TDX/TDR - Departament de Física i Enginyeria Nuclear

Dynamical behavior of delay-coupled semiconductor lasers

Tue, 02 Apr 2013 06:49:50 GMT

Dynamical behavior of delay-coupled semiconductor lasers Martínez González, Cristina In this Thesis we have presented the results of a set of experimental investigations of the dynamics of delay-coupled semiconductor lasers. The characterization of these systems includes topics such as the processing of information by coupled lasers, the choice of a leader in their lag-synchronized dynamics, or how chaos arises in two coupled semiconductor lasers. • The transition to chaos of a semiconductor laser through a quasiperiodic state was reported in the past adding an optical feedback or through mutual coupling. We studied the quasiperiodic route to chaos of two semiconductor lasers mutually coupled through two independent unidirectional paths. The transition from unidirectional to bidirectional coupling was implemented by increasing the coupling strength of one of the paths, while keeping the other constant. We have seen how the transition from stable unidirectional injection to chaos arises through a quasiperiodic state. Adjusting the currents and temperatures of the lasers in a unidirectional configuration, we maximize the injection by choosing optical frequencies sufficiently close to each other. In this regime, the output intensity of the receiver laser is forced to oscillate at the relaxation oscillation frequency of the driver, with a delay time introduced by the interaction. When the back injection is slightly increased, the external modes of the other cavity are excited and the laser output becomes quasiperiodic. This quasiperiodic behavior is produced by a competition between the external compound-cavity modes and the relaxation oscillation frequencies of both lasers. When the mutual coupling is sufficiently high the chaotic behavior appears. • We have examined how a system of two coupled chaotic oscillators behaves under conditions of lag synchronization. Our experimental setup consists on two semiconductor lasers coupled via mutual injection of their emitted fields, and allows for the control of the coupling directionality. Our results show that the laser leading the dynamics changes depending on the coupling scenario. When one of the lasers has autonomous chaotic dynamics, in the form of irregularly spaced sudden power dropouts (low-frequency fluctuations), and this dynamics is injected into a solitary laser (which is stable in the absence of injection), the injecting laser obviously leads the dynamics. Such role, however, can be transferred to the other laser by converting the coupling from unidirectional to bidirectional. The transition occurs via a state in which the two lasers alternate randomly the leader and laggard roles. This type of behavior is not only restricted to the low-frequency dynamics that we have studied experimentally, but also to fully developed chaotic dynamics (coherence collapse) that occurs for higher pump currents, as shown by numerical simulations. Our model also shows that the type of dynamics can be changed in a continuous way by acting upon the optical feedback strength affecting the laser with independent dynamics. We have discussed the potential of this system for bidirectional chaotic communications. Our experimental results show that whenever one of the lasers leads the dynamics, the other laser (the laggard) is able to operate as a chaos-pass filter. However, we have not been able to send information bidirectionally in an effective way. Numerical simulations show that, even though the maximum cross-correlation is similar in both the unidirectional and bidirectional cases, sudden synchronization losses in the latter situation prevent the system from being used as a reliable setup for bidirectional chaotic communications.; En aquesta tesi presentem els resultats d’un conjunt d’investigacions en l’estudi de la dinàmica de làsers de semiconductor acoblats amb retràs. La caracterització d’aquests sistemes inclou estudis com l’intercanvi d’informació en làsers acoblats, el lideratge de la seva dinàmica sincronitzada o com sorgeix el caos en dos lasers de semiconductor acoblats. Es podrien resumir els resultats presentats en aquesta tesis de la forma següent: • Hem estudiat la ruta quasiperiòdica al caos de dos làsers de semiconductor mútuament acoblats a través de dos camins independents. La transició de l’acoblament unidireccional al bidireccional s’ha implementat incrementant la quantitat d’acoblament d’un dels camins mentres l’altre es mantenia constant. Hem comprovat com la transició desde una injecció unidireccional estable al caos passa a través d’un estat quasiperiòdic. Ajustant els corrents i temperatures dels làsers en una configuració unidireccional, maximitzavem la injecció apropant les respectives freqüències òptiques. En aquest règim, la intensitat de camp del làser receptor és forçada a seguir les oscil.lacions de relaxació del làser emissor, amb un retràs introduït per la interacció. Quan augmentem la injecció en el sentit contrari, els modes externs de la nova cavitat s’exciten i el làser mostra un comportament quasiperiòdic. Aquest comportament es produeix per la competició entre els modes propis de les dues cavitats, combinats amb les oscil.lacions de relaxació dels dos làsers. El comportament caòtic del sistema apareix quan l’acoblament mutu es suficientment gran. • Hem examinat el comportament sota condicions de sincronització retardada d’un sitema de dos oscil.ladors caòtics acoblats. El nostre sistema experimental consisteix en dos làsers de semiconductor acoblats via la injeció mútua dels seus camps emesos. La direccionalitat de l’acoblament es pot controlar externament. Els resultats mostren que el làser que dirigeix la dinàmica canvia depenent del tipus d’acoblament. Quan un dels làsers té dinàmica caòtica independent, en forma de caigudes d’intensitat irregulars (low-frequency fluctuations o LFF), I aquesta és injectada a un làser solitari el qual és estable en absència d’injecció, obviament l’injectant dirigeix la dinàmica del sistema acoblat. Aquest rol, tantmateix, es pot transferir a l’altre làser canviant l’acoblament d’unidireccional a bidireccional o mutu. La transició passa a través d’un estat d’alternança en la que el rol de líder canvia de manera aleatòria entre els dos làsers. Aquesta mena de comportament no està restringit només a la dinàmica de baixa freqüència com són les LFF, sino que es mostra també en altres dinàmiques caòtiques com el colapese de coherència (a més altes corrents de bombeig), tal com hem mostrat en les simulacions numèriques. El model també mostra que el tipus de dinàmica pot canviar-se de manera contínua variant la intensitat del feedbak del làser amb dinàmica independent. Hem discutit la biabilitat del sistema per a comunicacions caòtiques bidireccionals. Els nostres experiments mostren que quan un dels làsers lidera la dinàmica l’altre actúa com a filtre passa-baixes. Tot i així, no hem sigut capaços d’enviar informació bidireccionalment en una manera efectiva. Les simulacions numèriques mostren que tot i que el màxim de la correlació creuada és similar per el cas unidireccional com per al bidireccional, les sobtades pèrdues de sincronització en el cas bidireccional impedeixen la utillització del sistema per comunicacions caòtiques bidireccionals.

AxisSPH:devising and validating an axisymmetric smoothed particle hydrodynamics code

Mon, 09 Jul 2012 11:12:17 GMT

AxisSPH:devising and validating an axisymmetric smoothed particle hydrodynamics code Relaño Castillo, Antonio A two-dimensional axisymmetric implementation of the smoothed particle hydrodynamics (SPH) technique, called for short AxisSPH, has been described in this thesis, along with a number of basic tests and realistic applications. The main goal of this work was to fill a gap on a topic which has been scarcely addressed in the published literature concerning SPH. Although the application of AxisSPH to the simulation of real problems is restricted to those systems which display the appropriate symmetry there are, however, many interesting examples of physical systems which evolve following the axisymmetric premise. These examples belong to a variety of scientific and technological areas such as, for example, astrophysics, laboratory astrophysics or inertial confinement fusion. Additionally AxisSPH can be also useful in convergence studies of the standard 3D-SPH technique because the higher resolution achieved in 2D can be used to benchmark the three-dimensional codes. The main improvements implemented in AxisSPH with respect existing axisymmetric SPH formulations are summarized as follows: 1) We have derived simple analytical expressions for correction factors which largely improves the calculation of density and velocity in the vicinity of the z-axis. These expressions and their derivatives were given as a function of an adimensional parameter and do not increase the computational load of the scheme. 2) We have obtained the appropriate expression of the fluid Euler equations containing the new correction functions and their derivatives. Far enough from the singular axis, the scheme reduces to the standard formulation discussed by Brookshaw (2003). 3) A novel expression for the heat conduction term, which has to be added to the energy equation was devised and checked. This new term improves the description of the heat flux for those particles located at the axis neighborhoods. 4) Until now axisymmetric SPH hydrocodes handle artificial viscosity using a crude approach because it was treated as a simple restriction of the standard 3D Cartesian viscosity to 2D. Here we propose to calculate the viscous pressure as a combination of two terms, the first one is the (standard) Cartesian part and the second is the axis-converging part of the viscosity respectively. As expected this last term is of special relevance to simulate implosions. 5) We have developed an original method to incorporate gravity into AxisSPH. First the direct ring to ring force was found as a function of the Euclidean distance between the 2D particles. In second place the gravitational force on a given particle was obtained by summing the contributions of all N particles. We have also developed a more efficient scheme to obtain the gravitational force calculating the potential of the ring, instead the force because it involves lesser algebraic operations. The scheme has been checked using a large number of tests cases. These tests range from very specific oriented to check a particular algorithm or a piece of physics, to rather complex ones intended to analyze the behavior of the scheme in potential real applications (ICF, jets, astrophysics). At least in one case, the head on collision of a pair of white dwarfs, the result of the simulations carried out using AxisSPH brings new, unpublished, scientific material.; En esta tesis se ha desarrollado un código, que hemos llamado AxisSPH, en dos dimensiones axisimétrico a partir de la técnica conocida como SPH (“smooothed particle hydrodynamics”). AxisSPH ha sido validado después de realizar una serie de tests básicos y algunas simulaciones de situaciones reales. El objetivo principal de este trabajo ha sido llenar, en parte, el vacío existente al respecto en la literatura sobre SPH. Aunque sólo se puede aplicar AxisSPH en problemas reales que presenten la apropiada simetría, existen muchos ejemplos interesantes de sistemas físicos que presentan la simetría axial demandada. Existen ejemplos en campos de aplicación tanto científica como tecnológica, por ejemplo en astrofísica, en el llamado laboratorio de astrofísica o en fusión por confinamiento inercial (ICF). Otra interesante aplicación de AxisSPH puede ser su utilización en estudios de convergencia con otros códigos 3D-SPH debido a su mayor resolución, al tratarse de un código 2D. Las mejoras implementadas en el código AxisSPH en comparación con otros códigos axisimétricos SPH existentes se pueden resumir en los siguientes puntos: 1) Hemos deducido expresiones analíticas simples para unos factores de corrección que mejoran el cálculo de la densidad y la velocidad en las proximidades del eje z. Dichas expresiones y sus derivadas dependen de un parámetro adimensional que no incrementa mucho el peso computacional del esquema propuesto. 2) Hemos obtenido las expresiones adecuadas de las ecuaciones de Euler que contienen estas nuevas funciones correctoras y sus derivadas. Lejos del eje de singularidad estas ecuaciones se transforman en las de la formulación estándar propuesta por Brookshaw (2003). 3) Una expresión novedosa del término de conducción, que debe de añadirse a la ecuación de la energía, se ha propuesto y validado. Este nuevo término mejora la evolución del flujo de calor de las partículas situadas en las proximidades del eje z. 4) Hasta el momento los códigos hidrodinámicos SPH axisimétricos existentes trabajaban con una aproximación poco elaborada de la viscosidad artificial ya que consistían en una restricción a dos dimensiones de la viscosidad estándar 3D. En este trabajo proponemos el cálculo de la presión debida a la viscosidad como combinación de dos términos, el primero reflejo de la parte cartesiana y la segunda da cuenta de la parte relacionada con la convergencia en el eje. Como era de esperar este último término es de relevante importancia en la simulación de implosiones. 5) Hemos desarrollado un método original para incorporar el cálculo de la gravedad en el código AxisSPH. En primer lugar la fuerza directa de anillo a anillo y en segundo lugar la fuerza de la gravedad que sufre una determinada partícula a partir de la contribución del resto de las N partículas existentes. También hemos desarrollado un esquema más eficiente para calcular la gravedad a partir del cálculo del potencial del anillo en lugar del cálculo directo de la fuerza ya que implica un menor número de operaciones algebraicas. El método ha sido verificado con un gran número de test numéricos. Desde los más específicos orientados a comprobar la validez de un algoritmo particular o la capacidad para simular un fenómeno físico en particular, hasta simulaciones bastante más complejas, con la intención de validar la capacidad de simular aplicaciones potencialmente más reales (ICF, jets, astrofísica). Así, en al menos un caso, en la colisión frontal de dos enanas blancas, los resultados de la simulación utilizando AxisSPH pueden aportar material científico publicable.

Caracterización de aerosoles radiactivos en la ciudad de Barcelona

Mon, 04 Jun 2012 15:58:52 GMT

Caracterización de aerosoles radiactivos en la ciudad de Barcelona González de Perosanz, Miguel Àngel This research work has been developed in order to contribute to the knowledge of radioactive aerosol characteristics and their behaviour in the atmosphere. The study was carried out in the city of Barcelona. The Instituto de Técnicas Energéticas (INTE) of the Universidad Politécnica de Cataluña (UPC) has a wide variety of devices for measuring radioactive aerosols. Therefore, a bibliographical study of natural and artificial atmospheric aerosols was developed. New devices were acquired during the couse of this work: a device for the measurement of the dimensional spectrum of radioactive aerosol particles and another for the measurement of dry and wet deposition. The radionuclides analyzed in this work are the following: Rn-222 progeny, Be-7, K-40, Pb-210 and Cs-137. The information obtained by means of these devices has enabled us to develop a statistical analysis, that might be used to take decisions within the framework of environmental radiological surveillance. Correlations between the radioactive aerosols and meteorological parameters were also studied in order to draw conclusions about radioactive aerosol behaviour. These correlations might be useful for developing studies at other locations. The study of the activity median aerodynamic diameter of the radioactive aerosol particles allowed us to estimate the mean residence time and origin of the aerosol particles. The measurements developed with the dry and wet deposition devices provided us with information on the deposition velocities of some radioactive aerosols for the first time in the city of Barcelona. Cs-137 detection was classified according to the possible origin of different air masses reaching Barcelona. Therefore, with such information it was possible to analyze the probability of measuring re-suspended Cs-137 transported by air masses from different regions. Finally, the appendices include the resolution of basic general equations that enable us to calculate the concentrations of radioactive aerosol concentrations in the air for the measurement devices that are available at the INTE.; El trabajo de investigación realizado pretende contribuir al conocimiento de las características de los aerosoles radiactivos, así como a su comportamiento en la atmósfera. El estudio descrito en este trabajo se ha llevado a cabo en la ciudad de Barcelona, donde el Instituto de Técnicas Energéticas (INTE) de la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC) dispone de una gran variedad de equipos para la medida de los aerosoles radiactivos. Así, se ha realizado un estudio bibliográfico del grupo de aerosoles naturales y artificiales que se pueden encontrar en la atmósfera. La instrumentación mencionada ha sido ampliada durante la realización de la tesis. Concretamente, se ha puesto en marcha un equipo para la medida del espectro dimensional de las partículas que componen el aerosol radiactivo y otro para la medida de la deposición seca y húmeda. El grupo de radionucleidos que ha sido analizado comprende los descendientes de vida corta del Rn-222, Be-7, K-40, Pb-210 y Cs-137. El volúmen de información obtenida mediante estos equipos ha permitido llevar a cabo un análisis estadístico, que puede ser utilizado como soporte para la toma de decisiones en el marco de las redes de vigilancia radiológica ambiental. También se han estudiado las correlaciones de los aerosoles radiactivos con diferentes parámetros meteorológicos, con la finalidad de obtener conclusiones acerca del comportamiento de los aerosoles radiactivos en Barcelona y que, así mismo, puede ser de utilidad para estudios en otras localizaciones. El estudio del crecimiento del tamaño de las partículas del aerosol radiactivo ha permitido estimar el tiempo de residencia de los aerosoles radiactivos. Además, a partir del valor del tiempo de residencia se ha podido obtener información sobre el “envejecimiento” y estimar el origen del aerosol. Las medidas realizadas con el monitor de deposición seca y húmeda han llevado a conocer, por primera vez en la ciudad de Barcelona, la velocidad de deposición de algunos aerosoles radiactivos. Las detecciones de Cs-137 se han clasificado de acuerdo con posibles origenes de masas de aire que alcanzan la ciudad de Barcelona. Así, con dicha información se ha podido analizar la probabilidad de que la masa de aire transporte Cs-137 resuspendido de diferentes regiones. Finalmente, se ha incluido en los anexos de la tesis la solución de las ecuaciones básicas generales que permiten calcular las concentraciones en el aire de los distintos aerosoles radiactivos para cada uno de los equipos de medida existentes en el INTE.

Monte Carlo and experimental small-field dosimetry applied to spatially fractionated synchrotron radiotherapy techniques

Wed, 30 May 2012 11:46:01 GMT

Monte Carlo and experimental small-field dosimetry applied to spatially fractionated synchrotron radiotherapy techniques Martínez Rovira, Immaculada Two innovative radiotherapy (RT) approaches are under development at the ID17 Biomedical Beamline of the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF): microbeam radiation therapy (MRT) and minibeam radiation therapy (MBRT). The two main distinct characteristics with respect to conventional RT are the use of submillimetric field sizes and spatial fractionation of the dose. This PhD work deals with different features related to small-field dosimetry involved in these techniques. Monte Carlo (MC) calculations and several experimental methods are used with this aim in mind. The core of this PhD Thesis consisted of the development and benchmarking of an MC-based computation engine for a treatment planning system devoted to MRT within the framework of the preparation of forthcoming MRT clinical trials. Additional achievements were the definition of safe MRT irradiation protocols, the assessment of scatter factors in MRT, the further improvement of the MRT therapeutic index by injecting a contrast agent into the tumour and the definition of a dosimetry protocol for preclinical trials in MBRT.

