80.00.00 INTERDISCIPLINARY PHYSICS AND RELATED AREAS OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
Refine
Document Type
- Article (4)
- Doctoral Thesis (2)
- Master's Thesis (2)
- Diploma Thesis (1)
Has Fulltext
- yes (9)
Keywords
- Ersatzwertgenerierung (1)
- Extended Kalman Filter (1)
- Linear-Quadratic-Regulator (1)
- Medizinphysik (1)
- Netzzustandsschätzung (1)
- Niederspannungsnetz (1)
- Smart Meter (1)
- Strahlentherapie (1)
- actively steered implement (1)
- controller (1)
With the transition of fluid-capillary-based “Lab on a chip 1.0″ concepts in analytical chemistry to “Lab on a chip
2.0″ approaches relying on distinct fluid droplets (“digital microfluidics”, DMF), the need for reliable methods for
droplet actuation has increasingly come into focus. One possible approach is based on “electrowetting on
dielectric” (EWOD). This technique has the disadvantage that any possible desired later positions of the droplets
on the chip have to be defined prior to chip realization because one of the EWOD electrode layers has to be
structured accordingly. “Optoelectrowetting” (OEW) goes a step further in the sense that the later droplet positions
do not have to be known before, and none of the electrode layers has to be structured. Instead, the
electrical parameters of the layer sequence can be altered locally by an impinging (and movable) light spot.
Although some research groups have succeeded in demonstrating OEW actuation of droplets, the optimization of
the relevant parameters of the layer sequence and the droplet – at least half a dozen parameters altogether – is
tedious and not straight-forward. In this contribution, for optimization purposes, the equations governing OEW
are revisited and altered again, e.g., by numerical implementation of the experimentally well-known saturation
of the contact angle change. Additionally, a Nelder-Mead algorithm is applied to find the parameters, on which
the optimization has to focus to maximize contact angle changes and, thus, mechanical forces on the droplets.
The numerical investigation yields diverse results, e.g., the finding that the droplet’s contact area on the
dielectric layer has a strong influence on the contact angle change and the question whether the droplet is pulled
or pushed. Moreover, the interplay between frequency and amplitude of the applied rectangular alternate voltage
is important for optimization.
Fast jeder zweite Mensch in Deutschland erkrankt im Laufe seines Lebens an Krebs
– so lautet eine Aussage des Robert Koch Instituts. Die Heilungschancen werden
bei einer Krebserkrankung wird stark durch den Zeitpunkt der Diagnose und Behandlung
beeinflusst. Generell gilt, je früher desto besser. Somit ist es essenziell,
dass Krebspatienten so früh wie möglich ihre Behandlung antreten. Ebenso
muss eine Unterbrechung der Therapie aus nicht-medizinischen Gründen verhindert
werden, um eine beschleunigte Repopulation der Tumorzellen zu unterbinden.
Eine der wichtigsten Formen der Krebsbehandlung ist die Strahlentherapie, die in
etwa 50 % der Fälle sowohl zur kurativen als auch zur palliativen Behandlung angewendet
wird. Innerhalb der Strahlentherapie ist der effiziente Ablauf der Prozesse
von großer Bedeutung für die Sicherheit und Effektivität der medizinischen
Behandlung bei gleichzeitiger Wirtschaftlichkeit. Für ein bestmögliches Ergebnis
müssen die Kernprozesse der Patientenaufnahme, Bildgebung, Bestrahlungsdurchführung
sowie die Abschlussuntersuchung und Nachsorge aufeinander abgestimmt
sein. Mögliche Änderungen in den synchronisierten Abläufen müssen
wohlüberlegt und gut geplant werden.
Die COVID-19 Pandemie hat Strahlentherapieeinrichtungen weltweit zu Änderungen
im Betriebsablauf gezwungen, um Schutzmaßnahmen für Patienten und Personal
zu ergreifen. Aufgrund des plötzlichen Auftretens war eine sorgfältige
Planung der Veränderungen oft nicht möglich. In Hinblick auf potentielle zukünftige
Entwicklungen ist es notwendig, die ergriffenen Maßnahmen zu bewerten und
auf Optimierungsmöglichkeiten hin zu untersuchen, um Strahlentherapie auch in
Pandemiezeiten sicherstellen zu können. Neue Ideen und Vorgaben sollten vor der
Implementierung eingehend untersucht werden. Hierzu können realitätsnahe Simulationsmodelle
dienen.
