Caracterização numérica de antenas para aplicações RFID utilizando o método das ondas - WCIP

In recent years, the radio frequency identification technology (RFID) has gained great interest both industrial communities as scientific communities. Its ability to locate and monitor objects, animals and persons with active or passive tags allows easy development, with good cost-benefice and still presents undeniable benefits in applications ranging from logistics to healthcare, robotics, security, among others. Within this aspect what else comes excelling are RFID tags and the antennas used in RFID readers. Most tags have antennas omnidirectional and are usually manufactured as dipoles modified printed. The primary purpose of a project of antenna for tag is to achieve the required input impedance to perform a good marriage impedance with the load impedance of the chip. Already the objective principal in project of antennas for readers is to achieve reduced sizes and structures with good data transmission capacity. This work brings the numerical characterization of antennas for RFID applications, being these divided into tags RFID and antennas for RFID readers. Three tags RFID and two antennas for RFID readers, found in literature, are analyzed. The analysis of these structures is made using the Method of Waves - WCIP. Initial results found in the literature are compared with those obtained through simulations in WCIP with objective to show that the Method of Waves is able to analyze such structures. To illustrate the results obtained in simulations is presented the behavior of electric and magnetic fields. It also performed a literature review on the characteristics and principles of RFID technology. Suggestions for continuity to this work are presented

Uma proposta de FSS fractal com geometria simplificada

Frequency Selective Surfaces (FSS) are periodic structures in one or two dimensions that act as spatial filters, can be formed by elements of type conductors patches or apertures, functioning as filters band-stop or band-pass respectively. The interest in the study of FSS has grown through the years, because such structures meet specific requirements as low-cost, reduced dimensions and weighs, beyond the possibility to integrate with other microwave circuits. The most varied applications for such structures have been investigated, as for example, radomes, antennas systems for airplanes, electromagnetic filters for reflective antennas, absorbers structures, etc. Several methods have been used for the analysis of FSS, among them, the Wave Method (WCIP). Are various shapes of elements that can be used in FSS, as for example, fractal type, which presents a relative geometric complexity. This work has as main objective to propose a simplification geometric procedure a fractal FSS, from the analysis of influence of details (gaps) of geometry of the same in behavior of the resonance frequency. Complementarily is shown a simple method to adjust the frequency resonance through analysis of a FSS, which uses a square basic cell, in which are inserted two reentrance and dimensions these reentrance are varied, making it possible to adjust the frequency. For this, the structures are analyzed numerically, using WCIP, and later are characterized experimentally comparing the results obtained. For the two cases is evaluated, the influence of electric and magnetic fields, the latter through the electric current density vector. Is realized a bibliographic study about the theme and are presented suggestions for the continuation of this work

Field profiles of bulk plasmon polariton modes in layered systems containing a metamaterial

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

The propagator for a charged oscillator with a time-dependent mass in a time-varying electromagnetic field

We make a change of variables and a time reparametrization in the Schrödinger equation in order to obtain the propagator of a charged oscillator with a time-dependent mass and frequency under the influence of time-varying electric and magnetic fields, in terms of the simple propagators of harmonic oscillators with constant frequencies and masses. We also discuss the Jackiw transformation and others as a particular case of ours. © 1991.

Hot Brownian carriers in the Langevin picture: Application to a simple model for the Gunn effect in GaAs

We consider a charged Brownian gas under the influence of external, static and uniform electric and magnetic fields, immersed in a uniform bath temperature. We obtain the solution for the associated Langevin equation, and thereafter the evolution of the nonequilibrium temperature towards a nonequilibrium (hot) steady state. We apply our results to a simple yet relevant Brownian model for carrier transport in GaAs. We obtain a negative differential conductivity regime (Gunn effect) and discuss and compare our results with the experimental results. © 2013.

