A Multiwavelength Study of the Intracluster Medium and the Characterization of the Multiwavelength Sub/millimeter Inductance Camera

The first part of this thesis combines Bolocam observations of the thermal Sunyaev-Zel’dovich (SZ) effect at 140 GHz with X-ray observations from Chandra, strong lensing data from the Hubble Space Telescope (HST), and weak lensing data from HST and Subaru to constrain parametric models for the distribution of dark and baryonic matter in a sample of six massive, dynamically relaxed galaxy clusters. For five of the six clusters, the full multiwavelength dataset is well described by a relatively simple model that assumes spherical symmetry, hydrostatic equilibrium, and entirely thermal pressure support. The multiwavelength analysis yields considerably better constraints on the total mass and concentration compared to analysis of any one dataset individually. The subsample of five galaxy clusters is used to place an upper limit on the fraction of pressure support in the intracluster medium (ICM) due to nonthermal processes, such as turbulent and bulk flow of the gas. We constrain the nonthermal pressure fraction at r500c to be less than 0.11 at 95% confidence, where r500c refers to radius at which the average enclosed density is 500 times the critical density of the Universe. This is in tension with state-of-the-art hydrodynamical simulations, which predict a nonthermal pressure fraction of approximately 0.25 at r500c for the clusters in this sample.

The second part of this thesis focuses on the characterization of the Multiwavelength Sub/millimeter Inductance Camera (MUSIC), a photometric imaging camera that was commissioned at the Caltech Submillimeter Observatory (CSO) in 2012. MUSIC is designed to have a 14 arcminute, diffraction-limited field of view populated with 576 spatial pixels that are simultaneously sensitive to four bands at 150, 220, 290, and 350 GHz. It is well-suited for studies of dusty star forming galaxies, galaxy clusters via the SZ Effect, and galactic star formation. MUSIC employs a number of novel detector technologies: broadband phased-arrays of slot dipole antennas for beam formation, on-chip lumped element filters for band definition, and Microwave Kinetic Inductance Detectors (MKIDs) for transduction of incoming light to electric signal. MKIDs are superconducting micro-resonators coupled to a feedline. Incoming light breaks apart Cooper pairs in the superconductor, causing a change in the quality factor and frequency of the resonator. This is read out as amplitude and phase modulation of a microwave probe signal centered on the resonant frequency. By tuning each resonator to a slightly different frequency and sending out a superposition of probe signals, hundreds of detectors can be read out on a single feedline. This natural capability for large scale, frequency domain multiplexing combined with relatively simple fabrication makes MKIDs a promising low temperature detector for future kilopixel sub/millimeter instruments. There is also considerable interest in using MKIDs for optical through near-infrared spectrophotometry due to their fast microsecond response time and modest energy resolution. In order to optimize the MKID design to obtain suitable performance for any particular application, it is critical to have a well-understood physical model for the detectors and the sources of noise to which they are susceptible. MUSIC has collected many hours of on-sky data with over 1000 MKIDs. This work studies the performance of the detectors in the context of one such physical model. Chapter 2 describes the theoretical model for the responsivity and noise of MKIDs. Chapter 3 outlines the set of measurements used to calibrate this model for the MUSIC detectors. Chapter 4 presents the resulting estimates of the spectral response, optical efficiency, and on-sky loading. The measured detector response to Uranus is compared to the calibrated model prediction in order to determine how well the model describes the propagation of signal through the full instrument. Chapter 5 examines the noise present in the detector timestreams during recent science observations. Noise due to fluctuations in atmospheric emission dominate at long timescales (less than 0.5 Hz). Fluctuations in the amplitude and phase of the microwave probe signal due to the readout electronics contribute significant 1/f and drift-type noise at shorter timescales. The atmospheric noise is removed by creating a template for the fluctuations in atmospheric emission from weighted averages of the detector timestreams. The electronics noise is removed by using probe signals centered off-resonance to construct templates for the amplitude and phase fluctuations. The algorithms that perform the atmospheric and electronic noise removal are described. After removal, we find good agreement between the observed residual noise and our expectation for intrinsic detector noise over a significant fraction of the signal bandwidth.

