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Publication Type: search.filters.UBSTyp.DissertationStart date: 2021End date: 2021Subject: search.filters.subject.530

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    Nanoscale magnetic resonance spectroscopy with nitrogen-vacancy centers in diamond
    (2021) Paone, Domenico; Wrachtrup, Jörg (Prof. Dr.)
    Stickstoff-Fehlstellen (NV-Zentren) in Diamant bilden interessante Quantensysteme, welche für Quanten-Sensing Protokolle genutzt werden können. In der vorliegenden Arbeit, werden NV-Zentren genutzt, um einzelne Molekülsysteme auszulesen und supraleitende Proben lokal zu charakterisieren. Zusätzlich werden Methoden entwickelt, um die Spineigenschaften der NV-Zentren zu optimieren, welche dann Einfluss auf das Sensorikverhalten des Systems haben.
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    Entwicklung laserspektroskopischer Methoden zur Analyse der Verdunstungseigenschaften von Brennstofftropfen
    (Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2021) Werner, Stefanie; Riedel, Uwe (Prof. Dr. rer. nat.)
    Die steigenden Emissionen des klimaschädlichen Treibhausgases CO2 durch die Verbrennung von fossilen, endlichen Energieträgern müssen möglichst schnell und nachhaltig reduziert werden. Ein vielversprechender Lösungsansatz zur Reduzierung der Schadstoffemissionen bei der Verbrennung liegt in dem Einsatz von alternativen und erneuerbaren Brennstoffen. Als Energieträger bieten sich auf Grund ihrer hohen Energiedichte vor allem flüssige Brennstoffe an. Diese werden typischerweise durch Druckzerstäubung in die Brennkammer eingebracht, verdunstet und dann mit dem Oxidationsmittel vermischt und verbrannt. Die Verdunstung der kleinen Brennstofftropfen des sogenannten Sprays ist von entscheidender Bedeutung für den Gesamtverbrennungsprozess in Verbrennungsmotoren und Gasturbinen. Im Allgemeinen bestimmt die Verdunstungsrate die Verbrennungsrate. Daher sind Modelle notwendig, die eine genaue Vorhersage der Brennstoffverdunstung ermöglichen. Zur Validierung dieser Modelle werden quantitative Messungen unter genau definierten Randbedingungen benötigt. Da die Prozesse in technischen Brennkammern sehr komplex sind, werden Experimente zur Tropfenverdunstung häufig mit linearen, monodispersen Tropfenketten durchgeführt, um die Kopplung zwischen den verschiedenen Effekten zu minimieren. Durch die geringe Größe der Tropfen (typischerweise wenige hundert Mikrometer oder weniger), erfordert die experimentelle Untersuchung eine hohe räumliche Auflösung. In dieser Arbeit wurden quantitative, laseroptische Messtechniken mit hoher räumlicher Auflösung zur experimentellen Untersuchung der Tropfenverdunstung an monodispersen Tropfenketten entwickelt. Mit den Messtechniken wurden Validierungsdaten für die Verdunstungseigenschaften von verschiedenen Brennstoffen bestimmt. Konzentrationsmessungen von verdunsteten Kohlenwasserstoffen wurden unter Verwendung von Infrarot-Laserabsorptionsspektroskopie und laserinduzierter Fluoreszenzspektroskopie (LIF) durchgeführt. Tropfenketten wurden mit einem Tropfenkettengenerator erzeugt, welcher vertikal in einem Strömungskanal installiert wurde. Die untersuchten Brennstoffe waren Cyclohexan, iso-Octan, n-Heptan, n-Pentan, 1-Butanol und Anisol. Der Strömungskanal wurde mit einer laminaren Luftströmung bei verschiedenen Temperaturen (313 K - 430 K) durchströmt. Da die untersuchten Tropfen einen Durchmesser in der Größenordnung von 120 bis 160 µm hatten und die Konzentrationsgradienten nahe der Tropfenoberfläche groß waren, war eine hohe räumliche Auflösung der Messtechniken erforderlich. Die