Investigando o efeito de campos elétrico e magnético em um sistema dissipativo pulsante

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Influência de estruturas geológicas bidimensionais no campo geoeletromagnético na presença do eletrojato equatorial

A Terra atua como um grande magneto esférico, cujo campo assemelha-se àquele gerado por um dipolo magnético. Este campo apresenta mudanças de intensidade que variam com a localização e a hora local. A parte principal do campo geomagnético se origina no interior da Terra através de processos eletromagnéticos. Extensivos estudos mostraram ainda que existem contribuições de origem externa ao planeta, principalmente de origem solar. Dentre estas fontes há anomalias do campo magnético que surgem a partir de um aumento diurno da corrente elétrica em uma estreita faixa da ionosfera, de direção leste-oeste, centrada no equador magnético e denominada Eletrojato Equatorial (EEJ). Ocasionalmente estas correntes podem apresentar reversões de fluxo, sendo denominadas Contra-Eletrojato (CEJ). Vários autores têm estudado os efeitos do EEJ e CEJ sobre as observações geoeletromagnéticas. Eles estão interessados no efeito combinado do EEJ e estruturas geológicas condutivas 1-D e 2-D. Nestes trabalhos a estrutura 2-D sempre se apresentava paralela ao eletrojato, o que é uma hipótese bastante restritiva ao se modelar ambientes geológicos mais realistas, em que corpos bidimensionais podem ter qualquer strike em relação ao EEJ. Neste trabalho apresentamos a solução deste problema sem esta restrição. Assim, mostramos os campos geoeletromagnéticos devidos a estruturas bidimensionais que possuam strike oblíquo em relação ao EEJ, através de perfis dos campos elétrico e magnéticos calculados na superfície e formando direção arbitrária à heterogeneidade condutiva 2-D. Com esta resposta avaliamos ainda qual a influência que estruturas bidimensionais exercem sobre a resposta magnetotelúrica, sob influência do Eletrojato Equatorial. Durante o desenvolvimento deste trabalho, utilizamos o método de elementos finitos, tendo por fonte eletromagnética o EEJ e o CEJ, que por sua vez foram representados por uma combinação de distribuições gaussianas de densidade de corrente. Estas fontes foram decompostas nas direções paralela e perpendicular à estrutura 2-D, resultando nos modos de propagação TE₁ e TE₂ e TM acoplados, respectivamente. Resolvemos o modo acoplado aplicando uma Transformada de Fourier nas equações de Maxwell e uma Transformada Inversa de Fourier na solução encontrada. De acordo com os experimentos numéricos realizados em um modelo interpretativo da Anomalia Condutiva da Bacia do Parnaíba, formado por uma enorme estrutura de 3000 ohm-m dentro de um corpo externo condutivo (1 ohm-m), concluímos que a presença do CEJ causa uma inversão na anomalia, se compararmos com o resultado do EEJ. Concluímos também que para as frequências mais altas as componentes do campo elétrico apresentam menor influência da parte interna do corpo 2-D do que da parte externa. Já para frequências mais baixas este comportamento se observa com as componentes do campo magnético. Com relação à frequência, vimos os efeitos do “skin-depth”, principalmente nas respostas magnéticas. Além disso, quando a estrutura 2-D está paralela ao eletrojato, o campo elétrico é insensível à estrutura interna do modelo para todos os valores de frequência utilizados. Com respeito ao ângulo θ_h entre a heterogeneidade e a fonte, vimos que o modo TM se manifesta naturalmente quando θ_h é diferente de 0°. Neste caso, o modo TE é composto por uma parte devido à componente da fonte paralela à heterogeneidade e a outra devido à componente da fonte perpendicular, que é acoplada ao modo TM. Assim, os campos calculados têm relação direta com o valor de θ_h. Analisando a influência do ângulo entre a direção do perfil dos campos e o strike da heterogeneidade verificamos que, à medida que θ_h se aproxima de 90°, os campos primários tornam-se variáveis para valores de θ_p diferentes de 90°. Estas variações causam uma assimetria na anomalia e dão uma idéia da inclinação da direção do perfil em relação aos corpos. Finalmente, concluímos que uma das influências que a distância entre o centro do EEJ e o centro da estrutura 2-D, causa sobre as componentes dos campos está relacionado às correntes reversas do EEJ e CEJ, pois a 500 km do centro da fonte estas correntes têm máxima intensidade. No entanto, com o aumento da distância, as anomalias diminuem de intensidade. Nas sondagens MT, nós também usamos o EEJ e o CEJ como fonte primária e comparamos nossos resultados com a resposta da onda plana. Deste modo observamos que as componentes do campo geoeletromagnético, usadas para calcular a impedância, têm influência do fator de acoplamento entre os modos TE₂ e TM. Além disso, esta influência se torna maior em meios resistivos e nas frequências mais baixas. No entanto, o fator de acoplamento não afeta os dados magnetotelúricos em frequências maiores de 10^-2 Hz. Para frequências da ordem de 10^-4 Hz os dados MT apresentam duas fontes de perturbação: a primeira e mais evidente é devido à presença fonte 2-D (EEJ e CEJ), que viola a hipótese da onda plana no método MT; e a segunda é causada pelo acoplamento entre os modos TE₂ e TM, pois quando a estrutura bidimensional está obliqua à fonte 2-D temos correntes elétricas adicionais ao longo da heterogeneidade. Concluimos assim, que o strike de uma grande estrutura condutiva bidimensional relativamente à direção do EEJ ou CEJ tem de fato influência sobre o campo geomagnético. Por outro lado, para estudos magnetotelúricos rasos (frequências maiores de 10^-3 Hz) o efeito do ângulo entre a estrutura geológica 2-D e a direção do EEJ não é tão importante. Contudo, em estudos de litosfera frequências menores de 10^-3 Hz) o acoplamento entre os modos TE₂ e TM não pode ser ignorado.

