Análise de guias de ondas pelos métodos vetorial magnético e dos elementos-finitos

Neste trabalho, é apresentada uma formulação apropriada à análise de guias de ondas eletromagnéticos, cobrindo do espectro de microondas até o da óptica. Nas regiões a partir do ultravioleta, os comprimentos de onda são equivalentes às dimensões atômicas e a formulação necessita de uma abordagem quântica, que não é considerada neste estudo. A formulação é fundamentada nos métodos vetorial magnético e dos elementos finitos (MEF), em meios não homogêneos, anisotrópicos e não dissipativos, embora a dissipação possa ser facilmente introduzida na análise. Deu-se preferência à formulação com o campo magnético em vez do elétrico, pelo fato do campo magnético ignorar descontinuidades elétricas. Ele é contínuo em regiões de permeabilidade homogênea, propriedade dos meios dielétricos em geral ( = 0), independente da permissividade dos respectivos meios, conquanto os campos elétricos sejam descontínuos entre regiões de permissividades diferentes.

I. The crystal structure of trimesic acid. II. Topics in crystallographic calculations

I. Trimesic acid (1, 3, 5-benzenetricarboxylic acid) crystallizes with a monoclinic unit cell of dimensions a = 26.52 A, b = 16.42 A, c = 26.55 A, and β = 91.53° with 48 molecules /unit cell. Extinctions indicated a space group of Cc or C2/c; a satisfactory structure was obtained in the latter with 6 molecules/asymmetric unit - C₅₄O₃₆H₃₆ with a formula weight of 1261 g. Of approximately 12,000 independent reflections within the CuK_α sphere, intensities of 11,563 were recorded visually from equi-inclination Weissenberg photographs.

The structure was solved by packing considerations aided by molecular transforms and two- and three-dimensional Patterson functions. Hydrogen positions were found on difference maps. A total of 978 parameters were refined by least squares; these included hydrogen parameters and anisotropic temperature factors for the C and O atoms. The final R factor was 0.0675; the final "goodness of fit" was 1.49. All calculations were carried out on the Caltech IBM 7040-7094 computer using the CRYRM Crystallographic Computing System.

The six independent molecules fall into two groups of three nearly parallel molecules. All molecules are connected by carboxylto- carboxyl hydrogen bond pairs to form a continuous array of sixmolecule rings with a chicken-wire appearance. These arrays bend to assume two orientations, forming pleated sheets. Arrays in different orientations interpenetrate - three molecules in one orientation passing through the holes of three parallel arrays in the alternate orientation - to produce a completely interlocking network. One third of the carboxyl hydrogen atoms were found to be disordered.

II. Optical transforms as related to x-ray diffraction patterns are discussed with reference to the theory of Fraunhofer diffraction.

The use of a systems approach in crystallographic computing is discussed with special emphasis on the way in which this has been done at the California Institute of Technology.

An efficient manner of calculating Fourier and Patterson maps on a digital computer is presented. Expressions for the calculation of to-scale maps for standard sections and for general-plane sections are developed; space-group-specific expressions in a form suitable for computers are given for all space groups except the hexagonal ones.

Expressions for the calculation of settings for an Eulerian-cradle diffractometer are developed for both the general triclinic case and the orthogonal case.

Photographic materials on pp. 4, 6, 10, and 20 are essential and will not reproduce clearly on Xerox copies. Photographic copies should be ordered.

Effect of Microstructural Interfaces on the Mechanical Response of Crystalline Metallic Materials

