Kapazitive Sensoren, insbesondere kapazitive Näherungsschalter, werden aufgrund ihrer Fähigkeit nahezu beliebige Materialien detektieren zu können bereits seit vielen Jahrzehnten in unterschiedlichsten Applikationen der industriellen Messtechnik eingesetzt. Aufgrund ihrer kompakten Bauform, ihrer hohen Robustheit und ihres vergleichsweise günstigen Preises werden diese Sensoren auch heute noch in vielen Anwendungen eingesetzt. Wegen ihrer hohen Empfindlichkeit auf jegliche Änderung der elektrischen Eigenschaften in der Umgebung der Messelektrode werden kapazitive Näherungsschalter bei der berührungslosen Erkennung von Grenzständen eingesetzt, wobei der Sensor an der Außenseite eines nicht-leitenden Behälters angebracht ist. In den letzten Jahren sind die Anforderungen an die Sensorik immer weiter gestiegen. Statt einfacher Näherungsschalter, die ein binäres Schaltsignal ausgeben, werden heute zunehmend Sensoren gefordert, die ähnlich kompakt sind und die Sensorkapazität als Prozesswert ausgeben. Dadurch können potenziell neue Anwendungsfelder erschlossen werden. Insbesondere bei der Erkennung hoch-leitfähiger Medien sind Anhaftungen, die sich im Bereich der Messelektrode auf der Behälterinnenseite absetzen, problematisch. Die von den Sensoren gemessene Kapazität ist für das Vorhandensein einer leitfähigen Anhaftung und den tatsächlichen Vollzustand nahezu identisch, was zu Fehlauslösungen des Sensors führen kann. Es existieren bereits Ansätze leitfähige Anhaftungen auszublenden, wie beispielsweise die Verwendung kurzer Impulse als Anregungssignal. Allerdings sind die bei diesen Verfahren auftretenden großen Messfrequenzen ungünstig für das Sensorverhalten bezüglich der elektromagnetischen Verträglichkeit. Weiterhin können alternative Messprinzipien, wie beispielsweise Wirbelstromverfahren, verwendet werden. Bei diesen Verfahren ist jedoch die minimale Leitfähigkeit des Mediums, das detektiert werden kann, begrenzt. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Verfahrens zur Anhaftungserkennung bei kapazitiven Näherungsschaltern, das zusätzlich Informationen über das zu detektierende Medium liefert. Mit Hilfe der Impedanzspektroskopie gekoppelt mit analytischen und numerischen Modellierungsverfahren wird ein aus drei Parametern bestehendes vereinfachtes Modell entwickelt, das die zuverlässige Unterscheidung von Voll- Leer- und Anhaftungszustand ermöglicht. Einer dieser Parameter, der Gesamtwiderstand, erlaubt Rückschlüsse auf die Leitfähigkeit des zu detektierenden Mediums. Dieses neue Verfahren hat das Potenzial auch in komplexeren Applikationen Anwendung zu finden. / Capacitive sensors, especially capacitive proximity switches, are used in many applications because of their ability to detect almost any material. These sensors are still commonly used today due to their compact design, their high robustness and their comparatively low price. Because of their high sensitivity to changes of the electrical properties of materials in vicinity of the measurement electrode, capacitive proximity switches can be used for contactless limit level sensing. The sensor is often mounted on the outside of the liquid container. In recent years, requirements in regard to sensor performance have increased. Instead of just outputting a binary signal, capacitive proximity switches are expected to also output their measured capacitance, which could potentially open new fields of application. When detecting highly conductive fluids, soiling on the inside of the container in vicinity of the measurement electrode is problematic. The measured capacitance of a conductive film and the actual limit level are almost identical, which can cause false positive detection of a limit level. There are already various approaches to compensate for conductive soiling in vicinity of the measurement electrode, one of which includes the usage of short impulses for excitation. However, the high frequencies involved in these methods can cause problems with respect to electromagnetic compatibility. In addition, alternative measurement principles, like the eddy current principle, can be used. However, this principle imposes constraints on the minimum conductivity of the material to be detected. In this work, a technique to distinguish between conductive soiling and the actual fill level, which also allows to extract information about the material to be detected, is developed. Using impedance spectroscopy combined with analytical and numerical modelling, a model consisting of three parameters is developed. The model allows to reliably distinguish between actual limit level and conductive soiling. The overall resistance supplied by the model can be used as a measure for the conductivity of the material to be detected. The technique has the potential to be used in demanding applications.

