Optimizing particle cooling using reservoir computing. - Ilmenau. - 43 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2023
Die Anwendung von maschinellem Lernen zur Verbesserung physikalisch-orientierter Probleme ist eine zunehmend verwendete Herangehensweise in der heutigen Forschung. Reservoir Computing hingegen ist eine eher unkonventionelle Methodik des maschinellen Lernens und hat in der Vergangenheit gute Ergebnisse in der Vorhersage von Zeitreihen oder zeitabhängigen Prozessen gezeigt. Das Ziel dieser Arbeit ist es, eine Streumatrix-Zeitreihe vorherzusagen und herauszustellen, ob man Reservoir Computing zur Unterstützung eines Algorithmus für die Kühlung von Vielteilchensystemen – unter der Benutzung komplexer Lichtfelder – verwenden kann. Die Aufgabe der Zeitreihen-Vorhersage von Streumatrizen soll charakterisiert werden und dabei wird besondere Aufmerksamkeit auf die Anwendung im Kühlalgorithmus gerichtet. Die Arbeit an diesem Thema wurde mit einem Halbleiter- laserverstärker (SOA) als diskretes time-multiplexed Reservoir mit einer internen Delay-Schleife in einem Setup mit zusätzlichen Delay-Schleifen – in Input und Output – durchgeführt. Weiter wurde die mögliche Anwendung im Kühlalgorithmus überprüft, indem potentielle Kühlzustände berechnet wurden, die zeigen, ob im ersten Iterationsschritt des Kühlalgorithmus gekühlt werden kann. Die Resultate zeigen, dass die Vorhersage einer Streumatrix-Zeitreihe für ein Vielteilchensystem möglich ist und diese Vorhersage auch im ersten Schritt der Kühlung genutzt werden kann. Weitere Arbeit an diesem Thema kann bezüglich der Kühlzustände und der Analyse der Streumatrix-Zeitreihe geleistet werden. Dafür können insbesondere verschiedene Methoden des maschinellen Lernens als auch eine veränderte Zusammensetzung des Inputs für das Reservoir getestet werden.
Image classification with reservoir computing using delay based photonics devices. - Ilmenau. - 44 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2023
Reservoir Computing ist ein relativ neuer Ansatz im Bereich des maschinellen Lernens, welcher eine einfachere Trainingsphase im Vergleich zu anderen Methoden des maschinellen Lernens besitzt. Dazu ist die Methode relativ einfach experimentell umzusetzen. Mit einem Laser hat man die Möglichkeit, einen einzigen nichtlinearen Knoten als Reservoir zu verwenden und erreicht mit der time-multiplexed Reservoir Computing Methode eine hohe Output Dimension. In dieser Arbeit wird time-multiplexed Reservoir Computing zur Klassifizierung des MNIST handwritten digit data set verwendet. Dazu werden zwei verschiedene Eingabevorbereitungstechniken und zwei verschiedene Input-Injektionsmethoden getestet. Dabei nutzt die Eingabevorbereitung row wise feed forward das Gedächtnis des Lasers, im Gegensatz zum random mixed Modus, der kein Gedächtnis besitzt. Mit der Input Injektion in den Pumpstrom haben sowohl der row wise feed forward als auch der random mixed Modus eine ähnliche Performance. Der Grund dafür könnte sein, dass die Lasergleichungen zu linear sind. Die Input Injektion in die Phase eines externen Lasers hat die Performance für beide Verfahren verbessert und führte zur besten Leistung, ein SER von 8,95 % für den random mixed Modus. Die Ergebnisse könnten weiter verbessert werden, indem die Bilder beschnitten oder der Amplituden-Phasen-Kopplungsparameter und der Phasenparameter ungleich Null gesetzt werden, um mehr Nichtlinearität in die Lasergleichungen zu bringen.
Photonic reservoir computing using Spin-VCSELs. - Ilmenau. - 21 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2023
Im Vergleich mit anderen maschinellen Lernmethoden, zeichnet sich Reservoir Computing durch eine relative Einfachheit aus, die eine effiziente Hardwareimplementierung ermöglicht. Die benötigte hochdimensionale Reservoir-Dynamik kann bereitgestellt werden, indem zu einem einzelnem nichtlinearen Knoten, Rückkopplungen hingefügt wird, während das System mit zeitmultiplexierten Eingangsdaten gesteuert wird. Eine vielversprechende Realisierung nutzt die schnelle Polarisationsdynamik von energieeffizienten Spin-VCSELn aus. Diese schnellen Feldwechselwirkungen hängen mit Doppelbrechung, Dichroismus und Elektronenübergangsraten im Kavitätmaterial zusammen und treten auf kürzeren Zeitskalen auf, als die Relaxationsfrequenzen. Im Vergleich zu typischen Halbleiterlasern, lassen sich daher bei Spin-VCSELn wesentliche höhere Grenzfrequenzen in der Systemantwort beobachten. In dieser Arbeit wird zunächst die dynamische Analyse eines laserinjizierten Spin-VCSELs unter optischer Rückkopplung durchgeführt, so dass geeignete Parameter für die spätere Funktion als Reservoir bestimmt werden können. Danach wird der Einfluss dieser schnellen Polarisationsoszillationsdynamik auf die Reservoir-Güte bei steigenden Datenverarbeitungsraten untersucht.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Die spektrale Bildgebung hat sich in den letzten zehn Jahren als vielseitiges Messverfahren etabliert. Sie wird häufig in Bereichen wie der Fernerkundung in der Landwirtschaft, der Geologie oder im Militär, bei der Qualitätskontrolle in der Lebensmittelindustrie oder in der medizinischen Bildgebung eingesetzt. Aufgrund ihrer dreidimensionalen Datenstruktur ist die Erfassung von Spektralbildern technologisch herausfordernd. Zwei räumliche und eine spektrale Dimension müssen auf zweidimensionale Sensorarrays abgebildet werden. Daher muss für jede Anwendung ein Kompromiss aus Aufnahmezeit, räumlicher Auflösung und spektraler Auflösung gefunden werden. Die Methode des Compressive Sensing wurde bereits auf die spektrale Bildgebung angewandt, um den dreidimensionalen Datensatz vor der Messung zu reduzieren. Mithilfe von kodierten Messungen und einem Optimierungsalgorithmus rekonstruiert Compressive Sensing den vollständigen Datensatz unter Ausnutzung von spärlicher Besetzung. Die beiden wichtigsten Ansätze für die komprimierende spektrale Bildgebung beruhen jedoch immer noch auf mehreren aufeinanderfolgenden Messungen. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die komprimierende spektrale Bildgebung durch den Einsatz von diffraktiven optischen Elementen zu verbessern. Zu diesem Zweck werden mehrere spektrale Abbildungssysteme entwickelt, die ein diffraktives optisches Element mit vier Beugungsordnungen verwenden. Die Effizienzvorteile der Systemdesigns werden durch eine Computersimulation nachgewiesen. Es zeigt sich, dass das System mit einem diffraktiven Element einen höheren PSNR-Wert als alle bestehenden und entworfenen Systeme aufweist. Um die Funktion zu demonstrieren, wird ein spektrales Abbildungssystem auf Laborniveau entworfen und aufgebaut. Während des gesamten Prozesses der Auslegung, des Aufbaus, der Justage und der Kalibrierung werden die Schritte und Anforderungen gezeigt, die notwendig sind, um eine hocheffiziente komprimierende spektrale Bildaufnahme zu erreichen.
