E-Assessment mit Graja – ein Vergleich zu Anforderungen an Softwaretestwerkzeuge

Die automatisierte Bewertung studentischer Übungsabgaben in Programmieren-Lehrveranstaltungen weist Parallelen zum automatisierten Test in der professionellen Softwareentwicklung auf. Allerdings muss ein Autobewerter (Grader), um lernförderlich zu sein, andere Zielsetzungen erfüllen als üblicherweise im professionellen Softwaretest eingesetzte Analyse- und Testwerkzeuge. Dieser Beitrag identifiziert wesentliche Unterschiede und beschreibt, wie sich diese Unterschiede in dem an der Hochschule Hannover entwickelten und seit mehreren Jahren im Einsatz befindlichen Autobewerter "Graja" niederschlagen.

Bewertungsaspekte und Tests in Java-Programmieraufgaben für Graja im ProFormA-Aufgabenformat

Ein Autobewerter für von Studierenden eingereichte Programme führt die im ProFormA-Aufgabenformat sequentiell spezifizierten "Tests" aus, um die Einreichung zu prüfen. Bzgl. der Interpretation und Darstellung der Testausführungsergebnisse gibt es derzeit keinen graderübergreifenden Standard. Wir beschreiben eine Erweiterung des ProFormA-Aufgabenformats um eine Hierarchie von Bewertungsaspekten, die nach didaktischen Aspekten gruppiert ist und Referenzen auf die Testausführungen besitzt. Die Erweiterung wurde in Graja umgesetzt, einem Autobewerter für Java-Programme. Je nach gewünschter Detailaufschlüsselung der Bewertungsaspekte müssen in der Konsequenz Testausführungen in Teilausführungen aufgebrochen werden. Wir illustrieren unseren Vorschlag unter Einsatz der Testwerkzeuge Compiler, dynamischer Softwaretest, statische Analyse sowie unter Einsatz menschlicher Bewerter.

Graja - Autobewerter für Java-Programme

In diesem Bericht wird der Autobewerter Graja für Java-Programme vorgestellt. Wir geben einen Überblick über die unterstützten Bewertungsmethoden sowie die beteiligten Nutzerrollen. Wir gehen auf technische Einzelheiten und Randbedingungen der in Graja eingesetzten Bewertungsmethoden ein und zeigen die Einbindung von Graja in eine technische Gesamtarchitektur. An einem durchgehenden Beispiel stellen wir die Struktur einer Programmieraufgabe sowie die von Graja unterstützten Feedback-Möglichkeiten dar. Informationen zum bisherigen Einsatz des Graders runden den Bericht ab.

Messung der Zufriedenheit von Studierenden der Fakultät Wirtschaft und Informatik der Hochschule Hannover mit der Hochschul-Zentralbibliothek

In der vorliegenden Arbeit wird die Zufriedenheit von Studierenden mit der Hochschul-Zentralbibliothek (HZB) der Hochschule Hannover untersucht. Es wird überprüft, inwieweit Alter, Semesteranzahl und Geschlecht der Befragten einen Einfluss auf die Zufriedenheit mit der HZB haben. Des Weiteren besteht ein Aspekt der Untersuchung aus der Einschätzung der Wichtigkeit einzelner Faktoren aus Sicht der Studierenden, welcher bei den praktischen Implikationen zum Tragen kommt. Die Literaturrecherche machte deutlich, dass bereits diverse Umfragen von Bibliotheken zur Zufriedenheit der Nutzer stattgefunden haben. Wenige Umfragen richten sich jedoch direkt an Studierende. Da der Leistungskatalog von Bibliothek zu Bibliothek variiert, muss der Fragebogen an die konkreten Rahmenbendingungen der HZB angepasst werden. Mit der vorliegenden Arbeit werden Aussagen über die Zufriedenheit und Wichtigkeit der einzelnen Faktoren aus Studierendensicht getroffen. Mittels eines elektronischen Fragebogens werden die Studierenden der Fakultät IV – Wirtschaft und Informatik, hierunter die Abteilungen Betriebswirtschaft und Wirtschaftsinformatik, der Hochschule Hannover befragt, von denen 116 den Fragebogen beantwortet haben. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Ergebnisse die aufgestellten Hypothesen nicht unterstützen. Es liegen keine signifikanten Ergebnisse vor und es bestehen keine Zusammenhänge zwischen Alter, Geschlecht oder Semesterzahl mit der Zufriedenheit der Studierenden. Die Auswertung der Wichtigkeit verdeutlicht, dass keines der abgefragten Kriterien besonders negativ beurteilt wurde während es gleichzeitig für die Studierenden von großer Wichtigkeit ist.

