이 작품은 NASA 부여 NNX11AC68G 워싱턴의 카네기 연구소에 의해 지원되었다. 나는 데이터 수집을 가진 그의 도움을 치 장 감사합니다. 또한이 원고의 도움이 리뷰를 아나 트 샤 하르와 발레리 Hil​​lgren 감사합니다.

1. 출발 물질 및 샘플 챔버를 준비 <ol><li> 출발 물질의 두 종류, 천연 규산염 감람석 및 고체 실리케이트 매트릭스에 액체 철 합금의 퍼콜을 시뮬레이션하는 10 중량 %의 황 (4 내지 30 중량 % 범위의 금속 / 실리케이트 비율)과 금속 철 분말 (1)의 혼합물을 제조 작은 유성 본체와 유성 내핵 결정화를 결정하기위한 미세 접지 순철 및 황화철 (2) 균일 한 혼합물의 초기 코어 형성시. </li><li> 한 시간 마노 박격포 에탄올에서 잘 혼합 분말을 출발 물질을 분쇄하고 100 ℃에서 건조 </li><li> 소결체의 MgO 또는 알 2로 출발 물질을로드 O 3 캡슐 (전형적 직경 1.5 mm, 길이 1.5)하고 멀티 앤빌 실험 고압 셀 어셈블리에 배치. </li><li> 작은 샘플 실에 철 - 페스 혼합물을로드 (일반적으로 직경 100 μm의 25 &amp; #181, 다이아몬드 앤빌 셀 레이저 가열 실험 preindented 레늄 개스킷 드릴 두께 m). 열 절연체 역할을 염화나트륨 층 사이의 철 - 페스 혼합물을 샌드위치. </li></ol> 2. 멀티 모루 장치의 고압과 고온 실험 <ol><li> 멀티 앤빌 고압 셀 어셈블리는 압력 매체, 단열재로서 결정 ZrO2 소매 및 원통형 레늄 또는 흑연 히터로서 산화 마그네슘 면체로 구성된다. 샘플 캡슐은 히터 내부에 적합하다. 타입-C 열전쌍은 시료 온도를 결정하기 위해 샘플 챔버에 삽입된다. </li><li> 가압 대 멀티 앤빌 고압 장치에 고압 어셈블리를 배치. </li><li> 멀티 모루 장치는 여섯 이동식 푸시 웨지 센터 15 입방 공동을 형성하는 고정 링이 포함 된 1,500t 유압 프레스 및 압력 모듈로 구성되어 있습니다. 입방 공동 H절단 된 모서리와 ouses 여덟 텅스텐 카바이드 큐브. 팔면체 셀 어셈블리 수렴 잘린 큐브, 압축성 가스켓에 의해 서로 분리된다. 유압 램이 1 멀티 앤빌 실험 실험 절차를 도시 이단 앤빌 구성.도에 의해 샘플 집합에 효과적으로 힘을 전달한다. </li><li> 일정한 온도에서 실험을 유지; 2-27 수정 점 압력 검량선 (16)에 기초하여 실온에서 GPa로하고, 전기 저항 가열에 의해 2300 ° C까지의 실험 온도에 가열간에 목표 압력으로 시료를 가압 실험 기간 동안, 그리고 실험의 끝에서 실온까지 샘플을 급냉하는 전원을 끈다. </li><li> 유압 오일 밸브를 열어 압력을 천천히 풀고 실험 요금을 복구 할 수 있습니다. </li></ol> 3. 레이저 가열 실험다이아몬드 앤빌 셀 <ol><li> 다이아몬드 앤빌 셀의 압력은 두 개의 보석 품질의 단결정 다이아몬드 앤빌 (약 0.25 캐럿 각) 사이에 생성된다. 우리는 피스톤 - 실린더 시스템과 완벽하게 정렬 대향 앤빌을 구동 대칭 다이아몬드 앤빌 셀을 사용한다. 셀은 지구의 코어 (17)의 압력 조건에 대응하는 압력을 생성 할 수있다. 높은 온도는 다이아몬드 앤빌 셀에 레이저 가열에 의해 달성된다. 우리는 양면 레이저 가열 기술에 기초하여 두 개의 광섬유 레이저, 양측에서 시료를 가열하기위한 광학계, 및 양쪽의 온도 측정이 spectroradiometric 시스템으로 구성되는 어드밴스 광자 소스 (APS)에서 시스템을 사용 18. 이 시스템은 다이아몬드 앤빌 셀에 모두 반경 및 축 방향으로 샘플의 온도 구배를 최소화하고, 가열 안정성을 극대화, 큰 가열 지점 (직경 25 μm의)를 생성하도록 설계되었습니다. 그림 2는 개략적으로 보여줍니다레이저 가열 스폿의 이미지와 함께 다이아몬드 앤빌 셀 레이저 가열 실험을위한 실험 구성들. </li><li> 300 μm의 culets와 다이아몬드 모루를 맞추고 250 μM의 초기 두께에서 30 ㎛의 두께로 레늄 가스켓 preindent. </li><li> 중심에서 120 ㎛의 직경을 갖는 개스킷 preindented있는 드릴 구멍, 및 구멍 내에 샘플을로드. </li><li> 실온에서 목표 압력에 샘플을 가압하고 싱크로트론 설비에서 온도 측정 및 시튜 X-선 회절 측정에서하면서 레이저 파워를 증가시킴으로써 샘플을 가열한다. </li><li> 부분 용융이 열 방사선 및 회절 패턴의 변화에​​ 의해 감지 될 때 샘플을 해소하기 위해 레이저 전원을 끕니다. </li><li> 전 현장 특성화를 위해 가열 된 샘플을 복구 할 수 있습니다. </li></ol> 4. 샘플 복구 및 분석 <ol><li> 모에폭시 수지의 검색 멀티 모루 샘플을 UNT 150 μm의 μm의 0.25에서 다이아몬드 분말 모래의 제품군을 사용하여 표면을 연마하고 있습니다. </li><li> 탄소 코트 샘플의 표면 분석을위한 혈구 아 우리 FIB / SEM 들보 악기 (그림 3A)의 샘플 챔버에로드합니다. </li><li> 5mm (그림 3B)의 작동 거리에서의 FIB와 SEM의 일치하는 점에 샘플을 맞춘 후 X 20 X 20 μm의 3 (15) (그림 3C)의 볼륨을 노출하기 위해 샘플을 premill. </li><li> 혈구 아 우리 FIB / SEM 기기 (자동으로 약 35 ㎚의 일반적인 이미지의 해상도를 가진 이온 빔 밀링 후 이미지의 시리즈를 녹화)에 조각 및보기 기능을 사용하여 25 nm의 간격으로 SEM 이미지를 가져 가라. </li><li> 시각화 소프트웨어 및 급냉 샘플 용융 분포 및 연결 (도 3을 시각화하는 3D 이미지를 재구성 입력 화상 데이터 파일D). </li></ol>

