Simuleringar har visat sig vara ett användbart hjälpmedel inom fysikundervisningen, främst inom områden som är svåra att observera. Eftersom kinetisk gasteori är ett sådant område har det i den här uppsatsen undersökts hur användbart programmet Algodoo är för att simulera termodynamiska processer och på så sätt studera vad som sker i en gas. Det visade sig att isobara, isokora och adiabatiska processer är meningsfulla att simulera i Algodoo, där det tydligt går att visualisera hur bland annat partiklarnas kinetiska energi, volymen av behållaren och trycket förändras i dessa processer, medan en isoterm process var något begränsad i utförandet. När simuleringar av gaser genomförs i Algodoo uppstår en svängningsrörelse och systemet visar sig motsvara en Helmholtz resonator. Ekvationen för Helmholtz resonansfrekvens, som utgår från ideala gaser i tre dimensioner, skrivs om för att passa det tvådimensionella Algodoo, för att sedan användas till att undersöka hur de olika parametrarna i ekvationen påverkar systemet. Även den ideala gaslagen skrivs om för att passa ett tvådimensionellt system och beräkningar utförs även här för att undersöka hur väl värden i Algodoo stämmer överens med teoretisk beräknade värden. Den största felkällan vid beräkningar med värden från Algodoo visar sig vara det faktum att gaser som simuleras i programmet inte är helt ideala med avseende på att partiklarna inte är punktpartiklar utan upptar en viss volym. / It has been showed that simulations are a useful tool in physics education, especially in parts of physics that are hard to observe. Since kinetic gas theory is one of those parts, it has in this project been investigated how Algodoo can be used to simulate thermodynamic processes and to study what happens in a gas. Isobaric, isochoric and adiabatic processes turned out to be useful to simulate in Algodoo, where it is easy to visualize how for example the particles kinetic energy, the volume of the container and the pressure changes in these processes, while isothermal processes were partly limited in the performance. When simulations of gases are made in Algodoo an oscillation arise and the system turns out to correspond to a Helmholtz resonator. The equation of Helmholtz resonance frequency, which is made for ideal gases in three dimensions, is rewritten to match the two dimensional Algodoo. This equation is then used to examine how the parameters of the equation influence the system. The ideal gas law is also rewritten to match a two-dimensional system and calculations are made to examine how values in Algodoo matches theoretical calculated values. The errors in the calculations using values from Algodoo mostly are because of that gases in Algodoo not are completely ideal because of the sizes of the particles.

Studien omfattar ämnet motion graphics (rörlig grafik) och hur det kan förmedla en skriven text. En textbaserad rörlig grafik togs fram för att undersöka om rörelserna gjorde textinnehållet lättare att minnas och förstå jämfört med att läsa texten statiskt. Skillnader men också likheter gällande korttidsminne och läsupplevelse undersöktes genom två testgrupper. Studien visar på att läsarna mindes bättre med motion graphics, att motion graphics i vissa fall kan förmedla en mer positiv och specifik känsloupplevelse. Det framkom också att genom motion graphics så kan läsares fokus flyttas till det visuella uttrycket istället för textens innehåll. Resultatet visade även på risken att motion graphics i vissa fall kan göra det svårare för läsaren att minnas textordningen. Det gick inte att helt säkert fastställa om skillnaderna i studien berodde på att rörelserna i sig förstärkte budskapet eller en annan orsak såsom läshastighet alternativt en kombination av flera bidragande faktorer.

