A Breakdown Criterion of Free Molecular Flows and an Optimum Analysis of EBPVD

Two important issues in electron beam physical vapor deposition (EBPVD) are addressed. The first issue is a validity condition of the classical cosine law widely used in the engineering context. This requires a breakdown criterion of the free molecular assumption on which the cosine law is established. Using the analytical solution of free molecular effusion flow, the number of collisions (N-c) for a particle moving from an evaporative source to a substrate is estimated that is proven inversely proportional to the local Knudsen number at the evaporation surface. N-c = 1 is adopted as a breakdown criterion of the free molecular assumption, and it is verified by experimental data and DSMC results. The second issue is how to realize the uniform distributions of thickness and component over a large-area thin film. Our analysis shows that at relatively low evaporation rates the goal is easy achieved through arranging the evaporative source positions properly and rotating the substrate.

A Mechanical Model For The Quantification Of The Effect Of Laser Quenching On Ctod In Steels

The technology of laser quenching is widely used to improve the surface properties of steels in surface engineering. Generally, laser quenching of steels can lead to two important results. One is the generation of residual stress in the surface layer. In general, the residual stress varies from the surface to the interior along the quenched track depth direction, and the residual stress variation is termed as residual stress gradient effect in this work. The other is the change of mechanical properties of the surface layer, such as the increases of the micro-hardness, resulting from the changes of the microstructure of the surface layer. In this work, a mechanical model of a laser-quenched specimen with a crack in the middle of the quenched layer is developed to quantify the effect of residual stress gradient and the average micro-hardness over the crack length on crack tip opening displacement (CTOD). It is assumed that the crack in the middle of the quenched layer is created after laser quenching, and the crack can be a pre-crack or a defect due to some reasons, such as a void, cavity or a micro-crack. Based on the elastic-plastic fracture mechanics theory and using the relationship between the micro-hardness and yield strength, a concise analytical solution, which can be used to quantify the effect of residual stress gradient and the average micro-hardness over the crack length resulting from laser quenching on CTOD, is obtained. The concise analytical solution obtained in this work, cannot only be used as a means to predict the crack driving force in terms of the CTOD, but also serve as a baseline for further experimental investigation of the effect after laser-quenching treatment on fracture toughness in terms of the critical CTOD of a specimen, accounting for the laser-quenching effect. A numerical example presented in this work shows that the CTOD of the quenched can be significantly decreased in comparison with that of the unquenched. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Lasing without or with inversion in an open four-level system with a phase-fluctuation driving field

The effect of exit rate and the ratio of atomic injection rate on gain behaviour has been investigated, and the effects of phase fluctuation on absorption, dispersion and population difference in an open four-level system have been analysed by using numerical simulation from the steady linear, analytical solution. The variation of the linewidth, Rabi frequency of the driving field, the exit rate or the ratio of atomic injection rate can change the lasing properties in the open system. The presence of finite linewidth due to driving-field phase fluctuation prevents the open four-level atomic system from obtaining a high refractive index along with zero absorption.

Nonlinear dynamic transfer functions for certain retinal neuronal systems

The applicability of the white-noise method to the identification of a nonlinear system is investigated. Subsequently, the method is applied to certain vertebrate retinal neuronal systems and nonlinear, dynamic transfer functions are derived which describe quantitatively the information transformations starting with the light-pattern stimulus and culminating in the ganglion response which constitutes the visually-derived input to the brain. The retina of the catfish, Ictalurus punctatus, is used for the experiments.

The Wiener formulation of the white-noise theory is shown to be impractical and difficult to apply to a physical system. A different formulation based on crosscorrelation techniques is shown to be applicable to a wide range of physical systems provided certain considerations are taken into account. These considerations include the time-invariancy of the system, an optimum choice of the white-noise input bandwidth, nonlinearities that allow a representation in terms of a small number of characterizing kernels, the memory of the system and the temporal length of the characterizing experiment. Error analysis of the kernel estimates is made taking into account various sources of error such as noise at the input and output, bandwidth of white-noise input and the truncation of the gaussian by the apparatus.