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관심 없음 충돌 선언하지 않습니다.

멀티 앤빌 실험 기술들은 잘 안정한 압력 및 실행 시간의 연장 된 기간에 대한 온도를 생성하고, 상대적으로 큰 샘플 부피를 제조, 확립된다. 그것은 특히 특정 샘플 볼륨을 필요로 같은 용융 여과 등의 실험을 위해, 행성의 내부 프로세스를 시뮬레이션 할 수있는 강력한 도구입니다. 제한은 27 텅스텐 카바이드 (WC) 앤빌 GPa로, 화성과 수성의 핵심 압력에 도달하지만 지구와 금성의 코어에 도달하기...

같은 지구, 금성, 화성, 수성 등 지상파 행성은 규산염 맨틀과 금속 코어로 구성된 차별화 된 천체이다. 현대 행성 형성 모델은 지상파 행성이 중력의 상호 작용을 통해 1 ~ 2 km 떨어진 지점 규모 이상의 planetesimals에서 성장 문 - 투 - 화성 크기의 행성 배아의 충돌에서 형성하는 것이 좋습니다. planetesimals은 가능성이 금속 철 합금 등과 같은 26 알, 60 철, 충격으로 단명 한 동위 원소의 방사성 붕괴와 같은 소스에서 기인 가열 온도를 용융에 도달하면 이미 분화 하였다 잠재적 인 에너지 3의 릴리스. 그것은 액체 금속은 초기 분화시 실리케이트 매트릭스를 통해 침출 방법을 이해하는 것이 중요합니다. 행성 차별화 따라 효율적으로 액체 - 액체 분리를 통해 또는 고체 규산염 매트릭스의 액체 금속의 여과에 의해 수행 할 수크기와 천체의 내부 온도에. 온도가 전체 유성 본체를 용융 할 정도로 높지 않을 때 고체 실리케이트 매트릭스 내의 액체 금속의 퍼콜 가능성 초기 분화 과정 지배적이다. 퍼콜의 효율은 고체 - 고체 및 고체 - 액체 인터페이스의 계면 에너지에 의해 결정 면각 각도에 의존한다. 우리는 철 합금 및 실리케이트의 혼합물을 고압 및 고온 실험을 실시하여 실험실에서 이러한 공정을 시뮬레이션 할 수있다. 최근 연구 4-7 고온 고압에서 고체 실리케이트 매트릭스 내의 액체 철 합금의 습윤 능력을 조사 하였다. 그들은 진정한 면각 각도 결정 용 급냉 액체 금속과 연마 단면에 규산 입자 간의 명백한 면각 각도의 상대 빈도 분포를 측정하는 종래의 방법을 사용했다. 종래의 방법은 비교적 큰 UNC를 산출측정 면각 각도와 샘플링 통계에 의존 할 수있는 바이어스 ertainties. 여기에서 우리는 FIB 밀링 및 고해상도 필드 방출 SEM 영상의 조합에 의해 세 가지 차원 (3D)의 실리케이트 매트릭스의 액체 금속의 분포를 시각화하는 새로운 이미징 기술을 제시한다. 새로운 이미징 기술은 면각 각도 및 액상의 체적 분율 및 연결의 정량 측정 값의 정확한 결정을 제공한다. 지구의 핵심은 아마도 그것의 초기 역사에서 액체 상태로, 비교적 짧은 시간 (&lt;100,000,000년) 8 년에 설립되었습니다. 화성과 수성은 각각 유성 회전 (10)에 연결 마스 글로벌 서베이어 무선 추적 데이터 9 레이더 스페 클 패턴에서 태양 조수의 변형에 따라 액체 코어가. 화력 발전 모델과 코어 물질에 고압의 용융 실험은 상기 액체 화성 코어를 지원11-12. 최근 메신저 우주선 데이터는 수성 (13)의 액체 코어에 대한 추가 증거를 제공합니다. 심지어 작은 달 가능성이 Appollo 달 seismograms 14의 최근 재분석에 따라 작은 액체 코어를 가지고 있습니다. 액체 유성 코어 행성 형성 초기 단계에서 높은 강착 에너지와 일치한다. 이후 냉각은 어떤 행성 고체 내부 코어의 형성으로 이어질 수 있습니다. 지진 데이터는 지구가 액체 외부 코어와 고체 내부 코어로 구성되어 있음을 밝혀냈다. 내부 코어의 형성은 열 및 조성 대류와 행성의 자기장의 생성에 의해 구동되는 코어의 역학에 중요한 영향을 미칠 수있다. 내부 코어의 응고는 코어 물질의 용융 온도 및 코어의 열 발전에 의해 제어된다. 지상파 행성의 코어 형성은 유사한 증대 경로를 공유하고 코어의 화학적 조성은 B로 간주됩니다E는 약 10 중량 % 광 황 (S) 등의 요소, 실리콘 (Si), 산소 (O), 탄소 (C), 수소 (H) (15)와 철을 지배. 이 조성물을 이해하기 위해, 예컨대 철 - 페스, 철 - C, 철-FeO의, 철 - 페 및 철 - FeSiat 고압 같은 코어, 관련된 시스템의 융점 관계의 지식이 필수적 행성의 코어. 이 연구에서, 우리는 행성의 코어의 조건을 흉내 낸, 다 모루 장치와 다이아몬드 앤빌 셀에서 실시 실험을 보여줍니다. 실험은 내부 코어 결정화 및 결정 성 내핵 및 축소 액체 코어 간의 광 소자의 분포 요건에 대한 더 나은 이해를 선도, 고체 및 액체 금속 간의 결정화 시퀀스 소자 파티션에 대한 정보를 제공한다. 용융 관계에 매우 높은 압력을 확장하기 위해, 우리는 레이저 가열 다이아몬드에서 복구 침묵 샘플을 분석 할 수있는 새로운 기술을 개발했습니다nvil 세포 실험. 레이저 가열 자리의 정밀도 FIB 밀링, 우리는 고해상도 SEM 및 서브 마이크론 공간 해상도의 실리콘 드리프트 검출기 정량적 화학 분석 군데 담금질 텍스처 기준을 사용하여 용융 결정합니다. 여기에서 우리는 다음 냉각에 의해 초기 증대 및 내부 코어의 결정화시 실리케이트 매트릭스에 용융 금속의 여과에 의해 행성 코어 형성을 모방하는 실험의 두 세트를 설명합니다. 시뮬레이션은 행성의 코어의 진화하는 동안 두 가지 중요한 프로세스를 이해하는 것을 목표로하고 있습니다.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="352">
