Validation of the Regional Climate Model HIRHAM with measurements, especially from radiosondes and GPS-signal-retrieval. Analysis of synoptical structures in Antarctica and comparison of the precipitation in different phases of the Antarctic Oscillation.

MARCKS-Protein ist in den Signalübertragungsweg der Zelle involviert. Durch einen Adsorptions-/Desorptionszyklus mit der Zellmembran reguliert es die Konzentration bestimmter Botenmoleküle. Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, inwieweit strukturelle Änderungen der Membran, verursacht durch die Membran-Protein-Wechselwirkung, mit einem Reaktions-Diffusions-System korrelieren. Die elektrostatische Wechselwirkung von MARCKS-Protein mit negativ geladenen Membranlipiden geschieht an der inneren Seite der Zellmembran. Als Modellsystem lässt sich dies mit einer monomolekularen Lipidschicht an der Wasser-Luft-Grenzfläche realisieren. Anhand von oberflächensensitiven Messungen konnte gezeigt werden, dass die Wechselwirkung von MARCKS mit negativ geladenen Membranlipiden und damit die Adsorption an der Membran, zu einer Änderung der Membrantopologie führt. Damit verbundenen ist auch der partielle Einbau von MARCKS in die Membran, was zu einem größeren molekularen Flächenbedarf führt. Dieser korreliert mit dem Anstieg des lateralen Drucks der Lipidmonoschicht bei konstanter Fläche. Die Desorption von MARCKS kann durch die Wechselwirkung mit PKC induziert werden, detektierbar durch die Reduktion des lateralen Drucks. Bei Vorhandensein eines Reservoirs an MARCKS und PKC oszilliert der laterale Druck, was als zyklische Adsorption und Desorption von MARCKS an bzw. von der Lipidschicht interpretiert wird. Anhand der experimentellen Ergebnisse wurde ein mathematisches Modell entwickelt, dass dieses oszillierende Verhalten als ein Reaktions-Diffusions-System erklärt.

Im Allgemeinen ist für die rechnerische Ermittlung der Wälzlagerlebensdauer die innere Lagerlastverteilung aus den äußeren Belastungen abzuleiten. Hierzu liefert die Norm DIN 26281 mit dem Scheibenmodell zwar eine anwenderfreundliche Berechnungsmethode, jedoch stößt dieses Werkzeug hinsichtlich Detailgrad, Genauigkeit und Flexibilität schnell an seine Grenzen. Aus anwendungstechnischer Sicht existiert eine Vielzahl an Beispielen, in denen es einer detaillierten Betrachtung der Einflüsse durch Laufbahnprofilierung, Lagerring- und Umfeldverformung, Nadelrollenbiegung oder Lagervorspannung angestellter Lagerungen bedarf. Die vorliegende Arbeit widmet sich der Theorie der Lebensdauerberechnung sowie den numerischen Methoden zur Lastverteilungsanalyse von Rollenlagern. Ausgehend von einer detaillierten Aufarbeitung des Ermüdungsmodells nach Palmgren und Lundberg sowie den Grundlagen der Kontaktmechanik, werden erweiterte Berechnungsansätze entwickelt. Für die numerische Simulation von Festkörperkontakten kommen effiziente Modelle auf Basis der Halbraummethode zum Einsatz, welche der Ermittlung von Kontaktbeanspruchungen und der damit einhergehenden methodischen Auslegung von Wälzkörperprofilierungen dienen. Neben den Erweiterungen des Scheibenmodells ist auch die Umsetzung selbiger mit der Finite-Elemente-Methode ein zentraler Bestandteil der Arbeit. Dies ermöglicht eine ganzheitliche Betrachtung von Lagersystemen unter Berücksichtigung von Umfeldverformungen und der gegenseitigen Kopplung von nichtlinearen Steifigkeitseinflüssen. Ein weiterer Fokus liegt auf der Betrachtung von Lagern mit oszillierender Bewegung. Dazu wird ein Berechnungsansatz hergeleitet, welcher die Ermittlung eines Lebensdauerbeiwertes in Abhängigkeit von Oszillationsamplitude und Lastzonengröße ermöglicht. Die Arbeit schließt mit zwei anschaulichen Anwendungsbeispielen ab, in denen die vorgestellten Berechnungsansätze zur Lebensdauer- und Beanspruchungsermittlung von Rollenlagern zum Einsatz