The microstructure of highly aggregated colloidal dispersions was investigated by probing the rheological behavior of magnetic suspensions. The dynamic moduli as functions of frequency and strain amplitude are shown to closely resemble that of colloidal gels indicating the formation of network structure. The two types of characteristic critical strain amplitudes, γc and γy, were characterized in terms of the changing microstructure. The amplitude of γc indicates the transition from linear to nonlinear viscoelasticity and depends only on particle volume fraction not magnetic interactions. The study of scaling behavior suggests that it is related to the breakage of interfloc, i.e., floc-floc structure. However, yielding strain, γy, was found to be independent of particle volume fraction as well as magnetic interaction. It relates to extensive deformation resulting in yielding behavior. The scaling of elastic constant, Ge, implies that this yielding behavior and hence γy is due to the breakage of long-range interfloc interactions. Also, the deformation of flocs due to increase strain was indicated from the investigation of the fractal nature.
We examine rigorous computations on microstructural as well as rheological properties of concentrated dispersions of bidisperse colloids. The NVT Monte Carlo simulation is applied to obtain the radial distribution function for the concentrated system. The long-range electrostatic interactions between dissimilar spherical colloids are determined using the singularity method, which provides explicit solutions to the linearized electrostatic field. The increasing trend of osmotic pressure with increasing total particle concentration is reduced as the concentration ratio between large and small particles is increased. From the estimation of total structure factor, we observe the strong correlations developed between dissimilar spheres. As the particle concentration increases at a given ionic strength, the magnitude of the first peak in structure factors increases and also moves to higher wave number values. The increase of electrostatic interaction between same charged particles caused by the Debye screening effect provides an increase in both the osmotic pressure and the shear modulus. The higher volume fraction ratio providing larger interparticle spacing yields decreasing high frequency limit of the shear modulus, due to decreasing the particle interaction energy.
Miscanthus had a higher lignin content (19.5 wt%) and carbohydrate (67.6 wt%) than other herbaceous crops, resulting in higher pellet strength and positive effect on combustion. However, miscanthus also contains a high amount of hydrophobic waxes on its outer surface, cuticula, which limits the pellet quality. The glass transition of lignin and cuticula were related to forming inter-particle bonding, which determined mechanical properties of pellet. To determine the effects of surface waxes, both on the pelletizing process and the pellet strength were compared with raw and extracted samples through solvent extraction. In addition, to clarify the relationship between pellet process parameters and bonding mechanisms, the particle size and temperature are varied while maintaining the moisture content of the materials and the die pressure at constant values. Furthermore, kraft lignin was employed to determine the effect of kraft lignin as an additive in the pellets. As results, the removal of cuticula through ethanol extractions improved the mechanical properties of the pellet by the formation of strong inter-particle interactions. Interestingly, the presence of lignin in miscanthus improves its mechanical properties and decreases friction against the inner die at temperatures above the glass transition temperature ($T_g$) of lignin. Consequently, it could found that the use of kraft lignin as an additive in pellet reduced friction in the inner die upon reaching its glass transition temperature.
A particle method recognized as one of gridless methods has been developed to investigate the nonlinear free-surface motions interacting to the structures. The method is more feasible and effective than convectional grid methods in order to solve the flow field with complicated boundary shapes. In the present study, breaking waves with a floating body are simulated to investigate fluid-structure interactions in the coastal zone.
Electron microbursts, energetic electron precipitation having duration less than 1 sec, have been thought to be generated by chorus wave and electron interactions. While the coincidence of chorus and microburst occurrence supports the wave-particle interaction theory, more crucial evidences have not been observed to explain the origin of microbursts. We propose the measurement of energy dispersion of microbursts could be an evidence supporting wave-particle theory. During chorus waves propagate along magnetic field, the resonance condition should be satisfied at different magnetic latitude for different energy electrons. If we observed electron microbursts at low altitude, the arrival time of different energy electrons should make unique dispersion structures. In order to observe such energy dispersion, we need a detector having fast time resolution and wide energy range. Our study is motivated from defining the time resolution and energy range of the detectors required to measure microburst energy dispersions. We performed test particles simulation to investigate how electrons interact with simple coherent waves like chorus waves. We compute a large number of electron's trajectories and successfully produce energy dispersion structures expected when microbursts are observed with 10 msec time resolution detectors at the altitude of 600 km. These results provide useful information in designing electron detectors for the future mission.
