Femtosecond time-resolved molecular multiphoton ionization and fragmentation of Na_2

We present a comparison between experimental and theoretical results for pump/probe multiphoton ionizing transitions of the sodium dimer, initiated by femtosecond laser pulses. It is shown that the motion of vibrational wavepackets in two electronic states is probed simultaneously and their dynamics is reflected in the total Na^+_2 ion signal which is recorded as a function of the time delay between pump and probe pulse. The time dependent quantum calculations demonstrate that two ionization pathways leading to the same final states of the molecularion exist: one gives an oscillating contribution to the ion signal, the other yields a constant background. From additional measurements of the Na^+ -transient photofragmentation spectrum it is deduced that another ionization process leading to different final ionic states exists. The process includes the excitation of a doubly excitedbound Rydberg state. This conclusion is supported by the theoretical simulation.

Analyse selbsterregter Strömungsfelder im Verdichter-Leitrad durch Kopplung von Particle Image Velocimetry und Hitzdrahtanemometrie mittels Fast Fourier Transformation

Der Einsatz der Particle Image Velocimetry (PIV) zur Analyse selbsterregter Strömungsphänomene und das dafür notwendige Auswerteverfahren werden in dieser Arbeit beschrieben. Zur Untersuchung von solchen Mechanismen, die in Turbo-Verdichtern als Rotierende Instabilitäten in Erscheinung treten, wird auf Datensätze zurückgegriffen, die anhand experimenteller Untersuchungen an einem ringförmigen Verdichter-Leitrad gewonnen wurden. Die Rotierenden Instabilitäten sind zeitabhängige Strömungsphänomene, die bei hohen aerodynamischen Belastungen in Verdichtergittern auftreten können. Aufgrund der fehlenden Phaseninformation kann diese instationäre Strömung mit konventionellen PIV-Systemen nicht erfasst werden. Die Kármánsche Wirbelstraße und Rotierende Instabilitäten stellen beide selbsterregte Strömungsvorgänge dar. Die Ähnlichkeit wird genutzt um die Funktionalität des Verfahrens anhand der Kármánschen Wirbelstraße nachzuweisen. Der mittels PIV zu visualisierende Wirbeltransport erfordert ein besonderes Verfahren, da ein externes Signal zur Festlegung des Phasenwinkels dieser selbsterregten Strömung nicht zur Verfügung steht. Die Methodik basiert auf der Kopplung der PIV-Technik mit der Hitzdrahtanemometrie. Die gleichzeitige Messung mittels einer zeitlich hochaufgelösten Hitzdraht-Messung ermöglicht den Zeitpunkten der PIV-Bilder einen Phasenwinkel zuzuordnen. Hierzu wird das Hitzdrahtsignal mit einem FFT-Verfahren analysiert, um die PIV-Bilder entsprechend ihrer Phasenwinkel zu gruppieren. Dafür werden die aufgenommenen Bilder auf der Zeitachse der Hitzdrahtmessungen markiert. Eine systematische Analyse des Hitzdrahtsignals in der Umgebung der PIV-Messung liefert Daten zur Festlegung der Grundfrequenz und erlaubt es, der markierten PIV-Position einen Phasenwinkel zuzuordnen. Die sich aus den PIV-Bildern einer Klasse ergebenden Geschwindigkeitskomponenten werden anschließend gemittelt. Aus den resultierenden Bildern jeder Klasse ergibt sich das zweidimensionale zeitabhängige Geschwindigkeitsfeld, in dem die Wirbelwanderung der Kármánschen Wirbelstraße ersichtlich wird. In hierauf aufbauenden Untersuchungen werden Zeitsignale aus Messungen in einem Verdichterringgitter analysiert. Dabei zeigt sich, dass zusätzlich Filterfunktionen erforderlich sind. Im Ergebnis wird schließlich deutlich, dass die Übertragung der anhand der Kármánschen Wirbelstraße entwickelten Methode nur teilweise gelingt und weitere Forschungsarbeiten erforderlich sind.

Designing a Robust Pitch Angle Controller for a 2‐Motor‐Pitch‐System in a Large Wind Turbine