Advances in nano-scale mechanical testing have brought about progress in the understanding of physical phenomena in materials and a measure of control in the fabrication of novel materials. In contrast to bulk materials that display size-invariant mechanical properties, sub-micron metallic samples show a critical dependence on sample size. The strength of nano-scale single crystalline metals is well-described by a power-law function, σαD^-n, where D is a critical sample size and n is a experimentally-fit positive exponent. This relationship is attributed to source-driven plasticity and demonstrates a strengthening as the decreasing sample size begins to limit the size and number of dislocation sources. A full understanding of this size-dependence is complicated by the presence of microstructural features such as interfaces that can compete with the dominant dislocation-based deformation mechanisms. In this thesis, the effects of microstructural features such as grain boundaries and anisotropic crystallinity on nano-scale metals are investigated through uniaxial compression testing. We find that nano-sized Cu covered by a hard coating displays a Bauschinger effect and the emergence of this behavior can be explained through a simple dislocation-based analytic model. Al nano-pillars containing a single vertically-oriented coincident site lattice grain boundary are found to show similar deformation to single-crystalline nano-pillars with slip traces passing through the grain boundary. With increasing tilt angle of the grain boundary from the pillar axis, we observe a transition from dislocation-dominated deformation to grain boundary sliding. Crystallites are observed to shear along the grain boundary and molecular dynamics simulations reveal a mechanism of atomic migration that accommodates boundary sliding. We conclude with an analysis of the effects of inherent crystal anisotropy and alloying on the mechanical behavior of the Mg alloy, AZ31. Through comparison to pure Mg, we show that the size effect dominates the strength of samples below 10 μm, that differences in the size effect between hexagonal slip systems is due to the inherent crystal anisotropy, suggesting that the fundamental mechanism of the size effect in these slip systems is the same.

The Atmospheric Dynamics of Pulsar Companions

Pulsars emit radiation over an extremely wide frequency range, from radio through gamma. Recently, systems in which this radiation significantly alters the atmospheres of low-mass pulsar companions have been discovered. These systems, ranging from ones with highly anisotropic heating to those with transient X-ray emissions, represent an exciting opportunity to investigate pulsars through the changes they induce in their companions. In this work, we present both analytic and numerical work investigating these phenomena, with a particular focus on atmospheric heat transport, transient phenomena, and the possibility of deep heating via gamma rays. We find that certain classes of binary systems may explain decadal-timescale X-ray transient phenomena, as well as the formation of so-called redback companion systems. We also posit an explanation for the formation of high-eccentricity millisecond pulsars with white dwarf companions. In addition, we examine the temperature anisotropy induced by the Pulsar in its companion, and demonstrate that this may be used to infer properties of both the companion and the Pulsar wind. Finally, we explore the possibility of spontaneously generated banded winds in rapidly rotating convecting objects.

A model for energy and morphology of crystalline grain boundaries with arbitrary geometric character

It has been well-established that interfaces in crystalline materials are key players in the mechanics of a variety of mesoscopic processes such as solidification, recrystallization, grain boundary migration, and severe plastic deformation. In particular, interfaces with complex morphologies have been observed to play a crucial role in many micromechanical phenomena such as grain boundary migration, stability, and twinning. Interfaces are a unique type of material defect in that they demonstrate a breadth of behavior and characteristics eluding simplified descriptions. Indeed, modeling the complex and diverse behavior of interfaces is still an active area of research, and to the author's knowledge there are as yet no predictive models for the energy and morphology of interfaces with arbitrary character. The aim of this thesis is to develop a novel model for interface energy and morphology that i) provides accurate results (especially regarding "energy cusp" locations) for interfaces with arbitrary character, ii) depends on a small set of material parameters, and iii) is fast enough to incorporate into large scale simulations.

In the first half of the work, a model for planar, immiscible grain boundary is formulated. By building on the assumption that anisotropic grain boundary energetics are dominated by geometry and crystallography, a construction on lattice density functions (referred to as "covariance") is introduced that provides a geometric measure of the order of an interface. Covariance forms the basis for a fully general model of the energy of a planar interface, and it is demonstrated by comparison with a wide selection of molecular dynamics energy data for FCC and BCC tilt and twist boundaries that the model accurately reproduces the energy landscape using only three material parameters. It is observed that the planar constraint on the model is, in some cases, over-restrictive; this motivates an extension of the model.

