作者は感謝して国立科学財団、CBET0846359、助成モニターホルストヘニング冬でサポートを承諾。

1。測定可能なフローの作成<ol><li> EPIV検証測定はグリセリン水溶液（ - 50％水50％グリセリン）のパイプフローで実証されます。実験装置の概略を図1に示します。 </li><li> 10μmの呼び径を有する中空のガラス球は百万分の約17重量部の濃度で流体に追加されます。中空ガラス球は、超音波造影剤として機能し、その大きさと密度が、彼 ​​らは受動的に流体の流れをたどるように選択される。10 </li><li>固定電圧は、既知の流量を導入するポンプに供給されています。流量はUはパイプ内の平均速度であるU &lt;&lt;ΔX/ΔTは、Δxは EPIV測定体積の直線長さであり、ΔTは、画像間の時間ステップ、 すなわちであるように選択され、流れがある必要が超音波syのFPSに比べて&quot;遅い&quot;ステム。3 </li></ol> 2。超音波のキャリブレーションを<ol><li>外側パイプ壁に超音波探触子をマウントします。水ベースの局所ゲルは、プローブ面と管壁の間に超音波ビームの伝送損失を最小限にするために、超音波プローブに適用されます。 </li><li>超音波マシンをパワーオンします。超音波画像のライブストリームは、すべてのシステムの負荷と自動的に開始されます。 </li><li>超音波マシンのコントロールパネル上の奥行きコントロールノブを使って、イメージの深さを設定します。 </li><li>超音波マシンのコントロールパネルの2Dゲイン·ノブを使用して、画像全体のゲインを設定します。 </li><li>管壁からの散乱を減衰させるために、超音波信号の深関連の減衰を補償するために、 時間ゲイン補正（TGC）スライダを調整します。 </li><li> 画像の幅、フォーカス、プローブ動作周波数 、 フレームレートが割り当て可能なコントロールノブを使って調整されます。これらのコントロールパネルの左上に位置する4つのノブは、システムが実行されているモードに応じて異なります。 2Dモード（現在使用されているように）で、左から右のノブは、それぞれ幅、フォーカス、周波数、フレームレートに対応しています。超音波イメージング9の基本的な原理に起因しが、これら4つのパラメータは、本質的に結合されていることに注意してください。したがって、与えられた超音波画像スキャン（ すなわち 、EPIV実験）のための空間と時間分解能はトレードオフの関係にある。 </li><li> 10μmの中空ガラス球を播種したパイプ流の代表的な超音波像については図2を参照してください。限られた横方向の解像度が原因で、ガラス球が左右方向にまみれて、画像中の楕円のように表示されていることに注意してください。 </li></ol> 3。データ収集<ol><li>新しい実験を開始するために超音波のコントロールパネルの[ 新規試験ボタンを押します。 </li><li>作る姓と名と患者IDのテスト番号で今日の日付でパイプ流を入力して、新しい&quot;患者&quot;。 </li><li> &quot;患者&quot;の作成に続いて1000-1500の画像間の予め設定された最大に達するまで、超音波スキャンが開始され、新しいスキャンループが開始された後。超音波制御パネル上のフリーズボタンを 2回押すと、画像の最大プリセット数に到達する前にいつでもスキャンを再開します。 </li><li>超音波画像の良いセット（ すなわち 、シャープシード粒子画像と十分なシード粒子密度）を取得した後、画像の集録を停止するには、超音波のコントロールパネルのFREEZEボタンを押してください。 </li><li>超音波のコントロールパネルのシネループボタンを押します。セット内の最初の画像を選択するために超音波のコントロールパネル上の最初のサイクル·ノブを使用して分析される超音波画像のセット、および選択するための最終サイクルのノブを選択セット内の最後の画像。 </li><li>超音波画像の選択されたセットを保存するために超音波のコントロールパネルのイメージStoreボタンを押します。 </li><li>超音波のコントロールパネルの[アーカイブ]ボタンを押して、 終了試験を選択するには、マウスカーソルを使用します。これにより、ユーザーはローカルのハードドライブに保存する画像やcineloopsを選択するようにプロンプ​​トが表示されます。興味のあるシネ（複数可）を選択し、次に試験を終了します。 </li><li>超音波のコントロールパネルの[アーカイブ]ボタンを押して、最初の[詳細]を選択し 、[ ディスクの管理を選択するには、マウスカーソルを使用します。ディスク管理では、PIVソフトウェアを実行しているPCに保存されてシネ（s）を転送します。 </li></ol> 4。ファイルタイプを変換する<ol><li>超音波画像は、超音波マシン上薬（DICOM）のファイル·タイプのデジタル·イメージング·コミュニケーションとして格納されます。開かおよびPIVソフトウェアによって読み取られるようにするために、DICOMファイルを画像ファイルに変換する必要があります。現在、Matlabのスクリプト実行DICOM2JPG.mは DICOMファイルジェイペグ（JPEG）ファイルタイプに変換するために使用されています。 </li><li> JPEGの超音波画像は、その後LaVisionからDAVISソフトウェアを用いて分析する。 </li></ol> 5。 D（x、y）はデービスを使用して、変位場を計算する<ol><li>ダブルマウスは、PC上でデービスのアイコンをクリックしてください。 [新しいプロジェクト]を選択します。 PIVを選択します。 </li><li>ツールバーのイメージのインポートを選択し、 番号付きファイルを経由してインポート]を選択します。プルダウンメニューで、JPEGの超音波画像が保存されているフォルダを探して、ダブルセットの最初の画像をクリックします。これは、このセット内のすべての番号が付けられた超音波画像をインポートします。 </li><li>典型的には、画像マスクを処理する超音波画像における関心領域（ROI）を単離するために定義されます。パイプ流の場合、マスクはパイプ壁（ すなわち 、流体）の間のROIを定義するために使用されます。 </li><li>デイビスのメインコントロールパネルに移動し、インポートされた画像を含む現在のプロジェクトの下に配置]タブを選択し、タブのラベルの付いたバッチ処理を選択します 。これはインポートされた超音波画像のバッチ処理のためデイビスのベクトル処理ウィンドウを有効にします。 </li><li>操作リストから、PIV-時系列ツリーを使用して、 ベクトル計算のパラメータを選択して 、ベクトル処理に使用するパラメータを選択します。マスクを使用する場合は、ボックスのデータ範囲を確認する=ベクトル計算パラメータメニューでマスクされた領域を使用します 。 ベクトル演算パラメータの最適な選択が流動形状、流動特性、画像解像度、トレーサー粒子の密度、および所望の定量的なフロー分析に依存していることに注意してください。10 パイプ流測定では、通常、最良の結果が得られているパラメータは32×32ピクセルの2から8にxの減少尋問サイズでマルチアール50％のオーバーラップで8画素2、。相対ベクトルの範囲の制限はすべて±（ウィンドウサイズ/ 2）と絶対値ベクトル範囲の制限が±5ピクセルに設定されていたに設定されていました。最後に、3×3pixel 2メディアンフィルタは、ノイズを抑制し、ベクトル場を滑らかにするために使用されていました。 </li><li> バッチ処理の画面の左側に、処理すべき画像の合計金額を選択して、 起動処理を選択します 。これは、相互相関アルゴリズムを使用して連続した超音波画像との間で、A、D（x、y）を変位場を計算します。 </li></ol> 6。ベクトル場の分析<ol><li>後処理とデータ解析のために、EPIVベクトルフィールドがtxtファイルとしてデイビスからエクスポートされます。これは、プロジェクト画面でJPEG画像の分岐の下ベクトル変位の分岐を選択することによって達成される。ツールバーで、[エクスポート]タブを選択し、ファイルタイプがASCIIを選択します。txtを選択して、/ exportフォルダを作成し、dは、[エクスポート]を選択します 。 </li><li>エクスポートされたベクトル場はBxxxxx.txt、Bはバッファを表すと00001≤≤99999 xxxxxは、名前が付けられています。各ファイルには、4つのデータ列が含まれます。画像内のベクトルの（1）のx位置、画像内のベクトルの（2）のy位置を、（3）変位のx成分（ すなわち流れの変位）、（4）変位のy成分（ すなわち 、壁垂直変位）。 Bxxxxx.txtファイルは、最初の画像のペアの間の時間ステップを知ることは、ΔT[s]とし、画像の倍率は、M [メートル/ピクセル]、 すなわちU（X、yで、速度場を計算するために、MATLABで開かれ、処理され）= MDの（x、y）/ΔTは 、。画像間の時間ステップΔT= 1/fps + D（x、y）はA / B、Bは [ピクセル/ s]は、超音波探触子がイメージの幅を横切って掃引するのにかかる時間である。本研究では、M = 77〔μm/ pixel]で、FPS = 49.5 [1 / s]とし、B = 25047 [画素/秒]。次に、ensem関心のある他のフロー量のうちBLE平均速度ベクトル場は、平均速度の壁垂直プロファイルは、計算されます。 （セクション描写結果を参照してください。） </li></ol>

