Role of superconducting shields in electrodynamic propulsion

An electrodynamic tether can propel a spacecraft through a planetary magnetized plasma without using propellant. In the classical embodiment of an electrodynamic tether, the ambient magnetic fleld exerts a Lorentz force on the current along the tether, the ambient plasma providing circuit closure for the current A suggested propulsion scheme would hypothetically eliminate tether performance dependence on the plasma density by using a full wire loop to close the current circuit, and a superconductor to shield a loop segment from the external uniform magnetic fleld and cancel the Lorentz force on that segment. Here, we use basic electromagnetic laws to explain how such a scheme cannot produce a net force. Because there is no net current in the superconducting shield, the circulation of the magnetic field along a closed line outside the full cross section, in its plane, is just due to the current flowing in the loop segment. The presence of the superconducting shield simply moves the Lorentz force from the shielded loop segment to the shield itself and, as a result, the total magnetic force, acting on full loop plus shield, remains zero.

Thermal shields for heat loss reduction in Siemens-type CVD reactors

The use of thermal shields to reduce radiation heat loss in Siemens-type CVD reactors is analyzed, both theoretically and experimentally. The potential savings from the use of the thermal shields is first explored using a radiation heat model that takes emissivity variations with wavelength into account, which is important for materials that do not behave as grey bodies. The theoretical calculations confirm that materials with lower surface emissivity lead to higher radiation savings. Assuming that radiation heat loss is responsible for around 50% of the total power consumption, a reduction of 32.9% and 15.5% is obtained if thermal shields with constant emissivities of 0.3 and 0.7 are considered, respectively. Experiments considering different thermal shields are conducted in a laboratory CVD reactor, confirming that the real materials do not behave as grey bodies, and proving that significant energy savings in the polysilicon deposition process are obtained. Using silicon as a thermal shield leads to energy savings of between 26.5-28.5%. For wavelength-dependent emissivities, the model shows that there are significant differences in radiation heat loss, of around 25%, when compared to that of constant emissivity. The results of the model highlight the importance of having reliable data on the emissivities within the relevant range of wavelengths, and at deposition temperatures, which remains a pending issue.

