Simple method for the simulation of multiple elastic scattering of electrons

A screened Rutherford cross section is modified by means of a correction factor to obtain the proper transport cross section computed by partial¿wave analysis. The correction factor is tabulated for electron energies in the range 0¿100 keV and for elements in the range from Z=4 to 82. The modified screened Rutherford cross section is shown to be useful as an approximation for the simulation of plural and multiple scattering. Its performance and limitations are exemplified for electrons scattered in Al and Au.

The groups of Poincaré and Galilei in arbitrary dimensional spaces

In arbitrary dimensional spaces the Lie algebra of the Poincaré group is seen to be a subalgebra of the complex Galilei algebra, while the Galilei algebra is a subalgebra of Poincar algebra. The usual contraction of the Poincar to the Galilei group is seen to be equivalent to a certain coordinate transformation.

Equivalence Between the Lagrangian and Hamiltonian Formalisms for Constrained Systems

The equivalence between the Lagrangian and Hamiltonian formalism is studied for constraint systems. A procedure to construct the Lagrangian constraints from the Hamiltonian constraints is given. Those Hamiltonian constraints that are first class with respect to the Hamiltonian constraints produce Lagrangian constraints that are FL-projectable.

Poincar wave equations as Fourier transformations of Galilei wave equations

The relationship between the Poincar and Galilei groups allows us to write the Poincar wave equations for arbitrary spin as a Fourier transform of the Galilean ones. The relation between the Lagrangian formulation for both cases is also studied.

Heat pulse line-source method to determine thermal conductivity of consolidated rocks

An instrument designed to measure thermal conductivity of consolidated rocks, dry or saturated, using a transient method is presented. The instrument measures relative values of the thermal conductivity, and it needs calibration to obtain absolute values. The device can be used as heat pulse line source and as continuous heat line source. Two parameters to determine thermal conductivity are proposed: TMAX, in heat pulse line source, and SLOPE, in continuous heat line source. Its performance is better, and the operation simpler, in heat pulse line-source mode with a measuring time of 170 s and a reproducibility better than 2.5%. The sample preparation is very simple on both modes. The performance has been tested with a set of ten rocks with thermal conductivity values between 1.4 and 5.2 W m¿1 K¿1 which covers the usual range for consolidated rocks.

Isothermal microcalorimetry: a novel method for real-time determination of antifungal susceptibility of Aspergillus species.

We evaluated microcalorimetry for real-time susceptibility testing of Aspergillus spp. based on growth-related heat production. The minimal heat inhibitory concentration (MHIC) for A. fumigatus ATCC 204305 was 1 mg/L for amphotericin B, 0.25 mg/L for voriconazole, 0.06 mg/L for posaconazole, 0.125 mg/L for caspofungin and 0.03 mg/L for anidulafungin. Agreement within two 2-fold dilutions between MHIC (determined by microcalorimetry) and MIC or MEC (determined by CLSI M38A) was 90% for amphotericin B, 100% for voriconazole, 90% for posaconazole and 70% for caspofungin. This proof-of-concept study demonstrated the potential of isothermal microcalorimetry for growth evaluation of Aspergillus spp. and real-time antifungal susceptibility testing.

Method for performing cerebral perfusion-weighted MRI in neonates

Cerebral perfusion-weighted imaging (PWI) in neonates is known to be technically difficult and there are very few published studies on its use in preterm infants. In this paper, we describe one convenient method to perform PWI in neonates, a method only recently used in newborns. A device was used to manually inject gadolinium contrast material intravenously in an easy, quick and reproducible way. We studied 28 newborn infants, with various gestational ages and weights, including both normal infants and those suffering from different brain pathologies. A signal intensity-time curve was obtained for each infant, allowing us to build perfusion maps. This technique offered a fast and easy method to manually inject a bolus gadolinium contrast material, which is essential in performing PWI in neonates. Cerebral PWI is technically feasible and reproducible in neonates of various gestational age and with various pathologies.

Reconfigurable beams with arbitrary polarization and shape distributions at a given plane

Methods for generating beams with arbitrary polarization based on the use of liquid crystal displays have recently attracted interest from a wide range of sources. In this paper we present a technique for generating beams with arbitrary polarization and shape distributions at a given plane using a Mach-Zehnder setup. The transverse components of the incident beam are processed independently by means of spatial light modulators placed in each path of the interferometer. The modulators display computer generated holograms designed to dynamically encode any amplitude value and polarization state for each point of the wavefront in a given plane. The steps required to design such beams are described in detail. Several beams performing different polarization and intensity landscapes have been experimentally implemented. The results obtained demonstrate the capability of the proposed technique to tailor the amplitude and polarization of the beam simultaneously.

Phase-only filters codified with Burckhardt's method

We show that Burckhardt's method is available to codify phase-only filters with amplitude-only variations. Correlation experimental results are given.

