Information-theoretic Studies and Capacity Bounds: Group Network Codes and Energy Harvesting Communication Systems

Network information theory and channels with memory are two important but difficult frontiers of information theory. In this two-parted dissertation, we study these two areas, each comprising one part. For the first area we study the so-called entropy vectors via finite group theory, and the network codes constructed from finite groups. In particular, we identify the smallest finite group that violates the Ingleton inequality, an inequality respected by all linear network codes, but not satisfied by all entropy vectors. Based on the analysis of this group we generalize it to several families of Ingleton-violating groups, which may be used to design good network codes. Regarding that aspect, we study the network codes constructed with finite groups, and especially show that linear network codes are embedded in the group network codes constructed with these Ingleton-violating families. Furthermore, such codes are strictly more powerful than linear network codes, as they are able to violate the Ingleton inequality while linear network codes cannot. For the second area, we study the impact of memory to the channel capacity through a novel communication system: the energy harvesting channel. Different from traditional communication systems, the transmitter of an energy harvesting channel is powered by an exogenous energy harvesting device and a finite-sized battery. As a consequence, each time the system can only transmit a symbol whose energy consumption is no more than the energy currently available. This new type of power supply introduces an unprecedented input constraint for the channel, which is random, instantaneous, and has memory. Furthermore, naturally, the energy harvesting process is observed causally at the transmitter, but no such information is provided to the receiver. Both of these features pose great challenges for the analysis of the channel capacity. In this work we use techniques from channels with side information, and finite state channels, to obtain lower and upper bounds of the energy harvesting channel. In particular, we study the stationarity and ergodicity conditions of a surrogate channel to compute and optimize the achievable rates for the original channel. In addition, for practical code design of the system we study the pairwise error probabilities of the input sequences.

Superionic Noble Metal Chalcogenide Thermoelectrics

Measurements and modeling of Cu₂Se, Ag₂Se, and Cu₂S show that superionic conductors have great potential as thermoelectric materials. Cu₂Se and Ag₂Se are predicted to reach a zT of 1.2 at room temperature if their carrier concentrations can be reduced, and Cu-vacancy doped Cu₂S reaches a maximum zT of 1.7 at 1000 K. Te-doped Ag₂Se achieves a zT of 1.2 at 520 K, and could reach a zT of 1.7 if its carrier concentration could be reduced. However, superionic conductors tend to have high carrier concentrations due to the presence of metal defects. The carrier concentration has been found to be difficult to reduce by altering the defect concentration, therefore materials that are underdoped relative to the optimum carrier concentration are easier to optimize. The results of Te-doping of Ag₂Se show that reducing the carrier concentration is possible by reducing the maximum Fermi level in the material.

Two new methods for analyzing thermoelectric transport data were developed. The first involves scaling the temperature-dependent transport data according to the temperature dependences expected of a single parabolic band model and using all of the scaled data to perform a single parabolic band analysis, instead of being restricted to using one data point per sample at a fixed temperature. This allows for a more efficient use of the transport data. The second involves scaling only the Seebeck coefficient and electrical conductivity. This allows for an estimate of the quality factor (and therefore the maximum zT in the material) without using Hall effect data, which are not always available due to time and budget constraints and are difficult to obtain in high-resistivity materials. Methods for solving the coherent potential approximation effective medium equations were developed in conjunction with measurements of the resistivity tensor elements of composite materials. This allows the electrical conductivity and mobility of each phase in the composite to be determined from measurements of the bulk. This points out a new method for measuring the pure-phase electrical properties in impure materials, for measuring the electrical properties of unknown phases in composites, and for quantifying the effects of quantum interactions in composites.