<ol>
	<li>White, F. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Fluid Mechanics. , (1994).</li><li>Hak, M. G. a. d. -. e. l. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Flow Control: Passive, Active, and Reactive Flow Management. , (2000).</li><li>Kim, B. H., Hertzberg, J. R., Shandas, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+and+validation+of+echo+PIV.">Development and validation of echo PIV.</a> Exp. Fluids. 36, 455-462 (2004).</li><li>Zheng, H., Liu, L., Williams, L., Hertzberg, J. R., Lanning, C., Shandas, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Real+time+multicomponent+echo+particle+image+velocimetry+technique+for+opaque+flow+imaging.">Real time multicomponent echo particle image velocimetry technique for opaque flow imaging.</a> Appl. Phys. Lett. 88, 261915 (2006).</li><li>Beulen, B., Bijnens, N., Rutten, M., Brands, P., van de Vosse, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Perpendicular+ultrasound+velocity+measurement+by+2D+cross+correlation+of+RF+data.+Part+A:+validation+in+a+straight+tube.">Perpendicular ultrasound velocity measurement by 2D cross correlation of RF data. Part A: validation in a straight tube.</a> Exp. Fluids. 49, 1177-1186 (2010).</li><li>Poelma, C., Mari, J. M., Foin, N., Tang, M. -. X., Krams, R., Caro, C. G., Weinberg, P. D., Westerweel, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3D+Flow+reconstruction+using+ultrasound+PIV.">3D Flow reconstruction using ultrasound PIV.</a> Exp. Fluids. 50, 777-785 (2011).</li><li>GE VINGMED ULTRASOUND A/A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Vivid 7/Vivid 7 PRO Userâ€™s Manual. , (1988).</li><li>Szabo, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Diagnostic Ultrasound Imaging: Inside Out. , (2004).</li><li>Raffel, M., Willert, C., Wereley, S., Kompenhans, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Particle Image Velocimetry: A Practical Guide. , (2007).</li></ol>

