Modeling diffraction in free-space optical interconnects by the mode expansion method

Free-space optical interconnects (FSOIs), made up of dense arrays of vertical-cavity surface-emitting lasers, photodetectors and microlenses can be used for implementing high-speed and high-density communication links, and hence replace the inferior electrical interconnects. A major concern in the design of FSOIs is minimization of the optical channel cross talk arising from laser beam diffraction. In this article we introduce modifications to the mode expansion method of Tanaka et al. [IEEE Trans. Microwave Theory Tech. MTT-20, 749 (1972)] to make it an efficient tool for modelling and design of FSOIs in the presence of diffraction. We demonstrate that our modified mode expansion method has accuracy similar to the exact solution of the Huygens-Kirchhoff diffraction integral in cases of both weak and strong beam clipping, and that it is much more accurate than the existing approximations. The strength of the method is twofold: first, it is applicable in the region of pronounced diffraction (strong beam clipping) where all other approximations fail and, second, unlike the exact-solution method, it can be efficiently used for modelling diffraction on multiple apertures. These features make the mode expansion method useful for design and optimization of free-space architectures containing multiple optical elements inclusive of optical interconnects and optical clock distribution systems. (C) 2003 Optical Society of America.

A comparative study of iterative Chebyshev and Lanczos implementations of the boundary inhomogeneity method for quantum scattering

We have recently developed a scaleable Artificial Boundary Inhomogeneity (ABI) method [Chem. Phys. Lett.366, 390–397 (2002)] based on the utilization of the Lanczos algorithm, and in this work explore an alternative iterative implementation based on the Chebyshev algorithm. Detailed comparisons between the two iterative methods have been made in terms of efficiency as well as convergence behavior. The Lanczos subspace ABI method was also further improved by the use of a simpler three-term backward recursion algorithm to solve the subspace linear system. The two different iterative methods are tested on the model collinear H+H2 reactive state-to-state scattering.

An advanced method for eliminating impacts from frequency deviations in power system signal processing

Frequency deviation is a common problem for power system signal processing. Many power system measurements are carried out in a fixed sampling rate assuming the system operates in its nominal frequency (50 or 60 Hz). However, the actual frequency may deviate from the normal value from time to time due to various reasons such as disturbances and subsequent system transients. Measurement of signals based on a fixed sampling rate may introduce errors under such situations. In order to achieve high precision signal measurement appropriate algorithms need to be employed to reduce the impact from frequency deviation in the power system data acquisition process. This paper proposes an advanced algorithm to enhance Fourier transform for power system signal processing. The algorithm is able to effectively correct frequency deviation under fixed sampling rate. Accurate measurement of power system signals is essential for the secure and reliable operation of power systems. The algorithm is readily applicable to such occasions where signal processing is affected by frequency deviation. Both mathematical proof and numerical simulation are given in this paper to illustrate robustness and effectiveness of the proposed algorithm. Crown Copyright (C) 2003 Published by Elsevier Science B.V. All rights reserved.

A novel target-field method for magnetic resonance shim coils: III. Shielded zonal and tesseral coils

This paper continues the development of a new approach for the design of shim and gradient coils, used in magnetic resonance imaging (MRI) applications. A cylindrical primary coil of radius a and length 2L is placed inside a co-axial shield cylinder of radius b. An active shielding strategy is used to create a desired target field at an arbitrarily specified (cylindrical) location within the primary coil, and to annul the field at a certain radius outside the shield. The form of the interior target field may be chosen arbitrarily by the designer, although zonal and tesseral harmonics are typically used in MRI applications. The method presented here designs coil windings on both the primary and shielding cylinders, to produce fields that conform to the specified interior target field and the annulled field exterior to the shield. An additional feature of the method presented here is that the target field inside the primary coil is matched at two different radii, to improve overall accuracy. The method is illustrated by designing several shielded shim coils, for creating higher order tesseral fields located asymmetrically within the coil. The simpler case of pure zonal fields is discussed separately and applied to the design of some higher order shielded coils.

