mit der Hilfe des Konstruktivismus eine weitere Hypothese, um alternative Erklärungsansätze zu finden.
Fünftens analysiere ich drei Fallstudien, um meine Hypothese zu prüfen und Abweichungen zu erklären (3). Die Fallstudien (UN Sicherheitsrat, Bretton Woods Institutionen und der Nichtverbreitungsvertrag) wurden gewählt, da sie zu den strategisch wichtigsten Institutionen zählen. Hinzu kommt, dass sich Brasiliens und Indiens Verhalten in Bezug auf diese Institutionen uneinheitlich darstellt, und eine profundere Analyse daher angebracht ist. Dies gilt insbesondere im Falle des Nichtverbreitungsvertrages, da beide Staaten eine aggressivere und konfrontativere Strategie an den Tag legen, die einer Erklärung bedarf.
Der Fokus der Dissertation liegt somit auf den außenpolitischen Strategien der aufsteigenden Mächte. Es geht bei der Arbeit aber auch um die Frage der Beständigkeit der Institutionen. Entgegen der Erwartungen der Vertreter der realistischen Perspektive, die besagt, dass Brasilien und Indien revisionistische Akteure sind und das System grundlegend verändern wollen , ist meine These, dass die Kantsche liberale Theorie und der liberale Institutionalismus das Verhalten der aufsteigenden Mächte hinreichend erklären kann. Beide Theorien führen zu dem Schluss, dass sich aufsteigende Demokratien in die westliche Weltordnung integrieren werden, und dass die Nutzen für alle Beteiligten zu hoch sind, als dass sie gegen die bestehende Ordnung vorgehen würden.
Diese These trifft allein dann nicht zu, wenn die aufsteigenden Staaten die Struktur einer bestimmte Institution als extrem ungerecht empfinden, wenn keine ‚intra-institutionelle Mobilität’ besteht, und wenn diese Situation als nicht lösbar interpretiert wird. Das ist dann der Fall, wenn aufsteigende Mächte die Struktur als inhärent ungerecht empfinden und keine Möglichkeit sehen, innerhalb der Institution gleichwertigen oder privilegierten Status zu erhalten. Dieses Argument beinhaltet konstruktivistische Argumente, da Aspekte wie Status und Identität eine wichtige Rolle spielen. Aufsteigende und institutionell nicht etablierte Mächte werden sich daher integrieren und einen ‚Greater West’ bilden, im Gegensatz zu einer ‚Post-Western World’ mit konkurrierenden Systemen. Im Widerspruch zur Ansicht der Vertreter der realistischen Theorie verändern sich Institutionen nicht grundlegend, wenn sich die Machtverteilung zwischen Staaten verändert. Diese Hypothese bezieht sich nicht auf das Verhalten nicht demokratischer Regime, und nicht auf den Einfluss, den internationale Institutionen auf innenpolitische Prozesse haben könnten. Die Dissertation untersucht Brasiliens und Indiens Verhalten gegenüber dem internationalen System zwischen 2003 und 2010, einen Zeitabschnitt, den Dominic Wilson als das „Jahrzehnt der BRICs“ bezeichnet
Ultrafast time-resolved X-ray diffraction using an optimized laser-plasma based X-ray source
No full textFemtosecond X-ray pulses are invaluable tools to investigate the structural dynamics triggered by a femtosecond laser pulse. These ultrashort X-ray pulses can be provided by lab-sized laser-produced plasma X-ray sources. This thesis is dedicated to optimizing the X-ray emission from the X-ray source at the University of Duisburg-Essen and using this source to investigate ultrafast structural dynamics in laser excited materials. For these purposes, detailed investigations on how the laser intensities, target thicknesses, angles of incidence and different pre-pulse/pre-plasma conditions affecting the emission of Kα-photons from Cu and Ti targets were performed. The outcomes from these studies are applied to optimize the X-ray production of the existing X-ray source for time resolved X-ray diffraction (TRXD) experiments. In the mean time, in order to improve the measurement sensitivity/accuracy, and automatize and speed up the experimental procedures, several other improvements