Made available in DSpace on 2016-03-15T19:38:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Alfredo Almeida Araujo.pdf: 1307305 bytes, checksum: fd5b49227c52b28ef3a5392983927234 (MD5) Previous issue date: 2008-02-13 / This dissertation aims to describe the basic characteristics of microstructured fibers, their concept and performance, and to investigate the application of a low loss microstructured fiber to the development of Raman amplifiers. An analysis of the use of these amplifiers in Telecommunication applications is described. To this end, simulations were carried out with these waveguides with the data of a real fiber described in the literature. Simulations were also carried out to determine the amplifier s net gain and noise figure and to establish the advantages of its use in a complete optical fiber span, including the compensation dispersion in the O band (1260-1360 nm). As a result, it was demonstrated that the microstructured fiber presents, in some aspects, a performance that is higher than that of conventional Raman amplifiers, and complementary to that of a commercial amplifiers, such as those based on Erbium doped fiber. / Esta dissertação tem como objetivo descrever as características básicas das fibras microestruturadas, seu conceito e desempenho, e investigar a aplicação de uma fibra microestruturada de baixa perda para o desenvolvimento de amplificadores Raman. Uma análise do uso destes em aplicações de Telecomunicações é descrita. Para isso, foram realizadas simulações destes guias de onda com dados de uma fibra real descrita na literatura. Também foram realizadas simulações para verificação do ganho líquido e figura de ruído de um amplificador baseado nesta fibra e das vantagens de seu uso em um enlace óptico completo, incluindo compensação de dispersão para sinais da banda O (1260-1360 nm). Como resultado, demonstrou-se um desempenho superior em alguns aspectos aos amplificadores Raman convencionais, e complementar aos amplificadores disponíveis atualmente no mercado, como os baseados em fibra dopada com Érbio.

L’interface noyau-graine (ICB) est instable et une zone dendritique se forme sous des conditions très particulières, c’est à dire que la cristallisation est très lente par rapport à la convection très vigoureuse du noyau liquide. Afin de reproduire expérimentalement des conditions semblables, nous avons étudié une zone dendritique sous hyper gravite, dans une centrifugeuse. La hauteur de cette zone diminue quand la gravite augmente alors que la fraction solide augmente fortement : similairement, les études sismologiques suggèrent que la fraction solide dans la graine est proche de l’unité a l’ICB. De plus, la sismologie montre une graine très hétérogène en termes d’anisotropie élastique, d’atténuation ou de vitesse des ondes et met en lumière une forte dichotomie Est-Ouest. Celle-ci pourrait être engendrée par une translation de la graine qui provoquerait de la cristallisation sur une face et de la fusion sur l’autre. Cette hypothèse est testée en conduisant des expériences de cristallisation et de fusion d’une zone dendritique. Nous avons utilisé des ultrasons comme analogues aux ondes sismiques pour quantifier les changements de structure dans la zone dendritique à partir des mesures de l’atténuation et la diffraction. Extrapoles a la graine, nos résultats montrent que l’ICB pourrait fondre sur l’hémisphère Ouest et cristalliser sur l’hémisphère Est. D’autre part, avec du gaz xénon en hyper-gravite, nous avons observé un gradient adiabatique, pour la première fois dans un dispositif expérimental. Cette thèse montre la faisabilité de ces expériences et la possibilité de vérifier expérimentalement les approximations utilisées pour la convection compressible. / The inner core boundary (ICB) is unstable, and a mushy layer forms under very particular conditions in which the crystallization is very slow compared to the very vigorous convection of the liquid core. To mimic these conditions, we have investigated a mushy layer under hyper-gravity in a centrifuge. The thickness of a mushy layer decreases with gravity and the solid fraction increases. This is coherent with seismological studies suggesting that the solid fraction at the ICB is close to unity. Moreover, seismology shows that the inner core is very heterogeneous in terms of elastic anisotropy, attenuation or wave velocity and that there exists a strong East-West dichotomy on the ICB. One hypothesis is that the latter is due to a translation of the inner core that would cause crystallization on one hemisphere and melting on the other one. We have tested that hypothesis with experiments of solidification and melting of a mush. We have used ultrasounds as an analogue to the seismic waves to quantify structural changes in the mush from measurements of attenuation and scattering. From our observations, it is plausible that the ICB on the Western hemisphere s melting while it is solidifying on the Eastern hemisphere. In other experiments, using xenon gas under hyper-gravity, we have observed an adiabatic gradient for the first time. This thesis shows the feasibility of these experiments and the possibility to check experimentally the approximations used for compressible convection.

