Medicine is constantly developing and in order to (early) diagnose common diseases, such as cancer, Parkinson's or Alzheimer's, a liquid biopsy-based approach is of increasing relevance. Samples are complex body fluids, especially blood, whereby a separation of the cells, particles and molecules of interest is often necessary for a subsequent analysis. Conventional methods such as centrifugation, the gold standard of many sample preparations, are reaching their limits in terms of gentle cell separation, purity and automatability. At the same time, the volumes of biological samples required for analysis are decreasing and point-of-care solutions are becoming increasingly important. New technologies for sample preparation are therefore urgently needed to meet this demand. Surface acoustic wave (SAW)-based microfluidic systems have already shown promising results in the handling of biological samples, but there is still a lack in the ability to transfer laboratory set-ups into a real-world environment. In this work, an industrially feasible manufacturing technology for SAW-based microfluidic chips that can be used for separation of blood plasma was developed. For this purpose, polymeric microchannels were integrated directly on the piezoelectric substrate together with the interdigital transducers required for SAW excitation. This was done reproducibly on the wafer-level with established lithographic methods, but a relatively young material system, i.e. dry film resists, allowing an industrial scale-up of the acoustofluidic chips. Furthermore, the chip layout was designed robustly to ensure a stable and continuous separation process and the “lab-around-the-chip” was further developed into an easy-to-use system. Moreover, blood plasma separation at high flow rates of up to 50 μL/min for a 1:5 diluted sample and a throughput of 888,000 cells/s in the SAW-based microfluidic chip was demonstrated. In comparison to microfluidic alternatives, high cell separation purity was achieved with special focus on the use of analytical methods for the detection of low cell concentrations in blood plasma. Direct comparison to centrifugation further indicated a gentler separation method for the cells and more reproducible results. The SAW-based microfluidic system developed in this work offers great potential for future application in liquid biopsy.

Analysis and design of millimeter-wave integrated circuits for emerging communication/sensing and cryogenic applications with an emphasis on transistor model verification.

Organic phototransistors (OPTs) can enable essential applications, such as nonvolatile memory, artificial synapses, and photosensors in next-generation optical communication and wearable electronics. Among these applications, nonvolatile OPT memories are particularly promising, as they can retain captured visual information for extended periods, making them valuable for data storage, image and video processing applications. The capability of storing multi-bit information, which provides a low-cost way to increase the memory density per unit cell area, is one of the most critical challenges of memory products. In this work, we explore different solution-processible electrets to obtain highly sensitive phototransistor memory devices. Different planar heterojunctions, including small molecule/small molecule and small molecule/polymer, are used to fabricate OPT memories. Additionally, we explore the feasibility of producing polymer/polymer planar heterojunctions through printing processes. Firstly, OPT memories that can be programmed with white light and erased by applying a negative voltage are fabricated with a planar heterojunction of a nonconductive nanographene layer and a semiconducting layer of 2,9-didecyldinaphtho[2,3-b:2’,3’-f]thieno[3,2-b]thiophene (C10-DNTT). We systematically study the optical and memory characteristics of devices with an 8 nm nanographene (NG) layer. The photosensitivity of such devices can be as high as 3.4×105. The memory also shows quite good endurance and data-storing stability; an endurance of 100 write-read-erase-read (WRER) cycles and 1.5×105 s retention time are obtained. The thickness of the NG layer has a considerable influence on the performance of fabricated devices. The results suggest that devices with a thicker NG layer are more sensitive to weak light. In comparison, devices with a relatively thin NG layer are found to be promising for multi-bit photo memory devices. Secondly, we fabricate OPT memories by replacing the nanographene layer with a commercially available semiconducting polymer, namely Poly(2,5-bis(2-octyldodecyl)-3,6-di(pyridin-2-yl)-pyrrolo[3,4-c]pyrrole-1,4(2H,5H)-dione-alt-2,2’-bithiophene) (PDBPyBT). This polymer possesses a narrow bandgap and exhibits a broad range of light absorption, spanning from ultraviolet (UV) to red light wavelengths. As a result, the fabricated devices are capable of responding to a broad spectrum of light colors. The light response of these devices is investigated in terms of their reaction to different colors of light. Also, devices with varying thicknesses of the PDBPyBT layer are fabricated and studied. The results indicate that all of the fabricated devices demonstrate multi-bit programming properties, and the devices incorporating a thin, ribbon-structured PDBPyBT layer are particularly well-suited for applications as light dosimeters. Moreover, the results highlight that both the C10-DNTT and the PDBPyBT