Glossar zu Analog & Time to Digital Konvertern

Analog-Digital-Wandler sind Schaltungen, die eine Spannung oder einen Strom in einen Strom digitaler Daten quantisieren. Board-Level-Produkte, die ADCs mit Abtastraten von Hunderten von Megasamples pro Sekunde (Msps) oder mehreren Gigasamples pro Sekunde (Gsps) für die Software zugänglich machen, werden häufig auch als „Digitalisierer“ oder „Transientenrekorder“ bezeichnet. Im Gegensatz zu anderen ADCs sind unsere Digitizer darauf optimiert, Impulse im laufenden Betrieb zu erkennen und die extrahierten Abtastdaten direkt in den Hauptspeicher zu streamen, wodurch Latenzzeiten und CPU-Auslastung minimiert werden. Dies wird durch unseren speziellen 6 GByte/s PCIe-DMA-Controller ermöglicht, der die Pufferdatenstrukturen ohne Softwareeingriff direkt verwaltet.

Vielleicht interessieren Sie sich auch für die cronologic ADCs Ndigo5G-10 und Ndigo6G-12.

Ein Averager ist ein ADC-Digitalisierer, der dem Benutzer keine einzelnen erfassten Wellenformen anzeigt, sondern vor der Ausgabe den Durchschnitt mehrerer Wellenformen berechnet. Dadurch wird die zu lesende Datenmenge erheblich reduziert. Allerdings geht dadurch auch Flexibilität verloren und es ist nicht mehr möglich, einzelne Impulse zu verarbeiten, um die Messergebnisse zu verbessern. Unser Ndigo6G implementiert Nullunterdrückung zusammen mit einer sehr hohen Auslesebandbreite, um eine softwarebasierte Mittelwertbildung zu ermöglichen, ohne die Fähigkeit zu verlieren, einzelne Impulse zu verarbeiten. Kontaktieren Sie uns, um die Möglichkeit einer Hardware-Mittelwertbildung im Ndigo6G zu besprechen.

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Avalanche-Fotodioden sind hochempfindliche, schnelle Fotodioden und zählen zu den Avalanche-Dioden, d. h. sie sind optische Sensoren auf Basis eines Siliziumsubstrats. Sie bilden die Grundlage für moderne Silizium-Photomultiplier(SiPM) und nutzen den internen photoelektrischen Effekt zur Erzeugung von Ladungsträgern und den Avalanche-Effekt zur internen Verstärkung.

Ähnlich wie herkömmliche Photomultiplierröhren (PMT) nutzen sie die Effekte der Stoßionisation, um sekundäre Ladungsträger zu erzeugen. Sie kommen jedoch mit einer deutlich geringeren Versorgungsspannung aus und erreichen Grenzfrequenzen bis in den Gigahertzbereich. Ihre extrem hohe Empfindlichkeit ermöglicht die Detektion von schwachem Licht bis hinunter zu einzelnen Photonen. Sie werden daher auch zur Detektion einzelner Teilchen in der Hochenergiephysik eingesetzt. Im Hinblick auf TCSPC bieten moderne analoge SiPM die Möglichkeit, die Photonenrate direkt aus dem Spannungsausgang abzuleiten. Lesen Sie auch: SPADs und HPDs.

Typische Anwendungen für Avalanche-Fotodioden: LIDAR, Einzelhotonenzählung und optische TDRs (OTDR).

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Ein Atominterferometer ist ein hochpräzises Messinstrument, das auf den Prinzipien der Quantenmechanik beruht. Es nutzt die Welleneigenschaften von Atomen, um extrem genaue Messungen von verschiedenen physikalischen Größen wie Beschleunigung, Rotation, Schwerkraft und Zeit zu ermöglichen.

Aufgrund ihrer hohen Präzision und Empfindlichkeit sind Atominterferometer in einer Vielzahl von wissenschaftlichen und technologischen Bereichen von großer Bedeutung. Sie sind ein Paradebeispiel für die Anwendung quantenmechanischer Prinzipien in der realen Welt.

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Zeit-Digital-Wandler betreffend ist die Bin-Größe die Quantisierungseinheit für Zeitmessungen. In unseren TDCs sind andere Jitterquellen kleiner als der Quantisierungsfehler. Daher wird der Messfehler für kurze Intervalle in unseren Geräten von der Bin-Größe dominiert. Unter diesen Bedingungen liegt der maximale Messfehler nahe bei einem halben Bin. Der quadratische Mittelwert (RMS) des Fehlers beträgt etwa 0,8 Bins und die Halbwertsbreite (FWHM) etwa 2 Bins.

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Die bathymetrische Lidar-Technologie kann sowohl in flachen Küstengewässern als auch in tiefen Ozeanen eingesetzt werden, um die Topografie des Meeresbodens zu erfassen. Die dabei entstehenden Punktwolken können zur Erstellung von Seekarten, zur Planung von Schifffahrtsrouten, zur Erkundung von Öl- und Gasvorkommen und zur Erfassung umweltrelevanter Informationen über den Meeresboden verwendet werden.

Der Begriff Bathymetrie bezeichnet die Vermessung der topographischen Gestalt von Meeresböden und Gewässerbetten. Die regelmäßige hydrographische Erfassung von Gewässern, insbesondere auch von Flussmorphologien ist u.a. durch EU-Richtlinien vorgeben. Während man früher zur Erstellung bathymetrischer Karten ausschließlich auf Vermessungen mittels Handlot oder Echolot angewiesen war, ist es heute u.a. mit Hilfe von LIDAR-Systemen möglich, sehr viel effizienter präzise 3D-Bilder unter Wasser zu erstellen. Aufgrund der starken Refraktion des Wassers wird der Laserstrahl bei der Unterwasserausbreitung stark gestreut, was die Bildqualität bei geringer Auflösung beeinträchtigt. Zudem sind diese Messungen auf Gewässer mit geringer bis mittlerer Wassertiefe und geringem Trübungsgrad begrenzt.

Eine genaue Kalibrierung des Lidar-Sensors und der GPS-Empfänger kann dazu beitragen, Ungenauigkeiten aufgrund von Wellen und Reflexionen zu minimieren.
Es gibt jedoch auch mehrere Techniken, mit denen diese Störungen minimiert werden können, sodass solche Messungen sogar von Satelliten aus durchgeführt werden können:

• Atmosphärische Korrektur: Einige bathymetrische Lidar-Sensoren verwenden eine Technik, die als „atmosphärische Korrektur“ bezeichnet wird. Dabei wird die Reflexion des Laserlichts an Luftmolekülen in der Atmosphäre korrigiert, um genaue Entfernungsmessungen zu erhalten.
• Multifrequenz-Lidar: Einige Lidar-Sensoren verwenden mehrere Laserfrequenzen, um den Einfluss von Wellen und Reflexionen an der Wasseroberfläche zu minimieren. Durch die Verwendung mehrerer Laserfrequenzen können Wellenreflexionen identifiziert und herausgefiltert werden, um genauere Messungen zu erhalten.
• Verwendung spezieller Filter: Es gibt spezielle Filter, die auf die Messdaten angewendet werden können, um Störungen durch Wellen und Reflexionen zu minimieren. Beispielsweise können statistische Filter verwendet werden, um Ausreißer in den Messdaten zu erkennen und zu entfernen.

Durch die Kombination dieser (und weiterer) Techniken können bathymetrische Lidar-Sensoren auch bei Wellen und Reflexionen auf der Wasseroberfläche genaue Punktwolken des Meeresbodens erstellen.

Als Buncher wird ein Hochfrequenz-Hohlraum oder -Resonator bezeichnet, der Ionen oder Partikel in kompakten, konzentrierten Gruppen (Bündeln) gruppiert oder „bündelt“, während sie sich in einem Ionenstrahl bewegen. Dies trägt dazu bei, die Dichte der Partikel in bestimmten Abschnitten des Strahls zu erhöhen, womit die Effizienz der Ionenbeschleunigung bzw. der Wechselwirkung des Strahls mit einem Zielmaterial durch Fokussierung verbessert wird. Buncher werden häufig in Ionenstrahlsystemen und Teilchenbeschleunigern eingesetzt.

Als Bose-Einstein-Kondensat (BEC) wird ein extremer Aggregatzustand eines Systems identischer Teilchen bezeichnet, wobei sich der überwiegende Anteil der Teilchen im selben quantenmechanischen Zustand befindet. Diese besondere Materieform entsteht, wenn Bosonen (Teilchen mit ganzzahligem Spin) auf extrem niedrige Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt werden, wodurch sie in denselben Grundzustand übergehen und als eine Art "Superatom" oder kohärentes Quantenobjekt agieren.

Es handelt sich dabei um makroskopische Quantenobjekte, die sich dadurch auszeichen, dass keines der einzelnen enthaltenen Atome lokalisiert werden kann. Die Wahrscheinlichkeit jedes Atoms, es an einem bestimmten Punkt anzutreffen, ist folglich überall innerhalb des Kondensates gleich.

Der Zustand eines Bose-Einstein-Kondensat kann durch eine einzige Wellenfunktion beschrieben werden und weist Eigenschaften wie Supraleitung, Suprafluidität, oder Kohärenz über makroskopische Entfernungen auf.

BEC werden mit Hilfe von Laserkühlung und nachfolgender evaporativer Kühlung erzeugt. Sie haben eine bedeutende Rolle in der Quantenforschung, da sie es ermöglichen, quantenmechanische Phänomene auf einer makroskopischen Ebene zu beobachten und zu studieren.

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Die Cold-Target-Recoil-Ion-Momentum-Spektroskopie ist eine Impulsbildgebungstechnik, mit der die vollständige Fragmentierung eines atomaren oder molekularen Mehrteilchensystems gemessen wird. Alle geladenen Fragmente aus einer atomaren, molekularen oder Oberflächenreaktion werden dabei auf großflächige positions- und zeitempfindliche Detektoren projiziert. Durch Messung der Flugzeiten und Aufprallpositionen der einzelnen Teilchen auf dem Detektor werden ihre 3D-Impulsvektoren abgeleitet. COLTRIMS-Messungen sind Koinzidenzmessungen, da viele Endzustandsfragmente einzelner Moleküle oder Atome detektiert werden. Typische Aufbauten umfassen einen Überschallgasstrahl (d. h. einen Molekularstrahl) als Ziel für die Untersuchungen und mehrfach empfangsfähige MCP-Detektoren mit Verzögerungsleitungs-Positionsauslesung zur Einzelteilchendetektion.

Bei einer Common-Start-Konfiguration werden Zeitintervalle relativ zu einem Triggersignal am „Start“-Eingang gemessen, das vor den zu messenden Impulsen eintrifft. In einem solchen Szenario legt das Gate-Signal den Startzeitpunkt der Zeitmessung fest, während die einzelnen Kanaleingänge den Zeitabschnitt beenden.

Bei einer Common-Stop-Konfiguration werden Zeitintervalle relativ zu einem Triggersignal gemessen, das nach den zu messenden Impulsen eintrifft. In einer solchen Konfiguration liefern die einzelnen Kanaleingänge das Startsignal und das Gate-Signal stoppt die Messung.

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Bei der Messung der Ankunftszeit von Pulsen mit einem festen Schwellenwert weist die gemessene Zeit einen Messfehler auf, der eine Funktion der Pulsamplitude ist. Bei Aufbauten, bei denen Pulse unterschiedliche Amplituden, aber eine konstante Anstiegszeit haben, kann ein Constant Fraction Discrimator (CFD) diesen Fehler reduzieren.

Beachten Sie aber bitte auch: Durch die Messung eines Signals an zwei oder drei festen Schwellenwerten mit einem hochauflösenden TDC kann die gleiche Qualität hinsichtlich der Korrektur des Time-Walk wie mit einem CFD erreicht werden.

Der Zyklus-zu-Zyklus-Jitter ist ein Maß für die Abweichung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Taktperioden und wird folglich als Differenz zwischen den Perioden zufälliger benachbarter Zyklen berechnet.

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Bei vielen TDC-Produkten auf dem Markt ist diese Ungenauigkeit eine Hauptursache für Messfehler. Bei cronologic-Produkten ist der Zyklus-zu-Zyklus-Jitter jedoch deutlich geringer als die Bin-Size.

