Browsing by department "Fysiikan osasto"
Now showing items 21-40 of 53
-
(2020)High accuracy bonding of optical components is required for the manufacture of photonic integrated circuits. We propose and demonstrate a novel method of metal-to-metal thermocompression bonding. By using highly localized heating, we propose to avoid thermal drift during bonding and stresses due to thermal mismatch of bonded components. This is achieved by focusing an infrared laser through a silicon substrate and a purpose built thin film stack to heat the bonding interface. Samples with gold bonding pads are used to investigate bonding efficacy. We demonstrate melting of metal bonding pads. Shear testing suggests that the limiting factor in attained bond strength is the structure of the thin film stack under the bonding pad. A redesign of this stack is required in order to improve bond durability.
-
(2020)Tässä tutkielmassa käsitellään magneettikuvausavusteisessa rintabiopsiassa havaittuja kolmea kuva-artefaktia; biopsia-alueen heikkoa intensiteettiä, merkkitikun pään katoamista kuva-alueelta, sekä rasvasaturaation epäonnistumista merkkitikun ollessa kuva-alueella. Merkkitikun pään on havaittu katoavan kuvausalueelta ja huonontavan rasvasaturaatiota kuvantamisvaiheessa, jossa merkkitikku mallintaa biopsianeulan sisäänmenokohtaa. Biopsia-alueen signaalikatoa on havaittu sekä biopsian jälkeisissä rasvasaturoiduissa, että rasvasaturoimattomissa T1-painotteisissa kenttäkaikukuvissa. Merkkitikun huono näkyvyys kuva-alueella, rasvasaturaation epäonnistuminen, ja biopsia-alueen intensiteetti kato vaikeuttavat näytteenottoa ja johtavat pahimmassa tilanteessa väärään diagnoosiin. Biopsia-alueelle injektoidun paikallispuudutteen vaikutusta alueen intensiteettiin ei ole aiemmin tutkittu. Paikallispuudutteena käytetään useimmiten kahta erilaista lidokaiinivalmistetta: Lidokaiini 10 mg/ml ja Lidokaiini 10 mg/ml c. adrenalin. Lidokaiinipuudutteiden vaikutusta kuvakontrastiin tutkittiin mittaamalla puudutteiden relaksaatioajat. Merkkitikun katoamista tutkittiin asettamalla gadoliniumtäytteinen merkkitikku testikappaleen lähelle, ja kuvaten testikappaletta rasvasaturoidulla 3D-T1-painotteisella kenttäkaikusekvenssillä. Merkkitikku nähtiin kuvissa kuitenkin hyvin selkeästi, eikä merkkitikun huomattu aiheuttavan muutosta rasvasaturaatioon. Magneettikentän tasauksen ja siten myös rasvasaturaation tulisi onnistua, vaikka merkkitikku on kuva-alueella. Merkkitikkumittauksesta selvisi, että rasvasaturoidussa T1-painotteisessa kenttäkaikukuvassa kummankin puudutteen intensiteetti on suurempi tai yhtä suuri rasvakudoksen kanssa. Adrenaliinia sisältävän lidokaiinipuudutteen T2-ajaksi saatiin noin 2058 ± 20 ms, ja lidokaiinipuudutteen T2-ajaksi saatiin noin 1030 ± 5 ms 3,0 T magneettikentässä. Lidokaiinipuudutteen T1-ajaksi saatiin noin 2749 ± 13 ms 3,0 T magneettikentässä, ja noin 2588 ± 87 ms 1,5 T magneettikentässä. Adrenaliinilidokaiinipuudutteen T1-ajaksi saatiin 2923 ± 12 ms 3,0 T magneettikentässä, ja noin 2670 ± 90 ms 1,5 T magneettikentässä. Lidokaiinin ja adrenaliinilidokaiinin T1-ajat olivat yli 15-kertaisia parafiiniöljyn T1-aikaan verrattuna. Tällöin kumpikin puudute näkyy tummana rasvakudokseen verrattuna rasvasaturoimattomissa T1painotteisessa kuvassa. Lidokaiinipuudutteen T2*-ajaksi mitattiin noin 536 ± 15 ms ja adrenaliinia sisältävän lidokaiinipuudutteen T2*-ajaksi noin 766 ± 29 ms 1,5 T magneettikentässä. Puudutteiden T2*-ajat ovat selvästi rasvakudoksen ja rintarauhaskudoksen tyypillisiä T2-aikoja suurempia. Tällöin puudutteiden tulisi näkyä rasvakudosta ja rintarauhaskudosta kirkkaampana T2*painotteisissa kuvissa. Saadut tulokset selittävät biopsia-alueen signaalikadon rasvasaturoimattomissa T1-painotteisissa kuvissa, mutta rasvasaturoitujen kuvien signaalikato jää epäselväksi.