Electron emission from ferroelectric materials is initiated by a variation of the spontaneous polarization. It is the main focus of this work to develop ferroelectric cathodes, which are characterized by a significantly decreased excitation voltage required to initiate the electron emission process. Particular attention is paid to the impact of the polarization on the emission process. Two materials are investigated. Firstly, relaxor ferroelectric lead magnesium niobate - lead titanate (PMN-PT) single crystals are chosen because of their low intrinsic coercive field. Electron emission current densities up to 5 · 10^(−5) A/cm² are achieved for excitation voltages of 160 V. A strong enhancement of the emission current is revealed for the onset of a complete polarization reversal. Secondly, lead zirconate titanate (PZT) thin films are investigated. A new method to prepare top electrodes with sub-micrometer sized, regularly patterned apertures is introduced and a stable electron emission signal is measured from these structures for switching voltages < 20 V. Furthermore, a detailed analysis of the polarization switching process in the PMN-PT samples is given, revealing a spatial rotation of the polarization vector into crystallographic easy axes, as well as the nucleation of reversed nano-domains. Both processes are initiated at field strengths well below the coercive field. The dynamics of the polarization reversal are correlated to the electron emission measurements, thus making it possible to optimize the efficiency of the investigated cathodes. / Die Ursache für Elektronenemission aus ferroelektrischen Materialien ist eine Veränderung des Zustandes der spontanen Polarisation. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist eine Verringerung der dafür nötigen Anregungsspannung, wobei besonderes Augenmerk auf die Rolle der ferroelektrischen Polarisation innerhalb des Emissionsprozesses gelegt wird. Es werden zwei verschiedene Materialien untersucht. Das Relaxor-Ferroelektrikum Bleimagnesiumniobat - Bleititanat (PMN-PT) wurde aufgrund seines geringen Koerzitivfeldes ausgewählt. Es konnten Emissionsstromdichten von bis zu 5·10^(−5) A/cm² bei einer Anregungsspannung von 160 V erreicht werden. Bei Einsetzen eines vollständigen Umschaltens der Polarisation wurde eine deutliche Verstärkung des Emissionsstromes festgestellt. Desweiteren werden Untersuchungen an Bleizirkoniumtitanat (PZT) Dünnfilmen gezeigt. Eine neue Methode, eine Elektrode mit periodisch angeordneten Aperturen im Submikrometerbereich zu präparieren, wird vorgestellt. Diese Strukturen liefern ein stabiles Emissionssignal für Anregungsspannungen < 20 V. Eine detailierte Analyse des Schaltverhaltens der Polarisation der PMN-PT Proben zeigt sowohl eine Rotation des Polarisationsvektors als auch eine Nukleation umgeschaltener Nanodomänen. Beide Prozesse starten bei Feldstärken unterhalb des Koerzitivfeldes. Die ermittelte Zeitabhängigkeit des Schaltprozesses erlaubt Rückschlüsse auf den Emissionsprozess und erlaubt es, die Effizienz der untersuchten Kathoden weiter zu optimieren.

In dieser Arbeit wird eine einheitliche physikalische Beschreibung des Feuchtespeicherverhaltens poröser Materialien gegeben, und ein anwendungsorientiertes Modell daraus abgeleitet. Insbesondere wird die Hysteresis der Feuchtespeicherung berücksichtigt. Die thermodynamischen Grundlagen der Feuchtespeicherung werden vollständig abgeleitet. Die Energie des kondensierten Wassers wird durch die Energie der freien Flüssigphase zuzüglich einer Porenwechselwirkungsenergie dargestellt. Um das Kondensationsverhalten zu beschreiben, wird ein thermodynamisches Kondensationspotential eingeführt; dabei werden ein Ungleichgewicht zwischen Kondensatphase und Wasserdampf sowie mehrere unabhängige Wassergehalte im Porensystem zur Darstellung der Hysteresis berücksichtigt. Für verschiedene in der Literatur beschriebene Sorptionsprozesse wird mit einheitlichen Zustandsgrössen das Kondensationspotential berechnet. Die Hysteresis wird als verzögerte Bewegung des Systemzustandes in der Berg- und Tallandschaft des Kondensationspotentials interpretiert. Es wurden an 11 Materialien Sorptionsmessungen im hygroskopischen Luftfeuchtebereich (0-92% RH) durchgeführt: Eine Adsorptionskurve und mehrere Desorptionskurven, sowie eine Langzeitmessung der Feuchteaufnahme bei 92% RH. Aus dem Adsorptions-Desorptionsverhältnis entnimmt man, dass der Hysteresis-Effekt typischerweise etwa 20% ausmacht. Mit den Messungen werden für alle Materialien das Modell der unabhängigen Domänen, das hysteretische thermodynamische Kondensationspotential und das Sorptionskurvensystem parametrisiert. Die Feuchteaufnahme bei dem Langzeitexperiment lässt sich durch eine bimodale Exponentialfunktion beschreiben. Die Kurven von hygroskopischer Adsorption und Desorption werden durch analytische Funktionen angenähert. Die Steigungen der Zwischenkurven werden aus den Steigungen der Hauptkurven berechnet. In gleicher Weise wird auch der überhygroskopische Bereich dargestellt, unter Zuhilfenahme externer Messdaten. Schliesslich ergeben sich zwei getrennt parametrisierte, aneinander angrenzende Sorptionsschleifen für den hygroskopischen und den überhygroskopischen Bereich. Alle Parameter werden so angepasst, dass eine grösstmögliche Übereinstimmung