Für große Windenergieanlagen werden neue Pitchregler wie Einzelblattregler oder Turmdämpfungsregler entwickelt. Während diese neuen Pitchregler die Elemente der Windenergieanlagen entlasten, wird das Pitchantriebssystem stärker belastet. Die Pitchantriebe müssen weitaus häufiger bei höherer Amplitude arbeiten. Um die neuen Pitchregler nutzen zu können, muss zunächst das Problem der Materialermüdung der Pitchantriebssysteme gelöst werden. Das Getriebespiel in Getrieben und zwischen Ritzeln und dem Zahnkranz erhöht die Materialermüdung in den Pitchantriebssystemen. In dieser Studie werden als Lösung zwei Pitchantriebe pro Blatt vorgeschlagen. Die beiden Pitchantriebe erzeugen eine Spannung auf dem Pitchantriebssystem und kompensieren das Getriebespiel. Drehmomentspitzen, die eine Materialermüdung verursachen, treten bei diesem System mit zwei Pitchmotoren nicht mehr auf. Ein Reglerausgang wird via Drehmomentverteiler auf die beiden Pitchantriebe übertragen. Es werden mehrere Methoden verglichen und der leistungsfähigste Drehmomentverteiler ausgewählt. Während die Pitchantriebe in Bewegung sind, ändert sich die Spannung auf den Getrieben. Die neuen Pitchregler verstellen den Pitchwinkel in einer sinusförmigen Welle. Der Profilgenerator, der derzeit als Pitchwinkelregler verwendet wird, kann eine Phasenverzögerung im sinusförmigen Pitchwinkel verursachen. Zusätzlich erzeugen große Windenergieanlagen eine hohe Last, die sich störend auf die Pitchbewegung auswirkt. Änderungen der viskosen Reibung und Nichtlinearität der Gleitreibung bzw. Coulombsche Reibung des Pitchregelsystems erschweren zudem die Entwicklung eines Pitchwinkelreglers. Es werden zwei robuste Regler (H∞ und μ–synthesis ) vorgestellt und mit zwei herkömmlichen Reglern (PD und Kaskadenregler) verglichen. Zur Erprobung des Pitchantriebssystems und des Pitchwinkelreglers wird eine Prüfanordnung verwendet. Da der Kranz nicht mit einem Positionssensor ausgestattet ist, wird ein Überwachungselement entwickelt, das die Kranzposition meldet. Neben den beiden Pitchantrieben sind zwei Lastmotoren mit dem Kranz verbunden. Über die beiden Lastmotoren wird das Drehmoment um die Pitchachse einer Windenergieanlage simuliert. Das Drehmoment um die Pitchachse setzt sich zusammen aus Schwerkraft, aerodynamischer Kraft, zentrifugaler Belastung, Reibung aufgrund des Kippmoments und der Beschleunigung bzw. Verzögerung des Rotorblatts. Das Blatt wird als Zweimassenschwinger modelliert. Große Windenergieanlagen und neue Pitchregler für die Anlagen erfordern ein neues Pitchantriebssystem. Als Hardware-Lösung bieten sich zwei Pitchantriebe an mit einem robusten Regler als Software.

Oblique Angle Deposition of Germanium Film on Silicon Substrate

The effect of flux angle, substrate temperature and deposition rate on obliquely deposited germanium (Ge) films has been investigated. By carrying out deposition with the vapor flux inclined at 87° to the substrate normal at substrate temperatures of 250°C or 300°C, it may be possible to obtain isolated Ge nanowires. The Ge nanowires are crystalline as shown by Raman Spectroscopy.

Quantification of the bond-angle dispersion by Raman spectroscopy and the strain energy of amorphous silicon

A thorough critical analysis of the theoretical relationships between the bond-angle dispersion in a-Si, Δθ, and the width of the transverse optical Raman peak, Γ, is presented. It is shown that the discrepancies between them are drastically reduced when unified definitions for Δθ and Γ are used. This reduced dispersion in the predicted values of Δθ together with the broad agreement with the scarce direct determinations of Δθ is then used to analyze the strain energy in partially relaxed pure a-Si. It is concluded that defect annihilation does not contribute appreciably to the reduction of the a-Si energy during structural relaxation. In contrast, it can account for half of the crystallization energy, which can be as low as 7 kJ/mol in defect-free a-Si

Filter for Car Tracking Based on Acceleration and Steering Angle

The motion of a car is described using a stochastic model in which the driving processes are the steering angle and the tangential acceleration. The model incorporates exactly the kinematic constraint that the wheels do not slip sideways. Two filters based on this model have been implemented, namely the standard EKF, and a new filter (the CUF) in which the expectation and the covariance of the system state are propagated accurately. Experiments show that i) the CUF is better than the EKF at predicting future positions of the car; and ii) the filter outputs can be used to control the measurement process, leading to improved ability to recover from errors in predictive tracking.

The effect of flow field & geometry on the dynamic contact angle

A number of recent experiments suggest that, at a given wetting speed, the dynamic contact angle formed by an advancing liquid-gas interface with a solid substrate depends on the flow field and geometry near the moving contact line. In the present work, this effect is investigated in the framework of an earlier developed theory that was based on the fact that dynamic wetting is, by its very name, a process of formation of a new liquid-solid interface (newly “wetted” solid surface) and hence should be considered not as a singular problem but as a particular case from a general class of flows with forming or/and disappearing interfaces. The results demonstrate that, in the flow configuration of curtain coating, where a liquid sheet (“curtain”) impinges onto a moving solid substrate, the actual dynamic contact angle indeed depends not only on the wetting speed and material constants of the contacting media, as in the so-called slip models, but also on the inlet velocity of the curtain, its height, and the angle between the falling curtain and the solid surface. In other words, for the same wetting speed the dynamic contact angle can be varied by manipulating the flow field and geometry near the moving contact line. The obtained results have important experimental implications: given that the dynamic contact angle is determined by the values of the surface tensions at the contact line and hence depends on the distributions of the surface parameters along the interfaces, which can be influenced by the flow field, one can use the overall flow conditions and the contact angle as a macroscopic multiparametric signal-response pair that probes the dynamics of the liquid-solid interface. This approach would allow one to investigate experimentally such properties of the interface as, for example, its equation of state and the rheological properties involved in the interface’s response to an external torque, and would help to measure its parameters, such as the coefficient of sliding friction, the surface-tension relaxation time, and so on.

