On the crystallization kinetics and micro-structural transformations of Fe40Ni38B18Mo4 alloys

Activation energy for crystallization (Ec) is a pertinent parameter that decides the application potential of many metallic glasses and is proportional to the crystallization temperature. Higher crystallization temperatures are desirable for soft magnetic applications, while lower values for data storage purposes. In this investigation, from the heating rate dependence of peak crystallization temperature Tp, the Ec values have been evaluated by three different methods for metglas 2826 MB (Fe40Ni38B18Mo4) accurately. The Ec values are correlated with the morphological changes, and the structural evolution associated with annealing temperatures is discussed.

Cooling and heating by adiabatic magnetization in Ni50Mn34In16 magnetic shape-memory alloy

We report on measurements of the adiabatic temperature change in the inverse magnetocaloric Ni50Mn34In16 alloy. It is shown that this alloy heats up with the application of a magnetic field around the Curie point due to the conventional magnetocaloric effect. In contrast, the inverse magnetocaloric effect associated with the martensitic transition results in the unusual decrease of temperature by adiabatic magnetization. We also provide magnetization and specific heat data which enable to compare the measured temperature changes to the values indirectly computed from thermodynamic relationships. Good agreement is obtained for the conventional effect at the second-order paramagnetic-ferromagnetic phase transition. However, at the first-order structural transition the measured values at high fields are lower than the computed ones. Irreversible thermodynamics arguments are given to show that such a discrepancy is due to the irreversibility of the first-order martensitic transition.

Studies on some nonlinear schrodinger type equations describing pulse propagation through optical fibers

The discovery of the soliton is considered to be one of the most significant events of the twentieth century. The term soliton refers to special kinds of waves that can propagate undistorted over long distances and remain unaffected even after collision with each other. Solitons have been studied extensively in many fields of physics. In the context of optical fibers, solitons are not only of fundamental interest but also have potential applications in the field of optical fiber communications. This thesis is devoted to the theoretical study of soliton pulse propagation through single mode optical fibers.

First principles LDA+U and GGA+U study of cerium oxides: Dependence on the effective U-parameter

The electronic structure and properties of cerium oxides (CeO2 and Ce2O3) have been studied in the framework of the LDA+U and GGA(PW91)+U implementations of density functional theory. The dependence of selected observables of these materials on the effective U parameter has been investigated in detail. The examined properties include lattice constants, bulk moduli, density of states, and formation energies of CeO2 and Ce2O3. For CeO2, the LDA+U results are in better agreement with experiment than the GGA+U results whereas for the computationally more demanding Ce2O3 both approaches give comparable accuracy. Furthermore, as expected, Ce2O3 is much more sensitive to the choice of the U value. Generally, the PW91 functional provides an optimal agreement with experiment at lower U energies than LDA does. In order to achieve a balanced description of both kinds of materials, and also of nonstoichiometric CeO2¿x phases, an appropriate choice of U is suggested for LDA+U and GGA+U schemes. Nevertheless, an optimum value appears to be property dependent, especially for Ce2O3. Optimum U values are found to be, in general, larger than values determined previously in a self-consistent way.

Unusual surface and edge morphologies, sp2 to sp3 hybridized transformation and electronic damage after Ar+ ion irradiation of few-layer graphene surfaces

Roughness and defects induced on few-layer graphene (FLG) irradiated by Ar+ ions at different energies were investigated using X-ray photoemission spectroscopy (XPS) and atomic force microscopy techniques. The results provide direct experimental evidence of ripple formation, sp2 to sp3 hybridized carbon transformation, electronic damage, Ar+ implantation, unusual defects and edge reconstructions in FLG, which depend on the irradiation energy. In addition, shadowing effects similar to those found in oblique-angle growth of thin films were seen. Reliable quantification of the transition from the sp2-bonding to sp3-hybridized state as a result of Ar+ ion irradiation is achieved from the deconvolution of the XPS C (1s) peak. Although the ion irradiation effect is demonstrated through the shape of the derivative of the Auger transition C KVV spectra, we show that the D parameter values obtained from these spectra which are normally used in the literature fail to account for the sp2 to sp3 hybridization transition. In contrast to what is known, it is revealed that using ion irradiation at large FLG sample tilt angles can lead to edge reconstructions. Furthermore, FLG irradiation by low energy of 0.25 keV can be a plausible way of peeling graphene layers without the need of Joule heating reported previously

