Self consistent kinetic simulations of SPT and HEMP thrusters including the near-field plume region

The Particle-in-Cell (PIC) method was used to study two different ion thruster concepts - Stationary Plasma Thrusters (SPT) and High Efficiency Multistage Plasma Thrusters (HEMP-T), in particular the plasma properties in the discharge chamber due to the different magnetic field configurations. Special attention was paid to the simulation of plasma particle fluxes on the thrusters channel surfaces. In both cases, PIC proved itself as a powerful tool, delivering important insight into the basic physics of the different thruster concepts. The simulations demonstrated that the new HEMP thruster concept allows for a high thermal efficiency due to both minimal energy dissipation and high acceleration efficiency. In the HEMP thruster the plasma contact to the wall is limited only to very small areas of the magnetic field cusps, which results in much smaller ion energy flux to the thruster channel surface as compared to SPT. The erosion yields for dielectric discharge channel walls of SPT and HEMP thrusters were calculated with the binary collision code SDTrimSP. For SPT, an erosion rate on the level of 1 mm of sputtered material per hour was observed. For HEMP, thruster simulations have shown that there is no erosion inside the dielectric discharge channel.Comment: 14 pages, 11 figures This work was presented at 21st International Conference on Numerical Simulation of Plasmas (ICNSP'09

Radio-frequency discharges in Oxygen. Part 1: Modeling

In this series of three papers we present results from a combined experimental and theoretical effort to quantitatively describe capacitively coupled radio-frequency discharges in oxygen. The particle-in-cell Monte-Carlo model on which the theoretical description is based will be described in the present paper. It treats space charge fields and transport processes on an equal footing with the most important plasma-chemical reactions. For given external voltage and pressure, the model determines the electric potential within the discharge and the distribution functions for electrons, negatively charged atomic oxygen, and positively charged molecular oxygen. Previously used scattering and reaction cross section data are critically assessed and in some cases modified. To validate our model, we compare the densities in the bulk of the discharge with experimental data and find good agreement, indicating that essential aspects of an oxygen discharge are captured.Comment: 11 pages, 10 figure

Comparative study of semiclassical approaches to quantum dynamics

Quantum states can be described equivalently by density matrices, Wigner functions or quantum tomograms. We analyze the accuracy and performance of three related semiclassical approaches to quantum dynamics, in particular with respect to their numerical implementation. As test cases, we consider the time evolution of Gaussian wave packets in different one-dimensional geometries, whereby tunneling, resonance and anharmonicity effects are taken into account. The results and methods are benchmarked against an exact quantum mechanical treatment of the system, which is based on a highly efficient Chebyshev expansion technique of the time evolution operator.Comment: 32 pages, 8 figures, corrected typos and added references; version as publishe

The adenosine generating enzymes CD39/CD73 control microglial processes ramification in the mouse brain

Microglial cells invade the brain as amoeboid precursors and acquire a highly ramified morphology in the postnatal brain. Microglia express all essential purinergic elements such as receptors, nucleoside transporters and ecto-enzymes, including CD39 (NTPDase1) and CD73 (5'-nucleotidase), which sequentially degrade extracellular ATP to adenosine. Here, we show that constitutive deletion of CD39 and CD73 or both caused an inhibition of the microglia ramified phenotype in the brain with a reduction in the length of processes, branching frequency and number of intersections with Sholl spheres. In vitro, unlike wild-type microglia, cd39-/- and cd73-/- microglial cells were less complex and did not respond to ATP with the transformation into a more ramified phenotype. In acute brain slices, wild-type microglia retracted approximately 50% of their processes within 15 min after slicing of the brain, and this phenomenon was augmented in cd39-/- mice; moreover, the elongation of microglial processes towards the source of ATP or towards a laser lesion was observed only in wild-type but not in cd39-/- microglia. An elevation of extracellular adenosine 1) by the inhibition of adenosine transport with dipyridamole, 2) by application of exogenous adenosine or 3) by degradation of endogenous ATP/ADP with apyrase enhanced spontaneous and ATP-induced ramification of cd39-/- microglia in acute brain slices and facilitated the transformation of cd39-/- and cd73-/- microglia into a ramified process-bearing phenotype in vitro. These data indicate that under normal physiological conditions, CD39 and CD73 nucleotidases together with equilibrative nucleoside transporter 1 (ENT1) control the fate of extracellular adenosine and thereby the ramification of microglial processes