Parametric amplifiers are essential for analyzing and measuring the weak signals generated byquantum circuits at cryogenic temperatures. This project aims to realize a low noise travelingwave parametric amplifier (TWPA) by exploiting the nonlinear current dependence of thekinetic inductance of superconducting NbTiN nanowires. We fabricate an inductor in theform of a compact meandering nanostructure on small chips. We describe the microwavecircuit design, the simulations performed and the fabrication recipes. We present the resultsfrom the initial measurements at low-temperature (4.2 K - 0.3 K) performed in a 3He dipstickcryostat.We analyzed two different structures in this thesis. The first design implements a co-planarwaveguide structure that operates as a multi-modal cavity with resonances that can be modifiedby adjusting geometrical parameters. In contrast, the second design attempts to eliminate theseresonances by matching the impedance of the device with that of the input and output signallines. For this reason, we adopted a microstrip structure with a top-layered ground plane.In addition, the second design allows for phase matching of the signal and idler frequenciesinvolved in parametric amplification through dispersion engineering. Finally, we determineimportant parameters like the temperature dependence of the kinetic inductance, phase velocity,and characteristic impedance of the devices at cryogenic temperatures. / Parametriska förstärkare är viktiga för att analysera och mäta svaga signalerna som genererasav kvantkretsar vid kryogeniska temperaturer. Detta projekt syftar till att realisera enresande våg parametrisk förstärkare med lågt brus (TWPA) genom att utnyttja det ickelinjäraströmberoendet hos den kinetiska induktansen i supraledande NbTiN- nanotrådar. Vitillverkar en spole i form av en kompakt slingrande nanostruktur på små chips. Vibeskriver mikrovågskretsdesignen, simuleringarna som utförs samt tillverkningsprocesserna.Vi presenterar resultaten från de initiala mätningarna vid låga temperaturer (4.2 K - 0.3 K)utförda i en 3He stickkryostat.Vi analyserade två olika strukturer i detta arbete. Den första designen implementerar enkoplanar vågledarstruktur som fungerar som en multimodal kavitet med resonanser som kanmodifieras genom att justera geometriska parametrar. Däremot syftar den andra designenatt eliminera dessa resonanser genom att matcha enhetens impedans med den för ingångs-och utgångssignallinjerna. Av denna anledning valde vi en mikrostripstruktur med ettjordplan i toppskiktet. Dessutom tillåter den andra designen fasanpassning av signalen ochidlerfrekvenserna som är en del av den parametriska förstärkningen genom dispersionsteknik.Slutligen tar vi reda på viktiga parametrar som temperaturberoendet för den kinetiskainduktansen, fashastigheten och den karakteristiska impedansen för proven vid kryogeniskatemperaturer.

We investigate the resonant characteristics of superconducting meandering nanowires to design a nonlinear kinetic inductance traveling-wave parametric amplifier. The devices are patterned out of 15 nm thick NbTiN films. They consist of a coplanar waveguide, that shrinks into 100 nm wide meandering nanowires. For a total kinetic inductance of ∼1 μH, our simulations show that these structures behave as resonators with fundamental mode frequency around 1 GHz and a phase velocity of the signal as low as c/1000. The resonance peaks correspond to the presence of current antinodes within the meandering structure. Samples were fabricated at the Albanova Nanolab facility and measured in a sample-in-vacuum dipstick at 300 mK. Frequency sweeps in the 0.1-10 GHz range confirm the presence of these resonance peaks. In addition, we investigate the current nonlinearity of our devices. Analysis of the temperature dependence of the resonant peaks revealed the critical temperature of the film, TC = 14.0 ± 0.5 K. The dispersion relations showed that the device impedance exceeds the resistance quantum RQ = 6.5 kΩ when close to resonance or below 87 MHz. A second design was realized in order to reduce the device’s characteristic impedance to ≈ 50 Ω. This design, accomodating a micro stripline, embedded a significantly longer nanowire, with a total