Computer Integrated Business: Theoretische und empirische Analyse der bisherigen Ansätze und zukünftigen Perspektiven

Die Arbeit stellt einen strukturellen Rahmen zur Einordnung sowohl bisheriger als auch zukünftiger organisationstheoretischer und DV-technologischer Entwicklungen zur Umsetzung eines Computer Integrated Business (CIB) bereit. Dazu analysiert sie bisherige Ansätze und zukünftige Perspektiven eines CIB mittels theoretischer und empirischer Bearbeitungsverfahren. Die Notwendigkeit zur Unternehmensintegration ergibt sich aus dem betriebswirtschaftlichen Konzept der Arbeitsteilung, über die das Phänomen der Economies of Scale erschlossen wird. Die Arbeitsteilung wurde zum Gestaltungskonzept in den Fabriken der industriellen Revolution. Komplexe Arbeitsgänge wurden in spezialisierte Teilaufgaben zerlegt und nach Möglichkeit auf maschinelle bzw. technologische Potentiale übertragen. Die Zielsetzung lag zunächst in der Automatisierung des Materialflusses, während der Informationsfluss noch lange Zeit im Hintergrund stand. Mittlerweile ermöglichen leistungsfähige DV-Systeme auch die Automatisierung des Informationsflusses und damit die DV-gestützte Integration des Unternehmens, die den Kern des CIB-Konzeptes darstellt. Das CIB-Konzept wurde Ende der achtziger Jahre am Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation als Erweiterung des Computer Integrated Manufacturing (CIM) für Industrieunternehmen von Bullinger geprägt, jedoch in seiner Zielsetzung als Modell zur Totalintegration von Unternehmen danach nicht maßgeblich weiterentwickelt. Vielmehr wurden in der Folgezeit überwiegend Teilintegrationslösungen diskutiert, wie z. B. Konzepte zur Integration der Fertigung oder zur Unterstützung der Teamarbeit. Der Aspekt der umfassenden, unternehmensinternen Integration rückte Mitte der neunziger Jahre durch die an Popularität gewinnende Internet-Technologie an den Rand der wissenschaftlichen Diskussion. Erst nach dem Zusammenbruch der ersten Internet-Euphorie und der anschließenden wirtschaftlichen Rezession gewann das Integrationsthema am Anfang dieses Jahrzehnts mit Hinblick auf dadurch mögliche Kostenvorteile wieder an Bedeutung. Die Diskussion wurde jedoch mit starkem technologischem Fokus geführt (z. B. zum Thema Enterprise Application Integration) und Aspekte der Unternehmensorganisation wurden bestenfalls grob, jedoch nicht im Detail diskutiert. Die vorliegende Arbeit bearbeitet die CIB-Thematik umfassend sowohl aus unternehmensorganisatorischer als auch DV-technologischer Sicht und bewegt sich deshalb interdisziplinär zwischen den Wissenschaftsbereichen der Betriebswirtschaft und der Informatik. Die Untersuchung wird vor dem Hintergrund einer sozio-technologischen Unternehmensorganisation geführt, in der DV-technologische Potentiale neben humanen Potentialen zur Erreichung der Unternehmensziele eingesetzt werden. DV-technologische Potentiale übernehmen darin einerseits Integrationsaufgaben und werden andererseits aber selbst zum Integrationsziel. Die Herausforderung für die Unternehmensführung besteht in der Konfiguration des CIB und im Finden eines Gleichgewichts zwischen Arbeitsteilung und Integration auf der einen sowie humanen und technologischen Potentialen auf der anderen Seite, letztendlich aber auch in der Automatisierung der Integration. Die Automatisierung der Integration stellt mit Hinblick auf die durch Umweltveränderungen bedingte Konfigurationsanpassung ein bisher konzeptionell nur ansatzweise gelöstes Problem dar. Der technologischen Integrationsarchitektur sowie den verwendeten Methoden des Prozessdesigns und der Software-Entwicklung kommt bei der Lösung dieses Problems eine hohe Bedeutung zu. Über sie bestimmt sich die Anpassungsfähigkeit und geschwindigkeit des CIB. Es kann vermutet werden, dass eine Lösung jedoch erst erreicht wird, wenn sich die Unternehmensorganisation vom Konzept der zentralen Koordination abwendet und stattdessen an dezentralen Koordinationsmechanismen unter Verwendung ultrastabiler Anpassungsprogramme orientiert, wie sie z. B. in der Biologie bei Insektenkulturen untersucht wurden.

