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Übergangsmetall-dotierte Halbleiter-Nanostrukturen aus lösungsmittelbasierter Herstellung: Von der Funktionalität zum Bauelement
Get PDFCombining the outstanding electrical and optical properties of semiconductors with magnetic functionalities in a single material is a vision with the perspective to revolutionize information technology. A promising approach towards this goal lies in the partial replacement of host atoms of a ‘classical’ semiconductor by transition metal ions with nonzero spin moment, introducing novel magnetic and magneto-optical functionalities. Among these so-called diluted magnetic semiconductors (DMS), colloidal nanostructures offer strongly increased exchange interactions due to the high level of quantum confinement accessible in those materials. In this thesis, the degrees of freedom provided by the colloidal preparation of DMS nanostructures are explored. It is investigated how the optical and magneto-optical properties of DMS nanostructures can be influenced by modifying their architecture with monolayer or even atomic precision, and it is evaluated, whether their magnetic functionalities can be addressed electrically via integration in a device.
Colloidal quantum wells (so-called nanoplatelets) offer the possibility to introduce transition metal dopants with monolayer precision. This potential was used to precisely control the exchange interactions and furthermore, the magneto-optical response was utilized to obtain a detailed insight into the excited electronic structure of these materials. By decreasing the size of spherical quantum dots to – in total – 26 atoms (13 cadmium and 13 selenide atoms, respectively) in magic sized clusters, it could be shown that their optical and magneto-optical properties can be modified by single atomic impurities. In manganese-doped clusters, evidence was provided that the magneto-optical functionality can be digitally controlled via doping with either one or two transition metal ions. On the other hand, alloying with isovalent zinc shifts the band edge energy in discrete steps. Observation of specific magneto-optical functionalities in manganese doped alloy clusters revealed the successful combination of four different elements in single clusters. Beyond that, the reduced size and distinct lattice structure of the magic sized clusters was found to have an impact on structure related properties. Doping with cobalt ions enabled an optical evidence of reduced cobalt-anion bond length compared to bulk, evidencing the clusters’ capability to respond to the replacement of one constituent by an atom of smaller size. Surprisingly, a twofold (as compared to bulk) enhanced temperature dependence of the bandgap energy was found, which could be traced back to the reduced cluster size, i.e., the small number of bonds and the high amount of surface atoms. In order to take the step from material development to devices, the incorporation of colloidal DMS nanostructures into an electrically driven device is demonstrated for the first time. By incorporating spherical DMS quantum dots into a solution processed device, electrically triggered magnetic ordering of the dopant spins could be achieved.Das zentrale Ziel der Spinelektronik, welches die Entwicklung neuartiger Technologien zur Informationsspeicherung und -verarbeitung verfolgt, besteht in der Vereinigung der elektronischen und optischen Eigenschaften von Halbleitern mit einer magnetischen Funktionalität in einem einzigen Materialsystem. Einen vielversprechenden Ansatz stellen verdünnt magnetische Halbleiter-Nanostrukturen dar, in denen durch Dotierung mit Übergangsmetallen eine magneto-optische Funktionalität erzeugt wird. Die lösungsmittelbasierte Synthese eröffnet hier die Möglichkeit, dotierte Nanostrukturen mit unterschiedlichster Form, Größe und Zusammensetzung herzustellen, und erlaubt außerdem deren Weiterverarbeitung aus einer Dispersion bis hin zum Bauelement. In der vorliegenden Dissertation werden diese unterschiedlichen Freiheitsgrade in mehrerer Hinsicht ausgenutzt. Zum einen wird untersucht, welche Auswirkungen eine Übergangsmetall-Dotierung mit Monolagen- oder sogar atomarer Präzision auf die Materialeigenschaften hat. Zum anderen wird erstmals erarbeitet, ob und wie die magneto-optische Funktionalität von magnetisch dotierten Halbleiternanokristallen in elektronischen Bauteilen gezielt erzeugt werden kann.
Die magnetische Dotierung von kolloidalen Nanoplättchen mit komplexem Kern-Hülle Aufbau eröffnete die Möglichkeit, durch Variation der Schichtdicken und der Schichtzusammensetzung mit einer Genauigkeit von einzelnen Monolagen die magneto-optische Funktionalität gezielt zu manipulieren. Außerdem erlaubte die Dotierung einen detaillierten Einblick in die elektronische Struktur dieser neuartigen Materialklasse. Durch eine Reduzierung der Abmessungen von Nanokristallen hin zu Nanoclustern bestehend aus nur 26 Atomen (je 13 Cadmium- und Selenatome) wird es möglich, die optischen und magneto-optischen Eigenschaften durch den Austausch gar einzelner Atome zu verändern. In Mangan-dotierten Nanoclustern konnte gezeigt werde, dass die magneto-optische Funktionalität der Cluster durch den Einbau von einem bzw. zwei Mangan-Ionen in digitaler Weise kontrolliert werden kann. Durch den Nachweis von magneto-optischer Funktionalität in Mangan-dotierten Cadmium-Zink-Selenit Mischclustern gelang es, den erfolgreichen Einbau von vier verschiedenen Atomsorten in einzelne Cluster bestehend aus 26 Atomen nachzuweisen. Interessante Einflüsse der geringen Größe der Cluster auf strukturabhängige Eigenschaften zeigten sich bei den optischen Experimenten. Anhand eines internen optischen Übergangs in Kobalt-dotierten Clustern konnten Rückschlüsse auf die Bindungslängen zwischen den Kobalt- und Selen-Ionen gewonnen werden. Außerdem wurde eine im Vergleich zum Volumenhalbleiter zweifach verstärkte Abhängigkeit der Bandlückenenergie von der Temperatur beobachtet und mit Hilfe einer thermodynamischen Interpretation auf die geringe Anzahl an Bindungen in den Clustern sowie den hohen Anteil an Oberflächenatomen zurückgeführt. Zum Schluss konnte durch die Implementierung von magnetisch dotierten, kolloidalen Quantenpunkten in elektronischen Bauelementen der nächste Schritt hin zur Nutzung von verdünnt magnetischen Halbleiter-Nanostrukturen in spinelektronischen Bauelementen vollzogen werden
