Recent experimental advances for the fabrication of various borophene sheets introduced new structures with a wide range of applications. Borophene is the boron atom analogue of graphene. Borophene exhibits various structural polymorphs all of which are metallic. In this work, we employed first-principles density functional theory calculations to investigate the mechanical properties of five different single-layer borophene sheets. In particular, we analyzed the effect of the loading direction and point vacancy on the mechanical response of borophene. Moreover, we compared the thermal stabilities of the considered borophene systems. Based on the results of our modelling, borophene films depending on the atomic configurations and the loading direction can yield a remarkable elastic modulus in the range of 163–382 GPa nm and a high ultimate tensile strength from 13.5 GPa nm to around 22.8 GPa nm at the corresponding strain from 0.1 to 0.21. Our study reveals the remarkable mechanical characteristics of borophene films.

Die Kenntnisse über die zur Passivierung führenden Wechselwirkungen des Verunreinigungselements Cu mit EL2 und EL6 wurden dahingehend erweitert, dass ein Gültigkeitsbereich für die Messungen zur Bestimmung der konzentrationsproportionalen Messgröße der Defekte festgelegt wurde. Der Defekt EL6 ist das die 0.8 eV-PL-Emission bedingende und die Ladungsträgerlebensdauer determinierende Rekombinationszentrum. Die Lebensdauer wird durch mindestens ein weiteres Zentrum beeinflusst. Die atomare Struktur des EL6 wurde mit AsGa VAs und die des weiteren Zentrums mit Asi bestimmt. Mittels Wärmebehandlung kann die Ladungsträgerlebensdauer gezielt beeinflusst werden. Bei der Bildung und Annihilation sowie der Verteilung der Defekte EL2, EL6, VGa und der As-Ausscheidungen besteht eine wechselseitige Korrelation. Sowohl strukturelle Defekte als auch die Inkorporation von Dotierelementen, deren Atomradien deutlich kleiner sind als Ga und As, stellen beeinflussende Faktoren dar. Das Defekt-Transformations-Modell erklärt die Bildung wachstumsfähiger Keime einer As-Ausscheidung durch EL2 bzw. EL6 mit den sich in der ersten Koordingationssphäre befindenden As-Atomen. Das Gitterrelaxations-Modell ermöglicht die Interpretation der katalytischen Wirkung des Dotierelements C. Die Umsetzung dieser Ergebnisse bedeutet die Anwendung des Defect Engineerings im SI-LEC-GaAs.

In der vorliegenden Arbeit wird die Einkristallzüchtung nach dem Czochralskiverfahren von GdCa4O(BO3)3 (GdCOB) beschrieben. Aus insgesamt 18 Zuchtversuchen, bei denen auch die Ziehgeschwindigkeit zwischen 1 und 3mm/h variiert wurde, wurden erfolgreich nahezu perfekte Einkristalle gewonnen. In einigen Kristallen traten jedoch auch Risse oder Einschlüsse auf. Diese enthielten neben Iridium vom Tiegelmaterial auch andere Phasen des Gd2O3–B2O3–CaO-Systems, sowie P und Yb, deren Herkunft unklar ist. Als Hauptziehrichtung wurde die kristallographische b-Achse gewählt, ergänzt durch einige Experimente in der c-Richtung. In den drei kristallographischen Hauptrichtungen wurden die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von GdCOB bestimmt. Diese können in zwei nahezu lineare Bereiche unterteilt werden: von Zimmertemperatur bis etwa 850° C und von 850 bis 1200° C, wobei die Koeffizienten im Hochtemperaturbereich deutlich höher sind (unter 850° C: alpha_a=11.1, alpha_b=8.6, alpha_c=13.3 10^-6/K, oberhalb 850° C: alpha_a=14.1, alpha_b=11.7, alpha_c=17.8 10^-6/K). Daraus ergibt sich, dass ein Phasenübergang höherer Ordnung vorliegen muss. Als mögliche Ursache wurde mittels HT-Raman Spektroskopie ein Ordnungs-Unordnungs-Übergang identifiziert, während dessen die BO3-Gruppen in der Struktur leicht rotieren. Weitere Untersuchungen mittels thermodynamischer Methoden führten zu schwachen, aber eindeutigen Signalen, die diesem Effekt ebenfalls zuzuordnen sind. Obwohl das Material ein vielversprechender Kandidat für piezoelektrische Anwendungen im Hochtemperaturbereich ist, wurde dieser Effekt bisher unzureichend beschrieben. Dieses Verhalten, kombiniert mit den anisotropen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, könnte eine der Ursachen für das Vorkommen von Rissen in den Kristallen während der Synthese darstellen. Spektroskopische Untersuchungen ergaben einen großen Transparenzbereich von 340 bis 2500nm (29 400–4000 cm^-1), was für optische Anwendungen von großer Bedeutung ist. / In a series of 18 growth experiments, GdCa4O(BO3)3 (GdCOB) single crystals were successfully grown by the Czochralski method. They have a well-ordered structure, as revealed by single crystal structure analysis. Although the main growth direction was along the crystallographic