Study of thermal transitions in polymers by a multifrequency modulated DSC technique

Wed, 15 Feb 2012 09:20:29 GMT

Study of thermal transitions in polymers by a multifrequency modulated DSC technique Fraga Rivas, Iria Differential Scanning Calorimetry (DSC) is one of the most widely used thermal analysis techniques for the study of transitions and relaxation processes in polymers and also in other materials. It measures the heat flow as a function of time and/or temperature, and determines the energy released or absorbed by a sample when it is heated (cooled) or maintained at a constant temperature. Its advantages are that it is fast and sensitive, the amount of sample needed is small (~mg), it could be in the liquid or solid state and the sample preparation is easier than for some other techniques. Nevertheless, it present some drawbacks, such as not being able to separate different overlapping transitions that happen in the same temperature range, the difficulty of detecting very weak transitions, or the requirement for multiple experiments to determine heat capacities that increases the experimental time needed. Temperature modulated DSC techniques (TMDSC) were introduced in the market more than 16 years ago. In these techniques a periodic temperature modulation of small amplitude is superimposed on the underlying rate of conventional DSC. This superposition gives two different heating rates: the underlying and the instantaneous due to the sinusoidal signal, thus permitting a better resolution and sensitivity (in DSC a better resolution gives a worse sensitivity and vice versa) and the evaluation of the heat capacity in real time. TMDSC is able to determine not only the total heat flow but also its two individual components usually referred to as “reversing” and “non-reversing”, thus it is possible to separate overlapped transitions. Although TMDSC offers more information than that available by DSC it also shows some drawbacks as the use of lower underlying heating rates than in conventional DSC which leads to longer experiments, or the requirement of making a separate scan for each frequency if one wishes to study, for example, the frequency dependence of a certain phenomenon. More recently, in 2005, TOPEM, a new technique of TMDSC from Mettler-Toledo, was commercialised. Instead of being based upon a periodic modulation of the heating rate, as is the situation with other TMDSC techniques, TOPEM uses a stochastic modulation of the heating or cooling rate by means of random pulses of temperature. This stochastic perturbation introduces a broad frequency spectrum in the response, which implies that TOPEM is apparently able to determine the complex heat capacity over a range of frequencies in a single scan. In the present thesis, a detailed description of the bases and operation of TOPEM is presented, showing the differences between the other calorimetric techniques, DSC and TMDSC. All the parameters which define an experiment and the parameters needed to make an evaluation of the experimental response are explained. The glass transition of polycarbonate is selected to make an initial study of the influence of all the different parameters (experimental and calculation) on the results of an experiment. Different samples are employed and different experiments by TOPEM and ADSC (TMDSC technique specific of Mettler- Toledo) are performed and compared. The limits and advantages offered by TOPEM are observed and presented here, and with a more profound understanding of the technique as a result, additional materials and transitions are studied. In the next part, an epoxy resin with a diamine is selected to be studied. The vitrification during the isothermal cure is studied by TOPEM. The results are again compared with those obtained by TMDSC and the additional information obtained is analyzed and compared with additional results obtained from the literature. With the aim to confirm some experimental data observed, a simulation is made with MATLAB to confirm the experimental results. It is found that the theoretical results not only predict the calorimetric data, but also those obtained from dielectric analysis at higher frequencies which were extracted from the literature. In the next part, the same epoxy resin with a diamine is selected. The vitrification and devitrification during the non-isothermal cure is analyzed by TOPEM. The results obtained permit to construct a CHT diagram (conversion-time-temperature) which characterized the system. As in the previous case a simulation is made with MATLAB and the theoretical results obtained compare well with the experimental data. Finally, some preliminary experiments related to other transitions are presented and are planned to be studied in the future.; La calorimetría diferencial de barrido (DSC) es una técnica ampliamente utilizada desde el año 1963 en la caracterización térmica de polímeros y otros materiales. En DSC se mide el calor absorbido o emitido por una muestra cuando es sometida a un programa de calentamiento (enfriamiento) o bien es mantenida a una temperatura constante. Sus ventajas es que es una técnica rápida, con gran sensibilidad, no requiere una preparación previa de las muestras, el tamaño de las mismas es pequeño (~mg) y pueden analizarse en estado líquido o sólido. Sin embargo, presenta algunas desventajas: no es posible detectar transiciones muy débiles, ni separar aquellas que aparecen superpuestas en el mismo rango de temperaturas y para la determinación de capacidades caloríficas exige la realización de varios experimentos separados lo que se traduce en un tiempo de experimentación en ocasiones muy largo. Hace 15 años comenzó a comercializarse la calorimetría diferencial de barrido con temperatura modulada (TMDSC). Lo que la diferencia de la calorimetría DSC convencional es que al tipo de barrido utilizado en DSC se superpone una señal periódica sinusoidal de modulación de temperatura de pequeña amplitud. Esta superposición da lugar a dos tipos de velocidad: una es la velocidad base de calentamiento (enfriamiento) y la otra de superposición de la señal modulada, algo que proporciona ciertas ventajas. Por ejemplo ofrece al mismo tiempo una buena resolución y una buena sensibilidad (en DSC la mejora de la sensibilidad lleva asociada pérdida de resolución y viceversa) o la evaluación de la capacidad calorífica a tiempo real. La TMDSC permite separar el flujo de calor total en dos componentes, reversing y non-reversing, permitiendo así separar transiciones que aparezcan superpuestas. Aunque si bien la TMDSC ofrece más información que el DSC convencional también presenta algunas desventajas como son el uso de velocidades más lentas que en DSC lo que implica tiempos de experimentación largos, o la necesidad de hacer un barrido para cada frecuencia en el caso de querer estudiar la dependencia en frecuencias de un determinado fenómeno. En el año 2005, se comenzó a comercializar TOPEM, una técnica también de temperatura modulada de Mettler-Toledo, en la que la modulación de la temperatura en lugar de ser periódica es estocástica, lo que introduce un amplio espectro de frecuencias en la respuesta cuya principal ventaja es que permite analizar la capacidad calorífica de una muestra en un rango de frecuencias realizando sólo un único barrido. En la presente tesis se ofrece una descripción de las bases del funcionamiento de TOPEM, mostrando las diferencias que presenta respecto a las mencionadas técnicas calorimétricas DSC y TMDSC. Se da una explicación detallada de todos parámetros que definen un experimento, así como los necesarios para realizar el cálculo de la respuesta experimental obtenida y otros parámetros importantes a tener en cuenta al utilizar TOPEM. En un primer estudio se selecciona la transición vítrea del policarbonato para comenzar a trabajar con la nueva técnica. Con diferentes muestras y realizando experimentos tanto de TOPEM como de ADSC (nombre de la técnica TMDSC específica de la casa comercial Mettler-Toledo) se comparan los resultados obtenidos con ambas técnicas. Se realiza un minucioso análisis de la influencia de los parámetros experimentales y de evaluación en los resultados obtenidos. Se observan y presentan los límites y ventajas ofrecidos por TOPEM y se establece una metodología de experimentación y evaluación con el fin de trabajar con otros materiales y transiciones. En la siguiente parte, se selecciona una resina epoxi con una diamina, y se aplica la técnica a la vitrificación durante el curado isotermo. Los resultados se comparan con los obtenidos por TMDSC y la información adicional obtenida es analizada y comparada con resultados extraídos de la bibliografía. Con el fin de confirmar algunos datos, se realizó una simulación con MATLAB que además de coincidir con los resultados experimentales previos, también coincide con diferentes resultados obtenidos con análisis dieléctrico a más altas frecuencias. En la siguiente parte, la misma resina epoxi con la diamina es sometida a curados no –isotermos para estudiar su vitrificación y posterior devitrificación. Se comprobaron las ventajas ofrecidas por TOPEM y se construyó un diagrama CHT (conversión-tiempo-temperatura) para caracterizar el sistema. Como en el caso anterior, una simulación realizada con MATLAB predice los resultados obtenidos experimentalmente. Por último, se presentan algunos experimentos previos realizados con diversos materiales en los que se obtienen interesantes resultados para ser ampliados y analizados en el futuro.

Multi-dimensional simulations of mixing in classical novae

Fri, 30 Dec 2011 09:24:27 GMT

Multi-dimensional simulations of mixing in classical novae Casanova Bustamante, Jordi Classical nova explosions are stellar explosions that take place in close binary systems with an energy release only exceeded by gamma-ray bursts and supernova explosions. Matter from the white dwarf flows through the inner lagrangian point and spirals in towards the white dwarf for about 10^4-10^5 years, forming an accretion disk around it. Ultimately, part of this hydrogen-rich matter piles-up on top of the compact object and becomes partially degenerate due to the high densities attained. Consequently, temperature is allowed to rise, but the envelope does not experience any expansion. Actually, this is the key mechanism that controls the subsequent phases and powers a thermonuclear runaway, which is followed by an ejection of part of the accreted envelope. The ejecta are enriched with the products from the nuclear processes, presenting a final metallicity much above solar. This model, introduced in the early 70s, is a solid theory that can account for the gross scenario of nova explosions. Nevertheless, the theory relies on the fact that a mixing episode with matter from the white dwarf core has to take place at the core-envelope interface to successfully account for the high metallicities inferred from observations. During the past 40 years, theoreticians have performed many one-dimensional simulations, which can reproduce the abundances in the ejecta and other important observational properties. However, these calculations performed in spherical symmetry cannot study the mixing process, since they exclude a suite of very important multi-dimensional effects, such as convection. Therefore, multi-dimensional calculations are required to shed light into the mixing episode. In this thesis we have performed two- and three- dimensional simulations of CO novae to study the mixing mechanisms operating at the core-envelope interface, how convection sets in and how the deflagration spreads over the domain, by means of the Eulerian, parallelized, hydrodynamical FLASH code. The two-dimensional results show how convection sets in at the innermost envelope layers, after the appearance of temperature fluctuations that arise from the interface. Convection, in turn, powers the formation of kelvin-Helmholtz instabilities, which efficiently dredge-up 12C from the core and carry it into the envelope, reproducing correctly the high metallicity found in the ejecta. This result solves the controversy generated by the two existing two-dimensional calculations up-to-date. We have also realized a sensitivity study to analyze the impact of some initial parameters, such as the temperature perturbation, resolution of the simulations and the size of the computational domain. The results point out that these parameters have a negligible impact on the degree of mixing and, therefore, the calculations are not affected by numerical artifacts. Although two-dimensional calculations can quantitatively reproduce the mixing episode, they cannot describe correctly the convective pattern due to conservation of vorticity, which translates into recombination of the convective cells. Therefore, we have extended the work to three dimensions and performed the first three-dimesional model of mixing in classical novae up-to-date. These calculations can successfully reproduce the intermittency present in turbulent convection, with an energy cascade into smaller scales which clearly fulfills the Kolmogorov theory, while the thermonuclear runaway continues propagating with almost spherical symmetry. Mixing proceeds through the filamentary structure powered by robust kelvin-Helmholtz instabilitites that arise from the interface, resulting in a CNO enhancement which agrees with observations. This convective profile also generates density contrasts that could be the origin of the inhomogeneous distribution of chemical species.; Les explosions de noves tenen lloc en un sistema estel.lar binari, on un dels estels ha arribat a la fi de la seva vida convertit en una nana blanca. En sistemes binaris molt propers, l'estel acompanyant cedeix part del seu gas (material ric en hidrogen), el qual s'arremolina al voltant de la nana blanca durant prop de 10^4 - 10^5 anys. Una fracció d'aquest material acaba apilant-se a la superfície de l'objecte compacte i esdevé parcialment degenerat com a conseqüència de l'elevada densitat. Aquest fet és clau en el procés, ja que permet que la temperatura augmenti sense que es produeixi una expansió de l'embolcall, desencadenant un allau termonuclear i finalment, l'ejecció de matèria. El material ejectat està enriquit amb els isòtops processats en les reaccions nuclears, presentant una metal.licitat molt superior a la solar. Aquest model, presentat a principis dels anys 70, és una teoria sòlida que explica raonablement l'explosió de noves. No obstant, la teoria rau en el fet que s'ha de produir un procés de barreja entre el material de la nana blanca i el material de les capes més internes de l'embolcall per poder explicar l'alta metal.licitat que s'observa en el material ejectat. Durant els últims 40 anys, s'han fet molts estudis en una dimensió que aconsegueixen reproduir correctament les abundàncies del material ejectat i altres importants propietats observacionals, però que no poden explicar com es produeix el procés de barreja, ja que aquests càlculs amb simetria esfèrica exlouen tota una sèrie d'importants fenòmens multidimensionals. Per tant, per estudiar aquests aspectes de la teoria es requereixen estudis multidimensionals. En aquesta tesi hem realitzat simulacions en dues i tres dimensions de noves de CO per estudiar els mecanismes de barreja que es produeixen a la interfície del nucli de la nana blanca i l'embolcall, com s'estableix la convecció i com es propaga el front deflagratiu, mitjançant el codi hidrodinàmic FLASH, que és Eulerià i està paral.lelitzat. Els resultats en dues dimensions mostren com es genera convecció a les capes més internes de l'embolcall, després de la formació de fluctuacions de temperatura a la interfície. La convecció, al seu torn, origina inestabilitats Kelvin-Helmholtz que transporten eficientment 12C del nucli cap a l'embolcall, aconseguint reproduir correctament el grau de metal.licitat observat. Aquest resultat resol la controvèrsia generada pels dos estudis en dues dimensions realitzats fins ara. També hem realitzat un estudi per analitzar l'impacte dels paràmetres inicials tals com la perturbació inicial, la resolució de les simulacions o les dimensions del domini computacional. Els resultats indiquen que cap d'aquests paràmetres influeix en el grau de barreja final i, per tant, que els càlculs no estan condicionats per aspectes numèrics. Finalment, hem presentat el primer model tridimensional de barreja de noves fet fins ara. Aquest càlcul és necessari, ja que les simulacions bidimensionals, tot i que quantitativament reprodueixen la barreja esperada, no poden representar el patró convectiu correctament, degut a la conservació de la vorticitat, fent que les cel.les convectives esdevinguin cada cop més grans. El nostre càlcul aconsegueix reproduir el comportament intermitent de la turbulència, amb una cascada d'energia que flueix cap a escales cada cop més petites, tal i com prediu la teoria de Kolmogorov, alhora que el front convectiu avança pràcticament amb simetria esfèrica. La barreja procedeix a través de l'estructura filamentosa originada per l'aparició de potents inestabilitats Kelvin-Helmholtz a la interfície, obtenint-se una metal.licitat final a l'embolcall que concorda amb els valors observacionals. Aquest patró convectiu també genera contrastos de densitat que podrien ser l'origen de la distribució inhomogènia que presenten les espècies químiques.

Dynamics in orientationally disordered solids

Mon, 12 Sep 2011 10:45:59 GMT

Dynamics in orientationally disordered solids Martínez García, Julio César The key features of dynamics of ultraslowing glass forming systems are their universality in diversity. Its origin is recognized as one of the greatest challenges of condensed matter physics and materials engineering in the XXI century. Similar phenomena are observed on approaching the glass transition in low molecular weight supercooled liquids, polymers, colloidal fluids as well as in solids, for instance in orientationally disordered crystals, spin glass-like magnetic, vortex glasses. Pre-vitreous dynamics is also proposed as a general reference for the category of complex liquids/soft matter systems. The upsurge of the primary relaxation time or related dynamical properties is the basic physical phenomena of the still mysterious previtreous behavior. This means a much more pronounced slowing down than the Arrhenius pattern observed far above the glass transition temperature. Portraying this behavior constitutes one of key checkpoints for theoretical models developed to unwind the glass transition puzzle. However, none of the aforementioned features can answer the understanding that governs the increase of relaxation time in liquids upon cooling. In this thesis we focus on the above questions studying the dynamics of some materials for which their molecules can retain a translational order being orientationally disordered between them upon cooling, which are referred to plastic phases or orientationally disordered (OD) crystalline phases. The work presented in this thesis potentially extends the knowledge of dynamics of OD phases and orientationally glasses (OG), a research topic which has gained interest during the last decades. Through this study, especial attention has been devoted to the phenomenological equations accounting to the temperature dependence of the mean relaxation time describing the orientational dynamics .The study was carried out by the use of BDS as well as two complementary experimental techniques. We show distortion-sensitive and derivative-based empirical analysis of the validity of leading equations for portraying the previtreous evolution of primary relaxation time. A new method for studying the dynamics of glass forming systems is introduced and the minimization procedure is validated and discussed. We present the results divided in two topics, the dynamics of the pure compounds and mixed crystals and the derivative analysis through different existing models. In the first topic we focus on the dynamics of the pure compounds and mixed crystals formed between cycloheptanol and cyclooctanol as well as the a-relaxation dynamics of 1-cyano-adamantane and its mixtures with 1-chloro-adamantane. The second topic is divided in two groups of models, linearized and non-linearized models. In the linearized models we show the application of the derivative based, distortion-sensitive analysis to liquid crystals (LC) and OD phases. We also discuss the results concerning to the cases of the olygomeric liquid epoxy resin (EPON828), neopentylalcohol and neopentylglycol mixture, isooctylcyanobiphenyl and propylene carbonate. The possible empirical correlations between one of the linearized models with the universal pattern for the high frequency wing of the loss curve for primary relaxation time for LCs and OD phases is also shown. In the final part we show that the form of the equation recently introduced by Mauro et al. does not allow a similar straightforward linearization procedure. Unlike the previous models, the involved parameters are not correlated with the slope and the intercept of a linear function. In order to solve this problem, we have introduced the concept of the enthalpy space. The evidences of the existence of crossovers as well as quantitative descriptions are discussed. We show also a new procedure for detecting the crossover in a very easy way. A new kind of crossovers which seems to be impossible to be detected by the classical Stickel transformation is presented.; La principal característica de la dinámica de sistemas vítreos viscosos, es su universalidad en la diversidad. Su origen es uno de los mayores desafíos de la física de la materia condensada y de la ingeniería de materiales en el siglo XXI. La fenomenología típica de las fases vítreas se observan cerca de la transición vítrea en líquidos subenfriados de bajo peso molecular, polímeros, fluidos coloidales, así como en los sólidos con fases orientacionalmente desordenadas. La imposibilidad de explicar las causas del gran aumento del tiempo de relajación al enfriar un líquido, constituye uno de los problemas más importantes no resueltos en materia condensada. Con el objetivo de dar respuesta a dicha interrogante, se han propuesto modelos termodinámicos y dinámicos que han resultado inconsistentes. En esta tesis nos centramos en dicha problemática, estudiando la dinámica orientacional de algunos materiales que al ser enfriados pueden conservar un orden traslacional mientras que se conserva el desorden orientacional de las moléculas que los forman. Dichas fases se conocen como fases plásticas u orientacionalmente desordenadas (OD). El trabajo presentado en esta tesis amplía el conocimiento de la dinámica de dichas fases, un tema de investigación cuyo interés ha aumentado durante las últimas décadas. Se ha dedicado una atención especial a las ecuaciones fenomenológicas que describen la dependencia del tiempo de relajación con la temperatura. El estudio se ha llevado a cabo mediante el uso de espectroscopía dieléctrica de banda ancha, así como mediante el uso de técnicas experimentales complementarias. Se ha introducido un nuevo método para el estudio de la dinámica de los sistemas que dan lugar a fases vítreas. El método ha sido validado y discutido. Los resultados de esta tesis se presentan divididos en dos temas, por un lado, la dinámica de compuestos puros y de los cristales mixtos y, por otro, el análisis mediante el método derivativo aplicado a los diferentes modelos físicos existentes. En el primer tema nos centramos en la dinámica de los compuestos puros y los cristales mixtos formados por cicloheptanol y ciclooctanol, así como la dinámica de la relajación alfa en 1-ciano-adamantano y sus mezclas con 1-cloro-adamantano. El segundo tema se divide en dos grupos de modelos, los modelos lineales y no lineales. En los modelos lineales se muestra la aplicación del procedimiento de derivativo en los cristales líquidos (CL) y las fases OD. También se discuten los resultados relativos a los casos de la resina líquida (EPON828), la mezcla neopentil-alcohol y neopentil-glicol, el carbonato de propileno, así como el CL isooctilcianobifenil. Se discute también la existencia de posibles correlaciones empíricas entre uno de los modelos lineales con el patrón universal para la parte de alta frecuencia de la curva de pérdidas dieléctricas de la relajación primaria para las fases CL y OD. En la parte final se muestra que la forma de la ecuación introducida recientemente por Mauro et al. no permite la linearización mediante el método derivativo. A diferencia de los modelos anteriores, los diferentes parámetros no están correlacionados con la pendiente y el origen de coordenadas de una función lineal. Para resolver este problema, hemos introducido el concepto del espacio entálpico. Se analiza también la existencia de cambios de comportamiento dinámicos y se aportan descripciones cuantitativas. Se muestra también un nuevo procedimiento para detectar los cambios dinámicos de una manera fácil, que permite incluso detectar aquéllos que son obviados mediante el método clásico de Stickel.

