Optimization of Schwinger pair production in colliding laser pulses

Recent studies of Schwinger pair production have demonstrated that the asymptotic particle spectrum is extremely sensitive to the applied field profile. We extend the idea of the dynamically assisted Schwinger effect from single pulse profiles to more realistic field configurations to be generated in an all-optical experiment searching for pair creation. We use the quantum kinetic approach to study the particle production and employ a multi-start method, combined with optimal control theory, to determine a set of parameters for which the particle yield in the forward direction in momentum space is maximized. We argue that this strategy can be used to enhance the signal of pair production on a given detector in an experimental setup.

The inverse problem for Schwinger pair production

The production of electron–positron pairs in time-dependent electric fields (Schwinger mechanism) depends non-linearly on the applied field profile. Accordingly, the resulting momentum spectrum is extremely sensitive to small variations of the field parameters. Owing to this non-linear dependence it is so far unpredictable how to choose a field configuration such that a predetermined momentum distribution is generated. We show that quantum kinetic theory along with optimal control theory can be used to approximately solve this inverse problem for Schwinger pair production. We exemplify this by studying the superposition of a small number of harmonic components resulting in predetermined signatures in the asymptotic momentum spectrum. In the long run, our results could facilitate the observation of this yet unobserved pair production mechanism in quantum electrodynamics by providing suggestions for tailored field configurations.

The use of arc-erosion as a patterning technique for transparent conductive materials

Within the framework of cost-effective patterning processes a novel technique that saves photolithographic processing steps, easily scalable to wide area production, is proposed. It consists of a tip-probe, which is biased with respect to a conductive substrate and slides on it, keeping contact with the material. The sliding tip leaves an insulating path (which currently is as narrow as 30 μm) across the material, which enables the drawing of tracks and pads electrically insulated from the surroundings. This ablation method, called arc-erosion, requires an experimental set up that had to be customized for this purpose and is described. Upon instrumental monitoring, a brief proposal of the physics below this process is also presented. As a result an optimal control of the patterning process has been acquired. The system has been used on different substrates, including indium tin oxide either on glass or on polyethylene terephtalate, as well as alloys like Au/Cr, and Al. The influence of conditions such as tip speed and applied voltage is discussed

Some applications of distributed signal processing

In this work we review some earlier distributed algorithms developed by the authors and collaborators, which are based on two different approaches, namely, distributed moment estimation and distributed stochastic approximations. We show applications of these algorithms on image compression, linear classification and stochastic optimal control. In all cases, the benefit of cooperation is clear: even when the nodes have access to small portions of the data, by exchanging their estimates, they achieve the same performance as that of a centralized architecture, which would gather all the data from all the nodes.

Atenuação de vibrações em pás de helicópteros utilizando circuito piezelétrico semi-passivo

O uso de materiais inteligentes em problemas de controle de vibração tem sido investigado em diversas pesquisas ao longo dos últimos anos. Apesar de que diferentes materiais inteligentes estão disponíveis, o piezelétrico tem recebido grande atenção devido à facilidade de uso como sensores, atuadores, ou ambos simultaneamente. As principais técnicas de controle usando materiais piezoelétricos são os ativos e passivos. Circuitos piezelétricos passivos são ajustados para uma frequência específica e, portanto, a largura de banda efetiva é pequena. Embora os sistemas ativos possam apresentar um bom desempenho no controle de vibração, a quantidade de energia externa e hardware adicionado são questões importantes. As técnicas SSD (Synchronized Switch Damping) foram desenvolvidas como uma alternativa aos controladores passivos e controladores ativos de vibração. Elas podem ser técnicas semi-ativas ou semi-passivas que introduzem um tratamento não linear na tensão elétrica proveniente do material piezelétrico e induz um aumento na conversão de energia mecânica para energia elétrica e, consequentemente, um aumento no efeito de amortecimento. Neste trabalho, o controle piezoelétrico semi-passivo de uma pá piezelétrica engastada é apresentado e comparado com outros controladores. O modelo não linear electromecânico de uma pá com piezocerâmicas incorporados é determinado com base no método variacional-assintótico (VAM). O sistema rotativo acoplado não linear é resolvido no domínio do tempo, utilizando um método de integração alfa-generalizado afim de garantir a estabilidade numérica. As simulações são realizadas para uma vasta gama de velocidades de rotação. Em primeiro lugar, um conjunto de resistências (variando desde a condição de curto-circuito para a condição de circuito aberto) é considerada. O efeito da resistência ótima (que resulta em máximo amortecimento) sobre o comportamento do sistema é investigado para o aumento da velocidade de rotação. Mais tarde, a técnica SSDS é utilizada para amortecer as oscilações da pá com o aumento da velocidade de rotação. Os resultados mostram que a técnica SSDS pode ser um método útil para o controle de vibrações de vigas rotativas não lineares, tais como pás de helicóptero.

