TY  - THES
A1  - Chirvasa, Mihaela
T1  - Finite difference methods for 1st Order in time, 2nd order in space, hyperbolic systems used in numerical relativity
T1  - Finite Differenzen für hyperbolische Gleichungen erster Ordnung in der Zeit, zweiter Ordnung im Raum in der numerischen Relativitätstheorie
N2  - This thesis is concerned with the development of numerical methods using finite difference techniques for the discretization of initial value problems (IVPs) and initial boundary value problems (IBVPs) of certain hyperbolic systems which are first order in time and second order in space. This type of system appears in some formulations of Einstein equations, such as ADM, BSSN, NOR, and the generalized harmonic formulation. For IVP, the stability method proposed in [14] is extended from second and fourth order centered schemes, to 2n-order accuracy, including also the case when some first order derivatives are approximated with off-centered finite difference operators (FDO) and dissipation is added to the right-hand sides of the equations. For the model problem of the wave equation, special attention is paid to the analysis of Courant limits and numerical speeds. Although off-centered FDOs have larger truncation errors than centered FDOs, it is shown that in certain situations, off-centering by just one point can be beneficial for the overall accuracy of the numerical scheme. The wave equation is also analyzed in respect to its initial boundary value problem. All three types of boundaries - outflow, inflow and completely inflow that can appear in this case, are investigated. Using the ghost-point method, 2n-accurate (n = 1, 4) numerical prescriptions are prescribed for each type of boundary. The inflow boundary is also approached using the SAT-SBP method. In the end of the thesis, a 1-D variant of BSSN formulation is derived and some of its IBVPs are considered. The boundary procedures, based on the ghost-point method, are intended to preserve the interior 2n-accuracy. Numerical tests show that this is the case if sufficient dissipation is added to the rhs of the equations.
N2  - Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung numerischer Verfahren für die Diskretisierung des Anfangswertproblems und des Anfangs-Randwertproblems unter Einsatz von finite-Differenzen-Techniken für bestimmte hyperbolischer Systeme erster Ordnung in der Zeit und zweiter Ordnung im Raum. Diese Art von Systemen erscheinen in einigen Formulierungen der Einstein'schen-Feldgleichungen, wie zB. den ADM, BSSN oder NOR Formulierungen, oder der sogenanten verallgemeinerten harmonischen Darstellung. Im Hinblick auf das Anfangswertproblem untersuche ich zunächst tiefgehend die mathematischen Eigenschaften von finite-Differenzen-Operatoren (FDO) erster und zweiter Ordnung mit 2n-facher Genaugigkeit. Anschließend erweitere ich eine in der Literatur beschriebene Methode zur Stabilitätsanalyse für Systeme mit zentrierten FDOs in zweiter und vierter Genauigkeitsordung auf Systeme mit gemischten zentrierten und nicht zentrierten Ableitungsoperatoren 2n-facher Genauigkeit, eingeschlossen zusätzlicher Dämpfungsterme, wie sie bei numerischen Simulationen der allgemeinen Relativitätstheorie üblich sind. Bei der Untersuchung der einfachen Wellengleichung als Fallbeispiel wird besonderes Augenmerk auf die Analyse der Courant-Grenzen und numerischen Geschwindigkeiten gelegt. Obwohl unzentrierte, diskrete Ableitungsoperatoren größere Diskretisierungs-Fehler besitzen als zentrierte Ableitungsoperatoren, wird gezeigt, daß man in bestimmten Situationen eine Dezentrierung des numerischen Moleküls von nur einem Punkt bezüglich des zentrierten FDO eine höhere Genauigkeit des numerischen Systems erzielen kann. Die Wellen-Gleichung in einer Dimension wurde ebenfalls im Hinblick auf das Anfangswertproblem untersucht. In Abhängigkeit des Wertes des sogenannten Shift-Vektors, müssen entweder zwei (vollständig eingehende Welle), eine (eingehende Welle) oder keine Randbedingung (ausgehende Welle) definiert werden. In dieser Arbeit wurden alle drei Fälle mit Hilfe der 'Ghost-point-methode' numerisch simuliert und untersucht, und zwar auf eine Weise, daß alle diese Algorithmen stabil sind und eine 2n-Genauigkeit besitzen. In der 'ghost-point-methode' werden die Evolutionsgleichungen bis zum letzen Punkt im Gitter diskretisiert unter Verwendung von zentrierten FDOs und die zusätzlichen Punkte die am Rand benötigt werden ('Ghost-points') werden unter Benutzung von Randwertbedingungen und Extrapolationen abgeschätzt. Für den Zufluß-Randwert wurde zusätzlich noch eine andere Implementierung entwickelt, welche auf der sogenannten SBP-SAT (Summation by parts-simulatanous approximation term) basiert. In dieser Methode werden die diskreten Ableitungen durch Operatoren angenähert, welche die 'Summation-by-parts' Regeln erfüllen. Die Randwertbedingungen selber werden in zusätzlichen Termen integriert, welche zu den Evolutionsgleichnungen der Punkte nahe des Randes hinzuaddiert werden und zwar auf eine Weise, daß die 'summation-by-parts' Eigenschaften erhalten bleiben. Am Ende dieser Arbeit wurde noch eine eindimensionale (kugelsymmetrische) Version der BSSN Formulierung abgeleitet und einige physikalisch relevanten Anfangs-Randwertprobleme werden diskutiert. Die Randwert-Algorithmen, welche für diesen Fall ausgearbeitet wurden, basieren auf der 'Ghost-point-Methode' and erfüllen die innere 2n-Genauigkeit solange genügend Reibung in den Gleichungen zugefügt wird.
