Wegen der zunehmenden Menge an LIBS-Daten von der Marsoberfläche sowie deren speziellen Herausforderungen bei der Analyse untersucht diese Arbeit, wie die Modellierung und Simulation von solchen LIBS-Spektren genutzt werden kann. Das Ziel ist es, Einblicke in die Eigenschaften von LIBS-Plasmen auf dem Mars zu erhalten und Modelle zu entwickeln, die bei der Analyse von realen Missionsdaten helfen können. Die Modellierung basiert sich auf einem stationären Plasma im lokalen thermischen Gleichgewicht (LTE). Das Plasma wird dabei in eine Reihe homogener Zonen unterteilt und Spektren werden mit dem Strahlungstransfer entlang einer eindimensionalen Sichtlinie durch diese Plasmazonen simuliert. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass auf LTE basierende Modelle gut auf LIBS-Spektren angewendet werden können, die unter Marsbedingungen gemessen wurden. Für zeitaufgelöste Daten kann die Anpassung eines Zwei-Zonen-Modells verwendet werden, um Einblicke in das Plasma zu erhalten und um die Elementkonzentrationen mit einer höheren Genauigkeit zu bestimmen, als es mit der Saha-Boltzmann-Methode möglich wäre. Allerdings sollten Nicht-Gleichgewichtseffekte in den frühesten und spätesten Phasen der Plasmalebensdauer berücksichtigt werden. Für zeitlich integrierte Spektren, wie sie bei aktuellen Marsmissionen gemessen werden, sind Anpassungen durch ein Zwei-Zonen-Modell aufgrund von zu langen Rechenzeiten nicht durchführbar. Stattdessen kann durch die Methode der spektralen Entmischung eine Überlagerung von Spektren unterschiedlicher Temperaturen und Dichten verwendet werden. Diese Methode ermöglicht keine direkten quantitativen Bestimmungen der Elementkonzentrationen, ist aber ein hervorragendes Werkzeug, um einen Überblick über die große Menge an Informationen zu erhalten, die in den Spektren enthalten sind. / Motivated by existing challenges in analysing LIBS spectra and the increasing quantity of Martian LIBS data, this thesis investigates the modelling and simulation of LIBS spectra for the application to LIBS data in Martian atmospheric conditions. This is done with the aim of providing insights into the characteristics of Martian LIBS plasmas as well as developing tools to assist the analysis of real mission data. The modelling of LIBS spectra is based on a stationary plasma in local thermal equilibrium (LTE). The plasma is then divided into a series of homogeneous zones and spectra are simulated using radiative transfer along a one-dimensional line-of-sight through the plasma zones. The results of this thesis show that spectral modelling based on LTE can be well applied to LIBS data in Martian atmospheric conditions. For time-resolved data, fits of a two-zone plasma model can be used to obtain insights into the plasma as well as improved concentration estimates compared to the Saha-Boltzmann plot method. However, attention to non-equilibrium effects should be given at the earliest and latest stages of the plasma lifetime. For time-integrated spectra, i.e. real mission data, fits of the two-zone model are not feasible due to too long computation times. Instead, a superposition of spectra of different temperatures and densities, i.e. the spectral unmixing method, can be used. Although not directly allowing for quantitative concentration estimates, the method is a great tool to overview the large amount of information contained in the spectra.