layer function as photo exciton generation and charge-trapping layers. Last, we seek to fabricate cost-effective organic multilayer devices through a solution-processing approach, eliminating the need for orthogonal solvents. We observe a crosslinking effect in the thin films caused by thermal annealing without using any crosslinker. Remarkably, this effect is found to be universal for several commercial semiconducting polymers investigated in our study. Following annealing at 200 ºC or higher temperatures, the thin films exhibit enhanced stability against the original solvent. Various analytical techniques are employed to examine the thin films to gain insights into the microstructural changes. Our results suggest that the observed crosslinking effect is predominantly attributed to a physical transformation, whereby the films became more crystalline after annealing at relatively high temperatures. To further explore the feasibility of fabricating multilayer devices, we simulate the construction of multilayer devices by top-gate-bottom-contact (TGBC) devices using the same solvent for the polymer dielectric layer and the semiconducting layer. We also fabricated planar polymer/polymer heterojunction via this method. Encouragingly, this approach demonstrated that thermal annealing could work as a straightforward and promising method for producing cost-effective organic multilayer devices, e.g., fully solution-processed diodes, functional transistors, and solar cells.:Abstract iii Contents vii 1 Introduction 1 1.1 Motivation 1 1.2 Organic semiconductor 2 1.2.1 Atom orbitals and molecular orbitals 2 1.2.2 Energy levels in solid 5 1.2.3 Fermi level 6 1.2.4 Band bending 7 1.2.5 From orbital to states 8 1.2.6 Organic semiconductor materials 9 1.2.7 Nanographene 10 1.2.8 Charge carrier transport in organic semiconductors 11 1.3 Organic field-effect transistors (OFET) 11 1.3.1 OFET architectures 12 1.3.2 OFET operation principle 12 1.3.3 OFET performance parameters 14 1.3.4 OFET memory 17 1.4 Optical electronics 20 1.4.1 Exciton pair generation. 20 1.4.2 Photoelectronic devices 21 1.4.3 Phototransistor devices 22 1.5 Phototransistor memories 23 1.5.1 Working mechanism of phototransistor memories 23 1.5.2 Phototransistor memory architecture 24 1.5.3 State-of-the-art organic phototransistor memory 25 1.6 Objective and outline 27 2 Materials and methods 29 2.1 Materials 29 2.2 Device fabrication 30 2.2.1 Substrate cleaning 30 2.2.2 Solution shearing 30 2.2.3 Thermal vapor deposition 31 2.3 Characterization 31 2.3.1 Thin film characterization 31 2.3.2 Current voltage characteristics 35 2.3.3 Capacitance 36 3 C10-DNTT/NG planar heterojunction phototransistor memories 37 3.1 Introduction 37 3.2 Thin films 39 3.2.1 Film and device fabrication 39 3.2.2 Characterization of thin films 39 3.3 Transfer characteristics under light 41 3.3.1 Writing process 41 3.3.2 Erasing process 48 3.3.3 C10-DNTT-only devices 51 3.4 Summary of working principle 52 3.5 Output characteristics and evaluation of the optical properties 52 3.6 Memory properties of NG-based OPT memory devices 55 3.7 Devices with different NG thicknesses 56 3.7.1 The impact of NG thickness 56 3.7.2 Devices fabricated from 0.05 mg ml-1 NG solution 60 3.8 Conclusion 64 4 C10-DNTT/PDBPyBT heterojunction phototransistor memories 67 4.1 Introduction 67 4.2 Device Architecture 68 4.3 Physical characterization of PDBPyBT and C10-DNTT thin films 69 4.4 Performance of devices with a thick PDBPyBT layer 72 4.4.1 Erasing and programming process 72 4.4.2 Response to different colors of light 78 4.5 Variation of PDBPyBT thickness 80 4.5.1 Transfer characteristics 80 4.5.2 Morphology of C10-DNTT 85 4.5.3 Output characteristics 86 4.5.4 Multi-level programming test 86 4.6 Comparison of the devices 92 4.7 Summary 93 5 Organic multilayer devices fabricated via thermal annealing 95 5.1 Introduction 95 5.2 Film Fabrication 97 5.3 Study on thin films 97 5.3.1 Thickness changes 97 5.3.2 Characterization of the thin films 99 5.3.3 Impact of re-annealing 107 5.3.4 Other semiconducting polymers 108 5.4 Discussion of the working mechanism 110 5.5 Impact of thermal annealing on devices’ performance 111 5.5.1 BGTC devices fabrication 111 5.5.2 TGBC devices fabrication 113 5.6 Planar heterojunction devices via solution processing 116 5.7 Conclusion 117 6 Conclusions and outlook 119 6.1 Conclusions 119 6.2 Outlook 120 Bibliography 123 List of Figures 143 List of Tables 155 List of abbreviations 157 Appendix A 159 Appendix B 165 B1.1 Introduction 165 B1.2 Devices with a 7 nm shear coated Al2O3 dielectric 166 B1.2.1 Normal-sized channel devices 166 B1.2.2 Ultra-wide channel devices 167 B1.3 Devices with a 30 nm ALD Al2O3 dielectric 169 B1.3.1 Normal-sized channel devices 169 B1.3.2 Ultra-wide channel devices 170 B1.4 Ferroelectric organic phototransistor devices 172 B1.4.1 Dielectric layer 172 B1.4.2 Devices with 10 nm HZO 173 B1.4.3 Devices with 30 nm HZO 175 Conclusion 176 Publications 177 Acknowledgment 179

