Instabilidades MHD no Tokamak TCABR

Este trabalho descreve o estudo das instabilidades magneto-hidro-dinâmicas (MHD) comumente observadas nas descargas elétricas de plasma no tokamak TCABR, do Instituto de Física da USP. Dois diagnósticos principais foram empregados para observar essas instabilidades: um conjunto poloidal de 24 bobinas magnéticas (bobinas de Mirnov) colocadas próximas à borda do plasma e um medidor de emissões na faixa do Ultra Violeta e de raios X moles com 20 canais (sistema SXR), cujo circuito de condicionamento de sinais foi aprimorado como parte deste trabalho. Esses diagnósticos foram escolhidos porque fornecem informações complementares, uma vez que o sistema SXR observa a parte central da coluna de plasma, enquanto as bobinas de Mirnov detectam as instabilidades MHD na região mais externa da coluna. As informações coletadas por esses diagnósticos foram submetidas à análise espectral com resolução temporal e espacial, possibilitando determinar a evolução das características espectrais e espaciais das instabilidades MHD observadas. Essas análises revelaram que durante a etapa inicial da formação do plasma (quando a corrente de plasma ainda está aumentando) ilhas magnéticas com números de onda decrescente, identificadas como sendo modos kink de borda, são detectadas nas bobinas de Mirnov. Após a formação do plasma, quando os parâmetros de equilíbrio estão relativamente estáveis (platô), oscilações são detectadas tanto nas bobinas de Mirnov quanto no sistema de SXR, indicando a presença de instabilidades MHD em toda a coluna de plasma. Em geral as oscilações medidas nas bobinas de Mirnov tem baixa amplitude e correspondem a pequenas ilhas magnéticas que foram identificadas como sendo modos de ruptura (modos tearing). Por outro lado, as instabilidades na região central foram identificadas como dentes de serra, que correspondem a relaxações periódicas da região interna à superfície magnética com fator de segurança q=1 e que são acompanhadas de oscilações precursoras, cuja amplitude depende da fase do ciclo de relaxação. Devido à essa modulação de amplitude, aparecem picos de frequência satélite nos espectrogramas dos sinais do SXR. Além disso, devido ao fato dos ciclos de relaxação não serem sinusoidais, os harmônicos da frequência de relaxação também aparecem nesses espectrogramas. No entanto, em muitas descargas do TCABR, a intensidade das oscilações medidas nas bobinas de Mirnov aumentam significativamente durante o platô, com efeitos sobre a frequência de todas as instabilidades MHD, até mesmo sobre os dentes de serra localizados na região central da coluna. Em todos os casos, observou-se que durante o platô a frequência das ilhas magnéticas coincide com a frequência das oscilações precursoras do dente de serra, apesar de serem duas instabilidades distintas, localizadas em posições radiais muito diferentes. Essa coincidência de frequências possibilitou descrever a evolução em frequência de todas as oscilações detectadas em diversos diagnósticos com base em apenas duas frequências básicas: a dos ciclos de relaxação dente de serra e a das ilhas magnéticas.

Análise da dinâmica e quantificação metabólica de imagens de medicina nuclear na modalidade PET/CT.

A presença da Medicina Nuclear como modalidade de obtenção de imagens médicas é um dos principais procedimentos utilizados hoje nos centros de saúde, tendo como grande vantagem a capacidade de analisar o comportamento metabólico do paciente, traduzindo-se em diagnósticos precoces. Entretanto, sabe-se que a quantificação em Medicina Nuclear é dificultada por diversos fatores, entre os quais estão a correção de atenuação, espalhamento, algoritmos de reconstrução e modelos assumidos. Neste contexto, o principal objetivo deste projeto foi melhorar a acurácia e a precisão na análise de imagens de PET/CT via processos realísticos e bem controlados. Para esse fim, foi proposta a elaboração de uma estrutura modular, a qual está composta por um conjunto de passos consecutivamente interligados começando com a simulação de phantoms antropomórficos 3D para posteriormente gerar as projeções realísticas PET/CT usando a plataforma GATE (com simulação de Monte Carlo), em seguida é aplicada uma etapa de reconstrução de imagens 3D, na sequência as imagens são filtradas (por meio do filtro de Anscombe/Wiener para a redução de ruído Poisson caraterístico deste tipo de imagens) e, segmentadas (baseados na teoria Fuzzy Connectedness). Uma vez definida a região de interesse (ROI) foram produzidas as Curvas de Atividade de Entrada e Resultante requeridas no processo de análise da dinâmica de compartimentos com o qual foi obtida a quantificação do metabolismo do órgão ou estrutura de estudo. Finalmente, de uma maneira semelhante imagens PET/CT reais fornecidas pelo Instituto do Coração (InCor) do Hospital das Clínicas da Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo (HC-FMUSP) foram analisadas. Portanto, concluiu-se que a etapa de filtragem tridimensional usando o filtro Anscombe/Wiener foi relevante e de alto impacto no processo de quantificação metabólica e em outras etapas importantes do projeto em geral.