have been implemented in the experimental setup for TRXD experiments. These improvements of the setup are essential to achieve the results of the three TRXD experiments discussed in this thesis. In the first experiment, Debye-Waller effect in a thin laser-excited Au film was observed. The drop of measured diffraction signal with a decay time constant of 4.3 ± 1 ps was measured for high excitation fluences. This result is in good agreement with previous experimental results as well as the Two-Temperature Model (TTM) calculations at high fluences. The second experiment extends the studies of coherent optical phonons in laser-excited Bi to a higher excitation fluence range that has not been investigated previously. Large amplitude coherent atomic motion and a complete softening of the A1g phonon mode were observed. These observations represents conclusive experimental evidence that the Peierls distortion, which defines the equilibrium structure of Bi, vanishes and the material is transformed into a transient ordered state of higher symmetry. The last study focuses on the experiments performed with X-ray Debye-Scherrer diffraction scheme. A static measurement on a Cu foil (20 μm) and a time-resolved measurement on an Au thin film (200 nm) were carried out. In the time-resolved measurements, the generation of an acoustic wave and its propagation inside the film were observed through the transient shifts of the (311)- and (220)- reflection. The feasibility of performing time-resolved X-ray Debye-Scherrer diffraction experiments with this experimental setup is demonstrated
Characterisation of organic fuel tracers for laser-based quantitative diagnostics of fuel concentration, temperature, and equivalence ratio in practical combustion processes
No full textIn der vorliegenden Dissertation wurden die Gasphasen-Fluoreszenzeigenschaften von häufig verwendeten Tracer-Molekülen für Laser-induzierte Fluoreszenz (LIF) als Funktion von Temperatur, Druck und Stoßgaszusammensetzung untersucht. Diese Daten sind unerlässlich für quantitative LIF-Messungen zur Untersuchung von Gasphasen-Mischungsprozessen, beispielsweise in Verbrennungsmotoren. Dazu wurde eine Hochdruck-Hochtemperatur-Zelle aufgebaut für Experimente im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 1400 K bei Drücken von 1–10 bar und variabler Stoßgaszusammensetzung. Diese Messbedingungen sind von höchster Wichtigkeit für Diagnostik in Verbrennungsmotoren und Gasmischprozessen.
In dieser Arbeit wurden Fluoreszenzlebensdauern und -spektren der häufig verwendeten Tracer-Spezies Toluol und Naphthalin als Vertreter der aromatischen Tracer im Bereich 296–1200 K bei Drücken von 1–10 bar für N2, Luft und CO2 als Stoßgas untersucht. Eine systematische Untersuchung der Stoßlöschung (Quenching) der Fluoreszenz von aromatischen Tracern durch O2 vervollständigt das Bild. Bisher eher selten als Tracer eingesetzt, ist Anisol eine verheißungsvolle Alternative, die in typischen Systemen ein bis zu 100fach stärkeres Signal als Toluol liefern kann. Daher wurden von Anisol Fluoreszenzspektren und -lebensdauern bei Temperaturen von 296–1000 K bei 1–10 bar in N2 und der Stoßlösch-Einfluss von O2 bei 1 bar Gesamtdruck untersucht. Für die häufig verwendeten ketonischen Tracer Aceton und 3-Pentanon wurden Fluoreszenz-Lebensdauern in Abhängigkeit von der Temperatur bestimmt. Für alle hier untersuchten aromatischen Tracer wurden vorhandene (Toluol) phänomenologische Modelle erweitert bzw. neue entwickelt (Naphthalin, Anisol).
Durch die hohen erreichbaren Temperaturen in der Messzelle konnten an den unter-suchten Tracern Messungen zu deren Pyrolyseverhalten durchgeführt werden. Neben dem erwarteten Verschwinden des Fluoreszenzsignals der ursprünglichen Tracer konnten fluoreszierende Pyrolyse-Produkte beobachtet werden. Diese in-situ gebildeten Spezies eröffnen möglicherweise neue diagnostische Möglichkeiten.
