Research on Pulse Power for Micro Electrical Machining

微细电加工因具有非接触式加工、无宏观切削力等传统切削加工难于比拟的独特优势而在微细加工领域有着广阔应用前景，已广泛的运用于汽车、仪器仪表、模具、医疗器械、航空航天等众多领域。脉冲电源作为微细电加工装置中最重要的组成部分之一，其性能的好坏将直接影响到加工的各项工艺指标。随着对多种微细加工技术复合加工装置的研究日益深入，适用于多功能微细电加工的多功能脉冲电源的研究具有着重要意义，因此本文着力于研究一种既可进行微细电火花加工又可进行微细电化学加工的脉冲电源。 本文首先通过查阅大量文献对当前微细电加工以及微细电加工脉冲电源研究现状分别进行了研究。并在对脉冲电源参数对微细电加工的影响分析基础上，综合微...Micro electrical machining has a broad application prospect in the field of micro machining because of its non-contact processing, no macroscopic cutting force and other unique advantages which traditional machining is difficult to match. And it has been widely used in many fields such as automotive, instrumentation, medical equipment, mould, aerospace etc. Micro energy pulse power as one of the m...学位：工学硕士院系专业：物理与机电工程学院_机械电子工程学号：1992010115270

Measurements, Models, Systems and Design

531 s.

NASA Tech Briefs, April 2012

Topics include: Computational Ghost Imaging for Remote Sensing; Digital Architecture for a Trace Gas Sensor Platform; Dispersed Fringe Sensing Analysis - DFSA; Indium Tin Oxide Resistor-Based Nitric Oxide Microsensors; Gas Composition Sensing Using Carbon Nanotube Arrays; Sensor for Boundary Shear Stress in Fluid Flow; Model-Based Method for Sensor Validation; Qualification of Engineering Camera for Long-Duration Deep Space Missions; Remotely Powered Reconfigurable Receiver for Extreme Environment Sensing Platforms; Bump Bonding Using Metal-Coated Carbon Nanotubes; In Situ Mosaic Brightness Correction; Simplex GPS and InSAR Inversion Software; Virtual Machine Language 2.1; Multi-Scale Three-Dimensional Variational Data Assimilation System for Coastal Ocean Prediction; Pandora Operation and Analysis Software; Fabrication of a Cryogenic Bias Filter for Ultrasensitive Focal Plane; Processing of Nanosensors Using a Sacrificial Template Approach; High-Temperature Shape Memory Polymers; Modular Flooring System; Non-Toxic, Low-Freezing, Drop-In Replacement Heat Transfer Fluids; Materials That Enhance Efficiency and Radiation Resistance of Solar Cells; Low-Cost, Rugged High-Vacuum System; Static Gas-Charging Plug; Floating Oil-Spill Containment Device; Stemless Ball Valve; Improving Balance Function Using Low Levels of Electrical Stimulation of the Balance Organs; Oxygen-Methane Thruster; Lunar Navigation Determination System - LaNDS; Launch Method for Kites in Low-Wind or No-Wind Conditions; Supercritical CO2 Cleaning System for Planetary Protection and Contamination Control Applications; Design and Performance of a Wideband Radio Telescope; Finite Element Models for Electron Beam Freeform Fabrication Process Autonomous Information Unit for Fine-Grain Data Access Control and Information Protection in a Net-Centric System; Vehicle Detection for RCTA/ANS (Autonomous Navigation System); Image Mapping and Visual Attention on the Sensory Ego-Sphere; HyDE Framework for Stochastic and Hybrid Model-Based Diagnosis; and IMAGESEER - IMAGEs for Education and Research

Infrastructure for Detector Research and Development towards the International Linear Collider

The EUDET-project was launched to create an infrastructure for developing and testing new and advanced detector technologies to be used at a future linear collider. The aim was to make possible experimentation and analysis of data for institutes, which otherwise could not be realized due to lack of resources. The infrastructure comprised an analysis and software network, and instrumentation infrastructures for tracking detectors as well as for calorimetry.Comment: 54 pages, 48 picture

Contributions to the detection and diagnosis of soft errors in radiation environments