KW  - Finite Differenzen
KW  - Wellengleichung
KW  - numerischen Relativitätstheorie
KW  - finite differences
KW  - wave equation
KW  - numerical relativity
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-42135
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TY  - THES
A1  - Yin, Fan
T1  - Mathematic approaches for the calibration of the CHAMP satellite magnetic field measurements
T1  - Mathematische Ansätze für die Kalibrierung des Satelliten CHAMP Magnetfeldmessungen
N2  - CHAMP (CHAllenging Minisatellite Payload) is a German small satellite mission to study the earth's gravity field, magnetic field and upper atmosphere. Thanks to the good condition of the satellite so far, the planned 5 years mission is extended to year 2009. The satellite provides continuously a large quantity of measurement data for the purpose of Earth study. The measurements of the magnetic field are undertaken by two Fluxgate Magnetometers (vector magnetometer) and one Overhauser Magnetometer (scalar magnetometer) flown on CHAMP. In order to ensure the quality of the data during the whole mission, the calibration of the magnetometers has to be performed routinely in orbit. The scalar magnetometer serves as the magnetic reference and its readings are compared with the readings of the vector magnetometer. The readings of the vector magnetometer are corrected by the parameters that are derived from this comparison, which is called the scalar calibration. In the routine processing, these calibration parameters are updated every 15 days by means of scalar calibration. There are also magnetic effects coming from the satellite which disturb the measurements. Most of them have been characterized during tests before launch. Among them are the remanent magnetization of the spacecraft and fields generated by currents. They are all considered to be constant over the mission life. The 8 years of operation experience allow us to investigate the long-term behaviors of the magnetometers and the satellite systems. According to the investigation, it was found that for example the scale factors of the FGM show obvious long-term changes which can be described by logarithmic functions. The other parameters (offsets and angles between the three components) can be considered constant. If these continuous parameters are applied for the FGM data processing, the disagreement between the OVM and the FGM readings is limited to \pm1nT over the whole mission. This demonstrates, the magnetometers on CHAMP exhibit a very good stability. However, the daily correction of the parameter Z component offset of the FGM improves the agreement between the magnetometers markedly. The Z component offset plays a very important role for the data quality. It exhibits a linear relationship with the standard deviation of the disagreement between the OVM and the FGM readings. After Z offset correction, the errors are limited to \pm0.5nT (equivalent to a standard deviation of 0.2nT). We improved the corrections of the spacecraft field which are not taken into account in the routine processing. Such disturbance field, e.g. from the power supply system of the satellite, show some systematic errors in the FGM data and are misinterpreted in 9-parameter calibration, which brings false local time related variation of the calibration parameters. These corrections are made by applying a mathematical model to the measured currents. This non-linear model is derived from an inversion technique. If the disturbance field of the satellite body are fully corrected, the standard deviation of scalar error \triangle B remains about 0.1nT. Additionally, in order to keep the OVM readings a reliable standard, the imperfect coefficients of the torquer current correction for the OVM are redetermined by solving a minimization problem. The temporal variation of the spacecraft remanent field is investigated. It was found that the average magnetic moment of the magneto-torquers reflects well the moment of the satellite. This allows for a continuous correction of the spacecraft field. The reasons for the possible unknown systemic error are discussed in this thesis. Particularly, both temperature uncertainties and time errors have influence on the FGM data. Based on the results of this thesis the data processing of future magnetic missions can be designed in an improved way. In particular, the upcoming ESA mission Swarm can take advantage of our findings and provide all the auxiliary measurements needed for a proper recovery of the ambient magnetic field.
N2  - CHAMP (CHAllenging Minisatellite Payload) ist eine deutsche Kleinsatellitenmission für die Forschung und Anwendung in Bereich der Geowissenschaften und Atmosphärenphysik. Das Projekt wird vom GFZ geleitet. Mit seinen hochgenauen, multifunktionalen, sich ergänzenden Nutzlastelementen (Magnetometer, Akzelerometer, Sternsensor, GPS-Empfänger, Laser-Retroreflektor, Ionendriftmeter) liefert CHAMP erstmalig gleichzeitig hochgenaue Schwere- und Magnetfeldmessungen (seit Mitte 2000). Dank des bisherigen guten Zustandes des Satelliten ist die auf 5 Jahre ausgelegte Mission bis 2009 verlängert geworden. An Board befinden sich ein skalares Overhauser-Magnetometer(OVM) für Kalibrierungszwecke sowie zwei Fluxgate-Magnetometer(FGM) zur Messung des magnetischen Feldvektors. Die Messungen vom FGM werden immer verglichen mit denen vom OVM und korregiert im Fall von Widersprüche, das ist die sog. Skalar-Kalibrierung. Um eine zuverlässige Datenqualität während der 8 jährigen Mission zu garantieren, ist die Nachkalibrierung implementiert. Im Rahmen der standard mäßigen Datenverarbeitung werden die Instrumentenparameter des FGM alle 15 Tage neu bestimmt. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, eine Verbesserung der Vektormagnetfelddaten zu erzielen durch eine neue Methode der Kalibrierung, die die Eigenschaften der Sensoren und Störung vom Raumfahrzeug mit berücksichtigt. Die Erfahrung aus den zurückliegenden Jahren hat gezeigt, dass sich die Skalenfaktoren des FGM stark mit der Zeit ändern. Dieser Verlauf lässt sich gut durch eine Logarithmuskurve anpassen. Andere Parameter wie die Winkel und die Offsets scheinen stabil zu sein. Eine Ausnahme macht der Offset der Z-Komponent. Dieser bedarf einer regelmäßigen Korrektur. Während die Standardverarbeitung eine undifferenzierte Bestimmung aller 9 FGM Parameter durch nicht-lineare Inversion der skalar Daten vornimmt, beziehen wir jetzt die langzeitlichen Eigenschaften der Parameter in die Bestimmung mit ein. Eine weitere Verbesserung der CHAMP-Magnetfelddaten konnte erreicht werden durch geeignete Berücksichtigung von Störung vom Raumfahrzeug. Die verbleibenden Unsicherheiten konnten durch diese Maßnahmen auf eine Standardabweichung von 0.1nT reduziert werden.