Effiziente Mehrfach-Fehlersimulation von Analogschaltungen
Get PDFEine Fehlersimulation ist eine Methode zur Bewertung der Fehlertoleranz und der Zuverlässigkeit, die unter definierten Prüfbedingungen das Systemverhalten beim Auftreten von Fehlern, die gezielt injiziert werden, untersucht. Fehlermodelle legen fest, welche Fehler in die Komponenten eines Systems injiziert werden, um die Auswirkungen auf die Funktionsfähigkeit der Schaltung zu prüfen. Eine Fehlerinjektion kann sowohl in Hardware- als auch in Softwaresysteme erfolgen. Diese Arbeit widmet sich der Fehlerinjektion in analoge Hardware-Schaltungen, wobei verschiedene Fehlerarten in eine Simulation der Analogschaltung eingebracht werden. Dabei liegt der Fokus auf den erweiterten Analysemöglichkeiten bei der Injektion von Mehrfachfehlern und unterschiedlichen Fehlerarten pro Komponente. Diese Kombination bietet die erstrebte Flexibilität, jedoch sind hinreichend genaue Ergebnisse in den meisten Fällen nur durch einen sehr hohen Rechenaufwand erhältlich, weil jede einzelne Simulation einer Analogschaltung einen beträchtlichen Zeitaufwand erfordert. Um den Rechenaufwand zu reduzieren, wurde in dieser Arbeit eine effiziente Methode, der Fehlerklassen-Algorithmus (FKA), für die Analyse von Mehrfachfehlern entwickelt. Mit dieser Methode kann der Toleranzgrad eines Systems für einen Teil der Fehlerinjektionen durch Interpolation ziemlich genau bestimmt werden, ohne die betreffenden Fehlerinjektionen vornehmen zu müssen, was entsprechend viele Simulationsläufe einspart. Die Genauigkeit wurde (rechenintensiv) durch einen Fehlersimulator mit einer hinreichenden Anzahl von Beispielschaltungen quantitativ bewertet, wodurch die Tauglichkeit des Fehlerklassen- Algorithmus bestätigt wurde. Damit ein neues System durch Fehlerinjektion geprüft werden kann, werden repräsentative Fehlermodelle für mehrere Ausfallarten für jede Bauelement-Art benötigt. Damit die betreffenden Fehlermodelle möglichst einfach und flexibel erstellt werden können, wird in dieser Arbeit eine skriptbasierte Fehlermodellierung vorgestellt. Damit kann jede erdenkliche Fehlerart beschrieben und in beliebige Bauelemente der simulierten Schaltung injiziert werden. Auf diese Weise können sowohl akkurate und als auch abstraktere Fehlermodelle definiert werden. Sowohl die Effizienz des Fehlerklassen-Algorithmus als auch der implementierte Fehlersimulator wurden in dieser Arbeit an Hand verschiedener Beispiele durch Simulationsergebnisse validiert.Fault simulation is a method for assessing fault tolerance and reliability that examines the system behaviour under defined assessment conditions in the presence of faults, which are explicitly injected. The fault models specify the faults to be injected into the components of a system, to reveal the effect on the functioning of the circuit. Fault injection can be applied to both hardware and software systems. This work is dedicated to the fault injection in analogue hardware circuits, where different types of faults are inserted into the simulation of an analogue circuit. The focus is put on the analysis of multiple faults and several faults types per component. This combination provides the desired flexibility. However, in most cases sufficiently accurate results can only be obtained with very high computational cost, because each individual simulation of an analogue circuit requires a considerable amount of time. To reduce the computational effort, an efficient method, the fault class algorithm (Fehlerklassen-Algorithmus in german, FKA), has been developed for more efficient multiple fault analysis. Using the FKA method, the fault tolerance level of a system can be determined accurately by interpolation for a substantial portion of the fault injections without conducting the respective simulations under fault injection, which saves many simulation runs. The accuracy of the method has been evaluated by simulating a sufficient number of sample circuits, that have confirmed the suitability and usefulness of the fault class algorithm. For a newly designed system to be analysed by fault simulation, representative fault models are required to express the relevant failure types of the circuit elements. Components of an analogue circuit always may always exhibit several types of faults. To simulate the faults taken from such model as simple and as flexible as possible, a script-based fault modelling approach is presented in this work. Thus, every conceivable type of fault can be described and injected into any of the simulated circuit elements. This way, you can define both detailed and abstract malfunctions. Both the efficiency of the fault classes algorithm as well as the implemented fault simulator have been validated in this thesis by various examples of analogue circuits
On α-minimizing hypercones
