Studies on the Multifaceted Interaction of Atoms and an Electromagnetic Field

In this Thesis the interaction of an electromagnetic field and matter is studied from various aspects in the general framework of cold atoms. Our subjects cover a wide spectrum of phenomena ranging from semiclassical few-level models to fully quantum mechanical interaction with structured reservoirs leading to non-Markovian open quantum system dynamics. Within closed quantum systems, we propose a selective method to manipulate the motional state of atoms in a time-dependent double-well potential and interpret the method in terms of adiabatic processes. Also, we derive a simple wave-packet model, based on distributions of generalized eigenstates, explaining the finite visibility of interference in overlapping continuous-wave atom lasers. In the context of open quantum systems, we develop an unraveling of non-Markovian dynamics in terms of piecewise deterministic quantum jump processes confined in the Hilbert space of the reduced system - the non-Markovian quantum jump method. As examples, we apply it for simple 2- and 3-level systems interacting with a structured reservoir. Also, in the context of ion-cavity QED we study the entanglement generation based on collective Dicke modes in experimentally realistic conditions including photonic losses and an atomic spontaneous decay.

Airway surgery for obstructive sleep apnea and partial upper airway obstruction during sleep

This study analyzed the feasibility and efficacy of surgical therapies in patients with sleep-disordered breathing ranging from partial upper airway obstruction during sleep to severe obstructive sleep apnea syndrome. The surgical procedures evaluated were tracheostomy, laser-assisted uvulopalatoplasty (LUPP) and uvulopalatopharyngoplasty (UPPP) with laser or ultrasound scalpel. Obstructive sleep apnea and partial upper airway obstruction during sleep were measured with the static charge-sensitive bed (SCSB) and pulse oximeter. The patients with severe obstructive sleep apnea syndrome were treated with tracheostomy. Palatal surgery was performed only if the upper airway narrowing occurred exclusively at the soft palate level in patients with partial upper airway obstruction during sleep. The ultrasound scalpel technique was compared to laser-assisted UPPP. The efficacy of LUPP to reduce partial upper airway obstruction during sleep was assessed and histology of uvulopalatal specimen was compared to body fat distributional parameters and sleep study findings. Tracheostomy was effective therapy in severe obstructive sleep apnea. Partial upper airway obstruction and arterial oxyhemoglobin desaturation index during sleep decreased significantly after LUPP. The minimal retropalatal airway dimension increased and soft palate collapsibility decreased at the level where the velopharyngeal obstruction had occurred before the surgery. Ultrasound scalpel did not offer any significant benefits over the laser-assisted technique, except fewer postoperative haemorrhage events. The loose connective tissue as a manifestation of edema was the only histological finding showing correlation with partial upper airway obstruction parameters of SCSB. Tracheostomy remains a life-saving therapy and also long-term option when adherence to CPAP fails in patients with obstructive sleep apnea syndrome. LUPP effectively reduces partial upper airway obstruction during sleep provided that obstruction at the other levels than the soft palate and uvula were preoperatively excluded. Technically the ultrasound scalpel or laser surgeries are equal. In patients with partial upper airway obstruction the loose connective tissue is more important than fat accumulation in the soft palate. This supports the hypothesis that edema is a primary trigger for aggravation of upper airway narrowing during sleep at the soft palate level and evolution towards partial or complete upper airway obstruction during sleep.

Päivystyshoitotyön osaaminen valmistuvien sairaanhoitajaopiskelijoiden arvioimana

