Electrical discharges with a variety of different forms (streamers, glow corona, leaders, etc.) broadly exist in nature and in industrial applications. Under certain conditions, one electrical discharge can be transformed into another form. This thesis is aimed to develop and use numerical simulation models in order to provide a better physical understanding of two of such transitions, namely the glow-to-streamer and the streamer-to-leader transitions in air. In the first part, the thesis includes the two-dimensional simulation of the glow-to-streamer transition under a fast changing background electric field. The simulation is performed with a fluid model taking into account electrons. An efficient semi-Lagrangian algorithm is proposed to solve the convection-dominated continuity equations present in the model. The condition required for the glow-to-streamer transition is evaluated and discussed. In order to enable such simulations for configurations with large interelectrode gaps and long simulation times, an efficient simplified model for glow corona discharges and their transition into streamers is also proposed. The second part of the thesis is dedicated to investigate the dynamics of the streamer-to-leader transition in long air gaps at atmospheric pressure. The transition is studied with a one-dimensional thermo-hydrodynamic model and a detailed kinetic scheme for N2/O2/H2O mixtures. In order to evaluate the effect of humidity, the kinetic scheme includes the most important reactions with the H2O molecule and its derivatives. The analysis includes the simulation of the corresponding streamer bursts, dark periods and aborted leaders that may occur prior to the inception of a stable leader. The comparison between the proposed model and the widely-used model of Gallimberti is also presented. / Elektriska urladdningar av olika former (streamers (från engelska), glöd-korona, ledare, etc.) förekommer i stor utsträckning i naturen och i industriella applikationer. Under vissa förhållanden kan en elektrisk urladdning omvandlas till en annan form av elektrisk urladdning. Denna avhandling syftar till att utveckla och använda numeriska simuleringsmodeller för att ge en bättre fysikalisk förståelse av två sådana övergångar, nämligen glöd-till-streamer- och streamer-till-ledar-övergångar, i luft. I den första delen, avhandlas en tvådimensionell simulering av glöd-till-streamer-övergången med ett hastigt föränderligt elektriskt fält i bakgrunden. Simuleringen utförs med en flödesmodell som tar hänsyn till elektronerna. En effektiv semi-Lagrangesk algoritm föreslås för att lösa de konvektionsdominerade kontinuitetsekvationerna i modellen. Vidare utvärderas och diskuteras förutsättningarna för glöd-till-streamer-övergången. För att möjliggöra sådana simuleringar i konfigurationer med stora elektrodavstånd och långa simuleringstider, föreslås också en effektiv och förenklad modell för glöd-korona-urladdningar samt deras övergång till streamers. Den andra delen av avhandlingen är tillägnad att undersöka dynamiken i streamer-till-ledar-övergångar över långa avstånd i luft, under atmosfäriskt tryck. Övergången studeras med en endimensionell termohydrodynamisk modell och en detaljerad kinetisk modell för blandningar av N2/O2/H2O. För att utvärdera effekten av luftfuktighet, innefattar den kinetiska modellen de viktigaste reaktionerna med H2O-molekylen och dess derivat. Analysen innefattar simuleringen av motsvarande streamer-kedjor, mörka perioder och avbrutna ledare som kan förekomma före starten av en stabil ledare. En jämförelse mellan den föreslagna modellen och den allmänt använda modellen av Gallimberti presenteras också. / <p>QC 20170418</p>

<p>Arbetet gjordes för att ta reda på vad forskningen säger om laborationernas roll i fysikundervisningen. Detta gjordes genom att jag läste flera olika forskningsrapporter, bland annat från en stor undersökning inom EU där ett försök gjordes att undersöka måluppfyllelsen i dagens fysikundervisning. Forskarna tog först reda på vilka mål lärare har med sin undervisning, och sedan togs reda på i vilken utsträckning olika typer av undervisning hjälper eleverna att nå dessa mål.</p><p>Resultaten visar att det bästa sättet att nå de fem huvudmålen (Länka teori och praktik, lära sig att utföra experiment, lära sig vetenskapliga metoder, öka motivationen och undersöka elevernas kunskaper) är en blandning av undervisningsmetoder, där laborativa moment är en viktig del. Min egen undersökning visade på samma resultat. För att få eleverna att förändra sina alternativa begrepp, så att de stämmer bättre överens med de vetenskapliga, krävs något mer än en öppen laboration.</p><p>Variation verkar vara nyckeln till god måluppfyllelse.</p>