著者らは、開示することは何もない。

光学的に不透明な流体中または光学的に不透明なジオメトリを通じ、速度の2次元フィールドを取得することが可能なエコー粒子画像流速（EPIV）システムの動作プロトコルが記述されていた。 EPIVの実用化は不透明な流体の流れは非常に多くのアプリケーションで発生した産業やバイオフローシステムの研究に適しています。ここに提示され、特定のシステムを意図的にリグノセルロース系エタノールの生産に使用される液化バイオマス流体の流動特性を研究するために建てられました。 EPIVの機能は、パイプ流の代表的な測定値を用いて実証された。具体的には、平均と実効速度プロファイルはEPIVベクトル場から計算した、ハーゲン·ポアズイユ（層）パイプ流は、測定、定量化することが示された。 EPIVの限界は、本質的に低いフレームレート（市販の超音波システムのイメージング機能によって制限される）と低空間分解能、whicアールhは速度、測定することができる一時的な流動挙動の範囲を制限します。我々は記事自己完結型を作るために努力してきたが最後に、商業超音波マシン7およびPIVソフトウェア8のユーザーマニュアルは、完全を期すために相談されるべきです。読者はまた、それぞれの超音波イメージングの基礎と粒子画像流速の包括的な見直しのために9と10と呼ばれています。

<table border="1"><tbody><tr><td>試薬の名称</td><td>会社</td><td>カタログ番号</td><td>コメント（オプション） </td></tr><tr><td>超音波装置</td><td> GE </td><td>鮮やかな7 Proの</td><td></td></tr><tr><td>リニア超音波アレイ</td><td> GE </td><td> 10リットル</td><td></td></tr><tr><td> DCの水ポンプ</td><td> KNF </td><td> NF 10 KPDC </td><td></td></tr><tr><td>ベクトル処理ソフトウェア</td><td> Lavision </td><td>デイビス7.2 </td><td></td></tr><tr><td>処理ソフトウェアを投稿</td><td> Mathworks社</td><td> MATLAB 7.12 </td><td></td></tr><tr><td>アクリルチューブ</td><td>マクマスター·カーR </td><td> 8486K531 </td><td></td></tr><tr><td>超音波ゲル</td><td>パーカー</td><td> Aquasonic 100 </td><td></td></tr></tbody></table>

echo particle image velocimetry

流体の流れの質量、運動量、エネルギーの輸送、最終的に流体速度場の時空間分布によって決定されます。1したがって、理解のための前提条件、予測、および流体の流れを制御することにより、十分な空間と速度場を測定するための機能であり、時間分解能2速度測定のために光学的に不透明な流体中または光学的に不透明なジオメトリを通じ、エコー粒子画像流速（EPIV）は速度の&quot;瞬間&quot;二次元のフィールドを生成するための魅力的な診断手法です。これで3,4,5,6紙、ハーゲン·ポアズイユのオペレーティングソフトウェア8が記載されている商業用粒子画像流速測定法（PIV）を実行しているPCと、商業、医療用超音波マシン7を統合することによって構築EPIVシステムのプロトコル、および検証の測定（ すなわち 、層流管）流れが報告されている。 EPIVメジャーのメンツ、医療用超音波マシンに接続されているフェーズドアレイプローブは、異なる時間に圧電プローブ要素にパルスを与えることにより、二次元超音波画像を生成するために使用されます。各プローブ要素には、流体中に超音波パルスを送信し、流体（天然またはシードのいずれか）のトレーサー粒子はバック彼らが記録されているプローブに超音波エコーを反映しています。伝送に対する反射超音波とその時間遅延の振幅は、Bモード（輝度モード）は、2次元超音波画像と呼ばれるものを作成するために使用されます。具体的には、時間遅延は、流体中の散乱体の位置を決定するために使用されており、振幅は散乱体に強度を割り当てるために使用されます。シングルBモード画像tを得るために必要な時間は、それはフェイズドアレイ探触子のすべての要素をパルス化するのに要する時間によって決定される。複数のBモード画像を取得するため、秒あたりのフレーム数でシステムのフレームレート（fps）= 1 /＆ドLTA;トン。 （超音波イメージングのレビューのために9を参照）。 典型的なEPIV実験では、フレームレートがフローの状態に応じて、20〜60 fpsの間にあり、フロー内のトレーサー粒子の空間分布の100から1000 Bモード画像が取得される。一旦獲得されると、Bモード超音波画像は、PIV商用ソフトウェアを実行しているPCへのイーサネット接続を介して転送されます。 PIVソフトウェア、トレーサ粒子の変位場は、D（x、y）を [ピクセル]を使用することで、（ここで、xとyはそれぞれ、超音波画像の水平方向と垂直方向の空間的な位置を示す）連続超音波に相互相関アルゴリズムを適用することによって取得され、B-モード画像10速度場は、u（x、y）は [m / s]と、画像のペアの間の時間ステップを知っているので、変位フィールドから決定され、ΔT[s]とし、画像の倍率は、M [メートル/ピクセル]、 すなわち、U（x、y）は = MDの（x、y）/ΔT。タイムステップbetween画像ΔT= 1/fps + D（x、y）はA / B、Bは [ピクセル/ s]は、超音波探触子がイメージの幅を横切って掃引するのにかかる時間である。本研究では、M = 77〔μm/ pixel]で、FPS = 49.5 [1 / s]とし、B = 25047 [画素/秒]。一旦獲得されると、速度場は、関心のある流れの数量を計算するために分析することができます。