Thermoaktive Bauteilsysteme - Ein neuer simulationstechnischer Berechnungsansatz

Thermoaktive Bauteilsysteme sind Bauteile, die als Teil der Raumumschließungsflächen über ein integriertes Rohrsystem mit einem Heiz- oder Kühlmedium beaufschlagt werden können und so die Beheizung oder Kühlung des Raumes ermöglichen. Die Konstruktionenvielfalt reicht nach diesem Verständnis von Heiz, bzw. Kühldecken über Geschoßtrenndecken mit kern-integrierten Rohren bis hin zu den Fußbodenheizungen. Die darin enthaltenen extrem trägen Systeme werden bewußt eingesetzt, um Energieangebot und Raumenergiebedarf unter dem Aspekt der rationellen Energieanwendung zeitlich zu entkoppeln, z. B. aktive Bauteilkühlung in der Nacht, passive Raumkühlung über das kühle Bauteil am Tage. Gebäude- und Anlagenkonzepte, die träge reagierende thermoaktive Bauteilsysteme vorsehen, setzen im kompetenten und verantwortungsvollen Planungsprozeß den Einsatz moderner Gebäudesimulationswerkzeuge voraus, um fundierte Aussagen über Behaglichkeit und Energiebedarf treffen zu können. Die thermoaktiven Bauteilsysteme werden innerhalb dieser Werkzeuge durch Berechnungskomponenten repräsentiert, die auf mathematisch-physikalischen Modellen basieren und zur Lösung des bauteilimmanenten mehrdimensionalen instationären Wärmeleitungsproblems dienen. Bisher standen hierfür zwei unterschiedliche prinzipielle Vorgehensweisen zur Lösung zur Verfügung, die der physikalischen Modellbildung entstammen und Grenzen bzgl. abbildbarer Geometrie oder Rechengeschwindigkeit setzen. Die vorliegende Arbeit dokumentiert eine neue Herangehensweise, die als experimentelle Modellbildung bezeichnet wird. Über den Weg der Systemidentifikation können aus experimentell ermittelten Datenreihen die Parameter für ein kompaktes Black-Box-Modell bestimmt werden, das das Eingangs-Ausgangsverhalten des zugehörigen beliebig aufgebauten thermoaktiven Bauteils mit hinreichender Genauigkeit widergibt. Die Meßdatenreihen lassen sich über hochgenaue Berechnungen generieren, die auf Grund ihrer Detailtreue für den unmittelbaren Einsatz in der Gebäudesimulation ungeeignet wären. Die Anwendung der Systemidentifikation auf das zweidimensionale Wärmeleitungsproblem und der Nachweis ihrer Eignung wird an Hand von sechs sehr unterschiedlichen Aufbauten thermoaktiver Bauteilsysteme durchgeführt und bestätigt sehr geringe Temperatur- und Energiebilanzfehler. Vergleiche zwischen via Systemidentifikation ermittelten Black-Box-Modellen und physikalischen Modellen für zwei Fußbodenkonstruktionen zeigen, daß erstgenannte auch als Referenz für Genauigkeitsabschätzungen herangezogen werden können. Die Praktikabilität des neuen Modellierungsansatzes wird an Fallstudien demonstriert, die Ganzjahressimulationen unter Bauteil- und Betriebsvariationen an einem exemplarischen Büroraum betreffen. Dazu erfolgt die Integration des Black-Box-Modells in das kommerzielle Gebäude- und Anlagensimulationsprogramm CARNOT. Die akzeptablen Rechenzeiten für ein Einzonen-Gebäudemodell in Verbindung mit den hohen Genauigkeiten bescheinigen die Eignung der neuen Modellierungsweise.

