Search

This thesis investigates interactions between solar wind and the magnetosphere of the Earth using two global magnetospheric simulation models, GUMICS-4 and Vlasiator, which are both developed in Finland. The main topic of the thesis is magnetic reconnection at the dayside magnetopause, its drivers and global effects. Magnetosheath mirror mode waves and their evolution, identification and impacts on the local reconnection rates at the magnetopause are also discussed. This thesis consists of four peer-reviewed papers and an introductory part. GUMICS-4 is a magnetohydrodynamic model solving plasma as a single magnetized fluid. Vlasiator is the world s first global magnetospheric hybrid-Vlasov simulation model, which solves the motion of ions by describing them as velocity distribution functions, whereas electrons are described as a charge neutralizing fluid. Vlasiator is able to solve ion scale physics in a global scale simulation. However, it is computationally heavy and the global simulations are currently describing Earth s magnetosphere only in two spatial dimensions, whereas the velocity space is three dimensional. This thesis shows that magnetic reconnection at the dayside magnetopause is controlled by several factors. The impact of dipole tilt angle and sunward component of the interplanetary magnetic field on magnetopause reconnection is investigated with a set of GUMICS-4 simulations. Using Vlasiator simulations, this thesis shows that local reconnection rate is highly variable even during steady solar wind and correlates well with an analytical model for 2D asymmetric reconnection. It is also shown that the local reconnection rate is affected by local variations in the magnetosheath plasma. Fluctuations in the magnetosheath parameters near X-lines are partly generated by mirror mode waves that are observed to grow in the quasi-perpendicular magnetosheath. These results show that that the local reconnection rate at the X-lines is affected not only by the fluct, Aurinkotuuli koostuu plasmasta eli suuresta määrästä sähköisesti varattuja hiukkasia, joita Aurinko jatkuvasti syöksee ympärilleen. Nämä varatut hiukkaset kantavat Auringon magneettikenttää mukanaan planeettojen väliseen avaruuteen. Aurinkotuulen sähkömagneettiset kentät vuorovaikuttavat Maan magneettikentän kanssa muodostaen Maan magnetosfäärin. Vaihtelut aurinkotuulen koostumuksessa, nopeudessa ja magneettikentän suunnassa ja voimakkuudessa aiheuttavat häiriöitä Maan magneetttikentässä. Näitä häiriöitä kutsutaan avaruussääksi. Jotta avaruussään rajuihin muutoksiin voidaan varautua, täytyy aurinkotuulen ja Maan magnetosfäärin vuorovaikutus tuntea. Tärkein vuorovaikutusmekanismi on magneettinen rekonnektio eli magneettisten kenttäviivojen uudelleenkytkeytyminen, jota tapahtuu magnetopausilla eli pinnalla, joka erottaa Maan magnetosfäärin aurinkotuulesta. Rekonnektio avaa Maan kenttäviivoja ja päästää energiaa ja plasmaa virtaamaan sisään ja ulos Maan magnetosfääristä. Tämä väitöskirja koostuu neljästä vertaisarvioidusta julkaisusta ja johdannosta, joissa tutkitaan aurinkotuulen ja Maan magnetosfäärin vuorovaikutusta käyttäen kahta laskennallista mallia. Toinen malli, GUMICS-4, perustuu magnetohydrodynamiikkaan eli plasman kuvailuun yhtenä magneettisena nesteenä. Toinen malli, Vlasiator, on maailman ainoa koko Maan magnetosfääriä kuvaava malli, jossa käytetään hybridi-Vlasov -menetelmää. Vlasiator mallintaa protonien käyttätymisen ratkaisemalla niiden nopeusjakaumien kehityksen, mutta elektronit se mallintaa nesteenä. Tämä metodi mahdollistaa ioniskaalan fysiikan mallintamisen, mutta on laskennallisesti huomattavasti raskaampi kuin plasman kuvaaminen yhtenä nesteenä, mistä johtuen Vlasiator-simulaatiot kuvaavat tällä hetkellä Maan magnetosfääriä ainoastaan kahdessa tilaulottuvuudessa. Ensimmäisessä julkaisussa tutkitaan magneettikentän aaltoja, joita kutsutaan peilimoodiksi, alueessa, joka on Maan magnetopausin ja sen keulashokin väliin jäävä pyörteinen välivyöhyke (