mit dem Domänenmodell erzielt wird.:1. Einleitung 2. Allgemeine Thermodynamik der Feuchtesorption 3. Sorptionsmodelle in einheitlicher Beschreibung 4. Experimentell untersuchte Materialien 5. Parametrisierung von Modell und Sorptionskurven 6. Zusammenfassung A.1. Details zur Theorie A.2. Details zum Experiment A.3. Details zur Parametrisierung / This work gives a unified physical description of moisture storage in very different porous materials and derives an application-oriented model, especially the hysteresis of moisture storage has been investigated extensively. A full derivation of the thermodynamics of moisture sorption is given. The energy of condensed water is described by the energy of the free liquid plus a pore interaction energy. To describe the condensation behaviour, a thermodynamic condensation potential is introduced. It takes into account a non-equilibrium between condensed water and water vapour as well as several independent moisture contents in the liquid phase to describe the hysteresis. For many different sorption processes described in literature the condensation potential is derived, using always the same state variables. Hysteresis is interpreted as a delayed movement of the system in the hill-and-valley-landscape of the condensation potential. Sorption measurements have been performed for 11 different materials in the hygroscopic region (0-92% RH). One adsorption curve and several desorption curves and also the time dependent moisture sorption at 92% RH in a long-time experiment have been measured. From the adsorption-desorption ratio it can be concluded that the influence of hygroscopic hysteresis is typically about 20%. From the measurement results, for all materials the model of independent domains, the hysteretic condensation potential and the sorption curve system are parameterised. The moisture uptake of the long-time experiment can be described by a bimodal exponential function. The curves of hygroscopic adsorption and desorption are approximated by analytical functions. The slopes of the intermediate curves are calculated from the slopes of the main curves. In the same way the overhygroscopic region is approximated, using external measurement results. Finally a model is presented with two neighbouring sorption loops, one for the hygroscopic, one for the overhygroscopic region. All parameters are fitted to the predictions of the domain model.:1. Einleitung 2. Allgemeine Thermodynamik der Feuchtesorption 3. Sorptionsmodelle in einheitlicher Beschreibung 4. Experimentell untersuchte Materialien 5. Parametrisierung von Modell und Sorptionskurven 6. Zusammenfassung A.1. Details zur Theorie A.2. Details zum Experiment A.3. Details zur Parametrisierung

Entladungsbasierte Elektronenquellen mit Kaltkathode waren gegen Ende des 19. Jahr hunderts weithin genutzte Forschungswerkzeuge und ermöglichten die Entdeckung des Elektrons und der Röntgenstrahlung. In jüngster Zeit erfahren sie erneutes Interesse in Wissenschaft und Industrie, motiviert durch ihre Fähigkeit, Elektronenstrahlen hoher Leistung für Produktionsprozesse (wie das Schweißen, die Materialverdampfung in der Vakuum beschichtung oder die Vakuum-Schmelzveredlung in der Metallurgie) basierend auf einem robusten Design sowie einfachen Versorgungs- und Steuerungssystemen zu erzeugen. Entladungsbasierte Elektronenquellen könnten also eine wirtschaftlich attraktive Alternative zu den gegenwärtig noch etablierten Elektronenstrahlkanonen mit Glühkathoden bieten. Trotz der langen Geschichte und vieler empirischer Ansätze, Gasentladungen zur Elektronenstrahlerzeugung für diverse Anwendungen zu nutzen, sind die bestimmenden Mechanismen bei dieser Art von Elektronenquellen immer noch unzulänglich verstanden. Es war deshalb das Ziel der für die vorliegende Dissertation durchgeführten experimentellen und theoretischen Arbeiten, nicht nur die technologischen Potentiale und Limitierungen entladungsbasierter Elektronenstrahlquellen zu untersuchen, sondern auch die Kenntnis grundlegender physikalischer Effekte zu verbessern. Analysiert wurden zunächst verschiedene, im Fraunhofer FEP vorhandene Kaltkathoden-Strahlquellen, die - ungeachtet der Tatsache, dass sie für unterschiedliche Anwendungen konstruiert wurden - sämtlich auf demselben Funktionsprinzip beruhen: Innerhalb des Gerätes wird eine Hochspannungs-Glimmentladung (HSGE) unterhalten. Ionen erfahren im Kathodenfall einen Energiezuwachs, treffen auf die Kathode und setzen dort Sekundärelektronen frei. Diese Elektronen werden in Richtung des Plasmas be schleu nigt und verlassen schließlich die Strahlquelle, um am Prozessort die beabsichtigte Wirkung zu erzielen. Zur Optimierung der Stabilität der die Ionen produzierenden Entladung, der Effizienz der Strahlerzeugung sowie der Strahlleistungsdichte und Kathodenlebensdauer wurden verschiedene Kombinationen von Kathodenmaterialien und Plasma-Arbeitsgasen experimentell untersucht. Die Abhängigkeit der Ausdehnung des Kathodenfalls von Strom und Spannung der Entladung wurde gemessen und konnte durch ein analytisches Modell erklärt werden. Emittanz und Richtstrahlwert sind wichtige Kenngrößen zur Charakterisierung der Qualität von Elektronenstrahlen. Beide wurden in dieser Arbeit für den Elektronenstrahl einer HSGE-basierten Kaltkathoden-Schweißstrahlquelle