Die untersuchten aromatischen Tracer wurden zu Demonstrationsmessungen in einem Experiment mit einer Kraftstoff-Einspritzdüse eingesetzt. Eine Diskussion über die Anwendbarkeit der jeweiligen Tracer-Substanz in Bezug auf das zu erreichendes Signal-Rausch-Verhältnis und die Signalintensität pro Molekül rundet diese Arbeit ab.In the present work the fluorescence properties of commonly used fluorescence tracers for laser-induced fluorescence (LIF) applications in the gas phase are investigated as a function of temperature, pressure, and bath gas composition. Such data provide valuable information for quantitative LIF diagnostics in practical systems like gas flows, e.g., in internal combustion (IC) engines. For this purpose a high-pressure high-temperature cell was built to reach temperatures from room temperature up to 1400 K and pressures ranging from 1 to 10 bar for varying bath gas compositions. This range of conditions is of utmost importance for in-cylinder IC engine diagnostics as well as gas flow mixing.
In this thesis fluorescence lifetimes and spectra of toluene and naphthalene were re-corded experimentally. These species are typical representatives of aromatic tracers. In the experiment, temperature ranged from 296–1200 K and pressure from 1 to 10 bar with varying buffer gases of N2, air, and CO2. A novel aromatic species, so far not investigated in detail as a tracer substance, is anisole. It is a promising alternative delivering up to 100 times stronger signals compared to toluene under otherwise identical conditions (i.e., temperature, pressure, bath gas composition). Thus, anisole fluorescence spectra and lifetimes were recorded in the 296–1000 K range with pressure ranging from 1–10 bar in N2 as bath gas. Systematic investigations of collisional quenching by O2 for all three mentioned aromatics complete the study. The temperature dependence of the fluorescence lifetimes of acetone and 3-pentanone as representatives of the ketone tracer group were investigated. For all investigated aromatic tracers existing (toluene) phe-nomenological fluorescence models were expanded or new ones developed (naphthalene, anisole).
Due to the high achievable temperatures in the measurement cell, investigations of the pyrolysis of the used tracer species were also performed. In addition to the expected loss of the tracer signal fluorescing spectra originating from pyrolysis products were observed. These in-situ formed species may lead to new diagnostics strategies.
For demonstration purposes the investigated aromatic tracers were used in a LIF imaging experiment in a housed fuel injector. The performance of the respective tracer species with respect to the achievable signal-to-noise ratios and signal intensity per molecule is discussed
Modular Analysis System for fundamental Studies of long HVAC Cables in Transmission Networks
No full textDie ständig steigende Integration der Erneuerbaren Energien in das Übertragungsnetz macht eine Verstärkung vorhandener Stromtrassen auf Hoch- und Höchstspannungsebene dringend erforderlich. Dazu werden in mehreren Ländern anstelle von Freileitungen Kabelsysteme geplant und gebaut.
Die Erfahrungen bezüglich Planung und Betrieb ausgedehnter Übertragungsnetze beziehen sich größtenteils auf Freileitungen. Wegen der deutlich unterschiedlichen elektrischen Parameter von Freileitung und Kabel kann der Netzausbau durch Einsatz von Drehstromkabeln großer Länge das Betriebsverhalten des vorhandenen Übertragungsnetzes wesentlich verändern. Daraus ergeben sich viele neue technische Probleme und Herausforderungen, die bei konventionellen Freileitungsnetzen nicht auftreten oder nicht beachtenswert sind. Entwurfkriterien für Energiekabel liegen bisher hauptsächlich für kurze Stecken vor. Beachtliche Unterschiede beim Design langer Kabelsysteme bestehen darin, dass wichtige Betriebskenngrößen wie Temperaturen, Verluste, Ströme und Spannungen entlang der Kabelstrecke sowohl bei stationären als auch bei transienten Betriebsvorgängen nicht mehr gleichmäßig, sondern ortsabhängig verteilt sind. Diese Verteilungen sind von vielen Parametern wie Einspeisebedingungen, Blindleistungskompensationen sowie Schirmbehandlungen abhängig. Vernachlässigungen dieser ortsabhängigen Effekte können einerseits zu Risiken und andererseits zu wirtschaftlich ungünstigen Überschätzungen der Übertragungsverluste sowie zur Überdimensionierung der Kabelaufbauelemente führen.
