Simulation and Design of a high speed Solid State Switch for Excimer Laser

Excimerlaser sind gepulste Gaslaser, die Laseremission in Form von Linienstrahlung – abhängig von der Gasmischung – im UV erzeugen. Der erste entladungsgepumpte Excimerlaser wurde 1977 von Ischenko demonstriert. Alle kommerziell verfügbaren Excimerlaser sind entladungsgepumpte Systeme. Um eine Inversion der Besetzungsdichte zu erhalten, die notwendig ist, um den Laser zum Anschwingen zu bekommen, muss aufgrund der kurzen Wellenlänge sehr stark gepumpt werden. Diese Pumpleistung muss von einem Impulsleistungsmodul erzeugt werden. Als Schaltelement gebräuchlich sind Thyratrons, Niederdruckschaltröhren, deren Lebensdauer jedoch sehr limitiert ist. Deshalb haben sich seit Mitte der 1990iger Jahre Halbleiterschalter mit Pulskompressionsstufen auch in dieser Anwendung mehr und mehr durchgesetzt. In dieser Arbeit wird versucht, die Pulskompression durch einen direkt schaltenden Halbleiterstapel zu ersetzen und dadurch die Verluste zu reduzieren sowie den Aufwand für diese Pulskompression einzusparen. Zudem kann auch die maximal mögliche Repetitionsrate erhöht werden. Um die Belastung der Bauelemente zu berechnen, wurden für alle Komponenten möglichst einfache, aber leistungsfähige Modelle entwickelt. Da die normalerweise verfügbaren Daten der Bauelemente sich aber auf andere Applikationen beziehen, mussten für alle Bauteile grundlegende Messungen im Zeitbereich der späteren Applikation gemacht werden. Für die nichtlinearen Induktivitäten wurde ein einfaches Testverfahren entwickelt um die Verluste bei sehr hohen Magnetisierungsgeschwindigkeiten zu bestimmen. Diese Messungen sind die Grundlagen für das Modell, das im Wesentlichen eine stromabhängige Induktivität beschreibt. Dieses Modell wurde für den „magnetic assist“ benützt, der die Einschaltverluste in den Halbleitern reduziert. Die Impulskondensatoren wurden ebenfalls mit einem in der Arbeit entwickelten Verfahren nahe den späteren Einsatzparametern vermessen. Dabei zeigte sich, dass die sehr gebräuchlichen Class II Keramikkondensatoren für diese Anwendung nicht geeignet sind. In der Arbeit wurden deshalb Class I Hochspannungs- Vielschicht- Kondensatoren als Speicherbank verwendet, die ein deutlich besseres Verhalten zeigen. Die eingesetzten Halbleiterelemente wurden ebenfalls in einem Testverfahren nahe den späteren Einsatzparametern vermessen. Dabei zeigte sich, dass nur moderne Leistungs-MOSFET´s für diesen Einsatz geeignet sind. Bei den Dioden ergab sich, dass nur Siliziumkarbid (SiC) Schottky Dioden für die Applikation einsetzbar sind. Für die Anwendung sind prinzipiell verschiedene Topologien möglich. Bei näherer Betrachtung zeigt sich jedoch, dass nur die C-C Transfer Anordnung die gewünschten Ergebnisse liefern kann. Diese Topologie wurde realisiert. Sie besteht im Wesentlichen aus einer Speicherbank, die vom Netzteil aufgeladen wird. Aus dieser wird dann die Energie in den Laserkopf über den Schalter transferiert. Aufgrund der hohen Spannungen und Ströme müssen 24 Schaltelemente in Serie und je 4 parallel geschaltet werden. Die Ansteuerung der Schalter wird über hochisolierende „Gate“-Transformatoren erreicht. Es zeigte sich, dass eine sorgfältig ausgelegte dynamische und statische Spannungsteilung für einen sicheren Betrieb notwendig ist. In der Arbeit konnte ein Betrieb mit realer Laserkammer als Last bis 6 kHz realisiert werden, der nur durch die maximal mögliche Repetitionsrate der Laserkammer begrenzt war.