The effect of acoustic screens on orchestra musicians

La Directiva 2003/10/CE del Parlamento Europeo y del Consejo, del 6 de febrero de 2003, específica con arreglo al apartado 1 del artículo 16 de la Directiva 89/391/CEE las disposiciones mínimas de seguridad y de salud relativas a la exposición de los trabajadores a los riesgos derivados de los agentes físicos (ruido). En la industria musical, y en concreto en los músicos de orquesta, una exposición de más de ocho horas al día a un nivel de presión sonora de 80dB(A) o más es algo muy común. Esta situación puede causar a los trabajadores daños auditivos como la hiperacusia, hipoacusia, tinitus o ruptura de la membrana basilar entre otros. Esto significa que deben tomarse medidas para implementar las regulaciones de la forma más razonable posible para que la interpretación del músico, la dinámica y el concepto musical que se quiere transmitir al público se vea lo menos afectada posible. Para reducir la carga auditiva de los músicos de orquesta frente a fuertes impactos sonoros provenientes de los instrumentos vecinos, se está investigando sobre el uso de unos paneles acústicos que colocados en puntos estratégicos de la orquesta pueden llegar a reducir el impacto sonoro sobre el oído hasta 20dB. Los instrumentos de viento metal y de percusión son los responsables de la mayor emisión de presión sonora. Para proteger el oído de los músicos frente a estos impactos, se colocan los paneles en forma de barrera entre dichos instrumentos y los músicos colocados frente a ellos. De esta forma se protege el oído de los músicos más afectados. Para ver el efecto práctico que producen estos paneles en un conjunto orquestal, se realizan varias grabaciones en los ensayos y conciertos de varias orquestas. Los micrófonos se sitúan a la altura del oído y a una distancia de no más de 10cm de la oreja de varios de los músicos más afectados y de los músicos responsables de la fuerte emisión sonora. De este modo se puede hacer una comparación de los niveles de presión sonora que percibe cada músico y evaluar las diferencias de nivel existentes entre ambos. Así mismo se utilizan configuraciones variables de los paneles para comparar las diferencias de presión sonora que existen entre las distintas posibilidades de colocarlos y decidir así sobre la mejor ubicación y configuración de los mismos. A continuación, una vez obtenidos las muestras de audio y los diferentes archivos de datos medidos con un analizador de audio en distintas posiciones de la orquesta, todo ello se calibra y analiza utilizando un programa desarrollado en Matlab, para evaluar el efecto de los paneles sobre la percepción auditiva de los músicos, haciendo especial hincapié en el análisis de las diferencias de nivel de presión sonora (SPL). Mediante el cálculo de la envolvente de las diferencias de nivel, se evalúa de un modo estadístico el efecto de atenuación de los paneles acústicos en los músicos de orquesta. El método está basado en la probabilidad estadística de varias muestras musicales ya que al tratarse de música tocada en directo, la dinámica y la sincronización entre los músicos varía según el momento en que se toque. Estos factores junto con el hecho de que la partitura de cada músico es diferente dificulta la comparación entre dos señales grabadas en diferentes puntos de la orquesta. Se necesita por lo tanto de varias muestras musicales para evaluar el efecto de atenuación de los paneles en las distintas configuraciones mencionadas anteriormente. El estudio completo del efecto de los paneles como entorno que influye en los músicos de orquesta cuando están sobre el escenario, tiene como objetivo la mejora de sus condiciones de trabajo. Abstract For several years, the European Union has been adopting many laws and regulations to protect and give more security to people who are exposed to some risk in their job. Being exposed to a loud sound pressure level during many hours in the job runs the risk of hearing damage. Particularly in the field of music, the ear is the most important working tool. Not taking care of the ear can cause some damage such as hearing loss, tinnitus, hyperacusis, diplacusis, etc. This could have an impact on the efficiency and satisfaction of the musicians when they are playing, which could also cause stress problems. Orchestra musicians, as many other workers in this sector, are usually exposed to a sound level of 80dB(A) or more during more than eight hours per day. It means that they must satisfy the law and their legal obligations to avoid health problems proceeding from their job. Putting into practice the new regulations is a challenge for orchestras. They must make sure that the repertoire, with its dynamic, balance and feeling, is not affected by the reduction of sound levels imposed by the law. This study tries to investigate the benefits and disadvantages of using shields as a hearing protector during rehearsals and orchestral concerts.

Advances in neutronics and radiological protection of HiPER 4a

The HiPER project, phase 4a, is evolving. In this study we present the progress made in the field of neutronics and radiological protection for an integrated design of the facility. In the current model, we take into account the optical systems inside the target bay, as well as the remote handling requirements and related infrastructure, together with different shields. The last reference irradiation scenario, consisting of 20 MJ of neutron yields, 5 yields per burst, one burst every week and 30 years of expected lifetime is considered for this study. We have performed a characterization of the dose rates behavior in the facility, both during operation and between bursts. The dose rates are computed for workers, regarding to maintenance and handling, and also for optical systems, regarding to damage. Furthermore, we have performed a waste management assessment of all the components inside the target bay. Results indicate that remote maintenance is mandatory in some areas. The small beam penetrations in the shields are responsible for some high doses in some specific locations. With regards to optics, the residual doses are as high as prompt doses. It is found that the whole target bay may be fully managed as a waste in 30 years by recycling and/or clearance, with no need for burial.

