Tomography refers to the cross-sectional imaging of an object from either transmission or reflection data collected by illuminating the object from many different directions. Classical tomography fails to reconstruct the optical properties of thick scattering objects because it does not adequately account for the scattering component of the neutron beam intensity exiting the sample. We proposed a new method of computed tomography which employs an inverse problem analysis of both the transmitted and scattered images generated from a beam passing through an optically thick object. This inverse problem makes use of a computationally efficient, two-dimensional forward problem based on neutron transport theory that effectively calculates the detector readings around the edges of an object. The forward problem solution uses a Step-Characteristic (SC) code with known uncollided source per cell, zero boundary flux condition and Sn discretization for the angular dependence. The calculation of the uncollided sources is performed by using an accurate discretization scheme given properties and position of the incoming beam and beam collimator. The detector predictions are obtained considering both the collided and uncollided components of the incoming radiation. The inverse problem is referred as an optimization problem. The function to be minimized, called an objective function, is calculated as the normalized-squared error between predicted and measured data. The predicted data are calculated by assuming a uniform distribution for the optical properties of the object. The objective function depends directly on the optical properties of the object; therefore, by minimizing it, the correct property distribution can be found. The minimization of this multidimensional function is performed with the Polack Ribiere conjugate-gradient technique that makes use of the gradient of the function with respect to the cross sections of the internal cells of the domain. The forward and inverse models have been successfully tested against numerical results obtained with MCNP (Monte Carlo Neutral Particles) showing excellent agreements. The reconstructions of several objects were successful. In the case of a single intrusion, TNTs (Tomography Neutron Transport using Scattering) was always able to detect the intrusion. In the case of the double body object, TNTs was able to reconstruct partially the optical distribution. The most important defect, in terms of gradient, was correctly located and reconstructed. Difficulties were discovered in the location and reconstruction of the second defect. Nevertheless, the results are exceptional considering they were obtained by lightening the object from only one side. The use of multiple beams around the object will significantly improve the capability of TNTs since it increases the number of constraints for the minimization problem.

Bei der Berechnung von Adjungierten, zum Debuggen und für ähnliche Anwendungen kann man die Umkehr der entsprechenden Programmauswertung verwenden. Der einfachste Ansatz, nämlich das Mitschreiben einer kompletten Mitschrift der Vorwärtsrechnung, welche anschließend rückwärts gelesen wird, verursacht einen enormen Speicherplatzbedarf. Als Alternative dazu kann man die Mitschrift auch stückweise erzeugen, indem die Programmauswertung von passend gewählten Checkpoints wiederholt gestartet wird. Das Ziel der Arbeit ist die Minimierung des von der Programmumkehr verursachten Zeit- und Speicherplatzbedarfs. Dieser wird gemessen in Auswertungswiederholungen bzw. verwendeten Checkpoints. Optimale Umkehrschemata werden für Ein- und Mehr-Schritt-Verfahren entwickelt, welche zum Beispiel bei der Diskretisierung einer gewöhnlichen Differentialgleichung Verwendung finden. Desweiteren erfolgte die Entwicklung von parallelen Umkehrschemata, d. h. mehrere Prozessoren werden für die Umkehrung der Programmauswertung eingesetzt. Diese zusätzlichen Prozessoren dienen dazu, die wiederholten Berechnungen des Programms zu parallelisieren, so daß ein Prozessor die Rückwartsrechnung ohne Unterbrechung durchführen kann. Sowohl für die seriellen als auch für die parallelen Umkehrschemata wurde gezeigt, daß die Länge der umzukehrenden Programmauswertung exponentiell in Abhängigkeit von der Zahl der verwendeten Checkpoints und der Zahl der wiederholten Auswertungen bzw. verwendeten Prozessoren wächst. / For adjoint calculations, parameter estimation, and similar purposes one may need to reverse the execution of a computer program. The simplest option is to record a complete execution log and then to read it backwards. This requires massive amounts of storage. Instead one may generate the execution log piecewise by restarting the ``forward'' calculation repeatedly from suitably placed checkpoints. The basic structure of the resulting reversal schedules is illustrated. Various strategies are analysed with respect to the resulting temporal and spatial complexity on serial and parallel machines. For serial machines known optimal compromises between operations count and memory requirement are explained, and they are extended to more general situations. For program execution reversal on multi-processors the new challenges and demands on an optimal reversal schedule are described. We present parallel reversal schedules that are provably optimal with regards to the number of concurrent processes and the total amount of memory required.