kommen.:Symbolverzeichnis VIII Abkürzungsverzeichnis XVI 1 Einleitung 1 1.1 Motivation 1 1.2 Zielsetzung 2 1.3 Aufbau der Arbeit 2 2 Grundlagen 4 2.1 Wälzlagerkinematik 4 2.2 Lastverteilung nach Sjövall 6 2.2.1 Rein radial belastete Lager in starrer Umgebung 6 2.2.2 Rein axial belastete Lager in starrer Umgebung 10 2.2.3 Kombiniert belastete Lager in starrer Umgebung 11 2.3 Pressungsberechnung für Rollenlager 12 2.4 Spannungen des Wälzkontaktes 19 2.5 Statistik und Wahrscheinlichkeitstheorie 22 2.5.1 Grundbegriffe 22 2.5.2 Zweiparametrige Weibullverteilung 23 2.5.3 Dreiparametrige Weibullverteilung 24 2.5.4 Vertrauensgrenzen 26 3 Ermüdungsberechnung von Wälzlagern 30 3.1 Die Tragfähigkeit des Einzelkontaktes 31 3.2 Die Tragfähigkeit der Lagerringe 33 3.2.1 Umfangslast 34 3.2.2 Punktlast 35 3.3 Tragfähigkeit des Lagers 37 3.4 Lebensdauergleichung 39 3.5 Lebensdauermodell nach Ioannides und Harris 39 3.6 Lastkollektive 40 3.6.1 Periodisches Lastkollektiv 41 3.6.2 Absolutes Lastkollektiv 41 3.7 Umrechnung der Tragzahl bei Herstellerangaben 42 3.8 Tragfähigkeit mehrreihiger Lager und Baugruppen 43 3.9 Tragzahl für getauschte Belastungsart 45 3.10 Lebensdauerbeiwert a1 46 3.10.1 Zweiparametrige Weibullverteilung 46 3.10.2 Dreiparametrige Weibullverteilung 47 3.11 Probabilistische Betrachtung der Lebensdauerprüfung 49 3.11.1 Monte-Carlo-Simulation 49 3.11.2 Verzerrte Schätzung der Maximum-Likelihood-Methode 50 3.11.3 Virtuelles Experiment 51 3.11.4 Lebensdauerprüfungen in der Praxis 54 3.11.5 Auswerteverfahren - Teststrategien 55 3.11.6 Vollständige Stichproben 56 3.11.7 Unvollständige Stichproben 57 3.11.8 Testzeitverkürzung 63 4 Oszillierende Wälzlager 66 4.1 Industrielle Anwendungsbeispiele 66 4.2 Berechnungsansätze 67 4.3 Kontinuierliche Rotation 71 4.3.1 Ring mit Umfangslast 72 4.3.2 Ring mit Punktlast 72 4.4 Kombination von Lebensdauerbeiwerten 72 4.5 Fall 1: Kleine Oszillationsamplituden θa < θkrit 73 4.6 Fall 2: Große Oszillationsamplituden θa ≥ θkrit 74 4.6.1 Punktlast (stationäre Belastung) 75 4.6.2 Umfangslast (zyklische Belastung) 76 4.7 Schadensbild und Verschleißmechanismus 78 4.8 Dynamisch äquivalente Belastung 80 4.9 Anwendungsbeispiel – Gelenkwelle 81 4.9.1 Kinematik und Kräftegleichgewicht des Kreuzgelenks 82 4.9.2 Anschlusslager 86 4.9.3 Wälzlager des Kreuzgelenks 86 4.9.4 Dynamisch äquivalente Belastung 88 5 Numerische Berechnungsmodelle 92 5.1 Scheibenmodell nach DIN 26281 (ISO/TS 16281) 92 5.2 Erweitertes Scheibenmodell 96 5.2.1 Freiheitsgraderweiterung 96 5.2.2 Ungleichmäßige Scheibenteilung 97 5.3 Numerische Lösung nichtlinearer Gleichungssysteme 98 5.4 Ermittlung des Kontaktspiels (Klaffmaß) 99 5.5 Numerische Kontaktsimulation - Halbraummethode 102 5.5.1 Berechnungsansatz 102 5.5.2 Rechenzeiteffizienter Lösungsansatz 107 5.5.3 Pressungsberechnung des Wälzkontaktes 108 5.5.4 Ermittlung des örtlichen Spannungstensors 110 5.6 Kegelrollenlager 113 5.6.1 Scheibenmodell 114 5.6.2 Doppelreihige Kegelrollenlager 117 5.6.3 Pressungsberechnung 118 5.7 Finite-Elemente-Methode 118 5.7.1 Modellbildung 118 5.7.2 FE-basierter Steifigkeitsansatz 123 5.8 Kontakteinfederung 125 5.8.1 Analytische Berechnungsansätze 126 5.8.2 Herleitung nach der Halbraumtheorie 127 5.8.3 Numerische Berechnung im elastischen Halbraum 131 5.8.4 Alternative Slicing Technique (AST) 133 5.9 Wälzkörperprofilierung 137 5.9.1 Näherungslösungen 137 5.9.2 Numerische Berechnung 140 5.9.3 Lastreduktionsfaktor λν 148 5.10 Wälzkörperbiegung 150 6 Anwendungsbeispiele 155 6.1 Momentenlager einer Windenergieanlage 155 6.1.1 Lagervorspannung 156 6.1.2 Profiloptimierung 160 6.1.3 Umfeldverformung 163 6.1.4 Zusammenfassung 167 6.2 Kreuzgelenkbüchse 168 6.2.1 Akademisches Anwendungsbeispiel 168 6.2.2 Profilauslegung 169 6.2.3 Lebensdauerbeiwert für oszillierende Bewegung 174 6.2.4 Nennlast - nominelle Lebensdauer 176 6.2.5 Lastkollektiv - Referenz-Lebensdauer 178 6.2.6 FE-Analyse zum Verformungseinfluss 180 7 Zusammenfassung 186 Literaturverzeichnis 191 Tabellenverzeichnis 201 Abbildungsverzeichnis 202 A Anhang 205 A.1 Anhang Kapitel 1 205 A.1.1 Drehzahlen der Lagerkomponenten (Swamp-Schema) 205 A.1.2 Käfigdrehzahl 205 A.1.3 Wälzkörperdrehzahl 206 A.2 Anhang Kapitel 2 207 A.2.1 Ersatzkrümmung Kegel 207 A.2.2 Spannungstiefenverläufe 208 A.3 Anhang Kapitel 3 209 A.3.1 Herleitung der Proportionalitätsgleichung der Lebensdauer 209 A.3.2 Übersicht der DIN- und ISO-Normen 211 A.3.3 Virtuelles Experiment 212 A.4 Anhang Kapitel 4 213 A.4.1 Oszillationsbeiwerte 213 A.5 Anhang Kapitel 5 215 A.5.1 Herleitung des Korrekturbeiwertes nach Johns und Gohar 215 / In general, the internal bearing load distribution must be derived from the external loads for the calculation of the bearing rating life. For this purpose, the standard DIN 26281 offers a convenient calculation method with the lamina model, which quickly reaches its limits in terms of level of detail, accuracy and flexibility. From an application engineering perspective, there are numerous examples where a detailed consideration of the influences due to raceway profiling, bearing ring and environmental deformation, needle roller bending or bearing preload of adjusted bearing arrangements is required. This dissertation is concerned with the theory of rating life calculation and the numerical methods for load distribution analysis of roller bearings. Based on a detailed review of the Palmgren and Lundberg fatigue model and the fundamentals of contact mechanics, advanced calculation approaches are developed. Efficient models based on the half-space method are used for the numerical simulation of solid-state contacts. These models are utilized to determine contact stresses and the associated methodical design of rolling element profile functions. Besides the extensions of the lamina model, the implementation of the latter with the finite-element-method is a fundamental contribution of the work. This enables a holistic view of bearing systems, taking into account environmental deformations and the interaction of nonlinear stiffness effects. Another focus lies on the analysis of bearings with oscillating motion. For this purpose, a calculation approach is derived which allows the determination of a rating life coefficient as a function of oscillation amplitude and load zone size. The thesis concludes with two concrete application examples in which the calculation approaches presented are used to determine the rating life and the contact stress of rolling bearings.:Symbolverzeichnis VIII Abkürzungsverzeichnis XVI 1 Einleitung 1 1.1 Motivation 1 1.2 Zielsetzung 2 1.3 Aufbau der Arbeit 2 2 Grundlagen 4 2.1 Wälzlagerkinematik 4 2.2 Lastverteilung nach Sjövall 6 2.2.1 Rein radial belastete Lager in starrer Umgebung 6 2.2.2 Rein axial belastete Lager in starrer Umgebung 10 2.2.3 Kombiniert belastete Lager in starrer Umgebung 11 2.3 Pressungsberechnung für Rollenlager 12 2.4 Spannungen des Wälzkontaktes 19 2.5 Statistik und Wahrscheinlichkeitstheorie 22 2.5.1 Grundbegriffe 22 2.5.2 Zweiparametrige Weibullverteilung 23 2.5.3 Dreiparametrige Weibullverteilung 24 2.5.4 Vertrauensgrenzen 26 3 Ermüdungsberechnung von Wälzlagern 30 3.1 Die Tragfähigkeit des Einzelkontaktes 31 3.2 Die Tragfähigkeit der Lagerringe 33 3.2.1 Umfangslast 34 3.2.2 Punktlast 35 3.3 Tragfähigkeit des Lagers 37 3.4 Lebensdauergleichung 39 3.5 Lebensdauermodell nach Ioannides und Harris 39 3.6 Lastkollektive 40 3.6.1 Periodisches Lastkollektiv 41 3.6.2 Absolutes Lastkollektiv 41 3.7 Umrechnung der Tragzahl bei Herstellerangaben 42 3.8 Tragfähigkeit mehrreihiger Lager und Baugruppen 43 3.9 Tragzahl für getauschte Belastungsart 45 3.10 Lebensdauerbeiwert a1 46 3.10.1 Zweiparametrige Weibullverteilung 46 3.10.2 