Controle subótimo de manipuladores subatuados via redundância de atuação

Este trabalho apresenta uma metodologia de controle de posição das juntas passivas de um manipulador subatuado de uma maneira subótima. O termo subatuado se refere ao fato de que nem todas as juntas ou graus de liberdade do sistema serem equipados com atuadores, o que ocorre na prática devido a falhas ou como resultado de projeto. As juntas passivas de manipuladores desse tipo são indiretamente controladas pelo movimento das juntas ativas usando as características de acoplamento da dinâmica de manipuladores. A utilização de redundância de atuação das juntas ativas permite a minimização de alguns critérios, como consumo de energia, por exemplo. Apesar da estrutura cinemática de manipuladores subatuados ser idêntica a do totalmente atuado, em geral suas características dinâmicas diferem devido a presença de juntas passivas. Assim, apresentamos a modelagem dinâmica de um manipulador subatuado e o conceito de índice de acoplamento. Este índice é utilizado na seqüência de controle ótimo do manipulador. A hipótese de que o número de juntas ativas seja maior que o número de passivas permite o controle ótimo das juntas passivas, uma vez que na etapa de controle destas há mais entradas (torques nos atuadores das juntas ativas), que elementos a controlar (posição das juntas passivas). Neste ponto reside a contribuição desta tese ao estado da arte, uma vez que não há até o momento publicação que proponha o controle ótimo das juntas passivas neste caso.

Uma formulação por média-variância multi-período para o erro de rastreamento em carteiras de investimento.

Neste trabalho, deriva-se uma política de escolha ótima baseada na análise de média-variância para o Erro de Rastreamento no cenário Multi-período - ERM -. Referindo-se ao ERM como a diferença entre o capital acumulado pela carteira escolhida e o acumulado pela carteira de um benchmark. Assim, foi aplicada a metodologia abordada por Li-Ng em [24] para a solução analítica, obtendo-se dessa maneira uma generalização do caso uniperíodo introduzido por Roll em [38]. Em seguida, selecionou-se um portfólio do mercado de ações brasileiro baseado no fator de orrelação, e adotou-se como benchmark o índice da bolsa de valores do estado de São Paulo IBOVESPA, além da taxa básica de juros SELIC como ativo de renda fixa. Dois casos foram abordados: carteira composta somente de ativos de risco, caso I, e carteira com um ativo sem risco indexado à SELIC - e ativos do caso I (caso II).

Closed-Loop Deep Brain Stimulation: Bidirectional Neuroprosthetics for Tremor and BCI

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-06

Assessing longwall support-roof interaction from shield leg pressure data

A concept has been developed where characteristic load cycles of longwall shields can describe most of the interaction between a longwall support and the roof. A characteristic load cycle is the change in support pressure with time from setting the support against the roof to the next release and movement of the support. The concept has been validated through the back-analysis of more than 500 000 individual load cycles in five longwall panels at four mines and seven geotechnical domains. The validation process depended upon the development of new software capable of both handling the large quantity of data emanating from a modern longwall and accurately delineating load cycles. Existing software was found not to be capable of delineating load cycles to a sufficient accuracy. Load-cycle analysis can now be used quantitatively to assess the adequacy of support capacity and the appropriateness of set pressure for the conditions under which a longwall is being operated. When linked to a description of geotechnical conditions, this has allowed the development of a database for support selection for greenfield sites. For existing sites, the load-cycle characteristic concept allows for a diagnosis of strata-support problem areas, enabling changes to be made to set pressure and mining strategies to manage better, or avoid, strata control problems. With further development of the software, there is the prospect of developing a system that is able to respond to changes in strata-support interaction in real time.