Riscos ocupacionais e problemas de saúde associados às condições de trabalho de enfermagem em unidades intensivas hospitalares

Trata-se de um estudo quantitativo, descritivo, visando uma análise das condições de trabalho em unidades intensivas de um hospital universitário no município do Rio de Janeiro. Foi definido como objeto de estudo a percepção dos trabalhadores de enfermagem sobre os riscos ocupacionais e os problemas de saúde inerentes às condições de trabalho em unidades intensivas e como problema de pesquisa: quais os riscos ocupacionais e problemas de saúde relacionados às condições de trabalho, percebidos pelos trabalhadores de enfermagem, em unidades intensivas de um hospital universitário? O objetivo geral foi estudar nas unidades intensivas os riscos ocupacionais e problemas de saúde da equipe de enfermagem e sua relação com condições de trabalho, a partir da percepção dos mesmos. Os objetivos específicos traçados foram: identificar as características pessoais e profissionais dos trabalhadores de enfermagem de unidades intensivas; descrever os fatores de risco do ambiente de trabalho percebidos pelos trabalhadores de enfermagem; levantar os problemas de saúde percebidos pelos trabalhadores e sua relação com o trabalho; analisar a associação entre os problemas de saúde percebidos pelos trabalhadores de enfermagem e as condições do trabalho em unidades intensivas. Participaram da pesquisa 125 profissionais de enfermagem de quatro unidades intensivas do Hospital Universitário (HU) entre Maio e Julho de 2009. A predominância foi de profissionais do sexo feminino, com idade acima dos 40 anos, com mais de um vínculo empregatício e trabalhando no HU há mais de 10 anos. Os riscos ocupacionais mais percebidos pelos trabalhadores foram os ergonômicos, seguido dos biológicos, de acidentes, físicos e químicos. Os problemas de saúde mais frequentes foram varizes, problemas oculares, lombalgias, estresse e depressão, transtornos do sono, lesões de coluna vertebral, dores de cabeça, mudanças no humor, dores musculares crônicas e hipertensão arterial. Pela associação entre riscos ocupacionais e problemas de saúde, conclui-se que os trabalhadores expostos a fatores de riscos ergonômicos e físicos têm maior probabilidade de adquirir problemas de saúde osteoarticulares e circulatórios (varizes). Diante dos dados desta pesquisa faz-se necessário aprofundamento da investigação sobre os fatores de riscos encontrados e possíveis medidas para minimizá-los, mediante novos estudos. Como recomendações destacam-se a criação de um espaço de discussão entre os gerentes e trabalhadores para a elaboração de um programa que vise a promoção e proteção da saúde do trabalhador de enfermagem de unidades intensivas; implementação de medidas de controle específicas para cada tipo de risco evidenciado e a criação de um Comitê de Ergonomia para operacionalizar a implementação das melhorias no HU, a fim de consolidar as transformações esperadas.

Optimizations for the uniformity of the non-volatile volume grating in doubly doped LiNbO3 crystals

The formation of the non-uniformity of the non-volatile volume grating in doubly doped LiNbO3 crystals is studied in detail. We find that the non-uniformity of the grating is mainly caused by strong ultraviolet light absorption, and the average saturation space-charge field is small and the diffraction efficiency is low as a result of the non-uniformity of the grating. In order to optimize the uniformity of the grating, we propose the recording scheme by using two sensitizing beams simultaneously from the two opposite sides of the crystals. Theoretical simulations and experimental verifications are performed. Results show that the well uniformed grating with high diffraction efficiency can be obtained by using this optimization scheme. (c) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

A Multiwavelength Study of the Intracluster Medium and the Characterization of the Multiwavelength Sub/millimeter Inductance Camera

The first part of this thesis combines Bolocam observations of the thermal Sunyaev-Zel’dovich (SZ) effect at 140 GHz with X-ray observations from Chandra, strong lensing data from the Hubble Space Telescope (HST), and weak lensing data from HST and Subaru to constrain parametric models for the distribution of dark and baryonic matter in a sample of six massive, dynamically relaxed galaxy clusters. For five of the six clusters, the full multiwavelength dataset is well described by a relatively simple model that assumes spherical symmetry, hydrostatic equilibrium, and entirely thermal pressure support. The multiwavelength analysis yields considerably better constraints on the total mass and concentration compared to analysis of any one dataset individually. The subsample of five galaxy clusters is used to place an upper limit on the fraction of pressure support in the intracluster medium (ICM) due to nonthermal processes, such as turbulent and bulk flow of the gas. We constrain the nonthermal pressure fraction at r500c to be less than 0.11 at 95% confidence, where r500c refers to radius at which the average enclosed density is 500 times the critical density of the Universe. This is in tension with state-of-the-art hydrodynamical simulations, which predict a nonthermal pressure fraction of approximately 0.25 at r500c for the clusters in this sample.