Texto completo descargado desde Teseo1. Introducción Los efectos de la radiación ionizante sobre dispositivos semiconductores es objeto de estudio desde la invención del transistor bipolar en 1947. El espacio es un entorno de alta radiación, como pusieron de manifiesto los primeros satélites puestos en órbita, y fue durante la carrera espacial de los años 50 cuando se impulsó el estudio de errores generados en componentes electrónicos críticos a bordo de las primeras misiones espaciales. La necesidad de robustecer la electrónica frente a la radiación ha estado siempre presente en el sector aeroespacial, además, el progresivo escalado de las tecnologías microelectrónicas, hace que el problema sea cada vez más acuciante, afectando incluso a dispositivos que operan a nivel del mar. El advenimiento de tecnologías nanométricas augura que serán necesarias nuevas y más eficaces técnicas de robustecimiento que garanticen la fiabilidad de equipos electrónicos críticos en sectores tan importantes como la aviación, automoción o energía nuclear. Existen dos métodos de robustecimiento para los dispositivos electrónicos, por proceso y por diseño. En el primer caso, el circuito integrado es fabricado en una tecnología que presenta baja sensibilidad a los efectos de la radiación, como la ampliamente utilizada SOI (Silicon On Insulator). En el segundo caso, el circuito presenta topologías en su diseño que mitigan en mayor o menor grado el daño por radiación. La efectividad de cualquier medida de protección debe ser validada en el correspondiente ensayo de radiación de acuerdo a los estándares vigentes (ESA, NASA, JEDEC, AEC,...). Existen varios tipos de daño por radiación, asociados a dosis acumulada (TID) y a eventos únicos (SEE), fundamentalmente. Estos últimos están asociados al paso de una única partícula energética a través del dispositivo, que genera una estela de carga y puede dar lugar a respuestas eléctricas no deseadas, como conmutación 2 2 Antecedentes de biestables, enclavamiento de un bit o excursiones de voltaje transitorias. A su vez, dentro de los errores asociados a eventos únicos se puede distinguir entre daños físicos, que pueden destruir el dispositivo de manera irreversible, y errores lógicos o soft errors que conllevan la corrupción del estado de un circuito digital, por ejemplo por la conmutación del valor lógico de un biestable. Los tests en aceleradores de partículas o con fuentes radiactivas, se consideran los ensayos más representativos para conocer la inmunidad de un componente frente al daño de tipo SEE. Sin embargo, la complejidad de estos ensayos dificulta la observabilidad experimental y la interpretación de los resultados obtenidos. En particular los tests dinámicos, que implican que el chip esté operando durante la irradiacón, comportan una dificultad añadida a la hora de interpretar los errores observados en las salidas del circuito. El test dinámico de radiación es el más realista, ya que introduce la variable temporal en el experimento y da lugar a efectos reales que no son reproducibles en condiciones estáticas, como el evento único transitorio (SET). El trabajo a realizar durante esta tesis pretende aportar una metodología de test que mejore la observabilidad de errores lógicos en un test dinámico de radiación de circuitos digitales mediante detección y diagnóstico en tiempo real. 2. Antecedentes La experiencia investigadora del grupo al que pertenece el autor de esta tesis en el campo de los efectos de la radiación sobre dispositivos electrónicos, ha puesto de manifiesto la necesidad de establecer una metodología que permita el diagnóstico de los errores observados en un componente electrónico sometido a radiación ionizante. Generalmente, no es posible correlacionar con certeza el efecto (anomalía detectada en los puertos de salida) con la causa del mismo. La complejidad inherente a la instrumentación de un ensayo de radiación en un acelerador 3 3 Hipótesis y Objetivos de partículas, así como la propia comlejidad del circuito bajo