Modellbasiertes Service Level Management verteilter Anwendungssysteme

Zur Senkung von Kosten werden in vielen Unternehmen Dienstleistungen, die nicht zur Kernkompetenz gehören, an externe Dienstleister ausgelagert. Dieser Prozess wird auch als Outsourcing bezeichnet. Die dadurch entstehenden Abhängigkeiten zu den externen Dienstleistern werden mit Hilfe von Service Level Agreements (SLAs) vertraglich geregelt. Die Aufgabe des Service Level Managements (SLM) ist es, die Einhaltung der vertraglich fixierten Dienstgüteparameter zu überwachen bzw. sicherzustellen. Für eine automatische Bearbeitung ist daher eine formale Spezifikation von SLAs notwendig. Da der Markt eine Vielzahl von unterschiedlichen SLM-Werkzeugen hervorgebracht hat, entstehen in der Praxis Probleme durch proprietäre SLA-Formate und fehlende Spezifikationsmethoden. Daraus resultiert eine Werkzeugabhängigkeit und eine limitierte Wiederverwendbarkeit bereits spezifizierter SLAs. In der vorliegenden Arbeit wird ein Ansatz für ein plattformunabhängiges Service Level Management entwickelt. Ziel ist eine Vereinheitlichung der Modellierung, so dass unterschiedliche Managementansätze integriert und eine Trennung zwischen Problem- und Technologiedomäne erreicht wird. Zudem wird durch die Plattformunabhängigkeit eine hohe zeitliche Stabilität erstellter Modelle erreicht. Weiteres Ziel der Arbeit ist, die Wiederverwendbarkeit modellierter SLAs zu gewährleisten und eine prozessorientierte Modellierungsmethodik bereitzustellen. Eine automatisierte Etablierung modellierter SLAs ist für eine praktische Nutzung von entscheidender Relevanz. Zur Erreichung dieser Ziele werden die Prinzipien der Model Driven Architecture (MDA) auf die Problemdomäne des Service Level Managements angewandt. Zentrale Idee der Arbeit ist die Definition von SLA-Mustern, die konfigurationsunabhängige Abstraktionen von Service Level Agreements darstellen. Diese SLA-Muster entsprechen dem Plattformunabhängigen Modell (PIM) der MDA. Durch eine geeignete Modelltransformation wird aus einem SLA-Muster eine SLA-Instanz generiert, die alle notwendigen Konfigurationsinformationen beinhaltet und bereits im Format der Zielplattform vorliegt. Eine SLA-Instanz entspricht damit dem Plattformspezifischen Modell (PSM) der MDA. Die Etablierung der SLA-Instanzen und die daraus resultierende Konfiguration des Managementsystems entspricht dem Plattformspezifischen Code (PSC) der MDA. Nach diesem Schritt ist das Managementsystem in der Lage, die im SLA vereinbarten Dienstgüteparameter eigenständig zu überwachen. Im Rahmen der Arbeit wurde eine UML-Erweiterung definiert, die eine Modellierung von SLA-Mustern mit Hilfe eines UML-Werkzeugs ermöglicht. Hierbei kann die Modellierung rein graphisch als auch unter Einbeziehung der Object Constraint Language (OCL) erfolgen. Für die praktische Realisierung des Ansatzes wurde eine Managementarchitektur entwickelt, die im Rahmen eines Prototypen realisiert wurde. Der Gesamtansatz wurde anhand einer Fallstudie evaluiert.

Leseratte oder Technikfreak? – Studienfachwahl von Studierenden der Anglistik, Elektrotechnik und Informatik

Zentrale Forschungsförderung der Universität Kassel (ZFF)