Get PDFIn der vorliegenden Arbeit betrachten wir kritische Hyperflächen bezüglich der α-Energie. Im ersten Abschnitt erweitern wir die Klasse bekannter α-minimierender Hyperkegel unter Zuhilfenahme von Subkalibrierungen. Tatsächlich reduzieren sich die Betrachtungen auf eingehende Untersuchungen von geeigneten kubischen und biquadratischen Polynomen. Im zweiten Abschnitt widmen wir uns im speziellen kritischen Hyperflächen der α-Energie bei ganzzahligem α. Es ist wohl bekannt, dass eine Rotation dieser Flächen eine minimale Hyperfläche liefert. Wir zeigen, dass dabei sich auch die Stabilitätseigenschaften übertragen lassen. So erhalten wir punktweise Krümmungsabschätzungen auf α-stabilen Hyperflächen, bei ganzzahligem α, unter Zurückgreifen auf minimale stabile Hyperflächen.In this work we consider critical hypersurfaces of the α-energy. In the first part we extend the class of known α-minimizing hypercones using sub-calibration methods. Indeed, improvement of previous results follow from a careful analysis of special cubic and quartic polynomials. In the second part we consider critical hypersurfaces in case of integer α. It is known that a rotation of such hypersurfaces leads to minimal hypersurfaces. We show that hereby also stability conditions are being transferred. Hence, we arrive at pointwise curvature estimates on α-stable hypersurfaces, for integer α, from the theory of minimal surfaces
Simulation und Optimierung von Flugzeug-Groundverkehr mit Hilfe von Zellularautomatenmodellen am Beispiel des Flughafens Düsseldorf
Get PDFIn der heutigen Zeit ist ein Leben ohne Flugzeuge nicht mehr vorstellbar. In den Urlaub oder zu einem dienstlichen Termin zu fliegen, ist weit verbreitet. Sogar das Fliegen als Hobby in kleinen Privatflugzeugen ist nicht mehr außergewöhnlich und bereichert unser Leben. Die Kehrseite dieser Entwicklung ist der wachsende Flugverkehr, der mittlerweile die am stärksten wachsende Personentransportart geworden ist. In Deutschland liegt die Wachstumsrate für Flugverkehr über 2,3 % pro Jahr. Die Wachstumsrate für motorisierten Individualverkehr liegt hingegen bei 0,2 %, für Eisenbahnverkehr bei 0,3 % und für den öffentlichen Personenverkehr bei -0,1 %. Dieser starke Zuwachs im Luftverkehr verursacht Probleme hinsichtlich der vorhandenen Kapazitäten an allen internationalen Flughäfen in Deutschland. Der Flughafen Düsseldorf ist bezüglich der Flugbewegungen der drittgrößte Flughafen in Deutschland. Er wurde 1927 eröffnet und besteht aus 2 parallelen Pisten, einer zu den Pisten parallel verlaufenden Rollbahn, einem Passagierterminal und drei Vorfeldern (ein Vorfeld grenzt direkt an das Terminal). Am Flughafen Düsseldorf gab es im Jahr 2016 217.500 Flugbewegungen mit 23,5 Millionen Passagieren. Die Kapazitätsgrenze des Flughafens liegt bei 24 Millionen Passagieren und ist 2017 erstmals überschritten worden. Aufgrund des beschränkten Platzes im Umfeld des Flughafens ist eine weitere räumliche Ausdehnung nicht möglich. Optimierungen an der Infrastruktur des Flughafens selbst sind aus politischen Gründen sehr schwer zu realisieren. 1965 wurde ein Vergleich zwischen dem Flughafen und den umliegenden Städten geschlossen, um die Lärmbelastung durch Limitierung der Flugbewegungen nicht weiter zu erhöhen. Über 50 Jahre später ist diese Grenze nun erreicht und ein Ausbau des Flughafens wäre vonnöten. Der Vergleich ist aber noch immer gültig und verhindert notwendige Erweiterungen. Alternativ wird versucht, Verbesserungen der Situation durch eine effizientere Nutzung der vorhandenen Infrastruktur, z.B. durch Optimierung der Rollwege, zu erzielen. Hierbei können Simulationen helfen, um eventuelle Fehlplanungen schon während der Konzeptionsphase zu erkennen und zu verhindern. In dieser Arbeit wird ein neues Simulationsmodell, das CAMAT-Modell (Cellular Automaton Model for Airport Traffic) vorgestellt. Es kann die Dynamik aller Flugzeuge und die Interaktionen der Flugzeuge untereinander simulieren. Das Modell wird durch Realdaten aus verschiedenen Quellen kalibriert. So werden Daten genutzt, die durch Beobachtungen am Flughafen Düsseldorf entstanden sind. Ferner werden Daten der Flugsicherung, vor allem Daten hinsichtlich der Gate- und Rollwegezuweisungen, und viele undokumentierte Informationen, die auf der Erfahrung der Fluglotsen beruhen, genutzt. Zuletzt werden diese Daten durch Daten von Flightradar24, wie die tatsächlichen Ankunfts- und Abflugzeiten ergänzt. Ein Vergleich zwischen Realdaten und den Ergebnissen der Simulation zeigt die Genauigkeit des entwickelten Modells.
Im zweiten Teil dieser Arbeit wird das entwickelte Modell verwendet, um die Folgen für die Rollzeiten bei verschiedenen Szenarien, wie neuen Rollwegen, das Ergänzen von Rollbahnen oder Bauarbeiten auf Rollbahnen, am Flughafen Düsseldorf zu simulieren. Für jedes Szenario werden die Änderungen hinsichtlich der Rollzeiten der Flugzeuge berechnet und deren Auswirkungen auf den Kerosinverbrauch erläutert. Diese Arbeit schließt mit einem Ausblick auf mögliche Erweiterungen des Simulationsmodells, welche die Idee der Optimierung des Flugbetriebs durch den Flughafen Düsseldorf, aber auch durch die rollenden Flugzeuge selbst, weiterverfolgen.Nowadays a world without people flying in airplanes is hard to imagine. Going on vacation or on a business trip by plane has become quite common and even flying just for fun in small private planes is no longer unusual and enriches our lives. This development’s downside is the increasing growth of airplane traffic, being the most increasing mode of transportation. In Germany the expected growth rate for airplane traffic is over 2.3 % per year in contrast to 0.2 % for motorized private transport, 0.3 % for railway transport and -0.1 % for public transport. This increase creates problems on all international airports in Germany because of their limited capacity.
