Chemical and mineralogical characterization of micro-inclusions in diamonds

Secondary-ion mass spectrometry (SIMS), electron probe analysis (EPMA), analytical scanning electron microscopy (SEM) and infrared (IR) spectroscopy were used to determine the chemical composition and the mineralogy of sub-micrometer inclusions in cubic diamonds and in overgrowths (coats) on octahedral diamonds from Zaire, Botswana, and some unknown localities.

The inclusions are sub-micrometer in size. The typical diameter encountered during transmission electron microscope (TEM) examination was 0.1-0.5 µm. The micro-inclusions are sub-rounded and their shape is crystallographically controlled by the diamond. Normally they are not associated with cracks or dislocations and appear to be well isolated within the diamond matrix. The number density of inclusions is highly variable on any scale and may reach 10^(11) inclusions/cm^3 in the most densely populated zones. The total concentration of metal oxides in the diamonds varies between 20 and 1270 ppm (by weight).

SIMS analysis yields the average composition of about 100 inclusions contained in the sputtered volume. Comparison of analyses of different volumes of an individual diamond show roughly uniform composition (typically ±10% relative). The variation among the average compositions of different diamonds is somewhat greater (typically ±30%). Nevertheless, all diamonds exhibit similar characteristics, being rich in water, carbonate, SiO_2, and K_2O, and depleted in MgO. The composition of micro-inclusions in most diamonds vary within the following ranges: SiO_2, 30-53%; K_2O, 12-30%; CaO, 8-19%; FeO, 6-11%; Al_2O_3, 3-6%; MgO, 2-6%; TiO_2, 2-4%; Na_2O, 1-5%; P_2O_5, 1-4%; and Cl, 1-3%. In addition, BaO, 1-4%; SrO, 0.7-1.5%; La_2O_3, 0.1-0.3%; Ce_2O_3, 0.3-0.5%; smaller amounts of other rare-earth elements (REE), as well as Mn, Th, and U were also detected by instrumental neutron activation analysis (INAA). Mg/(Fe+Mg), 0.40-0.62 is low compared with other mantle derived phases; K/ AI ratios of 2-7 are very high, and the chondrite-normalized Ce/Eu ratios of 10-21 are also high, indicating extremely fractionated REE patterns.

SEM analyses indicate that individual inclusions within a single diamond are roughly of similar composition. The average composition of individual inclusions as measured with the SEM is similar to that measured by SIMS. Compositional variations revealed by the SEM are larger than those detected by SIMS and indicate a small variability in the composition of individual inclusions. No compositions of individual inclusions were determined that might correspond to mono-mineralic inclusions.

IR spectra of inclusion- bearing zones exhibit characteristic absorption due to: (1) pure diamonds, (2) nitrogen and hydrogen in the diamond matrix; and (3) mineral phases in the micro-inclusions. Nitrogen concentrations of 500-1100 ppm, typical of the micro-inclusion-bearing zones, are higher than the average nitrogen content of diamonds. Only type IaA centers were detected by IR. A yellow coloration may indicate small concentration of type IB centers.

The absorption due to the micro-inclusions in all diamonds produces similar spectra and indicates the presence of hydrated sheet silicates (most likely, Fe-rich clay minerals), carbonates (most likely calcite), and apatite. Small quantities of molecular CO_2 are also present in most diamonds. Water is probably associated with the silicates but the possibility of its presence as a fluid phase cannot be excluded. Characteristic lines of olivine, pyroxene and garnet were not detected and these phases cannot be significant components of the inclusions. Preliminary quantification of the IR data suggests that water and carbonate account for, on average, 20-40 wt% of the micro-inclusions.

The composition and mineralogy of the micro-inclusions are completely different from those of the more common, larger inclusions of the peridotitic or eclogitic assemblages. Their bulk composition resembles that of potassic magmas, such as kimberlites and lamproites, but is enriched in H_2O, CO_3, K_2O, and incompatible elements, and depleted in MgO.