Preparing an all-sky pulsar search with recent raw antenna data of the Low-Frequency Array (LOFAR). - Ilmenau. - 51 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2022
Das LOw-Frequency ARray (LOFAR) ist ein großflächiges Radiointerferometer das Messungen in einem Frequenzbereich von 10-240MHz vornimmt. Das niederländische Institut für Radioastronomie (ASTRON) betreibt das Teleskop. Das Amsterdam-ASTRON Radio Transients Facility And Analysis Center (AARTFAAC) ist ein System für Transienten Detektion in Echtzeit mit dem Ziel, die gesamte Auflösung des LOFAR zu nutzen. Innerhalb des Datenstromes von LOFAR werden die Rohdaten von jeder Antenne für fünf Sekunden auf einem Transient Buffer Board (TBB) zwischengespeichert. Bei Auslösung können diese Rohdaten gespeichert und weiter analysiert werden. In dieser Bachelorarbeit wurde ein TBB-Datensatz, welcher im März 2022 aufgenommen wurde, analysiert, um eine Pulsar Suche vorzubereiten. Dieser Datensatz wurde bis zu dem Zeitpunkt dieser Arbeit noch nicht auf Transienten untersucht und bietet die einzigartige Möglichkeit eine solche Analyse mit Rohdaten durchzuführen, die nicht vorbearbeitet worden sind. Für den Datensatz wurden defekte Antennen markiert und ein Bilderzeugungs- und Kalibrierungsalgorithmus implementiert. Der Vergleich zweier Beamforming Methoden, kohärent und inkohärent, erlaubt es eine Strategie für eine effiziente Pulsar Suche des gesamten Sternenhimmels der nördlichen Hemisphäre durchzuführen. Eine Abschätzung der Sensitivität, beginnend mit einer Station und in steigender Arraygröße von AARTFAAC-6 (Superterp Stationen) zu AARTFAAC-12 (Kernstationen) bis hin zum LOFAR-NL (alle niederländischen Stationen) folgt. Diese Arbeit stellt einen möglichen Ansatz zur Analyse von Rohdaten für Pulsar Entdeckung auf der gesamten nördlichen Hemisphäre vor, welcher auch in weiteren AARFAAC Entwicklungen eingebunden werden kann.
Optische Mikrokavitäten mit Quellen und Kopplung : eine Beschreibung im Strahlenbild durch inhomogene Anfangsbedingungen. - Ilmenau. - 120 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Diese Arbeit beschäftigt sich mit den optischen Mikroresonatoren Lima¸con und Shortegg im Rahmen inhomogener Anfangsbedingungen und deren Auswirkungen auf das Fernfeld. Hierfür werden Quellen innerhalb der Kavität sowie auf der Berandung untersucht. Neben den Auswirkungen auf das stationäre, durch die instabile Mannigfaltigkeit geprägte Regime wird auch das Verhalten des transienten Regimes detailliert betrachtet. Für die Berechnungen wird eine Modellierung im Strahlenbild zu Grunde gelegt. Es wird gezeigt, dass die Ausbildung der instabilen Mannigfaltigkeit in starker Abhängigkeit zu dem relativen Anteil an Anfangsbedingungen außerhalb der refraktiven Region steht. Hierdurch wird auch die geringere Effizienz der direktionalen Abstrahlung des Shorteggs gegenüber der des Lima¸cons erklärt. Mittels Bestimmung der Strahlendichte kann die Existenz von Brennpunkten im Lima¸con festgestellt und deren starken Einfluss auf das transiente Regime begründet werden. Zur Analyse des Phasenraums wird die Position einer lokal begrenzten Quellenzone variiert. Dadurch wird gezeigt, dass die unterschiedliche Bevölkerung der invarianten, instabilen Mannigfaltigkeit zu Abweichungen von der bekannten Abstrahlcharakteristik des Fernfelds im stationären Regime führen kann und sogar instabile, periodische Orbits entstehen können. Es wird Bezug genommen zu Ergebnissen aus Wellensimulationen gekoppelter Lima¸cons in der Literatur, welche eine vom Kopplungsabstand abhängige Inversion des Fernfelds aufweisen. Diese Problemstellung der Kopplung mehrerer Resonatoren wird im Rahmen des Strahlenbilds diskutiert und mögliche Erklärungsansätze für die bisher nicht verstandene Inversion aufgeführt.
Energieflussdichte im Fernfeld einer Anordnung aus optischen Mikroresonatoren. - Ilmenau. - 44 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020
Es wurde eine Anordnung aus zwei optischen Resonatoren in Form zweier identischer Pascalscher Schnecken hinsichtlich der Verteilung der abgestrahlten Energieflussdichte, des Kopplungsverhaltens zwischen den Resonatoren abhängig von Abstand und Orientierung der Resonatoren zueinander sowie von der resonanten Mode der Lichtquelle im ersten Resonator untersucht. Es zeigten sich abhängig vom Abstand periodische Schwankungen im Energieflussdicheprofil und der Kopplungsstärke, deren Periode annähernd proportional zur verwendeten Wellenlänge war.
Feedback in optischen Mikrokavitäten. - Ilmenau. - 25 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020
Feedback- und Kopplungsverhalten zweier Resonatoren (Shortegg) in Abhängigkeit des Abstandes sowie der Orientierung und der Position (Winkel) veranschaulicht durch den Gütefaktor und die Energiedichte.
Shallow moist Rayleigh-Bénard convection in a conditionally unstable layer. - Ilmenau. - 77 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Wolkenprozesse stellen die größte Unsicherheit für zuverlässigere Klimavorhersagen dar. Da globale Klimamodelle nicht alle Skalen auflösen können, ist die Parametrisierung dieser unaufgelösten Prozesse von zentralem Interesse. Besonders cloud system-resolving models, d.h. numerische Simulationen, die Wolkenbildungsprozesse auf der Mesoskala auflösen, sollen eine Möglichkeit bieten solche Parametrisierungen direkt an ein Klimamodell zu liefern. Diese Masterarbeit beschäftigt sich mit der numerischen Implementierung eines Feuchtkonvektionsmodells, um den Einfluss von Wasserdampf auf die Atmosphäre zu studieren. Das Modell basiert auf einer idealisierten Thermodynamik nahe der Phasengrenze, die es erlaubt mesoskalige Wolkenbildungsprozesse in der unteren Atmosphäre zu untersuchen. Besonders der Fall der bedingten Instabilität ist dabei von Interesse, der vorliegt, wenn ungesättigte Luft stabil und gesättigte Luft instabil geschichtet ist. Direkte numerische Simulationen zeigen eine lokalisierte Wolkenbildung, die in manchen Fällen zu einer Gruppierung von Wolken führen kann. Des Weiteren wird ein 'reservoir computing' Modell (auch bekannt als 'echo state network'), ein Maschinenlernalgorithmus auf der Basis eines rekurrenten neuralen Netzwerken, für eine mögliche Wolkenparametrisierung untersucht.
Extreme value analysis of precipitation time series. - Ilmenau. - 62, 54 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2019
Die grundlegende Zielstellung dieser Arbeit ist die Anwendung der Extremwertanalyse für den Niederschlag im globalen Kontext und das Ermitteln der Trends. Hierfür wurde der globale Reanalysedatensatz ERA-Interim vorgenommen. Dabei wird die Analyse mittels einer geeigneten Fit-Software für das Schätzen der generalisierten Extremwertverteilung sowie durch die Nutzung der Modellklasse der Vektor-generalisierten linearen Modellen realisiert, die die Veränderungen der extremen Niederschläge untersuchen soll. Um die Resultate der Exremwertanalyse zudem abzuschätzen, wird zusätzlich vom Anpassungs- bzw. Fitgütetest des sogenannten Kolmogorov-Smirnov-Tests Gebrauch gemacht, welcher sowohl am Datensatz sowie an Monte-Carlo-Samples ausgeführt wird und deren Ergebnisse verglichen.