Knowledge of the end winding inductance of electrical machines is decisive for calculating their operating performance. In this article, two different approaches to analytically calculate the stator end winding inductance of large induction machines are discussed. The first method is based on the exact replication of the 3D conductor geometry using serially connected straight filaments, where the inductances are calculated by solving Neumann’s integral. In the second method, the end winding flux is resolved into components excited by the axial and circumferential end winding magnetomotive force, resulting in a far simpler geometrical model. In both cases, end face effects are taken into account by adopting the method of images. The analytical approaches are compared to the known analytical calculation method proposed by Alger [1]. In addition, the stator end winding inductance is computed by means of 3D finite-element analysis. Using experimental validation, it is shown that both the analytical and numerical results reasonably correlate with removed rotor inductance measurements taken for several induction machines with different rated powers and frame sizes, if the permeability of the laminated core is taken into consideration.

The first focus of this thesis is a basic scientific research in the field of super-regenerative receivers (SRRs) and, in particular, super-regenerative oscillators (SROs). In chapter 3, a theoretical analysis of SROs is performed and its nonlinear behavior is studied in both time and frequency domains. The cross-coupled architecture is studied as a special case, however, widely used topology in the SRO design. The start-up and decay envelopes of the oscillator output are studied in relation to the input. The SRO start-up time and the maximal achievable quenching frequency are investigated. For phase modulation purposes, the relation between the initial phases of the input and output signals is investigated. In addition, a frequency-domain analysis is performed to ease the characterization of test circuits at high frequencies where time-domain measurements are not possible. The analytical results are verified by circuit-level simulations and measurements of a 2.4-GHz SRO. This study provides design guidelines for the design of SROs and helps in determining the optimal system parameters when targeting both amplitude and phase modulations. The SRO concept and its phase sampling capability are further studied in chapter 4. For this purpose, two SRO circuits operating around 60GHz are investigated, designed − in both CMOS and SiGe BiCMOS technologies − and characterized. Different circuit techniques are studied in order to improve the energy efficiency and maximize the switching speed. For instance, a novel quenching technique to maximize the power efficiency is presented. This circuit approach includes a pulse generator, which generates the quench signal allowing to switch the SRO with a minimum duty cycle. In fact, the SRO input is sampled at the onset of oscillation and, therefore, it is unnecessary for the oscillator to run for a long time in its steady state. This allows to minimize the on-time of the SRO and to considerably reduce its power consumption. Compared to the state of the art, the circuit achieves by far the highest power efficiency of 21.7%. In addition, a novel switching scheme is presented in order to maximize the quenching speed. This approach enables to greatly reduce the switching time constant, allowing to improve the SRO quench rate by approximately a factor of 3 compared to the state of the art. A record switching frequency of up to 10GHz is achieved. The second focus of this thesis is the investigation of on-off-keying (OOK) receivers operating at a carrier frequency of 60GHz. OOK modulation schemes have the advantage of low circuit complexity and, therefore, low power consumption and small chip area. The drawback of low spectral efficiency can be mitigated by the large bandwidth at mm-wave frequencies, in particular, at the 60-GHz ISM band, 9GHz from 57 to 66GHz, which allows to achieve high data rates. The goals of this study are enhancing the speed, maximizing the energy efficiency and improving the sensitivity. For this purpose, several circuit approaches are studied. A highly efficient envelope detector and a novel limiting amplifier architecture with simultaneously large bandwidth and high gain ensure high-speed low-power operation. A high-gain low noise amplifier is employed to increase the sensitivity. A feedforward dc-offset cancellation technique is used to ensure the proper operation of the receiver. As a proof of concept, the chips are implemented in a 130-nm SiGe BiCMOS technology. The OOK receiver achieves a record data rate of up to 20Gb/s at a bit-error-rate less than 10^(-12). The low power consumption and the ultra high speed capability allow a highly energy-efficient operation of only 2.2pJ/bit. Finally, this thesis studies the design of 60-GHz amplifiers. In fact, one of the main challenges of transmitting data at mm-wave frequencies is the high free-space path loss, which limits the transmission range. To alleviate this issue, amplifiers with high output power at the transmitter side and with low noise figure and high gain at the receiver side are required. Chapter 6 investigates the design of a low noise amplifier (LNA), with the study focus being achieving simultaneously large bandwidth, high gain, low noise figure and low power consumption in order to enable a high-speed receiver with high power efficiency and high range. The LNA achieves a bandwidth of 23GHz, a gain of 23.8dB and an average noise figure of 3.2dB and consumes only 8mW, remarkably improving the state of the art. In addition, this chapter presents the investigation and design of a 60-GHz power amplifier with an output power of up to 14.7dBm and a small chip area to ensure a sufficient communication range at the transmitter side.