kinetic inductance ∼10 μH. Measurements showed a dramatically reduced impedance to ≈ 700 Ω, but still not matched to 50 Ω, giving rise to a dense frequency comb of standing modes in the 0-3 GHz bandwidth, with a constant spacing of ≈ 45 MHz. / Vi undersöker egenskaperna hos supraledande slingrande nanotrådar i syfte att designa en ickelinjär kinetisk induktans parametrisk förstärkare. Våra prov är mönstrade ur 15 nm tjocka NbTiN-filmer. De består av en koplanär vågledare som krymper till 100 nm breda slingrande nanotrådar. Med en sammanlagd kinetisk induktans på ∼1 μH visar våra simuleringar att dessa strukturer beter sig som resonatorer med en funda- mental modfrekvens runt 1 GHz och en fashastighet för signalen så låg som c/1000. Resonanserna motsvarar närvaron av strömantinoder inom den slingrande strukturen. Proverna tillverkades i Albanovas Nanolab och mättes i en prov-i-vakuum-sticka runt 300 mK. Frekvenssvepen i området 0,1-10 GHz bekräftar förekomsten av dessa res- onanser. Dessutom undersökte vi den strömberoende ickelinjäriteten i våra enheter. Analys av resonansernas temperaturberoende ger ett värde på filmens kritiska temper- atur, TC = 14.0 ± 0.5 K. Dispersionsförhållandena visade att provens impedans över- stiger resistanskvantumet RQ = 6, 5 kΩ nära resonanserna. En andra design realiserades för att reducera provens karakteristiska impedans till ≈ 50 Ω. Denna design, med en mikrostripline, har en betydligt längre totaltsträcka med en sammanlagd kinetisk induk- tans på ∼10 μH. Mätningarna visade en dramatiskt reducerad impedans på ≈ 700 Ω, men inte till det matchade värdet på 50 Ω, vilket gav upphov till en tät frekvenskam inom bandbredden 0- 3 GHz, med ett avstånd på ≈ 45 MHz mellan resonanserna.

The Nordic power system is in a changing phase, with more power electronic interfaced connections, and HVDC connections to other synchronous areas, which impacts the frequency quality. This is a challenge for the transmission system operator of Sweden, Svenska Kraftnät, who, with the other Nordic transmission system operators, is responsible for the physical balancing of the Nordic power system. To ensure that the grid can maintain stable operation when power imbalances or a disturbance occur, the frequency quality is important to evaluate. According to the current measurement of frequency quality, minutes outside of the standard frequency band, the frequency quality in the Nordic power system has been deteriorating. The current measurement does not capture what impact the frequency quality and needs to be redefined, with more precise measurements, for Svenska Kraftnät to be able to take necessary actions to ensure stability of the power system. Therefore, the purpose of this project is to determine which key performance indices, KPIs, can be used to develop the definition of frequency quality, and which system parameters are captured by the different KPIs. This project is executed with simulations in Matlab/Simulink to determine the impact five system parameters have on 15 different KPIs, and the results from the simulations are validated with historical data. The results indicate that all system parameters can be captured with KPIs, but after validation with historical data only two system parameters, which correlated with four KPIs, were deemed to be valid. The amount of FCR-N energy activated can be captured with the standard deviation of frequency, frequency area, and number of FCR-D activations. The kinetic energy can be captured by the standard deviation of RoCoF. The KPIs are recommended to be used to identify, and measure, the impact of new technical requirements for frequency control, and how the frequency stability is impacted by changes in the system. The conclusion is that four key performance indices are recommended to improve the definition of frequency quality, and further research is recommended to further define the concept of frequency quality. / För tillfället sker stora förändringar i det nordiska elsystemet. Fler produktionsanläggningar och industrier ansluts med kraftelektronik och fler HVDC-anslutningar byggs till andra synkronområden, vilket har stor inverkan på frekvenskvalitén. Detta leder till nya utmaningar för det svenska transmissionsnätets