<p>Management of incoming solar radiation and use of the sky as an ultimate heat sink are technological imperatives as climate change shifts our reliance from fossil fuels to sustainable sources.  Selective solar absorbers are a possible route for solar harvesting as they collect the incoming radiation for process heat or space heating.  Here, improvement in the performance of selective solar absorbers via photon recycling is investigated using a stepped index rugate filter.  The final proposed filter when integrated with a high vacuum selective solar absorber could see an improvment in solar-thermal conversion efficiency from 13% to 30.6%. Then, a frequency selective optical filter is fabricated with uses including improvement of radiative coolers.  The measured optical characteristics are compared with simulation data and found to match well.</p> <p><br></p> <p>The shift to sustainable sources of electricity will require an expansion of the electrical grid.  The backbone of the grid for converting high voltage AC to DC, and vice versa, is power electronics.  The current state-of-the-art technology is GaN HEMTs, but GaN MISHEMTs are poised to replace them since MISHEMTs reduce the gate leakage current; a deficiency of the GaN HEMT architecture.  First, time dependent dielectric breakdown in GaN MISHEMTs is investigated using concurrent electrical and thermoreflectance methods.  A susceptibility in the MISHEMT architecture is found and possible solutions are proposed.  Then, liquid cooling of GaN HEMT PAs is explored by demonstrating integration of an X-band front end module, printed circuit board, and fluid manifold.  The integration shows great promise as two-phase cooling performance improved with increasing power dissipated, while single-phase cooling performance degraded.</p>

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<p>  </p> <p>  </p> <p>Concentrator photovoltaics have demonstrated greater solar energy production efficiency than previous solar electric technologies.  However, recent research reveals that heat management is a significant difficulty in CPV systems, and if left unaddressed, it can have a severe influence on system efficiency and lifetime. Traditional CPV cooling relies on active methods such as forced air convection, or liquid cooling, which might lead to an extremely large parasitic power use. In addition, the moving parts of a cooling system result in a shorter lifespan and higher maintenance expenses. </p> <p><br></p> <p>CPV systems can boost their efficiency and lifespan by adopting passive cooling solutions. This work employed radiative cooling and natural convection to construct an efficient and cost-effective cooling system. The excess heat of a solar cell can be dispersed into space via electromagnetic waves via radiative cooling. Due to the fact that the radiative cooling power is related to the difference between the fourth powers of the solar cell and the ambient temperature, much greater cooling powers can be obtained at higher temperatures. Heat pipes were installed to act as a heat pump by transferring excessive heat from solar cells within a system to the exterior, where it can be dissipated via natural air cooling and thermal radiation. Experiments conducted in this study demonstrate that a temperature reduction of 21 ◦C was accomplished through radiative cooling and natural convection, resulting in an increase of 64 mV, or 17% in the open-circuit voltage of a GaSb solar cell.</p>

Multi-core, multi-processor, and Graphics Processing Unit (GPU) computer architectures pose significant challenges with respect to the efficient exploitation of parallelism for large-scale, scientific computing simulations. For example, a simulation of the human tonsil at the cellular level involves the computation of the motion and interaction of millions of cells over extended periods of time. Also, the simulation of Radiative Heat Transfer (RHT) effects by the Photon Monte Carlo (PMC) method is an extremely computationally demanding problem. The PMC method is example of the Monte Carlo simulation method—an approach extensively used in wide of application areas. Although the basic algorithmic framework of these Monte Carlo methods is simple, they can be extremely computationally intensive. Therefore, an efficient parallel realization of these simulations depends on a careful analysis of the nature these problems and the development of an appropriate software framework. The overarching goal of this dissertation is develop and understand what the appropriate parallel programming model should be to exploit these disparate architectures, both from the metric of efficiency, as well as from a software engineering perspective. In this dissertation we examine these issues through a performance study of PathSim2, a software framework for the simulation of large-scale biological systems, using two different parallel architectures’ distributed and shared memory. First, a message-passing implementation of a multiple germinal center simulation by PathSim2 is developed and analyzed for distributed memory architectures. Second, a germinal center simulation is implemented on shared memory architecture with two parallelization strategies based on Pthreads and OpenMP. Finally, we present work targeting a complete hybrid, parallel computing architecture. With this work we develop and analyze a software framework for generic Monte Carlo simulations implemented on multiple, distributed memory nodes consisting of a multi-core architecture with attached GPUs. This simulation framework is divided into two asynchronous parts: (a) a threaded, GPU-accelerated pseudo-random number generator (or producer), and (b) a multi-threaded Monte Carlo application (or consumer). The advantage of this approach is that this software framework can be directly used within any Monte Carlo application code, without requiring application-specific programming of the GPU. We examine this approach through a performance study of the simulation of RHT effects by the PMC method on a hybrid computing architecture. We present a theoretical analysis of our proposed approach, discuss methods to optimize performance based on this analysis, and compare this analysis to experimental results obtained from simulations run on two different hybrid, parallel computing architectures. / Ph. D.