The second part of this thesis focuses on the characterization of the Multiwavelength Sub/millimeter Inductance Camera (MUSIC), a photometric imaging camera that was commissioned at the Caltech Submillimeter Observatory (CSO) in 2012. MUSIC is designed to have a 14 arcminute, diffraction-limited field of view populated with 576 spatial pixels that are simultaneously sensitive to four bands at 150, 220, 290, and 350 GHz. It is well-suited for studies of dusty star forming galaxies, galaxy clusters via the SZ Effect, and galactic star formation. MUSIC employs a number of novel detector technologies: broadband phased-arrays of slot dipole antennas for beam formation, on-chip lumped element filters for band definition, and Microwave Kinetic Inductance Detectors (MKIDs) for transduction of incoming light to electric signal. MKIDs are superconducting micro-resonators coupled to a feedline. Incoming light breaks apart Cooper pairs in the superconductor, causing a change in the quality factor and frequency of the resonator. This is read out as amplitude and phase modulation of a microwave probe signal centered on the resonant frequency. By tuning each resonator to a slightly different frequency and sending out a superposition of probe signals, hundreds of detectors can be read out on a single feedline. This natural capability for large scale, frequency domain multiplexing combined with relatively simple fabrication makes MKIDs a promising low temperature detector for future kilopixel sub/millimeter instruments. There is also considerable interest in using MKIDs for optical through near-infrared spectrophotometry due to their fast microsecond response time and modest energy resolution. In order to optimize the MKID design to obtain suitable performance for any particular application, it is critical to have a well-understood physical model for the detectors and the sources of noise to which they are susceptible. MUSIC has collected many hours of on-sky data with over 1000 MKIDs. This work studies the performance of the detectors in the context of one such physical model. Chapter 2 describes the theoretical model for the responsivity and noise of MKIDs. Chapter 3 outlines the set of measurements used to calibrate this model for the MUSIC detectors. Chapter 4 presents the resulting estimates of the spectral response, optical efficiency, and on-sky loading. The measured detector response to Uranus is compared to the calibrated model prediction in order to determine how well the model describes the propagation of signal through the full instrument. Chapter 5 examines the noise present in the detector timestreams during recent science observations. Noise due to fluctuations in atmospheric emission dominate at long timescales (less than 0.5 Hz). Fluctuations in the amplitude and phase of the microwave probe signal due to the readout electronics contribute significant 1/f and drift-type noise at shorter timescales. The atmospheric noise is removed by creating a template for the fluctuations in atmospheric emission from weighted averages of the detector timestreams. The electronics noise is removed by using probe signals centered off-resonance to construct templates for the amplitude and phase fluctuations. The algorithms that perform the atmospheric and electronic noise removal are described. After removal, we find good agreement between the observed residual noise and our expectation for intrinsic detector noise over a significant fraction of the signal bandwidth.

Late Transition Metals Supported by Aryl Ethers and Phenoxides Bearing Pendant Phosphines: Mechanistic Insights Relevant to Ether C-O Bond Cleavage

Terphenyl diphosphines bearing pendant ethers were prepared to provide mechanistic insight into the mechanism of activation of aryl C–O bonds with Group 9 and Group 10 transition metals. Chapters 2 and 3 of this dissertation describe the reactivity of compounds supported by the model phosphine and extension of this chemistry to heterogenous C–O bond activation.

Chapter 2 describes the synthesis and reactivity of aryl-methyl and aryl-aryl model systems. The metallation of these compounds with Ni, Pd, Pt, Co, Rh, and Ir is described. Intramolecular bond activation pathways are described. In the case of the aryl-methyl ether, aryl C–O bond activation was observed only for Ni, Rh, and Ir.

Chapter 3 outlines the reactivity of heterogenous Rh and Ir catalysts for aryl ether C–O bond cleavage. Using Rh/C and an organometallic Ir precursor, aryl ethers were treated with H2 and heat to afford products of hydrogenolysis and hydrogenation. Conditions were modified to optimize the yield of hydrogenolysis product. Hydrogenation could not be fully suppressed in these systems.

Appendix A describes initial investigations of bisphenoxyiminoquinoline dichromium compounds for selective C2H4 oligomerization to afford α-olefins. The synthesis of monometallic and bimetallic Cr complexes is described. These compounds are compared to literature examples and found to be less active and non-selective for production of α-olefins.