It is suggested that the composition of the micro-inclusions represents a volatile-rich fluid or a melt trapped by the diamond during its growth. The high content of K, Na, P, and incompatible elements suggests that the trapped material found in the micro-inclusions may represent an effective metasomatizing agent. It may also be possible that fluids of similar composition are responsible for the extreme enrichment of incompatible elements documented in garnet and pyroxene inclusions in diamonds.

The origin of the fluid trapped in the micro-inclusions is still uncertain. It may have been formed by incipient melting of a highly metasomatized mantle rocks. More likely, it is the result of fractional crystallization of a potassic parental magma at depth. In either case, the micro-inclusions document the presence of highly potassic fluids or melts at depths corresponding to the diamond stability field in the upper mantle. The phases presently identified in the inclusions are believed to be the result of closed system reactions at lower pressures.

The ultrafast excitation processes in femtosecond laser-induced damage in dielectric omnidirectional reflectors

A pump and probe system is developed, where the probe pulse duration tau is less than 60 fs while the pump pulse is stretched up to 150-670 fs. The time-resolved excitation processes and damage mechanisms in the omnidirectional reflectors SiO2/TiO2 and ZnS/MgF2 are studied. It is found that as the pump pulse energy is higher than the threshold value, the reflectivity of the probe pulse decreases rapidly during the former half, rather than around the peak of the pump pulse. A coupled dynamic model based on the avalanche ionization (AI) theory is used to study the excitation processes in the sample and its inverse influences on the pump pulse. The results indicate that as pulse duration is longer than 150 fs, photoionization (PI) and AI both play important roles in the generation of conduction band electrons (CBEs); the CBE density generated via AI is higher than that via PI by a factor of 10(2)-10(4). The theory explains well the experimental results about the ultrafast excitation processes and the threshold fluences. (c) 2006 American Institute of Physics.

Low-noise THz Niobium SIS Mixers

This thesis describes the development of low-noise heterodyne receivers at THz frequencies for submillimeter astronomy using Nb-based superconductor-insulator-superconductor (SIS) tunneling junctions. The mixers utilize a quasi-optical configuration which consists of a planar twin-slot antenna and antisymmetrically-fed two-junctions on an antireflection-coated silicon hyperhemispherical lens. On-chip integrated tuning circuits, in the form of microstrip lines, are used to obtain maximum coupling efficiency in the designed frequency band. To reduce the rf losses in the integrated tuning circuits above the superconducting Nb gap frequency (~ 700 GHz), normal-metal Al is used to replace Nb as the tuning circuits.

To account the rf losses in the micros trip lines, we calculated the surface impedance of the AI films using the nonlocal anomalous skin effect for finite thickness films. Nb films were calculated using the Mattis-Bardeen theory in the extreme anomalous limit. Our calculations show that the losses of the Al and Nb microstrip lines are about equal at 830 GHz. For Al-wiring and Nb-wiring mixers both optimized at 1050 GHz, the RF coupling efficiency of Al-wiring mixer is higher than that of Nb-wiring one by almost 50%. We have designed both Nb-wiring and Al-wiring mixers below and above the gap frequency.

A Fourier transform spectrometer (FTS) has been constructed especially for the study of the frequency response of SIS receivers. This FTS features large aperture size (10 inch) and high frequency resolution (114 MHz). The FTS spectra, obtained using the SIS receivers as direct detectors on the FTS, agree quite well with our theoretical simulations. We have also, for the first time, measured the FTS heterodyne response of an SIS mixer at sufficiently high resolution to resolve the LO and the sidebands. Heterodyne measurements of our SIS receivers with Nb-wiring or Al-wiring have yielded results which arc among the best reported to date for broadband heterodyne receivers. The Nb-wiring mixers, covering 400 - 850 GHz band with four separate fixed-tuned mixers, have uncorrected DSB receiver noise temperature around 5hv/k_b to 700 GHz, and better than 540 K at 808 GHz. An Al-wiring mixer designed for 1050 GHz band has an uncorrected DSB receiver noise temperature 840 K at 1042 GHz and 2.5 K bath temperature. Mixer performance analysis shows that Nb junctions can work well up to twice the gap frequency and the major cause of loss above the gap frequency is the rf losses in the microstrip tuning structures. Further advances in THz SIS mixers may be possible using circuits fabricated with higher-gap superconductors such as NbN. However, this will require high-quality films with low RF surface resistance at THz frequencies.