b-axis, some experiments were conducted using the cdirection. Pulling velocities were varied between 1 and 3mm/h. Except for a few crystals with cracks or elongated "silk-like" inclusions consisting of multiphase impurities, most of the obtained crystals are of good quality. Those inclusions contain iridium, deriving from the crucible, P and Yb with unclear source, and other phases from the system Gd2O3–B2O3–CaO. Thermal expansion coefficients of GdCOB were determined in the directions of the crystallographic axes and found to be approximately linear in two temperature ranges: from 25° C to around 850° C, and from 850 to 1200° C, with the latter range showing significantly higher coefficients (below 850° C: alpha_a=11.1, alpha_b=8.6, alpha_c=13.3 10^-6/K, and above 850° C: alpha_a=14.1, alpha_b=11.7, alpha_c=17.8 x10^-6/K). This sudden increase of thermal expansion coefficients indicates a phase transition of higher order. An order-disorder transition in form of the rotation of BO3-triangles in the structure was made tentatively responsible for this transition, as revealed by HT-Raman spectroscopy. This transition was also detected by DSC-methods but appeared to result in very weak effects. Although the material is thought to represent a promising candidate for high temperature piezoelectric applications (noncentrosymmetric space group Cm), this effect of change in specification has not been described and it is unknown whether it has influence on the piezoelectric properties. Furthermore, this characteristic behaviour in combination with anisotropic coefficients may be the reason for the development of cracks during cooling of crystals, making the growth difficult. Spectroscopic investigation revealed a wide transparency range from 340 to 2500nm (29 400–4000 cm^-1) of GdCOB, which is a very important property for optical applications.

Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen einer pilotmaßstäblichen Boden- und Grundwassersanierung am Industriestandort „Hydrierwerk Zeitz“. Auf dem Gelände einer ehemaligen Benzolproduktionsanlage wurden großflächige Kontaminationen von Boden und Grundwasser festgestellt. Mittels moderner Erkundungstechnik konnten die Haupteintragsbereiche des dominierenden Schadstoffes Benzol erkundet und eingegrenzt werden. Verschiedene Arten von Grundwasser-, Boden- und Bodenluftbeprobungen sowie geophysikalische Verfahren erlaubten eine exakte Lokalisation des Schadstoffquellbereiches sowie der sich hieraus ausbildenden Schadstofffahne. Ziel der am Standort durchgeführten Pilotsanierungen war die Beseitigung der Schadstoffquelle, um eine weitere Nachlieferung in die Schadstofffahne zu unterbinden. Der Schadstoffquellbereich der hier behandelten Pilotsanierung war auf eine Kubatur von ca. 15 x 9 x 11 Kubikmeter begrenzt. Als Hauptkontaminant lag mit einem Anteil von 98% Benzol vor. Weiterhin wurden Toluol, Ethylbenzol sowie Xylol in geringen Mengen angetroffen. Aufgrund der hochvolatilen Eigenschaften des vorliegenden Hauptkontaminanten Benzol wurde am Standort eine thermische Sanierung der gesättigten sowie ungesättigten Zone durchgeführt, die eine Extraktion von rund 8 Tonnen Benzol erzielte. Im Zentrum der Sanierungskubatur wurde mit Hilfe von drei Injektions¬brunnen ein Dampf-Luft-Gemisch injiziert und eine Zieltemperatur im aus¬gewiesenen Sanierungsbereich von 85 ˚C erreicht. Diese Temperatur übersteigt den Siedepunkt von Benzol (80,1 ˚C) und führt zu einem vollständigen Übergang des Schadstoffes in die Gasphase. Durch sechs das Sanierungsfeld eingrenzende Extraktionsbrunnen wurde der Schadstoff dem Untergrund entzogen und an der Oberfläche durch eine thermische Nachverbrennungsanlage geleitet. Eine Problematik dieser Sanierungstechnik ist die exakte Lokalisation der sich im Untergrund ausbreitenden Front des Sanierungsmittels. Aufgrund von Inhomogenitäten in gesättigter und ungesättigter Zone kommt es zur Ausbildung von präferentiellen Fließpfaden. Diese Strukturen verhindern eine radialsymmetrische Ausbreitung des Sanierungsmittels und sorgen dafür, dass zum Teil große Bereiche der Sanierungskubatur nicht abgereinigt werden. Weiterhin findet ein sehr großer Energieverlust durch teilweises Austreten des Dampf-Luft-Gemisches in Bereiche außerhalb der Sanierungskubatur statt. Eines der Hauptziele dieser Arbeit war daher die Durchführung eines geoelektrischen Monitorings, das es erlaubte, durch Messung von elektrischen Widerstandsänderungen im Untergrund Position und Lage des Sanierungsmittels zu bestimmen und solche Bereiche zu lokalisieren, die keine Abreinigung erfuhren. Weiterhin konnten durch dieses Monitoring präferentielle Fließpfade erkundet werden, die zu Energieverlusten von