Monte Carlo simulations of nucleation of colloidal crystals

A crystal nucleus in a finite volume may exhibit phase coexistence with a surrounding fluid. The thermodynamic properties of the coexisting fluid (pressure and chemical potential) are enhanced relative to their coexistence values. This enhancement is uniquely related to the surface excess free energy. rnA model for weakly attractive soft colloidal particles is investigated, the so called Asakura-Oosawa model. In simulations, this model allows for the calculation of the pressure in the liquid using the virial formula directly. The phase coexistence pressure in the thermodynamic limit is obtained from the interface velocity method. We introduce a method by which the chemical potential in dense liquids can be measured. There is neither a need to locate the interface nor to compute the anisotropic interfacial tension to obtain nucleation barriers. Therefore, our analysis is appropriate for nuclei of arbitrary shape. Monte Carlo simulations over a wide range of nucleus volumes yield to nucleation barriers independent from the total system volume. The interfacial tension is determined via the ensemble-switch method, hence a detailed test of classical nucleation theory is possible. The anisotropy of the interfacial tension and the resulting non-spherical shape has only a minor effect on the barrier for the Asakura-Oosawa model.

More than just Good Luck. How to Explain the Success of Monte Carlo Simulations

Monte Carlo simulation is a powerful method in many natural and social sciences. But what sort of method is it? And where does its power come from? Are Monte Carlo simulations experiments, theories or something else? The aim of this talk is to answer these questions and to explain the power of Monte Carlo simulations. I provide a classification of Monte Carlo techniques and defend the claim that Monte Carlo simulation is a sort of inference.

Monte-Carlo dosimetry on a realistic cell monolayer geometry exposed to alpha particles

The energy and specific energy absorbed in the main cell compartments (nucleus and cytoplasm) in typical radiobiology experiments are usually estimated by calculations as they are not accessible for a direct measurement. In most of the work, the cell geometry is modelled using the combination of simple mathematical volumes. We propose a method based on high resolution confocal imaging and ion beam analysis (IBA) in order to import realistic cell nuclei geometries in Monte-Carlo simulations and thus take into account the variety of different geometries encountered in a typical cell population. Seventy-six cell nuclei have been imaged using confocal microscopy and their chemical composition has been measured using IBA. A cellular phantom was created from these data using the ImageJ image analysis software and imported in the Geant4 Monte-Carlo simulation toolkit. Total energy and specific energy distributions in the 76 cell nuclei have been calculated for two types of irradiation protocols: a 3 MeV alpha particle microbeam used for targeted irradiation and a 239Pu alpha source used for large angle random irradiation. Qualitative images of the energy deposited along the particle tracks have been produced and show good agreement with images of DNA double strand break signalling proteins obtained experimentally. The methodology presented in this paper provides microdosimetric quantities calculated from realistic cellular volumes. It is based on open-source oriented software that is publicly available.

Análisis y diseño de multiplicadores y mezcladores mediante el método de Monte Carlo en la banda de THz = Analysis and design of multipliers and mixers via Monte Carlo modelling at THz bands