Um die Einschränkungen der bestehenden Standardmethoden bei der Analyse von ausgedehnten Kabelsystemen zu umgehen, wird ein umfassendes und kompaktes Energiekabelanalysesystem auf Basis eines Schaltungssimulationsprogramms „ATP-EMTP“ entwickelt. Statt einer konventionellen, separierenden Betrachtungsweise ermöglicht das neu entwickelte Analysesystem ein kompaktes Design sowie die simultane Analyse und Optimierung von Kabelanlagen bezüglich elektrischer, thermischer, magnetischer und mechanischer Anforderungen in stationären sowie in transienten Betriebszuständen. Zudem werden neue Möglichkeiten der Modellierung der thermischen Kopplungen im Erdboden vorgestellt, welche eine schnelle thermische Analyse für Kabelanlagen bei beliebigen Belastungen erlaubt und sehr geeignet ist zur Untersuchung der dynamischen Überlastbarkeiten von Seekabeln, Kabeln in Tunneln oder gehäuft verlegten Kabelsystemen.
Mit dem entwickelten Analysesystem werden die wichtigsten stationären und transienten Betriebsvorgänge bei langen Kabelverbindungen sowie bei Zwischenverkabelungen eingehend untersucht. Risiken, Gegenmaßnahmen sowie Optimierungsmöglichkeiten beim Netzausbau mit Drehstromkabeln großer Länge werden aufgezeigt.The increasing integration of renewable energy into the transmission system requires a reinforcement of existing transmission networks urgently. For this purpose, cable systems instead of over head lines are designed and installed in several countries.
The experiences of planning and operation of large transmission networks are mainly based on overhead lines. Because of the significantly different electrical parameters of overhead lines and cables, the grid expansion by large-scale installation of HVAC cables can change the operational behaviour of the existing transmission network. This leads to many new technical challenges and problems, which may not occur in conventional overhead line networks. The design criteria for power cables are mainly applied to short cable connections, so far. Significant differences in the design of long cable systems are that important operating parameters such as temperatures, losses, currents and voltages along the cable route are no longer uniformly distributed but dependent on the location, in steady state as well as in transient state. These distributions depend on many parameters such as power supply conditions, reactive power compensations as well as sheath bonding methods. Neglecting these local effects can lead to risks, overestimations of transmission losses and thus an oversizing of the applied cables.
In order to overcome the limitations of the existing standard methods for analysis of extended cable systems, a comprehensive and compact power cable analysis system is developed, based on a circuit simulation program "ATP-EMTP". In contrast to conventional approaches, this new developed system enables a compact design and simultaneous analysis and optimization of cable systems with respect to electrical, thermal, magnetic and mechanical requirements under steady state as well as under transient operating conditions. A new developed method for modelling the external thermal resistance allows a rapid thermal analysis for cable systems under arbitrary loads. This method is very suitable for studying the dynamic rating of submarine cables, cables installed in tunnels or groups of cable systems.
The developed analysis system is applied to study the most important stationary and transient operation performances of long cables or connections with mixed overhead lines and cables. Risks, countermeasures and optimization of grid reinforcements with long HVAC cables are shown
Preparation and properties of monolithically sintered silicon p-n junctions for thermoelectric applications
No full textDie vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Anwendung eines stromunterstützten Sinterverfahrens zur Herstellung thermoelektrischer Bauteile (Current-Activated Preasure-Assisted Densification -CAPAD-, auch Spark-Plasma-Sinterverfahren - SPS- genannt).
Während bisher Stromsintern nur zur Erzeugung thermoelektrischer Materialien verwendet wird, die in weiteren Arbeitsschritten zu thermoelektrischen Elementen oder Bauteilen weiterverarbeitet werden, wird hier als besondere Idee die monolithische Integration eines p-n-Übergangs direkt während des Sintervorgangs verfolgt.