Dreiparametrige Weibullverteilung 47 3.11 Probabilistische Betrachtung der Lebensdauerprüfung 49 3.11.1 Monte-Carlo-Simulation 49 3.11.2 Verzerrte Schätzung der Maximum-Likelihood-Methode 50 3.11.3 Virtuelles Experiment 51 3.11.4 Lebensdauerprüfungen in der Praxis 54 3.11.5 Auswerteverfahren - Teststrategien 55 3.11.6 Vollständige Stichproben 56 3.11.7 Unvollständige Stichproben 57 3.11.8 Testzeitverkürzung 63 4 Oszillierende Wälzlager 66 4.1 Industrielle Anwendungsbeispiele 66 4.2 Berechnungsansätze 67 4.3 Kontinuierliche Rotation 71 4.3.1 Ring mit Umfangslast 72 4.3.2 Ring mit Punktlast 72 4.4 Kombination von Lebensdauerbeiwerten 72 4.5 Fall 1: Kleine Oszillationsamplituden θa < θkrit 73 4.6 Fall 2: Große Oszillationsamplituden θa ≥ θkrit 74 4.6.1 Punktlast (stationäre Belastung) 75 4.6.2 Umfangslast (zyklische Belastung) 76 4.7 Schadensbild und Verschleißmechanismus 78 4.8 Dynamisch äquivalente Belastung 80 4.9 Anwendungsbeispiel – Gelenkwelle 81 4.9.1 Kinematik und Kräftegleichgewicht des Kreuzgelenks 82 4.9.2 Anschlusslager 86 4.9.3 Wälzlager des Kreuzgelenks 86 4.9.4 Dynamisch äquivalente Belastung 88 5 Numerische Berechnungsmodelle 92 5.1 Scheibenmodell nach DIN 26281 (ISO/TS 16281) 92 5.2 Erweitertes Scheibenmodell 96 5.2.1 Freiheitsgraderweiterung 96 5.2.2 Ungleichmäßige Scheibenteilung 97 5.3 Numerische Lösung nichtlinearer Gleichungssysteme 98 5.4 Ermittlung des Kontaktspiels (Klaffmaß) 99 5.5 Numerische Kontaktsimulation - Halbraummethode 102 5.5.1 Berechnungsansatz 102 5.5.2 Rechenzeiteffizienter Lösungsansatz 107 5.5.3 Pressungsberechnung des Wälzkontaktes 108 5.5.4 Ermittlung des örtlichen Spannungstensors 110 5.6 Kegelrollenlager 113 5.6.1 Scheibenmodell 114 5.6.2 Doppelreihige Kegelrollenlager 117 5.6.3 Pressungsberechnung 118 5.7 Finite-Elemente-Methode 118 5.7.1 Modellbildung 118 5.7.2 FE-basierter Steifigkeitsansatz 123 5.8 Kontakteinfederung 125 5.8.1 Analytische Berechnungsansätze 126 5.8.2 Herleitung nach der Halbraumtheorie 127 5.8.3 Numerische Berechnung im elastischen Halbraum 131 5.8.4 Alternative Slicing Technique (AST) 133 5.9 Wälzkörperprofilierung 137 5.9.1 Näherungslösungen 137 5.9.2 Numerische Berechnung 140 5.9.3 Lastreduktionsfaktor λν 148 5.10 Wälzkörperbiegung 150 6 Anwendungsbeispiele 155 6.1 Momentenlager einer Windenergieanlage 155 6.1.1 Lagervorspannung 156 6.1.2 Profiloptimierung 160 6.1.3 Umfeldverformung 163 6.1.4 Zusammenfassung 167 6.2 Kreuzgelenkbüchse 168 6.2.1 Akademisches Anwendungsbeispiel 168 6.2.2 Profilauslegung 169 6.2.3 Lebensdauerbeiwert für oszillierende Bewegung 174 6.2.4 Nennlast - nominelle Lebensdauer 176 6.2.5 Lastkollektiv - Referenz-Lebensdauer 178 6.2.6 FE-Analyse zum Verformungseinfluss 180 7 Zusammenfassung 186 Literaturverzeichnis 191 Tabellenverzeichnis 201 Abbildungsverzeichnis 202 A Anhang 205 A.1 Anhang Kapitel 1 205 A.1.1 Drehzahlen der Lagerkomponenten (Swamp-Schema) 205 A.1.2 Käfigdrehzahl 205 A.1.3 Wälzkörperdrehzahl 206 A.2 Anhang Kapitel 2 207 A.2.1 Ersatzkrümmung Kegel 207 A.2.2 Spannungstiefenverläufe 208 A.3 Anhang Kapitel 3 209 A.3.1 Herleitung der Proportionalitätsgleichung der Lebensdauer 209 A.3.2 Übersicht der DIN- und ISO-Normen 211 A.3.3 Virtuelles Experiment 212 A.4 Anhang Kapitel 4 213 A.4.1 Oszillationsbeiwerte 213 A.5 Anhang Kapitel 5 215 A.5.1 Herleitung des Korrekturbeiwertes nach Johns und Gohar 215