La región del espectro electromagnético comprendida entre 100 GHz y 10 THz alberga una gran variedad de aplicaciones en campos tan dispares como la radioastronomía, espectroscopíamolecular, medicina, seguridad, radar, etc. Los principales inconvenientes en el desarrollo de estas aplicaciones son los altos costes de producción de los sistemas trabajando a estas frecuencias, su costoso mantenimiento, gran volumen y baja fiabilidad. Entre las diferentes tecnologías a frecuencias de THz, la tecnología de los diodos Schottky juega un importante papel debido a su madurez y a la sencillez de estos dispositivos. Además, los diodos Schottky pueden operar tanto a temperatura ambiente como a temperaturas criogénicas, con altas eficiencias cuando se usan como multiplicadores y con moderadas temperaturas de ruido en mezcladores. El principal objetivo de esta tesis doctoral es analizar los fenómenos físicos responsables de las características eléctricas y del ruido en los diodos Schottky, así como analizar y diseñar circuitos multiplicadores y mezcladores en bandas milimétricas y submilimétricas. La primera parte de la tesis presenta un análisis de los fenómenos físicos que limitan el comportamiento de los diodos Schottky de GaAs y GaN y de las características del espectro de ruido de estos dispositivos. Para llevar a cabo este análisis, un modelo del diodo basado en la técnica de Monte Carlo se ha considerado como referencia debido a la elevada precisión y fiabilidad de este modelo. Además, el modelo de Monte Carlo permite calcular directamente el espectro de ruido de los diodos sin necesidad de utilizar ningún modelo analítico o empírico. Se han analizado fenómenos físicos como saturación de la velocidad, inercia de los portadores, dependencia de la movilidad electrónica con la longitud de la epicapa, resonancias del plasma y efectos no locales y no estacionarios. También se ha presentado un completo análisis del espectro de ruido para diodos Schottky de GaAs y GaN operando tanto en condiciones estáticas como variables con el tiempo. Los resultados obtenidos en esta parte de la tesis contribuyen a mejorar la comprensión de la respuesta eléctrica y del ruido de los diodos Schottky en condiciones de altas frecuencias y/o altos campos eléctricos. También, estos resultados han ayudado a determinar las limitaciones de modelos numéricos y analíticos usados en el análisis de la respuesta eléctrica y del ruido electrónico en los diodos Schottky. La segunda parte de la tesis está dedicada al análisis de multiplicadores y mezcladores mediante una herramienta de simulación de circuitos basada en la técnica de balance armónico. Diferentes modelos basados en circuitos equivalentes del dispositivo, en las ecuaciones de arrastre-difusión y en la técnica de Monte Carlo se han considerado en este análisis. El modelo de Monte Carlo acoplado a la técnica de balance armónico se ha usado como referencia para evaluar las limitaciones y el rango de validez de modelos basados en circuitos equivalentes y en las ecuaciones de arrastredifusión para el diseño de circuitos multiplicadores y mezcladores. Una notable característica de esta herramienta de simulación es que permite diseñar circuitos Schottky teniendo en cuenta tanto la respuesta eléctrica como el ruido generado en los dispositivos. Los resultados de las simulaciones presentados en esta parte de la tesis, tanto paramultiplicadores comomezcladores, se han comparado con resultados experimentales publicados en la literatura. El simulador que integra el modelo de Monte Carlo con la técnica de balance armónico permite analizar y diseñar circuitos a frecuencias superiores a 1 THz. ABSTRACT The terahertz region of the electromagnetic spectrum(100 GHz-10 THz) presents a wide range of applications such as radio-astronomy, molecular spectroscopy, medicine, security and radar, among others. The main obstacles for the development of these applications are the high production cost of the systems working at these frequencies, highmaintenance, high volume and low reliability. Among the different THz technologies, Schottky technology plays an important rule due to its maturity and the inherent simplicity of these devices. Besides, Schottky diodes can operate at both room and cryogenic temperatures, with high efficiency in multipliers and moderate noise temperature in mixers. This PhD. thesis is mainly concerned with the analysis of the physical processes responsible for the characteristics of the electrical response and noise of Schottky diodes, as well as the analysis and design of frequency multipliers and mixers at millimeter and submillimeter wavelengths. The first part of the thesis deals with the analysis of the physical phenomena limiting the electrical performance of GaAs and GaN Schottky diodes and their noise performance. To carry out this analysis, a Monte Carlo model of the diode has been used as a reference due to the high accuracy and reliability of this diode model at millimeter and submillimter wavelengths. Besides, the Monte Carlo model provides a direct description of the noise spectra of the devices without the necessity of any additional analytical or empirical model. Physical phenomena like velocity saturation, carrier inertia, dependence of the electron mobility on the epilayer length, plasma resonance and nonlocal effects in time and space have been analysed. Also, a complete analysis of the current noise spectra of GaAs and GaN Schottky diodes operating under static and time varying conditions is presented in this part of the thesis. The obtained results provide a better understanding of the electrical and the noise responses of Schottky diodes under high frequency and/or high electric field conditions. Also these results have helped to determine the limitations of numerical and analytical models used in the analysis of the electrical and the noise responses of these devices. The second part of the thesis is devoted to the analysis of frequency multipliers and mixers by means of an in-house circuit simulation tool based on the harmonic balance technique. Different lumped equivalent circuits, drift-diffusion and Monte Carlo models have been considered in this analysis. The Monte Carlo model coupled to the harmonic balance technique has been used as a reference to evaluate the limitations and range of validity of lumped equivalent circuit and driftdiffusion models for the design of frequency multipliers and mixers. A remarkable feature of this reference simulation tool is that it enables the design of Schottky circuits from both electrical and noise considerations. The simulation results presented in this part of the thesis for both multipliers and mixers have been compared with measured results available in the literature. In addition, the Monte Carlo simulation tool allows the analysis and design of circuits above 1 THz.

