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Studienseminar für Mess- und Regelungstechnik


Einführungsveranstaltung

Die Einführungsveranstaltung für das Studienseminar am EMG findet am

19. April 2021, 14:15 Uhr


über BigBlueButton in StudIP statt. Sie finden den Link dann im StudIP unter Meetings.

Seminarvorträge

Die Seminarvorträge werden ganztägig in einer Blockveranstaltung gehalten. Die Veranstaltung wird online über das BigBlueButton-Tool in StudIP durchgeführt.
Die Teilnahme beinhaltet die Anwesenheit bei allen Seminarvorträgen dieser Blockveranstaltung.

Blockveranstaltung

25. Juni 2021 09:00 Uhr (Ende ca. 14:30)

 

Anmeldung Die Anmeldefrist ist abgelaufen (15. April 2021)

 

Themen

Messtechnik und Technologie

Magnetische Nanopartikel und Biomedizintechnik


Messtechnik und Technologie

Supraleitende Einzelphotonen-Detektoren - am Quantenlimit des Lichtes

Elektromagnetische Strahlung lässt sich in Form von sogenannten Photonen, die Quanten der elektromagnetischen Welle, als unteres und kleinstes Limit detektieren. Hierfür werden Detektoren benutzt, die für diese winzigen Energiepakete sensitiv genug sind. Ein Anwendungsbeispiel ist das Auslesen der Zustände von Ionen in quantenmechanischen Systemen, wie zum Beispiel in einem Quantencomputer.
In diesem Vortrag soll ein Überblick über verschiedene Methoden zur Einzelphotonen-Detektion gewonnen werden. Hierbei sollen vor allem Dünnschichtbauelemente wie die supraleitenden Detektoren auf Basis von supraleitenden Nanodrähten und die halbleitenden Avalanche Dioden in Bezug auf die Detektionseigenschaften verglichen werden.

Betreuer: Dominik Hanisch, MSc.

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Quantenoperationen mit Ionenfallen

Quantencomputer unterscheiden sich in vielerlei Hinsicht von klassischen Computern. Während herkömmliche Systeme Berechnungen auf Basis der Logikpegel '0' und '1' durchführen, greift man bei Quantencomputern auf Quantenbits (Qubits) zurück. Dabei können Qubits auf verschiedene Arten realisiert werden. Im Projekt Quantum Valley Lower Saxony (QVLS) sollen die Qubits in Form von Valenzelektronen mehrerer gefangener Ionen realisiert werden.
Das EMG unterstützt Niedersachsens Bestrebungen, einen Quantencomputer zu bauen, mit der Entwicklung der Elektronik zum Fangen, Verschieben und Manipulieren der Informationsträger. Die Funktionsweise einer Paul-Ionenfalle und die Erzeugung des Fallensignals sollen im Rahmen des Seminarvortrags präsentiert werden.

Betreuer: Marjan Schubert, MSc.

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Steuerung echtzeitkritischer Experimente mit Python mittels ARTIQ

Bei der Durchführung komplexer Experimente der Quantenphysik, darunter der Ansteuerung der Ionenfallen des sich in Entwicklung befindlichen niedersächsischen Quantencomputers QVLS-Q1, müssen Hunderte unterschiedliche Signale mit höchster zeitlicher Präzision erzeugt und gemessen werden. Bisher wurde dafür speziell entwickelte FPGA-basierte Hardware eingesetzt, die jedoch aufwendig in der Programmierung und nicht zwischen verschiedenen Versuchsaufbauten übertragbar war. Einen neuen Ansatz stellt der Einsatz der modularen Open-Hardware Plattform Sinara und ihre Programmierung mittels ARTIQ (Advanced Real-Time Infrastructure for Quantum physics) dar.
In ARTIQ werden zeitkritische Segmente des Python-Programms (Kernels) zur Laufzeit kreuzkompiliert und auf dem FPGA des Controllers (Kasli) der Sinara ausgeführt. Die RTIO Schnittstelle sorgt für nanosekundengenaue Synchronisierung und Ausführung der Befehle des Kernels durch die spezialisierten Module aller angeschlossener Sinara-Gehäuse.
Im Rahmen dieses Vortrages soll die Softwarearchitektur von ARTIQ, darunter die Programmierung der Kernels und die Architektur der FPGA-Firmware, erklärt werden. Da die Vorbereitung des Vortrages auch die Auseinandersetzung mit dem Quellcode benötigt, ist vorherige Erfahrung in Python- und FPGA-Programmierung wünschenswert.