The ecological impact of different mechanisms of chronic sub-lethal toxicity on feeding and respiratory physiology

Sub-lethal toxicity tests, such as the scope-for-growth test, reveal simple relationships between measures of contaminant concentration and effect on respiratory and feeding physiology. Simple models are presented to investigate the potential impact of different mechanisms of chronic sub-lethal toxicity on these physiological processes. Since environmental quality is variable, even in unimpacted environments, toxicants may have differentially greater impacts in poor compared to higher quality environments. The models illustrate the implications of different degrees and mechanisms of toxicity in response to variability in the quality of the feeding environment, and variability in standard metabolic rate. The models suggest that the relationships between measured degrees of toxic stress, and the maintenance ration required to maintain zero scope-for-growth, may be highly nonlinear. In addition it may be possible to define critical levels of sub-lethal toxic effect above which no environment is of sufficient quality to permit prolonged survival.

Padrões geoacústicos de fundo e sub-fundo na Baía de Sepetiba: implicações no conhecimento da geologia do holoceno

A Baía de Sepetiba, localizada entre a Baía de Guanabara e a Baía de Ilha Grande, Estado do Rio de Janeiro, está inserida em um cenário estratégico para o desenvolvimento econômico do Estado. Isto ocorre devido ao aumento da concentração populacional, que está diretamente relacionado com o turismo, com a presença de portos e de áreas industriais. Sendo assim, se faz necessário estudar sua estrutura geológica e dinâmica sedimentar para entender sua evolução ao longo do tempo e para uma utilização mais racional desta área. Utilizando-se da sísmica rasa de alta resolução e da sonografia de varredura lateral juntamente com dados pretéritos de amostragem superficial de sedimentos, o presente trabalho tem como objetivo principal analisar sua geologia holocênica. A investigação, em subsuperfície, da geologia estrutural e sedimentar dessa baía, através da interpretação de 09 perfis sísmicos, baseada na determinação de diferentes tipos de ecotexturas, revelou a presença de diferentes pacotes sedimentares depositados ao longo do Holoceno. Ao todo, foram encontrados 15 tipos de ecotexturas perfazendo 14 camadas sedimentares, que estão relacionados em 4 Grupos de acordo com sua distribuição. Já a investigação em superfície através dos registros sonográficos, baseada nos diferentes graus de reflexão acústica (backscattering) e parametrizada pelos dados de amostragem direta pretérita, identificou 6 padrões sonográficos distintos. Com isso foi confeccionado um novo mapa de distribuição textural dos sedimentos superficiais da Baía de Sepetiba. Com a correlação dos dados de sísmica rasa com os dados sonográficos, foi possível ainda sugerir a provável existência de neotectonismo na área de estudo.

激光二极管端面抽运Nd∶YVO4固体激光器热致光束畸变非对称的平衡

由于a轴切割Nd∶YVO4晶体的非对称性,使得激光二极管(LD)端面抽运Nd∶YVO4固体激光器不同于Nd∶YAG激光器,输出的激光经常产生非对称结果。用有限元法分析激光二极管端面抽运a轴切割Nd∶YVO4固体激光器的晶体热效应,包括温度分布、内部应力和产生的形变。分析结果表明端面抽运a轴切割Nd∶YVO4晶体产生了椭球热透镜效应。从结构方面和抽运方面提出了热透镜非对称性的平衡方法,实验验证了方法的可行性。

Estudo diagenético aplicado ao Membro Maruim da Formação Riachuelo , na parte terrestre da sub-bacia de Sergipe, Brasil

