Das Bereitstellen von Parametern bezüglich Auflösungsvermögen und effektiver Auflösung ist ein gut erforschtes Wissenschaftsfeld, dennoch sind noch einige offen Fragen zu klären, wenn eine standardisierte Erhebung angestrebt wird. Zu diesem Zweck ist im Rahmen der vorliegenden Arbeit ein Framework definiert und mathematisch und methodologisch beschrieben worden unter Einbeziehung aller untergeordneten Prozesse. Weiterhin liefert sie einen detaillierten Überblick zu den verwendeten Methoden und Strukturen, um räumliche Auflösung zu messen. Das zuvor definierte Framework wird darüber hinaus genutzt, um alle zugehörigen Probleme bezüglich eines genormten Prozesses zu identifizieren und zu lösen. Der so definierte Prozess ist außerdem Teil der bevorstehenden, neuen Norm: DIN 18740-8. Im Hinblick auf die Norm sind alle Messeinflüsse an den möglichen Stellen quantifiziert worden und an Stellen, wo dies nicht möglich ist, wurden Vorkehrungen definiert, die diese Einflüsse mindern. Darüber hinaus wurde ein zugehöriges Softwaretool entwickelt, das ebenfalls die neue Norm unterstützt. Als weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit wurde ein Verfahren zur Verbesserung der räumlichen Auflösung entwickelt und bewertet. Das zugehörige Softwaretool kombiniert dabei verschiedene Super-Resolution-Ansätze unter Einbeziehung zusätzlicher Kenntnis über die Bildqualität. Der neuartige Super-Resolution-Ansatz verbessert die räumliche Auflösung von Luftbildern und True-Ortho-Mosaiken indem er ein Set von niedrig aufgelösten Rohbildern, deren optimierter, äußerer und innerer Orientierung und die abgeleitete 3D-Oberfläche als Eingangsdaten akzeptiert. Anschließend werden ein oder mehrere hochaufgelöste Bilder als hybride Kombination von klassischen Super-Resolution-Methoden und De-Mosaikierung berechnet, unter Berücksichtigung der photogrammetrischen Projektionen auf die 3D-Oberfläche. Dabei werden Limitierungen der Bildkoregistrierung mit üblich verwendeten Optical-Flow-Ansätzen überwunden. / Although acquisition of resolving power and effective spatial resolution is a well-studied field of research, there are still several scientific questions to be answered when it comes to a standardized determination. Therefore, this thesis provides a description of a framework for the imaging process of remote sensing sensors mathematically and methodologically including imaging components and subsequent processes. Furthermore, a detailed review for different structures and methods to measure spatial resolution is included. Aforementioned framework then is utilized to identify related issues to a standardized process obtaining spatial resolution parameters as an image quality criterion to support an upcoming standard DIN 18740-8. With respect to define the norm-procedure every measurement influence is quantified where possible and in other cases arrangements are specified to diminish their influence. Moreover, the development of an associated software measurement tool has been accomplished as part of this thesis, which also supports the norm for aerial image quality, spatial resolution in particular. As part of a further objective of this thesis, a super-resolution approach to improve spatial resolution of aerial images has been developed and evaluated. The related software tool is able to combine different super-resolution techniques and includes known image quality parameter in subsequent calculations. The novel super-resolution approach improves spatial resolution of aerial imagery and true ortho-mosaics by taking a set of multiple low-resolved raw images (color filter array), their optimized exterior and interior orientation parameters and the derived 3D-surface as input. Then, one or more super-resolved images are calculated as a hybrid of classic super-resolution method and demosaicing while considering photogrammetric back-projections onto the 3D-surface. Thereby, limitations of image co-registration with commonly used optical flow approaches can be neglected.

This paper aims to assess land cover change by high-resolution remote satellite images in Bo Trach district, Quang Binh province. The study used eCognition Developer 9.1 to classify SPOT and Sentinal-2 images of the study area. Objects on the images are characterized by values of Channels, including Red, Green, Blue, NIR, Brightness, NDVI, and RIV. Since then, maps of land cover status in the year of 2005, 2010, and 2017 were created with high accuracy 92.22%, 91.28%, 94.22%, respectively. Overlaid three land cover maps to develop the land cover change maps of two periods 2005-2010 (period 1) and 2010-2017 (period 2). The results show that there is a variation in the area of land cover types, especially agriculture and forest land. Of which, agrarian land increased by 7.7% in period 1 and 9.95% in period 2. Whereas, forest land decreased by 0.6% in period 1 and 1.5% in period 2. / Bài báo này nhằm mục đích đánh giá biến động sử dụng đất bằng viễn thám độ phân giải cao tại huyện Bố Trạch, tỉnh Quảng Bình. Nghiên cứu sử dụng phần mềm eCognition Developer 9.1để phân loại ảnh ảnh SPOT và Sentinal-2 trên địa bàn nghiên cứu. Các đặc trưng của đối tượng trên ảnh được xác định dựa trên giá trị độ sáng các Kênh 1, Kênh 2, Kênh 3, Kênh 4, giá trị độ sáng trung bình (Brightness), chỉ số khác biệt thực vật (NDVI) và tỷ số thực vật (RIV). Từ đó xây dựng được các bản đồ lớp phủ mặt đất các năm 2005, 2010, 2017 với độ chính xác lần lượt là 92,22%, 91,28%, 94.22%. Chồng ghép các bản đồ lớp phủ mặt đất, xây dựng bản đồ biến động sử dụng đất giữa hai thời kỳ 2005-2010 và 2010-2017. Kết quả nghiên cứu cho thấy có sự thay đổi giữa các loại hình lớp phủ gồm: đất nông nghiệp tăng khoảng 7,7% giai đoạn 1 và 9,95% giai đoạn 2. Đất lâm nghiệp giảm khoảng 0,6% giai đoạn 1 và 1,5% giai đoạn 2.