Parameter identification of structural dynamic models by inverse statistical analysis

Auf dem Gebiet der Strukturdynamik sind computergestützte Modellvalidierungstechniken inzwischen weit verbreitet. Dabei werden experimentelle Modaldaten, um ein numerisches Modell für weitere Analysen zu korrigieren. Gleichwohl repräsentiert das validierte Modell nur das dynamische Verhalten der getesteten Struktur. In der Realität gibt es wiederum viele Faktoren, die zwangsläufig zu variierenden Ergebnissen von Modaltests führen werden: Sich verändernde Umgebungsbedingungen während eines Tests, leicht unterschiedliche Testaufbauten, ein Test an einer nominell gleichen aber anderen Struktur (z.B. aus der Serienfertigung), etc. Damit eine stochastische Simulation durchgeführt werden kann, muss eine Reihe von Annahmen für die verwendeten Zufallsvariablengetroffen werden. Folglich bedarf es einer inversen Methode, die es ermöglicht ein stochastisches Modell aus experimentellen Modaldaten zu identifizieren. Die Arbeit beschreibt die Entwicklung eines parameter-basierten Ansatzes, um stochastische Simulationsmodelle auf dem Gebiet der Strukturdynamik zu identifizieren. Die entwickelte Methode beruht auf Sensitivitäten erster Ordnung, mit denen Parametermittelwerte und Kovarianzen des numerischen Modells aus stochastischen experimentellen Modaldaten bestimmt werden können.

Effects of plant diversity on bioenergy parameters in grassland biomass

Extensive grassland biomass for bioenergy production has long been subject of scientific research. The possibility of combining nature conservation goals with a profitable management while reducing competition with food production has created a strong interest in this topic. However, the botanical composition will play a key role for solid fuel quality of grassland biomass and will have effects on the combustion process by potentially causing corrosion, emission and slagging. On the other hand, botanical composition will affect anaerobic digestibility and thereby the biogas potential. In this thesis aboveground biomass from the Jena-Experiment plots was harvested in 2008 and 2009 and analysed for the most relevant chemical constituents effecting fuel quality and anaerobic digestibility. Regarding combustion, the following parameters were of main focus: higher heating value (HHV), gross energy yield (GE), ash content, ash softening temperature (AST), K, Ca, Mg, N, Cl and S content. For biogas production the following parameters were investigated: substrate specific methane yield (CH4 sub), area specific methane yield (CH4 area), crude fibre (CF), crude protein (CP), crude lipid (CL) and nitrogen-free extract (NfE). Furthermore, an improvement of the fuel quality was investigated through applying the Integrated generation of solid Fuel and Biogas from Biomass (IFBB) procedure. Through the specific setup of the Jena-Experiment it was possible to outline the changes of these parameters along two diversity gradients: (i) species richness (SR; 1 to 60 species) and (ii) functional group (grasses, legumes, small herbs and tall herbs) presence. This was a novel approach on investigating the bioenergy characteristic of extensive grassland biomass and gave detailed insight in the sward-composition¬ - bioenergy relations such as: (i) the most relevant SR effect was the increase of energy yield for both combustion (annual GE increased by 26% from SR8→16 and by 65% from SR8→60) and anaerobic digestion (annual CH4 area increased by 22% from SR8→16 and by 49% from SR8→60) through a strong interaction of SR with biomass yield; (ii) legumes play a key role for the utilization of grassland biomass for energy production as they increase the energy content of the substrate (HHV and CH4 sub) and the energy yield (GE and CH4 area); (iii) combustion is the conversion technique that will yield the highest energy output but requires an improvement of the solid fuel quality in order to reduce the risk of corrosion, emission and slagging related problems. This was achieved through applying the IFBB-procedure, with reductions in ash (by 23%), N (28%), K (85%), Cl (56%) and S (59%) and equal levels of concentrations along the SR gradient.

