Universiẗat, Diss., 2001--Bonn.

Universiẗat, Diss., 2003--Bonn.

Techn. University, Diss., 2004--Darmstadt.

Für die Entwicklung neuer Technologien wird mehr und mehr der Einsatz von Spritzschichten benötigt. Hiermit lassen sich die komplexen Anforderungen an die Oberflächeneigenschaften erfüllen. Die thermischen Spritzverfahren werden immer mehr auch zum Mittelpunkt von Industrieanwendungen und bieten ein großes Anwendungsgebiet. Die Steigerung der Produktivität und der Leistung von technischen Anlagen und Maschinen erhöht gleichzeitig auch die Beanspruchung der Bauteile. Daher ist es notwendig, dass hochbeanspruchte oder gefährdete Oberflächen durch thermisches Spritzen geschützt werden, so dass sie den Belastungen besser standhalten. Ebenso führt die allgemeine Rohstoffknappheit dazu, dass Maschinenteile nicht vollständig aus bestimmten Materialien gefertigt werden können. Diese Teile können durch eine geeignete Oberflächenbeschichtung rohstoffsparend und damit kostengünstig hergestellt werden. Ein weiteres Anwendungsgebiet für das thermische Spritzen ist die Reparatur verschlissener Teile. Die hohe Flexibilität des thermischen Spritzens, die geringen Reparaturkosten und die damit verbundenen kurzen Ausfallzeiten kommen der Industrie zu Gute. Nach wie vor existiert keine Online-Prozesskontrolle, welche die relevanten Größen der Wechselwirkung Flamme – Spritzzusatzwerkstoff erfassen kann. Die Schichtoptimierung erfolgt weitestgehend durch eine empirische Veränderung der Spritzparameter und die anschließende Analyse und Zuordnung der Parameter zu den Ergebnissen. Hierbei beschränkt sich die Prozesskontrolle auf das Einstellen konstanter Werte für die regelbaren Eingangsgrößen. Bei diesen Möglichkeiten wird vorausgesetzt, dass bei konstanten Maschineneinstellungen auch ein konstanter Prozess mit reproduzierbaren Ergebnissen vorliegt. Im täglichen Umgang ist jedoch festzustellen, dass die Ergebnisse über einen längeren Zeitraum meist nicht reproduzierbar sind. Eine online arbeitende Meßmethode, die Aussagen über die Geschwindigkeit und Erwärmung der Spritzpartikel macht, liefert die Grundlage für reproduzierbare Ergebnisse. An Stelle der Anlagensteuergrößen werden Partikelparameterkorrelierte Messgrößen überwacht bzw. für eine Steuerung verwendet. Der Zugang zu Flammen- bzw. Partikeltemperatur erfolgt mit Hilfe der optischen Emissionsspektroskopie. In der vorliegenden Arbeit wird das Emissionsspektrum an zwei Orten entlang der Plasmaachse ausgewertet. Aus dem Intensitätsverhältnis von mehreren Spektrallinien eines Elements wird die Temperaturentwicklung der Partikel ermittelt (Temperaturbestimmung an mehreren Orten) und damit auch deren Geschwindigkeit beurteilt. Kenntnisse über die Temperatur- und Geschwindigkeitsverteilung geben die Möglichkeit reproduzierbare Schichten herzustellen, da die Bedingungen zu einem späteren Zeitpunkt exakt reproduziert werden können. Durch fluiddynamische Rechnungen wird der Nachweis erbracht, dass die Temperatur- und Geschwindigkeitsfelder des Plasmas und der injizierten Partikel miteinander korreliert sind. Im Verlauf dieser Arbeit wird weiterhin gezeigt, dass die genannten Messgrößen eine Signifikanz zum Spritzprozess aufweisen. Mögliche Störeinflüsse sowie eine Fehlerbetrachtung ergänzen die gewonnen Aussagen.