Enhanced conformational sampling in Monte Carlo simulations of proteins: application to a constrained peptide.

A Monte Carlo simulation method for globular proteins, called extended-scaled-collective-variable (ESCV) Monte Carlo, is proposed. This method combines two Monte Carlo algorithms known as entropy-sampling and scaled-collective-variable algorithms. Entropy-sampling Monte Carlo is able to sample a large configurational space even in a disordered system that has a large number of potential barriers. In contrast, scaled-collective-variable Monte Carlo provides an efficient sampling for a system whose dynamics is highly cooperative. Because a globular protein is a disordered system whose dynamics is characterized by collective motions, a combination of these two algorithms could provide an optimal Monte Carlo simulation for a globular protein. As a test case, we have carried out an ESCV Monte Carlo simulation for a cell adhesive Arg-Gly-Asp-containing peptide, Lys-Arg-Cys-Arg-Gly-Asp-Cys-Met-Asp, and determined the conformational distribution at 300 K. The peptide contains a disulfide bridge between the two cysteine residues. This bond mimics the strong geometrical constraints that result from a protein's globular nature and give rise to highly cooperative dynamics. Computation results show that the ESCV Monte Carlo was not trapped at any local minimum and that the canonical distribution was correctly determined.

Mean-value identities as an opportunity for Monte Carlo error reduction

In the Monte Carlo simulation of both lattice field theories and of models of statistical mechanics, identities verified by exact mean values, such as Schwinger-Dyson equations, Guerra relations, Callen identities, etc., provide well-known and sensitive tests of thermalization bias as well as checks of pseudo-random-number generators. We point out that they can be further exploited as control variates to reduce statistical errors. The strategy is general, very simple, and almost costless in CPU time. The method is demonstrated in the twodimensional Ising model at criticality, where the CPU gain factor lies between 2 and 4.

Monte Carlo Random Walk Simulations Based on Distributed Order Differential Equations with Applications to Cell Biology

Mathematics Subject Classification: 65C05, 60G50, 39A10, 92C37

A New Algorithm for Monte Carlo for American Options

2000 Mathematics Subject Classification: 91B28, 65C05.

Accuracy and optimal sampling in Monte Carlo solution of population balance equations

Implementation of a Monte Carlo simulation for the solution of population balance equations (PBEs) requires choice of initial sample number (N0), number of replicates (M), and number of bins for probability distribution reconstruction (n). It is found that Squared Hellinger Distance, H2, is a useful measurement of the accuracy of Monte Carlo (MC) simulation, and can be related directly to N0, M, and n. Asymptotic approximations of H2 are deduced and tested for both one-dimensional (1-D) and 2-D PBEs with coalescence. The central processing unit (CPU) cost, C, is found in a power-law relationship, C= aMNb0, with the CPU cost index, b, indicating the weighting of N0 in the total CPU cost. n must be chosen to balance accuracy and resolution. For fixed n, M × N0 determines the accuracy of MC prediction; if b > 1, then the optimal solution strategy uses multiple replications and small sample size. Conversely, if 0 < b < 1, one replicate and a large initial sample size is preferred. © 2015 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 61: 2394–2402, 2015

Trimmed Likelihood Estimation of the Parameters of the Generalized Extreme Value Distributions: a Monte-Carlo Study

2000 Mathematics Subject Classification: Primary 62F35; Secondary 62P99

A medida e as escalas de avaliação da saúde das populações neonatais e pediátricas : estudo de simulação de Monte Carlo com variáveis ordinais