瞬時エコー粒子画像流速（EPIV）ベクトル場を図3に示します。ベクトルプロットは、すべての4番目の列の速度ベクトルを示しており、背景色コンターマップは速度の大きさに対応しています。 1000年瞬時EPIVベクトルプロットにわたって平均アンサンブル平均ベクトルプロットを図4に示します。パイプ流と一致して、速度ベクトルは、流れ方向に主に、最大速度はパイプの中心線で発生し、速度は管壁でゼロに減少する。二乗平均平方根（rms）の速度の大きさの変動を図5に示します。ハーゲン·ポアズイユ流れの中で、実効速度は、ゼロでなければなりませんので、非ゼロの実効速度はEPIV測定におけるノイズを測定する方法を提供します高い画像を生成管壁からの超音波ビームの強い反射と屈折から上壁結果に近い高実効値iこの地域でntensitiesます（ 図2を参照）。測定誤差につながる壁の不明瞭な粒子強度の近くにこれらの高強度。行に沿っアンサンブル平均ベクトルプロット（水平方向）を平均化することによって計算された意地悪な流れ方向速度の壁垂直プロファイルを図6にプロットされています。黒の実線は、与えられた実験条件のハーゲン·ポアズイユ（層管）の流れの予想平均の流れ方向速度のプロファイルです。 EPIV測定と予想されるハーゲン·ポアズイユのプロファイルとの間の合意は、上壁近くで発生する最大偏差で、パイプの壁の近くにパイプの中心線と最悪の近くがベストです。我々は現在、管壁での超音波反射と屈折を低減し、壁近傍EPIV測定を改善する方法に取り組んでいます。 <img src="/files/ftp_upload/4265/4265fig1.jpg" alt="図1" /> Figure 1実験装置の概略図。水槽のポンプは、閉ループ配管系の流体（10μmのガラス微小球を播種した）を駆動する。リニア超音波探触子は、外装管壁に取り付けられ、パイプを通って超音波を送信し、10μmのガラス微小球とパイプの壁からの反射エコーを受信して​​います。超音波装置は、超音波Bモード画像を形成するために、反射された超音波を処理します。超音波Bモード画像は、商業のPIVソフトウェアを実行するPCにエクスポートされます。 <img src="/files/ftp_upload/4265/4265fig2.jpg" alt="図2" /> 図2パイプ流の生の超音波Bモード画像。画像の上部と下部のラインの高強度のバンドが管壁に対応しており、壁の内側に楕円体は、10メートルの中空ガラス微小球に対応しています。 ベクトルの矢印ごとに4番目の列を示す3。瞬時ベクトルのプロット図 。背景色コンターマップは速度の大きさに対応しています。 Dは管径、xは管入口から測定流れ位置であり、dは上壁から測定半径位置です。 <img src="/files/ftp_upload/4265/4265fig4.jpg" alt="図4" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/4265/4265fig4highres.jpg" /> 図4アンサンブル平均ベクトルプロットは1000瞬時EPIVベクトルプロットにわたって平均。ベクトルプロットは、すべての4番目の列の速度ベクトルを示しており、背景色コンターマップは速度の大きさに対応しています。パイプ流、流れのdirectioにおける速度ベクトルポイントと一致していnは、最大速度はパイプの中心線で発生し、速度は管壁でゼロに減少する。 <img src="/files/ftp_upload/4265/4265fig5.jpg" alt="図5" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/4265/4265fig5highres.jpg"/> 図5：二乗平均平方根（RMS）速度の等高線プロットは1000瞬時EPIVベクトルプロットの上で計算変動。ハーゲン·ポアズイユ流れでは、実効速度の変動がEPIV測定におけるノイズを測定する方法を提供します<img src="/files/ftp_upload/4265/4265fig6.jpg" alt="図6" fo:content-width="4in" fo:src="/files/ftp_upload/4265/4265fig6highres.jpg" /> 図6、図4に示すようにアンサンブル平均EPIVベクトル場から計算実験測定した平均流れ方向速度のプロファイル。黒の実線は理論であるretically実験的に測定されたものと同じ体積流量とハーゲン·ポアズイユ流れのプロファイルを期待した。パイプの中心線から測った径方向の位置は、上壁はR / D = -0.5に対応するR、で表されます。実験的なプロファイルと予想プロファイルの違いが壁近傍EPIV測定の難しさを示しています。