Savannahs regulate an agro-ecosystem crucial for the production of domestic livestock, one of the main sources of income worldwide as well as in South African rural communities. Nevertheless, globally these ecosystem functions are threatened by intense human exploitation, inappropriate land use and environmental changes. Leaf area index (LAI) defined as one half the total green leaf area per unit ground surface area, is an inventory of the plant green leaves that defines the actual size of the interface between the vegetation and the atmosphere. Thus, LAI spatial data could serve as an indicator of rangeland productivity. Consequently, the accurate and rapid estimation of LAI is a key requirement for farmers and policy makers to devise sustainable management strategies for rangeland resources. In this study, the main focus was to assess the utility and the accuracy of the PROSAILH radiative transfer model (RTM) to estimate LAI in the South African rangeland on the recently launched Landsat 8 sensor data. The Landsat 8 sensor has been a promising sensor for estimating grassland LAI as compared to its predecessors Landsat 5 to 7 sensors because of its increased radiometric resolution. For this purpose, two PROSAIL inversion methods and semi- empirical methods such as Normalized difference vegetation index (NDVI) were utilized to estimate LAI. The results showed that physically based approaches surpassed empirical approach with highest accuracy yielded by artificial neural network (ANN) inversion approach (RMSE=0.138), in contrast to the Look-Up Table (LUT) approach (RMSE=0.265). In conclusion, the results of this study proved that PROSAIL RTM approach on Landsat 8 data could be utilized to accurately estimate LAI at regional scale which could aid in rapid assessment and monitoring of the rangeland resources. / Environmental Sciences / M. Sc. (Environmental Science)

La désintégration radiative du méson B en méson étrange axiale, B--> K1(1270) gamma, a été observée récemment avec un rapport d'embranchement assez grand que B--> K* gamma. Ce processus est particulièrement intéressant car la désintégration du K1 dans un état final à trois corps nous permet de déterminer la polarisation du photon, qui est surtout gauche (droit) pour Bbar(B) dans le Modèle Standard tandis que des modèles divers de nouvelle physique prédisent une composante droite (gauche) supplémentaire. Dans cette thèse, une nouvelle méthode est proposée pour déterminer la polarisation, en exploitant la distribution totale du Dalitz plot, qui semble réduire considérablement les erreurs statistiques de la mesure du paramètre de la polarisation lambda_gamma.Cependant, cette mesure de la polarisation nécessite une connaissance détaillée de la désintégration forte K1--> K pi pi : c'est-à-dire l'ensemble complexe des différentes amplitudes d'ondes partielles en plusieurs canaux en quasi-deux-corps ainsi que leurs phases relatives. Un certain nombre d'expériences ont été faites pour extraire ces informations bien qu'il reste divers problèmes dans ces études. Dans cette thèse, nous étudions en détail ces problèmes en nous aidant d'un modèle théorique. Nous utilisons ainsi le modèle 3P0 de création d'une paire de quarks pour améliorer notre compréhension des désintégrations fortes du K1.A partir de ce modèle nous estimons les incertitudes théoriques : en particulier, celle venant de l'incertitude de l'angle de mélange du K1, et celle due à l'effet d'une phase ``off-set'' dans les désintégrations fortes en ondes-S. Selon nos estimations, les erreurs systématiques se trouvent être de l'ordre de sigma(lambda_gamma)^th<20%. D'autre part nous discutons de la sensibilité des expériences futures, notamment les usines SuperB et LHCb, pour lambda_gamma. En estimant naïvement les taux annuels d'évènements, nous trouvons que l'erreur statistique de la nouvelle méthode est sigma(lambda_gamma)^stat<10%, ce qui est deux fois plus petit qu'en utilisant seulement les distributions angulaires simples.Nous discutons également de la comparaison avec les autres méthodes de mesure de la polarisation en utilisant les processus tels que B--> K* e^+ e^-, Bd--> K* gamma et Bs--> phi gamma, pour la détermination du rapport des