Structural changes and dynamic behaviour of vanadium oxide-based catalysts for gas-phase selective oxidations

Selective oxidation is one of the simplest functionalization methods and essentially all monomers used in manufacturing artificial fibers and plastics are obtained by catalytic oxidation processes. Formally, oxidation is considered as an increase in the oxidation number of the carbon atoms, then reactions such as dehydrogenation, ammoxidation, cyclization or chlorination are all oxidation reactions. In this field, most of processes for the synthesis of important chemicals used vanadium oxide-based catalysts. These catalytic systems are used either in the form of multicomponent mixed oxides and oxysalts, e.g., in the oxidation of n-butane (V/P/O) and of benzene (supported V/Mo/O) to maleic anhydride, or in the form of supported metal oxide, e.g., in the manufacture of phthalic anhydride by o-xylene oxidation, of sulphuric acid by oxidation of SO2, in the reduction of NOx with ammonia and in the ammoxidation of alkyl aromatics. In addition, supported vanadia catalysts have also been investigated for the oxidative dehydrogenation of alkanes to olefins , oxidation of pentane to maleic anhydride and the selective oxidation of methanol to formaldehyde or methyl formate [1]. During my PhD I focused my work on two gas phase selective oxidation reactions. The work was done at the Department of Industrial Chemistry and Materials (University of Bologna) in collaboration with Polynt SpA. Polynt is a leader company in the development, production and marketing of catalysts for gas-phase oxidation. In particular, I studied the catalytic system for n-butane oxidation to maleic anhydride (fluid bed technology) and for o-xylene oxidation to phthalic anhydride. Both reactions are catalyzed by systems based on vanadium, but catalysts are completely different. Part A is dedicated to the study of V/P/O catalyst for n-butane selective oxidation, while in the Part B the results of an investigation on TiO2-supported V2O5, catalyst for o-xylene oxidation are showed. In Part A, a general introduction about the importance of maleic anhydride, its uses, the industrial processes and the catalytic system are reported. The reaction is the only industrial direct oxidation of paraffins to a chemical intermediate. It is produced by n-butane oxidation either using fixed bed and fluid bed technology; in both cases the catalyst is the vanadyl pyrophosphate (VPP). Notwithstanding the good performances, the yield value didn’t exceed 60% and the system is continuously studied to improve activity and selectivity. The main open problem is the understanding of the real active phase working under reaction conditions. Several articles deal with the role of different crystalline and/or amorphous vanadium/phosphorous (VPO) compounds. In all cases, bulk VPP is assumed to constitute the core of the active phase, while two different hypotheses have been formulated concerning the catalytic surface. In one case the development of surface amorphous layers that play a direct role in the reaction is described, in the second case specific planes of crystalline VPP are assumed to contribute to the reaction pattern, and the redox process occurs reversibly between VPP and VOPO4. Both hypotheses are supported also by in-situ characterization techniques, but the experiments were performed with different catalysts and probably under slightly different working conditions. Due to complexity of the system, these differences could be the cause of the contradictions present in literature. Supposing that a key role could be played by P/V ratio, I prepared, characterized and tested two samples with different P/V ratio. Transformation occurring on catalytic surfaces under different conditions of temperature and gas-phase composition were studied by means of in-situ Raman spectroscopy, trying to investigate the changes that VPP undergoes during reaction. The goal is to understand which kind of compound constituting the catalyst surface is the most active and selective for butane oxidation reaction, and also which features the catalyst should possess to ensure the development of this surface (e.g. catalyst composition). On the basis of results from this study, it could be possible to project a new catalyst more active and selective with respect to the present ones. In fact, the second topic investigated is the possibility to reproduce the surface active layer of VPP onto a support. In general, supportation is a way to improve mechanical features of the catalysts and to overcome problems such as possible development of local hot spot temperatures, which could cause a decrease of selectivity at high conversion, and high costs of catalyst. In literature it is possible to find different works dealing with the development of supported catalysts, but in general intrinsic characteristics of VPP are worsened due to the chemical interaction between active phase and support. Moreover all these works deal with the supportation of VPP; on the contrary, my work is an attempt to build-up a V/P/O active layer on the surface of a zirconia support by thermal treatment of a precursor obtained by impregnation of a V5+ salt and of H3PO4. In-situ Raman analysis during the thermal treatment, as well as reactivity tests are used to investigate the parameters that may influence the generation of the active phase. Part B is devoted to the study of o-xylene oxidation of phthalic anhydride; industrially, the reaction is carried out in gas-phase using as catalysts a supported system formed by V2O5 on TiO2. The V/Ti/O system is quite complex; different vanadium species could be present on the titania surface, as a function of the vanadium content and of the titania surface area: (i) V species which is chemically bound to the support via oxo bridges (isolated V in octahedral or tetrahedral coordination, depending on the hydration degree), (ii) a polymeric species spread over titania, and (iii) bulk vanadium oxide, either amorphous or crystalline. The different species could have different catalytic properties therefore changing the relative amount of V species can be a way to optimize the catalytic performances of the system. For this reason, samples containing increasing amount of vanadium were prepared and tested in the oxidation of o-xylene, with the aim of find a correlations between V/Ti/O catalytic activity and the amount of the different vanadium species. The second part deals with the role of a gas-phase promoter. Catalytic surface can change under working conditions; the high temperatures and a different gas-phase composition could have an effect also on the formation of different V species. Furthermore, in the industrial practice, the vanadium oxide-based catalysts need the addition of gas-phase promoters in the feed stream, that although do not have a direct role in the reaction stoichiometry, when present leads to considerable improvement of catalytic performance. Starting point of my investigation is the possibility that steam, a component always present in oxidation reactions environment, could cause changes in the nature of catalytic surface under reaction conditions. For this reason, the dynamic phenomena occurring at the surface of a 7wt% V2O5 on TiO2 catalyst in the presence of steam is investigated by means of Raman spectroscopy. Moreover a correlation between the amount of the different vanadium species and catalytic performances have been searched. Finally, the role of dopants has been studied. The industrial V/Ti/O system contains several dopants; the nature and the relative amount of promoters may vary depending on catalyst supplier and on the technology employed for the process, either a single-bed or a multi-layer catalytic fixed-bed. Promoters have a quite remarkable effect on both activity and selectivity to phthalic anhydride. Their role is crucial, and the proper control of the relative amount of each component is fundamental for the process performance. Furthermore, it can not be excluded that the same promoter may play different role depending on reaction conditions (T, composition of gas phase..). The reaction network of phthalic anhydride formation is very complex and includes several parallel and consecutive reactions; for this reason a proper understanding of the role of each dopant cannot be separated from the analysis of the reaction scheme. One of the most important promoters at industrial level, which is always present in the catalytic formulations is Cs. It is known that Cs plays an important role on selectivity to phthalic anhydride, but the reasons of this phenomenon are not really clear. Therefore the effect of Cs on the reaction scheme has been investigated at two different temperature with the aim of evidencing in which step of the reaction network this promoter plays its role.