Development and applications of a computer code for Monte Carlo simulation of electronphoton showers

Tue, 12 Apr 2011 15:19:34 GMT

Development and applications of a computer code for Monte Carlo simulation of electronphoton showers Sempau Roma, Josep Se presenta el trabajo realizado sobre el paquete de Subrrutinas Penélope. Este código permite la simulación MC del transporte de fotones y electrones en la materia con geometrías complejas. Los aspectos considerados son:

A) mejora del algoritmo de SCATTERING de la radiación primaria y de los algoritmos que dan cuenta de las secundarias.

B) simplificación del algoritmo de SCATTERING mixto par electrones empleado anteriormente.

C) incorporación de secciones eficaces diferenciales.

D) un paquete de subrutinas geométricas, pengeom, ha sido desarrollado. Permite geometría combinatoria con superficies cuadricas.

e) presentación de un marco teórico para aplicar técnicas de reducción de varianza.

F) comparación con resultados experimentales y presentación de 4 aplicaciones reales que emplean pengeom y reducción de varianza. En su estado actual Penélope permite que usuarios externos no especializados puedan abordar problemas en el campo de la ingeniería de radiaciones, de la física médica, etc.

New developments on preparation of cooled and bunched radioactive ion beams at ISOL-Facilities: the ISCOOL project and the rotating wall cooling

Tue, 12 Apr 2011 15:19:33 GMT

New developments on preparation of cooled and bunched radioactive ion beams at ISOL-Facilities: the ISCOOL project and the rotating wall cooling Podadera Aliseda, Ivan Last years have become very productive for the research, construction and development of new facilities devoted to the production of beams with exotic radioisotopes (Radioactive Ion Beams, RIB). These beams are later used for experiments in fields like nuclear physics, atomic physics, astrophysics or medicine, among others. Within this kind of facilities, the ISOL facilities stand out. They are based on the on-line separation of radioactive isotopes produced in nuclear reactions between a target and a high-energy proton beam. The ISOL method was the pioneer for these facilities and it has kept up to now the leadership of RIB facilities. The main reason is ISOLDE, an ISOL facility located at CERN, the largest accelerator complex in the world, where this doctoral thesis has been carried out.
The first innovation which is described is the design of an ion trap for the cooling and bunching of RIB's for ISOLDE, the so-called ISCOOL (ISOLDE COOLer). It is an Radio Frequency Quadrupole ion Cooler and Buncher (RFQCB), device based on the Paul traps. In these traps, the ions are confined in the three dimensions by electric fields. The ions are confined on the transverse plane with the pseudopotential well created by the Radio Frequency Quadrupole (RFQ) and focused on the longitudinal axis. At the same time, a gas (normally helium) fills the chamber with a pressure between 10-3 and 10-2 mbar. The collisions between the atoms or molecules of the gas and the ions. In addition, to drive the ions to the extraction of the RFQCB, an axial electric field is created by segmented electrodes. Different voltages are applied to these electrodes in order to choose the shape of the field. The shape can be chosen to create a potential well close to the extraction from the RFQCB in which the ions are accumulated and extracted as bunches, by the fast-switch of the voltages applied to the axial electrodes.
The new ISCOOL will be installed as a permanent device of the ISOLDE beam lines.

Second Harmonic Generation in Photonic Crystals

Tue, 12 Apr 2011 15:19:33 GMT

Second Harmonic Generation in Photonic Crystals Trull Silvestre, José Francisco Photonic crystals emerged at the end of the last decade as a new frame to control the interaction between radiation and matter. The potential advances that such structures could report in photonics technology has lead to an increasing research focused on the implementation of photonic crystals possessing full photonic band gaps, hindering the fact that more simple structures, possessing band gaps in selected directions of space, may also provide strong control of the electromagnetic radiation leading to the observation of many new interesting phenomena. In fact, the scope of this control is not limited to a linear interaction and can be extended to nonlinear interactions of any order.

In this work we present a study of the second order nonlinear interaction from nonlinear organic molecules placed within two different types of photonic crystals. First, we will discuss the enhancement and inhibition of the radiation at the second-harmonic frequency of a sheet of dipoles embedded in a 1D photonic crystal. The experimentally observed reflected second-harmonic intensity as a function of the angle of incidence shows sharp resonances corresponding to the excitation of the SH field in a local mode within the forbidden band in the structure, which position depends on the size of the defect, and additional resonance at the high angular band edge, which position is independent of the size of the defect. Comparison among these results and the SH intensity reflected by the same monolayer in free space (which presents a bell shaped radiation pattern as a function of the angle of incidence), shows an enhancement of the radiation at the resonances, and strong inhibition of the radiation at other angles within the gap. Theoretical simulation of the experiment shows a good agreement with the experimental results.

A detailed analysis of the enhancement and inhibition phenomena occurring in these structures shows a clear dependence of the resulting intensity with the position of the monolayer within the defect and with the dipole orientation. The change in phase difference between the oscillating dipoles and the field at the SH frequency at the monolayer as it is moved within the defect is found to play a determining role in the final energy transfer to the second-harmonic field. The resulting enhancement and inhibition of the radiation may be studied in terms of a nonsymmetric contribution of the different components of the field to the energy transfer process.

The second configuration studied in the present work consider the experimental demonstration of second-harmonic generation in a 3-dimensional macroscopically centrosymmetric lattice formed by spherical particles of optical dimensions. In such photonic crystals, the local breaking of the inversion symmetry at the surface of each sphere, allows for the existence of a nonvanishing second order interaction. The growth of the SH radiation is provided by the phase-matching mechanism caused by the bending of the photon dispersion curve near the Bragg reflection bands of this photonic crystal. Experimental evidence of this phase-matching mechanism, inherent of such crystals, is reported in this work. By measuring the SH intensity radiated from several crystals with different concentrations, we obtained the angular dependence of this type of emission and confirmed the surface character of the nonlinear interaction. A simplified theoretical model shows very good agreement with the experimental results. It is important to notice that in this mechanism of SHG, the nonlinearity of the molecule is independent of the phase-matching mechanism, that is inherent to the periodicity of the crystal.

In conclusion, the results obtained show a clear influence of the photonic crystals in the radiated SH intensity, resulting in enhancement and inhibition of the dipoles radiation.

Estudi de sals foses mitjançant la dinàmica molecular

Tue, 12 Apr 2011 15:19:32 GMT

Estudi de sals foses mitjançant la dinàmica molecular Alcaraz i Sendra, Olga El treball Estudi de sals foses mitjançant la dinàmica molecular està integrat dins la línia de recerca Simulació de comportament atòmic en la matèria condensada i amb ell s'han assolit dos grans objectius. El primer consisteix en completar l'estudi de les sals foses binàries d'ions monovalents (sals 1:1), que ja s'havia iniciat en aquest grup de recerca, amb l'estudi del AgCl, AgBr i dels halurs de tal·li (TlCl, TlBr i TlI). El segon és ampliar l'estudi de la dinàmica col·lectiva dels halurs de coure fosos amb l'estudi de les fluctuacions locals de les densitats parcials de partícules, de massa i de càrrega, i dels seus corrents longitudinals i transversals. Els resultats corresponents els presentem per separat en la part I i II de la memòria.

Comencem la primera part amb el capítol 1, fent una introducció a les sals 1:1 foses que havien estat estudiades anteriorment, és a dir, els halurs alcalins i els halurs de coure i el AgI. Posem de relleu les característiques principals d'aquestes sals i expliquem els models que s'han utilitzat per estudiar-les.

En el segon capítol proposem un mètode per determinar els factors d'estructura estàtics, que permet optimitzar el temps de càlcul i alhora obtenir unes funcions sense gaire soroll. El fet de disposar de bons factors d'estructura estàtics permet la comparació amb resultats experimentals de difracció elàstica de neutrons. A més a més, en aquest capítol aprofitem per descriure a l'espai recíproc les propietats estructurals dels halurs alcalins i de coure fosos.

En els capítols tercer i quart, presentem els resultats de la dinàmica molecular del AgCl i el AgBr, i dels halurs de tal·li, respectivament. Aquestes sals s'han modelat considerant els potencials proposats conjuntament amb els Drs. Moises Silbert i Çetin Tasseven de la Universitat de East Anglia. Aquests potencials permeten reproduir bastant bé els factors d'estructura i les conductivitats iòniques experimentals. L'anàlisi de les funcions de distribució radial i els factors d'estructura estàtics, així com de les funcions de correlació de velocitats i els desplaçaments quadràtics mitjans, mostra que aquestes sals tenen un comportament intermedi entre els halurs alcalins (on els anions i cations tenen una mida molt semblant) i els halurs de coure (on els cations són molt més petits que els anions). També hem fet un estudi de la influència de la massa i la mida dels ions en la seva dinàmica individual.

A la Part II del treball, per tal d'estudiar les fluctuacions de densitat i dels corrents en els halurs de coure fosos hem triat el CuCl i el CuI. En el CuCl els ions més grans (els anions) són més lleugers que els cations, en canvi, en el CuI són més pesants. A més a més, aquest estudi l'hem completat amb dos halurs alcalins com el KCl i el RbCl. En aquestes dues sals els cations i els anions són de mida semblant, però mentre que en el RbCl els anions són més lleugers que els cations, en el KCl tenen quasi la mateixa massa. D'aquesta manera podem veure quina és la influència de la massa i la mida en aquestes propietats.

En el capítol cinc estudiem el procés d'autodifusió dels ions mitjançant les funcions de scattering intermèdies self i els seus espectres, anomenats factors d'estructura dinàmics self. A l'últim apartat comparem els resultats de les nostres simulacions per al CuCl amb els resultats experimentals de difracció quasielàstica de neutrons obtinguts pel Dr. Spencer Howells del Rutherford Appleton Laboratory.

El capítol sis l'hem dedicat a les fluctuacions de densitat en sals 1:1 foses mitjançant les funcions de scattering intermèdies i els corresponents factors d'estructura dinàmics. Aquestes funcions revelen la presència de modes col·lectius acústics i òptics associats a les fluctuacions de la densitat de massa i de càrrega, respectivament. Aquests modes són una reminiscència dels modes acústic i òptic a l'estat sòlid.

En el capítol set estudiem de les correlacions entre els corrents longitudinals i transversals, així com dels modes col·lectius que hi estan relacionats.

Finalment presentem les conclusions i les perspectives de continuació d'aquest treball. A més a més, hem inclòs cinc apèndix on fem un recull argumentat de totes les definicions de les propietats que hem calculat.

Novel applications of Photonic Force Microscopy

Tue, 12 Apr 2011 15:19:31 GMT

Novel applications of Photonic Force Microscopy Volpe, Giovanni The ability of detecting farces and torques at the micro-and nano-scale is fundamental. When this Thesis started, various scanning probe techniques had already been developed to probe the mechanical properties of microsystems. In 1993 Ghislain and coworkers devised a new scanning force microscopy using an optically trapped microsphere as a probe. This technique was later called Photonic Force Microscope (PFM).

A typical PFM comprises an optical trap that holds a probe - a dielectric or metallic particle of micrometer size, which randomly moves due to Brownian motion In the potential well formed by the optical trap - and a position sensing system. The analysis of the thermal motion provides information about the local forces acting on the particle. The three-dimensional probe position can be recorded through different devices, which detect the forward or backward scattered light from the particle.

The PFM had been applied to measure forces in the range of femto- to pico-Newton - well below the limits of what can be achieved with techniques based an micro-fabricated mechanical cantilevers, such as AFM - in many different fields with exciting applications, for example, in biophysics, equilibrium and nonequilibrium thermodynamics of small systems, and colloidal physics.

We defined various problems that deserved our attention. All of them concerned the enhancement of the possibilities of the PFM, either by applying the PFM to new fields or by making it more powerful.

These are the main results:
1. Brownian motion in an nonhomegeneous force field and Photonic Torque Microscope
We reported how to expand the PFM technique to deal with force fields varying on the scale of the Brownian motion. We also proposed a concrete analysis workflow to reconstruct the force field from the experimental time series of the probe position. In particular, we analyzed the PFM probe movement in the presence of a torque. The value of the torque is found from the auto- and cross-correlation functions of the particles coordinates. We experimentally detected the torque exerted onto an optically trapped particle by an optical beam with orbital angular momentum.

2. Backscattering position detection
We studied theoretically the probe displacement sensitivity in back-scattering and forward-scattering geometry. To achieve this aim an original calculation procedure based on Mie scattering theory was developed and realized on MatLab platform. The calculation results were compared with known experimental data.

3. Surface Plasmon (SP) Radiation Farces
We reported the first experimental observation of the momentum transfer from a SP to a single dielectric sphere. We showed that the force at resonance conditions resulted enhanced 40 times compared to nonresonant illumination. We also reported a quantitative analysis of 20 surface-plasmon-based optical tweezers at a patterned metal surface.

4. Characterization of microscopic flows
We suggested an approach to microrheology based on optical traps capable of measuring fluid fluxes around singular points. The concept was to monitor the position of an optically trapped probe in order to locally characterize the drag torte field as a generic function of the space coordinates up to the first order in its Taylor expansion around the probe position. We experimentally demonstrated this technique, applying it to the charactedeation of controlled flows.

5. Cell dynamics in an optical trap
We reported the analysis of the forward scattered light from a single optically trapped cell during its growth. We showed that the cell continued adjusting itself to the applied optical force because of the growth processes, and hence it kept changing its orientation in the trap. We pointed out the relevance of these findings for single optically trapped cell spectroscopic measurements. We also demonstrated the possibility of monitoring the cytoskeleton structural transformations in optically trapped yeast cells (S. cerevisiae ) using this technique.

Development of advanced geometric models and acceleration techniques for Monte Carlo simulation in Medical Physics

Tue, 12 Apr 2011 15:19:30 GMT

Development of advanced geometric models and acceleration techniques for Monte Carlo simulation in Medical Physics Badal Soler, Andreu Els programes de simulació Monte Carlo de caràcter general s'utilitzen actualment en una gran varietat d'aplicacions.
Tot i això, els models geomètrics implementats en la majoria de programes imposen certes limitacions a la forma dels objectes que es poden definir. Aquests models no són adequats per descriure les superfícies arbitràries que es troben en estructures anatòmiques o en certs aparells mèdics i, conseqüentment, algunes aplicacions que requereixen l'ús de models geomètrics molt detallats no poden ser acuradament estudiades amb aquests programes.
L'objectiu d'aquesta tesi doctoral és el desenvolupament de models geomètrics i computacionals que facilitin la descripció dels objectes complexes que es troben en aplicacions de física mèdica. Concretament, dos nous programes de simulació Monte Carlo basats en PENELOPE han sigut desenvolupats. El primer programa, penEasy, utilitza un algoritme de caràcter general estructurat i inclou diversos models de fonts de radiació i detectors que permeten simular fàcilment un gran nombre d'aplicacions. Les noves rutines geomètriques utilitzades per aquest programa, penVox, extenen el model geomètric estàndard de PENELOPE, basat en superfícices quàdriques, per permetre la utilització d'objectes voxelitzats. Aquests objectes poden ser creats utilitzant la informació anatòmica obtinguda amb una tomografia computeritzada i, per tant, aquest model geomètric és útil per simular aplicacions que requereixen l'ús de l'anatomia de pacients reals (per exemple, la planificació radioterapèutica). El segon programa, penMesh, utilitza malles de triangles per definir la forma dels objectes simulats. Aquesta tècnica, que s'utilitza freqüentment en el camp del disseny per ordinador, permet representar superfícies arbitràries i és útil per simulacions que requereixen un gran detall en la descripció de la geometria, com per exemple l'obtenció d'imatges de raig x del cos humà.
Per reduir els inconvenients causats pels llargs temps d'execució, els algoritmes implementats en els nous programes s'han accelerat utilitzant tècniques sofisticades, com per exemple una estructura octree. També s'ha desenvolupat un paquet de programari per a la paral·lelització de simulacions Monte Carlo, anomentat clonEasy, que redueix el temps real de càlcul de forma proporcional al nombre de processadors que s'utilitzen.
Els programes de simulació que es presenten en aquesta tesi són gratuïts i de codi lliures. Aquests programes s'han provat en aplicacions realistes de física mèdica i s'han comparat amb altres programes i amb mesures experimentals.
Per tant, actualment ja estan llestos per la seva distribució pública i per la seva aplicació a problemes reals.; Monte Carlo simulation of radiation transport is currently applied in a large variety of areas. However, the geometric models implemented in most general-purpose codes impose limitations on the shape of the objects that can be defined. These models are not well suited to represent the free-form (i.e., arbitrary) shapes found in anatomic structures or complex medical devices. As a result, some clinical applications that require the use of highly detailed phantoms can not be properly addressed.
This thesis is devoted to the development of advanced geometric models and accelration techniques that facilitate the use of state-of-the-art Monte Carlo simulation in medical physics applications involving detailed anatomical phantoms. To this end, two new codes, based on the PENELOPE package, have been developed. The first code, penEasy, implements a modular, general-purpose main program and provides various source models and tallies that can be readily used to simulate a wide spectrum of problems. Its associated geometry routines, penVox, extend the standard PENELOPE geometry, based on quadric surfaces, to allow the definition of voxelised phantoms. This kind of phantoms can be generated using the information provided by a computed tomography and, therefore, penVox is convenient for simulating problems that require the use of the anatomy of real patients (e.g., radiotherapy treatment planning). The second code, penMesh, utilises closed triangle meshes to define the boundary of each simulated object. This approach, which is frequently used in computer graphics and computer-aided design, makes it possible to represent arbitrary surfaces and it is suitable for simulations requiring a high anatomical detail (e.g., medical imaging).
A set of software tools for the parallelisation of Monte Carlo simulations, clonEasy, has also been developed. These tools can reduce the simulation time by a factor that is roughly proportional to the number of processors available and, therefore, facilitate the study of complex settings that may require unaffordable execution times in a sequential simulation.
The computer codes presented in this thesis have been tested in realistic medical physics applications and compared with other Monte Carlo codes and experimental data. Therefore, these codes are ready to be publicly distributed as free and open software and applied to real-life problems.