Bei der Berechnung von Adjungierten, zum Debuggen und für ähnliche Anwendungen kann man die Umkehr der entsprechenden Programmauswertung verwenden. Der einfachste Ansatz, nämlich das Mitschreiben einer kompletten Mitschrift der Vorwärtsrechnung, welche anschließend rückwärts gelesen wird, verursacht einen enormen Speicherplatzbedarf. Als Alternative dazu kann man die Mitschrift auch stückweise erzeugen, indem die Programmauswertung von passend gewählten Checkpoints wiederholt gestartet wird. Das Ziel der Arbeit ist die Minimierung des von der Programmumkehr verursachten Zeit- und Speicherplatzbedarfs. Dieser wird gemessen in Auswertungswiederholungen bzw. verwendeten Checkpoints. Optimale Umkehrschemata werden für Ein- und Mehr-Schritt-Verfahren entwickelt, welche zum Beispiel bei der Diskretisierung einer gewöhnlichen Differentialgleichung Verwendung finden. Desweiteren erfolgte die Entwicklung von parallelen Umkehrschemata, d. h. mehrere Prozessoren werden für die Umkehrung der Programmauswertung eingesetzt. Diese zusätzlichen Prozessoren dienen dazu, die wiederholten Berechnungen des Programms zu parallelisieren, so daß ein Prozessor die Rückwartsrechnung ohne Unterbrechung durchführen kann. Sowohl für die seriellen als auch für die parallelen Umkehrschemata wurde gezeigt, daß die Länge der umzukehrenden Programmauswertung exponentiell in Abhängigkeit von der Zahl der verwendeten Checkpoints und der Zahl der wiederholten Auswertungen bzw. verwendeten Prozessoren wächst. / For adjoint calculations, parameter estimation, and similar purposes one may need to reverse the execution of a computer program. The simplest option is to record a complete execution log and then to read it backwards. This requires massive amounts of storage. Instead one may generate the execution log piecewise by restarting the ``forward'' calculation repeatedly from suitably placed checkpoints. The basic structure of the resulting reversal schedules is illustrated. Various strategies are analysed with respect to the resulting temporal and spatial complexity on serial and parallel machines. For serial machines known optimal compromises between operations count and memory requirement are explained, and they are extended to more general situations. For program execution reversal on multi-processors the new challenges and demands on an optimal reversal schedule are described. We present parallel reversal schedules that are provably optimal with regards to the number of concurrent processes and the total amount of memory required.