-
(2019)Lukion fysiikan kokeen tekeminen vaatii opiskelijalta monipuolisempia sisällöntuotannon taitoja kuin useimmat muut lukuaineet. Koevastauksiin tyypillisesti yhdistetään sanallista kirjoitusta, matemaattisten kaavojen symbolista johtamista, likiarvojen laskemista sekä tilannekuvapiirroksia. Kaikkia näitä on aiemmin voitu tuottaa yhdellä yhteisellä työkalulla eli lyijykynällä. Uusi opetussuunnitelma 2016 on kuitenkin muuttanut tämän, ja nykyään lukioiden kokeet sekä ylioppilaskokeet suoritetaan sähköisesti Abitti -koejärjestelmällä, jota käytetään USB-tikulle asennetun Digabi -käyttöjärjestelmän sisällä. Fysiikan kokeentekijän tulee nykyään hallita koneellisen kirjoittamisen lisäksi matemaattinen kirjoittaminen, numeerinen laskeminen, data-analyysi sekä digitaalinen kuvantuottaminen. Jokaista tarkoitusta varten kokelaan tulee itse valita joku Digabin tarjoamista ohjelmista. Valikoimaa on niin paljon, että opettajat keskittyvät useimmiten vain yhden tai kahden opettamiseen, mikä heijastuu usein opiskelijan omassa valinnassa. Digabin ohjelmille esitetään tässä opinnäytetyössä yleisiä käytettävyyden kriteerejä, joiden pohjalta on mahdollista tehdä arviointia hyödyllisyydestä. Ei enää riitä opiskella pelkästään koealueen aihesisältöä, vaan nykyään on opittava myös merkittävä määrä sisällöntuotto-ohjelmien tehokasta käyttöä. Tehokas ja asianmukainen Digabin ohjelmien käyttö mahdollistaa sen, että oman substanssiosaamisen saa esitettyä tarpeeksi hyvin ja nopeasti sähköisissä kokeissa. Kääntöpuolena on se, että kokeen tekemisen aikana opiskelijalla on riski suurempaan puhtaasti metodeista kumpuavaan kognitiiviseen kuormitukseen, joka voi pahimmillaan haitata kokeen suorittamista omaa osaamista vastaavalla tavalla. Ohjelmavalintoja voi ohjata pienimmän vastarinnan periaate, jolloin opiskelija näennäisesti valitsee itselleen matalimman oppimiskynnyksen ohjelman ymmärtämättä esimerkiksi toisten ohjelmien pikatoimintojen hyödyllisyyttä. Tämä korostuu erityisesti matemaattisessa tuottamisessa, missä vastakkain ovat kaavaeditorit ja ohjelmointisyntaksiin perustuvat ohjelmat. Tutkimusosio sisältää kyselyaineiston, joka on kerätty internetissä sijaitsevalta julkiselta keskustelufoorumilta. Tämä 52 vastaajan aineisto koostui opiskelijoista 43 eri lukiosta ympäri Suomea. Kyselyssä kartoitetaan monipuolisesti vastaajien subjektiivisia kokemuksia digitaalisesta työskentelystä ja koetusta kognitiivisesta kuormituksesta eri tyyppisten koetehtävien suhteen. Tätä aineistoa verrataan myös muihin referenssiaineistoihin. Vaikka primäärinen vastaajajoukko osoittautui olevan keskimääräistä harrastuneempaa tietoteknisten taitojen suhteen, vastauksien perusteelle he kokivat suurempaa ja eri tavalla painottunutta kognitiivista kuormitusta Abitti -kokeissa kuin perinteisissä kokeissa. Digitaalinen kuvien tuottaminen erottuu kognitiivisesti kuormittavimpana tekijänä. Lukiolaisilla on hyvin vaihteleva osaamistaito grafiikkaohjelmien suhteen ja tämä korostuu tärkeimpänä jatkokehityksen kohteena lukiokoulutuksessa.
-
(2020)Parkinsonin tauti on yleinen neurodegeneratiivinen sairaus, jossa muun muassa dopaminienergisten hermosolujen kato aivojen mustatumakkeessa johtaa motorisiin oireisiin, joihin kuuluu esimerkiksi liikkeiden hitaus, vapina ja lihasjäykkyys. Tautiin liittyy usein myös muita oireita, kuten kognitiivisia muutoksia, autonomisen hermoston vajaatoimintaa ja uniongelmia. Parkinsonin tautiin johtavat syyt ovat huonosti tunnettu, eikä taudille ole myöskään parannuskeinoa. Tässä tutkielmassa on selvitetty magnetiitti/maghemiittinanopartikkeleiden (MNP) mahdollista yhteyttä Parkinsonin taudin syntyyn. MNP:itä, magneettisia rautaoksideja, on aikaisemmin havaittu ihmisten aivoissa ja muissa kudoksissa. Näillä hiukkasilla voi olla merkittäviä biologisia vaikutuksia ihmisissä niiden hapetus-pelkistysreaktioiden ja magneettisuuden vuoksi, minkä takia niiden epäillään vaikuttavan neurodegeneratiivisten sairauksien syntyyn. Kymmenen Parkinsonin tautia sairastavan potilaan ja kuuden verrokin ihonäytteistä määritettiin magnetiitti/maghemiittinanopartikkeleiden määrä magneettisin menetelmin. Mittauksilla pyrittiin saamaan selville missä määrin ihonäytteet sisältävät magneettista materiaalia, magneettisen materiaalin ominaisuudet, niiden alkuperä sekä mahdolliset erot potilaiden ja verrokkien väillä. Näytteissä havaittiin magneettista materiaalia, jonka ominaisuudet vastasivat magnetiittia/maghemiittia. Tarkkaa alkuperää MNP:ille ei kyetty selvittämään, eikä ryhmien välillä havaittu määrällisiä tai laadullisia eroja MNP:iden suhteen. Jatkotutkimukset etenkin MNP:iden alkuperästä ja niiden roolista Parkinsonin taudin synnyssä voisivat parantaa ymmärrystä Parkinsonin taudista ja auttaa sen hoidon kehityksessä.