Highly dense Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) radars provide robust detection at a high angular resolution in automotive applications. However, these systems require extensive parallel processing, higher off-chip communication data rates, and higher power consumption as a result of denser arrays to tackle. In this work, concepts, algorithms and circuits for the first-in-literature System-on-Chip (SoC) performing on-chip 5D localization of targets are researched and developed. The targeted system features a scalable homogeneous architecture for fully integrated signal processing of Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) signals and near-sensor smart capabilities for the identification of critical targets (e.g., pedestrians) in an automotive context. To achieve this functionality at a low-power budget, the interconnection of locally constrained processing nodes each with low-area and low-power accelerators operating at low frequencies is developed. The design of efficient algorithms, data flow, and cognitive concepts is also researched and presented to provide an unconventional holistic co-design approach. As a result of the research carried out in this thesis, a 12-ADC multi-core Digital Signal Processor (DSP) in 22FDX GLOBALFOUNDRIES (GF) using Adaptive Body Biasing (ABB) at 0.6V to enable smart on-chip classification with 25 processing elements (PEs) is proposed, providing a low power consumption of only 52.6mW that is at least 90x lower than the state-of-the-art commercial MIMO Radar DSPs.:Abstract Zusammenfassung List of Figures List of Tables Nomenclature 1. Introduction 1.1. Introduction 1.2. Motivation 1.3. Aims and Objectives 1.4. Contributions 1.5. Publications 1.6. Thesis Outline 2. Signal Processing for 5D Radars 2.1. Signal Processing Overview 2.2. Velocity Disambiguation Proposals for MIMO Radars 2.3. Cognitive Principles 2.4. Proposed Clustering for Constrained Processors 2.5. Target Classification 2.6. Summary of the Proposed Contributions 3. Hardware for 5D Radars: A Prototype Implementation 3.1. Multiprocessor Systems-on-Chip 3.2. FFT Acceleration 3.3. Silicon Implementation 3.4. Proposed Testchip 3.5. Proposed Implementation of the Processing Stages 3.6. Summary of Contributions 4. Conclusion and Outlook 4.1. Summary 4.2. Applications 4.3. Further Work 4.4. Conclusion A. Appendix A.1. FMCW Equations A.2. Dataset for Velocity Disambiguation A.3. Dataset for Machine Learning A.4. Dataset for Cognitive Radar Mode A.5. Reliability Proof for the Ambiguity Detector A.6. Measurement Setup A.7. EDA Tools Used in this Work Publications Bibliography / Hochdichte MIMO-Radar-Systeme bieten robuste Detektion mit hoher Winkelauflösung in Automobilanwendungen. Diese Systeme erfordern jedoch aufgrund dichterer Arrays umfangreiche parallele Verarbeitung, höhere Datenraten für die Off-Chip-Kommunikation und einen höheren Stromverbrauch. In dieser Arbeit werden Konzepte, Algorithmen und Schaltungen für den erstmaligen SoC-Ansatz zur On-Chip-Lokalisierung von Zielen in fünf Dimensionen untersucht und entwickelt. Das angestrebte System zeichnet sich durch eine skalierbare homogene Architektur für die vollständig integrierte Signalverarbeitung von FMCW-Signalen aus sowie durch intelligente Fähigkeiten in der Nähe des Sensors zur Identifizierung kritischer Ziele (z. B. Fußgänger) im automobilen Kontext. Um diese Funktionalität bei geringem Energieverbrauch zu erreichen, wird die Verbindung von lokal begrenzten Verarbeitungsknoten mit niedrigflächigen und energieeffizienten Beschleunigern entwickelt, die bei niedrigen