The electrical properties, in particular the U–I characteristics, current and voltage signal shapes within the pulse, are important parameters for the understanding of the processes taking place in the pulsed glow discharge (PGD). The electrical properties are also closely related to the analytical performance of the PGD such as sputtering rates, crater shapes and emission yields. Moreover, the dependence of the U–I plots on the density of the discharge gas can be used to estimate the gas temperature. This result is relevant for the analysis of thermally fragile samples. Nevertheless, there is a lack of PGD studies where the current and voltage signals are considered in detail. Therefore, this article is dedicated to the electrical properties of PGD. The influence of the PGD parameters (duty cycle and pulse duration) on the electrical properties is examined. The results highlight the optimum parameters for particular analytical applications. The question, whether direct current (dc) and radio frequency (rf) discharges behave similarly is also discussed and all experiments are performed for both modes. The comparative studies reveal strong similarities between dc and rf pulsed discharges. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

In der vorliegenden Arbeit wird ein Mikroresonator für die kernmagnetische Resonanzspektroskopie kleinster Probenvolumen entwickelt. Der Resonator besteht aus einem Mikrodetektor und einer elektrisch steuerbaren Kapazität für den Resonanzabgleich. Beide Bauteile sind speziell an die Anforderungen des Messverfahrens angepasst. Der Mikrodetektor, welcher die Funktion der Erregung der Kernspins und die Detektion des Messsignals erfüllt, weist aufgrund seiner besonderen Geometrie ein weitgehend homogenes statisches Magnetfeld im Bereich des Probenvolumens auf. Daraus resultieren eine Verbesserung der spektralen Auflösung und eine Steigerung der Empfindlichkeit. Die elektrisch steuerbare Kapazität weist eine hohe elektrische Güte und eine hohe Spannungsfestigkeit auf, wodurch die Verwendung von hohen Pulsleistungen möglich ist. Der Nachweis der Funktionalität des Systems erfolgt durch die Integration des Mikroresonators in einen Probenkopf, welcher zur Messung von Test- und Referenzsignalen eingesetzt wird. Anhand der Messwerte wird gezeigt, dass die neue Entwicklung eine sehr hohe Empfindlichkeit und eine deutlich höhere spektrale Auflösung als andere Detektorsysteme dieser Art aufweist und somit besonders gut für die Messung von sehr kleinen Probenvolumen geeignet ist. / The thesis describes the development of a micro resonator for nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy of very small sample volumes. The resonator consists of a microcoil and an electrically adjustable capacitance for resonance tuning. Both components are specially designed for the purpose of NMR. The microcoil excites the nuclear spins and detects the measurement signal. Due to the special cylindrical geometry, the detector provides a very homogenous spatial distribution of the static magnetic field at the location of the sample. This leads to improved spectral resolution and increased sensitivity. The electrically adjustable capacitance provides a high quality factor and high voltage stability. Hence, short excitation pulses with high bandwidth can be applied. The components are integrated into a specially designed probe. The functionality of the system is demonstrated by test and reference measurements. The measurement results verify the high sensitivity and the high spectral resolution. Hence, the system is applicable and well suited for NMR measurements of small sample volumes.

