Made available in DSpace on 2014-10-09T12:47:34Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:10:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 08989.pdf: 4487879 bytes, checksum: e80261387f79b3fc70c007567515777d (MD5) / Dissertacao (Mestrado Profissionalizante em Lasers em Odontologia) / IPEN/D-MPLO / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares, IPEN/CNEN-SP; Faculdade de Odontologia, Universidade de Sao Paulo

Orientador: Silvio A. S. Vitiello / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-11T05:46:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Reis_MarceloAugustodos_M.pdf: 11400954 bytes, checksum: da0c111de1e988997b785a1a91546049 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Este trabalho propõe duas funções de onda variacionais baseadas no conceito de partículas sombra e que descrevem a fase sólida dos sistemas formados por átomos de 4He. Uma delas, denominada Função de Onda Sombra Livre e Periódica (PFS) fornece bons resultados para esta fase aferidos pelas suas propriedades, entre elas as energias do sistema e a distribuição radial de pares que se mostraram em bom acordo com outros resultados da literatura. A outra, denominada Função de Onda Sombra Periódica (PS) além de fornecer bons resultados para as propriedades de interesse, se destaca por conseguir descrever a fase supersólida e desse modo predizer uma Condensação de Bose-Einstein na fase sólida. Todos os resultados que obtivemos foram decorrentes de nossas próprias implementações numéricas através do método Monte Carlo Variacional / Abstract: This work proposes two variational wave functions based on the concept of shadow particles that describes the solid phase of systems formed by atoms of 4He. One of them, called Periodic Free Shadow Wave Function (PFS) provides good results for this phase like the energies of the system and the Radial Distribution Function that proved to be in good agreement with other results of the literature. The other, called the Periodic Shadow Wave Function (PS) in addition to providing good results for these properties, describes the supersolid phase and thus predicts a Bose-Einstein Condensation of the solid phase. All the results that have been obtained are due to our own numerical implementations of the Variational Monte Carlo method / Mestrado / Física da Matéria Condensada / Mestre em Física

Orientador: Silvio Antonio Sachetto Vitiello / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-19T15:54:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 RugelesVargas_ElkinJezzid_M.pdf: 2457986 bytes, checksum: a05f1eaea9e1009565c9c9e1adb72150 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Neste trabalho estudamos o comportamento das energias do 4He sólido a baixas temperaturas para diferentes densidades, utilizando-se os métodos complementares de Difusão Monte Carlo (DMC) para a temperatura de 0 K e Integrais de Trajetória Pelo Método de Monte Carlo (PIMC) para as temperaturas de 1 e 2 K. Como os operadores das energias cinética ^T e potencial Û não comutam, utilizou-se o teorema de Hellman-Feymann no método DMC e propriedades termodinâmicas da energia no método PIMC, para estimar-se a energia cinética e potencial do sistema. Obtivemos resultados com um acordo muito bom com dados experimentais da literatura. O estudo da energia cinética é de interesse em sistemas que obedecem a simetria de Bose-Einstein, onde um decréscimo da energia cinética, abaixo de uma temperatura crítica Tc, pode ser considerado como uma evidência da condensação / Abstract: In this work we have studied the behavior of the energies in solid 4He at low temperatures for different densities, using two complementary methods, of Diffusion Monte Carlo (DMC) method for a temperature of 0 K and Path Integrals by Monte Carlo (PIMC) method at temperatures of 1 and 2 K. Due to the fact that the kinetic ^ T and potential ^U operators do not commute, the Helman-Feyman theorem was used in the DMC method, and thermodynamic properties of the energy in PIMC method, to estimate the kinetic and potential energy of the system. We obtained results in a good agreement with experimental data. The study of the kinetic energy is interesting in systems that obey the Bose-Einstein symmetry, where a decrease in its value, below a critical temperature Tc, can be considered as an evidence of the existence of a condensate / Mestrado / Física / Mestre em Física

In order to examine the usefulness of the multi breath helium dilution method (MB) it was compared to the single breath helium dilution method (SB) and body plethysmography (BP). Residual volume (RV), total lung capacity (TLC) and vital capacity (VC) were measured in seventeen subjects with obstructive (11) or restrictive (6) lung disease and four normal subjects. With information from professional literature and current periodicals, advantages and disadvantages with all three methods were compared. ANOVA and Student's t-test were performed on the measurement results. The results of the statistical tests tell us there are differences among the methods in the group of obstructive patients. They also reveal a notable difference between the MB and SB methods when measuring the same parameter. In addition, it was noted that none of the existing sets of prediction equations fulfill the requirements established on high quality lung function testing. Although a thorough evaluation of the reproducibility of the method is still required, it appears to be a viable alternative to body plethysmography. We claim that measuring the above mentioned static lung volumes with only the single breath helium dilution method cannot be considered a satisfactory practice.