A autotutela pelo inadimplemento nas relações contratuais

A presente tese tem por objetivo revisitar os instrumentos de autotutela e repensar os seus pressupostos de admissibilidade, limites e mecanismos de controle no ordenamento brasileiro, em particular nas situações de inadimplemento contratual. A necessidade de tal abordagem advém essencialmente de duas demandas aparentemente inconciliáveis da pós-modernidade: reforçar a autonomia privada, reduzindo a ingerência estatal, e, ao mesmo tempo, controlá-la, coibindo abusos. Para tanto, busca-se desatrelar a autotutela da noção primitiva de vingança privada, concebendo-se uma renovada perspectiva, constitucionalizada e controlada, inconfundível com a conduta criminalmente tipificada do exercício arbitrário das próprias razões. O reconhecimento de um fundamento constitucional para a autonomia negocial é determinante para conferir legitimidade também constitucional - à autotutela contratual, que é expressão daquela autonomia. Por conseguinte, rompe-se com o dogma da excepcionalidade dos instrumentos de autotutela, que passa a ser entendida como um poder merecedor de respaldo pelo ordenamento. A solução proposta preconiza a abertura aos contratantes de mais espaço para reger e defender os seus próprios interesses independentemente da chancela estatal, mas sem prejuízo de um posterior controle judicial para corrigir eventuais inadequações de conduta (na hipótese de contrariedade à boa-fé) ou abusos (no caso de desvio da função do remédio adotado). Uma vez assentadas tais premissas, empreende-se a análise da estrutura e função, bem como, e sobretudo, das potencialidades expansivas dos principais remédios de autotutela pelo inadimplemento, classificados segundo um critério funcional, a saber: (i) remédios com função conservativo-cautelar, que abrangem as exceções de contrato não cumprido e a retenção preventiva; (ii) remédios com função resolutiva, abrangendo a cláusula resolutiva expressa e outros possíveis instrumentos de resolução extrajudicial; e (iii) remédios com função satisfativa, compreendendo a retenção definitiva, o pacto marciano e algumas medidas de mitigação de perdas e danos pelo próprio credor, a exemplo das contratações substitutivas. O resultado alcançado demonstra a relevância da metodologia civil-constitucional tanto para justificar restrições à autonomia privada quanto, e em igual medida, para reforçá-la.

Avaliação tridimensional da via aérea superior de pacientes com apneia obstrutiva do sono que utilizaram aparelho de avanço mandibular

Os objetivos deste estudo foram avaliar o efeito do aparelho de avanço mandibular (Twin block - TB) no volume das vias aéreas superiores, por meio de tomografia computadorizada cone beam (CBCT); analisar, por meio da polissonografia, as mudanças no índice de apneia e hipopneia (IAH) e índice de apneia por hora de sono (IA), saturação de oxi-hemoglobina e eficiência do sono; e correlacionar o volume na CBCT e as polissonografias. Dezesseis pacientes portadores de apneia obstrutiva do sono, idade média de 47,06 anos, participaram deste estudo prospectivo, com acompanhamento médio de 7 meses. Foram feitas polissonografias iniciais (T1) e de acompanhamento (T2) com o TB em posição, e CBCT sem e com TB em posição. A segmentação e obtenção dos volumes das vias aéreas superiores foram realizadas e utilizados os testes t de Student pareado, de Wilcoxon e o índice de correlação de Spearman, com 5% de significância. Os resultados das polissonografias mostraram diferenças estatisticamente significativas entre T1 e T2 apenas para IAH (p<0,05). Houve aumento do volume da via aérea superior com TB quando comparado com o volume sem TB (p<0,05). Foi possível estabelecer-se correlação positiva entre volume da via aérea superior sem TB e IAH e IA em T1 (p<0,05), mas não houve correlação entre o volume da via aérea com TB e índices polissonográficos em T2. Pode-se concluir que, houve aumento de volume da via aérea superior com o TB e houve redução do IAH em T2 porém, sem correlação entre estes dados.