The electrical properties, in particular the U–I characteristics, current and voltage signal shapes within the pulse, are important parameters for the understanding of the processes taking place in the pulsed glow discharge (PGD). The electrical properties are also closely related to the analytical performance of the PGD such as sputtering rates, crater shapes and emission yields. Moreover, the dependence of the U–I plots on the density of the discharge gas can be used to estimate the gas temperature. This result is relevant for the analysis of thermally fragile samples. Nevertheless, there is a lack of PGD studies where the current and voltage signals are considered in detail. Therefore, this article is dedicated to the electrical properties of PGD. The influence of the PGD parameters (duty cycle and pulse duration) on the electrical properties is examined. The results highlight the optimum parameters for particular analytical applications. The question, whether direct current (dc) and radio frequency (rf) discharges behave similarly is also discussed and all experiments are performed for both modes. The comparative studies reveal strong similarities between dc and rf pulsed discharges. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Ziele wie eine hohe Auflösung und ein hoher Durchsatz sind bisher in der Elektronenstrahllithografie nicht gleichzeitig erreichbar; es existieren daher die Belichtungskonzepte Gaussian-Beam und Variable-Shaped-Beam (VSB), die auf Hochauflösung respektive Durchsatz optimiert sind. In dieser Arbeit wird der experimentelle Kreuzvergleich beider Belichtungskonzepte mit Hilfe chemisch verstärkter und nicht verstärkter Lacksysteme präsentiert. Als quantitativer Parameter wurde die Gesamtunschärfe eingeführt, die sich durch quadratische Addition der auflösungslimitierenden Fehlerquellen, also Coulomb-Wechselwirkungen (Strahlunschärfe), Lackprozess (Prozessunschärfe) und Proximity-Effekt (Streuunschärfe), ergibt. Für den Vergleich wurden wohldefinierte Prozesse auf 300 mm Wafern entwickelt und umfassend charakterisiert. Weitere Grundlage ist die Anpassung oder Neuentwicklung spezieller Methoden wie Kontrast- und Basedosebestimmung, Doughnut-Test, Isofokal-Dosis-Methode für Linienbreiten und Linienrauheit sowie die Bestimmung der Gesamtunschärfe unter Variation des Fokus. Es wird demonstriert, dass sich mit einer kleineren Gesamtunschärfe die Auflösung dichter Linien verbessert. Der direkte Vergleich der Gesamtunschärfen beider Belichtungskonzepte wird durch die variable Strahlunschärfe bei VSB-Schreibern erschwert. Da für die Bestimmung der Gesamtunschärfe keine Hochauflösung nötig ist, wird das Testpattern mit größeren Shots belichtet und induziert somit eine größere Gesamtunschärfe. Es wird gezeigt, dass die Prozessunschärfe den größten Anteil der Gesamtunschärfe stellt. Außerdem spielt die Streuunschärfe bei Lackdicken kleiner 100 nm und Beschleunigungsspannungen von 50 kV oder größer keine Rolle.:Titelblatt Kurzfassung / Abstract 1 Motivation 2 Grundsätze und Fragestellungen der Elektronenstrahllithografie 2.1 Wirkprinzipien der Elektronenoptik 2.1.1 Köhlersche Beleuchtung 2.1.2 Linsenfehler 2.1.3 Raumladung, Coulomb-Wechselwirkungen und Strahlunschärfe 2.2 Proximity-Effekt 2.2.1 Streuprinzipien der Wechselwirkung Elektron-Materie 2.2.2 Strukturdefinition, Proximity-Effekt-Korrektur und Streuunschärfe 2.3 Lackeigenschaften und Lackchemie 2.3.1 Tonalität und Prozessierung 2.3.2 Kontrast und Empfindlichkeit 2.3.3 Chemisch nicht verstärkte Lacke 2.3.4 Chemisch verstärkte Lacke 2.3.5 Prozessunschärfe 2.4 Auflösung 2.4.1 Prinzip von Gaussian-Beam und Variable-Shaped Beam 2.4.2 Aufbau, Strahlengang, Intensitätsprofil und Auflösung beider Belichtungskonzepte 2.4.3 Messtechnische Bestimmung der Auflösung 2.4.4 Schlussfolgerung für die Auflösung und Definition der Gesamtunschärfe 3 Prozessentwicklung und -charakterisierung 3.1 Chemisch verstärkte Negativlacke einer Lackserie 3.1.1 Vergleich der Schichtdicken und -nonuniformitäten 3.1.2 Vergleich der Kontrastkurven und Charakteristika 3.1.3 Entwicklungseinfluss auf Kontrastkurven und Linienbreiten 3.1.4 Vergleichende Backempfindlichkeiten bezüglich PAB und PEB 3.1.5 Auswahl von Prozess und nCAR3 für weitere Experimente 3.1.6 Struktur des Lackmaterials und FTIR-Untersuchungen des nCAR3 3.2 HSQ als chemisch nicht verstärkter Lack 3.2.1 Prozessierung 3.2.2 Schichtdicken und -nonuniformitäten 3.2.3 Einfluss der Entwicklung und der Wartezeit nach dem Belacken auf Kontrastkurven und Auflösung 3.2.4 Einfluss der Schichtdicke auf Kontrastkurven und Basedose 3.2.5 Mögliche Temperaturschritte 3.2.6 Auflösung 3.2.7 Struktur, Reaktion und grundlegende FTIR-Untersuchungen 4 Methodenentwicklung für späteren Vergleich 4.1 Kontrastbestimmung 4.2 Definition der Basedose und deren Bestimmung 4.3 Bestimmung der Modulationstransferfunktion 4.4 Doughnut-Test zur Rückstreuparameterbestimmung 4.5 Isofokal-Dosis-Methode 4.6 Erweiterte Isofokal-Dosis-Methode zur Bestimmung der Gesamtunschärfe unter Variation des Fokus 5 Experimenteller Kreuzvergleich 5.1 Prozessbedingungen für nCAR3 und HSQ 5.2 Prozessvergleich: Kontrast, Basedose, Prozessbreite 5.3 Isofokal-Dosis-Methode angewendet auf Linienbreite, Auflösung und Linienrauheit 5.4 Bestimmung der Gesamtunschärfe 5.5 Doughnut-Test für Variable-Shaped-Beam-Schreiber 5.6 Vergleich der Modulationstransferfunktionen 5.7 Auflösung isolierter und dichter Linien 5.8 Interpretation und Verknüpfung der experimentellen