systemansvariga myndighet, Svenska Kraftnät, som gemensamt med sina nordiska motsvarigheter är ansvariga för den fysiska balanseringen i det nordiska synkronområdet. Det är viktigt att kontinuerligt följa upp frekvenskvalitén i transmissionsnätet så att stabil drift kan garanteras både vid mindre obalanser eller i händelse av större störningar. Det nuvarande nyckeltalet för uppföljning av frekvenskvalité, minuter utanför normalbandet, indikerar att frekvenskvalitén i det nordiska synkronområdet har blir sämre de senaste åren. Det nuvarande nyckeltalet indikerar inte vad som påverkar frekvenskvalitén och behöver omdefinieras med mer precisa nyckeltal för att Svenska Kraftnät ska kunna vidta nödvändiga åtgärder för att garantera en stabil drift av transmissionnätet. Syftet med examensarbetet är att definiera nya nyckeltal för att beskriva frekvenskvalité samt undersöka vilka systemparametrar som fångas av de olika nyckeltalen. I detta projekt har simuleringar utförts i Matlab/Simulink för att bestämma den inverkan fem olika systemparametrar har på 15 olika nyckeltal. Resultaten från simuleringar valideras med historisk data. Resultaten från simuleringen indikerar att de fem systemparametrarna kan fångas av olika kombinationer av de föreslagna nyckeltalen, men efter validering med historisk data bedöms enbart två systemparametrar fångas av totalt fyra nyckeltal. Systemparametern aktiverad FCR-N energi fångas av tre nyckeltal: frekvensens standardavvikelse, frekvensarea och antal FCR-D-aktiveringar. Systemparametern kinetisk energi fångas av ett nyckeltal: frekvensderivatans standardavvikelse. De fyra identifierade nyckeltalen kan användas för att identifiera och mäta hur frekvenskvalitén påverkas av nya tekniska krav, samt hur frekvensstabilitet påverkas av förändringar i systemet. Slutsatsen för detta projekt är att fyra nya nyckeltal rekommenderas för att utveckla definitionen av frekvenskvalité. Vidare arbete rekommenderas för att kunna utveckla begreppet vidare.

The current global scenario is such where impact on the environment is becoming a rising concern. Global automotive manufacturers have focused more towards hybrid and electric vehicles as both more aware customers and governmental legislation have begun demanding higher emission standards. One of the many ways that Volvo Car Group approaches this trend is by mild hybridization which is by assisting the combustion engine by a small electric motor and a battery pack. A smart energy management strategy is needed in order to get the most out of the benefits that hybrid electric vehicles offer. The main objective of this strategy is to utilize the electrical energy on-board in such a manner that the overall efficiency of the hybrid powertrain becomes as high as possible. The current implementation is such that the decision for using the on-board battery is non-predictive. This results in a sub-optimal utilization of the hybrid powertrain. In this thesis, a predictive energy optimization tool is developed to maximize the utility of hybridization and the practical implementation of this tool is investigated. The optimization considers both the capacity as well as the thermal loadconstraints of the battery. The developed optimization tool uses information about the route ahead together with convex optimization to produce optimal reference trajectories of the battery states. These trajectories are used in a real-time controller to determine the battery use by controlling the adjoint states in the Equivalent Consumption Minimization Strategy equation. This optimization tool is validated and compared with the baseline controller in a simulation environment based on Simulink. When perfect information about the road ahead is known, the average reduction in fuel consumption is 0.99% relative the baseline controller. Several issues occurring in the real implementation are explored, such as the limited computational speed and the length of the route ahead that can be predicted. For this reason the information input to the optimization tool is segmented and the resulting performance is investigated. For a 30 second segmentation of the future route information, the average saving in fuel consumption is 0.13% relative to the