coefficients de Wilson C7gamma^‘eff/C7gamma^eff. Nous montrons un exemple de contraintes possibles sur C7gamma^‘eff/C7gamma^eff dans plusieurs scénarios de modèles supersymétriques. / Recently the radiative B-decay to strange axial-vector mesons, B--> K1(1270) gamma, was observed with a rather large branching ratio. This process is particularly interesting as the subsequent K1-decay into its three-body final state allows us to determine the polarization of the photon, which is mostly left(right)-handed for Bbar(B) in the Standard Model while various new physics models predict additional right(left)-handed components. In this thesis, a new method is proposed to determine the polarization, exploiting the full Dalitz plot distribution, which seems to reduce significantly the statistical errors on the polarization parameter lambda_gamma measurement.This polarization measurement requires, however a detailed knowledge of the K1--> K pi pi strong interaction decays, namely, the complex pattern of the various partial wave amplitudes into several possible quasi-two-body channels as well as their relative phases. A number of experiments have been done to extract all these information while there remain various problems in the previous studies. In this thesis, we investigate the details of these problems. As a theoretical tool, we use the 3P0 quark-pair-creation model in order to improve our understanding of strong K1 decays.Finally we try to estimate some theoretical uncertainties: in particular, the one coming from the uncertainty on the K1 mixing angle, and the effect of a possible ``off-set'' phase in strong decay S-waves. According to our estimations, the systematic errors are found to be of the order of sigma(lambda_gamma)^th<20%. On the other hand, we discuss the sensitivity of the future experiments, namely the SuperB factories and LHCb, to lambda_gamma. Naively estimating the annual signal yields, we found the statistical error of the new method to be sigma(lambda_gamma)^stat<10% which turns out to be reduced by a factor 2 with respect to using the simple angular distribution.We also discuss a comparison to the other methods of the polarization measurement using processes, such as B--> K* e^+ e^-, Bd--> K* gamma and Bs--> phi gamma, for the determination of the ratio of the Wilson coefficients C7gamma^‘eff/C7gamma^eff. We show an example of the potential constraints on C7gamma^‘eff/C7gamma^eff. in several scenarios of supersymmetric models.

L’objet de ce travail est de proposer un modèle adapté pour la simulation du remplissage de moules qui réponde au meilleur compromis entre temps de calcul et précision des résultats. La difficulté est double. Il faut prendre en compte le phénomène de remplissage qui est un problème complexe à frontières libres et les spécificités liées au Verre : viscosité fortement thermodépendante et température de fusion élevée qui nécessite de prendre en compte le rayonnement. Le Chapitre I est consacrée à la partie écoulement du Verre liquide. La bibliothèque numérique Aquilon/Thétis, adaptée pour traiter ce type de problèmes et les couplages thermique air/verre/parois, a été utilisée (Méthode V.O.F pour le suivi de l’interface, méthodes de type Lagrangien augmenté/Projection vectorielle pour le couplage Vitesse-Pression). Pour l’aspect radiatif, différentes approches sont proposées : conductivité radiative équivalente (Chapitre II), méthode explicite directe pour la validation (Chapitre III) et méthode d’harmoniques sphériques ou méthode PN (Chapitre IV). Dans le Chapitre V, la méthode PN retenue est validée dans des cas simples et est appliquée ensuite à des cas avec couplage convectif en géométries complexes et obstacles semi-transparents (1D, 2D et 3D, 2D axi-symétrique et milieu non gris). Une version P1 modifiée est présentée. Les résultats sont assez proches de ceux donnés par la méthode P3 avec des temps de calcul modestes. L’intérêt de ce modèle est qu’il est facilement intégrable dans des codes numériques existants : une seule équation différentielle du second ordre stationnaire à résoudre en 3D / The aim of this study is to propose an adapted model for the simulation of mould filling that must be a compromise solution between