The airport of Duesseldorf is the third largest airport in Germany with regard to airplane movement. It was opened in 1927 and consists of two parallel runways, one parallel taxiway, one passenger terminal and three aprons (one close to the terminal). The airport handled 217,500 airplane movements in 2016 with 23.5 million passengers. The capacity limit of 24 million passengers was reached in 2017 for the first time. Due to the limited space around the airport further expansion is not possible. Furthermore optimizations on the airport’s infrastructure are hard to realize due to political reasons. The airport reached a settlement with all nearby towns in 1965 for reducing noise pollution by limiting airplane movement. Over 50 years later this limit is reached; however the settlement is still valid and impedes necessary expansions. In addition to airport expansion, improvements of airport surface operations are necessary to handle the increasing number of airplanes. Therefore simulations are helpful to evaluate suggestions and to avoid poor planning in advance. In this work a new simulation model, the CAMAT-Model (Cellular Automaton Model for Airport Traffic), is developed. It simulates all airplanes in a microscopic way and considers the interactions between them. The model is adjusted by real-world data from a range of sources. First, real-world data is used, collected through visual observation at the airport of Duesseldorf. Second, data of Air-Traffic Control (ATC) is put on use, meaning data about gates used by the airplanes and undocumented tower agents’ experience about taxiing routes. Third, the usage of additional data collected by flightradar24, such as actual departure and arrival times, is helpful. A comparison between real-word data and simulated data is presented to prove the accuracy of the model.
Some examples for the utilization of the simulation model are given in the second part of this work, including simulations of new taxiing routes for airplane traffic at the airport of Duesseldorf in case of construction work as well as in case of possible future extensions. For each scenario changes in taxiing time are calculated to evaluate the effects on taxiing times in general and on fuel consumption.
This work concludes with some outlooks on future work pursuing the main ideas for optimization of airplane taxiing, containing ideas for improvement by the airport as well as improvements for airplanes to reduce their taxiing times themselves
Alternative CO2 absorbers based on selected amidines
Get PDFAufgrund der Zunahme von Treibhausgasen ist die Bekämpfung der Erderwärmung zu einer gesellschaftlichen Herausforderung geworden. Fossile Kraftwerke sind einer der größten CO2-Emittenten. Eine intelligente Umstellung der Energieversorgung auf CO2-neutrale Prozesse hätte einen großen Einfluss auf die CO2-Konzentration in der Atmosphäre. Eine Variante besteht darin, das entstehende CO2 aus konventionellen Kraftwerken zu gewinnen und zu speichern. Diese Technik ist als "Carbon Capture and Storage" (CCS) bekannt. Ein weiterer Leitgedanke ist die Nutzung von CO2 für Massenprodukte, bekannt als "Carbon Capture and Utilization" (CCU).
In dieser Arbeit wurden zwei alternative CO2-Absorber auf der Basis von Amidinen (1,8-Diazabicyclo[5.4.0]-undec-7-en (DBU) und Guanidin) untersucht. DBU darf nur in Kombination mit einem Alkohol verwendet werden, der sowohl als Reaktionspartner als auch als Lösungsmittel wirkt. DBU deprotoniert den Alkohol und das erzeugte Alkoholat reagiert dabei während der CO2-Absorption zu einem Monoalkylcarbonat. Verschiedene Mischungen von DBU / Alkoholen (Ethanol, Isopropylalkohol, Isobutanol, n-Hexanol, Cyclohexanol und Octan-1-ol) wurden analysiert und mit dem Referenzabsorber Monoethanolamin (MEA) / H2O verglichen. Für die Absorberlösungen wurden Dichte-, Viskositäts- und mikrowellenunterstützte Analysen durchgeführt. Durch mikrowellenunterstützte Analysen wurden stöchiometrische Mengen, p-T-Diagramme und Gleichgewichtskonstanten bestimmt. Die Absorberflüssigkeiten auf Basis von Isobutanol, n-Hexanol und Cyclohexanol wurden als beste Alternative gefunden.
Das zweite untersuchte Amidin, Guanidin, war zu reaktiv. Es ist nicht möglich, Guanidin als Absorber zu verwenden. Aufgrund der Reaktivität von Guanidin wurde Guanidinhydroxid untersucht. Es verwendet H2O als Lösungsmittel, was ein Vorteil gegenüber den Alkohol / DBU-Absorbern ist. Guanidinhydroxid (GdmOH) ist im Prinzip dem Hydroxidwäscher ähnlich. Um eine bessere Vergleichbarkeit zu erreichen, wurde KOH ebenfalls als Referenz verwendet und mit Dichte, Viskosität, P-T-Diagrammen, stöchiometrischen Verhältnissen und der Gleichgewichtsonstanten verglichen.
Während der Arbeit mit dem Guanidinhydroxidwäscher wurde Guanidiniumbicarbonat ausgefällt und verschiedene Daten aufgezeichnet. In der Literatur wird Guanidiniumbicarbonat nur als Zwischenprodukt beschrieben und für diese Substanz liegen keine Daten vor. Die wichtigsten Daten Enthalpie der Bildung, Entropie und Gibbs freie Energie wurden bestimmt.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass beide alternativen Absorber gute Ergebnisse im Labormaßstab erzielt haben. Dies im industriellen Maßstab zu überprüfen, ist die Aufgabe einer späteren Arbeit. Die beiden Absorber haben unterschiedliche Anwendungsschwerpunkte. DBU kann verwendet werden, um wasserfreie Gemische zu hochreinem CO2 zu reinigen, während der Gdm-Absorber das Potenzial hat, ein großmaßstäblicher Gaswäscher zu sein.Due to the increase in greenhouse gas, counteracting global warming has become a societal challenge. Fossil power plants are one of the biggest CO2 emitters. An intelligent conversion of energy supply to CO2-neutral processes would have a major impact on the CO2 concentration in the atmosphere. A variant is to capture the resulting CO2 from conventional power plants and store it. This technique is known as “Carbon Capture and Storage” (CCS). A further leading idea is the utilization of CO2 for mass products, known as “Carbon Capture and Utilization” (CCU).