Watch this Scientific Journal Video about Echo Particle Image Velocimetry at JoVE.com

Echo Particle Image Velocimetry

光学的に不透明な流体中または光学的に不透明なジオメトリを通じ、速度の2次元フィールドを取得することが可能なエコー粒子画像流速（EPIV）システムが記載されており、パイプフローの検証測定が報告されています。

エコー粒子画像流速測定法

The transport of mass, momentum, and energy in fluid flows is ultimately determined by spatiotemporal distributions of the fluid velocity field.1 ...

Nanyang Technological University

Education

Research

JoVE Core

JoVE Journal

Physics

Civil Engineering

Mechanical Engineering

Engineering

Unit 1

Kinematics of a Particle

Fluid Kinematics

Vectors and Scalars

SCIENTISTS IN ACTION

14.6K ビュー.  University of New Hampshire. 光学的に不透明な流体中または光学的に不透明なジオメトリを通じ、速度の2次元フィールドを取得することが可能なエコー粒子画像流速（EPIV）システムが記載されており、パイプフローの検証測定が報告されています。

ビデオ: Echo Particle Image Velocimetry

Gradient Echo Quantum Memory in Warm Atomic Vapor

Gradient echo memory (GEM) is a protocol for storing optical quantum states of light in atomic ensembles. The primary motivation for such a technology is that quantum key distribution (QKD), which uses Heisenberg uncertainty to guarantee security of cryptographic keys, is limited in transmission distance. The development of a quantum repeater is a possible path to extend QKD range, but a repeater will need a quantum memory. In our experiments we use a gas of rubidium 87 vapor that is contained in a warm gas cell. This makes the scheme particularly simple. It is also a highly versatile scheme that enables in-memory refinement of the stored state, such as frequency shifting and bandwidth manipulation. The basis of the GEM protocol is to absorb the light into an ensemble of atoms that has been prepared in a magnetic field gradient. The reversal of this gradient leads to rephasing of the atomic polarization and thus recall of the stored optical state. We will outline how we prepare the atoms and this gradient and also describe some of the pitfalls that need to be avoided, in particular four-wave mixing, which can give rise to optical gain.

The gradient echo memory is a protocol for storing optical quantum states of light in atomic ensembles. Quantum memory is a key element of a quantum repeater, which can extend the range of quantum key distribution. We outline the operation of the scheme when implemented in a 3-level atomic ensemble.

暖かい原子蒸気に勾配エコー量子メモリ

Gradient  echo memory (GEM) is a protocol for storing optical quantum states of light in  atomic ensembles. The primary motivation for such a technology ...

工学

High-speed Particle Image Velocimetry Near Surfaces

Multi-dimensional and transient flows play a key role in many areas of science, engineering, and health sciences but are often not well understood. The complex nature of these flows may be studied using particle image velocimetry (PIV), a laser-based imaging technique for optically accessible flows. Though many forms of PIV exist that extend the technique beyond the original planar two-component velocity measurement capabilities, the basic PIV system consists of a light source (laser), a camera, tracer particles, and analysis algorithms. The imaging and recording parameters, the light source, and the algorithms are adjusted to optimize the recording for the flow of interest and obtain valid velocity data. 
Common PIV investigations measure two-component velocities in a plane at a few frames per second. However, recent developments in instrumentation have facilitated high-frame rate (&gt; 1 kHz) measurements capable of resolving transient flows with high temporal resolution. Therefore, high-frame rate measurements have enabled investigations on the evolution of the structure and dynamics of highly transient flows. These investigations play a critical role in understanding the fundamental physics of complex flows.
A detailed description for performing high-resolution, high-speed planar PIV to study a transient flow near the surface of a flat plate is presented here. Details for adjusting the parameter constraints such as image and recording properties, the laser sheet properties, and processing algorithms to adapt PIV for any flow of interest are included.

A procedure for studying transient flows near boundaries using high-resolution, high-speed particle image velocimetry (PIV) is described here. PIV is a non-intrusive measurement technique applicable to any optically accessible flow by optimizing several parameter constraints such as the image and recording properties, the laser sheet properties, and analysis algorithms.

表面近くの高速粒子画像流速

Multi-dimensional and transient flows play a key role in many areas of science, engineering, and health sciences but are often not well understood. The ...