KW  - Magnetische Feldmessungen
KW  - Magnetometer-Kalibrierung
KW  - Magnetfeld-Satellit
KW  - Magnetic field measurements
KW  - magnetometer calibration
KW  - magnetic field satellites
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-41201
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TY  - THES
A1  - Wu, Ye
T1  - Nonlinear dynamics in complex networks and modeling human dynamics
T1  - Nichtlineare Dynamik in komplexen Netzwerken und Modellierung menschlicher Dynamik
N2  - Durch große Datenmengen können die Forscher die Eigenschaften komplexer Systeme untersuchen, z.B. komplexe Netzwerk und die Dynamik des menschlichen Verhaltens. Eine große Anzahl an Systemen werden als große und komplexe Netzwerke dargestellt, z.B. das Internet, Stromnetze, Wirtschaftssysteme. Immer mehr Forscher haben großes Interesse an der Dynamik des komplexen Netzwerks. Diese Arbeit besteht aus den folgenden drei Teilen. Der erste Teil ist ein einfacher dynamischer Optimierungs-Kopplungs-Mechanismus, aber sehr wirksam. Durch den Mechanismus kann synchronisation in komplexen Netzwerken mit und ohne Zeitverzögerung realisiert, und die Fähigkeit der Synchronisation von small-world und scale-free Netze verbessert werden. Im zweiten Teil geht um die Verstärkung der Robustheit der scale-free Netze im Zusammenhang mit der Gemeinden-Struktur. Einige Reaktionsmuster und topologische Gemeinden sind einheitlich. Die Ergebnisse zeigen einen neuen Aspekt der Beziehung zwischen den Funktionen und der Netzwerk-Topologie von komplexen Netzwerken. Im dritten Teil welche eine wichtige Rolle in komplexen Netzwerken spielt, wird die Verhaltens-Dynamik der menschliche Mitteilung durch Daten- und Modellanalysierung erforscht, dann entsteht ein neues Mitteilungsmodell. Mit Hilfe von einem Interaktion priority-Queue Model kann das neue Modell erklärt werden. Mit Hilfe des Models können viele praktische Interaktions-Systeme erklärt werden, z.B. E-Mail und Briefe (oder Post). Mit Hilfe meiner Untersuchung kann man menschliches Verhalten auf der Individuums- und Netzwerkebene neu kennenlernen. Im vierter Teil kann ich nachweisen, dass menschliches Kommentar-Verhalten in on-line Sozialsystemen, eine andere Art der Interaktionsdynamik von Mensch non-Poisson ist und dieses am Modell erklären. Mit Hilfe der non-Poisson Prozesse kann man das persönliche Anziehungskraft-Modell besser verstehen. Die Ergebnisse sind hilfreich zum Kennenlernen des Musters des menschlichen Verhaltens in on-line Gesellschaften und der Entwicklung von öffentlicher Meinung nicht nur in der virtuellen Gesellschaftn sondern auch in der Realgesellschaft. Am Ende geht es um eine Prognose von menschlicher Dynamik und komplexen Netzwerken.
N2  - The availability of large data sets has allowed researchers to uncover complex properties in complex systems, such as complex networks and human dynamics. A vast number of systems, from the Internet to the brain, power grids, ecosystems, can be represented as large complex networks. Dynamics on and of complex networks has attracted more and more researchers’ interest. In this thesis, first, I introduced a simple but effective dynamical optimization coupling scheme which can realize complete synchronization in networks with undelayed and delayed couplings and enhance the small-world and scale-free networks’ synchronizability. Second, I showed that the robustness of scale-free networks with community structure was enhanced due to the existence of communities in the networks and some of the response patterns were found to coincide with topological communities. My results provide insights into the relationship between network topology and the functional organization in complex networks from another viewpoint. Third, as an important kind of nodes of complex networks, human detailed correspondence dynamics was studied by both data and the model. A new and general type of human correspondence pattern was found and an interacting priority-queues model was introduced to explain it. The model can also embrace a range of realistic social interacting systems such as email and letter communication. My findings provide insight into various human activities both at the individual and network level. Fourth, I present clearly new evidence that human comment behavior in on-line social systems, a different type of interacting human dynamics, is non-Poissonian and a model based on the personal attraction was introduced to explain it. These results are helpful for discovering regular patterns of human behavior in on-line society and the evolution of the public opinion on the virtual as well as real society. Finally, there are conclusion and outlook of human dynamics and complex networks.
KW  - komplexe Netzwerke
KW  - menschliche Dynamik
KW  - complex networks
KW  - human dynamics
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-47358
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TY  - THES
A1  - Ahnert, Karsten
T1  - Compactons in strongly nonlinear lattices
T1  - Kompaktonen in stark nichtlinearen Gittern
N2  - In the present work, we study wave phenomena in strongly nonlinear lattices. Such lattices are characterized by the absence of classical linear waves. We demonstrate that compactons – strongly localized solitary waves with tails decaying faster than exponential – exist and that they play a major role in the dynamics of the system under consideration. We investigate compactons in different physical setups. One part deals with lattices of dispersively coupled limit cycle oscillators which find various applications in natural sciences such as Josephson junction arrays or coupled Ginzburg-Landau equations. Another part deals with Hamiltonian lattices. Here, a prominent example in which compactons can be found is the granular chain. In the third part, we study systems which are related to the discrete nonlinear Schrödinger equation describing, for example, coupled optical wave-guides or the dynamics of Bose-Einstein condensates in optical lattices. Our investigations are based on a numerical method to solve the traveling wave equation. This results in a quasi-exact solution (up to numerical errors) which is the compacton. Another ansatz which is employed throughout this work is the quasi-continuous approximation where the lattice is described by a continuous medium. Here, compactons are found analytically, but they are defined on a truly compact support. Remarkably, both ways give similar qualitative and quantitative results. Additionally, we study the dynamical properties of compactons by means of numerical simulation of the lattice equations. Especially, we concentrate on their emergence from physically realizable initial conditions as well as on their stability due to collisions. We show that the collisions are not exactly elastic but that a small part of the energy remains at the location of the collision. In finite lattices, this remaining part will then trigger a multiple scattering process resulting in a chaotic state.