Aufbau und Inbetriebnahme eines Protonen-Polarimeters an MAMI und Messung der Proton-Polarisation in der Reaktion p (e,e'p) pi 0 in paralleler Kinematik im Bereich der Delta(1232)-Resonanz

Das Detektorsystem des Spektrometers Ader Drei-Spektrometer-Anlage am MainzerElektronenbeschleuniger MAMI wurde im Rahmen dieser Arbeitum ein Fokalebenen-Proton-Polarimeter (FPP) ergänzt.Dazu wurden zwei Horizontale Doppeldriftkammern entworfenund zusammen mit einem Kohlenstoffanalysator hinter derFokalebene des Spektrometers aufgebaut.Zur Berechnung der Spin-Präzession in den inhomogenenMagnetfeldern des Spektrometers wurde das Programm QSPINerstellt und damit eine Spin-Transfer-Matrix (STM) erzeugt,mit der über eine Fitprozedur die Polarisationskomponentender Protonen in der Streuebene an die im FPP gemessenenangepaßt werden können.Mit elastischen Elektron-Proton-Streuexperimenten wurdenfalsche Asymmetrien im FPP untersucht, die berechnete STMbestätigt, die inklusive Proton-Kohlenstoff-Analysierstärkeauf einen größeren Streuwinkelbereich erweitert und dasVerhältnis zwischen dem elektrischen und dem magnetischenSachs-Formfaktor des Protons gemessen.Zur Untersuchung der Coulomb-Quadrupol-Übergangsamplitudebei der Anregung des Nukleons zur Delta(1232)-Resonanzwurden in einem Pion-Elektroproduktions-Experiment am Protonmit dem FPP die Komponenten der Polarisation derRückstoßprotonen in paralleler Kinematik gemessen.