A investigação na área da saúde e a utilização dos seus resultados tem funcionado como base para a melhoria da qualidade de cuidados, exigindo dos profissionais de saúde conhecimentos na área específica onde desempenham funções, conhecimentos em metodologia de investigação que incluam as técnicas de observação, técnicas de recolha e análise de dados, para mais facilmente serem leitores capacitados dos resultados da investigação. Os profissionais de saúde são observadores privilegiados das respostas humanas à saúde e à doença, podendo contribuir para o desenvolvimento e bem-estar dos indivíduos muitas vezes em situações de grande vulnerabilidade. Em saúde infantil e pediatria o enfoque está nos cuidados centrados na família privilegiando-se o desenvolvimento harmonioso da criança e jovem, valorizando os resultados mensuráveis em saúde que permitam determinar a eficácia das intervenções e a qualidade de saúde e de vida. No contexto pediátrico realçamos as práticas baseadas na evidência, a importância atribuída à pesquisa e à aplicação dos resultados da investigação nas práticas clínicas, assim como o desenvolvimento de instrumentos de mensuração padronizados, nomeadamente as escalas de avaliação, de ampla utilização clínica, que facilitam a apreciação e avaliação do desenvolvimento e da saúde das crianças e jovens e resultem em ganhos em saúde. A observação de forma sistematizada das populações neonatais e pediátricas com escalas de avaliação tem vindo a aumentar, o que tem permitido um maior equilíbrio na avaliação das crianças e também uma observação baseada na teoria e nos resultados da investigação. Alguns destes aspetos serviram de base ao desenvolvimento deste trabalho que pretende dar resposta a 3 objetivos fundamentais. Para dar resposta ao primeiro objetivo, “Identificar na literatura científica, os testes estatísticos mais frequentemente utilizados pelos investigadores da área da saúde infantil e pediatria quando usam escalas de avaliação” foi feita uma revisão sistemática da literatura, que tinha como objetivo analisar artigos científicos cujos instrumentos de recolha de dados fossem escalas de avaliação, na área da saúde da criança e jovem, desenvolvidas com variáveis ordinais, e identificar os testes estatísticos aplicados com estas variáveis. A análise exploratória dos artigos permitiu-nos verificar que os investigadores utilizam diferentes instrumentos com diferentes formatos de medida ordinal (com 3, 4, 5, 7, 10 pontos) e tanto aplicam testes paramétricos como não paramétricos, ou os dois em simultâneo, com este tipo de variáveis, seja qual for a dimensão da amostra. A descrição da metodologia nem sempre explicita se são cumpridas as assunções dos testes. Os artigos consultados nem sempre fazem referência à distribuição de frequência das variáveis (simetria/assimetria) nem à magnitude das correlações entre os itens. A leitura desta bibliografia serviu de suporte à elaboração de dois artigos, um de revisão sistemática da literatura e outro de reflexão teórica. Apesar de terem sido encontradas algumas respostas às dúvidas com que os investigadores e os profissionais, que trabalham com estes instrumentos, se deparam, verifica-se a necessidade de desenvolver estudos de simulação que confirmem algumas situações reais e alguma teoria já existente, e trabalhem outros aspetos nos quais se possam enquadrar os cenários reais de forma a facilitar a tomada de decisão dos investigadores e clínicos que utilizam escalas de avaliação. Para dar resposta ao segundo objetivo “Comparar a performance, em termos de potência e probabilidade de erro de tipo I, das 4 estatísticas da MANOVA paramétrica com 2 estatísticas da MANOVA não paramétrica quando se utilizam variáveis ordinais correlacionadas, geradas aleatoriamente”, desenvolvemos um estudo de simulação, através do Método de Monte Carlo, efetuado no Software R. O delineamento do estudo de simulação incluiu um vetor com 3 variáveis dependentes, uma variável independente (fator com três grupos), escalas de avaliação com um formato de medida com 3, 4, 5, e 7 pontos, diferentes probabilidades marginais (p1 para distribuição simétrica, p2 para distribuição assimétrica positiva, p3 para