Ergebnisse 6 Zusammenfassung und Ausblick Abkürzungen Formelzeichen und Symbole Literaturverzeichnis Veröffentlichungen Danksagung Lebenslauf / Up to now, targets like high resolution and high throughput can not be achieved at the same time in electron beam lithography; therefore, the exposure concepts Gaussian-Beam and Variable-Shaped-Beam (VSB) exist, which are optimized for high resolution and throughput, respectively. In this work, the experimental cross-comparison of both exposure concepts is presented using chemically amplified and non-chemically amplified resist systems. For quantification the total blur parameter has been introduced, which is the result of the quadratic addition of the resolution limiting error sources, like Coulomb interactions (beam blur), resist process (process blur) and proximity-effect (scatter blur). For the comparison, well-defined processes have been developed on 300 mm wafers and were fully characterized. Further basis is the adaption or the new development of special methods like the determination of contrast and basedose, the doughnut-test, the isofocal-dose-method for line widths and line roughness as well as the determination of the total blur with variation of the focus. It is demonstrated, that the resolution of dense lines is improved with a smaller total blur. The direct comparison of the total blur values of both exposure concepts is complicated by the variable beam blur of VSB writers. Since high resolution is not needed for the determination of the total blur, the test pattern is exposed with larger shots on the VSB writer, which induces a larger total blur. It is shown that the process blur makes the largest fraction of the total blur. The scatter blur is irrelevant using resist thicknesses smaller than 100 nm and acceleration voltages of 50 kV or larger.:Titelblatt Kurzfassung / Abstract 1 Motivation 2 Grundsätze und Fragestellungen der Elektronenstrahllithografie 2.1 Wirkprinzipien der Elektronenoptik 2.1.1 Köhlersche Beleuchtung 2.1.2 Linsenfehler 2.1.3 Raumladung, Coulomb-Wechselwirkungen und Strahlunschärfe 2.2 Proximity-Effekt 2.2.1 Streuprinzipien der Wechselwirkung Elektron-Materie 2.2.2 Strukturdefinition, Proximity-Effekt-Korrektur und Streuunschärfe 2.3 Lackeigenschaften und Lackchemie 2.3.1 Tonalität und Prozessierung 2.3.2 Kontrast und Empfindlichkeit 2.3.3 Chemisch nicht verstärkte Lacke 2.3.4 Chemisch verstärkte Lacke 2.3.5 Prozessunschärfe 2.4 Auflösung 2.4.1 Prinzip von Gaussian-Beam und Variable-Shaped Beam 2.4.2 Aufbau, Strahlengang, Intensitätsprofil und Auflösung beider Belichtungskonzepte 2.4.3 Messtechnische Bestimmung der Auflösung 2.4.4 Schlussfolgerung für die Auflösung und Definition der Gesamtunschärfe 3 Prozessentwicklung und -charakterisierung 3.1 Chemisch verstärkte Negativlacke einer Lackserie 3.1.1 Vergleich der Schichtdicken und -nonuniformitäten 3.1.2 Vergleich der Kontrastkurven und Charakteristika 3.1.3 Entwicklungseinfluss auf Kontrastkurven und Linienbreiten 3.1.4 Vergleichende Backempfindlichkeiten bezüglich PAB und PEB 3.1.5 Auswahl von Prozess und nCAR3 für weitere Experimente 3.1.6 Struktur des Lackmaterials und FTIR-Untersuchungen des nCAR3 3.2 HSQ als chemisch nicht verstärkter Lack 3.2.1 Prozessierung 3.2.2 Schichtdicken und -nonuniformitäten 3.2.3 Einfluss der Entwicklung und der Wartezeit nach dem Belacken auf Kontrastkurven und Auflösung 3.2.4 Einfluss der Schichtdicke auf Kontrastkurven und Basedose 3.2.5 Mögliche Temperaturschritte 3.2.6 Auflösung 3.2.7 Struktur, Reaktion und grundlegende FTIR-Untersuchungen 4 Methodenentwicklung für späteren Vergleich 4.1 Kontrastbestimmung 4.2 Definition der Basedose und deren Bestimmung 4.3 Bestimmung der Modulationstransferfunktion 4.4 Doughnut-Test zur Rückstreuparameterbestimmung 4.5 Isofokal-Dosis-Methode 4.6 Erweiterte Isofokal-Dosis-Methode zur Bestimmung der Gesamtunschärfe unter Variation des Fokus 5 Experimenteller Kreuzvergleich 5.1 Prozessbedingungen für nCAR3 und HSQ 5.2 Prozessvergleich: Kontrast, Basedose, Prozessbreite 5.3 Isofokal-Dosis-Methode angewendet auf Linienbreite, Auflösung und Linienrauheit 5.4 Bestimmung der Gesamtunschärfe 5.5 Doughnut-Test für Variable-Shaped-Beam-Schreiber 5.6 Vergleich der Modulationstransferfunktionen 5.7 Auflösung isolierter und dichter Linien 5.8 Interpretation und Verknüpfung der experimentellen Ergebnisse 6 Zusammenfassung und Ausblick Abkürzungen Formelzeichen und Symbole Literaturverzeichnis Veröffentlichungen Danksagung Lebenslauf

Vor 100 Jahren – als die Lotzdorfer Einwohner am 1. Januar 1920 zu Radeberger Bürgern wurden, vollzog sich die „Einverleibung“ des Dorfes mit der Stadt Radeberg, eine im Sinne des deutschen Kommunalrechts und dem damals noch üblichen alten Sprachgebrauch als Vereinigung zweier gleichwertiger Partner, was jedoch keiner Eingemeindung gleichkam, wie oft falsch interpretiert wird. Vor allem der Stadtrat von Radeberg hatte diese Vereinigung angestrebt, um sich durch Gebiets- und Bevölkerungszuwachs zu vergrößern, aber auch um die immer wieder auftretenden Unstimmigkeiten bei Kostenfragen zu beenden, nachdem die Wohnbebauung von Radeberg aus in Richtung Lotzdorf bereits optisch keine Gemarkungsgrenzen mehr erkennen ließ. Vor allem der „Lotzdorfer scharfe Zacken“, der tief in das Radeberger Gebiet stieß, führte zu dem Kuriosum, dass seine ihn umgebenden zwei Straßenzüge Grenzstraßen waren, wobei die eine Hälfte der Straße zur Lotzdorfer Gemarkung gehörte, die andere Hälfte Radeberger Gebiet war.