Appendix B describes the coordination chemistry of terphenyl diphosphines, terphenyl bisphosphinophenols, and biphenyl phosphinophenols proligands with molybdenum, cobalt, and nickel. Since their synthesis, terphenyl diphosphine molybdenum compounds have been reported to be good catalysts for the dehydrogenation of ammonia borane. Biphenyl phosphinophenols are demonstrated provide both phosphine and arene donors to transition metals while maintaining a sterically accessible coordination sphere. Such ligands may be promising in the context of the activation of other small molecules.

Appendix C contains relevant NMR spectra for the compounds presented in the preceding sections.

Análisis de la fabricación de las tijas de una motocicleta de competición. Prototipo

[ES]Este trabajo fin de grado, TFG en adelante, consiste en el análisis de la fabricación de las tijas de una motocicleta de competición Motostudent. Se trata de conseguir fabricar las tijas de una manera óptima, tanto en que su material como el proceso de fabricación sea el más adecuado para su función siendo, además, lo más económico posible. Para llevar a cabo este trabajo es necesario conocer las cualidades que una tija debe cubrir en una motocicleta de competición. A partir de dichas cualidades se selecciona el material idóneo de entre otros muchos, estudiando las propiedades fiscas, químicas y mecánicas de cada uno de ellos. También se hará un estudio de dos alternativas de fabricación posibles, electroerosión y arranque de viruta con herramienta, para a posteriori elegir la más indicada. La idea no es construir un diseño final para la fabricación, sino un prototipo sobre el cual hacer las pruebas oportunas y posteriormente realizar cambios y mejoras para posteriores ediciones. El presente proyecto marcará las pautas de diseño y el proceso a seguir durante la fabricación de las tijas que el equipo representante de la Escuela técnica superior de Bilbao, ETSIB en adelante, empleará en la futura competición.

透过检测中的准直镜精度容限

在干涉检验过程中, 被检元件的面形误差检测精度受到干涉仪系统结构的影响, 从而降低测量结果的可靠性。为了得到较高的检测精度, 必须对检测系统进行分析, 建立测量误差和系统结构的关联度。根据菲涅耳衍射近似理论, 就菲佐干涉仪中的准直镜和标准镜面形误差对透过检测的影响进行了研究。通过对波前相位传递情况的分析, 得出波前误差和系统结构参量的相关性, 去除空腔系统误差, 优化结构参量, 并建立准直镜误差容限表达式。经计算得出, 当被检面形变误差为0.2λ时, 测试误差可以达到0.02λ, 而对准直镜的面形误差要求

掺镱双包层光纤放大器的放大特性

从掺镱(Yb)光纤放大器的功率传输方程出发,利用有限差分法对小模场面积(SMA)和大模场面积(LMA)掺镱双包层光纤放大器的放大特性进行了分析比较。采用模场直径(MFD)6.5 μm和20 μm的双包层掺镱光纤作为放大器增益介质进行窄线宽连续信号的放大,在915 nm激光抽运下模拟计算了大、小模场面积输出功率随输入信号功率、抽运光功率和光纤长度的变化特性,特别是对于大模场面积光纤放大器,最优光纤长度的选择至关重要;讨论了模场直径不同时的最优抽运功率和光纤长度的选择,得出4 m光纤放大时的临界抽运功率为4

Avaliação númérica de ensaios push-out com conectores de cisalhamento tipo pino e perfobond.

Recentemente a utilização de estruturas mistas, aço concreto, vem ganhando espaço nas construções. Isso deve-se principalmente a economia de tempo em sua execução. Além disto, nesta solução a utilização do aço e do concreto otimiza as características estruturais de seus elementos: a resistência a tração do aço e a compressão do concreto. A transferência dos esforços entre os dois materiais possui grande influência no desempenho de uma estrutura mista, sendo comum a utilização de conectores de cisalhamento na região da interface entre estes dois materiais. O Eurocode 4 define um ensaio experimental denominado push-out de modo a determinar a resistência e ductilidade de conectores de cisalhamento. Seu desempenho é influenciado pelas resistências do concreto a compressão, as dimensões e taxa de armadura da laje de concreto, dimensões do perfil de aço, a disposição e a geometria dos conectores e pelas características dos aços utilizados no conector, no perfil e nas barras de reforço. Nota-se com isso uma grande quantidade de variáveis que influenciam o ensaio. Assim, o presente trabalho apresenta o desenvolvimento de um modelo em elementos finitos com base no programa ANSYS para simulação de ensaios push-out. Os resultados numéricos apresentados neste trabalho foram calibrados com resultados obtidos em ensaios experimentais existentes na literatura de ensaios push-out para conectores do tipo pino com cabeça (stud) e conectores tipo perfobond. Estes últimos apresentam elevada resistência sendo influenciados por inúmeros fatores como: número e diâmetro dos furos no conector e a inclusão ou não de barras de reforço extras nestes furos.