computational time and results accuracy. The double difficulty is to take into account the filling phenomenon that is a complex problem due to the presence of free boundaries and to the Glass specificities: viscosity that is highly thermal dependant and high melting temperature that requires taking into account radiation effects. Chapter I is devoted to the melting Glass flow. The numerical libraries Aquilon/Thétis, adapted for solving such type of problems and the thermal coupling between Air/Glass/Walls, has been used. (V.O.F method for front tracking, Augmented Lagrangian/Vector Projection methods for solving Pressure/Velocity coupling). For radiative aspect, different approaches are proposed: equivalent radiative conductivity (Chapter II), direct explicit method for validation (Chapter III) and spherical harmonics method or PN method (Chapter IV). In the Chapter V, the selected PN method is validated through simple cases and is then applied in other cases with convective coupling in complex geometries including semi-transparent inclusions (1D, 2D and 3D, 2D axi-symmetric and non grey medium). A P1 modified version is presented. The results are close to those given by P3 method but with reduced computational time. The main interest of this model is that it can be easily implemented in existing numerical codes: a single stationary second order partial differential equation to solve in 3D

Les activités nucléaires génèrent des déchets radioactifs classés selon leur niveau d’activité et la durée de vie des radioéléments présents. La garantie d’un classement et d’une gestion optimale nécessite une caractérisation précise. Les déchets de moyenne et haute activité, contenant des radioéléments à vie très longue, seront stockés en profondeur pendant plusieurs centaines de milliers d’années, à l’issue desquelles il est nécessaire de pouvoir garantir l’absence de risques pour l’homme et l’environnement, non seulement sur le plan radiologique, mais aussi en ce qui concerne des éléments stables, toxiques du point de vue chimique. Cette thèse concerne la caractérisation par activation neutronique de ces éléments toxiques, ainsi que celle des matières nucléaires présentes dans les colis. Elle a été réalisée dans le cadre d’une collaboration entre le Laboratoire de Mesures Nucléaires du CEA Cadarache, en France, et l’institut de Gestion des Déchets Radioactifs et de Sûreté des Réacteurs du centre de recherche FZJ (Forschungszentrum Jülich), en Allemagne. La première étude a consisté à valider le modèle numérique de la cellule d’activation neutronique MEDINA (FZJ) avec le code de transport Monte Carlo MCNP. Les rayonnements gamma prompts de capture radiative d’échantillons contenant des éléments d’intérêt (béryllium, aluminium, chlore, cuivre, sélénium, strontium et tantale) ont été mesurés et comparés aux simulations avec diverses bases de données nucléaires, permettant d’aboutir à un accord satisfaisant et validant le schéma de calcul en vue des études suivantes. Ensuite, la mesure des rayonnements gamma retardés de fissions induites sur les isotopes 235U et 239Pu a été étudiée pour des fûts de 225 L contenant des enrobés bitumineux ou une matrice béton, représentatifs de déchets produits en France et en Allemagne. Les rendements d’émission des rayonnements gamma retardés de fission d’intérêt, cohérents avec ceux publiés dans la littérature, ont été déterminés à partir des mesures d’échantillons métalliques d’uranium et de plutonium dans la cellule d’activation neutronique REGAIN du LMN. Le signal utile a ensuite été extrapolé par simulation MCNP pour une répartition homogène d’isotopes 239Pu ou 235U dans les matrices considérées, en utilisant le modèle numérique de MEDINA. Des signaux faibles, de l’ordre de 100 coups par gramme d’isotope 239Pu ou 235U, ont été obtenus. Pour le colis d’enrobés bitumineux, le niveau d’irradiation gamma très élevé, dû à une activité en 137Cs de l’ordre de 1 TBq par fût, nécessiterait l’utilisation d’une collimation et/ou d’écrans pour éviter la saturation de l’électronique de mesure, rendant indétectables les rayonnements gamma retardés de fission. Les colis de déchets bétonnés produits en Allemagne présentant un niveau d’activité plus