Modelagem numérica da influência do eletrojato equatorial em dados magnetotelúricos produzidos por estruturas tridimensionais

A América do Sul apresenta várias peculiaridades geomagnéticas, uma delas, é a presença do Eletrojato Equatorial, o qual se estende de leste para oeste no Brasil ao longo de aproximadamente 3500 km. Considerando-se o fato de que a influência do Eletrojato Equatorial pode ser detectada a grandes distâncias do seu centro, isto suscita o interesse em se estudar os seus efeitos na exploração magnetotelúrica no Brasil. A influência do eletrojato equatorial na prospecção magnetotelúrica tem sido modelada para meios geológicos uni e bidimensionais valendo-se para isto de soluções analíticas fechadas e de técnicas numéricas tais como elementos finitos e diferenças finitas. Em relação aos meios geológicos tridimensionais, eles tem sido modelados na forma de "camadas finas", usando o algoritmo "thin sheet". As fontes indutoras utilizadas para simular o eletrojato equatorial nestes trabalhos, tem sido linhas de corrente, eletrojatos gaussianos e eletrojatos ondulantes. Por outro lado, o objetivo principal da nossa tese foi o modelamento dos efeitos que o eletrojato equatorial provoca em estruturas tridimensionais próprias da geofísica da prospecção. Com tal finalidade, utilizamos o esquema numérico da equação integral, com as fontes indutoras antes mencionadas. De maneira similar aos trabalhos anteriores, os nossos resultados mostram que a influência do eletrojato equatorial somente acontece em frequências menores que 10^-1 Hz. Este efeito decresce com a distância, mantendo-se até uns 3000 km do centro do eletrojato. Assim sendo, a presença de grandes picos nos perfis da resistividade aparente de um semi-espaço homogêneo, indica que a influência do eletrojato é notável neste tipo de meio. Estes picos se mostram com diferente magnitude para cada eletrojato simulado, sendo que a sua localização também muda de um eletrojato para outro. Entretanto, quando se utilizam modelos geo-elétricos unidimensionais mais de acordo com a realidade, tais como os meios estratificados, percebe-se que a resposta dos eletrojatos se amortece significativamente e não mostra muitas diferenças entre os diferentes tipos de eletrojato. Isto acontece por causa da dissipação da energia eletromagnética devido à presença da estratificação e de camadas condutivas. Dentro do intervalo de 3000 km, a resposta eletromagnética tridimensional pode ser deslocada para cima ou para baixo da resposta da onda plana, dependendo da localização do corpo, da frequência, do tipo de eletrojato e do meio geológico. Quando a resposta aparece deslocada para cima, existe um afastamento entre as sondagens uni e tridimensionais devidas ao eletrojato, assim como um alargamento da anomalia dos perfis que registra a presença da heterogeneidade tridimensional. Quando a resposta aparece deslocada para baixo, no entanto, há uma aproximação entre estes dois tipos de sondagens e um estreitamento da anomalia dos perfis. Por outro lado, a fase se mostra geralmente, de uma forma invertida em relação à resistividade aparente. Isto