Nanosecond imaging of shock-and jet-like features

The production of shock- and collimated jet-like features is recorded from the self-emission of a plasma using a 16- frame camera, which can show the progression of the interaction over short (100s ns) durations. A cluster of laser beams, with intensity 10¹⁵ W/cm², was focused onto a planar aluminum foil to produce a plasma that expanded into 0.7 mbar of argon gas. The acquisition of 16 ultrafast images on a single shot allows prompt spatial and temporal characterization of the plasma and enables the velocity of the jet- and shock-like features to be calculated.

Electromagnetic Focusing and Imaging in Stratified Media Using Gradient Phase Profiled Conjugating Lens

High-resolution imaging of a dipole source in stratified medium based on negative refraction is presented in this paper. Compensation of the material parameter contrast at the stratified media interface is achieved using a gradient phase profiled conjugating lens (GPCL). It is shown both analytically and numerically that the phase gradient applied across the GPCL positioned at the interface of vertically stratified media enables a high-quality image of a dipole source in a mirror symmetric position with respect to the lens plane. The analytical closed form expression of the phase gradient function is derived using Huygens-Kirchhoff principle. The result is applicable to media with arbitrary stratification and material parameters, including lossy materials. The mechanism for formation of the dipole image in the stratified medium and aberration due to the dielectric contrast at the interface, particularly electromagnetic loss, is discussed in detail. The efficacy of gradient phase and amplitude aberration compensations mechanisms available through the GPCL is articulated. The results of the study are of importance in a wide range of imaging problems in stratified media for medical, civil, and military applications.

Tomographic imaging of molecular orbitals in length and velocity form

Recently Itatani et al. [Nature 432, 876 (2004)] introduced the new concept of molecular orbital tomography, where high harmonic generation (HHG) is used to image electronic wave functions. We describe an alternative reconstruction form, using momentum instead of dipole matrix elements for the electron recombination step in HHG. We show that using this velocity-form reconstruction, one obtains better results than using the original length-form reconstruction. We provide numerical evidence for our claim that one has to resort to extremely short pulses to perform the reconstruction for an orbital with arbitrary symmetry. The numerical evidence is based on the exact solution of the time-dependent Schrödinger equation for 2D model systems to simulate the experiment. Furthermore we show that in the case of cylindrically symmetric orbitals, such as the N2 orbital that was reconstructed in the original work, one can obtain the full 3D wave function and not only a 2D projection of it. Vor kurzem führten Itatani et al. [Nature 432, 876 (2004)] das Konzept der Molelkülorbital-Tomographie ein. Hierbei wird die Erzeugung hoher Harmonischer verwendet, um Bilder von elektronischen Wellenfunktionen zu gewinnen. Wir beschreiben eine alternative Form der Rekonstruktion, die auf Impuls- statt Dipol-Matrixelementen für den Rekombinationsschritt bei der Erzeugung der Harmonischen basiert. Wir zeigen, dass diese "Geschwindigkeitsform" der Rekonstruktion bessere Ergebnisse als die ursprüngliche "Längenform" liefert. Wir zeigen numerische Beweise für unsere Behauptung, dass man zu extrem kurzen Laserpulsen gehen muss, um Orbitale mit beliebiger Symmetrie zu rekonstruieren. Diese Ergebnisse basieren auf der exakten Lösung der zeitabhängigen Schrödingergleichung für 2D-Modellsysteme. Wir zeigen ferner, dass für zylindersymmetrische Orbitale wie das N2-Orbital, welches in der oben zitierten Arbeit rekonstruiert wurde, das volle 3D-Orbital rekonstruiert werden kann, nicht nur seine 2D-Projektion.

Accurate velocity reconstruction for Discontinuous Galerkin approximations of two-phase porous media flows

We consider Discontinuous Galerkin approximations of two-phase, immiscible porous media flows in the global pressure/fractional flow formulation with capillary pressure. A sequential approach is used with a backward Euler step for the saturation equation, equal-order interpolation for the pressure and the saturation, and without any limiters. An accurate total velocity field is recovered from the global pressure equation to be used in the saturation equation. Numerical experiments show the advantages of the proposed reconstruction. To cite this article: A. Ern et al., C R. Acad. Sci. Paris, Ser. 1347 (2009). (C) 2009 Academie des sciences. Published by Elsevier Masson SAS. All rights reserved.

Are early and late rate of force development differently influenced by fast-velocity resistance training?