	<colgroup>
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	</colgroup>
	<tbody> 
		<tr height="43" style="height:32.25pt">
			<td class="xl63" height="43" style="height:32.25pt;width:66pt" width="88">Multi-anvil apparatus</td>
			<td class="xl63" style="border-left:none;width:66pt" width="88">Geophysical Lab</td>
			<td class="xl63" style="border-left:none;width:66pt" width="88">Home Builder</td>
			<td class="xl63" style="border-left:none;width:66pt" width="88"> </td>
		</tr>
		<tr height="43" style="height:32.25pt">
			<td class="xl63" height="43" style="height:32.25pt;border-top:none;
 width:66pt" width="88">Diamond-anvil cell</td>
			<td class="xl63" style="border-top:none;border-left:none;width:66pt" width="88">Geophysical Lab</td>
			<td class="xl63" style="border-top:none;border-left:none;width:66pt" width="88">Home Builder</td>
			<td class="xl63" style="border-top:none;border-left:none;width:66pt" width="88"> </td>
		</tr>
		<tr height="64" style="height:48.0pt">
			<td class="xl63" height="64" style="height:48.0pt;border-top:none;
 width:66pt" width="88">Laser-heating system</td>
			<td class="xl63" style="border-top:none;border-left:none;width:66pt" width="88">APS GSECARS</td>
			<td class="xl63" style="border-top:none;border-left:none;width:66pt" width="88">Designed by beamline staff</td>
			<td class="xl63" style="border-top:none;border-left:none;width:66pt" width="88"> Public beamline</td>
		</tr>
		<tr height="43" style="height:32.25pt">
			<td class="xl63" height="43" style="height:32.25pt;border-top:none;
 width:66pt" width="88">FIB/SEM Crossbeam</td>
			<td class="xl63" style="border-top:none;border-left:none;width:66pt" width="88">Carl Zeiss Ltd.</td>
			<td class="xl63" style="border-top:none;border-left:none;width:66pt" width="88">Auriga</td>
			<td class="xl63" style="border-top:none;border-left:none;width:66pt" width="88"> </td>
		</tr>
		<tr height="64" style="height:48.0pt">
			<td class="xl63" height="64" style="height:48.0pt;border-top:none;
 width:66pt" width="88">Avizo 3D software</td>
			<td class="xl63" style="border-top:none;border-left:none;width:66pt" width="88">VSG</td>
			<td class="xl63" style="border-top:none;border-left:none;width:66pt" width="88">Fire for materials science</td>
			<td class="xl63" style="border-top:none;border-left:none;width:66pt" width="88"> </td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