über 60% im Verlauf der Sanierung führten. Als innovatives Verfahren wurde am Sanierungsstandort ein 3-dimensionales geoelektrisches Monitoring durchgeführt; ein Verfahren, das Messungen an Oberflächenelektroden mit Messungen an im Untergrund eingebrachten Bohrlochelektroden verknüpft. Mit diesem Verfahren konnten hochaufgelöste 3-dimensionale Abbildungen erstellt werden, die die Ausbreitung des injizierten Sanierungsmittels im Verlauf der Sanierung abbildeten. Um eine in dieser Auflösung vergleichbare Abbildung der Temperaturbereiche im Untergrund durch Messungen mit fest installierten Temperaturmessketten zu erlangen, wäre eine unverhältnismäßig große Menge an Sensoren notwendig gewesen. Somit war die Entwicklung eines geoelektrischen Monitoringsystems die einzige Möglichkeit, den Sanierungsverlauf so zu verfolgen, dass während des Betriebes Optimierungsmaßnahmen durchgeführt werden konnten. Abschließend konnte das Sanierungsverfahren in Kombination mit Temperaturmessungen außerhalb des Sanierungsbereiches bewertet und Erkenntnisse für Verbesserungen bei zukünftigen Anwendungen gewonnen werden. / The work presented here was carried out within a pilot scale soil- and groundwater remediation project at the former industrial area „Hydrogenation plant Zeitz”. Beneath a former benzene production facility a large scale contamination of soil and groundwater was found. Using modern exploration technologies main spill and infiltration zones for the principal contaminant benzene as well as residual or floating phases could be identified. A variety of methods for sampling of groundwater, soil and soil-air, as well as different geophysical methods allowed for the exact localisation of the contaminant source zone and the contaminant plume emerging from the source zone. The objective of the pilot remediation was the (partial) removal of the contaminant source to prevent further supply to the contaminant plume. The source area of this pilot remediation was limited to a cubature of about 15 x 9 x 11 meters. Benzene as the main contaminant was assessed with a share of 98%. Additionally low concentrations of toluene, ethylbenzene, as well as xylols were found. Since the main contaminant benzene is characterised by high volatility, a thermal remediation approach for the saturated as well as unsaturated zone was conducted at the site which allowed for the extraction of about 8 t of benzene. By the help of three wells a steam-air-mixture was injected into the central section of the remediation cubature and a target temperature of 85 ˚C was reached. This temperature exceeds the boiling point of benzene (80.1 ˚C) and leads to a complete volatilisation of the contaminant. Six extraction wells surrounding the remediation cubature removed the contaminant from the subsurface and delivered it to a catalytic combustion system. The exact localisation of the spreading steam front in the subsurface is the main problem of this remediation approach. Preferential flow paths develop due to inhomogeneities in the saturated and vadose zone of the subsurface. These structures inhibit a radial-symmetric spreading of the steam-air-mixture and, hence, prevent the remediation of large sections of the cubature. Additionally a very high loss of energy into sections outside the target area takes place. To overcome this problem, it was one of the main objectives of this work to perform a geoelectrical monitoring of the remediation approach which allowed the localisation of the steam-air-mixture by measuring electrical resistivity distributions in the sub¬surface. In addition, the development of preferential flow paths which led to energy losses of over 60% during the remediation could be explored. As an innovative concept for this remediation method a 3-dimensional geoelectrical monitoring was conducted; a procedure that combines measurements at surface electrodes with measurements at borehole electrodes installed in the subsurface. With this method a high resolution 3-dimensional imaging could be established which displays the spreading of the steam-air-front during the remediation process. To achieve such an imaging with comparable resolution with standard temperature sensors installed in the subsurface, an unreasonable number of these sensors would have been necessary. The development of the geoelectrical monitoring system was the only approach that allowed the observation of the treatment process as well as optimisation of the remediation system during active remediation. Ultimately the remediation procedure could be evaluated with additional measurements outside the remediation zone and information for the enhancement of further applications could be obtained.