N2  - In der hier vorliegenden Arbeit werden Wellenphänomene in stark nichtlinearen Gittern untersucht. Diese Gitter zeichnen sich vor allem durch die Abwesenheit von klassischen linearen Wellen aus. Es wird gezeigt, dass Kompaktonen – stark lokalisierte solitäre Wellen, mit Ausläufern welche schneller als exponentiell abfallen – existieren, und dass sie eine entscheidende Rolle in der Dynamik dieser Gitter spielen. Kompaktonen treten in verschiedenen diskreten physikalischen Systemen auf. Ein Teil der Arbeit behandelt dabei Gitter von dispersiv gekoppelten Oszillatoren, welche beispielsweise Anwendung in gekoppelten Josephsonkontakten oder gekoppelten Ginzburg-Landau-Gleichungen finden. Ein weiterer Teil beschäftigt sich mit Hamiltongittern, wobei die granulare Kette das bekannteste Beispiel ist, in dem Kompaktonen beobachtet werden können. Im dritten Teil werden Systeme, welche im Zusammenhang mit der Diskreten Nichtlinearen Schrödingergleichung stehen, studiert. Diese Gleichung beschreibt beispielsweise Arrays von optischen Wellenleitern oder die Dynamik von Bose-Einstein-Kondensaten in optischen Gittern. Das Studium der Kompaktonen basiert hier hauptsächlich auf dem numerischen Lösen der dazugehörigen Wellengleichung. Dies mündet in einer quasi-exakten Lösung, dem Kompakton, welches bis auf numerische Fehler genau bestimmt werden kann. Ein anderer Ansatz, der in dieser Arbeit mehrfach verwendet wird, ist die Approximation des Gitters durch ein kontinuierliches Medium. Die daraus resultierenden Kompaktonen besitzen einen im mathematischen Sinne kompakten Definitionsbereich. Beide Methoden liefern qualitativ und quantitativ gut übereinstimmende Ergebnisse. Zusätzlich werden die dynamischen Eigenschaften von Kompaktonen mit Hilfe von direkten numerischen Simulationen der Gittergleichungen untersucht. Dabei wird ein Hauptaugenmerk auf die Entstehung von Kompaktonen unter physikalisch realisierbaren Anfangsbedingungen und ihre Kollisionen gelegt. Es wird gezeigt, dass die Wechselwirkung nicht exakt elastisch ist, sondern dass ein Teil ihrer Energie an der Position der Kollision verharrt. In endlichen Gittern führt dies zu einem multiplen Streuprozess, welcher in einem chaotischen Zustand endet.
KW  - Gitterdynamik
KW  - Hamilton
KW  - Compacton
KW  - Soliton
KW  - granulare Kette
KW  - Lattice dynamics
KW  - Hamiltonian
KW  - Compacton
KW  - Soliton
KW  - Granular chain
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-48539
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TY  - THES
A1  - Sánchez-Barriga, Jaime
T1  - A photoemission study of quasiparticle excitations, electron-correlation effects and magnetization dynamics in thin magnetic systems
T1  - Eine Photoemissionsstudie zu Quasiteilchenanregungen, Elektronenkorrelationseffekten und der Magnetisierungsdynamik in dünnen magnetischen Systemen
N2  - This thesis is focused on the electronic, spin-dependent and dynamical properties of thin magnetic systems. Photoemission-related techniques are combined with synchrotron radiation to study the spin-dependent properties of these systems in the energy and time domains. In the first part of this thesis, the strength of electron correlation effects in the spin-dependent electronic structure of ferromagnetic bcc Fe(110) and hcp Co(0001) is investigated by means of spin- and angle-resolved photoemission spectroscopy. The experimental results are compared to theoretical calculations within the three-body scattering approximation and within the dynamical mean-field theory, together with one-step model calculations of the photoemission process. From this comparison it is demonstrated that the present state of the art many-body calculations, although improving the description of correlation effects in Fe and Co, give too small mass renormalizations and scattering rates thus demanding more refined many-body theories including nonlocal fluctuations. In the second part, it is shown in detail monitoring by photoelectron spectroscopy how graphene can be grown by chemical vapour deposition on the transition-metal surfaces Ni(111) and Co(0001) and intercalated by a monoatomic layer of Au. For both systems, a linear E(k) dispersion of massless Dirac fermions is observed in the graphene pi-band in the vicinity of the Fermi energy. Spin-resolved photoemission from the graphene pi-band shows that the ferromagnetic polarization of graphene/Ni(111) and graphene/Co(0001) is negligible and that graphene on Ni(111) is after intercalation of Au spin-orbit split by the Rashba effect. In the last part, a time-resolved x-ray magnetic circular dichroic-photoelectron emission microscopy study of a permalloy platelet comprising three cross-tie domain walls is presented. It is shown how a fast picosecond magnetic response in the precessional motion of the magnetization can be induced by means of a laser-excited photoswitch. From a comparision to micromagnetic calculations it is demonstrated that the relatively high precessional frequency observed in the experiments is directly linked to the nature of the vortex/antivortex dynamics and its response to the magnetic perturbation. This includes the time-dependent reversal of the vortex core polarization, a process which is beyond the limit of detection in the present experiments.