A genetic algorithm/method of moments approach to the optimization of an RF coil for MRI applications - Theoretical considerations - Abstract

A Combined Genetic Algorithm and Method of Moments design methods is presented for the design of unusual near-field antennas for use in Magnetic Resonance Imaging systems. The method is successfully applied to the design of an asymmetric coil structure for use at 190MHz and demonstrates excellent radiofrequency field homogeneity.

A practical method of estimating energy expenditure during tennis play

This study aimed to develop a practical method of estimating energy expenditure (EE) during tennis. Twenty-four elite female tennis players first completed a tennis-specific graded test in which five different intensity levels were applied randomly. Each intensity level was intended to simulate a game of singles tennis and comprised six 14 s periods of activity alternated with 20 s of active rest. Oxygen consumption (VO2) and heart rate (HR) were measured continuously and each player's rate of perceived exertion (RPE) was recorded at the end of each intensity level. Rate of energy expenditure (EEVO2) during the test was calculated using the sum of VO2 during play and the 'O-2 debt' during recovery, divided by the duration of the activity. There were significant individual linear relationships between EEVO2 and RPE, EEVO2 and HR, (rgreater than or equal to0.89 rgreater than or equal to0.93; p

Surface diffusion of strongly adsorbing vapors in activated carbon by a differential permeation method

Conventional methods to determine surface diffusion of adsorbed molecules are proven to be inadequate for strongly adsorbing vapors on activated carbon. Knudsen diffusion permeability (B-k) for strongly adsorbing vapors cannot be directly estimated from that of inert gases such as helium. In this paper three models are considered to elucidate the mechanism of surface diffusion in activated carbon. The transport mechanism in all three models is a combination of Knudsen diffusion, viscous flow and surface diffusion. The collision reflection factor f (which is the fraction of molecules undergoing collision to the solid surface over reflection from the surface) of the Knudsen diffusivity is assumed to be a function of loading. It was found to be 1.79 in the limit of zero loading, and decreases as loading increases. The surface diffusion permeability increases sharply at very low pressures and then starts to decrease after it has reached a maximum (B(mum)s) at a threshold pressure. The initial rapid increase in the total permeability is mainly attributed to surface diffusion. Interestingly the B(mum)s for all adsorbates appear at the same volumetric adsorbed phase concentration, suggesting that the volume of adsorbed molecules may play an important role in the surface diffusion mechanism in activated carbon. (C) 2003 Elsevier Ltd. All rights reserved.

A new wavelet-based adaptive method for solving population balance equations

A new wavelet-based adaptive framework for solving population balance equations (PBEs) is proposed in this work. The technique is general, powerful and efficient without the need for prior assumptions about the characteristics of the processes. Because there are steeply varying number densities across a size range, a new strategy is developed to select the optimal order of resolution and the collocation points based on an interpolating wavelet transform (IWT). The proposed technique has been tested for size-independent agglomeration, agglomeration with a linear summation kernel and agglomeration with a nonlinear kernel. In all cases, the predicted and analytical particle size distributions (PSDs) are in excellent agreement. Further work on the solution of the general population balance equations with nucleation, growth and agglomeration and the solution of steady-state population balance equations will be presented in this framework. (C) 2002 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Method for determining the shear stress in cylindrical systems

We develop a method for determining the elements of the pressure tensor at a radius r in a cylindrically symmetric system, analogous to the so-called method of planes used in planar systems [B. D. Todd, Denis J. Evans, and Peter J. Daivis, Phys. Rev. E 52, 1627 (1995)]. We demonstrate its application in determining the radial shear stress dependence during molecular dynamics simulations of the forced flow of methane in cylindrical silica mesopores. Such expressions are useful for the examination of constitutive relations in the context of transport in confined systems.

Adapted Gaussian basis sets for atoms from Li through Xe generated with the generator coordinate Hartree-Fock method

Utiliza-se o método coordenada geradora Hartree-Fock para gerar bases Gaussianas adaptadas para os átomos de Li (Z=3) até Xe (Z=54). Neste método, integram-se as equações de Griffin-Hill-Wheeler-Hartree-Fock através da técnica de discretização integral. Comparam-se as funções de ondas geradas neste trabalho com as funções de ondas Roothaan-Hartree-Fock de Clementi e Roetti (1974) e com outros conjuntos de bases relatados na literatura. Para os átomos estudados aqui, os erros em nossas energias totais relativos aos limites numéricos Hartree-Fock são sempre menores que 7,426 milihartree.