Thermische Gehäuseverkrümmungen spielen bei der Dimensionierung von radialen Spielen in Industriedampfturbinen eine große Rolle. Die zuverlässige Vorausberechnung der Gehäuseverkrümmung ist wichtig, um einerseits möglichst kleine Spiele und damit hohe innere Wirkungsgrade erzielen zu können und andererseits Schäden in Folge von Spielüberbrückungen auszuschließen. In der vorliegenden Arbeit wurde die Gehäuseverkrümmung mit analytischen Methoden und mit Hilfe von 3D-FE-Analysen untersucht. Eine neue semi-analytische Berechnungsmethode auf Basis eines Stufenkörpermodells wurde entwickelt. Damit lassen sich komplexe Geometrien und unterschiedliche thermische Randbedingungen berücksichtigen. Der Einfluss von Rotationsasymmetrien auf die Verkrümmung wurde mit Hilfe einer FE-Parameterstudie untersucht und in Form von Einflussfaktoren in das Modell integriert. Im Vergleich zu vereinfachten FE-Modellen und zu gemessenen Verkrümmungen an realen Turbinengehäusen zeigt das semi-analytische Modell eine gute Übereinstimmung. Weiterhin wurde das Verkrümmungsverhalten von Industriedampfturbinengehäusen mit Hilfe von 3D-FE-Analysen untersucht. Durch Abgleich von gemessenen und simulierten Temperaturen und Verformungen konnten Erkenntnisse zum Modellaufbau gesammelt werden. Da die thermischen Randbedingungen bei der Simulation von Gehäuseverkrümmungen von größter Bedeutung sind und Defizite beim Wissensstand zum Wärmeübergang erkannt wurden, sind umfangreiche Messungen des Wärmeübergangskoeffizienten durchgeführt worden. Damit wurde ein Beitrag geleistet, FE-Analysen zukünftig auch bei Dimensionierungs- und Auslegungsfragen einsetzen zu können.

This specific-purpose mathematical model was developed for the drying process in a multi-cylinder drying section. The unsteady state of one-dimensional heat conduction equation has been applied to mathematical model of both, cylinder shell and paper web. The internal mass transfer of the paper web has not been included in this work. The calculations of the simulation program use an implicit numerical method. The drying path length along the machine direction has been divided into 4 drying phases for each drying cylinder. Each drying phase has been divided in small sub-elements. In each sub-element, the heat and mass transfer across boundary conditions have been solved simultaneously in the simulation program, which runs with MatLAB®.

Philipp Hoffmann Untersuchung zur Fixierung von Knorpelgewebe mittels laserinduzierter Koagulation Aus der Chirurgischen Tierklinik der Veterinärmedizinische Fakultät der Universität Leipzig, angefertigt im Forschungszentrum für Medizintechnik und Biotechnologie GmbH, Bad Langensalza Eingereicht im Januar 2012 97 Seiten, 59 Abbildungen, 9 Tabellen, 318 Literaturangaben 10 Seiten Anhang Schlüsselwörter: Laser, Löten, Knorpelgewebe, Zugfestigkeit, thermische Schäden Gelenkerkrankungen zählen zu den häufigsten Ursachen von Bewegungseinschränkungen in der Human- und Veterinärmedizin. Neben der konservativen Therapie gibt es zahlreiche chirurgische Therapieansätze, unter denen die verschiedenen Verfahren der autologen Chondrozytenimplantation (ACI) vermehrt in den Fokus gerückt sind. Als unbefriedigend stellt sich aktuell die Fixierung der Implantate bzw. Transplantate dar. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, zunächst in vitro, unter Nutzung von Gelenkknorpelgewebe aus Kadavermaterial (Schwein, Rind), ein Verfahren einzuarbeiten, mit dem es möglich ist, durch laserinduzierte Koagulation eines Lötmittels eine Verbindung zwischen zwei Knorpelfragmenten bei einer möglichst geringen Gewebeschädigung herzustellen. Als Lötmittel war ein geeignetes Chromophoren-Protein-Gemisch (CPG) herzustellen, welches so auf die Wellenlänge des zur Verfügung stehenden Lasers angepasst wurde, dass die Herstellung von Lötverbindungen möglich war. Die mechanische Festigkeit der Lötverbindungen wurde in verschiedenen Studien zur Optimierung der Lötmittelzusammensetzung und der Lasereinstellungen durch die Bestimmung der Zugkraft geprüft. Ebenso wurden Untersuchungen zum Auftreten thermischer Schäden am Gewebe durch das lasergestützte Löten vorgenommen. Ausgehend von der Untersuchung der Absorptionseigenschaften verschiedener Chromophore und Proteine wurden verschiedene, auf die Wellenlänge des Lasers (810 nm Diodenlaser) abgestimmte, CPG unter Verwendung des Farbstoffes Indocyaningrün (ICG), welcher in dem in der Humanmedizin zugelassenen Diagnostikum ICG-Pulsion® (PULSION Medical Systems AG, München) enthalten ist, und bovinem Serumalbumin (BSA) hergestellt. Knorpelgewebe absorbiert die Strahlung des Diodenlasers (810 nm) kaum (μa ≈ 0 bis 0,02 cm-1). Das Lötmittel (ICG + BSA), dessen