Der Hippokampus spielt eine wichtige Rolle bei der Erfassung, Festigung und dem Wiederabrufen von Gedächtnisinhalten. Diese Prozesse werden von Oszillationen begleitet, die synchronisierte neuronale Aktivität wiederspiegeln. Der erste Teil dieser Arbeit konzentriert sich auf ‘ripples’, eine schnell schwingende Netzwerkaktivität, die an der Festigung von Gedächtnisinhalten beteiligt ist. Das Subikulum ist eine der Hauptausgangsstationen des Hippokampus und überträgt Informationen zu Zielregionen außerhalb dieser Region. Um dies besser zu verstehen, habe ich hier die Eigenschaften von subikulären Pyramidenzellen und deren Regulierung während ripples untersucht. Es zeigte sich, dass eine Untergruppe von Zellen, burst (in Salven) feuernde Zellen, ihre Aktivität erhöht, während eine zweite Untergruppe, regulär feuerende Zellen, ihre Aktivitaet während ripples vermindert. Ferner ist bei regulär feuernden Zellen das Verhältnis zwischen Inhibition und Exzitation höher als bei burst feuernden Zellen. Zusammen mit Erkenntnissen aus früheren Studien lassen diese Ergebnisse vermuten, dass Information während ripples hauptsächlich zu Zielregionen der burst feuernden Zellen geleitet wird. Neben Pyramidenzellen beherbergt der Hippokampus auch eine Vielzahl verschiedener Interneurone. Im zweiten Teil dieser Arbeit habe ich O-LM Interneurone der hippokampalen Region CA1 untersucht. Diese spielen eine wichtige Rolle bei der Kontrolle von Eingängen aus dem entorhinalen Kortex. Wir konnten zeigen, dass die exzitatorische Übertragung auf O-LM Interneurone durch Serotonin, einem von den Raphe-Kernen ausgeschütteten Neuromodulator, vermindert wird. Dies geschieht durch einen präsynaptischen Mechanismus, der wahrscheinlich eine Verminderung des Kalziumeinstroms in präsynaptische Endigungen umfasst. Eine Verminderung der Aktivität von O-LM Interneuronen durch Serotonin könnte die synaptische Übertragung von Signalen aus dem entorhinalen Kortex auf CA1 Pyramidenzelldendriten erleichtern. / The hippocampus plays an important role in the acquisition, consolidation and retrieval of memory. These processes are accompanied by hippocampal oscillations, which reflect synchronized neuronal activity. The first part of this thesis focuses on ripples, a fast oscillatory activity which is involved in memory consolidation. The subiculum as one of the main output areas of the hippocampus is ideally suited to mediate information transfer to extrahippocampal targets. Here I investigated the properties of subicular pyramidal cells and their modulation during ripples. I found that a subset of subicular pyramidal cells increases its firing rate during ripples whereas another subset decreases its firing rate. Furthermore I was able to identify a correlate between modulation and cell subtype: burst firing cells increased their firing rate, and regular firing cells decreased their firing rate. We could further show that regular firing cells receive a higher ratio of inhibition to excitation as compared to burst firing cells. Together with earlier work, these results suggest that information transferred during ripples is likely to be routed preferentially to target regions of the burst firing subtype. Besides pyramidal cells, the hippocampus hosts a variety of interneuron types. The second part of this thesis focuses on GABAergic O-LM interneurons of hippocampal area CA1, which play an important role in controlling input from the entorhinal cortex. We could show that excitatory transmission from local pyramidal cells onto O-LM interneurons is decreased by serotonin, a neuromodulator released from the midbrain raphe nuclei. This modulation is mediated by a presynaptic mechanism and is likely to involve a decrease in calcium influx into presynaptic terminals. We conclude that serotonin, by decreasing O-LM output, might release fibers from entorhinal cortex impinging onto CA1 pyramidal cell dendrites from inhibition.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit zwei verschiedenen Modellsystemen, die Aufschluss über die Mechanik und die Dynamik von zellulären Systemen geben sollen. Zum Einsatz kommt zum einen der Modellorganismus Dictyostelium discoideum, dessen kollektives Migrationsverhalten analysiert wird und zum anderen wird die Mechanik von aktingefüllten Riesenvesikeln als artifizielles Modellsystem etabliert.