Variabilidade genética em famílias de meios-irmãos de cafeeiro robusta

O cultivo do café é uma das atividades do agronegócio de maior importância socioeconômica dentre as diferentes atividades ligadas ao comércio agrícola mundial. Uma das maiores contribuições da genética quantitativa para o melhoramento genético é a possibilidade de prever ganhos genéticos. Quando diferentes critérios de seleção são considerados, a predição de ganhos referentes a cada critério tem grande importância, pois indica os melhoristas sobre como utilizar o material genético disponível, visando obter o máximo de ganhos possível para as características de interesse. O presente trabalho foi instalado em julho de 2004, na Fazenda Experimental de Bananal do Norte, conduzida pelo Incaper, no distrito de Pacotuba, município de Cachoeiro de Itapemirim, região Sul do Estado, com o objetivo de selecionar as melhores plantas entre e dentro de progênies de meios- irmãos de Coffea canephora, por meio de diferentes critérios de seleção. Foram realizadas análises de variância individuais e conjuntas para 26 progênies de meios- irmãos Coffea canephora. O delineamento experimental utilizado foi em blocos ao acaso com quatro testemunhas adicionais com quatro repetições e parcela composta por cinco plantas, com o espaçamento de 3,0 m x 1,2 m. Neste trabalho, considerou-se os dados das últimas cinco colheitas. As características mensuradas foram: florescimento, maturação, tamanho do grão, peso, porte, vigor, ferrugem, mancha cercóspora, seca de ponteiros, escala geral, porcentagem de frutos boia e bicho mineiro. Todas as análises estatísticas foram realizadas com o aplicativo computacional em genética e estatística (GENES). Foram estimados os ganhos de seleção em função da porcentagem de seleção de 20% entre e dentro, sendo as mesmas mantidas para todas as características. Todas as características foram submetidas a seleção no sentido positivo, exceto para florescimento, porte, ferrugem, mancha cercóspora, seca de ponteiros, porcentagem de frutos boia e bicho mineiro, para obter decréscimo em suas médias originais. Os critérios de seleção estudados foram: seleção convencional entre e dentro das famílias, índice de seleção combinada, seleção massal e seleção massal estratificada. Esta dissertação é composta por dois capítulos, em que foram realizadas análises biométricas, como a obtenção de estimativas de parâmetros genéticos. Na maioria das características estudadas, verificaram-se diferenças significativas (P<0,05) para genótipos que, associados aos coeficientes de variação genotípicos e também ao coeficiente de determinação genotípico e à relação CVg/CVe, indicam a existência de variabilidade genética nos materiais genéticos para a maioria das características e condições favoráveis para obtenção de ganhos genéticos pela seleção. Essas características também foram correlacionadas. Os dados foram submetidos às análises de variância e multivariada, aplicando-se a técnica de agrupamento e UPGMA, teste de médias e estudo de correlações. Na técnica de agrupamento, foi utilizada a distância generalizada de Mahalanobis como medida de dissimilaridade, e na delimitação dos grupos, o método de Tocher. Foi encontrada diversidade genética para as características associadas à qualidade fisiológica, mobilização de reserva das sementes, dimensões e biomassa das plântulas. Quatro grupos de genótipos puderam ser formados. Peso de massa seca de sementes, redução de reserva de sementes e peso de massa seca de plântulas estão positivamente correlacionados entre si, enquanto a redução de reserva das sementes e a eficiência na conversão dessas reservas em plântulas estão negativamente correlacionadas. De acordo com os resultados obtidos, verificou-se que todas as características apresentaram níveis diferenciados de variabilidade genética e os critérios de seleção utilizados mostraram-se eficientes para o melhoramento, no qual o índice de seleção combinada é o critério de seleção que apresentou os melhores resultados em termos de ganhos, sendo indicado como critério mais apropriado para o melhoramento genético da população estudada. Nos estudos de correlações, em 70% dos casos, a correlação fenotípica foi superior à genotípica, mostrando maior influência dos fatores ambientais em relação aos genotípicos e condições propícias ao melhoramento dos diferentes caracteres. No estudo de divergência genética, observou-se que pelo agrupamento de genótipos, pela técnica de Tocher, indicou que os genótipos foram distribuídos em três grupos.