Unterstützung suboptimaler Regelkreise durch eine zentrale Korrektursteuerung

Evolutionäre Algorithmen werden gerne für Optimierungsaufgaben mit sehr vielen Freiheitsgraden eingesetzt. Eine spezielle Konvergenzeigenschaft, daß nämlich der Rechenaufwand nur mit der Wurzel der Anzahl der Unbekannten steigt, prädestiniert sie dafür. Die evolutionären Algorithmen haben aber auch noch eine weitere interessante Eigenschaft: Von der Zielfunktion wird nur verlangt, daß sie monoton ist - nichts weiter. Speziell wird, im Gegensatz zu gradientenbasierten Verfahren, keinerlei Ableitung von der Zielfunktion benötigt. Dadurch können evolutionäre Algorithmen auch in solchen Fällen eingesetzt werden, in denen Ableitungen der Zielfunktion nicht oder nur schwierig zu beschaffen sind. Die evolutionären Algorithmen kommen deshalb mit so geringen Anforderungen an die Zielfunktion aus, weil nur absolute Bewertungen einzelner Punkte (hier Vektoren) im Lösungsraum durch die Zielfunktion vorgenommen werden. Dafür werden eine gewisse Anzahl Punkte gleichzeitig betrachtet. Im direkten Vergleich untereinander relativ günstig liegende Punkte werden für die weitere Rechnung übernommen, die anderen verworfen. Aus den Komponenten der übernommenen Punkte werden nun zufällig neue Punkte zusammengesetzt und ein wenig verschoben. Dann schließt sich der Kreis, indem diese neuen Punkte ebenfalls bewertet werden. Im Verlauf einer solchen Iteration konvergiert die Punktmenge in der Regel gegen ein Optimum. Oft kommt es gerade zu Beginn der Iteration zu schnellen Fortschritten. In dieser Arbeit wird ein Verfahren vorgestellt, bei dem mit Hilfe von evolutionären Algorithmen verbessernde Eingriffe in laufenden Echtzeitsystemen vorgenommen werden. Was gut oder schlecht ist, wird zu diesem Zweck über die Zielfunktion für die Optimierung definiert. Da von der Zielfunktion letztlich das Verhalten des Gesamtsystems abhängt, sollte sie sorgfältig ausgewählt werden. Die Eingriffe in das System sind zeitlich begrenzte Steuertrajektorien. Sie werden zusätzlich zur permanent wirkenden Regelung auf das System aufgebracht. Um die Anzahl der zu optimierenden Variablen in Grenzen zu halten, werden die Steuertrajektorien durch wenige Parameter repräsentiert. Da die Steuertrajektorien im voraus berechnet werden müssen, wird das Systemverhalten mittels eines Modells für eine gewisse, in der Zukunft liegende, Zeitspanne vorhergesagt. Wird die geforderte Qualität während dieser Zeitspanne unterschritten, kann so schon im Vorfeld ein Optimierungslauf des evolutionären Algorithmus durchgeführt werden. Allerdings ist die zur Verfügung stehende Rechenzeit von vornherein begrenzt. Daher ist es wesentlich, daß die mit evolutionären Algorithmen häufig assoziierte lange Rechenzeit nicht benötigt wird. Tatsächlich läßt sich unter Umständen mit wenig Rechenzeit auskommen. Erstens wird nur mit wenigen Variablen gerechnet, zweitens kommt es bei dem beschriebenen Verfahren - halbwegs gutmütige Systeme vorausgesetzt - gar nicht auf die letzte Nachkommastelle, sondern (ähnlich wie bei Sliding-Mode-Regelungen) mehr auf eine Tendenz an. Da evolutionäre Algorithmen aber gerade zu Beginn einer Iteration die größten Fortschritte in Richtung des Optimums machen, kann schon nach vergleichsweise wenigen Schritten eine deutliche Verbesserung der Gesamtsituation erreicht werden. Gerade um eine schnelle Konvergenz zu erreichen, sind die spezielle Ausprägung und die Parameter des evolutionären Algorithmus mit Bedacht zu wählen. Dafür werden im Rahmen der Arbeit einige Experimente durchgeführt. Anhand der Ergebnisse der Experimente können konkrete Empfehlungen für eine günstige Konfiguration des evolutionären Algorithmus gegeben werden. Um es vorwegzunehmen: Zuviel Aufwand beim evolutionären Algorithmus zu treiben, lohnt sich nicht. Schon mit einfachen Konfigurationen können gute Ergebnisse erzielt werden. Die einzige Maßnahme, die sich bei den Experimenten tatsächlich als vorteilhaft herausstellte, war die Aufteilung der Gesamtpopulation (betrachtete Punktmenge im Lösungsraum) in mehrere Subpopulationen. Schließlich wird noch ein Computerprogramm beschrieben, das die Arbeitsweise des vorgestellten Verfahrens am Bildschirm erlebbar macht. Die einzelnen Komponenten werden vom Programm während der Ausführung mit einigen wesentlichen Rechengrößen visualisiert. Der Betrachter erhält so einen besseren Eindruck vom Zusammenwirken der einzelnen Verfahrens-Teile.