baseline controller. It is shown that the main factor limiting the amount of savings in fuel consumption is the introduction of the thermal load constraints on the battery. / Det nuvarande globala scenariot är sådant där miljöpåverkan håller på att bli en växande angelägenhet. Globala fordonstillverkare har fokuserat mer på hybrid- och elfordon, eftersom både mer medvetna kunder och statlig lagstiftning har börjat kräva högre emissionskrav. Ett av de många sätt som Volvo Car Group närmar sig denna trend är genom mild hybridisering genom att bistå förbränningsmotorn med en liten elmotor och ett batteripaket. En smart strategi för energihantering behövs för att få ut det mesta av de fördelar som hybrida elfordon erbjuder. Huvudsyftet med denna strategi är att utnyttja den elektriska energin ombord på ett sådant sätt att den totala effektiviteten hos hybriddrivlinan blir så hög som möjligt.Den nuvarande implementeringen är sådan att beslutet att använda det fordonsbaserade batteriet är inte-förutsägbart. Detta resulterar i en suboptimal användning av hybriddrivlinan. I denna avhandling är ett prediktivt Energioptimeringsverktyg utvecklat för att maximera nyttan av hybridisering och det praktiska implementerandet av detta verktyg undersöks. Optimeringen beaktar både kapaciteten och de termiska belastningsbegränsningarna hos batteriet. Det utvecklade optimeringsverktyg använder information om vägen framåt tillsammans medkonvex optimering för att producera optimala referenstrajektorier av batteritillståndet. Dessa trajektorier används i en realtidsstyrenhet för att bestämma batterianvändningen genom att kontrollera adjungerade tillstånden strategiekvationen för den ekvivalenta förbrukningsminimiseringen. Optimeringsverktyget verifieras och jämförs med den ursprungliga styrenheten i en simuleringsmiljö baserad på Simulink. När perfekt information om vägen framåt är känd, är den genomsnittliga minskningen av bränsleförbrukningen 0,99 % relativt den ursprungliga styrenheten. Flera frågor som uppstår i den verkliga implementeringen undersöks, såsom den begränsade beräkningshastigheten och längden på den väg framåt som kan förutses. Av denna anledning är segmenteras informationen till optimeringsverktyget och den resulterande prestandan undersöks. För en 30 sekunders segmentering av framtida väginformation är den genomsnittliga besparingen i bränsleförbrukningen 0,13 % i förhållande till den ursprungligastyrenheten. Resultaten visar att den viktigaste faktorn som begränsar bränsleförbrukningsbesparingen är införandet av de termiska belastningsbegränsningarna på batteriet.

In many countries over the world (including Sweden), metal toxicity in freshwater resources causes a severe drinking water quality problem and poses a threat to the environment and human health. Among the different toxic metals in the water resources of Sweden, arsenic and uranium are the biggest threats to health. These elements, over long time consumption, may even lead to cancer and/or neurological disorder. Most of the wells are installed in crystalline and sedimentary bedrock and the received water comes from water bearing fractures in the bedrock. The handling of such water is an issue and there is a need to reduce the arsenic and uranium exposure by improving processes and technologies. It is a very serious problem demanding a safe, sustainable and eco-friendly arsenic and uranium removal technology prior to drinking water supply. Different treatment systems are available, but many of them are not suitable due to their high cost, operation complexity and waste management issues. Through this study, chitosan biopolymer the second largest abundant polysaccharide on earth after cellulose, was verified as a potential adsorbent for arsenic(V) and uranium(VI) removal from water solution. Adsorbent characterizations were also conducted by XRD, FTIR, SEM, UV-visible spectrum and TGA/DTA investigations. Bench-scale batch experiments were conducted using chitosan biopolymer (DDA-85%) as an adsorbent to determine the arsenic(V) and uranium(VI) removal efficiency, by allowing four important effective parameters e.g. chitosan dosages, pH, contact time and contaminant concentration. The adsorption data at optimum conditions