The effect of copper oxide on migration and interaction of protons in barium zirconate was investigated using density functional theory. One copper atom was substituted for a zirconium atom site, and a proton was added to a $3{\times}3{\times}3$ barium zirconate superstructure. An energy barrier of 0.89 eV for proton migration was the highest among several energy barriers. To investigate the interaction between multiple protons and a copper atom, two protons were added to the superstructure. Various proton positions were determined by the interaction between the two protons and the copper atom.
Migration and interaction of multi-protons in a zinc-doped barium zirconate (Zn-doped $BaZrO_3$) super cell were investigated using a density functional theory. O ions in the super cell form interconnected octahedrons with Zr or Zn ions positioned in their centers and Ba ions positioned among the eight octahedrons. When one proton was added to the super cell, the energy barrier of 0.80 eV for proton transfer from the first to second nearest O ion sites from the Zn ion reached its highest value. When two protons were added to the super cell, the two protons preferred the first nearest O ions from the Zn ion. The two protons were accommodated by pushing the neighboring Zn ion further away from the center of the octahedron. Energy barriers for proton transfer from the Zn-octahedron to the neighboring Zr-octahedron were spread in the range of 0.36 ~ 1.02 eV.
Most of high energy cosmic rays (CRs) are thought to be produced by diffusive shock acceleration (DSA) at supernova remnants (SNRs) within the Galaxy. Fortunately, nonthermal emissions from CR protons and electrons can provide direct observational evidence for such a model and place strong constraints on the complex nonlinear plasma processes in DSA theory. In this study we calculate the energy spectra of CR protons and electrons in Type Ia SNRs, using time-dependent DSA simulations that incorporate phenomenological models for some wave-particle interactions. We demonstrate that the time-dependent evolution of the self-amplified magnetic fields, Alfv$\acute{e}$nic drift, and escape of the highest energy particles affect the energy spectra of accelerated protons and electrons, and so resulting nonthermal radiation spectrum. Especially, the spectral cutoffs in X-ray and ${\gamma}$-ray emission spectra are regulated by the evolution of the highest energy particles, which are injected at the early phase of SNRs. Thus detailed understandings of nonlinear wave-particle interactions and time-dependent DSA simulations of SNRs are crucial in testing the SNR hypothesis for the origin of Galactic cosmic rays.
Neutron spectrum analyses of spallation neutrons are conducted in the accelerator-driven system (ADS) facility at the Kyoto University Critical Assembly (KUCA). High-energy protons (100 MeV) obtained from the fixed field alternating gradient accelerator are injected onto a tungsten target, whereby the spallation neutrons are generated. For neutronic characteristics of spallation neutrons, the reaction rates and the continuous energy distribution of spallation neutrons are measured by the foil activation method and by an organic liquid scintillator, respectively. Numerical calculations are executed by MCNPX with JENDL/HE-2007 and ENDF/B-VI libraries to evaluate the reaction rates of activation foils (bismuth and indium) set at the target and the continuous energy distribution of spallation neutrons set in front of the target. For the reaction rates by the foil activation method, the C/E values between the experiments and the calculations are found around a relative difference of 10%, except for some reactions. For continuous energy distribution by the organic liquid scintillator, the spallation neutrons are observed up to 45 MeV. From these results, the neutron spectrum information on the spallation neutrons generated at the target are attained successfully in injecting 100 MeV protons onto the tungsten target.
Lee, Ju Hyuk;Kim, Hyun Nam;Jeong, Heon Yong;Cho, Sung Oh
Nuclear Engineering and Technology
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v.52
no.8
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pp.1817-1825
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2020
Background: Cosmic ray-induced particles can lead to failure of semiconductors packaged for export during air transport. This work performed MCNP 6.2 simulations to optimize shielding against neutrons and protons induced by cosmic radiation Methods and materials: The energy spectra of protons and neutrons by incident angle at the flight altitude were determined using atmospheric cuboid model. Various candidates for the shielding materials and the geometry of the Unit Load Device Container were evaluated to determine the conditions that allow optimal shielding at all sides of the container. Results: It was found that neutrons and protons, at the flight altitude, generally travel with a downward trajectory especially for the particles with high energy. This indicated that the largest number of particles struck the top of the container. Furthermore, the simulation results showed that, among the materials tested, borated polyethylene and stainless steel were the most optimal shielding materials. The optimal shielding structure was also determined with the weight limit of the container in consideration. Conclusions: Under the determined optimal shielding conditions, a significantly reduced number of neutrons and protons reach the contents inside the container, which ultimately reduces the possibility of semiconductor failure during air transport.