Strahlungskorrekturen zu Polarisationsobservablen schwerer Quarks

Das Thema der Dissertation ist die analytische Berechnung von QCD-Strahlungskorrekturen erster Ordnung zurPolarisation schwerer und leichter Quarks in der $e^+ e^-$-Vernichtung,und der Polarisation von Gluonen, die bei der Produktion von leichten oderschweren Quarkpaaren in der $e^+ e^-$-Vernichtung abgestrahlt werden. Der erste Teil der Arbeit (Kapitel 1 und 2) befaßt sich mitder vollständigen Analyse der Gluonpolarisation für den Prozeß $e^+ e^- to q bar q G$ und $ Q bar Q G$. Es werdenBerechnungen derQCD-Bremsstrahlungskorrekturen zur ersten Ordnung in$alpha_s$ zur Gluonpolarisation im Prozeß $e^+ e^- to q bar q G$ und$ Q bar Q G$ durchgeführt. Ferner werden die lineare und die zirkulareGluonpolarisation in der Hadronebene und Leptonebene untersucht. Anschließend werden die Polarwinkelabhängigkeit und dieStrahlpolarisationsabhängigkeit der Gluonpolarisation analysiert. Im zweiten Teil der Arbeit (Kapitel 3 und 4) finden sich die Berechnungen der QCD-Strahlungskorrekturen erster Ordnungfür massive Quarkszur Longitudinal-Longitudinal Spin-Korrelation für dieProzeße $e^+ e^- to q bar q$ und $Q bar Q$. In Kapitel 3 wirdeine Mittelung überdie Polarwinkel durchgeführt, während in Kapitel 4 die Polarwinkel-Abhängigkeit explizit untersucht wird. ImKapitel 3 und 4 wird der Effekt der $O(alpha_s)$-Korrektur zur spin-flip-Konfiguration der verschiedenen Komponenten derHadrontensoren diskutiert. Der vorgelegten Arbeit kommt im Rahmen der für die Zukunftgeplanten Hochpräzisionsexperimente eine besondere Bedeutung zu, dasie Vorhersagen für Spinobservablen liefert, die in Experimentenan den geplanten $e^+ e^-$-Linearbeschleunigern gemessen werden können.

Lineare und nichtlineare dielektrische Spektroskopie am Relaxor-Ferroelektrikum Bleimagnesiumniobat

Relaxor-Ferroelektrika sind wegen ihrer möglichen technischen Anwendungen und vom Standpunkt der Grundlagenforschung als Beispiel für ungeordnete Systeme von wissenschaftlichem Interesse. Trotz zahlreicher experimenteller Untersuchungen sind die mikroskopischen Ursachen ihrer Eigenschaften aber nach wie vor ungeklärt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Relaxor-Ferroelektrikum Bleimagnesiumniobat-Bleititanat (PMN-10PT) mittels linearer und nichtlinearer dielektrischer Spektroskopie untersucht. Durch Anregung mit starken elektrischen Wechselfeldern konnten mit der Methode des nichtresonanten dielektrischen Lochbrennens frequenzselektiv einzelne spektrale Bereiche aus dem verbreiterten Relaxationsspektrum herausgegriffen und deren Rückrelaxation separat verfolgt werden. Die experimentellen Ergebnisse zeigten, daß eine langlebige dynamische Heterogenität der dipolaren Reorientierung existiert. Durch ihr ausgeprägt nichtergodisches Verhalten zeigen Relaxor-Ferroelektrika starke Alterungseffekte. Die Untersuchung des Alterungsverhaltens der dielektrischen Suszeptibilität zeigte, daß ein Gedächtnis für die bei einer Alterungstemperatur eingenommene Konfiguration bestehen bleibt, sofern die Temperatur nach einer unvollständigen isothermen Alterung nur um einige Grad abgesenkt oder erhöht wurde.Außerdem wurde die induzierte Polarisation bei stochastischen dielektrischen Anregungen mit elektrischen Feldern, die in sehr guter Näherung ein weißes Rauschen darstellten, untersucht. Über die Bildung der Kreuzkorrelationsfunktion zwischen Feld und Polarisation konnte die Impulsantwortfunktion des Systems berechnet werden.Die experimentellen Ergebnisse am Relaxor-Ferroelektrikum PMN-10PT können sehr gut mit einem Modell eines ungeordneten Ferroelektrikums erklärt werden, dessen Domänenwände unordnungsbedingt an sogenannten Pinning-Zentren festhaften.