Dies dient dem Ziel die schwierige elektrische Kontaktierung an der Heißseite des herkömmlichen Generators zu umgehen.
Das neue Konzept ist bisher nur theoretisch diskutiertes.
Die zugrunde liegende Idee ist die, dass ein Temperaturgradient entlang des p-n Übergangs verläuft, sodass einerseits eine Thermodiffusion auf der Grundlage des Seebeck-Effektes der jeweiligen Majoritätsladungsträger erfolgt, andererseits Ladungsträger im p-n Übergang thermisch generiert und getrennt werden.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Fragestellung inwieweit p-n Übergänge für die thermoelektrische Energieumwandlung genutzt werden können.
Die Studie wird an p-n Übergängen aus versinterten nanokristallinem Silizium durchgeführt.
Für die Dotierung wird Bor und Phosphor verwendet, wobei die Partikelsynthese in einem Plasmareaktor bzw. einem Heißwandreaktor stattfindet.
Die unterschiedlich dotierten Pulver werden in einem Graphittiegel zu gleichen Anteilen in zwei Lagen übereinander geschichtet.
Durch einen Stromsinterprozess wird die Pulverschüttung in eine feste Struktur überführt, wobei ein elektrischer Strom durch die Pulverschüttung geleitet wird.
Der Prozess findet bei 1150°C statt, wobei Ströme in der Größenordnung von 0,1 bis 1kA fließen.
Der Einfluss des Peltier-Effektes auf die Wärmeverteilung in der Probe beim Stromsinterprozess wird experimentell und theoretisch herausgearbeitet und analysiert.
Es zeigt sich, dass aufgrund der hohen elektrischen Ströme, der Peltier-Effekt einen dominanten Einfluss auf die Temperaturverteilung in der Probe hat und sich damit auch auf die Homogenität der physikalischen Eigenschaften der Probe auswirkt.
Mit Hilfe einer ortsaufgelöste Messung des Seebeck-Koeffizienten über dem p-n Übergang wird der Übergangsbereich zwischen den unterschiedlich dotierten Arealen analysiert und ein Modell der Ladungsträgerverteilung unter Berücksichtigung des Sinterprozesses erarbeitet.
Die Untersuchungen kommen zu dem Schluss, dass während des Sinterprozesses benachbarte unterschiedlich dotierte Partikel miteinander verschmelzen, wobei es zu einer Kompensation von Ladungsträgern kommt.
Die thermoelektrischen Eigenschaften des p-n Übergangs wird mit Hilfe einfacher Ersatzschaltbilder untersucht und mit einem eigens gebauten Messplatz überprüft.
In einem beschränkten Temperaturbereich von 30 bis 90°C wird eine elektrische Spannung am kalten Ende des p-n Überganges gemessen.
Der Betrag der gemessenen Spannung ist linear zur angelegten Temperaturdifferenz.
Durch eine Metallisierung am warmen Ende kann die Thermospannung verbessert werden.
Abschließend wird mit den gesammelten Erfahrungen ein Demonstrator gebaut und dessen Funktion nachgewiesen.The presented work deals with the application of a current assisted sintering process to prepare a thermoelectric device (Current-Activated Preasure-Assisted Densification -CAPAD-, also known as Spark Plasma Sintering -SPS).
So far CAPAD has been used to produce thermoelectric materials which were processed in additional steps to thermoelectric devices.
In this work, the discussed idea is based on a monolithic concept including a p-n junction which is directly processed during the sintering.
The idea is motivated in order to avoid complicated electrical contacts at the hot side of a conventional thermoelectric generator.
The concept has been discussed in literature theoretically only.
The main idea is to use a temperature gradient along the p-n junction in order to achive thermodiffusion of the majority charge carriers on the basis of the Seebeck effect.
On the other hand, thermally generated charges might be seperated inside the space charge region.
In the study, nanocrystalline silicon is used to accomplish experiments.