The position sensitive silicon particle detectors are widely used in the tracking systems of High Energy Physics experiments such as the CMS at LHC, the world's largest particle accelerator at CERN. The foreseen upgrade of the LHC to its high luminosity (HL) phase, will enable the use of maximal physics potential of the facility. However, after 10 years of operation the expected fluence will result in a radiation environment that is beyond the capacity of the present tracking system design. The required upgrade of the all-silicon central trackers will include higher granularity and radiation hard sensors that can tolerate the increased occupancy and the higher radiation levels. To address this, extensive measurement and simulation studies have been performed to investigate different designs and silicon materials. The work in this thesis has been carried out within the CMS Tracker Upgrade Project and the multi-experiment RD50 Collaboration. Simulations serve a vital role in device structure optimization and predicting the electric fields and trapping in the silicon sensors. The main objective of device simulations is by using professional software to develop an approach to both model and predict the performance of the irradiated silicon detectors. In the course of this thesis, an effective non-uniform defect model is developed using the Sentaurus TCAD simulation framework. The model reproduces both the observed bulk and surface properties and can predict the performance of strip detectors up to HL-LHC fluences. When applied to measurements of the position dependence of Charge Collection Efficiency, the model can provide a means for the parametrization of oxide charge accumulation at the detector s SiO2/Si interface as a function of irradiation dose. TCAD simulations are also applied for a comparative study of a thin p-on-p pixel sensor and a more conventional p-on-n pixel sensor. The simulations are used to provide an explanation to the measured charge collection beh, Paikkaherkkiä pii-hiukkasilmaisimia käytetään laajalti suurenergia-fysiikan kokeiden jälki-ilmaisin systeemeissä, kuten CMS:ssa LHC:lla, maailman suurimmalla hiukkaskiihdyttimellä CERN:issä. LHC:n edessä oleva päivitys korkean luminositeetin (HL) vaiheeseen tulee mahdollistamaan laitteiston fysiikkapotentiaalin maksimaalisen hyödyntämisen. Kymmenen vuoden toiminnan jälkeen odotettavissa oleva kokonaisannos tulee kuitenkin aiheuttamaan säteily-ympäristön, joka ylittää nykyisen jälki-ilmaisin systeemin kapasiteetin. Kokonaan piistä valmistetuille keskisille jälki-ilmaisimille edellytettyyn päivitykseen tulee kuulumaan suuremman rakeisuuden ja säteilynkestävyyden omaavia ilmaisimia, jotka pystyvät kestämään suurempia hetkellisiä hiukkasannoksia ja korkeampia säteilytasoja. Tämän johdosta on suoritettu laajoja mittaus- ja simulaatiotutkimuksia erilaisilla ilmaisinrakenteilla ja pii-materiaaleilla. Tässä väitöskirjassa esitetetty tutkimus on suoritettu CMS Tracker Upgrade-projektin ja RD50 kollaboraation puitteissa. Simulaatiot ovat oleellisessa osassa ilmaisinrakenteiden optimoinnissa sekä ennakoitaessa sähkökenttiä ja loukkuuntumista pii-ilmaisimissa. Ilmaisinsimulaatioiden pääasiallinen tavoite on kaupallisia ohjelmistoja käyttäen kehittää metodi säteilytettyjen pii-ilmaisimien toiminnan mallintamiseksi ja ennusteiden laatimiseksi. Tässä väitöskirjassa esitellään efektiivisen epäyhtenäisen säteilyvaurio-mallin kehitysprosessi Sentaurus TCAD simulaatio-ohjelmistopakettia käyttäen. Malli toisintaa kokeellisesti havaitut bulkki- ja pintaominaisuudet ja kykenee tuottamaan ennusteita nauhailmaisimille HL-LHC säteilyannoksiin asti. Sovellettuna varauksen keräystehokkuuden paikkariippuvuus mittauksiin, malli voi tarjota keinon oksidivarauksen akkumulaation parametrisointiin annoksen funktiona ilmaisimen pii-oksidi rajapinnalla. TCAD simulaatioita käyttäen on myös suoritettu vertaileva tutkimus ohuen p-on-p pikselisensorin ja tavanomaisemman p-on-n pikselisensorin välillä. Si