In this work two alternative CO2 absorbers on the basis of amidine (1,8-diazabicyclo[5.4.0]-undec-7-ene (DBU) and guanidine) were evaluated. DBU may only be used in combination with an alcohol, which acts both as a reactant and solvent. DBU deprotonates the alcohol and the produced corresponding alkoxide reacts upon the CO2 absorption to a monoalkylcarbonate. Various mixtures of DBU/alcohols (ethanol, isopropyl alcohol, isobutanol, n-hexanol, cyclohexanol and octan-1-ol) were analyzed and compared with the reference absorber monoethanolamine (MEA)/H2O. Density, viscosity and microwave-assisted analyses were performed for the absorber solutions. By microwave-assisted analyses stoichiometric amount, p-T diagrams and equilibrium constants were determined. The absorber liquids based on isobutanol, n-hexanol and cyclohexanol were found as the best alternative.
The second examined amidine, guanidine, was too reactive. It is not possible to use guanidine as an absorber. Due to the reactivity of guanidine, guanidine hydroxide was examined. It uses H2O as solvent, which is an advantage compared to the alcohol/DBU absorbers. guanidine hydroxide (GdmOH) is, in principle, similar to the hydroxide scrubber. To achieve a better comparability, KOH was used as reference too and compared to density, viscosity, P-T-diagrams, stoichiometric ratios, equilibrium constant.
While working with the guanidine hydroxide scrubber guanidinium bicarbonate was precipitated and various data are recorded. In literature guanidinium bicarbonate is only described as an intermediate and for this substance there are no data available. The most important data enthalpy of formation, entropy and Gibbs free energy were determined.
In summary, it can be pointed out that both alternative absorbers have achieved good results on a laboratory scale. Checking this on an industrial scale is the task of a subsequent work. The two absorbers have different application focuses. DBU can be used to purify water-free mixtures to high purity CO2, while the Gdm-absorber has the potential of being a large-scale gas scrubber
Posttherapeutische Bildgebung mittels PET/CT und SPECT/CT nach Behandlung mit 90Y-DOTATOC
Get PDFHintergrund:
Bei inoperablen neuroendokrinen Tumoren stellt die Radiopeptidtherapie (PRRT) eine etablierte Therapieoption dar. Hierbei macht man sich die Eigenschaft zu Nutze, dass die Tumore Somatostatinrezeptoren, v.a. Subtyp 2, überexprimieren. Somatostatinanaloga werden mit einem Radiometall, z.B. 90Y, cheliert. Dessen β--Strahlung wird normalerweise mittels Bremsstrahlungsszintigraphie gemessen. Aber auch PET-Bildgebung ist möglich. Da direkte Vergleiche von 90Y-PET und Bremsstrahlung-SPECT nach Radiopeptidtherapie fehlen, war das Ziel dieser Studie der Vergleich beider Verfahren nach Therapie mit 90Y-DOTATOC in denselben Patienten.
Material und Methoden:
Bei 32 Patienten mit histologisch gesicherten NET-Tumoren wurde nach Therapie mit 90Y-DOTATOC eine Bildgebung mittels 90Y-PET und 90Y-SPECT durchgeführt. Es wurden nur Lebermetastasen ausgewertet, die mindestens einen Durchmesser von 1 cm hatten. Maximal fünf Läsionen wurden in die Auswertung aufgenommen. Der maximale SUV-Wert und die Ausdehnung der jeweiligen Läsion wurden im prätherapeutischen 68Ga-DOTATOC-PET/CT bestimmt.
Es wurde der Einfluss des maximalen SUV-Wertes, der Tumorgröße, der Therapieaktivität und des Tumorgradings auf die Erkennbarkeit der Läsionen in den einzelnen Verfahren untersucht.
Ergebnisse:
90Y-SPECT und auch 90Y-PET mit „time-of-flight“-(TOF)-Rekonstruktion erkennen signifikant mehr Läsionen als das 90Y-PET. Das 90Y-SPECT detektiert weniger falsch positive Läsionen als die PET-Verfahren. Der SUVmax-Wert und die Therapieaktivität haben keinen Einfluss auf die Detektierbarkeit der Läsionen. Tumorgröße und Tumorgrading spielen eine Rolle für die Erkennbarkeit.
Zusammenfassung:
90Y-SPECT und das 90Y-PET TOF sind gleichwertige bildgebende Verfahren, um die Anreicherung von 90Y-DOTATOC in Tumoren nach PRRT darzustellen. Allerdings gibt es Hinweise auf geräte-, software- und filterabhängige Unterschiede der 90Y-PET, -PET-TOF und -SPECT-Bilder. Für die untersuchten Parameter weist die 90Y-PET TOF Einschränkungen auf, da gegenüber dem 90Y-SPECT signifikant häufiger falsch positive Befunde auftraten. Alles in allem zeigt das PET keinen Vorteil, erfordert aber den Einsatz eines teuren Gerätes. Deshalb erscheint die Durchführung der SPECT angemessen
Effekte einer experimentell induzierten, transienten Immunaktivierung auf die viszerale und muskuloskelettale Schmerzsensitivität bei gesunden Männern und Frauen: ein Geschlechtervergleich
Get PDFStudien unserer Arbeitsgruppe zeigten, dass eine experimentell induzierte systemische Entzündungsreaktion die viszerale und muskuloskelettale Schmerzsensitivität erhöht. Jedoch wurden bisher nur Daten bei männlichen Probanden erhoben, obwohl Frauen häufiger von chronischen Schmerzen betroffen sind. In dieser randomisierten, doppelblinden Crossover-Studie sollte daher die Hypothese untersucht werden, dass Frauen während einer experimentell induzierten Immunaktivierung eine stärkere Sensitivierung gegenüber viszeralen und muskuloskelettalen Schmerzreizen zeigen als Männer. Die Immunaktivierung wurde mittels einer niedrigen Dosis Lipopolysaccharid induziert (LPS; 0,4 ng/kg Körpergewicht). Bei 20 gesunden Frauen und Männern wurden die viszeralen Schmerzschwellen mittels druckkontrollierter rektaler Barostatdistension objektiviert und muskuloskelettale Druckschmerzschwellen mittels Algometrie für unterschiedliche Muskelgruppen erfasst. Die LPS-Injektion führte zu einem signifikanten, transienten Anstieg von pro- und anti-inflammatorischen Zytokinen im Plasma , wobei Frauen mit einer stärkeren Freisetzung von TNF-alpha und Interleukin-6 reagierten. Während der systemischen Entzündungsreaktion zeigten beide Geschlechter eine signifikante, jedoch vergleichbare Reduktion der viszeralen und muskuloskelettalen Druckschmerzschwellen. Frauen zeigten niedrigere muskuloskelettale Druckschmerzschwellen unabhängig von der LPS-Injektion
Supramolecular ligands for 14-3-3 proteins
Get PDFIm Rahmen der vorliegenden Arbeit sollten supramolekular-wirkende 14-3-3-Inhibitoren entwickelt und untersucht werden. Da 14-3-3-Proteine funktionale Dimere bilden, sollten hierzu bivalente Liganden synthetisiert werden, welche zeitgleich beide Bindungstaschen besetzen können und somit affiner als monovalente Inhibitoren binden sollten. Zur Bindung an die 14-3-3-Phosphoserin/-threonin-Bindungstasche sollte dabei das früher etablierte Phosphophenolether-Bindungsmotiv verwendet werden. Innerhalb dieser Arbeit konnten erfolgreich fünf verschiedene, potentiell bivalent-bindende Phosphophenolether-Derivate (Biv1 bis Biv5) hergestellt und untersucht werden. Für alle synthetisierten bivalenten Moleküle konnte dann mittels FP-Messung eine Wechselwirkung mit dem 14-3-3-Protein nachgewiesen werden.