Durch die Fokussierung eines ultrakurzen und hochintensiven Laserpulses auf ein Festkörpertarget können Pulse von Protonen und anderen positiv geladenen Ionen mit Teilchenenergien von einigen MeV pro Nukleon erzeugt werden. Die Charakterisierung dieser Teilchenstrahlung erfordert die Identifizierung der Ionenspezies und die Bestimmung ihrer spektralen Verteilung möglichst nach jedem Puls. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurden zwei Spektrometer entwickelt und am DRACO-Lasersystem des Forschungszentrums Dresden implementiert. Neben der Inbetriebnahme eines Thomson-Spektrometers mit einer Mikrokanalplatte und einem Fluoreszenzschirm als Auslese erfolgte die Entwicklung eines Flugzeitspektrometers. Die Verwendung einer Mikrokanalplatte mit nur 180ps Anstiegszeit als Signalverstärker sorgt darin für eine verbesserte Energieauflösung und einen flexibleren Einsatz im Experimentierbetrieb. Ein dem Flugzeitsignal überlagertes Störsignal, welches durch die Einstreuungen eines elektromagnetischen Impulses in den Aufbau verursacht wurde, konnte erfolgreich durch die Anwendung verschiedener Filter unterdrückt werden. Als Ergebnis dieser Arbeit steht eine anwendungsbereite Diagnostik für laserbeschleunigte Protonen und Ionen zur Verfügung. / By focusing an ultra-short high-intensity laser pulse on a solid target, pulses of protons and other positive charged ions with energies of several MeV per nucleon are generated. It is necessary to identify the species of those particles and obtain their energy spectra in a single-shot regime. Within this diploma thesis two spectrometers have been developed and implemented in the DRACO-laboratory of the Forschungszentrum Dresden. Besides a Thomson spectrometer with read-out via microchannel plate and phosphor screen, a time-of-flight spectrometer was developed. The usage of a microchannel plate with 180ps rise time as a signal amplifier leads therein to a better energy resolution and a more flexible handling in experimental operation. A noise signal generated by stray pick-up of an electromagnetic pulse and superimposing the time-of-flight signal was considerably reduced by the application of different filters. As a result of this work a ready-to-use diagnostic for laser accelerated protons and ions is available.

Durch die Fokussierung eines ultrakurzen und hochintensiven Laserpulses auf ein Festkörpertarget können Pulse von Protonen und anderen positiv geladenen Ionen mit Teilchenenergien von einigen MeV pro Nukleon erzeugt werden. Die Charakterisierung dieser Teilchenstrahlung erfordert die Identifizierung der Ionenspezies und die Bestimmung ihrer spektralen Verteilung möglichst nach jedem Puls. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurden zwei Spektrometer entwickelt und am DRACO-Lasersystem des Forschungszentrums Dresden implementiert. Neben der Inbetriebnahme eines Thomson-Spektrometers mit einer Mikrokanalplatte und einem Fluoreszenzschirm als Auslese erfolgte die Entwicklung eines Flugzeitspektrometers. Die Verwendung einer Mikrokanalplatte mit nur 180ps Anstiegszeit als Signalverstärker sorgt darin für eine verbesserte Energieauflösung und einen flexibleren Einsatz im Experimentierbetrieb. Ein dem Flugzeitsignal überlagertes Störsignal, welches durch die Einstreuungen eines elektromagnetischen Impulses in den Aufbau verursacht wurde, konnte erfolgreich durch die Anwendung verschiedener Filter unterdrückt werden. Als Ergebnis dieser Arbeit steht eine anwendungsbereite Diagnostik für laserbeschleunigte Protonen und Ionen zur Verfügung. / By focusing an ultra-short high-intensity laser pulse on a solid target, pulses of protons and other positive charged ions with energies of several MeV per nucleon are generated. It is necessary to identify the species of those particles and obtain their energy spectra in a single-shot regime. Within this diploma thesis two spectrometers have been developed and implemented in the DRACO-laboratory of the Forschungszentrum Dresden. Besides a Thomson spectrometer with read-out via microchannel plate and phosphor screen, a time-of-flight spectrometer was developed. The usage of a microchannel plate with 180ps rise time as a signal amplifier leads therein to a better energy resolution and a more flexible handling in experimental operation. A noise signal generated by stray pick-up of an electromagnetic pulse and superimposing the time-of-flight signal was considerably reduced by the application of different filters. As a result of this work a ready-to-use diagnostic for laser accelerated protons and ions is available.