Fabricação e caracterização de detector de Barreira de superfície a partir de substrato de silício comercial

Neste trabalho foram desenvolvidos detectores de radiação Barreira de superfície de silício que fossem capazes de detectar a presença da radiação gama de baixa energia proveniente de sementes de iodo-125 utilizada em tratamentos de braquiterapia. A partir de substratos comerciais de silício foram desenvolvidos os detectores, de uma sequência que partiu de tratamentos químicos nas superfícies destes substratos com a intenção de minimizar os possíveis ruídos gerados, validação das amostras obtidas como diodos, assegurando características detectoras, e a efetiva utilização como detector para fontes radioativas de iodo-125 com energia em torno de 25 kev e amerício-251 com energia na ordem de 59 kev. Finalizou realizando a análise dos espectros de energia obtidos e assim foi possível observar a capacidade destes detectores para mensuração da energia proveniente destas sementes.

Noise and PSRR improvement technique for TPC readout front-end in CMOS. technology.

ALICE is one of four major experiments of particle accelerator LHC installed in the European laboratory CERN. The management committee of the LHC accelerator has just approved a program update for this experiment. Among the upgrades planned for the coming years of the ALICE experiment is to improve the resolution and tracking efficiency maintaining the excellent particles identification ability, and to increase the read-out event rate to 100 KHz. In order to achieve this, it is necessary to update the Time Projection Chamber detector (TPC) and Muon tracking (MCH) detector modifying the read-out electronics, which is not suitable for this migration. To overcome this limitation the design, fabrication and experimental test of new ASIC named SAMPA has been proposed . This ASIC will support both positive and negative polarities, with 32 channels per chip and continuous data readout with smaller power consumption than the previous versions. This work aims to design, fabrication and experimental test of a readout front-end in 130nm CMOS technology with configurable polarity (positive/negative), peaking time and sensitivity. The new SAMPA ASIC can be used in both chambers (TPC and MCH). The proposed front-end is composed of a Charge Sensitive Amplifier (CSA) and a Semi-Gaussian shaper. In order to obtain an ASIC integrating 32 channels per chip, the design of the proposed front-end requires small area and low power consumption, but at the same time requires low noise. In this sense, a new Noise and PSRR (Power Supply Rejection Ratio) improvement technique for the CSA design without power and area impact is proposed in this work. The analysis and equations of the proposed circuit are presented which were verified by electrical simulations and experimental test of a produced chip with 5 channels of the designed front-end. The measured equivalent noise charge was <550e for 30mV/fC of sensitivity at a input capacitance of 18.5pF. The total core area of the front-end was 2300?m × 150?m, and the measured total power consumption was 9.1mW per channel.

Inelastic electron tunneling spectroscopy of a single nuclear spin

Detection of a single nuclear spin constitutes an outstanding problem in different fields of physics such as quantum computing or magnetic imaging. Here we show that the energy levels of a single nuclear spin can be measured by means of inelastic electron tunneling spectroscopy (IETS). We consider two different systems, a magnetic adatom probed with scanning tunneling microscopy and a single Bi dopant in a silicon nanotransistor. We find that the hyperfine coupling opens new transport channels which can be resolved at experimentally accessible temperatures. Our simulations evince that IETS yields information about the occupations of the nuclear spin states, paving the way towards transport-detected single nuclear spin resonance.