Sistema de control de temperatura a través de Arduino y la tecnología GPRS/GSM

El principal objetivo de este proyecto consiste en estudiar las posibilidades de desarrollo de un sistema para el control de la temperatura basado en la plataforma Arduino. Con el fin de alcanzar dicho objetivo, se ha implementado un sistema que permite la consulta y control de la temperatura ambiente a través de la red de comunicaciones móviles. Tras un análisis previo de las distintas placas Arduino, se evalúan una serie de módulos de expansión (shields) compatibles con dicha plataforma que nos permiten ampliar sus funcionalidades, dotando al dispositivo de un sistema de comunicación basado en la tecnología GPRS/GSM. Se estudian los diferentes sensores de temperatura compatibles con Arduino, además de una serie de actuadores que contribuyen al accionamiento y control de un posible termostato, así como al desarrollo de un pequeño sistema de alarma capaz de detectar temperaturas extremas. El proyecto concluye con el diseño de una aplicación basada en el entorno de desarrollo Arduino que nos permita evaluar las distintas capacidades de nuestro sistema, así como comunicarnos con la plataforma a través de SMS para el control remoto de la temperatura. ABSTRACT. The goal of the project consists of studying the developmental possibilities of a temperature control system based on the Arduino platform. In order to this, there has been implemented a system to consult and manage the environmental temperature through mobile communication networks. After a previous assessment of the different Arduino boards, there are analysed a set of expansion modules (shields) compatibles with the platform that enables us to upgrade the device functionalities with the GPRS/GSM communication protocol. Different temperature sensors compatible with Arduino have been studied. In addition, there are evaluated a set of actuators for the operation and control of a thermostat and also the development of a small alarm system that alerts of extremes temperatures. The project concludes with the design of an application based on the Arduino development environment which allows us to evaluate the different capabilities of our system as well as the communication with the platform by SMS for the remote temperature control.

Aplicación de la regresión logística en la predicción empírica de fenómenos complejos en obras subterráneas : squeezing y rotura de pilares de carbón