Cultura de tecidos desdiferenciados e embriões somáticos de Petiveria alliacea L. visando à produção de substâncias bioativas

Petiveria alliacea L. pertence à família Phytolaccacceae e é conhecida popularmente como guiné ou amansa-senhor, entre outros nomes. Tem sido muito utilizada na medicina popular como agente terapêutico, devido à diversas propriedades farmacológicas. Estudos fitoquímicos têm contribuído para a descoberta de grande variedade de substâncias biologicamente ativas produzidas em diferentes partes da planta (saponinas, alcalóides, flavonóides, sulfetos, taninos, cumarinas, entre outros). A análise química da raiz tem revelado grande quantidade de derivados sulfurados, principalmente o dibenzil trissulfeto (DTS), com atividade antifúngica, antibacteriana, antioxidante e anticancerígena. Visando avaliar a produção biotecnológica do DTS, o presente trabalho teve como objetivo, otimizar a cultura de novas linhagens de calos, células em suspensão e embriões somáticos, a partir de plantas de P. alliacea L. mantidas in vitro, com o monitoramento da capacidade biossintética das culturas. Os resultados mostraram que a produção de calos friáveis foi possível em explantes foliares inoculados em meio MS suplementado com PIC ou 2,4-D. Além da resposta calogênica, foi observada a produção de estruturas globulares caracterizadas como embriões somáticos. A ocorrência de embriogênese somática direta foi confirmada através da análise histológica do processo regenerativo. A indução de embriões somáticos gerou um processo de embriogênese secundária altamente repetitivo até 150 dias de cultura e conversão a plantas em freqüência de 5%. Em relação à cultura de células em suspensão a partir dos calos friáveis, observou-se uma diminuição do crescimento celular ao longo das subculturas. As culturas em suspensão originadas de tecido embriogênico secundário continuaram o processo repetitivo em meio líquido e apresentaram conversão a plantas em taxas mais baixas que as obtidas em meio sólido. A obtenção de plantas completas a partir dos embriões somáticos demonstrou a possibilidade de utilização desse sistema para a micropropagação dessa espécie. O monitoramento fitoquímico dos sistemas de cultura in vitro e plantas de campo mantidas em casa de vegetação durante 02 anos apresentou diferenças significativas, confirmando que a cultura de tecidos pode alterar as rotas metabólicas. A cromatografia gasosa acoplada à espectrometria de massas realizada com extrato em diclorometano de embriões secos e hexânico de embriões frescos e raízes secas de plantas provenientes de embriões somáticos, demonstrou a presença do DTS, constituindo, portanto, sistemas in vitro importantes para a modulação desta substância.

High focal depth with a pure-phase apodizer

High-density optical data storage requires high-numerical-aperture (NA) lenses and short wavelengths, But, with increasing NA and decreasing wavelength, the depth of focus (DOF) decreases rapidly. We propose to use pure-phase superresolution apodizers to optimize the axial intensity distribution and extend the DOF of an optical pickup. With this kind of apodizer, the expected DOF can be 2-4.88 times greater than that of the original system, and the spot size will be smaller than that of the original system. (C) 2001 Optical Society of America.