In the second half of the work, the theory of faceting in interfaces is developed and applied to the planar interface model for grain boundaries. Building on previous work in mathematics and materials science, an algorithm is formulated that returns the minimal possible energy attainable by relaxation and the corresponding relaxed morphology for a given planar energy model. It is shown that the relaxation significantly improves the energy results of the planar covariance model for FCC and BCC tilt and twist boundaries. The ability of the model to accurately predict faceting patterns is demonstrated by comparison to molecular dynamics energy data and experimental morphological observation for asymmetric tilt grain boundaries. It is also demonstrated that by varying the temperature in the planar covariance model, it is possible to reproduce a priori the experimentally observed effects of temperature on facet formation.

Finally, the range and scope of the covariance and relaxation models, having been demonstrated by means of extensive MD and experimental comparison, future applications and implementations of the model are explored.

Um método SN híbrido direto para cálculos de sistemas combustível-moderador em geometria unidimensional

Desenvolvemos nesta dissertação um método híbrido direto para o cálculo do fator de desvantagem e descrição da distribuição do fluxo de nêutrons em sistemas combustível-moderador. Na modelagem matemática, utilizamos a equação de transporte de Boltzmann independente do tempo, considerando espalhamento linearmente anisotrópico no modelo monoenergético e espalhamento isotrópico no modelo multigrupo, na formulação de ordenadas discretas (SN), em geometria unidimensional. Desenvolvemos nesta dissertação um método híbrido direto para o cálculo do fator de desvantagem e descrição da distribuição do fluxo de nêutrons em sistemas combustível-moderador. Na modelagem matemática, utilizamos a equação de transporte de Boltzmann independente do tempo, considerando espalhamento linearmente anisotrópico no modelo monoenergético e espalhamento isotrópico no modelo multigrupo, na formulação de ordenadas discretas (SN), em geometria unidimensional. Descrevemos uma análise espectral das equações de ordenadas discretas (SN)a um grupo e a dois grupos de energia, onde seguimos uma analogia com o método de Case. Utilizamos, neste método, quadraturas angulares diferentes no combustível (NC) e no moderador (NM), onde em geral assumimos que NC > NM . Condições de continuidade especiais que acoplam os fluxos angulares que emergem do combustível (moderador) e incidem no moderador (combustível), foram utilizadas com base na equivalência entre as equações SN e PN-1, o que caracteriza a propriedade híbrida do modelo proposto. Sendo um método híbrido direto, utilizamos as NC + NM equações lineares e algébricas constituídas pelas (NC + NM)/2 condições de contorno reflexivas e (NC + NM)/2 condições de continuidade para determinarmos as NC + NM constantes. Com essas constantes podemos calcular os valores dos fluxos angulares e dos fluxos escalares em qualquer ponto do domínio. Apresentamos resultados numéricos para ilustrar a eficiência e a precisão do método proposto.

记录结构对体光栅各向异性衍射选择特性研究

以静态体光栅各向异性衍射理论分析模型为基础，将与体光栅厚度有关的记录光强调制度引入到各向异性耦合波方程中．利用耦合波理论分析了光折变晶体中体光栅的各向异性衍射性能，研究了在不同初始记录光强比的条件下，记录光入射角的改变对光折变体光栅各向异性布喇格衍射性能的影响。结果表明：记录光入射角和记录光初始光强比均对体光栅的各向异性衍射具有选择性；与此相比，记录光入射角和记录光初始光强比对于体光栅各向同性衍射不具备选择性。

Diffraction of an ultrashort pulsed beam with arbitrary polarization state from a volume holographic grating in LiNbO3 crystals

Based on a modified coupled wave theory of Kogelnik, we have studied the diffraction of an ultrashort pulsed beam with an arbitrary polarization state from a volume holographic grating in photorefractive LiNbO3 crystals. The results indicate that the diffracted intensity distributions in the spectral and temporal domains and the diffraction efficiency of the grating are both changed by the polarization state and spectral bandwidth of the input pulsed beam. A method is given of choosing the grating parameters and input conditions to obtain a large variation range of the spectral bandwidth of the diffracted pulsed beam with an appropriate diffraction efficiency. Our study presents a possibility of using a volume holographic grating recorded in anisotropic materials to shape a broadband ultrashort pulsed beam by modulating its polarization state.