Potilaan hoitamisessa korostuvat mm. triagen tekeminen, potilaan voinnin seuranta ja hoitoa koskevien päätösten tekeminen nopeasti potilaan voinnin mukaan sekä potilaan jatkohoidon turvaaminen. Tämä kaksivaiheinen koulutustutkimus kohdistui päivystyshoitotyön osaamiseen. Tutkimuksen ensimmäisessä vaiheessa määriteltiin päivystyshoitotyön osaaminen ja toisessa vaiheessa arvioitiin valmistuvien sairaanhoitajaopiskelijoiden päivystyshoitotyön osaamista ja osaamiseen yhteydessä olevia tekijöitä. Osaamisen arvioinnin suorittivat opiskelijat itse ja vertailuperustana opiskelijoiden päivystyshoitotyön osaamiselle käytettiin ammatissa toimivien sairaanhoitajien päivystyshoitotyön osaamista. Tutkimuksen tavoitteena oli arvioinnin perusteella määrittää päivystyshoitotyön osaamisen nykytaso ja tehdä tarvittavat ehdotukset päivystyshoitotyön osaamisen kehittämiseen. Tutkimuksen ensimmäisessä vaiheessa (2006–2012) tiedonkeruumenetelminä oli kirjallisuuskatsaus ja asiantuntija-arviointi hyödyntäen delphi-menetelmää. Kirjallisuuskatsauksen perusteella muodostettiin päivystyshoitotyön osaamista kuvaavat pääkategoriat, yläkategoriat ja alakategoriat.Alakategoriat (n=61) annettiin asiantuntijoille (sairaanhoitajat, opettajat, ylihoitajat) arvioitavaksi.Kaksivaiheisen asiantuntija-arvioinnin perusteella muodostui 92 päivystyshoitotyön osaamista kuvaavaa alakategoriaa. Tutkimuksen toisessa vaiheessa (2007–2012) valmistuvien suomalaisten sairaanhoitaja-opiskelijoiden (N=382, n=208, vastausprosentti 55 %) päivystyshoitotyön osaamista arvioitiin tätä tutkimusta varten kehitetyllä mittarilla (Päivystyshoitotyön osaaminen -mittari). Mittari perustui tutkimuksen ensimmäisessä vaiheessa muodostettuun määrittelyyn päivystyshoitotyön osaamisesta. Osaamista mitattiin VAS-janalla (asteikko 0–100) arvon 100 ollessa optimaalinen taso, johon pyrittiin. Sairaanhoitajaopiskelijoiden tavoiteltavaksi osaamisen tasoksi asetettiin 80 olettaen opiskelijoiden osaamisen vielä kehittyvän työkokemuksen myötä. Ammatissa toimivien sairaanhoitajien (N=586, n=280, vastausprosentti 48 %) itsearvioitua osaamista käytettiin vertailuperustana opiskelijoiden osaamiselle. Aineisto analysoitiin tilastollisin menetelmin. Valmistuvien sairaanhoitajaopiskelijoiden itsearvioitu päivystyshoitotyön osaaminen oli alle tavoiteltavan osaamisen tason. Opiskelijoilla oli mielestään eniten eettistä osaamista sekä vuorovaikutus- ja yhteistyöosaamista ja vähiten päätöksenteko-osaamista ja kliinistä osaamista. Myös ammatissa toimivilla sairaanhoitajilla oli mielestään eniten vuorovaikutus- ja yhteistyöosaamista. Vähiten heillä oli ohjausosaamista ja päätöksenteko-osaamista. Sairaanhoitajilla oli tilastollisesti merkitsevästi enemmän päivystyshoitotyön osaamista kuin opiskelijoilla. Opiskelijoiden päivystyshoitotyön osaamista selitti eniten aikaisempi terveysalan tutkinto. Päivystyshoitotyön osaamisen kehittämisehdotukset kohdistuvat ammatillisen peruskoulutuksen ja täydennyskoulutuksen opetuksen sisältöihin ja määrään, opetus- ja opiskelumenetelmiin, osaamisen arviointiin sekä urasuunnitteluun. Jatkotutkimusehdotukset kohdistuvat päivystyshoitotyön osaamisen määrittelyn ja osaamista arvioivan mittarin edelleen kehittämiseen, erilaisten arviointimenetelmien kehittämiseen sekä osaamiseen yhteydessä olevien tekijöiden edelleen tutkimiseen.

Fluvio-morphological processes of meander bends - Combining conventional field measurements, close-range remote sensing and computational modelling