This thesis experimentally demonstrates four approaches of frequency control of magnetic auto-oscillations in spin Hall nano-oscillators (SHNOs). The frequency can be changed in the GHZ-range by external magnetic fields as shown in this work. This approach uses large electromagnets, which is inconvenient for future applications. The nonlinear coupling between oscillator power and frequency can be used to control the latter one by changing the applied direct current to the SHNO. The frequency can be controlled over a range of several 100 MHz as demonstrated in this thesis. The first part of the experimental chapter demonstrates the synchronization (injection-locking) between magnetic auto-oscillations and an external microwave excitation. The additionally applied microwave current generates a modulation of the effective magnetic field, which causes the interaction with the auto-oscillation. Both synchronize over a range of several 100 MHz. In this range, the auto-oscillation frequency can be controlled by the external stimulus. An increase of power and a decrease of line width is achieved in the synchronization range. This is explained by the increased coherence of the auto-oscillations. A second approach is the synchronization of auto-oscillations to an alternating magnetic field. This field is generated by a freestanding antenna, which is positioned above the SHNO. The second part of the experimental chapter introduces a bipolar concept of SHNOs and its experimental demonstration. In contrast to conventional SHNOs, bipolar SHNOs generate auto-oscillations for both direct current polarities and both directions of the external magnetic field. This is achieved by combining two ferromagnetic layers in an SHNO. The combination of two different ferromagnetic materials is used to switch between two frequency ranges in dependence of the direct current polarity since it defines the layer showing auto-oscillations. This approach can be used to change the frequency in the GHz-range by switching the direct current polarity. / Diese Arbeit demonstriert experimentell vier verschiedene Methoden der Frequenzkontrolle magnetischer Auto-Oszillationen in Spin Hall Nano-Oszillatoren (SHNOs). Durch externe magnetische Felder kann die Frequenz im GHz-Bereich geändert werden, wie es in dieser Arbeit gezeigt wird. Dies erfordert jedoch große Elektromagneten, deren Nutzung für zukünftige Anwendungen der SHNOs nicht geeignet sind. Aufgrund der nichtlinearen Kopplung zwischen Oszillatorleistung und Oszillatorfrequenz, lässt sich letztere durch den Versorgungsstrom beeinflussen. Dies ist typischerweise in einem Bereich von mehreren 100 MHz möglich, wie es an mehreren Stellen dieser Arbeit gezeigt wird. Im ersten Abschnitt des Ergebnisteils wird die Synchronisation der magnetischen Auto-Oszillationen zu einer externen Mikrowellenanregung demonstriert. Der zusätzlich eingespeiste Mikrowellenstrom erzeugt eine Modulation des effektiven Magnetfelds, was zur Wechselwirkung mit den Auto-Oszillationen führt. Diese synchronisieren über eine Frequenzdifferenz von mehreren 100 MHz. In diesem Bereich lässt sich die Frequenz der Auto-Oszillation mit der äußeren Frequenz steuern. Innerhalb des Synchronisationsbereichs wird außerdem eine Erhöhung der Leistung und eine Verringerung der Linienbreite der Auto-Oszillationen festgestellt. Dies wird mit einer Erhöhung der Kohärenz der Auto-Oszillationen erklärt. Neben der zusätzlichen Einspeisung eines Mikrowellenstroms können die Auto-Oszillationen auch zu einem magnetischen Wechselfeld synchronisieren, welches von einer frei beweglichen Antenne erzeugt wird, die über dem SHNO positioniert wird. Im zweiten Abschnitt des Ergebnisteils wird ein bipolares Konzept eines SHNO vorgestellt und seine Funktionsfähigkeit experimentell nachgewiesen. Im Vergleich zu konventionellen SHNOs erzeugen bipolare SHNOs Auto-Oszillationen für beide Polaritäten des elektrischen Versorgungsstroms und beide Richtungen des externen Magnetfelds. Dies wird durch die Kombination zweier ferromagnetischer Lagen in einem SHNO erreicht. Die Kombination unterschiedlicher ferromagnetischer Materialien kann genutzt werden, um die Mikrowellenfrequenz in Abhängigkeit der Stromrichtung zu ändern, da diese bestimmt in welcher Lage die Auto-Oszillationen erzeugt werden können. Durch eine geeignete Materialkombination kann die Frequenz im GHz-Bereich geändert werden, wenn die Strompolarität umgekehrt wird.

Die Aktivität des Hippocampus im Tiefschlaf ist geprägt durch sharp wave-ripple Komplexe (SPW-R): kurze (50–100 ms) Phasen mit erhöhter neuronaler Aktivität, moduliert durch eine schnelle “Ripple”-Oszillation (140–220 Hz). SPW-R werden mit Gedächtniskonsolidierung in Verbindung gebracht, aber ihr Ursprung ist unklar. Sowohl exzitatorische als auch inhibitorische Neuronpopulationen könnten die Oszillation generieren. Diese Arbeit analysiert Ripple-Oszillationen in inhibitorischen Netzwerkmodellen auf mikro-, meso- und makroskopischer Ebene und zeigt auf, wie die Ripple-Dynamik von exzitatorischem Input, inhibitorischer Kopplungsstärke und dem Rauschmodell abhängt. Zuerst wird ein stark getriebenes Interneuron-Netzwerk mit starker, verzögerter Kopplung analysiert. Es wird eine Theorie entwickelt, die die Drift-bedingte Feuerdynamik im Mean-field Grenzfall beschreibt. Die Ripple-Frequenz und die Dynamik der Membranpotentiale werden analytisch als Funktion des Inputs und der Netzwerkparameter angenähert. Die Theorie