The development and application of new cloud retrieval methods from ground–based and airborne measurements of spectral radiance fields above heteorogeneous surfaces is introduced. The potential of imaging spectrometers in remote–sensing applications is evaluated. The analyzed spectral radiance fields were measured during two international field campaigns in the visible wavelength range (400–970 nm) with high spatial (<10m) resolution. From ground–based measurements, high ice clouds were observed and from airborne measurements Arctic stratus. From the measurements, cloud optical thickness is retrieved with high spatial resolution and the horizontal cloud inhomogeneities are investigated. Depending on the measurement configuration, different uncertainties arise for the retrieval of the cloud optical thickness. A reduction of those uncertainties is derived by a specification of the ice crystal shape to improve the retrieval of the optical thickness of high ice clouds. The ice crystal shape is obtained independently from the angular information of the scattering phase function features, imprinted in the radiance fields. A performed sensitivity study reveals uncertainties of up to 90%, when neglecting this information and applying a wrong crystal shape to the retrieval. For remote-sensing of Arctic stratus, the highly variable surface albedo influences the accuracy of the cloud optical thickness retrieval. In cloudy cases the transition of reflected radiance from open water to sea ice is not instantaneous but horizontally smoothed. In general, clouds reduce the reflected radiance above bright surfaces in the vicinity of open water, while it is enhanced above open sea. This results in an overestimation of to up to 90% in retrievals of the optical thickness. This effect is investigated. Using observations and three-dimensional radiative transfer simulations, this effect is quantified to range to up to 2200 m distance to the sea-ice edge (for dark-ocean albedo of αwater = 0.042 and sea-ice albedo of αice = 0.91 at 645 nm wavelength) and to depend on macrophysical cloud and sea-ice properties. The retrieved fields of cloud optical thickness are statistically investigated. Auto–correlation functions and power spectral density analysis reveal that in case of clouds with prevailing directional cloud structures, cloud inhomogeneities cannot be described by a universally valid parameter. They have to be defined along and across the prevailing cloud structures to avoid uncertainties up to 85%. / Im folgenden wird die Entwicklung und Anwendung neuer Ableitungsverfahren von Wolkenparametern, basierend auf bodengebundener und flugzeuggetragener spektraler Strahldichtemessungen über heterogenen Untergründen, vorgestellt und das Fernerkundungspotential abbildender Spektrometer evaluiert. Die spektralen Strahldichtefelder wurden während zweier internationaler Feldkampagnen im sichtbaren Wellenlängenbereich (400–970 nm) mit hoher räumlich Auflösung (<10m) gemessen. Bodengebundene Messungen wurden genutzt, um hohe Eiswolken zu beobachten und flugzeuggetragenen um arktischen Stratus zu beobachten. Aus den Messungen werden räumlich hochaufgelöste wolkenoptische Dicken abgeleitet und anschließend horizontale Wolkeninhomogenitäten untersucht. Die Ableitung der wolkenoptischen Dicke birgt je nach Messkonfiguration verschiedene Unsicherheiten. Eine Reduzierung der Unsicherheiten wird durch die Vorgabe einer Eiskristallform zur Verbesserung der Ableitung der optischen Dicke hoher Eiswolken erreicht. Diese werden unabhängig aus den winkelabhängigen, in das gemessene Strahldichtefeld eingeprägten Eigenschaften der Streuphasenfunktion, abgeleitet. Bei Vernachlässigung dieser Information und Wahl der falschen Eiskristallform, treten Fehler in der abgeleiteten optischen Dicke von bis zu 90% auf. Bei der Fernerkundung von arktischem Stratus beeinflusst die sehr variable Bodenalbedo die Genauigkeit der Ableitung der optischen Dicke. Beim Übergang von Meereis zu Wasser, findet die Abnahme der reflektierten Strahldichte im bewölktem Fall nicht direkt über der Eiskante, sondern horizontal geglättet statt. Allgemein reduzieren Wolken die reflektierte Strahldichte über Eisflächen nahe Wasser, während sie über dem Wasser erhöht wird. Dies führt zur Überschätzung der wolkenoptischen Dicke über Wasserflächen nahe Eiskanten von bis zu 90 %. Dieser Effekt wird mit Hilfe von Beobachtungen und dreidimensionalen Strahlungstransferrechnungen untersucht und es wird gezeigt, dass sein Einfluss noch bis zu 2200 m Entfernung zur Eiskante wirkt (für Meeresalbedo 0.042 und Meereisalbedo 0.91 bei 645 nm Wellenlänge) und von den makrophysikalischen Wolken- und Meereiseigenschaften abhängt. Die abgeleiteten Felder der optischen Dicke werden statistisch ausgewertet, um die Inhomogeneität der Wolken zu charakterisieren. Autokorrelationsfunktionen und Leistungsdichtespektren zeigen, dass Inhomogenitäten von Wolken mit vorranging richtungsabhängiger Struktur nicht mit einem allgemeingültigen Parameter beschrieben werden können. Es sind Inhomogenitätsmaße entlang und entgegen der jeweiligen Wolkenstrukturen nötig, um Fehler von bis zu 85% zu vermeiden.