simulation of the planetary interior differentiation processes in the laboratory

유성 내부는 고압 및 고온 조건이며 적층 구조를 갖는다. 그 층 구조에지도 두 가지 중요한 프로세스, 행성의 분화에 의해 고체 규산염 매트릭스에 액체 금속 (1) 여과 및 냉각 이후의 행성 (2) 내부 코어의 결정화가 있습니다. 우리 실험실에서 두 프로세스를 시뮬레이션하기 위해 고압 및 고온 실험을 수행. percolative 행성 코어의 형성이면 각 (오줌) 각도에 의해 제어되는 용융 여과의 효율성에 따라 달라집니다. 실리케이트 고체 유지하다가 3D 시각화에 의해 결정 매트릭스에 액체 이주의 스타일을 평가하는 진정한 면각 각도를 결정하는 동안 퍼콜 시뮬레이션은 철 - 황 합금이 용융되는 목표 온도까지 높은 압력에서 시료를 가열 포함한다. 3 차원 볼륨 렌더링은 집속 이온 빔 (FIB) 및 TA로 회수 시료를 슬라이스함으로써 달성된다FIB / SEM 대들보 악기와 각 조각의 왕 SEM 이미지. 실험의 두 번째 세트는 액체 아우터 코어와 높은 압력에서 용융 온도 및 요소 분할을 결정함으로써 고체 내부 코어 사이 내핵 결정화 소자 분포를 이해할 수 있도록 설계된다. 용융 실험은 최대 27 GPa의에 멀티 모루 장치에서 실시 및 레이저 가열 다이아몬드 앤빌 셀에 높은 압력으로 확장됩니다. 우리는 정밀 FIB 밀링으로 작은 가열 된 샘플들을 복구하고 높은 압력에서 용융 감촉을 발휘 레이저 가열 된 스폿의 고해상도 이미지를 얻는 기술을 개발했다. 공존 액상 및 고체상의 화학 성분을 분석함으로써, 우리는 정확하게 내핵 결정화 과정을 이해하는 데 필요한 데이터를 제공하고, 액상 곡선을 결정한다.

우리는 출발 물질로서, 산 카를로스 감람석 및 다른 금속 실리케이트 비 가진 철 - FES 금속 합금의 혼합물을 사용하여 일련의 실험을 실시했다. 금속의 S 함량이 10 중량 %가 S. 여기에 우리가 잘 보정 멀티 모루 어셈블리 (15)를 사용하여, 6 GPa로 1800 ° C에서 수행 고압 실험에서 몇 가지 대표적인 결과를 표시합니다. 실험 조건 하에서, 철 - FES 금속 합금이 완전히 용융 및 규산 (산 카를로스 감...