Nonlinear transfer functions are obtained, as sets of kernels, for several neuronal systems: Light → Receptors, Light → Horizontal, Horizontal → Ganglion, Light → Ganglion and Light → ERG. The derived models can predict, with reasonable accuracy, the system response to any input. Comparison of model and physical system performance showed close agreement for a great number of tests, the most stringent of which is comparison of their responses to a white-noise input. Other tests include step and sine responses and power spectra.

Many functional traits are revealed by these models. Some are: (a) the receptor and horizontal cell systems are nearly linear (small signal) with certain "small" nonlinearities, and become faster (latency-wise and frequency-response-wise) at higher intensity levels, (b) all ganglion systems are nonlinear (half-wave rectification), (c) the receptive field center to ganglion system is slower (latency-wise and frequency-response-wise) than the periphery to ganglion system, (d) the lateral (eccentric) ganglion systems are just as fast (latency and frequency response) as the concentric ones, (e) (bipolar response) = (input from receptors) - (input from horizontal cell), (f) receptive field center and periphery exert an antagonistic influence on the ganglion response, (g) implications about the origin of ERG, and many others.

An analytical solution is obtained for the spatial distribution of potential in the S-space, which fits very well experimental data. Different synaptic mechanisms of excitation for the external and internal horizontal cells are implied.

2D modeling of lower mantle structure with WKM synthetics

The Earth is very heterogeneous, especially in the region close to the surface of the Earth, and in regions close to the core-mantle boundary (CMB). The lowermost mantle (bottom 300km of the mantle) is the place for fast anomaly (3% faster S velocity than PREM, modeled from Scd), for slow anomaly (-3% slower S velocity than PREM, modeled from S,ScS), for extreme anomalous structure (ultra-low velocity zone, 30% lower inS velocity, 10% lower in P velocity). Strong anomaly with larger dimension is also observed beneath Africa and Pacific, originally modeled from travel time of S, SKS and ScS. Given the heterogeneous nature of the earth, more accurate approach (than travel time) has to be applied to study the details of various anomalous structures, and matching waveform with synthetic seismograms has proven effective in constraining the velocity structures. However, it is difficult to make synthetic seismograms in more than 1D cases where no exact analytical solution is possible. Numerical methods like finite difference or finite elements are too time consuming in modeling body waveforms. We developed a 2D synthetic algorithm, which is extended from 1D generalized ray theory (GRT), to make synthetic seismograms efficiently (each seismogram per minutes). This 2D algorithm is related to WKB approximation, but is based on different principles, it is thus named to be WKM, i.e., WKB modified. WKM has been applied to study the variation of fast D" structure beneath the Caribbean sea, to study the plume beneath Africa. WKM is also applied to study PKP precursors which is a very important seismic phase in modeling lower mantle heterogeneity. By matching WKM synthetic seismograms with various data, we discovered and confirmed that (a) The D" beneath Caribbean varies laterally, and the variation is best revealed with Scd+Sab beyond 88 degree where Sed overruns Sab. (b) The low velocity structure beneath Africa is about 1500 km in height, at least 1000km in width, and features 3% reduced S velocity. The low velocity structure is a combination of a relatively thin, low velocity layer (200 km thick or less) beneath the Atlantic, then rising very sharply into mid mantle towards Africa. (c) At the edges of this huge Africa low velocity structures, ULVZs are found by modeling the large separation between S and ScS beyond 100 degree. The ULVZ to the eastern boundary was discovered with SKPdS data, and later is confirmed by PKP precursor data. This is the first time that ULVZ is verified with distinct seismic phase.