The silicon nanoparticles were sinthesized seperately in a microwave plasma reactor and a hot wall reactor using boron and phosphorous for p and n-doping.
Before sintering, the different kinds of powder were stacked into a graphite crucible.
To produce the p-n junction a double layer system of the p-doped and the n-doped powder is created.
Using a current-activated preassure-assisted densification process the powder is transformed into a bulk material with a p-n junction.
During the process the electric current flows through the powder.
The process runs at a temperature of 1050°C.
The electric current ranges from 0.1 kA to 1kA.
The influence of the Peltier effect on the heat distribution of the sample is analyzed theoretically and experimentally.
Due to the high electric current, the Peltier effect has a major impact on the temperature distribution.
Therefore, the Peltier effect affects the homogeneity and the physical properties of the sample.
Seebeck microscopy allows the analyzis of the transition of the differently doped regimes.
A model, considering the sintering process, which describes the charge carrier distribution across the junction will be presented.
The investigations conclude with the idea, that heated particles melt, intermix and solidify.
Thus, new particles are formed.
While the neighbouring particles are melted, dopants of the different partilces mix and compensate for each other.
Therefore the charge carrier concentration of the new formed particle is the average of the former particles.
The thermoelectric properties of the p-n junctions will be studied with simple equivalent circuits.
They will be validated with a self-made measurement setup.
In a small temperature intervall ranging from 30 to 90°C the electric voltage will be measured at the cold side of the p-n junction.
The absolute value of the voltage is linear to the applied temperature difference.
With a metallization, the thermovoltage can be improved.
Finally, the collected information and ideas will be used for a demonstrator device in order to experimentally prove the concept
Novel Cross-linkable Polymeric Membranes for Organophilic Ultra- and Nanofiltration
No full textMembrane technology is being applied in more and more processes involving organic solvent, examples are re-use of catalytic species, purification of synthesized products, edible oil processing, solvent recovery and solvent exchange. To meet the requirements of these applications, the membranes are required to have the following properties: they should have the desired selectivity combined with a high permeability, as well as good stability in the organic solvents and under the required conditions of temperature and pressure.
Two novel copolymers that can be applied to prepare solvent resistant nano-/ultrafiltration (SRNF/UF) membranes have been developed: block copolymers of acrylonitrile (AN) and polyethylene glycol (PEG), this block copolymer can be used either directly to prepare ultrafiltration membranes that are resistant to many kinds of organic solvents, or cross-linked via post-treatment and converted to nanofiltration (NF) membranes and they are stable even in extremely aggressive organic solvents; copolymers of AN and 2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid (AMPS), which can directly form nanofiltration membranes for aqueous conditions, it is also possible to cross-link the membranes via post-treatment thus applicable in non-aqueous conditions or to improve the rejection of salts.
For the synthesis of block copolymers of PAN and PEG, it was unconventional free radical copolymerization initiated by cerium(IV)-PEG redox system. The reaction conditions have been optimized. The composition of the copolymers was characterized by attenuated total reflection infrared spectroscopy (ATR-IR), 1H-NMR, element analysis, and the molecular weight information was studied by gel permeation chromatography (GPC). The free radical concentration in the initiation step was studied with the help of stable free radical. From the compositions of the copolymers and the experiments on the free radicals, the proposed mechanism of the reaction was proved to be true. Furthermore, because of the mechanism of the polymerization, the copolymers were exclusively block copolymers. Membranes from the block copolymers were prepared via non-solvent induced phase separation. Because of low solubility of the block copolymers in dimethylformamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO) or N-methylpyrrolidone (NMP), it was not possible to prepare polymer solutions with concentration higher than 16%, therefore, only ultrafiltration (UF) membranes were formed. From the research on the membrane performance and pore morphologies as well, the concentration had strong influence on the properties of the resulting membranes. Variation of other parameters in the preparation steps was made to find out the optimized conditions for membranes and also to derive membranes with distinct separation performances. The membranes were also tested in several normal organic solvents, and the results showed that the membranes were stable in these solvents; therefore they are applicable in some SRUF processes. After cross-linking as post-treatment, the membranes were stable in almost all the organic solvents including DMF, NMP and so on, so application of the membranes can be greatly broadened. With another post-treatment to convert the membranes to NF types, the membranes became largely densified, the finally resulting membranes were endowed with excellent pure solvents permeability, solvent resistance and good rejection of polymers in both aqueous and organic conditions. Besides, the membranes were also capable to reject salts in aqueous solutions at an acceptable level. It was also possible to adjust the separation properties of the membranes by changing the conversion conditions, therefore, the membranes can be used in most SRNF applications as well as in aqueous NF applications.