bestimmt, wobei zwei Ansätze verfolgt wurden: Zum einen konnte die Emittanz aus der Randstrahlgleichung gewonnen werden, die den experimentell beobachteten Verlauf des Strahldurchmessers entlang der Ausbreitungsachse analytisch beschreibt. Zum anderen wurde die Emittanz anhand des aus der numerischen Simulation berechneten Phasenraumprofils ermittelt. Eine Kernaufgabe dieser Arbeit war es, Software-Werkzeuge zur Simulation der Strahl erzeugung in verschiedenen geometrischen Konfigurationen zu entwickeln und zu validieren, mit denen künftig die Konstruktion und Optimierung neuer entladungsbasierter Strahlerzeuger unterstützt werden sollte. Da kommerziell verfügbare Programme zur Simulation der Erzeugung und Führung von Elektronenstrahlen grundlegende Effekte plasma basierter Quellen, wie z. B. die Raumladung der Ionen oder die ioneninduzierte Sekundär elektronen-Freisetzung, nicht berücksichtigen, wurde für diese Arbeit eine neue Herangehensweise favorisiert: „Particle-in-Cell“ (PIC)-Algorithmen werden in der Plasma forschung üblicherweise zur Modellierung von Entladungen sowie zum Studium nichtlinearer Probleme, wie z. B. Instabilitäten, verwendet. Deshalb wurde nun eine PIC-Simulations umgebung zur Modellierung der HSGE und der damit verbundenen Strahlerzeugung entwickelt. Die Simulation reproduziert experimentelle Ergebnisse, wie etwa die Charakteristik der Entladung, die Emittanz des Strahls oder die Ausdehnung des Kathodendunkelraums, in befriedigender Weise. Schließlich wurde im Rahmen dieser Arbeit eine entladungsbasierte Elektronenstrahlquelle neuen Typs entwickelt und charakterisiert, die die Einfachheit der bekannten Kaltkathoden-Strahler und vorteilhafte Leistungsparameter, z. B. eine hohe Strahlleistungsdichte und niedrige Arc-Rate, wie sie bisher nur mit traditionellen Glühkathodenstrahlern erreichbar waren, in sich vereinigt. Die Kathode bestand aus LaB6 - einem Material, das sowohl eine hohe Sekundärelektronen-Ausbeute als auch eine niedrige Austrittsarbeit aufweist - und wurde gegen die Halterung thermisch isolierend montiert. Dadurch kann sie von Ionen aus einer HSGE auf hohe Betriebstemperaturen geheizt werden und in erheblichem Maße thermisch freigesetzte Elektronen emittieren. Neben technisch nützlichen Gebrauchs eigenschaften weist diese so genannte „Hybrid-Kathode“ auch ein physikalisch interessantes Verhalten auf. Einige neuartige Effekte, die von Entladungen mit kalten Kathoden nicht bekannt waren, konnten beobachtet und erklärt werden, wie z.B. die auffällige „N-förmige“ Druck-Strom-Charakteristik, die bei plötzlicher Abschaltung der Entladung nur langsam und ungleichmäßig abklingende Elektronenemission, die Limitierung des erreichbaren Strahl stromes und eine Fülle von Kathodenverschleiß-Mechanismen. Physikalische Modelle zur Beschreibung verschiedener Aspekte der Hybridkathoden-Entladung wurden erarbeitet und mit den experimentellen Befunden verglichen.:1 Einleitung 1.1 Hintergrund und Motivation 1.2 Aufgabenstellung und Gliederung 2 Grundlagen 2.1 Erzeugung freier Elektronen 2.1.1 Elektronenfreisetzung durch Glüheffekt und Feldemission 2.1.2 Elektronenfreisetzung durch Teilchenbeschuss 2.2 Hochspannungsglimmentladungen 2.3 Kathodenverschleiß 2.4 Hochspannungsüberschläge 2.5 Aspekte der Strahlphysik 2.5.1 Strahlgüte 2.5.2 Strahlinstabilitäten 3 Experimentelle Basis 3.1 Elektronenstrahlquellen 3.1.1 CCGD-5/30 3.1.2 CCDG-EXP 3.1.3 CCGD-60/30 3.1.4 CCGD-400/40 3.1.5 EasyBeam-60/40 3.2 Messmethoden 3.2.1 Messung von Strom und Spannung 3.2.2 Druck- und Gasflussmessung 3.2.3 Messung des Kathodendunkelraums 3.3 Strahlstromregelung 4 Experimente mit Kaltkathoden-Elektronenstrahlquellen 4.1 Vermessung und Modellierung der Ausdehnung des Kathodendunkelraums 4.2 Untersuchungen zur Effizienz der Strahlerzeugung 4.3 Untersuchungen zum Kathodenverschleiß 5 Untersuchung und Charakterisierung der Strahlqualität 5.1 Überblick über etablierte Messmethoden 5.2 Eigene Messmethode 5.2.1 Aufbau und Messprinzip 5.2.2 Datenauswertung 5.2.3 Bestimmung der Emittanz 5.2.4 Diskussion 6 Numerische Simulation von Kaltkathoden-Elektronenstrahlquellen 6.1 Grundlagen zur Simulation von Plasmen und Elektronenstrahlen 6.2 Literaturübersicht zur Simulation von Hochspannungsglimmentladungen 6.3 Plasmasimulation mit Particle-in-Cell-Programmen 6.3.1 Skalierungsregeln und Stabilitätskriterien 6.3.2 Eingesetztes Simulationsprogramm und implementierte Modelle 6.4 Vergleich von Simluationsergebnissen und Experimenten 6.5 Fazit 7 Strahlerzeugung mit einer entladungsgeheizten thermionischen Kathode 7.1 Motivation 7.2 Funktionsweise und Wahl der Materialien 7.3 Experimentelle Ergebnisse 7.4 Erarbeitung und Diskussion von Modellvorstellungen 8 Zusammenfassung und Ausblick A Häufig verwendete Abkürzungen und Symbole A.1 Abkürzungen und Indizes A.2 Symbole A.3 Konstanten Tabellenverzeichnis Abbildungsverzeichnis Literaturverzeichnis / Discharge-based, cold-cathode electron sources were routinely used as research tools at the end of the 19th century and facilitated then the discovery of the electron and of the x-rays. In recent time, they experience a renewed interest in science and industry due to their capability of generating high power electron beams for production processes (like welding, evaporation of materials for vapor deposition, and vacuum melt