Estimativa do erro de discretização analítico na solução de equações diferenciais utilizando o Método de Volumes Finitos

As análises de erros são conduzidas antes de qualquer projeto a ser desenvolvido. A necessidade do conhecimento do comportamento do erro numérico em malhas estruturadas e não-estruturadas surge com o aumento do uso destas malhas nos métodos de discretização. Desta forma, o objetivo deste trabalho foi criar uma metodologia para analisar os erros de discretização gerados através do truncamento na Série de Taylor, aplicados às equações de Poisson e de Advecção-Difusão estacionárias uni e bidimensionais, utilizando-se o Método de Volumes Finitos em malhas do tipo Voronoi. A escolha dessas equações se dá devido a sua grande utilização em testes de novos modelos matemáticos e função de interpolação. Foram usados os esquemas Central Difference Scheme (CDS) e Upwind Difference Scheme(UDS) nos termos advectivos. Verificou-se a influência do tipo de condição de contorno e a posição do ponto gerador do volume na solução numérica. Os resultados analíticos foram confrontados com resultados experimentais para dois tipos de malhas de Voronoi, uma malha cartesiana e outra triangular comprovando a influência da forma do volume finito na solução numérica obtida. Foi percebido no estudo que a discretização usando o esquema CDS tem erros menores do que a discretização usando o esquema UDS conforme literatura. Também se percebe a diferença nos erros em volumes vizinhos nas malhas triangulares o que faz com que não se tenha uma uniformidade nos gráficos dos erros estudados. Percebeu-se que as malhas cartesianas com nó no centróide do volume tem menor erro de discretização do que malhas triangulares. Mas o uso deste tipo de malha depende da geometria do problema estudado

Um método de matriz resposta com esquema iterativo de inversão parcial por região para problemas unidimensionais de transporte de nêutrons monoenergéticos na formulação de ordenadas discretas

Um método de matriz resposta (RM) é descrito para gerar soluções numéricas livres de erros de truncamento espacial para problemas de transporte de nêutrons monoenergéticos e com fonte fixa, em geometria unidimensional na formulação de ordenadas discretas (SN). O método RM com esquema iterativo de inversão parcial por região (RBI) converge valores numéricos para os fluxos angulares nas fronteiras das regiões que coincidem com os valores da solução analítica das equações SN, afora os erros de arredondamento da aritmética finita computacional. Desenvolvemos um esquema numérico de reconstrução espacial, que fornece a saída para os fluxos escalares de nêutrons em qualquer ponto do domínio definido pelo usuário, com um passo de avanço também escolhido pelo usuário. Resultados numéricos são apresentados para ilustrar a precisão do presente método em cálculos de malha grossa.

Spatiotemporal behaviors and singularity of ultrashort pulsed Elegant Hermite-Gaussian beams

Analytical propagation expressions of ultrashort pulsed Elegant Hermite-Gaussian beams are derived and spatiotemporal properties of the pulses with different transverse modes are studied. Singularity of the complex amplitude envelope solution of the pulses obtained under slowly varying envelope approximation is analyzed in detail. The rigorous analytical solution of the pulse is deduced and no singularity emerges in the solution. The obtained results indicate that the transverse mode affects not only the spatiotemporal properties but also the singularity of the pulses. Time delay of the off-axis maximum intensity is more obvious and the singularity is located nearer to the z-axis for the pulse with higher transverse modes. (C) 2007 Elsevier GmbH. All rights reserved.

Análise de erros da equação de advecção unidimensional no Método de Volumes Finitos

Uma análise utilizando a série de Taylor é apresentada para se estimar a priori os erros envolvidos na solução numérica da equação de advecção unidimensional com termo fonte, através do Método dos Volumes Finitos em uma malha do tipo uniforme e uma malha não uniforme. Também faz-se um estudo a posteriori para verificar a magnitude do erro de discretização e corroborar os resultados obtidos através da análise a priori. Por meio da técnica de solução manufaturada tem-se uma solução analítica para o problema, a qual facilita a análise dos resultados numéricos encontrados, e estuda-se ainda a influência das funções de interpolação UDS e CDS e do parâmetro u na solução numérica.