For adjoint calculations, parameter estimation, and similar purposes one may need to reverse the execution of a computer program. The simplest option is to record a complete execution log and then to read it backwards. This requires massive amounts of storage. Instead one may generate the execution log piecewise by restarting the ``forward'' calculation repeatedly from suitably placed checkpoints. This thesis extends the theoretical results of the parallel reversal schedules. First a algorithm was constructed which carries out the ``forward'' calculation and distributes checkpoints in a way, such that the reversal calculation can be started at any time. This approach provides adaptive parallel reversal schedules for simulations where the number of time steps is not known a-priori. The number of checkpoints and processors used is optimal at any time. Further, an algorithm was described which makes is possible to restart the initial computer program during the program reversal. Again, this can be done without any additional computation at any time. Hence, optimal parallel reversal schedules for the bidirectional simulation are provided by this thesis. / Bei der Berechnung von Adjungierten, zum Debuggen und für ähnliche Anwendungen kann man die Umkehr der entsprechenden Programmauswertung verwenden. Der einfachste Ansatz, nämlich das Erstellen einer kompletten Mitschrift der Vorwärtsrechnung, welche anschließend rückwärts gelesen wird, verursacht einen enormen Speicherplatzbedarf. Als Alternative dazu kann man die Mitschrift auch stückweise erzeugen, indem die Programmauswertung von passend gewählten Checkpoints wiederholt gestartet wird. In dieser Arbeit wird die Theorie der optimalen parallelen Umkehrschemata erweitert. Zum einen erfolgt die Konstruktion von adaptiven parallelen Umkehrschemata. Dafür wird ein Algorithmus beschrieben, der es durch die Nutzung von mehreren Prozessen ermöglicht, Checkpoints so zu verteilen, daß die Umkehrung des Programmes jederzeit ohne Zeitverlust erfolgen kann. Hierbei bleibt die Zahl der verwendeten Checkpoints und Prozesse innerhalb der bekannten Optimalitätsgrenzen. Zum anderen konnte für die adaptiven parallelen Umkehrschemata ein Algorithmus entwickelt werden, welcher ein Restart der eigentlichen Programmauswertung basierend auf der laufenden Programmumkehr erlaubt. Dieser Restart kann wieder jederzeit ohne Zeitverlust erfolgen und die entstehenden Checkpointverteilung erfüllen wieder sowohl Optimalitäts- als auch die Adaptivitätskriterien. Zusammenfassend wurden damit in dieser Arbeit Schemata konstruiert, die bidirektionale Simulationen ermöglichen.

For adjoint calculations, parameter estimation, and similar purposes one may need to reverse the execution of a computer program. The simplest option is to record a complete execution log and then to read it backwards. This requires massive amounts of storage. Instead one may generate the execution log piecewise by restarting the ``forward'' calculation repeatedly from suitably placed checkpoints. This thesis extends the theoretical results of the parallel reversal schedules. First a algorithm was constructed which carries out the ``forward'' calculation and distributes checkpoints in a way, such that the reversal calculation can be started at any time. This approach provides adaptive parallel reversal schedules for simulations where the number of time steps is not known a-priori. The number of checkpoints and processors used is optimal at any time. Further, an algorithm was described which makes is possible to restart the initial computer program during the program reversal. Again, this can be done without any additional computation at any time. Hence, optimal parallel reversal schedules for the bidirectional simulation are provided by this thesis. / Bei der Berechnung von Adjungierten, zum Debuggen und für ähnliche Anwendungen kann man die Umkehr der entsprechenden Programmauswertung verwenden. Der einfachste Ansatz, nämlich das Erstellen einer kompletten Mitschrift der Vorwärtsrechnung, welche anschließend rückwärts gelesen wird, verursacht einen enormen Speicherplatzbedarf. Als Alternative dazu kann man die Mitschrift auch stückweise erzeugen, indem die Programmauswertung von passend gewählten Checkpoints wiederholt gestartet wird. In dieser Arbeit wird die Theorie der optimalen parallelen Umkehrschemata erweitert. Zum einen erfolgt die Konstruktion von adaptiven parallelen Umkehrschemata. Dafür wird ein Algorithmus beschrieben, der es durch die Nutzung von mehreren Prozessen ermöglicht, Checkpoints so zu verteilen, daß die Umkehrung des Programmes jederzeit ohne Zeitverlust erfolgen kann. Hierbei bleibt die Zahl der verwendeten Checkpoints und Prozesse innerhalb der bekannten Optimalitätsgrenzen. Zum anderen konnte für die adaptiven parallelen Umkehrschemata ein Algorithmus entwickelt werden, welcher ein Restart der eigentlichen Programmauswertung basierend auf der laufenden Programmumkehr erlaubt. Dieser Restart kann wieder jederzeit ohne Zeitverlust erfolgen und die entstehenden Checkpointverteilung erfüllen wieder sowohl Optimalitäts- als auch die Adaptivitätskriterien. Zusammenfassend wurden damit in dieser Arbeit Schemata konstruiert, die bidirektionale Simulationen ermöglichen.