Ein weiterer Aspekt dieser Arbeit war die Entwicklung von Isoform-spezifischen Inhibitoren. Hierzu wurden bioreaktive Phosphophenolether-Verbindungen entwickelt, die aufgrund ihrer bioreaktiven Gruppe speziell mit der σ-Isoform interagieren sollten, da nur diese Isoform über ein Cystein und damit eine Thiol-Gruppe in der Nähe der Phosphophenolether-Bindungstasche verfügt.Aim of this work was the development and investigation of supramolecular inhibitors of 14-3-3 proteins. Due to the dimeric nature of 14-3-3 proteins, a particular focus was thereby set on the development of bivalent ligands which simultaneously may occupy both substrate binding pockets and thus should display better binding affinities than monovalent ligands. For targeting of the phosphoserine/threonine site, the previously established phosphophenol ether motif should thereby be used. Within this work, five different, potentially bivalent-binding phosphophenol ether derivatives (Biv1 to Biv5) were prepared and investigated. All newly synthesized bivalent molecules were subsequently characterized by FP-based affinity measurements that revealed that all compounds bound the 14-3-3 proteins, however with strongly different affinities.
Another aspect of this work was the development of 14-3-3 isoform-specific inhibitors. For this purpose, bioreactive phosphophenol ethers were developed, which due to their bioreactive group were envisaged to display 14-3-3σ specificity as only this isoform harbors a cysteine residue in vicinity of the phosphophenol ether binding pocket
Entwurf eines Beobachterbasierten Robusten Nichtlinearen Reglers
Get PDFDue to observers ability in the estimation of internal system states, observers play an important role in the field of control and monitoring of dynamical systems. In reality, using sensors to measure the desired system states may be costly and/or affects the reliability of technical systems. Besides, some signals are impractical or inaccessible to be measured and using of sensors leads to significant errors such as stochastic noise. The solution of using observers is well-known since 1964. Besides the estimation of system states, some observers are able to estimate unknown inputs affecting the system dynamics such as disturbance forces or torques. These features are helpful for supervision and fault diagnosis tasks by monitoring the sensors and system components or for advanced control purposes by realizing observer-based control for practical systems.
Among the state and disturbance observers, Proportional-Integral-Observer (PIO) is highly appreciated because of its simple structure and design procedure. Furthermore, using sufficiently high gain PIO, a robust estimation of system states and unknown inputs can be achieved. Besides taking the advantages of high gain design, the disadvantages of large overshoot and strong influence from measurement noise (as typical drawbacks of high gain utilization) in the control and estimation performance can not be neglected. Recently, some researches have been done to overcome the disadvantages of high gain observers and to adaptively adjust the gain of observer based on the resulting actual performance. Considering the advantages and disadvantages of high gain PIO besides the recent developments, it is evident that there are still open problems and questions to be solved in the area of optimal design of PIO and robust nonlinear control approaches based on PIO. On the other hand, the PI-Observer can be used in combination with linear/nonlinear control approaches (due to its simple structure and capability to estimate the system states and disturbances) to improve the performance and robustness of the closed-loop control results. Therefore, this thesis focuses on development and improvement of high gain Proportional-Integral-Observer as well as utilization of this observer in combination with well-known robust control approaches for possible general application in nonlinear systems.
The Modified Advanced PIO (MAPIO) is introduced in this work as the extended version of Advanced PIO (APIO) to tune the gain of PIO according to the current situation. A cost function is defined so that the estimation performance and the related energy can be evaluated. Comparison between advanced observer design approaches has been done in the task of reconstructing the nonlinear characteristics and estimating the external inputs (contact forces) acting to elastic mechanical structures. Simulation results in open-loop and closed-loop cases verified that the performance of MAPIO in the task of unknown input estimation is more robust to different levels of measurement noise in comparison to previous methods e.g. APIO and standard high/low gain PIO.
Furthermore, a new gain design approach of Proportional-Integral-Observer is proposed to overcome the disadvantages of high gain PIO and to realize the estimation of fast dynamical behaviors like unknown impact force. The dynamics of this force input is assumed as unknown. The idea of funnel control is taking into consideration to design the PIO gain. The important advantage of the proposed approach compared to previously published PIO gain design is the self-adjustment of observer gains according to the actual estimation situation inside the predefined funnel area. In this thesis it is shown that the proposed funnel PI-Observer algorithm allows adaptive PIO gain calculation, being able to be situatively adjusted even in the presence of measurement noise. Stability proof of funnel PI-Observer is investigated according to the switching observer condition and Lyapunov theory. The effectiveness of the proposed method is evaluated by simulation and experimental results using an elastic beam test rig. Furthermore, a nonlinear MIMO mechanical system is used to verify the effectiveness of the proposed method in the closed-loop context.