I. The crystal structure of potassium bis(tricyanovinyl)amine. II. Nuclear magnetic resonance studies of alkali halide solutions. III. Elucidation of the intramolecular hydrogen bond in acetylacetone by the deuterium isotope effect on the chemical shift of the bridge hydrogen

Part I

Potassium bis-(tricyanovinyl) amine, K⁺N[C(CN)=C(CN)₂]₂^-, crystallizes in the monoclinic system with the space group Cc and lattice constants, a = 13.346 ± 0.003 Å, c = 8.992 ± 0.003 Å, B = 114.42 ± 0.02°, and Z = 4. Three dimensional intensity data were collected by layers perpendicular to b* and c* axes. The crystal structure was refined by the least squares method with anisotropic temperature factor to an R value of 0.064.

The average carbon-carbon and carbon-nitrogen bond distances in –C-CΞN are 1.441 ± 0.016 Å and 1.146 ± 0.014 Å respectively. The bis-(tricyanovinyl) amine anion is approximately planar. The coordination number of the potassium ion is eight with bond distances from 2.890 Å to 3.408 Å. The bond angle C-N-C of the amine nitrogen is 132.4 ± 1.9°. Among six cyano groups in the molecule, two of them are bent by what appear to be significant amounts (5.0° and 7.2°). The remaining four are linear within the experimental error. The bending can probably be explained by molecular packing forces in the crystals.

Part II

The nuclear magnetic resonance of ⁸¹Br and ¹²⁷I in aqueous solutions were studied. The cation-halide ion interactions were studied by studying the effect of the Li⁺, Na⁺, K⁺, Mg⁺⁺, Cs⁺ upon the line width of the halide ions. The solvent-halide ion interactions were studied by studying the effects of methanol, acetonitrile, and acetone upon the line width of ⁸¹Br and ¹²⁷I in the aqueous solutions. It was found that the viscosity plays a very important role upon the halide ions line width. There is no specific cation-halide ion interaction for those ions such as Mg⁺⁺, Di⁺, Na⁺, and K⁺, whereas the Cs⁺ - halide ion interaction is strong. The effect of organic solvents upon the halide ion line width in aqueous solutions is in the order acetone ˃ acetonitrile ˃ methanol. It is suggested that halide ions do form some stable complex with the solvent molecules and the reason Cs⁺ can replace one of the ligands in the solvent-halide ion complex.

Part III

An unusually large isotope effect on the bridge hydrogen chemical shift of the enol form of pentanedione-2, 4(acetylacetone) and 3-methylpentanedione-2, 4 has been observed. An attempt has been made to interpret this effect. It is suggested from the deuterium isotope effect studies, temperature dependence of the bridge hydrogen chemical shift studies, IR studies in the OH, OD, and C=O stretch regions, and the HMO calculations, that there may probably be two structures for the enol form of acetylacetone. The difference between these two structures arises mainly from the electronic structure of the π-system. The relative population of these two structures at various temperatures for normal acetylacetone and at room temperature for the deuterated acetylacetone were calculated.

Photoproduction of charged pion pairs from hydrogen at photon energies between 800 and 1500 MeV

The reaction γ + p p + π⁺ + π^- has been studied for photon energies between 800 and 1500 MeV and for dipion masses between 510 and 900 MeV. The bremsstrahlung beam from the Caltech synchrotron was passed through a liquid hydrogen target and spark chambers were used to detect the three final particles. In addition, the proton energy was determined by a range measurement. Approximately 40,000 photographs were taken, yielding 3018 acceptable events. The results were fit to an incoherent combination of the N*(1238) resonance, the p^o (750) resonance, and three-body phase space, with various models being tried for p^o production. The total cross section for p^o production is consistent with previous experiments. However, the angular dependence of the cross section is slightly more peaked in the forward direction, and the ratio of p^o production to phase space production is larger than previously observed.

However, since this experiment was only sensitive to the production angles cos θ cm ≥ .75, statistical fluctuations and/or an anisotropic distribution of background production have a severe influence on the p^o to background ratio. Of the p^o models tested, the results prefer p^o production by the one pion exchange mechanism with a very steep form factor dependence. The values of the mass and width of the p^o found here are consistent with previous experiments.

