Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung und Charakterisierung eines ultraschnellen TEM, das auf einem modifizierten Schottky-Feldemitter basiert. Das Mikroskop verfügt über eine räumliche Auflösung im Nanometerbereich, eine zeitliche Auflösung von unter 300 fs und eine Energieauflösung von 0,6 eV. Außerdem werden holographische Phasenplatten verwendet, um Drehimpuls-Überlagerungszustände in einem TEM zu erzeugen. Die radiale und rotatorische Kontrolle dieser Zustände wird gezeigt und mit einem Ansatz aus der Multiphotonen-Ionisation verglichen. Zudem wird kohärente Kathodolumineszenz in einem dielektrischen Resonator durch Elektronenstrahlen induziert. Die Kopplung von Elektronen mit einer Mikrofaser führt zu einer breitbandigen Anregung optischer Flüstergalerie-Moden. Schließlich werden die Emissionseigenschaften von spintronischen Terahertzemittern (STE) durch Oberflächenstrukturierung maßgeschneidert. Außerdem wird das Potenzial von STE für die in-situ-Strahlablenkung im UTEM gezeigt.
This thesis comprises the development and characterization of an ultrafast TEM based on a modified Schottky field emitter. In an optical-pump/electron-probe scheme, the microscope features a nanometer spatial, sub-300-fs temporal and 0.6-eV energy resolution. Besides, holographic phase plates are used to prepare orbital angular momentum superposition states in a TEM. Radial and rotational control of these states is shown and compared with a preparation technique using multiphoton ionization. Moreover, coherent cathodoluminescence is induced in a dielectric resonator by free-electron beams. Electron coupling with a microfiber results in broadband excitation of optical whispering-gallery modes. Finally, the emission properties of spintronic terahertz emitters (STE) are tailored by surface-patterning. Moreover, the potential of STE for in-situ beam deflection in UTEM is shown.
Ein genestetes Strömungsmodell der Nordsee sowie eine Matlab-Toolbox zur Berechnung Lagrangescher Trajektorien wird beschrieben. Mit diesen Modellen wird der Einfluss von Stokes Drift, Wind und Oberflächenströmungen auf die Verteilung von oberflächennahen Partikeln an den ostfriesischen Inseln untersucht. Hierbei werden theoretisch berechnete sowie aus den Modelldaten ermittelte Dragparameter für GPS-Drifter verglichen. Diese zeigen signifikante Unterschiede und unterscheiden sich insbesondere bei der Verwendung verschiedener Dragmodelle. Insbesondere Stokes Drift kann nicht zufriedenstellend durch Winddaten in küstennahen Bereichen repräsentiert werden. Modellierte und gemessene Trajektorien und Anlandungspunkte von GPS-Driftern zeigen im küstennahen Bereich eine qualitative Übereinstimmung, weichen auf längeren Zeitskalen die sie große Dynamik im Küstenbereich voneinander ab.
A nested hydrodynamic model of the North Sea, using the COAWST framework, is described. A MatLab toolbox for computing and evaluating Lagrangian trajectories via data for surface currents, winds and waves is presented. Stokes Drift, wind drag, tidal currents and numerical handling of landpoints are found significantly impacting distribution and beaching of surface drifting objects in high resolution modeling. Theoretical wind drag estimates for GPS-drifters are compared to numerical estimates based on hydrodynamic, wind and wave data. Derived and theoretical drag parameters significantly differ and vary between three different drag models. Stokes Drift is found not satisfyingly representable by wind data in nearshore areas. Results recommend individual drag parameter estimations for different models, datasets and regions. Measured drifter paths and beaching locations in nearshore areas are qualitatively represented on short time scales but are lacking on longer time scales due to highly dynamical features.
Adoption of wake steering by the industry is slow due to associated uncertainties. This thesis demonstrates that wake steering applications can benefit from using interpretable data-driven methods. A new data-driven wake model is developed that, based on large eddy simulations and field measurements, estimates the features of a single wake more accurately than standard analytical models. Besides available power, in particular the wake deficit, position, and shape (e.g., curl) are better represented. Moreover, whereas other models need undisturbed met mast data, the new model can directly use commonly available measurements. The model’s main drawback is its limited generalizability to new conditions. Lastly, it is shown that using preview wind direction information can increase the power yield, especially in wake steering operation.
Die Methode der Nachlaufablenkung findet in der Industrie wegen Unsicherheiten kaum Anwendung. Diese Arbeit zeigt, dass für die Nachlaufablenkung interpretierbare datengesteuerte Methoden nützlich sein können. Ein datengetriebenes Nachlaufmodell wird entwickelt. Vergleiche mit Daten aus Large-Eddy-Simulationen und Freifeldmessungen zeigen, dass das neue Modell Nachlaufeigenschaften besser reproduziert als analytische Modelle. Dies gilt für die verfügbare Leistung im Nachlauf, für das Nachlaufdefizit, die Nachlaufposition und die Nachlaufform. Während bisherige Modelle Informationen über die ungestörte Einströmung benötigen, kann das neue Modell direkt allgemein verfügbare Messdaten verwenden. Ein Nachteil ist die Limitierung seiner Anwendbarkeit auf den Parameterbereich, für den es trainiert wurde. Abschließend wird gezeigt, dass Vorabinformationen über die Windrichtung helfen können, die Leistung zu erhöhen. Dies gilt insbesondere für den Windparkbetrieb mit Nachlaufablenkung.
The aim of this dissertation is to improve the prerequisites for effective wind farm control strategies by reducing uncertainties in determining and predicting the ambient flow field. Lidar systems can assist in this regard, but are susceptible to errors in positioning. Therefore, methods have been derived to accurately determine their orientation and levelling in offshore wind farms. Further uncertainties arise from the wind vanes, which have been shown to systematically overestimate yaw errors. A correction has been designed that significantly improves their measurements. Additionally, a real-time flow model was constructed to predict the flow evolution, particularly the wind speed and direction at downstream turbines. Finally, a robust wind farm control strategy was developed that considers uncertainties in wind direction using stochastic optimisation.
Ziel dieser Dissertation ist es, die Voraussetzungen für effektive Windparkregelungsstrategien zu verbessern, indem Unsicherheiten bei der Bestimmung und Vorhersage des umgebenden Strömungsfeldes reduziert werden. Lidarsysteme können hierbei unterstützen, sind aber anfällig für Positionierungsfehler. Daher wurden Methoden erarbeitet, um ihre Ausrichtung und Nivellierung in Offshore-Windparks genau zu bestimmen. Weitere Unsicherheiten ergeben sich aus den Windfahnen, die nachweislich die Gierfehler systematisch überschätzen. Es wurde eine Korrektur entworfen, die ihre Messungen deutlich verbessert. Darüber hinaus wurde ein Echtzeit-Strömungsmodell erstellt, um die Strömungsentwicklung und insbesondere die Windgeschwindigkeit und -richtung an nachgelagerten Turbinen vorherzusagen. Schließlich wurde eine robuste Windparksteuerungsstrategie entwickelt, welche die Unsicherheiten in der Windrichtung durch eine stochastische Optimierung berücksichtigt.
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