Dynamik und Fernfeldabstrahlung von Mikrokavitäten mit fluoreszierenden Quellen. - Ilmenau. - 47 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2019
In dieser Arbeit werden verschiedene strahlenoptische Modelle zur Beschreibung lumineszierender dielektrischer optischer Mikrokavitäten vorgestellt und verglichen. Dazu werden zunächst in Kapitel 3 die Strahlendynamik und Abstrahlcharakteristik dielektrischer optischer Mikrokavitäten der Limacon- und der Shortegg-Form, welche beide der chaotischen Dynamik unterliegen, mittels des strahlenoptischen Modells untersucht. Für bestimmte Brechungsindizes und Verformungsparameter lässt sich bei diesen Kavitäten eine direktionale Fernfeldabstrahlung feststellen, die durch die dann besonders günstigen Eigenschaften der instabilen Mannigfaltigkeit im stationären Regime bedingt wird. Auf dieser Grundlage wird das Modell auf lumineszierende Kavitäten erweitert. Zur Modellierung lumineszierender Moleküle im Material der Kavität werden hier zwei verschiedene Ansätze verfolgt. In Kapitel 4.1 werden diese zunächst als Strahlung emittierende Punktquellen modelliert, an denen aber weder Reflexion noch Transmission stattfinden kann. Für eine Kavität mit einem lumineszierenden Partikel ergeben sich große von dessen Position innerhalb der Kavität abhängige Unterschiede in der Abstrahlcharakteristik. Obwohl die von der Quelle emittierten Strahlen die Kavität größtenteils nach sehr kurzer Laufzeit wieder verlassen, bietet die gezielte Beeinflussung der Abstrahlung kurz nach der Anregung der Quelle durch deren Positionierung viel Spielraum für technische Anwendungen. Im Falle mehrerer Punktquellen lässt die Positionsabhängigkeit der Abstrahlcharakteristik der Quellen mit steigender Anzahl an Quellen zugunsten einer Angleichung der Abstrahlcharakteristik an die der instabilen Mannigfaltigkeit nach. Dies lässt sich gleichermaßen in der Limacon- als auch in der Shortegg-Kavität beobachten. In Kapitel 4.2 wurden im Rahmen des zweiten Ansatzes die lumineszierenden Partikel durch kreisförmige, ausgedehnte Quellen dargestellt, wobei diese als vollkommen reflektierend oder als dielektrisch betrachtet werden können und somit im Gegensatz zu den Punktquellen neben der Emission von Strahlen auch die Möglichkeit zur Reflexion und Transmission am lumineszierenden Partikel bieten. Ähnlich wie im Falle der Punktquellen stellt man auch hier eine Abhängigkeit der Abstrahlcharakteristik von der Position der ausgedehnten Quelle in der Kavität fest. Die an der Quelle stattfindende Reflexion und Transmission hat jedoch aufgrund der geringen Fläche der Quelle gegenüber der Kavität und der somit geringen Auftreffrate der Strahlen auf die Quelle kaum eine Auswirkung auf die Strahlendynamik und die Fernfeldabstrahlung. Somit liefert diese Methode nur unwesentlich andere Ergebnisse als die Modellierung der luminszierenden Partikel durch Punktquellen. Insgesamt stellt man fest, dass, sofern das konkrete Positionieren eines lumineszierenden Moleküls in einer Kavität technisch realisierbar ist, die lumineszierenden Kavitäten ein erweitertes Einsatzspektrum der optischen Mikrokavitäten als beispielsweise Mikrolaser, Sensoren oder ähnliches bieten.
Analytical and numerical studies of coupled optical microresonators. - Ilmenau. - 72 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Das Ziel dieser Masterarbeit ist die Analyse von Lichtwellen in Systemen aus gekoppelten optischen Mikroresonatoren. Diese Analyse wird sowohl durch numerische Wellensimulationen in COMSOL durchgeführt sowie auch durch das Entwickeln eines eigenen Modells für die Approximation von Eigenfrequenzen und Eigenmoden in gekoppelten Resonatoren. Ein Vergleich zwischen Modell und Simulation liefert vergleichbare Ergebnisse. Im zweiten Teil der Arbeit wird das entwickelte Model genutzt, um ein photonisches System mit Defektzuständen zu entwickeln. Defektzustände sind nützlich für Anwendungen aufgrund ihrer räumlichen Lokalisierung sowie auch wegen ihrer spektralen Isolierung gegenüber andere Moden des Systems. Dabei wird gezeigt, dass die bis jetzt angenommene asymmetrische Rückstreuung, dass für solche Systeme als notwendig angenommen würde durch einfachere Störungen am System ersetzt werden kann.
Geometric phases of spins in polygonal loops. - Ilmenau. - 63 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2019
In der vorliegenden Arbeit werden Phasen von Elektronen-Spins unter- sucht, die bei zyklischen Zeitentwicklungen in Rashba-aktiven, nanoelektrischen und polygonförmigen Halbleiterschleifen auftreten. Diese Phasen setzen sich zusammen aus einem dynamischen, energieabhängigen Teil sowie einer geometrischen Aharonov-Anandan-Phase, die von geometrischen und topologischen Eigenschaften der zurückgelegten Kurve im Parameterraum des entsprechenden Hamiltonoperators abhängt. Im Zuge der Arbeit wird das Verhalten von Schleifen mit einer beliebigen Anzahl von Ecken betrachtet, hierbei wird ein Fokus auf den Grenzfall N &flech; ∞ gelegt, bei dem die Leiterschleife effektiv einem Ring entspricht. Die genutzten mathematischen Methoden sind simpel, sie beruhen im Wesentlichen auf einfachen Spin-Rotationsoperatoren, die jeweils eine Seite der Polygonschleife beschreiben und anschließend miteinander verknüpft werden, um größere Segmente und schließlich die gesamte Schleife zu modellieren. Damit kommt das Modell ohne aufwendige und umfangreiche Störungsrechnungen oder intransparente numerische Simulationen aus. Dennoch ist dieser einfache Ansatz in der Lage, die verschiedenen Phasenkomponenten voneinander zu separieren. Darauf aufbauend, konnten anschließend mithilfe des Landau-Büttiker Formalismus experimentell verifizierbare Interferenzmuster erzeugt werden.
Untersuchung des Wachstums aktivierter Wolkenwassertropfen in zeitabhängigen Strömungen. - Ilmenau. - 120 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Das Ziel dieser Masterarbeit ist die Erweiterung des Verständnisses der für die Wolkenbildung wesentlichen Dynamik von Wassertropfen in turbulenten Strömungsfeldern. Das Wachstum einzelner Tropfen durch Anlagerung von Wasserdampf in einer übersättigten Umgebung wird durch das Geschwindigkeits-, Temperatur- und Wasserdampffeld bestimmt. Für die Simulation des Prozesses wird ein Programm entwickelt, welches das Tropfenwachstum möglichst numerisch effizient in einem räumlich abgeschlossenen System beschreibt. Die physikalischen Prozesse hängen wesentlich von verschiedenen äußeren Faktoren ab, deren Einfluss ebenfalls im Rahmen dieser Arbeit untersucht wird. Die chemischen Prozesse bei der Wolkenbildung werden in einem Löslichkeitsterm erfasst. Des Weiteren ist die Schwankung der Übersättigung von Bedeutung. Die Fluktuationen der Übersättigung haben ihren Ursprung in den Luftströmungen. Diese werden zunächst in einem effektiven Modell untersucht, indem zu einer konstanten Übersättigung eine periodische Schwankung bzw. ein Rauschterm auf Basis des Wiener Prozesses addiert wird. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit werden die Ergebnisse der vertieft. Dazu wird im zweiten Teil eine einfache turbulente Strömung im Fourierraum verwendet, welche eine Lösung der Navier-Stokes Gleichung ist. Die Zeitabhängigkeit der Strömung wird dabei durch Zufallszahlen beschrieben. Ein reduzierter Modensatz soll den Rechenaufwand minimieren. Dabei erhält man ein Gleichungssystem von Differentialgleichungen, welches mit einem Euler-Verfahren gelöst wird Nach dem erfolgreichen Funktionstest des Programms werden erste Simulationen durchgeführt und ausgewertet. Die Untersuchungen dieser Masterarbeit haben gezeigt, dass eine Berechnung des Tröpfchenwachstums im Fourierraum, im Vergleich zum Realraum, nummerisch effizient ist. Die Voraussetzung hierfür ist ein periodisches Geschwindigkeitsfeld, welches durch eine angemessene Anzahl an Moden darstellbar ist. Zu wenige Kopplungen erschweren die Berechnung, da die turbulente Strömung sich nur unvollständig ausbilden kann. Die große Abhängigkeit des Tropfenwachstums von hochfluktierenden Übersättigungsfeldern wird aufgezeigt. Ebenfalls zeigt sich der Einfluss des Löslichkeitseffektes auf das Wachstum der Wolkentropfen. Der Krümmungseffekt, welcher die Oberflächenspannung berücksichtigt, hat unerwarteterweise nur einen geringen Einfluss.