Les conditions thermodynamiques régnant au sein des planètes géantes telles que Jupiter, Saturne et bon nombre des exoplanètes découvertes quotidiennement, impliquent que les interactions entre particules – atomes, ions, électrons – sont prépondérantes dans les enveloppes planétaires, principalement composées d'hydrogène et d'hélium, et déterminent les propriétés mécaniques et thermiques de ces objets. La caractérisation de ces plasmas denses est donc cruciale pour comprendre la structure et l'évolution de ces planètes géantes. Les simulations ab initio, utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité, ont montré leurs performances pour la caractérisation des espèces pures dans leur phase plasma dense, en reproduisant correctement les résultats des expériences de chocs par laser haute-puissance. Néanmoins, des écarts importants perdurent entre modèles planétaires et observations. Ils sont attribués à la non-idéalité du mélange H-He et de possibles transitions de phase. Dans ce travail de thèse, ces méthodes numériques ab initio ont été appliquées au cas des mélanges H-He. L'étude thermodynamique a révélé des déviations sensibles par rapport aux prédictions obtenues pour des mélanges idéaux. Par ailleurs, les calculs des propriétés de transport (conductivité électrique, thermique, propriétés optiques...) ont montré une transition isolant-conducteur du mélange, notamment par l'ionisation de l'hydrogène. Celle-ci s'accompagne, dans un certain domaine de paramètres, d'une séparation de phase entre l'hydrogène conducteur et l'hélium neutre. Ces calculs ont également permis d'établir des diagnostics pour les expériences laser, afin de pouvoir corroborer cet ensemble de résultats et obtenir, à terme, une équation d'état fiable du mélange H-He, applicable aux planètes géantes. / The thermodynamical conditions inside the giant planets - like Jupiter, Saturn or many of the daily discovered exoplanets – are such that the interactions between particles – atoms, ions, electrons – are highly dominant in the physics of giant planets envelope s, mostly made of hydrogen and helium in a plasma phase. The heat and mechanical properties of these planets are mainly determined by these interactions. Thus, it is of crucial interest to study these dense plasmas to understand the structure and the evolution of the giant planets. The dense plasma phase of the pure compounds has been successfully characterized by ab initio simulations using density functional theory. For instance, they correctly reproduced the results obtained in high-power laser chock experiments. Nevertheless, large discrepancies remain between planetary models and observations. A proposed hypothesis is a strong influence of the H-He mixture non-ideality and possible phase separations. In this work, these ab initio numerical methods have been applied to the H-He mixtures. The thermodynamical study has shown sensitive deviations from ideal mixtures. The estimates of the transport properties (electrical and heat conductivities, optical properties...) indicate an insulator-conductor transition in the mixture, associated with hydrogen ionization. In some conditions, demixing of conducting hydrogen and neutral helium has also been observed. These computations have allowed us to determine pathways to verify our results through laser experiments. This is the first step in the establishment of a reliable equation of state of H-He mixtures, usable in giant planets modeling.