Strategische Erfolgsfaktoren für ein kosten-risiko-optimales Public Debt Management - Organisatorische und inhaltliche Parameter im internationalen Vergleich

Aus den im Rahmen dieser Forschungsarbeit empirisch gewonnenen Erkenntnissen werden Gestaltungsempfehlungen für das Public Debt Management abgeleitet. Diese zeigen, dass ein wirtschaftliches Public Debt Management nicht ein ausschließlich kostenminimierendes (sparsames), sondern ein kosten-risiko-optimales Public Debt Management mit effektiven internen und externen Überwachungsinstrumenten und wirksamer externer Finanzkontrolle sein muss.

Optimierung der laserinduzierten Plasmaspektroskopie an Metallen durch Femtosekunden-Doppelpulse für die Entwicklung eines hochauflösenden 3D-Rasterabbildungsverfahrens

Die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIPS) ist eine spektrochemische Elementanalyse zur Bestimmung der atomaren Zusammensetzung einer beliebigen Probe. Für die Analyse ist keine spezielle Probenpräparation nötig und kann unter atmosphärischen Bedingungen an Proben in jedem Aggregatzustand durchgeführt werden. Femtosekunden Laserpulse bieten die Vorteile einer präzisen Ablation mit geringem thermischen Schaden sowie einer hohen Reproduzierbarkeit. Damit ist fs-LIPS ein vielversprechendes Werkzeug für die Mikroanalyse technischer Proben, insbesondere zur Untersuchung ihres Ermüdungsverhaltens. Dabei ist interessant, wie sich die initiierten Mikrorisse innerhalb der materialspezifschen Struktur ausbreiten. In der vorliegenden Arbeit sollte daher ein schnelles und einfach zu handhabendes 3D-Rasterabbildungsverfahren zur Untersuchung der Rissausbreitung in TiAl, einer neuen Legierungsklasse, entwickelt werden. Dazu wurde fs-LIPS (30 fs, 785 nm) mit einem modifizierten Mikroskopaufbau (Objektiv: 50x/NA 0.5) kombiniert, welcher eine präzise, automatisierte Probenpositionierung ermöglicht. Spektrochemische Sensitivität und räumliches Auflösungsvermögen wurden in energieabhängigen Einzel- und Multipulsexperimenten untersucht. 10 Laserpulse pro Position mit einer Pulsenergie von je 100 nJ führten in TiAl zum bestmöglichen Kompromiss aus hohem S/N-Verhältnis von 10:1 und kleinen Lochstrukturen mit inneren Durchmessern von 1.4 µm. Die für das Verfahren entscheidende laterale Auflösung, dem minimalen Lochabstand bei konstantem LIPS-Signal, beträgt mit den obigen Parametern 2 µm und ist die bislang höchste bekannte Auflösung einer auf fs-LIPS basierenden Mikro-/Mapping-Analyse im Fernfeld. Fs-LIPS Scans von Teststrukturen sowie Mikrorissen in TiAl demonstrieren eine spektrochemische Sensitivität von 3 %. Scans in Tiefenrichtung erzielen mit denselben Parametern eine axiale Auflösung von 1 µm. Um die spektrochemische Sensitivität von fs-LIPS zu erhöhen und ein besseres Verständnis für die physikalischen Prozesse während der Laserablation zu erhalten, wurde in Pump-Probe-Experimenten untersucht, in wieweit fs-Doppelpulse den laserinduzierten Abtrag sowie die Plasmaemission beeinflussen. Dazu wurden in einem Mach-Zehnder-Interferometer Pulsabstände von 100 fs bis 2 ns realisiert, Gesamtenergie und Intensitätsverhältnis beider Pulse variiert sowie der Einfluss der Materialparameter untersucht. Sowohl das LIPS-Signal als auch die Lochstrukturen zeigen eine Abhängigkeit von der Verzögerungszeit. Diese wurden in vier verschiedene Regimes eingeteilt und den physikalischen Prozessen während der Laserablation zugeordnet: Die Thermalisierung des Elektronensystems für Pulsabstände unter 1 ps, Schmelzprozesse zwischen 1 und 10 ps, der Beginn des Abtrags nach mehreren 10 ps und die Expansion der Plasmawolke nach über 100 ps. Dabei wird das LIPS-Signal effizient verstärkt und bei 800 ps maximal. Die Lochdurchmesser ändern sich als Funktion des Pulsabstands wenig im Vergleich zur Tiefe. Die gesamte Abtragsrate variiert um maximal 50 %, während sich das LIPS-Signal vervielfacht: Für Ti und TiAl typischerweise um das Dreifache, für Al um das 10-fache. Die gemessenen Transienten zeigen eine hohe Reproduzierbarkeit, jedoch kaum eine Energie- bzw. materialspezifische Abhängigkeit. Mit diesen Ergebnissen wurde eine gezielte Optimierung der DP-LIPS-Parameter an Al durchgeführt: Bei einem Pulsabstand von 800 ps und einer Gesamtenergie von 65 nJ (vierfach über der Ablationsschwelle) wurde eine 40-fache Signalerhöhung bei geringerem Rauschen erzielt. Die Lochdurchmesser vergrößerten sich dabei um 44 % auf (650±150) nm, die Lochtiefe um das Doppelte auf (100±15) nm. Damit war es möglich, die spektrochemische Sensitivität von fs-LIPS zu erhöhen und gleichzeitig die hohe räumliche Auflösung aufrecht zu erhalten.