Estudio del efecto de la cristalización fría y del envejecimiento físico en las relajaciones de los polímeros mediante la técnica de corrientes estimuladas térmicamente

Tue, 12 Apr 2011 15:19:29 GMT

Estudio del efecto de la cristalización fría y del envejecimiento físico en las relajaciones de los polímeros mediante la técnica de corrientes estimuladas térmicamente Cañadas Lorenzo, Juan Carlos Los resultados que se analizan en este trabajo proceden fundamentalmente de dos polímeros (PET, PEN) y hemos utilizado esencialmente la técnica TSC centrándonos en el comportamiento de los mecanismos de conducción ligados a las correspondientes relajaciones en función de la cristalización fría y del envejecimiento físico de los materiales.
Los capítulos 1, 2 y 3 describen las características básicas de los polímeros y de los electretes y presentan los fundamentos teóricos de las técnicas que se han utilizado.
El capítulo 4 se dedica a exponer el montaje experimental que hemos realizado de los dispositivos utilizados en las medidas.
Nuestro trabajo experimental queda condensado en los capítulos 5, 6, 7 y 8 cuyos resultados están basados en diversos trabajos de investigación que se han presentado en diferentes congresos nacionales e internacionales, y que han dado lugar a diversas publicaciones.
En el capítulo 5 [1, 2] se comparan los resultados obtenidos a partir de electretes polarizados convencionalmente con los obtenidos por ventanas térmicas.
El capítulo 6 [2,3] muestra los efectos que causan la cristalización fría realizada por etapas sobre las relajaciones dieléctricas y de carga libre.
El capítulo 7 [4, 5] estudia los efectos del envejecimiento sobre PET amorfo analizado con y sin carga en corona.
El capítulo 8 [6] estudia el comportamiento del PET con diferentes grados de cristalinidad y sometido a diferentes tiempos de envejecimiento.; A comparative study of the different relaxations present in amorphous and partially crystallized poly(ethylene terephthalate) (PET) and poly(ethylene-2,6-naphthalene dicarboxylate) (PEN) have been carried out by thermally stimulated depolarization currents (TSDC), thermally stimulated polarization currents (TSPC), differential scanning calorimetry (DSC) and dynamic electric analysis (DEA). Amorphous film (PET and PEN) has been crystallized by the thermal step stimulation method. DSC measurements of these samples show the appearance of a small endothermic recrystallization peak once the crystallization of the sample is completed. This recrystallization peak increases and shifts towards higher temperatures as the sample is further heat treated. Associated with the appearance of this endothermic peak, the  relaxation passes through a maximum with a sharp decrease with further heat treatment. -relaxation shifts to high temperature and broadens with the increase of degree of crystallinity. Physical ageing in (PET) has been studied by (DSC), (TSDC) and (TSPC) as a function of the material crystallinity degree. In first case physical ageing was carried out annealing the amorphous sample at 60ºC for several ageing times (from ta=0 to 264h). Structural relaxation has been studied by DSC through the analysis of the endothermic peak superposed to the glass transition, which increases and shifts towards higher temperatures as the annealing time increases. Current measurements spectrums of annealed samples show the appearance of a relaxation peak which we named αa . The evolution of this peak with the annealing time is presented, and it has been related directly to the endothermic peak obtained by DSC. Experiences carried out show the dipolar origin of the αa peak, related to the polarization of chains within the material when mobility is recovered above Tg. Calorimetric measurements confirm the presence of two separated glass transitions in partially crystallized samples (xc=27%), associated with the presence of two different amorphous regions. TSPC measurements on aged samples show a current peak, which is directly related to the polarization of the amorphous regions when mobility is recovered above the glass transition. The study of these peaks in aged partially crystallized samples shows evidences of a double glass transition associated with the interspherulitic and interlamelae amorphous regions.

Aleaciones moleculares binarias en fase plástica. Estudio termodinámico global en algunos derivados del neopentano

Tue, 12 Apr 2011 15:19:28 GMT

Aleaciones moleculares binarias en fase plástica. Estudio termodinámico global en algunos derivados del neopentano Salud Puig, Josep Aquest treball està dedicat a l'estudi, tant des del punt de vista termodinàmic com cristal·logràfic, dels aliatges moleculars binaris en fase plàstica d'alguns derivats del neopentà.
Mitjançant el tensor de dilatació tèrmica, es presenta un estudi de les interaccions intermoleculars de quatre compostos que són cristalls plàstics derivats del neopentà.
Mitjançant mesures calorimètriques i difractomètriques, s'han elaborat o reelaborat un total de set diagrames de fase binaris entre components derivats del neopentà.
S'ha aplicat l'anàlisi termodinàmica a un total de quinze diagrames de fase els components dels quals són cristalls plàstics, tretze dels quals són derivats del neopentà.
La correlació entre les magnituds termodinàmiques pròpies dels aliatges binaris dels derivats del neopentà ha permès establir que aquests aliatges en la seva fase desordenada orientacionalment (fase ODIC), presenten, en termes de la teoria de compensació, una temperatura i una pressió de compensació el valor de les quals és de 630 K i 4200 atm., respectivament.
Tanmateix, l'excel·lent correlació existent entre la compacitat d'aquests aliatges en la seva fase ODIC, a través del paràmetre de dissimilitud, i l'entalpia d'excès equimolar, permet predir, per a les fases ODIC relatives a altres sistemes binaris dintre del conjunt dels derivats del neopentà, valors d'aquesta darrera magnitud amb els quals s'obtenen diagrames de fase calculats per a l'equilibri [fase ODIC + fase líquida] en acceptable concordància amb els obtinguts experimentalment.
Utilitzant com a paràmetre exotermodinàmic la diferència normalitzada en el número de grups -CH2OH per mols de substància, es constata l'existència de vàries subfamílies d'aliatges binaris ODIC entre els derivats del neopentà. Finalment, la comparació de la temperatura de compensació, Tc, per a les fases ODIC i l'existent per a les fases prèvies a la fusió en altres tipus d'aliatges binaris, en funció de la temperatura mitjana, Tm, del equilibri entres dites fases i la fase líquida, realitzada en un diagrama log Tc - log Tm, permet la ubicació de tots aquests aliatges en la regió per a la qual log Tc > log Tm (denominada regió ordinària), no havent-se trovat fins al moment cap aliatge binari que per a la seva fase prèvia a la fusió sigui log Tc < log Tm.(denominada "regió extraordinària").; Mediante el tensor de dilatación térmica, se presenta un estudio de las interacciones intermoleculares de cuatro compuestos que son cristales plásticos derivados del neopentano.
En base a medidas calorimétricas y difarctométricas, se han elaborado o reelaborado un total de siete diagramas de fase binarios entre compuestos derivados del neopentano.
Se ha aplicado el análisis termodinámico a un total de quince diagramas de fase binarios cuyos componentes son cristales plásticos, trece de los cuales son derivados del neopentano.
La correlación entre las magnitudes termodinámicas propias de las aleaciones binarias de los derivados del neopentano, ha permitido establecer que dichas aleaciones en su fase orientacionalmente desordenada (fase ODIC), presentan, en términos de la teoría de compensación, una temperatura y una presión de compensación cuyo valor es de 630 K y 4216 atm., respectivamente.
Asimismo, la excelente correlación existente entre la compacidad de estas aleaciones en su fase ODIC, a através del parámetro de disimilitud, y la entalpía de exceso equimolar, permite predecir, para las fases ODIC de otros sistemas binarios dentro del conjunto de los derivados del neopentano, valores de esta última magnitud con los cuales se obtienen diagramas de fase calculados para el equilibrio [fase ODIC + fase líquida] en aceptable concordancia con los obtenidos experimentalmente.
Utilizando como parámetro exotermodinámico el número de puentes de hidrógeno por mol de sustancia, se constata la existencia de varias subfamilias de aleaciones binarias ODIC entre los derivados del neopentano.
Finalmente, la comparación de la temperaura de compensación, Tc, para las fases ODIC y la existente para las fases previas a la fusión de otros tipos de aleaciones binarias, en función de la temperatura media, Tm, del equilibrio entre dichas fases y la fase líquida, realizada en un diagrama log Tc - log Tm, permite ubicar todas estas aleaciones en la región para la cual log Tc > log Tm (denominada región ordinaria), no habiéndose encontrado hasta el presente ningúna aleación binaria para la cual en su fase previa a la fusión log Tc < log Tm (denominada "región extraordinaria").; The present work is devoted to the study of molecular binary mixtures, in their plastic phases, between some neopentane derivatives, both from thermodynamic and crystallographic points o view.
By means of the thermal expansion tensor, a study is presented concerning the intermolecular interaction in four compounds which are neopentane derivatives plastic crystals.
On the other hand, by means of thermal and diffractometric measurements, a whole of seven isobaric binary plastic-crystalline phase mixed crystals of neopentane derivatives, has been determined or newly determined.
Thermodynamic analysis has been made of a set of fifteen binary phase diagrams thirteen of which are composes of neopentane derivatives.
The correlation between characteristic thermodynamic magnitudes of neopentane derivatives binary mixed crystals allows coming at the conclusion that those materials, in their orientationally disordered phase, exhibit, in terms of the compensation theory, a compensation temperature Tc, and pressure, pc, of about 630 K and 4216 atm, respectively.
Moreover, the excellent correlation exhibited by the so called packing parameter and the excess equimolar enthalpy of the orientationally disordered phases (ODIC) of those materials permits the values of this enthalpy for the ODIC phase of other binary mixed crystals in the same series of neopentane derivatives to be predicted in such a way that the corresponding values provide the theoretical corresponding equilibrium [ODIC phase + liquid phase] in very acceptable concordance with the experimental ones.
By using the number of molar hydrogen bonds as an exothermodynamic parameter, the existence of several subfamilies of ODIC binary mixed crystals in the neopentane derivatives is confirmed.
Finally, if the Tc for not only ODIC phases of the neopentane derivatives, but also for other ones previous to the liquid phase for binary mixtures of other different kinds of materials and the so called average temperature, Tm, for the equilibrium between those phases and the liquid phase are ploted in a logTc - logTm axes, it results that all the involved mixtures are placed in a region into which logTc > logTm (called "ordinary region") and, as far as the author knows, there are no binary mixtures of which occupy the region characterized by the condition logTc < logTm (called "the extraordinary region").

Interacció Paramètrica no Lineal en Materials amb Nano-Estructuració Ordenada

Tue, 12 Apr 2011 15:19:25 GMT

Interacció Paramètrica no Lineal en Materials amb Nano-Estructuració Ordenada Maymó Camós, Marc Les interaccions no lineals de segon ordre són, probablement, uns dels processos de l'òptica no lineal més utilitzats i rellevants en quant a les seves aplicacions. Aquestes interaccions només són eficients en materials que presenten una simetria d'inversió i que permeten aconseguir-hi un mecanisme de phase matching. Això succeeix, en general, quan s'utilitzen materials amb un alt grau d'anisotropia, fet que imposa limitacions importants en les seves aplicacions.
Des de fa temps s'utilitzen una gran varietat de cristalls inorgànics, com el LN o el KTP, en dispositius òptics comercials. Tanmateix aquests materials inorgànics tenen alguns inconvenients o limitacions com ara el cost, dificultats en el processat i poca flexibilitat per modificar-los i incorpora'ls-hi d'altres propietats. En aquest sentit les molècules orgàniques poden aportar solucions, però la dificultat d'assolir cristalls orgànics no centrosimètrics prou grans com per assolir eficiències semblants pel que fa als processos no lineals, n'ha limitat la seva aplicabilitat. Donada l'elevada no linealitat que s'obté amb algunes molècules orgàniques, les interaccions no lineals de superfície, són una de les possibilitats per aquest tipus de materials. Si bé l'eficiència d'un procés de superfície no és elevada, quan un és capaç de sumar coherentment els efectes d'un gran nombre de processos superficials, la interacció resultant pot ser eficient.
Els cristalls fotònics són materials nanoestructurats amb la capacitat d'exercir un control ampli sobre la generació i propagació de la llum. Aprofitant els efectes en la propagació de la llum que es donen al llindar de les bandes prohibides, és possible exercir aquest control sobre les interaccions no lineals.
Això, juntament amb el fet de que en un cristall fotònic hi ha un gran nombre de interfícies on dur a terme les interaccions no lineals, fa que sigui de gran interès realitzar un estudi exhaustiu de diferents interaccions paramètriques no lineals que s'hi poden considerar.
En aquesta tesi es presenten estudis experimentals i teòrics sobre diferents interaccions no lineals considerades en el si de cristalls fotònics col·loïdals i d'òpals. En el cas dels cristalls col·loïdals, el treball es centra, majoritàriament, en l'estudi de les interaccions no lineals de segon ordre. Es demostra, que aquests processos que es poden aconseguir en el si d'una estructura centrosimètrica, són de superfície. Pel que fa als òpals, l'interès està centrat en conèixer com els efectes que aquests materials tenen sobre la velocitat de grup, poden aprofitar-se per incrementar l'eficiència de les interaccions no lineals.
Fent ús de tècniques de síntesi en fase sòlida, s'ha pogut enllaçar un gran nombre de molècules no lineals a la superfície de nanoesferes de poliestirè. Aquestes esferes de làtex tenen la capacitat d'autoordenar-se en una xarxa cristal·lina centrosimètrica. Es demostra experimentalment que, gràcies a poder dur a terme una interacció no lineal de superfície en un material amb propietats de cristall fotònic, es poden assolir unes eficiències, 6 ordres de magnitud superiors a les assolides fins ara.
Aquest treball comença amb una introducció, dels aspectes més rellevants dels cristalls fotònics i de l'òptica no lineal de segon ordre. Al capítol II es presenten les interaccions no lineals de segon ordre en cristalls col·loïdals. S'explica com es fabriquen aquestes estructures no lineals i es demostra experimentalment que la generació de segon harmònic en un cristall col·loïdal és un procés de superfície.
Al capítol III de la tesi s'estudien la suma de freqüències contrapropagants i la generació de tercer harmònic en cristalls col·loïdals. Al capítol IV s'estudia, experimentalment, com es poden aprofitar les anomalies que apareixen en la velocitat de grup, quan la llum s'acobla a les bandes altes d'un òpal, per tal d'incrementar la generació de segon harmònic en aquestes estructures. Finalment, es presenten les conclusions del treball.; Second order nonlinear interactions are, among, the most relevant nonlinear interactions between light and matter when one considers their applications. Such interactions are only efficient in noncentrosymmetric materials and materials or material structures that provide a phase matching mechanism. This is the case, for instance, in highly anisotropic crystals. However such anisotropy sets important limitations to the application scope of these materials.
In the last decades, a large variety of inorganic crystals, such as, for instance, LN or KTP, have been used in optics devices. However, these inorganic materials have several drawbacks like their cost, processing difficulties and limitations to their flexibility and capability to hold new properties. Organic molecules may provide some alternatives, but the difficulties in getting a noncentrosymmetric organic crystal, large enough to hold an efficient nonlinear interaction, has restricted their applicability. Because the high nonlinearity of some organic molecules, one may consider surface nonlinear interaction as a good nonlinear mechanism for these molecules.
Although the efficiency of surface interaction is low, when many of this surfaces interactions are coherently added, the whole process can be efficient.
Photonic crystals have the capability of controlling the propagation and generation of light. Such control is larger in the neighbourhood of a forbidden band. In fact, at the edge of the band it is possible to control the nonlinear interactions. The high number of interfaces present in the photonic crystal structure, where a quadratic nonlinear interaction may occur, and the band edge effects, make it interesting to focus our study into some of such second order nonlinear interaction.
In this thesis, we present experimental and theoretical results related to different second order nonlinear interactions in the framework of nonlinear colloidal photonic crystals, and nonlinear opals. For the colloidal crystals we mostly consider second order nonlinear processes, and the surface origin of these interactions is demonstrated. In the case of opals we focus our work on the effects that the group velocity anomalies present in the high bands of the photonic crystals, and show how we can take advantage of them for a nonlinear interaction enhancement.
Using solid face methods, we have been able to covalently link a large amount of nonlinear organic molecules to the surfaces of polystyrene nanospheres. These latex spheres have the capability to self organise in a centrosymmetric lattice. We experimentally demonstrate that, given the photonic crystal properties of this material and the possibility of holding surface nonlinear interactions in the interfaces of the nanospheres, efficiencies up to 6 orders of magnitude larger than the ones obtained in the past, can be achieved.
An introduction to relevant aspects of photonic crystals and nonlinear optics can be found in chapter I. In chapter II second order nonlinear interactions in photonic crystals are described.
We explain how to fabricate these colloidal nonlinear crystals, and then experimentally demonstrate that second harmonic generation in the framework of colloidal photonic crystals is a surface phenomenon. In chapter III, counter-propagating sum frequency generation and third harmonic generation are discussed. In chapter IV, we experimentally demonstrate that, using an opal made of nonlinear polystyrene spheres, the enhancement of second harmonic generation is possible if one takes advantage of the group velocity anomalies presents on the edges of flat bands that are opened at higher frequencies. The main conclusions of the work are summarized in the last chapter.