O Membro Maruim da Formação Riachuelo (Neoalbiano), na parte terrestre da Sub-bacia de Sergipe, contém fácies de água rasa compostas, principalmente, por rudstone/grainstone oncolítico oolítico, com baixo conteúdo e variedade de bioclastos. A correlação dos afloramentos e análise petrográfica detalhada, envolvendo catodoluminescência, microscopia eletrônica de varredura (MEV) e estudos isotópicos e análise química elementar, permitiram a reconstrução da história diagenética do intervalo estudado. As rochas carbonáticas do Membro Maruim estão completamente afetadas por processos diagenéticos associados aos estágios eogenético, mesogenético e telogenético. A dolomitização foi um dos principais produtos diagenéticos observados no estágio eogenético e encontra-se substituindo total ou parcialmente os calcários do Membro Maruim. A dolomitização concentra-se no topo dos ciclos deposicionais descritos na área de estudo e diminuem gradativamente para a base dos mesmos. As relações entre a porosidade e a dolomitização foram estudadas com base nas comparações da fábrica cristalina da dolomita preservada nos afloramentos estudados. Os resultados isotópicos das dolomitas indicam que o processo de dolomitização ocorreu a partir do refluxo de salmouras em um ambiente ligeiramente hipersalino (penesalino). As áreas mais próximas ao contato com a salmoura, fonte dos fluidos dolomitizantes, exibem menor desenvolvimento de porosidade, uma vez que nessas regiões ocorreriam processos de superdolomitização (Pedreira Carapeba). Nestas áreas a assinatura isotópica do carbono e do oxigênio é muito positiva (o valor do δ13C varia de 2.37 a 4.83 e o valor do δ18O oscila entre 0.61 e 3.92), indicando que os processos diagenéticos tardios não teriam alterado significativamente a assinatura isotópica original. As dolomitas geradas nas áreas afastadas da salmoura (pedreiras Massapé, Inorcal I, Inorcal II, Inhumas e Santo Antônio) exibem um maior desenvolvimento de porosidade e têm uma composição isotópica de carbono e oxigênio mais negativa (o valor do δ13C varia de -5.66 a 2.61 e o valor do δ18O oscila entre -4.25 e 0.38). A assinatura isotópica das dolomitas descritas nestas pedreiras também se encontra alterada por processos de dedolomitização. Os cimentos diagenéticos precipitados durante o estágio mesogenético foram os principais responsáveis pela obliteração da porosidade primária e secundária dos calcários do Membro Maruim. Adicionalmente, estes cimentos diagenéticos tardios calcitizaram as dolomitas, fechando parcialmente a porosidade secundária das mesmas. A porosidade das rochas carbonáticas também se encontra fortemente reduzida pela compactação mecânica e química. A dissolução foi o único processo que levou à geração de porosidade secundária no estágio telogenético, porém em porcentagens muito baixas. As fácies dolomíticas são as que apresentam maior desenvolvimento de porosidade secundária, como consequência dos processos de dissolução no ambiente telogenético. A dissolução compreende um dos últimos eventos diagenéticos identificados no intervalo estudado.

Rigorous transmittance analysis of a sub-wavelength Sb thin film lens

We quantitatively analysed the factors contributing to the optical transmission enhancement of a sub-wavelength Sb thin film lens, using the finite-difference time-domain (FDTD) method. The results show that the transmission enhancement of the dielectric with a Gaussian distributed refractive index loaded in a sub-wavelength circular hole is not only due to the high refractive index dielectric, but also due to the specific distributions of refractive index. It is the first study about the effects of the refractive index distribution on the transmission of a sub-wavelength aperture. This kind of lens has practical applications in the very small aperture lasers and for near-field optical storage and lithography.

On the dynamic readout of sub-diffraction-limit pit arrays with a silver thin film

Fast moving arrays of periodic sub-diffraction-limit pits were dynamically read out via a silver thin film. The mechanism of the dynamic readout is analysed and discussed in detail, both experimentally and theoretically. The analysis and experiment show that, in the course of readout, surface plasmons can be excited at the silver/air interface by the focused laser beam and amplified by the silver thin film. The surface plasmons are transmitted into the substrate/silver interface with a large enhancement. The surface waves at the substrate/silver interface are scattered by the sinusoidal pits of sub-diffraction-limit size. The scattered waves are collected by a converging lens and guided into the detector for the readout.