Diese Dissertation ist innerhalb eines Teilprojekts des Schwerpunktprogramms SPP1233 ”Megacities Megachallenge - Informal Dynamics of Global Change“ entstanden. Thema der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung der heterogenen Reflexion der Sonnenstrahlung an urbanen Bodenoberflächen, sowie deren Einfluss auf die Bestimmung der optischen Dicke von Aerosolpartikeln aus Satellitendaten. Zu diesem Zweck wurden flugzeuggetragene Messungen der spektral aufgelösten, reflektierten solaren Strahlung durchgeführt. In dieser Arbeit werden Messungen mit dem SMART-Albedometer (Spectral Modular Airborne Radiation measurement sysTem) präsentiert, die im Rahmen zweier Messkampagnen in Leipzig im September 2007 und in Zhongshan, China im Dezember 2009 erfasst wurden. Die spektrale Bodenreflektivität und Bodenalbedo wurden aus den spektralen Messungen der aufwärtsgerichteten Stahldichte (Radianz) und Strahlungsflussdichte (Irradianz) bestimmt. Dazu wurden eindimensionale Strahlungsübertragungsrechnungen durchgeführt. Der Einfluss der Flughöhe auf die Bodenreflektivität und Bodenalbedo wird anhand eines Messbeispiels, sowie einer Modellstudie mit ein- und dreidimensionalen Strahlungsübertragungsrechnungen diskutiert. Für beide Untersuchungsgebiete, Leipzig und Zhongshan, wird die Heterogenität der Reflexion solarer Strahlung an urbanen Oberflächen gezeigt. Der Einfluss der im operationellen Aerosolalgorithmus des satellitengetragenen Instrumentes MODIS (MODerate resolution Imaging Spectroradiometer) getroffenen Annahmen zur Bodenreflektivität auf die optische Dicke von Aerosolpartikeln, wurde mittels der gemessenen spektralen Bodenreflektivität und einer auf Strahlungsübertragungsrechnungen basierenden Modellstudie quantifiziert. Ein linearer Zusammenhang zwischen Bodenreflektivität und optischer Dicke von Aerosolpartikeln wird für beide Fallbeispiele gezeigt. Mittels der Messungen in Zhongshan kann bestätigt werden, dass die Bodenreflektivität für urbane Oberflächen im Aerosolalgorithmus unterschätzt wird. Im Rahmen der Modellstudie wird die Sensitivität des Aerosolalgorithmus auf die programminternen Annahmen zur Bodenreflektivität quantifiziert.