Arbetet gjordes för att ta reda på vad forskningen säger om laborationernas roll i fysikundervisningen. Detta gjordes genom att jag läste flera olika forskningsrapporter, bland annat från en stor undersökning inom EU där ett försök gjordes att undersöka måluppfyllelsen i dagens fysikundervisning. Forskarna tog först reda på vilka mål lärare har med sin undervisning, och sedan togs reda på i vilken utsträckning olika typer av undervisning hjälper eleverna att nå dessa mål. Resultaten visar att det bästa sättet att nå de fem huvudmålen (Länka teori och praktik, lära sig att utföra experiment, lära sig vetenskapliga metoder, öka motivationen och undersöka elevernas kunskaper) är en blandning av undervisningsmetoder, där laborativa moment är en viktig del. Min egen undersökning visade på samma resultat. För att få eleverna att förändra sina alternativa begrepp, så att de stämmer bättre överens med de vetenskapliga, krävs något mer än en öppen laboration. Variation verkar vara nyckeln till god måluppfyllelse.

Modern physical experiments often demand advanced instrumentation based on advances in  technology. This work describes four instrumentation physics projects that are based on modern, high-capacity Field-Programmable Gate Arrays, making use of their versatility, programmability, high bandwidth communication interfaces and signal processing capabilities. In the first project, a jet-finding algorithm for the ATLAS detector at the LHC experiment at CERN was developed and implemented, and different verification methods were created to validate the functionality and reliability. The experiment uses a three level trigger system, where the first level uses custom FPGA-based hardware for analysis of collision events in real-time. The second project was an advanced timing and triggering distribution system for the new European X-Ray Free Electron Laser (XFEL) facility at DESY in Hamburg. XFEL will enable scientists to study nano structures on the atomic scale. Its laser pulses will have the strongest peak power in the world with extremely short duration and a high repetition rate, which will even allow filming of chemical reactions. The timing system uses modern FPGAs to distribute high-speed signals over optical fibers and to deliver clocks and triggers with high accuracy. The third project was a new data acquisition board based on high-speed ADCs combined with high-performance FPGAs, to process data from segmented Ge-detectors in real-time. The aim was to improve system performance by greatly oversampling and filtering the analog signals to achieve greater effective resolution. Finally, an innovative solution was developed to replace an aging system used at CERN and Stockholm University to test vital electronics in the Tile Calorimeters of the ATLAS detector system. The new system is entirely based on a commercial FPGA development board, where all necessary custom communication protocols were implemented in firmware to emulate obsolete hardware. / Inom området instrumenteringsfysik bedrivs forskning och utveckling av avancerade instrument, som används inom moderna fysikexperiment. Denna avhandling beskriver fyra projekt där programmerbara kretsar (FPGA) har nyckelfunktioner för att lösa krävande instrumenteringsuppgifter. Den första projektet beskriver utveckling och implementering av en algoritm för detektering av partikelskurar efter partikelkollisioner i LHC-experimentets ATLAS-detektor. Experimentet genererar 40 miljoner händelser per sekund, som måste analyseras i real-tid med hjälp av snabba parallella algoritmer. Resultatet avgör vilka händelser som är tillräckligt intressanta för fortsatt noggrannare analys. Den andra projektet beskriver utvecklingen av ett system som distribuerar klock- och trigger-signaler över ett 3 kilometers experimentområde med extrem precision, i den nya röntgenlaseracceleratorn XFEL vid DESY i Hamburg. Vid XFEL kommer man utforska nanostrukturer och till och med filma molekylers kemiska reaktioner. I den tredje projektet beskrivs utvecklingen av ett höghastighets datainsamlingssystem, för segmenterade Ge-detektorer. Genom att översampla signalen med hög hastighet kan man uppnå en bättre noggrannhet i mätningen än vad AD-omvandlarens egna upplösning medger. Detta leder i sin tur  till förbättrade systemprestanda. Slutligen beskrivs en innovativ lösning till ett test system för den elektronik, som Stockholms universitet har levererat till ATLAS detektorn. Det nya systemet ersätter det föregående testsystemet, som är baserad på föråldrade inte längre tillgängliga komponenter. Det nya systemet är dessutom också billigare eftersom det är baserat på ett standard FPGA utvecklingskort. / ATLAS experiment of the Large Hadron Collider experiment / European X-ray Free Electron Laser

Lic.-avh. (sammanfattning) Stockholm : Kungliga Tekniska högskolan, 2007. / Härtill 5 uppsatser.