Avaliação da influência do material de confecção das matrizes no teste de conversão monomérica por espectrometria no infravermelho de um compósito

Este estudo teve por objetivo avaliar, in vitro, a influência do material de confecção das matrizes, traçando um perfil da conversão monomérica de um compósito micro-híbrido, além de avaliar qual dos materiais testados mais se assemelha a uma matriz de dentina. A avaliação foi feita através da análise do grau de conversão (GC). Foram confeccionadas 3 matrizes bipartidas, sendo estas de teflon negro, tefon branco e aço inoxidável, ambas com 10mm de diâmetro e 2 mm de profundidade. Para o grupo controle foi utilizado um incisivo central bovino, o qual teve sua face vestibular aplainada em uma lixadeira sob refrigeração constante, com o auxílio de uma lixa de carbeto de silício, número 800. Após, este dente foi preparado com uma broca diamantada número 2294 (KG Sorensen) em alta rotação, própria para a preparação de cavidades padronizadas para ensaios de laboratório, apresentando um limitador de penetração. Em seguida, com um motor de baixa rotação foi realizado o acabamento das paredes, obtendo-se uma cavidade de 2,0 mm de profundidade por 9,0 mm de diâmetro. Pela palatina desse dente, com uma broca carbide cilíndrica de numeração 2056 (KG Sorensen), fez-se uma penetração até se obter uma parede de dentina extremamente fina, porém sem que esta fosse rompida. Assim, com uma agulha, fez-se uma pequena perfuração no centro dessa dentina para que este instrumental servisse como um pino para remoção do corpo de prova de dentro da matriz de dente. Os corpos de prova (CP) foram obtidos a partir da inserção do compósito no interior da perfuração das matrizes em um único incremento e cobertos na superfície externa com uma matriz de poliéster mais uma lamínula de vidro. Os CP foram fotopolimerizados por 40 s pela fonte de luz halógena Optilux 501 (Demetron), com 500 mW/cm. Imediatamente após a polimerização, os corpos de prova eram submetidos no topo e na base para a análise de espectrometria no infravermelho para a determinação da profundidade de polimerização, pela técnica do filme vazado para o compósito não polimerizado e pela técnica da pastilha de brometo de potássio (KBr) para o compósito polimerizado. Foram confeccionados 5 CP de cada grupo. Em cada grupo, o compósito da base e do topo das amostras foi moído até se obter de 1,5 a 2,0 mg de pó e misturado com 70 mg de KBr, para obtenção da pastilha de KBr. Foi feita a análise de espectrofotometria no infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR). As absorções selecionadas para o cálculo foram 1610 cm-1 e 1637 cm-1, os picos dos espectros das ligações dos carbonos aromáticos e alifáticos, respectivamente. Os dados obtidos foram tratados estatisticamente. Os grupos Gr1B, Gr2B, Gr3B e Gr4B representam, respectivamente, as bases dos CP confeccionados pelas matrizes de DB, TN, TB e AI. Já os Gr1T, Gr2T, Gr3T e Gr4T representam os topos. Médias (%) e DP: Gr1T (46,461,99), Gr2T (39,864,51), Gr3T (44,053,44) e Gr4T (38,045,08). Gr1B (40,441,49), Gr2B (36,153,81), Gr3B (40,093,18) e Gr4B (35,593,35). Em posse dos resultados, pôde-se concluir que os grupos do teflon negro, teflon branco e aço inoxidável não apresentaram diferenças entre o grau de conversão do topo e da base, enquanto que o grupo da dentina apresentou maior conversão do topo. Comparando as matrizes entre elas, pôde-se perceber que no topo, o GC do dente bovino é maior que o GC do aço inoxidável e do que o de teflon negro, o GC do teflon branco é maior que o GC do aço inoxidável e do que o de teflon negro. Já o topo dos grupos de dente bovino e teflon banco foram semelhantes. Nas bases dos CPs, não houve diferença significativa entre os grupos testados. De acordo com os resultados obtidos no experimento, pôde-se concluir que nos grupos do teflon negro, teflon branco e aço inoxidável não houve diferença entre 0 e 2 mm, ou seja, topo e base, o que mostra que o material de confecção da matriz não influênciou o grau de conversão do compósito. Já para o grupo da matriz de dentina, o topo apresentou valor de conversão monomérica maior, mostrando que, neste caso, o material da matriz interferiu no grau de conversão. Pode-se perceber também que existe uma tendência da matriz de teflon branco se assemelhar mais a matriz de dentina, pois foi o único grupo que apresentou semelhança nos valores de conversão monomérica no topo das amostras. Porém analisando a base das amostras, percebe-se que todos os grupos se comportaram de forma semelhante, obtendo valores do grau de conversão sem diferença significante.