Beim Vergleich von Jitter-Spezifikationen ist grundsätzlich Vorsicht geboten, da verschiedene Eigenschaften der Taktzyklusverteilung angegeben werden können. Bei einigen Anbietern übersteigt dabei der Jitter sogar die Zeitauflösung des TDCs. Gängige Spezifikationen sind das 1-Sigma-Intervall oder das 95 %-Intervall der Verteilung.

Diskriminatoren sind Schaltungen, die verwendet werden, um aus einer analogen Eingangswellenform ein digitales Signal zur Zeitmessung zu erzeugen. Die einfachste Form ist ein Schwellwertdiskriminator, der den Eingang mit einer festen Spannung vergleicht. Häufig verwendet werden zudem Constant-Fraction-Diskriminatoren (CFDs), die mit einer zur Impulshöhe proportionalen Spannung vergleichen.

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DAQ ist die Abkürzung für Datenerfassung. Dies ist der Prozess der Abtastung von Signalen, die reale (analoge) physikalische Zustände messen, und deren Bereitstellung für Anwendungssoftware. In PCs wird dies durch Datenerfassungskarten oder mit externen Geräten wie cronologic ADCs und TDCs erreicht.

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Die Totzeit bezeichnet den Zeitraum, in dem ein Messgerät keine neuen Messwerte erfassen kann, da es noch mit der Verarbeitung des vorherigen Messwerts beschäftigt ist. Unsere Produkte sind so optimiert, dass die Totzeit minimiert wird. Das Auslesen erfolgt immer parallel zur Messung, ohne diese zu stören.

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Digitizer ist eine allgemeine Bezeichnung für Analog-Digital-Wandler mit hohen Abtastraten, wie beispielsweise unsere Produkte der Ndigo-Serie, darunter Ndigo5G-10 und Ndigo6G-12.

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Die Auslesung von positionsauflösenden MCPs mittels Delay-Line Detektoren (DLD) ist eine beliebte Wahl für die Einzelteilchendetektion. Delay-Line-Ddetektoren zeichnen sich durch hervorragende Signal-Rausch-Eigenschaften, eine überragende Bilddynamik und eine hohe Zeitauflösung aus. Moderne DLDs sind darüber hinaus multihitfähig. Unsere TDCs sind die perfekten Begleiter für die Auslesung dieser Detektoren.

Ein Delay-Line Positionsauslesung wird verwendet, um die Position des Aufpralls eines Teilchens auf einem (in der Regel größeren) Mikrokanalplattendetektor mit einer Auflösung von ca. 100 µm zu messen. Die Elektronenwolke, die an der Stelle des Teilchenaufpralls auf den Detektor auf der Rückseite eines MCP-Stapels emittiert wird, induziert ein Signal in einem Draht. Das Signal wandert entlang des Drahtes zu dessen beiden Enden. Durch Messung der Ankunftszeitdifferenz des induzierten Signals an jedem Ende des Drahtes kann die Trefferposition auf dem Draht abgeleitet werden. Um einen größeren Bereich abzudecken, wird der Detektionsdraht (d. h. die Verzögerungsleitung) um einen Detektorkörper gewickelt. Durch Verwendung eines Satzes von zwei orthogonalen Wicklungen können 2D-Positionsinformationen des Aufpralls gewonnen werden.

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Der Begriff “Electrical Wiring Interconnect System” (EWIS) stammt aus der Luftfahrtindustrie und bezeichnet das Verdrahtungssystem mit seinen zugehörigen Komponenten, wie Bündelklemmen, Drahtspleiße usw.) in einem Flugzeug. Dabei steht die Verdrahtung der Systeme selbst im Mittelpunkt der Betrachtung. Die EWIS-Diagnose dient in der Luftfahrtbranche dazu, die kontinuierlichen Zuverlässigkeit der elektrischen Systeme auch unter den gegebenen extremen Bedingungen, denen sie ausgesetzt sind, zu sichern. Die einzelnen Schritte zur Inspektion und Prüfung jeder einzelnen Komponente wurde daher in EWIS-Vorschriften festgehalten. Bei der Wartung der elektrischen Systeme von Flugzeugsverdrahtung spielen TDR-Messungen eine Schlüsselrolle.

Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy (FLIM) is a microscopy imaging technique where time-correlated single-photon counting (TCSPC) is performed on each pixel of the image. The sample is scanned by a high-frequency pulsed laser beam, single photons of the emitted fluorescence light are detected, and the arrival time of each photon in the laser pulse period is determined by the TCSPC system and recorded in a histogram.

Read more about FLIM in this detailed article.

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Die funktionelle Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS) ist ein nicht-invasives bildgebendes Verfahren für die Untersuchung des Gehirns. Bei der zeitaufgelösten fNIRS (TD-fNIRS) wird die Flugzeitverteilung (DTOF) der gestreuten Photonen durch mehrkanalige Zeit-Digital-Wandler erfasst.

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Bei der Messung der Frequenz eines periodischen elektronischen Signals wird die Anzahl der Schwingungszyklen oder Impulse pro Sekunde gezählt. Wenn es darum geht, die Frequenz des Datenmusters in sehr kurzer Zeit oder nur in wenigen Zyklen wiederherzustellen, können schnelle TDCs die herkömmliche Methode verbessern.

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Die Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie ist ein hochempfindliches, zeitaufgelöstes optisches Messverfahren, mit dem die Mobilität fluoreszierender Partikel und molekulare Wechselwirkungen untersucht werden können. Das weit verbreitete Messverfahren basiert auf einem Konfokalmikroskop und liefert interessante biochemische Parameter. Während der Messung werden Schwankungen der Fluoreszenzemissionsintensität über die Zeit aufgezeichnet, die durch einzelne Fluorophore verursacht werden, die das Detektionsvolumen passieren. Mit der FCS lassen sich die Größe oder Form von Partikeln, Diffusionskonstanten, Konzentrationen und Bindungen zwischen verschiedenen diffundierenden Spezies bestimmen.

Eine Kombination der zeitkorrelierten Einzelphotonen-Zählung (TCSPC) mit der oben genannten klassischen Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie wird als Fluoreszenzlebensdauer-Korrelationsspektroskopie (FLCS) bezeichnet. Bei dieser Methode wird die zeitaufgelöste Detektion der Fluoreszenz genutzt, um die Beiträge verschiedener Prozesse zum Messsignal zu trennen. Die Zeitauflösung liegt im Pikosekundenbereich, sodass leistungsstarke TDCs oder ADCs die beste Wahl für die Datenerfassung in solchen Anwendungen sind.

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Fluorophore sind Moleküle, die bei Anregung durch eine Lichtquelle Fluoreszenzphotonen emittieren. Sie können verwendet werden, um bestimmte Bereiche in Zellen mit einem Fluoreszenzmikroskop sichtbar zu machen.

Um die an den PC übertragene Datenmenge zu reduzieren, sind einige unserer Produkte mit unabhängigen Gates ausgestattet, die es ermöglichen, Messungen während eines Zeitintervalls relativ zum Haupttrigger oder einem separaten Eingangssignal zu unterdrücken.

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GmLidar ist ein scannendes Entfernungskamerasystem. Mit Hilfe der luftgestützten GML-LIDAR-Technik lassen sich große Flächen schnell und kostengünstig aus großer Höhe vermessen, indem ein divergenter Laserimpuls einen relativ großen Punkt auf dem Boden beleuchtet. Dadurch sind besonders schnelle Überflüge aus großer Höhe möglich. Es werden kleine Energieimpulse mit hoher Wiederholungsrate ausgesendet. Gemessen wird nicht der Prozentsatz der von einem einzelnen Impuls zurückgeworfenen Photonen, sondern der Prozentsatz der Impulse, die eine Reflexion registrieren. Beim Geiger-Mode-LIDAR wird das relativ große Sichtfeld am Boden durch die Detektormatrix räumlich aufgelöst, wobei alle Detektorzellen gleichzeitig beleuchtet werden.

Die Geiger-Mode-LIDAR-Technik zeichnet sich durch ein komplexes Sensorsystem und einen geringeren Laserenergiebedarf aus. Hier wird das reflektierte Signal durch eine Anordnung von Geiger-Mode-Avalanche-Photodioden (GmAPD) erfasst. Dabei werden alle Avalanche-Photodioden durch Anlegen einer Vorspannung so empfindlich betrieben, dass bereits ein einzelnes oder wenige vom beleuchteten Bereich reflektierte Photonen zu einem plötzlichen Anstieg der Ausgangsspannung des Detektors führen. Dieser sogenannte „Geiger-Modus“ gab dieser LIDAR-Technik ihren Namen. Jede einzelne APD des Arrays arbeitet praktisch als Binärdetektor, der bei Flugzeitmessungenmittels eines TDC einen Stoppimpuls liefert, wenn Photonen eintreffen.

Das GmAPD-Array ist auf einem Scanner montiert, der sich in einem bestimmten Winkel dreht. Dadurch entsteht ein kegelförmiges Sichtfeld für eine genaue Bodenaufnahme, in dem jeder Quadratmeter des Geländes in einem einzigen Durchgang tausende Male gescannt werden kann. Der Geiger-Modus-LIDAR liefert nur Entfernungsinformationen, keine radiometrischen Daten, und ist im Vergleich zum Vollwellenform-LIDAR weniger genau. Außerdem sind für die Erfassung aus der Luft möglichst gute Wetterbedingungen erforderlich. Die Technik bietet Vorteile in Situationen, in denen eine schnelle Erfassung des Geländes aus großer Höhe erforderlich ist.

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Ein Hybrid-Fotodetektor ist ein Bauteil zur Erfassung sehr geringer Lichtmengen. Aufgrund der geringen Fluktuation können Hybrid-Fotodetektoren die Anzahl der ursprünglich erzeugten Photoelektronen präzise bestimmen, solange die maximale Aufnahmekapazität nicht überschritten wird. Diese Detektoren kombinieren die Eigenschaften von Photomultipliern und Avalanche-Fotodioden und bieten eine schmale Impulshöhenverteilung. Für Messungen im Zeitbereich führt dieser einzelne Verstärkungsschritt zu einer regelmäßigen Ausbreitungszeitverteilung und damit zu einem geringen Timing-Jitter.

Eintreffende Photonen werden von einem HPD mit einer Photokathode (z. B. aus Galliumarsenidphosphid) detektiert, die ein Photoelektron mit der höchstmöglichen Quanteneffizienz emittiert. Diese wird in einer Photomultiplierröhre durch Hochspannung im Vakuum stark beschleunigt, sodass sie schließlich auf eine Lawinendiode trifft (Elektronenbeschuss). Dadurch werden in der APD zahlreiche Elektronen freigesetzt, sodass das ursprüngliche Photoelektron mehr als tausendfach vervielfältigt wird. Auf diese Weise entstehen messbare Signale, die zur Datenerfassung verwendet werden können.

Hybriddetektoren haben im Vergleich zu PMTs oder SPADs deutlich geringere Totzeiten. Aufgrund ihrer hohen Quanteneffizienz, ihrer großen Fläche (im Vergleich zu SPADs) und ihrer schnellen Zeitauflösung werden diese extrem lichtempfindlichen Detektoren häufig in der Fluoreszenzlebensdauer-Mikroskopie und der Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie eingesetzt.

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Die Analyse der Impulsantwort ist ein wichtiger Aspekt der digitalen Signalverarbeitung im Hinblick auf die Charakterisierung dynamischer Systeme, wie beispielsweise Messaufbauten. Die Funktion der Impulsantwort (IRF) beschreibt die Reaktion des dynamischen Systems auf eine externe Veränderung. In der digitalen Messtechnik charakterisiert sie die Abweichung des Ausgangssignals für den Fall, dass ein extrem kurzer Impuls an den Eingang gegeben wird, wobei die Impulsantwort die Reaktion des Systems als Funktion der Zeit beschreibt.

Die sogenannte Einheitsimpulsfunktion hat eine Breite von Null, eine Höhe von unendlich und ein Integral (Fläche) von eins. Da es in der Praxis unmöglich ist, einen so perfekten Impuls als Eingang für die Messung der Impulsantwort zu erzeugen, wird zur Bestimmung der Impulsantwort der kürzestmögliche Impuls verwendet, um den idealen Impuls anzunähern. Dabei ist es wichtig, dass der Impuls im Vergleich zur gemessenen Impulsantwort kurz genug ist, damit das Ergebnis nahe an der tatsächlichen Impulsantwort liegt und somit noch ein brauchbares Ergebnis für die Beurteilung eines Messaufbaus liefert.