Probing a single nuclear spin in a silicon single electron transistor

We study single electron transport across a single Bi dopant in a silicon nanotransistor to assess how the strong hyperfine coupling with the Bi nuclear spin I = 9/2 affects the transport characteristics of the device. In the sequential tunneling regime we find that at, temperatures in the range of 100 mK, dI/dV curves reflect the zero field hyperfine splitting as well as its evolution under an applied magnetic field. Our non-equilibrium quantum simulations show that nuclear spins can be partially polarized parallel or antiparallel to the electronic spin just tuning the applied bias.

Force-free twisted magnetospheres of neutron stars

Context. The X-ray spectra observed in the persistent emission of magnetars are evidence for the existence of a magnetosphere. The high-energy part of the spectra is explained by resonant cyclotron upscattering of soft thermal photons in a twisted magnetosphere, which has motivated an increasing number of efforts to improve and generalize existing magnetosphere models. Aims. We want to build more general configurations of twisted, force-free magnetospheres as a first step to understanding the role played by the magnetic field geometry in the observed spectra. Methods. First we reviewed and extended previous analytical works to assess the viability and limitations of semi-analytical approaches. Second, we built a numerical code able to relax an initial configuration of a nonrotating magnetosphere to a force-free geometry, provided any arbitrary form of the magnetic field at the star surface. The numerical code is based on a finite-difference time-domain, divergence-free, and conservative scheme, based of the magneto-frictional method used in other scenarios. Results. We obtain new numerical configurations of twisted magnetospheres, with distributions of twist and currents that differ from previous analytical solutions. The range of global twist of the new family of solutions is similar to the existing semi-analytical models (up to some radians), but the achieved geometry may be quite different. Conclusions. The geometry of twisted, force-free magnetospheres shows a wider variety of possibilities than previously considered. This has implications for the observed spectra and opens the possibility of implementing alternative models in simulations of radiative transfer aiming at providing spectra to be compared with observations.

Pulsar timing irregularities and the imprint of magnetic field evolution

Context. The rotational evolution of isolated neutron stars is dominated by the magnetic field anchored to the solid crust of the star. Assuming that the core field evolves on much longer timescales, the crustal field evolves mainly though Ohmic dissipation and the Hall drift, and it may be subject to relatively rapid changes with remarkable effects on the observed timing properties. Aims. We investigate whether changes of the magnetic field structure and strength during the star evolution may have observable consequences in the braking index n. This is the most sensitive quantity to reflect small variations of the timing properties that are caused by magnetic field rearrangements. Methods. We performed axisymmetric, long-term simulations of the magneto-thermal evolution of neutron stars with state-of-the-art microphysical inputs to calculate the evolution of the braking index. Relatively rapid magnetic field modifications can be expected only in the crust of neutron stars, where we focus our study. Results. We find that the effect of the magnetic field evolution on the braking index can be divided into three qualitatively different stages depending on the age and the internal temperature: a first stage that may be different for standard pulsars (with n ~ 3) or low field neutron stars that accreted fallback matter during the supernova explosion (systematically n < 3); in a second stage, the evolution is governed by almost pure Ohmic field decay, and a braking index n > 3 is expected; in the third stage, at late times, when the interior temperature has dropped to very low values, Hall oscillatory modes in the neutron star crust result in braking indices of a high absolute value and both positive and negative signs. Conclusions. Current magneto-thermal evolution models predict a large contribution to the timing noise and, in particular, to the braking index, from temporal variations of the magnetic field. Models with strong (≳ 1014 G) multipolar or toroidal components, even with a weak (~1012 G) dipolar field are consistent with the observed trend of the timing properties.