N2  - Diese Dissertation beschäftigt sich mit den elektronischen, spinabhängigen und dynamischen Eigenschaften dünner magnetischer Systeme. Auf dem Photoeffekt basierende Untersuchungsmethoden werden zusammen mit Synchrotronstrahlung eingesetzt, um die spinabhängigen Eigenschaften dieser Systeme im Energie- und Zeitbereich zu untersuchen. Im ersten Teil dieser Arbeit wird mit spin- und winkelaufgelöster Photoemission die Stärke von Elektronenkorrelationseffekten in der spinabhängigen elektonischen Struktur von ferromagnetischerm bcc Fe(110) und hcp Co(0001) untersucht. Die experimentellen Ergebnisse werden verglichen mit theoreteischen Berechnungen im Rahmen der Näherung der Drei-Körper-Streuung und der dynamischen Molekularfeldtheorie, zusammen mit Berechnungen des Photoemissionsprozesses im Rahmen des Ein-Stufen-Modells. Ausgehend von diesem Vergleich wird gezeigt, dass die gegenwärtig fortgeschrittensten Rechnung, obgleich sie die Beschreibung von Korrelationseffekten in Fe und Co verbessern, zu kleine Massenrenormalisierungen und Streuraten ergeben, was zu der Forderung nach verfeinerten Vielteilchentheorien unter Einbeziehung von nichtlokalen Fluktuationen führt. Im zweiten Teil wird unter Kontrolle durch die Photoelektronenspektroskopie im Detail gezeigt, wie Graphen durch chemische Gasphasenabscheidung auf den Übergangsmetall-Oberflächen Ni(111) und Co(0001) aufgebracht und mit einer Monolage Au interkaliert werden kann. Für beide Systeme wird eine lineare E(k)-Dispersion masseloser Dirac-Fermionen im Graphen-pi-Band in der Nähe der Fermi-Energie beobachtet. Spinaufgelöste Photoemission des Graphen-pi-Bandes zeigt, dass die ferromagnetische Polarisation von Graphen/Ni(111) und Graphen/Co(0001) vernachlässigbar ist und dass Graphen/Ni(111) nach Interkalation mit Au eine Spin-Bahn-Aufspaltung aufgrund des Rashba-Effekts zeigt. Im letzten Teil wird eine zeitaufgelöste Studie des Röntgenzirkulardichroismus mit Photoelektronenmikroskopie präsentiert, die an einer Permalloy-Probe durchgeführt wurde, die drei als Stachelwände ausgebildete Domänenwände enthält. Es wird gezeigt, wie eine schnelle magnetische Antwort auf der Pikosekundenskala in der Präzessionsbewegung der Magnetisierung durch einen laserangesteuerten Photoschalter erzeugt werden kann. Durch Vergleich mit einer mikromagnetischen Rechnung wird gezeigt, dass die relativ hohe Präzessionsfrequenz, die im Experiment beobachtet wird, in unmittelbarer Beziehung steht zu den Eigenschaften der Vortex/Antivortex-Dynamik und ihrer Antwort auf die magnetische Störung. Das schließt die zeitabhängige Umkehr der Vortexkernpolarisation ein, einem Vorgang der jenseits der Nachweisgrenze der gegenwärtigen Experimente liegt.
KW  - Spin- und winkelaufgelöste Photoemission
KW  - Photoelektronenmikroskopie
KW  - Eisen
KW  - Kobalt
KW  - Graphen
KW  - Rashba-Effekt
KW  - Spinwellen
KW  - Synchrotronstrahlung
KW  - spin- and angle-resolved photoemission
KW  - photoelectron microscopy
KW  - iron
KW  - cobalt
KW  - graphene
KW  - Rashba effect
KW  - spin waves
KW  - synchrotron radiation
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-48499
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TY  - THES
A1  - Fang, Peng
T1  - Preparation and investigation of polymer-foam films and polymer-layer systems for ferroelectrets
T1  - Präparation und Untersuchung von Polymerschaumfolien und Polymerschichtsystemen für Ferroelektrete
N2  - Piezoelectric materials are very useful for applications in sensors and actuators. In addition to traditional ferroelectric ceramics and ferroelectric polymers, ferroelectrets have recently become a new group of piezoelectrics. Ferroelectrets are functional polymer systems for electromechanical transduction, with elastically heterogeneous cellular structures and internal quasi-permanent dipole moments. The piezoelectricity of ferroelectrets stems from linear changes of the dipole moments in response to external mechanical or electrical stress. Over the past two decades, polypropylene (PP) foams have been investigated with the aim of ferroelectret applications, and some products are already on the market. PP-foam ferroelectrets may exhibit piezoelectric d33 coefficients of 600 pC/N and more. Their operating temperature can, however, not be much higher than 60 °C. Recently developed polyethylene-terephthalate (PET) and cyclo-olefin copolymer (COC) foam ferroelectrets show slightly better d33 thermal stabilities, but usually at the price of smaller d33 values. Therefore, the main aim of this work is the development of new thermally stable ferroelectrets with appreciable piezoelectricity. Physical foaming is a promising technique for generating polymer foams from solid films without any pollution or impurity. Supercritical carbon dioxide (CO2) or nitrogen (N2) are usually employed as foaming agents due to their good solubility in several polymers. Polyethylene propylene (PEN) is a polyester with slightly better properties than PET. A “voiding + inflation + stretching” process has been specifically developed to prepare PEN foams. Solid PEN films are saturated with supercritical CO2 at high pressure and then thermally voided at high temperatures. Controlled inflation (Gas-Diffusion Expansion or GDE) is applied in order to adjust the void dimensions. Additional biaxial stretching decreases the void heights, since it is known lens-shaped voids lead to lower elastic moduli and therefore also to stronger piezoelectricity. Both, contact and corona charging are suitable for the electric charging of PEN foams. The light emission from the dielectric-barrier discharges (DBDs) can be clearly observed. Corona charging in a gas of high dielectric strength such as sulfur hexafluoride (SF6) results in higher gas-breakdown strength in the voids and therefore increases the piezoelectricity. PEN foams can exhibit piezoelectric d33 coefficients as high as 500 pC/N. Dielectric-resonance spectra show elastic moduli c33 of 1 − 12 MPa, anti-resonance frequencies of 0.2 − 0.8 MHz, and electromechanical coupling factors of 0.016 − 0.069. As expected, it is found that PEN foams show better thermal stability than PP and PET. Samples charged at room temperature can be utilized up to 80 − 100 °C. Annealing after charging or charging at elevated temperatures may improve thermal stabilities. Samples charged at suitable elevated temperatures show working temperatures as high as 110 − 120 °C. Acoustic measurements at frequencies of 2 Hz − 20 kHz show that PEN foams can be well applied in this frequency range. Fluorinated ethylene-propylene (FEP) copolymers are fluoropolymers with very good physical, chemical and electrical properties. The charge-storage ability of solid FEP films can be significantly improved by adding boron nitride (BN) filler particles. FEP foams are prepared by means of a one-step procedure consisting of CO2 saturation and subsequent in-situ high-temperature voiding. Piezoelectric d33 coefficients up to 40 pC/N are measured on such FEP foams. Mechanical fatigue tests show that the as-prepared PEN and FEP foams are mechanically stable for long periods of time. Although polymer-foam ferroelectrets have a high application potential, their piezoelectric properties strongly depend on the cellular morphology, i.e. on size, shape, and distribution of the voids. On the other hand, controlled preparation of optimized cellular structures is still a technical challenge. Consequently, new ferroelectrets based on polymer-layer system (sandwiches) have been prepared from FEP. By sandwiching an FEP mesh between two solid FEP films and fusing the polymer system with a laser beam, a well-designed uniform macroscopic cellular structure can be formed. Dielectric resonance spectroscopy reveals piezoelectric d33 coefficients as high as 350 pC/N, elastic moduli of about 0.3 MPa, anti-resonance frequencies of about 30 kHz, and electromechanical coupling factors of about 0.05. Samples charged at elevated temperatures show better thermal stabilities than those charged at room temperature, and the higher the charging temperature, the better is the stability. After proper charging at 140 °C, the working temperatures can be as high as 110 − 120 °C. Acoustic measurements at frequencies of 200 Hz − 20 kHz indicate that the FEP layer systems are suitable for applications at least in this range.