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Bei ICCD-Kameras erfolgt die Steuerung der sensitiven Zeit der Detektion z. B. über Bildverstärker aus Mikrokanalplatten, deren Verstärkung durch dasselbe Signal moduliert werden kann, das zur Steuerung der Beleuchtung benutzt wird (gated CCD). Dann werden Aufnahmen gemacht, bei denen Detektion und Anregung unterschiedlich zueinander phasenverschoben sind.

Ein Puls-Jitterzähler ist ein Gerät zur Messung von Zeitjitter in Taktgebern oder Kommunikationssystemen. Alle cronologic TDCs können als Jitterzähler eingesetzt werden.

Der Josephson-Quanten-Effekt beruht auf der Quantenmechanik und tritt auf, wenn ein Tunnelstrom zwischen zwei Supraleitern fließt, die durch eine dünne isolierende Schicht getrennt sind. Werden zwei Supraleiter durch eine (nur wenige Nanometer dünne, nicht-supraleitende Barriere) getrennt, so können Cooper-Paare von einem Supraleiter durch die Barriere in den anderen Supraleiter tunneln. Bei der statischen Form des Effektes (Anlegen einer Gleichspannung) tritt ein hochfrequenter Wechselstrom auf, dessen Frequenz proportional zur Spannung ist. Die dynamische Form des Effektes (die Einwirkung hochfrequenter elektromagnetischer Wellen) führt hingegen zu präzisen Frequenz-Spannungs-Beziehungen, die sich durch Gleichungen beschreiben lassen und eine genaue Methode zur Definition von Spannung ermöglicht.

In der Quantenforschung ermöglicht der Josephson-Effekt die präzise Steuerung und Messung von Quantensystemen, indem damit quantisierte Spannungen und Frequenzen erzeugt werden können. Dies ermöglich (bei niedrigen Temperaturen in supraleitenden Quantenschaltkreisen) eine zuverlässige Datenerfassung und Signalverarbeitung. Sogenannte Josephson-Junctions, die auf diesem Effekt basieren eignen sich als Quantenbits (Qubits) für supraleitende Quantencomputer und dienen als Grundlage für Logikoperationen.

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LIDAR (Light Detection And Ranging) ist ein Verfahren, bei dem die Laufzeit einer Laserreflexion mit einem Zeit-Digital-Wandler (TDC) gemessen wird. Es wird für die 3D-Laserscannung sowohl aus der Luft als auch stationär eingesetzt, insbesondere für die Bildverarbeitung in autonomen Fahrzeugen und für meteorologische Messungen.

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Klassische Geiger-Müller-Zähler, Szintillationsfelddetektoren und viele andere Teilchendetektoren erfassen die von geladenen Teilchen ausgesandte Strahlung in grober spektraler Auflösung. Ganz anders verhält es sich bei der Detektion mit niedrigen Zählraten, bei der eine wesentlich höhere spektrale Auflösung erreicht wird.

Mit Hilfe von Einzelionenzählung können geringe Strahlungsintensitäten nachgewiesen und charakterisiert werden. Im Bereich der Strahlensicherheit und Nichtverbreitung von Atomwaffen können geringe Mengen unbekannter Kernmaterialien anhand ihrer Spektralsignatur nachgewiesen und identifiziert werden. Das gilt z.B. für Spezialkernmaterialien (SNM) und abgeschirmtes, hochangereichertes Uran (HEU).

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Eine Flüssigmetall-Ionenkanone ist eine Ionenquelle, die einen fokussierten Ionenstrahl (FIB) mithilfe von Ionen erzeugt, die aus einem flüssigen Metall, meist Gallium (Ga+-Ionen), extrahiert werden. Flüssigmetall-Ionenquellen sind bei hochauflösenden Analyseanwendungen verbreitet, eignen sich aber auch für präzise Ionenstrahlanwendungen wie Schneiden, Fräsen oder Nanofabrikation.

Sie bestehen aus einem Flüssigmetallreservoir, das eine stumpfe Wolframspitze speist, aus welcher ein starkes elektrisches Feld Ionen in Form eines Elektrosprays extrahiert. Die Ionen werden beschleunigt und mit elektrostatischen Linsen auf die Probe fokussiert. Die erzeugten monatomaren Ionenstrahlen bzw. Ionenstrahlen mit kleinen Clustern, wie ^Au+, ^Ga+ und ^Au3+ zeichnen sich durch eine hohe Stromdichte und Spotgrößen unter 100 nm aus.

LMIS sind eher für die Analyse harter Materialien geeignet, da ihre kleinen, hochenergetische Ionen weit unter die Oberfläche eindringen können, bevor sie ihre Energie abgeben. Die dadurch verursachten Schäden können bei empfindlichen Proben die Tiefenprofilierung unzuverlässig machen. LMIS kommen darüberhinaus für die Ionenimplantation zur Herstellung von Halbleiterbauteilen und bei der Metallveredelung zum Einsatz.

Die Laser-Sekundärneutralteilchen-Massenspektrometrie (Laser-SNMS) ist eng mit der TOF-SIMS (Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry) Technologie verwandt. Das Laser-SNMS-System kombiniert ein kommerzielles TOF-SIMS-Gerät mit einem dedizierten gepulsten Lasersystem mit hoher Leistung und hoher Wiederholungsrate. Dabei wird das Material zuerst durch den Primärionenstrahl zertrümmert, wobei überwiegend neutrale Teilchen freigesetzt werden. Ein nachfolgender Laserpuls ionisiert diese Neutralteilchen, sodass sie gesondert analysiert werden können. Dies führt zu einer höheren Nachweisempfindlichkeit für neutrale Spezies, die in TOF-SIMS nicht erfasst werden.

Die Ionisierung der neutralen Sputterteilchen mit dem Laserpuls erhöht die Detektionseffizienz maßgeblich, was für die Untersuchung von Strukturen im Nanomaßstab und Spezies mit geringer Konzentration von Vorteil ist. Die nachträglich ionisierten Teilchen werden mithilfe eines TOF-Massenspektrometers detektiert. Der Vorteil dieser Methode ist, dass sie nicht von der Ionenausbeute abhängig ist und somit dank der höheren Empfindlichkeit eine noch präzisere quantitative Analyse ermöglicht.

Allerdings ist die Erkennung großer organischer Ionen aufgrund der Photofragmentierung eine Herausforderung. Die räumliche Auflösung von Laser-SNMS ist typischerweise geringer als die von TOF-SIMS, da der Laserpuls für die Ionisierung eine größere Fläche abdeckt. Dies führt zu einer geringeren räumlichen Präzision, was die Methode weniger geeignet für hochauflösende Bildgebung macht, aber dennoch für die quantitative Elementanalyse auf kleineren Flächen effektiv bleibt.

Laser-SNMS wird in Anwendungen verwendet, bei denen präzise quantitative Informationen über die Elementzusammensetzung wichtig sind, wie z.B. in der Geochemie, Materialforschung und Isotopenanalyse. Die Fähigkeit, neutrale Teilchen nachzuweisen, macht es zu einer leistungsfähigen Methode für die Analyse von schwer ionisierbaren Elementen und für die Untersuchung von Proben mit starkem Matrixeffekt.

TOF-SIMS ist vor allem für qualitative chemische Oberflächenanalysen und Bildgebung geeignet, während Laser-SNMS eine höhere Empfindlichkeit für neutrale Atome bietet und sich besonders gut für präzise quantitative Analysen eignet.

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Die Matrix-Assisted Laser Desorption and Ionization ist eine Ionisationstechnik, die bei großen Molekülen mit minimaler Fragmentierung eingesetzt werden kann. Diese Technologie ermöglicht den Bau von Flugzeitmassenspektrometern (TOF) für diese Moleküle.

Eine Mikrokanalplatte ist eine Anordnung zahlreicher Elektronenvervielfacher, die aus parallelen Verstärkungskanälen bestehen, die über eine Ebene verteilt sind. Sie wird zur rauscharmen Verstärkung kleiner Ströme freier Elektronen, Ionen oder hochenergetischer Photonen verwendet und liefert räumliche Informationen. Während der Messung treffen die analysierten Teilchen auf die Platte und erzeugen Sekundärelektronen, die dann mit Hilfe schneller TDCs oder ADCsdetektiert werden können. Für eine bessere Auflösung sind MCP-Konfigurationen mit doppelten oder Z-Stack-MCP-Detektoren erhältlich.

Mikrokanalplatten arbeiten besonders geräuscharm und liefern dank der Matrixanordnung bei Bedarf auch räumliche Informationen. Dies ist vorteilhaft für Anwendungen mit geringer Lichtintensität wie beispielsweise FLIM. Solche Mehrkanalplatten werden daher auch als pixelierte MCPs bezeichnet. Für eine bessere Auflösung sind MCP-Konfigurationen mit doppelten oder Z-Stack-MCP-Detektoren erhältlich.

Das folgende Video zeigt einen MCP-Detektor, der Partikel in einer MALDI-TOF-Messung empfängt:

Ein Multi-Channel-Scaler (MCS) ist ein Impulszählgerät, das die Anzahl der Ereignisse, die während eines bestimmten Zeitintervalls auftreten, aufzeichnet und ein Zeit-Histogramm der Zählwerte in Abhängigkeit von der Zeit liefert. MCS werden häufig in Anwendungen zur Einzelphotonenzählung eingesetzt. Alle cronologic TDCs können als Multi-Channel-Scaler verwendet werden.

Die Multi-Carrier Reflektometrie (MCR) ist ein Verfahren zur Messung der Reflexion einer Oberfläche oder eines Materials bzw. von Übertragungsleitungen.

Dabei wird ein Mehrträgersignal gesendet und die zurückgeworfene Reflexion gemessen. Ein solches digitales Signal besteht aus mehreren einzelnen Trägersignalen, die gleichzeitig auf verschiedenen Frequenzbändern übertragen werden. Die Träger werden mit Daten moduliert und zu einem Mehrträgersignal kombiniert, das dann übertragen werden kann. Einer der Hauptvorteile von Mehrträgersignalen besteht darin, dass sie hohe Datenraten unterstützen und gegenüber Störungen und Rauschen widerstandsfähiger sind als Einzelträgersignale.
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Anhand der Reflexion lassen sich die Eigenschaften der Oberfläche bzw. des Materials bestimmen, wie z. B. dessen Reflektivität, Rauheit und Dielektrizitätskonstante. MCR wird in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter Materialcharakterisierung, Qualitätskontrolle und Oberflächenanalyse. Es ist ein nützliches Werkzeug zum Verständnis der physikalischen Eigenschaften von Oberflächen bzw. Materialien und kann detaillierte Informationen über deren Eigenschaften liefern.

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Die Multi-Carrier-Zeitbereichsreflektometrie (MCTDR) ist ein Verfahren zur Messung der elektrischen Eigenschaften einer Übertragungsleitung oder eines Kabels. MCTDR ist eine Variante der Multi-Carrier-Reflektometrie (MCR), bei der Mehrträgersignale über die Leitung übertragen und die zum Sender zurückkehrenden Reflexionen gemessen werden, wodurch eine vollständige Kontrolle über das Spektrum des eingespeisten Signals ermöglicht wird. Anhand der Reflexionen lassen sich die Eigenschaften der Übertragungsleitung bestimmen, beispielsweise ihre Impedanz, Dämpfung und Phasenverschiebung.

Bei diesem Ansatz für TDR-Messungen wird das Testsignal als Summe einer endlichen Anzahl sinusförmiger Schwingungen moduliert. Dies bietet den Vorteil, dass das kontrollierte Spektrum des eingespeisten Signals auf Einschränkungen hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) reagieren kann. Es bietet die Möglichkeit, das Spektrum des übertragenen Signals flexibel anzupassen und so zu modulieren, dass systembedingte Einschränkungen der Online-Diagnose umgangen werden können, indem es einem bestimmten Spektralbereich zugeordnet wird. Auf diese Weise kann die Übertragung in einem Frequenzband vermieden werden, das das Spektrum des Systems stört. MCTDR wird in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter Kabeltests, Fehlerlokalisierung und Breitbandübertragung. Es ist ein leistungsstarkes Werkzeug für die Wartung und Fehlerbehebung von Übertragungssystemen und kann detaillierte Informationen über den Zustand einer Übertragungsleitung liefern. MCTDR ist eine der grundlegenden Messmethoden in der EWIS-Diagnose, da damit hartnäckige Fehler wie Kurzschlüsse und Unterbrechungen, oft auch intermittierende Defekte und transiente Fehler, relativ schnell erkannt werden können.