significa que quando uma sobe a outra desce, e vice-versa. Da mesma forma, comumente nas altas frequências as respostas uni e tridimensionais aparecem deslocadas, enquanto que nas baixas frequências se mostram com os mesmos valores, com exceção dos eletrojatos ondulantes com parâmetros de ondulação α = —2 e —3. Nossos resultados também mostram que características geométricas próprias das estruturas tridimensionais, tais como sua orientação em relação à direção do eletrojato e a dimensão da sua direção principal, afetam a resposta devido ao eletrojato em comparação com os resultados da onda plana. Desta forma, quando a estrutura tridimensional é rotacionada de 90°, em relação à direção do eletrojato e em torno do eixo z, existe uma troca de polarizações nas resistividades dos resultados, mas não existem mudanças nos valores da resistividade aparente no centro da estrutura. Ao redor da mesma, porém, se percebe facilmente alterações nos contornos dos mapas de resistividade aparente, ao serem comparadas com os mapas da estrutura na sua posição original. Isto se deve à persistência dos efeitos galvânicos no centro da estrutura e à presença de efeitos indutivos ao redor do corpo tridimensional. Ao alongar a direção principal da estrutura tridimensional, as sondagens magnetotelúricas vão se aproximando das sondagens das estruturas bidimensionais, principalmente na polarização XY. Mesmo assim, as respostas dos modelos testados estão muito longe de se considerar próximas das respostas de estruturas quase-bidimensionais. Porém, os efeitos do eletrojato em estruturas com direção principal alongada, são muito parecidos com aqueles presentes nas estruturas menores, considerando-se as diferenças entre as sondagens de ambos tipos de estruturas. Por outro lado, os mapas de resistividade aparente deste tipo de estrutura alongada, revelam um grande aumento nos extremos da estrutura, tanto para a onda plana como para o eletrojato. Este efeito é causado pelo acanalamento das correntes ao longo da direção principal da estrutura. O modelamento de estruturas geológicas da Bacia de Marajó confirma que os efeitos do eletrojato podem ser detetados em estruturas pequenas do tipo "horst" ou "graben", a grandes distâncias do centro do mesmo. Assim, os efeitos do eletrojato podem ser percebidos tanto nos meios estratificados como tridimensionais, em duas faixas de freqüência (nas proximidades de 10^-1 Hz e para freqüências menores que 10^-3 Hz), possivelmente influenciados pela presença do embasamento cristalino e a crosta inferior, respectivamente. Desta maneira, os resultados utilizando o eletrojato como fonte indutora, mostram que nas baixas freqüências as sondagens magnetotelúricas podem ser fortemente distorcidas, tanto pelos efeitos galvânicos da estrutura tridimensional como pela presença da influência do eletrojato. Conseqüêntemente, interpretações errôneas dos dados de campo podem ser cometidas, se não se corrigirem os efeitos do eletrojato equatorial ou, da mesma forma, não se utilisarem algoritmos tridimensionais para interpretar os dados, no lugar do usual modelo unidimensional de Tikhonov - Cagniard.