N2  - Piezoelektrische Materialien haben große technische und wirtschaftliche Bedeutung für Anwendungen in Sensoren und Aktuatoren. Neben den traditionellen ferroelektrischen Keramiken und Polymeren bilden Ferroelektrete eine neue Gruppe der Piezoelektrika. Ferroelektrete sind reversible funktionelle Polymersysteme zur Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie und umgekehrt. Sie zeichnen sich aus durch eine elastische zelluläre Struktur mit internen quasi-permanenten Dipolen. Der Mechanismus der Piezoelektrizität in Ferroelektreten wird dominiert von der Änderung der einzelnen Dipolmomente bei Einwirkung einer äußeren mechanischen Kraft. Insbesondere zelluläres Polypropylene (PP) war in den vergangenen zwei Jahrzehnten Gegenstand intensiver Forschung und Entwicklung im Hinblick auf die grundlegenden Eigenschaften und Anwendungen von Ferroelektreten. Einige bereits erhältliche kommerzielle Produkte nutzen die in geladenem zellulären PP erreichbaren hohen piezoelektrischen d33-Koeffizienten von 600 pC/N und mehr, sind aber durch eine relativ geringe maximale Betriebstemperatur von ungefähr 60 °C eingeschränkt. Die kürzlich entwickelten Ferroelektrete aus zellulärem Polyethylenterephthalat (PET) und zellulären Cyclo-Olefin-Copolymeren (COC) zeigen eine bessere Temperaturbeständigkeit (vor allem COC), allerdings gewöhlich auf Kosten von geringeren d33-Koeffizienten. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, temperaturbeständige Ferroelektrete mit für den Markt geeigneten piezoelektrischen Eigenschaften zu entwickeln. Physikalisches Schäumen ist eine beliebte Methode, um besonders reine Polymerschäume herzustellen. Häufig werden, wegen ihrer guten Löslichkeit in vielen Polymeren, Kohlenstoffdioxid (CO2) und Stickstoff (N2) im superkritischen Zustand als Treibmittel eingesetzt. Der Polyester Polyethylennaphtalat (PEN) hat ähnliche Eigenschaften wie PET, ist jedoch temperaturbeständiger. Ein Dreistufenprozess (Schäumen, Aufblähen und Strecken) wurde entwickelt, um PEN-Schäume für hochwertige Ferroelektrete herzustellen. Ungeschäumte PEN-Folien werden mit superkritischem CO2 unter hohem Druck gesättigt und anschließend unter geringem Druck bei Temperaturen nahe der Glastemperatur geschäumt. Um die Hohlräume zu vergrößern, wird der Schaum anschließend mittels Gasdiffusionsexpansion (GDE) aufgebläht. Nach zusätzlichem biaxialen Verstrecken erhält man die optimalen linsenförmigen Zellen, welche zu einer minimalen mechanischen Steifigkeit und einem maximalen piezoelektrischen d33-Koeffizienten des Ferroelektrets führen. Sowohl Korona- als auch Kontaktaufladung werden an zellulärem PEN erfolgreich eingesetzt. Die Lichtemission der dielektrisch behinderten Entladungen (DBDs) kann klar beobachtet werden. Korona-Aufladung in Gasen mit hohen dielektrischen Durchbruchsfestigkeiten, wie z.B. Schwefelhexafluorid (SF6), ermöglicht es, das Paschen-Durchbruchsfeld in den Hohlräumen und damit die erzielbare interne Ladungsdichte zu erhöhen. Dadurch können für zelluläres PEN piezoelektrische d33-Koeffizienten bis zu 500 pC/N erzielt werden. Piezoelektrischen Resonanzmessungen der Ferroelektrete liefern Steifigkeiten c33 im Bereich von 1 – 12 MPa, Antiresonanzfrequenzen von 0.2 – 0.8 MHz und elektromechanische Kopplungsfaktoren zwischen 0.016 und 0.069. PEN-Ferroelektrete zeigen eine bessere Temperaturstabilität als solche aus PP und PET. Der Anwendungsbereich von unbehandeltem PEN reicht bis etwa 80 – 100°C, jener von getemperten oder bei 120°C geladenen Proben bis etwa 110 – 120 °C. Akustische Messungen im Frequenzbereich von 2 Hz – 20 kHz zeigen die Eignung von PEN-Ferroelektretwandlern für Luftschallanwendungen. Fluoriertes Ethylen-Propylen (FEP) ist ein Fluorpolymer mit sehr guten physikalischen, chemischen und elektrischen Eigenschaften. Die Ladungsspeichereigenschaften von ungeschäumtem FEP können durch die Beimengung von Bornitrid deutlich verbessert werden. In dieser Arbeit wird zelluläres FEP mittels eines einstufigen Prozesses, dem schon erwähnten Schäumen mit überkritischem CO2, hergestellt. Die geladenen FEP-Proben weisen d33-Koeffizienten von bis zu 40 pC/N auf. Ermüdungstests zeigen eine sehr gute mechanische Stabilität von PEN- und FEP-Ferroelektreten. Zelluläre Polymerferroelektrete haben großes Potenzial für Anwendungen, und die Suche nach geeigneten zellulären Morphologien ist eng verknüpft mit dem technischen Aufwand ihrer Herstellung. Alternativ wurden Ferroelektrete mit Sandwich-Strukturen aus FEP-Folien entwickelt. Durch Laserverschmelzen eines FEP-Foliengitters mit zwei umgebenden FEP-Folien wird eine definierte, einheitliche zelluläre Struktur gebildet. Aus dielektrischen Resonanzspektren können effektive piezoelektrische d33-Koeffizienten bis zu 350 pC/N, effektive mechanische Steifigkeiten um 0.3 MPa, Antiresonanzfrequenzen um 30 kHz und elektromechanische Kopplungsfaktoren von etwa 0.05 abgeleitet werden. Proben, welche bei erhöhter Temperatur geladen werden, zeigen höhere Ladungsstabilitäten. Nach geeigneter Aufladung bei 140 °C kann die Arbeitstemperatur bis auf 110 – 120 °C gesteigert werden. Akustische Messungen im Frequenzbereich von 2 Hz – 20 kHz zeigen die Eignung von FEP-Sandwich-Strukturen für Luftschallanwendungen.