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Der NIM-Standard, ursprünglich eine Abkürzung für „Nuclear Instrumentation Module“, wurde 1964 in der Kern- und Hochenergiephysik entwickelt. Die darin enthaltenen Normen definieren mechanische und elektrische Spezifikationen für modulare Systeme mit Busverbindungen.

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Sensoren auf der Basis von Nanodrähten bestehen aus extrem feinen Drähten, die aus Metallen und Legierungen hergestellt werden und auch als Quantendrähte bezeichnet werden. Sie haben im Allgemeinen einen Durchmesser von weniger als oder etwa 100 Nanometern.
Sie weisen aufgrund ihrer winzigen Größe und Struktur quantenmechanische Eigenschaften auf, die in Materialien größer Dimensionierung nicht auftreten. Wenn die Nanodrähte mit der Umgebung, wie z.B. einem elektrischen Feld oder einem magnetischen Feld, in Wechselwirkung treten, ändert sich ihr quantenmechanischer Zustand. Diese Änderung kann mittels elektronischen oder optischen Techniken erfasst werden, also z.B. über die Änderungen in der Leitfähigkeit oder bei Verwendung von Halbleitermaterialien über die Emission von Licht. So lassen sich Daten zur Stärke eines magnetischen Feldes, eines elektrischen Feldes oder andere Parameter akquireren.


Vorteile:

• geringe Größe, also vorteilhaft in Anwendungen, bei denen Platzbeschränkungen eine Rolle spielen
• die hohe Empfindlichkeit ermöglicht präzise Messungen von verschiedensten physikalischen Größen auf subatomarer Ebene
• Vielseitigkeit ermöglicht die Anpassung an spezifische Anwendungen und Messanforderungen
• recht schnelle Reaktionszeiten sind in Echtzeitmessungen und schnellen Analyseanwendungen von Vorteil

Nachteile:

• aufgrund der hohen Empfindlichkeit anfällig für Dekohärenz durch externe Störungen wie elektromagnetische Interferenzen und Temperaturschwankungen
• Die Herstellung von Nanodraht-Sensoren erfordert oft komplexe Techniken der Nanofertigung und Materialwissenschaft, was zu Herausforderungen bei der Skalierung und Kosten führen kann.

Anwendungsbereiche:
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Materialcharakterisierung, in der Nanotechnologie, in der medizinischen Bildgebung und in der Umweltüberwachung, Auf Nanodraht-Arrays basierende Kameras ermöglichen eine hochauflösende Bildgebung auf atomarer Ebene.

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Stickstoff-Vakanzzentren sind Defekte in der Kristallstruktur des Diamanten: Anstelle eines Kohlenstoffatoms ist ein Stickstoffatom vorhanden, und eine der benachbarten Positionen im Gitter ist leer.

Ein speziell präparierter Diamant wird mit einem grünen Laser bestrahlt, wodurch die NV-Zentren in einen angeregten Zustand versetzt werden. In diesem Zustand können die NV-Zentren Licht emittieren und bei Wechselwirkung mit einem externen Magnetfeld auch ihren Quantenzustand ändern. (Hier wird spontane parametrische Downkonversion genutzt, um verschränkte Signalphotonen mit senkrechter Polarisation aus Pump-Photonen zu erzeugen. Nach der Datenerfassung wird das emittierte Licht mit ADCs oder TDCs analysiert, um Informationen über das Magnetfeld zu erhalten, das auf die NV-Zentren gewirkt hat. Durch Auswertung der Polarisation und gegebenenfalls der Intensität des Lichts können die Magnetfeldstärke und -richtung in der Umgebung der NV-Zentren bestimmt werden. Solche Messungen mit Quantensensoren auf Basis von NV-Zentren sind absolut, funktionieren bei Raumtemperatur und erfordern keine separate Kalibrierung. Daher sind die Methoden robust und reproduzierbar. Auf diese Weise lassen sich Stromflüsse in mikro- und nanoelektronischen Schaltungen mit hoher Auflösung abbilden.

Vorteile:

• Hohe Empfindlichkeit, Präzision und Langzeitstabilität bei Messungen in magnetischen und elektrischen Feldern.
• Robust und einfach zu steuern.
• Betrieb bei Raumtemperatur.

Nachteile:

• Begrenzte räumliche Auflösung und Frequenzbereich.

Anwendungsbereiche: Optische Magnetometrie, Stickstoffdefekt-Magnetometrie, Nanotechnologie, Materialwissenschaften, Qualitätskontrolle in der Mikroelektronik, biomedizinische Forschung und Quanteninformationstechnologie.

In Noise Domain Reflectometry, the reflectometer uses significant noise or broadband signals already present on the line, rather than feeding a signal into the line to locate intermittent faults on live lines. It is therefore a passive test method that provides an estimate of the distance to a fault and allows online measurements.
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Although the measurement here uses a signal that is not controlled in terms of generation, it can be used as a reflectometry test signal because impedance discontinuities are reflected regardless of the origin of that signal. For any signal with significant noise or noise-like behavior during the test period, the correlation of this signal with reflections occurring on the line results in a correlation pattern. Thereby, the peaks of this correlation pattern indicate the location of each reflection. In cable networks, multiple reflections occur, and each reflection can be observed independently of the others. The resolution of detection is directly related to the bandwidth of the tested signal.

This method is particularly useful for testing live cables, where data integrity on the cables is critical. NDR measurements can therefore be used, for example, to monitor aircraft wiring in flight or in applications where a secure connection is desired. Similar to SSTDR, in this case, the length of the line is determined by correlation. In other words, the method observes how similar or different the incident and reflected signals are and in what time intervals they are synchronous. The peaks of the determined correlation functions are used to determine the length of the wire.

NDR provides the ability to locate impedance discontinuities that are significant enough, such as substantial damage to the wire. Impedance changes of a few ohms, such as those caused by moisture, small chafe marks, or wire fraying, cannot be detected with NDR. In this regard, TDR measurement methods should be preferred. Thanks to the ability to test the cable under voltage, intermittent short circuits (arc faults) are detected by NDR as if they were short circuits (which produce a significant reflection), even if only for a short time. Intermittent open circuits can also be detected.

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NanoSIMS ist speziell darauf ausgelegt, eine extrem hohe räumliche Auflösung zu bieten und ist daher für die isotopische Analyse und die Quantifizierung von leichten Elementen und Isotopen geeignet. Die meisten SIMS-Methoden sind in Nanodimensionen schwierig umsetzbar. Dies liegt insbesondere am häufig zu großen Durchmesser des primären Ionenstrahls und den auftretenden Vibrationen. Denn bei der Bildgebung im Nanobereich müssen sehr kleine Volumina präzise gesputtert werden.

Moderne NanoSIMS-Geräte verwenden primär fokussierte Cs+ oder O- Ionenstrahlen und ermöglichen eine subzelluläre Auflösung und damit eine absolute quantitative Analyse auf der Ebene von Organellen. Dabei kommt ein hochenergetischer Primär-Ionenstrahl zum Einsatz um eine subzelluläre räumlich Auflösung im Bereich von ∼0,05 μm zu erreichen. Die Ionenquelle in NanoSIMS ist für hohe Strahlstabilität und Präzision optimiert. Die anlysierten Moleküle werden in der Regel mit stabilen Isotopen markiert, was die Probenvorbereitung sehr aufwändig macht.

Bei der Analyse kommen in der Regel magnetische Sektorfeld-Detektoren zum Einsatz. Es wird nur ein geringer Probendurchsatz erreicht. Wegen seiner Fähigkeit zur schnellen Massenanalyse und Vielseitigkeit wird TOF-SIMS in einer Vielzahl von industriellen und wissenschaftlichen Anwendungen gegenüber nanoscale SIMS bevorzugt.

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Die optische Kohärenztomographie ist ein hochauflösendes Bildgebungsverfahren. Es erzeugt zwei- und dreidimensionale Bilder von streuenden Materialien (z. B. biologischem Gewebe). Als nicht-invasive Diagnosetechnik wird sie vor allem für die augenärztliche Untersuchung der Netzhaut eingesetzt. In dieser Anwendung werden analoge Signale mit schnellen ADCs abgetastet, sodass das resultierende digitale Muster das analoge Signal als Funktion der Wellenlängenänderung der Lichtquelle darstellt.

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In optical fiber communications, the losses in optical fibers can be measured with optical time domain reflectometers. The measuring method works similar to radar but works with very low light levels and helps to localize poor fiber splices or faulty optical components.

In Optical Time Domain Reflectometry a fast light pulse is injected into the measured system (for example a fiber optic line). OTDR measurements are similar to TDR measurements, but are based on emitting a series of light pulses, e.g. by means of a laser. Here, the time of the reflections is determined from the reflection loss by measuring from the same end of the fiber how much light passes over the Rayleigh backscatter or is being reflected from individual locations along the fiber. OTDR measurement technology provides a snapshot of the entire connectivity of fiber optic networks, including all link points, splices, and fiber sections.

With help of a fast ADCs or TDCs the time parameters of the reflections and scatterings are measured in order to determine the location of the fault.

Please also read our detailed article on this topic.

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Orbitraps gehören zur Kategorie der Ionenfallen und nutzen die axiale Oszillation von Ionen in einem elektrostatischen Feld, um ihre Frequenz zu messen. Die Frequenzmessung erfolgt durch die Detektion des Stroms, der von den oszillierenden Ionen erzeugt wird. Diese Signale werden dann einer Fourier-Transformation unterzogen, um ein Massenspektrum zu erzeugen.

Ein Orbitrap besteht aus einem zentralen spindelförmigen Elektrodenkern und einer umgebenden, hohlzylindrischen Elektrode. Die Ionen werden in ein elektrisches Feld injiziert, welches zwischen diesen Elektroden erzeugt wird. Die Form des elektrischen Feldes bewirkt, dass sich die Ionen sowohl axial als auch radial bewegen. Die Ionen bewegen sich dabei orbital um die zentrale Elektrode, oszillieren dabei aber auch axial entlang der Längsachse. Die Frequenz der axialen Oszillation hängt dabei von dem Masse-zu-Ladungs-Verhältnis (m/z) der Ionen ab.
Der minimale elektrische Strom, den die Ionen in der umgebenden Elektrode induzieren wird verstärkt und mittels ADCs als erfasst. Auf die so aufgezeichneten Transienten wird eine Fourier-Transformation (FT) angewendet und in Frequenzbereichssignale umgewandelt. Da diese Frequenzen direkt proportional zum Quadrat der m/z-Verhältnisse der Ionen ist, kann das gemessene Frequenzspektrum in ein Massenspektrum umgewandelt werden.

Orbitraps bieten eine sehr hohe Massenauflösung (bis zu 1.000.000) und Massengenauigkeit, oft im Bereich weniger ppm.

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In der Telekommunikation ist die optische Rückflussdämpfung (ORL) ein Maß für die Qualität einer Glasfaserverbindung oder -verbindung. Sie wird in Dezibel (dB) ausgedrückt und als negativer Wert angegeben. Sie stellt das Leistungsverhältnis des von einer Glasfaserkomponente oder -verbindung zurückreflektierten Signals im Vergleich zur Leistung des durch die Komponente oder Verbindung übertragenen Signals dar. Eine hohe Rückflussdämpfung weist beispielsweise auf verschmutzte oder schlecht eingesteckte Steckverbinder oder eine defekte Glasfaser hin. Dadurch entstehen Mehrwegeeffekte und das Signal wird beeinträchtigt.
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Die optische Rückflussdämpfung in Glasfasern kann durch verschiedene Faktoren verursacht werden, darunter:
- Reflexionen an den Faserenden oder Steckverbindern
- Biegungen oder Verdrehungen in der Faser, die zu Lichtreflexionen führen
- Spleiße oder andere Defekte in der Faser, die zu Lichtstreuung führen
- Inhomogenitäten im Faserkern oder in der Mantelschicht, die zu Lichtreflexionen führen
- Temperaturänderungen, die eine Änderung des Brechungsindex der Faser verursachen und zu Reflexionen führen
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In der Praxis kann die optische Rückflussdämpfung mit OTDR-Messungen bestimmt werden. Eine hohe optische Rückflussdämpfung kann dazu führen, dass Signale in einer Glasfaserverbindung nicht richtig übertragen werden. Die Messung der Rückflussdämpfung wird daher bei der Charakterisierung optischer Netzwerke immer wichtiger. Dies gilt insbesondere angesichts der zunehmenden Verwendung von Wellenlängenmultiplexverfahren, die eine geringere Toleranz gegenüber ORL aufweisen.

