530 Physik
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Shock waves, explosions, impacts or cavitation bubble collapses may generate stress waves in solids causing cracks or unexpected dammage due to focussing, physical nonlinearity or interaction with existing cracks. There is a growing interest in wave propagation, which poses many novel problems to experimentalists and theorists.
The nonlinear scalar constitutive equations of gases lead to a change in sound speed from point to point as would be found in linear inhomogeneous (and time dependent) media. The nonlinear tensor constitutive equations of solids introduce the additional local effect of solution dependent anisotropy. The speed of a wave passing through a point changes with propagation direction and its rays are inclined to the front. It is an open question whether the widely used operator splitting techniques achieve a dimensional splitting with physically reasonable results for these multi-dimensional problems. May be this is the main reason why the theoretical and numerical investigations of multi-dimensional wave propagation in nonlinear solids are so far behind gas dynamics. We hope to promote the subject a little by a discussion of some fundamental aspects of the solution of the equations of nonlinear elastodynamics. We use methods of characteristics because they only integrate mathematically exact equations which have a direct physical interpretation.
Der Helium-Neon-Laser
(2003)
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Specklereduktion bei der Infrarotlaser-gestützten abbildenden Ferndetektion von TNT-Oberflächenkontaminationen. Für die Detektion wird die Probenoberfläche mit einem abstimmbaren Quantenkaskadenlaser bei verschiedenen Wellenzahlen im Spektralbereich von 1340cm-1 bis 1380cm-1 bestrahlt, während eine Infrarot-Kamera Bilder der bestrahlten Fläche aufzeichnet. Diese Bilder werden dann so verarbeitet, dass im Ausgabebild die chemisch spezifische TNT-Absorption durch eine Änderung der Helligkeit örtlich aufgelöst erkennbar werden. Da kohärente Strahlung, welche beispielsweise an optisch rauen Oberflächen reflektiert wird, aufgrund der stochastischen Verteilung der Oberflächenrautiefe mit der einfallenden Strahlung lateral unterschiedlich interferiert, entsteht ein „Rauschen“ in der aufgezeichneten Strahlungsleistungsverteilung, das sog. Speckle-Phänomen. Die Empfindlichkeit der oben skizzierten Lasergestützten Messtechnik wird im Wesentlichen durch diesen Effekt limitiert. Um die durch Laserspeckles verursachten Rauschanteile zu reduzieren, gibt es verschiedene Möglichkeiten. Durch Reduktion von zeitlicher und räumlicher Kohärenz der Strahlung wird deren Interferenzfähigkeit reduziert und durch Variieren des Specklemusters während einer Bildaufzeichnung führen Mittelungen unkorrelierter Rauschanteile zu einer Specklekontrastreduktion. Letztere Möglichkeit resultiert daraus, dass Laserspeckles statistisch durch die Familie der Gammaverteilungen beschrieben werden können. Demnach verbessert sich das Signal-zu-Rausch-Verhältnis mit der Anzahl gemittelter, unkorrelierter Rauschmuster proportional zur Wurzel dieser Anzahl. Ein im MIR-Spektralbereich umsetzbarer Ansatz, der all diese Möglichkeiten berücksichtigt, wurde bereits 1971 von Lowenthal und Joyeaux vorgeschlagen und im Rahmen der vorliegenden Arbeit für den infraroten Spektralbereich adaptiert. Dazu wird die Strahlung mit zwei CVD-Diamant-Wafern moduliert; ein Wafer ist dabei stationär und der andere rotiert mit ca. 70Hz. In der vorliegenden Arbeit konnte mit diesem Ansatz eine Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses in der betrachteten Strahlungsleistungs¬verteilung von ursprünglich 3 auf etwa 45 erzielt werden. So konnten erstmals TNT-Kontaminationen von bis zu 10µg/cm² in einem Abstand von 5m abbildend nachgewiesen werden. Dies entspricht der Kontamination durch einen mit TNT leicht verunreinigten Fingerabdruck.