Ce mémoire est consacré au développement et à l'application d'une méthode permettant de caractériser finement les propriétés physiques (densité d'hélium, pression, diamètre, morphologie) de bulles d'hélium de taille nanométrique pour in fine améliorer la compréhension du comportement de ces nano-systèmes. L'approche que nous avons choisie est basée sur la spectroscopie de pertes d'énergie des électrons et l'acquisition de spectres images en microscopie électronique en transmission filtrée en énergie. Les différentes étapes d'acquisition, de correction des aberrations, et de traitement des spectres sont détaillées. L'erreur sur la mesure est estimée, et des améliorations potentielles de la méthode sont discutées. Nous montrons de plus que cette approche permet non seulement de dépasser les limites imposées par la microscopie électronique en transmission à balayage habituellement utilisée, mais aussi d'aller au-delà, en terme de statistique notamment. Nous appliquons ensuite notre méthode pour déterminer les propriétés physiques de bulles d'hélium dans le silicium, lors de recuits thermiques in situ dans le microscope. L'évolution des caractéristiques morphologiques des bulles est mise en rapport avec la variation de la densité d'hélium qu'elles contiennent suite à ces recuits. Les valeurs de densité et de pression obtenues sont comparées aux valeurs disponibles dans la littérature par des méthodes expérimentales ou numériques. Enfin, le transfert de notre méthode pour l'étude de bulles dans d'autres matrices (germanium, carbure de silicium, euxénite) est discuté. / This thesis is dedicated to the development and application of a method allowing for the fine characterization of the physical properties (density, diameter, pressure and morphology) of helium bubbles at the nanometric scale, to eventually improve the understanding of the behavior of these nano-systems. The chosen approach is based on electron energy loss spectroscopy and the acquisition of spectral images by energy-filtered transmission electron microscopy. The acquisition, aberration correction, and data analysis steps are detailed. The measurement error is estimated, and potential improvements are discussed. We additionally show that this method is not only able to overcome the limits imposed by commonly used scanning transmission electron microscopy, but also to go further, notably in a statistical way. We then apply our method to determine the physical properties of helium bubbles in silicon, during in situ thermal annealing in the microscope. The evolution of the morphological characteristics of the bubbles is put in relation with the variation of the density of the helium contained following these annealings. The density and pressure values are compared to those available in the litterature through experimental and numerical methods. Finally, the translation of this method towards the study of bubbles in other matrices (germanium, silicon carbide, euxenite) is discussed.

L'hélium solide métastable est un candidat possible pour la supersolidité. Notre équipe a démontré en 2011 qu'on pouvait obtenir de l'hélium solide métastable à des pressions inférieures à la pression de fusion à l'aide d'une onde acoustique focalisée. Cependant, une instabilité inattendue apparaît lorsque la pression locale du crystal atteint 21 bar c'est à dire 4 bar sous la pression de fusion. J'ai donc commencé ma thèse en étudiant le temps d'apparition de l'instabilité, et j'ai confirmé qu'elle apparaît toujours dans des phases de décompression de l'onde sonore, c'est à dire à une pression inférieure à la pression de fusion. Ensuite, j'ai étudié la limite de cavitation de l'hélium superfluide à pression négative. En utilisant une méthode interférométrique développée par mon prédécesseur Fabien Souris, j'ai mesuré directement la densité de cavitation de l'hélium superfluide métastable. J'ai trouvé que, à 1 K, l'hélium superfluide cavite lorsque sa densité locale a diminué de 8.4%. En utilisant une équation d'état bien établie théoriquement, on peut convertir ce résultat en pression de cavitation pour le comparer avec ceux obtenus par d'autres groupes. À ma grande surprise, mon résultat n'est pas compatible avec ces derniers. Cette incompatibilité soulève des questions intéressantes quant à la possibilité de nucléation de la bulle sur des vortex quantifiés. Enfin, j'ai étudié la dynamique de la bulle d'hélium déclenchée par la cavitation. En analysant l'équation du mouvement de la bulle et le transfert de chaleur correspondant, j'ai expliqué avec succès pourquoi la durée de vie de la bulle a une transition dramatique quand l'hélium passe de liquide normal à superfluide. / Metastable solid helium is a possible candidate for supersolidity. In 2011, our group has demonstrated that we could obtain the metastable solid helium at pressures below the melting pressure using a focused acoustic wave. However, an unexpected instability occurs when the local pressure of the crystal reaches 21 bar which is 4 bar below the melting pressure. So I started my thesis by studying the appearance time of the instability, and I confirmed that it always appears at the low pressure swing of the acoustic wave. Then, I studied the cavitation limit of superfluid helium at negative pressure. Using an interferometric method developed by my predecessor Fabien Souris, I directly measured the cavitation density of metastable superfluid helium. I found that at 1 K, superfluid helium cavitates when its local density is lowered by 8.4%. Using a theoretically well-established equation of state, this result can be converted to a cavitation pressure in order to compare our results with those obtained by others groups. To my surprise, my result is not consistent with the others'. This incompatibility raises interesting questions about the possibility of nucleation of the bubble on quantified vortices. Finally, I studied the dynamics of the helium bubble triggered by cavitation. By analyzing the equation of motion of bubble and the corresponding heat transfer, I have successfully explained why the bubble's lifetime has a dramatic transition as the helium passes from normal liquid to superfluid.