Untersuchungen zur Strahldynamik am Mainzer Mikrotron

Diese Arbeit untersucht die longitudinale und transversaleStrahldynamik am Mainzer Mikrotron MAMI. Die gemessenen Abbildungseigenschaften werden mit den Design-Rechnungen verglichen. Dadurch konnte die Strahlqualitaet von MAMI B und das Design der neuen HDSM Mikrotronstufe verbessert werden. Es wurde eine Stoerungsrechnung formuliert, um die 6-DAbbildungsmatrix entlang der Beschleunigungsstrecke zu berechnen. Ausgehend von der linearisierten Hamilton Funktion wird die Transfermatrix M in eine unendliche Summe ueber Matrizen M(n) zerlegt, die jeweils eine n-fache Wechselwirkung des Strahls mit dem Quadrupolanteil des Fuehrungsfeldes darstellen. Dank des tieferen Einblicks in die Auswirkung von Feldfehlern konnte damit das Mikrotron-Modell leicht an die gemessenen Transfermatrizen angepasst werden. Ferner wurde die Identifizierung und Korrektur anti-symmetrischer Feldfehler in den Mikrotron-Dipolen untersucht. Es wurde ein Messverfahren entwickelt, um kleine Feldkomponenten in der Bahnebene von der Groessenordnung 10E-3 zu erkennen. Das vorgeschlagene Verfahren wurde mit Hilfe des Simulationsprogramms TOSCA ausgetestet. Schliesslich wurde die Stabilitaet der Longitudinaloptik verbessert. Dadurch konnte eine hochpraezise Energiestabi-lisierung verwirklicht werden. Bei 855 MeV Strahlenergie wird eine Stabilitaet von etwa 10E-6 erreicht.

Modeling surface-atmosphere exchange of trace gases and energy within and above the Amazon rain forest

Die vorliegende Dissertation untersucht die biogeochemischen Vorgänge in der Vegetationsschicht (Bestand) und die Rückkopplungen zwischen physiologischen und physikalischen Umweltprozessen, die das Klima und die Chemie der unteren Atmosphäre beeinflussen. Ein besondere Schwerpunkt ist die Verwendung theoretischer Ansätze zur Quantifizierung des vertikalen Austauschs von Energie und Spurengasen (Vertikalfluss) unter besonderer Berücksichtigung der Wechselwirkungen der beteiligten Prozesse. Es wird ein differenziertes Mehrschicht-Modell der Vegetation hergeleitet, implementiert, für den amazonischen Regenwald parametrisiert und auf einen Standort in Rondonia (Südwest Amazonien) angewendet, welches die gekoppelten Gleichungen zur Energiebilanz der Oberfläche und CO2-Assimilation auf der Blattskala mit einer Lagrange-Beschreibung des Vertikaltransports auf der Bestandesskala kombiniert. Die hergeleiteten Parametrisierungen beinhalten die vertikale Dichteverteilung der Blattfläche, ein normalisiertes Profil der horizontalen Windgeschwindigkeit, die Lichtakklimatisierung der Photosynthesekapazität und den Austausch von CO2 und Wärme an der Bodenoberfläche. Desweiteren werden die Berechnungen zur Photosynthese, stomatären Leitfähigkeit und der Strahlungsabschwächung im Bestand mithilfe von Feldmessungen evaluiert. Das Teilmodell zum Vertikaltransport wird im Detail unter Verwendung von 222-Radon-Messungen evaluiert. Die ``Vorwärtslösung'' und der ``inverse Ansatz'' des Lagrangeschen Dispersionsmodells werden durch den Vergleich von beobachteten und vorhergesagten Konzentrationsprofilen bzw. Bodenflüssen bewertet. Ein neuer Ansatz wird hergeleitet, um die Unsicherheiten des inversen Ansatzes aus denjenigen des Eingabekonzentrationsprofils zu quantifizieren. Für nächtliche Bedingungen wird eine modifizierte Parametrisierung der Turbulenz vorgeschlagen, welche die freie Konvektion während der Nacht im unteren Bestand berücksichtigt und im Vergleich zu früheren Abschätzungen zu deutlich kürzeren Aufenthaltszeiten im Bestand führt. Die vorhergesagte Stratifizierung des Bestandes am Tage und in der Nacht steht im Einklang mit Beobachtungen in dichter Vegetation. Die Tagesgänge der vorhergesagten Flüsse und skalaren Profile von Temperatur, H2O, CO2, Isopren und O3 während der späten Regen- und Trockenzeit am Rondonia-Standort stimmen gut mit Beobachtungen überein. Die Ergebnisse weisen auf saisonale physiologische Änderungen hin, die sich durch höhere stomatäre Leitfähigkeiten bzw. niedrigere Photosyntheseraten während der Regen- und Trockenzeit manifestieren. Die beobachteten Depositionsgeschwindigkeiten für Ozon während der Regenzeit überschreiten diejenigen der Trockenzeit um 150-250%. Dies kann nicht durch realistische physiologische Änderungen erklärt werden, jedoch durch einen zusätzlichen cuticulären Aufnahmemechanismus, möglicherweise an feuchten Oberflächen. Der Vergleich von beobachteten und vorhergesagten Isoprenkonzentrationen im Bestand weist auf eine reduzierte Isoprenemissionskapazität schattenadaptierter Blätter und zusätzlich auf eine Isoprenaufnahme des Bodens hin, wodurch sich die globale Schätzung für den tropischen Regenwald um 30% reduzieren würde. In einer detaillierten Sensitivitätsstudie wird die VOC Emission von amazonischen Baumarten unter Verwendung eines neuronalen Ansatzes in Beziehung zu physiologischen und abiotischen Faktoren gesetzt. Die Güte einzelner Parameterkombinationen bezüglich der Vorhersage der VOC Emission wird mit den Vorhersagen eines Modells verglichen, das quasi als Standardemissionsalgorithmus für Isopren dient und Licht sowie Temperatur als Eingabeparameter verwendet. Der Standardalgorithmus und das neuronale Netz unter Verwendung von Licht und Temperatur als Eingabeparameter schneiden sehr gut bei einzelnen Datensätzen ab, scheitern jedoch bei der Vorhersage beobachteter VOC Emissionen, wenn Datensätze von verschiedenen Perioden (Regen/Trockenzeit), Blattentwicklungsstadien, oder gar unterschiedlichen Spezies zusammengeführt werden. Wenn dem Netzwerk Informationen über die Temperatur-Historie hinzugefügt werden, reduziert sich die nicht erklärte Varianz teilweise. Eine noch bessere Leistung wird jedoch mit physiologischen Parameterkombinationen erzielt. Dies verdeutlicht die starke Kopplung zwischen VOC Emission und Blattphysiologie.