-
(2019)Fibroblast growth factor 2 (FGF2) is a protein conserved in mammals with multiple established functions in human biology. It acts as a mitogen promoting cell division and is also a known angiogenic factor. FGF2 has been linked with tumor cell proliferation due to its pro-angiogenic capability. However, in order to perform these functions FGF2 needs to be secreted outside the cell membrane. Secretion of proteins usually happens through the Golgi apparatus as a signal peptide-dependent process. FGF2 has been shown not to have a signal peptide needed for the secretion. Recently, a signal peptide-independent secretion pathway for FGF2 was suggested. The hypothesis is that FGF2 monomers bind to the intracellular leaflet of the cell membrane via interactions with phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate (PI(4,5)P2) lipids. On the membrane surface, FGF2 monomers are then assumed to aggregate and form larger oligomers. These oligomers are thought to form a pore through which other FGF2 monomers can secrete into the extracellular space. As to FGF2-FGF2 binding needed in oligomerization, currently only one stable dimerization interface is known. In this interface, the key interaction is a disulfide bridge between cysteines C95-C95 stabilizing the complex. In this thesis, I studied the first two steps of the hypothesized secretion pathway using molecular dynamics (MD) and Monte Carlo (MC) simulations. First, I studied FGF2 binding to a cell membrane through umbrella sampling simulations and determined free energies for the membrane binding of FGF2 with different membrane concentrations of cholesterol and PI(4,5)P2 . The free energy was shown to inversely correlate with both quantities. Second, I investigated FGF2 dimerization to find new candidates for the monomer-monomer interfaces needed for FGF2 oligomerization. The dimerization was studied using atomistic MC simulations and coarse-grained MD simulations. Two new promising interfaces were identified, which could play a key role in the higher order oligomerization of FGF2 monomers.
-
(2019)Physical Vapour Deposition (PVD) is a method of thin film deposition that involves transport of materials in the gas phase through physical means. The greatest advantage of using PVD is its ability to deposit hard coatings that are almost impossible to deposit by other liquid or chemical deposition methods. The applications of PVD include semiconductor-fabricated devices, cutting and drilling tools, optical coating for displays, and decorative coatings for jewellery. When PVD process is accompanied by a separate (noble) gas ion bombardment, it is termed as Ion Beam Assisted Deposition (IBAD). These two processes can be subjected to atomistic simulation as opposed to conventional experimental methods. The idea behind such a simulation is the level of control in terms of material purity, dimensionality and simulation parameters. In this simulation, the growth and overall morphology of epitaxial growth of copper film under both PVD and IBAD is considered. The film roughness and intrinsic stress are subjected to testing under various deposition energies in PVD. The same properties are also tested under variation of different bombardment energies, and bombarding rates or ion fluence in IBAD. The results show that the nature of the film growth is primarily dependent on the deposition energy. In PVD, low deposition energies are dominated by island growth while high deposition energies are mainly layer-by-layer growth dominated. In IBAD done at a constant low atom deposition energy, a similar trend is seen with increasing argon ion bombardment energy at 0.5 ions/nm2 fluence. Since the deposition energy of 1 eV is geared towards island growth, conversion rate of island like structures to relatively layer-by-layer structure depends on the ion bombardment energy (IBAD case). On comparison of IBAD and PVD outcomes, it has been established that the best layered PVD film occurs at a deposition energy of 30 eV. The overall film quality (in PVD) with respect to layer-by-layer growth is much better than that deposited using IBAD at similar bombardment energy at an ion fluence 0.5 ions/nm2. However, to attain a comparable or superior layer-by-layer growth as PVD, IBAD process has to be conducted at a much higher bombardment energy (50 eV) at fluence of 0.5 ions/nm2. The other alternative is to undertake IBAD process at bombardment energy of 30 eV, and at a much higher ion fluence. At a fluence of 0.8 ions/nm2 and equivalent ion bombardment energy (30 eV) produces a far much superior structure to PVD growth. The tradeoff between which ion fluence to use in IBAD is the deposition rate. Higher ion fluence translates to slow deposition but much improved layer-by-layer structure. The stress profile shows a decreasing stress profile as a function of thickness as predicted by Stoney's equation. At non-equilibrium deposition conditions, the film is generally stressed. However, under optimal conditions for layer-by-layer growth, IBAD grown films are generally less stressed in comparison to PVD.