Nonlinear one-zone models of stellar pulsations

Tue, 12 Apr 2011 15:19:24 GMT

Nonlinear one-zone models of stellar pulsations Munteanu, Andreea Nuestro trabajo se ha concentrado en la simulación y el análisis de modelos no-lineales aplicados a las curvas de luz ópticas de estrellas variables de largo periodo. Cuando las estrellas de masa pequeña o intermedia (de 1 a 11 masas solares) llegan a las fases finales de su evolución, tales como la Rama Asintótica de las (Super-)Gigantes, presentan oscilaciones regulares e irregulares de larga duración (i.e. estrellas Miras). Las pulsaciones regulares e irregulares facilitan los episodios de pérdida de masa y hacen que estas estrellas jueguen un papel crucial en la evolución química de las galaxias. Los modelos hidrodinámicos detallados existentes en la literatura proporcionan resultados muy completos, pero a menudo son difíciles de interpretar. Por lo tanto se ha creado la necesidad de entender, a un nivel más básico, los procesos que llevan a pulsaciones irregulares o comportamientos en contradicción con las observaciones. En este sentido, hemos considerado la estrella variable como constituida por un nucleo compacto y una envoltura cuyo movimiento forzado está dado por las ondas de presión originadas en el interior de la estrella. En el presente enfoque, aproximamos la envoltura mediante una sola capa y por lo tanto, los modelos basados en esta aproximación llevan el nombre de modelos de una capa. Entre ellos,los que hemos estudiado a lo largo de los últimos tres años dan cuenta de dichas irregularidades a través de un sistema de ecuaciones diferenciales que incluye, en las versiones más sencillas, la ecuación del movimiento y la conservación de masa, a las cuales hemos añadido a lo largo del estudio, la ecuación de la variación y transporte de energia en la envoltura estelar. En la presente tesis presentamos los resultados obtenidos, asi como una discusión sobre el estado de la modelización de estrellas variables en el contexto de los modelos de una capa. En el primer capítulo hemos introducido los tipos de estrellas variables y los mecanismos que llevan a su variabilidad, mientras que en el segundo capítulo hemos hecho un breve repaso de los modelos de una capa existentes en la literatura. Los modelos mencionados han sido seleccionados por su relación con los modelos que proponemos. En el primer estudio realizado que describimos en el tercer capítulo, hemos utilizado como punto de partida los resultados obtenidos por Icke et al., 1992, A&A, 258, 341, sobre un oscilador forzado que contiene la mínima dinámica necesaria para describir las oscilaciones estelares: la ecuación del movimiento y la conservación de masa. Aunque ideado para la variabilidad de estrellas de masa pequeña, nosotros hemos extendido el modelo para describir también las estrellas variables más masivas, en la fase de la Rama Asintótica de las Super-Gigantes. Hemos llevado a cabo un estudio paramétrico concienzudo a fin de investigar los tipos de com portamiento proporcionados por el modelo, identificando las bifurcaciones que producen dichos comportamientos y los rangos de los parámetros asociados a ellas. Para ello, hemos integrado en nuestro análisis los métodos característicos de la teoria de las bifurcaciones y del análisis tiempo-frecuencia, con el objetivo de determinar los posibles escenarios de transición al caos. Desde un punto de vista matemático, el análisis ha supuesto el estudio del mapa de Poincaré asociado a nuestro sistema, que, como se ha mencionado, está caracterizado por una perturbación periódica. Los resultados incluyen una serie de bifurcaciones locales y globales, entre las cuales la más importante es una triplicación. Entre las consecuencias de esta bifurcación mencionamos la adquisición por parte del mapa de Poincaré de la propiedad de nontwist que conlleva unas características del mapa de Poincaré típicas de los mapas nontwist (e.g. reconexión, meandros). Debido a la particular forma de la perturbación, la dinámica del sistema se diferencia de la del mapa cubico de Hénon, que se considera el prototipo de los mapas nontwist, y hacen del sistema investigado un ejemplo de dinámica prevista teóricamente, pero para la cual no se conocía ningún ejemplo. Desde un punto de vista astrofísico, la comparación con los resultados obtenidos por Icke et al. (1992) nos ha llevado a concluir que las estrellas variables más masivas presentan pulsaciones más irregulares que las estrella de masa pequeña, en acuerdo con las observaciones. El comportamiento irregular lleva a una pronunciada pérdida de masa, resultado comprobado por los datos observacionales.
En el cuarto capítulo hemos extendido el modelo descrito anteriormente, añadiendole la ecuación del transporte de energia que permite una mejor comparación con las observaciones. Los resultados proporcionados por el modelo ampliado, entre los cuales destacamos las series temporales asociadas a la fluctuación de la luminosidad estelar, presentan sorprendentes similitudes con algunas de las más estudiadas y peculiares estrellas variables de largo periodo (las estrellas Miras). Adicionalmente, la dinámica encontrada conduce a series temporales en forma de pulsos energéticos a intervalos de tiempo del orden de mil años, que se pueden relacionar con las periodicidades encontradas en las capas circumestelares que rodean a ciertas nebulosas planetarias.
En el quinto capítulo de la presente tesis hemos introducido el acoplamiento entre la convección y la pulsación estelar, proceso que se considera en la literatura como indispensable para una correcta modelización de la evolución de estas estrellas. Para ello hemos utilizado el modelo convectivo de una capa introducido en Stellingwerf, R.F., 1986, ApJ, 303, 119. Los resultados de dicho artículo nos han llamado la atención por algunas discrepancias relacionadas con el análisis de la morfologia de las curvas de luz y velocidad para casos en los cuales no existían ciclos límite. Por consiguiente, nuestra investigación se ha concentrado en el estudio parametrico del sistema con la intención de identificar las condiciones necesarias para la existencia de ciclos límite. Una vez identificadas la regiones de ciclos límite en el espacio parametrico, la morfologia de las curvas de luz asociadas ha revelado la existencia de una banda de inestabilidad semejante a la banda de inestabilidad de las variables Cefeidas. Adicionalmente, hemos ampliado el modelo considerando una forma más realista para los factores geometricos que describen el estado evolutivo de la estrella. Los resultados de esta ampliación indican una progresión de las curvas de luz - o para ser más exacto, de sus amplitudes y periodos - que recuerda la llamada Progresión Hertzsprung de las Cefeidas de tipo Bump. Hemos identificado también los tipos de contrapartidas observacionales que son susceptibles de ajustarse al modelo estudiado. Aunque existen muchos trabajos en la literatura basados en el modelo de Stellingwerf et al. (1986), consideramos que todavía muchas facetas e ideas quedan por aclarar y desarrollar.
Para concluir, hemos comentado las implicaciones de nuestros resultados y estudios en el contexto de los modelos no lineales de una capa evidenciando sus capacidades y sus límites.

Study of electron heat transport in LHD and TJ-II

Tue, 12 Apr 2011 15:19:23 GMT

Study of electron heat transport in LHD and TJ-II García Olaya, Jerónimo The magnetically confined plasmas study is one of the most promising research fields in the present days due to the high perspectives of unlimited and clean energy that fusion has generated. In this framework, the stellarator devices play a significant role because of, unlike in the tokamak case, their continuum working regime, which will be an essential feature of the future fusion commercial reactor.
Heat transport studies in stellarator devices are completely necessary since the main plasma properties (and therefore, the total fusion power generated) are absolutely dependent. Nowadays, the largest stellarator in the world is the Large Helical Device (LHD). There is also a stellarator device is Spain, TJ-II, which is located in the installations of CIEMAT in Madrid. In this thesis, turbulent and conductive heat transport is studied in both devices with the aim of comparing its formation and suppression.
First of all, collisional transport, i.e. neoclassical transport, which is caused by the particle collisions, is studied by means of a new transport model implemented in the transport code PRETOR-Stellarator. This model is able to calculate heat diffusivities as well as the neoclassical electric field with reasonable accuracy without spending as much computational time as in the Monte Carlo techniques. It is deduced from the results that, for both TJ-II and LHD, neoclassical transport may be quite important in plasmas with low density and high temperatures, although higher levels of neoclassical transport are obtained in TJ-II. Both devices share the feature that in low collisional plasmas, a high positive neoclassical electric field with a high shear appears in the plasma core. This electric field can be responsible of the suppression of the turbulence heat transport.
Some new turbulent heat transport models have been added to PRETOR-Stellarator in order to study this kind of transport. Both, LHD and TJ-II, share a common heat transport in the confinement region (plasma core), called drift wave electromagnetic transport, and which is due to the fluctuations of the magnetic field. Outside this region, turbulent heat transport in LHD has similar characteristic to that in tokamaks, whereas in TJ-II, turbulent transport is maintained.
Turbulent heat transport reduction is a major issue in fusion research, since the capability of producing commercial fusion energy depends strongly on the low levels of turbulence of the plasma. The appearance of a neoclassical electric field in the plasma core and its interaction with turbulent transport has been studied. It is shown that this electric field is able to generate a rotation in the plasma which is able to suppress turbulent transport to neoclassical levels when density is low enough. These plasmas are called to have an internal transport barrier and have stepped electron temperature profiles with hollow electron density profiles.
Another important phenomenon related with electron heat transport is non-local transport, which can not be studied within the general diffusive framework that is used to study turbulent transport in plasmas. The non-local transport is caused by the interaction of long distant parts of the plasma. In this thesis, a new model for this type of transport, which is based on the convolution over a kernel of the neoclassical transport, has been proposed to explain this phenomenon. It has been shown that this model is able to simulate the main characteristics of this transport, e.g. fast pulses propagation, ballistic transport or the growing of the turbulence levels close to the axis of the device. All these phenomena have been observed in LHD and TJ-II.
Finally, once electron heat transport in stellarators has been clarified, a comparison of the designs of the future commercial reactor based on both, stellarators and tokamaks, has been carried out. A stellarator commercial reactor, based on the design of the LHD, would have a 15.5 m major radius, 2.5 m minor radius, with a continuum working regime based on low temperatures and high densities. Main energy sinks are due to conductive-convective heat losses and radiation losses (in a 95% from Bremmstrahlung radiation). The fact that it has such a large major radius makes this design expensive and difficult to build. A tokamak fusion reactor would be smaller, however, the high temperatures achieved make cyclotron radiation losses to be very high, and a wall with a high reflection coefficient seems to be necessary.; L'estudi de les propietats dels plasmes confinats magnèticament esta esdevenint un dels temes primordials de recerca degut a les prometedores perspectives (de netedat i ampli abast) que l'energia produïda per fusió nuclear està fomentant. Es dins d'aquest context on l'estudi dels dispositius de confinament magnètic de tipus stellarator juguen un paper molt important, ja que un reactor de fusió basat en aquest concepte podria tenir (al contrari dels tokamaks) un mode de funcionament continu i no polsat.
L'estudi del transport de calor en el dispositius de fusió per confinament magnètic de tipus stellarator és totalment necessari, ja que les propietats del plasma (i per tant de l'energia produïda per fusió) en depenen completament. Actualment, el stellarator més gran del món es troba al Japó i es diu Large Helical Device (LHD), mentre que a Espanya, el stellarator TJ-II es troba a les instal·lacions del CIEMAT a Madrid. En aquesta tesi, s'estudien ambdós dispositius per tal de determinar de que depèn que aparegui o que desaparegui el transport de calor turbulent en aquests dispositius, i si hi ha algun tipus de punt en comú.
En primer lloc, s'analitza el transport de calor colisional (degut a la col·lisió de les partícules que formen el plasma) mitjançant la introducció d'un model de transport colisional (anomenat neoclàssic) al codi de transport PRETOR-Stellarator. Aquest model es capaç de calcular magnituds físiques tal com difusivitats i camps elèctrics neoclàssics però sense consumir tant de temps com a d'altres tècniques que utilitzen mètodes de Monte Carlo. Dels resultats es desprèn que el transport neoclàssic, tant al TJ-II com al LHD, pot ser important, en plasmes amb baixa densitat i temperatures grans. Ambdós dispositius comparteixen la característica de que apareix, en aquests casos, un gran camp elèctric al centre del plasma que pot ser fa que el transport turbulent disminueixi.
Mitjançant la introducció de diferents models pel transport turbulent a PRETOR-Stellarator, s'estudia el transport turbulent als dos dispositius. De l'anàlisi es dedueix que ambdós dispositius poden compartir el mateix tipus de transport (anomenat electromagnètic) i que es degut a les variacions locals del camp magnètic. Tanmateix, fora de la zona central, el LHD té un tipus de transport semblant al que existeix al tokamak JET (Joint European Torus), mentre que el TJ-II continua amb el transport electromagnètic.
La reducció del transport turbulent prèviament estudiat és un tema capdal ja que permetria un millor confinament del plasma. S'ha estudiat com el camp elèctric format al centre del plasma pot generar un rotació que disminueix el transport turbulent tant al LHD com al TJ-II. Aquests plasmes es diuen que tenen una barrera interna del transport que redueix el transport turbulent a valors neoclàssics sempre que la densitat sigui prou baixa.
Un altre fenomen lligat al transport molt important és el transport no local, que es degut a les correlacions entre parts llunyanes del plasma i que no es pot entendre dintre del context del transport difusió que se sol emprar per a estudiar el plasmes confinats. En el marc d'aquesta tesi s'ha dissenyat un model de transport no local per mitjà d'una convolució sobre el transport neoclàssic. Amb aquest model s'ha aconseguit reproduir molts del efectes no locals que apareixen als plasmes (com ara la ràpida propagació de fenòmens turbulents o la propagació de fronts turbulents que mantenen una forma d'ona ), i que s'han descrit tant al LHD com al TJ-II.
Finalment es realitza una comparació entre els dissenys dels reactors de fusió basats en stellarators i tokamaks. Un reactor de fusió stellarator tindria un radi major de 15.5 m i treballaria en mode continu amb alta densitat i baixa temperatura. Les pèrdues d'energia més importants serien, en aquest cas, degudes a la convenció i conducció dins del plasma. El fet que tingui una grandària tan gran el faria molt car de construir. En el cas dels tokamaks, la seva grandària seria més petita, però les pèrdues per radiació ciclotró serien molt grans (degut al règim d'alta temperatura i baixa densitat) i el disseny d'una paret del reactor amb un coeficient de reflexió molt gran fora totalment necessari.

Assessment of size aspects in modelling molten fuel coolant interaction.

Tue, 12 Apr 2011 15:19:22 GMT

Assessment of size aspects in modelling molten fuel coolant interaction. Pla Freixa, Patricia Severe accidents in light water nuclear reactors occur when reactor vessel water inventory decreases and there is no available additional water coolant to be delivered into the core. In general, during an extended severe accident sequence a period exists in which the reactor core, after a partial or total melt down, is poured into the lower plenum that can have some water present. The study of the interaction of the melt fuel with the water is the objective of MFCI (Melt Fuel Coolant Interaction) activities.

MFCI is one of the most important issues awaiting resolution in water cooled reactor safety analysis. The progression of a severe accident in a water cooled reactor can lead to energetic (steam explosion) or non-energetic (melt quenching) interactions as the molten fuel relocates and eventually interacts with the coolant either in the vessel lower head (in vessel) or in the cavity (ex-vessel).

The MFCI experiments at JRC Ispra site were conducted in the FARO (Furnace And Release Oven) test facility under realistic melt composition and prototypical accident conditions to provide basic information on underlying phenomena. The experimental programme was complemented by comprehensive pre-test and post-test analytical activities based on the development and application of the thermalhydraulic COMETA (COre MElt Thermalhydraulic Analysis) code. The code is developed and assessed on the basis of experimental information acquired in the FARO facility tests, and there are some limitations and uncertainties in their application to the full plant, which need to be identified and possibly quantified.

In general the main objective of the PhD research was achieved expanding the general knowledge in Melt Fuel Coolant Interaction. The knowledge was complemented collaborating and complementing the application of COMETA code under conditions not experimented before, developing and improving COMETA code sources and verifying the code consistency, analysing and unifying the COMETA simulations carried so far.

Also a further analytical study was carried out in order to illustrate the MFCI inside the general overview of a NPP (Nuclear Power Plant) severe accident sequence.

Solvation Dynamics and Ion Transport in Conventional Solvents and Plasticizers

Tue, 12 Apr 2011 15:19:22 GMT

Solvation Dynamics and Ion Transport in Conventional Solvents and Plasticizers Masia, Marco El argumento fundamental de esta tesis es el estudio de la solvatación iónica por medio de cálculos con ordenador. Tres lineas de investigación han sido seguidas:
(i) Solvatación y mobilidad ionica. Las características principales del processo de intercambio entre la primera y la segunda capa de hidratación iónica para Li+ en agua se ha encontrado ser independiente del estado termodinamico en gran medida. Ha sido demostrado que el desplazamiento cuadrático medio de moléculas pertenecientes a complejos inertes está caracterizado por un largo transitorio debido a la lenta relajación rotacional del complejo. El incremento del coeficiente de difusión iónico debido a los intecambios en la capa de solvatación ha sido calculado por primera vez en el caso de Li+ y Na+. Finalmente, se han derivado leyes de probabilidad que ponen en relación la estereoquímica y la velocidad iónica instantanea.
(ii) Plastificantes. Se propone un nuevo procedimiento para el desarrollo de campos de fuerza intramoleculares, que funciona satisfactoriamente en el caso de dos moleculas de interés en las Batterias a Iones de Litio: carbonato de etileno y -butirolactona. Respecto a la solvatación de Li+ en los dos solventes, el ión está coordenado por 4 moleculas a través del oxigeno del carbonilo con pequeñas distorsiones de la geometría molecular. La nueva asignación de los modos vibracionales hecha para las dos moléculas ha permitido calcular los cambios inducidos por el ión litio, explicando varias caracteristicas de los espectros esperimentales.
(iii) Polarización. Se ha estudiado la eficacia de los metodos de polarización más comunes para simulaciones de Dinámica Molecular en dímeros ión-molécula, usando calculos ab initio como referencia. En lugar de centrarnos en la superficie de energía potencial completa (procedimiento típico), se ha considerado solo la parte electrostática. Se han desarrollado nuevos modelos polarizables para agua y tetracloruro de carbono, que reproducen el comportamiento de sistemas carga-molécula. Ha sido encontrado que, en el caso de dímeros ión-molécula, se requiere una corrección de amortiguamento de la polarización a cortas distancias. El método de los dipolos puntuales junto al método de amortiguamento de Thole reproduce satisfactoriamente las características principales para cationes y aniones atómicos.; The underlying topic of this thesis is the study of ion solvation by means of computer calculations. Three lines of investigation have been followed:
(i) Solvation and Ionic Mobility. The main features of the exchange process between first and second ionic hydration shells for Li+ in water have been found to be largely independent of the thermodynamic state. It has been shown that the mean square displacement of molecules belonging to inert complexes is characterized by a long transient due to the slow rotational relaxation of the complex. The increase of the ionic diffusion coefficient due to solvation shell exchanges has been computed for the first time in the case of Li+ and Na+. Finally, probability laws have been derived which relate the stereochemistry and the instantaneous ionic velocity.
(ii) Plasticizers. A new approach for the development of intramolecular force fields is proposed, which performs satisfactorily in the case of two molecules of interest for Lithium Ion Batteries: ethylene carbonate and -butyrolactone. Concerning the solvation of Li+ in both solvents, it is coordinated by 4 molecules through the carbonyl oxygen with slight distorsions of the molecular geometry. The new vibrational mode assignment performed for both molecules has allowed to compute the vibrational shifts induced by the lithium ion, explaining a number of features present in the experimental spectra.
(iii) Polarization. The performance of the most commonly used polarization methods for Molecular Dynamics simulation is studied for ion-molecule dimers, using ab initio calculations as benchmark. Instead of focusing on the full potential energy surface (the standard approach), only the electrostatic part is considered. New polarizable models have been developed for water and carbon tetrachloride, which reproduce the behaviour of charge-molecule systems. In the case of ion-molecule dimers it has been found that a polarization damping correction is required at short distances. The point dipole method in conjunction with the Thole damping scheme reproduces rather satisfactorily the main features both for atomic cations and anions.

