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Die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (”Laser Induced Breakdown Spectroscopy”, im Folgenden auch ”LIBS” genannt) stellt eine schnelle und berührungslose Messmethode zur Elementanalyse von festen, flüssigen oder gasförmigen Stoffen unter normalen Umgebungsbedingungen ohne besondere Probenvorbereitung dar. Dazu wird ein gepulster Laser, dessen Intensität einen bestimmten Grenzwert überschreiten muss, auf eine Probe fokussiert. Das dort bestrahlte Material verdampft schlagartig und es bildet sich bei einer Temperatur von rund 10000 K ein Plasma aus. Die angeregten Atome und Ionen im Plasma strahlen bei der Rückkehr in energetisch niedrigere Zustände ein charakteristisches optisches Emissionsspektrum ab, welches über eine schnelle spektroskopische Analyse die Elementzusammensetzung des untersuchten Materials liefert. LIBS bietet in diesem Fall auch die Möglichkeit, ein unkompliziertes und bildgebendes Messverfahren aufzubauen, indem Elementverteilungen auf einer topographischen Oberfläche analysiert werden, um beispielsweise Materialübergänge, Einschlüsse oder Verschmutzungen sicher zu detektieren. Bei unebenen Oberflächen wird eine ständige Anpassung des Laserfokus an die Probenkontur benötigt, da die notwendige Intensität zur Erzeugung des Plasmas nur im Fokus aufgebracht werden kann. Als Grundlage dafür dient ein neu entwickelter Fokussieralgorithmus, der ohne jegliche Zusatzgeräte auskommt, und die Reproduzierbarkeit von LIBS-Messungen deutlich steigern kann, da die Messungen kontrolliert im Fokus stattfinden. Durch ihn ergeben sich neue Möglichkeiten des sogenannten „Element-Mappings", dem Erzeugen von Elementlandkarten, welche die Elementverteilungen in Falschfarben grafisch darstellen. Dabei ist das System nun nicht mehr auf eine ebene Oberfläche angewiesen, sondern kann beliebige Strukturen, auch mit scharfen Kanten und Löchern, sicher vermessen. Als Ergebnis erhält man ein flächiges Höhenprofil, welches zusätzlich die Elementinformationen für jeden Messpunkt beinhaltet. Dies erleichtert es dem Benutzer, gezielt Punkte von Interesse schnell wiederzufinden und zu analysieren. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines bildgebenden Low-Power-LIBSSystems mit niedriger Pulsenergie und hoher Pulsrate, welches sich mit dem dazugehörigen
Fokussieralgorithmus automatisiert an unebene Probenoberflächen anpassen kann. Als Ergebnisse werden die Analysen von ausgewählten metallhaltigen, geologischen, organischen und archäologischen Proben bzw. Fundstücken gezeigt.
Warum stürzen wir beim Gehen? Dreidimensionale und komplexe
Bewegungsabläufe des menschlichen Ganges exakt zu
analysieren und somit offene Grundfragen der Kinesiologie zu
beantworten ist Kern dieser Arbeit. Die Bewegungswissenschaft
der Gerontologie beschränkt sich derzeit noch auf Modelle und
Methoden mit einfachen und eindimensionalen Bewegungsanalysen.
In einer umfangreichen Literaturrecherche wird der aktuelle
Stand der Technik an Hand der drei gängigsten Methoden zur
Bestimmung der Stabilität beim Gehen erfasst und bewertet.
Eine Bewertung der drei Methoden: Margin of Stability, Lokale
Stabilität und Orbitale Stabilität, erfolgt durch die Ermittlung
der Anwendbarkeit der einzelnen Methoden, um die Tendenz eines
Probanden zu bestimmen, sich von kleinen (natürlichen oder
künstlichen) Störungen des Gangs zu erholen. Auf Grundlage
dieser Bewertungen und das Abwägen der Vor - und Nachteile
der einzelnen Methoden, wurde eine neue Methode zur Beurteilung
der räumlichen-dynamischen Stabilität entwickelt, die sich
für die Analyse des linearen und nicht-linearen menschlichen
Gangs anwenden lässt. Als Methodische Grundlagen dienen
ein Motion-Capture-System, zur Erfassung der kinematischen
Bewegungen, und ein in der Gerontologie fest etablierte Mobilitätstest,
der sogenannte Timed Up and Go Test, zur Beurteilung
des Gleichgewichts und der Mobilität. Zusätzlich wurde eine
numerische Näherung der Marker-Anzahl des Motion-Capture-
Systems durchgeführt. Dabei wurde die Anzahl der Marker auf
ein Marker-Set minimiert, bei der die bestmögliche Korrelation
der Ergebnisse zum Full-Body-Marker-Set erzielt wird. Dies
dient zur Vereinfachung der Methode für zukünftige Anwendungen
bei klinischen oder wissenschaftlichen Fragestellungen. Die
neu entwickelte Methode bedarf einer Validierung, welche mit
Hilfe einer Probandenstudie durchgeführt wurde. Die Ergebnisse
der Probandenstudie werden präsentiert und Interpretationsmöglichkeiten
werden aufgezeigt. Neue relevante Variablen und
Momentbestimmungen besonderer Gangsituationen werden ausgewertet
und bieten Raum für neue Interpretationsansätze zur
Beurteilung des menschlichen Gangs.