La heterogeneidad del medio geológico introduce en el proyecto de obra subterránea un alto grado de incertidumbre que debe ser debidamente gestionado a fin de reducir los riesgos asociados, que son fundamentalmente de tipo geotécnico. Entre los principales problemas a los que se enfrenta la Mecánica de Rocas moderna en el ámbito de la construcción subterránea, se encuentran la fluencia de roca en túneles (squeezing) y la rotura de pilares de carbón. Es ampliamente conocido que su aparición causa importantes perjuicios en el coste y la seguridad de los proyectos por lo que su estudio, ha estado tradicionalmente vinculado a la predicción de su ocurrencia. Entre las soluciones existentes para la determinación de estos problemas se encuentran las que se basan en métodos analíticos y numéricos. Estas metodologías son capaces de proporcionar un alto nivel de representatividad respecto del comportamiento geotécnico real, sin embargo, su utilización solo es posible cuando se dispone de una suficiente caracterización geotécnica y por tanto de una detallada definición de los parámetros que alimentan los complejos modelos constitutivos y criterios de rotura que los fenómenos estudiados requieren. Como es lógico, este nivel de definición solo es posible cuando se alcanzan etapas avanzadas de proyecto, incluso durante la propia construcción, a fin de calibrar adecuadamente los parámetros introducidos en los modelos, lo que supone una limitación de uso en etapas iniciales, cuando su predicción tiene verdadero sentido. Por su parte, los métodos empíricos permiten proporcionar soluciones a estos complejos problemas de un modo sencillo, con una baja parametrización y, dado su eminente enfoque observacional, de gran fiabilidad cuando se implementan sobre condiciones de contorno similares a las originales. La sencillez y escasez de los parámetros utilizados permiten a estas metodologías ser utilizadas desde las fases preliminares del proyecto, ya que estos constituyen en general, información habitual de fácil y económica adquisición. Este aspecto permite por tanto incorporar la predicción desde el principio del proceso de diseño, anticipando el riesgo en origen. En esta tesis doctoral, se presenta una nueva metodología empírica que sirve para proporcionar predicciones para la ocurrencia de squeezing y el fallo de pilares de carbón basada en una extensa recopilación de información de casos reales de túneles y minas en las que ambos fenómenos fueron evaluados. Esta información, recogida de referencias bibliográficas de prestigio, ha permitido recopilar una de las más extensas bases de datos existentes hasta la fecha relativa a estos fenómenos, lo que supone en sí mismo una importante contribución sobre el estado del arte. Con toda esta información, y con la ayuda de la teoría de clasificadores estadísticos, se ha implementado sobre las bases de datos un clasificador lineal de tipo regresión logística que permite hacer predicciones sobre la ocurrencia de ambos fenómenos en términos de probabilidad, y por tanto ponderar la incertidumbre asociada a la heterogeneidad incorporada por el medio geológico. Este aspecto del desarrollo es el verdadero valor añadido proporcionado por la tesis y la principal ventaja de la solución propuesta respecto de otras metodologías empíricas. Esta capacidad de ponderación probabilística permite al clasificador constituir una solución muy interesante como metodología para la evaluación de riesgo geotécnico y la toma de decisiones. De hecho, y como ejercicio de validación práctica, se ha implementado la solución desarrollada en un modelo coste-beneficio asociado a la optimización del diseño de pilares involucrados en una de mina “virtual” explotada por tajos largos. La capacidad del clasificador para cuantificar la probabilidad de fallo del diseño, junto con una adecuada cuantificación de las consecuencias de ese fallo, ha permitido definir una ley de riesgo que se ha incorporado al balance de costes y beneficios, que es capaz, a partir del redimensionamiento iterativo del sistema de pilares y de la propia configuración de la mina, maximizar el resultado económico del proyecto minero bajo unas condiciones de seguridad aceptables, fijadas de antemano. Geological media variability introduces to the subterranean project a high grade of uncertainty that should be properly managed with the aim to reduce the associated risks, which are mainly geotechnical. Among the major problems facing the modern Rock Mechanics in the field of underground construction are both, the rock squeezing while tunneling and the failure of coal pillars. Given their harmfulness to the cost and safety of the projects, their study has been traditionally linked to the determination of its occurrence. Among the existing solutions for the determination of these problems are those that are based on analytical and numerical methods. Those methodologies allow providing a high level of reliability of the geotechnical behavior, and therefore a detailed definition of the parameters that feed the complex constitutive models and failure criteria that require the studied phenomena. Obviously, this level of definition is only possible when advanced stages of the project are achieved and even during construction in order to properly calibrate the parameters entered in the models, which suppose a limited use in early stages, when the prediction has true sense. Meanwhile, empirical methods provide solutions to these complex problems in a simple way, with low parameterization and, given his observational scope, with highly reliability when implemented on similar conditions to the original context. The simplicity and scarcity of the parameters used allow these methodologies be applied in the early stages of the project, since that information should be commonly easy and cheaply to get. This aspect can therefore incorporate the prediction from the beginning of the design process, anticipating the risk beforehand. This thesis, based on the extensive data collection of case histories of tunnels and underground mines, presents a novel empirical approach used to provide predictions for the occurrence of both, squeezing and coal pillars failures. The information has been collected from prestigious references, providing one of the largest databases to date concerning phenomena, a fact which provides an important contribution to the state of the art. With all this information, and with the aid of the theory of statistical classifiers, it has been implemented on both databases, a type linear logistic regression classifier that allows predictions about the occurrence of these phenomena in terms of probability, and therefore weighting the uncertainty associated with geological variability. This aspect of the development is the real added value provided by the thesis and the main advantage of the proposed solution over other empirical methodologies. This probabilistic weighting capacity, allows being the classifier a very interesting methodology for the evaluation of geotechnical risk and decision making. In fact, in order to provide a practical validation, we have implemented the developed solution within a cost-benefit analysis associated with the optimization of the design of coal pillar systems involved in a "virtual" longwall mine. The ability of the classifier to quantify the probability of failure of the design along with proper quantification of the consequences of that failure, has allowed defining a risk law which is introduced into the cost-benefits model, which is able, from iterative resizing of the pillar system and the configuration of the mine, maximize the economic performance of the mining project under acceptable safety conditions established beforehand.

Worldwide standardization activity for quantum key distribution

We discuss the on-going worldwide activity to develop forward looking standards for quantum key distribution (QKD) in the European Telecommunications Standards Institute (ETSI) QKD industry specification group (ISG). The long term goal is to develop a certification methodology that bridges the gap between theoretical proofs and practical implementations with imperfect devices. Current efforts are focused on the handling of side channels and characterization of the most relevant components.

