Stress intensity factor of wood from crack-tip displacement fields obtained from digital image processing

Abstract

Thinning intensity and growth of mixed spruce-birch stands on drained peatlands in Finland

Abstract

Timing and intensity of precommercial thinning and their effects on the first commercial thinning in Scots pine stands

Abstract

Mobile robot localization using sonar ranging and wlan intensity maps

 Main goal of this thesis was to implement a localization system which uses sonars and WLAN intensity maps to localize an indoor mobile robot. A probabilistic localization method, Monte Carlo Localization is used in localization. Also the theory behind probabilistic localization is explained. Two main problems in mobile robotics, path tracking and global localization, are solved in this thesis. Implemented system can achieve acceptable performance in path tracking. Global localization using WLAN received signal strength information is shown to provide good results, which can be used to localize the robot accurately, but also some bad results, which are no use when trying to localize the robot to the correct place. Main goal of solving ambiguity in office like environment is achieved in many test cases.

Syttyminen ja palamisen eteneminen partikkelikerroksessa

Syttymistä ja palamisen etenemistä partikkelikerroksessa tutkitaan paloturvallisuuden parantamista sekä kiinteitä polttoaineita käyttävien polttolaitteiden toiminnan tuntemista ja kehittämistä varten. Tässä tutkimuksessa on tavoitteena kerätä yhteen syttymiseen ja liekkirintaman etenemiseen liittyviä kokeellisia ja teoreettisia tutkimustuloksia, jotka auttavat kiinteäkerrospoltto- ja -kaasutus-laitteiden kehittämisessä ja suunnittelussa. Työ on esitutkimus sitä seuraavalle kokeelliselle ja teoreettiselle osalle. Käsittelyssä keskitytään erityisesti puuperäisiin polttoaineisiin. Hiilidioksidipäästöjen vähentämistavoitteet sekä kiinteiden jätteiden energiakäytön lisääminen ja kaatopaikalle viennin vähentäminen aiheuttavat lähitulevaisuudessa kerrospolton lisääntymistä. Kuljetusmatkojen optimoinnin takia joudutaan rakentamaan melko pieniä polttolaitoksia, joissa kerrospolttotekniikka on edullisin vaihtoehto. Syttymispisteellä tarkoitetaan Semenovin määritelmän mukaan tilaa ja ajankohtaa, jolloin polttoaineen ja hapen reaktioissa muodostuva nettoenergia aikayksikössä on yhtäsuuri kuin ympäristöön siirtyvä nettoenergiavirta. Itsesyttyminen tarkoittaa syttymistä ympäristön lämpötilan tai paineen suurenemisen seurauksena. Pakotettu syttyminen tapahtuu, kun syttymispisteen läheisyydessä on esimerkiksi liekki tai hehkuva kiinteä kappale, joka aiheuttaa paikallisen syttymisen ja syttymisrintaman leviämisen muualle polttoaineeseen. Kokeellinen tutkimus on osoittanut tärkeimmiksi syttymiseen ja syttymisrintaman etenemiseen vaikuttaviksi tekijöiksi polttoaineen kosteuden, haihtuvien aineiden pitoisuuden ja lämpöarvon, partikkelikerroksen huokoisuuden, partikkelien koon ja muodon, polttoaineen pinnalle tulevan säteilylämpövirran tiheyden, kaasun virtausnopeuden kerroksessa, hapen osuuden ympäristössä sekä palamisilman esilämmityksen. Kosteuden lisääntyminen suurentaa syttymisenergiaa ja -lämpötilaa sekä pidentää syttymisaikaa. Mitä enemmän polttoaine sisältää haihtuvia aineita sitä pienemmässä lämpötilassa se syttyy. Syttyminen ja syttymisrintaman eteneminen ovat sitä nopeampia mitä suurempi on polttoaineen lämpöarvo. Kerroksen huokoisuuden kasvun on havaittu suurentavan palamisen etenemisnopeutta. Pienet partikkelit syttyvät yleensä nopeammin ja pienemmässä lämpötilassa kuin suuret. Syttymisrintaman eteneminen nopeutuu partikkelien pinta-ala - tilavuussuhteen kasvaessa. Säteilylämpövirran tiheys on useissa polttosovellutuksissa merkittävin lämmönsiirtotekijä, jonka kasvu luonnollisesti nopeuttaa syttymistä. Ilman ja palamiskaasujen virtausnopeus kerroksessa vaikuttaa konvektiiviseen lämmönsiirtoon ja hapen pitoisuuteen syttymisvyöhykkeellä. Ilmavirtaus voi jäähdyttää ja kuumankaasun virtaus lämmittää kerrosta. Hapen osuuden kasvaminen nopeuttaa syttymistä ja liekkirintaman etenemistä kunnes saavutetaan tila, jota suuremmilla virtauksilla ilma jäähdyttää ja laimentaa reaktiovyöhykettä. Palamisilman esilämmitys nopeuttaa syttymisrintaman etenemistä. Syttymistä ja liekkirintaman etenemistä kuvataan yleensä empiirisillä tai säilyvyysyhtälöihin perustuvilla malleilla. Empiiriset mallit perustuvat mittaustuloksista tehtyihin korrelaatioihin sekä joihinkin tunnettuihin fysikaalisiin lainalaisuuksiin. Säilyvyysyhtälöihin perustuvissa malleissa systeemille määritetään massan, energian, liikemäärän ja alkuaineiden säilymisyhtälöt, joiden nopeutta kuvaavien siirtoyhtälöiden muodostamiseen käytetään teoreettisella ja kokeellisella tutkimuksella saatuja yhtälöitä. Nämä mallinnusluokat ovat osittain päällekkäisiä. Pintojen syttymistä kuvataan usein säilyvyysyhtälöihin perustuvilla malleilla. Partikkelikerrosten mallinnuksessa tukeudutaan enimmäkseen empiirisiin yhtälöihin. Partikkelikerroksia kuvaavista malleista Xien ja Liangin hiilipartikkelikerroksen syttymiseen liittyvä tutkimus ja Gortin puun ja jätteen polttoon liittyvä reaktiorintaman etenemistutkimus ovat lähimpänä säilyvyysyhtälöihin perustuvaa mallintamista. Kaikissa malleissa joudutaan kuitenkin yksinkertaistamaan todellista tapausta esimerkiksi vähentämällä dimensioita, reaktioita ja yhdisteitä sekä eliminoimalla vähemmän merkittävät siirtomekanismit. Suoraan kerrospolttoa ja -kaasutusta palvelevia syttymisen ja palamisen etenemisen tutkimuksia on vähän. Muita tarkoituksia varten tehtyjen tutkimusten polttoaineet, kerrokset ja ympäristöolosuhteet poikkeavat yleensä selvästi polttolaitteiden vastaavista olosuhteista. Erikokoisten polttoainepartikkelien ja ominaisuuksiltaan erilaisten polttoaineiden seospolttoa ei ole tutkittu juuri ollenkaan. Polttoainepartikkelien muodon vaikutuksesta on vain vähän tutkimusta.Ilman kanavoitumisen vaikutuksista ei löytynyt tutkimuksia.