For the copolymers of AN and AMPS, they were synthesized via typical free radical polymerization initiated by azobisisobutyronitrile at elevated temperature. The reaction conditions have been optimized. The composition of the copolymers was characterized by ATR-IR, 1H-NMR, element analysis, and the molecular weight information was studied by gel permeation chromatography (GPC). Reactivity ratio of these two monomers were studied in real condition synthesis, and found to be similar to each other and close to 1. Therefore, copolymers tended to be random copolymers. Because of the similar reactivity ratios, it was possible to change the compositions of the copolymers freely, thus to influence the separation properties. It was not possible to prepare polymer solutions with concentration higher than 6%, but the resulting membranes were rather dense even from lower concentration. From the filtration experiments, it was found that all the membranes were dense as well in application. The composition of copolymers also had clear influence on the separation performance and influence of other parameters during the preparation step was also studied to get the optimal conditions for that. The resulting membranes were endowed with both high water permeability and high rejection of PEGs, but the rejection of salts was relatively low, which was probably because of the low charge density in the membranes, since the charge was provided by sulfonic acid groups in AMPS, and the mole ratio of AMPS in the copolymers was low. In order to improve the salt rejection, content of AMPS have to be increased, and then a cross-linking process would be needed, otherwise the copolymers were water soluble. Therefore, this part of work needs and is worth further research.
This study provides a novel method to synthesize SRNF/UF membranes, and also develops a new type of NF membrane for aqueous condition using conventional method
Gene expression analysis in human peripheral blood lymphocytes after irradiation as a tool for radiation biodosimetry
No full textWährend eines radiologischen Unfalls mit Beteiligung von Personen, die nicht über physikalische Dosimeter verfügen, ist es äußerst wichtig, Individuen zu identifizieren, die mit hohen Dosen bestrahlt worden sind, um diesen eine adäquate medizinische Versorgung zu ermöglichen. Da die derzeit zur Verfügung stehenden biodosimetrischen Methoden sehr zeitaufwendig sind, sollte im Rahmen dieser Doktorarbeit eine schnelle und zuverlässige Methode zur Bestimmung der erhaltenen Dosis basierend auf Genexpressionsänderungen entwickelt werden. Dafür wurden dosis- und zeitabhängige Veränderungen der Genexpressionen in humanen peripheren Blutlymphozyten nach Hoch- und Niedrigdosisbestrahlung untersucht, um Gene zu identifizieren, die für Dosisvorhersagen in vitro geeignet sind. Außerdem sollten die Genexpressionsänderungen nach Bestrahlung einen Einblick in die biologischen Effekte ausgelöst durch Hoch- und Niedrigdosisbestrahlung liefern.
Menschliches Blut von sechs gesunden Spendern wurde dazu ex vivo mit 0, 0,5, 1, 2 und 4 Gy (Cs137 γ-Strahlung) im Hochdosisbereich und mit 0, 0,02 und 0,1 Gy im Niedrigdosisbereich exponiert. Die peripheren Blutlymphozyten wurden anschließend isoliert und kultiviert und nach 6, 24 und 48 h nach Hochdosisbestrahlung und nach 24 und 48 h nach Niedrigdosisbestrahlung wurde die lymphozytäre RNA isoliert. Die RNA wurde dazu verwendet, um Microarrays zu generieren, die dahingehend ausgewertet wurden, Genexpressionsänderungen nach Hoch- und Niedrigdosisbestrahlung zu identifizieren. Die Gene, die die robustesten Genexpressionsänderungen aufwiesen, wurden für weitere qRT-PCR-Analysen verwendet. Um die strahlenspezifische Induktion geeigneter Markergene zu testen, wurden Lymphozyten zudem mit den DNA-schädigenden Substanzen 4-Acetamidophenol und Mitomycin C für 6, 24 und 48 h inkubiert und die Genexpression ausgewählter Markergene entsprechend untersucht.