refining in metallurgy) relying on rugged mechanic designs as well as simple supply and control systems. Hence, discharge-based electron sources could provide an economically attractive alternative to the currently established electron beam guns with thermionic cathodes. Despite the long history and many empirical trials to utilize electron beam generation by gas discharges in several applications, the mechanisms governing this kind of electron sources are far from being well understood. Therefore, it was the purpose of the theoretical and experimental work performed for this thesis not only to investigate in the technological potentials and limitations of discharge-based electron beam guns but also to improve the knowledge of physical basic effects. At first, several cold-cathode beam sources existing at Fraunhofer FEP were analyzed. Regardless that they were designed for different applications, all were based on the same function principle: A high-voltage glow-discharge (HVGD) is sustained inside the device. Ions gain energy in the cathode fall, hit the cathode and release secondary electrons. These electrons will be accelerated towards the plasma then and can finally leave the beam source to perform the desired action at the process site. In order to optimize stability of the ions generating discharge, efficiency of the beam generation, beam power density and longevity of the cathode, different combinations of cathode materials and plasma forming gases have been investigated experimentally. The dependence of the cathode dark space width on current and discharge voltage was measured and could be explained by an analytic model. Emittance and brightness are important measures which quantify the quality of electron beams. In this work, both were determined for the beam originating from a HVGD based cold-cathode electron gun designed for welding following two approaches: First the emittance could be extracted from the envelope equation which analytically describes the evolution of the experimentally observed beam diameter along the propagation axis. Second the emittance was calculated from numerically simulated traces in the phase space. It was a core purpose of this work to develop and validate software tools capable of simulating the beam formation in various geometric configurations. This task was aimed at supporting the design and optimization of new discharge-based beam sources. Since commercially available software for modeling electron beam generation and transport do not consider the key mechanisms of plasma-based sources like the ion space charge or the ion-dependent production of free electrons, a new attempt was favored for this work: Particle-in-Cell (PIC) are being used in plasma research for studying nonlinear problems like instabilities. Therefore, a PIC simulation environment was utilized to numerically model the HVGD and the related beam generation. The simulation satisfactorily reproduces experimental findings, like the characteristics of the discharge, the emittance of the beam or the cathode dark space dimension. Finally, a discharge-based electron-beam sources of a new type was developed and characterized in the frame of this work. It merges the simplicity of known cold cathode devices with beneficial performance parameters, like high beam power density and low arcing rate, which have been reached so far with traditional thermionic electron sources only. The cathode of the new beam source consists of LaB6 - a material with a high secondary electron yield and a low thermionic work function - and was mounted thermally insulated against the holder. Then, an elevated operation temperature resulting in considerable thermionic emission was maintained by ions extracted from a HVGD. Besides to technically advantageous features, this so called “hybrid“ cathode mode of beam generation shows a physically interesting behaviour. Several new effects - not known from traditional cold-cathode discharges - could be observed, like a peculiar “N-shaped“ appearance of the pressure-current characteristic, the slowly and irregularly decreasing electron emission after a sudden discharge cutoff, a limitation of achievable beam current, and a multitude of possible cathode wear mechanisms. Physical models describing various features of the hybrid cathode discharge were elaborated and compared with the experimental findings.:1 Einleitung 1.1 Hintergrund und Motivation 1.2 Aufgabenstellung und Gliederung 2 Grundlagen 2.1 Erzeugung freier Elektronen 2.1.1 Elektronenfreisetzung durch Glüheffekt und Feldemission 2.1.2 Elektronenfreisetzung durch Teilchenbeschuss 2.2 Hochspannungsglimmentladungen 2.3 Kathodenverschleiß 2.4 Hochspannungsüberschläge 2.5 Aspekte der Strahlphysik 2.5.1 Strahlgüte 2.5.2 Strahlinstabilitäten 3 Experimentelle Basis 3.1 Elektronenstrahlquellen 3.1.1 CCGD-5/30 3.1.2 CCDG-EXP 3.1.3 CCGD-60/30 3.1.4 CCGD-400/40 3.1.5 EasyBeam-60/40 3.2 Messmethoden 3.2.1 Messung von Strom und Spannung 3.2.2 Druck- und Gasflussmessung 3.2.3 Messung des Kathodendunkelraums 3.3 Strahlstromregelung 4 Experimente mit Kaltkathoden-Elektronenstrahlquellen 4.1 Vermessung und Modellierung der Ausdehnung des Kathodendunkelraums 4.2 Untersuchungen zur Effizienz der Strahlerzeugung 4.3 Untersuchungen zum Kathodenverschleiß 5 Untersuchung und