Absorptionsmessungen wurden mit der Infrarotstrahlung eines HeNe-Lasers bei λ = 3,39 µm durchgeführt, um die CH-Streckschwingung der Kohlenwasserstoffe anzuregen. Die für die Quantifizierung der Brennstoffkonzentrationen benötigten Absorptionsquerschnitte wurden in einer beheizten Gaszelle für Temperaturen von 300 K - 773 K bestimmt. Die räumliche Auflösung im Strömungskanal betrug < 50 µm über eine Länge von 2 mm (Halbwertsbreite). Durch die Zylindersymmetrie und gute Stabilität der Tropfenketten konnten zeitliche Mittelungs- und Tomografieverfahren angewandt werden. Hierdurch konnten radiale Konzentrationsprofile an mehreren Positionen im Strömungskanal erhalten werden. Aus dem Anstieg der Dampfkonzentration an verschiedenen Messpositionen konnte die Verdunstungsrate bestimmt werden. Die Verdunstungsraten wurden in Abhängigkeit von der Mantelstromtemperatur (313 K - 430 K), der Tropfengeschwindigkeit (8 m/s - 23 m/s), der Tropfenerzeugungsfrequenz (12 kHz - 75 kHz) und dem Tropfenabstand (300 µm - 685 µm) gemessen. Im untersuchten Temperaturbereich steigt die Verdunstungsrate des Brennstoffs linear mit der Temperatur an. Die Reihenfolge der Brennstoffe in Bezug auf die Verdunstungsrate entspricht den Siedepunkten der einzelnen Brennstoffe. Da technische Brennstoffe häufig eine Mischung mehrerer Komponenten sind, ist die Untersuchung von Brennstoffgemischen von großem Interesse. Daher wurde ein Messverfahren entwickelt, um binäre Gemische zu untersuchen. Das Verfahren wurde verwendet, um eine Mischung aus Cyclohexan und Anisol zu untersuchen. Zwei Messtechniken - laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) und Infrarot Absorptionsspektroskopie - wurden verwendet, um beide Spezies zu messen. Um λ = 3,39 µm ist der Absorptionsquerschnitt von Cyclohexan um etwa den Faktor 8 größer als von Anisol. Im untersuchten Fall war die Konzentration aufgrund des höheren Dampfdrucks ebenfalls deutlich größer. Daher konnte das Infrarot-Absorptionssignal praktisch ausschließlich Cyclohexan zugeordnet werden. Anisol hat bei Anregung bei λ = 266 nm eine sehr gute Fluoreszenzquantenausbeute, während Cyclohexan keine Fluoreszenz zeigt. LIF ermöglicht daher die Quantifizierung von Anisol (oder anderen Aromaten) ohne Interferenz durch Kohlenwasserstoffe. Es wurde ein Messverfahren entwickelt, welches Halationseffekte vermeidet, die typischerweise in planaren LIF-Experimenten an Tropfenketten auftreten. Kalibrationsmessungen, die im gleichen Strömungskanal durchgeführt wurden, ermöglichten die Quantifizierung der verdunsteten Anisolkonzentrationen. Die räumliche Auflösung betrug 80 µm. Ähnlich wie bei den Einzelkomponentenmessungen wurden Verdunstungsraten bestimmt. Wie aufgrund des niedrigeren Dampfdrucks zu erwarten, ist die Verdunstungsrate von Anisol niedriger als die von Cyclohexan. Die Verdunstungsrate von Cyclohexan in der binären Mischung stimmt gut mit den Einzelkomponentenmessungen überein. Das entwickelte Messverfahren ist sehr vielversprechend für weitere Untersuchungen an Mehrkomponentenmischungen. In dieser Arbeit konnte damit erstmals mit hoher räumlicher Auflösung die Verdunstung von Brennstoffkomponenten mittels Absorptionsspektroskopie in der Nähe von Brennstofftropfen untersucht werden. Zusätzlich wurden in Kombination mit laserinduzierter Fluoreszenzspektroskopie Messungen an binären Mischungen durchgeführt. Damit steht ein wertvoller Datensatz zur Validierung von numerischen Simulationen zur Verfügung.
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    Simulation of Electron Bernstein Waves in FLiPS with various numerical methods
    (2021) Rumiantsev, Kirill; Hirth, Thomas (Prof. Dr.)