Simulationsmodelle sind potente Werkzeuge, mit denen komplexe Abläufe dargestellt,
analysiert und mögliche Anpassungen bewertet werden können. Dies macht
ein aufwendiges und möglicherweise riskantes Ausprobieren in der Praxis obsolet
und die möglichen Folgen einer Prozessänderung können bereits im Vorhinein
abgeschätzt werden.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein ereignisdiskretes Simulationsmodell einer
Strahlentherapieeinrichtung zur Untersuchung und Bewertung von Prozessen einer
privaten Strahlentherapiepraxis mit und ohne Corona-Maßnahmen entwickelt.
Hierzu galt es zuerst die Frage zu beantworten, welche Aspekte der Strahlentherapieprozesse
bereits wissenschaftlich mit Methoden der ereignisdiskreten Simulation
untersucht wurden. In einer umfassenden strukturierten Literaturrecherche
wurden nach festgelegten Kriterien transparent aktuelle wissenschaftliche Veröffentlichungen
identifiziert, kategorisiert und inhaltlich analysiert. Anhand der Ergebnisse
wurde die Forschungsfrage dieser Arbeit konkretisiert und Designanforderungen
für das Simulationsmodell entwickelt.
Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Auswirkungen ausgewählter Aspekte
der COVID-19 Pandemie auf den Betriebsablauf einer privaten Strahlentherapiepraxis.
Insbesondere sollen pandemiebedingte Personalausfälle sowie der Einfluss
von Patientenscreening auf Corona-Symptome am Praxiseingang und Schutzmaßnahmen
bei der Behandlung von an COVID-19 erkrankten Patienten auf die
Praxisabläufe quantifiziert werden.
Messtechnische Bestimmung der Outputfaktoren für die roboter-gestützte Hochpräzisionsbestrahlung
(2021)
Als ein Teilbereich der Strahlentherapie fokussiert sich die Radiochirurgie auf klar abgrenzbare und nicht allzu große Tumore. Durch eine Eskalation der eingestrahlten Dosis in wenigen Fraktionen wird eine bessere Tumorkontrolle angestrebt. Allerdings wird hierbei das therapeutische Fenster weiter verkleinert. Um dieses schmale Fenster optimal zu nutzen, muss der Dosisgradient hin zum Normalgewebe extrem steil sein. Des Weiteren müssen sehr kleine Feldgrößen wählbar sein um eine sehr gute Dosiskonformität zu erzielen. Die Unschärfen der Einzelschritte der Therapiekette sollten minimal sein. Um diese Anforderungen an die geometrische, dosimetrische und letztlich an die Genauigkeit des Gesamtsystems zu erfüllen, sind dedizierte Geräte notwendig. Als dediziertes Gerät für die Radiochirurgie nutzt das Cyberknife© VSI (Fa. Accuray, Sunnyvale, CA, USA) die Kombination vieler kleiner Felder von 60 mm bis zu 5 mm Durchmesser unter verschiedenen Einstrahlrichtungen um die Dosis selbst bei irregulär geformten Tumoren hochkonformal, unter maximaler Schonung des umgebenden Gewebes, anzupassen. Durch die nichtisozentrische Feldanordnung wird dies noch einmal verbessert. Voraussetzung neben der geometrischen Präzision ist die exakte dosimetrische Berechnung der einzelnen, kleinen Felder aus denen letztlich die Gesamtdosis resultiert. Doch gerade die Kleinfelddosimetrie ist hochempfindlich und daher oftmals mit Fehlern behaftet. Neben der Positioniergenauigkeit, ist die Auswahl der geeigneten Detektoren in Bezug auf Größe und Material, für die Messung der kleinen Felder, besonders wichtig. Insbesondere die korrekte Bestimmung der Wasser-Energiedosis auf dem Zentrahlstrahl, aufgrund des fehlenden lateralen Sekundärelektronengleichgewichts, bleibt auch bei der Verwendung geeigneter Detektoren fehleranfällig. Als Outputfakor bzw. auch totaler Streufaktor, wird das Verhältnis der Dosis auf dem Zentrahlstrahl eines beliebigen Feldes zu einem Referenzfeld bezeichnet. Um eine Gesamtungenauigkeit in der Dosisberechnung von 5 % einzuhalten, ist es notwendig eben diese Outputfaktoren mit einer Unsicherheit von < 3 % zu bestimmen. Ziel der Arbeit ist es anhand verschiedener, für diesen Messzweck geeigneten, Detektoren die Outputfaktoren für die fixen Rundkollimatoren sowie für die Iriskollimatoren des Cyberknife© VSI Systems (Fa. Accuray, Sunnyvale, CA, USA) zu bestimmen. Das Augenmerk gilt hierbei den Feldgrößen kleiner als 25 mm. Ab