Strahlendynamik in Billards für Licht und Dirac-Elektronen in Graphen im Vergleich. - Ilmenau. - 67 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
Zur Kenntnis von optischen Strukturen im mesoskopischen Regime sind seit Jahren auf Mikroresonatoren basierende Laser ein oft untersuchter Forschungsbereich. Diese besitzen gegenüber einem Fabry-Pérot-artigen Aufbau den Vorteil, ihre Eigenschaften bezüglich Interferenzen, Wave Confinement und direktionaler Emission je nach Wahl der Struktur zu nutzen und dabei in den (Sub-) Mikrometerbereich vorzudringen. Theoretische Rechnungen dazu können über die Auswertung der Maxwell-Gleichungen, sowie das Nachvollziehen der chaotischen Dynamik von Lichtstrahlen im Billiardsystem erzielt werden. Diese Kavitäten sind auf beide Arten und durch Experimente erforscht und finden Anwendung in Bereichen der Sensorik, Lichterzeugung und als dynamische Frequenzfilter. Ziel dieser Masterarbeit ist es, auf dieser Grundlage eine simulationsbasierte Auswertung zu Billards in Lima¸con-Form auf Basis von Graphenheterostrukturen zu schaffen, die ebenso über Confinement und hochdirektionale Emission eine mögliche technische Anwendung finden können. Diese Heterostrukturen werden über unterschiedliche Potentiale an den 2D-Graphenflächen realisiert. Im Vordergrund steht dabei eine Analyse der strahlenartigen Elektronendynamik im Graphenbilliard, die durch quasirelativistische Fermionen am Diracpunkt zustande kommt. Die mittels MATLAB durchgeführte Simulation untersucht die Charakteristika der Strahlenverläufe und Abstrahlung im Hinblick auf verschiedene Parameter wie Verformung und angelegtes Potential zur Erzeugung der Heterostruktur und vergleicht eine uniforme initiale Intensitätsverteilung mit der einer Punktquelle. Dabei wird festgestellt, dass sich im Billiard mit einer Potentialstufenberandung kaum Vorteile gegenüber den optischen Kavitäten ergeben, da diese eine schlechte Anisotropie in der Abstrahlung vorweist, während eine Berandung durch eine dünne Potentialbarriere eine direktionale Abstrahlung und Sensitivität bezüglich einiger Parameter verzeichnet. Denkbar wäre hier eine Anwendung in der Sensorik.
Transport in ungeordneten optischen Systemen. - Ilmenau. - 64 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2018
In dieser Arbeit wird der Transport von Lichtstrahlen, die sich in einem System mit schwach fluktuierenden und lokal korrelierten Brechungsindex ausbreiten, numerisch untersucht. Motiviert wird diese Studie durch das Verhalten von Elektronen, Schallwellen und Wasser- bzw. Meereswellen in ähnlichen Systemen mit entsprechenden Fluktuationen im Elektronenpotential bzw. in der Schallgeschwindigkeit und Meeresströmungen. Diese zeigen, im Gegensatz zur homogenen Propagation, ein Branching-Verhalten auf. Das heißt eine Fokussierung auf gleiche Bahnen. Das Verhalten des optischen Falles wird in einem zwei dimensionalen System untersucht, wobei die Strahlen aus einer Punktquelle starten. In der folgenden Ausarbeitung wird ebenso ein Branching beobachtet, dessen Statistik genauer untersucht wird. Ziel ist es außerdem, zwischen der Korrelationslänge des zugrundeliegenden Potentials und dem lokalen Übergang branching zu diffusiv einen klaren Zusammenhang festzustellen. Am Ende wird ein Vergleich mit dem elektronischen Analogon gezogen und auf Gemeinsamkeiten und Unterschiede der beiden Systeme eingegangen.
Ein analytischer Ansatz zur Erweiterung der Fresnelgesetze auf konkav gekrümmten Oberflächen. - Ilmenau. - 62 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2018
Optische Mikrokavitäten spielen eine immer wichtigere Rolle in modernen Forschungsarbeiten. Besonders interessant ist es, den Reflexions- und Brechungsvorgang von einkommenden Lichtstrahlen an der Oberfläche dieser Kavitäten zu studieren. Die Reflexion eines Lichtstrahles wird durch die Fresnelgleichungen beschrieben, welche zunächst nur für ebene Oberflächen gelten und demzufolge für gekrümmte Grenzflächen korrigiert werden müssen. Da diese Abweichungen bereits bei konvexen Grenzflächen untersucht wurden [7], sollen in dieser Arbeit die Korrekturen für konkave Grenzflächen gefunden werden, indem das Model der Transfermatrizen auf zylindrische Systeme erweitert wird. Dadurch wird ein Zusammenhang zwischen konvexen und konkaven Fresnel-Koeffizienten gefunden.
Modellierung der Ausbreitung von Funkwellen im Innenbereich von Gebäuden. - Ilmenau. - 83 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2017
Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, ein einfaches Modell zu erstellen, welches die Ausbreitung von Funkwellen im Innenbereich eines Gebäudes berechnet. Es wurde sich in dieser Arbeit zum einen auf die Ausbreitung in einem Raum mit beliebig geformter Geometrie und zum anderen auf einen viereckigen Raum mit einem Hindernis konzentriert. Für die Beschreibung der Wellenausbreitung wurde der strahlenoptische Ansatz verwendet. Dieser Ansatz besagt, dass Lichtwellen durch die Gesetze aus der Geometrischen Optik beschrieben werden können. In dieser Arbeit wird untersucht ob der verwendete Ansatz auch auf die Beschreibung von Funkwellen anwendbar ist. Dieser Ansatz ermöglicht eine gute Darstellung desWellenspektrums aller einfallenden Wellen am Ort des Empfängers sowie die Darstellung der zurückgelegtenWege aller Teilwellen. Es erfolgte eine Kombination des strahlenoptischen Ansatzes mit der Uniform Theory of Diffraction (UTD), um auch Beugungen an Hindernissen untersuchen zu können. Das Simulationsmodell wurde auf ein Real Time Location System (RTLS) angepasst, welches eine Lokalisierung von Personen oder Objekten im Innenbereich von Gebäuden mit einer Präzision von 10 cm ermöglicht. Dies geschieht mittels der Messung von Laufzeitunterschieden ausgesendeter Wellen im Ultra-Breitband (UWB) Bereich. In dieser Arbeit wurde ein Vergleich der Ergebnisse der Simulation mit denen aus einer Messung mit dem Real-Time-Location-System angestellt.