The subject of this thesis is the development of a hybrid-integrated scanning grating spectrometer based on a micro-opto-electro-mechanical device or a micro-opto-electromechanical system, respectively. Features of spectral measurement system to be emphasized are a miniaturized construction with the volume of about a sugar cube, a corresponding low mass and low power consumption. In contrast to comparable and currently available spectroscopic instruments with compact physical dimensions, the system offers advantages in terms of enhanced mobility, portability, energy efficency, feasibility for on-site analysis and sensor integration. Miniaturized spectroscopes can help to address new areas of application as well as improve already existing applications. Food analysis, medical care, environmental monitoring, qualtiy inspection, process control, generation of bioenergy as well as safety and security tasks are exemplary fields of application. Within these areas, organic compounds ubiquitously to our everyday life play an important role. The near-infrared spectral band, that is the measurement range of the hybrid-integrated grating spectrometer, is well suited for the detection as well as the qualitative and quantitative analysis of organic compounds. The system follows the construction of a Czerny-Turner grating monochromator that is characterized by a rotatable mounted diffraction grating as well as separated optics for collimation and refocusing. By the rotation of the dispersive element, the spectrum is scanned across the fixed detector and sampled time-discretely. In the case of the hybrid-integrated spectrometer, the grating is part of a micro-opto-mechanical system, with the size of about 50 mm², developed at the Fraunhofer IPMS. Additionally to the grating, the corresponding driving mechanism, the position detection for the deflection angle and two optical slits are part of this device, as well. Integrating several functional components into one structural element is the main strategy of the construction process and is applied to all remaining features. A potentioally serial manufacturing is taken into account by the assembly and joining technology involved. Apart from the theoretical basics, the state of the art, the system specifications as well as the constructive and experimental results, a major part of this thesis is concerned with the technological and constructive boundary conditions, an analytical system description and the discussion of the solution space of this class of spectroscopic instruments. / Das Thema der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines hybrid-integrierten Gitterspektrometers basierend auf einem mikro-opto-elektro-mechanischen Bauelement. Auszeichnen soll sich das spektrale Messsystem durch einen miniaturisierten Aufbau mit dem Volumen eines Stück Würfelzuckers, einem dementsprechend geringen Gewicht und einer niedrigen Leistungsaufnahme. Im Vergleich zu bereits verfügbaren kompakten Spektralapparaten gleicher Funktionsweise ergeben sich Vorteile hinsichtlich Mobilität, Portabilität, Energieeffizienz, Anwendbarkeit in der Vor-Ort-Analytik und Sensorintegration. Mit miniaturisierten Spektrometern lassen sich neue Anwendungsgebiete adressieren und für bestehende Applikation bislang ungenutzte Entwicklungspotenziale erschließen. Exemplarische Einsatzfelder sind die Lebensmittelanalytik, Medizin- und Umweltmesstechnik, Qualitäts- und Prozesskontrolle, Bioenergiegewinnung sowie Sicherheitsanwendungen. In diesen Gebieten spielen die in unserem Alltag oft vorkommenden organischen Verbindungen eine wichtige Rolle. Zu ihrer qualitativen und quantitativen Analyse ist insbesondere der nahinfrarote Spektralbereich geeignet, in welchem das hybrid-integrierte Gitterspektrometer messen soll. Der Aufbau des Systems entspricht einem Czerny-Turner-Gittermonochromator, der durch ein drehbar gelagertes Beugungsgitter sowie eine getrennte Kollimations- und Refokussieroptik charakterisiert wird. Durch die Drehung des dispersiven Elementes verschiebt sich das Spektrum über einen ortsfesten Detektor, der die zeitdiskrete Abtastung durchführt. Im miniaturisierten Spektrometer ist das Gitter Teil eines am Fraunhofer IPMS hergestellten mikro-opto-elektro-mechanischen Bauelementes mit einer Fläche von nur 50 mm². In dieser Komponente sind neben dem dispersiven Element auch dessen Antrieb, die Positionsdetektion zum Bestimmen der Gitterauslenkung und zwei optische Spalte zusammengefasst. Die Strategie, mehrere Funktionskomponenten über geeignete Mikrofertigungstechniken in ein Bauteil zu integrieren, wird auch auf alle anderen Systembestandteile angewendet. Die Aufbau- und Verbindungstechniken zum Justieren und Montieren der komplexen Bauelemente berücksichtigt eine potenzielle Serienfertigung. Neben den theoretischen Grundlagen, dem Stand der Technik, den Systemspezifikationen sowie den konstruktiven und experimentellen Resultaten befasst sich die Arbeit eingehend mit technologischen und konstruktiven Randbedingungen, einer analytischen Systembeschreibung und der Behandlung des Lösungsraumes für diese Klasse von Spektralapparaten.

The atomic dynamics in liquids is still a challenging subject. The objective of this thesis was to study how the dynamics depends on the TYPE of the atomic interaction. Dynamic properties extracted from inelastic neutron scattering experiments on three binary systems clearly show a discontinous behaviour in the transition from a pure metallic to an ionic and partly covalent bonding regime. Further, results of Monte-Carlo simulations of a new type of spectrometer, a Neutron-Brillouin-Spectrometer, that is currently under construction, are presented. / In dieser Arbeit wurde der Einfluss der Art der zwischenatomaren Wechselwirkung auf die atomare Dynamik in Fluessigkeiten untersucht. Dafuer wurden geeignete binaere Systeme ausgewaehlt und deren Dichtefluktuationen mittels unelastischer Neutronenstreuung gemessen. Neben den teilweise bekannten strukturellen Veraenderungen, die beim Uebergang von rein metallischen zu ionischen und teilweise kovalenten Bindungen auftreten, konnten vor allem die Auswirkungen wechselnder Bindungsverhaeltnisse auf eine Reihe dynamischer Eigenschaften nachgewiesen werden. Besonders hervorzuheben sind dabei der Nachweis eines Hochfrequenzbandes im Frequenzspektrum des fluessigen RbSb sowie in den fluessigen Na-Sn Legierungen die Aufspaltung der aus der longitudinalen Stromkorrelationsfunktion abgeleiteten Dispersion in zwei Baender, die die verschiedenartige Dynamik der unterschiedlich schweren Komponenten widerspiegeln. Desweiteren werden in dieser Arbeit Ergebnisse umfangreicher Monte-Carlo Simulationen fuer ein im Bau befindliches neuartiges Neutronen-Brillouin-Spektrometer vorgestellt.