-
(2019)Physical Vapour Deposition (PVD) is a method of thin film deposition that involves transport of materials in the gas phase through physical means. The greatest advantage of using PVD is its ability to deposit hard coatings that are almost impossible to deposit by other liquid or chemical deposition methods. The applications of PVD include semiconductor devices, cutting and drilling tools, optical coating for displays, and decorative coatings for jewellery. When PVD process is accompanied by a separate (noble) gas ion bombardment, it is termed as Ion Beam Assisted Deposition (IBAD). These two processes can be subjected to atomistic simulation as opposed to conventional experimental methods. The idea behind such a simulation is the level of control in terms of material purity, dimensionality and simulation parameters. In this simulation work, the growth and overall morphology of epitaxial growth of copper film under both PVD and IBAD is considered. The film roughness and intrinsic stress are subjected to testing under various deposition energies in PVD. The same properties are also tested under variation of bombardment energies, and bombarding rates or ion fluence in IBAD. The results show that the nature of the film growth is primarily dependent on the deposition energy. In PVD, low deposition energies lead to growth dominated by island growth, while high deposition energies are mainly layer-by-layer growth dominated. In IBAD done at a constant low atom deposition energy, a similar trend is seen with an increasing argon ion bombardment energy at 0.5 ions/nm2 fluence. Since the deposition energy of 1 eV is geared towards island growth, the conversion rate of island like structures to relatively layer-by-layer structure depends on the ion bombardment energy (IBAD case). By comparison of IBAD and PVD outcomes, it has been established that the best layered PVD film occurs at a deposition energy of 30 eV. The overall film quality (in PVD) with respect to layer-by-layer growth is much better than that deposited using IBAD at similar bombardment energy at an ion fluence 0.5 ions/nm2. However, to attain a comparable or superior layer-by-layer growth as PVD, IBAD process has to be conducted at a much higher bombardment energy (50 eV) at fluence of 0.5 ions/nm2. The other alternative is to undertake IBAD process at bombardment energy of 30 eV, and at a much higher ion fluence. At a fluence of 0.8 ions/nm2 and equivalent ion bombardment energy (30 eV) produces a far much superior structure to PVD growth. The tradeoff between which ion fluence to use in IBAD is the deposition rate. Higher ion fluence translates to slow deposition but much improved layer-by-layer structure. The stress profile shows a decreasing stress profile as a function of thickness as predicted by Stoney's equation. At non-equilibrium deposition conditions, the film is generally stressed. However, under optimal conditions for layer-by-layer growth, IBAD grown films are generally less stressed in comparison to PVD.
-
(2019)Acoustic microscopy is a rising technology which uses phonons for obtaining images and measuring the mechanical properties of the samples. As opposed to other devices such as atomic force microscopy, light microscopy or X-ray spectroscopy, acoustic microscopy is non-invasive and can measure the subsurface of the material without any contact. Commonly, water is used as a coupling medium in the acoustic microscope experiments of the biological samples. It is vital for the living organisms and necessary if one desires to conduct measurements while they are still alive. In order to improve the resolution of the images, we are interested in hypersound range of the phononic spectrum. However at this range, sound attenuation in water is one of the limitations. Sound attenuation is described as the decrease of the sound intensity, or loss of sound flux, during the propagation of sound through a medium. In most fluids, it increases with the square of the frequency. Consequently, there is a maximum frequency for a given distance between the lens and the sample and this affects the resolution. In this thesis, we studied the hypersound attenuation in water with Molecular Dynamics Simulations. We used two different potentials mW and TIP4P/2005f for the simulations and we compared the results. In order to investigate the attenuation coefficient, we introduced varying sound signals with different frequencies 125 GHz, 250 GHz, 500 GHz, 750 GHz, 1 THz, 1.25 THz at the different amplitudes of 0.5 Å and 1 Å with both mW and TIP4P/2005f potentials and 0.25 Å with mW potential. We analysed the results by extracting the stresses from the simulation results and conducting Fast Fourier Transform Method for the signal content. Following, we obtained the Power Spectrum and plotted to observe how it changes with distance and calculated the attenuation coefficients for each cases. The most obvious finding to emerge from this study is that at high frequency range, the sound signal attenuates in a couple of Å. Moreover, we observed that mW and TIP4P/2005f potentials give different results, but show similar trends. We also noticed some indications for a possible structural change and a stream.
-
(2019)Molecular dynamics was used to study homogenous non-isothermal vapor-liquid nucleation of Lennard-Jones fluid for varying vapor densities and carrier gas concentrations. Nucleation rates were determined by using the small scale mean first-passage time method. Improved thermalization by adding carrier gas was observed to increase the nucleation rates measurably. Good agreement with previous Monte Carlo and large scale MD studies of similar systems was found. Additionally, the temperatures of the growing clusters were monitored. We observed that scarce amount of carrier gas can lead to cluster temperatures significantly exceeding the bath temperature due to latent heat of condensation. Similarly, sub-critical clusters below the bath temperature were observed to emerge when the density of the nucleating substance was lowered.
-
(2020)The ionized cluster beam (ICB) technique for thin film deposition can produce thin films of superior quality compared to conventional methods. This technique relies on depositing nanoclusters as building blocks for the thin film. To gain a deeper insight into the thin film formation process, molecular dynamics simulations can be used. In this thesis, Ge nanocluster deposition on a (001) Ge substrate at 300 K was studied with molecular dynamics. The Stillinger-Weber potential was used in all of the simulations, and the nanoclusters had a kinetic energy of 5 meV - 10 eV. The formed Ge thin films were analyzed for porosity, density, crystallinity, and coordination. The density analysis showed that porous films were formed with lower deposition energies of 5 meV - 0.5 eV, and dense amorphous films with higher deposition energies of 1.0 eV - 10 eV. The radial distribution function and a crystalline atom count showed that the degree of crystallinity of the thin film is gradually lost with increasing deposition energies. Almost no epitaxial growth of the deposited thin film was detected. In addition, small amounts of hexagonal Ge was detected on the surfaces of the deposited nanoclusters with deposition energies of 5 meV - 100 meV. By heating a free nanocluster we showed that hexagonal Ge is formed on nanocluster surfaces independently of the cluster-surface interactions. With higher deposition energies of 0.5 eV - 10 eV all nanocrystallinity was lost, and a density analysis showed up to 10% higher density than bulk crystalline density. The higher density was also accompanied by a higher mean coordination number of around 4.5. This unusually dense amorphous material has not been reported elsewhere, so it is likely that the parametrization of the Stillinger-Weber potential overestimates the coordination and density of the formed thin film. The fast heat dissipation used in the simulations may also be a part of this problem, and it is not known how well it matches experimental settings.