Modelagem e simulação da propagação de ondas em barras não homogêneas envolvendo materiais elásticos não lineares.

O objetivo deste trabalho é tratar da simulação do fenômeno de propagação de ondas em uma haste heterogênea elástico, composta por dois materiais distintos (um linear e um não-linear), cada um deles com a sua própria velocidade de propagação da onda. Na interface entre estes materiais existe uma descontinuidade, um choque estacionário, devido ao salto das propriedades físicas. Empregando uma abordagem na configuração de referência, um sistema não-linear hiperbólico de equações diferenciais parciais, cujas incógnitas são a velocidade e a deformação, descrevendo a resposta dinâmica da haste heterogénea. A solução analítica completa do problema de Riemann associado são apresentados e discutidos.

Métodos espectrais aplicados à relatividade numérica: determinação dos dados iniciais

Neste trabalho aplicamos métodos espectrais para a determinação da configuração inicial de três espaços-tempos contendo buracos negros. Para isto apresentamos primeiro a foliação do espaço-tempo em hipersuperfícies tridimensionais espaciais parametrizadas pela função temporal t. Este processo é chamado de decomposição 3+1 [2] [5]. O resultado deste processo são dois conjuntos de equações classificadas em equações de vínculo e evolução [4]. As equações de vínculo podem ser divididas em vínculos Hamiltoniano e dos momentos. Para a obtenção dos dados iniciais dos problemas estudados aqui, apenas a equação de vínculo Hamiltoniano será resolvida numericamente, pois as equações de vínculo dos momentos possuem solução analítica nestes casos. Uma pequena descrição dos métodos espectrais é apresentada, destacando-se os método de Galerkin, método pseudoespectral ou de colocação e método de Tau, que são empregados na resolução das equações de vínculo Hamiltoniano dos problemas estudados. Verificamos que os resultados obtidos neste trabalho superam aqueles produzidos por Kidder e Finn [15], devido a uma escolha diferente das funções de base, que aqui satisfazem uma das condições de contorno.

Solução analítica da equação unidimensional de transporte de nêutrons monoenergéticos com espalhamento linearmente anisotrópico e aproximação sintética de difusão

Nesta dissertação, são apresentados os seguintes modelos matemáticos de transporte de nêutrons: a equação linearizada de Boltzmann e a equação da difusão de nêutrons monoenergéticos em meios não-multiplicativos. Com o objetivo de determinar o período fluxo escalar de nêutrons, é descrito um método espectronodal que gera soluções numéricas para o problema de difusão em geometria planar de fonte fixa, que são livres de erros de truncamento espacial, e que conjugado com uma técnica de reconstrução espacial intranodal gera o perfil detalhado da solução. A fim de obter o valor aproximado do fluxo angular de nêutrons em um determinado ponto do domínio e em uma determinada direção de migração, descreve-se também um método de reconstrução angular baseado na solução analítica da equação unidimensional de transporte de nêutrons monoenergéticos com espalhamento linearmente anisotrópico com aproximação sintética de difusão nos termos de fonte por espalhamento. O código computacional desenvolvido nesta dissertação foi implementado na plataforma livre Scilab, e para ilustrar a eficiência do código criado,resultados numéricos obtidos para três problemas-modelos são apresentados