Die neue Methode ist somit in der Lage die individuelle Entwicklungen
des Bewegungsablaufes im Alter und die Vermeidung
von Stürzen und einhergehenden Verletzungen aus einer erweiterten
und neuen Perspektive zu beurteilen. Insbesondere
können Richtungswechsel bei einem nicht-linearen Gang neu
betrachtet und beurteilt werden.
Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Anwendung des sogenannten Molekül-LIBS Verfahrens, einem neuartigen Ansatz der Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS), um den Nachweis für Lochkorrosion auslösende Chloride in Betonbauwerken, die z.B. durch Streusalze im Winter eingetragen werden, zu optimieren. Die potentiometrische Titration als Standardverfahren zur Chloridbestimmung in der Baustoffanalytik weist neben einem hohen Kosten- und Zeitaufwand den entscheidenden Mangel auf, dass die Bestimmung der Chloridkonzentration auf die Gesamtmasse des Betons bezogen wird und nicht wie in der europäischen Norm EN 206 gefordert auf den Zementanteil. Die bildgebenden Möglichkeiten von LIBS zur Phasentrennung des Betonserfüllen diese Forderung. LIBS wurde bereits 1998 von der BAM in der Baustoffanalytik eingesetzt, allerdings erfordert der Nachweis von Chloriden mit LIBS eine teure Heliumspülung und Spektrometer außerhalb des sichtbaren Spektralbereichs, um atomare Emissionen von Chlor zu detektieren. Der Ansatz von Molekül-LIBS besteht darin, dass die Emission chloridhaltiger Molekülradikale, die sich in der Abkühlphase des laserinduzierten Plasmas bilden, zur Quantifizierung genutzt werden. Die Vorteile gegenüber dem konventionellen LIBSVerfahren sind die Emission im sichtbaren Spektralbereich und die Anwendbarkeit ohne Edelgasspülung. In dieser Arbeit wird zudem der Einfluss der experimentellen Komponenten auf das Zeitverhalten der relevanten Molekülemissionen untersucht, Signalschwankungen durch Plasmafluktuationen werden deutlich reduziert und für eine umfassende Plasmaanalytik wird die Molekülbildung auf atomistischen Maßstäben simuliert und mit Standardverfahren verglichen. In Simultanmessungen werden atomare und molekulare Cl-Emission direkt verglichen und die Quantifizierung durch Datenzusammenführung optimiert. Molekül-LIBS wird zu einem quantifizierenden und bildgebenden Verfahren erweitert, das Chloride ohne Edelgasspülung detektieren kann.