Using Neutron Spin Echo Resolved Grazing Incidence Scattering to Investigate Organic Solar Cell Materials

The spin echo resolved grazing incidence scattering (SERGIS) technique has been used to probe the length-scales associated with irregularly shaped crystallites. Neutrons are passed through two well defined regions of magnetic field; one before and one after the sample. The two magnetic field regions have opposite polarity and are tuned such that neutrons travelling through both regions, without being perturbed, will undergo the same number of precessions in opposing directions. In this case the neutron precession in the second arm is said to &#34;echo&#34; the first, and the original polarization of the beam is preserved. If the neutron interacts with a sample and scatters elastically the path through the second arm is not the same as the first and the original polarization is not recovered. Depolarization of the neutron beam is a highly sensitive probe at very small angles (&#60;50&#160;&#956;rad) but still allows a high intensity, divergent beam to be used. The decrease in polarization of the beam reflected from the sample as compared to that from the reference sample can be directly related to structure within the sample.
In comparison to scattering observed in neutron reflection measurements the SERGIS signals are often weak and are unlikely to be observed if the in-plane structures within the sample under investigation are dilute, disordered, small in size and polydisperse or the neutron scattering contrast is low. Therefore, good results will most likely be obtained using the SERGIS technique if the sample being measured consist of thin films on a flat substrate and contain scattering features that contains a high density of moderately sized features (30 nm to 5 &#181;m) which scatter neutrons strongly or the features are arranged on a lattice. An advantage of the SERGIS technique is that it can probe structures in the plane of the sample.

Progress has been made in utilizing spin echo resolved grazing incidence scattering (SERGIS) as a neutron scattering technique to probe the length-scales in irregular samples. Crystallites of [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester have been probed using the SERGIS technique and the results confirmed by optical and atomic force microscopy.

中性子スピンエコーを使用して放牧発生率散乱を解決し、有機太陽電池材料を調査する

The spin echo resolved grazing incidence scattering (SERGIS) technique has been used to probe the length-scales associated with irregularly shaped ...

Development of an Experimental Setup for the Measurement of the Coefficient of Restitution under Vacuum Conditions

The Discrete Element Method is used for the simulation of particulate systems to describe and analyze them, to predict and afterwards optimize their behavior for single stages of a process or even an entire process. For the simulation with occurring particle-particle and particle-wall contacts, the value of the coefficient of restitution is required. It can be determined experimentally. The coefficient of restitution depends on several parameters like the impact velocity. Especially for fine particles the impact velocity depends on the air pressure and under atmospheric pressure high impact velocities cannot be reached. For this, a new experimental setup for free-fall tests under vacuum conditions is developed. The coefficient of restitution is determined with the impact and rebound velocity which are detected by a high-speed camera. To not hinder the view, the vacuum chamber is made of glass. Also a new release mechanism to drop one single particle under vacuum conditions is constructed. Due to that, all properties of the particle can be characterized beforehand.

The coefficient of restitution is a parameter that describes the loss of kinetic energy during collision. Here, a free-fall setup under vacuum conditions is developed to be able to determine the coefficient of restitution parameter for particles in micrometer range with high impact velocities.

真空条件下で反発係数の測定のための実験のセットアップの開発

The Discrete Element Method is used for the simulation of particulate systems to describe and analyze them, to predict and afterwards optimize their ...

Three-dimensional Particle Tracking Velocimetry for Turbulence Applications: Case of a Jet Flow

3D-PTV is a quantitative flow measurement technique that aims to track the Lagrangian paths of a set of particles in three dimensions using stereoscopic recording of image sequences. The basic components, features, constraints and optimization tips of a 3D-PTV topology consisting of a high-speed camera with a four-view splitter are described and discussed in this article. The technique is applied to the intermediate flow field (5 &#60;x/d &#60;25) of a circular jet at Re &#8776; 7,000. Lagrangian flow features and turbulence quantities in an Eulerian frame are estimated around ten diameters downstream of the jet origin and at various radial distances from the jet core. Lagrangian properties include trajectory, velocity and acceleration of selected particles as well as curvature of the flow path, which are obtained from the Frenet-Serret equation. Estimation of the 3D velocity and turbulence fields around the jet core axis at a cross-plane located at ten diameters downstream of the jet is compared with literature, and the power spectrum of the large-scale streamwise velocity motions is obtained at various radial distances from the jet core.

A three-dimensional particle tracking velocimetry (3D-PTV) system based on a high-speed camera with a four-view splitter is described here. The technique is applied to a jet flow from a circular pipe in the vicinity of ten diameters downstream at Reynolds number Re &#8776; 7,000.

ジェット流の場合：乱流のアプリケーションのための3次元粒子追跡流速

3D-PTV is a quantitative flow measurement technique that aims to track the Lagrangian paths of a set of particles in three dimensions using stereoscopic ...