La présence de l’hélium induite par le fonctionnement des futurs réacteurs à neutrons rapides et à fusion dans les matériaux de cœur peut entrainer une dégradation de leurs propriétés mécaniques (durcissement, gonflement, fragilisation). Pour poursuivre le développement des alliages de structure, il est nécessaire d’acquérir une meilleure compréhension de l’interaction entre l’He et les structures métalliques donc le point en commun est de comporter comme métal de base un élément de cristallographie cubique centrée (CC), notamment le fer et le vanadium.L’implantation ionique d’ions 4He a été utilisée pour simuler les effets d’endommagement liés à l’insertion d’He, la création des défauts ponctuels (lacunes, interstitiels) et la formation des amas hélium-lacunes dans les futurs réacteurs. L’évolution du comportement de l’He dans le fer et le vanadium purs a été mise en évidence tant du point de vue de la nature des sites de piégeage que du point de vue des mécanismes de migration de l’He et de germination et croissance de bulles associés, en s'appuyant sur un couplage original de techniques. Les résultats obtenus mettent en avant une différence de comportement entre les deux métaux CC, bien que certains mécanismes impliqués soient similaires. Les défauts microstructuraux, notamment les joints de grains, et la concentration d’He implantée (fluence) joueront des rôles clés sur le comportement de l’He à haute température.Les données expérimentales acquises couplées avec des méthodes de simulation serviront de point de départ pour développer une approche cinétique et thermodynamique du comportement de l’He dans les éléments constitutifs des alliages d’intérêt nucléaire. / The presence of helium produced during the operation of future fast reactors and fusion reactors in core structural materials induces a deterioration of their mechanical properties (hardening, swelling, embrittlement).In order to pursue the development of the metallic structural alloys, it is necessary to comprehend the He interaction with the metal lattice thus the point in common is the study of the metallic components with body-centered cubic structure (bcc) of future alloys, such as iron and/or vanadium.Ion implantation of ions 4He was employed with the aim of simulating the damaging effects associated with the helium accumulation, the point defects’ creation (vacancies, self-interstitials) and the He cluster formation in future reactors. Helium evolution in pure iron and pure vanadium has been revealed from the point of view of the trapping sites’ nature and well as the helium migration mechanisms and the nucleation/growth of bubbles. These phenomena were studied by coupling different complementary techniques. Despite of the fact that some mechanisms involved seem to be similar for both bcc metals, the comparison between the helium behavior in iron and vanadium shows certain differences. Microstructural defects, including grain boundaries and implanted helium concentration (dose) in both bcc metals will play significant roles on the helium behavior at high temperature.The acquired experimental data coupled with simulation methods contribute to the future development in terms of kinetic and thermodynamic data management of helium behavior in the metal components of the alloys of nuclear interest.

Deep well injection into non-potable saline aquifers of treated domestic wastewater has been used in Florida for decades as a safe and effective alternative to ocean outfall disposal. The objectives of this study were to determine the fate and transport of injected wastewater at two deep well injection sites in Miami Dade County, Florida, USA. Detection of ammonium in the Middle Confining units of the Floridan aquifer above the injection zone at both sites has been interpreted as evidence of upward migration of injected wastewater, posing a risk to underground sources of drinking water. Historical water quality data, including ammonia, chloride, temperature, and pH from existing monitoring wells at both sites from 1983 to 2008, major ions collected monthly from 2006 and 2008, and a synoptic sampling event for stable isotopes, tritium, and dissolved gases in 2008, were used to determine the source of ammonium in groundwater and possible migration pathways. Geochemical modeling was used to determine possible effects of injected wastewater on native water and aquifer matrix geochemistry. Injected wastewater was determined to be the source of elevated ammonium concentrations above ambient water levels, based on the results of major ion concentrations, tritium, dissolved noble gases and 15N isotopes analyses. Various possible fluid migration pathways were identified at the sites. Data for the south site suggest buoyancy-driven vertical pathways to overlying aquifers bypassing the confining units, with little mixing of injected wastewater with native water as it migrated upward. Once it is introduced into an aquifer, the injectate appeared to migrate advectively with the regional groundwater flow. Geochemical modeling indicated that CO2 -enriched injected wastewater allowed for carbonate dissolution along the vertical pathways, enhancing permeability along these flowpaths. At the north site, diffusive upward flow through the confining units or offsite vertical pathways were determined to be possible, however no evidence was detected for any on-site confining unit bypass pathway. No evidence was observed at either site of injected wastewater migration to the Upper Floridan aquifer, which is used as a municipal water supply and for aquifer storage and recovery.