estudio, requieren algún criterio de clasificación de los errores observados que pueden ser de muy diversa naturaleza. Algunos autores han aportado técnicas que combinan inyección de fallos dinámica con test en acelerador estáticos para estimar la probabilidad de fallo real del circuito, salvando la complejidad del test de radiación dinámico. La protección selectiva, consistente en adoptar topologías de diseño robustas en ¿puntos calientes¿ o críticos del circuito, requiere técnicas de ensayo que permita el diagnóstico y localización del daño por radiación. El uso de microsondas nucleares permite la focalización de un haz de iones en una región relativamente pequeña, facilitando el diagnóstico. La disponibilidad de uso de la microsonda nuclear en el Centro Nacional de Aceleradores puede contribuir al desarrollo de la técnica de detección y diagnóstico que es objeto de esta tesis. La curva de sección eficaz de fallo SEE es la forma más extendida de representación de resultados de experimentación. Estas curvas representan una colección de datos experimentales que deben ser minuciosamente clasificados. Lo mismo ocurre en los tests destinados a evaluar la tasa de errores lógicos en tiempo real (RTSER). En este sentido, la norma JEDEC JESD89-1A recomienda que se sigan ¿criterios de fallo¿ para la correcta identificación de los errores detectados a la salida de un circuito en tests de radiación. 3. Hipótesis y Objetivos El grupo de investigación al que pertenece el doctorando, posee una contrastada experiencia en el uso de emuladores hardware para la evaluación temprana de la robustez de diseños digitales ante errores lógicos. Estos emuladores inyectan fallos en la netlist de un diseño digital y estudian la evolución del estado del circuito durante la ejecución de un conjunto de estímulos. La principal ventaja de estas herramientas frente a la simulación, radica en la aceleración hardware de los 4 3 Hipótesis y Objetivos tests que permite la finalización de campañas de inyección masivas en un tiempo relativamente corto. Las campañas masivas o sistemáticas de inyección de fallos permiten comprobar de forma exhaustiva la respuesta de un diseño digital a un entorno de alta radiación. Estas campañas arrojan una ingente cantidad de información acerca de las vulnerabilidades del diseño que debe ser procesada generalmente de forma estadística. La correlación entre el instante y lugar de inyección del fallo emulado y la respuesta del mismo, sería una información que permitiría establecer la causa de un error (comportamiento anómalo) observado durante un test de radiación, donde generalmente sólo están accesibles las salidas del dispositivo. Los resultados de una campaña de inyección dependen, además del diseño bajo test, del conjunto de estímulos aplicado (workload). A partir de los resultados de la campaña de inyección masiva, se puede realizar un estudio estadístico que determine la calidad de los vectores de test desde el punto de vista del diagnóstico. Es de esperar que diferentes fallos inyectados compartan la misma firma, de manera que en caso de obtener dicha firma en un test de radiación, sea imposible determinar exactamente el punto de inyección del fallo. A la hora de preparar un test de radiación, es recomendable emplear vectores de test que garanticen que la certidumbre del diagnóstico sea máxima, lo cual es un aporte adicional de la tesis. Esta tesis pretende establecer un procedimiento que permita obtener ¿diccionarios de fallos¿ en los que se establece una correlación entre el punto de inyección y la respuesta del circuito codificada en una firma de pocos bytes. Durante un test de radiación se pueden obtener en tiempo real las firmas generadas por el circuito, que servirán para diagnosticar en cada caso el origen del daño empleando los diccionarios de fallos previamente generados en un emulador hardware. En el supuesto de que la firma generada durante la irradiación no estuviera contenida en un diccionario exhaustivo, se puede decir que el error no ha sido originado por el 5 4 Metodología y Trabajo Realizado modelo de fallo empleado en la generación del diccionario, debiéndose por tanto a un tipo de daño no contemplado (por ejemplo daño físico). La culminación de la tesis es el test de radiación en un acelerador de partículas. La Universidad de Sevilla cuenta con las instalaciones del Centro Nacional de Aceleradores, que puede ser un banco de pruebas idóneo para comprobar la validez de la metodología y comprobar las ventajas e inconvenientes de la misma. 