Design and developement of a pulsed power system for a Vircator based HPM source

Pulse Forming Line (PFL) based high voltage pulsed power systems are well suited for low impedance High Power Microwave (HPM) sources such as a virtual cathode oscillator (VIRCATOR) operating in nanosecond regimes. The system under development consists of a primary voltage source that charges the capacitor bank of a Marx pulser over a long time duration. The Marx pulser output is then conditioned by a PFL to match the requirement of the HPM diode load. This article describes the design and construction of an oil insulated pulse forming line for a REB (Relativistic Electron Beam) diode used in a VIRCATOR for the generation of high power microwaves. Design of a 250 kV/10 kA/60 ns PFL, including the PSPICE simulation for various load conditions are described.

High power microwave coupling with a buried twisted pair cable

This paper deals with the coupling of High Power Microwaves with a buried twisted pair cable. The electric field at a distance of 1km from the HPM antenna has been computed and is used for further computation of induced voltage and current. It is found that the peak of the induced current and voltage in a buried unshielded twisted pair cable at a distance of 1km from an HPM antenna of power level 10GW is 20A and 2kV respectively.

Microwave dynamics of quasiparticles and critical fields in superconducting films

The microwave response of the superconducting state in equilibrium and non-equilibrium configurations was examined experimentally and analytically. Thin film superconductors were mostly studied in order to explore spatial effects. The response parameter measured was the surface impedance.

For small microwave intensity the surface impedance at 10 GHz was measured for a variety of samples (mostly Sn) over a wide range of sample thickness and temperature. A detailed analysis based on the BCS theory was developed for calculating the surface impedance for general thickness and other experimental parameters. Experiment and theory agreed with each other to within the experimental accuracy. Thus it was established that the samples, thin films as well as bulk, were well characterised at low microwave powers (near equilibrium).

Thin films were perturbed by a small dc supercurrent and the effect on the superconducting order parameter and the quasiparticle response determined by measuring changes in the surface resistance (still at low microwave intensity and independent of it) due to the induced current. The use of fully superconducting resonators enabled the measurement of very small changes in the surface resistance (< 10^-9 Ω/sq.). These experiments yield information regarding the dynamics of the order parameter and quasiparticle systems. For all the films studied the results could be described at temperatures near T_c by the thermodynamic depression of the order parameter due to the static current leading to a quadratic increase of the surface resistance with current.

For the thinnest films the low temperature results were surprising in that the surface resistance decreased with increasing current. An explanation is proposed according to which this decrease occurs due to an additional high frequency quasiparticle current caused by the combined presence of both static and high frequency fields. For frequencies larger than the inverse of the quasiparticle relaxation time this additional current is out of phase (by π) with the microwave electric field and is observed as a decrease of surface resistance. Calculations agree quantitatively with experimental results. This is the first observation and explanation of this non-equilibrium quasiparticle effect.

For thicker films of Sn, the low temperature surface resistance was found to increase with applied static current. It is proposed that due to the spatial non-uniformity of the induced current distribution across the thicker films, the above purely temporal analysis of the local quasiparticle response needs to be generalised to include space and time non-equilibrium effects.

The nonlinear interaction of microwaves arid superconducting films was also examined in a third set of experiments. The surface impedance of thin films was measured as a function of the incident microwave magnetic field. The experiments exploit the ability to measure the absorbed microwave power and applied microwave magnetic field absolutely. It was found that the applied surface microwave field could not be raised above a certain threshold level at which the absorption increased abruptly. This critical field level represents a dynamic critical field and was found to be associated with the penetration of the app1ied field into the film at values well below the thermodynamic critical field for the configuration of a field applied to one side of the film. The penetration occurs despite the thermal stability of the film which was unequivocally demonstrated by experiment. A new mechanism for such penetration via the formation of a vortex-antivortex pair is proposed. The experimental results for the thinnest films agreed with the calculated values of this pair generation field. The observations of increased transmission at the critical field level and suppression of the process by a metallic ground plane further support the proposed model.