Desenvolupament d'una metodologia fonamentada en la simulació discreta per a l'estudi de sistemes biològics d'interès tecnològic i científic

Tue, 12 Apr 2011 15:19:21 GMT

Desenvolupament d'una metodologia fonamentada en la simulació discreta per a l'estudi de sistemes biològics d'interès tecnològic i científic Ginovart Gisbert, Marta A partir de un simulador previo de cultivos bacterianos, se ha continuado desarrollando su metodología, basada en la simulación discreta, para extender su uso a diversos campos de aplicaciones técnicas y científicas. un aspecto del desarrollo esta relacionado con el progreso propio de la metodología. Para mejorarla se han perfeccionado los métodos básicos de la simulación para el control del espacio (incorporación de las tres dimensiones, difusión de substancias en el medio, distintos tipos de condiciones de contorno, uso de variables no homogéneas espacialmente, por ejemplo). Y otros aspectos propios de la programación.
Otra vertiente del desarrollo es la generación de modelos para sistemas concretos. Se han creado distintas estructuras de simulación, basadas en la misma metodología, para estudiar sistemas de características diversas.
Para los sistemas bacterianos se han desarrollado modelos y se ha realizado simulaciones para estudiar:
a) oscilaciones metabólicas de cultivos cerrados de escherichia coli b) aspectos determinados en relación a la producción de yogurt, donde se ha puesto de manifiesto la importancia de la geometría como un elemento probablemente imprescindible para entender algunos fenómenos biológicos.
(c) crecimiento de colonias sobre superficies, donde se ha constatado la idoneidad de la metodología para estudiar el comportamiento de los organismos y las substancias en el espacio.
También se ha mostrado la potencia de nuestra simulación para abordar interpretaciones basadas tanto en procesos bioquímicos como en procesos físicos.
Para cultivos de levaduras, el modelo (celular) es substancialmente mas complejo que el de bacteria. Se ha validado el modelo al comprobar que el comportamiento de un gran numero de variables diversas del sistema simulado es comparable, cualitativamente, al observado experimentalmente. A partir de una interpretación física de este proceso, se ha elaborado un modelo para la agregación de levaduras (la floculación), y se ha implementado este en la simulación. Con una estructura distinta del simulador desarrollado para los cultivos de levaduras, se ha demostrado la viabilidad de la metodología como herramienta para abordar este tipo de cuestiones de interés científico y técnico. Para simular la floculación se han utilizado escalas espaciales de magnitud superior a las celulares. Es un ejemplo de como las dimensiones de los sistemas pueden sugerir, incluso imponer, el nivel de precisión y estructura para definir los elementos individuales.
Para el estudio de los hongos filamentosos, un sistema complejo en el que es necesario modelar comportamientos bioquímicos al mismo tiempo que es necesario controlar el comportamiento de variables espaciales, se ha desarrollado una nueva estructura de simulación para la implementación del modelo elaborado. Se ha comprobado como este explica y reproduce el comportamiento de diversos parámetros observados experimentalmente.
Se ha desarrollado un modelo para poblaciones de generaciones no solapadas, y se ha implementado en la simulación, para aplicarla a estudios de ecología teórica, donde habitualmente se utilizan metodologías de simulación muy alejadas del funcionamiento real del sistema. Se ha comprobado la validez de la metodología como herramienta para abordar diversas cuestiones en este campo de aplicación (estabilidad de la dinámicas, efecto del espacio sobre el sistema y control de dinámicas caóticas).

Cryogenic Silicon Microstrip detector modules for LHC

Tue, 12 Apr 2011 15:19:19 GMT

Cryogenic Silicon Microstrip detector modules for LHC Perea Solano, Blanca CERN is presently constructing the LHC, which will produce collisions of 7 TeV protons in 4 interaction points at a design luminosity of 1034 cm-2 s-1. The radiation dose resulting from the operation at high luminosity will cause a serious deterioration of the silicon tracker performance. The state-of-art silicon microstrip detectors can tolerate a fluence of about 3·1014 cm-2 of hadrons or charged leptons. This is insufficient for long-term operation in the central parts of the LHC trackers, in particular after the possible luminosity upgrade. By operating the detectors at cryogenic temperatures the radiation hardness can be improved by a factor 10.
This work proposes a cryogenic microstrip detector module concept which has the features required for the upgraded LHC experiments at CERN. The module can hold an edgeless sensor, being a good candidate for improved luminosity and total cross-section measurements. The design of such a module is constrained by the requirements on radiation hardness and minimal mass. The choice of the component materials is guided by the properties of the silicon sensors, and the main criteria include best possible matching of the thermal dilatation, high thermal conductivity and appropriate elastic properties, in addition to the radiation resistance.
A module design is proposed where, apart from the silicon sensor, both the support plate and the pitch adapter are processed on silicon. Future design options may also feature hybrids processed in silicon using thick-film techniques and cooling microchannels directly micromachined into the support plate. The best performance and highest degree of integration of the cooling is achieved with two-phase flow (high heat transfer coefficient) argon running through capillary pipes embedded in a CFC spacer close to the heat sources. A series of thermal tests have shown that silicon is an excellent heat spreader and its use as a structural material leads to a uniform temperature distribution in the sensor and support plate. The thermal resistance due to the glue layers dominates the thermal behaviour.
The thermoelastic properties of the epoxies are key factors in the design. A series of samples were prepared to measure these properties of Araldite® 2011, Stycast® 1266 and Type L epoxies filled with fused quartz powder, as a function of temperature. Filling these epoxies reduces their thermal dilatation, nearly matching that of metals. This reduces the stress in the joints when cooling down. However, filling increases the Young modulus (E) of the epoxy so much, that the thermal stress increases with the filling factor. Furthermore, filling increases the viscosity and leads to thicker glue layers, which also increases the thermal stress in silicon. The idea of using filled epoxy was therefore abandoned. The E of unfilled epoxies at 77 K is between 4 and 8 times higher than that measured at 300 K. Thin layers of epoxy should be used to minimize the stress on the silicon substrate.
Precision gluing jigs were designed and produced to assemble the prototype modules. The alignment with respect to the beam is done using a warm support plate, placed between the module and the vacuum chamber. The module is attached to this support structure through three thermally isolating precision support posts with dowels. The position of the module and its readout strips is thus accurately referred to the vacuum chamber, which itself can be aligned in the test beam line using optical targets.
A first electrical prototype module was assembled using a 50 ?m pitch silicon microstrip sensor (32.5 cm2). Pitch adapter and support plate were processed on silicon. The CMS hybrid with APV25 readout chips was characterized at low temperature. First results were obtained down to 210 K, showing a decrease of the noise and the rise time and an increase of the pulse peak height with respect to the room temperature behaviour.
A pair of edgeless silicon diode pad sensors was exposed to the X5 high-energy pion beam, in order to determine the edge sensitivity. A high-resistivity silicon p+-i-n+ planar diode detector (0.25 cm2) was diced through its front p+ implant to produce two halves of edgeless diode pad sensors. A large surface current on such an edge prevents the normal reverse biasing of this device but it can be sufficiently reduced by the use of a suitable cutting method, followed by edge treatment and by operating the sensor at low temperature. The gap width between the edgeless sensors, determined using the tracks measured by a reference telescope, was compared with metrology measurements. It was concluded that the depth of the dead layer is compatible with zero within the statistical accuracy of 8 µm and systematic accuracy of 6 µm.

Estudio de la carga de espacio en polímeros amorfos por espectroscopia dieléctrica

Tue, 12 Apr 2011 15:19:19 GMT

Estudio de la carga de espacio en polímeros amorfos por espectroscopia dieléctrica Mudarra López, Miguel El término carga de espacio describe el estado eléctrico de un material, mal conductor, que mantiene una distribución de cargas eléctricas relativamente inmóviles. El estudio del efecto de la carga de espacio sobre las propiedades de los materiales aislantes está adquiriendo importancia creciente, dada su influencia en los procesos de envejecimiento y ruptura dieléctrica, los cuales suponen una limitación de las prestaciones de aquellos.

Para el estudio de la carga de espacio hay que tener en cuenta dos aspectos complementarios. Por un lado, es necesario conocer la distribución espacial de la misma, pues ésta condiciona el valor del campo eléctrico en el interior del material. Por otra parte es necesario determinar los parámetros que rigen los procesos de atrapamiento, transporte y relajación de la carga. En la actualidad se disponen de diversas técnicas para llevar a cabo estos estudios, aunque en general presentan el problema de que, por una parte, requieren acondicionamientos diferentes de las muestras y, por otra, necesitan la disposición de electrodos especiales en algunos casos. Dada la sensibilidad de la carga de espacio a estos factores, resulta difícil correlacionar la información que proporcionan.

En nuestro trabajo hemos utilizado tres técnicas que permiten evitar el problema que hemos puesto de manifiesto anteriormente, pues estas técnicas se pueden aplicar sobre muestras que han sido previamente acondicionadas de la misma manera. Estas técnicas son la de las corrientes de despolarización estimulada térmicamente (TSDC), el análisis eléctrico dinámico (DEA) y la técnica del escalón térmico. Las dos primeras son técnicas de espectroscopía dieléctrica mientras que la última permite obtener la distribución de la carga en el material. Los materiales empleados han sido el polimetacrilato de metilo (PMMA) y dos variedades comerciales de polieterimida (PEI) denominadas Ultem 1000 y Ultem 5000.

En el análisis de los datos obtenidos mediante TSDC hemos utilizado el modelo de Bucci-Fieschi para las relajaciones de naturaleza dipolar, mientras que las de carga de espacio se han interpretado en base al modelo de cinética de orden general, siempre aplicados sobre muestras polarizadas mediante ventanas (WP). Los parámetros que hemos analizado para las relajaciones dipolares son los tiempos de relajación y energías de activación. En el caso de las relajaciones de carga de espacio hemos estudiado el tiempo de relajación, la energía de activación (que en este modelo corresponde a la profundidad de atrapamiento), la carga atrapada inicial y el orden cinético, parámetro que da información acerca del proceso microscópico más probable en la relajación de la carga de espacio. Los datos de DEA fueron interpretados mediante el modelo de Coelho, utilizando el formalismo del módulo eléctrico, obteniéndose información acerca del grado de bloqueo de los electrodos, la conductividad del material, la concentración de portadores y su movilidad.

Entre los resultados obtenidos podemos resaltar que a temperaturas de polarización por encima de 80oC, superiores a la Tpo de la relajación ' del PMMA y a las que el pico  ya es activado, se ha observado un proceso de inyección anódica, que creemos acompañado de un incremento de la movilidad de los portadores positivos que permite explicar el incremento de la conductividad y la disminución de la rigidez dieléctrica observada por otros autores.

Para la interpretación de los resultados obtenidos en el estudio mediante TSDC de la relajación de carga de espacio en el PMMA hemos desarrollado un procedimiento que permite extender el método del análisis del mapa de relajación (RMA), habitual en el estudio de las relajaciones dipolares, al caso de la carga de espacio. Según nuestra interpretación, la curva de descarga obtenida procede del proceso de relajación de carga atrapada en una franja de niveles de atrapamiento cuya anchura depende fundamentalmente de la anchura de la ventana de polarización, y cuya profundidad depende de las condiciones de polarización. En el caso de ventanas de polarización de anchura nula, la carga de espacio se halla en una franja estrecha de niveles de atrapamiento, de manera que se puede suponer que el proceso de relajación no es distribuido y aplicar, por lo tanto, un modelo de relajación simple para su estudio, siendo el de cinética de orden general muy conveniente.

El procedimiento desarrollado permite explicar, al menos de una forma cualitativa, la función de distribución de niveles de atrapamiento. En el caso del PMMA, el número de trampas parece crecer suavemente hasta alcanzar un máximo a una profundidad de unos 2.35 eV, para, una vez superado éste, decrecer bruscamente a una profundidad de unos 2.5 eV. El orden cinético de la relajación es de 1.14 en el caso del PMMA1 y de 1.25 en el del PMMA2, indicando que, en estos materiales, el proceso de relajación más probable de la carga de espacio es el de la recombinación de portadores.

Los valores encontrados para las energías de activación y los factores preexponenciales del tiempo de relajación siguen leyes de compensación. Hemos de resaltar que la existencia de leyes de compensación en el caso de aisladores se había encontrado en procesos de relajación dipolar analizados mediante modelos de cinética de primer orden, mientras que en nuestro caso se ha comprobado en un proceso de relajación de carga de espacio que obedece a una cinética que no es de primer orden.

El grado de saturación alcanzado en la formación de la carga de espacio en las muestras de PMMA para un tiempo de polarización dado es tanto mayor cuanto mayores sean el campo aplicado y la temperatura de polarización, observándose que cuanto mayor es el nivel de saturación alcanzada en las polarizaciones, más definida es la temperatura de polarización óptima. La profundidad de atrapamiento de la carga crece con el tiempo de polarización, si bien la temperatura y el campo de polarización influyen en la profundidad de la carga atrapada. En el caso de campos bajos, la profundidad de atrapamiento crece con la temperatura e inicialmente con el campo aplicado. A partir de cierto valor del campo aplicado se observa una disminución de la profundidad de atrapamiento, posiblemente relacionada con un mecanismo de disminución de la barrera de potencial por efecto del campo residual en el material, que parece ser más eficaz en las trampas más profundas.

Hemos estudiado la distribución de la carga de espacio en electretes de PMMA, polarizados mediante ventanas de anchura nula a la temperatura de polarización óptima. Los perfiles de distribución de la carga que se han obtenido son más complejos que los observados en relajaciones de naturaleza dipolar y que los obtenidos en electretes polarizados convencionalmente que se han descrito en la bibliografía, y en los que la carga de espacio se había aislado mediante la técnica limpieza de picos. Nuestros resultados indican que a tiempos de polarización cortos se forma fundamentalmente heterocarga y que al incrementarse los tiempos se forman distribuciones más complejas, en las que se observan dos macrodipolos orientados en la dirección del campo. Para campos de polarización altos, el campo residual es mucho mayor en la zona catódica, probablemente fruto de una mayor eficacia de la inyección en el ánodo, lo que produce una compensación de la heterocarga.

En el caso de las medidas de DEA sobre PMMA, hemos observado un buen ajuste de los resultados experimentales al modelo de Coelho, lo que supone que a temperaturas por encima de la de transición vítrea los procesos de transporte de carga en este material son la difusión y la conducción óhmica. Los electrodos presentan un bloqueo parcial, observándose un ligero aumento del bloqueo de los mismos con la temperatura. Esta situación de bloqueo parcial puede explicar la existencia de fenómenos de inyección que, como la técnica del escalón térmico ha evidenciado, parecen ser más eficaces en el ánodo.

La conductividad en el material a temperaturas por encima de la de transición vítrea es activada térmicamente. Su valor se incrementa en dos órdenes de magnitud en el intervalo de temperaturas estudiado. Este incremento de la conductividad no ha de ser atribuido a un incremento de la concentración de portadores, ya que ésta parece disminuir ligeramente, sino a un incremento de la movilidad de los mismos, que resulta ser activada térmicamente.

Los resultados obtenidos en la caracterización mediante corrientes termoestimuladas de las relajaciones presentes en el Ultem 1000 son comparables a los que proporcionan las medidas de DEA. En el material se producen tres procesos de relajación de naturaleza dipolar y uno de carga de espacio. Este último proceso da lugar a un pico sólo en el caso de las corrientes termoestimuladas, debido a la baja frecuencia equivalente de éstas.

El gran poder de resolución de la técnica TSDC ha permitido alcanzar el desdoblamiento del pico , que puede resolverse en un doble pico en medidas TSDC convencionales, mientras que, en las medidas de DEA, ambos picos aparecen confundidos en un pico muy ancho. El uso de la polarización por ventanas mejora el poder de resolución de la técnica TSDC, y en el caso de la relajación  se han detectado tres temperaturas de polarización óptima, que ponen de manifiesto la existencia de tres mecanismos de relajación a nivel microscópico.

Se han determinado los parámetros que rigen las cinéticas de las diferentes relajaciones y se han comparado con los valores proporcionados por otras técnicas. Las energías de activación para la relajación  se corresponden bien con los valores obtenidos mediante otras técnicas, pero hay diferencias en la  y la . Las diferencias en el caso de la relajación  son atribuibles al hecho de que los tres mecanismos diferenciados que se observan mediante TSDC aparecen superpuestos en solo pico ancho en las medidas DEA y DMTA. Por este motivo, creemos que los valores obtenidos mediante corrientes termoestimuladas son más realistas. Creemos que las diferencias en las energías de activación de la relajación  están relacionadas con las diferencias en los procesos de cálculo.

Las corrientes TSDC que resultan de la carga de espacio en este material obedecen a un proceso de relajación cuya cinética es próxima a la unidad, lo que evidencia que la recombinación es el mecanismo más probable durante la relajación. Como en el caso del PMMA, se ha observado una ley de compensación para la relajación de carga de espacio en este material.

Hemos comparado los espectros TSDC del Ultem 1000 y el Ultem 5000 a temperaturas por encima de la ambiente. Ambas variedades tienen un espectro TSDC similar, si bien en el caso del Ultem 5000 los picos aparecen desplazados a temperaturas superiores. Las energías de activación de las relajaciones  y  de ambas variedades de polieterimida son comparables. Los órdenes cinéticos de la relajación de carga de espacio también son parecidos en ambos materiales. La principal diferencia entre ellos, es la mayor capacidad de atrapamiento del Ultem 1000, que creemos que puede ser la causa de su menor rigidez dieléctrica.