Análisis y simulación numérica de problemas electrohidrodinámicos relacionados con el electrospray

La presente tesis es un estudio analítico y numérico del electrospray. En la configuración más sencilla, un caudal constante del líquido a atomizar, que debe tener una cierta conductividad eléctrica, se inyecta en un medio dieléctrico (un gas u otro líquido inmiscible con el primero) a través de un tubo capilar metálico. Entre este tubo y un electrodo lejano se aplica un voltaje continuo que origina un campo eléctrico en el líquido conductor y en el espacio que lo rodea. El campo eléctrico induce una corriente eléctrica en el líquido, que acumula carga en su superficie, y da lugar a un esfuerzo eléctrico sobre la superficie, que tiende a alargarla en la dirección del campo eléctrico. El líquido forma un menisco en el extremo del tubo capilar cuando el campo eléctrico es suficientemente intenso y el caudal suficientemente pequeño. Las variaciones de presión y los esfuerzos viscosos asociados al movimiento del líquido son despreciables en la mayor parte de este menisco, siendo dominantes los esfuerzos eléctrico y de tensión superficial que actúan sobre la superficie del líquido. En el modo de funcionamiento llamado de conochorro, el balance de estos esfuerzos hace que el menisco adopte una forma cónica (el cono de Taylor) en una región intermedia entre el extremo del tubo y la punta del menisco. La velocidad del líquido aumenta al acercarse al vértice del cono, lo cual propicia que las variaciones de la presión en el líquido generadas por la inercia o por la viscosidad entren en juego, desequilibrando el balance de esfuerzos mencionado antes. Como consecuencia, del vértice del cono sale un delgado chorro de líquido, que transporta la carga eléctrica que se acumula en la superficie. La acción del campo eléctrico tangente a la superficie sobre esta carga origina una tracción eléctrica que tiende a alargar el chorro. Esta tracción no es relevante en el menisco, donde el campo eléctrico tangente a la superficie es muy pequeño, pero se hace importante en el chorro, donde es la causa del movimiento del líquido. Lejos del cono, el chorro puede o bien desarrollar una inestabilidad asimétrica que lo transforma en una espiral (whipping) o bien romperse en un spray de gotas prácticamente monodispersas cargadas eléctricamente. La corriente eléctrica transportada por el líquido es la suma de la corriente de conducción en el interior del líquido y la corriente debida a la convección de la carga acumulada en su superficie. La primera domina en el menisco y la segunda en el chorro lejano, mientras que las dos son comparables en una región intermedia de transferencia de corriente situada al comienzo del chorro aunque aguas abajo de la región de transición cono-chorro, en la que el menisco deja de ser un cono de Taylor. Para un campo exterior dado, la acumulación de carga eléctrica en la superficie del líquido reduce el campo eléctrico en el interior del mismo, que llega a anularse cuando la carga alcanza un estado final de equilibrio. El tiempo característico de este proceso es el tiempo de relajación dieléctrica, que es una propiedad del líquido. Cuando el tiempo de residencia del líquido en la región de transición cono-chorro (o en otra región del campo fluido) es grande frente al tiempo de relajación dieléctrica, la carga superficial sigue una sucesión de estados de equilibrio y apantalla al líquido del campo exterior. Cuando esta condición deja de cumplirse, aparecen efectos de relajación de carga, que se traducen en que el campo exterior penetra en el líquido, a no ser que su constante dieléctrica sea muy alta, en cuyo caso el campo inducido por la carga de polarización evita la entrada del campo exterior en el menisco y en una cierta región del chorro. La carga eléctrica en equilibrio en la superficie de un menisco cónico intensifica el campo eléctrico y determina su variación espacial hasta distancias aguas abajo del menisco del orden de su tamaño. Este campo, calculado por Taylor, es independiente del voltaje aplicado, por lo que las condiciones locales del flujo y el valor de la corriente eléctrica son también independientes del voltaje en tanto los tamaños de las regiones que determinan estas propiedades sean pequeños frente al tamaño del menisco. Los resultados experimentales publicados en la literatura muestran que existe un caudal mínimo para el que el modo cono-chorro que acabamos de describir deja de existir. El valor medio y la desviación típica de la distribución de tamaños de las gotas generadas por un electrospray son mínimos cuando se opera cerca del caudal mínimo. A pesar de que los mecanismos responsables del caudal mínimo han sido muy estudiados, no hay aún una teoría completa del mismo, si bien su existencia parece estar ligada a la aparición de efectos de relajación de carga en la región de transición cono-chorro. En esta tesis, se presentan estimaciones de orden de magnitud, algunas existentes y otras nuevas, que muestran los balances dominantes responsables de las distintas regiones de la estructura asintótica de la solución en varios casos de interés. Cuando la inercia del líquido juega un papel en la transición cono-chorro, los resultados muestran que la región de transferencia de corriente, donde la mayor parte de la corriente pasa a la superficie, está en el chorro aguas abajo de la región de transición cono-chorro. Los efectos de relajación de carga aparecen de forma simultánea en el chorro y la región de transición cuando el caudal se disminuye hasta valores de un cierto orden. Para caudales aún menores, los efectos de relajación de carga se notan en el menisco, en una región grande comparada con la de transición cono-chorro. Cuando el efecto de las fuerzas de viscosidad es dominante en la región de transición, la región de transferencia de corriente está en el chorro pero muy próxima a la región de transición cono-chorro. Al ir disminuyendo el caudal, los efectos de relajación de carga aparecen progresivamente en el chorro, en la región de transición y por último en el menisco. Cuando el caudal es mucho mayor que el mínimo del modo cono-chorro, el menisco deja de ser cónico. El campo eléctrico debido al voltaje aplicado domina en la región de transferencia de corriente, y tanto la corriente eléctrica como el tamaño de las