Optical properties of a square-lattice photonic crystal within the partial bandgap

Optical properties of a two-dimensional square-lattice photonic crystal are systematically investigated within the partial bandgap through anisotropic characteristics analysis and numerical simulation of field pattern. Using the plane-wave expansion method and Hellmann-Feynman theorem, the relationships between the incident and refracted angles for both phase and group velocities are calculated to analyze light propagation from air to photonic crystals. Three kinds of flat slab focusing are summarized and demonstrated by numerical simulations using the multiple scattering method. (c) 2007 Optical Society of America

Efeito magnetocalórico em sistemas ferrimagnéticos

Nesta tese, o efeito magnetocalórico é estudado teoricamente partindo de um hamiltoniano modelo que leva em conta uma rede magnética formada por diversas sub-redes magnéticas acopladas. No hamiltoniano são consideradas as interações de troca, Zeeman e magnetoelástica. Primeiramente, o hamiltoniano é apresentado em sua forma generalizada para R sub-redes magnéticas e a influência dos parâmetros do modelo na temperatura de Nèel e na temperatura de compensação é analisada no sistema com duas sub-redes magnéticas. Encontramos que, dependendo dos parâmetros de troca, arranjos ferrimagnético, antiferromagnético e ferromagnéticos podem ser obtidos. O efeito magnetocalórico foi sistematicamente estudado para diversos arranjos possíveis, posteriormente foi estudado em compostos reais do tipo R3Fe5O12 (RIG), sistema formado por três sub-redes magnéticas. Retornando ao sistema com duas sub-redes magnéticas foi analisada a influência da interação magnetoelástica no efeito magnetocalórico nos arranjos ferrimagnéticos obtidos previamente. Aplicando este modelo para uma estrutura cúbica do tipo perovskita, estudamos o efeito magnetocalórico nos compostos EuZrO3 e EuTiO3. Uma metodologia para a obtenção da magnetização de uma amostra policristalina foi apresentada e ainda estudamos o efeito magnetocalórico anisotrópico de natureza antiferromagnética.

Estudo do comportamento caótico e determinação de dimensão fractal em modelos pré-inflacionários não compactos

O caos determinístico é um dos aspectos mais interessantes no que diz respeito à teoria moderna dos sistemas dinâmicos, e está intrinsecamente associado a pequenas variações nas condições iniciais de um dado modelo. Neste trabalho, é feito um estudo acerca do comportamento caótico em dois casos específicos. Primeiramente, estudam-se modelos préinflacionários não-compactos de Friedmann-Robertson-Walker com campo escalar minimamente acoplado e, em seguida, modelos anisotrópicos de Bianchi IX. Em ambos os casos, o componente material é um fluido perfeito. Tais modelos possuem constante cosmológica e podem ser estudados através de uma descrição unificada, a partir de transformações de variáveis convenientes. Estes sistemas possuem estruturas similares no espaço de fases, denominadas centros-sela, que fazem com que as soluções estejam contidas em hipersuperfícies cuja topologia é cilíndrica. Estas estruturas dominam a relação entre colapso e escape para a inflação, que podem ser tratadas como bacias cuja fronteira pode ser fractal, e que podem ser associadas a uma estrutura denominada repulsor estranho. Utilizando o método de contagem de caixas, são calculadas as dimensões características das fronteiras nos modelos, o que envolve técnicas e algoritmos de computação numérica, e tal método permite estudar o escape caótico para a inflação.