Spatio-temporal resolution studies on a highly compact ultrafast electron diffractometer

Time-resolved diffraction with femtosecond electron pulses has become a promising technique to directly provide insights into photo induced primary dynamics at the atomic level in molecules and solids. Ultrashort pulse duration as well as extensive spatial coherence are desired, however, space charge effects complicate the bunching of multiple electrons in a single pulse.Weexperimentally investigate the interplay between spatial and temporal aspects of resolution limits in ultrafast electron diffraction (UED) on our highly compact transmission electron diffractometer. To that end, the initial source size and charge density of electron bunches are systematically manipulated and the resulting bunch properties at the sample position are fully characterized in terms of lateral coherence, temporal width and diffracted intensity.Weobtain a so far not reported measured overall temporal resolution of 130 fs (full width at half maximum) corresponding to 60 fs (root mean square) and transversal coherence lengths up to 20 nm. Instrumental impacts on the effective signal yield in diffraction and electron pulse brightness are discussed as well. The performance of our compactUEDsetup at selected electron pulse conditions is finally demonstrated in a time-resolved study of lattice heating in multilayer graphene after optical excitation.

River ecosystems at risk

Worldwide water managers are increasingly challenged to allocate sufficient and affordable water supplies to different water use sectors without further degrading river ecosystems and their valuable services to mankind. Since 1950 human population almost tripled, water abstractions increased by a factor of four, and the number of large dam constructions is about eight times higher today. From a hydrological perspective, the alteration of river flows (temporally and spatially) is one of the main consequences of global change and further impairments can be expected given growing population pressure and projected climate change. Implications have been addressed in numerous hydrological studies, but with a clear focus on human water demands. Ecological water requirements have often been neglected or addressed in a very simplistic manner, particularly from the large-scale perspective. With his PhD thesis, Christof Schneider took up the challenge to assess direct (dam operation and water abstraction) and indirect (climate change) impacts of human activities on river flow regimes and evaluate the consequences for river ecosystems by using a modeling approach. The global hydrology model WaterGAP3 (developed at CESR) was applied and further developed within this thesis to carry out several model experiments and assess anthropogenic river flow regime modifications and their effects on river ecosystems. To address the complexity of ecological water requirements the assessment is based on three main ideas: (i) the natural flow paradigm, (ii) the perception that different flows have different ecological functions, and (iii) the flood pulse concept. The thesis shows that WaterGAP3 performs well in representing ecologically relevant flow characteristics on a daily time step, and therefore justifies its application within this research field. For the first time a methodology was established to estimate bankfull flow on a 5 by 5 arc minute grid cell raster globally, which is a key parameter in eFlow assessments as it marks the point where rivers hydraulically connect to adjacent floodplains. Management of dams and water consumption pose a risk to floodplains and riparian wetlands as flood volumes are significantly reduced. The thesis highlights that almost one-third of 93 selected Ramsar sites are seriously affected by modified inundation patterns today, and in the future, inundation patterns are very likely to be further impaired as a result of new major dam initiatives and climate change. Global warming has been identified as a major threat to river flow regimes as rising temperatures, declining snow cover, changing precipitation patterns and increasing climate variability are expected to seriously modify river flow regimes in the future. Flow regimes in all climate zones will be affected, in particular the polar zone (Northern Scandinavia) with higher river flows during the year and higher flood peaks in spring. On the other side, river flows in the Mediterranean are likely to be even more intermittent in the future because of strong reductions in mean summer precipitation as well as a decrease in winter precipitation, leading to an increasing number of zero flow events creating isolated pools along the river and transitions from lotic to lentic waters. As a result, strong impacts on river ecosystem integrity can be expected. Already today, large amounts of water are withdrawn in this region for agricultural irrigation and climate change is likely to exacerbate the current situation of water shortages.