diferentes regiones del problema pasan a depender del voltaje aplicado. Como resultado de esta dependencia, el plano caudal-voltaje se divide en diferentes regiones que se analizan separadamente. Para caudales suficientemente grandes, la inercia del líquido termina dominando frente a las fuerzas de la viscosidad. Estos resultados teóricos se han validado con simulaciones numéricas. Para ello se ha formulado un modelo simplificado del flujo, el campo eléctrico y el transporte de carga en el menisco y el chorro del electrospray. El movimiento del líquido se supone casi unidireccional y se describe usando la aproximación de Cosserat para un chorro esbelto. Esta aproximación, ampliamente usada en la literatura, permite simular con relativa facilidad múltiples casos y cubrir amplios rangos de valores de los parámetros reteniendo los efectos de la viscosidad y la inercia del líquido. Los campos eléctricos dentro y fuera del liquido están acoplados y se calculan sin simplificación alguna usando un método de elementos de contorno. La solución estacionaria del problema se calcula mediante un método iterativo. Para explorar el espacio de los parámetros, se comienza calculando una solución para valores fijos de las propiedades del líquido, el voltaje aplicado y el caudal. A continuación, se usa un método de continuación que permite delinear la frontera del dominio de existencia del modo cono-chorro, donde el método iterativo deja de converger. Cuando el efecto de la inercia del líquido domina en la región de transición cono-chorro, el caudal mínimo para el cual el método iterativo deja de converger es del orden del valor estimado del caudal para el que comienza a haber efectos de relajación de carga en el chorro y el cono. Aunque las simulaciones no convergen por debajo de dicho caudal, el valor de la corriente eléctrica para valores del caudal ligeramente mayores parece ajustarse a las estimaciones para caudales menores, reflejando un posible cambio en los balances aplicables. Por el contrario, cuando las fuerzas viscosas dominan en la región de transición, se pueden obtener soluciones estacionarias para caudales bastante menores que aquel para el que aparecen efectos de relajación de carga en la región de transición cono-chorro. Los resultados numéricos obtenidos para estos pequeños caudales se ajustan perfectamente a las estimaciones de orden de magnitud que se describen en la memoria. Por último, se incluyen como anexos dos estudios teóricos que han surgido de forma natural durante el desarrollo de la tesis. El primero hace referencia a la singularidad en el campo eléctrico que aparece en la línea de contacto entre el líquido y el tubo capilar en la mayoría de las simulaciones. Primero se estudia en qué situaciones el campo eléctrico tiende a infinito en la línea de contacto. Después, se comprueba que dicha singularidad no supone un fallo en la descripción del problema y que además no afecta a la solución lejos de la línea de contacto. También se analiza si los esfuerzos eléctricos infinitamente grandes a los que da lugar dicha singularidad pueden ser compensados por el resto de esfuerzos que actúan en la superficie del líquido. El segundo estudio busca determinar el tamaño de la región de apantallamiento en un chorro de líquido dieléctrico sin carga superficial. En esta región, el campo exterior es compensado parcialmente por el campo que induce la carga de polarización en la superficie del líquido, de forma que en el interior del líquido el campo eléctrico es mucho menor que en el exterior. Una región como ésta aparece en las estimaciones cuando los efectos de relajación de carga son importantes en la región de transferencia de corriente en el chorro. ABSTRACT This aim of this dissertation is a theoretical and numerical analysis of an electrospray. In its most simple configuration, a constant flow rate of the liquid to be atomized, which has to be an electrical conductor, is injected into a dielectric medium (a gas or another inmiscible fluid) through a metallic capillary tube. A constant voltage is applied between this tube and a distant electrode that produces an electric field in the liquid and the surrounding medium. This electric field induces an electric current in the liquid that accumulates charge at its surface and leads to electric stresses that stretch the surface in the direction of the electric field. A meniscus appears on the end of the capillary tube when the electric field is sufficiently high and the flow rate is small. Pressure variations and viscous stresses due to the motion of the liquid are negligible in most of the meniscus, where normal electric and surface tension stresses acting on the surface are dominant. In the so-called cone-jet mode, the balance of these stresses forces the surface to adopt a conical shape -Taylor cone- in a intermediate region between the end of the tube and the tip of the meniscus. When approaching the cone apex, the velocity of the liquid increases and leads to pressure variations that eventually disturb the balance of surfaces tension and electric stresses. A thin jet emerges then from the tip of the meniscus that transports the charge accumulated at its surface. The electric field tangent to the surface of the jet acts on this charge and continuously stretches the jet. This electric force is negligible in the meniscus, where the component of the electric field tangent to the surface is small, but becomes very important in the jet. Far from the cone, the jet can either develop an asymmetrical instability named “whipping”, whereby the jet winds into a spiral, or break into a spray of small, nearly monodisperse, charged droplets. The electric current transported by the liquid has two components, the conduction current in the bulk of the liquid and the convection current due to the transport of the surface charge by the flow. The first component dominates in the meniscus, the second one in the far jet, and both are comparable in a current transfer region located in the jet downstream of the cone-jet transition region where the meniscus ceases to be a Taylor cone. Given an external electric field, the charge that accumulates at the surface of the liquid reduces the electric field inside the liquid, until an equilibrium is reached in which the electric field induced by the surface charge counters