Simulações de problemas inversos com aplicações em engenharia nuclear usando técnicas de transporte de partículas neutras monoenergéticas na formulação unidimensional de ordenadas discretas

Neste trabalho, três técnicas para resolver numericamente problemas inversos de transporte de partículas neutras a uma velocidade para aplicações em engenharia nuclear são desenvolvidas. É fato conhecido que problemas diretos estacionários e monoenergéticos de transporte são caracterizados por estimar o fluxo de partículas como uma função-distribuição das variáveis independentes de espaço e de direção de movimento, quando os parâmetros materiais (seções de choque macroscópicas), a geometria, e o fluxo incidente nos contornos do domínio (condições de contorno), bem como a distribuição de fonte interior são conhecidos. Por outro lado, problemas inversos, neste trabalho, buscam estimativas para o fluxo incidente no contorno, ou a fonte interior, ou frações vazio em barras homogêneas. O modelo matemático usado tanto para os problemas diretos como para os problemas inversos é a equação de transporte independente do tempo, a uma velocidade, em geometria unidimensional e com o espalhamento linearmente anisotrópico na formulação de ordenadas discretas (SN). Nos problemas inversos de valor de contorno, dado o fluxo emergente em um extremo da barra, medido por um detector de nêutrons, por exemplo, buscamos uma estimativa precisa para o fluxo incidente no extremo oposto. Por outro lado, nos problemas inversos SN de fonte interior, buscamos uma estimativa precisa para a fonte armazenada no interior do domínio para fins de blindagem, sendo dado o fluxo emergente no contorno da barra. Além disso, nos problemas inversos SN de fração de vazio, dado o fluxo emergente em uma fronteira da barra devido ao fluxo incidente prescrito no extremo oposto, procuramos por uma estimativa precisa da fração de vazio no interior da barra, no contexto de ensaios não-destrutivos para aplicações na indústria. O código computacional desenvolvido neste trabalho apresenta o método espectronodal de malha grossa spectral Greens function (SGF) para os problemas diretos SN em geometria unidimensional para gerar soluções numéricas precisas para os três problemas inversos SN descritos acima. Para os problemas inversos SN de valor de contorno e de fonte interior, usamos a propriedade da proporcionalidade da fuga de partículas; ademais, para os problemas inversos SN de fração de vazio, oferecemos a técnica a qual nos referimos como o método físico da bissecção. Apresentamos resultados numéricos para ilustrar a precisão das três técnicas, conforme descrito nesta tese.

Implementação de um algoritmo numérico para solução da equação de Christoffel generalizada em acustoelasticidade.

Extensos estudos realizados nas últimas décadas sobre a propagação de ondas ultrassônicas em sólidos levaram ao desenvolvimento de técnicas não destrutivas para a avaliação da segurança e integridade de estruturas e componentes industriais. O interesse na aplicação de técnicas ultrassônicas para medição de tensões aplicadas e residuais decorre da mudança mensurável da velocidade das ondas ultrassônicas na presença de um campo de tensões, fenômeno conhecido como efeito acustoelástico. Uma teoria de acustoelasticidade fornece um meio atrativo e não destrutivo de medir a tensão média ao longo do caminho percorrido pela onda. O estudo da propagação das ondas ultrassônicas em meios homogêneos anisotrópicos sob tensão conduz a um problema não linear de autovalores dado pela equação de Christoffel generalizada. A característica não linear deste problema decorre da interdependência entre as constantes elásticas efetivas do material e as tensões atuantes. A medição experimental de tensões por técnicas ultrassônicas é um problema inverso da acustoelasticidade. Esta dissertação apresenta a implementação de um algoritmo numérico, baseado no método proposto por Degtyar e Rokhlin, para solução do problema inverso da acustoelasticidade em sólidos ortotrópicos sujeitos a um estado plano de tensões. A solução da equação de Christoffel generalizada apresenta dificuldades de natureza numérica e prática. A estabilidade e a precisão do algoritmo desenvolvido, bem como a influência das incertezas na medição experimental das velocidades das ondas ultrassônicas, foram então investigadas. Dados sintéticos para as velocidades das ondas ultrassônicas de incidência oblíqua em uma placa sujeita a um estado plano de tensões foram gerados pela solução direta da equação de Christoffel generalizada para ilustrar a aplicação do algoritmo desenvolvido. O objetivo maior desta dissertação é a disponibilização de uma nova ferramenta de cálculo para suporte às atividades experimentais de medição de tensões por ultrassom no país.