Entwicklung einer Fokalebenen-Driftkammer für niederenergetische Pionen und experimentelle Bestimmung einer inversen Transfermatrix für das Short-Orbit-Spektrometer

Die Drei-Spektrometer-Anlage am Mainzer Institut für Kernphysik wurde um ein zusätzliches Spektrometer ergänzt, welches sich durch seine kurze Baulänge auszeichnet und deshalb Short-Orbit-Spektrometer (SOS) genannt wird. Beim nominellen Abstand des SOS vom Target (66 cm) legen die nachzuweisenden Teilchen zwischen Reaktionsort und Detektor eine mittlere Bahnlänge von 165 cm zurück. Für die schwellennahe Pionproduktion erhöht sich dadurch im Vergleich zu den großen Spektrometern die Überlebenswahrscheinlichkeit geladener Pionen mit Impuls 100 MeV/c von 15% auf 73%. Demzufolge verringert sich der systematische Fehler ("Myon-Kontamination"), etwa bei der geplanten Messung der schwachen Formfaktoren G_A(Q²) und G_P(Q²), signifikant. Den Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit bildet die Driftkammer des SOS. Ihre niedrige Massenbelegung (0,03% X_0) zur Reduzierung der Kleinwinkelstreuung ist auf den Nachweis niederenergetischer Pionen hin optimiert. Aufgrund der neuartigen Geometrie des Detektors musste eine eigene Software zur Spurrekonstruktion, Effizienzbestimmung etc. entwickelt werden. Eine komfortable Möglichkeit zur Eichung der Driftweg-Driftzeit-Relation, die durch kubische Splines dargestellt wird, wurde implementiert. Das Auflösungsvermögen des Spurdetektors liegt in der dispersiven Ebene bei 76 µm für die Orts- und 0,23° für die Winkelkoordinate (wahrscheinlichster Fehler) sowie entsprechend in der nicht-dispersiven Ebene bei 110 µm bzw. 0,29°. Zur Rückrechnung der Detektorkoordinaten auf den Reaktionsort wurde die inverse Transfermatrix des Spektrometers bestimmt. Hierzu wurden an Protonen im ¹²C-Kern quasielastisch gestreute Elektronen verwendet, deren Startwinkel durch einen Lochkollimator definiert wurden. Daraus ergeben sich experimentelle Werte für die mittlere Winkelauflösung am Target von sigma_phi = 1,3 mrad bzw. sigma_theta = 10,6 mrad. Da die Impulseichung des SOS nur mittels quasielastischer Streuung (Zweiarmexperiment) durchgeführt werden kann, muss man den Beitrag des Protonarms zur Breite des Piks der fehlenden Masse in einer Monte-Carlo-Simulation abschätzen und herausfalten. Zunächst lässt sich nur abschätzen, dass die Impulsauflösung sicher besser als 1% ist.