erklärt, warum die Ripple-Frequenz im Verlauf eines SPW-R-Ereignisses sinkt (intra-ripple frequency accommodation, IFA). Weiterhin zeigt eine numerische Analyse, dass ein alternatives Modell, basierend auf einem transienten Störungseffekt in einer schwach gekoppelten Interneuron-Population, unter biologisch plausiblen Annahmen keine IFA erzeugen kann. IFA kann somit zur Modellauswahl beitragen und deutet auf starke, verzögerte inhibitorische Kopplung als plausiblen Mechanismus hin. Schließlich wird die Anwendbarkeit eines kürzlich entwickelten mesoskopischen Ansatzes für die effiziente Simulation von Ripples in endlich großen Netzwerken geprüft. Dabei wird das Rauschen nicht im Input der Neurone beschrieben, sondern als stochastisches Feuern entsprechend einer Hazard-Rate. Es wird untersucht, wie die Wahl des Hazards die dynamische Suszeptibilität einzelner Neurone, und damit die Ripple-Dynamik in rekurrenten Interneuron-Netzwerken beeinflusst. / Hippocampal activity during sleep or rest is characterized by sharp wave-ripples (SPW-Rs): transient (50–100 ms) periods of elevated neuronal activity modulated by a fast oscillation — the ripple (140–220 Hz). SPW-Rs have been linked to memory consolidation, but their generation mechanism remains unclear. Multiple potential mechanisms have been proposed, relying on excitation and/or inhibition as the main pacemaker. This thesis analyzes ripple oscillations in inhibitory network models at micro-, meso-, and macroscopic scales and elucidates how the ripple dynamics depends on the excitatory drive, inhibitory coupling strength, and the noise model. First, an interneuron network under strong drive and strong coupling with delay is analyzed. A theory is developed that captures the drift-mediated spiking dynamics in the mean-field limit. The ripple frequency as well as the underlying dynamics of the membrane potential distribution are approximated analytically as a function of the external drive and network parameters. The theory explains why the ripple frequency decreases over the course of an event (intra-ripple frequency accommodation, IFA). Furthermore, numerical analysis shows that an alternative inhibitory ripple model, based on a transient ringing effect in a weakly coupled interneuron population, cannot account for IFA under biologically realistic assumptions. IFA can thus guide model selection and provides new support for strong, delayed inhibitory coupling as a mechanism for ripple generation. Finally, a recently proposed mesoscopic integration scheme is tested as a potential tool for the efficient numerical simulation of ripple dynamics in networks of finite size. This approach requires a switch of the noise model, from noisy input to stochastic output spiking mediated by a hazard function. It is demonstrated how the choice of a hazard function affects the linear response of single neurons and therefore the ripple dynamics in a recurrent interneuron network.

Radio frequency oscillations up to several hundreds of MHz were observed during turn-off the high-current conducting IGBTs. They are described in this work as Transient Avalanche oscillations. Other than PETT oscillations that happen in the tail current phase, this oscillation appears during the rise of collector-emitter voltage VCE and during the fall of the collectoremitter current ICE. The turn-off process of IGBTs are investigated with the help of measurements, the circuit- and device-simulations to reveal the working mechanisms of transient high-frequency oscillations. For the first time the Transient Avalanche Oscillation is successfully reproduced with computer simulation, which allows the further investigation on the influences of individual parameters. The participation of IMPATT mechanism in Transient Avalanche oscillation is demonstrated. The interaction between IMPATT mechanism und PETT mechanism during the setting up of depletion region in IGBTs was investigated. Measures to suppress such oscillation are discussed on the levels of chip design, module design and the driver concept. Supplying electron current during critical phase is found to be an effctive method to avoid the dynamic avalanche and the TA-oscillation. / Radio Frequenz Oszillationen bis zu mehreren hundert MHz wurden während des Abschaltens von Hochstrom leitenden IGBTs beobachtet. Sie werden in dieser Arbeit als Transient Avalanche Oscillationen beschrieben. Anders als PETT Oszillationen, die in der Tail-Strom Phase vorkommen, erscheint diese Oszillation während des Anstiegs der Kollektor-Emitter-Spannung VCE und des Fallens des Kollektor-Emitter Stroms ICE. In dieser Arbeit werden die Abschaltvorgänge von IGBTs mit Hilfe von Messungen, Schaltungs- bzw. Device-Simulationen untersucht, um die Wirkungsmechanismen der transient erscheinenden hochfrequenten Oszillationen zu erklären. Es ist erstmals gelungen solche Transient Avalanche Oszillationen mit der Simulation zu reproduzieren und anschließend die Einflüsse einzelner Parameter zu untersuchen. Die Beteiligung des IMPATT Mechanismus an der Transient Avalanche Oszillation wurde nachgewiesen. Die Interaktion von IMPATT und PETT während Aufbau der Raumladungszone im IGBT wurde untersucht. Maßnahmen zur Unterdrückung der Oszillation werden auf den Ebenen von Chip-Design, Modulauslegung und der Treiberschaltung diskutiert. Das Zuführen des Elektrostromes während der kritischen Phase wird als ein effective Methode zur Vermeidung der TA-Oscillation nachgewiesen.