Für den Hochdosisbereich wurden 16 Gene identifiziert, die eine Genauigkeit der Dosiszuordnung in vitro von 95,7 % bis zu 48 h nach Bestrahlung erlauben. Die Genexpressionen der sieben robustesten Markergene wurden dann an gepoolten und nicht-gepoolten RNA-Proben in qRT-PCR-Messungen validiert. Zudem zeigten die qRT-PCR-Messungen, dass die starke Hochregulation der sieben Markergene strahlenspezifisch war, da diese nach Bestrahlung viel ausgeprägter als nach der Inkubation mit 4-Acetamidophenol und Mitomycin C war.
Für den Niedrigdosisbereich wurden neun Markergene identifiziert, die eine Genauigkeit der Dosiszuordnung in vitro von 95,6 % erlauben. Drei dieser Gene wurden für weitere qRT-PCR-Messungen verwendet, durch welche die Genexpressionsänderungen dieser Gene nach Bestrahlung validiert wurden.
Letztlich zeigen die Ergebnisse, dass durch die Generierung von Microarrays Gene in menschlichen Lymphozyten nach Bestrahlung identifiziert werden konnten, die in vitro für biodosimetrische Applikationen nach Hoch- und Niedrigdosisbestrahlung geeignet sind.Abstract
In case of a large-scale radiation accident with involvement of individuals without physical dosimeters it is important to identify individuals who have received a high radiation dose to ensure proper medical care. As current methods are time-consuming, a fast and reliable method based on gene expression alterations has to be developed. Therefore, in the present study dose- and time-dependent gene expression alterations were examined in human peripheral blood lymphocytes (PBL) after low- and high dose exposure to identify genes suitable for radiation dose prediction in vitro. Additionally, the gene expression experiments shall give new insights in the biological effects of high dose radiation exposure.
Human blood from 6 healthy donors was irradiated ex vivo with 0, 0.5, 1, 2 and 4 Gy (γ-rays, Cs137) in the high- and with 0, 0.02 and 0.1 Gy in the low dose range. PBL were isolated and cultured for 6, 24 and 48 h after high- and for 24 and 48 h after low dose irradiation. At these times RNA was applied for processing whole human genome microarrays to analyse expression profiles. The most robust altered genes were selected for further qRT-PCR expression analysis. To examine the radiation-specificity of the candidate genes, lymphocytes were exposed to the DNA-damaging agents 4-Acetamodophenol and Mitomycin C for 6, 24 and 48 h and gene expression was accordingly analyzed.
By a p-value and fold-change driven gene selection based on microarrays 16 genes were identified after high dose exposure allowing a radiation dose prediction accuracy of 95.7% up to 48 h after irradiation. For the most robust seven genes qRT-PCR measurements based on pooled and non-pooled irradiated samples additionally validated the observed radiation-induced gene expression alterations. Furthermore, qRT-PCR analysis showed that the strong up-regulation of these genes is highly radiation-specific as the up-regulation after irradiation was much more pronounced when compared to exposure with 4-Acetamidophenol or Mitomycin C.
Microarray analysis based on low dose irradiated samples led to the identification of nine genes with which low radiation doses could be accurately predicted with a sensitivity of 95.6%. Three of these genes were selected for further qRT-PCR analysis in which gene expression alterations of these genes were validated after low dose exposure.
In vitro gene expression analysis based on whole human microarray data after low- and high dose exposure of human PBL allowed identifying a rather small set of radiation dose predictive and radiation-specific genes with a high potential for biodosimetric applications in vivo