Degrees of freedom and motor planning in purposive movement

This paper presents empirical evidence suggesting that healthy humans can perform a two degree of freedom visuo-motor pursuit tracking task with the same response time delay as a one degree of freedom task. In contrast, the time delay of the response is influenced markedly by the nature of the motor synergy required to produce it. We suggest a conceptual account of this evidence based on adaptive model theory, which combines theories of intermittency from psychology and adaptive optimal control from engineering. The intermittent response planning stage has a fixed period. It possesses multiple optimal trajectory generators such that multiple degrees of freedom can be planned concurrently, without requiring an increase in the planning period. In tasks which require unfamiliar motor synergies, or are deemed to be incompatible, internal adaptive models representing movement dynamics are inaccurate. This means that the actual response which is produced will deviate from the one which is planned. For a given target-response discrepancy, corrective response trajectories of longer duration are planned, consistent with the principle of speed-accuracy trade-off. Compared to familiar or compatible tasks, this results in a longer response time delay and reduced accuracy. From the standpoint of the intermittency approach, the findings of this study help make possible a more integral and predictive account of purposive action. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

Effect of knee joint angle on motor unit synchronization

Activity of the vasti has been argued to vary through knee range of movement due to changes in passive support of the patellofemoral joint and the relative contribution of these muscles to knee extension. Efficient function of the knee is dependent on optimal control of the patellofemoral joint, largely through coordinated activity of the medial and lateral quadriceps. Motor unit synchronization may provide a mechanism to coordinate the activity of vastus medialis (VMO) and vastus lateralis (VL), and may be more critical in positions of reduced passive support for the patellofemoral joint (i.e., full extension). Therefore, the aim of this study was to determine whether the degree of motor unit synchronization between the vasti muscles is dependent on joint angle. Electromyographic (EMG) recordings of single motor unit action potentials (MUAPs) were made from VMO and multiunit recordings from VL during isometric contractions of the quadriceps at 0 degrees, 30 degrees, and 60 degrees of knee flexion. The degree of synchronization between motor unit firing was evaluated by identification of peaks in the rectified EMG averages of VL, triggered from MUA-Ps in VMO. The proportion of cases in which there was a significant peak in the triggered averages was calculated. There was no significant difference in the degree of synchronization between the vasti at different knee angles (p = 0.57). These data suggest that this basic coordinative mechanism between the vasti muscles is controlled consistently throughout knee range of motion, and is not augmented at specific angles where the requirement for dynamic control of stability is increased. (D 2006 Orthopaedic Research Society. Published by Wiley Periodicals, Inc.

Fixed wages and bonuses in agency contracts: the case of a continuous state space

In this paper, we extend the state-contingent production approach to principal–agent problems to the case where the state space is an atomless continuum. The approach is modelled on the treatment of optimal tax problems. The central observation is that, under reasonable conditions, the optimal contract may involve a fixed wage with a bonus for above-normal performance. This is analogous to the phenomenon of "bunching" at the bottom in the optimal tax literature.