4. Metodología y Trabajo Realizado El plan de trabajo incluyó los siguientes hitos en el orden expuesto: Estudio de la base de conocimiento genérica relacionada con los efectos de la radiación en circuitos electrónicos Análisis del Estado del Arte en técnicas de inyección de fallos en circuitos digitales. Recopilación de normas y estándares relacionados con los test radiación de componentes electrónicos. Estudio simulado de bajo nivel de los efectos de la radiación en tecnologías submicrométricas. Selección de un módulo adecuado para creación de firmas a partir de las salidas de un circuito digital. Adecuación del emulador hardware FT-UNSHADES para la generación de firmas durante las campañas de inyección. Selección de un vehículo de test para el experimento en la microsonda nuclear del CNA. 6 4 Metodología y Trabajo Realizado Realización de campañas de inyección masivas para la generación de diccionarios de fallos sobre diseños digitales y análisis de resultados. Preparación del setup experimental para el acelerador de partículas. Experimento en la microsonda nuclear del CNA y análisis de resultados. El estudio bibliográfico de la base de conocimiento en el campo de los efectos de la radiación sobre circuitos electrónicos ha sido fundamental para poder establecer el ámbito de aplicación de la tesis. El papel de la emulación hardware para inyección de fallos en esta investigación fue crítica y ha sido necesario un estudio de las plataformas existentes para entender qué puede aportar cada herramienta. Para acabar con la documentación, es necesario además recopilar las normas y estándares relacionados con test de radiación de circuitos electrónicos. La simulación de bajo nivel de los efectos de la radiación sobre una determinada tecnología engloba herramientas como SPICE, SRIM y TCAD. Estas simulaciones permiten estimar cuales deben ser las características del haz de iones empleado en un futuro ensayo en el acelerador de partículas. Los resultados de estas simulaciones fueron discutidos con los técnicos del acelerador para estudiar la viabilidad de los parámetros deseados. Un elemento clave en la metodología fue el bloque que debe generar las firmas a partir de las salidas del circuito digital. Es deseable que se trate de un módulo sencillo y que pueda ser implementado en un dispositivo programable sin suponer un consumo excesivo de recursos. El emulador FT-UNSHADES fue adaptado par incorporar el módulo de firmas. Se dispuso de un circuito integrado que servió vehículo de test para un experimento en el CNA. Es necesaria además la descripción VHDL del mismo para su emulación en FT-UNSHADES. No es objeto de esta tesis el desarrollo de este componente, su diseño y fabricación está fuera del alcance de esta tesis. Se gener- 7 4 Metodología y Trabajo Realizado aron diccionarios de fallos del vehículo de tests y de otros diseños digitales y, a partir de estos diccionarios, se han confeccionado estudios estadísticos de diagnóstico. En una fase ulterior, se desarrolló el hardware necesario para el setup experimental. Todo el hardware se probó en el laboratorio, antes de acudir al CNA. El resultado de esta etapa es la configuración del equipamiento de test automático (ATE) que se encargó de introducir estímulos en el chip y monitorizarlo durante el experimento en el acelerador de partículas. Finalmente, se llevó a cabo un experimento en el Centro Nacional de Aceleradores sobre el vehículo de test elegido para completar una prueba de concepto de la metodología propuesta.