KW  - Elektroaktive Materialien
KW  - Ferroelektret
KW  - Piezoelektrizität
KW  - Polymerschaum
KW  - Polymerfilm
KW  - Electroactive material
KW  - ferroelectret
KW  - piezoelectricity
KW  - polymer foam
KW  - polymer film
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-48412
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ganesan, Lakshmi Meena
T1  - Coupling of the electrical, mechanical and optical response in polymer/liquid-crystal composites
T1  - Kopplung von elektrischen, mechanischen und optischen Effekten in einem Polymer/Flüssigkristall-Komposit
N2  - Micrometer-sized liquid-crystal (LC) droplets embedded in a polymer matrix may enable optical switching in the composite film through the alignment of the LC director along an external electric field. When a ferroelectric material is used as host polymer, the electric field generated by the piezoelectric effect can orient the director of the LC under an applied mechanical stress, making these materials interesting candidates for piezo-optical devices. In this work, polymer-dispersed liquid crystals (PDLCs) are prepared from poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene) (P(VDF-TrFE)) and a nematic liquid crystal (LC). The anchoring effect is studied by means of dielectric relaxation spectroscopy. Two dispersion regions are observed in the dielectric spectra of the pure P(VDF-TrFE) film. They are related to the glass transition and to a charge-carrier relaxation, respectively. In PDLC films containing 10 and 60 wt% LC, an additional, bias-field-dependent relaxation peak is found that can be attributed to the motion of LC molecules. Due to the anchoring effect of the LC molecules, this relaxation process is slowed down considerably, when compared with the related process in the pure LC. The electro-optical and piezo-optical behavior of PDLC films containing 10 and 60 wt% LCs is investigated. In addition to the refractive-index mismatch between the polymer matrix and the LC molecules, the interaction between the polymer dipoles and the LC molecules at the droplet interface influences the light-scattering behavior of the PDLC films. For the first time, it was shown that the electric field generated by the application of a mechanical stress may lead to changes in the transmittance of a PDLC film. Such a piezo-optical PDLC material may be useful e.g. in sensing and visualization applications. Compared to a non-polar matrix polymer, the polar matrix polymer exhibits a strong interaction with the LC molecules at the polymer/LC interface which affects the electro-optical effect of the PDLC films and prevents a larger increase in optical transmission.
N2  - Mikrometer-große, in eine Polymermatrix eingebettete Flüssigkristall-Tröpfchen können als elektro-optische Lichtventile fungieren, da die Ausrichtung der Flüssigkristalle durch ein externes elektrisches Feld verändert werden kann. Wird nun ein ferroelektrisches Polymer als Matrix verwendet, so kann das durch den piezoelektrischen Effekt erzeugte und von der äußeren mechanischen Spannung abhängige elektrische Feld den Flüssigkristall ausrichten. Solche Materialien können daher als piezo-optische Lichtventile eingesetzt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden PDLCs (polymer-dispersed liquid crystals) durch Einbettung von nematischen Flüssigkristallen in Poly(Vinylidenefluoride-Trifluorethylene) (P(VDF-TrFE)) erzeugt. Die Wechselwirkungen an der Grenzfläche zwischen Flüssigkristall und Polymer wurden mittels dielektrischer Spektroskopie untersucht. Im dielektrischen Spektrum des reinen P(VDF-TrFE) wurden zwei Dispersions-Regionen beobachtet, welche vom Glasübergang und einer Ladungsträgerrelaxation des Polymers herrühren. PDLC Folien mit unterschiedlichen Anteilen von Flüssigkristall-Tröpfchen (10 bzw. 60 Gewichtsprozente) zeigten beim Anlegen eines elektrischen Wechselfelds zusatzliche Relaxationseffekte, welche der Bewegung der eingebetteten Flüssigkristall-Moleküle zugeordnet werden konnten. Durch die Einlagerung der Flüssigkristall-Moleküle weist die Struktur eine Relaxation auf, die gegenüber vergleichbaren Prozessen im reinen Flüssigkristall deutlich verlangsamt ist. Des weiteren wurde das elektrooptische und piezo-optische Verhalten der mit 10 und 60 Gewichtsprozent Flüssigkristall geladenen Folien untersucht. Die Lichtstreuung hängt dabei ab von der Fehlanpassung der Brechungsindizes von Polymermatrix und Flüssigkristallen sowie von den Wechselwirkungen der Polymerdipole mit den Flüssigkristall-Molekülen an der Tröpfchenoberfläche. Es konnte erstmalig gezeigt werden, dass die Lichtdurchlässigkeit der PDLC-Folien durch eine externe mechanische Spannung gesteuert werden kann. Dieser Effekt macht das piezo-optische PDLC-Material für die Verwendung in Optik- und Sensoranwendungen interessant. Im Vergleich mit unpolaren Wirtspolymeren zeigen polare Wirtsmaterialien eine deutlich stärkere Wechselwirkung zwischen den Flüssigkristall-Molekülen an der Polymer/Flüssigkristall-Grenzfläche, welche den elektrooptischen Effekt beeinflusst und so die maximale transmissions änderung reduziert.