Benzotrithiophene based small molecules as potential material in organic solar cells. - 90 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Benzotrithiophen (BTT) wird auf sein Potenzial als lichtabsorbierendes Material in organischen Solarzellen untersucht. Die spezielle geometrische Form des BTT erlaubt die Gestaltung von linearen Oligomeren als auch von flachen, dreistrahligen, Stern-förmigen Dendrimeren, wobei eine einzigartige molekulare und elektronische Konfiguration erzeugt wird. Nach einer kurzen Einführung in organische Photovoltaik, wird eine Familie aus vier BTT-Derivaten mit substituierten Thienyl, Vinylen und Dicianovinylen Gruppen vorgestellt in asymmetrischen und symmetrischen Geometrien. Ein großer Teil der Untersuchung enthält computergestützte Berechnungen mit DFT und TDDFT. Gleichzeitig wird eine Route zur chemischen Darstellung gesucht. Bei den sternförmigen Molekülen wurde ein Antenneneffekt beobachtet, der im asymmetrischen Fall die Lichtabsorption verbreitert und im symmetrischen Fall verengt, aber verstärkt.
Theoretische Grundlagen der Modellierung memristiver Systeme. - 57 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2016
Memristoren (Kurzform von "memory resistor") und memristive Systeme sind Widerstände mit Gedächtnis. Durch ihre völlig neuartigen Eigenschaften sind sie Gegenstand vieler Forschungsgebiete, die von digitalen Speichertechnologien bis zu neuronalen Netzen und Chaos reichen. Diese Arbeit führt in die Theorie dieser Bauelementeklasse ein und liefert ein solides Fundament für weitere Arbeiten. Zuerst werden die ursprünliche und einige moderne Definitionen der Gedächtniselemente gezeigt und verglichen und eine für technisch relevante Memristoren passende Definition vorgeschlagen. Darauf folgt eine Darstellung der generischen Eigenschaften und Erkennungsmerkmale wie der abgeschnürten Hystereseschleife, deren Fläche mit steigender Frequenz abnimmt. Wir besprechen außerdem Signalverhalten, Modellierung und einige interessante Implementierungen wie den Supraleiter-Memristor.
Eine numerische Studie zu dreidimensionalen optischen Mikrokavitäten. - 110 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2015
In dieser Masterarbeit werden die Eigenschaften dreidimensionaler optischer Mikrokavitäten am Beispiel der Lima¸con-Kavität untersucht. Die Kavitäten werden dabei als dielektrische Zylinder lima¸con-förmigen Querschnitts mit unterschiedlichen Höhe-zu-Radius-Verhältnissen modelliert. Ziel dieser Arbeit ist es, dabei den Einfluss auf die Resonanzen, Gütefaktoren, Eigenmoden und Fernfeldprofile im Vergleich zum zweidimensionalen Lima¸con zu untersuchen. Die Berechnung der genannten Eigenschaften erfolgt durch numerisches Lösen der Maxwellschen Gleichungen im Zeitbereich. Zu diesem Zweck wird das frei verfügbare FDTD-Simulationssoftwarepaket MEEP benutzt. Als erstes Ergebnis kann man festhalten, dass gewisse Parallelen in der Struktur der zweidimensionalen (2D) und dreidimensionalen (3D) Eigenmoden existieren. Die Vergleichbarkeit hängt dabei vom Verhältnis der Kavitätenhöhe zur Wellenlänge ab. Diese Eigenschaft lässt sich mit Hilfe des Modells des effektiven Brechungsindex quantifizieren. Die Berechnung der Resonanzen für TM-polarisierte Wellen wird zeigen, dass für kleine Höhe-zu-Radius-Verhältnisse Resonanzen erst bei höheren Frequenzen beginnen im Vergleich zum 2D-Lima¸con. Hier kann wieder das Modell des effektiven Brechungsindex herangezogen werden. Zusätzlich werden Kavitäten mit metallischen Boden- und Deckflächen (Sandwich-Lima¸con) betrachtet. Dort gleicht das Verhalten der TM-polarisierten Resonanzen für kleine Höhe-zu-Radius-Verhältnisse denen im 2D-Lima¸con. Im Fall des 3D-Lima¸con (ohne metallischen Boden und Deckel) sind die Gütefaktoren für alle betrachteten Höhe-zu-Radius-Verhältnisse gut vergleichbar mit denen des 2D-Lima¸con. Im Fall des Sandwich-Lima¸con ist das am besten für kleine Höhe-zu-Radius-Verhältnisse erfüllt. Die maximalen Gütefaktoren des Sandwich-Lima¸con sind eine Größenordnung höher als die des 3D-Lima¸con. Die Analyse der Fernfeldprofile wird zeigen, dass die vom 2D-Lima¸con bekannte gerichtete Abstrahlung in azimutaler Richtung (in der Querschnittsebene) ebenfalls existiert. Die Fernfeldprofile in polarer Richtung (senkrecht zur Querschnittsebene) lassen sich mit der Beugung am Spalt mit veränderter Spaltbreite beschreiben. Eine wichtige Eigenschaft ist die Abstrahlung schräg zur Resonatorebene. Diese wird für die Idee eines Partikeldetektors genutzt. Ein Scheibe-Lima¸con-Hybrid-System gibt einen Ausblick auf die Kombination von hohen Gütefaktoren und gerichteter Abstrahlung.
Lichtausbreitung in Kegelmänteln: Strahlenbahnen, Wellenlösungen und Korrespondenzen. - 82 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2015
Den Ausgangspunkt der vorliegenden Arbeit bildete die experimentelle Untersuchung der Lichtausbreitung in den Wänden konisch zulaufender Tuben. Aus den Beobachtungen und Vermutungen der Gruppe um Prof. Dr. Oliver Schmidt und Dr. Libo Ma wurden die zentralen Thesen abgeleitet. Einerseits wurde vermutet, dass Licht in den Wänden inhomogener konisch zulaufender Tuben geschlossene Bahnen ausbildet. Andererseits wurde vermutet, dass die Schwingungsebene des Lichtes, während das Licht die Bahnen durchläuft, der Tangentialebene am Kegelstumpf folgt. Zur Überprüfung der Thesen wurden zwei Verfahren verwendet: die Geometrische Optik und die numerische Analyse auf Grundlage der Maxwell-Gleichungen. Auf die theoretischen Grundlagen beider Gebiete wird eingegangen. Die Geometrische Optik wird erfolgreich eingesetzt, um das Verhalten von Lichtstrahlen auf Kegeloberflächen zu untersuchen. Es kann mit Hilfe einer Geodätengleichung gezeigt werden, dass sich auf homogenen Kegeloberflächen keine geschlossenen Lichtbahnen finden lassen. Den zweiten Zugang zur Überprüfung der aufgestellten Thesen bildete die numerische Analyse mit Hilfe der Software MEEP. MEEP verwendet den Yee-Algorithmus, um die Maxwell-Gleichungen der Elektrodynamik zu diskretisieren. Es erlaubt die Implementierung komplizierter Geometrien und die Ausgabe aller elektromagnetischen Größen. Im Sinne eines besseren Verständnisses der gewonnenen Daten werden vorbereitende Simulationen an homogenen und inhomogenen dünnwandigen Hohlzylindern durchgeführt. Außerdem wurden homogene konisch zulaufende Tuben untersucht. Zur Überprüfung der Hypothesen der vorliegenden Arbeit werden Abbildungen erstellt, die die zeitliche Entwicklung der Energiedichte auf Strecken im Inneren der Tubenwände darstellen. Es werden Bahnen gefunden, die zeigen, dass die Energiedichte ausgehend vom Ort der Quelle zunächst zu kleineren Radien wandert. Die Bahn erreicht einen Umkehrpunkt bei einem minimalen Radius. Anschließend wandert die Energiedichte zu größeren Radien und verlässt danach das System. Es wird eine Strahlen-Wellen-Korrespondenz gefunden werden. Es wird ergänzend eine Quantisierungsbedingung aufgestellt. Abschließende Untersuchungen zeigen, dass die Schwingungsebene des elektrischen Feldes der Tangentialebene am Kegel folgt.