Thermal relaxation for particle systems in interaction with several bosonic heat reservoirs

The present thesis is concerned with the study of a quantum physical system composed of a small particle system (such as a spin chain) and several quantized massless boson fields (as photon gasses or phonon fields) at positive temperature. The setup serves as a simplified model for matter in interaction with thermal "radiation" from different sources. Hereby, questions concerning the dynamical and thermodynamic properties of particle-boson configurations far from thermal equilibrium are in the center of interest. We study a specific situation where the particle system is brought in contact with the boson systems (occasionally referred to as heat reservoirs) where the reservoirs are prepared close to thermal equilibrium states, each at a different temperature. We analyze the interacting time evolution of such an initial configuration and we show thermal relaxation of the system into a stationary state, i.e., we prove the existence of a time invariant state which is the unique limit state of the considered initial configurations evolving in time. As long as the reservoirs have been prepared at different temperatures, this stationary state features thermodynamic characteristics as stationary energy fluxes and a positive entropy production rate which distinguishes it from being a thermal equilibrium at any temperature. Therefore, we refer to it as non-equilibrium stationary state or simply NESS. The physical setup is phrased mathematically in the language of C*-algebras. The thesis gives an extended review of the application of operator algebraic theories to quantum statistical mechanics and introduces in detail the mathematical objects to describe matter in interaction with radiation. The C*-theory is adapted to the concrete setup. The algebraic description of the system is lifted into a Hilbert space framework. The appropriate Hilbert space representation is given by a bosonic Fock space over a suitable L2-space. The first part of the present work is concluded by the derivation of a spectral theory which connects the dynamical and thermodynamic features with spectral properties of a suitable generator, say K, of the time evolution in this Hilbert space setting. That way, the question about thermal relaxation becomes a spectral problem. The operator K is of Pauli-Fierz type. The spectral analysis of the generator K follows. This task is the core part of the work and it employs various kinds of functional analytic techniques. The operator K results from a perturbation of an operator L0 which describes the non-interacting particle-boson system. All spectral considerations are done in a perturbative regime, i.e., we assume that the strength of the coupling is sufficiently small. The extraction of dynamical features of the system from properties of K requires, in particular, the knowledge about the spectrum of K in the nearest vicinity of eigenvalues of the unperturbed operator L0. Since convergent Neumann series expansions only qualify to study the perturbed spectrum in the neighborhood of the unperturbed one on a scale of order of the coupling strength we need to apply a more refined tool, the Feshbach map. This technique allows the analysis of the spectrum on a smaller scale by transferring the analysis to a spectral subspace. The need of spectral information on arbitrary scales requires an iteration of the Feshbach map. This procedure leads to an operator-theoretic renormalization group. The reader is introduced to the Feshbach technique and the renormalization procedure based on it is discussed in full detail. Further, it is explained how the spectral information is extracted from the renormalization group flow. The present dissertation is an extension of two kinds of a recent research contribution by Jakšić and Pillet to a similar physical setup. Firstly, we consider the more delicate situation of bosonic heat reservoirs instead of fermionic ones, and secondly, the system can be studied uniformly for small reservoir temperatures. The adaption of the Feshbach map-based renormalization procedure by Bach, Chen, Fröhlich, and Sigal to concrete spectral problems in quantum statistical mechanics is a further novelty of this work.

Interactive simulation of flexible parts

Computer simulations play an ever growing role for the development of automotive products. Assembly simulation, as well as many other processes, are used systematically even before the first physical prototype of a vehicle is built in order to check whether particular components can be assembled easily or whether another part is in the way. Usually, this kind of simulation is limited to rigid bodies. However, a vehicle contains a multitude of flexible parts of various types: cables, hoses, carpets, seat surfaces, insulations, weatherstrips... Since most of the problems using these simulations concern one-dimensional components and since an intuitive tool for cable routing is still needed, we have chosen to concentrate on this category, which includes cables, hoses and wiring harnesses. In this thesis, we present a system for simulating one dimensional flexible parts such as cables or hoses. The modeling of bending and torsion follows the Cosserat model. For this purpose we use a generalized spring-mass system and describe its configuration by a carefully chosen set of coordinates. Gravity and contact forces as well as the forces responsible for length conservation are expressed in Cartesian coordinates. But bending and torsion effects can be dealt with more effectively by using quaternions to represent the orientation of the segments joining two neighboring mass points. This augmented system allows an easy formulation of all interactions with the best appropriate coordinate type and yields a strongly banded Hessian matrix. An energy minimizing process accounts for a solution exempt from the oscillations that are typical of spring-mass systems. The use of integral forces, similar to an integral controller, allows to enforce exactly the constraints. The whole system is numerically stable and can be solved at interactive frame rates. It is integrated in the DaimlerChrysler in-house Virtual Reality Software veo for use in applications such as cable routing and assembly simulation and has been well received by users. Parts of this work have been published at the ACM Solid and Physical Modeling Conference 2006 and have been selected for the special issue of the Computer-Aided-Design Journal to the conference.