One of the major obstacles for designing solutions against the imminent climate crisis is the scarcity of high spatio-temporal resolution model projections for variables such as precipitation. This kind of information is crucial for impact studies in fields like hydrology, agronomy, ecology, and risk management. The currently highest spatial resolution datasets on a daily scale for projected conditions fail to represent complex local variability. We used deep-learning-based statistical downscaling methods to obtain daily 1 km resolution gridded data for precipitation in the Eastern Ore Mountains in Saxony, Germany. We built upon the well-established climate4R framework, while adding modifications to its base-code, and introducing skip connections-based deep learning architectures, such as U-Net and U-Net++. We also aimed to address the known general reproducibility issues by creating a containerized environment with multi-GPU (graphic processing unit) and TensorFlow's deterministic operations support. The perfect prognosis approach was applied using the ERA5 reanalysis and the ReKIS (Regional Climate Information System for Saxony, Saxony-Anhalt, and Thuringia) dataset. The results were validated with the robust VALUE framework. The introduced architectures show a clear performance improvement when compared to previous statistical downscaling benchmarks. The best performing architecture had a small increase in total number of parameters, in contrast with the benchmark, and a training time of less than 6 min with one NVIDIA A-100 GPU. Characteristics of the deep learning models configurations that promote their suitability for this specific task were identified, tested, and argued. Full model repeatability was achieved employing the same physical GPU, which is key to build trust in deep learning applications. The EURO-CORDEX dataset is meant to be coupled with the trained models to generate a high-resolution ensemble, which can serve as input to multi-purpose impact models.

Der zunehmende Einsatz regenerativer Energiequellen erfordert die Nutzung von Energiezwischenspeichern, die umweltfreundlich, günstig und skalierbar sein sollten. Die Zink-Luft-Flussbatterie (ZLFB) kann perspektivisch diese Anforderungen erfüllen, wobei zur Bereitstellung der gespeicherten Energie eine Suspension aus Zinkpartikeln in einem gelierten Elektrolyt durch eine elektrochemische Zelle gepumpt wird. Um die Strömungsstruktur der ZLFB auszulegen und Fehlfunktionen zu vermeiden, ist ein grundlegendes Verständnis der Rheologie der Zinksuspension notwendig. Außerdem kann über die Einstellung einer geeigneten Strömung die bei der Entladung erreichte elektrische Leistungsdichte gesteigert werden. Bereits die Flüssigphase der Zinksuspension weist eine komplexe nicht-Newtonsche Rheologie auf, welche durch die Zugabe der Partikel komplexer wird. Für das grundlegende Verständnis der Rheologie werden daher Modellexperimente durchgeführt, wobei in dieser Arbeit ein L-förmiger Kanal mit Strömungsaufweitung untersucht wurde, um die komplexen strömungsmechanischen Eigenschaften der Zinksuspension abzubilden. Zur Erfassung des Strömungsfeldes ist eine Ortsauflösung von 1 … 2 mm in einem Messbereich von 20 × 15 mm2 erforderlich. Ultraschall ist prinzipiell geeignet, um das Strömungsfeld in der opaken Suspension zu erfassen, wobei die wesentliche Herausforderung in den starken Wellenfrontverzerrungen besteht, welche durch die Zinkpartikel eingebracht werden. Es konnte gezeigt werden, dass die Ultrasound Imaging Velocimetry (UIV) robuster gegenüber diesen Störungen ist, als die Ultraschall-Doppler-Velozimetrie (UDV). Die UIV wurde daher mittels Geschwindigkeitsnormal an die messtechnischen Randbedingungen der Zinksuspension angepasst und charakterisiert. Bei einer Ortsauflösung von 1,6 mm wurde eine Gesamtmessunsicherheit von 2,5 % axial und 4,1 % lateral zur Schallausbreitungsrichtung erreicht. Das im Modellexperiment gemessene Strömungsfeld weist eine Totzone an der Strömungsumlenkung auf, deren Auftreten durch eine von der Scherhistorie abhängige Viskosität erklärt werden kann. Dieser Effekt wird als Thixotropie bezeichnet. Durch die In-situ-Messung der Strömung in einer aktiven ZLFB kann eine Korrelation von Strömung und elektrischer Leistung erfolgen und die erzielte Leistungsdichte perspektivisch durch eine Anpassung der Strömung gesteigert werden. Bei der Messung im 2,6 mm hohen Anodenspalt muss aufgrund der komplexen Rheologie der Suspension und der daraus resultierenden hohen Geschwindigkeitsgradienten eine Ortsauflösung von unter 100 µm bei gleichzeitig kleiner Ultraschallfrequenz realisiert werden, da der Ultraschall für hohe Frequenzen nicht in die Zinksuspension eindringt. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde die Super Resolution Ultrasound Particle Tracking Velocimetry (SRPTV) genutzt, welche Ortsauflösungen unterhalb des Beugungslimits ermöglicht. Einzelne nichtlineare Streupartikel werden mittels Harmonic Imaging isoliert abgebildet und verfolgt, wobei die durch die Zinkpartikel eingebrachten Wellenfrontstörungen durch einen kohärenzgewichteten Strahlformer kompensiert werden. Es wurde eine Ortsauflösung von 67 µm axial und 30 µm lateral zur Schallausbreitungsrichtung bei einer Anregungswellenlänge von 330 µm erreicht. Trotz der stark streuenden Zinksuspension, konnte so eine Messung in der aktiven ZLFB mit einer maximalen Messunsicherheit von 12,5 % durchgeführt werden. Dabei wurde eine Wandgleitgeschwindigkeit von 3 mm s−1 bei einer maximalen Geschwindigkeit von etwa 8 mm s−1 festgestellt. Die SRPTV kann darüber hinaus in anderen technischen Prozessen eingesetzt werden, in denen Suspensionsströmungen in kleinen Geometrien auftreten.:Symbolverzeichnis xiii Abkürzungsverzeichnis xv 1 Einleitung 1 1.1 Motivation und Zielstellung 1 1.2 Stand der Technik 4 1.3 Lösungsansatz und Struktur der Arbeit 8 2 Theoretische Grundlagen 11 2.1 Grundlagen der Schallausbreitung 11 2.1.1 Schallausbreitung in homogenen Medien 11 2.1.2 Schallausbreitung in inhomogenen Medien 13 2.2 Ultraschall Bildgebung 14 2.2.1 Phased-Array-Prinzip 15 2.2.2 Plane wave imaging 16 2.2.3 Grenzen der Schallfeldfokussierung 16 2.3 Messung von Strömungsfeldern 17 2.3.1 Ultraschall-Doppler-Velozimetrie 18 2.3.2 Ultrasound Imaging Velocimetry 19 2.3.3 Ultrasound Particle Tracking Velocimetry 19 2.4 Nichtlineare akustische Effekte 20 2.4.1 Beschreibung von Linearität 20 2.4.2 Interaktion von nichtlinearen Streupartikeln und Schallwelle 20 2.4.3 Harmonic Imaging 21 3 Experimentelle Grundlagen 25 3.1 Charakterisierung der Zinksuspension 25 3.1.1 Zusammensetzung der Zinksuspension 25 3.1.2 Bestimmung von Dämpfung und Schallgeschwindigkeit 26 3.1.3 Bestimmung der spezifischen akustischen Impedanz 29 3.2 Messtechnik 30 3.2.1 Ultraschallforschungsplattform: Phased Array Ultrasound Dopp- ler Velocimeter 30 3.2.2 Ultraschallwandler 32 4 Verfahren zur Strömungsmessung im Modellexperiment 37 4.1 Experimenteller Aufbau 37 4.2 Untersuchung geeigneter Verfahren zur Messung von Strömungsfel- dern in der Zinksuspension 38 4.3 Optimierung der Signalverarbeitung und Charakterisierung der Messei- genschaften 44 4.3.1 Geschwindigkeitsnormal 44 4.3.2 Optimierung der Messsystemparameter 45 4.3.3 Charakterisierung der Messeigenschaften 48 4.3.4 Validierung 49 4.4 Messung der Suspensionsströmung im Modellexperiment 55 4.4.1 Messergebnisse 55 4.4.2 Vergleich von Simulation und Messung 58 4.5 Fazit 61 5 Verfahren zur In-situ-Strömungsmessung in einer Zink-Luft-Flussbatterie 63 5.1 Experimenteller Aufbau 63 5.2 Strömungsmessung unterhalb des Beugungslimits - Super Resolution Ultrasound Particle Tracking Velocimetry (SRPTV) 65 5.2.1 Nutzung nichtlinearer Streupartikel 68 5.2.2 Trennung von linearem und nichtlinearem Signalanteil 72 5.2.3 Strahlformung mit Kompensation der Streuung 76 5.2.4 Particle Tracking 80 5.3 Charakterisierung der Messeigenschaften 81 5.3.1 Vorgehen zur Charakterisierung der Messeigenschaften 82 5.3.2 Untersuchung der Positionsunsicherheit 83 5.3.3 Untersuchung der Geschwindigkeitsunsicherheit 92 5.4 Messung an einer aktiven Zink-Luft-Flussbatterie 95 5.4.1 Aufbau und Durchführung 95 5.4.2 Messergebnisse 97 5.4.3 Vergleich von Simulation und Messung 97 5.5 Fazit 102 6 Zusammenfassung und Ausblick 103 6.1 Erkenntnisse und Fortschritt 103 6.1.1 Ultrasound Imaging Velocimetry 103 6.1.2 Super Resolution Ultrasound Particle Tracking