Spectrometrical Monitoring of Laser Sintering Process of Ceramic Material

This thesis is done as a part of project called FuncMama that is a project between Technical Research Centre of Finland (VTT), Oulu University (OY), Lappeenranta University of Technology (LUT) and Finnish industrial partners. Main goal of the project is to manufacture electric and mechanical components from mixed materials using laser sintering. Aim of this study was to create laser sintered pieces from ceramic material and monitor the sintering event by using spectrometer. Spectrometer is a device which is capable to record intensity of different wavelengths in relation with time. In this study the monitoring of laser sintering was captured with the equipment which consists of Ocean Optics spectrometer, optical fiber and optical lens (detector head). Light from the sintering process hit first to the lens system which guides the light in to the optical fibre. Optical fibre transmits the light from the sintering process to the spectrometer where wavelengths intensity level information is detected. The optical lens of the spectrometer was rigidly set and did not move along with the laser beam. Data which was collected with spectrometer from the laser sintering process was converted with Excel spreadsheet program for result’s evaluation. Laser equipment used was IPG Photonics pulse fibre laser. Laser parameters were kept mainly constant during experimental part and only sintering speed was changed. That way it was possible to find differences in the monitoring results without fear of too many parameters mixing together and affecting to the conclusions. Parts which were sintered had one layer and size of 5 x 5 mm. Material was CT2000 – tape manufactured by Heraeus which was later on post processed to powder. Monitoring of different sintering speeds was tested by using CT2000 reference powder. Moreover tests how different materials effect to the process monitoring were done by adding foreign powder Du Pont 951 which had suffered in re-grinding and which was more reactive than CT2000. By adding foreign material it simulates situation where two materials are accidently mixed together and it was studied if that can be seen with the spectrometer. It was concluded in this study that with the spectrometer it is possible to detect changes between different laser sintering speeds. When the sintering speed is lowered the intensity level of light is higher from the process. This is a result of higher temperature at the sintering spot and that can be noticed with the spectrometer. That indicates it could be possible to use spectrometer as a tool for process observation and support the idea of having system that can help setting up the process parameter window. Also important conclusion was how well the adding of foreign material could be seen with the spectrometer. When second material was added a significant intensity level raise could be noticed in that part where foreign material was mixed. That indicates it is possible to see if there are any variations in the material or if there are more materials mixed together. Spectrometric monitoring of laser sintering could be useful tool for process window observation and temperature controlling of the sintering process. For example if the process window for specific material is experimentally determined to get wanted properties and satisfying sintering speed. It is possible if the data is constantly recorded that the results can show faults in the part texture between layers. Changes between the monitoring data and the experimentally determined values can then indicate changes in the material being generated by material faults or by wrong process parameters. The results of this study show that spectrometer could be one possible tool for monitoring. But to get in that point where this all can be made possible much more researching is needed.