-
(2020)Tässä tutkielmassa tarkastellaan modernin fysiikan opetukseen liittyviä tutkimuksia tavoitteena löytää mahdollisuuksia soveltaa niistä löytyviä ajatuksia, ideoita ja tuloksia uuden 2019 julkaistun lukion opetussuunnitelman mukaiseen modernin fysiikan opetukseen. Tutkielmassa esitellään kirjallisuussynteesin kautta modernin fysiikan opetukseen liittyvää tutkimusta, ja pohditaan tarkemmin, miten yhdistää tutkimustietoa uuden lukion opetussuunnitelman mukaiseen modernin fysiikan opetukseen. Luvussa 2 perehdytään perustelemaan työn tarkoitusta ja esittelemään metodit, joita työhön on käytetty. Luvussa 3 esitellään modernin fysiikan opetusta koskevaa tutkimusta. Luvussa 4 käydään läpi yleisiä linjauksia uudessa lukion opetussuunnitelmassa ja esitellään lukion opetussuunnitelman perusteet 2019 modernin fysiikan osalta. Luvuissa 5 ja 6 tutkitaan, millaisia opetusratkaisuja Aine, säteily ja kvantittuminen -opetusmoduulissa voitaisiin tehdä opetuksen tutkimuksen valossa. Luvussa 7 arvioidaan tehtyä työtä sekä pohditaan parannusehdotuksia ja työn jatkokehittelyä. Tutkimuskirjallisuuden perusteella työssä todetaan, että modernin fysiikan käsitteellinen hallinta on haastavaa vielä yliopistotasollakin. Käsitteiden syvällinen hallinta on vaikeaa, vaikka opiskelijat olisivatkin opiskelleet fysiikkaa yliopistotasolle asti. Pääsääntöisesti opiskelijoiden vaikeudet liittyvät klassisen fysiikan ja kvanttifysiikan mallien sekoittumiseen, tietomallien väärinymmärtämiseen tai siihen, että tietoa omaksutaan vain pinnallisesti. Opetuskokeilujen ja opetuksen liittyvien tutkimusten kautta on saatu tuloksia, että erilaiset opetusmenetelmät voivat parantaa opiskelijoiden opiskeltavan sisällön hallintaa käsitteellisellä tasolla. Esimerkiksi tarinallisuus ja pienryhmäkeskustelut ovat tutkimuksissa tuoneet lupaavia tuloksia siitä, että opiskelijoiden käsitteiden hallinta saa tukea monipuolisista opetusmuodoista. Uusi opetussuunnitelma mahdollistaa oppiainerajat ylittävän opetuksen, eikä modernin fysiikan moduulia ole pakko opettaa itsenäisenä kokonaisuutena, vaan opinnot voidaan kytkeä myös muiden oppiaineiden opetukseen. Esimerkiksi yhteisiä opintojaksoja voidaan suunnitella filosofian, historian ja kemian opetuksen kanssa. Lisäksi modernin fysiikan opetukseen on mahdollista yhdistää kattavasti elementtejä lukio-opetuksen laaja-alaisista tavoitteista liittyen mm. vuorovaikutus- ja ympäristöosaamiseen. Jatkotutkimuksen osalta olisi myös kiinnostavaa yhdistää opinto-ohjausta ja urasuunnittelua modernin fysiikan opetukseen lukiotasolla.
-
(2020)Diabetes is a chronic disease characterized by compromised insulin production or decreased ability to utilize insulin. Diabetics can experience abnormal glucose levels such us low blood glucose (hypoglycemia) or high blood glucose (hyperglycemia). Untreated hypoglycemia can be fatal. Prolonged hyperglycemia can damage organs such as heart and eyes. Diabetes is estimated to affect 463 million people in 2019. The number is expected to increase by 25% for 2030, affecting 10.2% of global population. The risk group of developing diabetes is estimated to increase from 374 million to 454 million within the same period. Moreover, diabetes is counting more than 12 % of all adult deaths. Diabetes can be managed with medication, and lifestyle changes (e.g. exercise and nutrition). Frequent blood glucose monitoring is a key tool in the management of diabetes. Unfortunately, as of today, all available methods for glucose monitoring are invasive (e.g. rely on needles or implantable devices). A more convenient method for glucose monitoring, overcoming the use of needles, could contribute to improve the health outcome of millions of diabetics by helping them to better manage the disease and delay or prevent its devastating complications. This thesis reports on the investigation in pilot clinical tests of the accuracy and performance of a noninvasive glucose monitoring prototype based on magnetohydrodynamic (MHD) and enzymatic electrochemical biosensors. The pilot clinical test involved 6 non-diabetic and 45 type II diabetics (male = 23, female = 28, average age = 60.3 ± 10.2 years). The mean absolute relative difference (MARD) of the device was 23.5 %. In the Clarke error grid, 99 % of resulted data points fell in the clinically acceptable A and B zones, in Clarke error grid. Moreover, 95.9 % of data points fell in zones A and B of consensus error grid. The felt discomfort of MHD sampling was significantly less compared to fingerstick sampling. The results indicate that noninvasive sampling of dermal interstitial fluid combined with electrochemical biosensors may enable the development of an accurate, safe, and convenient solution for noninvasive glucose monitoring.