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Simulation of the Planetary Interior Differentiation Processes in the Laboratory

여기에 설명 된 고압 및 고온 실험 행성 내부 분화 과정을 모방. 공정은 고해상도 3D 이미징 및 정량적 화학 분석에 의해 시각 나은 이해된다.

행성 내부의 분화의 시뮬레이션 실험실에서 처리

A planetary interior is under high-pressure and high-temperature conditions and it has a layered structure. There are two important processes that led to ...

simulation-planetary-interior-differentiation-processes

Research

JoVE Journal

Engineering

11.5K 조회수.  Carnegie Institution of Washington.  여기에 설명 된 고압 및 고온 실험 행성 내부 분화 과정을 모방. 공정은 고해상도 3D 이미징 및 정량적 화학 분석에 의해 시각 나은 이해된다. 

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Revealing Dynamic Processes of Materials in Liquids Using Liquid Cell Transmission Electron Microscopy

The recent development for in situ transmission electron microscopy, which allows imaging through liquids with high spatial resolution, has attracted significant interests across the research fields of materials science, physics, chemistry and biology. The key enabling technology is a liquid cell. We fabricate liquid cells with thin viewing windows through a sequential microfabrication process, including silicon nitride membrane deposition, photolithographic patterning, wafer etching, cell bonding, etc. A liquid cell with the dimensions of a regular TEM grid can fit in any standard TEM sample holder. About 100 nanoliters reaction solution is loaded into the reservoirs and about 30 picoliters liquid is drawn into the viewing windows by capillary force. Subsequently, the cell is sealed and loaded into a microscope for in situ imaging. Inside the TEM, the electron beam goes through the thin liquid layer sandwiched between two silicon nitride membranes. Dynamic processes of nanoparticles in liquids, such as nucleation and growth of nanocrystals, diffusion and assembly of nanoparticles, etc., have been imaged in real time with sub-nanometer resolution. We have also applied this method to other research areas, e.g., imaging proteins in water. Liquid cell TEM is poised to play a major role in revealing dynamic processes of materials in their working environments. It may also bring high impact in the study of biological processes in their native environment.

We have developed a self-contained liquid cell, which allows imaging through liquids using a transmission electron microscope. Dynamic processes of nanoparticles in liquids can be revealed in real time with sub-nanometer resolution.

액체 셀 전송 전자 현미경을 사용하여 액체의 재료의 동적 프로세스를 공개

The recent development for in situ transmission electron microscopy, which allows imaging through liquids with high spatial resolution, has attracted ...

연구

공학

Flame Experiments at the Advanced Light Source: New Insights into Soot Formation Processes

The following experimental protocols and the accompanying video are concerned with the flame experiments that are performed at the Chemical Dynamics Beamline of the Advanced Light Source (ALS) of the Lawrence Berkeley National Laboratory1-4. This video demonstrates how the complex chemical structures of laboratory-based model flames are analyzed using flame-sampling mass spectrometry with tunable synchrotron-generated vacuum-ultraviolet (VUV) radiation. This experimental approach combines isomer-resolving capabilities with high sensitivity and a large dynamic range5,6. The first part of the video describes experiments involving burner-stabilized, reduced-pressure (20-80 mbar) laminar premixed flames. A small hydrocarbon fuel was used for the selected flame to demonstrate the general experimental approach. It is shown how species&#8217; profiles are acquired as a function of distance from the burner surface and how the tunability of the VUV photon energy is used advantageously to identify many combustion intermediates based on their ionization energies. For example, this technique has been used to study gas-phase aspects of the soot-formation processes, and the video shows how the resonance-stabilized radicals, such as C3H3, C3H5, and i-C4H5, are identified as important intermediates7. The work has been focused on soot formation processes, and, from the chemical point of view, this process is very intriguing because chemical structures containing millions of carbon atoms are assembled from a fuel molecule possessing only a few carbon atoms in just milliseconds. The second part of the video highlights a new experiment, in which an opposed-flow diffusion flame and synchrotron-based aerosol mass spectrometry are used to study the chemical composition of the combustion-generated soot particles4. The experimental results indicate that the widely accepted H-abstraction-C2H2-addition (HACA) mechanism is not the sole molecular growth process responsible for the formation of the observed large polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs).

Gas sampling from laboratory-scale flames with online analysis of all species by mass spectrometry is a powerful method to investigate the complex mixture of chemical compounds occurring during combustion processes. Coupled with tunable soft ionization via synchrotron-generated vacuum-ultraviolet radiation, this technique provides isomer-resolved information and potentially fragment-free mass spectra.