Obtenção do copolímero de acrilonitrila e vinil-imidazol a partir da modificação química da poliacrilonitrila

Polímeros contendo anéis heterocíclicos, como o imidazol, possuem um grande interesse comercial e científico devido ao seu emprego em diversas áreas. Esses polímeros podem ser obtidos pela modificação química de polímeros comerciais como a poliacrilonitrila. Geralmente, esse tipo de reação é realizada por aquecimento convencional (térmico). Entretanto, mais recentemente, a irradiação por micro-ondas também começou a ser utilizada como fonte de energia para esse fim. Nesta Dissertação foi estudada, comparativamente, a modificação química da poliacrilonitrila comercial com etilenodiamina sob ativação de P2S5, empregando como fonte de aquecimento: o método convencional (térmico) e irradiação de micro-ondas, geradas em forno de micro-ondas doméstico e em reator de micro-ondas (Discover CEM), para produzir o copolímero de poliacrilonitrila e 2-vinil-imidazol. As reações foram efetuadas em diferentes tempos reacionais, em diferentes temperaturas no reator de micro-ondas e em diferentes potências do forno doméstico. Os copolímeros produzidos foram caracterizados por espectroscopia na região do infravermelho (FTIR) e por ressonância magnética de núcleo de hidrogênio (NMR-1H). A poliacrilonitrila foi modificada quimicamente com sucesso em todos os métodos empregados, como foi verificado pela sua análise de FTIR. Os melhores resultados obtidos foram: em 48 h de aquecimento térmico, 20 min de irradiação de micro-ondas em forno doméstico e 20 min a 80C em reator de micro-ondas, no entanto todas as análises indicaram uma derivatização abaixo de 10 %

Microwave absorption properties of permalloy nanodots in the vortex and quasi-uniform magnetization states

When the in-plane bias magnetic field acting on a flat circular magnetic dot is smaller than the saturation field, there are two stable competing magnetization configurations of the dot: the vortex and the quasi-uniform (C-state). We measured microwave absorption properties in an array of non-interacting permalloy dots in the frequency range 1-8 GHz when the in-plane bias magnetic field was varied in the region of the dot magnetization state bi-stability. We found that the microwave absorption properties in the vortex and quasi-uniform stable states are substantially different, so that switching between these states in a fixed bias field can be used for the development of reconfigurable microwave magnetic materials.

Modificação química do poli(cloreto de vinila) com nucleófilos nitrogenados assistida por micro-ondas

Nesse trabalho foram realizadas reações de substituição nucleofílica (SN2), utilizando aquecimento térmico convencional e por irradiação de micro-ondas (MO), de alguns átomos cloro em amostras comerciais de poli(cloreto de vinila) (PVC), por grupos nitrila e também por grupos azida. Os grupos nitrila e azida foram substituidos na matriz em diferentes teores (10% e 20%). As reações do PVC com azida foram eficazes, apresentado percentuais de derivatização muito próximos dos valores desejados. Já no estudo com a nitrila não foi obtido o resultado esperado. Os copolímeros PVC azido substituídos foram modificados com propargilato de etila, sob catálise de iodeto de cuproso (CuI), para a obtenção de heterocíclicos do tipo triazólicos. Todos os copolímeros obtidos foram caracterizados por espectroscopia na região do infravermelho (FTIR) e os teores de nitrogênio incorporado foram determinados por análise elementar (AE). Através da análise dos dados obtidos, foi comprovado que a utilização da irradiação micro-ondas, quando comparada ao aquecimento convencional, é um processo mais seletivo e diminui, significativamente, os tempos de reação

Estudo em Escala Piloto de Parâmetros de Monitoramento e Operação de Biopilhas no Tratamento de Solos Contaminados por Hidrocarbonetos de Petróleo