The Possibilities and Dosimetric Limitations of MLC-Based Intensity-Modulated Radiotherapy Delivery and Optimization Techniques

The use of intensity-modulated radiotherapy (IMRT) has increased extensively in the modern radiotherapy (RT) treatments over the past two decades. Radiation dose distributions can be delivered with higher conformality with IMRT when compared to the conventional 3D-conformal radiotherapy (3D-CRT). Higher conformality and target coverage increases the probability of tumour control and decreases the normal tissue complications. The primary goal of this work is to improve and evaluate the accuracy, efficiency and delivery techniques of RT treatments by using IMRT. This study evaluated the dosimetric limitations and possibilities of IMRT in small (treatments of head-and-neck, prostate and lung cancer) and large volumes (primitive neuroectodermal tumours). The dose coverage of target volumes and the sparing of critical organs were increased with IMRT when compared to 3D-CRT. The developed split field IMRT technique was found to be safe and accurate method in craniospinal irradiations. By using IMRT in simultaneous integrated boosting of biologically defined target volumes of localized prostate cancer high doses were achievable with only small increase in the treatment complexity. Biological plan optimization increased the probability of uncomplicated control on average by 28% when compared to standard IMRT delivery. Unfortunately IMRT carries also some drawbacks. In IMRT the beam modulation is realized by splitting a large radiation field to small apertures. The smaller the beam apertures are the larger the rebuild-up and rebuild-down effects are at the tissue interfaces. The limitations to use IMRT with small apertures in the treatments of small lung tumours were investigated with dosimetric film measurements. The results confirmed that the peripheral doses of the small lung tumours were decreased as the effective field size was decreased. The studied calculation algorithms were not able to model the dose deficiency of the tumours accurately. The use of small sliding window apertures of 2 mm and 4 mm decreased the tumour peripheral dose by 6% when compared to 3D-CRT treatment plan. A direct aperture based optimization (DABO) technique was examined as a solution to decrease the treatment complexity. The DABO IMRT technique was able to achieve treatment plans equivalent with the conventional IMRT fluence based optimization techniques in the concave head-and-neck target volumes. With DABO the effective field sizes were increased and the number of MUs was reduced with a factor of two. The optimality of a treatment plan and the therapeutic ratio can be further enhanced by using dose painting based on regional radiosensitivities imaged with functional imaging methods.

Developing a non-public research software for public use

EasyLEED is a program designed for the extraction of intensity-energy spectra from low-energy electron diffraction patterns. It can be used to get information about the position of individual atoms on a surface of some substance. The goal of this thesis is to make easyLEED useful in LEED-research. It is achieved by adding new features, i.e. plotting intensity-energy spectra, setting tracking parameters and allowing exporting and importing of settings and spot location data, to the program. The detailed description of these added features and how they’re done and how they impact on the usefulness of the program in research are presented in this thesis. Improving the calculational part of the program is not discussed.

The northern provinces of Sweden and Norway with part I, of Russia / published under the superintendence of the Society for the Diffusion of Useful Knowledge.

[N. 1:4400000].