고급 광원 불꽃 실험 : 그을음 형성 프로세스에 새로운 통찰력

The following experimental protocols and the accompanying video are concerned with the flame experiments that are performed at the Chemical Dynamics ...

Laboratory Drop Towers for the Experimental Simulation of Dust-aggregate Collisions in the Early Solar System

For the purpose of investigating the evolution of dust aggregates in the early Solar System, we developed two vacuum drop towers in which fragile dust aggregates with sizes up to ~10 cm and porosities up to 70% can be collided. One of the drop towers is primarily used for very low impact speeds down to below 0.01 m/sec and makes use of a double release mechanism. Collisions are recorded in stereo-view by two high-speed cameras, which fall along the glass vacuum tube in the center-of-mass frame of the two dust aggregates. The other free-fall tower makes use of an electromagnetic accelerator that is capable of gently accelerating dust aggregates to up to 5 m/sec. In combination with the release of another dust aggregate to free fall, collision speeds up to ~10 m/sec can be achieved. Here, two fixed high-speed cameras record the collision events. In both drop towers, the dust aggregates are in free fall during the collision so that they are weightless and match the conditions in the early Solar System.

We present a technique to achieve low-velocity to intermediate-velocity collisions between fragile dust aggregates in the laboratory. For this purpose, two vacuum drop-tower setups have been developed that allow collision velocities between &#60;0.01 and ~10 m/sec. The collision events are recorded by high-speed imaging.

초기 태양계에서 먼지 집계 충돌 실험 시뮬레이션 실험실 드롭 타워

For the purpose of investigating the evolution of dust aggregates in the early Solar System, we developed two vacuum drop towers in which fragile dust ...

Quantification of Hydrogen Concentrations in Surface and Interface Layers and Bulk Materials through Depth Profiling with Nuclear Reaction Analysis

Nuclear reaction analysis (NRA) via the resonant 1H(15N,&#945;&#947;)12C reaction is a highly effective method of depth profiling that quantitatively and non-destructively reveals the hydrogen density distribution at surfaces, at interfaces, and in the volume of solid materials with high depth resolution. The technique applies a 15N ion beam of 6.385 MeV provided by an electrostatic accelerator and specifically detects the 1H isotope in depths up to about 2 &#956;m from the target surface. Surface H coverages are measured with a sensitivity in the order of ~1013 cm-2 (~1% of a typical atomic monolayer density) and H volume concentrations with a detection limit of ~1018 cm-3 (~100 at. ppm). The near-surface depth resolution is 2-5 nm for surface-normal 15N ion incidence onto the target and can be enhanced to values below 1 nm for very flat targets by adopting a surface-grazing incidence geometry. The method is versatile and readily applied to any high vacuum compatible homogeneous material with a smooth surface (no pores). Electrically conductive targets usually tolerate the ion beam irradiation with negligible degradation. Hydrogen quantitation and correct depth analysis require knowledge of the elementary composition (besides hydrogen) and mass density of the target material. Especially in combination with ultra-high vacuum methods for in-situ target preparation and characterization, 1H(15N,&#945;&#947;)12C NRA is ideally suited for hydrogen analysis at atomically controlled surfaces and nanostructured interfaces. We exemplarily demonstrate here the application of 15N NRA at the MALT Tandem accelerator facility of the University of Tokyo to (1) quantitatively measure the surface coverage and the bulk concentration of hydrogen in the near-surface region of a H2 exposed Pd(110) single crystal, and (2) to determine the depth location and layer density of hydrogen near the interfaces of thin SiO2 films on Si(100).

We illustrate the application of 1H(15N,&#945;&#947;)12C resonant nuclear reaction analysis (NRA) to quantitatively evaluate the density of hydrogen atoms on the surface, in the volume, and at an interfacial layer of solid materials. The near-surface hydrogen depth profiling of a Pd(110) single crystal and of SiO2/Si(100) stacks is described.

핵 반응 분석과 깊이 프로파일 링을 통해 표면 및 인터페이스 레이어 및 대량 재료의 수소 농도의 정량화

Nuclear reaction analysis (NRA) via the resonant 1H(15N,&#945;&#947;)12C reaction is a highly effective method of depth profiling that quantitatively and ...