A combined BIE-FE method for the Stokes equations

A numerical algorithm for the biharmonic equation in domains with piecewise smooth boundaries is presented. It is intended for problems describing the Stokes flow in the situations where one has corners or cusps formed by parts of the domain boundary and, due to the nature of the boundary conditions on these parts of the boundary, these regions have a global effect on the shape of the whole domain and hence have to be resolved with sufficient accuracy. The algorithm combines the boundary integral equation method for the main part of the flow domain and the finite-element method which is used to resolve the corner/cusp regions. Two parts of the solution are matched along a numerical ‘internal interface’ or, as a variant, two interfaces, and they are determined simultaneously by inverting a combined matrix in the course of iterations. The algorithm is illustrated by considering the flow configuration of ‘curtain coating’, a flow where a sheet of liquid impinges onto a moving solid substrate, which is particularly sensitive to what happens in the corner region formed, physically, by the free surface and the solid boundary. The ‘moving contact line problem’ is addressed in the framework of an earlier developed interface formation model which treats the dynamic contact angle as part of the solution, as opposed to it being a prescribed function of the contact line speed, as in the so-called ‘slip models’. Keywords: Dynamic contact angle; finite elements; free surface flows; hybrid numerical technique; Stokes equations.

Adsorption, orientation and thermal decomposition of copper(II) hexafluoroacetylacetonate on rutile TiO2(110)

We have investigated the adsorption and thermal decomposition of copper hexafluoroacetylacetonate (Cu-11(hfaC)(2)) on single crystal rutile TiO2(110). Low energy electron diffraction shows that room temperature saturation coverage of the Cu-II(hfac)(2) adsorbate forms an ordered (2 x 1) over-layer. X-ray and ultra-violet photoemission spectroscopy of the saturated surface were recorded as the sample was annealed in a sequential manner to reveal decomposition pathways. The results show that the molecule dissociatively adsorbs by detachment of one of the two ligands to form hfac and Cu-1(hfac) which chemisorb to the substrate at 298 K. These ligands only begin to decompose once the surface temperature exceeds 473 K where Cu core level shifts indicate metallisation. This reduction from Cu(I) to Cu(0) takes place in the absence of an external reducing agent and without disproportionation and is accompanied by the onset of decomposition of the hfac ligands. Finally, C K-edge near edge X-ray absorption fine structure experiments indicate that both the ligands adsorb aligned in the < 001 > direction and we propose a model in which the hfac ligands adsorb on the 5-fold coordinated Ti atoms and the Cu-1(hfac) moiety attaches to the bridging O atoms in a square planar geometry. The calculated tilt angle for these combined geometries is approximately 10 degrees to the surface normal.

Electronic structure of point defects in controlled self-doping of the TiO2 (110) surface: Combined photoemission spectroscopy and density functional theory study

Point defects in metal oxides such as TiO2 are key to their applications in numerous technologies. The investigation of thermally induced nonstoichiometry in TiO2 is complicated by the difficulties in preparing and determining a desired degree of nonstoichiometry. We study controlled self-doping of TiO2 by adsorption of 1/8 and 1/16 monolayer Ti at the (110) surface using a combination of experimental and computational approaches to unravel the details of the adsorption process and the oxidation state of Ti. Upon adsorption of Ti, x-ray and ultraviolet photoemission spectroscopy (XPS and UPS) show formation of reduced Ti. Comparison of pure density functional theory (DFT) with experiment shows that pure DFT provides an inconsistent description of the electronic structure. To surmount this difficulty, we apply DFT corrected for on-site Coulomb interaction (DFT+U) to describe reduced Ti ions. The optimal value of U is 3 eV, determined from comparison of the computed Ti 3d electronic density of states with the UPS data. DFT+U and UPS show the appearance of a Ti 3d adsorbate-induced state at 1.3 eV above the valence band and 1.0 eV below the conduction band. The computations show that the adsorbed Ti atom is oxidized to Ti2+ and a fivefold coordinated surface Ti atom is reduced to Ti3+, while the remaining electron is distributed among other surface Ti atoms. The UPS data are best fitted with reduced Ti2+ and Ti3+ ions. These results demonstrate that the complexity of doped metal oxides is best understood with a combination of experiment and appropriate computations.