ORL unterscheidet sich von der Einfügungsdämpfung. Letztere beschreibt den Verlust an Signalleistung, der auftritt, wenn ein Gerät in eine Übertragungsleitung eingefügt wird. In diesem Zusammenhang sind Absorption, Fehlausrichtung oder ein Luftspalt zwischen den Glasfaserkomponenten die Hauptursachen für Einfügungsdämpfung.
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Mit den gestiegenen Anforderungen an Netzwerke in Rechenzentren hat auch die Aufmerksamkeit für ORL zugenommen, was insbesondere Steckverbinder mit ihren unterschiedlichen ORL-Werten betrifft. Wenn Steckverbinder wiederholt gekoppelt und entkoppelt werden, verschlechtert sich auch der ORL-Wert. Eine Minimierung der Rückreflexion wird durch spezielle Poliertechniken erreicht.

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Beim der OMTDR-basierten Reflektometrie wird ein ein OFDM-Signal eingespeist, also ein Signal, welches mehrere gegenseitig orthogonale Träger zur digitalen Datenübertragung verwendet, um Interferenzen zwischen Reflektometern zu vermeiden, die an ein und dasselbe drahtgebundene Netz angeschlossen sind. Das Prüfsignal selbst wird also genutzt, um Informationen zu übertragen.


Dabei werden mehrere Sensoren an verschiedenen Enden des Netzes eingesetzt, um die Diagnoseabdeckung auch für komplexe Netze zu maximieren. Denn dies ist, bedingt durch die Signalabschwächung aufgrund der zurückgelegten Strecke und die vielen Knotenpunkte, eine Herausforderung. Die Idee der OMTDR Messmethode besteht darin, ähnlich wie bei MCTDR, die Bandbreite in mehrere Unterbänder mit orthogonalen und dann überlappenden Unterträgern aufzuteilen, was eine Maximierung der spektralen Effizienz und die Kontrolle des gesamten Spektrums ermöglicht. Dann kann das unerwünschte Frequenzband durch Auslöschung des entsprechenden Tons des OMTDR-Signals vermieden werden. 



Ziel von OMTDR ist die Kontrolle der Gesamten Messbandbreite, Erhöhung der Datenrate, spektrale Effizienz, Vermeidung von Interferenzen.

OMTDR sorgt für die Kommunikation zwischen den Sensoren, um Unklarheiten bei der Fehlerlokalisierung zu vermeiden und verbessert damit die Erkennung weicher Fehler. So kann das reflektierte Signal z.B. für verschiedene Lastbedingungen erfasst werden, um auch weiche Fehler, wie z.B. Isolationsfehler aufzuspüren. Dazu wird das reflektierte Signal mit dem übertragenen Signal korreliert. Das Ergebnis ist ein Reflektogramm, welches an den Stellen der impedanzmäßig nicht angepassten Kabelabschnitte entsprechende Maxima (Korrelationspeaks) aufweist. Das Reflektogramm hilft durch die Darstellung der Zeitabtastungen bei der Lokalisierung von weichen Fehlern und bei der Einschätzung des Schweregrads dieser Fehler.

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Die photoaktivierte Lokalisationsmikroskopie (PALM) ist eine hochauflösende Bildgebungstechnik, die durch Ausnutzung der Eigenschaften photoaktivierbarer Fluorophore eine Auflösung im Nanometerbereich erreicht und so räumliche Details dicht gepackter Moleküle sichtbar macht.

Mit dieser Methode lassen sich einzelne Moleküle wie Proteine im zellulären Kontext nachweisen. Das Verfahren bietet eine hohe Detailgenauigkeit bei der Darstellung von 3D-Strukturen in Zellkörpern und funktioniert wie folgt: Durch die Bestrahlung von Fluorophoren mit aktivierenden Lasern geringer Leistung und einer bestimmten Wellenlänge kommt es zu einer Veränderung ihres Emissionsspektrums. Diese Umwandlung erfolgt stochastisch, sodass nur wenige Fluorophore in ihren aktiven Zustand übergehen. Die stochastische Anregung der Fluorophore stellt sicher, dass jeder Fluoreszenzpunkt von einem einzigen Fluorophor stammt. Ein leistungsstarker Laserstrahl belichtet diese aktivierten Moleküle kurz, woraufhin sie sofort in ihren inaktiven Zustand zurückkehren (z. B. durch Photobleaching). Dieser Vorgang wird dann über Tausende von Bildern wiederholt und die Bilder werden zu einem hochauflösenden Bild zusammengefügt.

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Siehe auch: TCSPC. Bei der Einzelphotonen-Zählung sendet ein Einzelphotonen-Detektor (SPD) jedes Mal, wenn ein Photon detektiert wird, einen elektrischen Impuls aus, sodass einzelne Photonen gezählt werden können. Die Photonenzählung wird in der Telekommunikation, der biophysikalischen Bildgebung (z. B. FLIM), der Quantenoptik und hochauflösenden (Einzelpixel-)LIDAR, OTDR (optische Zeitbereichsreflektometrie) und Quantum Key Distribution(QKD) verwendet.

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PCI eXtensions for Instrumentation ist ein Bussystem für die Mess- und Automatisierungstechnik. Es basiert auf der älteren xPCI-Bus-Technologie, verwendet jedoch den Punkt-zu-Punkt-Standard PCI Express für die Kommunikation. Mit unseren Standard-PCIe-Produkten können Kunden Systeme aufbauen, die die gleiche Leistung wie eine PXI-Konfiguration zu einem Bruchteil der Kosten bieten.

PMTs wandeln Licht in Elektronen um und verstärken dann das Elektronensignal. Klassische Photomultiplier-Röhren (PMT) arbeiten im ultravioletten, sichtbaren und nahinfraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Dabei handelt es sich um Elektronenröhren, die schwache Lichtsignale (bis hin zu einzelnen Photonen) aufnehmen und so weit verstärken, dass freie Elektronen weitere freie Elektronen mit geringerer Energie erzeugen, wodurch die schwachen Eingangssignale in messbare Ströme umgewandelt werden. Sie bestehen typischerweise aus einer Photokathode und einem nachgeschalteten Sekundärelektronenvervielfacher (SEM) in einem evakuierten Glaskolben. PMTs können Totzeiten von einigen Nanosekunden haben. Eine Weiterentwicklung des PMT, der Hybrid-Photodetektor, kombiniert diesen mit Avalanche-Photodioden.

PMTs werden in Szintillationszählern, der Fluoreszenzspektroskopie, der Astronomie, der medizinischen Bildgebung und anderen Anwendungen eingesetzt. Sie eignen sich ideal für die Detektion von Photonen mit hoher Zeitauflösung. In der Regel sind für den Betrieb mehrere Hochspannungspunkte (typischerweise 500–1500 V) an den Dynoden erforderlich.

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Eine Punktwolke ist eine Sammlung dreidimensionaler Koordinatenpunkte, die die Oberfläche eines realen oder virtuellen Objekts darstellen, oder mit anderen Worten ein Netzwerk georeferenzierter Datenpunkte. Jeder Punkt in der Wolke repräsentiert die Position eines Oberflächenpunkts im 3D-Raum und wird in der Regel durch einen Satz von x-, y- und z-Koordinaten dargestellt. Sie kann mit verschiedenen Methoden wie 3D-Scanning, strukturiertem Lichtscanning, Laserscanning, Photogrammetrie oder sogar Simulation erstellt werden.
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Eine Punktwolke enthält in der Regel keine weiteren Informationen wie Farben oder Texturen, sondern besteht nur aus einer Sammlung von Punkten mit ihren Koordinaten. Die Punktwolke kann jedoch als Grundlage für weitere Verarbeitungsschritte wie 3D-Modellierung oder Messtechnik dienen. Meistens werden Punktwolken verwendet, um 3D-Modelle von Objekten oder Umgebungen zu erstellen, und können mit spezieller Software visualisiert werden. Punktwolken werden in vielen Anwendungsbereichen eingesetzt, beispielsweise in der 3D-Bildverarbeitung, Architektur, Ingenieurwesen, Vermessung, Robotik oder virtuellen Realität.

Eine solche dreidimensionale Punktwolke kann beispielsweise das Ergebnis von LIDAR-Messungen sein, bei denen mittels einer Big-Data-Analyse jedem Punkt im Vektorraum eine räumliche Zuordnung zugewiesen wird. Die Wolke aus Datenpunkten wird durch die darin enthaltenen Punkte beschrieben, die jeweils durch ihre räumlichen Koordinaten erfasst werden. Dieser Ansatz ermöglicht die Darstellung eines überraschend genauen 3D-Modells der Realität. In diesem Zusammenhang ist die Punktdichte ein wesentlicher Faktor für die Erkennung von Objekten und die mögliche Auflösung im Bereich der Visualisierung.

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Die Quantenschlüsselverteilung ermöglicht eine abhörsichere Verschlüsselung von Daten. Zu diesem Zweck werden die Quanteneigenschaften des Lichts zur Übertragung verschlüsselter Daten genutzt. Für eine optimale Leistung kommen Einzelphotonenquellen (SPS) zum Einsatz. Unsere schnellen TDCs können in Einzelphotonen-Zählmodulen verwendet werden, die Einzelphotonen-Detektionsereignisse in Zeitstempelströme umwandeln.

Weitere Informationen zur Quantenforschung finden Sie in diesem Artikel.

Quadrupol-Massenanalysatoren können in der TOF-Massenspektrometrie als vorgelagerter Massenfilter verwendet werden. Mit ihrer Hilfe können zur Detektion bestimmter Stoffe alle Ionen beseitigt werden, die nicht innerhalb der gewünschten Bandbreite von Masse zu Ladung liegen. Ein elektrischer Quadrupol besteht der Anordnung zweier entgegengesetzt-gleicher elektrischer oder magnetischer Dipole mit fest definiertem Abstand über ihre gesamte Länge. Bei dieser Form der Analyse wird die Massenträgheit der eingebrachten Teilchen zur Selektion genutzt: In einer der Ebenen werden mittels einer angelegten Wechselspannung die leichten, in der anderen Ebene die schweren Teilchen destabilisiert.

Hinweis: Es gibt auch Massenspektrometer, die Quadrupole und ähnliche Anordnungen verwenden, um ein gesamtes Massenspektrum aufzunehmen. Diese reichen bezüglich ihrer Detektionsfähigkeiten nicht an die Performance der TOF-MS heran, denn in diesen Geräten wird der Stabilitätsbereich über den gesamten m/Q-Bereich abgetastet und bei jedem Schritt eine Messung durchgeführt. Folglich erfordern solche Messungen ein deutlich höheres Zeitinvestment.

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Quantenkohärenz ist ein Begriff aus der Quantenphysik, der die Fähigkeit eines quantenmechanischen Systems beschreibt, seine quantenmechanischen Zustände stabil aufrechtzuerhalten und Interferenzmuster zu erzeugen. In einem kohärenten Zustand sind Quantenzustände genau definiert und weisen ein regelmäßiges und vorhersehbares Verhalten auf. Dies ermöglicht eine genaue Messung und Steuerung der quantenmechanischen Eigenschaften des Systems.
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Allerdings führen Wechselwirkungen mit der Umgebung immer zu Inkohärenz, insbesondere in der Quantenphysik. Solche Wechselwirkungen führen zu Phasenverschiebungen und Ungenauigkeiten in den quantenmechanischen Zuständen, wodurch die Kohärenz nachlässt und das System dekohärent wird. Die Quantenkohärenz ist daher ein empfindlicher Zustand, der in vielen quantenmechanischen Systemen nur für begrenzte Zeit aufrechterhalten werden kann.
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Die Erhaltung der Quantenkohärenz ist für viele Anwendungen in der Quantentechnologie, einschließlich Quantencomputer, Quantenkommunikation und Präzisionsmessungen, von entscheidender Bedeutung. Forscher arbeiten an Strategien zur Minimierung der Dekohärenz, wie z. B. verbesserte Quantensensor-Isolierung, Fehlerkorrekturtechniken und Quantenfehler-Toleranzprotokolle. Das Verständnis und die Kontrolle der Quantenkohärenz sind daher zentrale Herausforderungen in der Quantenphysik und für die Entwicklung leistungsfähiger quantenbasierter Technologien.