Frequenzen arbeiten. Des Weiteren werden effiziente Algorithmen, Datenflüsse und kognitive Konzepte erforscht und präsentiert, um einen unkonventionellen ganzheitlichen Co-Design-Ansatz zu bieten. Als Ergebnis der in dieser Arbeit durchgeführten Forschung wird ein 12-ADC-Multi-Core-DSP in 22FDX GF mit ABB bei 0,6V vorgeschlagen, um eine intelligente On-Chip-Klassifizierung mit 25 Verarbeitungselementen (PEs) zu ermöglichen. Dieser Prozessor weist einen geringen Stromverbrauch von lediglich 52,6mW auf, der mindestens 90-mal niedriger ist als bei den modernsten kommerziellen MIMO-Radar-DSPs.:Abstract Zusammenfassung List of Figures List of Tables Nomenclature 1. Introduction 1.1. Introduction 1.2. Motivation 1.3. Aims and Objectives 1.4. Contributions 1.5. Publications 1.6. Thesis Outline 2. Signal Processing for 5D Radars 2.1. Signal Processing Overview 2.2. Velocity Disambiguation Proposals for MIMO Radars 2.3. Cognitive Principles 2.4. Proposed Clustering for Constrained Processors 2.5. Target Classification 2.6. Summary of the Proposed Contributions 3. Hardware for 5D Radars: A Prototype Implementation 3.1. Multiprocessor Systems-on-Chip 3.2. FFT Acceleration 3.3. Silicon Implementation 3.4. Proposed Testchip 3.5. Proposed Implementation of the Processing Stages 3.6. Summary of Contributions 4. Conclusion and Outlook 4.1. Summary 4.2. Applications 4.3. Further Work 4.4. Conclusion A. Appendix A.1. FMCW Equations A.2. Dataset for Velocity Disambiguation A.3. Dataset for Machine Learning A.4. Dataset for Cognitive Radar Mode A.5. Reliability Proof for the Ambiguity Detector A.6. Measurement Setup A.7. EDA Tools Used in this Work Publications Bibliography

Mit fortschreitender Energiewende wandelt sich sowohl die Erzeuger- als auch die Verbraucherstruktur des Elektrizitätsversorgungssystems. Als Folge resultieren in den Elektrizitätsversorgungsnetzen (Netz) bidirektionale witterungsabhängige Leistungsflüsse und eine höhere Auslastung der Betriebsmittel. Zur Vermeidung möglicher Überlastungen der Betriebsmittel erfolgen daher temporäre Schaltzustandsänderungen sowie dauerhafte Netzverstärkungs- oder Netzausbaumaßnahmen. Dabei müssen zur Gewährleistung einer weiterhin hohen Versorgungssicherheit durch die Verteilnetzbetreiber die Schutzkonzepte kontinuierlich hinsichtlich einer Einhaltung der allgemeinen Anforderungen Selektivität, Schnelligkeit und Zuverlässigkeit überprüft werden. In Anbetracht zunehmender Komplexität und Anzahl unterschiedlicher Netzzustandsszenarien müssen für die Schutzkoordination der im Netz eingesetzten Schutzsystemen neue Verfahren entwickelt werden. In vermascht betriebenen Netzen wird in der Regel der Distanzschutz als Schutzsystem zur Sicherstellung der Selektivität bei angemessener Schnelligkeit eingesetzt. Von zentraler Bedeutung sind dabei die Distanzzonen jedes Distanzschutzes als wesentlicher Baustein eines Selektivschutzkonzeptes. Die vorliegende Arbeit stellt ein deterministisches regelbasiertes Verfahren vor mit dem eine automatisierte Koordination von Distanzzonen mit den in einem Netzberechnungsprogramm ermittelten Schutzreaktionen möglich ist. Durch das Verfahren werden dabei sowohl anwenderdefinierte Netzzustandsszenarien als auch die in den Vorgaben der Schutzkoordination definierten allgemeinen Anforderungen an Selektivität, Schnelligkeit und Zuverlässigkeit berücksichtigt. Die Struktur des Verfahrens umfasst die fünf Teilfunktionen der Analyse eines Selektivschutzkonzeptes, Ermittlung der Schutzreaktionen, Bewertung und Anpassung der Parameter von Distanzzonen sowie eine Ablaufsteuerung. Als wesentliche Aspekte des