El modelo de Coelho ha resultado satisfactorio para la interpretación del efecto de la relajación de la carga de espacio en las medidas dieléctricas convencionales en ambas variedades de polieterimida. En ambos casos se ha obtenido una conductividad activada térmicamente, siendo en el caso del Ultem 5000 unos dos órdenes de magnitud mayor en el intervalo de temperaturas estudiado. En ambos casos el incremento de la conductividad con la temperatura se ha de atribuir a la movilidad creciente de los portadores, ya que se ha determinado que la concentración de portadores varía poco en dicho intervalo térmico.

Por otro lado se han observado diferencias en el comportamiento de los electrodos. En el Ultem 5000 los electrodos se hallan completamente bloqueados, mientras que en el Ultem 1000 el bloqueo en los mismos es parcial. En ambos casos, el valor del factor de transparencia de los electrodos no parece depender de la temperatura, por lo que creemos que en el comportamiento de la unión metal-aislante es más determinante la naturaleza de los materiales que la temperatura.

Aportaciones al estudio de los campos de radiación ionizante ambiental

Tue, 12 Apr 2011 15:19:17 GMT

Aportaciones al estudio de los campos de radiación ionizante ambiental Cortés Rosell, Guillem Amb aquesta tesi s'intenta aportar la informació necessària per a millorar el coneixement dels camps de radiació ionitzant ambiental d'origen natural, i contribuir així a la millora de la gestió de les estacions de vigilància radiològica ambiental. Es fa especial èmfasi en les variacions de la taxa de dosi ambiental i la seva relació amb diverses variables meteorològiques com la pressió atmosfèrica, la concentració de radó a l'aire, i la presència de descendents del radó (214Pb y 214Bi) a la pluja. D'aquesta forma, s'han modelitzat les oscil·lacions de la radiació ionitzant ambiental durant els episodis secs (absència de pluja) i durant certs episodis humits (presència de pluja). Els paràmetres d'aquest model s'han obtingut mitjançant les dades experimentals obtingudes durant diversos anys (1995 a 1998) a l'estació ESCRA. Posteriorment s'ha utilitzat el model per a reproduir la variació de la taxa de dosi natural durant l'any 1999, obtenint-se resultats molt satisfactoris. Pel que respecta als episodis humits, també s'han reproduït els increments de taxa de dosi ambiental natural durant i després de períodes de pluja, utilitzant les dades registrades amb l'equip SARAC. Aquest equip, que ha sigut desenvolupat íntegrament en el marc d'aquesta tesi i s'ha instal·lat a l'estació ESCRA, permet determinar la concentració d'emissors de radiació gamma de vida curta, presents a l'aigua de pluja. Un dels avantatges d'aquest dispositiu consisteix en que ofereix resultats de forma continua, donat que es troba totalment automatitzat. Per a la identificació de radionúclids emissors gamma utilitza un sistema d'espectrometria gamma amb cristall de germani intrínsec d'alta puresa (HPGe), refrigerat amb nitrogen líquid. El funcionament de l'equip SARAC ha permès determinar la concentració dels descendents del radó que són emissors gamma (214Pb y 214Bi) a l'aigua de pluja, i observar la seva variació al llarg de tot un episodi de pluja a intervals de 10 minuts.

S'aporten les tècniques necessàries per a determinar els factors de dosi que relacionen la concentració de radionúclids d'origen artificial depositats (per l'acció de la pluja) sobre el terreny que envolta l'estació ESCRA, amb la taxa de dosi mitjana en diverses posicions de la torre meteorològica de la estació. Per a la determinació dels factors de dosi s'han utilitzat tècniques de simulació Monte Carlo (MC) i diverses tècniques de reducció de variança per a minimitzar el temps de simulació. En concret, s'ha utilitzat un paquet de rutines de simulació denominat PENELOPE

Els resultats obtinguts en aquesta tesi indiquen que cada emplaçament a on s'ubica una estació de vigilància s'ha de caracteritzar meteorològicament i radiològiocament abans de la seva explotació, per tal de determinar de forma precisa els principals elements d'influència de la dosi ambiental.

La modelització de les variacions de la taxa de dosi ambiental d'origen natural en episodis secs i humits permetrà discriminar els increments de dosi deguts a causes artificials de les exclusivament naturals que són registrats per les estacions de vigilància radiològica ambiental. D'aquesta forma es podrà optimitzar la gestió de les alertes i reduir el nombre de falses alarmes.

En referència als episodis de pluja, l'equip SARAC és de gran utilitat, donat que a més de registrar els descendents de radó emissors gamma, també permet determinar de forma continua i in situ altres emissors gamma que puguin tenir un origen artificial.; Con esta tesis se pretende aportar la información necesaria para mejorar el conocimiento de los campos de radiación ionizante ambiental de origen natural y contribuir así a una mejor gestión de las estaciones de vigilancia radiológica ambiental. Se hace especial énfasis en las variaciones de la tasa de dosis ambiental y su relación con diversas variables meteorológicas tales como la presión atmosférica, la concentración de radón en el aire, y la presencia de descendientes del radón (214Pb y 214Bi) en la lluvia. De este modo, se han modelizado las oscilaciones de la radiación ionizante ambiental durante los episodios secos (ausencia de lluvia) y durante ciertos episodios húmedos (presencia de lluvia). Los parámetros de dicho modelo se han obtenido mediante los datos experimentales obtenidos durante varios años (1995 a 1998) en la estación ESCRA. Posteriormente se ha utilizado el modelo para reproducir la variación de la tasa de dosis natural durante el año 1999 obteniéndose resultados muy satisfactorios. Por lo que respecta a los episodios húmedos, también se han reproducido los incrementos de dosis ambiental natural durante y después de periodos de lluvia, empleando los datos registrados con el equipo SARAC. Dicho equipo, que ha sido desarrollado íntegramente en el marco de esta tesis y se ha instalado en la estación ESCRA, permite determinar la concentración de emisores de radiación gamma de vida corta, presentes en el agua de lluvia. La ventaja de dicho dispositivo consiste en que ofrece resultados de forma continua ya que se encuentra totalmente automatizado. Para la identificación de radionuicleidos emisores gamma utiliza un sistema de espectrometría gamma de germanio intrínseco de alta pureza refrigerado con nitrógeno líquido. La operación del equipo SARAC ha permitido determinar la concentración de los descendientes del radón emisores gamma 214Pb y 214Bi en el agua de lluvia y observar su variación temporal a lo largo de todo un episodio de lluvia a intervalos de 10 minutos.

Se aportan las técnicas necesarias para determinar los factores de dosis que relacionan la concentración de radionucleidos de origen artificial depositados (por la acción de la lluvia) en el terreno que rodea la estación ESCRA, con la tasa de dosis medida en distintas posiciones de la torre meteorológica de la estación. Para la determinación de los factores de dosis se han utilizado técnicas de simulación Monte Carlo (MC) y ciertas técnicas de reducción de varianza para minimizar el tiempo de simulación. En concreto se ha utilizado un paquete de rutinas de simulación denominado PENELOPE.

Los resultados obtenidos con esta tesis indican que cada emplazamiento donde se ubica una estación de vigilancia debe ser caracterizado meteorológicamente y radiológicamente con anterioridad a su explotación para determinar de forma precisa los principales elementos de influencia en la dosis ambiental.

La modelización las variaciones de la tasa de dosis ambiental de origen natural en episodios secos y húmedos permite discriminar los incrementos de dosis debidos a causas artificiales de los exclusivamente naturales que son registrados por las estaciones de vigilancia radiológica ambiental. De esta forma se podrá optimizar la gestión de las alertas y reducir el número de falsas alarmas.

En lo que se refiere a los episodios de lluvia, el equipo SARAC es de gran utilidad ya que además de registrar los descendientes de radón emisores gamma permite determinar de forma continua e in situ otros emisores gamma que pueden tener un origen artificial.; This thesis contributes to the knowledge of environmental ionizing radiation fields from natural origin. It is focused on the characterization of stations for the environmental ionizing radiation surveillance. We have modeled time variations of the environmental doserate related with the atmospheric pressure, the radon concentration in air, and rain precipitation. The presence of the radon progeny (214Pb and 214Bi - gamma emitters) in rain implies an increase on the environmental doserate. The model has been validated by means of experimental data, measured at the ESCRA Station (located in Barcelona) during several years (1995 to 1999). At wet (rain) periods, we have reproduced the increments of natural environmental doserate, using data collected with the SARAC device. This device has been developed entirely in the mark of this thesis and has been settled in the station ESCRA; it allows the measurement of short lived gamma emitters in rainwater. One of the goals of this device is that it is automated allowing the measurement of gamma emitters "in situ" each 10 minutes. Gamma emitters in rainwater are detected by mains of a High Purity Germanium Detector cooled with liquid nitrogen. The operation of the SARAC device has allowed the measurement of natural gamma emitter concentration in rainwater along rain episodes at intervals of 10 minutes.

To model the environmental doserate variations with time, is required to know some dose factors which relates the gamma emitters deposited on the soil, in the surroundings of the ESCRA Station, with the doserate measured at a point (the position of a gamma probe). These dose factors have been obtained by means of the simulation of the transport of the gamma and beta radiation emitted by the soil, and their interaction with gamma probes and the surroundings of the ESCRA Station. These simulations have been done with techniques of Monte Carlo (MC) for the transport of gamma and beta radiation, and also techniques of variance reduction to minimize the time of the simulations. To perform these simulations, we have used the simulation package PENELOPE.

The results obtained with this thesis shows that each station for the surveillance of environmental ionizing radiation should be meteorological and radiological characterized prior to its exploitation. It also implies the knowledge of the dose factors (at each probe location) of the main radionuclides (gamma emitters) presents in the soil and buildings surrounding the surveillance station. Monte Carlo simulation techniques described in this thesis could be used. The knowledge of the origin of natural variations of environmental doserate in dry and wet episodes allows discriminate those variations from artificial origin. This allows to optimize the administration of alerts and to reduce the number of false alarms.

The successful operation of the SARAC device is a goal that allows us to increase our knowledge of the environmental ionizing radiation fields during rain episodes.

Entrainment of semiconductor lasers : noise, modulation and synchronization

Tue, 12 Apr 2011 15:19:17 GMT

Entrainment of semiconductor lasers : noise, modulation and synchronization Martín Buldú, Javier El objetivo de esta tesis es el estudio de la dinámica de los láseres de semiconductor (LS) con realimentación óptica, tanto desde el punto de vista experimental como numérico. La reflexión de la luz emitida por el láser, debida a la presencia de un espejo externo, es capaz de inducir una dinámica caótica en su intensidad de salida. Concretamente, cuando el láser es bombeado cerca de su corriente umbral, puede entrar en el régimen de fluctuaciones de baja frecuencia (LFF), caracterizado por repentinas caídas de su intensidad a tiempos irregulares. El comportamiento pulsado, y caótico, en este régimen es de especial interés desde el punto de vista de la dinámica de sistemas no-lineales, pero también por sus aplicaciones en comunicaciones ópticas.

Si queremos resumir los resultados de esta tesis ordenados cronológicamente,debemos empezar hablando de ruido. El efecto de el ruido en un sistema no-lineal puede ser de gran ayuda en la obtención de una respuesta más regular, efectos como la resonancia coherente o la resonancia estocástica han dado buena prueba de ello. Con el objetivo de observar ambos fenómenos en el comportamiento pulsado de un láser en régimen de LFF, se realizan simulaciones numéricas a partir del modelo de Lang-Kobayashi (LK), que describe la evolución del campo eléctrico y los portadores en un LS. Los resultados obtenidos demuestran que añadiendo cierta cantidad de ruido externo a través de la corriente de bombeo, los pulsos observados en la intensidad de salida se vuelven más regulares, que es la característica típica de la resonancia de coherencia (RC). Si la corriente de bombeo está modulada con una señal periódica de cierta frecuencia, se puede observar cómo el ruido externo ayuda al sistema a seguir dicha frecuencia, lo que se refleja en la intensidad de salida con unas caídas no sólo más regulares, sino también a la frecuencia de forzamiento. Este fenómeno, observado en diversos sistemas no-lineales, se conoce como resonancia estocástica (SR). Los estudios realizados permiten observar que no sólo la amplitud del ruido es importante, sino también su tiempo de correlación, debiéndose ajustar ambos parámetros para poder observar dichas resonancias. En relación con el efecto del ruido en estos sistemas, se estudia (experimental y numéricamente) el caso de un láser en LFF cuando es modulado con dos frecuencias, observando resonancia a frecuencias no presentes en el sistema. Estos resultados son la primera evidencia experimental de este fenómeno, bautizado como resonancia fantasma (GR), el cual sólo habia sido predicho teóricamente hasta el momento.

Paralelamente, se analizan los efectos del acoplamiento de dos sistemas caóticos, en nuestro caso dos láseres en régimen de LFF. Los resultados demostran que el acoplamiento puede incrementar la respuesta de un sistema no lineal a un señal periódica externa.

Se profundiza también en el estudio del comportamiento multimodo de los láseres de semiconductor con realimentación óptica. Se presentan resultados experimentales y numéricos del comportamiento de los modos longitudinales en el régimen de LFF, observándose como, cuando la intensidad total cae, se activan modos laterales que hasta el momento permanecian apagados. Finalmente, y continuando con el estudio de la dinámica multimodo, se analiza la sincronización de dos láseres multimodo mediante una extensión del modelo de LK, observándose sincronización generalizada y anticipada, tanto de la intensidad total, como entre los modos longitudinales de cada láser. Estos resultados sugieren la utilización de este tipo de láseres para la transmisión de mensajes multiplexados.

Estudio del transporte de energía en plasma de fusión termonuclear con medidas experimentales obtenidas del espectrometro de intercambio de carga, realizado mediante técnicas de participación remota.

Tue, 12 Apr 2011 15:19:14 GMT

Estudio del transporte de energía en plasma de fusión termonuclear con medidas experimentales obtenidas del espectrometro de intercambio de carga, realizado mediante técnicas de participación remota. Fontdecaba Climent, Josep Maria En la investigació de la fusió termonuclear controlada per confinament magnètic es important conèixer el transport d'energia en els plasmes, doncs aquest transport és el que fa que es refredi més o menys ràpidament amb el que s'obtindran o no les reaccions de fusió. El transport d'energia en els plasmes es majoritàriament turbulent o anòmal, fins la data no hi ha una teoria que expliqui satisfactòriament aquest tipus de transport, por tant per poder realitzar estudis i extrapolacions s'utilitzen models semiempírics en codis de simulació validats. Un d'aquests codis de simulació és PRETOR-Stellarator, utilitzat i millorat durant la realització d'aquesta tesi.

Per altra banda un aspecte important dels dispositius de fusió son els diagnòstics, eines imprescindibles per comprendre les propietats del plasma confinat al seu interior. Un dels diagnòstics instal·lats en el stellarator heliac flexible TJ-II del "Laboratorio Nacional de Fusión" de Madrid és l'espectròmetre d'intercanvi de càrrega. Durant aquesta tesi s'ha aprofundit en el seu estudio per després poder analitzar els seus resultats.

Amb la següent generació de màquines de fusió és pretén augmentar les prestacions i arribar a demostrar la viabilitat d'aquesta tecnologia per produir electricitat. Per això les màquines han de ser molt més grans i, per tant, més cares i complexes. Por això diversos països han col·laborat en el disseny i, en el futur, construcció del dispositiu. Per a que els científics de tots els països participants puguin beneficiar-se de les dades obtingudes per les noves màquines es fan imprescindibles les eines de participació remota. Un dels punts principals d'aquesta tesi és la utilització d'aquest tipus d'eines pel funcionament de l'espectròmetre d'intercanvi de càrrega.

En aquesta tesi s'han realitzat diferents estudis de transport de la calor pels electrons en el plasma. Primer s'ha acabat de validar el codi PRETOR-Stellarator amb dades de descàrreges de TJ-II obtingudes mitjançant la participació remota. Seguidament s'ha introduït una modificació del codi que permet simular amb més exactitud la part central del plasma, amb aquestes modificacions s'ha realitzat un estudi del mode de confinamient millorat de TJ-II.

Amb l'espectròmetre d'intercanvi de càrrega s'han realitzat una sèrie de mesures destinades a comprovar les asimetries poloidals de fuga de ions del plasma i després s'ha intentat ver la influència de la inducció de corrent en el plasma en la temperatura dels ions.

Finalment amb dades obtingudes de l'espectròmetre d'intercanvi de càrrega s'ha realitzat un estudi del transport del calor pels ions. Primer s'ha realitzat fins un radi efectiu de 0.6 aproximadament i després, gràcies a una millora del diagnòstic, s'ha pogut completar el perfil radial fins fora de l'última superfície de flux tancada. Això és una novetat, ja que fins ara no s'havia fet, a més com a resultat dóna una temperatura dels ions totalment plana al llarg de tot el radi i fins i tot fora d'aquesta última superfície tancada de flux.

Amb aquesta tesi s'han provat eines de participació remota comprovant que són aptes per la seva utilització en grans instal·lacions científiques. A més s'ha aprofundit el coneixement dels plasmes de TJ-II. També s'ha acabat de validar el codi PRETOR-Stellarator, amb el que es té una eina útil per la simulació de plasmes de fusió.; En la investigación de la fusión termonuclear controlada por confinamiento magnético es importante conocer el transporte de energía en los plasmas, pues este transporte es el que hace que se enfríe más o menos rápidamente con lo que se obtendrán o no las reacciones de fusión. El transporte de energía en los plasmas es mayoritariamente turbulento o anómalo, hasta la fecha no hay una teoría que explique satisfactoriamente este tipo de transporte, por tanto para poder realizar estudios y extrapolaciones se utilizan modelos semiempíricos en códigos de simulación validados. Uno de estos códigos de simulación está PRETOR-Stellarator, utilizado y mejorado durante la realización de esta tesis.

Por otra parte un aspecto importante de los dispositivos de fusión son los diagnósticos, herramientas imprescindibles para comprender la propiedades del plasma confinado en su interior. Uno de los diagnósticos instalados en el stellarator heliac flexible TJ-II del Laboratorio Nacional de Fusión de Madrid es el espectrómetro de intercambio de carga. Durante esta tesis se ha profundizado en su estudio y manejo para después poder analizar sus resultados.

Con la siguiente generación de máquinas de fusión se pretende aumentar las prestaciones y llegar a demostrar la viabilidad de esta tecnología para producir electricidad. Para ello la máquinas deben ser mucho mayores y, por tanto, más caras y complejas. Por esto diversos países han colaborado en el diseño y, en el futuro, construcción del dispositivo. Para que los científicos de todos los países participantes puedan beneficiarse de los datos obtenidos por la nuevas máquinas se hacen imprescindibles las herramientas de participación remota. Uno de los puntos principales de esta tesis es la utilización de este tipo de herramientas para el manejo del espectrómetro de intercambio de carga, con lo que es un ejemplo para el futuro.