Diss. (sammanfattning) Stockholm : Kungliga Tekniska högskolan, 2007. / Härtill 5 uppsatser.

Diss. (sammanfattning) Stockholm : Kungliga Tekniska högskolan, 2007. / Härtill 7 uppsatser.

Gamification -- bruket av spelelement i icke-spelsammanhang -- har visat sig vara ett effektivt sätt att skapa mer underhållande och engagerande användarupplevelser. Många tillämpningar av gamification förlitar sig på en begränsad delmängd av spelelement som poäng, emblem och resultatlistor -- tekniker som kritiserats för att inte vara representativa för vad som gör spel underhållande. Forskning inom psykologin indikerar att personer blir mest effektivt motiverade av faktorer som vädjar till deras personliga tillfredsställelse, såsom nöje, snarare än externa faktorer som belöning och priser. Detta arbete utforskar bruket av speldesignelement och relaterade 3D-teknologier i utvecklingen av ett verktyg avsett för att skapa och simulera fysikaliska modeller. Implementationen av ett sådant verktyg beskrivs med fokus på integrationen av speldesignelement vilka bidrar till en underhållande och engagerande upplevelse för användaren. En studie utförs för att validera effekten av bruket av spelelement på användarnas nöje när dessa interagerar med simulationsverktyget. Det observerades att genom att använda teman som användaren kan relatera till och som är kontextuellt passande för applikationen i fråga kan spelelement förstärka en njutbar användarupplevelse. / Gamification -- the use of game elements in non-game contexts -- has been shown to be an effective way of creating more enjoyable and engaging user experiences. Many applications of gamification rely on a limited subset of game elements such as points, badges and leaderboards -- techniques which have been criticised for not being representative of what makes games enjoyable. Research in psychology suggests that people are most effectively motivated by factors that appeal to their personal satisfaction, such as fun, rather than external factors such as rewards and prizes. This thesis explores the use of game design elements and related 3D technologies in the creation of a tool for the construction and simulation of physical models. The implementation of such a tool is described, focussing on the integration of game design elements that produce a fun and engaging experience for the user. A study is performed to determine the effects of the use of game elements on users’ enjoyment when interacting with the simulation tool. It was found that by appealing to themes users can relate to and which are contextually appropriate for the application, game elements can help promote an enjoyable user experience.