Full complex Fresnel holograms displayed on liquid cristal displays

We propose a method to display full complex Fresnel holograms by adding the information displayed on two analogue ferroelectric liquid crystal spatial light modulators. One of them works in real-only configuration and the other in imaginary-only mode. The Fresnel holograms are computed by backpropagating an object at a selected distance with the Fresnel transform. Then, displaying the real and imaginary parts on each panel, the object is reconstructed at that distance from the modulators by simple propagation of light. We present simulation results taking into account the specifications of the modulators as well as optical results. We have also studied the quality of reconstructions using only real, imaginary, amplitude or phase information. Although the real and imaginary reconstructions look acceptable for certain distances, full complex reconstruction is always better and is required when arbitrary distances are used.

Correlation postprocessing-based method for the detection of de focused images

We present a method to detect patterns in defocused scenes by means of a joint transform correlator. We describe analytically the correlation plane, and we also introduce an original procedure to recognize the target by postprocessing the correlation plane. The performance of the methodology when the defocused images are corrupted by additive noise is also considered.

Multiscale descriptions of density-driven flow instabilities in porous media

Les instabilités engendrées par des gradients de densité interviennent dans une variété d'écoulements. Un exemple est celui de la séquestration géologique du dioxyde de carbone en milieux poreux. Ce gaz est injecté à haute pression dans des aquifères salines et profondes. La différence de densité entre la saumure saturée en CO2 dissous et la saumure environnante induit des courants favorables qui le transportent vers les couches géologiques profondes. Les gradients de densité peuvent aussi être la cause du transport indésirable de matières toxiques, ce qui peut éventuellement conduire à la pollution des sols et des eaux. La gamme d'échelles intervenant dans ce type de phénomènes est très large. Elle s'étend de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères à laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Une reproduction fiable de la physique par la simulation numérique demeure donc un défi en raison du caractère multi-échelles aussi bien au niveau spatial et temporel de ces phénomènes. Il requiert donc le développement d'algorithmes performants et l'utilisation d'outils de calculs modernes. En conjugaison avec les méthodes de résolution itératives, les méthodes multi-échelles permettent de résoudre les grands systèmes d'équations algébriques de manière efficace. Ces méthodes ont été introduites comme méthodes d'upscaling et de downscaling pour la simulation d'écoulements en milieux poreux afin de traiter de fortes hétérogénéités du champ de perméabilité. Le principe repose sur l'utilisation parallèle de deux maillages, le premier est choisi en fonction de la résolution du champ de perméabilité (grille fine), alors que le second (grille grossière) est utilisé pour approximer le problème fin à moindre coût. La qualité de la solution multi-échelles peut être améliorée de manière itérative pour empêcher des erreurs trop importantes si le champ de perméabilité est complexe. Les méthodes adaptatives qui restreignent les procédures de mise à jour aux régions à forts gradients permettent de limiter les coûts de calculs additionnels. Dans le cas d'instabilités induites par des gradients de densité, l'échelle des phénomènes varie au cours du temps. En conséquence, des méthodes multi-échelles adaptatives sont requises pour tenir compte de cette dynamique. L'objectif de cette thèse est de développer des algorithmes multi-échelles adaptatifs et efficaces pour la simulation des instabilités induites par des gradients de densité. Pour cela, nous nous basons sur la méthode des volumes finis multi-échelles (MsFV) qui offre l'avantage de résoudre les phénomènes de transport tout en conservant la masse de manière exacte. Dans la première partie, nous pouvons démontrer que les approximations de la méthode MsFV engendrent des phénomènes de digitation non-physiques dont la suppression requiert des opérations de correction itératives. Les coûts de calculs additionnels de ces opérations peuvent toutefois être compensés par des méthodes adaptatives. Nous proposons aussi l'utilisation de la méthode MsFV comme méthode de downscaling: la grille grossière étant utilisée dans les zones où l'écoulement est relativement homogène alors que la grille plus fine est utilisée pour résoudre les forts gradients. Dans la seconde partie, la méthode multi-échelle est étendue à un nombre arbitraire de niveaux. Nous prouvons que la méthode généralisée est performante pour la résolution de grands systèmes d'équations algébriques. Dans la dernière partie, nous focalisons notre étude sur les échelles qui déterminent l'évolution des instabilités engendrées par des gradients de densité. L'identification de la structure locale ainsi que globale de l'écoulement permet de procéder à un upscaling des instabilités à temps long alors que les structures à petite échelle sont conservées lors du déclenchement de l'instabilité. Les résultats présentés dans ce travail permettent d'étendre les connaissances des méthodes MsFV et offrent des formulations multi-échelles efficaces pour la simulation des instabilités engendrées par des gradients de densité. - Density-driven instabilities in porous media are of interest for a wide range of applications, for instance, for geological sequestration of CO2, during which CO2 is injected at high pressure into deep saline aquifers. Due to the density difference between the C02-saturated brine and the surrounding brine, a downward migration of CO2 into deeper regions, where the risk of leakage is reduced, takes place. Similarly, undesired spontaneous mobilization of potentially hazardous substances that might endanger groundwater quality can be triggered by density differences. Over the last years, these effects have been investigated with the help of numerical groundwater models. Major challenges in simulating density-driven instabilities arise from the different scales of interest involved, i.e., the scale at which instabilities are triggered and the aquifer scale over which long-term