the external electric field and shields the liquid from this field. The characteristic time of this process is the electric relaxation time, which is a property of the liquid. When the residence time of the liquid in the cone-jet transition region (or in other region of the flow) is greater than the electric relaxation time, the surface charge follows a succession of equilibrium states and continuously shield the liquid from the external field. When this condition is not satisfied, charge relaxation effects appear and the external field penetrates into the liquid unless the liquid permittivity is large. For very polar liquids, the field due to the polarization charge at the surface prevents the external field from entering the liquid in the cone and in certain region of the jet. The charge at the surface of a conical meniscus intensifies the electric field around the cone, determining its spatial variation up to distances downstream of the apex of the order of the size of the meniscus. This electric field, first computed by Taylor, is independent of the applied voltage. Therefore local flow characteristics and the electric current carried by the jet are also independent of the applied voltage provided the size of the regions that determine these magnitudes are small compared with the size of the meniscus. Many experiments in the literature show the existence of a minimum flow rate below which the cone-jet mode cannot be established. The mean value and the standard deviation of the electrospray droplet size distribution are minimum when the device is operated near the minimum flow rate. There is no complete explanation of the minimum flow rate, even though possible mechanisms have been extensively studied. The existence of a minimum flow rate seems to be connected with the appearance of charge relaxation effects in the transition region. In this dissertation, order of magnitude estimations are worked out that show the dominant balances in the different regions of the asymptotic structure of the solution for different conditions of interest. When the inertia of the liquid plays a role in the cone-jet transition region, the region where most of the electric current is transfered to the surface lies in the jet downstream the cone-jet transition region. When the flow rate decreases to a certain value, charge relaxation effects appear simultaneously in the jet and in the transition region. For smaller values of the flow rate, charge relaxation effects are important in a region of the meniscus larger than the transition region. When viscous forces dominate in the flow in the cone-jet transition region, the current transfer region is located in the jet immediately after the transition region. When flow rate is decreased, charge relaxation effects appears gradually, first in the jet, then in the transition region, and finally in the meniscus. When flow rate is much larger than the cone-jet mode minimum, the meniscus ceases to be a cone. The electric current and the structure of the solution begin to depend on the applied voltage. The flow rate-voltage plane splits into different regions that are analyzed separately. For sufficiently large flow rates, the effect of the inertia of the liquid always becomes greater than the effect of the viscous forces. A set of numerical simulations have been carried out in order to validate the theoretical results. A simplified model of the problem has been devised to compute the flow, the electric field and the surface charge in the meniscus and the jet of an electrospray. The motion of the liquid is assumed to be quasi-unidirectional and described by Cosserat’s approximation for a slender jet. This widely used approximation allows to easily compute multiple configurations and to explore wide ranges of values of the governing parameters, retaining the effects of the viscosity and the inertia of the liquid. Electric fields inside and outside the liquid are coupled and are computed without any simplification using a boundary elements method. The stationary solution of the problem is obtained by means of an iterative method. To explore the parameter space, a solution is first computed for a set of values of the liquid properties, the flow rate and the applied voltage, an then a continuation method is used to find the boundaries of the cone-jet mode domain of existence, where the iterative method ceases to converge. When the inertia of the liquid dominates in the cone-jet transition region, the iterative method ceases to converge for values of the flow rate for which order-of-magnitude estimates first predict charge relaxation effects to be important in the cone and the jet. The electric current computed for values of the flow rate slightly above the minimum for which convergence is obtained seems to agree with estimates worked out for lower flow rates. When viscous forces dominate in the transition region, stationary solutions can be obtained for flow rates significantly smaller than the one for which charge relaxation effects first appear in the transition region. Numerical results obtained for those small values of the flow rate agree with our order of magnitude estimates. Theoretical analyses of two issues that have arisen naturally during the thesis are summarized in two appendices. The first appendix contains a study of the singularity of the electric field that most of the simulations show at the contact line between the liquid and the capillary tube. The electric field near the contact line is analyzed to determine the ranges of geometrical configurations and liquid permittivity where a singularity appears. Further estimates show that this singularity does not entail a failure in the description of the problem and does not affect the solution far from the contact line. The infinite electric stresses that appear at the contact line can be effectively balanced by surface tension. The second appendix contains an analysis of the size and slenderness of the shielded region of a dielectric liquid in the absence of free surface charge. In this region, the external electric field is partially offset by the polarization charge so that the inner electric field is much lower than the outer one. A similar region appears in the estimates when charge relaxation effects are important in the current transfer region.