Zur unterstützten Repositionierung von Femurschaftfrakturen während der intramedullären Nagelung, wurde ein Assistenzsystem entwickelt. Grundprinzip der Anordnung ist die Kraftaufnahme der von den femuralen Muskeln und Bändern erzeugten Zugkräfte mittels einer Linearfahrbahn und Gewindestange. Dazu werden Schanzschrauben als Kochen-Maschinen Verbindung verwendet, was direkte Knochenfragmentmanipulation ermöglicht. Weiterhin wird die Justage der Position und Orientierung der Fragmente mittels weiterer eingebrachter Schanzschrauben und Anwendung der Joystick Technik durchgeführt. Dazu werden ein passiver Gelenkarm und ein Gelenkarm mit robotischem Manipulator verwendet. Dank einer seriellen Kinematik des Systems, wird nur geringer Arbeitsraum des Operateurs in Anspruch genommen. Die Zentrale Steuereinheit besteht aus einem eingebetteten System auf Basis eines ARMCortex-M0 Mikrocontrollers, auf welchem ein Echtzeitbetriebssystem zum Einsatz kommt. Somit ist es möglich, die verschiedenen Winkelstellungen der Gelenke des robotischen Arms mittels inverser Kinematik zu in Echtzeit berechnen und entsprechend Stellmotoren anzusteuern. Zur Lösung der inversen Kinematik Problems kommt der iterative FABRIK Algorithmus zum Einsatz. Neuartiges und einziges Steuerinterface für den Operateur ist ein Kraft Momenten Sensor auf optischer Basis. Der serielle Gelenkarm folgt somit stets der Bewegung des Operateurs. Insgesamt konnte mit dem Demonstratoraufbau eine Positionierungsgenauigkeit des Manipulators auf dem Gelenkarm von <0,1mm erreicht werden. Somit ist zu erwarten, dass durch den Einsatz eines solchen Assistenzsystems während der Repositionierung bei der intramedullären Nagelung eine massive Präzisionserhöhung erreicht werden kann. Außerdem ist eine erhebliche Reduzierung der Röntgenstrahlenexposition des Operateurs durch Einsatz dieses Systems möglich. Weiterhin ermöglicht es eine Kostensenkung durch Zeiteinsparung und Personalreduzierung.
Spektroskopie zweiatomiger Moleküle bei Einstrahlung ultrakurzer Laserpulse und ihre Anwendung
(2020)
Durch die Verwendung ultrakurzer Pulse lassen sich selbst bei moderaten Pulsenergien und Durchschnittsleistungen sehr hohe Spitzenleistungen erreichen, deren Wirkung auf Materie sich grundlegend von der anderer Lichtquellen unterscheidet. Die hohe Feldstärke ist hier nicht nur verantwortlich für das vermehrte Auftreten optisch nichtlinearer Effekte wie der Frequenzverdopplung, sondern ist auch hauptverantwortlich für die ”kalte“ Ablation, die zu deutlich kälteren Plasmen führt. Eine Untersuchung dieser beiden Umstände in Hinblick auf eine Vereinfachung der Pulslängenmessung und eine Verbesserung der Molekülbildung in erkaltenden Plasmen ist Thema dieser Arbeit. In diesem Zusammenhang wird gezeigt, dass die Verwendung von Ultrakurzpulslasern bei der Wahl geeigneter Prozessparameter, insbesondere durch gezielte Defokussierung, die Spektroskopie verschiedener emittierender Moleküle wie Aluminiumoxid verbessert, sodass deren Detektion auch ohne die in der Literatur geforderten zeitauflösenden Messinstrumente möglich ist. Darüber hinaus ermöglichen ultrakurze Pulse eine ortsaufgelöste Kristallisation von Zinkoxid auf – mit einfachen Mitteln präparierten – Zinkoberflächen. Die dabei entstandenen Wurtzite richten ihre c-Achse meist annähernd senkrecht zur darunterliegenden Oberfläche aus und können zur Erzeugung von gestreuter Frequenzverdopplung genutzt werden. Hierfür haben sich besonders die in den letzten Jahren entwickelten faserbasierten Femtosekundenlaser mit Pulsenergien im Mikrojoule-Bereich, Pulslängen von wenigen 100fs und äußerst geringem Wartungsaufwand als ein leistungsfähiges Instrument erwiesen. Die hohe Pulsenergie dieser Systeme erlaubt zudem die Verwendung von Frequenzverdopplern mit deutlich geringeren Konversionsezienzen zur Messung der Pulslänge. Trotz uneinheitlicher Kristallachsen hat sich hier das streuend frequenzverdoppelnde Aluminiumnitrid als besonders tauglich für die optische Autokorrelation herausgestellt. Im Vergleich zum üblicherweise verwendeten monokristallinen Beta-Bariumborat, reduzieren die gesinterten Aluminiumnitrid-Keramikplatten den Justageaufwand, vereinfachen durch ihre Robustheit die Handhabung und verringern den Kostenfaktor um zwei bis drei Größenordnungen. Daher eignet sich das hier entwickelte Verfahren auch für die Kontrolle der Pulslänge während des Fertigungsprozesses eines solchen Systems – besonders dann, wenn hohe bzw. für Beta-Bariumborat zu hohe Pulsenergien auftreten können.