Preparation of cold Mg + ion clouds for sympathetic cooling of highly charged ions at SPECTRAP

Die Elektronen in wasserstoff- und lithium-ähnlichen schweren Ionen sind den extrem starken elektrischen und magnetischen Feldern in der Umgebung des Kerns ausgesetzt. Die Laserspektroskopie der Hyperfeinaufspaltung im Grundzustand des Ions erlaubt daher einen sensitiven Test der Quantenelektrodynamik in starken Feldern insbesondere im magnetischen Sektor. Frühere Messungen an wasserstoffähnlichen Systemen die an einer Elektronenstrahl-Ionenfalle (EBIT) und am Experimentierspeicherring (ESR) der GSI Darmstadt durchgeführt wurden, waren in ihrer Genauigkeit durch zu geringe Statistik, einer starken Dopplerverbreiterung und der großen Unsicherheit in der Ionenenergie limitiert. Das ganze Potential des QED-Tests kann nur dann ausgeschöpft werden, wenn es gelingt sowohl wasserstoff- als auch lithium-ähnliche schwere Ionen mit einer um 2-3 Größenordnung gesteigerten Genauigkeit zu spektroskopieren. Um dies zu erreichen, wird gegenwärtig das neue Penningfallensystem SPECTRAP an der GSI aufgebaut und in Betrieb genommen. Es ist speziell für die Laserspektroskopie an gespeicherten hochgeladenen Ionen optimiert und wird in Zukunft von HITRAP mit nierderenergetischen hochgeladenen Ionen versorgt werden.rnrnSPECTRAP ist eine zylindrische Penningfalle mit axialem Zugang für die Injektion von Ionen und die Einkopplung eines Laserstrahls sowie einem radialen optischen Zugang für die Detektion der Fluoreszenz. Um letzteres zu realisieren ist der supraleitende Magnet als Helmholtz-Spulenpaar ausgelegt. Um die gewünschte Genauigkeit bei der Laserspektroskopie zu erreichen, muss ein effizienter und schneller Kühlprozess für die injizierten hochegeladenen Ionen realisiert werden. Dies kann mittels sympathetischer Kühlung in einer lasergekühlten Wolke leichter Ionen realisiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Lasersystem und eine Ionenquelle für die Produktion einer solchen 24Mg+ Ionenwolke aufgebaut und erfolgreich an SPECTRAP in Betrieb genommen. Dazu wurde ein Festkörperlasersystem für die Erzeugung von Licht bei 279.6 nm entworfen und aufgebaut. Es besteht aus einem Faserlaser bei 1118 nm der in zwei aufeinanderfolgenden Frequenzverdopplungsstufen frequenzvervierfacht wird. Die Verdopplerstufen sind als aktiv stabilisierte Resonantoren mit nichtlinearen Kristallen ausgelegt. Das Lasersystem liefert unter optimalen Bedingeungen bis zu 15 mW bei der ultravioletten Wellenlänge und erwies sich während der Teststrahlzeiten an SPECTRAP als ausgesprochen zuverlässig. Desweiteren wurde eine Ionequelle für die gepulste Injektion von Mg+ Ionen in die SPECTRAP Falle entwickelt. Diese basiert auf der Elektronenstoßionisation eines thermischen Mg-Atomstrahls und liefert in der gepulsten Extraktion Ionenbündel mit einer kleinen Impuls- und Energieverteilung. Unter Nutzung des Lasersystems konnten damit an SPECTRAP erstmals Ionenwolken mit bis zu 2600 lasergekühlten Mg Ionen erzeugt werden. Der Nachweis erfolgte sowohl mittels Fluoreszenz als auch mit der FFT-ICR Technik. Aus der Analyse des Fluoreszenz-Linienprofils lässt sich sowohl die Sensitivität auf einzelne gespeicherte Ionen als auch eine erreichte Endtemperatur in der Größenordnung von ≈ 100 mK nach wenigen Sekunden Kühlzeit belegen.

Setup of a Penning trap for precision laser spectroscopy at HITRAP

Ion traps have been established as a powerful tool for ion cooling and laser spectroscopy experiments since a long time ago. SpecTrap, one of the precision experiments associated to the HITRAP facility at GSI, is implementing a Penning trap for studies of large bunches of externally produced highly charged ions. The extremely strong electric and magnetic fields that exist around the nuclei of heavy elements drastically change their electronic properties, such as energy level spacings and radiative lifetimes. The electrons can therefore serve as sensitive probes for nuclear properties such as size, magnetic moment and spatial distribution of charge and magnetization. The energies of forbidden fine and hyperfine structure transitions in such ions strongly depend on the nuclear charge and shift from the microwave domain into the optical domain. Thus, they become accessible for laser spectroscopy and its potentially high accuracy. A number of such measurements has been performed in storage rings and electron beam ion traps and yielded results with relative accuracies in the 10