Cyanobakterien sind meist photoautotroph lebende Prokaryoten, welche nahezu alle Biotope der Welt besiedeln. Sie gehören zu den wichtigsten Produzenten der weltweiten Nahrungskette. Um sich auf den täglichen Wechsel von Tag und Nacht einzustellen, besitzen Cyanobakterien eine innere Uhr, bestehend aus den Proteinen KaiA, KaiB und KaiC, deren biochemische Interaktionen zu einem 24-stündigen Rhythmus von Phosphorylierung und Dephosphorylierung führen. Die circadiane Genexpression im Modellorganismus Synechocystis sp. PCC 6803 habe ich mittels drei verschiedener Zeitserienexperimente untersucht, wobei ich einen genauen Zeitplan der Genaktivierung in einer Tag-Nacht-Umgebung, aber keine selbsterhaltenden Rhythmen entdecken konnte. Allerdings beobachtete ich einen überaus starken Anstieg der ribosomalen RNA in der Dunkelheit. Aufgrund ihrer hohen Wachstumsraten und der geringen Anforderungen an die Umwelt bilden Cyanobakterien eine gute Grundlage für die nachhaltige Erzeugung von Biokraftstoffen, für einen industriellen Einsatz sind aber weitere Optimierung und ein verbessertes Verständnis des Metabolismus von Nöten. Hierfür habe ich die Orthologie von verschiedenen Cyanobakterien sowie die Konservierung von Genen und Stoffwechselwegen untersucht. Mit einer neu entwickelten Methode konnte ich gemeinsam vorkommende Gene identifizieren und zeigen, dass diese Gene häufig an einem gemeinsamen biologischen Prozess beteiligt sind, und damit bisher unbekannte Beziehungen aufdecken. Zusätzlich zu den diskutierten Modulen habe ich den SimilarityViewer entwickelt, ein grafisches Computerprogramm für die Identifizierung von gemeinsam vorkommenden Partnern für jedes beliebige Gen. Des Weiteren habe ich für alle Organismen automatische Rekonstruktionen des Stoffwechsels erstellt und konnte zeigen, dass diese die Synthese von gewünschten Stoffen gut vorhersagen, was hilfreich für zukünftige Forschung am Metabolismus von Cyanobakterien sein wird. / Cyanobacteria are photoautotrophic prokaryotes populating virtually all habitats on the surface of the earth. They are one of the prime producers for the global food chain. To cope with the daily alternation of light and darkness, cyanobacteria harbor a circadian clock consisting of the three proteins KaiA, KaiB, and KaiC, whose biochemical interactions result in a phosphorylation cycle with a period of approximately 24 hours. I conducted three time-series experiments in the model organism Synechocystis sp. PCC 6803, which revealed a tight diurnal schedule of gene activation. However, I could not identify any self-sustained oscillations. On the contrary, I observed strong diurnal accumulation of ribosomal RNAs during dark periods, which challenges common assumptions on the amount of ribosomal RNAs. Due to their high growth rates and low demand on their environment, cyanobacteria emerged as a viable option for sustainable production of biofuels. For an industrialized production, however, optimization of growth and comprehensive knowledge of the cyanobacterial metabolism is inevitable. To address this issue, I analyzed the orthology of multiple cyanobacteria and studied the conservation of genes and metabolic pathways. Systematic analysis of genes shared by similar subsets of organisms indicates high rates of functional relationship in such co-occurring genes. I designed a novel approach to identify modules of co-occurring genes, which exhibit a high degree of functional coherence and reveal unknown functional relationships between genes. Complementing the precomputed modules, I developed the SimilarityViewer, a graphical toolbox that facilitates further analysis of co-occurrence with respect to specific cyanobacterial genes of interest. Simulations of automatically generated metabolic reconstructions revealed the biosynthetic capacities of individual cyanobacterial strains, which will assist future research addressing metabolic engineering of cyanobacteria.

The subject of this thesis is the generation of spatial temporal structures in living cells. Specifically, we studied the Min-system in the bacterium Escherichia coli. It consists of the MinC, the MinD, and the MinE proteins, which play an important role in the correct selection of the cell division site. The Min-proteins oscillate between the two cell poles and thereby prevent division at these locations. In this way, E. coli divides at the center, producing two daughter cells of equal size, providing them with the complete genetic patrimony. Our goal is to perform a quantitative study, both theoretical and experimental, in order to reveal the mechanism underlying the Min-oscillations. Experimentally, we characterize theMin-system, measuring the temporal period of the oscillations as a function of the cell length, the time-averaged protein distributions, and the in vivo Min-protein mobility by means of different fluorescence microscopy techniques. Theoretically, we discuss a deterministic description based on the exchange of Minproteins between the cytoplasm and the cytoplasmic membrane and on the aggregation current induced by the interaction between membrane-bound proteins. Oscillatory solutions appear via a dynamic instability of the homogenous protein distributions. Moreover, we perform stochastic simulations based on a microscopic description, whereby the probability for each event is calculated according to the corresponding probability in the master equation. Starting from this microscopic description, we derive Langevin equations for the fluctuating protein densities which correspond to the deterministic equations in the limit of vanishing noise. Stochastic simulations justify this deterministic model, showing that oscillations are resistant to the perturbations induced by the stochastic reactions and diffusion. Predictions and assumptions of our theoretical model are compatible with our experimental findings. Altogether, these results enable us to propose further experiments in order to quantitatively compare the different models proposed so far and to test our model with even higher precision. They also point to the necessity of performing such an analysis through single cell measurements.