Synthese und Selbstorganisation von Perylendiimid-Oligonucleotid-Konjugaten

Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Methode entwickelt, Perylendiimidfarbstoffe mit Oligonucleotiden in der Lösung zu verknüpfen. Das Ziel der Arbeit war die nicht-kovalente Synthese von Perylendiimid-DNA- und Protein- supramolekularen Strukturen. Dabei werden die molekularen Erkennungseigenschaften von DNA und Proteinen zunutze gemacht. Insgesamt drei Themenbereiche wurden dabei betrachtet: 1. Synthese und Hybridisierung von symmetrischen und asymmetrischen Perylendiimid-bis(oligonucleotid)-konjugaten für die Bildung supramolekularer Strukturen, 2. Erzeugung von Oberflächenstrukturen auf der Basis von Streptavidin-Perylendiimid-Komplexen, 3. Synthese wasserlöslicher Rylenfarbstoffe für Anwendungen in biologischen Systemen. Zur Synthese und Hybridisierung von Perylendiimid-Oligonucleotid-Konjugaten wurde eine neue Idee verfolgt und erfolgreich realisiert. Dabei handelt es sich um die Synthese von Perylendiimid-DNA-Polymeren durch nicht-kovalente Bindungen. Die Basis des entwickelten Konzepts ist die Ausnutzung der Erkennungseigenschaften der DNA, um Perylendiimidmoleküle in eine lineare Makrostruktur zu organisieren, was sonst nur durch komplizierte chemische Polymersynthese zugänglich wäre. Die Selbstorganisation von zwei komplementären Perylendiimid-bis(oligonucleotid)-konjugaten (PODN1 und PODN2), die an der 5`-Position verknüpft sind, führte zu einem linearen Perylendiimid-DNA-Polymer in der Form von …ABABABAB…., das mit Hilfe von Gelelektrophorese charakterisiert wurde. Eindrucksvoll war auch die erfolgreiche Kopplung des hydrophoben Perylendiimids mit zwei unterschiedlichen Oligonucleotidsequenzen in der Lösung, um asymmetrische Perylendiimid-bis(oligonucleotid)-konjugate zu synthetisieren. Mit solchen asymmetrischen Konjugaten konnte die programmierbare Selbstorganisation der Perylendiimid-Oligonucleotide zu einer definierten Polymerstruktur realisiert werden. Die Synthese von PDI-(biotin)2 wurde vorgestellt. Durch die spezifische Erkennungseigenschaft zwischen Biotin und Streptavidin ist es möglich, eine Oberflächenstruktur zu bilden. Die Immobilisierungsexperimente zeigten, dass das PDI (biotin)2 Streptavidin erkennen und binden kann. Dabei konnte eine multischichtige Nanostruktur (5 Doppelschichten) auf einer Goldoberfläche.

Abscheidung und Charakterisierung von Plasmapolymerschichten auf Fluorkohlenstoff- und Siloxan-Basis