Lasermesstechnik 1
(2005)
Lasermesstechnik 2
(2005)
One of interesting but not well known water properties is related to appearance of highly ordered structures in response to strong electrical field. In 1893 Sir William Armstrong placed a cotton thread between two wine glasses filled with chemically pure water. When high DC voltage was applied between the glasses, a connection consisting of water formed, producing a "water bridge"
Die qualitative und quantitative Detektion von Zielsubstanzen innerhalb einer wässrigen Probe ist für viele Fragestellungen von Interesse, etwa bei der Detektion von Kontaminationen in Trinkwasser in Krisensituationen. Hierbei ist es nicht nur wichtig, dass Pathogene möglichst sensitiv detektiert werden können, sondern auch, dass die Analyse schnell erfolgt, um Betroffenen im Katastrophenfall zügig sicheres Trinkwasser zu Verfügung stellen zu können. Da bei einem solchen Szenario nicht von einer in der Nähe befindlichen funktionierenden Laborinfrastruktur ausgegangen werden kann, ist es wichtig, dass die Messung direkt vor Ort erfolgen kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, ob eine derartige Schnellanalytik mithilfe von superparamagnetischen Beads (MBs) und der magnetischen Frequenzmischtechnik möglich ist. Dabei werden die MBs mit Hilfe von primären Antikörpern an die Zielsubstanz gebunden und mit sekundären Antikörpern an die Poren-Oberfläche eines Polyethylen-Filters fixiert (Sandwich-Immunoassay). So kann die Quantifizierung der Zielsubstanz auf eine magnetische Messung der immobilisierten MB-Marker zurückgeführt werden. Die magnetische Frequenzmischtechnik basiert auf der Anregung der Probe mit Magnetfeldern zweier verschiedener Frequenzen. Die durch die nichtlineare Magnetisierungsform der superparamagnetischen MBs entstehenden Mischfrequenzen werden typischerweise mithilfe einer zweistufigen Lock-in-Detektion analysiert (analoge Demodulation), die in einem Magnetreader als Handheldgerät realisiert wurde. Zusätzlich zu dieser Technik wurde das Prinzip der direkten Digitalisierung des gesamten Antwortsignals mit anschließender Fourier-Analyse der erzeugten Mischfrequenzen experimentell umgesetzt, um die Amplituden und Phasen mehrerer Mischfrequenzen simultan zu erfassen. Eine Möglichkeit zur Sensitivitätssteigerung ist die magnetische Aufkonzentration, indem vor der magnetischen Analyse eine Separation der MBs aus einem größeren Probenvolumen mittels magnetischem Feldgradienten durchgeführt wird. Zur Charakterisierung verschiedener kommerzieller MBs hinsichtlich ihrer magnetischen Separierbarkeit wurde ein Aufbau zur Messung ihrer magnetophoretischen Beweglichkeiten realisiert und ihre Geschwindigkeiten im Gradientenfeld mikroskopisch gemessen.Da eine Probe oftmals nicht nur auf eine einzige Zielsubstanz, sondern simultan auf mehrere verschiedene Pathogene hin untersucht werden soll, wurden verschiedene Ansätze entwickelt und getestet, die einen solchen multiparametrischen magnetischen Immunoassay ermöglichen. Einerseits wurde eine räumliche Separation der Bindungsbereiche für verschiedene Zielsubstanzen realisiert, die sequentiell ausgewertet werden können. Andererseits wurde die Unterscheidung von verschiedenen Zielsubstanzen anhand der Charakteristika der an sie gebundenen, verschieden funktionalisierten MB-Typen untersucht. Für eine solche Unterscheidung wurde zum einen die Anregefrequenz der magnetischen Frequenzmischtechnik während einer Messung variiert. Damit konnte gezeigt werden, dass sich verschiedene MB-Sorten anhand der Phase ihrer Frequenzmischsignale voneinander unterscheiden lassen. Weiterhin wurde gezeigt, dass sich der Signalverlauf einer binären Mischung zweier verschiedener MB-Typen als gradueller Übergang der Verläufe der beiden reinen MB-Lösungen ergibt. Eine weitere Analysemethode für einen multiparametrischen Immunoassay besteht darin, ein zusätzliches einstellbares statisches magnetisches Offsetfeld zu verwenden. Hierfür wurden mehrere Aufbauten auf Basis von Permanent- und Elektromagneten simuliert, konstruiert und charakterisiert. Mithilfe von Simulationen konnte gezeigt werden, dass eine auf diesem Verfahren beruhende Unterscheidung für MBs mit unterschiedlichen magnetischen Partikelmomenten möglich ist. Als direkte Anwendung des hier entwickelten Magnetreaders in Zusammenspiel mit der digitalen Demodulation wurde ein magnetischer Assay gegen die B-Untereinheit des Choleratoxins in Trinkwasser mit einem niedrigen Detektionslimit von 0,2 ng/ml demonstriert.