Eine numerische Untersuchung zu Goos-Hänchen-Verschiebung und Fresnel-Filtern an gekrümmten Grenzflächen. - 72 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2014
In dieser Bachelorarbeit werden die Goos-Hänchen-Verschiebung und das Fresnel-Filtern aus der Wellendynamik eines Gauß-Strahls bei Reflexion nahe des Grenzwinkels der Totalreflexion an gekrümmten Grenzflächen extrahiert. Als Grenzflächen werden dielektrische Scheiben betrachtet. Es wird dabei zwischen konkaver und konvexer Krümmung unterschieden. Der Einfluss von Brechzahl und Krümmungsradius der Grenzflächen sowie linearer Polarisation des Gauß-Strahls werden untersucht. Ein Vergleich der Effekte an der ebenen Grenzfläche wird durchgeführt. Die Berechnungen für die Wellendynamik erfolgen mit dem FDTD-Simulationsoftwarepaket "MEEP". Es wird gezeigt, dass die Goos-Hänchen-Verschiebung und das Fresnel-Filtern deutlich von Art und Stärke der Krümmung der Grenzflächen abhängen. Darüber hinaus werden diese beiden Effekte stark von p-Polarisation des Gauß-Strahls beeinflusst. Ein Vergleich mit analytischen Ergebnissen bestätigt die Berechnungen.
Entwicklung eines Algorithmus zur Skalierung von Strömungsmaschinen zur Optimierung der Luftversorgung von Brennstoffzellen. - 56 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2011
In einer Brennstoffzelle wird Energie bei der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff frei, die zuvor in den Gasen gebunden war und welche nutzbringend beispielsweise für den Antrieb von Fahrzeugen eingesetzt werden kann. Von besonderer Bedeutung für den Betrieb einer Brennstoffzelle ist die optimale Versorgung mit Sauerstoff. Bei der Anwendung in Fahrzeugen wird Sauerstoff in Form von Umgebungsluft angesaugt und gleichzeitig verdichtet, um eine Steigerung der Brennstoffzellenleistung und -effizienz zu erreichen. Für die Bereitstellung wird ein Kompressor verwendet, der von einem Elektromotor angetrieben wird. Eine vom Abgas angetriebene Turbine wird zur Entlastung des Motors benutzt. Dabei kann die Öffnung der Leitradschaufeln der Turbine variiert werden, um für verschiedene Lastpunkte den Druck im System einzustellen und damit bestmögliche Betriebsbedingungen für das Brennstoffzellensystem zu gewährleisten. Simulationen einer Luftversorgung für unterschiedliche Brennstoffzellensysteme werden auf Basis von Kennfeldern bereits bestehender Strömungsmaschinen durchgeführt. Dabei ist eine Anpassung von Kompressor und Turbine auf die neue, vom System benötigte Luftmenge erforderlich. Dies wird über die Skalierung der Kennfeldgrößen mittels jeweils eines Faktors realisiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Algorithmus zur Berechung dieser Skalierungsfaktoren und der Öffnung der Turbine entwickelt. Dabei wird zur Bestimmung der Turbinenöffnung eine Interpolation auf Grundlage der Kennfelder durchgeführt. Für die Berechung der Skalierungsfaktoren wurde ein neuer Algorithmus entworfen, der auf den Kennfeldgrenzen und einer Vermeidung der Überschreitung dieser Begrenzungen basiert. Mit dem erstellten Algorithmus konnte eine wesentliche Zeitersparnis im Vergleich zur früheren, manuellen Bestimmung dieser Größen erzielt werden. Zudem sind die Komponentenkennfelder optimal auf das jeweilige Ziel-Brennstoffzellensystem angepasst. Die auf Basis der entwickelten Algorithmen erzeugten Kennfeldbeschreibungen werden nun auch für die Erstellung von Zuliefererspezifikationen herangezogen.
Über die Messbarkeit von Eisreibung mittels eines tragbaren Mikrotribometers. - 49 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2011
In dieser Arbeit werden Untersuchungen an einem tragbaren Tribometer vorgestellt. Neben dessen Kenndaten soll ermittelt werden, ob es sich für den Messeinsatz im Rahmen des modernen Wintersports eignet. Es werden sowohl Messungen mit hochdichtem Polyethylen (HDPE) als auch mit Stahlkugeln vorgestellt, um eine Verwendung im Rahmen des Skisports bzw. des Bob- und Rodelsports zu verifizieren. Neben den Tribometermessungen sind auch Messungen zum Kontaktverhalten von HDPE sowie deren Aufbau und Durchführung Teil dieser Arbeit. Abschließend wird gezeigt, dass für Belastungen innerhalb des modernen Skisports das Kontaktmodell nach Johnson, Kendall und Roberts eine hinreichend gute Näherung für Kontakte mit HDPE darstellt. Außerdem wird zusammengefasst, für welche Messaufgaben das tragbare Tribometer verwendbare Ergebnisse liefert.
Ripening of one-dimensional nanostructures on insulating surfaces. - 69 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2011
Das Anwachsen der Rechenleistung von Computern ist stark mit der fortschreitenden Verkleinerung deren Kernbestandteile (Transistoren und Kabel) verknüpft. Allerdings wird die momentan vorherrschende Siliziumtechnologie an eine Grenze stoßen, die eine weitere Verkleinerung nicht mehr zulässt und damit ein weiteres Ansteigen der Rechenleistung unterbindet. Ein vielversprechender Ansatz um diesen Engpass zu umgehen, ist einzelne Moleküle als aktive Bauelemente zu verwenden und das Konzept molekularer Elektronik auszunutzen. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Untersuchung eines Systems, das eindimensionale Strukturen erzeugt. In einem aktuellen Experiment der Arbeitsgruppe von A. Kühnle an der Universität Mainz wurde ein Materialsystem präsentiert, das eindimensionale Strukturen auf einer nichtleitenden Oberfläche produziert. Dieses System ist ein vielversprechender Startpunkt für die Entwicklung von selbstassemblierten und selbstorganisierten Strukturen, die als Kabel für molekulare Elektronik verwendet werden könnten. Das Wachstum dieser Strukturen weist ein interessantes Reifungsverhalten in der Post-Depositions Phase auf. Ziel dieser Arbeit ist es, die Kernprozesse, verantwortlich für das experimentell beobachtete Verhalten, zu identifizieren. Zu diesem Zweck wurden mehrere Modelle mit steigender Komplexität, der Addition von zusätzliche Prozessen, entwickelt. Die Dynamik wurde mit dem kinetischen Monte Carlo (KMC) Algorithmus simuliert. Die verantwortlichen Prozesse wurden als Dimerbildung und Kantendiffusion identifiziert.
Selected Green Engineering experiments regarding power correlation and power savings on ASICs and line card systems. - 127 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2011
Diese Diplomarbeit gibt einen Überblick über anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs) und deren Einsatz auf Linecards aus dem Blickwinkel des Energiebedarfs mit besonderer Beachtung von Green Engineering Aspekten. Die Diplomarbeit ist demnach in drei Hauptpunkte untergliedert. Der erste Abschnitt bildet einen aufeinander aufbauenden Überblick angefangen mit den physikalischen Vorgängen im Silizium bis hin zur Funktionsweise einer Linecard. Dabei werden insbesondere Energiebedarf und Energiedissipation sowie funktionelle Prinzipien näher betrachtet. Der zweite Abschnitt beschreibt an Linecards durchgeführte Experimente zur Messung des Energiebedarfs und deren Korrelation. Der letzte Abschnitt diskutiert und bewertet ausgesuchte Techniken zur Reduzierung des Energiebedarfs.