L'atténuation d'ondes à basse et haute fréquences dans les verres n'est pas encore bien comprise en grande partie car les phénomènes à l'origine de cette dissipation varient grandement en fonction de la fréquence. L’existence de structures complexes et organisation multi échelle dans les verres favorise l'apparition de temps de relaxation allant de la seconde à la femtoseconde et de corrélation prenant place de l’Angström à la centaine de nanomètre. A basse fréquence, une meilleur compréhension de ces phénomènes de dissipation serait bénéfique à de nombreux domaines. Par exemple, les multi-couches recouvrants les miroirs des interféromètres servant à détecter les ondes gravitationnelles sont réalisées à partir de verres d'oxyde (SiO2 et Ta2O5) qui sont une source majeur de dissipation. A haute fréquence, l'étude de la dissipation pose des questions théoriques sur le lien entre asymétrie locale et atténuation acoustique.Durant cette étude, nous avons réalisé une analyse approfondie de l'interaction entre ondes mécaniques et structure des verres en utilisant des techniques de simulations telle que la dynamique moléculaire. En partant de la synthèse de verres de SiO2 et Ta2O5, nous nous sommes appliqués à trouver l'origine structurelle de la dissipation aux différentes échelles de fréquence. A basse fréquence nous avons été capable de catégoriser les déplacements atomiques à l'origine de la dissipation en utilisant la théorie des états à deux niveaux. A haute fréquence, nous avons utilisé une technique de spectroscopie mécanique appuyé par un développement analytique pour montrer l'importance du désordre local dans l’existence de dissipation / The origin of sound attenuation at low and high frequency in glasses stays elusive mainly because of the complex temperature and frequency dependence of the phenomena at its root. Indeed, the presence of complex structures and multi-scale organizations in glasses induce the existence of relaxation time ranging from the second to the femto-second and of spatial correlation ranging from the Angström to a hundred nanometers. At low-frequency, a better understanding of the phenomena at the origin of dissipation would be beneficial to several applications. For example, the multi-layers coating the mirrors of gravitational waves detectors consists of a superposition of two oxide glasses: silicate (SiO2) and tantalum pentoxide (Ta2O5), are an important source of dissipation. At high frequency, the study of dissipation raises theoretical questions about the link between attenuation and dissipation as well as between loclt asymmetry and dissipation. In the present study, we conducted an analysis of the interaction between mechanical waves and the structure of two oxide glasses using simulation techniques such as non-equilibrium molecular dynamics. At high-frequencies, we implemented and used mechanical spectroscopy to measure dissipation numerically and performed in parallel an analytical development based on the projection of the atomic motion on the vibrational eigenmodes. At low-frequencies, we used molecular dynamics to gather sets of thermally activated events that we classed in three categories based on topologically distinct atomic motions and from which we predicted dissipation numerically using a refreshed TLS model

Mon travail de thèse s’est développé, pour le cas particulier des observations satellitales à partir de l’orbite géostationnaire. Le but général a été de caractériser la variabilité diurne des propriétés optiques inhérentes (i.e. les coefficients d‘atténuation et de rétrodiffusion particulaire, cp et bbp) et apparentes (i.e. la réflectance, R) des eaux océaniques (« forme » du cycle diurne, amplitude, variations saisonnières, causes). Ces propriétés optiques déterminent le signal qu’un instrument embarqué à bord d’un satellite peut observer. Cette étude est une étape préliminaire permettant de comprendre la physique du problème, avant de pouvoir évaluer la possibilité de quantifier cette variabilité diurne à partir des observations satellitaires. La variabilité diurne de cp et bbp est donc étudiée en fonction des saisons définies selon les conditions physico-trophiques: le mélange, le bloom, son déclin, et l’oligotrophie. cp et bbp sont caractérisés par un cycle diurne, augmentation le jour et diminution la nuit, confirmant les tendances générales connues. Ce phénomène se produit durant toutes les saisons