Estudo da resistência não drenada de solo de baixa consistência por meio de ensaios de campo e laboratório

A variabilidade natural dos solos torna complexo o conhecimento de suas propriedades na elaboração de projetos geotécnicos, sendo a determinação da resistência ao cisalhamento não drenada um parâmetro importante nas análises de estabilidade de solos moles. Os ensaios de laboratório de cone e palheta, não convencionais, os ensaios de campo de palheta e piezocone e os ensaios de compressão simples e triaxial não adensado e não drenado foram utilizados para mensurar a resistência não drenada de uma camada de argila marinha mole localizada na planície costeira central brasileira. Os ensaios de laboratório foram realizados em amostras indeformadas coletadas com amostradores de pistão estacionário em vertical próxima à realização dos ensaios de campo. O sítio foi investigado preliminarmente por sondagens de simples reconhecimento, sendo apresentado o perfil estratigráfico por meio de modelagem computacional. Foram também realizados ensaios para caracterização física (análise granulométrica, teor de umidade, limites de liquidez e plasticidade, densidade real dos grãos) e mineralógica (difração de raios X), e ensaios de adensamento para obtenção do histórico de tensões e classificação de qualidade das amostras indeformadas. Os valores de resistência não drenada obtidos pelos ensaios de laboratório foram comparados ao perfil contínuo de resistência determinado empiricamente pelo ensaio de piezocone, com fator de cone Nkt calibrado pelo ensaio de palheta de campo, apresentando boa concordância, com a variabilidade natural do solo influenciando de forma preponderante a qualidade das amostras na variação entre os resultados. Os valores de resistência obtidos pelos ensaios de laboratório de cone e palheta foram comparados entre si, apresentando boa compatibilidade. Ambos, quando comparados ao ensaio de palheta de campo, não apresentaram boa concordância. Os resultados de resistência obtidos pelos ensaios de compressão simples e triaxial apresentaram boa compatibilidade com os resultados do ensaio de laboratório de cone, o que não ocorreu com os resultados do ensaio de laboratório de palheta. Na comparação entre a resistência normalizada pela tensão de sobreadensamento obtida pelos diversos métodos e algumas correlações empíricas da literatura internacional, foi observado para as amostras de solo com índice de plasticidade superior a 60% boa concordância com as correlações de Mesri (1975) e Jamiolkowski et al (1985). Os ensaios não convencionais apresentaram boa confiabilidade, que aliado a simplicidade e agilidade de execução, justificam a difusão destes na prática da investigação geotécnica brasileira como método alternativo para complementar e dar suporte às estimativas de resistência não drenada de solos moles.

The influence of the dispersion method on the electrical properties of vapor-grown carbon nanofiber/epoxy composites

The influence of the dispersion of vapor-grown carbon nanofibers (VGCNF) on the electrical properties of VGCNF/ Epoxy composites has been studied. A homogenous dispersion of the VGCNF does not imply better electrical properties. In fact, it is demonstrated that the most simple of the tested dispersion methods results in higher conductivity, since the presence of well-distributed nanofiber clusters appears to be a key factor for increasing composite conductivity.

Eigenvalue computations in the context of data-sparse approximations of integral operators

In this work, we consider the numerical solution of a large eigenvalue problem resulting from a finite rank discretization of an integral operator. We are interested in computing a few eigenpairs, with an iterative method, so a matrix representation that allows for fast matrix-vector products is required. Hierarchical matrices are appropriate for this setting, and also provide cheap LU decompositions required in the spectral transformation technique. We illustrate the use of freely available software tools to address the problem, in particular SLEPc for the eigensolvers and HLib for the construction of H-matrices. The numerical tests are performed using an astrophysics application. Results show the benefits of the data-sparse representation compared to standard storage schemes, in terms of computational cost as well as memory requirements.