Velocimetry 104 6.1.3 Fazit 106 6.2 Ausblick und weiterführende Arbeiten 106 6.2.1 Messtechnik 106 6.2.2 Anwendung 107 Literaturverzeichnis 109 Publikationsverzeichnis 117 Artikel in Zeitschriften mit peer-review 117 Tagungsbeiträge 117 Patente 119 / For the efficient use of renewable energies, energy storage systems are required that are environmentally friendly, low priced and scalable. The zinc-air flow battery (ZAB), which is operated by pumping an opaque suspension of zinc particles in an gelled electrolyte through an electrochemical cell, is a promising candidate as energy storage system for these requirements. To design the fluidic structures and avoid malfunction, a fundamental understanding of the rheology of the zinc suspension is required. Additionally, the electrical performance of the cell can be imporved by optimizing the flow in the electrochemical cell. The liquid phase of the suspension itself has complex non-Newtonian properties, which are even more complex when the particles are considered. For the fundamental understanding of the suspension rheology, model experiments are conducted. In this work an L-shaped channel with a widening is used to represent relevant effects from the complex rheology of the suspension. To measure the flow field, a spatial resolution of 1 … 2 mm and a measurement area of 20 × 15 mm2 are required. Ultrasound can be used to measure the flow in opaque liquids, but wavefront distortions are introduced by the zinc particles. Established measurement methods for homogeneous opaque fluids, the Ultrasound Imaging Velocimetry (UIV) and the Ultrasound Doppler Velocimetry (UDV), were compared for the application at the suspension. The UIV has a 50 % lower random deviation, which makes it more suitable for the flow measurement in the suspension and it was adapted to the measurement conditions in the suspension. At a spatial resolution of 1.66 mm, a velocity uncertainty of 2.5 % axial and 4.1 % lateral to the ultrasound propagation were achieved. The application of the UIV to the suspension flow in the model experiment revealed a thixotropic behavior of the fluid, which resulted in a dead flow zone opposite to the inlet of the channel. The in situ measurement of the flow in an active ZAB, allows to correlate electrical performance and flow and thereby an improvement of the cell performance by adapting the flow. For the measurement in the anodic channel with a width of 2.6 mm, a spatial resolution of 100 µm is required because of the high velocity gradients due to the non-Newtonian rheology of the suspension. The high spatial resolution has to be achieved at low ultrasound frequencies, since the ultrasound does not penetrate into the suspension for high frequencies. To achieve this, the Super Resolution Ultrasound Particle Tracking Velocimetry (SRPTV) was used, which allows a spatial resolution beyond the diffraction limit. Harmonic Imaging is used to image isolated non-linear tracer particles, which are tracked for velocity estimation. The speckle and image distortion due to the induced wavefront distortions are compensated with a coherence weighting beamformer. A spatial resolution of 67 µm axial and 30 µm lateral to the ultrasound propagation were achieved. Despite the strong scattering of the ultrasound at the zinc particles, a maximum velocity uncertainty of 12.5 % referred to the maximum velocity was achieved for the measurement in the active ZAB. A slip velocity of 3 mm at a maximum velocity of 8 mm was observed. The SRPTV can be applied to other technical processes, where suspension flows in small geometries play an important role.:Symbolverzeichnis xiii Abkürzungsverzeichnis xv 1 Einleitung 1 1.1 Motivation und Zielstellung 1 1.2 Stand der Technik 4 1.3 Lösungsansatz und Struktur der Arbeit 8 2 Theoretische Grundlagen 11 2.1 Grundlagen der Schallausbreitung 11 2.1.1 Schallausbreitung in homogenen Medien 11 2.1.2 Schallausbreitung in inhomogenen Medien 13 2.2 Ultraschall Bildgebung 14 2.2.1 Phased-Array-Prinzip 15 2.2.2 Plane wave imaging 16 2.2.3 Grenzen der Schallfeldfokussierung 16 2.3 Messung von Strömungsfeldern 17 2.3.1 Ultraschall-Doppler-Velozimetrie 18 2.3.2 Ultrasound Imaging Velocimetry 