faible, il a été possible d’estimer des limites de détection allant de 10 à 290 g d’isotope fissile 235U ou 239Pu, selon la raie gamma considérée, suite à la mesure du bruit de fond actif dans MEDINA avec une matrice béton maquette. Afin d’améliorer ces performances, le blindage du détecteur germanium de MEDINA a été optimisé à l’aide de simulations MCNP, montrant la possibilité de réduire les bruits de fond gamma et neutron d’un facteur 4 et 5, respectivement. La validation expérimentale de l’efficacité du blindage a été effectuée à partir de configuration simples à implémenter dans MEDINA, confirmant les facteurs de réduction attendus. Un blindage du détecteur optimal permettrait d’améliorer les limites de détection et aussi d’utiliser une source de neutrons d’intensité supérieure, comme un générateur de neutron à haut flux ou un accélérateur linéaire d’électrons avec une cible de conversion appropriée. / Nuclear activities produce radioactive wastes classified following their radioactive level and decay time. An accurate characterization is necessary for efficient classification and management. Medium and high level wastes containing long lived radioactive isotopes will be stored in deep geological storage for hundreds of thousands years. At the end of this period, it is essential to ensure that the wastes do not represent any risk for humans and environment, not only from radioactive point of view, but also from stable toxic chemicals. This PhD thesis concerns the characterization of toxic chemicals and nuclear material in radioactive waste, by using neutron activation analysis, in the frame of collaboration between the Nuclear Measurement Laboratory of CEA Cadarache, France, and the Institute of Nuclear Waste Management and Reactor Safety of the research center, FZJ (Forschungszentrum Jülich GmbH), Germany. The first study is about the validation of the numerical model of the neutron activation cell MEDINA (FZJ), using MCNP Monte Carlo transport code. Simulations and measurements of prompt capture gamma rays from small samples measured in MEDINA have been compared for a number of elements of interest (beryllium, aluminum, chlorine, copper, selenium, strontium, and tantalum). The comparison was performed using different nuclear databases, resulting in satisfactory agreement and validating simulation in view of following studies. Then, the feasibility of fission delayed gamma-ray measurements of 239Pu and 235U in 225 L waste drums has been studied, considering bituminized or concrete matrixes representative of wastes produced in France and Germany. The delayed gamma emission yields were first determined from uranium and plutonium metallic samples measurements in REGAIN, the neutron activation cell of LMN, showing satisfactory consistency with published data. The useful delayed gamma signals of 239Pu and 235U, homogeneously distributed in the 225 L matrixes, were then determined by MCNP simulations using MEDINA numerical model. Weak signals of about one hundred counts per gram of 239Pu or 235U after 7200 s irradiation were obtained. Because of the high gamma emission in the bituminized waste produced in France (about 1 TBq of 137Cs per drum), the use of collimator and/or shielding is mandatory to avoid electronic saturation, making fission delayed gamma rays undetectable. However, German concrete drums being of lower activity, their corresponding active background was measured in MEDINA with a concrete mock-up, leading to detection limits between 10 and 290 g of 235U or239Pu, depending on the delayed gamma line. In order to improve these performances, the shielding of MEDINA germanium detector was optimized using MCNP calculations, resulting in gamma and neutron background reduction factors of 4 and 5, respectively. The experimental validation of the shielding efficiency was performed by implementing easy-to-build configurations in MEDINA, which confirmed the expected background reduction factors predicted by MCNP. Thanks to an optimized detector shielding, it will also be possible to use a higher neutron emission source, like a high flux neutron generator or an electron LINAC with appropriate conversion targets, in view to further reduce detection limits.