Electron transport in E x B devices

A Hall thruster, an E × B device used for in-space propulsion, utilizes an axial electric field to electrostatically accelerate plasma propellant from the spacecraft. The axial electric field is created by positively biasing the anode so that the positivelycharged ions may be accelerated (repelled) from the thruster, which produces thrust. However, plasma electrons are much smaller than ions and may be accelerated much more quickly toward the anode; if electrons were not impeded, a "short circuit" due to the electron flow would eliminate the thrust mechanism. Therefore, a magnetic field serves to "magnetize" plasma electrons internal to the thruster and confines them in gyro-orbits within the discharge channel. Without outside factors electrons would be confined indefinitely; however, electron-neutral collisions provide a mechanism to free electrons from their orbits allowing electrons to cross the magnetic field toward the anode, where this process is described by classical transport theory. To make matters worse, cross-field electron transport has been observed to be 100-1000 times that predicted by classical collisional theory, providing an efficiency loss mechanism and an obstacle for modeling and simulations in Hall thrusters. The main difficulty in studying electron transport in Hall thrusters is the coupling that exists between the plasma and the fields, where the plasma creates and yet is influenced by the electric field. A device has been constructed at MTU’s Isp Lab, the Hall Electron Mobility Gage, which was designed specifically to study electron transport in E × B devices, where the coupling between the plasma and electric field was virtually eliminated. In this device the two most cited contributors to electron transport in Hall thrusters, fluctuation-induced transport, and wall effects, were absent. Removing the dielectric walls and plasma fluctuations, while maintaining the field environment in vacuum, has allowed the study of electron dynamics in Hall thruster fields where the electrons behave as test particles in prescribed fields, greatly simplifying the environment. Therefore, it was possible to observe any effects on transport not linked to the cited mechanisms, and it was possible to observe trends of the enhanced mobility with control parameters of electric and magnetic fields and neutral density– parameters that are not independently variable in a Hall thruster. The result of the investigation was the observation of electron transport that was ~ 20-100 times the classical prediction. The cross-field electron transport in the Mobility Gage was generally lower than that found in a Hall thruster so these findings do not negate the possibility of fluctuations and/or wall collisions contributing to transport in a Hall thruster. However, this research led to the observation of enhanced cross-field transport that had not been previously isolated in Hall thruster fields, which is not reliant on momentum-transfer collisions, wall collisions or fluctuations.

Heat transfer in microwave heating

Heat transfer is considered as one of the most critical issues for design and implement of large-scale microwave heating systems, in which improvement of the microwave absorption of materials and suppression of uneven temperature distribution are the two main objectives. The present work focuses on the analysis of heat transfer in microwave heating for achieving highly efficient microwave assisted steelmaking through the investigations on the following aspects: (1) characterization of microwave dissipation using the derived equations, (2) quantification of magnetic loss, (3) determination of microwave absorption properties of materials, (4) modeling of microwave propagation, (5) simulation of heat transfer, and (6) improvement of microwave absorption and heating uniformity. Microwave heating is attributed to the heat generation in materials, which depends on the microwave dissipation. To theoretically characterize microwave heating, simplified equations for determining the transverse electromagnetic mode (TEM) power penetration depth, microwave field attenuation length, and half-power depth of microwaves in materials having both magnetic and dielectric responses were derived. It was followed by developing a simplified equation for quantifying magnetic loss in materials under microwave irradiation to demonstrate the importance of magnetic loss in microwave heating. The permittivity and permeability measurements of various materials, namely, hematite, magnetite concentrate, wüstite, and coal were performed. Microwave loss calculations for these materials were carried out. It is suggested that magnetic loss can play a major role in the heating of magnetic dielectrics. Microwave propagation in various media was predicted using the finite-difference time-domain method. For lossy magnetic dielectrics, the dissipation of microwaves in the medium is ascribed to the decay of both electric and magnetic fields. The heat transfer process in microwave heating of magnetite, which is a typical magnetic dielectric, was simulated by using an explicit finite-difference approach. It is demonstrated that the heat generation due to microwave irradiation dominates the initial temperature rise in the heating and the heat radiation heavily affects the temperature distribution, giving rise to a hot spot in the predicted temperature profile. Microwave heating at 915 MHz exhibits better heating homogeneity than that at 2450 MHz due to larger microwave penetration depth. To minimize/avoid temperature nonuniformity during microwave heating the optimization of object dimension should be considered. The calculated reflection loss over the temperature range of heating is found to be useful for obtaining a rapid optimization of absorber dimension, which increases microwave absorption and achieves relatively uniform heating. To further improve the heating effectiveness, a function for evaluating absorber impedance matching in microwave heating was proposed. It is found that the maximum absorption is associated with perfect impedance matching, which can be achieved by either selecting a reasonable sample dimension or modifying the microwave parameters of the sample.