Optical resonances of sphere-on-plane geometries

The optical resonances of metallic nanoparticles placed at nanometer distances from a metal plane were investigated. At certain wavelengths, these “sphere-on-plane” systems become resonant with the incident electromagnetic field and huge enhancements of the field are predicted localized in the small gaps created between the nanoparticle and the plane. An experimental architecture to fabricate sphere-on-plane systems was successfully achieved in which in addition to the commonly used alkanethiols, polyphenylene dendrimers were used as molecular spacers to separate the metallic nanoparticles from the metal planes. They allow for a defined nanoparticle-plane separation and some often are functionalized with a chromophore core which is therefore positioned exactly in the gap. The metal planes used in the system architecture consisted of evaporated thin films of gold or silver. Evaporated gold or silver films have a smooth interface with their substrate and a rougher top surface. To investigate the influence of surface roughness on the optical response of such a film, two gold films were prepared with a smooth and a rough side which were as similar as possible. Surface plasmons were excited in Kretschmann configuration both on the rough and on the smooth side. Their reflectivity could be well modeled by a single gold film for each individual measurement. The film has to be modeled as two layers with significantly different optical constants. The smooth side, although polycrystalline, had an optical response that was very similar to a monocrystalline surface while for the rough side the standard response of evaporated gold is retrieved. For investigations on thin non-absorbing dielectric films though, this heterogeneity introduces only a negligible error. To determine the resonant wavelength of the sphere-on-plane systems a strategy was developed which is based on multi-wavelength surface plasmon spectroscopy experiments in Kretschmann-configuration. The resonant behavior of the system lead to characteristic changes in the surface plasmon dispersion. A quantitative analysis was performed by calculating the polarisability per unit area /A treating the sphere-on-plane systems as an effective layer. This approach completely avoids the ambiguity in the determination of thickness and optical response of thin films in surface plasmon spectroscopy. Equal area densities of polarisable units yielded identical response irrespective of the thickness of the layer they are distributed in. The parameter range where the evaluation of surface plasmon data in terms of /A is applicable was determined for a typical experimental situation. It was shown that this analysis yields reasonable quantitative agreement with a simple theoretical model of the sphere-on-plane resonators and reproduces the results from standard extinction experiments having a higher information content and significantly increased signal-to-noise ratio. With the objective to acquire a better quantitative understanding of the dependence of the resonance wavelength on the geometry of the sphere-on-plane systems, different systems were fabricated in which the gold nanoparticle size, type of spacer and ambient medium were varied and the resonance wavelength of the system was determined. The gold nanoparticle radius was varied in the range from 10 nm to 80 nm. It could be shown that the polyphenylene dendrimers can be used as molecular spacers to fabricate systems which support gap resonances. The resonance wavelength of the systems could be tuned in the optical region between 550 nm and 800 nm. Based on a simple analytical model, a quantitative analysis was developed to relate the systems’ geometry with the resonant wavelength and surprisingly good agreement of this simple model with the experiment without any adjustable parameters was found. The key feature ascribed to sphere-on-plane systems is a very large electromagnetic field localized in volumes in the nanometer range. Experiments towards a quantitative understanding of the field enhancements taking place in the gap of the sphere-on-plane systems were done by monitoring the increase in fluorescence of a metal-supported monolayer of a dye-loaded dendrimer upon decoration of the surface with nanoparticles. The metal used (gold and silver), the colloid mean size and the surface roughness were varied. Large silver crystallites on evaporated silver surfaces lead to the most pronounced fluorescence enhancements in the order of 104. They constitute a very promising sample architecture for the study of field enhancements.

Thermal Casimir effect at fluid interfaces: Fluctuation-induced forces between anisotropic colloids

We study the effective interaction between two ellipsoidal particles at the interface of two fluid phases which are mediated by thermal fluctuations of the interface. Within a coarse-grained picture, the properties of fluid interfaces are very well described by an effective capillary wave Hamiltonian which governs both the equilibrium interface configuration and the thermal fluctuations (capillary waves) around this equilibrium (or mean-field) position. As postulated by the Goldstone theorem the capillary waves are long-range correlated. The interface breaks the continuous translational symmetry of the system, and in the limit of vanishing external fields - like gravity - it has to be accompanied by easily excitable long wavelength (Goldstone) modes – precisely the capillary waves. In this system the restriction of the long-ranged interface fluctuations by particles gives rise to fluctuation-induced forces which are equivalent to interactions of Casimir type and which are anisotropic in the interface plane. Since the position and the orientation of the colloids with respect to the interface normal may also fluctuate, this system is an example for the Casimir effect with fluctuating boundary conditions. In the approach taken here, the Casimir interaction is rewritten as the interaction between fluctuating multipole moments of an auxiliary charge density-like field defined on the area enclosed by the contact lines. These fluctuations are coupled to fluctuations of multipole moments of the contact line position (due to the possible position and orientational fluctuations of the colloids). We obtain explicit expressions for the behavior of the Casimir interaction at large distances for arbitrary ellipsoid aspect ratios. If colloid fluctuations are suppressed, the Casimir interaction at large distances is isotropic, attractive and long ranged (double-logarithmic in the distance). If, however, colloid fluctuations are included, the Casimir interaction at large distances changes to a power law in the inverse distance and becomes anisotropic. The leading power is 4 if only vertical fluctuations of the colloid center are allowed, and it becomes 8 if also orientational fluctuations are included.