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Der "Quanten-Hall-Effekt" ist ein quantenmechanisches Phänomen, das in zweidimensionalen Elektronengasen in einem starken Magnetfeld auftritt.

Dieser Effekt ermöglicht es, die elektrische Leitfähigkeit in quantisierten Schritten zu messen, womit äußerst präzisen Messungen von elektrischen Widerständen und magnetischen Feldern möglich sind. Dazu wird eine Probe aus einem zweidimensionalen Elektronengas (2DEG) hergestellt. Das 2DEG entsteht typischerweise in Halbleitermaterialien, insbesondere in sogenannten Halbleiter-Heterostrukturen. Eine Halbleiter-Heterostruktur ist ein Material, das aus verschiedenen Halbleiterschichten besteht, die jeweils unterschiedliche elektronische Eigenschaften haben. Wenn Elektronen in eine solche Heterostruktur eingebracht werden, können sie an der Grenzfläche zwischen den verschiedenen Schichten "eingefangen" werden und sich nur noch in einer dünnen, zweidimensionalen Schicht bewegen. Diese Probe wird in einem starken magnetischen Feld gekühlt, um den Quanten-Hall-Effekt zu induzieren, bei dem es zu einer Quantisierung des elektrischen Widerstands kommt (in ganzzahlige Vielfache der sogenannten "von Klitzing-Konstante"). Der elektrische Widerstand der Probe wird gemessen, indem ein elektrischer Strom durch die Probe fließt und die Spannung über der Probe mit Hilfe von ADCs erfasst wird.

Da der Quanten-Hall-Effekt direkt von der Stärke des äußeren Magnetfelds abhängt, kann die Messung des elektrischen Widerstands auch zur präzisen Bestimmung der magnetischen Feldstärke verwendet werden.

Vorteile: Extrem präzise bei der Messung von elektrischen Widerständen und elektrischen Feldern.

Nachteile: Erfordert niedrige Temperaturen und spezielle Materialien. Anfällig für externe Störeinflüsse.

Anwendungsbereiche: Präzisionsmesstechnik, Metrologie, Materialforschung

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Quantenbasierte inertiale Sensoren stehen noch in der Forschungs- und Entwicklungsphase, aber ihre vielversprechenden Eigenschaften könnten zu bedeutenden Fortschritten in der Präzisionsmessung und -navigation führen. Sie nutzen die Prinzipien der Quantenmechanik, um hochpräzise Messungen von Beschleunigung, Geschwindigkeit und Rotation entlang dreier zueinander senkrechter Achsen durchzuführen. Dabei werden quantenmechanische Phänomene wie die Atominterferometrie und die Quantenkohärenz genutzt, um die Empfindlichkeit und Genauigkeit der Messungen zu erhöhen.

In einem typischen quantenbasierten inertialen Sensor werden Teilchenstrahlen (Atome oder Moleküle) mithilfe von Laserstrahlen in sogenannte "Superpositionen" aus quantenmechanischen Zuständen gebracht. Diese Superpositionen machen es möglich, dass die Atome gleichzeitig in verschiedenen Zuständen existieren. Kommen die Atome wieder zusammen, werden charakteristische Interferenzmuster erzeugt.

Durch das Anwenden von Beschleunigung, Geschwindigkeitsänderungen oder Drehungen auf den Teilchenstrahl während seiner Bewegung kann das Interferenzmuster beeinflusst werden. Die Messung und Analyse dieser Interferenzmuster ermöglichen auf diese Weise die präzise Bestimmung der Änderungen in Beschleunigung, Geschwindigkeit oder Drehung.

Vorteile:

• außergewöhnliche Genauigkeit und Präzision in der Messung von Beschleunigung und Rotation für viele Anwendungen
• geringere Neigung zur Drift im Vergleich zu klassischen inertialen Sensoren, was zu stabileren und zuverlässigeren Messungen führt

Nachteile:

• Komplexität in der Herstellung
• häufig niedrige Temperaturen, oft nahe dem absoluten Nullpunkt erforderlich um die quantenmechanischen Zustände aufrechtzuerhalten.
• Nutzung ist meist mit hohen Kosten verbunden
  

Anwendungen:

• Quantenbasierte inertiale Sensoren finden Anwendung in einer Vielzahl von Bereichen - häufig dann, wenn höchste Genauigkeit und Stabilität erforderlich sind
• Luftfahrt, Raumfahrt, Robotik, Geodäsie und Erdbebenüberwachung

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Ein reziproker Zähler misst eine Frequenz, indem er die Zeit zwischen einer bestimmten Anzahl von Flanken eines Taktsignals misst. Dies steht im Gegensatz zum Ansatz eines einfachen Zählers, der die Anzahl der Signalflanken in einem bestimmten Zeitintervall zählt. Alle unsere TDCs können als Reziprokzähler mit sehr hoher Genauigkeit eingesetzt werden. Zur Messung von Frequenzen, die höher sind als die maximale Zählrate eines bestimmten TDC, ist ein externer Vorteiler erforderlich.

Ein Reflektron ist ein Bestandteil mancher Flugzeitmassenspektrometer, und wird verwendet, um die Ionen in ihrer Flugrichtung umzukehren, indem es ein elektrisches Feld mit einem Gradienten erzeugt. Das Feld bremst die Ionen ab und beschleunigt sie anschließend wieder in die Gegenrichtung. Dadurch wird der Einfluss ihrer kinetischen Energieverteilung auf die Flugzeit verringert, denn die Ionen mit höherer kinetischer Energie dringen tiefer in das elektrische Feld des Reflektors ein und legen eine entsprechend längere Strecke zurück, wodurch die Flugzeitunterschiede größtenteils kompensiert werden.

Der Hintergrund dieses Verfahrens liegt darin, dass es technisch nicht gerade einfach ist, in einem Massenspektrometer dafür zu sorgen, dass alle Ionen wirklich auch die gleiche Energiemenge aufnehmen. Die Probe befindet sich bei der Messung in einem gasförmigen Zustand, womit die Energieverteilung der Gasteilchen innerhalb der Ionenquelle einer Boltzmann-Verteilung folgt. Verschiedene Teile der Probe werden folglich in der Beschleunigungsphase dem elektrischen Feld stärker oder schwächer ausgesetzt als andere, womit sie eben nicht die gleiche Energiemenge aufnehmen, was hingegen eine Voraussetzung für korrekte Messergebnisse ist. Daraus ergibt sich also eine Abweichung, wegen der also Teilchen des gleichen Masse/Ladungsverhältnisses trotzdem auf verschiedene Geschwindigkeiten beschleunigt werden. Damit besitzen sie unterschiedliche kinetische Energie. Diese Energiedispersion wirkt sich im Massenspektrum als Unschärfe aus. Die Energiedispersion kann mit Hilfe eines Reflektrons minimiert werden.

Die Raman-Streuung ist eine Form der unelastischen Streuung von Licht oder einer anderen elektromagnetischen Strahlung an Elektronen, Atomen oder Molekülen. Raman-Streuung kann beim Eintritt von Licht sowohl in Gase, Plasmen als auch in kristallinen Festkörpern (Phonon-Raman-Streuung) auftreten, und ist auf die Wechselwirkung von Photonen mit den betreffenden Teilchen des beteiligten Mediums zurückzuführen. Solche Wechselwirkungen betreffen z.B. die Rotations- und Vibrationsenergie bei Molekülen oder Energiequanten der Gitterschwingung (optische bzw. akustische) Phononen, in Festkörpern. In Molekülen oder Kristallen kann es zu einer Energieübertragung zwischen dem anregenden Photon und der angeregten Materie kommen, sodass sich die Rotations- und Schwingungsenergie des beteiligten Moleküls bzw. die Schwingungsenergie im Kristallgitter ändert - es kommt also zu einem Übergang des Moleküls von einem Energieniveau zu einem anderen.

Der Begriff „unelastisch“ beschreibt dabei den Fakt, dass diese Art der Streuung die kinetische Energie von zufälligen Partikeln verändert. Es findet also eine Energieübertragung zwischen der Strahlungsenergie und dem streuenden Medium statt, bei der das gestreute Licht eine höhere oder niedrigere Frequenz als der einfallende Lichtstrahl besitzt. Die jeweilige Frequenz ist dabei für das streuende Atom bzw. Molekül spezifisch. Ist die Frequenz des anregenden Photons mit einem elektronischen Übergang im Molekül bzw. Kristall resonant, so ist dabei die Streueffizienz um zwei bis drei Größenordnungen erhöht (Resonanz-Raman-Effekt). Die Energiebilanz bewirkt im Falle einer solchen unelastischen Streuung eine Frequenzverschiebung des gestreuten Lichts. Dabei sind beide Richtungen der Energieübertragung möglich.

Die Raman-Streuung von Molekülen zeichnet sich durch einen sehr kleinen Streuquerschnitt aus. Folglich wird eine recht hohe Konzentration an Molekülen benötigt, um detektierbare Signale zu erhalten. Daher sind Raman-Spektren für einzelne Moleküle nicht möglich. Befindet sich das Molekül allerdings nahe einer metallischen Oberfläche (z.B. aus Silber, Kupfer oder Gold), so kann dadurch das Raman-Signal extrem verstärkt werden. Diese sogenannte oberflächenverstärkte Raman-Streuung (surface enhanced raman scattering, SERS) macht man sich z.B. in der oberflächenverstärkten Raman-Spektroskopie (engl.: Surface Enhanced Raman Spectroscopy) und in der oberflächenverstärkten Resonanz-Raman-Spektroskopie (engl.: Surface Enhanced Resonance Raman Spectroscopy, SERRS) zu Nutze.

Im quantenmechanischen Modell kann der Raman-Effekt als Zwei-Photonen-Übergang zwischen quantisierten Energieniveaus beschrieben werden. Die Raman-Steuung tritt also auf, wenn Photonen mit einem Molekül interagieren und das Molekül in einen virtuellen Zustand mit höherer Energie versetzt wird. Dieser Zustand mit höherer Energie kann einige unterschiedliche Ergebnisse zur Folge haben, z.B. dass das Molekül auf eine neue Schwingungsenergieebene relaxiert. Es entsteht also ein Photon mit einer anderen Energie. Dabei wird die Differenz zwischen der Energie des einfallenden Photons und der Energie des gestreuten Photons als Raman-Verschiebung bezeichnet. Führt die Wechselwirkung des Moleküls mit Licht zu einer Verschiebung der Elektronenwolke des Moleküls, so ändert sich damit auch seine Polarisierbarkeit.

In der Plasmaphysik beschreibt der Raman-Effekt die Streuung an Plasmawellen, bei der das Licht die Plasmawelle während des Streuprozesses verstärkt und das Plasma aufheizt (Raman-Instabilität).

In der Festkörperphysik spielen spontane Raman-Prozesse für die Bestimmung von Schwingungsspektren eine wichtige Rolle.

Im Gegensatz zur Fluoreszenz ist die Raman-Streuung kein Resonanzphänomen, sondern die Streuung erfolgt hier (wie bei der Rayleigh-Streuung) über virtuelle Niveaus. Raman-Streuung tritt folglich auch für Photonen-Energieniveaus außerhalb von der Resonanz zu einem atomaren oder molekularen elektronischen Übergang auf.

Hinweis: Der wichtigste Unterschied zwischen Rayleigh und Raman Streuung ist, die Elastizität der Rayleigh-Streuung - wohingegen es sich bei der Raman-Streuung um eine unelastische Streuung handelt. Bei der (elastischen) Raleigh-Streuung bleibt die kinetische Energie der zufälligen Teilchen des Systems, in dem die Streuung stattfindet, gleich. Folglich stimmt die Frequenz des einfallenden Lichts mit der des gestreuten Lichts überein. Beim Auftreten der (unelastischen) Raman-Streuung hingegen, verändert sich die kinetische Energie der zufälligen Teilchen. Folglich hat das einfallende Licht eine andere Frequenz als das durch Raman-Streuung gestreute Licht.