En esta tesis se han realizado diferentes estudios de transporte de calor por los electrones en el plasma. Primero se ha acabado de validar el código PRETOR-Stellarator con datos de descargas de TJ-II obtenidos mediante la participación remota. Seguidamente se ha introducido una modificación del código que permite simular con mayor exactitud la parte central del plasma, con estas modificaciones se ha realizado un estudio del modo de confinamiento mejorado de TJ-II.

Con el espectrómetro de intercambio de carga se han realizado una serie de medidas destinadas a comprobar las asimetrías poloidales de fuga de iones del plasma y después se ha intentado ver la influencia de la inducción de corriente en el plasma en la temperatura de los iones.

Finalmente con datos obtenidos del espectrómetro de intercambio de carga se ha realizado un estudio del transporte del calor por los iones. Primero se ha realizado hasta un radio efectivo de 0.6 aproximadamente y después, gracias a una mejora del diagnóstico, se ha podido completar el perfil radial hasta fuera de la última superficie de flujo cerrada. Esto último es una novedad, ya que hasta ahora no se había hecho, además da como resultado una temperatura de los iones totalmente plana a lo largo de todo el radio e incluso fuera de esta última superficie cerrada de flujo.

Con esta tesis se han probado herramientas de participación remota comprobando que son aptas para su empleo en grandes instalaciones científicas. Además se ha profundizado el conocimiento de los plasmas de TJ-II. También ha acabado de validar el código PRETOR-Stellarator, con lo que se tiene una herramienta útil para la simulación de plasmas de fusión.; In the magnetic confinement cotrolled thermonuclear fusion research it is important to know the energy transport in plasmas, because the transport makes the plasma get cold more or less quickly and so obtain more or less fusion reactions. The energy transport in plasmas is mainly turbulent or anomalous, since now there is not a theory that explains correctly this kind of transport, so in order to make studies and extrapolations it is mandatory to use semiempirical models in validated simulation codes. Among these simulation codes it is PRETOR-Stellarator, used and upgraded during the realization of this thesis.

Another important aspect in the fusion devices are the diagnostics, indispensable tools for understanding the plasma properties of the device. One of the diagnostics installed in the stellarator flexible heliac TJ-II from "Laboratorio Nacional de Fusión" (Madrid) is the charge exchange spectrometer. A deep study and operation of it has been done to analize some of its results during the thesis.

The next generation of fusion devices will improve its features and demonstrate the viability of this technology to produce electricity. To achieve these goals the machines must be bigger than the present-day ones, and therefore more expensive and complex. To avoid these problems some countries have collaborated in the design and, in the future, will collaborate in the construccion of the device. The scientists participating in the construction of the device would acces to the data collected in the machine by remote participation techniques, no matter where their laboratories were. One of the main points of this thesis is the use of remote participation techniques to operate the charge exchange spectrometer, so this can be a good example for the future.

Some electron heat transport studies have been done during this thesis. First of all PRETOR-Stellarator has been validated whit TJ-II shots obtained by remote participation techniques. After, a modification of the code has been done in order to simulate with more precition the central part of the plasma, with these modifications an study of the improved confinement regime of TJ-II has been done.

A series of measurements with the charge exchange spectrometer have been done to comprove the asimetric poloidal ion losses in the plasma. Moreover the influence of an induced current in ion temperature has been investigated.

Finally, with the charge exchange spectrometer data an ion heat transport study has been done. First and study until an effective radius of 0.6 has been done and, after an upgrade of the diagnostic, it has been completed to the last closed flux surface. This last action is a novelty because never has been done in TJ-II. As a main result of these measurements results an ion temperature profile flat along the whole radius, also out of the last closed flux surface.

In this thesis some remote praticipation tools have been tested resulting that they are effective for their use in big scientific instalations. Furthermore the knowledge of TJ-II plasmas has been increased. Also the PRETOR-Stellartor has been validated, resulting an useful tool for the plasma simulations.

Absolute quantification in brain SPECT imaging

Tue, 12 Apr 2011 15:19:14 GMT

Absolute quantification in brain SPECT imaging Cot Sanz, Albert Certes malalties neurològiques estan associades amb problemes en els sistemes de neurotransmissió. Una aproximació a l'estudi d'aquests sistemes és la tomografia d'emissió SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography) com a tècnica
no-invasiva que proporciona imatges funcionals representatives de l'activitat neuronal. Aquesta tècnica permet la visualització i l'anàlisi de diferents òrgans i teixits dins l'àmbit de la Medicina Nuclear.

Malgrat que la inspecció visual de la imatge a vegades és suficient per establir el diagnòstic, la quantificació dels paràmetres de la imatge reconstruida poden millorar la fiabilitat i exactitud del diagnòstic precoç de la malaltia. En particular, la quantificació d'estudis de neurotransmissors de dopamina pot ajudar a detectar els estadis inicials de malalties com el Parkinson. Així mateix, la quantificació permet un seguiment més acurat de l'evolució de la malaltia i una evaluació dels efectes de la terapèutica aplicada.

La quantificació es veu afectada pels efectes degradants de la imatge com són el soroll estadístic, la resposta del sistema col.limador/detector i l'efecte de dispersió i/o atenuació dels fotons en la seva interacció amb la matèria. Alguns d'aquests efectes poden ser corregits mitjançant l'ús d'algoritmes de reconstrucció iteratius.

L'objectiu d'aquesta tesi és aconseguir una quantificació tant absoluta com relativa dels valors numèrics de la imatge reconstruida de manera que reprodueixin la distribució d'activitat real del pacient en el moment de l'adquisició de l'estudi de SPECT. Per aconseguir-ho s'han desenvolupat diferents codis i algoritmes per millorar els mètodes de reconstrucció existents i validar-ne els seus resultats.

La validació i millora dels algoritmes s'ha basat en l'ús de tècniques de simulació Monte Carlo. S'han analitzat els diferents codis Monte Carlo disponibles en l'àmbit de la Medicina Nuclear i s'ha escollit SimSET. La interpretació dels resultats obtinguts i la comparació amb els resultats experimentals ens van dur a incorporar modificacions en el codi original. D'aquesta manera vam obtenir i validar SimSET com a generador d'estudis de SPECT a partir de pacients i objectes virtuals.

La millora dels algoritmes es va basar en la incorporació de models analítics de la resposta del sistema col.limador/detector. La modelització del sistema es va implementar per diferents configuracions i energies de la font amb la utilització del codi Monte Carlo PENELOPE. Així mateix es va dissenyar un nou algoritme iteratiu que incorporés l'efecte 3D del sistema i es va tenir en compte la valoració de la imatge en tot el seu volum.

Finalment, es va proposar una correcció de l'scattering utilitzant el simulador SimSET modificat per tal d'accelerar el procés de reconstrucció. Els valors reconstruits de la imatge ens han permès recuperar més d'un 95\% dels valors originals, permetent per tant la quantificació absoluta de les imatges de SPECT.; Many forms of brain diseases are associated with problems in the neurotransmission systems. One approach to the assessment of such systems is the use of Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT) brain imaging. Neurotransmission SPECT has become an important tool in neuroimaging and is today regarded as a useful method in both clinical and basic research. SPECT is able to non-invasively visualize and analyze different organs and tissues functions or properties in Nuclear Medicine.

Although visual inspection is often sufficient to assess neurotransmission imaging, quantification might improve the diagnostic accuracy of SPECT studies of the dopaminergic system. In particular, quantification of neurotransmission SPECT studies in Parkinson Disease could help us to diagnose this illness in the early pre-clinical stages. One of the main research topics in SPECT is to achieve early diagnosis, indeed preclinical diagnosis in neurodegenerative illnesses. In this field detailed analysis of shapes and values of the region of interest (ROIs) of the image is important, thus quantification is needed. Moreover, quantification allows a follow-up of the progression of disease and to assess the effects of potential neuroprotective treatment strategies. Therefore, the aim of this thesis is to achieve quantification of both the absolute activity values and the relative values of the reconstructed SPECT images.

Quantification is affected by the degradation of the image introduced by statistical noise, attenuation, collimator/detector response and scattering effects. Some of these degradations may be corrected by using iterative reconstruction algorithms, which thus enable a more reliable quantification. The importance of correcting degradations in reconstruction algorithms to improve quantification accuracy of brain SPECT studies has been proved.

Monte Carlo simulations are the --gold standard' for testing reconstruction algorithms in Nuclear Medicine. We analyzed the available Monte Carlo codes and we chose SimSET as a virtual phantom simulator. A new stopping criteria in SimSET was established in order to reduce the simulation time. The modified SimSET version was validated as a virtual phantom simulator which reproduces realistic projection data sets in SPECT studies.

Iterative algorithms permit modelling of the projection process, allowing for correction of spatially variant collimator response and the photon crosstalk effect between transaxial slices. Thus, our work was focused on the modelling of the collimator/detector response for the parallel and fan beam configurations using the Monte Carlo code PENELOPE. Moreover, a full 3D reconstruction with OS-EM algorithms was developed.

Finally, scattering has recognized to be one of the most significant degradation effects in SPECT quantification. Nowadays this subject is an intensive field of research in SPECT techniques. Monte Carlo techniques appear to be the most reliable way to include this correction. The use of the modified SimSET simulator accelerates the forward projection process although the computational burden is already a challenge for this technique.

Full 3D reconstruction simultaneously applied with Monte Carlo-based scattering correction and the 3D evaluation procedure is a major upgrade technique in order to obtain valuable, absolute quantitative estimates of the reconstructed images. Once all the degrading effects were corrected, the obtained values were 95\% of the theoretical values. Thus, the absolute quantification was achieved.

Radiation Transport Modelling in a Tokomak Plasma: Application to Performance Prediciton and Design of Future Machines

Tue, 12 Apr 2011 15:19:13 GMT

Radiation Transport Modelling in a Tokomak Plasma: Application to Performance Prediciton and Design of Future Machines Albajar Viñas, Ferran The understanding and modelling of heat and radiation transport in tokamak plasmas is essential in order to progress in the development of thermonuclear fusion towards a practical energy source which meets all the future needs of environment, safety, and fuel inexhaustibility. This activity enables prospective studies and design to be carried out for next step tokamaks. Due to the complexity of the exact calculation, synchrotron losses are usually estimated in such studies, with expressions derived from a plasma description using simplifying assumptions on the geometry, radiation absorption, density and temperature profiles. In this thesis, a complete formulation of the transport of synchrotron radiation is performed for realistic conditions of toroidal plasma geometry with elongated cross-section, using a precise method for the calculation of the absorption coefficients, and for arbitrary shapes of density and temperature profiles. In particular, this formulation is able to describe plasmas with arbitrary aspect ratios and with temperature profiles obtained in internal transport barrier regimes, which cannot be described accurately with the present expressions. As an illustration, we show that in the case of an advanced high-temperature plasma envisaged for a steady state D-T commercial reactor, synchrotron losses represent approximately 20% of the total losses. Considering the quantitative importance of the above effects and the significant magnitude of synchrotron losses in the thermal power balance of a D-T tokamak reactor plasma, a new fit for the fast calculation of the synchrotron radiation loss is proposed. Using this improved model in the thermal balance, prospective and sensitivity studies are performed for future tokamak projects, and the key issues which limit the performance are isolated. It is shown that, the most restrictive constraint for achieving higher plasma performance is the peak heat flux on the divertor plates. In non-inductive steady-state operation, advanced tokamak regimes are required to achieve relevant thermonuclear plasma performance for next step tokamaks and for a commercial reactor. In the frame of a multi-step strategy towards a commercial reactor, a superconducting next step tokamak compatible with the European budget possibilities is optimized. Considering both the plasma physics and the magnetic system technology and for a given aspect ratio, the smallest machine meeting the physical and technological requirements is determined. In a steady state tokamak commercial reactor, we show that there is an optimal value for the confinement enhancement factor which maximizes the plasma performance, for a given and also for the highest electrical power into the network. This highest electrical power meeting the stability requirements steadily decreases with the confinement enhancement factor. This effect is crucial because both a high plasma performance and a high enough electrical power into the network are required to minimize the cost of electricity, and consequently to make fusion energy more competitive.

Simulación de plasmas de dispositivos de fusión por confinamiento magnético tipo tokamak y stellarator. Validación experimental y aplicación al estudio del Heliac Flexible TJ-II

Tue, 12 Apr 2011 15:19:11 GMT

Simulación de plasmas de dispositivos de fusión por confinamiento magnético tipo tokamak y stellarator. Validación experimental y aplicación al estudio del Heliac Flexible TJ-II Fontanet Saez, Joan En el estudio de la fusión por confinamiento magnético es crucial conocer con detalle las condiciones físicas del plasma confinado. En este sentido los códigos de simulación son una herramienta muy útil para interpretar las propiedades del plasma. A lo largo de esta tesis se ha estudiado las propiedades del plasma de tokamaks y stellarators y se ha contribuido al desarrollo del código de transporte PRETOR, creado en el JET. Estos estudios se han realizado dentro de la colaboración existente entre el DFEN de la UPC y el Laboratorio Nacional de Fusión del CIEMAT.
El código PRETOR permite simular la variación radial y la evolución temporal de las principales magnitudes físicas de un plasma de fusión. Para valorar la bondad de los modelos implementados en el código y determinar la corrección de sus resultados los resultados de la simulación de las magnitudes más relevantes de diversas descargas se comparan con los datos experimentales. De esta comparación se deduce que las magnitudes simuladas presentan un buen acuerdo con los datos experimentales aunque debe destacarse que los errores experimentales son bastante grandes y no siempre están disponibles.
En el desarrollo de esta tesis también se ha aplicado el código PRETOR para el estudio de la parada de emergencia de ITER-DDR, con 1500 MW de potencia de fusión funcionando en un estado estacionario en ignición. Se ha estudiado con detalle la evolución del plasma durante una parada implementada mediante la interrupción del suministro de combustible. Este método se muestra efectivo para reducir la potencia de fusión en unas decenas de segundos evitando una disrupción del plasma en todo el escenario.
Se han realizado diversas modificaciones en el código para hacerlo más versátil y adaptarlo a las necesidades específicas que han ido surgiendo. La modificación más destacada es la incorporación a PRETOR de una rutina más elaborada que la inicialmente implementada en el código para el cálculo de la deposición de potencia adicional por inyección de haces neutros.
En los últimos años la investigación de stellarators ha adquirido una creciente importancia debido a las ventajas que presentan este tipo de dispositivos. Además hay que destacar que el programa de fusión por confinamiento magnético español se centra en el Heliac Flexible TJ-II de la asociación EURATOM-CIEMAT. Por estos motivos y para disponer de un código que sea capaz de simular descargas de stellarators, PRETOR ha sido modificado de forma substancial para crear la versión PRETOR-Stellarator. Esta modificación del código presenta un aspecto inédito de la tesis en el ámbito internacional.
Los módulos que han sido adaptados afectan a la configuración magnética, al transporte de energía y partículas y a la geometría del plasma. Una vez modificado el código, éste se ha aplicado al análisis del plasma de Heliac Flexible TJ-II. El objetivo de este estudio es comprobar que las modificaciones introducidas en PRETOR permiten simular correctamente descargas de stellarators. Los resultados obtenidos con PRETOR se comparan con los obtenidos con el código PROCTR, un código utilizado en el CIEMAT para el estudio del TJ-II y de otros stellarators.
Los resultados demuestran que los perfiles de temperatura se reproducen correctamente, estos resultados son similares a los obtenidos con PROCTR. Los valores experimentales de la potencia radiada y de la energía almacenada en el plasma han sido satisfactoriamente predichos mediante la simulación de PRETOR-Stellarator.
El camino abierto por esta tesis permitirá ahondar en el estudio del plasma del heliac flexible TJ-II, el código está disponible para utilizarse en este dispositivo e incorporar nuevas modificaciones para adaptarlo a las necesidades que vayan apareciendo.; In the study of the fusion by magnetic confinement it is crucial to know the physical behaviour of the confined plasma with detail. In this sense the simulation codes are a very useful tool to analyse the properties of the plasma. Throughout this thesis the properties of the plasma of tokamaks and stellarators has been studied and the transport code PRETOR, created in the JET, has been developed. These studies have been developed within the existing collaboration between the DFEN in the UPC and the Laboratorio Nacional de Fusión of the CIEMAT.
The PRETOR code allows the simulation of the radial variation and the temporal evolution of the main physical magnitudes of a fusion plasma. The results of the simulation of the most important magnitudes of diverse shots are compared with the experimental data in order to evaluate the goodness of the models implemented in the code and to determine the correction of their results. From this comparison it's deduced that the simulated magnitudes present a good agreement with the experimental data although it must be stand out that the experimental errors are quite large and they not always are available.
In the development of this thesis the code PRETOR has also been applied to the study of the shutdown emergency of ITER-DDR, with 1500 MW of fusion power operating in an ignition stationary state. The evolution of the plasma has studied with detail during the shutdown implemented by means of the interruption of the fuel injection. This method is effective to reduce the fusion power in tens of seconds avoiding a plasma disrupción in all the scenarios.
Several modifications have been made in the code in order to make it more versatile and to adapt it to the specific arisen necessities. The most outstanding modification is the incorporation to PRETOR of more complex routine than that initially implemented in the code for the calculation of the additional power deposition by neutral beam injection.
In the last years the investigation of stellarators has acquired an increasing importance due to the advantages that this type of devices presents. Besides it is necessary to emphasise that the Spanish program of fusion by magnetic confinement is focused in Flexible Heliac TJ-II in the asociación EURATOM-CIEMAT. For these reasons and in order to have a code able to simulate stellarators shots, PRETOR has been modified of substantial form to create the PRETOR-Stellarator version. This modification of the code presents an new aspect of the thesis in the international scope.
The modules that have been adapted affect to the magnetic configuration, the transport of energy and particles and to the plasma geometry. Once the code has been modified, it has been applied to the analysis of TJ-II Flexible Heliac plasmas. The objective of this study is to verify that the modifications introduced in PRETOR allow to simulate correctly stellarators discharges. The results obtained with PRETOR are compared with that ones obtained with PROCTR code, a code used in the CIEMAT for the study of the TJ-II and others stellarators.
The results demonstrate that the temperature profiles are reproduced correctly, these results are similar to the obtained ones with PROCTR. The experimental values of the radiated power and the stored energy in the plasma have been predicted satisfactorily by means of the simulation with PRETOR-Stellarator.
The way open by this thesis will allow studying in depth the plasma of TJ-II flexible heliac, the code is available to be used in this device and to incorporate new modifications to adapt it to the necessities that will appear.