On the Wake Structure in Streaming Complex Plasmas

The theoretical description of complex (dusty) plasmas requires multiscale concepts that adequately incorporate the correlated interplay of streaming electrons and ions, neutrals, and dust grains. Knowing the effective dust-dust interaction, the multiscale problem can be effectively reduced to a one-component plasma model of the dust subsystem. The goal of the present publication is a systematic evaluation of the electrostatic potential distribution around a dust grain in the presence of a streaming plasma environment by means of two complementary approaches: (i) a high precision computation of the dynamically screened Coulomb potential from the dynamic dielectric function, and (ii) full 3D particle-in-cell simulations, which self-consistently include dynamical grain charging and non-linear effects. The applicability of these two approaches is addressed

Поляризационно-модуляционная методика определения абсолютных значений механических напряжений в сапфировых оптических окнах

При вирощуванні зливків монокристалічного сапфіру в ньому виникають дефекти у вигляді мікробульбашок, границь блоків і зумовлені ними механічні напруження, які суттєво впливають на функціональні властивості кристалу. Проблему контролю якості сапфірових структур вирішують багатьма способами, але вони не є достатньо чутливими для потреб сучасної оптики та мікроелектроніки, або є складними у використанні (рентгенівські методи). Традиційний контроль внутрішніх механічних напружень здійснюють візуально на полярископі-поляриметрі ПКС-250, в основу якого покладено метод подвійного променезаломлення Сенармона. Проте технічні можливості цього традиційного методу не здатні виконувати високочутливий кількісний контроль зразків монокристалів сапфіру з мікронапруженнями. Тому актуальною задачею сучасного приладобудування є розроблення нових високочутливих методів технічної діагностики та неруйнівного контролю якості деталей із сапфіру. Автори роботи досліджували можливість використання методу модуляційної поляриметрії для вирішення поставленої задачі. Однак стан поляризації як характеристики випромінювання має з огляду на диференціальну спектроскопію суттєву відмінність від інших способів модуляції. Вона полягає, перш за все, у тому, що поляризація, як просторова характеристика хвилі, залежить від сукупності значень – компонент вектора Максвела-Джонса або вектора Стокса. Отже, на відміну від модуляцій інших фізичних величин, що оперують із єдиним параметром, поляризаційна модуляція (ПМ) характеризується двомірним впливом на хвилю. Метою роботи було розроблення методики визначення абсолютних величин внутрішніх механічних напружень у локальних точках сапфірових оптичних вікон за допомогою модуляційної поляриметрії. У результаті проведених досліджень полірованих зразків сапфіру (типу оптичних вікон) було розроблено методику визначення абсолютних значень внутрішніх механічних напружень у матеріалах, прозорих в оптичному діапазоні випромінювання на основі модуляційної поляриметрії. Розроблена методика дозволила виявити внутрішні механічні напруження у сапфірових вікнах і визначити причину невідповідності досліджених зразків щодо вимог лазерних систем. Розроблено методику експериментального визначення величини абсолютних значень внутрішніх механічних напружень у сапфірових оптичних вікнах за допомогою використання модуляційної поляриметрії. Встановлено розподіл у двомірному просторі внутрішніх напружень у полірованих зразках сапфіру та їх абсолютні значення.There are defects such as microbubbles and boundaries of blocks appears in monocrystalline sapphire bars when they growing due to mechanical stresses that significantly affect the functional properties of the crystal. The quality control structures sapphire problem is solved in many ways, but they are not sufficiently sensitive to the needs of modern optics and microelectronics, or difficult to use (X-ray methods). Traditional control internal mechanical stresses perform visually on polariscope-polarimeter PKS-250, which is based on the double refraction Senarmona. However, the traditional method technical capability is not able to perform highly quantitative control samples of single crystal sapphire with mikrostresses. Therefore, the actual problem of modern