processes take place. An accurate numerical reproduction is possible, only if the finest scale is captured. For large aquifers, this leads to problems with a large number of unknowns. Advanced numerical methods are required to efficiently solve these problems with today's available computational resources. Beside efficient iterative solvers, multiscale methods are available to solve large numerical systems. Originally, multiscale methods have been developed as upscaling-downscaling techniques to resolve strong permeability contrasts. In this case, two static grids are used: one is chosen with respect to the resolution of the permeability field (fine grid); the other (coarse grid) is used to approximate the fine-scale problem at low computational costs. The quality of the multiscale solution can be iteratively improved to avoid large errors in case of complex permeability structures. Adaptive formulations, which restrict the iterative update to domains with large gradients, enable limiting the additional computational costs of the iterations. In case of density-driven instabilities, additional spatial scales appear which change with time. Flexible adaptive methods are required to account for these emerging dynamic scales. The objective of this work is to develop an adaptive multiscale formulation for the efficient and accurate simulation of density-driven instabilities. We consider the Multiscale Finite-Volume (MsFV) method, which is well suited for simulations including the solution of transport problems as it guarantees a conservative velocity field. In the first part of this thesis, we investigate the applicability of the standard MsFV method to density- driven flow problems. We demonstrate that approximations in MsFV may trigger unphysical fingers and iterative corrections are necessary. Adaptive formulations (e.g., limiting a refined solution to domains with large concentration gradients where fingers form) can be used to balance the extra costs. We also propose to use the MsFV method as downscaling technique: the coarse discretization is used in areas without significant change in the flow field whereas the problem is refined in the zones of interest. This enables accounting for the dynamic change in scales of density-driven instabilities. In the second part of the thesis the MsFV algorithm, which originally employs one coarse level, is extended to an arbitrary number of coarse levels. We prove that this keeps the MsFV method efficient for problems with a large number of unknowns. In the last part of this thesis, we focus on the scales that control the evolution of density fingers. The identification of local and global flow patterns allows a coarse description at late times while conserving fine-scale details during onset stage. Results presented in this work advance the understanding of the Multiscale Finite-Volume method and offer efficient dynamic multiscale formulations to simulate density-driven instabilities. - Les nappes phréatiques caractérisées par des structures poreuses et des fractures très perméables représentent un intérêt particulier pour les hydrogéologues et ingénieurs environnementaux. Dans ces milieux, une large variété d'écoulements peut être observée. Les plus communs sont le transport de contaminants par les eaux souterraines, le transport réactif ou l'écoulement simultané de plusieurs phases non miscibles, comme le pétrole et l'eau. L'échelle qui caractérise ces écoulements est définie par l'interaction de l'hétérogénéité géologique et des processus physiques. Un fluide au repos dans l'espace interstitiel d'un milieu poreux peut être déstabilisé par des gradients de densité. Ils peuvent être induits par des changements locaux de température ou par dissolution d'un composé chimique. Les instabilités engendrées par des gradients de densité revêtent un intérêt particulier puisque qu'elles peuvent éventuellement compromettre la qualité des eaux. Un exemple frappant est la salinisation de l'eau douce dans les nappes phréatiques par pénétration d'eau salée plus dense dans les régions profondes. Dans le cas des écoulements gouvernés par les gradients de densité, les échelles caractéristiques de l'écoulement s'étendent de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères sur laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Etant donné que les investigations in-situ sont pratiquement impossibles, les modèles numériques sont utilisés pour prédire et évaluer les risques liés aux instabilités engendrées par les gradients de densité. Une description correcte de ces phénomènes repose sur la description de toutes les échelles de l'écoulement dont la gamme peut s'étendre sur huit à dix ordres de grandeur dans le cas de grands aquifères. Il en résulte des problèmes numériques de grande taille qui sont très couteux à résoudre. Des schémas numériques sophistiqués sont donc nécessaires pour effectuer des simulations précises d'instabilités hydro-dynamiques à grande échelle. Dans ce travail, nous présentons différentes méthodes numériques qui permettent de simuler efficacement et avec précision les instabilités dues aux gradients de densité. Ces nouvelles méthodes sont basées sur les volumes finis multi-échelles. L'idée est de projeter le problème original à une échelle plus grande où il est moins coûteux à résoudre puis de relever la solution grossière vers l'échelle de départ. Cette technique est particulièrement adaptée pour résoudre des problèmes où une large gamme d'échelle intervient et évolue de manière spatio-temporelle. Ceci permet de réduire les coûts de calculs en limitant la description détaillée du problème aux régions qui contiennent un front de concentration mobile. Les aboutissements sont illustrés par la simulation de phénomènes tels que l'intrusion d'eau salée ou la séquestration de dioxyde de carbone.

General method to determine replica symmetry breaking transitions

We introduce a new parameter to investigate replica symmetry breaking transitions using finite-size scaling methods. Based on exact equalities initially derived by F. Guerra this parameter is a direct check of the self-averaging character of the spin-glass order parameter. This new parameter can be used to study models with time reversal symmetry but its greatest interest lies in models where this symmetry is absent. We apply the method to long-range and short-range Ising spin-glasses with and without a magnetic field as well as short-range multispin interaction spin-glasses.