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.

Advanced Monte Carlo Simulation and Machine Learning for Frequency Domain Optical Coherence Tomography

Optical Coherence Tomography(OCT) is a popular, rapidly growing imaging technique with an increasing number of bio-medical applications due to its noninvasive nature. However, there are three major challenges in understanding and improving an OCT system: (1) Obtaining an OCT image is not easy. It either takes a real medical experiment or requires days of computer simulation. Without much data, it is difficult to study the physical processes underlying OCT imaging of different objects simply because there aren't many imaged objects. (2) Interpretation of an OCT image is also hard. This challenge is more profound than it appears. For instance, it would require a trained expert to tell from an OCT image of human skin whether there is a lesion or not. This is expensive in its own right, but even the expert cannot be sure about the exact size of the lesion or the width of the various skin layers. The take-away message is that analyzing an OCT image even from a high level would usually require a trained expert, and pixel-level interpretation is simply unrealistic. The reason is simple: we have OCT images but not their underlying ground-truth structure, so there is nothing to learn from. (3) The imaging depth of OCT is very limited (millimeter or sub-millimeter on human tissues). While OCT utilizes infrared light for illumination to stay noninvasive, the downside of this is that photons at such long wavelengths can only penetrate a limited depth into the tissue before getting back-scattered. To image a particular region of a tissue, photons first need to reach that region. As a result, OCT signals from deeper regions of the tissue are both weak (since few photons reached there) and distorted (due to multiple scatterings of the contributing photons). This fact alone makes OCT images very hard to interpret.

This thesis addresses the above challenges by successfully developing an advanced Monte Carlo simulation platform which is 10000 times faster than the state-of-the-art simulator in the literature, bringing down the simulation time from 360 hours to a single minute. This powerful simulation tool not only enables us to efficiently generate as many OCT images of objects with arbitrary structure and shape as we want on a common desktop computer, but it also provides us the underlying ground-truth of the simulated images at the same time because we dictate them at the beginning of the simulation. This is one of the key contributions of this thesis. What allows us to build such a powerful simulation tool includes a thorough understanding of the signal formation process, clever implementation of the importance sampling/photon splitting procedure, efficient use of a voxel-based mesh system in determining photon-mesh interception, and a parallel computation of different A-scans that consist a full OCT image, among other programming and mathematical tricks, which will be explained in detail later in the thesis.

Next we aim at the inverse problem: given an OCT image, predict/reconstruct its ground-truth structure on a pixel level. By solving this problem we would be able to interpret an OCT image completely and precisely without the help from a trained expert. It turns out that we can do much better. For simple structures we are able to reconstruct the ground-truth of an OCT image more than 98% correctly, and for more complicated structures (e.g., a multi-layered brain structure) we are looking at 93%. We achieved this through extensive uses of Machine Learning. The success of the Monte Carlo simulation already puts us in a great position by providing us with a great deal of data (effectively unlimited), in the form of (image, truth) pairs. Through a transformation of the high-dimensional response variable, we convert the learning task into a multi-output multi-class classification problem and a multi-output regression problem. We then build a hierarchy architecture of machine learning models (committee of experts) and train different parts of the architecture with specifically designed data sets. In prediction, an unseen OCT image first goes through a classification model to determine its structure (e.g., the number and the types of layers present in the image); then the image is handed to a regression model that is trained specifically for that particular structure to predict the length of the different layers and by doing so reconstruct the ground-truth of the image. We also demonstrate that ideas from Deep Learning can be useful to further improve the performance.