Anwendung:

• Bei der Raman-Spektroskopie werden Materialeigenschaften wie Kristallinität, Kristallorientierung, Zusammensetzung, Verspannung, Temperatur, Dotierung usw. gemessen. Dabei wird die zu untersuchende Materie mit (Laser-) Licht aus monochromatischen Anregungsquellen mit längerer Wellenlänge bestrahlt.  Im Spektrum des an der Probe gestreuten Lichts werden neben der einstrahlten Frequenz (Rayleigh-Streuung) noch weitere Frequenzen beobachtet, die Rückschlüsse auf die Änderungen der Polarisierbarkeit der molekularen Bindungen der Probe zulassen. Mit Hilfe der der Raman-Spektroskopie kann die Schwingungssignatur eines Moleküls bis in den im Bereich von Nanogramm erfasst werden, um zu verstehen, wie das Molekül zusammengesetzt ist und wie es mit anderen Molekülen in seiner Umgebung interagiert.

• Die Messung der Raman-Streuung hilft bei der Beobachtung von Kristallisationsprozessen, Polymerisationsreaktionen, Hydrierungsreaktionen, Synthesereaktionen, der chemischen Synthese, der Biokatalyse und der enzymatische Katalyse. Zudem dient sie der Identifizierung polymorpher Formen und kommt in der Strömungschemie und der Bioprozessüberwachung zur Anwendung.

• Bei der ortsaufgelösten faseroptischen Temperaturmessung (engl. distributed temperature sensing, DTS) wird die Raman-Streuung und ihre Temperaturabhängigkeit in Glasfasern genutzt um Glasfasern als lineare Sensoren einzusetzen.

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Treffen elektromagnetische Wellen auf kleine Teilchen, deren Durchmesser im Vergleich zur Wellenlänge der Welle sehr klein ist, so treten elastische Streu-Effekte auf, die als Rayleigh-Streuung bezeichnet werden. Bei der elastischen Streuung wird die kinetische Energie der Teilchen innerhalb des Systems bewahrt, in dem die Streuung stattfindet. Daher haben die gestreuten Photonen die gleiche Energie wie die einfallenden Photonen. Rayleigh-Streuung entsteht z.B. beim Auftreffen von Licht auf die Moleküle von transparenten Festkörpern, Flüssigkeiten oder Gasen, wie z.B. in der Erdatmosphäre oder auch in Lichtwellenleitern. Ihren Ursprung hat die Streuung in der Polarisierbarkeit der Teilchen des Mediums, welches die elektromagnetische Welle durchläuft. Dabei hat die Rayleigh-Streuung keine Auswirkungen auf den Zustand des Mediums selbst. Die Stärke der Streuung ist dabei von der Frequenz abhängig, wobei elektromagnetische Wellen mit kürzeren Wellenlängen stärker gestreut werden. Die kinetische Energie der zufälligen Teilchen des Systems, in dem die Streuung stattfindet, bleibt bei der Raleigh-Streuung gleich, folglich stimmt die Frequenz des einfallenden Lichts mit der des gestreuten Lichts überein.

Im oben angeführten Beispiel der Streuung in der Erdatmosphäre an molekularem Sauerstoff und Stickstoff tritt noch ein zweiter Streueffekt auf, die Raman-Streuung. Bei dieser handelt es sich allerdings um eine inelastischen Streuanteil, der eine minimale Verschiebung der Wellenzahl des Photons bewirkt.

Einzelphotonen-Avalanche-Dioden (SPAD) sind Festkörper-Photodetektoren und gehören zur gleichen Familie wie Photodioden und Avalanche-Photodioden (APD), benötigen jedoch kein Vakuum. Während APDs ihre Stärken in der unverzerrten Verstärkung von optischen Signalen mit geringer Intensität zeigen, ähnelt das Verhalten von SPADs eher dem grundlegenden Verhalten von Dioden. SPADs ermöglichen die direkte Zählung von Impulsen und liefern somit einen Hinweis auf die optische Intensität des Eingangssignals, während die Impulse gleichzeitig Zeitgeberkreise auslösen können, um präzise Messungen der Ankunftszeit zu ermöglichen.

Diese Sensoren werden insbesondere in der Time of Flight-3D-Bildgebung, der LIDAR-Technologie, der PET-Tomographie, der TCSPC, der Fluoreszenzlebensdauer-Mikroskopie und der optischen Kommunikation, insbesondere in beim Quantenschlüsselaustausch, eingesetzt. SPADs sind besonders nützlich für die Einzelphotonen-Detektion, z. B. kann mit SPAD-Arrays ein vollständiges FLIM-Bild aufgenommen werden, da selbst einzelne Photonen ein klares Ausgangssignal erzeugen, das detektiert werden kann. SPADs haben eine geringe Totzeit (weniger als 1 ns) und damit eine hohe Zählrate bei einer Verzögerungsstreuung, die mit MCPs vergleichbar ist. Ein charakteristisches Merkmal von SPADs ist ihr Dunkelrauschen. Da das Dunkelrauschen mit der Fläche zunimmt, ist dieser Effekt ein wichtiges Kriterium bei der Vergrößerung der lichtempfindlichen Fläche in SPADs.

Der Name Geiger-Mode-Avalanche-Photodiode (GmAPD) bezieht sich darauf, dass die Diode leicht über der Durchbruchschwellen-Spannung betrieben wird. Dies führt dazu, dass bereits ein einzelnes Elektron-Loch-Paar (entstanden durch Absorption eines Photons oder durch eine thermische Fluktuation) eine starke Lawine auslösen kann.

Hinweis: Möglicherweise interessieren Sie sich auch für HPDs.

Die Einzelmolekül-Fluoreszenzspektroskopie (SMFS) ist ein Verfahren der physikalischen Chemie, mit dem einzelne Moleküle sichtbar gemacht werden können. Auf diese Weise lassen sich die Dynamik und Wechselwirkungen in zellulären Systemen untersuchen. Die Technik hat sich in den letzten Jahren rasant weiterentwickelt, insbesondere im Bereich der Hochdurchsatz-Einzelmolekül-Detektion. In der biomolekularen Analyse ermöglicht das Verfahren die Identifizierung von Subpopulationen und die Lokalisierung von Molekülen mit subwellenlängengenauer Präzision. Die Technologie wird in der biologischen, klinischen und medizinischen Forschung eingesetzt, um die Bewegung einzelner Moleküle in lebenden Zellen zu verfolgen, z. B. für die hochsensible und spezifische DNA-Sequenzierung oder für den Nachweis von Krankheiten.
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Dabei wird die Probe unter ein spezielles Lichtmikroskop gebracht, das für das extrem kleine Detektionsvolumen optimiert ist, und anschließend mittels eines Lasers angeregt. Die dabei ausgelöste Fluoreszenz emittierten Photonen können mit Hilfe eines Mikroskops über längere Zeiträume verfolgt werden (Single-Particle-Tracking, SPT) oder auch einer zeitkorrelierten Einzelphotonenmessung unterzogen werden.

Silicon photomultipliers (SiPM) are single-photon sensitive semiconductor devices, more specifically arrays of hundreds to tens of thousands of integrated SPADs implemented on a common silicon substrate, each capable of individually and independently detecting photons.

All microcells are read in parallel. This makes it possible to generate signals in a dynamic range from a single photon to 1000 photons for a device with an area of ​​only one square millimeter.

Compared to conventional PMTs, there is a low or even negligible additional noise factor. In addition, the bias voltages are 10 to 100 times lower, which simplifies the electronics. In the red to near-infrared they have a significantly higher quantum efficiency than available PMTs and a significantly larger dynamic range when a large number of SPADs are placed together. This enables faster imaging rates or a higher signal-to-noise ratio.

Please note: Unlike PMTs, SiPM may require sub-ambient cooling and may be difficult to obtain large active areas as the dark numbers per area are higher than PMTs.

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Supraleitende Nanodraht-Einzelphotonen-Detektoren (SNSPDs) sind hochempfindliche Detektoren, die einzelne Photonen erkennen können. Sie spielen eine zentrale Rolle in Bereichen wie Quantenoptik, Quantenkommunikation, Astronomie und Quantensensorik. Ihre Funktionsweise beruht auf supraleitenden Materialien, die bei kryogenen Temperaturen betrieben werden, um eine extrem hohe Detektionseffizienz und niedrige Dunkelzählraten zu ermöglichen.

Supraleitende Nanodraht-Einzelphotonen-Detektoren basieren auf dem Prinzip der supraleitenden Detektion. Ein supraleitendes Material leitet elektrischen Strom ohne Widerstand, wenn es unter eine kritische Temperatur, die sogenannte Übergangstemperatur, abgekühlt wird.

Wenn ein Photon auf einen solchen Detektor trifft, wird es absorbiert, wodurch sich ein Elektronenpaar, ein sogenanntes Cooper-Paar, bildet. Die Bildung des Cooper-Paares führt zu einer Verringerung des elektrischen Widerstands des supraleitenden Materials, die als Signal registriert wird.

In einem SNSPD erzeugen Photonen einen Spannungsimpuls, wenn sie auf den Nanodraht treffen. Dabei handelt es sich um einen dünnen (≈ 5 nm) und schmalen (≈ 100 nm) supraleitenden Nanodraht, der typischerweise mehrere hundert Mikrometer lang ist. Der Nanodraht ist in einer kompakten Mäandergeometrie angeordnet, um ein quadratisches oder kreisförmiges Pixel mit hoher Detektionseffizienz zu erzeugen. Der Nanodraht wird mit einem Gleichstrom gespeist, der leicht unter seinem kritischen supraleitenden Strom liegt. Wenn ein Photon auf den Draht trifft, bricht es Cooper-Paare auf und reduziert so den lokalen kritischen Strom unter den Wert des Speisestroms. Dies führt zur Bildung eines Hotspots mit endlichem elektrischen Widerstand, der in der Regel größer ist als die Impedanz des Ausleseverstärkers und somit als Spannungsimpuls gemessen werden kann.

Dieser schwache Spannungsimpuls wird durch einen rauscharmen Verstärker verstärkt, um ihn für die weitere Verarbeitung nutzbar zu machen. Die Digitalisierung des verstärkten Impulses erfolgt in der Regel mit einem Analog-Digital-Wandler (ADC), damit die Daten mit hoher Präzision analysiert werden können. Die digitalisierten Signale werden in Echtzeit verarbeitet, um die Ankunftszeit und andere Eigenschaften der Photonen zu extrahieren.

Supraleitende Nanodraht-Einzelphotonen-Detektoren bieten eine hohe Empfindlichkeit und zeitliche Auflösung bei sehr hohen Zählraten, sehr kurzen Totzeiten und sehr geringem zeitlichen Jitter im Vergleich zu anderen Einzelphotonen-Detektoren. Sie können einzelne Photonen bei sehr geringer Intensität detektieren und sind daher ideal für die Quantenkommunikation, Quantenkryptografie und Quantencomputing geeignet. Da sie auf supraleitender Technologie basieren, haben sie außerdem eine sehr niedrige Hintergrundrate, was bedeutet, dass sie sehr genau sind und keine Fehlalarme verursachen.

Die Verwendung von supraleitenden Nanodraht-Einzelphotonen-Detektoren hat jedoch auch Nachteile. Einer der größten Nachteile ist, dass sie in der Regel auf sehr niedrige Temperaturen, meist unter 4 Kelvin (-269 °C), gekühlt werden müssen. Dies erfordert spezielle Kühlgeräte, die teuer und unpraktisch sein können. Darüber hinaus haben sie einen begrenzten Erfassungsbereich und sind daher nicht für die Abdeckung großer Flächen geeignet.

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Anwendungen

• In der Quanten-Kommunikation ermöglichen SNSPDs die verlustfreie Detektion einzelner Photonen, die beispielsweise zur Übertragung von Quantenbits (Qubits) in Quantenkryptographiesystemen verwendet werden.
• In der Astronomie werden SNSPDs zur Detektion extrem schwacher Lichtsignale von weit entfernten Himmelsobjekten eingesetzt.
• In der Biophotonik werden SNSPDs eingesetzt, um Fluoreszenzsignale in biologischen Proben mit hoher zeitlicher Präzision zu messen.

Vorteile von SNSPDs:

• Hohe Effizienz: SNSPDs bieten Detektionseffizienzen von bis zu 98 %.
• Ihre Zeitauflösungen liegen im Bereich von wenigen Pikosekunden.
• Ihre geringe Dunkelzählrate reduziert die Wahrscheinlichkeit von Fehlmessungen.