KW  - PDLC
KW  - P(VDF-TrFE)
KW  - nematic LC
KW  - piezo-optisch
KW  - elektro-optisch
KW  - PDLC
KW  - P(VDF-TrFE)
KW  - nematic LC
KW  - piezo-optical
KW  - electro-optical
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-41572
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ksianzou, Viachaslau
T1  - Second-order nonlinear optical interactions and cascading effects in thinorganic films
T1  - Nichtlineare optische Wechselwirkung zweiter Ordnung und Cascading in dünnen organischen Schichten
N2  - The presented work describes new concepts of fast switching elements based on principles of photonics. The waveguides working in visible and infra-red ranges are put in a basis of these elements. And as materials for manufacturing of waveguides the transparent polymers, dopped by molecules of the dyes possessing second order nonlinear-optical properties are proposed. The work shows how nonlinear-optical processes in such structures can be implemented by electro-optical and opto-optical control circuit signals. In this paper we consider the complete cycle of fabrication of several types of integral photonic elements. The theoretical analysis of high-intensity beam propagation in media with second-order optical nonlinearity is performed. Quantitative estimations of necessary conditions of occurrence of the nonlinear-optical phenomena of the second order taking into account properties of used materials are made. The paper describes the various stages of manufacture of the basic structure of the integrated photonics: a planar waveguide. Using the finite element method the structure of the electromagnetic field inside the waveguide in different modes was analysed. A separate part of the work deals with the creation of composite organic materials with high optical nonlinearity. Using the methods of quantum chemistry, the dependence of nonlinear properties of dye molecules from its structure were investigated in details. In addition, the paper discusses various methods of inducing of an optical nonlinearity in dye-doping of polymer films. In the work, for the first time is proposed the use of spatial modulation of nonlinear properties of waveguide according Fibonacci law. This allows involving several different nonlinear optical processes simultaneously. The final part of the work describes various designs of integrated optical modulators and switches constructed of organic nonlinear optical waveguides. A practical design of the optical modulator based on Mach-Zehnder interferometer made by a photolithography on polymer film is presented.
N2  - Die vorliegende Arbeit beschreibt neue Konzepte für schnelle photonische Schaltelemente. Diese Elemente basieren auf optischer Wellenleitung im sichtbaren und nahen infraroten Spektralbereich. Die Arbeit ist auf organische Wellenleiter aus transparenten, farbstoffdotierten Polymeren fokussiert, welche Chromophore mit besonders großen optischen Nichtlinearitäten zweiter Ordnung enthalten. Insbesondere wird dargestellt, wie nichtlineare optische Prozesse in derartigen Bauelementen genutzt werden können, wenn man elektrische oder optische Steuersignale einsetzt. Es wird der gesamte Her-stellungszyklus verschiedener integrierter photonischer Bauelemente betrachtet. Die Arbeit umfasst weiterhin eine detaillierte theoretische Analyse der Wellenausbreitung in Medien mit großer nichtlinearer optischer Suszeptibilität zweiter Ordnung bei hoher Lichtintensität. Unter Annahme optischer Materialkonstanten, welche den experimentell ermittelten Werten entsprechen, erfolgte eine quantitative Abschätzung für das Auftreten von Szenarien, bei denen messbare Abwei-chungen der Strahlausbreitung vom linearen Regime auftreten, z:B. das Auftreten von zeitlichen, räumlichen und spektralen Satteliten zu den im Material propagierenden Laserpulsen. Es gelang, we-sentliche Aspekte der Strahlpropagationsprozesse durch Anwendung von Jacobi-Integralfunktionen in geschlossener mathematischer Form darzustellen. Darüber hinausgehende theoretische Untersuchungen nutzten die Finite-Elemente-Methode, um die Verteilung des elektromagnetischen Feldes im Inneren optischer Wellenleiter für verschiedene Pro-pagationsmoden zu analysieren. Ein weiterer Teil der Arbeit beschäftigt sich mit organischen Kompositmaterialen, welche große opti-sche Nichtlinearitäten aufweisen. Mittels quantenchemischer Verfahren erfolgte eine detaillierte Un-tersuchung der Zusammenhänge zwischen der molekularen Struktur und den linearen sowie den nichtlinearen optischen Eigenschaften der untersuchten Farbstoffmoleküle und Polymere. In Bezug auf die Probenpräparation sind unterschiedliche Verfahren zur Schichtbildung und zur molekularen Orientierung miteinander verglichen und bewertet worden, da letztere eine Voraussetzung für das Auftreten nichtlinearer optischer Prozesse zweiter Ordnung bildet. Die Untersuchungen erstreckten sich auf Vakuumaufdampfschichten aus niedermolekularen Chromophoren und auf Polymerschich-ten, welche durch Vakuumabscheidung sowie durch Spincoating oder andere Flüssigphasenabschei-dungsverfahren hergestellt worden sind. Auf orientierenden Substraten (z.B. geriebene Schichten aus Polytetrafluoräthylen) konnte eine spontane Orientierung der deponierten Chromophore nachgewie-sen werden. Die Chromophore in Polymerschichten wurden durch Coronapolung orientiert. In der Arbeit ist zum ersten Mal vorgeschlagen worden, eine räumliche Modulation der nichtlinearen optischen Eigenschaften durch gezielte lokale Coronapolung oder andere Orientierungstechniken derart zu generieren, dass die Abfolge gepolter Domänen dem Bildungsgesetz einer modifizierten Fibonacci-Reihe mit gebrochen rationalen Zahlen gehorcht. Der Vorteil von optischen Wellenleitern mit dieser Struktur darin, dass diese mehrere unterschiedli-che nichtlineare optische Prozesse gleichzeitig unterstützen und somit eine Vielzahl neuartiger Phä-nomene auftreten kann, welche man in neuartigen photonischen Bauelementen, z.B. für die optische Informations- und Kommunikationstechnik nutzen kann. Der letzte Teil der Arbeit beschreibt den Aufbau verschiedener integrierter optischer Modulatoren und Schalter, die sich mit Hilfe das neu entwickelten Verfahrens herstellen lassen. Zukünftige Entwicklungen in der Photonik, insbesondere der optischen Informations- und Kommuni-kationstechnik werden im abschließenden Teil der Arbeit diskutiert.
KW  - NLO
KW  - SHG
KW  - QPM
KW  - Cascading
KW  - NLO
KW  - SHG
KW  - QPM
KW  - Cascading
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-49186
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