-
(2020)We apply the modern effective field theory framework to study the nucleation rate in high-temperature first-order phase transitions. With this framework, an effective description for the critical bubble can be constructed, and the exponentially large contributions to the nucleation rate can then be computed from the effective description. The results can be used to make more accurate predictions relating to cosmological first-order phase transitions, for example, the gravitational wave spectrum from a transition, which is important for the planned experiment LISA. We start by reviewing a nucleation rate calculation for a classical scalar field to understand, how the critical bubble arises, via a saddle-point approximation, as the central object of the nucleation rate calculation. We then focus on the statistical part of the nucleation rate coming from the Boltzmann suppression of nucleating bubbles. This is done by the creation of an effective field theory from a thermal field theory that can describe the critical bubble. We give an example calculation with the renormalizable model of two $\mathbb{Z}_2$-symmetric scalar fields. The critical bubbles of the model and their Boltzmann suppression are studied numerically, for which we further develop a recently proposed method.
-
(2019)This Master's thesis has been produced at CERN (European Organization for Nuclear Research) in the Vacuum, Surfaces and Coatings group during an interesting time period for accelerator physics. With the High Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC) upgrade in progress and future accelerators under study, we will soon have particle beams with unprecedented luminosity and energy. This provides new challenges to maintain the vacuum conditions at acceptable levels. One of the most critical factors to consider when choosing materials to accelerators and other vacuum systems are their outgassing rates. In this work, outgassing was studied with two systems. One was used to test the outgassing of baked samples with accumulation method at different temperatures. Another system was used to test unbaked samples with throughput method as a function of time and temperature. In addition, a smaller experiment was assembled for testing the effect of different venting gases and venting times to the pumpdown curve of a vacuum fired 316L stainless steel chamber and it is included in the appendix. These measurements are of importance as many of the tested materials or coatings are used or going to be used in the accelerators at CERN. The results can be used for vacuum simulations or in the design of a new component to predict its outgassing, that needs to comply with the strict vacuum acceptance criteria for the accelerator vacuum systems. As a conclusion, the unbaked samples presented high outgassing rates as expected. Water outgassing was prevalent with polymers, but was also significant with Macor and the two graphite samples. A high temperature heat treatment for graphite decreased the outgassing rate considerably and improved the residual gas spectrum. The baked samples were found to have low outgassing rates particularly at room temperature, where the background outgassing of the sample chamber was significant. Upper limits for the outgassing rates were evaluated for Macor and tungsten samples. However, alumina coated SS304L samples were distinct from the background and the outgassing rates were determined at five temperatures to assess the applicability of the coating for the vacuum tanks of the kicker magnets.
-
(2020)The purpose of this study is to analyze performance benefits of Collective Variable-driven Hyperdynamics (CVHD) method over standard molecular dynamics (MD) simulation. Theory of CVHD is an implementation of the hyperdynamics method with some beneficial features of metadynamics. The original implementation of CVHD was modified to work as an addon for COLVARS package of the LAMMPS simulation software with current software versions. About 70 simulations were run and analyzed to verify functionality of CVHD and compare results with CVHD to those without CVHD. The simulated system was the adatom self-diffusion on Copper 001 surface. It was found out that CVHD provides a significant performance boost (several order of magnitudes) over standard MD while preserving physical accuracy for simulation of the diffusion, but only in limited temperature range. With high temperatures CVHD doesn’t speed up the simulation at all compared to standard MD. With low temperatures, it is possible to achieve statistically meaningful number of diffusion events in temperatures where the same with standard MD would require unreasonable long simulations. But also, CVHD slows down at low enough temperatures so that it is impractical. It was also found out that the collective variable used in this context is suitable for counting number of adatom diffusion events, which helps analysis of adatom trajectories. It would be interesting to investigate CVHD more by trying different parametrization and by applying it to also other phenomenon than surface diffusion. The code of CVHD provides possibilities for performance optimizations, for example by utilizing parallel computation.