This study examined the effect of fast-velocity concentric isokinetic resistance training (FV) on the rate of force development (RFD) at early (<100 ms) and late phases (>100 ms) of rising muscle force. Nine men participated in a 6-week resistance training intervention for the lower body, and nine matched subjects participated as controls (CON). During concentric isokinetic (180°s-1) knee extension training, subjects were instructed to do each contraction 'as fast and forcefully as possible'. Maximal muscle strength (MVC) and RFD (0-10, 0-20, ..., 0-250 ms from the onset of contraction) were measured during maximal voluntary isometric contraction of the knee extensors (KE). There were no significant changes in MVC of KE in both groups after intervention (FV = 314·2 ± 101·1 versus 338·7 ± 88·0 N{bullet operator}m, P>0·05; CON = 293·3 ± 94·8 versus 280·0 ± 72·2 N{bullet operator}m, P>0·05). The RFD increased 39-71% at time intervals up to 90 ms from the onset of the contraction (P<0·05), whereas no change occurred at later time intervals. Similarly, relative RFD (i.e.%MVC{bullet operator}s-1) (RFDr) increased 33-56% at time intervals up to 70 ms from the onset of the contraction (P<0·05). It can be concluded that a short period of resistance training performed with concentric fast-velocity isokinetic muscle contractions is able to enhance RFD and RFDr obtained at the early phase of rising muscle force. © 2013 The Authors Clinical Physiology and Functional Imaging © 2013 Scandinavian Society of Clinical Physiology and Nuclear Medicine.

A rescaling of the phase space for Hamiltonian map: Applications on the Kepler map and mappings with diverging angles in the limit of vanishing action

A rescale of the phase space for a family of two-dimensional, nonlinear Hamiltonian mappings was made by using the location of the first invariant Kolmogorov-Arnold-Moser (KAM) curve. Average properties of the phase space are shown to be scaling invariant and with different scaling times. Specific values of the control parameters are used to recover the Kepler map and the mapping that describes a particle in a wave packet for the relativistic motion. The phase space observed shows a large chaotic sea surrounding periodic islands and limited by a set of invariant KAM curves whose position of the first of them depends on the control parameters. The transition from local to global chaos is used to estimate the position of the first invariant KAM curve, leading us to confirm that the chaotic sea is scaling invariant. The different scaling times are shown to be dependent on the initial conditions. The universality classes for the Kepler map and mappings with diverging angles in the limit of vanishing action are defined. © 2013 Published by Elsevier Inc. All rights reserved.

Imaging and modeling of pore scale processes in porous media using X-ray computed tomography and lattice Boltzmann solver

In der Erdöl– und Gasindustrie sind bildgebende Verfahren und Simulationen auf der Porenskala im Begriff Routineanwendungen zu werden. Ihr weiteres Potential lässt sich im Umweltbereich anwenden, wie z.B. für den Transport und Verbleib von Schadstoffen im Untergrund, die Speicherung von Kohlendioxid und dem natürlichen Abbau von Schadstoffen in Böden. Mit der Röntgen-Computertomografie (XCT) steht ein zerstörungsfreies 3D bildgebendes Verfahren zur Verfügung, das auch häufig für die Untersuchung der internen Struktur geologischer Proben herangezogen wird. Das erste Ziel dieser Dissertation war die Implementierung einer Bildverarbeitungstechnik, die die Strahlenaufhärtung der Röntgen-Computertomografie beseitigt und den Segmentierungsprozess dessen Daten vereinfacht. Das zweite Ziel dieser Arbeit untersuchte die kombinierten Effekte von Porenraumcharakteristika, Porentortuosität, sowie die Strömungssimulation und Transportmodellierung in Porenräumen mit der Gitter-Boltzmann-Methode. In einer zylindrischen geologischen Probe war die Position jeder Phase auf Grundlage der Beobachtung durch das Vorhandensein der Strahlenaufhärtung in den rekonstruierten Bildern, das eine radiale Funktion vom Probenrand zum Zentrum darstellt, extrahierbar und die unterschiedlichen Phasen ließen sich automatisch segmentieren. Weiterhin wurden Strahlungsaufhärtungeffekte von beliebig geformten Objekten durch einen Oberflächenanpassungsalgorithmus korrigiert. Die Methode der „least square support vector machine” (LSSVM) ist durch einen modularen Aufbau charakterisiert und ist sehr gut für die Erkennung und Klassifizierung von Mustern geeignet. Aus diesem Grund wurde die Methode der LSSVM als pixelbasierte Klassifikationsmethode implementiert. Dieser Algorithmus ist in der Lage komplexe geologische Proben korrekt zu klassifizieren, benötigt für den Fall aber längere Rechenzeiten, so dass mehrdimensionale Trainingsdatensätze verwendet werden müssen. Die Dynamik von den unmischbaren Phasen Luft und Wasser wird durch eine Kombination von Porenmorphologie und Gitter Boltzmann Methode für Drainage und Imbibition Prozessen in 3D Datensätzen von Böden, die durch synchrotron-basierte XCT gewonnen wurden, untersucht. Obwohl die Porenmorphologie eine einfache Methode ist Kugeln in den verfügbaren Porenraum einzupassen, kann sie dennoch die komplexe kapillare Hysterese als eine Funktion der Wassersättigung erklären. Eine Hysterese ist für den Kapillardruck und die hydraulische Leitfähigkeit beobachtet worden, welche durch die hauptsächlich verbundenen Porennetzwerke und der verfügbaren Porenraumgrößenverteilung verursacht sind. Die hydraulische Konduktivität ist eine Funktion des Wassersättigungslevels und wird mit einer makroskopischen Berechnung empirischer Modelle verglichen. Die Daten stimmen vor allem für hohe Wassersättigungen gut überein. Um die Gegenwart von Krankheitserregern im Grundwasser und Abwässern vorhersagen zu können, wurde in einem Bodenaggregat der Einfluss von Korngröße, Porengeometrie und Fluidflussgeschwindigkeit z.B. mit dem Mikroorganismus Escherichia coli studiert. Die asymmetrischen und langschweifigen Durchbruchskurven, besonders bei höheren Wassersättigungen, wurden durch dispersiven Transport aufgrund des verbundenen Porennetzwerks und durch die Heterogenität des Strömungsfeldes verursacht. Es wurde beobachtet, dass die biokolloidale Verweilzeit eine Funktion des Druckgradienten als auch der Kolloidgröße ist. Unsere Modellierungsergebnisse stimmen sehr gut mit den bereits veröffentlichten Daten überein.