Additionally, this thesis provides two new PI-Observer-based robust controllers as PIO-based sliding mode control and PIO-based backstepping control to improve the position tracking performance of a hydraulic differential cylinder system in the presence of uncertainties e.g. modeling errors, disturbances, and measurement noise. To use the linear PIO for estimation of system states and unknown inputs, the input-output feedback linearization approach is used to linearize the nonlinear model of hydraulic differential cylinder system. Thereupon the result of state and unknown input estimation is integrated into the structure of robust control design (here SMC and backstepping control) to eliminate the effects of uncertainties and disturbances. The introduced PIO-based robust controllers guarantee the ultimate boundness of the tracking error in the presence of uncertainties. The closed-loop stability is proved using Lyapunov theory in both cases. The proposed methods are experimentally validated and the results are compared with the standard SMC and industrial standard approach P-Controller in the presence of measurement noise, model uncertainties, and external disturbances. A general comparison of SMC and backstepping control approaches is provided in the last part of this work.Die Regelung und Überwachung dynamischer Systeme kann voraussetzen, dass Informationen über interne Systemzustände bekannt sind. Die Verwendung von Sensoren zur Erfassung aller Systemzustände kann erhöhte Kosten zur Folge haben und die Systemzuverlässigkeit negativ beeinflussen. Weitere Probleme ergeben sich dadurch, dass ggf. nicht jeder Systemzustand sensorisch erfasst werden kann. Der Beobachter erlaubt die Rekonstruktion aller Systemzustände auf Grundlage weniger Messungen. Neben Systemzuständen können externe Eingangsgrößen wie Reibmomente und Störungen geschätzt werden. Als Konsequenz ermöglicht der Beobachter eine gegenüber Störungen robuste Regelung und Fehlerdiagnose technischer Systeme.
Der Proportional-Integral-Observer (PIO) kann mittels bestehender Entwurfsverfahren einfach implementiert werden. Durch Anpassen der Rückkopplungsmatrix eignet sich der PIO zur kombinierten Schätzung von Zuständen und unbekannten Eingangsgrößen. In diesem Zusammenhang spielt die Wahl einer betragsmäßig großen Rückkopplungsverstärkungsmatrix, als sogenannter High Gain Ansatz, eine entscheidende Rolle. Weiterhin hängt die Performance des PIO von der unbekannten Charakteristik der zu schätzenden Eingangsgröße ab. Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung optimierter Entwurfsverfahren für den Proportional-Integral-Observer und der Entwicklung und Anwendung beobachterbasierter Konzepte zur robusten Regelung nichtlinearer Systeme.
In dieser Arbeit wird der modifizierte Advanced PIO (MAPIO) als erweiterte Version des Advanced PIO (APIO) eingeführt. Der Schätzfehler von MAPIO wird über ein Gütefunktional abgebildet. Das Gütefunktional wird durch Anpassung der Rückkopplungsverstärkungsmatrix an die Charakteristik der unbekannten Eingangsgröße minimiert. Die Performance der modifizierten Beobachterentwurfsansätze wird anhand eines praktischen Beispiels bewertet. Geschätzt wird eine unbekannte Kontaktkraft mit nichtlinearer Charakteristik, die auf ein mechanisches System wirkt. Anhand eines Simulationsbeispiels im offenen und geschlossenen Regelkreis wird die Performance von MAPIO gegenüber vorherigen Verfahren APIO und PIO verifiziert.
Basierend auf der Idee des Funnel Reglers wird ein neuartiges Entwurfskonzept für den Proportional-Integral-Observer vorgestellt. Die Nachteile des PIO-Konzeptes mit hohem Verstärkungsfaktor können überwunden werden und Schätzungen schneller dynamischer Verhaltensweisen lassen sich realisieren. Der Vorteil der neuartigen Funnel PIO Methode ist, dass der Schätzfehler in einem definierten Bereich, der sogenannten Funnel-Area, verbleibt. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass der vorgeschlagene Funnel PIO Algorithmus eine adaptive PIO Verstärkungsberechnung ermöglicht, die auch in Gegenwart von Messrauschen situativ eingestellt werden kann. Der Stabilitätsnachweis von Funnel PIO wird mittels der Lyapunov Theorie untersucht. Die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Methode wird durch Simulation und experimentelle Ergebnisse validiert. Eine auf einen elastischen Balken wirkende äußere Kraft mit nichtlinearer Charakteristik wird geschätzt. Ein nichtlineares MIMO System wird verwendet, um die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Methode im geschlossenen Regelkreis zu verifizieren.
In dieser Arbeit werden zwei neue PI-Observer basierte robuste Regelungen (PIO-basierte Sliding Mode und PIO-basierte Backstepping Regelung) vorgestellt. Die Positionsregelung eines hydraulischen Differentialzylinders in Gegenwart von Modellunsicherheiten, Störungen und Messrauschen wird untersucht. Zur Anwendung der PIO-basierten Störgrößenschätzung wird eine Ein-/Ausgangs-Linearisierung des nichtlinearen Modells vorgenommen. Die Stabilität des geschlossenen Regelkreises wird in beiden Fällen mit der Lyapunov Theorie bewiesen. Die vorgeschlagenen Methoden werden experimentell validiert und die Ergebnisse werden mit dem Standard Sliding Mode Regler und einem P-Regler in Gegenwart von Messrauschen, Modellunsicherheiten und externen Störungen verglichen
Optimization of fuel cell bipolar plates for automotive application
Get PDFIn dieser Arbeit wird das Potential der Bipolarplatten von Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM)- Brennstoffzellen zur Steigerung der Leistung und Lebensdauer untersucht. Für die medienführenden Bereiche der Bipolarplatte werden Designrichtlinien entwickelt, die die Auslegung dieser Bereiche auf hohe Stromdichten und homogene Medienverteilung vereinfachen. Im zweiten Abschnitt wird eine Validierungsmethode für automobile Brennstoffzellen mittels kleinen Laborzellen entwickelt, um die Kosten für die Validierung der Bipolarplattendesigns zu reduzieren. Abschließend wird mit den entwickelten Designrichtlinen eine automobile Brennstoffzellenbipolarplatte neu ausgelegt und simulativ und experimentell validiert.