were fitted with Langmuir, Freundlich and Dubinin-Radushkhevic (D-R) isotherm and Lagergren pseudo-first-order and pseudo-second-order kinetic model to investigate the adsorption process. The characterization of materials assured the presence of effective amino, hydroxyl, and carboxyl groups of chitosan. Another advanntage is that the materials are bio-degradable. The results show that the arsenic(V) and uranium(VI) removal efficiency was 100% and 97.45% after 300 minutes with optimum pH of 6.0 and 7.0 respectively. The optimum adsorbent dosages and initial concentration were 60 and 80g/L and 100 and 250 µg/L respectively. The adsorption process was suitably described by Freundlich isotherm (R2 = 0.9933) and Langmuir isotherm (R2 = 0.9858) correspondingly for arsenic(V) uranium(VI) compared to other isotherms. This is an important indicator of homogeneous monolayer adsorption of metals. For both of arsenic(V) and uranium(VI), pseudo-second-order explained the adsorption kinetics better than pseudo-first-order and the second-order kinetic regression coefficient (R2) were 0.9959 and 0.9672 correspondingly. Connecting to the above mentioned results, it can be summed up that the chitosan biopolymer (DDA 85%) can be used as an inexpensive, sustainable and environment-friendly treatment option for arsenic(V) and uranium(VI) contaminated drinking water. / I många länder världen runt (även i Sverige) orsakar metallers toxicitet besvärliga vattenkvalitetsproblem och utgör ett hot mot människors hälsa. Bland de toxiska metaller som finns i svenska vatten utgör arsenik och uran i dricksvatten allvarliga hälsorisker vid långvarig exposition då de kan orsaka cancer och neurologiska problem. Flertalet brunnar är installerade i kristallint berg och sedimentära bergarter och vattnet kommer vanligen från sprickor i berggrunden. Hanteringen av sådant vatten kan kräva reduktion av expositionen för arsenik- och uraninnehåll genom förbättrade processer och teknologier. Detta är ett angeläget problem som kräver en säker, pålitlig och ekovänlig teknologi att tillämpas innan vattnet distribueras. En rad olika behandlingssystem är tillgängliga men många av dem är inte lämpliga beroende på deras höga kostnad, den komplicerade tillämpningen och problem med hanteringen av restprodukter. I denna studie has biopolymeren chitosan, den näst vanligaste polymeren efter cellulosa, konstaterats vara en möjlig adsorbent för att avlägsna arsenik(V) och uran(VI) från vatten. Karakterisering av adsorbenten har också genomförts genom XRD, FTIR, SEM, UV och strålning i synligt ljus samt TGA/DTA undersökningar. Batch-tester i bänkskala har genomförts med användning av chitosan (DDA-85%) som adsorbent för att bestämma dess förmåga att avlägsna arsenik(V) och uran(VI)genom att variera fyra parametrar, nämligen kontakttid, pH, dos av chitosan och halt av föroreningen. Adsorptionsdata vid optimala förhållanden bestämdes genom tillämpning av Langmuir, Freundlich och Dubinin-Radushkhevic (D-R) isotermerna. Vidare tillämpades Lagergrens pseudo-first-order och pseudo-second-order kinetiska modell för att undersöka adsorptionsprocessen. Karakteriseringen av materialet visade förefintligheten av effektiva amino- (N-H), hydroxyl- (O-H) samt karboxylgrupper (C=O) i chitosan-polysackariden och att det är lätt nedbrytbart. Preliminära resultat visar att reduktionen av arsenik(V) och uran(VI) var 100 respektive 97,45 % efter 300 minuters kontakttid med optimalt pH på 6,0 respektive 7,0. De optimala doserna av adsorbent och den initiala koncentrationen var 60 och 80 g/L och 100 och 250 µg/L. Adsorptions process beskrevs bäst av Freundlich-isotermen för arsenik(V) (R2 = 0.9933) och med Langmuir-isotermen för uran(VI) (R2 = 0,9858) jämfört med andra isotermer vilket var en viktig indikation på en homogen monolager-adsorption. För både arsenik(V) och uran(VI) beskrev pseudo-second order adsorptionen bättre än pseudo-first-order. Second-order kinetiska regressionskoefficienten (R2) var 0.9959 och 0.9872 respektive. De ovanstående resultaten visar sammanfattningsvis att chitosan (DDA-85%) kan användas som en billig, pålitlig och miljövänlig behandlingsmetod av vatten för arsenik(V) och uran(VI). / <p>QC 20150526</p> / ChitoClean