instrumentation is the development of new highly sensitive methods of non-destructive quality diagnostics and control of parts of the sapphire. The authors of investigated the possibility of using the method of modulation polarimetry to solve this problem. However, this characteristic radiation as the state of polarization has in terms of differential spectroscopy substantial difference from other methods of modulation. It is, above all, that the polarization as spatial characteristics of the wave reflected set of values - the components of the vector Maxwell Jones or Stokes vector. Thus, unlike the modulation of other physical quantities that operate with a single parameter, polarization modulation (PM) is characterized by two-dimensional effects on the wave. The purpose of the work was the development of methods for determining the absolute values of the internal stresses in local points of sapphire optical windows using modulation polarimetry. The polished sapphire samples (such as optical windows) studies has developed a method of determining the absolute values of the internal stresses in materials transparent in the optical radiation through modulation polarimetry. The identification of internal stresses in the sapphire windows and determine the cause of inconsistency of the samples with the requirements of laser systems are enabled in this method. The determination of the absolute values of internal mechanical stresses in sapphire optical windows through the use of modulation polarimetry experimental method is developed. The distribution in two-dimensional space of internal stresses in polished sapphire samples and their absolute values are established.При выращивании слитков монокристаллического сапфира в нем возникают дефекты в виде микропузырьков, границ блоков и обусловленные ими механические напряжения, которые существенно влияют на функциональные свойства кристалла. Проблему контроля качества сапфировых структур решают различными способами, но они не достаточно чувствительны для нужд современной оптики и микроэлектроники, или сложны в использовании (рентгеновские методы). Традиционный контроль внутренних механических напряжений осуществляют визуально на полярископе-поляриметре ПКС-250, в основу которого положен метод двойного лучепреломления Сенармона. Однако технические возможности этого традиционного метода не способны выполнять высокочувствительный количественный контроль образцов монокристаллов сапфира с микронапряжениями. Поэтому актуальной задачей современного приборостроения является разработка новых высокочувствительных методов технической диагностики и неразрушающего контроля качества деталей из сапфира. Авторы работы исследовали возможность использования метода модуляционной поляриметрии для решения поставленной задачи. Однако такая характеристика излучения как состояние поляризации, имеет с точки зрения дифференциальной спектроскопии существенное отличие от других способов модуляции. Она заключается, прежде всего, в том, что поляризация, как пространственная характеристика волны, выражается совокупностью значений - компонентами вектора Максвелла-Джонса или вектора Стокса. Таким образом, в отличие от модуляций других физических величин, оперирующих с единственным параметром, поляризационная модуляция (ПМ) характеризуется двухмерным влиянием на волну. Целью работы была разработка методики определения абсолютных величин внутренних механических напряжений в локальных точках сапфировых оптических окон с помощью модуляционной поляриметрии. В результате проведенных исследований полированных образцов сапфира (типа оптических окон) была разработана методика определения абсолютных значений внутренних механических напряжений в материалах, прозрачных в оптическом диапазоне излучения на основе модуляционной поляриметрии. Разработанная методика позволила выявить внутренние механические напряжения в сапфировых окнах и определить причину несоответствия исследованных образцов требованиям лазерных систем. Разработана методика экспериментального определения величины абсолютных значений внутренних механических напряжений в сапфировых оптических окнах за счет использования модуляционной поляриметрии. Установлено распределение в двухмерном пространстве внутренних напряжений в полированных образцах сапфира и их абсолютные значения