Absorptionsmaximum mit 790 nm nah an der Emissionswellenlänge des Lasers liegt, absorbiert hingegen in diesem Wellenlängenbereich gut. Dadurch kann eine direkte Schädigung des Knorpelgewebes durch die Absorption der Laserstrahlung vermieden werden. In den Studien wurden drei Lötmittel mit unterschiedlichen Anteilen an ICG (1 %, 0,25 % und 0,025 %) bei einem BSA-Gehalt von 60 % verwendet. Die Lötmittel mit 0,025 % und 0,25 % ICG wurden zur Prüfung der Zugfestigkeit der gelöteten Verbindung in Abhängigkeit von der Leistungsdichte und der Expositionszeit untersucht. Das Lötmittel mit 0,025 % ICG wurde in den Untersuchungen zur Abhängigkeit der Zugfestigkeit von der Tierspezies, der Entnahmestelle des Knorpelgewebes und der Lötmitteldicke genutzt. Einflüsse der Lagerung des Lötmittels und der Anzahl an Lötmittelpunkten auf die Zugfestigkeit wurden mit dem Lötmittel mit 0,25 % ICG untersucht. Zusätzlich war zu prüfen ob durch ein Knorpelgewebefragment hindurch das CPG zu koagulieren ist. Zur Untersuchung thermisch bedingter Schäden wurden zum einen Temperaturmessungen an der Oberfläche des Knorpelgewebes, im Bereich des Lötmittels und in verschiedenen Tiefen unterhalb des Lötmittels durchgeführt. Zum anderen erfolgten histologische Untersuchungen der Knorpelgewebeproben nach Laseranwendung. Es ist möglich, mittels laserinduzierter Koagulation eines CPG eine Verbindung von Knorpelgewebe vom Schwein und Rind herzustellen. Mit Steigerung der Leistungsdichte und Verlängerung der Expositionszeit kommt es zur Erhöhung der Zugfestigkeit. Die Zugfestigkeiten waren bei Koagulation des CPG durch das Knorpelfragment hindurch niedriger als die Zugfestigkeiten mit aufgelegtem Lötmittel. Unter Laseranwendung kommt es zu einem steilen Ansteigen der Temperatur im Lötmittel bis zum Erreichen einer Höchsttemperatur. Die Steilheit des Temperaturanstieges und die sich einstellenden Temperaturen nehmen mit Erhöhung des im Lötmittel enthaltenen ICG-Gehaltes und der am Laser eingestellten Leistung zu. Die Temperaturerhöhung ist jedoch weitgehend auf das Lötmittel und dessen Randbereiche begrenzt. Die histologischen Untersuchungen verdeutlichten, dass die Laserbestrahlung von Knorpelgewebe mittels Diodenlaser (810 nm) nur eine sehr geringe Schädigung verursacht. Unter Verwendung eines Lötmittels kommt es durch die vom Lötmittel absorbierte Energie zu Schäden am umliegenden Knorpelgewebe. Diese Schädigung ist auf Randbereiche des Lötmittels begrenzt und nimmt mit steigender Leistung und Expositionszeit zu. Bei einer Leistungsdichte von (5,09 W/cm2) konnte eine Verbindung zwischen zwei Knorpelfragmenten erzielt werden, die bei einer Zugkraft von 13,3 N/cm2 nachgibt und bei der die Schädigungen des Knorpelgewebes minimal sind. Die vorliegenden Untersuchungen haben gezeigt, dass es möglich ist, Knorpelfragmente mittels laserinduzierter Koagulation eines CPGs miteinander zu fixieren. / Philipp Hoffmann Investigation for the fixation of articular cartilage tissue using laser-induced coagulation From the Large Animal Clinic for Surgery, Faculty of Veterinary Medicine, University of Leipzig, prepared at Research Centre of Medical Technology and Biotechnology GmbH, Bad Langensalza Submitted in January 2012 97 Pages, 59 figures, 9 tables, 318 references, 10 pages appendices Keywords: laser, soldering, cartilage tissue, tensile strength, thermal damage Joint diseases are among the most common causes of restricted movement of patients in the human and veterinary medicine. In addition to the conservative therapy, there are numerous surgical therapies, under which the various methods of autologous chondrocyteimplantation, have moved increasingly into the focus of scientific and clinical interest. As problematic and unsatisfactory is currently the fixation of the implants. The aim of this study was, first in vitro, taking advantage of articular cartilage tissue from cadaver material (pig, cattle) to incorporate a process by which it is possible to produce by laser-induced coagulation of solder a connection between two cartilage fragments with the smallest possible tissue damage. As solder was a suitable chromophore-protein-mixture (CPG) to establish which it was adapted to the wavelength of the laser is available, that the production of solder joints was possible. The mechanical strength of solder joints has been examined in several studies to optimize the laser settings and the solder ingredients by determining the tensile strength. Likewise, studies on the occurrence of thermal damage to the tissues were made by the laser-assisted soldering. Based on the study of the absorption properties of various chromophores and proteins the wavelength of the laser (810 nm diode laser) was tuned, and