Processos estocásticos em teoria de campos e aplicação ao universo inflacionário

É conhecido que derivações microscópicas obtidas através de métodos de teoria quântica de campos (TQC) podem conduzir a complicadas equações de movimento (EdM) que possuem um termo dissipativo com memória e um termo de ruído colorido. Um caso particularmente interessante é o modelo que escreve a interação entre um sistema e um banho térmico a temperatura T. Motivado por isso, usamos uma prescrição que nos permite reescrever EdMs não-markovianas semelhantes as obtidas em TQC em termos de um sistema de equações locais, para então confrontarmos a solução desse sistema com a solução aproximada usada correntemente na literatura, a chamada aproximação markoviana. A pergunta chave a qual se pretende responder aqui é: dado um conjunto de parâmetros que descrevem o modelo, a aproximação markoviana é suficientemente boa para descrever a dinâmica do sistema se comparada a dinâmica obtida atravéS da EdM não-markoviana? Além disso, consideramos uma versão linear da ELG de forma que pudéssemos determinar o nível de confiança da nossa metodologia numérica, procedimento este realizado comparando-se a solução analítica com a solução numérica. Como exemplo de aplicação prática do tema discutido aqui, comparamos a evolução não-markoviana do inflaton com a evolução markoviana do mesmo num modelo de universo primordial denominado inflação não-isentrópica (warm inflation).

Redes neurais artificiais aplicadas à determinação do tamanho ótimo da malha para o cálculo da intensidade útil

Neste trabalho é apresentado um estudo para a determinação do tamanho ótimo da malha de elementos, utilizando redes neurais artificiais, para o cálculo da intensidade útil. A ideia principal é treinar as redes de modo a possibilitar a aprendizagem e o reconhecimento do melhor tamanho para diversas áreas superficiais em fontes sonoras com geometria plana. A vantagem de se utilizar redes neurais artificiais deve-se ao fato de apresentarem um único tamanho para a obtenção da intensidade útil, consequentemente, uma redução significativa de tempo computacional quando comparado com o tempo de cálculo de uma malha bem refinada. Ensaios numéricos com placas planas - geometria separável que permite uma solução analítica - são utilizados para se realizar comparações. É apresentado um estudo comparativo entre o tempo computacional gasto para a obtenção da intensidade útil e o mesmo com a malha otimizada via redes neurais artificiais. Também é apresentada uma comparação do nível de potência sonora mediante solução numérica, a fim de validar os resultados apresentados pelas redes neurais.

Estudo da precisão e da exatidão da técnica da birrefringência acústica na avaliação de tensões residuais e aplicadas.

Este trabalho apresenta um procedimento numérico para o estudo da precisão e da exatidão da técnica de birrefringência acústica como usada no Instituto de Engenharia Nuclear (IEN) para avaliação de tensões residuais e aplicadas em estruturas metálicas. Esse procedimento deverá ser incorporado posteriormente ao módulo de processamento de sinal do sistema ultrassônico utilizado no Laboratório de Ultrassom do IEN para levar em conta, de forma automática e sistemática, as incertezas nos dados de entrada e as suas propagações ao longo dos cálculos efetuados. A birrefringência acústica é geralmente definida a partir das velocidades de duas ondas ultrassônicas volumétricas de incidência normal e ortogonais entre si. A birrefringência pode ser definida diretamente a partir dos tempos de percurso dessas duas ondas, uma vez que elas percorrem o mesmo espaço físico. Os tempos de percurso das ondas podem ser assim considerados como as variáveis primárias de interesse. Por meio da teoria da acustoelasticidade é possível relacionar a birrefringência acústica com as tensões atuantes no material explorando o fato da velocidade da onda ultrassônica ser afetada pela presença de um campo de tensões. Nesta dissertação elaborou-se um conjunto de planilhas eletrônicas no aplicativo Microsoft Excel para efetuar de forma automática todos os cálculos necessários ao objetivo proposto, levando em conta as incertezas nos dados, sua propagação ao longo dos cálculos e o número de dígitos significativos nos resultados. Como exemplo do procedimento desenvolvido, o estudo da precisão e da exatidão na determinação das tensões em uma viga de aço sob flexão pela técnica da birrefringência acústica é apresentado. Como valor de referência, para fins do cálculo da exatidão alcançada, utilizou-se uma solução analítica derivada da teoria clássica da resistência de materiais. Os resultados encontrados indicaram uma razoável precisão, com um erro relativo menor do que 8%, e uma baixa exatidão, menor do que 57%, nos pontos da viga sujeitos às maiores tensões principais de flexão.