Parameter Estimation in Chaotic Systems

This report examines how to estimate the parameters of a chaotic system given noisy observations of the state behavior of the system. Investigating parameter estimation for chaotic systems is interesting because of possible applications for high-precision measurement and for use in other signal processing, communication, and control applications involving chaotic systems. In this report, we examine theoretical issues regarding parameter estimation in chaotic systems and develop an efficient algorithm to perform parameter estimation. We discover two properties that are helpful for performing parameter estimation on non-structurally stable systems. First, it turns out that most data in a time series of state observations contribute very little information about the underlying parameters of a system, while a few sections of data may be extraordinarily sensitive to parameter changes. Second, for one-parameter families of systems, we demonstrate that there is often a preferred direction in parameter space governing how easily trajectories of one system can "shadow'" trajectories of nearby systems. This asymmetry of shadowing behavior in parameter space is proved for certain families of maps of the interval. Numerical evidence indicates that similar results may be true for a wide variety of other systems. Using the two properties cited above, we devise an algorithm for performing parameter estimation. Standard parameter estimation techniques such as the extended Kalman filter perform poorly on chaotic systems because of divergence problems. The proposed algorithm achieves accuracies several orders of magnitude better than the Kalman filter and has good convergence properties for large data sets.

Certified Rapid Solution of Parametrized Linear Elliptic Equations: Application to Parameter Estimation

We present a technique for the rapid and reliable evaluation of linear-functional output of elliptic partial differential equations with affine parameter dependence. The essential components are (i) rapidly uniformly convergent reduced-basis approximations — Galerkin projection onto a space WN spanned by solutions of the governing partial differential equation at N (optimally) selected points in parameter space; (ii) a posteriori error estimation — relaxations of the residual equation that provide inexpensive yet sharp and rigorous bounds for the error in the outputs; and (iii) offline/online computational procedures — stratagems that exploit affine parameter dependence to de-couple the generation and projection stages of the approximation process. The operation count for the online stage — in which, given a new parameter value, we calculate the output and associated error bound — depends only on N (typically small) and the parametric complexity of the problem. The method is thus ideally suited to the many-query and real-time contexts. In this paper, based on the technique we develop a robust inverse computational method for very fast solution of inverse problems characterized by parametrized partial differential equations. The essential ideas are in three-fold: first, we apply the technique to the forward problem for the rapid certified evaluation of PDE input-output relations and associated rigorous error bounds; second, we incorporate the reduced-basis approximation and error bounds into the inverse problem formulation; and third, rather than regularize the goodness-of-fit objective, we may instead identify all (or almost all, in the probabilistic sense) system configurations consistent with the available experimental data — well-posedness is reflected in a bounded "possibility region" that furthermore shrinks as the experimental error is decreased.