It is worth pointing out that solving the inverse problem automatically improves the imaging depth, since previously the lower half of an OCT image (i.e., greater depth) can be hardly seen but now becomes fully resolved. Interestingly, although OCT signals consisting the lower half of the image are weak, messy, and uninterpretable to human eyes, they still carry enough information which when fed into a well-trained machine learning model spits out precisely the true structure of the object being imaged. This is just another case where Artificial Intelligence (AI) outperforms human. To the best knowledge of the author, this thesis is not only a success but also the first attempt to reconstruct an OCT image at a pixel level. To even give a try on this kind of task, it would require fully annotated OCT images and a lot of them (hundreds or even thousands). This is clearly impossible without a powerful simulation tool like the one developed in this thesis.

Desenvolvimento e validação de sistema multiplex X-STR para identificação humana por DNA

Novas metodologias de análise molecular voltadas para estudos populacionais, clínicos, evolutivos, da biodiversidade e identificação forense foram desenvolvidas com base em marcadores microssátelites ou STR Short Tandem Repeats. Os marcadores STR, que estão amplamente espalhados nos genomas e se caracterizam por apresentar alto grau de polimorfismo, podem ser analisados a partir da amplificação por PCR (Reação em Cadeia da polimerase). A análise foi facilitada a partir do desenvolvimento de sistemas de amplificação simultânea de múltiplos STR (multiplex STR) e com a detecção automatizada dos produtos de amplificação marcados por fluorescência. Recentemente, o uso de marcadores STR do cromossomo X (X-STR) tornou-se significativo na prática forense. Devido ao seu modo de transmissão, os X-STR são úteis em situações particulares de investigação de relações de parentesco, apresentando vantagens sobre o uso de STR autossômicos. Este estudo teve como principal objetivo o desenvolvimento e validação de sistema multiplex, denominado LDD (X-STR) Decaplex, capaz de amplificar dez loci X-STR (DXS7133, DXS7424, DXS8378, DXS6807, DXS7132, DXS10074, DXS7423, DXS8377, GATA172D05 e DXS10101) para aplicação em genética populacional, identificação e análises forenses. Utilizando o LDD (X-STR) Decaplex 170 indivíduos autodenominados afrodescendentes, não aparentados geneticamente, foram genotipados. As freqüências alélicas e genotípicas não apresentaram desvio do equilíbrio de Hardy-Weinberg e estão em concordância com aquelas observadas em outros estudos. Os haplótipos observados foram únicos em indivíduos de amostra masculina. A análise de desequilíbrio de ligação não revelou associação entre os marcadores X-STR. A diversidade genética foi elevada, variando entre 0,6218 para o locus DXS7133 a 0,9327 para o locus DXS8377. Os parâmetros de Probabilidade de Vinculação (PV), Índice de Vinculação (IV), Poder de Exclusão (PE), Poder de Discriminação e Razão de Verossimilhança foram também elevados, demonstraram que os dez X-STRs são altamente polimórficos e discriminativos na população estudada. A concentração mínima de DNA para a amplificação dos loci do LDD (X-STR) Decaplex é de 0,5 ng e verificamos que amplificação por PCR pode ser afetada quando são adicionados mais de 5 ng de DNA nas reações. Os percentuais de bandas stutter foram elevados para os loci DXS7132 e DXS8377. No teste de reprodutibilidade observamos consistência entre as tipagem de diferentes amostras biológicas, incluindo as de restos mortais. No teste de mistura a proporção limite em que observamos a coexistência de duas espécies biológicas foi de 2,5:1ng (feminino-masculino). Os resultados evidenciaram que os loci do LDD (X-STR) Decaplex são altamente informativos, consistindo, em conjunto, uma ferramenta importante em estudos de identificação humana e de relações de parentesco.