One-dimensional hopping transport with nearest-neighbor interactions. - 60 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2010
Im thermischen Gleichgewicht ist die Wahrscheinlichkeit, ein System in einem bestimmten Zustand vorzufinden, durch die Gibbs-Boltzmann-Verteilung gegeben. Allerdings ist dieser Fall in der Natur eher die Ausnahme. Insbesondere sind alle lebenden Organismen angetrieben oder äußeren Triebkräften ausgesetzt. Die statistischen Ensembles des Gleichgewichts sind diesbezüglich nicht mehr anwendbar. Um physikalische Eigenschaften von komplexen Systemen fernab vom thermischen Gleichgewicht zu studieren, wird im großen Maße auf einfache Modellsysteme, wie getriebene Gittergase, zurückgegriffen. Speziell für eindimensionale Gittergase mit Hard-Core-Wechselwirkungen existiert eine Vielzahl analytischer Lösungsmethoden, die zu exakten Resultaten führen. Jedoch versagen diese Verfahren bei der Einführung von zusätzlichen Teilchen-Teilchen-Wechselwirkungen. - In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, wie mittels klassischer Dichtefunktionaltheorie (DFT) und der Idee des lokalen Gleichgewichts dennoch eine Analyse jener Systeme möglich ist. Hierbei werden Nichtgleichgewichtszustände durch Gleichgewichtsverteilungen approximativ beschrieben und auftretende Dichtekorrelationen werden im Sinne der DFT als reine Funktionen von Einteilchendichten ausgedrückt. Dadurch sind makroskopische Größen, wie Ströme, analytisch beschreibbar und lösbare kinetische Gleichungen können aus der entsprechenden Mastergleichung abgeleitet werden. Ausgehend von den Resultaten der DFT ist durch die Erweiterung zur zeitabhängigen Theorie (TDFT) auch die Charakterisierung dynamischer Prozesse, wie die zeitliche Entwicklung von Dichteprofilen, möglich. Die Ergebnisse der TDFT werden mit kinetischen Monte Carlo Simulationen evaluiert. Sowohl die Stromanalyse als auch die Untersuchung der Dichteprofile lassen hierbei eine sehr gute quantitative Übereinstimmung zwischen Theorie und numerischen Experimenten erkennen.
Accelerating the molecular dynamics program LAMMPS using graphics cards' processors and the Nvidia Cuda technology. - Online-Ressource (PDF-Datei: 62 S., 1,63 MB) Ilmenau : Techn. Univ., Bachelorarbeit, 2010
Diese Bachelorarbeit diskutiert die Möglichkeiten und Grenzen einer Erweiterung des weit verbreiteten Molekulardynamik-Programms LAMMPS (dem Large Scale Atomic/Molecular Massive Parallel Simulator), in welcher Simulationen durch das Einbeziehen moderner Grafikkarten - im Rahmen von NVIDIAs Cuda Technologie - beschleunigt werden. Eine eigene Implementierung dient als Grundlage der Diskussion. Die ersten Kapitel wiederholen ausgewählte Aspekte der Molekulardynamik, Lammps und der Cuda Technologie zur Grafikkartenprogrammierung. Darauf aufbauend werden Details der vorgenannten Implementierung diskutiert, wobei verschiedene Strategien zur Kraftberechnung verglichen werden und Methoden zur Vermeidung eines häufigen Datentransfers von und zur Grafikkarte aufgezeigt werden. Der darauf folgende Teil der Arbeit beschäftigt sich mit Geschwindigkeitstests und dem Einfluss von Faktoren wie numerischer Genauigkeit und Systemgröße in typischen Simulationen der Molekulardynamik, wobei die Ergebnisse immer mit jenen der ursprünglichen LAMMPS-Version verglichen werden, die über keine Grafikkartenunterstützung verfügt. Abschließend werden Schlussfolgerungen aus dieser Arbeit vorgestellt und die Implementierung wird mit anderen, ähnlichen Projekten verglichen.
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Folding and unfolding of a triple-branch DNA hairpin molecule with four conformational states by mechanical stretching. - 125 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2010
Einzelmolekülexperimente ermöglichen neue Einblicke in biologische Prozesse, die mit Messungen an herkömmlichen Systemen mit einer Vielzahl von Molekülen bisher nicht gewonnen werden konnten. In dieser Arbeit wird die Kinetik eines Haarnadelmoleküls mit vier Konformationszuständen mit Zugexperimenten unter Einsatz einer optischen Pinzette experimentell untersucht und theoretisch modelliert. Drei verschiedene Kraftsprünge, die mit Übergängen zwischen den Konformationszuständen einhergehen, werden in den Faltungs- und Entfaltungsvorgängen beobachtet. Mit Hilfe einer Übergangsratentheorie auf Grundlage eines Freien-Energie-Modells für das Haarnadelmolekül werden Wahrscheinlichkeitsverteilungen für die Aufbruchskräfte der einzelnen Übergänge berechnet. Eine gute Übereinstimmung der theoretischen Vorhersagen mit den experimentellen Ergebnissen wird für unterschiedliche Ziehgeschwindigkeiten erzielt.
Selbstorganisierter Wachstum binärer Legierungen auf (100)-Oberflächen. - 36 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2008
Das Wachstumsverhalten dünner, epitaktisch hergestellter Schichten ist heutzutage für die Entwicklung von Bauelementen und funktionalen Materialsystemen von entscheidender Bedeutung, da die funktionalen Eigenschaften dieser Schichten nicht nur von ihrer chemischen Zusammensetzung sondern auch stark von der Morphologie abhängen. - Die Morphologie einer derartigen Schicht wird durch Prozesse, die im Submonolagenbereich stattfinden, insbesondere die Dynamik der Keimbildung, beeinflusst. In der Vergangenheit wurden diese Prozesse für das Aufwachsen einer Atomsorte ausgiebig untersucht und werden nun auch für komplizierte Situationen erweitert. - In der vorliegenden Arbeit wird mithilfe des Konzepts der Ratengleichungen das Wachstum binärer Schichten auf Substraten mit (100)-Oberflächen, das heißt Oberflächen mit quadratischer Geometrie, im Submonolagenbereich beschrieben. Ausgangspunkt sind hierbei bereits durchgeführte Untersuchungen der Inseldichte auf (111)-orientierten Oberflächen. - In dieser Arbeit wird insbesondere der Einfluss verschiedener Konfigurationen stabiler Dimere, bei sonst erst stabilen Tetrameren, auf die Ratengleichungen untersucht, da bei Codeposition Keime unterschiedlicher Zusammensetzung verschiedene Stabilitätseigenschaften aufweisen können. - Weiterhin werden Skalenrelationen aus den Ratengleichungen abgeleitet, die Dichte aller stabilen Keime in Abhängigkeit von Aufdampf- und Diffusionsrate beschreiben. Die Annahmen, die für diese Ableitung notwendig sind, wurden mit den Ergebnissen, die aus dem Satz von Ratengleichungen erhalten wurden, verglichen. Hierbei wurde gute Übereinstimmung festgestellt. - Es ist also gelungen, die für andere Systeme bekannten Skalenrelationen, auch für den in dieser Arbeit behandelten Spezialfall zu reproduzieren.