Betreuer: Ilya Elenskiy, MSc.

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Rasterkraftmikroskopie

Das Rasterkraftmikroskop (engl.: atomic force microscope, AFM) gehört zur Klasse der Rastersondenmikroskope und bildet einen wichtigen Bestandteil der Laborausstattung für Messungen im Mikro- und Nanometerbereich. Bei einem Rasterkraftmikroskop rastert eine feine Spitze, die am vorderen Ende einer Blattfeder angebracht ist, die Oberfläche eines Prüfobjekts gleichmäßig ab. Dabei befindet sich die Spitze in unmittelbarer Nähe zur Probenoberfläche, wodurch Kraftwechselwirkungen zwischen Spitze und Oberfläche zu einem Messsignal führen. Dieses Signal wird für eine Bilderstellung ausgewertet und verarbeitet. Auf diese Weise können vertikale Auflösungen bis in den Ångström-Bereich erreicht werden.
Am Institut für Elektrische Messtechnik und Grundlagen der Elektrotechnik (EMG) steht ein Rasterkraftmikroskop zur Verfügung, das in der Dünnschichttechnik unter anderem für Untersuchungen von Mikrostrukturen oder atomar glatten Substratoberflächen zum Einsatz kommt.

In diesem Vortrag sollen die Funktionsweise sowie verschiedene Betriebsmodi von Rasterkraftmikroskopen erklärt werden. Für eine bessere Verdeutlichung einzelner Vortragsinhalte können dabei Aufnahmen vom Rasterkraftmikroskop des EMG verwendet werden.

Betreuer: Denis Kajevic, MSc.

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Ein-Chip-Systeme (SoC) in der Messtechnik

Im Embedded Bereich werden heutzutage überwiegend SoC (System-on-Chip) eingesetzt. Häufig werden diese zusätzliche um spezialisierte Co-Prozessoren (z.B. bei Audio-/Video-Processing) oder universellen FPGAs (z.B. bei KI-Anwendungen) ergänzt. Dabei funktioniert der SoC in der Regel als Master/Host und der Zugriff auf externe Bausteine wird über z.B. EMI/EBI (Extended Memory/Bus Interface) realisiert. Dabei wird die externe Funktion in den SoC-Speicher gemapped. Ein bekanntes Beispiel für einen ARM-basierten SoC plus FPGA ist die RedPitaya StemLab Platform.
Im Rahmen dieses Vortrages soll die Architektur solcher Systeme beschrieben werden.

Betreuer: Dr.-Ing. Thilo Viereck

 

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Medizintechnik und Anwendungen

Einführung in die Realisierung von homogenen Bioassays mit magnetischen Nanopartikeln

Magnetische Nanopartikel bieten aufgrund ihrer Eigenschaften verschiedenste Anwendungsmöglichkeiten in der Medizin und Bioanalytik. Hier dienen Bioassays zum Nachweis eines bestimmten Stoffes (z.B. Enzyme oder Antikörper). Dieser wird herkömmlich über fluoreszierende oder radioaktive Marker sichtbar gemacht. Magnetische Nanopartikel können hierbei als magnetische Marker verwendet werden, was eine Reihe von Vorteilen bietet.
Der nachzuweisende Stoff bindet dabei spezifisch an die funktionalisierte Hülle der Nanopartikel. Dadurch verändert sich die Größe des Partikels und damit auch seine dynamischen Eigenschaften. Diese können über magnetische Messmethoden detektiert werden.
In dem Vortrag sollen die Eigenschaften magnetischer Nanopartikel sowie die Grundlagen zu homogenen Bioassays vorgestellt werden. Es soll besonders auf die Wechselfeldsuszeptometrie (ACS) und die Magnetrelaxometrie (MRX) als magnetische Messmethoden eingegangen werden.

Betreuerin: Tamara Kahmann, MSc.