Verfahrens sind für die Bewertung der Parameter von Distanzzonen Methoden entwickelt worden, um sowohl eine zeitlich kaskadierte Abschaltung eines Kurzschlusses durch mehrere Distanzschutzgeräte als auch eine negative Steigung in der Kennlinie einer gemessenen Fehlerreaktanz zu berücksichtigen. Weiterhin wurde eine qualitative und quantitative Bewertung der Koordinationsergebnisse hinsichtlich der Einhaltung der allgemeinen Anforderungen vorgeschlagen. Als Grundlage einer Erprobung des Verfahrens wird in der Arbeit zudem ein Datensatz zur Nachbildung einzelner und kombinierter Einflussfaktoren auf die Koordination von Distanzzonen vorgeschlagen. Als Einflussfaktoren werden zum einen netzbedingte Unschärfen einer Impedanzmessung aber auch mögliche Eigenschaften und Anordnungen der Schutzzonen, die als Netzabschnitte von Distanzschutzgeräten überwacht werden, verstanden, da durch diese die Parameter von Distanzzonen beschränkt und somit das Koordinationsergebnis beeinflusst wird. Durch die Auswahl von realitätsnahen Modellierungsparametern der Netze und Netzzustandsszenarien aus der Literatur ist ein Rückschluss auf die Anwendbarkeit des Verfahrens in realen Elektrizitätsversorgungsnetzen möglich. Durch Anwendung im vorgeschlagenen Datensatz und in einem realitätsnahen synthetischen 110-kV-Verteilnetz wird das Verfahren im letzten Teil der Arbeit erprobt. Dabei wird neben der Funktionsfähigkeit des Verfahrens auch dessen Grenze der Anwendbarkeit sowie Vor- und Nachteile aufgezeigt.

Optoelektrische Baugruppen spielen eine entscheidende Rolle in der modernen Welt und finden in einer Vielzahl von Anwendungen Verwendung. Diese Baugruppen kombinieren die Optik mit der Elektronik und ermöglichen die Konvertierung von optischen Signalen in elektrische Signale und umgekehrt. Insbesondere in der Automotivbranche müssen diese Komponenten zusätzlich hohe Zuverlässigkeitsstandards erreichen, um beispielweise beim Autonomen Fahren eingesetzt zu werden. Ein wesentlicher Einflussfaktor ist die Gewährleistung einer kontaminationsfreien Oberfläche der aktiven Bereiche der optoelektrischen Baugruppen. Üblicherweise wird dies durch die Anwendung einer Verkapselung in Verbindung mit einer Glasabdeckung erreicht. In gängigen kommerziellen Verfahren erfolgt diese Verkapselung in der Regel am Ende des Fertigungsprozesses. Dadurch kann es während der vorherigen Fertigungsschritte leicht zu einer Verschmutzung der aktiven Bereiche kommen. In dieser Arbeit werden optoelektrische Baugruppen verwendet, wobei bereits im Wafer- Level-Verbund eine Glaskappe auf den aktiven Bereich montiert wird, die sie vor einer Kontamination der anschließenden Fertigungsschritte schützt. Aufgrund der frühzeitigen Montage der Glaskappe bleiben nachfolgend hergestellte Anschlussleitungen wie Drahtbonds ungeschützt. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Entwicklung eines Hausungsverfahrens, um die Anschlussleitungen derartig hergestellter optoelektrischen Baugruppen zu schützen. Ein vielversprechender Lösungsansatz ergibt sich aus der Entwicklung eines stereolithographischen Prozesses und der Verwendung eines angepassten Hausungsmaterials. Besonders die Auswahl der Bestandteile des Hausungsmaterials ist entscheidend, um die geforderten Zuverlässigkeitsstandards zu erfüllen. Aus diesem Grund beinhaltet diese Arbeit eine gründliche Untersuchung des Hausungsmaterials, seiner Bestandteile und Eigenschaften. Erste Zuverlässigkeitsuntersuchungen von gehausten optoelektrischen Baugruppen zeigen vielversprechende Ergebnisse für das entwickelte Hausungsverfahren und das angepasste Hausungsmaterial.

Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung und die Anfertigung eines 3D Erdfeld-NMR Tomographen, um damit die benötigte Technik der MR eines MR-MPI-Tomographen am Lehrstuhl zu etablieren. Daraufhin wurden alle nötigen Komponenten für ein komplettes 3D Erdfeld-NMR-System entwickelt, gebaut und getestet. Mit diesem Wissen wurde in enger Zusammenarbeit mit der MPI-Arbeitsgruppe am Lehrstuhl ein multimodaler MR-MPI-Tomograph angefertigt und die prinzipielle Machbarkeit der technischen Kombination dieser zwei Modalitäten (MRT/MPI) in einer einzigen Apparatur gezeigt. Auf diesem Entwicklungsweg sind zusätzlich innovative Systemkomponenten entstanden, wie der Bau eines neuen Präpolarisationssystems, mit dem das Präpolarisationsfeld kontrolliert und optimiert abgeschaltet werden kann. Des Weiteren wurde ein neuartiges 3D Gradientensystem entwickelt, das parallel und senkrecht zum Erdmagnetfeld ausgerichtet werden kann, ohne die Bildgebungseigenschaften zu verlieren. Hierfür wurde ein 3D Standard-Gradientensystem mit nur einer weiteren Spule, auf insgesamt vier Gradientenspulen erweitert. Diese wurden entworfen, gefertigt und anhand von Magnetfeldkarten ausgemessen. Anschließend konnten diese Ergebnisse mit der hier präsentierten Theorie und den Simulationsergebnissen übereinstimmend verglichen werden. MPI (Magnetic Particle Imaging) ist eine neue Bildgebungstechnik mit der nur Kontrastmittel detektiert werden können. Das hat den Vorteil der direkten und eindeutigen Detektion von Kontrastmitteln, jedoch fehlt die Hintergrundinformation der Probe. Wissenschaftliche Arbeiten prognostizieren großes Potential, die Hintergrundinformationen der MRT mit den hochauflösenden Kontrastmittelinformationen mittels MPI zu kombinieren. Jedoch war es bis jetzt nicht möglich, diese beiden Techniken in einer einzigen Apparatur zu etablieren. Mit diesem Prototyp konnte erstmalig eine MR-MPI-Messung ohne Probentransfer durchgeführt und die empfindliche Lokalisation von Kontrastmittel mit der Überlagerung der notwendigen Hintergrundinformation der Probe gezeigt werden. Dies ist ein Meilenstein in der Entwicklung der Kombination von MRT und MPI und bringt die Vision eines zukünftigen, klinischen, multimodalen MR-MPI-Tomographen ein großes Stück näher. / Developement of an 3D MRI System for Earth Field MRI and the Kombination with MPI

Mit der vorliegenden Arbeit werden konventionelle thermische Kraftwerke an deutschen Flüssen identifiziert, bei denen aufgrund hoher Flusswassertemperaturen im Zusammenhang mit wasserrechtlichen Grenzwerten Leistungseinschränkungen auftraten. Weiterhin wird aufgezeigt, wie sich die Wassertemperaturen der Flüsse in der Vergangenheit (rezent) entwickelt haben und wie sie sich zukünftig im Kontext des Klimawandels entwickeln könnten. Mittels Literaturrecherche, Medienanalyse und schriftlicher Befragung wurden konventionelle thermische Kraftwerke identifiziert, welche wassertemperaturbedingte Leistungseinschränkungen verzeichneten. Die meisten dieser Leistungseinschränkungen zwischen 1976 und 2007 zeigen sich bei großen Kraftwerken mit einer elektrischen Bruttoleistung über 300 Megawatt, bei Steinkohle- und Kernkraftwerken, bei Kraftwerken mit Durchlaufkühlung und bei solchen, die zwischen 1960 und 1990 in Betrieb gingen. Trendanalysen interpolierter und homogenisierter, rezenter Wassertemperaturzeitreihen deutscher Flüsse ergeben positive Trends v. a. im Frühjahr und Sommer. Die Zählstatistik zeigt in den Jahren 1994, 2003 und 2006 die meisten Tage mit sehr hohen und extrem hohen Wassertemperaturen in den Sommermonaten. In diesen Jahren traten gleichzeitig 63 % aller identifizierter wassertemperaturbedingter Leistungseinschränkungen bei Kraftwerken, meist zwischen Juni und August, auf. Für die Trendanalysen und den Mittelwertvergleich simulierter zukünftiger Wassertemperaturzeitreihen wurden drei Szenarien – B1, A1B und A2 sowie drei Zukunftsperioden 2011-2040, 2011/2041-2070, 2011/2071-2100 betrachtet. Es ergeben sich für die Zukunftsperiode 2011-2040 des A1B- oder A2-Szenarios in mindestens einem der Sommermonate eine Erwärmung und für das B1-Szenario negative oder keine Trends. Die mittleren Wassertemperaturen der Zukunftsperiode 2011-2040 zeigen in allen