Analysis of the Harmonic Performance of Power Converters and Electrical Drives

Power converters have progressively become the most efficient and attractive solution in recent decades in many industrial sectors, ranging from electric mobility, aerospace applications to attain better electric aircraft concepts, vast renewable energy resource integration in the transmission and distribution grid, the design of smart and efficient energy management systems, the usage of energy storage systems, and the achievement of smart grid paradigm development, among others.In order to achieve efficient solutions in this wide energy scenario, over the past few decades, considerable attention has been paid by the academia and industry in order to develop new methods to achieve power systems with maximum harmonic performance aiming for two main targets. On the one hand, the high-performance harmonic performance of power systems would lead to improvements in their power density, size and weight. This becomes critical in applications such as aerospace or electric mobility, where the power converters are on-board systems. On the other hand, current standards are becoming more and more strict in order to reduce the EMI and EMC noise, as well as meeting minimum power quality requirements (i.e., grid code standards for grid-tied power systems)

Firmware Development and Integration for ALICE TPC and PHOS Front-end Electronics: A Trigger Based Readout and Control System operating in a Radiation Environment

The readout electronics in PHOS and TPC - two of the major detectors of the ALICE experiment at the LHC - consist of a set of Front End Cards (FECs) that digitize, process and buffer the data from the detector sensors. The FECs are connected to a Readout Control Unit (RCU) via two sets of custom made PCB backplanes. For PHOS, 28 FECs are connected to one RCU, while for TPC the number is varying from 18 to 25 FECs depending on location. The RCU is in charge of the data readout, including reception and distribution of triggers and in moving the data from the FECs to the Data Acquisition System. In addition it does low level control tasks. The RCU consists of an RCU Motherboard that hosts a Detector Control System (DCS) board and a Source Interface Unit. The DCS board is an embedded computer running Linux that controls the readout electronics. All the mentioned devices are implemented in commercial grade SRAM based Field Programmable Gate Arrays (FPGAs). Even if these devices are not very radiation tolerant, they are chosen because of their cost and flexibility, and most importantly the possibility to easily do future upgrades of the electronics. Since physical shielding of the electronics is not possible in ALICE due to the architecture of the detector, the radiation related errors need to be handled with other techniques such as firmware mitigation techniques. The main objective of this thesis has been to make firmware modules for the FPGAs reciding in different parts of the readout electronics. Because of the flexibility of the designs, some of them have, with minor adaptations, been applied in different devices surrounding the readout electronics. Additionally, effort has been put into testing and integration of the system. In detail, the work presented in this thesis can be summarized as follows: - Firmware design for radiation environments. All firmware modules that are designed are to be used in a radiation environment, and then special precautions need to be taken. Additionally, a state-of-the-art solution has been designed for protecting the main FPGA on the RCU Motherboard against radiation induced functional failures. - Implementation of Trigger Handling for the TPC/PHOS Readout Electronics. The triggers are received from the global trigger system via an optical link and are handled by an Application Spesific Integrated Circuit (ASIC) on the DCS board. The problem is that the DCS board might have occasional down time 6 due to radiation related errors, so a special interface module is designed for the main FPGA on the RCU Motherboard. This module decodes and verifies the information received from the trigger system. As it is a generic design it has also been implemented as part of the BusyBox. The BusyBox is an important device in the trigger path of the TPC and PHOS sub-detectors. - Testing and Verification of all firmware modules. All firmware modules have been extensively verified with computer simulation before being tested in real hardware. - Maintenance of the DCS board for TPC/PHOS and of the different Fee firmware modules in general. - System Integration and System Level Tests. A big contribution has been done integrating and testing all the modules and sub-systems. This concern both locally on the RCU and the BusyBox, as well as making all the devices play together on a larger scale. - Testing and Verification of all firmware modules. All firmware modules have been extensively verified with computer simulation before being tested in real hardware. - Maintenance of the DCS board for TPC/PHOS and of the different Fee firmware modules in general. - System Integration and System Level Tests. A big contribution has been done integrating and testing all the modules and sub-systems. This concern both locally on the RCU and the BusyBox, as well as making all the devices play together on a larger scale. As the presented electronics are located in a radiation environment and are physically unavailable after commissioning, effort has been put into making designs that are reliable, scalable and possible to upgrade. This has been ensured by following a systematic design approach where testability, version management and documentation are key elements. Some parts of the work described in this thesis have been published and presented in international peer reviewed publications and conferences

Cost-Effective and Energy-Efficient Techniques for Underwater Acoustic Communication Modems

Finally, the modem developed has been tested experimentally in laboratory (aquatic environment) showing that can communicates at different data rates (100..1200 bps) compared to state-of-the-art research modems. The software used include LabVIEW, MATLAB, Simulink, and Multisim (to test the electronic circuit built) has been employed.Underwater wireless sensor networks (UWSNs) are widely used in many applications related to ecosystem monitoring, and many more fields. Due to the absorption of electromagnetic waves in water and line-of-sight communication of optical waves, acoustic waves are the most suitable medium of communication in underwater environments. Underwater acoustic modem (UAM) is responsible for the transmission and reception of acoustic signals in an aquatic channel. Commercial modems may communicate at longer distances with reliability, but they are expensive and less power efficient. Research modems are designed by using a digital-signal-processor (DSP is expensive) and field-programmable-gate-array (FPGA is high power consuming device). In addition to, the use of a microcontroller is also a common practice (which is less expensive) but provides limited computational power. Hence, there is a need for a cost-effective and energy-efficient UAM to be used in budget limited applications. In this thesis different objectives are proposed. First, to identify the limitations of state-of-the-art commercial and research UAMs through a comprehensive survey. The second contribution has been the design of a low-cost acoustic modem for short-range underwater communications by using a single board computer (Raspberry-Pi), and a microcontroller (Atmega328P). The modulator, demodulator and amplifiers are designed with discrete components to reduce the overall cost. The third contribution is to design a web based underwater acoustic communication testbed along with a simulation platform (with underwater channel and sound propagation models), for testing modems. The fourth contribution is to integrate in a single module two important modules present in UAMs: the PSK modulator and the power amplifier

Emerging Power Electronics Technologies for Sustainable Energy Conversion

This Special Issue summarizes, in a single reference, timely emerging topics related to power electronics for sustainable energy conversion. Furthermore, at the same time, it provides the reader with valuable information related to open research opportunity niches