avec une variabilité intra-saisonnière qui différencie les cycles de cp et bbp: cp montre une amplitude plus large durant le bloom, contrairement à bbp les minima de cp et bbp sont synchronisés tandis que les maxima de bbp sont atteints 3 à 6 h avant ceux de cp, sauf pendant le bloom. L’augmentation journalière de bbp se reflète dans les changements de R. Toutefois, les résultats ont montré que l’inversion ne permet pas de reproduire l’augmentation journalière de bbp de façon satisfaisante. Les techniques d’inversion existantes ne sont pas adaptées pour une utilisation à haute fréquence. / My thesis is developed for the particular case of satellites observations from geostationary orbit. The overall aim was to characterize the diel variability of water inherent (i.e. the particulate beam attenuation and backscattering coefficients, cp and bbp) and apparent (i.e. reflectance, R) optical properties (“shape”of diel cycle, amplitude, seasonal variations, origins). These properties determine the signal which is observed from sensor aboard satellite. This study is a preliminary step in understanding the physical problem, before assessing the possibility of quantifying the diel variability from satellite observations. Diel variability of cp and bbp is studied by season, as defined by physical and trophic conditions: mixing, bloom proliferation, its decline, and oligotrophy. Both cp and bbp are characterized by a diel cycle of daytime increase and nighttime decrease, confirming known general trends. This occurs across all seasons, but intra-seasonal variability differed between cp and bbp cycles: unlike bbp, cp show larger amplitude of diurnal variation during the bloom cp and bbp minima are synchronized while bbp minima are attained 3-6 h before those of cp, except during the bloom. Daily changes of R are consistent with the variations of bbp. Nevertheless, it is still difficult to reproduce the diurnal increase of bbp by inversion of R. The differences observed between in situ and modeled values of bbp suggest that the performance of inversion is degraded when it is used at high frequency.

Magister Scientiae - MSc / The time bound agenda of the Millennium Development Goals (MDG's) aims at reducing poverty, extending gender equality and advancing opportunities for health and education by addressing current and future water resource and sanitation needs. In many rural areas of South Africa, the cost implication of routing surface water supplies and providing water borne sewerage may far exceed the budgets of local water service authorities. This has resulted in a major thrust in service provision via localised sources, mainly boreholes and springs as well as on site sanitation options. Whilst the National Water Act (Act 36 of 1998) mandates the South African government to provide potable water to all citizens in an equitable manner, this needs to be balanced against the preservation of the country’s water resources both quantitatively and qualitatively to ensure sustainability. It is imperative that this fine balance between protection and effecting societal demands and economic development through large-scale water provision be maintained, as successful strategising will be resultant of integrated social, economic and environmental issues especially in economically developing countries. In order to fulfil the mandate of the NWA, policies and strategies for effective protection and use of groundwater resources have been drawn up and are in the process of being drawn up by the national Department of Water Affairs and Forestry (DWAF). The major scope of research in this thesis stems from feasibility studies commissioned by the DWAF for the implementation of a groundwater protection zoning policy for the management and protection of groundwater resource quality. The research work focuses on specifically the microbiological zone of protection and attempts to determine the fate of various pathogens that emanate from on site sanitation facilities as they move through the subsurface. The research was predominantly proposed as a desktop collation and analysis of existing published data however; it was later decided to include a local case study site. / South Africa