Magnetic resonance imaging (MRI) is an imaging technique used to produce high quality images of the inside of the animal body. MRI is based on the principles of nuclear magnetic resonance (NMR) and started out as a tomographic imaging technique, that is it produced an image of the NMR signal in a thin slice through the animal body. The animal body is primarily fat and water, Fat and water have many hydrogen atoms. Hydrogen nuclei have an NMR signal. For these reasons magnetic resonance imaging primarily images the NMR signal from the hydrogen nuclei. Hydrogen protons, within the body align with the magnetic field. By applying short radio frequency (RF) pulses to a specific anatomical slice, the protons in the slice absorb energy at this resonant frequency causing them to spin perpendicular to the magnetic field. As the protons relax back into alignment with the magnetic field, a signal is received by an RF coil that acts as an antennae. This signal is processed by a computer to produce diagnostic images of the anatomical area of interest.
In this paper, space radiation environment and total ionizing dose(TID) effect have been analyzed for the KOMPSAT-2 operational orbit. It has been revealed that the trapped protons are concentrated in the SAA(South Atlantic Anomaly) area and that the trapped protons and electrons, and solar protons are main factors affecting TID. It turned out that low energy Particles can be effectively blocked by aluminum shielding thickness, but high energy Particles can not be effectively blocked by increasing aluminum shielding thickness. KOMPSAT-2 total radiation dose which is accumulated continuously to spacecraft electronics has been expressed as the function of aluminum thickness. These values ran be used as the criteria for the selection of electronic parts and shielding thinkness of the KOMPSAT-2 structure or electronic box.
Most high energy cosmic rays (CRs) are thought to be produced by diffusive shock acceleration (DSA) in supernova remnants (SNRs) within the Galaxy. Plasma and MHD simulations have shown that the self-excitation of MHD waves and amplification of magnetic fields via plasma instabilities are an integral part of DSA for strong collisionless shocks. In this study we explore how plasma processes such as plasma instabilities and wave-particle interactions can affect the energy spectra of CR protons and electrons, using time-dependent DSA simulations of SNR shocks. We demonstrate that the time-dependent evolution of the shock dynamics, the self-amplified magnetic fields and $Alfv{\acute{e}nic$ drift govern the highest energy end of the CR energy spectra. As a result, the spectral cutoffs in nonthermal X-ray and ${\gamma}$-ray radiation spectra are regulated by the evolution of the highest energy particles, which are injected at the early phase of SNRs. We also find that the maximum energy of CR protons can be boosted significantly only if the scale height of the magnetic field precursor is long enough to contain the diffusion lengths of the particles of interests. Thus, detailed understandings of nonlinear wave-particle interactions and time-dependent DSA simulations are crucial for understanding the nonthermal radiation from CR acceleration sources.
Supernova remnants (SNRs) are one of the most energetic astrophysical events and are thought to be the dominant source of Galactic cosmic rays (CRs). A recent report on observations of gamma rays from the vicinity of SNRs have shown strong evidence that Galactic CR protons are accelerated by the shock waves of the SNRs. The actual gamma-ray emission from pion decay should depend on the diffusion of CRs in the interstellar medium. In order to quantitatively analyze the diffusion of high-energy CRs from acceleration sites, we have performed test particle numerical simulations of CR protons using a three-dimensional magnetohydrodynamics (MHD) simulation of an interstellar medium swept-up by a blast wave. We analyse the CRs diffusion at a length scale of order a few pc, and show the Richtmeyer-Meshkov instability can provide enough turbulence downstream of the shock to make the diffusion coefficient close to the Bohm level for energy larger than 30 TeV for a realistic interstellar medium.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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