Doctor of Philosophy / We investigate the linear growth and vertical structure of the magnetorotational instability (MRI) in weakly ionised, stratified accretion discs. The magnetic field is initially vertical and perturbations have vertical wavevectors only. Solutions are obtained at representative radial locations from the central protostar for different choices of the initial magnetic field strength, sources of ionisation, disc structure and configuration of the conductivity tensor. The MRI is active over a wide range of magnetic field strengths and fluid conditions in low conductivity discs. For the minimum-mass solar nebula model, incorporating cosmic ray and x-ray ionisation and assuming that charges are carried by ions and electrons only, perturbations grow at 1 AU for B < 8G. For a significant subset of these strengths (200mG < B < 5 G), the growth rate is of order the ideal MHD rate (0.75 Omega). Hall conductivity modifies the structure and growth rate of global unstable modes at 1 AU for all magnetic field strengths that support MRI. As a result, at this radius, modes obtained with a full conductivity tensor grow faster and are active over a more extended cross-section of the disc, than perturbations in the ambipolar diffusion limit. For relatively strong fields (e.g. B > 200 mG), ambipolar diffusion alters the envelope shapes of the unstable modes, which peak at an intermediate height, instead of being mostly flat as modes in the Hall limit are in this region of parameter space. Similarly, when cosmic rays are assumed to be excluded from the disc by the winds emitted by the magnetically active protostar, unstable modes grow at this radius for B < 2 G. For strong fields, perturbations exhibit a kink at the height where x-ray ionisation becomes active. Finally, for R = 5 AU (10 AU), unstable modes exist for B < 800 mG (B < 250 mG) and the maximum growth rate is close to the ideal-MHD rate for 20 mG < B < 500 mG (2 mG < B < 50 mG). Similarly, perturbations incorporating Hall conductivity have a higher wavenumber and grow faster than solutions in the ambipolar diffusion limit for B < 100 mG (B < 10 mG). Unstable modes grow even at the midplane for B > 100 mG (B ~ 1 mG), but for weaker fields, a small dead region exists. When a population of 0.1 um grains is assumed to be present, perturbations grow at 10 AU for B < 10 mG. We estimate that the figure for R = 1 AU would be of order 400 mG. We conclude that, despite the low magnetic coupling, the magnetic field is dynamically important for a large range of fluid conditions and field strengths in protostellar discs. An example of such magnetic activity is the generation of MRI unstable modes, which are supported at 1 AU for field strengths up to a few gauss. Hall diffusion largely determines the structure and growth rate of these perturbations for all studied radii. At radii of order 1 AU, in particular, it is crucial to incorporate the full conductivity tensor in the analysis of this instability, and more generally, in studies of the dynamics of astrophysical discs.

Doctor of Philosophy / We investigate the linear growth and vertical structure of the magnetorotational instability (MRI) in weakly ionised, stratified accretion discs. The magnetic field is initially vertical and perturbations have vertical wavevectors only. Solutions are obtained at representative radial locations from the central protostar for different choices of the initial magnetic field strength, sources of ionisation, disc structure and configuration of the conductivity tensor. The MRI is active over a wide range of magnetic field strengths and fluid conditions in low conductivity discs. For the minimum-mass solar nebula model, incorporating cosmic ray and x-ray ionisation and assuming that charges are carried by ions and electrons only, perturbations grow at 1 AU for B < 8G. For a significant subset of these strengths (200mG < B < 5 G), the growth rate is of order the ideal MHD rate (0.75 Omega). Hall conductivity modifies the structure and growth rate of global unstable modes at 1 AU for all magnetic field strengths that support MRI. As a result, at this radius, modes obtained with a full conductivity tensor grow faster and are active over a more extended cross-section of the disc, than perturbations in the ambipolar diffusion limit. For relatively strong fields (e.g. B > 200 mG), ambipolar diffusion alters the envelope shapes of the unstable modes, which peak at an intermediate height, instead of being mostly flat as modes in the Hall limit are in this region of parameter space. Similarly, when cosmic rays are assumed to be excluded from the disc by the winds emitted by the magnetically active protostar, unstable modes grow at this radius for B < 2 G. For strong fields, perturbations exhibit a kink at the height where x-ray ionisation becomes active. Finally, for R = 5 AU (10 AU), unstable modes exist for B < 800 mG (B < 250 mG) and the maximum growth rate is close to the ideal-MHD rate for 20 mG < B < 500 mG (2 mG < B < 50 mG). Similarly, perturbations incorporating Hall conductivity have a higher wavenumber and grow faster than solutions in the ambipolar diffusion limit for B < 100 mG (B < 10 mG). Unstable modes grow even at the midplane for B > 100 mG (B ~ 1 mG), but for weaker fields, a small dead region exists. When a population of 0.1 um grains is assumed to be present, perturbations grow at 10 AU for B < 10 mG. We estimate that the figure for R = 1 AU would be of order 400 mG. We conclude that, despite the low magnetic coupling, the magnetic field is dynamically important for a large range of fluid conditions and field strengths in protostellar discs. An example of such magnetic activity is the generation of MRI unstable modes, which are supported at 1 AU for field strengths up to a few gauss. Hall diffusion largely determines the structure and growth rate of these perturbations for all studied radii. At radii of order 1 AU, in particular, it is crucial to incorporate the full conductivity tensor in the analysis of this instability, and more generally, in studies of the dynamics of astrophysical discs.