dieser Feldgröße herrscht aufgrund der Photonengrenzenergie von 6 MeV kein laterales Sekundärelektronengleichgewicht, da die Reichweite der Elektronen größer als die betrachtete Feldgröße ist. Somit lassen sich die Outputfaktoren bzw. totale Streufaktoren nicht direkt mit den zur Verfügung stehenden Messmitteln messen, sondern müssen mit detektorspezifischen Korrekturfaktoren bestimmt werden. Die gemessenen Outputfaktoren werden ausgewertet und mit den Ergebnissen in der Literatur diskutiert. Aus den Ergebnissen der verschiedenen Detektoren soll ein gemittelter Wert abgeleitet und für die Dosisberechnungsalgorithmen als Basisdaten übernommen werden und zu einer Erhöhung der Gesamtgenauigkeit führen.
Scattering and scattering plates have a large diversity of applications. Scattering of optical and THz electromagnetic waves can be performed
with Galois scattering plates, which had found applications in acoustics first (i.e., with sound waves in concert hall acoustics). For binary
Galois scattering plates, the single scattering entities, i.e., mesas (for a binary 1) or voids (for a binary 0), have characteristic lateral dimensions
of half the wavelength of the electromagnetic waves to be scattered. Their optimal height is a quarter of the wavelength for plates used in
reflection. Meanwhile, not too elaborate lithographic techniques allow for the implementation of Galois plates for the THz range and even
for the visible spectral range. We had reported on such scattering plates before. However, in this paper, also the mathematical concept is
described and the fabrication technologies are emphasized. In contrast to the case of scattering plates with irregular surface morphologies,
Galois plate scattering is not diffuse, but there are many scattering/diffraction orders.
Reflectance anisotropy spectroscopy (RAS), which was originally invented to monitor
epitaxial growth, can—as we have previously shown—also be used to monitor the reactive ion
etching of III/V semiconductor samples in situ and in real time, as long as the etching rate is not
too high and the abrasion at the etch front is not totally chaotic. Moreover, we have proven that—
using RAS equipment and optical Fabry-Perot oscillations due to the ever-shrinking thickness of the
uppermost etched layer—the in situ etch-depth resolution can be as good as +/-0.8 nm, employing a
Vernier-scale type measurement and evaluation procedure. Nominally, this amounts to +/-1.3 lattice
constants in our exemplary material system, AlGaAsSb, on a GaAs or GaSb substrate. In this
contribution, we show that resolutions of about +/-5.6 nm can be reliably achieved without a Vernier
scale protocol by employing thin doped layers or sharp interfaces between differently doped layers
or quantum-dot (QD) layers as etch-stop indicators. These indicator layers can either be added
to the device layer design on purpose or be part of it incidentally due to the functionality of the
device. For typical etch rates in the range of 0.7 to 1.3 nm/s (that is, about 40 to 80 nm/min), the RAS
spectrum will show a distinct change even for very thin indicator layers, which allows for the precise
termination of the etch run.
Ein Beitrag zur Zustandsschätzung in Niederspannungsnetzen mit niedrigredundanter Messwertaufnahme
(2020)
Durch den wachsenden Anteil an Erzeugungsanlagen und leistungsstarken Verbrauchern aus dem Verkehr- und Wärmesektor kommen Niederspannungsnetze immer näher an ihre Betriebsgrenzen. Da für die Niederspannungsnetze bisher keine Messwerterfassung vorgesehen war, können Netzbetreiber Grenzverletzungen nicht erkennen. Um dieses zu ändern, werden deutsche Anschlussnutzer in Zukunft flächendeckend mit modernen Messeinrichtungen oder intelligenten Messsystemen (auch als Smart Meter bezeichnet) ausgestattet sein. Diese sind in der Lage über eine Kommunikationseinheit, das Smart-Meter-Gateway, Messdaten an die Netzbetreiber zu senden. Werden Messdaten aber als personenbezogene Netzzustandsdaten deklariert, so ist aus Datenschutzgründen eine Erhebung dieser Daten weitgehend untersagt.