Investigation of pattern generating mechanisms during atrial fibrillation based on the FitzHugh Nagumo equations. - Online-Ressource (PDF-Datei: 64 S., 3,05 MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diplomarbeit, 2008
Die häufigste Arrhythmie des Herzens im klinischen Alltag ist Vorhofflimmern. Sie ist die Ursache von einem Drittel aller Behandlungen von Herzrhythmusstörungen. Obwohl das Phänomen des Vorhofflimmerns seit Anfang des letzten Jahrhunderts bekannt ist, sind die zugrunde liegenden Mechanismen noch nicht ausreichend verstanden. Als mögliche generierende Mechanismen werden in dieser Arbeit ektopische Zentren und Spiralwellen auf der Grundlage der FitzHugh-Nagumo-Gleichungen untersucht. Zur Darstellung von lokalen Gewebeveränderungen und der mit ihnen verbundenen Entstehung von ektopischen Zentren und Spiralwellen werden Zelleigenschaften wie die Anregbarkeit und die Stabilität des Ruhezustandes in räumlich begrenzten Gebieten variiert. Das Auftreten von Aktivitätsmustern in Abhängigkeit der linearen Ausdehnung der modifizierten Zellbereiche und der Stärke der Modifikation wird in dynamischen Phasendiagrammen erfasst und die mit den verschiedenen Mustern verbundenen Eigenschaften werden analysiert. - Der abschließende Teil betrifft die Untersuchung von Mustern, welche durch Interferenz von regelmäßigen, periodisch angeregten Wellen im rechten Vorhof mit Wellen ausgehend von einer stabilen Spiralwelle im linken Vorhof entstehen. Es wird gezeigt, dass diese Interferenz Ursache eines Flimmerzustandes im rechten Vorhof sein kann. Dabei führt insbesondere eine hohe Anregungsrate zu einem irregulären, flimmerähnlichen Zustand im rechten Vorhof. Sie erweist sich als Schlüsselfaktor für das Auftreten von Flimmerepisoden.
http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=12022
Rekonstruktion von reflektierenden Freiformflächen mittels phasenmessender Deflektometrie. - 55 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2008
Über optische Messverfahren, wie beispielsweise der Streifenprojektion, gelingt heutzutage eine zuverlässige Rekonstruktion diffus streuender Objektoberflächen. Messgenauigkeiten von wenigen Mikrometern sind Stand der Technik. Bei Objekten mit spiegelnden Oberflächen versagen jedoch diese Messmethoden, denn ein Beobachter nimmt nicht die spiegelnde Oberfläche selbst war, sondern nur deren Wirkung. - Mittels phasenmessender Deflektometrie ist dennoch eine berührungslose Oberflächenmessung möglich. Die primäre Messgröße ist dabei die lokale Neigung. Eine eindeutige Rekonstruktion der Oberfläche ist hingegen ohne Zusatzwissen nicht zu erwarten. Unter Verwendung des Reflexionsgesetzes und mit der Annahme, dass die zu rekonstruierende Oberfläche hinreichend glatt ist, findet man eine Differentialgleichung, deren Lösungsraum unter anderem die gesuchte Oberfläche beinhaltet. Aus der Stereoansicht resultieren schließlich zwei Differentialgleichungen, deren gemeinsame Lösung die wirkliche Oberfläche repräsentiert. - In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, wie mittels phasenmessender Deflektometrie in Verbindung mit zwei Beobachtungskameras eine präzise Rekonstruktion spiegelnder Freiformflächen sowohl in Simulationsumgebungen als auch unter realen Bedingungen möglich ist.
Teilchentransport in eindimensionalen, offenen Kanälen. - 66 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2008
Der Teilchentransport in eindimensionalen, offenen Kanälen findet in vielen aktuellen Forschungsbereichen der Physik und Biologie Anwendung. In der Biologie erfolgt zum Beispiel der Austausch von Kalium- und Natriumionen entlang von eindimensionalen Ionenkanälen durch Zellwände, welche von Membranproteinen gebildet werden. Ein anderes Beispiel ist die Bewegung von Ribosomen entlang der mRNS während der Proteinsynthese. Sie kann als eindimensionale Bewegung approximiert werden, wobei die mRNS die Potentiallandschaft vorgibt, in der das Ribosom als getriebenes Teilchen wandert. Ein Anwendungsgebiet in der Physik ist der Teilchentransport in dünnen Schichten. Durch Ankoppeln äußerer Felder bewegen sich die Teilchen bevorzugt in eine Richtung, dabei kann die Bewegung der Teilchen orthogonal zur Richtung des Feldes in guter Näherung vernachlässigt werden. Ein Beispiel hierfür sind ionenleitende Gläser. Im Rahmen dieser Diplomarbeit werden nächste Nachbarwechselwirkungen sowohl in getriebene als auch ungetriebene Systeme in der Art eingeführt, dass die Sprungraten das detaillierte Gleichgewicht in Hinblick auf das großkanonische Ensemble erfüllen. Außerdem wird der nichtlineare Teilchentransport im Vergleich zu Experimenten, in denen nichtlineare, frequenzabhängige Stromdichten gemessen wurden, näher betrachtet. Es wird gezeigt, dass offene Randbedingungen wesentlich die Sprungdynamik im Kanal beeinflussen. Weiterhin werden effektive Sprungdistanzen behandelt, deren Berechnung stark von der Art der Raten abhängt.
Structure of atomic configurations and dynamic pathways in ion-conductinging glass systems. - 80 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2007
Ionenleitende Gläser haben für viele Anwendungen, wie beispielsweise Festkörperbatterien, eine grosse Bedeutung. Ein grundlegendes Verständnis ihrer Leitungsmechanismen unterstützt die Entwicklung verbesserter Materialien. Zwei Methoden, die dafür in den letzten Jahren verwendet wurden, sind Molekulardynamik (MD)-Simulationen und Bindungsvalenz (BV) -Rechnungen, die beide eine Bestimmung von Diffusionspfaden der mobilen Ionen ermöglichen. Die Güte der BV-Methode ist mit Hinblick auf Gläser nicht klar, daher testen wir sie gegen MD-Simulationen von Lithium-Silikat-Gläsern. Es stellt sich heraus, dass die BV-Methode zwar ungeeignet ist um Li-Ionenplätze zu identifizieren, aber Teile des Diffusionspfades erfassen kann. Die teilweise Übereinstimmung von MD- und BV-Diffusionspfad beruht grösstenteils auf der Verwendung von Ausschlussradien um die Netzwerkatome. Zusätzlich werden Dichtefunktionalrechnungen von grossen LISON- [Li2SO4(N)] und Lithium-Metaborat- [Li2O-B2O3] Clustern durchgeführt, um molekulare Konfiguration zu erzeugen, die gute Repräsentanten lokaler Strukturen in Gläsern sind. Diese werden durch den Vergleich theoretischer und experimenteller Spektren evaluiert. Struktureigenschaften der Cluster werden untersucht und eine gute Übereinstimmung der verglichenen Spektren einiger Konfigurationen gezeigt. Erstmals wird gezeigt, dass Stickstoff in LISON Clustern Brücken zwischen SO3N2 & Anionen ausbildet. Es ist wahrscheinlich, dass dieser Mechanismus verantwortlich ist für die Bildung einer amorphen LISON Dünnfilmschicht beim Sputtern von Lithiumsulfat mit Stickstoff.
Theorie anormaler Diffusions- und innerer Reibungsprozesse beim Mischalkalieffekt in Gläsern. - 94 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2005
Gegenstand dieser Arbeit waren theoretische Untersuchungen zu anormalen Diffusions- und innerer Reibungsprozessen beim Mischalkalieffekt in Gläsern.
Analyse von EKG-Aufzeichnungen zur Identifizierung des Zustandes und von Zustandsänderungen der Herzfunktionalität. - 96 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2003
In der Diplomarbeit wurde ein neues Verfahren zur Auswertung von EKG-Signalen entwickelt. Ziel war es, eine Auswertung derart zu ermöglichen, daß nicht nur der Gesundheitszustand eines Patienten, sondern auch dessen Änderung charakterisiert werden kann.