Coherent phase contrast imaging of THz phonon-polariton tunneling

We report on coherent spatiotemporal imaging of single-cycle THz waves in frustrated total internal reflection geometry. Our technique yields images of the spatiotemporal electric field distribution before and after tunneling through an air gap in between two LiNbO3 crystals. Measurements of the reflected and the transmitted THz waveforms for different tunnel distances allow for a direct comparison with results from a causal linear dispersion theory and excellent agreement is found.

Comparison of arterial and venous coronary artery bypass flow measurements using 3-T magnetic resonance phase contrast imaging

Comparison of arterial and venous coronary artery bypass flow measurements using 3-T magnetic resonance (MR) phase contrast in correlation with intraoperative Doppler flow measurements.

Morphological and functional 3-Tesla magnetic resonance imaging of saphenous vein coronary artery bypass grafts

Evaluation of a novel non-invasive tool for postoperative follow-up of patients postelective saphenous vein coronary artery bypass graft (CABG) was performed. Ten patients were included. Their bypass grafts supplied the right coronary artery (7), marginal branches (1), diagonal branches (2), and the circumflex artery (n=1). Each bypass was examined intraoperatively using Doppler flow measurement. Patients were examined with a 3-Tesla magnetic resonance imaging (MRI) scanner (MAGNETOM Verio, Siemens, Erlangen, Germany) within one week postsurgery using MR-angiography with an intravasal contrast agent and velocity encoded phase-contrast flow measurements. Intraoperative Doppler flow measurements revealed regular flow patterns in all vascular territories supplied. The median intraoperative flow rate was 50 ml/min with an inter-quartile range (IQR) of 42-70 ml/min. The clinical postoperative course was uneventful. MRI showed all grafts to be patent. The median postoperative flow rate was 50 ml/min (IQR: 32-65 ml/min). MRI flow rates agreed well with intraoperative Doppler flow measurements (mean difference: -2.8±20.1 ml/min). This initial study demonstrates that 3-Tesla MRI flow measurements correlated well with Doppler thus reconfirming the graft patency postCABG. Further refinement and broader application of this technique may facilitate follow-up postCABG potentially replacing empiric clinical judgment by reliable non-invasive imaging.

Entrainment and Unit Velocity: Surprises in an Accelerated Exclusion Process

We introduce a class of distance-dependent interactions in an accelerated exclusion process inspired by the observation of transcribing RNA polymerase speeding up when “pushed” by a trailing one. On a ring, the accelerated exclusion process steady state displays a discontinuous transition, from being homogeneous (with augmented currents) to phase segregated. In the latter state, the holes appear loosely bound and move together, much like a train. Surprisingly, the current-density relation is simply J=1-ρ, signifying that the “hole train” travels with unit velocity.