Fabrication of Flexible Image Sensor Based on Lateral NIPIN Phototransistors

Flexible photodetectors have been intensely studied for the use of curved image sensors, which are a crucial component in bio-inspired imaging systems, but several challenging points remain, such as a low absorption efficiency due to a thin active layer and low flexibility. We present an advanced method to fabricate a flexible phototransistor array with an improved electrical performance. The outstanding electrical performance is driven by a low dark current owing to deep impurity doping. Stretchable and flexible metal interconnectors simultaneously offer electrical and mechanical stabilities in a highly deformed state. The protocol explicitly describes the fabrication process of the phototransistor using a thin silicon membrane. By measuring I-V characteristics of the completed device in deformed states, we demonstrate that this approach improves the mechanical and electrical stabilities of the phototransistor array. We expect that this approach to a flexible phototransistor can be widely used for the applications of not only next-generation imaging systems/optoelectronics but also wearable devices such as tactile/pressure/temperature sensors and health monitors.

We present a detailed method to fabricate a deformable lateral NIPIN phototransistor array for curved image sensors. The phototransistor array with an open mesh form, which is composed of thin silicon islands and stretchable metal interconnectors, provides flexibility and stretchability. The parameter analyzer characterizes the electrical property of the fabricated phototransistor.

横 NIPIN フォト トランジスタを用いた柔軟な画像センサーの作製

Flexible photodetectors have been intensely studied for the use of curved image sensors, which are a crucial component in bio-inspired imaging systems, ...

Simultaneous Measurement of Turbulence and Particle Kinematics Using Flow Imaging Techniques

Numerous problems in scientific and engineering fields involve understanding the kinematics of particles in turbulent flows, such as contaminants, marine micro-organisms, and/or sediments in the ocean, or fluidized bed reactors and combustion processes in engineered systems. In order to study the effect of turbulence on the kinematics of particles in such flows, simultaneous measurements of both the flow and particle kinematics are required. Non-intrusive, optical flow measurement techniques for measuring turbulence, or for tracking particles, exist but measuring both simultaneously can be challenging due to interference between the techniques. The method presented herein provides a low cost and relatively simple method to make simultaneous measurements of the flow and particle kinematics. A cross section of the flow is measured using a particle image velocimetry (PIV) technique, which provides two components of velocity in the measurement plane. This technique utilizes a pulsed-laser for illumination of the seeded flow field that is imaged by a digital camera. The particle kinematics are simultaneously imaged using a light emitting diode (LED) line light that illuminates a planar cross section of the flow that overlaps with the PIV field-of-view (FOV). The line light is of low enough power that it does not affect the PIV measurements, but powerful enough to illuminate the larger particles of interest imaged using the high-speed camera. High-speed images that contain the laser pulses from the PIV technique are easily filtered by examining the summed intensity level of each high-speed image. By making the frame rate of the high-speed camera incommensurate with that of the PIV camera frame rate, the number of contaminated frames in the high-speed time series can be minimized. The technique is suitable for mean flows that are predominantly two-dimensional, contain particles that are at least 5 times the mean diameter of the PIV seeding tracers, and are low in concentration.

The technique described herein offers a low cost and relatively simple method to simultaneously measure particle kinematics and turbulence in flows with low particle concentrations. The turbulence is measured using particle image velocimetry (PIV), and particle kinematics are calculated from images obtained with a high-speed camera in an overlapping field-of-view.

フロー イメージング技術を用いた粒子運動と乱流の同時測定

Numerous problems in scientific and engineering fields involve understanding the kinematics of particles in turbulent flows, such as contaminants, marine ...

Intermediate Strain Rate Material Characterization with Digital Image Correlation

The mechanical response of a material under dynamic load is typically different than its behavior under static conditions; therefore, the common quasistatic equipment and procedures used for material characterization are not applicable for materials under dynamic loads. The dynamic response of a material depends on its deformation rate and is broadly categorized into high (i.e., greater than 200/s), intermediate (i.e., 10&#8722;200/s) and low strain rate regimes (i.e., below 10/s). Each of these regimes calls for specific facilities and testing protocols to ensure the reliability of the acquired data. Due to the limited access to high-speed servo-hydraulic facilities and validated testing protocols, there is a noticeable gap in the results at the intermediate strain rate. The current manuscript presents a validated protocol for the characterization of different materials at these intermediate strain rates. Strain gauge instrumentation and digital image correlation protocols are also included as complimentary modules to extract the utmost level of detailed data from every single test. Examples of raw data, obtained from a variety of materials and test setups (e.g., tensile and shear) is presented and the analysis procedure used to process the output data is described. Finally, the challenges of dynamic characterization using the current protocol, along with the limitations of the facility and methods of overcoming potential problems are discussed.

Here we present a methodology for the dynamic characterization of tensile specimens at intermediate strain rates using a high-speed servo-hydraulic load frame. Procedures for strain gauge instrumentation and analysis, as well as for digital image correlation strain measurements on the specimens, are also defined.

デジタル画像相関法と中間ひずみ率材料解析

The mechanical response of a material under dynamic load is typically different than its behavior under static conditions; therefore, the common ...