Charakterisierung der Strahlqualität 5.1 Überblick über etablierte Messmethoden 5.2 Eigene Messmethode 5.2.1 Aufbau und Messprinzip 5.2.2 Datenauswertung 5.2.3 Bestimmung der Emittanz 5.2.4 Diskussion 6 Numerische Simulation von Kaltkathoden-Elektronenstrahlquellen 6.1 Grundlagen zur Simulation von Plasmen und Elektronenstrahlen 6.2 Literaturübersicht zur Simulation von Hochspannungsglimmentladungen 6.3 Plasmasimulation mit Particle-in-Cell-Programmen 6.3.1 Skalierungsregeln und Stabilitätskriterien 6.3.2 Eingesetztes Simulationsprogramm und implementierte Modelle 6.4 Vergleich von Simluationsergebnissen und Experimenten 6.5 Fazit 7 Strahlerzeugung mit einer entladungsgeheizten thermionischen Kathode 7.1 Motivation 7.2 Funktionsweise und Wahl der Materialien 7.3 Experimentelle Ergebnisse 7.4 Erarbeitung und Diskussion von Modellvorstellungen 8 Zusammenfassung und Ausblick A Häufig verwendete Abkürzungen und Symbole A.1 Abkürzungen und Indizes A.2 Symbole A.3 Konstanten Tabellenverzeichnis Abbildungsverzeichnis Literaturverzeichnis

The analysis of time-delayed dynamics on networks may help to understand many systems from physics, biology, and engineering, such as coupled laser arrays, gene-regulatory networks and complex ecosystems. Beside the complexity due to the network structure, the analysis is further complicated by the presence of the delays. Delay systems are in general infinite dimensional and thus can display complex dynamics as oscillations and chaos. The mathematical difficulties related to the delays hinders the analysis of delay networks. Thus, little is known yet about basic relations between network structure and delay dynamics. It has been shown that networks without delays can be studied efficiently with the generalized modeling approach, which analyzes the stability of an assumed steady state by a direct parametrization of the Jacobian matrix. In this thesis, I demonstrate the extension of the generalized modeling approach to delay networks and analyze networks of delay-coupled delay oscillators, with delayed auto-catalytic growth on the nodes and delayed transport between nodes. For degree-homogeneous networks (DHONs), in which each node has the same number of links, the bifurcation lines that border the stable areas can be calculated analytically, where the topology of the network is described only by the eigenvalues of the adjacency matrix. For undirected networks, the stability pattern in the parameter space of growth and transport delay is governed by two periodic sets of tongues of instability, which depend on the largest positive and the smallest negative eigenvalue. The direct relation between the eigenvalue and the bifurcation lines allows us to predict stability patterns for networks with certain topological properties. Thus, bipartite networks display a characteristic periodicity of tongues. In order to analyze the stability of degree-heterogeneous networks (DHENs), I apply a numerical sampling method based on Cauchy\'s Argument Principle. The stability patterns of these networks resembles the pattern of DHONs, which is governed by the two periodic sets. For networks with sufficiently many links, one set disappears, and the stability of DHENs can be approximates by the stability of a fully-connected network with the same average degree. However, random DHENs tend to be more stable than DHONs, and DHENs with a broad degree-distribution tend to be more stable than DHENs with a narrow distribution. Thus, such networks are more likely to give rise to amplitude death, i.e. the stabilization of an unstable steady state through diffusive coupling. The stability pattern of DHENs can be qualitatively different than the pattern in DHONs. However, for small growth delays, close to the critical delay of the single node system, the bifurcation lines of all DHENs with the same average degree coincide. This, is particularly interesting, because there the stability depends on a global property of the network, which suggests a diverging interaction length. In summary, the extension of generalized modeling to time-delay networks reveals basic relations between the delay dynamics and the topology. The generality of our model should allow to apply these results to a large class of real-world systems.

Ferroelectric field-effect transistors (FeFET) based on hafnium oxide offer great opportunities for Logic-in-Memory applications, due to their natural ability to combine logic (transistor) and memory (ferroelectric material), their low-power operation, and CMOS compatible integration. Besides aggressive scaling, dense integration of FeFETs is necessary to make electronic circuits more area-efficient. This paper investigates the impact of ultra-dense co-integration of a FeFET and an n-type selector FET, sharing the same active area, arranged in a 2TNOR memory array. The examined FeFETs exhibit a very similar switching behavior as FeFETs arranged in a standard AND-type array, indicating that the ultra-dense co-integration does not degrade the FeFET performance, and thus, paves the path to a very fine-grained, ultra-dense Logic-in-Memory implementation. Based on this densely integrated 2TNOR array we propose a very compact design of a 4-to-1 multiplexer with a build-in look-up table, thus directly merging logic and memory.