In dieser Arbeit wurden Fluorkohlenstoff-basierte und siliziumorganische Plasmapolymerfilme hergestellt und hinsichtlich ihrer strukturellen und funktionalen Eigenschaften untersucht. Beide untersuchten Materialsysteme sind in der Beschichtungstechnologie von großem wissenschaftlichen und anwendungstechnischen Interesse. Die Schichtabscheidung erfolgte mittels plasmachemischer Gasphasenabscheidung (PECVD) an Parallelplattenreaktoren. Bei den Untersuchungen zur Fluorkohlenstoff-Plasmapolymerisation stand die Herstellung ultra-dünner, d. h. weniger als 5 nm dicker Schichten im Vordergrund. Dies wurde durch gepulste Plasmaanregung und Verwendung eines Gasgemisches aus Trifluormethan (CHF3) und Argon realisiert. Die Bindungsstruktur der Schichten wurden in Abhängigkeit der eingespeisten Leistung, die den Fragmentationsgrad der Monomere im Plasma bestimmt, analysiert. Hierzu wurden die Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS), Rasterkraftmikroskopie (AFM), Flugzeit-Sekundärionenmassenspektrometrie (ToF-SIMS) und Röntgenreflektometrie (XRR) eingesetzt. Es zeigte sich, dass die abgeschiedenen Schichten ein homogenes Wachstumsverhalten und keine ausgeprägten Interfacebereiche zum Substrat und zur Oberfläche hin aufweisen. Die XPS-Analysen deuten darauf hin, dass Verkettungsreaktionen von CF2-Radikalen im Plasma eine wichtige Rolle für den Schichtbildungsprozess spielen. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass der gewählte Beschichtungsprozess eine gezielte Reduzierung der Benetzbarkeit verschiedener Substrate ermöglicht. Dabei genügen Schichtdicken von weniger als 3 nm zur Erreichung eines teflonartigen Oberflächencharakters mit Oberflächenenergien um 20 mN/m. Damit erschließen sich neue Applikationsmöglichkeiten ultra-dünner Fluorkohlenstoffschichten, was anhand eines Beispiels aus dem Bereich der Nanooptik demonstriert wird. Für die siliziumorganischen Schichten unter Verwendung des Monomers Hexamethyldisiloxan (HMDSO) galt es zunächst, diejenigen Prozessparameter zu identifizieren, die ihren organischen bzw. glasartigen Charakter bestimmen. Hierzu wurde der Einfluss von Leistungseintrag und Zugabe von Sauerstoff als Reaktivgas auf die Elementzusammensetzung der Schichten untersucht. Bei niedrigen Plasmaleistungen und Sauerstoffflüssen werden vor allem kohlenstoffreiche Schichten abgeschieden, was auf eine geringere Fragmentierung der Kohlenwasserstoffgruppen zurückgeführt wurde. Es zeigte sich, dass die Variation des Sauerstoffanteils im Prozessgas eine sehr genaue Steuerbarkeit der Schichteigenschaften ermöglicht. Mittels Sekundär-Neutralteilchen-Massenspektrometrie (SNMS) konnte die prozesstechnische Realisierbarkeit und analytische Quantifizierbarkeit von Wechselschichtsystemen aus polymerartigen und glasartigen Lagen demonstriert werden. Aus dem Intensitätsverhältnis von Si:H-Molekülen zu Si-Atomen im SNMS-Spektrum ließ sich der Wasserstoffgehalt bestimmen. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass durch Abscheidung von HMDSO-basierten Gradientenschichten eine deutliche Reduzierung von Reibung und Verschleiß bei Elastomerbauteilen erzielt werden kann.

Reliable Broadcasting and Streaming of Multimedia Content

This thesis is focused on the study of techniques that allow to have reliable transmission of multimedia content in streaming and broadcasting applications, targeting in particular video content. The design of efficient error-control mechanisms, to enhance video transmission systems reliability, has been addressed considering cross-layer and multi-layer/multi-dimensional channel coding techniques to cope with bit errors as well as packet erasures. Mechanisms for unequal time interleaving have been designed as a viable solution to reduce the impact of errors and erasures by acting on the time diversity of the data flow, thus enhancing robustness against correlated channel impairments. In order to account for the nature of the factors which affect the physical layer channel in the evaluation of FEC schemes performances, an ad-hoc error-event modeling has been devised. In addition, the impact of error correction/protection techniques on the quality perceived by the consumers of video services applications and techniques for objective/subjective quality evaluation have been studied. The applicability and value of the proposed techniques have been tested by considering practical constraints and requirements of real system implementations.

Comparison of low-strength compression stockings with bandages for the treatment of recalcitrant venous ulcers

OBJECTIVE: To compare the proportion and rate of healing, pain, and quality of life of low-strength medical compression stockings (MCS) with traditional bandages applied for the treatment of recalcitrant venous leg ulcers. METHODS: A single-center, randomized, open-label study was performed with consecutive patients. Sigvaris prototype MCS providing 15 mm Hg-25 mm Hg at the ankle were compared with multi-layer short-stretch bandages. In both groups, pads were placed above incompetent perforating veins in the ulcer area. The initial static pressure between the dressing-covered ulcer and the pad was 29 mm Hg and 49 mm Hg with MCS and bandages, respectively. Dynamic pressure measurements showed no difference. Compression was maintained day and night and changed every week. The primary endpoint was healing within 90 days. Secondary endpoints were healing within 180 days, time to healing, pain (weekly Likert scales), and monthly quality of life (ChronIc Venous Insufficiency Quality of Life [CIVIQ] questionnaire). RESULTS: Of 74 patients screened, 60 fulfilled the selection criteria and 55 completed the study; 28 in the MCS and 27 in the bandage group. Ulcers were recurrent (48%), long lasting (mean, 27 months), and large (mean, 13 cm2). All but one patient had deep venous reflux and/or incompetent perforating veins in addition to trunk varices. Characteristics of patients and ulcers were evenly distributed (exception: more edema in the MCS group; P = .019). Healing within 90 days was observed in 36% with MCS and in 48% with bandages (P = .350). Healing within 180 days was documented in 50% with MCS and in 67% with bandages (P = .210). Time to healing was identical. Pain scored 44 and 46 initially (on a scale in which 100 referred to maximum and 0 to no pain) and decreased within the first week to 20 and 28 in the MCS and bandage groups, respectively (P < .001 vs .010). Quality of life showed no difference between the treatment groups. In both groups, pain at 90 days had decreased by half, independent of completion of healing. Physical, social, and psychic impairment improved significantly in patients with healed ulcers only. CONCLUSION: Our study illustrates the difficulty of bringing large and long-standing venous ulcers to heal. The effect of compression with MCS was not different from that of compression with bandages. Both treatments alleviated pain promptly. Quality of life was improved only in patients whose ulcers had healed.