O objetivo do trabalho foi identificar ferramentas e indicadores adequados ao monitoramento e à otimização de processos de biorremediação, incluindo parâmetros físicos, químicos e microbiológicos definidos em estudos de tratabilidade de solos contaminados por óleo cru em escala de laboratório e comparar estratégias de biorremediação, tais como bioestímulo e bioaumento conduzidas em simulações de biopilhas dinâmicas ou estáticas. Quando três métodos de extração de hidrocarbonetos de petróleo de solo arenoso e franco-argiloso para análise cromatográfica (Soxhlet-SOX, microondas-MARS e extração acelerada por solvente-ASE) foram comparados entre si, concluiu-se que a técnica que promove a melhor recuperação depende da fração de interesse (n-alcanos, HRP, MCNR, HPA), das características texturais do solo (teores de areia, silte e argila) e da idade da contaminação. Dentre os indicadores de densidade populacional microbiana (microrganismos heterotróficos totais-PHT, população de fungos-PF e população microbiana degradadora de óleo (PDO) passíveis de utilização para indicar a taxa de degradação de compostos orgânicos presentes no solo tais como os hidrocarbonetos de petróleo, o PDO mostrou-se o mais adequado em conjunto com a produção de CO2 aferida pelo método respirométrico. Quando a estratégia de biorremediação de solo franco-argiloso contaminado com óleo cru a 3% (m m-1) utilizando bioestímulo (ajuste de pH, umidade e taxa C:N:P) foi comparada ao bioaumento (bioestímulo e adição de inóculo de microrganismos extraídos, enriquecidos e aclimatizados ao óleo cru como fonte de carbono), em sistemas de bancada simulando biopilha dinâmica (microcosmo M) e biopilha estática com aeração forçada (reator B), o tratamento que apresentou melhor remoção (32%) de HTP após 121 dias foi o bioaumento em biopilha estática. Para HPA, o tratamento que alcançou a melhor remoção (33%) foi com bioestímulo também em biopilha estática. A avaliação da taxa de mortalidade (%) de Eisenia andrei exposta tanto a solos recém-contaminados por óleo cru e preparados para bioestímulo (BIOS) e bioaumento (BIOA) a serem tratados em biopilhas dinâmicas e estáticas em escala de laboratório mostrou que após 56 dias de exposição da E. andrei, todos os solos produziram letalidade de 100%, quer fossem os solos recém-contaminados e preparados para os diferentes tratamentos (BIOS M, BIOS B, BIOA M, BIOA B) ou após 121 dias de tratamento. Tal resultado confirma que a biorremediação foi incipiente também do ponto de vista de remoção da ecotoxicidade. Em linhas gerais, a biorremediação de solo franco-argiloso contaminado por óleo cru, contendo tanto contaminação antiga quanto recente, reúne os maiores desafios à biorremediação, tanto do ponto de vista da composição textural do solo quanto da natureza do contaminante. Os processos são aparentemente lentos e requerem ferramentas auxiliares para aceleração dos mesmos. Recomenda-se no futuro, condução de experimentos com o uso de diferentes surfactantes, com ênfase em biosurfactantes

Trapped charge dynamics in a sol-gel based TiO(2) high- k gate dielectric silicon metal-oxide-semiconductor field effect transistor.

We have studied the response of a sol-gel based TiO(2), high k dielectric field effect transistor structure to microwave radiation. Under fixed bias conditions the transistor shows frequency dependent current fluctuations when exposed to continuous wave microwave radiation. Some of these fluctuations take the form of high Q resonances. The time dependent characteristics of these responses were studied by modulating the microwaves with a pulse signal. The measurements show that there is a shift in the centre frequency of these high Q resonances when the pulse time is varied. The measured lifetime of these resonances is high enough to be useful for non-classical information processing.

Quantum information processing with superconducting qubits in a microwave field

We investigate the quantum dynamics of a Cooper-pair box with a superconducting loop in the presence of a nonclassical microwave field. We demonstrate the existence of Rabi oscillations for both single- and multiphoton processes and, moreover, we propose a new quantum computing scheme (including one-bit and conditional two-bit gates) based on Josephson qubits coupled through microwaves.

High-fidelity, broadband stimulated-Brillouin-scattering-based slow light using fast noise modulation.

We demonstrate a 5-GHz-broadband tunable slow-light device based on stimulated Brillouin scattering in a standard highly-nonlinear optical fiber pumped by a noise-current-modulated laser beam. The noisemodulation waveform uses an optimized pseudo-random distribution of the laser drive voltage to obtain an optimal flat-topped gain profile, which minimizes the pulse distortion and maximizes pulse delay for a given pump power. In comparison with a previous slow-modulation method, eye-diagram and signal-to-noise ratio (SNR) analysis show that this broadband slow-light technique significantly increases the fidelity of a delayed data sequence, while maintaining the delay performance. A fractional delay of 0.81 with a SNR of 5.2 is achieved at the pump power of 350 mW using a 2-km-long highly nonlinear fiber with the fast noise-modulation method, demonstrating a 50% increase in eye-opening and a 36% increase in SNR in the comparison.