Christian Krause Knihy

Eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung von service-orientierten Systemen ist die Vorhersage und Sicherstellung nicht-funktionaler Eigenschaften wie Ausfallsicherheit und Verfügbarkeit interorganisationeller Dienste. Diese Systeme sind oft durch zahlreiche Unsicherheiten geprägt, die sowohl in der Modellierung als auch in der Analyse eine Rolle spielen. Die relevanten Unsicherheiten lassen sich in epistemische Unsicherheiten, die durch unvollständiges Wissen entstehen, und Zufallsfaktoren, die in Protokollen oder physikalischen Prozessen auftreten, unterteilen. In diesem Bericht wird ein probabilistisches, zeitbehaftetes Modell untersucht, das quantitative Aussagen über nicht-funktionale Eigenschaften einer bestimmten Klasse von service-orientierten Echtzeitsystemen ermöglicht. Ein Anforderungskatalog für probabilistische Echtzeitsysteme mit Unsicherheiten wird erstellt, um die Auswirkungen dieser Unsicherheiten auf die Wahl der Modellierungs- und Analysemethoden zu verdeutlichen. Als formales Modell kommen Interval Probabilistic Timed Automata (IPTA) zum Einsatz. Das Modell bietet die notwendige Ausdrucksstärke für eine realistische Spezifikation und geeignete Methoden zur Bestimmung quantitativer Sicherheits- und Zuverlässigkeitseigenschaften. Für die quantitative Analyse wird probabilistisches Model Checking verwendet, unterstützt durch eine Erweiterung des Prism-Werkzeugs zur Modellierung und Analyse von IPT

Sowohl in der Wissenschaft als auch in der Technik nimmt die Bedeutung kleiner Gleichströme im Sub-Nanoamperebereich stetig zu. Die höchsten Anforderungen bestehen zurzeit bei der Charakterisierung von Einzelelektronenpumpen. Hier werden Unsicherheiten von unter 0.1 μA/A bei 100 pA gefordert. Bis 2014 waren in diesem Bereich allerdings nur Unsicherheiten von typisch 10 μA/A möglich. Durch die Entwicklung des ultrastabilen rauscharmen Stromverstärkers (ULCA) konnten in der Kleinstrom-Metrologie in den vergangenen Jahren wesentliche Fortschritte bei der Messunsicherheit erzielt und damit neue Weltrekorde im Bereich der Einzelelektronenpumpenforschung aufgestellt werden. Der ULCA ist ein halbleiterbasierter Verstärker zur Messung und Erzeugung kleiner Stromstärken. Sein Verstärkungsfaktor (Transresistanz) ist extrem stabil. Das Rauschniveau von 2.4 fA/sqrt(Hz) begrenzt allerdings bei sehr kleinen Stromstärken die in der Praxis erreichbare Unsicherheit. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der ULCA weiterentwickelt und optimiert. Hierfür wurde ein Modell für das Rauschen und den Eingangsruhestrom erarbeitet. Mit Hilfe dieses Modells erfolgte die Entwicklung einer rauschoptimierten ULCAVariante, die ein reduziertes Rauschen ohne Stabilitätsminderung erzielt. Die unveränderte hohe Stabilität der Transresistanz wurde durch umfangreiche Messungen nachgewiesen. Mit dem rauschoptimierten ULCA lassen sich daher die langen Messzeiten bei der Charakterisierung von Einzelelektronenpumpen bei gleicher Unsicherheit um bis auf die Hälfte reduzieren. Für sehr kleine Ströme unterhalb von ca. 1 pA wurde eine ULCA-Variante mit minimalem Rauschen entwickelt. Sie erreicht ein Rauschniveau von 0.4 fA/sqrt(Hz) und ermöglicht Unsicherheiten bis herab zu 10 μA/A. Ferner liegt der Eingangsruhestrom bei dieser Variante unter 100 aA und ist sowohl zeitlich als auch über der Temperatur sehr stabil. Dadurch kann in vielen Fällen auf das bei Präzisionsmessungen übliche Umpolen des Messstroms zur Unterdrückung von Offset-Effekten verzichtet werden. Mit dieser ULCA-Variante wurde das Stromrauschen von Kabeln untersucht und eine rauscharme Verkabelung für die kryogenen Messaufbauten von Einzelelektronenpumpen gefunden. Die Ergebnisse dieser Arbeit lieferten wichtige Beiträge für die Präzisionsmessung kleiner Gleichströme. Der rauschoptimierte ULCA ist mittlerweile kommerziell erhältlich und es ist zu erwarten, dass sich dieses Instrument in der Kleinstrom-Metrologie als Standard etablieren wird.

Durch den Einsatz der integrierten Wärmebehandlung aus der Schmiedewärme wird eine signifikante Verkürzung der Prozesskette zur Herstellung präzisionsgeschmiedeter Bauteile bei deutlichen Zeit- und Energieersparnissen erreicht. Mit Hilfe einer Wasser-Luft-Spraykühlung kann eine Randschichtvergütung durchgeführt werden, ohne das Bauteil erneut nach dem Abschrecken zu erwärmen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Zahnräder und Ritzelwellen mit einem solchen Verfahren vergütet. Die Wärmebehandlung der Langteile erfolgte mit einem eigens dafür konstruierten rotierenden Sprayfeld. Neben der erreichten Härte und dem sich bildenden Gefüge wurden auch die Eigenspannungen auf der Verzahnungsoberfläche sowie der resultierende Verzug untersucht und mit konventionellen Verfahren verglichen. Bei allen Bauteilen konnte mit dem Verfahren der Spraykühlung erfolgreich eine Randschichtvergütung durchgeführt werden. Weiteres Ziel der durchgeführten Arbeiten war es, den von den Sprayeigenschaften und der Oberflächentemperatur abhängigen Wärmeübergangskoeffizienten für den verwendeten Vergütungsstahl (1.7225) zu berechnen und mit der Weberzahl, die die Tropfencharakteristik des Sprays beschreibt, in Korrelation zu bringen.