    The plasma generation and heating by microwaves is an important research topic in the field of controlled nuclear fusion. All modern fusion plasma devices such as Wendelstein 7-X use microwave heating. The microwave plasma-heating primarily occurs at the resonances, where the microwaves are efficiently absorbed. The heating scenario must be designed such that the microwaves can reach the resonance. When the plasma exceeds the cutoff density, the microwaves will be reflected, and the resonance becomes inaccessible. However, it is possible to perform heating by Electron Bernstein Waves (EBWs), since these electrostatic waves propagate even in overdense plasmas, unlike the electromagnetic plasma waves. EBWs cannot propagate in the vacuum and must be created through a coupling process. Both O- and X-mode can couple to EBWs. The thesis investigates the coupling of the O- and X-mode to EBWs as well as the EBW propagation with various numerical methods. The application of only one numerical method is not sufficient as the coupling involves very different wavelength scales. The optimal coupling scheme for the expected plasma parameters was determined using a Finite-Difference Time-Domain (FDTD) code. Since EBWs are not included in the code, a Boundary-Value Problem (BVP) code was developed. Using the BVP code, the effect of the collisions on EBWs was studied. The field amplification at the upper-hybrid resonance (UHR), where EBWs couple to the electromagnetic waves, and the effect of the magnetic field on EBWs could be directly visualized. The propagation of the EBW was investigated using the novel ray-tracing code RiP. The ray-tracing simulations provided a clear picture of the essential features of the wave propagation. For the O- and X-mode coupling, the importance of the axial plasma inhomogeneity was shown. For the first time, the method of the Wigner function was applied to calculate the intensity distribution of EBWs. Both, ray-tracing and the Wigner function simulations showed that the inhomogeneous magnetic can cause focusing of EBWs. The focusing effect can have practical applications e.g. for controlled local heating of the plasma. Additionally, the focusing effect can cause a parametric decay due to the field enhancement in the focal regions. In this thesis, the simulations were focused on excitation and propagation of EBWs in the geometry of the linear plasma device FLiPS located at the University of Stuttgart. Measurements were carried out to study the predicted focusing of the EBWs in the FLiPS plasma with monopole antennas. The measurements provided the density profile used in the simulations. The expected amplification of the signal at the UHR was not detected, indicating either the complete collisional absorption of the X-mode at the upper-hybrid resonance, or the turbulent plasma density oscillations that reduce the coupling efficiency to EBWs. These effects can be studied further using the developed tools since they provide a complete toolbox to study the full coupling process to EBWs in an actual experimental geometry.
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    Nonlinear optics in hybrid plasmon-fiber cavities
    (2021) Ai, Qi; Giessen, Harald (Prof. Dr.)
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    Thermoelektronische Energiekonvertierung und ihre fundamentalen Grenzen
    (2021) Wanke, Robin; Mannhart, Jochen (Prof. Dr.)
    Durch einen thermoelektronischen Generator kann potenziell sehr effizient Wärmeenergie in elektrische Energie umgewandelt werden. Durch Elektronenemission von einem Emitter zu einem Kollektor kann bei richtiger Materialwahl Leistung generiert werden. Die Elektronen müssen durch ein Gitter geführt werden, um Raumladungen zu verhindern, welche den Strom verringern. Dieser Mechanismus wird in dieser Dissertation auf seine grundlegenden Grenzen untersucht. Dabei wird auf alle relevanten Komponenten geschaut und deren fundamentale und physikalischen Eigenschaften untersucht, um daraus technische Lösungen zu erarbeiten.
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    Modeling the translocation of DNA structures through nanopores
    (2021) Szuttor, Kai; Holm, Christian (Prof. Dr.)
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    Micellar lyotropic gels : the interplay between gel network and liquid-crystalline order
    (2021) Dieterich, Sonja; Gießelmann, Frank (Prof. Dr.)
    Surfactant based lyotropic liquid-crystalline (LLC) gels in the sense that genuine micellar LLC phases are immobilized by an interpenetrating gel network were practically unknown until 2016. This “blind spot” in the landscape of anisotropic gels has now been filled to a certain extent by the results of this dissertation. Following the rational design strategy to gel surfactant based LLC phases with the help of low molecular mass gelators (LMWGs), not only lamellar and hexagonal LLC gels, but also the very first example of micellar nematic gels were obtained. Furthermore, this work has led to first important insights into how the self assembly of the gel is directed and how the gel network and the LLC phase mutually influence each other in terms of structure and morphology
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    Electrical conductivity in quantum materials
    (2021) Mitscherling, Johannes; Metzner, Walter (Prof. Dr.)
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    Correlated phenomena in graphene at high and low carrier density
    (2021) Geurs, Johannes; Smet, Jurgen H. (Dr.)
    This dissertation studies electronic transport in graphene at high and low carrier density. At very high carrier densities, the band structure of graphene features a Van Hove singularity. Magnetotransport measurements suggest that below 110K, a pseudogap opens in graphene, combined with a Lifshitz transition. At low carrier density, it is possible to treat the electron liquid in graphene by electron hydrodynamics. A graphene Tesla valve is presented, a device that works as an electron viscometer.