Ziel dieser Arbeit ist es eine Zustandsschätzung zu entwickeln, die auch bei niedrigredundanter Messwertaufnahme für den Netzbetrieb von Niederspannungsnetzen anwendbare Ergebnisse liefert. Neben geeigneten Algorithmen zur Zustandsschätzung ist dazu die Generierung von Ersatzwerten im Fokus.
Die Untersuchungen und Erkenntnisse dieser Arbeit tragen dazu bei, den Verteilnetzbetreibern bei den maßgeblichen Entscheidungen in Bezug auf die Zustandsschätzung in Niederspannungsnetzen zu unterstützen. Erst wenn Niederspannungsnetze mit Hilfe der Zustandsschätzung beobachtbar sind, können darauf aufbauende Konzepte zur Regelung entwickelt werden, um die Energiewende zu unterstützen.
III/V semiconductor quantum dots (QD) are in the focus of optoelectronics research for about 25 years now. Most of the work
has been done on InAs QD on GaAs substrate. But, e.g., Ga(As)Sb (antimonide) QD on GaAs substrate/buffer have also gained
attention for the last 12 years.There is a scientific dispute on whether there is a wetting layer before antimonide QD formation, as
commonly expected for Stransky-Krastanov growth, or not. Usually ex situ photoluminescence (PL) and atomic force microscope
(AFM) measurements are performed to resolve similar issues. In this contribution, we show that reflectance anisotropy/difference
spectroscopy (RAS/RDS) can be used for the same purpose as an in situ, real-time monitoring technique. It can be employed not
only to identify QD growth via a distinct RAS spectrum, but also to get information on the existence of a wetting layer and its
thickness. The data suggest that for antimonide QD growth the wetting layer has a thickness of 1 ML (one monolayer) only.
Accurate path tracking control of tractors became a key technology for automation in agriculture. Increasingly sophisticated solutions, however, revealed that accurate path tracking control of implements is at least equally important. Therefore, this work focuses on accurate path tracking control of both tractors and implements. The latter, as a prerequisite for improved control, are equipped with steering actuators like steerable wheels or a steerable drawbar, i.e. the implements are actively steered. This work contributes both new plant models and new control approaches for those kinds of tractor-implement combinations. Plant models comprise dynamic vehicle models accounting for forces and moments causing the vehicle motion as well as simplified kinematic descriptions. All models have been derived in a systematic and automated manner to allow for variants of implements and actuator combinations. Path tracking controller design begins with a comprehensive overview and discussion of existing approaches in related domains. Two new approaches have been proposed combining the systematic setup and tuning of a Linear-Quadratic-Regulator with the simplicity of a static output feedback approximation. The first approach ensures accurate path tracking on slopes and curves by including integral control for a selection of controlled variables. The second approach, instead, ensures this by adding disturbance feedforward control based on side-slip estimation using a non-linear kinematic plant model and an Extended Kalman Filter. For both approaches a feedforward control approach for curved path tracking has been newly derived. In addition, a straightforward extension of control accounting for the implement orientation has been developed. All control approaches have been validated in simulations and experiments carried out with a mid-size tractor and a custom built demonstrator implement.
Zur Untersuchung der Zell-Topographie-Interaktionen werden im Rahmen dieser Arbeit zwei Arten von Mikrostrukturen mittels Direktem Laser Schreiben erzeugt, einerseits Pfosten unterschiedlicher Abstände und andererseits Pfosten-Steg-Strukturen mit unterschiedlicher Steghöhe. Auf diesen Topographien werden die untersuchten Zellen ausgesät und ihr Verhalten mit Zeitrafferaufnahmen über einen Zeitraum von 24 h beobachtet. Aus den Zellkoordinaten und den daraus erhaltenen Zellpfaden wird das Migrationsverhalten der Zellen im Hinblick auf den lenkenden Einfluss der betrachteten Topographie analysiert.