Strategieanwendung beim selbstregulierten Experimentieren in der Sekundarstufe I am Beispiel „Auftrieb in Flüssigkeiten“

Die vorliegende wissenschaftliche Arbeit ist auf der Datenbasis des DFG-Projekts ELWmeta (Einfluss von Lernzielspezifität auf die Wirksamkeit metakognitiver Lernhilfen) entstanden, in dem insgesamt N = 244 Schülerinnen und Schüler der achten und neunten gymnasialen Jahrgangsstufe in einem experimentellen 2x2-Design untersucht wurden. Herr Wiegandt hat die dazu durchgeführten Datenerhebungen in dem Projekt ELWmeta unterstützt. Eines der generellen Leitziele des Projekts war die Prüfung, inwieweit metakognitive Lernhilfen in Kombination mit unterschiedlichen Lernzielen auf mehrere Kriterien des selbstständigen, simulationsbasierten Experimentierens zum curricular validen Inhalt „Auftrieb in Flüssigkeiten“ wirken. Herr Wiegandt verfolgt in seiner empirischen Arbeit das Ziel, die Anwendung unterschiedlicher Experimentierstrategien beim selbstregulierten Experimentieren im genannten physikalischen Inhaltsbereich „Auftrieb in Flüssigkeiten“ bei Schülerinnen und Schülern der Jahrgangsstufen 8 und 9 zu untersuchen. Im Vordergrund steht neben einer deskriptiven Betrachtung von Strategienutzungshäufigkeiten u. a. der Vergleich der Jahrgangsstufen 8 und 9 sowie die Prüfung von Zusammenhängen zwischen Strategienutzung, Lernerfolg und Motivation. Entlang an seinen Zielen versucht der Autor im Rahmen des einflussreichen Scientific Discovery as Dual Search (SDDS)-Modells von Klahr und Dunbar (1988) dazu beizutragen, offene Fragen an der Schnittstelle instruktionspsychologischer, physikdidaktischer und pädagogischer Forschung zu beantworten. Im Anschluss an eine informative und die Relevanz des Themas der Arbeit verdeutlichenden Einführung (Kapitel 1) stellt Herr Wiegandt den theoretischen Hintergrund seiner Arbeit in Kapitel 2 vor, wo er selbstreguliertes Lernen in offenen Lernumgebungen (Kapitel 2.1) und wissenschaftlich entdeckendes Lernen (Kapitel 2.2) letztlich zum Begriff des selbstregulierten Experimentierens zusammenführt. Im Zuge dieses Theorieteils geht der Autor dabei auch auf Wissensarten und die Bedeutung von Motivation für den Wissenserwerb ein (Kapitel 2.1.1 und Kapitel 2.1.3). Aufbauend auf Kapitel 2 werden in Kapitel 3 die Forschungsfragen der vorliegenden Arbeit in Kapitel 3 entwickelt und Forschungslücken identifiziert. Die im Projekt verwendete computerbasierte Lernumgebung samt verhaltensbasierter Strategiemaße wird anschließend in Kapitel 4 beschrieben, um darauf aufbauend in Kapitel 5 schließlich die eigene Studie darzulegen. Nach wissenschaftlich klar formulierten Hypothesen (Kapitel 5.1), der Beschreibung der Stichprobe (Kapitel 5.2), der Messinstrumente für den Wissenserwerb und die aktuelle Motivation (Kapitel 5.3) sowie der Durchführung der Studie (Kapitel 5.4) berichtet Herr Wiegandt seine erzielten Ergebnisse (Kapitel 5.5). Anknüpfend diskutiert der Autor diese reflektiert und schlägt theoretische sowie praktische Implikationen vor. Den Schluss bilden das Literaturverzeichnis und der Anhang.