Algoritmos multi-objetivos para la optimización de una secuencia de matrices generadoras en computación cuántica topológica

Quantum Computing is a relatively modern field which simulates quantum computation conditions. Moreover, it can be used to estimate which quasiparticles would endure better in a quantum environment. Topological Quantum Computing (TQC) is an approximation for reducing the quantum decoherence problem1, which is responsible for error appearance in the representation of information. This project tackles specific instances of TQC problems using MOEAs (Multi-objective Optimization Evolutionary Algorithms). A MOEA is a type of algorithm which will optimize two or more objectives of a problem simultaneously, using a population based approach. We have implemented MOEAs that use probabilistic procedures found in EDAs (Estimation of Distribution Algorithms), since in general, EDAs have found better solutions than ordinary EAs (Evolutionary Algorithms), even though they are more costly. Both, EDAs and MOEAs are population-based algorithms. The objective of this project was to use a multi-objective approach in order to find good solutions for several instances of a TQC problem. In particular, the objectives considered in the project were the error approximation and the length of a solution. The tool we used to solve the instances of the problem was the multi-objective framework PISA. Because PISA has not too much documentation available, we had to go through a process of reverse-engineering of the framework to understand its modules and the way they communicate with each other. Once its functioning was understood, we began working on a module dedicated to the braid problem. Finally, we submitted this module to an exhaustive experimentation phase and collected results.

Desenvolvimento de um simulador para espectrometria por fluorescência de raios X usando computação distribuída

A Física das Radiações é um ramo da Física que está presente em diversas áreas de estudo e se relaciona ao conceito de espectrometria. Dentre as inúmeras técnicas espectrométricas existentes, destaca-se a espectrometria por fluorescência de raios X. Esta também possui uma gama de variações da qual pode-se dar ênfase a um determinado subconjunto de técnicas. A produção de fluorescência de raios X permite (em certos casos) a análise das propriedades físico-químicas de uma amostra específica, possibilitando a determinação de sua constituiçõa química e abrindo um leque de aplicações. Porém, o estudo experimental pode exigir uma grande carga de trabalho, tanto em termos do aparato físico quanto em relação conhecimento técnico. Assim, a técnica de simulação entra em cena como um caminho viável, entre a teoria e a experimentação. Através do método de Monte Carlo, que se utiliza da manipulação de números aleatórios, a simulação se mostra como uma espécie de alternativa ao trabalho experimental.Ela desenvolve este papel por meio de um processo de modelagem, dentro de um ambiente seguro e livre de riscos. E ainda pode contar com a computação de alto desempenho, de forma a otimizar todo o trabalho por meio da arquitetura distribuída. O objetivo central deste trabalho é a elaboração de um simulador computacional para análise e estudo de sistemas de fluorescência de raios X desenvolvido numa plataforma de computação distribuída de forma nativa com o intuito de gerar dados otimizados. Como resultados deste trabalho, mostra-se a viabilidade da construção do simulador através da linguagem CHARM++, uma linguagem baseada em C++ que incorpora rotinas para processamento distribuído, o valor da metodologia para a modelagem de sistemas e a aplicação desta na construção de um simulador para espectrometria por fluorescência de raios X. O simulador foi construído com a capacidade de reproduzir uma fonte de radiação eletromagnética, amostras complexas e um conjunto de detectores. A modelagem dos detectores incorpora a capacidade de geração de imagens baseadas nas contagens registradas. Para validação do simulador, comparou-se os resultados espectrométricos com os resultados gerados por outro simulador já validado: o MCNP.

Modelagem e avaliação comparativa dos métodos Luus-Jaakola e R2W aplicados na estimativa de parâmetros cinéticos de adsorção

As técnicas inversas têm sido usadas na determinação de parâmetros importantes envolvidos na concepção e desempenho de muitos processos industriais. A aplicação de métodos estocásticos tem aumentado nos últimos anos, demonstrando seu potencial no estudo e análise dos diferentes sistemas em aplicações de engenharia. As rotinas estocásticas são capazes de otimizar a solução em uma ampla gama de variáveis do domínio, sendo possível a determinação dos parâmetros de interesse simultaneamente. Neste trabalho foram adotados os métodos estocásticos Luus-Jaakola (LJ) e Random Restricted Window (R2W) na obtenção dos ótimos dos parâmetros cinéticos de adsorção no sistema de cromatografia em batelada, tendo por objetivo verificar qual método forneceria o melhor ajuste entre os resultados obtidos nas simulações computacionais e os dados experimentais. Este modelo foi resolvido empregando o método de Runge- Kutta de 4 ordem para a solução de equações diferenciais ordinárias.