A new double laser pulse pumping scheme for transient collisionally excited plasma soft X-ray lasers

Within this thesis a new double laser pulse pumping scheme for plasma-based, transient collisionally excited soft x-ray lasers (SXRL) was developed, characterized and utilized for applications. SXRL operations from ~50 up to ~200 electron volt were demonstrated applying this concept. As a central technical tool, a special Mach-Zehnder interferometer in the chirped pulse amplification (CPA) laser front-end was developed for the generation of fully controllable double-pulses to optimally pump SXRLs.rnThis Mach-Zehnder device is fully controllable and enables the creation of two CPA pulses of different pulse duration and variable energy balance with an adjustable time delay. Besides the SXRL pumping, the double-pulse configuration was applied to determine the B-integral in the CPA laser system by amplifying short pulse replica in the system, followed by an analysis in the time domain. The measurement of B-integral values in the 0.1 to 1.5 radian range, only limited by the reachable laser parameters, proved to be a promising tool to characterize nonlinear effects in the CPA laser systems.rnContributing to the issue of SXRL pumping, the double-pulse was configured to optimally produce the gain medium of the SXRL amplification. The focusing geometry of the two collinear pulses under the same grazing incidence angle on the target, significantly improved the generation of the active plasma medium. On one hand the effect was induced by the intrinsically guaranteed exact overlap of the two pulses on the target, and on the other hand by the grazing incidence pre-pulse plasma generation, which allows for a SXRL operation at higher electron densities, enabling higher gain in longer wavelength SXRLs and higher efficiency at shorter wavelength SXRLs. The observation of gain enhancement was confirmed by plasma hydrodynamic simulations.rnThe first introduction of double short-pulse single-beam grazing incidence pumping for SXRL pumping below 20 nanometer at the laser facility PHELIX in Darmstadt (Germany), resulted in a reliable operation of a nickel-like palladium SXRL at 14.7 nanometer with a pump energy threshold strongly reduced to less than 500 millijoule. With the adaptation of the concept, namely double-pulse single-beam grazing incidence pumping (DGRIP) and the transfer of this technology to the laser facility LASERIX in Palaiseau (France), improved efficiency and stability of table-top high-repetition soft x-ray lasers in the wavelength region below 20 nanometer was demonstrated. With a total pump laser energy below 1 joule the target, 2 mircojoule of nickel-like molybdenum soft x-ray laser emission at 18.9 nanometer was obtained at 10 hertz repetition rate, proving the attractiveness for high average power operation. An easy and rapid alignment procedure fulfilled the requirements for a sophisticated installation, and the highly stable output satisfied the need for a reliable strong SXRL source. The qualities of the DGRIP scheme were confirmed in an irradiation operation on user samples with over 50.000 shots corresponding to a deposited energy of ~ 50 millijoule.rnThe generation of double-pulses with high energies up to ~120 joule enabled the transfer to shorter wavelength SXRL operation at the laser facility PHELIX. The application of DGRIP proved to be a simple and efficient method for the generation of soft x-ray lasers below 10 nanometer. Nickel-like samarium soft x-ray lasing at 7.3 nanometer was achieved at a low total pump energy threshold of 36 joule, which confirmed the suitability of the applied pumping scheme. A reliable and stable SXRL operation was demonstrated, due to the single-beam pumping geometry despite the large optical apertures. The soft x-ray lasing of nickel-like samarium was an important milestone for the feasibility of applying the pumping scheme also for higher pumping pulse energies, which are necessary to obtain soft x-ray laser wavelengths in the water window. The reduction of the total pump energy below 40 joule for 7.3 nanometer short wavelength lasing now fulfilled the requirement for the installation at the high-repetition rate operation laser facility LASERIX.rn