different CPG using the dye indocyanine green (ICG), which is within the acceptable in human medicine ICG-Pulsion ® (Pulsion Medical Systems AG, Munich) is included, and bovine serum albumin (BSA) were prepared. Articular cartilage tissue absorbs the radiation of the diode laser (810 nm) hardly (uA ≈ 0 to 0.02 cm–1). The solder (ICG + BSA), whose absorption maximum at 790 nm is close to the emission wavelength of the laser is absorbed. This can be avoided direct damage to the cartilage tissue through the absorption of laser radiation. In the studies, three solders were used with different proportions of ICG (1 %, 0.25 % and 0.025 %) at a content of 60 % BSA. The solder with 0.025 % and 0.25 % ICG were studied to test the tensile strength of the soldered connection as a function of power density and exposure time. The solder containing 0.025 % ICG was used in the investigations of the dependence of tensile strength of the animal species, the donor site of the cartilage and the solder thickness. Influences of storage the solder and the number of solder dots on the tensile strength were investigated with the solder with 0.25 % ICG. In addition it was to examine if it is possible to coagulate the CPG through an articular cartilage fragment. To investigate thermally induced damage to temperature measurements were performed on the surface of the cartilage tissue in the area of the solder and at various depths below the solder. Secondly, histological examinations were made of the articular cartilage after laser application. It is possible to produce by laser-induced coagulation of a CPG an articular cartilage bonding of pig and cattle. With increasing power density and lengthening the exposure time leads to the increase in tensile strength. The tensile strengths were measured with coagulation of the CPG passed through the cartilage fragment is lower than the tensile strengths with applied solder. Under laser application leads to a steep rise in temperature in the solder to reach a maximum temperature. The rate of temperature rise increases with increasing the solder contained in ICG content and on the laser power set. The temperature rise is limited largely to the solder and its peripheral areas. The histological examinations showed that the laser irradiation of cartilage tissue using diode laser (810 nm) only a very little damage caused. Using a solder it comes through the energy absorbed by the solder and damage to the surrounding articular cartilage tissue. This damage is limited to border areas and the flux increases with increasing power and exposure time. At a power density of (5.09 W/cm2) was a connection between two cartilage fragments are obtained, which yields at a tensile force of 13.3 N/cm2 and where the damage to the cartilage tissue is minimal. The present studies have shown that it is possible cartilage fragments by laser-inducedcoagulation of a CPG to fix each other.

We characterize the impact of high-energy, 172 nm vacuum ultraviolet photons on the molecular weight and the glass transition temperature of poly(methyl methacrylate). We found that the molecular weight is reduced strongly on the surface of the exposed samples with a continuous transition towards the unexposed bulk material being located below the modified region. The glass transition temperature was found to be significantly lowered in the exposed region to well below 50°C compared to that of the 122°C of the bulk region. We could use this material contrast to selectively reflow the top surface of the exposed samples only. This allowed us to create ultra-smooth micro-optical structures by postprocessing without influencing the overall geometry that is required for the optical functionality.

Shutter-less infrared cameras based on microbolometer focal plane arrays (FPAs) are the most widely used cameras in thermography, in particular in the fields of handheld devices and small distributed sensors. For acceptable measurement uncertainty values the disturbing influences of changing thermal ambient conditions have to be treated corresponding to temperature measurements of the thermal conditions inside the camera. We propose a compensation approach based on calibration measurements where changing external conditions are simulated and all correction parameters are determined. This allows to process the raw infrared data and to consider all disturbing influences. The effects on the pixel responsivity and offset voltage are considered separately. The responsivity correction requires two different, alternating radiation sources. This paper presents the details of the compensation procedure and discusses relevant aspects to gain low temperature measurement uncertainty.