19 2.3.3 Ultrasound Particle Tracking Velocimetry 19 2.4 Nichtlineare akustische Effekte 20 2.4.1 Beschreibung von Linearität 20 2.4.2 Interaktion von nichtlinearen Streupartikeln und Schallwelle 20 2.4.3 Harmonic Imaging 21 3 Experimentelle Grundlagen 25 3.1 Charakterisierung der Zinksuspension 25 3.1.1 Zusammensetzung der Zinksuspension 25 3.1.2 Bestimmung von Dämpfung und Schallgeschwindigkeit 26 3.1.3 Bestimmung der spezifischen akustischen Impedanz 29 3.2 Messtechnik 30 3.2.1 Ultraschallforschungsplattform: Phased Array Ultrasound Dopp- ler Velocimeter 30 3.2.2 Ultraschallwandler 32 4 Verfahren zur Strömungsmessung im Modellexperiment 37 4.1 Experimenteller Aufbau 37 4.2 Untersuchung geeigneter Verfahren zur Messung von Strömungsfel- dern in der Zinksuspension 38 4.3 Optimierung der Signalverarbeitung und Charakterisierung der Messei- genschaften 44 4.3.1 Geschwindigkeitsnormal 44 4.3.2 Optimierung der Messsystemparameter 45 4.3.3 Charakterisierung der Messeigenschaften 48 4.3.4 Validierung 49 4.4 Messung der Suspensionsströmung im Modellexperiment 55 4.4.1 Messergebnisse 55 4.4.2 Vergleich von Simulation und Messung 58 4.5 Fazit 61 5 Verfahren zur In-situ-Strömungsmessung in einer Zink-Luft-Flussbatterie 63 5.1 Experimenteller Aufbau 63 5.2 Strömungsmessung unterhalb des Beugungslimits - Super Resolution Ultrasound Particle Tracking Velocimetry (SRPTV) 65 5.2.1 Nutzung nichtlinearer Streupartikel 68 5.2.2 Trennung von linearem und nichtlinearem Signalanteil 72 5.2.3 Strahlformung mit Kompensation der Streuung 76 5.2.4 Particle Tracking 80 5.3 Charakterisierung der Messeigenschaften 81 5.3.1 Vorgehen zur Charakterisierung der Messeigenschaften 82 5.3.2 Untersuchung der Positionsunsicherheit 83 5.3.3 Untersuchung der Geschwindigkeitsunsicherheit 92 5.4 Messung an einer aktiven Zink-Luft-Flussbatterie 95 5.4.1 Aufbau und Durchführung 95 5.4.2 Messergebnisse 97 5.4.3 Vergleich von Simulation und Messung 97 5.5 Fazit 102 6 Zusammenfassung und Ausblick 103 6.1 Erkenntnisse und Fortschritt 103 6.1.1 Ultrasound Imaging Velocimetry 103 6.1.2 Super Resolution Ultrasound Particle Tracking Velocimetry 104 6.1.3 Fazit 106 6.2 Ausblick und weiterführende Arbeiten 106 6.2.1 Messtechnik 106 6.2.2 Anwendung 107 Literaturverzeichnis 109 Publikationsverzeichnis 117 Artikel in Zeitschriften mit peer-review 117 Tagungsbeiträge 117 Patente 119

Die Arbeit befasst sich mit der Erforschung und Anwendung der Kelvinsonden-Rasterkraftmikroskopie. Die Technik wird bezüglich der Quantität der gemessenen Werte und der erzielbaren lateralen Auflösung untersucht und auf diverse Probensysteme angewandt. Die so erhaltenen nanoskopischen Werte werden mit markoskopischen Messergebnissen verglichen. Sowohl die elektrostatische Kraft zwischen der Messspitze und der Probenoberfläche als auch deren Gradienten können zur Minimierung der elektrostatischen Wechselwirkung herangezogen werden. Die Detektion des Kraftgradienten zum Aufbau eines Regelkreises erweist sich gegenüber der Kraftdetektion überlegen. Die experimentell ermittelten Befunde werden durch eine Rechnersimulation bestätigt. Diese zeigt die Möglichkeit von quantitativen Ergebnissen für laterale Objektgrößen im Bereich von einigen Nanometern. Im Experiment kann dies gezeigt werden. Es folgt die Anwendung der Kelvinsonden-Rasterkraftmikroskopie: Nanoskopisch ermittelte Werte der Austrittsarbeitsänderung von Metalleinkristall-Oberflächen durch die Adsorption von C_60 entsprechen Literaturwerten, die mit makroskopisch messenden Methoden ermittelt wurden. Sich zeitlich ändernde Oberflächenpotentiale von einer organischen Solarzelle und von lateral unterschiedlich dotiertem Silizium lassen sich quantitativ messen. Der sich bei der Adsorption von Oktadezyl-Phosphonsäure auf Glimmer und Graphit bildende elektrostatische Dipol wird untersucht und abgebildet. Das Wachstumsverhalten und die Austrittsarbeit der organischen Moleküle PTCDA und Alq_3 auf den teilweise mit KBr bedeckten Metallsubstraten Au und Ag wird untersucht. Schlussendlich wird gezeigt, dass mit der Kelvinsonden-Rasterkraftmikroskopie sogar der molekülinterne Dipol der vier Butyl-Gruppen von Tetra-3,5-di-ter-butyl-phenyl-Porphyrinen aufgelöst werden kann.