drei Szenarien gegenüber denen der Klimanormalperiode 1961-1990 positive Unterschiede in mindestens einem der Sommermonate. Für die beiden späteren Zukunftsperioden bis 2070 bzw. bis 2100 liegen in allen Wassertemperaturzeitreihen der drei Szenarien im Sommer positive Trends bzw. Differenzen gegenüber den mittleren Wassertemperaturen der Klimanormalperiode vor. Durch die Synthese der drei Analysen ist erkennbar, dass Isar, Rhein, Neckar, Saar, Elbe und Weser die meisten Kraftwerksstandorte mit wassertemperaturbedingten Leistungseinschränkungen verzeichnen. Es zeigen sich hier positive Trends sowohl in den rezenten als auch zukünftigen Wassertemperaturen für die Zukunftsperiode 2011-2040 des A1B- und A2-Szenarios in jeweils mindestens einem der Sommermonate. Gegenüber den mittleren Wassertemperaturen der Klimanormalperiode liegen für alle drei Szenarien positive Unterschiede der Wassertemperaturen vor. Bei einer Kraftwerkslaufzeit von 40-50 Jahren und einem Kernenergieausstieg 2022 bzw. 2034, werden 48-64 % bzw. 67-91 % der Kraftwerke mit wassertemperaturbedingten Leistungseinschränkungen bis 2022 bzw. 2034 außer Betrieb gehen. Bei einer Laufzeitverlängerung würden nach 2022 fünf der elf betroffenen Kernkraftwerke weiter am Netz bleiben. Somit kann es wieder zu wassertemperaturbedingten Leistungseinschränkungen kommen. In Deutschland sind nach wie vor große Kraftwerke an Flüssen geplant. Deren Kühlsysteme müssen entsprechend ausgewählt und konstruiert werden, um der zu erwartenden Erhöhung der Flusstemperaturen Rechnung zu tragen. / The research described in this thesis identified a subset of German power plants that suffered from power generation reductions (WT-GR) due to high water temperature (WT) of the rivers along which they lie and due to statutory thresholds concerning mixed WT after waste heat discharge. An analysis of the recent WT and a prediction of those temperatures due to global warming were conducted. Power plants with WT-GR were identified based on a through literature search, scan of press releases and surveys. Most of WT-GR in the years between 1976 and 2007 occured in a) power plants with a gross power output of larger than 300 MW b) black coal and nuclear power plants c) power plants with once-through cooling system and d) power plants, which started operation between 1960 and 1990. Trend analysis of interpolated and harmonised recent WT of German rivers shows rising trends, predominantly in the spring and summer. Statistical analysis on numbers indicates most of days per year with either ‘very high’ or ‘extremely high’ WT in the years 1994, 2003 and 2006 in the summer. Those years also represent 63 % of all identified WT-GR, mostly between the months of June and August. The simulation of future WT considered three scenarios (named B1, A1B and A2) and three different time periods (TP) (2011-2040, 2011/2041-2070 and 2011/2071-2100). The trend analysis for 2011-2040 shows an increase in WT of the A1B and A2 scenario for at least one summer month and negative or no trends for the B1 scenario. Positive differences exist between mean WT of all three scenarios for TP 2011-2040 and mean WT of climate normal period (CNP) for at least one summer month. Estimates for the TP 2011/2041-2070 and 2011/2071-2100 and the three scenarios also show rising trends and an increase in mean WT in comparison to the CNP. Integration of above mentioned analyses indicates that plants along the rivers Isar, Rhine, Neckar, Saar, Elbe and Weser suffered most of WT-GR. Positive trends were identified by analyzing recent WT as well as the predictive WT for the period 2011-2040 and the scenarios A1B and A2 for at least one summer month. The average lifetime of a conventional thermal power plant in Germany is between 40 and 50 years. Hence it can be assumed that between 48-64 % and 67-91 %, respectively, of the power plants with an identified WT-GR will be decommissioned before 2022 and 2034, respectively, depending on the nuclear phaseout. In the case of hot summers further power generation reductions can be expected. The implication for new German power plants along rivers is that the selection, design and sizing of cooling systems must consider a further increase in river temperatures.