Philosophiae Doctor - PhD / In the first experiment high spin states in 194Tl, excited through the 181Ta (18O, 5n) heavyion fusion evaporation reaction were studied using the AFRODITE array at iThemba LABS. The γ-γ coincidences, RAD ratios and linear polarization measurements were carried out and the previously known level scheme of 194Tl was significantly extended. A total of five rotational bands four of which are new were observed. A pair of rotational bands associated with the πh9/2 ⊗ νi−1 13/2 configuration at lower spins and with the πh9/2 ⊗ νi−3 13/2 configuration at higher spins was found and interpreted as the first possible chiral bands followed above the band crossing. The two 4-quasiparticle bands show exceptionally close near-degeneracy in the excitation energies. Furthermore close similarity is also found in their alignments and B(M1)/B(E2) reduced transition probability ratios. In the second experiment lifetimes in 194Tl were measured using the DSAM technique with the excited states in this nucleus populated through the 181Ta (18O, 5n) reaction. A total of 25 lifetimes and 30 reduced transition probabilities of magnetic dipole B(M1) and electric quadrupole B(E2) have been evaluated. Furthermore B(M1) and B(E2) reduced transition probabilities in Bands 1 and 4, which have been regarded as chiral candidates, were found to be close to each other and reveals strong splitting along spin values. This further supports the proposed chiral nature of these two bands.

L’atténuation des bruits gênants dans une automobile est classiquement réalisée par ajustement des caractéristiques mécaniques du véhicule : masse, raideur et amortissement. C’est une approche dite passive. Malheureusement, elle induit un ajout de masse important pour traiter les basses fréquences. Le contrôle actif de bruit (atténuation d’un bruit par superposition d’un contrebruit) est actuellement envisagé comme une solution possible à ce problème. L’objectif de cette thèse est d’évaluer les performances atteignables par cette solution. Un système acoustique étant par essence fortement résonant, sa modélisation sur une large plage de fréquence conduit à des modèles d’ordre élevé, pour l’obtention desquels une méthode d’identification appropriée doit être utilisée. C’est la méthode dessous espaces par approche fréquentielle dans le domaine continu qui a été retenue.La traduction du cahier des charges conduit à un problème de régulation multivariable H1 multi-objectif et multi-modèle avec contrainte de stabilité forte. Par ailleurs, actionneurs et capteurs ne sont pas colocalisés et on ne mesure pas la perturbation à rejeter. La volonté d’évaluer au plus près les performances atteignables justifie la résolution du problème par optimisation non lisse. Cette approche évite tout pessimisme, mais nécessite de par son caractère local une bonne initialisation et une structuration du régulateur parcimonieuse.La méthodologie proposée a été validée en simulation et expérimentalement. Elle permet une évaluation et une comparaison précises des performances atteignables en fonction des contraintes sur les mesures et les moyens d’action disponibles. / Classical methods used for noise reduction in cars are based on adjusting the mechanical properties: mass, stiffness and damping. They are qualified as passive and induce significative addition of weight for reducing low frequency noises. Active noise control is seen as a possible solution to achieve low frequency noise attenuation and weight reduction.The goal of this work is to evaluate achievable performances with such solution.Acoustic enclosures are known to be resonant systems of highorder. Obtaining a model of it, therefore requires a suitable identification method. The approach chosen is based on subspace methods. It processes data in the frequency domain for obtaining a continuous time model.The control problem derived from the specifications is a MIMO H1, multi-objective and multi-model problem with a strong stability constraint. Futhermore, actuators and sensors are not-colocated, and no measure of the disturbance is available. In order to precisely evaluate the achievable performances, this problem is solved using non smooth optimization.Such approach ensures the absence of pessimism, but requires an appropriate initialization and a parsimonious controller structure, because it does not ensure convergence toward the global optimum. The proposed methodology was validated in simulation and experimentally. It allows a precise evaluation and comparison of achievable performances according to the constraints on available measures and means of action.