distribuição assimétrica negativa e p4 para distribuição uniforme) em cada um dos três grupos, correlações de baixa, média e elevada magnitude (r=0.10, r=0.40, r=0.70, respetivamente), e seis dimensões de amostras (n=30, 60, 90, 120, 240, 300). A análise dos resultados permitiu dizer que a maior raiz de Roy foi a estatística que apresentou estimativas de probabilidade de erro de tipo I e de potência de teste mais elevadas. A potência dos testes apresenta comportamentos diferentes, dependendo da distribuição de frequência da resposta aos itens, da magnitude das correlações entre itens, da dimensão da amostra e do formato de medida da escala. Tendo por base a distribuição de frequência, considerámos três situações distintas: a primeira (com probabilidades marginais p1,p1,p4 e p4,p4,p1) em que as estimativas da potência eram muito baixas, nos diferentes cenários; a segunda situação (com probabilidades marginais p2,p3,p4; p1,p2,p3 e p2,p2,p3) em que a magnitude das potências é elevada, nas amostras com dimensão superior ou igual a 60 observações e nas escalas com 3, 4,5 pontos e potências de magnitude menos elevada nas escalas com 7 pontos, mas com a mesma ma magnitude nas amostras com dimensão igual a 120 observações, seja qual for o cenário; a terceira situação (com probabilidades marginais p1,p1,p2; p1,p2,p4; p2,p2,p1; p4,p4,p2 e p2,p2,p4) em que quanto maiores, a intensidade das correlações entre itens e o número de pontos da escala, e menor a dimensão das amostras, menor a potência dos testes, sendo o lambda de Wilks aplicado às ordens mais potente do que todas as outra s estatísticas da MANOVA, com valores imediatamente a seguir à maior raiz de Roy. No entanto, a magnitude das potências dos testes paramétricos e não paramétricos assemelha-se nas amostras com dimensão superior a 90 observações (com correlações de baixa e média magnitude), entre as variáveis dependentes nas escalas com 3, 4 e 5 pontos; e superiores a 240 observações, para correlações de baixa intensidade, nas escalas com 7 pontos. No estudo de simulação e tendo por base a distribuição de frequência, concluímos que na primeira situação de simulação e para os diferentes cenários, as potências são de baixa magnitude devido ao facto de a MANOVA não detetar diferenças entre grupos pela sua similaridade. Na segunda situação de simulação e para os diferentes cenários, a magnitude das potências é elevada em todos os cenários cuja dimensão da amostra seja superior a 60 observações, pelo que é possível aplicar testes paramétricos. Na terceira situação de simulação, e para os diferentes cenários quanto menor a dimensão da amostra e mais elevada a intensidade das correlações e o número de pontos da escala, menor a potência dos testes, sendo a magnitude das potências mais elevadas no teste de Wilks aplicado às ordens, seguido do traço de Pillai aplicado às ordens. No entanto, a magnitude das potências dos testes paramétricos e não paramétricos assemelha-se nas amostras com maior dimensão e correlações de baixa e média magnitude. Para dar resposta ao terceiro objetivo “Enquadrar os resultados da aplicação da MANOVA paramétrica e da MANOVA não paramétrica a dados reais provenientes de escalas de avaliação com um formato de medida com 3, 4, 5 e 7 pontos, nos resultados do estudo de simulação estatística” utilizaram-se dados reais que emergiram da observação de recém-nascidos com a escala de avaliação das competências para a alimentação oral, Early Feeding Skills (EFS), o risco de lesões da pele, com a Neonatal Skin Risk Assessment Scale (NSRAS), e a avaliação da independência funcional em crianças e jovens com espinha bífida, com a Functional Independence Measure (FIM). Para fazer a análise destas escalas foram realizadas 4 aplicações práticas que se enquadrassem nos cenários do estudo de simulação. A idade, o peso, e o nível de lesão medular foram as variáveis independentes escolhidas para selecionar os grupos, sendo os recém-nascidos agrupados por “classes de idade gestacional” e por “classes de peso” as crianças e jovens com espinha bífida por “classes etárias” e “níveis de lesão medular”. Verificou-se um bom enquadramento dos resultados com dados reais no estudo de simulação.