-
(2020)Cold quark matter is matter consisting of free quarks in high energy density, and it can be formed when the energy density of ordinary hadronic matter increases to a region of 1 GeV/fm3. At such high energies, hadronic matter undergoes a phase transition and quarks that would normally be in color confinement break free to form a new phase. It is assumed that similar process happened in the very early universe, but in the opposite direction, when high temperature quark-gluon plasma cooled down significantly. With the cooling, the quark and gluon degrees of freedom switched to hadrons and ordinary matter began to form. Opposed to the hot quark-gluon plasma, there are no direct observations of cold quark matter and its existence is still speculative. Still, it is suspected that cold quark matter can be found in dense neutron star cores or even as stable quark matter in strange quark stars. Theoretically, cold quark matter and quark-gluon plasma can be studied in finite-temperature field theory. Finite-temperature field theory combines the field formalism of quantum field theory and the thermodynamical and statistical methods utilized in quantum statistics. The asymptotic freedom of the theory of strong interactions, quantum chromodynamics (QCD), provides an opportunity to expand the equation of state of high-energy quark matter in the limit of weak coupling, and thus opens a door to implement the tools of finite-temperature field theory perturbatively. Along with the perturbative analysis, it is useful to look at the possibilities offered by effective theories. Two of which are important in the study of finite-temperature QCD, dimensional reduction and hard thermal loop effective theory. Both effective theories address the issue of infrared divergences that arise in finite-temperature field theory efficiently compared to the naïve loop expansion. In dimensional reduction, scales that are defined as hard by the scale hierarchy are integrated out of the theory, after which the infrared problems of gluonic Matsubara zero-modes can be studied in a simpler three-dimensional setting. Hard thermal loop effective theory, on the other hand, examines the infrared divergences that appear in loop-level corrections of soft gluons. When the magnitude of the loop-momentum corresponds to the hard scale, the correction that contains the loop becomes proportional to a tree-level amplitude and breaks the perturbative expansion. The effective theory answers this problem by resumming the propagators and vertex functions and using the new quantities in place of the ordinary ones. With perturbation theory and the effective descriptions, the equation of state of cold quark matter and the pressure extracted from it, have been solved partially up to and including order g6ln2g2 in coupling. The meaning of this thesis is to present the methods of finite-temperature field theory and the supporting effective theories and their implementation to study the equation of state of cold quark matter. The results for QCD pressure will be presented to the last known order in coupling. Also, the effect of a massive strange quark and the role of cold quark matter in solving the neutron star equation of state will be discussed briefly.
-
(2019)Ilmakehässä esiintyvien erittäin hapettuneiden orgaanisten molekyylien (eng. Highly Oxygenated organic Molecules, HOM) tutkimisesta ollaan erittäin kiinnostuneita muun muassa sen takia, että ne ovat oleellisia sekundääristen orgaanisten aerosolien muodostuksessa ja kasvussa niiden heikon haihtuvuuden ansiosta. HOM-yhdisteryhmään kuuluvia yhdisteitä tutkitaan nitraatin avulla kemiallisesti ionisoivien ilmakehänpaineliitännäisten lentoaikamassaspektrometrien (nitraatti-CI-APi-ToF) avulla. Mittauksissa on kuitenkin suuria epävarmuuksia, joita halutaan vähentää kalibroimalla mittalaitteet. HOM-yhdisteryhmän yhdisteiden tutkimuksessa tehtyjen mittausten kalibroimiseksi tässä työssä tutkittiin pisaranhaihdutusmenetelmällä toimivia kalibraattoreita, sekä etsittiin kyseisten yhdisteiden kalibroimiseen sopivia yhdisteitä. Näiden kalibrointiyhdisteiden tulisi olla ominaisuuksiltaan samanlaisia kuin HOMit, eli heikosti haihtuvia orgaanisia yhdisteitä. Tässä tutkielmassa testattiin yhteensä neljää pisaranhaihdutusmenetelmään perustuvaa kalibraattoria. Tutkituista kalibraattoreista KALIKKA-, M- ja T-kalibraattori on kehitetty tämän työn osana. Viimeisimpänä testattu kärsäkalibraattori taas on Kärsa oy:n toimesta kaupallisesti suunniteltu. Kalibrointiyhdisteiksi tutkittiin maloni-, meripihka-, adipiini-, sitruuna- ja rikkihappoa sekä sorbitolia. Validointimittaukset tehtiin heksogeenillä eli RDX:llä sekä asetonilla, joka on haihtuva orgaaninen yhdiste (VOC). Asetonimittaukset tehtiin hydroniumionien avulla tapahtuvalla protoninsiirtoreaktiolla kemiallisesti ionisoivilla lentoaikamassaspektrometreillä (PTR-ToF ja Vocus-PTR). Validointimittausten perusteella tässä tutkielmassa käytetyt analyysimenetelmät sekä teflon-M- ja T-kalibraattorit toimivat oletetusti. Lähes kaikkien tutkittujen yhdisteiden kanssa esiintyi erilaisia vaikeuksia, joiden takia jatkotutkimuksia tarvitaan. Malonihappomittauksia tehtiin kuitenkin niin kattavasti, että sen avulla saatujen tulosten perusteella voidaan sanoa, ettei malonihappo todennäköisesti sovellu kalibrointiyhdisteeksi ainakaan tässä tutkittuja kalibraattoreita käyttäen. Jatkossa voitaisiin tutkia eri yhdisteitä, kuten perfluorinoituja karboksyylihappoja, testata muita liuottimia veden sijaan sekä kehittää edelleen tässä tutkittuja kalibraattoreita. Myös usean kalibrointiyhdisteen liuoksia voisi kokeilla kalibrointiprosessin tehostamiseksi.
-
(2020)Observing stellar occultations is a great way to obtain information, such as astrometry and angular diameter, on objects that would be too faint to observe directly. Observing stellar occultations by minor bodies has become more common in recent years with the help of high-precision astrometry for around one billion stars from the Gaia Data Release 2. The Outer Solar System Origins Survey has provided high-precision positions for over eight-hundred transneptunian objects (TNOs). The goal of this survey was to study orbital distributions of TNOs to learn more about the early history of the Solar System. A secondary science goal was to allow occultation predictions to be made for the identified TNOs. A new statistical method was created to make occultation predictions. The goal was to make occultation predictions for the TNOs identified in the Outer Solar System Origins Survey. The method was tested on 2014 MU69 and it successfully found the three existing occultation events that occurred in 2017. The method was then applied to two TNOs observed in the Outer Solar System Origins Survey. The uncertainty limits for the shadow position on the Earth were larger than in the three existing predictions, but the overall shadow positions were very similar. The method was able to find a dozen of potential occultations for the two TNOs. However, the uncertainty limits for the shadow positions were very large, around the size of the Earth.