La génétique inverse est devenue une méthode clé pour la production de virus à ARN génétiquement modifiés et pour comprendre les propriétés cellulaires et biologiques des virus. Cependant les méthodes les plus fréquemment utilisées, basées sur le clonage de génomes viraux complets dans des plasmides, sont laborieuses et imprévisibles. La première partie de cette thèse présente des études sur la mise au point d'un nouveau système de génétique inverse, appelé méthode ISA (Amplicons-Sous génomique-Infectieux), qui permet la génération, en quelques jours, de virus infectieux sauvages et génétiquement modifiés appartenant à trois familles différentes de virus à ARN simple brin de polarité positive, avec une grande maîtrise des séquences virales. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons appliqué pour la première fois à un arbovirus (CHIKV), le ré-encodage des codons - une méthode développée récemment et très excitante pour le développement de vaccins vivants atténués. En utilisant une approche aléatoire de ré-encodage des codons qui attribue au hasard des codons sur la base de la séquence en acides aminés correspondante, nous avons mis en évidence des pertes importantes de fitness réplicatif sur des cellules de primates et d'arthropodes. La diminution du fitness réplicatif est en corrélation avec le degré de ré-encodage, une observation qui peut aider à la modulation de l'atténuation virale. En utilisant l'expérience acquise avec le CHIKV, nous avons transposé avec succès ce mécanisme d'atténuation au JEV et amélioré notre maîtrise du processus d'atténuation en utilisant une combinaison de la synthèse de novo et de la méthode ISA. / Reverse genetics has become a key methodology for producing genetically modified RNA viruses and deciphering cellular and viral biological properties, but the most commonly used methods, based on the preparation of plasmid-based complete viral genomes, are laborious and unpredictable. The first part of this thesis presents studies relating to the development of a new reverse genetics system, designated the ISA (Infectious-Subgenomic-Amplicons) method, which enabled the generation of both wild-type and genetically modified infectious viruses belonging to three different families of positive, single stranded RNA viruses within days with great control of the viral sequences. In the second part of this thesis, we applied for the first time to an arbovirus (CHIKV), codon re-encoding - a recently developed and very exciting method for the development of live attenuated vaccines. Using a random codon re-encoding approach which randomly attributed nucleotide codons based on their corresponding amino acid sequence, we identified major fitness losses of CHIKV in both primate and arthropod cells. The decrease of replicative fitness correlated with the extent of re-encoding, an observation that may assist in the modulation of viral attenuation. Detailed analysis of these observed replicative fitness losses indicated that they are the consequence of several independent re-encoding induced events. Using the experience acquired on the CHIKV, we successfully transposed this attenuation mechanism to JEV and improved our control of the attenuation process by using a combination of de novo synthesis and the ISA method.

Le ré-encodage aléatoire des codons à grande échelle est une nouvelle méthode d'atténuation virale qui consiste en l'insertion d'un grand nombre de mutations synonymes, individuellement peu délétères, de façon aléatoire dans une ou plusieurs régions codantes d'un virus. Cette approche permet de diminuer de façon significative et modulable le fitness réplicatif des virus in cellulo et in vivo, ainsi que la pathogénicité du virus chez la souris, tout en induisant une protection immunitaire spécifique et efficace lors d'une nouvelle infection par le virus sauvage. Les virus ré-encodés présentent également une grande stabilité et une absence de réversion ce qui en font des candidats vaccins très prometteurs en termes d'efficacité et de fiabilité pour la conception de candidats vaccins vivants atténués contre une grande variété de virus à ARN. La combinaison du ré-encodage aléatoire et d'une nouvelle méthode de génétique inverse permettant de générer de nouveaux virus en quelques jours: ISA (Amplicon Subgenomique Infectieux), est une approche prometteuse qui pourrait aider au développement de vaccins vivants atténués de nouvelle génération en un temps record. / Large-scale random codon re-encoding is a new method of viral attenuation consisting in the insertion of a high number of slightly deleterious synonymous mutations, randomly, in one or several coding regions of a virus. This approach significantly reduces the replicative fitness of re-encoded viruses in cellulo and in vivo, as viral pathogenicity, while inducing a specific and effective immune response in mice against a new infection with wild-type viruses. Re-encoded viruses also present a high stability and an absence of reversion, making them promising vaccine candidates in term of reliability and efficiency for the conception of new vaccine candidates against a wide variety of RNA viruses. Combination of random re-encoding with a new method of revers genetics allowing to generate new viruses in days : ISA (Infectious Subgenomic Amplicons) would be very helpful to develop new-generation vaccine candidates.