Au cours des dernières décennies, le phénomène de quench a été une des problématiques les plus importantes abordées dans les conceptions d’aimants supraconducteurs. En effet, la transition de quench d’un aimant de son état supraconducteur à son état normal induit une grande quantité de l’énergie par effet Joule. Cet apport de chaleur va ensuite augmenter rapidement la température du conducteur ainsi que la pression du liquide de refroidissement à l’hélium. Le dépassement d’un certain seuil sur ces deux paramètres peut engendrer une détérioration irréversible à l’aimant et au système de refroidissement cryogénique. Afin de mettre en évidence les comportements de quench des bobines supraconductrices à champ toroïdal (TF) du Tokamak JT-60SA, nous avons réalisé des études expérimentales et numériques sur les phénomènes thermohydrauliques résultant du quench d’un aimant supraconducteur fabriqué en câble-en-conduit conducteur (CICC) et refroidi par l’écoulement forcé à l’hélium supercritique. Dans ce cadre, toutes les 18 TF bobines de JT-60SA ont été testées dans une configuration à une seule bobine dans leurs conditions de fonctionnement nominales de courant et de température (25,7 kA et 5 K). Une augmentation progressive de la température a été appliquée à l'entrée de l'hélium jusqu'à la température de quench, suivie d'une décharge rapide du courant dès que le quench est détecté pour protéger l'aimant. Les analyses expérimentales de ces tests ont d'abord permis d'identifier plusieurs phases dynamiques très différentes pendant toute la propagation de quench. Ensuite, les phénomènes physiques parcourant chacune de ces phases ont été étudiés et les plus prédominants ont été mis en évidence tels que les charges thermiques externes, les performances magnétiques des brins, les transferts thermiques conducto-convectifs entre conducteurs et hélium ou encore l'expulsion d'hélium et le reverse flow. Sur la base de ces analyses expérimentales, un modèle numérique d’une seule galette a été développé dans le code THEA afin d'analyser un phénomène physique à la fois sans construire un modèle global trop complexe de l'ensemble de l'aimant. Ce modèle d’une seule galette a été validé sur les données d'expériences de quench et a été appliqué avec succès pour faire d'autres analyses plus détaillées des phénomènes physiques ainsi que des phases dynamiques identifiées pendant la propagation de quench des TF bobines. Ce modèle numérique a même permis d'identifier certains phénomènes prépondérants qui n'ont pas pu être étudiés dans l'analyse expérimentale, tels que l'impact des instabilités des conditions de test sur la dynamique de quench. Les très bons résultats de ce modèle et sa cohérence avec les analyses physiques expérimentales en font une étape très intéressante vers la modélisation complète de toute la TF bobine de JT-60SA et l'étude de son comportement de quench dans une vraie machine Tokamak et non en conditions d'essais. / During the last decades, the quench phenomenon has been one of the most important issues addressed in the superconducting magnets designs. Indeed, the quench transition of a magnet from its superconducting state to its normal state induces a large deposition of the Joule effect energy leading to an abrupt temperature increase in the conductor as well as a large pressure rise in the helium coolant. Any excess of these two parameters can cause an irreversible damage either to the magnet or to the cryogenic system. In order to achieve a better understanding of the quench behavior of the TF coils in the superconducting Tokamak JT-60SA, we carried out both experimental and numerical studies of the thermohydraulic phenomena taking place during the quench of a superconducting magnet manufactured with Cable-In-Conduit Conductor and cooled in forced flow with supercritical helium. In this framework, all the 18 JT-60SA TF coils were tested in a single coil configuration at their nominal operating conditions of current and temperature (25.7kA and 5K). A progressive temperature increase has been applied to the helium inlet up to the quench temperature, followed by a current fast discharge as soon as the quench is detected to protect the magnet. The experimental analyses of these tests allowed first to identify several very different dynamic phases in the overall quench propagation time. Then, the physical phenomena driving each one of these phases have been studied and the most predominant ones have been highlighted such as the external heat loads, the strands magnetic performances, the conductive and convective heat transfers between conductors and helium or even the helium expulsion and reverse flow. Based on these experimental analyses, a single pancake numerical model has been developed in the THEA code in order to analyze one physical phenomenon at a time without building a too complex global model of the entire magnet. This single pancake model has been validated on the quench experiments data and has been successfully applied to make further more detailed analyses of the physical phenomena as well as the dynamic phases identified during the TF coils quench propagation. This numerical model even allowed identifying some driving physical phenomena that could not be studied in the experimental analysis, such as the impact of the testing conditions instabilities on the quench dynamics. The very good results of this model and its coherence with physical experimental analyses makes it a very interesting step towards the full modelling of the entire JT-60SA TF coil and the study of its quench behavior in real Tokamak and not test facility conditions.