-
(2020)The class of RS Canum Venaticorum (RS CVn) variables are rapidly rotating, close detached Chromospherically Active Binary Stars (CABS). Their spectra show strong Ca II H and K emission lines, which indicate the presence of solar type chromospheric activity. Observed amplitudes of brightness variations in RS CVn stars are caused by large starspots. Their orbital periods are typically few days. EI Eridani (EI Eri) is an active, rapidly rotating (v sin i = 51 ± 0.5 km/s) binary star that belongs to the class of RS CVn variables. The primary component is a subgiant star with spectral type G5 IV. Its rotation and orbital motion are synchronised, i.e. P_rot = P_phot ≈ P_orb. We analyse 30 years of standard Johnson V differential photometry of EI Eri. The data were obtained with the Tennesee State University’s T3 0.4-meter Automatic Photometric Telescope (APT). We analyse the data with a new two-dimensional period finding method formulated by Jetsu (2019). This new method allows us to detect the real light curves of long-lived starspots of EI Eri. We also solve the parameters of these real light curves: periods, amplitudes and minimum epochs. Our analysis shows that the parameters of these real light curves are connected to long-lived starspots. There are also spatial correlations between these real light curve parameters. We detected two different period level starspot groups, P_1 ≈ 1.915920 ± 0.000079 days and P_2 ≈ 1.9472324 ± 0.0000040 days, rotating on the surface of EI Eri. The faster rotating starspots P_1 are non-stationary and the slower rotating starspots P_2 are stationary in the orbital reference of frame. The slower rotating starspots are at the longitudes coinciding with the line connecting the centres of the members of EI Eri. The slower rotating starspots have larger amplitudes than the faster rotating starspots. Hence, the slower rotating starspots are dominating the observed light curves. Our results show that the hypothesis, where the observed light curve is the sum of the real light curves (Jetsu, 2019), is valid for EI Eri. We can also show that the starspots of EI Eri are dark. The traditional one-dimensional period finding methods have given spurious results, like the rapid rotation period changes of starspots or abrupt longitudinal 180 degrees shifts of activity. Because of the short lap cycle period P_lap = 119.14 ± 0.30 days between the slower and the faster rotating starspots of EI Eri, the light curves have previously been misinterpreted.
-
(2019)Röntgenkuvantaminen on ollut merkittävä työkalu materiaalien karakterisoinnissa jo yli sadan vuoden ajan. Perinteisellä menetelmällä voidaan tuottaa kuvia, joissa kontrasti muodostuu näytteen aiheuttamasta röntgensäteilyn vaimenemisesta. Esimerkiksi pehmytkudoksen tapauksessa näin tuotettu kontrasti ei kuitenkaan usein ole riittävä. Vaihekontrastikuvantaminen hyödyntää näytteessä tapahtuvia röntgensäteilyn vaihemuutoksia, jotka ovat usein merkittävästi suurempia kuin vaimeneminen. Talbot-Lau-interferometri on vaihekontrastikuvantamislaitteisto, jota voidaan löyhien koherenssivaatimustensa ansiosta käyttää myös laboratorio-olosuhteissa. Talbot-Lau-laitteistossa käytetään röntgensäteilyn vaihetta siirtävää hilaa muodostamaan periodisesti muuttuva interferenssikuvio Talbot-ilmiön mukaisesti tietyille etäisyyksille. Tätä interferenssikuviota näytteistetään vaihehilan taakse Talbot-etäisyydelle sijoitetun absorptiohilan avulla. Niin kutsutussa phase-stepping-menetelmässä absorptiohilaa askelletaan vaihehilan suhteen, ja jokaista sijaintia kohden otetaan kuvat näytteen kanssa ja ilman. Vertaamalla näytekuvaa referenssikuvaan voidaan selvittää näytteen aiheuttamat muutokset interferenssikuvioon (ja siten säteilykenttään) kunkin pikselin kohdalla. Fourier-analyysin avulla interferenssikuviokartoista voidaan muodostaa perinteisen vaimennuskuvan lisäksi säteilykentän vaihesiirtymään ja sirontaan perustuvat kuvat. Ylimääräiset kuvat tarjoavat vaimennuskuviin nähden lisäinformaatiota tapauksissa, joissa tiheyserot näytteessä ovat pienet ja vaimennus on vähäistä. Tätä tutkielmaa varten kasattiin ja testattiin röntgensäteilyä käyttävä Talbot-Lau-interferometri. Laitteiston toimivuuden varmistamiseksi kuvattiin erilaisia testinäytteitä ja biologisena näytteenä parta-agama-liskon alkio. Testikuvat ovat kvalitatiivisesti oikeanlaisia, ja biologisen näytteen tapauksessa nähdään selvästi uusien kontrastimodaliteettien tarjoama parannettu pehmytkudoskontrasti. Mittausten toistettavuudessa havaittiin kuitenkin puutteita, jotka haitannevat erityisesti tomografiaa. Lisäksi tulosten kvantitatiivinen oikeellisuus tulee varmistaa ennen laitteiston varsinaista käyttöönottoa.
Now showing items 21-40 of 53