3D Printing - Evaluating Particle Emissions of a 3D Printing Pen

Three-dimensional (3D) printing as a type of additive manufacturing shows continuing increase in application and consumer popularity. The fused filament fabrication (FFF) is an inexpensive method used most frequently by consumers. Studies with 3D printers have shown that during the printing process particulate and volatile substances are released. Handheld 3D printing pens also use the FFF method but the consumer&#8217;s proximity to the 3D pens gives reason to higher exposure compared to a 3D printer. At the same time, 3D printing pens are often marketed for children who could be more sensitive to the printing emission. The aim of this study was to implement a low cost method to analyze the emissions of 3D printing pens. Polylactide (PLA) and acrylonitrile butadiene styrene (ABS) filaments of different colors were tested. In addition, filaments containing metal and carbon nanotubes (CNTs) were analyzed. An 18.5 L chamber and sampling close to the emission source was used to characterize emissions and concentrations near the breathing zone of the user.
Particle emissions and particle size distributions were measured and the potential release of metal particles and CNTs investigated. Particle number concentrations were found in a range of 105 - 106 particles/cm3, which is comparable to previous reports from 3D printers. Transmission electron microscopy (TEM) analysis showed nanoparticles of the different thermoplastic materials as well as of metal particles and CNTs. High contents of metal were observed by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS).
These results call for a cautious use of 3D pens due to potential risk to the consumers.

This protocol presents a method to analyze the emission of 3D printing pens. Particle concentration and particle size distribution of the released particle is measured. Released particles are further analyzed with transmission electron microscopy (TEM). Metal content in filaments is quantified by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS).

3D プリント - 3D プリント ペンのパーティクル放出の評価

Three-dimensional (3D) printing as a type of additive manufacturing shows continuing increase in application and consumer popularity. The fused filament ...

Study of Protein Dynamics via Neutron Spin Echo Spectroscopy

Most human body proteins' activity and functionality are related to configurational changes of entire subdomains within the protein crystal structure. The crystal structures build the basis for any calculation that describes the structure or dynamics of a protein, most of the time with strong geometrical restrictions. However, these restrictions from the crystal structure are not present in the solution. The structure of the proteins in the solution may differ from the crystal due to rearrangements of loops or subdomains on the pico to nanosecond time scale (i.e., the internal protein dynamics time regime). The present work describes how slow motions on timescales of several tens of nanoseconds can be accessed using neutron scattering. In particular, the dynamical characterization of two major human proteins, an intrinsically disordered protein that lacks a well-defined secondary structure and a classical antibody protein, is addressed by neutron spin echo spectroscopy (NSE) combined with a wide range of laboratory characterization methods. Further insights into protein domain dynamics were achieved using mathematical modeling to describe the experimental neutron data and determine the crossover between combined diffusive and internal protein motions. The extraction of the internal dynamic contribution to the intermediate scattering function obtained from NSE, including the timescale of the various movements, allows further vision into the mechanical properties of single proteins and the softness of proteins in their nearly natural environment in the crowded protein solution.

Study of Protein Dynamics via Neutron Spin Echo Spectroscopy

The present protocol describes methods for investigating the structure and dynamics of two model proteins that have an important role in human health. The technique combines bench-top biophysical characterization with neutron spin echo spectroscopy to access the dynamics at time and length scales relevant for protein interdomain motions.

中性子スピンエコー分光法 による タンパク質ダイナミクスの研究

Most human body proteins' activity and functionality are related to configurational changes of entire subdomains within the protein crystal structure. The ...

エコー粒子画像流速測定法

要約

さらに動画を探す

この動画の章

暖かい原子蒸気に勾配エコー量子メモリ

表面近くの高速粒子画像流速

中性子スピンエコーを使用して放牧発生率散乱を解決し、有機太陽電池材料を調査する

真空条件下で反発係数の測定のための実験のセットアップの開発

ジェット流の場合：乱流のアプリケーションのための3次元粒子追跡流速

横 NIPIN フォトトランジスタを用いた柔軟な画像センサーの作製

フローイメージング技術を用いた粒子運動と乱流の同時測定

デジタル画像相関法と中間ひずみ率材料解析

3D プリント - 3D プリントペンのパーティクル放出の評価

中性子スピンエコー分光法によるタンパク質ダイナミクスの研究

エコー粒子画像流速測定法

要約

さらに動画を探す

この動画の章

暖かい原子蒸気に勾配エコー量子メモリ

表面近くの高速粒子画像流速

中性子スピンエコーを使用して放牧発生率散乱を解決し、有機太陽電池材料を調査する

真空条件下で反発係数の測定のための実験のセットアップの開発

ジェット流の場合：乱流のアプリケーションのための3次元粒子追跡流速

横 NIPIN フォト トランジスタを用いた柔軟な画像センサーの作製

フロー イメージング技術を用いた粒子運動と乱流の同時測定

デジタル画像相関法と中間ひずみ率材料解析

3D プリント - 3D プリント ペンのパーティクル放出の評価

中性子スピンエコー分光法 による タンパク質ダイナミクスの研究

横 NIPIN フォトトランジスタを用いた柔軟な画像センサーの作製

フローイメージング技術を用いた粒子運動と乱流の同時測定

3D プリント - 3D プリントペンのパーティクル放出の評価

中性子スピンエコー分光法によるタンパク質ダイナミクスの研究