In the past years, more concerns are focused on the nuclear waste management due to the very long half-lives of various actinides produced in Light Water Reactors (LWRs). Sodium Fast Reactors (SFRs) are thus becoming more attractive since they are known to be very efficient to transmute long-lived radionuclides present in spent fuel. However, the current simulation tools (thermal-hydraulics code with point kinetics) and safety assessment methods are not as mature as for LWR applications and need to be enhanced. This thesis aims at filling the gap in safety analysis of SFR cores to reach a standard similar to LWR applications by applying multi-physics modelling. In contrast to LWRs, the reactivity in SFRs is affected by three main feedback: the Doppler broadening reactivity effect, the sodium density change reactivity effect and the thermal expansion of several mechanical components of the reactor. In this thesis, the thermal-hydraulic system code ATHLET is coupled with the three-dimensional neutron-physics code PARCS for transient analysis. Developed at GRS, ATHLET was recently upgraded for sodium coolant properties. The nodal diffusion codes PARCS, developed at the University of Michigan, can solve the multi-group diffusion equation in hexagonal geometry. While both codes already have the main features to simulate SFRs, the development of models dedicated to the thermal expansion effect of reactivity is necessary. The latter has three main origins i.e. the core axial thermal expansion effect (caused by the fuel and the cladding axial thermal expansion), the core radial thermal expansion effect (caused by the diagrid thermal expansion), the control rod displacement due to the thermal expansion of the Control Rod Drive Lines (CRDLs), the strongback and the reactor vessel. Thus, the three main new developments achieved in the scope of this work are: - Development of a method to generate homogenized multi-energy-group neutron macroscopic cross sections (needed by PARCS) for SFR applications which consider not only the Doppler temperature and sodium density but also the core axial and radial thermal expansion. - Development of a three-dimensional core radial thermal expansion model and its implementation in PARCS. A core axial thermal expansion model has already been developed for PARCS prior to this work. - Development of a module in ATHLET for modelling the control rod displacement as a result of the influence of the reactor structures thermal expansion. The parametrized homogenized multi-energy-group neutron macroscopic cross section libraries for PARCS applications are generated with the Monte Carlo reactor-physics code Serpent. For all materials contained in fuel assemblies, a three-dimensional model is used while the SPH method is applied to materials contained in non-fuel assemblies (e.g. control rods, etc.). The cross section libraries are collapsed into a 12-energy-group structure. Furthermore, a dedicated module was successfully developed and implemented within the core simulator KMACS (developed at GRS). The core radial thermal expansion effect is implemented in PARCS using a coordinate transformation of the diffusion equation from the expanded state to the nominal geometry. The core radial thermal expansion depends on the diagrid temperature. It is calculated by ATHLET and transferred to PARCS by the extended interface between both codes. The modelling of the control rod displacement as a result of the reactor structures thermal expansion is performed by a module linked to ATHLET. The strongback, the reactor vessel and the CRDLs are modelled as heated structures in ATHLET, which calculates their respective temperature. The module can compute the thermal expansion of each structure as well as the total control rod banks displacement. The new techniques are verfied on a selected case study, the ASTRID core design. First, full core criticality simulations are performed with the Monte Carlo reactor-physics code Serpent (considered as reference calculations) and with PARCS. Good agreement between the two codes is achieved in terms of multiplication factors and power distribution. This allows to conclude that the developed method for neutron cross section libraries can be used for SFR applications. The newly implemented core radial expansion model in PARCS is successfully verified on the ASTRID core with the standalone version of PARCS. Then, various transient simulations are performed in order to separately analyse the different contributions to the reactivity by: the Doppler broadening effects, the sodium density change effect, the core radial and axial thermal expansion effect and the control rod displacement effect. It is demonstrated that the core power responses are plausible which allows the conclusion that all the different thermal expansion models are properly implemented. Furthermore, the presented simulations show very different core power responses. It appears that the effect of the sodium density change on reactivity is a parameter that is strongly heterogeneous (depending on the core location). This shows the importance of using a three-dimensional neutron kinetics model rather than a point-kinetic