Meandering rivers have been perceived to evolve rather similarly around the world independently of the location or size of the river. Despite the many consistent processes and characteristics they have also been noted to show complex and unique sets of fluviomorphological processes in which local factors play important role. These complex interactions of flow and morphology affect notably the development of the river. Comprehensive and fundamental field, flume and theoretically based studies of fluviomorphological processes in meandering rivers have been carried out especially during the latter part of the 20th century. However, as these studies have been carried out with traditional field measurements techniques their spatial and temporal resolution is not competitive to the level achievable today. The hypothesis of this study is that, by exploiting e increased spatial and temporal resolution of the data, achieved by combining conventional field measurements with a range of modern technologies, will provide new insights to the spatial patterns of the flow-sediment interaction in meandering streams, which have perceived to show notable variation in space and time. This thesis shows how the modern technologies can be combined to derive very high spatial and temporal resolution data on fluvio-morphological processes over meander bends. The flow structure over the bends is recorded in situ using acoustic Doppler current profiler (ADCP) and the spatial and temporal resolution of the flow data is enhanced using 2D and 3D CFD over various meander bends. The CFD are also exploited to simulate sediment transport. Multi-temporal terrestrial laser scanning (TLS), mobile laser scanning (MLS) and echo sounding data are used to measure the flow-based changes and formations over meander bends and to build the computational models. The spatial patterns of erosion and deposition over meander bends are analysed relative to the measured and modelled flow field and sediment transport. The results are compared with the classic theories of the processes in meander bends. Mainly, the results of this study follow well the existing theories and results of previous studies. However, some new insights regarding to the spatial and temporal patterns of the flow-sediment interaction in a natural sand-bed meander bend are provided. The results of this study show the advantages of the rapid and detailed measurements techniques and the achieved spatial and temporal resolution provided by CFD, unachievable with field measurements. The thesis also discusses the limitations which remain in the measurement and modelling methods and in understanding of fluvial geomorphology of meander bends. Further, the hydro- and morphodynamic models’ sensitivity to user-defined parameters is tested, and the modelling results are assessed against detailed field measurement. The study is implemented in the meandering sub-Arctic Pulmanki River in Finland. The river is unregulated and sand-bed and major morphological changes occur annually on the meander point bars, which are inundated only during the snow-melt-induced spring floods. The outcome of this study applies to sandbed meandering rivers in regions where normally one significant flood event occurs annually, such as Arctic areas with snow-melt induced spring floods, and where the point bars of the meander bends are inundated only during the flood events.

Modular Double-Cascade Converter

Medium-voltage motor drives extend the power rating of AC motor drives in industrial applications. Multilevel converters are gaining an ever-stronger foothold in this field. This doctoral dissertation introduces a new topology to the family of modular multilevel converters: the modular double-cascade converter. The modularity of the converter is enabled by the application of multiwinding mediumfrequency isolation transformers. Owing to the innovative transformer link, the converter presents many advantageous properties at a concept level: modularity, high input and output power quality, small footprint, and wide variety of applications, among others. Further, the research demonstrates that the transformer link also plays a key role in the disadvantages of the topology. An extensive simulation study on the new converter is performed. The focus of the simulation study is on the development of control algorithms and the feasibility of the topology. In particular, the circuit and control concepts used in the grid interface, the coupling configurations of the load inverter, and the transformer link operation are thoroughly investigated. Experimental results provide proof-of-concept results on the operation principle of the converter. This work concludes a research collaboration project on multilevel converters between LUT and Vacon Plc. The project was active from 2009 until 2014.

Loistehon kompensoinnin ja yliaaltosuodattimien nykytila sekä kehityskohteet Kemira Chemicals Oy:n Joutsenon tehtaalla

Tutkimuksessa käsitelty kemikaalitehdas on 110 kV:n kantaverkkoon liittyvä tehointensiivinen teollisuuslaitos. Prosessien käyttöön mukautetut sähkönjakeluverkon yliaaltosuodattimet ja niiden käyttökytkennät ovat tärkeässä asemassa loistehon tuoton hallitsemiseksi liittymän loistehoikkunaan ja riittävän yliaaltosuodatuksen järjestämiseksi häviöt minimoiden. Kohteena olleen kemikaalitehtaan sähkönjakeluverkon kompensointia ja yliaaltosuodatusta on viimeksi tutkittu vuonna 2003. Tämän jälkeen verkostokomponentit ovat ikääntyneet, prosessien käyttö sekä pienjänniteverkko ovat muuttuneet ja tehdasta käyttävät osittain eri henkilöt. Nykytilaselvitykselle ja verkon kehityskohteiden analysoinnille on tullut tarve edellisen selvityksen jatkoksi. Tutkimus painottuu vahvasti kenttämittauksiin, joiden perusteella sekä kirjallisuutta ja tehtaan järjestelmiä hyödyntäen määritetään loistehotasot verkon keskeisimmissä kohteissa pien-, keski- ja suurjännitetasoilla. Tutkimuksessa esitetään lipeätehtaan suotimien uudelleenjärjestely 4. yliaallon vähentämiseksi ja yksikkökoon pienentämiseksi. Kantaverkon liittymäpisteen tilanne oli hyväksyttävä. Tutkimus esittää pienjännitekompensointia KF-4-100 keskukseen varayhteyden kapasiteettia lisäten. Tutkimus tuotti yleistietoutta verkon käytöstä ja selvitti parhaat käyttökytkennät loistehoikkunan hallitsemiseksi ilman loistehokustannuksia.