Sviluppo e Applicazione di Metodologie per l'Ottimizzazione di Sistemi Energetici

La riduzione dei consumi di combustibili fossili e lo sviluppo di tecnologie per il risparmio energetico sono una questione di centrale importanza sia per l’industria che per la ricerca, a causa dei drastici effetti che le emissioni di inquinanti antropogenici stanno avendo sull’ambiente. Mentre un crescente numero di normative e regolamenti vengono emessi per far fronte a questi problemi, la necessità di sviluppare tecnologie a basse emissioni sta guidando la ricerca in numerosi settori industriali. Nonostante la realizzazione di fonti energetiche rinnovabili sia vista come la soluzione più promettente nel lungo periodo, un’efficace e completa integrazione di tali tecnologie risulta ad oggi impraticabile, a causa sia di vincoli tecnici che della vastità della quota di energia prodotta, attualmente soddisfatta da fonti fossili, che le tecnologie alternative dovrebbero andare a coprire. L’ottimizzazione della produzione e della gestione energetica d’altra parte, associata allo sviluppo di tecnologie per la riduzione dei consumi energetici, rappresenta una soluzione adeguata al problema, che può al contempo essere integrata all’interno di orizzonti temporali più brevi. L’obiettivo della presente tesi è quello di investigare, sviluppare ed applicare un insieme di strumenti numerici per ottimizzare la progettazione e la gestione di processi energetici che possa essere usato per ottenere una riduzione dei consumi di combustibile ed un’ottimizzazione dell’efficienza energetica. La metodologia sviluppata si appoggia su un approccio basato sulla modellazione numerica dei sistemi, che sfrutta le capacità predittive, derivanti da una rappresentazione matematica dei processi, per sviluppare delle strategie di ottimizzazione degli stessi, a fronte di condizioni di impiego realistiche. Nello sviluppo di queste procedure, particolare enfasi viene data alla necessità di derivare delle corrette strategie di gestione, che tengano conto delle dinamiche degli impianti analizzati, per poter ottenere le migliori prestazioni durante l’effettiva fase operativa. Durante lo sviluppo della tesi il problema dell’ottimizzazione energetica è stato affrontato in riferimento a tre diverse applicazioni tecnologiche. Nella prima di queste è stato considerato un impianto multi-fonte per la soddisfazione della domanda energetica di un edificio ad uso commerciale. Poiché tale sistema utilizza una serie di molteplici tecnologie per la produzione dell’energia termica ed elettrica richiesta dalle utenze, è necessario identificare la corretta strategia di ripartizione dei carichi, in grado di garantire la massima efficienza energetica dell’impianto. Basandosi su un modello semplificato dell’impianto, il problema è stato risolto applicando un algoritmo di Programmazione Dinamica deterministico, e i risultati ottenuti sono stati comparati con quelli derivanti dall’adozione di una più semplice strategia a regole, provando in tal modo i vantaggi connessi all’adozione di una strategia di controllo ottimale. Nella seconda applicazione è stata investigata la progettazione di una soluzione ibrida per il recupero energetico da uno scavatore idraulico. Poiché diversi layout tecnologici per implementare questa soluzione possono essere concepiti e l’introduzione di componenti aggiuntivi necessita di un corretto dimensionamento, è necessario lo sviluppo di una metodologia che permetta di valutare le massime prestazioni ottenibili da ognuna di tali soluzioni alternative. Il confronto fra i diversi layout è stato perciò condotto sulla base delle prestazioni energetiche del macchinario durante un ciclo di scavo standardizzato, stimate grazie all’ausilio di un dettagliato modello dell’impianto. Poiché l’aggiunta di dispositivi per il recupero energetico introduce gradi di libertà addizionali nel sistema, è stato inoltre necessario determinare la strategia di controllo ottimale dei medesimi, al fine di poter valutare le massime prestazioni ottenibili da ciascun layout. Tale problema è stato di nuovo risolto grazie all’ausilio di un algoritmo di Programmazione Dinamica, che sfrutta un modello semplificato del sistema, ideato per lo scopo. Una volta che le prestazioni ottimali per ogni soluzione progettuale sono state determinate, è stato possibile effettuare un equo confronto fra le diverse alternative. Nella terza ed ultima applicazione è stato analizzato un impianto a ciclo Rankine organico (ORC) per il recupero di cascami termici dai gas di scarico di autovetture. Nonostante gli impianti ORC siano potenzialmente in grado di produrre rilevanti incrementi nel risparmio di combustibile di un veicolo, è necessario per il loro corretto funzionamento lo sviluppo di complesse strategie di controllo, che siano in grado di far fronte alla variabilità della fonte di calore per il processo; inoltre, contemporaneamente alla massimizzazione dei risparmi di combustibile, il sistema deve essere mantenuto in condizioni di funzionamento sicure. Per far fronte al problema, un robusto ed efficace modello dell’impianto è stato realizzato, basandosi sulla Moving Boundary Methodology, per la simulazione delle dinamiche di cambio di fase del fluido organico e la stima delle prestazioni dell’impianto. Tale modello è stato in seguito utilizzato per progettare un controllore predittivo (MPC) in grado di stimare i parametri di controllo ottimali per la gestione del sistema durante il funzionamento transitorio. Per la soluzione del corrispondente problema di ottimizzazione dinamica non lineare, un algoritmo basato sulla Particle Swarm Optimization è stato sviluppato. I risultati ottenuti con l’adozione di tale controllore sono stati confrontati con quelli ottenibili da un classico controllore proporzionale integrale (PI), mostrando nuovamente i vantaggi, da un punto di vista energetico, derivanti dall’adozione di una strategia di controllo ottima.