A multifactorial analysis of obesity as CVD risk factor: use of neural network based methods in a nutrigenetics context

Obesity is a multifactorial trait, which comprises an independent risk factor for cardiovascular disease (CVD). The aim of the current work is to study the complex etiology beneath obesity and identify genetic variations and/or factors related to nutrition that contribute to its variability. To this end, a set of more than 2300 white subjects who participated in a nutrigenetics study was used. For each subject a total of 63 factors describing genetic variants related to CVD (24 in total), gender, and nutrition (38 in total), e.g. average daily intake in calories and cholesterol, were measured. Each subject was categorized according to body mass index (BMI) as normal (BMI ≤ 25) or overweight (BMI > 25). Two artificial neural network (ANN) based methods were designed and used towards the analysis of the available data. These corresponded to i) a multi-layer feed-forward ANN combined with a parameter decreasing method (PDM-ANN), and ii) a multi-layer feed-forward ANN trained by a hybrid method (GA-ANN) which combines genetic algorithms and the popular back-propagation training algorithm.

EXPERIMENTAL AND COMPUTATIONAL STUDIES OF ELECTROMAGNETIC CLOAKING AT MICROWAVES

An invisibility cloak is a device that can hide the target by enclosing it from the incident radiation. This intriguing device has attracted a lot of attention since it was first implemented at a microwave frequency in 2006. However, the problems of existing cloak designs prevent them from being widely applied in practice. In this dissertation, we try to remove or alleviate the three constraints for practical applications imposed by loosy cloaking media, high implementation complexity, and small size of hidden objects compared to the incident wavelength. To facilitate cloaking design and experimental characterization, several devices and relevant techniques for measuring the complex permittivity of dielectric materials at microwave frequencies are developed. In particular, a unique parallel plate waveguide chamber has been set up to automatically map the electromagnetic (EM) field distribution for wave propagation through the resonator arrays and cloaking structures. The total scattering cross section of the cloaking structures was derived based on the measured scattering field by using this apparatus. To overcome the adverse effects of lossy cloaking media, microwave cloaks composed of identical dielectric resonators made of low loss ceramic materials are designed and implemented. The effective permeability dispersion was provided by tailoring dielectric resonator filling fractions. The cloak performances had been verified by full-wave simulation of true multi-resonator structures and experimental measurements of the fabricated prototypes. With the aim to reduce the implementation complexity caused by metamaterials employment for cloaking, we proposed to design 2-D cylindrical cloaks and 3-D spherical cloaks by using multi-layer ordinary dielectric material (εr>1) coating. Genetic algorithm was employed to optimize the dielectric profiles of the cloaking shells to provide the minimum scattering cross sections of the cloaked targets. The designed cloaks can be easily scaled to various operating frequencies. The simulation results show that the multi-layer cylindrical cloak essentially outperforms the similarly sized metamaterials-based cloak designed by using the transformation optics-based reduced parameters. For the designed spherical cloak, the simulated scattering pattern shows that the total scattering cross section is greatly reduced. In addition, the scattering in specific directions could be significantly reduced. It is shown that the cloaking efficiency for larger targets could be improved by employing lossy materials in the shell. At last, we propose to hide a target inside a waveguide structure filled with only epsilon near zero materials, which are easy to implement in practice. The cloaking efficiency of this method, which was found to increase for large targets, has been confirmed both theoretically and by simulations.