The outburst decay of the low magnetic field magnetar SGR 0418+5729

We report on the long-term X-ray monitoring of the outburst decay of the low magnetic field magnetar SGR 0418+5729 using all the available X-ray data obtained with RXTE, Swift, Chandra, and XMM-Newton observations from the discovery of the source in 2009 June up to 2012 August. The timing analysis allowed us to obtain the first measurement of the period derivative of SGR 0418+5729: ˙ P = 4(1) × 10−15 s s−1, significant at a ∼3.5σ confidence level. This leads to a surface dipolar magnetic field of Bdip 6 × 1012 G. This measurement confirms SGR 0418+5729 as the lowest magnetic field magnetar. Following the flux and spectral evolution from the beginning of the outburst up to ∼1200 days, we observe a gradual cooling of the tiny hot spot responsible for the X-ray emission, from a temperature of ∼0.9 to 0.3 keV. Simultaneously, the X-ray flux decreased by about three orders of magnitude: from about 1.4 × 10−11 to 1.2 × 10−14 erg s−1 cm−2. Deep radio, millimeter, optical, and gamma-ray observations did not detect the source counterpart, implying stringent limits on its multi-band emission, as well as constraints on the presence of a fossil disk. By modeling the magneto-thermal secular evolution of SGR 0418+5729, we infer a realistic age of ∼550 kyr, and a dipolar magnetic field at birth of ∼1014 G. The outburst characteristics suggest the presence of a thin twisted bundle with a small heated spot at its base. The bundle untwisted in the first few months following the outburst, while the hot spot decreases in temperature and size. We estimate the outburst rate of low magnetic field magnetars to be about one per year per galaxy, and we briefly discuss the consequences of such a result in several other astrophysical contexts.

Desarrollo de electroimanes reconfigurables para uso en resonancia magnética nuclear y metrología magnética

Una técnica experimental de creciente interés en la comunidad internacional es la relaxometría magnética nuclear, la cual posee un amplio campo de aplicabilidad en la industria farmacéutica, alimentaria, petrofísica, caucho, cosmética y plástico, entre otras. Actualmente se desarrolla en el LaRTE (Laboratorio de Relaxometría y Técnicas Especiales) un prototipo alfa de un instrumento unico de resonancia magnética nuclear con campo magnético ciclado, que permitirá no solamente realizar estudios relaxométricos en muestras de hasta 35cm3, sino que posibilitará la obtención de imágenes y mediciones de difusión a diferentes valores de campo. El corazón de este aparato es un electroimán particular logrado con tecnología propia, el cual posee excelentes características al compararlo con el estado del arte. Este logro da sustento al desarrollo en marcha, el cual será posiblemente transferido a una empresa espín-off del laboratorio (Trovintek Advanced Magnetic Systems) en el futuro para un desarrollo beta. En esta dirección, este proyecto propone profundizar el desarrollo de los imanes logrados, tratando de alcanzar sistemas reconfigurables adaptivos según las características del campo requerido y según demande la aplicación (homogeneidad, velocidad de conmutación e intensidad). A su vez, estos mismos sistemas de imanes prometen excelente aplicabilidad en el campo de la metrología magnética, dirección en la cual el LaRTE ya ha comenzado a trabajar conjuntamente con la Unidad Técnica Electrónica del INTI (Córdoba). Dichos electroimanes pueden devenir, en si mismos, en dispositivos especialmente diseñados para tal aplicación.

Calcium carbonate content and anisotropy of magnetic susceptibility of ODP Leg 172 sites

Sediments from Sites 1057 and 1061 of Ocean Drilling Program Leg 172 on the Blake Outer Ridge exhibit nearly isotropic magnetic susceptibility. Resolving the degree of anisotropy of magnetic susceptibility proved difficult in many samples because of the generally weak magnetic susceptibility of the sediments relative to the noise level of the susceptibility meters used. Lineation varies from 1.0 to 1.013 and foliation varies from 1.0 to 1.08 in the samples that pass rejection criteria. In general the foliation is better resolved than the lineation, particularly at Site 1061, where the foliation exhibits long-term trends that mimic the mean susceptibility. The changes in the foliation at this site are likely the result of changes in the magnetic mineralogy of the sediment. The poorly developed or absent magnetic fabric in the sediments overall can be attributed to high carbonate concentrations and to a circulation regime that was diffuse or with currents too weak to effectively align magnetic particles.

Ionization Chamber Smoke Detector Meeting /

Mode of access: Internet.