Analytical and semi-analytical physical models for MEMS are derived from nonlinear mechanics. By taking into account system characteristics and assumptions, system identification enables the derivation of a mathematical model that is tailored to the effect and the MEMS under analysis. Such an adapted model can successfully emulate and explain the nonlinear dynamics of individual MEMS, including resonant actuation of parasitic modes. The performed analyses also confirm that small deviations in the mode spectrum between devices influence the occurrence of nonlinear effects.:1 Introduction 2 MEMS: Design, Devices & Modelling 3 Nonlinear Mechanics of Dynamical Systems 4 Modelling Approach 5 System Identification & Characterization 6 Conclusion / Analytische und semi-analytische physikalische Modelle für MEMS werden aus der nichtlinearen Mechanik abgeleitet. Durch die Berücksichtigung systemspezifischer Merkmale und Annahmen, ermöglicht die Systemidentifikation das Ableiten eines mathematischen Modells, das auf den analysierten Effekt und das MEMS zugeschnitten ist. Ein solches Modell kann für die Erklärung der nichtlinearen Dynamik einzelner MEMS herangezogen werden und bildet erfolgreich nichtlineare Effekte nach, einschließlich des resonanten Aufschwingens von Parasitärmoden. Die durchgeführten Analysen bestätigen auch, dass geringe Abweichungen im Modenspektrum zwischen Bauteilen das Auftreten nichtlinearer Effekte beeinflussen.:1 Introduction 2 MEMS: Design, Devices & Modelling 3 Nonlinear Mechanics of Dynamical Systems 4 Modelling Approach 5 System Identification & Characterization 6 Conclusion

This thesis is devoted to the experimental quantitative characterization of the shape and orientation distribution of ice particles in clouds. The characterization is based on measured and modeled elevation dependencies of the polarimetric parameters differential reflectivity and correlation coefficient. The polarimetric data is obtained using a newly developed 35-GHz cloud radar MIRA-35 with hybrid polarimetric configuration and scanning capabilities. The full procedure chain of the technical implementation and the realization of the setup of the hybrid-mode cloud radar for the shape determination are presented. This includes the description of phase adjustments in the transmitting paths, the introduction of the general data processing scheme, correction of the data for the differences of amplifications and electrical path lengths in the transmitting and receiving channels, the rotation of the polarization basis by 45°, the correction of antenna effects on polarimetric measurements, the determination of spectral polarimetric variables, and the formulation of a scheme to increase the signal-to-noise ratio. Modeling of the polarimetric variables is based on existing backscattering models assuming the spheroidal representation of cloud scatterers. The parameters retrieved from the model are polarizability ratio and degree of orientation, which can be assigned to certain particle orientations and shapes. In the thesis the first quantitative estimations of ice particle shape at the top of liquid-topped clouds are presented. Analyzed ice particles were formed in the presence of supercooled water and in the temperature range from -20 °C to -3 °C. The estimation is based on polarizability ratios of ice particles measured by the MIRA-35 with hybrid polarimetric configuration, manufactured by METEK GmbH. For the study, 22 cases observed during the ACCEPT (Analysis of the Composition of Clouds with Extended Polarization Techniques) field campaign were used. Polarizability ratios retrieved for cloud layers with cloud-top temperatures of about -5, -8, -15, and -20 °C were 1.6, 0.9, 0.6, and 0.9, respectively. Such values correspond to prolate, quasi-isotropic, oblate, and quasi-isotropic particles, respectively. Data from a free-fall chamber were used for the comparison. A good agreement of detected shapes with well-known shape{temperature dependencies observed in laboratories was found.:1 Introduction 2 Formation and development of ice particles: Laboratory studies and remote observations 2.1 Heterogeneous ice formation in the atmosphere 2.2 Laboratory investigations of ice crystal development 2.3 Polarimetric radar observations of ice microphysics 2.3.1 Polarimetry in weather radar networks 2.3.2 Polarimetry in cloud radars 2.3.3 Polarization coupling 2.4 Aims and scientific questions 3 Effects of antenna patterns on cloud radar polarimetric measurements 3.1 Measurements of complex antenna patterns 3.1.1 Problem definition 3.1.2 Measurement description 3.1.3 Results of antenna pattern measurements 3.2 Correction of LDR measurements 3.3 Discrimination between insects and clouds 4 Cloud radar MIRA-35 with hybrid mode 4.1 Implementation and phase adjustment 4.2 Processing of the coherency matrix 4.3 Correction of the coherency matrix for differences of channels 4.4 The coherency matrix in the slanted basis 4.5 Correction for the antenna coupling 4.6 Spectral polarimetric variables 4.7 Sensitivity issue 5 Shape and orientation retrieval 5.1 Backscattering model 5.2 Retrieval technique 5.3 Case study 6 Shape-temperature relationship of pristine ice crystals 6.1 Instrumentation and data set 6.2 Examples of the shape retrieval 6.2.1 Case 1: 12 October 2014, 15:00-16:00 UTC 6.2.2 Case 2: 18 October 2014, 01:00-02:00 UTC 6.2.3 Case 3: 20 October 2014, 18:00-19:00 UTC 6.2.4 Case 4: 10 November 2014, 02:00-03:00 UTC 6.2.5 Case 5: 7 November 2014, 20:00-21:00 UTC 6.3 Comparison of shape with laboratory studies 6.4 Orientation of pristine ice crystals 7 Summary and outlook Bibliography List of Abbreviations List of Symbols