Nous nous intéressons au contrôle non destructif par ultrasons des matériaux industriels. En pratique, les signaux réceptionnés par le transducteur ultrasonore sont analysés pour détecter les discontinuités de la pièce inspectée. L'analyse est néanmoins rendue difficile par l'acquisition numérique, les effets de la propagation ultrasonore et la superposition des échos lorsque les discontinuités sont proches. La déconvolution parcimonieuse est une méthode inverse qui permet d'aborder ce problème afin de localiser précisément les discontinuités. Ce procédé favorise les signaux parcimonieux, c'est à dire ne contenant qu'un faible nombre de discontinuités. Dans la littérature, la déconvolution est généralement abordée sous l'hypothèse d'un modèle invariant en fonction de la distance de propagation, modalité qui n'est pas appropriée ici car l'onde se déforme au cours de son parcours et en fonction des discontinuités rencontrées. Cette thèse développe un modèle et des méthodes associées qui visent à annuler les dégradations dues à l'instrumentation et à la propagation ultrasonore, tout en résolvant des problèmes de superposition d'échos. Le premier axe consiste à modéliser la formation du signal ultrasonore en y intégrant les phénomènes propres aux ultrasons. Cette partie permet de construire un modèle linéaire mais non invariant, prenant en compte l'atténuation et la dispersion. L'étape de modélisation est validée par des acquisitions avec des matériaux atténuants. La deuxième partie de cette thèse concerne le développement de méthodes de déconvolution efficaces pour ce problème, reposant sur la minimisation d'un critère des moindres carrés pénalisé par la pseudo-norme L0. Nous avons développé des algorithmes d'optimisation spécifiques, prenant en compte, d'une part, un modèle de trains d'impulsions sur-échantillonné par rapport aux données, et d'autre part le caractère oscillant des formes d'onde ultrasonores. En utilisant des données synthétiques et expérimentales, ces algorithmes associés à un modèle direct adapté aboutissent à de meilleurs résultats comparés aux approches classiques pour un coût de calcul maîtrisé. Ces algorithmes sont finalement appliqués à des cas concrets de contrôle non destructif où ils démontrent leur efficacité. / This thesis deals with the ultrasonic non destructive testing of industrial parts. During real experiments, the signals received by the acoustic transducer are analyzed to detect the discontinuities of the part under test. This analysis can be a difficult task due to digital acquisition, propagation effects and echo overlapping if discontinuities are close. Sparse deconvolution is an inverse method that aims to estimate the precise positions of the discontinuities. The underlying hypothesis of this method is a sparse distribution of the solution, which means there are a few number of discontinuities. In the literature, deconvolution is addressed by a linear time-invariant model as a function of propagation distance, which in reality does not hold.The purpose of this thesis is therefore to develop a model and associated methods in order to cancel the effects of acquisition, propagation and echo overlapping. The first part is focused on the direct model development. In particular, we build a linear time-variant model that takes into account dispersive attenuation. This model is validated with experimental data acquired from attenuative materials. The second part of this work concerns the development of efficient sparse deconvolution algorithms, addressing the minimization of a least squares criterion penalized by a L0 pseudo-norm. Specific algorithms are developed for up-sampled deconvolution, and more robust exploration strategies are built for data containing oscillating waveforms. By using synthetic and experimental data, we show that the developed methods lead to better results compared to standard approaches for a competitive computation time. The proposed methods are then applied to real non destructive testing problems where they confirm their efficiency.