Nachteile

• SNSPDs erfordern eine aufwendige Kryokühlung.
• Dies macht ihren Betrieb recht kostspielig.
• Da es schwierig ist, SNSPDs in großen Arrays anzuordnen, sind entsprechende Detektoren nur begrenzt skalierbar.

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Einzelphotonen-LIDAR bietet eine besonders schnelle Datenerfassung und eine besonders hohe Datendichte, da diese Technik mehrere Laserimpulse gleichzeitig erfasst und separat analysiert. Dabei werden statt des gesamten Lichtsignals einzelne Photonen detektiert. Die Single-Photon-Lidar-Technik (SPL) verwendet kollimierte Laserstrahlung im sichtbaren grünen Bereich des Spektrums (λ=532 nm). Die Kollimation des Laserimpulses wird durch den Einsatz eines diffraktiven optischen Elements (DOE) erreicht, das den Laser in mehrere Teilstrahlen, sogenannte „Beamlets“, aufteilt. Auf diese Weise wird die Dichte der Messpunkte deutlich erhöht. Im Gegensatz zu GmLidar wird nicht das gesamte FOW des Empfängers vollständig beleuchtet, sondern jedes Beamlet wird in seiner räumlichen Richtung so ausgerichtet, dass es auf ein ihm zugeordnetes, auf der Detektionsseite befindliches, Einzelphotonen-empfindliches Detektorarray, das sogenannte „Subarray“, trifft. Jedes einzelne Subarray besteht aus zahlreichen lichtempfindlichen Detektorelementen und teilt das FOW virtuell in Teilbereiche auf, die parallel in die Auswertung einbezogen werden können. Auf diese Weise werden die lichtempfindlichen Sub-Arrays effizient beleuchtet und optische Übersprechen vermieden. Bei richtig eingestelltem Dynamikbereich ist die Stärke des Ausgangssignals der Sub-Arrays linear zur optischen Leistung. Auf diese Weise kann jeder Laserstrahl mehrere Echos liefern, deren Analyse es beispielsweise ermöglicht, Vegetation zu durchdringen. Im Vergleich zu herkömmlichen LIDAR-Systemen bietet SPL eine höhere Flächenleistung bei vergleichbaren Punktwolken-Dichten, wobei die Höhenauflösung für nicht planare Oberflächen etwas geringer ist als bei Vollwellen-LIDAR. Single-Photon-LIDAR ist empfindlicher gegenüber Mehrfachreflexionen als Geiger-Mode-LIDAR. In der aktuellen Form erreicht SPL nicht die Präzision von Vollwellen-LIDAR.

Die in SPL verwendete Wellenlänge ermöglicht die Durchführung von bathymetrischen Messungen und deren Kombination mit topografischen Vermessungen.

Ein typischer Anwendungsfall für SPL wäre die Erkennung von Objekten unter Laubwerk in einem Wald von oben. In diesem Fall könnten einzelne Beamlets Baumkronen erkennen, andere könnten auf dem Weg dorthin auf Äste treffen und von diesen reflektiert werden, und wieder andere Beamlets könnten auf den Boden treffen und entsprechende Daten liefern.

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Bei der zeitkorrelierten Einzelphotonen-Zählung (TCSPC) werden Fluoreszenzabklingvorgänge über die Zeitachse gemessen. Das Verfahren ist ein wesentlicher Bestandteil der Fluoreszenzlebensdauer-Mikroskopie (FLIM).

Die zeitkorrelierte Einzelphotonen-Zählung gilt als besonders schonende Messtechnik, da die zur Probenanregung erforderlichen Lichtimpulse eine geringe Impulsenergie aufweisen. Dies ist möglich, weil jeweils nur ein einzelnes Photon verarbeitet wird. TCSPC basiert auf der Detektion dieser einzelnen Photonen und der Messung ihrer Ankunftszeiten in Bezug auf ein Referenzsignal, das in der Regel der Zeitpunkt der Emission des Laserimpulses ist, mit dem die Probe angeregt wurde. Dieser Laserimpuls erfolgt mit einer hohen Wiederholungsrate, sodass eine ausreichend hohe Anzahl einzelner Photonen für die anschließende Messung der Fluoreszenzlebensdauer bestimmt werden kann.

Die meisten unserer ADC und TDC -Produkte sind mit dieser Funktion ausgestattet, die Ihnen bei der Steuerung Ihres Versuchsaufbaus sehr hilfreich ist. Der TiGer kann unter anderem zur Ausgabe periodischer Timing-Muster, verzögerter Kopien anderer Signale oder zufälliger Trigger verwendet werden.

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Bei den meisten cronologic-Produkten kann jeder digitale Eingang zum Auslösen eines beliebigen auslösbaren Schaltkreises verwendet werden. Die Zuordnung erfolgt über die konfigurierbare Triggermatrix. Eingänge können Eingangsanschlüsse, TiGer-Mustergeneratoren, Software-Trigger und andere sein. Auslösbare Schaltkreise können unter anderem Input-Gates, TiGer-Mustergeneratoren oder auch zusätzliche ADC-Messungen sein.

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Transientenrekorder sind Oszilloskope, die für die Messung von Wellenformen mit sehr hoher Bandbreite ausgelegt sind. Im Gegensatz zu Oszilloskopen mit äquivalenter Zeitabtastung erfasst ein Transientenrekorder die Messung in einem einzigen Messdurchgang. Das Signal muss nicht repetitiv sein. Bei digitalen Datenerfassungsprodukten werden die Begriffe „ADC“, ‚Digitalisierer‘ und „Transientenrekorder“ meist synonym verwendet.

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In Flugzeit-Massenspektrometern werden Ionen in einem elektrischen Feld beschleunigt. Die Zeit, die das Ion benötigt, um einen Detektor zu erreichen, wird verwendet, um das Verhältnis von Masse zu Ladung des Ions zu bestimmen. Mit einem Constant-Fraction-Discriminator (CFD) und Zeit-Digital-Wandlern lässt sich die Flugzeit des Ions einfach und mit hoher Präzision bestimmen. In Aufbauten, in denen eine große Anzahl von Ionen gleicher Masse erzeugt wird, kann stattdessen ein ADC-Digitalisierer verwendet werden, um auch Informationen über die Impulshöhe und damit über die Anzahl der Ionen in jedem gemessenen Impuls zu erhalten.

Weitere Informationen zu TOF-MS finden Sie in diesem Artikel.

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Ein Vektornetzwerkanalysator ist ein Messgerät zur Ermittlung wichtiger Netzwerkparameter von HF- und Mikrowellenkomponenten und -netzwerken.

Ein VNA besteht in der Regel aus einem oder mehreren Signalgeneratoren, z. B. einem für die Übertragungsmessung (oder „Vorwärtsmessung“) und einem für die Reflexionsmessung (oder „Rückwärtsmessung“), sowie einem oder mehreren Empfängern, die die Amplitude und Phase der Signale erfassen. Zwei integrierte Signalquellen sind beispielsweise für Verstärker-Intermodulationstests interessant, bei denen zwei unterschiedliche Frequenzen für den Test erforderlich sind. Für andere Messungen kann eine Quelle auch das HF-Signal und die andere das LO-Signal liefern.

Alle VNAs legen ein bekanntes Stimulussignal an das zu testende Gerät (DUT) an und messen die Antwort. Durch Messung der Antwort des DUT bei verschiedenen Frequenzen und Vergleich mit dem bekannten Stimulus kann der VNA die Amplituden- und Phaseneigenschaften des DUT bestimmen, wie z. B. seine Verstärkung, Rückflussdämpfung und Übertragungs-bzw. Reflexionskoeffizienten. Diese Informationen können für den Entwurf, die Optimierung und die Fehlerbehebung von HF- und Mikrowellenschaltungen und -systemen verwendet werden.

In einem Vektornetzwerkanalysator wird das DUT, beispielsweise eine Baugruppe oder ein elektrisches Gate, nicht wie bei einem herkömmlichen TDR über die Zeit, sondern über die Frequenz gemessen.

Beispielsweise kann die zu messende Baugruppe mit einer Reihe von Sinuswellen gespeist werden, sodass die auftretenden Signaländerungen vom Empfänger im Netzwerkanalysator erfasst werden können. Dies geschieht durch Bestimmung des Vektorverhältnisses zwischen den einfallenden und reflektierten Spannungen, wobei die Frequenz der sinusförmigen Wellenform durchlaufen wird, um die Reaktion des zu testenden Geräts als Funktion der Frequenz zu bestimmen. Es handelt sich also um eine relative Messung der gesendeten und empfangenen Signale. Insbesondere können VNAs auch Amplitude und Phase als komplexe Größen erfassen und so Streuparameter (S-Parameter) in komplexen Werten ausdrücken.

Die erfassten Reflexions- und Transmissionsdaten werden mittels Anzeigen so dargestellt, dass die Informationen benutzerfreundlich interpretiert werden können. Viele HF-Netzwerkanalysatoren bieten daher Funktionen wie lineare und logarithmische Formate, Sweeps, Polardiagramme, Smith-Charts usw. Trace-Marker, Grenzlinien und Pass/Fail-Kriterien können ebenfalls hinzugefügt werden.

Da VNAs im Vergleich zu TDR-Oszilloskopen einen größeren Dynamikbereich haben, können sie für genauere Messungen verwendet werden. Bei der VNA-basierten Zeitbereichsanalyse werden zeitliche Signale in ihre Frequenzkomponenten zerlegt, sodass das Signal aus der Summe dieser Frequenzkomponenten rekonstruiert werden kann. Datenmessungen mit VNAs gelten als sehr stabil, genau und vielseitig.

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Ein Wien-Filter, auch bekannt als Geschwindigkeitsfilter, dient dazu, Ionen nach ihrer Geschwindigkeit und damit indirekt nach ihrer Masse-Ladungs-Verhältnis (m/z) zu trennen. Diese Trennung basiert auf der gleichzeitigen Anwendung eines elektrischen und eines magnetischen Feldes, die orthogonal zueinander angeordnet sind. Ein WIENscher Geschwindigkeitsfilter besteht aus einem homogenen elektrischen Feld und einem homogenen magnetischem Feld, die senkrecht zueinander stehen. Dabei treten die Ionen senkrecht zu beiden Feldern ein und nur solche Ionen, die die passende Geschwindigkeit besitzen passieren den Geschwindigkeitsfilter. Die Kräfte des elektrischen und magnetischen Feldes sind dabei gleich groß, langsamere oder schnellere Ionen werden abgelenkt und aus dem Weg geräumt. Da die Geschwindigkeit der Ionen von ihrem Masse-Ladungs-Verhältnis abhängt, kann der Wien-Filter als ein Werkzeug zur Massenselektion verwendet werden. Ionen mit verschiedenen m/z-Werten haben unterschiedliche Geschwindigkeiten und werden daher unterschiedlich stark abgelenkt.

In TOF-SIMS wird die Trennung von Ionenmassen hauptsächlich durch ihre Flugzeit realisiert, weshalb Wien-Filter hier nur in bestimmten Fällen eingesetzt werden. In solchen Spezialanwendungen könnte ein Wien-Filter zur Vorselektion der Ionen oder zur Verbesserung der Massenselektion dienen, insbesondere bei der Verwendung von gepulsten Ionenquellen oder bei der Kombination von TOF-SIMS mit anderen analytischen Methoden.

Denn bei einer komplexen Probenform wird der Emissionswinkel der Sekundärionen stark durch das elektrische Feld beeinflusst. Diese Unschärfen treten aufgrund von Unterschieden in der Anfangsenergie und im Emissionswinkel auf, selbst wenn die betreffenden Ionen die selbe Masse haben. Daher werden in einigen Systemen zur ToF-Messung die Flugzeitunterschiede der emittierten Sekundärionen mittels Wien-Filtern kompensiert. Das Ziel solcher Maßnahmen ist es, die Massenauflösung zu verbessern und ggf. eine besser abgegrenzte Bildgebung zu erreichen.

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Alle unsere ADCs verfügen über eine integrierte Nullunterdrückung (Zero Suppression). Diese Funktion sorgt dafür, dass nur Daten übertragen werden, die den vom Benutzer vordefinierten Spezifikationen entsprechen. Dadurch wird die PCIe-Buslast reduziert, um die verfügbare Auslesebandbreite optimal zu nutzen. Bei korrekter Einrichtung werden nur relevante Impulse (über einem bestimmten Schwellenwert) erkannt, sodass die zu kopierende und zu analysierende Datenmenge drastisch reduziert wird.

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