Simulation of Human-induced Vibrations Based on the Characterized In-field Pedestrian Behavior

For slender and lightweight structures, vibration serviceability is a matter of growing concern, often constituting the critical design requirement. With designs governed by the dynamic performance under human-induced loads, a strong demand exists for the verification and refinement of currently available load models. The present contribution uses a 3D inertial motion tracking technique for the characterization of the in-field pedestrian behavior. The technique is first tested in laboratory experiments with simultaneous registration of the corresponding ground reaction forces. The experiments include walking persons as well as rhythmical human activities such as jumping and bobbing. It is shown that the registered motion allows for the identification of the time variant pacing rate of the activity. Together with the weight of the person and the application of generalized force models available in literature, the identified time-variant pacing rate allows to characterize the human-induced loads. In addition, time synchronization among the wireless motion trackers allows identifying the synchronization rate among the participants. Subsequently, the technique is used on a real footbridge where both the motion of the persons and the induced structural vibrations are registered. It is shown how the characterized in-field pedestrian behavior can be applied to simulate the induced structural response. It is demonstrated that the in situ identified pacing rate and synchronization rate constitute an essential input for the simulation and verification of the human-induced loads. The main potential applications of the proposed methodology are the estimation of human-structure interaction phenomena and the development of suitable models for the correlation among pedestrians in real traffic conditions.

A protocol is presented for the characterization of the in-field pedestrian behavior and the simulation of the resulting structural response. Field-tests demonstrate that the in situ identified pacing rate and synchronization rate among the participants constitute an essential input for the simulation and verification of the human-induced loads.

특성화에서 필드 보행자의 행동을 바탕으로 인간에 의한 진동의 시뮬레이션

For slender and lightweight structures, vibration serviceability is a matter of growing concern, often constituting the critical design requirement. With ...

Knowledge Based Cloud FE Simulation of Sheet Metal Forming Processes

The use of Finite Element (FE) simulation software to adequately predict the outcome of sheet metal forming processes is crucial to enhancing the efficiency and lowering the development time of such processes, whilst reducing costs involved in trial-and-error prototyping. Recent focus on the substitution of steel components with aluminum alloy alternatives in the automotive and aerospace sectors has increased the need to simulate the forming behavior of such alloys for ever more complex component geometries. However these alloys, and in particular their high strength variants, exhibit limited formability at room temperature, and high temperature manufacturing technologies have been developed to form them. Consequently, advanced constitutive models are required to reflect the associated temperature and strain rate effects. Simulating such behavior is computationally very expensive using conventional FE simulation techniques.
This paper presents a novel Knowledge Based Cloud FE (KBC-FE) simulation technique that combines advanced material and friction models with conventional FE simulations in an efficient manner thus enhancing the capability of commercial simulation software packages. The application of these methods is demonstrated through two example case studies, namely: the prediction of a material's forming limit under hot stamping conditions, and the tool life prediction under multi-cycle loading conditions.

The following paper presents a novel FE simulation technique (KBC-FE), which reduces computational cost by performing simulations on a cloud computing environment, through the application of individual modules. Moreover, it establishes a seamless collaborative network between world leading scientists, enabling the integration of cutting edge knowledge modules into FE simulations.

The use of Finite Element (FE) simulation software to adequately predict the outcome of sheet metal forming processes is crucial to enhancing the ...

Wicking Tests for Unidirectional Fabrics: Measurements of Capillary Parameters to Evaluate Capillary Pressure in Liquid Composite Molding Processes

During impregnation of a fibrous reinforcement in liquid composite molding (LCM) processes, capillary effects have to be understood in order to identify their influence on void formation in composite parts. Wicking in a fibrous medium described by the Washburn equation was considered equivalent to a flow under the effect of capillary pressure according to the Darcy law. Experimental tests for the characterization of wicking were conducted with both carbon and flax fiber reinforcement. Quasi-unidirectional fabrics were then tested by means of a tensiometer to determine the morphological and wetting parameters along the fiber direction. The procedure was shown to be promising when the morphology of the fabric is unchanged during capillary wicking. In the case of carbon fabrics, the capillary pressure can be calculated. Flax fibers are sensitive to moisture sorption and swell in water. This phenomenon has to be taken into account to assess the wetting parameters. In order to make fibers less sensitive to water sorption, a thermal treatment was carried out on flax reinforcements. This treatment enhances fiber morphological stability and prevents swelling in water. It was shown that treated fabrics have a linear wicking trend similar to those found in carbon fabrics, allowing for the determination of capillary pressure.

An experimental method to measure geometrical parameters and the apparent advancing contact angles describing capillary wicking in unidirectional synthetic and natural fabrics is proposed. These parameters are mandatory for the determination of the capillary pressures that must be taken into account for liquid composite molding (LCM) applications.

During impregnation of a fibrous reinforcement in liquid composite molding (LCM) processes, capillary effects have to be understood in order to identify ...