Mixture density networks

Minimization of a sum-of-squares or cross-entropy error function leads to network outputs which approximate the conditional averages of the target data, conditioned on the input vector. For classifications problems, with a suitably chosen target coding scheme, these averages represent the posterior probabilities of class membership, and so can be regarded as optimal. For problems involving the prediction of continuous variables, however, the conditional averages provide only a very limited description of the properties of the target variables. This is particularly true for problems in which the mapping to be learned is multi-valued, as often arises in the solution of inverse problems, since the average of several correct target values is not necessarily itself a correct value. In order to obtain a complete description of the data, for the purposes of predicting the outputs corresponding to new input vectors, we must model the conditional probability distribution of the target data, again conditioned on the input vector. In this paper we introduce a new class of network models obtained by combining a conventional neural network with a mixture density model. The complete system is called a Mixture Density Network, and can in principle represent arbitrary conditional probability distributions in the same way that a conventional neural network can represent arbitrary functions. We demonstrate the effectiveness of Mixture Density Networks using both a toy problem and a problem involving robot inverse kinematics.

The behaviour of polymer quenchants

The internationally accepted Wolfson Heat Treatment Centre Engineering Group test was used to evaluate the cooling characteristics of the most popular commercial polymer quenchants: polyalkylene glycols, polyvinylpyrrolidones and polyacrylates. Prototype solutions containing poly(ethyloxazoline) were also examined. Each class of polymer was capable of providing a wide range of cooling rates depending on the product formulation, concentration, temperature, agitation, ageing and contamination. Cooling rates for synthetic quenchants were generally intermediate between those of water and oil. Control techniques, drag-out losses and response to quenching in terms of hardness and residual stress for a plain carbon steel, were also considered. A laboratory scale method for providing a controllable level of forced convection was developed. Test reproducibility was improved by positioning the preheated Wolfson probe 25mm above the geometric centre of a 25mm diameter orifice through which the quenchant was pumped at a velocity of 0.5m/s. On examination, all polymer quenchants were found to operate by the same fundamental mechanism associated with their viscosity and ability to form an insulating polymer-rich-film. The nature of this film, which formed at the vapour/liquid interface during boiling, was dependent on the polymer's solubility characteristics. High molecular weight polymers and high concentration solutions produced thicker, more stable insulating films. Agitation produced thinner more uniform films. Higher molecular weight polymers were more susceptible to degradation, and increased cooling rates, with usage. Polyvinylpyrrolidones can be cross-linked resulting in erratic performance, whilst the anionic character of polyacrylates can lead to control problems. Volatile contaminants tend to decrease the rate of cooling and salts to increase it. Drag-out increases upon raising the molecular weight of the polymer and its solution viscosity. Kinematic viscosity measurements are more effective than refractometer readings for concentration control, although a quench test is the most satisfactory process control method.