This work relates to the remote sensing technologies to determine wind velocity and its related phenomena. Laser-based pulsed systems with heterodyne detection allow a very sensitive measurement of particles’ velocity in the atmosphere. The heterodyne detection theory and the essential principles and properties of this technology are presented. An all-fiber coherent Doppler lidar system in master-oscillator power-amplifier design with a novel multi-wavelength channel configuration was developed and introduced, characterized, and validated in this work. The fiber amplifier is a crucial component of multi-channel all-fiber systems and is therefore discussed with special emphasis on non-linear effects and pulse distortions. A novel feedback controlled pulse-shaping unit was developed to control pulse energy and the shape of the amplified pulses of each channel. Each and every wavelength-channel creates an independent speckle pattern, which is demonstrated by hard targets with diffuse character and atmospheric single-shot measurements, and compared with theoretical results. Utilizing four channels, the precision of the measured wind velocity can be improved and this feature is demonstrated with measured atmospheric return signals. A correlation technique is presented, which enables the enhancement of the SNR at higher backscattered powers by utilizing multiple channels. The multi-wavelength system was designed to work with four wavelength-channels, which also allow measurements along the same line-of-sight with different channel configurations. These channels can be different in pulse shape, pulse length, and pulse repetition frequency. In this work, the resulting benefits of using multiple channels are shown with atmospheric measurements and scientific discussion of these is presented.:1. Introduction to the subject 2. Introduction to pulsed coherent Doppler lidar 3. Methodology: Multi-channel coherent Doppler lidar system 4. Erbium-doped fiber amplifier in a multi-channel lidar 5. Correlation properties of a multi-channel lidar system 6. Benefits of a multi-channel coherent Doppler lidar 7. Conclusions A. Wind measurement examples B. Range gate weighting function for different pulse shapes / Diese Arbeit befasst sich mit der Fernerkundungstechnologie zur Erfassung der Windgeschwindigkeit und den damit verbundenen Phänomenen. Die heterodyne Detektion der laserbasierten gepulsten Systeme ermöglicht eine sehr sensitive Messung von Partikelgeschwindigkeiten in der Atmosphäre. Sowohl die Theorie der heterodynen Detektion als auch die wesentlichen Eigenschaften und Grundsätze werden in dieser Arbeit diskutiert. Ein neuartiges faserbasiertes kohärentes Doppler Mehrkanal-Lidarsystem wurde entwickelt, vorgestellt, charakterisiert und validiert. Dabei ist der faserbasierte Verstärker eine wesentliche Komponente in diesem System und wird somit in Bezug auf Nichtlinearitäten und Impulsverzerrungen besonders analysiert. Eine neuartige geregelte Impulsformung wurde entwickelt, um die Impulsenergie und die Impulsform unabhängig für jeden Kanal zu stabilisieren. Jeder einzelne Kanal erzeugt ein unabhängiges Specklebild, welches durch Messungen am festen Ziel und durch atmosphärische Messungen präsentiert und mit theoretischen Berechnungen verglichen wird. Somit wird unter der Verwendung aller vier Kanäle des Systems die Geschwindigkeitsgenauigkeit erhöht, welches durch atmosphärische Messungen dargelegt wird. Zudem wird eine Korrelationstechnik vorgestellt, die das SNR bei höherer Rückstreuintensität weiter erhöht. Das Mehr-Wellenlängensystem wurde für vier Kanäle ausgelegt, welches eine Beobachtung der Atmosphäre entlang der Sichtlinie unter sonst gleichen Bedingungen ermöglicht. Diese Kanäle können sich sowohl in der Impulsform, in der Impulslänge als auch in der Pulsfolgefrequenz unterscheiden. Diese Arbeit zeigt die wesentlichen Vorteile eines solchen Mehrkanal-Lidarsystems mit atmosphärischen Messungen und wissenschaftlichen Ausarbeitungen.:1. Introduction to the subject 2. Introduction to pulsed coherent Doppler lidar 3. Methodology: Multi-channel coherent Doppler lidar system 4. Erbium-doped fiber amplifier in a multi-channel lidar 5. Correlation properties of a multi-channel lidar system 6. Benefits of a multi-channel coherent Doppler lidar 7. Conclusions A. Wind measurement examples B. Range gate weighting function for different pulse shapes

IGBTs are today’s most important power-semiconductor switches in the field of medium and high power ranges. The good controllability of this device with a voltage source is advantageous. The following work investigates the IGBT at short-circuit and surge-current condition. A particular focus is put on the IGBT’s feedback on the gate-control circuit. Special modes during the short circuit are measured and explained. For example the self-turn-off mechanism during short circuit and the collector-emitter voltage-clamping capability during fast short-circuit turn-off. Measurements are done at high-voltage IGBT chips and press-pack devices. The complete IGBT output characteristic up to the breakdown point is measured. Additionally, the short circuit is investigated at the parallel and series connection of IGBTs. Supporting semiconductor simulations of a high-voltage IGBT model, that was specially constructed for this work, analyse the internal behaviour during the mentioned conditions. The impact of different IGBT designs on the short-circuit ruggedness and breakdown behaviour is shown. Solutions for protecting the device from destruction during overload condition are presented. Measurements and simulations explain the surge-current capability of an IGBT and demonstrate the benefit for the application. / IGBTs gehören zu den wichtigsten Halbleiter-Leistungsbauelementen im mittleren und oberen Leistungsbereich. Die einfache Ansteuerbarkeit durch eine Spannungsquelle ist dabei von großem Vorteil. Nachfolgende Untersuchungen beschäftigen sich mit dem IGBT-Kurzschluss und -Stoßstrom. Ein besonderes Augenmerk wird auf die Rückwirkung des IGBTs auf den Ansteuerkreis gelegt. Spezielle IGBT Modi werden gemessen und erklärt. Hierzu zählen zum Beispiel der Self-Turn-Off Mechanismus während des Kurzschlusses und die selbständige Kollektor-Emitter Spannungsbegrenzung während schnellen Kurzschlussabschaltens. Hierfür werden Messungen an Hochspannungs-IGBT Chips und Press-Pack IGBTs durchgeführt. Des Weiteren wird das komplette Ausgangskennlinienfeld des IGBTs vermessen und das Kurzschlussverhalten in der Parallel- und Reihenschaltung untersucht. Halbleitersimulationen eines Hochspannungs-IGBT Modells zeigen das interne IGBT Verhalten und unterstützen die Analyse der Messungen. Der Einfluss unterschiedlicher IGBT Designs in Bezug auf die Kurzschluss-Robustheit und das Durchbruchverhalten wird aufgezeigt. Möglichkeiten zum Schutz des IGBTs vor Zerstörung werden erörtert. Messungen und Simulationen zeigen die gute Stoßstromfestigkeit von IGBTs bei erhöhter Gatespannung auf. Davon kann die komplette Anwendung profitieren.