热致NiOx薄膜的结构和光学性质变化

利用直流磁控反应溅射技术制备了氧气和氩气的分压比为5:100的NiOx薄膜。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)和光谱仪研究了热处理对薄膜的微观结构和光学性质的影响, 并对沉积态薄膜的粉末进行了热分析。沉积态的NiOx薄膜在262 ℃时开始分解, 导致NiOx薄膜的透过率增加和反射率降低。X射线衍射和示差扫描量热曲线(DSC)分析表明, 在热处理过程中并无物相的变化, 光学性质的变化是由于NiOx薄膜热分解引起薄膜表面形貌发生变化而引起的。通过Kissinger公式计算出

Interações sobre a pluviosidade em encostas de clima tropical úmido e os movimentos de massa: o caso de sub-bacias do Alto Rio São João - RJ

Cada vez são mais comuns problemas relacionados a movimentos de massa nas encostas de clima tropical no Estado do Rio de Janeiro, especialmente na Serra do Mar, provocados por acumulados pluviométricos intensos. A ocupação humana desordenada de áreas sensíveis a tais processos geomorfológicos, bem como as condicionantes geológicas, geomorfológicas, pedológicas e de uso e cobertura do solo são apontadas como fatores cruciais na explicação desses processos. O maior conhecimento da dinâmica pluviométrica bem como suas interações com tais aspectos físicos ligados ao relevo parece ser a chave dessa maior compreensão desses fenômenos. Assim foram realizadas pesquisas relacionadas aos volumes e intensidades das chuvas na região do Alto Curso do Rio São João, bem como uma análise dos movimentos de massa identificados através de imagens de satélite e in loco, como forma de fornecer subsídios à melhor gestão do espaço dessas regiões montanhosa estão vulneráveis a movimentos de massa. A correlação entre os acumulados e a intensidade pluviométrica com fenômenos climáticos de escala global, como El Niño e La Niña também foi contemplada nessa pesquisa, mostrando uma relação mais alta com relação à intensidade da chuva mensal para anos de El Niño e para anos de La Niña uma reduzida ocorrência dessas intensidades pluviométricas. Os estudos revelaram que os tipos de solos e sua cobertura e uso têm uma grande influência na deflagração de movimentos de massa. Foram observados um número reduzido de movimentos de massa em áreas naturais e uma maior proporção desses movimentos em áreas utilizadas para a atividade da pecuária na região. Grande parte dos movimentos de massa ocorreram em áreas de Cambissolos (áreas mais elevadas) e Latossolos (áreas de encostas em menores altitudes). Ambos os solos são mais espessos do que os encontrados em áreas mais declivosas, apresentando maior acúmulo de materiais a serem mobilizados durante grandes acumulados pluviométricos, gerando movimentos de massa. A análise mostrou também que áreas mais chuvosas e com maior ocorrência de acumulados pluviométricos extremos, acima de 100 mm/dia e acima de 30mm/mês concentraram um número maior de movimentos de massa, como a região mais próxima da estação de Quartéis (porção leste). Por outro lado áreas bastante elevadas, com altas declividades, porém com predomínio de Mata Atlântica e áreas com solos menos espessos, como os Neossolos Litólicos, se mostraram com um número reduzido desses processos. Enfim esse estudo mostrou a necessidade de se gerir melhor os espaços dessas áreas sensíveis sob o ponto de vista geomorfológico, até por que são áreas na periferia de regiões densamente habitadas e cujas demandas tendem a se tornar cada vez mais marcantes, o que pode gerar problemas locais, atingindo sua população e economia, com sérias conseqüências para o ambiente.

Dual-wavelength competitive output in Nd:Y3Sc1.5Al3.5O12 ceramic disk laser

In this paper, we demonstrated a dual-wavelength competitive output in Nd:Y3SC1.5Al3.5O12 ceramic disk laser. Different dual-wavelength output behaviors for Nd:YSAG and Nd:YAG ceramic disk laser were investigated and discussed. By applying the energy transfer model, we suggested the reasonable explanation for this new phenomenon as the disordered replacing of Al3+ ions by Sc3+ ions. The main advantage of the dual-wavelength ceramic laser is the possibility to serve as the seed source to generate Terahertz radiation. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.