The steady-state behavior of recycling neutral atoms in a tokamak edge region has been analyzed through a two-dimensional Monte Carlo simulation. A particle tracking algorithm used in earlier research on the neutral particle transport is applied to this Monte Carlo simulation in order to perform more accurate calculations with the EDGETRAN code which was previously developed for a two-dimensional edge plasma transport in the authors' laboratory. The physical model of neutral recycling includes charge-exchange and ionization interactions between plasmas and neutral atoms. The reflection processes of incident particles on the device wall are described by empirical formulas. Calculations for density, energy, and velocity distributions of neutral deuterium-tritium atoms have been carried out for a medium-sized tokamak with a double-null configuration based on the KT-2 conceptual design. The input plasma parameters such as plasma density, ion and electron temperatures, and ion fluid velocity are provided from the EDGETRAN calculations. As a result of the present numerical analysis, it is noticed that a significant drop of the neutral atom density appears in the region of high plasma density and that the similar distribution of neutral energy to that of plasma ions is present as frequently reported in other studies. Relations between edge plasma conditions and the neutral recycling behavior are discussed from the numerical results obtained herein.
A fundamental problem in space physics is to explain the origin of energetic charged particles in space close to the Earth and the significant temporal variations of their flux. The particles are primarily electrons and protons although energetic heavy ions such as O+ are sometimes non-negligible. By "energetic" we mean a rather broad energy range of particles from a few tens of keV to well above MeV. Drastic variations of the particle fluxes (by >3 orders of magnitude) occur over both a short time scale like a few minutes and a long time scale like the 11-year sunspot cycle. In this talk I will focus on relativistic energy electrons (~MeV) trapped within the Earth's magnetosphere. They are a primary element of the space weather since they can cause damage to satellites, so often called "killer electrons". Considering that the source particles in both the solar wind and the ionosphere are relatively cold (~eV), the quasi-permanent existence of these very energetic particles close to the Earth has been a surprise to space physicists for decades. Complex electromagnetic processes such as wave-particle interactions within the magnetosphere are believed to play a major role in generating these killer electrons. While detailed physics remains an active research area, for this lecture I will introduce a synthesized picture of how solar activities are related to wave-particle interaction physics inside the magnetosphere. This can be applied to other astrophysical systems.
A pulsed laser ablation deposition (PLAD) technique has been used for producing fine particle as well as thin film at relatively low substrate temperatures. However, in order to manufacture and evaluate such materials in detail, motions of plume particles generated by laser ablation have to be understood and interactions between the particles by ablation and gas plasma have to be clarified. Therefore, this paper was focused on the understanding of plume motion in laser ablation assisted by Ar plasma at 50(mTorr). Two-dimensional hybrid model consisting of fluid and particle models was developed and three kinds of plume particles which are carbon atom (C), ion $(C^+)$ and electron were considered in the calculation of particle method It was obtained that ablated $C^+$ was electrically captured in Ar plasmas by strong electric field (E). The difference between motions of the ablated electrons and $C^+$ made E strong and the collisional processes active.
$Al_2O_3$/SiC particulate reinforced (Metal Matrix Composites) MMCs which were produced by using stir casting process, bending strength and hardening behaviour were obtained using an analysis of variance (ANOVA) technique that uses full factorial design. Factor variables and their ranges were: particle size $2-60{\mu}m$; the stirring speed 450 rpm, 500 rpm and the stirring temperature $620^{\circ}C$, $650^{\circ}C$. An empirical equation was derived from test results to describe the relationship between the test parameters. This model for the tensile strength of the hybrid composite materials with $R^2$ adj = 80% for the bending strength $R^2$ adj = 89% were generated from the data. The regression coefficients of this model quantify the tensile strength and bending strengths of the effects of each of the factors. The interactions of all three factors do not present significant percentage contributions on the tensile strength and bending strengths of hybrid composite materials. Analysis of the residuals versus was predicted the tensile strength and bending strengths show a normalized distribution and thereby confirms the suitability of this model. Particle size was found to have the strongest influence on the tensile strength and bending strength.
Giant radio relics in the outskirts of galaxy clusters have been observed and they are interpreted as synchrotron emission from relativistic electrons accelerated via diffusive shock acceleration (DSA) in weak shocks of Ms < 3.0. In the DSA theory, the particle momentum should be greater than a few times the momentum of thermal protons to cross the shock transition and participate in the Fermi acceleration process. In the equilibrium, the momentum of thermal electrons is much smaller than the momentum of thermal protons, so electrons need to be pre-accelerated before they can go through DSA. To investigate such electron injection process, we study the electron pre-acceleration in weak quasi-perpendicular shocks (Ms = 2.0 - 3.0) in an ICM plasma (kT = 8.6 keV, beta = 100) through 2D particle-in-cell simulations. It is known that in quasi-perpendicular shocks, a substantial fraction of electrons could be reflected upstream, gain energy via shock drift acceleration (SDA), and generate oblique waves via the electron firehose instability (EFI), leading the energization of electrons through wave-particle interactions. We find that such kinetic processes are effective only in supercritical shocks above a critical Mach number, $Ms{\ast}{\sim}2.3$. In addition, even in shocks with Ms > 2.3, energized electrons may not reach high energies to be injected to DSA, because the oblique EFI alone fails to generate long-wavelength waves. Our results should have implications for the origin and nature of radio relics.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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