Feasibility assessment of the interactive use of a Monte Carlo algorithm in treatment planning for intraoperative electron radiation therapy

This work analysed the feasibility of using a fast, customized Monte Carlo (MC) method to perform accurate computation of dose distributions during pre- and intraplanning of intraoperative electron radiation therapy (IOERT) procedures. The MC method that was implemented, which has been integrated into a specific innovative simulation and planning tool, is able to simulate the fate of thousands of particles per second, and it was the aim of this work to determine the level of interactivity that could be achieved. The planning workflow enabled calibration of the imaging and treatment equipment, as well as manipulation of the surgical frame and insertion of the protection shields around the organs at risk and other beam modifiers. In this way, the multidisciplinary team involved in IOERT has all the tools necessary to perform complex MC dosage simulations adapted to their equipment in an efficient and transparent way. To assess the accuracy and reliability of this MC technique, dose distributions for a monoenergetic source were compared with those obtained using a general-purpose software package used widely in medical physics applications. Once accuracy of the underlying simulator was confirmed, a clinical accelerator was modelled and experimental measurements in water were conducted. A comparison was made with the output from the simulator to identify the conditions under which accurate dose estimations could be obtained in less than 3 min, which is the threshold imposed to allow for interactive use of the tool in treatment planning. Finally, a clinically relevant scenario, namely early-stage breast cancer treatment, was simulated with pre- and intraoperative volumes to verify that it was feasible to use the MC tool intraoperatively and to adjust dose delivery based on the simulation output, without compromising accuracy. The workflow provided a satisfactory model of the treatment head and the imaging system, enabling proper configuration of the treatment planning system and providing good accuracy in the dosage simulation.