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.
Recent advances in energetic materials modeling and high-resolution hydrocode simulation enable enhanced computational analysis of bio-medical treatments that utilize high-pressure shock waves. Of particular interest is in designing devices that use such technology in medical treatments. For example, the generated micro shock waves with peak pressure on orders of 10 GPa can be used for treatments such as kidney stone removal, transdermal micro-particle delivery, and cancer cell removal. In this work, we present a new computational methodology for applying the high explosive dynamics to bio-medical treatments by making use of high pressure shock physics and multi-material wave interactions. The preliminary calculations conducted by the in-house code, GIBBS2D, captures various features that are observed from the actual experiments under the similar test conditions. We expect to gain novel insights in applying explosive shock wave physics to the bio-medical science involving drug injection. Our forthcoming papers will illustrate the quantitative comparison of the modeled results against the experimental data.
Pc1 pulsations are important to consider for the interpretation of wave-particle interactions in the Earth's magnetosphere. In fact, the wave properties of these pulsations change dynamically when they propagate from the source region in the space to the ground. A detailed study of the wave features can help understanding their time evolution mechanisms. In this study, we statistically analyzed Pc1 pulsations observed by a Bohyunsan (BOH) magneto-impedance (MI) sensor located in Korea (L = 1.3) for ~one solar cycle (November 2009-August 2018). In particular, we investigated the temporal occurrence ratio of Pc1 pulsations (considering seasonal, diurnal, and annual variations in the solar cycle), their wave properties (e.g., duration, peak frequency, and bandwidth), and their relationship with geomagnetic activities by considering the Kp and Dst indices in correspondence of the Pc1 pulsation events. We found that the Pc1 waves frequently occurred in March in the dawn (1-3 magnetic local time (MLT)) sector, during the declining phase of the solar cycle. They generally continued for 2-5 minutes, reaching a peak frequency of ~0.9 Hz. Finally, most of the pulsations have strong dependence on the geomagnetic storm and observed during the early recovery phase of the geomagnetic storm.
Recent advances in energetic materials modeling and high-resolution hydrocode simulation enable enhanced computational analysis of bio-medical treatments that utilize high-pressure shock waves. Of particular interest is in designing devices that use such technology in medical treatments. For example, the generated micro shock waves with peak pressure on orders of 10 GPa can be used for treatments such as kidney stone removal, trans-dermal micro-particle delivery. and cancer cell removal. In this work, we present a new computational methodology for applying the high explosive dynamics to bio-medical treatments by making use of high pressure shock physics and multi-material wave interactions. The preliminary calculations conducted by the in-house code, GIBBS2D, captures various features that are observed from the actual experiments under the similar test conditions. We expect to gain novel insights in applying explosive shock wave physics to the bio-medical science involving drug injection. Our forthcoming papers will illustrate the quantitative comparison of the modeled results against the experimental data.
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.
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.
수중 음향 벡터센서는 음압 뿐 아니라 음파의 진행 방향에 관한 정보를 측정할 수 있는 센서이다. 본 논문에서는 미세 외팔보를 이용한 수중 음향 벡터 센서를 구현하기 위해 음향학적 이론을 바탕으로 음향과 기계 구조물의 상호작용을 이론적으로 정립하고자 하였다. 감응 방식으로 압전 효과를 이용한 두 가지 유니모프(unimorph)형태의 모델을 제시하였으며, 제시된 모델에 대하여 압전 미세 외팔보의 거동을 집중 질량 모델을 통해 음파가 임의의 주파수와 각도를 가지고 미세 외팔보로 입사할 때 나오는 신호의 크기를 구할 수 있는 전달함수를 유도하였다. 또한 이를 바탕으로 매우 얇고 유연한 구조물로 미세 외팔보를 설계하면 매질의 입자 속도에 관한 정보를 직접적으로 측정 가능한 센서로 활용할 수 있다는 것을 확인하였다.
This experimental study investigated on the eddy making effect on the roll motion of a rectangular barge in a two-dimensional wave tank. The structure was used to simulate a simplified rectangular barge in the beam sea condition. The structure with a draft one half of its height was hinged at the center of gravity and free to roll by waves. The rectangular barge was tested with regular waves with a range of wave periods that are shorter, equal to, and longer than its roll natural period. Particle image velocimetry (PIV) was employed to obtain the velocity field in the vicinity of the structure. The coupled interactions between the incident wave and the barge were demonstrated by examining the vortical flow fields to elucidate the eddy making effect during the roll motion. For incoming wave with a wave period same as the roll natural period, the barge roll motion was reduced by the eddy making damping effect. At the wave period shorter than the roll natural period, the structure roll motion was slightly reduced by the vertical flow around the barge. However, at the wave period longer than the roll natural period, the eddy making effect due to flow separation at structure corners indeed amplifies the roll motion. This indicates that not only can the eddy making effect damp out the roll motion, it can also increase the roll motion.
이 연구에서는 심해 풍파 아래에서의 응집구조(coherent structures)에 대한 실험실 실험 결과를 제시하였다. 풍속과 취송거리가 서로 다른 실험 조건에서 입자화상유속계를 이용하여 취득된 심해 풍파의 속도장으로부터 와도장을 가시화하고 응집구조가 시 공간적으로 변천하는 양상 및 그에 따른 와도의 연직 분포 변화를 정성적으로 분석하였다. 파봉 아래에서는 파와 같은 위상으로 함께 진행하는 응집구조가 존재함을 확인하였다. 이 응집구조의 회전 방향은 바람이 10 m/s 이하인 실험 조건에서는 파 내부의 입자 궤도 운동과 반대 방향인 반면, 바람의 세기가 약 13 m/s이고 파봉 근처에서 쇄파가 발생하는 경우에는 같은 방향이었다. 수면 근처에서는 응집구조의 진행에 따른 복잡한 소용돌이 상호 작용이 나타나는 반면, 수면으로부터 깊은 수심에서는 파 궤도 운동의 영향이 미미하여 응집구조의 시 공간적 변화가 거의 없었다.
Novel optical techniques are presented for three-dimensional tracking of nanoparticles; Optical Serial Sectioning Microscopy (OSSM) and Ratiometric Total Internal Reflection Fluorescent Microscopy (R-TIRFM). OSSM measures optically diffracted particle images, the so-called Point Spread Function (PSF), and dotermines the defocusing or line-of-sight location of the imaged particle measured from the focal plane. The line-of-sight Brownian motion detection using the OSSM technique is proposed in lieu of the more cumbersome two-dimensional Brownian motion tracking on the imaging plane as a potentially more effective tool to nonintrusively map the temperature fields for nanoparticle suspension fluids. On the other hand, R-TIRFM is presented to experimentally examine the classic theory on the near-wall hindered Brownian diffusive motion. An evanescent wave field from the total internal reflection of a 488-nm bandwidth of an argon-ion laser is used to provide a thin illumination field of an order of a few hundred nanometers from the wall. The experimental results show good agreement with the lateral hindrance theory, but show discrepancies from the normal hindrance theory. It is conjectured that the discrepancies can be attributed to the additional hindering effects, including electrostatic and electro-osmotic interactions between the negatively charged tracer particles and the glass surface.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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