model for transient simulations with thermal-hydraulic codes. Moreover, the time-scale of the various effects are ranging from few seconds to several hundred seconds. While the Doppler broadening, the sodium density change, as well as the core axial and radial thermal expansion effects on reactivity are fast, the thermal expansion of the strongback and the vessel only appears after several hundred seconds. This emphasizes the importance of considering all thermal expansion effects in addition to the usual thermal-hydraulic feedback parameters (e.g. fuel temperature, coolant density etc.) to be able to compute the core behavior realistically.:Contents Abstract II List of Figures VII List of Tables X List of Acronyms XI Acknowledgments XIII 1 Introduction 1.1 Sodium cooled fast reactors 1.1.1 Fast reactor development 1.1.2 Comparison of sodium fast reactor and pressurized water reactor designs 1.1.2.1 Neutron spectrum 1.1.2.2 Breeding 1.1.2.3 Partitioning and Transmutation 1.1.2.4 Control of the reactivity in the core 1.1.2.5 Coolant properties 1.1.2.6 Reactivity feedback 1.1.2.7 Comparison summary 1.2 Objectives and structure of the thesis 1.2.1 Objectives 1.2.2 Structure of the thesis 2 State of the art of Sodium Fast Reactor safety assessment 2.1 Relevant safety events to consider for Sodium Fast Reactors 2.2 Major reactivity feedback mechanisms 2.3 State of the art of safety analysis methods for Sodium Fast Reactor 3 Methods and codes for safety assessment of sodium cooled fast reactors 3.1 Neutronics core calculations 3.1.1 Core calculations with the diffusion code PARCS 3.1.2 Generation of nodal few-group cross sections with the Monte Carlo code Serpent 3.1.3 Core simulator KMACS 3.2 Thermal-hydraulics simulations with the system code ATHLET 3.3 Coupled three-dimensional thermal-hydraulics / neutronics calculations 4 Development of three-dimensional thermal expansion models 4.1 General calculation approach proposed for safety assessment 4.2 Thermal expansion in solids 4.3 Model for generating nodal few-energy-group cross sections for deterministic core analysis 4.3.1 Energy group structure 4.3.2 Full-scale three-dimensional fuel assembly models in Serpent 4.3.3 Two-dimensional non-fuel assembly models in Serpent 4.3.4 Super homogenization method for non-multiplying media 4.3.5 Automated creation of Serpent models for parametrized cross section generation with KMACS 4.4 Core radial thermal expansion effect 4.4.1 Description of the core radial thermal expansion phenomenon 4.4.2 Coordinate transformation of the diffusion equation 4.4.3 Implementation of the coordinates transformation in PARCS 4.4.4 Adapted cross section parametrization scheme for the core radial expansion model 4.4.5 Diagrid model in ATHLET and temperature transfer 4.5 Core axial thermal expansion effect 4.5.1 Description of the core axial thermal expansion phenomenon 4.5.2 Implementation of a core axial thermal expansion model in PARCS 4.5.3 Appropriate cross section parametrization scheme 4.6 Control rod displacement due to reactor structures thermal expansion effects 4.6.1 Modelling scheme 4.6.2 Strongback model in ATHLET 4.6.3 Vessel model in ATHLET 4.6.4 Control rods drive lines ATHLET model 5 Verification on a case study 5.1 Description of the ASTRID reactor 5.2 Full core models 5.2.1 Full core Serpent reference models of the ASTRID core 5.2.2 Three-dimensional neutron kinetics model of ASTRID core in PARCS 5.2.3 Generation of appropriate few-group cross sections 5.2.4 Thermal-hydraulic model in ATHLET and ATHLET-PARCS feedback mapping 5.3 Verfications of the radial core expansion model 5.4 Assessment of the Doppler and sodium density effects 5.4.1 Assessment of the Doppler effect 5.4.2 Assessment of the sodium density effect 6 Coupled three-dimensional thermal-hydraulics/neutron-physics transient simulations with ATHLET-PARCS 6.1 Description of the models and transient simulations 6.2 Simulation 1: Doppler effect 6.2.1 Description 6.2.2 Results 6.3 Simulation 2: Sodium density effect 6.3.1 Description 6.3.2 Results 6.4 Simulation 3: Doppler and sodium density effects 6.4.1 Description 6.4.2 Results 6.5 Simulation 4: Core radial thermal expansion effect 6.5.1 Description 6.5.2 Results 6.6 Simulation 5: Doppler, Sodium density and core radial thermal expansion effects 6.6.1 Description 6.6.2 Results 6.7 Simulation 6: Core axial thermal expansion effect 6.7.1 Description 6.7.2 Results 6.8 Simulation 7: Doppler, Sodium density and core axial thermal expansion effects 6.8.1 Description 6.8.2 Results 6.9 Simulation 8: Doppler effect, Sodium density effect, core radial thermal expansion effect and core axial thermal expansion effect 6.9.1 Description 6.9.2 Results 6.10 Simulation 9: Doppler effect, Sodium density effect, core radial thermal expansion effect, core axial thermal expansion effect and control rod displacement due to reactor structures thermal expansion effect 6.10.1 Description 6.10.2 Results 6.11 Preliminary conclusions of the test calculations 7 Conclusion and outlook for future developments 7.1 Summary and conclusions 7.2 Suggestions for future work Appendices A The Boltzmann equation B Macro-group structure Bibliography