Biology of sensory systems

A comprehensive and highly illustrated text providing a broad and invaluable overview of sensory systems at the molecular, cellular and neurophysiological level of vertebrates, invertebrates and prokaryotes. It retains a strong focus on human systems, and takes an evolutionary and comparative approach to review the mechanosenses, chemosenses, photosenses, and other sensory systems including those for detecting pain, temperature electric and magnetic fields etc. It incorporates exciting and significant new insights provided by molecular biology which demonstrate how similar the molecular architecture and physiology of sensory cells are across species and across sensory modality, often indicationg a common ancestry dating back over half a billion years. Written by a renowned author, with extensive teaching experience in the biology of sensory systems, this book includes: - Over 400 illustrations - Self–assessment questions - Full bibliography preceded by short bibliographical essays - Boxes containing useful supplementary material. It will be invaluable for undergraduates and postgraduates studying biology, zoology, animal physiology, neuroscience, anatomy, molecular biology, physiological psychology and related courses.

Neuro-electromagnetic imaging of the human visual cortex

Methods of solving the neuro-electromagnetic inverse problem are examined and developed, with specific reference to the human visual cortex. The anatomy, physiology and function of the human visual system are first reviewed. Mechanisms by which the visual cortex gives rise to external electric and magnetic fields are then discussed, and the forward problem is described mathematically for the case of an isotropic, piecewise homogeneous volume conductor, and then for an anisotropic, concentric, spherical volume conductor. Methods of solving the inverse problem are reviewed, before a new technique is presented. This technique combines prior anatomical information gained from stereotaxic studies, with a probabilistic distributed-source algorithm to yield accurate, realistic inverse solutions. The solution accuracy is enhanced by using both visual evoked electric and magnetic responses simultaneously. The numerical algorithm is then modified to perform equivalent current dipole fitting and minimum norm estimation, and these three techniques are implemented on a transputer array for fast computation. Due to the linear nature of the techniques, they can be executed on up to 22 transputers with close to linear speedup. The latter part of the thesis describes the application of the inverse methods to the analysis of visual evoked electric and magnetic responses. The CIIm peak of the pattern onset evoked magnetic response is deduced to be a product of current flowing away from the surface areas 17, 18 and 19, while the pattern reversal P100m response originates in the same areas, but from oppositely directed current. Cortical retinotopy is examined using sectorial stimuli, the CI and CIm ;peaks of the pattern onset electric and magnetic responses are found to originate from areas V1 and V2 simultaneously, and they therefore do not conform to a simple cruciform model of primary visual cortex.

Nonlinear quantum transport in low-dimensional electronic devices

The study of transport processes in low-dimensional semiconductors requires a rigorous quantum mechanical treatment. However, a full-fledged quantum transport theory of electrons (or holes) in semiconductors of small scale, applicable in the presence of external fields of arbitrary strength, is still not available. In the literature, different approaches have been proposed, including: (a) the semiclassical Boltzmann equation, (b) perturbation theory based on Keldysh's Green functions, and (c) the Quantum Boltzmann Equation (QBE), previously derived by Van Vliet and coworkers, applicable in the realm of Kubo's Linear Response Theory (LRT). ^ In the present work, we follow the method originally proposed by Van Wet in LRT. The Hamiltonian in this approach is of the form: H = H 0(E, B) + λV, where H0 contains the externally applied fields, and λV includes many-body interactions. This Hamiltonian differs from the LRT Hamiltonian, H = H0 - AF(t) + λV, which contains the external field in the field-response part, -AF(t). For the nonlinear problem, the eigenfunctions of the system Hamiltonian, H0(E, B), include the external fields without any limitation on strength. ^ In Part A of this dissertation, both the diagonal and nondiagonal Master equations are obtained after applying projection operators to the von Neumann equation for the density operator in the interaction picture, and taking the Van Hove limit, (λ → 0, t → ∞, so that (λ2 t)n remains finite). Similarly, the many-body current operator J is obtained from the Heisenberg equation of motion. ^ In Part B, the Quantum Boltzmann Equation is obtained in the occupation-number representation for an electron gas, interacting with phonons or impurities. On the one-body level, the current operator obtained in Part A leads to the Generalized Calecki current for electric and magnetic fields of arbitrary strength. Furthermore, in this part, the LRT results for the current and conductance are recovered in the limit of small electric fields. ^ In Part C, we apply the above results to the study of both linear and nonlinear longitudinal magneto-conductance in quasi one-dimensional quantum wires (1D QW). We have thus been able to quantitatively explain the experimental results, recently published by C. Brick, et al., on these novel frontier-type devices. ^