An atomistic simulation of solid state sintering using Monte Carlo methods

This paper presents results on the simulation of the solid state sintering of copper wires using Monte Carlo techniques based on elements of lattice theory and cellular automata. The initial structure is superimposed onto a triangular, two-dimensional lattice, where each lattice site corresponds to either an atom or vacancy. The number of vacancies varies with the simulation temperature, while a cluster of vacancies is a pore. To simulate sintering, lattice sites are picked at random and reoriented in terms of an atomistic model governing mass transport. The probability that an atom has sufficient energy to jump to a vacant lattice site is related to the jump frequency, and hence the diffusion coefficient, while the probability that an atomic jump will be accepted is related to the change in energy of the system as a result of the jump, as determined by the change in the number of nearest neighbours. The jump frequency is also used to relate model time, measured in Monte Carlo Steps, to the actual sintering time. The model incorporates bulk, grain boundary and surface diffusion terms and includes vacancy annihilation on the grain boundaries. The predictions of the model were found to be consistent with experimental data, both in terms of the microstructural evolution and in terms of the sintering time. (C) 2002 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Direct Simulation Monte Carlo Method Applied to Aerothermodynamics

An axisymmetric supersonic flow of rarefied gas past a finite cylinder was calculated applying the direct simulation Monte Carlo method. The drag force, the coefficients of pressure, of skin friction, and of heat transfer, the fields of density, of temperature, and of velocity were calculated as function of the Reynolds number for a fixed Mach number. The variation of the Reynolds number is related to the variation of the Knudsen number, which characterizes the gas rarefaction. The present results show that all quantities in the transition regime (Knudsen number is about the unity) are significantly different from those in the hydrodynamic regime, when the Knudsen number is small.

Étude des artefacts en tomodensitométrie par simulation Monte Carlo

En radiothérapie, la tomodensitométrie (CT) fournit l’information anatomique du patient utile au calcul de dose durant la planification de traitement. Afin de considérer la composition hétérogène des tissus, des techniques de calcul telles que la méthode Monte Carlo sont nécessaires pour calculer la dose de manière exacte. L’importation des images CT dans un tel calcul exige que chaque voxel exprimé en unité Hounsfield (HU) soit converti en une valeur physique telle que la densité électronique (ED). Cette conversion est habituellement effectuée à l’aide d’une courbe d’étalonnage HU-ED. Une anomalie ou artefact qui apparaît dans une image CT avant l’étalonnage est susceptible d’assigner un mauvais tissu à un voxel. Ces erreurs peuvent causer une perte cruciale de fiabilité du calcul de dose. Ce travail vise à attribuer une valeur exacte aux voxels d’images CT afin d’assurer la fiabilité des calculs de dose durant la planification de traitement en radiothérapie. Pour y parvenir, une étude est réalisée sur les artefacts qui sont reproduits par simulation Monte Carlo. Pour réduire le temps de calcul, les simulations sont parallélisées et transposées sur un superordinateur. Une étude de sensibilité des nombres HU en présence d’artefacts est ensuite réalisée par une analyse statistique des histogrammes. À l’origine de nombreux artefacts, le durcissement de faisceau est étudié davantage. Une revue sur l’état de l’art en matière de correction du durcissement de faisceau est présentée suivi d’une démonstration explicite d’une correction empirique.

Combining Monte Carlo methods with coherent wave optics for the simulation of phase-sensitive X-ray imaging

Phase-sensitive X-ray imaging shows a high sensitivity towards electron density variations, making it well suited for imaging of soft tissue matter. However, there are still open questions about the details of the image formation process. Here, a framework for numerical simulations of phase-sensitive X-ray imaging is presented, which takes both particle- and wave-like properties of X-rays into consideration. A split approach is presented where we combine a Monte Carlo method (MC) based sample part with a wave optics simulation based propagation part, leading to a framework that takes both particle- and wave-like properties into account. The framework can be adapted to different phase-sensitive imaging methods and has been validated through comparisons with experiments for grating interferometry and propagation-based imaging. The validation of the framework shows that the combination of wave optics and MC has been successfully implemented and yields good agreement between measurements and simulations. This demonstrates that the physical processes relevant for developing a deeper understanding of scattering in the context of phase-sensitive imaging are modelled in a sufficiently accurate manner. The framework can be used for the simulation of phase-sensitive X-ray imaging, for instance for the simulation of grating interferometry or propagation-based imaging.