Characterization of Ultra-fine Grained and Nanocrystalline Materials Using Transmission Kikuchi Diffraction

One of the challenges in microstructure analysis nowadays resides in the reliable and accurate characterization of ultra-fine grained (UFG) and nanocrystalline materials. The traditional techniques associated with scanning electron microscopy (SEM), such as electron backscatter diffraction (EBSD), do not possess the required spatial resolution due to the large interaction volume between the electrons from the beam and the atoms of the material. Transmission electron microscopy (TEM) has the required spatial resolution. However, due to a lack of automation in the analysis system, the rate of data acquisition is slow which limits the area of the specimen that can be characterized. This paper presents a new characterization technique, Transmission Kikuchi Diffraction (TKD), which enables the analysis of the microstructure of UFG and nanocrystalline materials using an SEM equipped with a standard EBSD system. The spatial resolution of this technique can reach 2 nm. This technique can be applied to a large range of materials that would be difficult to analyze using traditional EBSD. After presenting the experimental set up and describing the different steps necessary to realize a TKD analysis, examples of its use on metal alloys and minerals are shown to illustrate the resolution of the technique and its flexibility in term of material to be characterized.

This paper provides a detailed method to characterize the microstructure of ultra-fine grained and nanocrystalline materials using a scanning electron microscope equipped with a standard electron backscatter diffraction system. Metal alloys and minerals presenting refined microstructures are analyzed using this technique, showing the diversity of its possible applications.

전송 키쿠치 회절을 사용하여 울트라 미세 그레인과 나노 결정 재료의 특성

One of the challenges in microstructure analysis nowadays resides in the reliable and accurate characterization of ultra-fine grained (UFG) and ...

Processing of Bulk Nanocrystalline Metals at the US Army Research Laboratory

Given their potential for significant property improvements relative to their large grained counterparts, much work has been devoted to the continued development of nanocrystalline metals. Despite these efforts, the transition of these materials from the lab bench to actual applications has been blocked by the inability to produce large scale parts that retain the desired nanocrystalline microstructures. Following the development of a method proven to stabilize the nanosized grain structure to temperatures approaching that of the melting point for the given metal, the US Army Research Laboratory (ARL) has progressed to the next stage in the development of these materials - namely the production of large scale parts suitable for testing and evaluation in a range of relevant test environments. This report provides a broad overview of the ongoing efforts in the processing, characterization, and consolidation of these materials at ARL. In particular, focus is placed on the methodology used for producing the nanocrystalline metal powders, in both small and large-scale amounts, that are at the center of ongoing research efforts.

This paper provides a brief overview of the ongoing efforts at the Army Research Laboratory on the processing of bulk nanocrystalline metals with an emphasis on the methodologies used for the production of the novel metal powders.

미국 육군 연구소에서 대량 Nanocrystalline 금속 처리

Given their potential for significant property improvements relative to their large grained counterparts, much work has been devoted to the continued ...

Methods of Ex Situ and In Situ Investigations of Structural Transformations: The Case of Crystallization of Metallic Glasses

We demonstrate the use of two nuclear-based analytical methods that can follow the modifications of microstructural arrangement of iron-based metallic glasses (MGs). Despite their amorphous nature, the identification of hyperfine interactions unveils faint structural modifications. For this purpose, we have employed two techniques that utilize nuclear resonance among nuclear levels of a stable 57Fe isotope, namely M&#246;ssbauer spectrometry and nuclear forward scattering (NFS) of synchrotron radiation. The effects of heat treatment upon (Fe2.85Co1)77Mo8Cu1B14 MG are discussed using the results of ex situ and in situ experiments, respectively. As both methods are sensitive to hyperfine interactions, information on structural arrangement as well as on magnetic microstructure is readily available. M&#246;ssbauer spectrometry performed ex situ describes how the structural arrangement and magnetic microstructure appears at room temperature after the annealing under certain conditions (temperature, time), and thus this technique inspects steady states. On the other hand, NFS data are recorded in situ during dynamically changing temperature and NFS examines transient states. The use of both techniques provides complementary information. In general, they can be applied to any suitable system in which it is important to know its steady state but also transient states.

Methods of Ex Situ and In Situ Investigations of Structural Transformations: The Case of Crystallization of Metallic Glasses

Here, we present a protocol to describe ex situ and in situ investigations of structural transformations in metallic glasses. We employed nuclear-based analytical methods which inspect hyperfine interactions. We demonstrate the applicability of M&#246;ssbauer spectrometry and nuclear forward scattering of synchrotron radiation during temperature-driven experiments.

전 Situ 수사 현장에서 구조 변환 방법: 금속 유리의 결정 화의 경우

We demonstrate the use of two nuclear-based analytical methods that can follow the modifications of microstructural arrangement of iron-based metallic ...