Erfahrbares Programmieren durch den zielgerichten Einsatz von Flugdrohnen im Informatikunterricht

Informatik- und insbesondere Programmierunterricht sind heute ein wichtiger Bestandteil der schulischen Ausbildung. Vereinfachte Entwicklungsumgebungen, die auf die Abstraktion typischer Programmierkonzepte in Form von grafischen Bausteinen setzen, unterstützen diesen Trend. Zusätzliche Attraktivität wird durch die Verwendung exotischer Laufzeitumgebungen (z. B. Roboter) geschaffen. Die in diesem Paper vorgestellte Plattform “ScratchDrone” führt ergänzend zu diesen Angeboten eine moderne Flugdrohne als innovative Laufzeitumgebung für Scratch-Programme ein. Die Programmierung kann dabei dank modularer Systemarchitektur auf verschiedenen Abstraktionsebenen erfolgen, abhängig vom Lernfortschritt der Schüler. Kombiniert mit einem mehrstufigen didaktischen Modell, der Herausforderung der Bewegung im 3D-Raum sowie der natürlichen menschlichen Faszination für das Fliegen wird so eine hohe Lernmotivation bei jungen Programmieranfängern erreicht.

Low Mass Calibration Target for MM-Wave Remote Sensing Instruments

The reliability of millimeter and sub-millimeter wave radiometer measurements is dependent on the accuracy of the loads they employ as calibration targets. In the recent past on-board calibration loads have been developed for a variety of satellite remote sensing instruments. Unfortunately some of these have suffered from calibration inaccuracies which had poor thermal performance of the calibration target as the root cause. Stringent performance parameters of the calibration target such as low reflectivity, high temperature uniformity, low mass and low power consumption combined with low volumetric requirements remain a challenge for the space instrument developer. In this paper we present a novel multi-layer absorber concept for a calibration load which offers an excellent compromise between very good radiometric performance and temperature uniformity and the mass and volumetric constraints required by space-borne calibration targets.

Reevaluation of the MASTER-2009 MLI and H-10 Debris Modeling

The current paper is an excerpt from the doctoral thesis ”Multi-Layer Insulation as Contribution to Orbital Debris”written at the Institute of Aerospace Systems of the Technische Universit ̈at of Braunschweig. The Multi-Layer In-sulation (MLI) population included in ESA’s MASTER-2009 (M eteoroid and Space-Debris Terrestrial Environment Reference) software is based on models for two mechanisms: One model simulates the release of MLI debris during fragmentation events while another estimates the continuo us release of larger MLI pieces due to aging related deterioration of the material. The aim of the thesis was to revise the MLI models from the base up followed by a re-validation of the simulated MLI debris population. The validation is based on comparison to measurement data of the GEO and GTO debris environment obtained by the Astronomical Institute of the University of Bern (AIUB) using ESA’s Space Debris Telescope (ESASDT), the 1-m Zeiss telescope located at the Optical Ground Station (OGS) at the Teide Observatory at Tenerife, Spain. The re-validation led to the conclusion that MLI may cover a much smaller portion of the observed objects than previously published. Further investigation of the resulting discrepancy revealed that the contribution of altogether nine known Ariane H-10 upper stage explosion events which occurred between 1984 and 2002 has very likely been underestimated in past simulations.

(Table 3) Concentrations of polybrominated diphenyl ether and congeners in blubber samples from whales, seals and porpoises between 1986-2009

A selection of PBDE congeners was analyzed in pooled blubber samples of pilot whale (Globicephala melas), ringed seal (Phoca hispida), minke whale (Balaenoptera acutorostrata), fin whale (Balaenoptera physalus), harbor porpoise (Phocoena phocoena), hooded seal (Cystophora cristata) and Atlantic white-sided dolphin (Lagenorhynchus acutus), covering a time period of more than 20 years (1986-2009). The analytes were extracted and cleaned-up using open column extraction and multi-layer silica gel column chromatography, and the analysis was performed on a GC-MS system operating in the NCI mode. The highest PBDE levels were found in the toothed whale species pilot whale and white-sided dolphin, and the lowest levels in fin whales and ringed seals. One-sided analyses of variance (ANOVA) followed by Tukey comparisons of means were applied to test for differences between years and sampling areas. Due to inter-year sampling variability, only general comparisons of PBDE concentrations between different sampling areas could be made. Differences in PBDE concentrations between three sampling periods, from 1986 to 2007, were evaluated in samples of pilot whales, ringed seals, white-sided dolphins and hooded seals. The highest PBDE levels were found in samples from the late 1990s or beginning of 2000, possibly reflecting the increase in the global production of technical PBDE mixtures in the 1990s. The levels of BDE #153 and #154 increased relative to the total PBDE concentration in some of the species in recent years, which may indicate an increased relative exposure to higher brominated congeners. In order to assess the effect of measures taken in legally binding international agreements, it is important to continuously monitor POPs such as PBDEs in sub-Arctic and Arctic environments.