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Homogene Bioassays mit funktionalisierten magnetischen Nanopartikeln

Die aktuelle Situation der COVID-19-Pandemie verdeutlicht die Relevanz von schnellen und einfach zu handhabenden Virus-Nachweisverfahren. Virionen selbst sind zu keinen Stoffwechselvorgängen fähig, sondern benötigen Wirtszellen für die Fortpflanzung. Mithilfe von viralen Oberflächenproteinen docken sie an Transport- und Rezeptorproteine an und verschaffen sich so Eingang in die Zelle. Innerhalb der Zelle wird das Erbmaterial vervielfältigt sowie die Bestandteile des Virus synthetisiert. Sowohl die Antigene als auch die spezifischen Virusgenome können durch den Einsatz von speziell funktionalisierten Markern detektiert werden.
Mit nur wenigen Nanometern bis 100 nm Durchmesser liegen magnetische Nanopartikel in der Größenordnung von Proteinen und Antikörpern und sind somit kleiner als menschliche Zellen. Die speziellen magnetischen Eigenschaften von MNP ermöglichen eine Vielzahl von Anwendungen sowohl in der Medizintechnik als auch in der Bioanalytik. Durch gezielte Funktionalisierung können MNP dazu genutzt werden, biologisch interessante Objekte zu markieren und mit entsprechenden Nachweismethoden zu detektieren.
In dem Vortrag soll das Funktionsprinzip von Bioassays mit MNP vorgestellt werden. Im Zuge dessen soll neben den Grundlagen das Prinzip der Magnetic Particle Spectroscopy (MPS) erläutert werden. Weiterhin sollen mögliche Anwendungen für Immunoassays mit MNPs vorgestellt sowie Potentiale und Limitierungen für MNP-basierte Immunoassays analysiert werden.

Betreuerin: Enja Laureen Rösch, MSc.

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Temperaturmessung mit magnetischen Nanopartikeln

Magnetische Nanopartikel können in der Medizintechnik zur Diagnostik und zur Therapie eingesetzt werden. Eine wichtige Rolle spielt dabei die Temperatur des umgebenden Mediums und der Partikel selbst. Die Verwendung magnetischer Nanopartikel als nanoskalige Temperatursensoren basiert auf der Temperaturabhängigkeit von deren magnetischem Moment. Zur Detektion der Temperatur ist es möglich, Messsysteme auf Basis eines Magnetpartikel-Spektrometers (MPS) zu nutzen.
In diesem Seminarvortrag sollen die physikalischen Grundlagen für die Temperaturmessung mit magnetischen Nanopartikeln sowie die praktische Realisierung am Beispiel eines MPS-Scanners vorgestellt werden.

Betreuer: Klaas-Julian Janssen, MSc.

Ferromagnetische Ordnung in Flüssigkristallen

Ein Flüssigkristall (engl. Liquid Crystal bzw. LC) weist sowohl Eigenschaften von Flüssigkeiten als auch von Festkörpern auf, d.h. er besitzt richtungsabhängige physikalische Eigenschaften. Flüssigkristalle finden Anwendung in vielen elektrischen Geräten. Sie bilden z. B. die Grundlage der LCD-, sowie der meisten modernen LED-Bildschirme. Dies ist der Tatsache geschuldet, dass ihre Durchlässigkeit für polarisiertes Licht in Abhängigkeit von äußeren elektrischen Feldern gesteuert werden kann. Für deren magnetische Steuerung werden aufgrund der kleinen magnetischen Suszeptibilität jedoch sehr große Magnetfelder benötigt. Eine Lösung des Problems besteht darin, magnetische Nanopartikel in die Flüssigkristall-Matrix einzubetten. Die Flüssigkristallstruktur stabilisiert zum einen die magnetische Ordnung, so dass sich eine ferromagnetische Ordnung ausprägen kann. Zum anderen sind solche Flüssigkristalle zusätzlich zu den elektrischen Feldern auch durch vergleichsweise schwache Magnetfelder manipulierbar.
In den vergangenen Jahren sind insbesondere so genannte ferronematische Materialien in den Fokus intensiver Forschung gerückt, da sie neue Möglichkeiten für Sensoren eröffnen, welche auf verschiedene elektrische, magnetische, mechanische und chemische Stimuli reagieren.
Im Rahmen dieses Seminarvortrags sollen zunächst kurz die Grundlagen von Flüssigkristallen beschrieben werden. Anschließend soll detaillierter auf die Kopplung der magnetischen Nanopartikel mit der LC-Matrix und die Probleme bei der Realisierung solcher Nanokompositmaterialien eingegangen werden. Zuletzt sollen mögliche Anwendungsfelder von ferromagnetischen Flüssigkristallen aufgezeigt werden.

Betreuer: Melvin Küster, MSc.

 

 

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