Für die Kanalauslegung im aktiven Bereich wird ein empirisches Rechenmodell entwickelt, das die Wechselwirkungen der mechanischen Eigenschaften der Gasdiffusionslage und der Kanalgeometrie bestimmt. Für die Quantifizierung der Ergebnisse des Modells auf die Spannungsverluste der Brennstoffzelle wird ein neues Messverfahren zur Bestimmung des Kontaktwiderstands zwischen mikroporöser Schicht und Katalysatorschicht vorgestellt. Damit ist die schnelle Bewertung verschiedener Kombinationen aus Kanalgeometrien und Gasdiffusionslagen möglich, um die bestmögliche Kombination für hohe Leistungsdichten zu finden. Als Zielvorgabe des Kontaktdrucks zwischen mikroporöser Schicht und Katalysatorschicht wird ein Minimalwert von über 0,19MPa empfohlen. Der Einfluss der Stegbreite im aktiven Bereich wird mit Hilfe von Simulationen bestimmt mit dem Ergebnis, dass vor allem bei hohen Stromdichten die Diffusion des Sauerstoffs durch schmale Stege begünstigt werden muss. Für die Betriebsstabilität der Brennstoffzelle durch die Gasgeschwindigkeiten in den Kanälen des aktiven Bereichs spielt die Stegbreite nur eine untergeordnete Rolle im Vergleich zur Permeabilität der Gasdiffusionslage, die bei unter 0,9 * 10E-15 m² liegen sollte.
Die Bipolarplatte kann einen negativen Einfluss auf die Lebensdauer der PEM-Brennstoffzelle haben. Zur Minimierung des Einflusses und damit Steigerung der Lebensdauer werden für die Verteilstruktur und die Hauptkanäle der Bipolarplatte Designrichtlinien entwickelt, die in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen und des Bipolarplattendesigns die Verteilung der Medien im aktiven Bereich optimieren. Die Auslegung der Verteilstrukturen sollte über die Druckverlustanteile der Verteilstrukturen am Gesamtdruckverlust der Bipolarplatte erfolgen, da dieser Einfluss deutlich größer als der der Betriebsbedingungen ist. Für die Hauptkanäle des Brennstoffzellenstapels gibt es je nach Zellanzahl im Stapel und dem Druckverlust der Einzelzellen ein optimales Verhältnis für Wasserstoff-, Luft- und Kühlmittelhauptkanäle, um das der jeweilige Auslasshauptkanal größer als der Einlasshauptkanal sein sollte.
Zur experimentellen Validierung der Bipolarplattendesigns und derer Wechselwirkungen mit der Gasdiffusionslage sind üblicherweise teure Prototypen nötig. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass das Verhalten von automobilen Bipolarplatten auch mittels kostengünstigen kleinen Laborzellen in Abschnitten nachgestellt werden kann, so dass Herstellkosten und -zeit in der Designvalidierung
gespart werden.
Als Abschluss der Arbeit werden die Kanäle der Verteilstruktur und des aktiven Bereichs eines bestehenden automobilen Bipolarplattendesigns nach den Designrichtlinien neu ausgelegt, um die elektrische Stromdichte und die Verteilung der Medien zu erhöhen. Mit dem experimentell und simulativ validierten Design wird eine Stromdichte von 2,13 A/cm² bei 0,618V (1,32 W/cm²)
erzielt.This thesis focuses on the polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell’s bipolar plates potential to increase the power density and durability of the fuel cell stack. Design guidelines are developed for the fluid containing areas of the PEM fuel cell to simplify the design process for high current densities and homogenous fluid distribution in these areas. Secondly, a method to validate the design for automotive fuel cell bipolar plates with laboratory sized plates is proposed and with the design guidelines the active area of an automotive fuel cell is redesigned and validated by simulation and experiment.
An empirical model for the interdependencies between the channel width and the mechanical properties of the gas diffusion layer (GDL) is developed. This is combined with the experimental results from a newly developed test method for the contact resistance between the GDL’s micro porous layer and the catalyst layer. This new model allows for quick iterations in the design process without time consuming simulations for each individual design. A target of 0,19MPa is proposed for the minimum contact pressure to reduce electrical losses. For high current density applications the landing width in the active area has to be as small as possible to reduce diffusion losses. In combination with the small landing width the GDL’s permeability should be lower than 0,9 * 10E-15 m² to ensure a stable operation of the fuel cell.
The fluid distribution should be as homogenous as possible to reduce the bipolar plate’s effect on the fuel cell durability. For the cross flow region this is achieved by a minimum pressure drop proportion of the total bipolar plate’s pressure drop. The fuel cell’s header design is dependent on the cell count of the fuel cell stack and the pressure drop across the single cell. For all three fluids - hydrogen, air and coolant - an optimum header size relation exists, of which the outlet header should be larger than the inlet header, in order to improve flow distribution across the cells.
The experimental validation of automotive bipolar plates, and their interdependencies with the gas diffusion layer, typically requires a complex and expensive prototype. In this thesis it is shown that the behavior of automotive fuel cells can be recreated by small fuel cells in laboratory dimensions, which saves time and production cost in the design phase of a new bipolar plate.
Finally, the developed design guidelines are applied to an existing automotive bipolar plate to redesign the cross flow region and active area to increase current density and fluid distribution. This design is validated by simulation and experiment and achieves a current density of 2,13 A/cm² at 0,618V (1,32 W/cm²