Diseño, implementación y control de un banco de pruebas para el control de vibraciones de un colimador oscilante

En el marco del proyecto del Laboratorio Argentino de Haces de Neutrones (LAHN), se desarrolló un prototipo de colimador oscilante para el difractómetro multipropósito ANDES. Este colimador genera vibraciones debido a sus oscilaciones y a su masa considerable, lo cual podría afectar la electrónica de detección y al detector. Para abordar este problema, se implementó un actuador inercial en el prototipo, el cual busca compensar las fuerzas inerciales del colimador mediante la aceleración de su masa. En este proyecto integrador se buscó diseñar, implementar y controlar un banco de pruebas para controlar las vibraciones del prototipo mencionado. Esto implicó verificar los componentes críticos del dispositivo, diseñar el banco de pruebas, realizar un modelado dinámico del conjunto, instrumentar físicamente el conjunto y programar el microcontrolador y la interfaz necesaria. Luego de solucionar tanto inconvenientes físicos como de programación se finalizó realizando mediciones sobre el conjunto. Se realizaron cálculos analíticos para verificar los componentes críticos del prototipo, considerando un perfil de velocidades trapezoidal en el movimiento. Se utilizó un diseño 3D para medir las distancias y determinar las masas de los conjuntos, y se calcularon los factores de seguridad siguiendo los catálogos de fabricantes. En relación al diseño del banco de pruebas, se consideró una frecuencia natural para la estructura soporte final del prototipo y se determinó la rigidez necesaria de la misma. Se buscó diseñar el banco con la misma rigidez y utilizando materiales similares, pero una revisión del mismo llevó a corregir su rigidez teórica. En el análisis del conjunto del banco de pruebas con el prototipo colimador oscilante montado, se evalúo la reducción de vibraciones transmitidas al banco tanto sin el movimiento del actuador inercial como con el movimiento en contrafase del mismo. Se realizó un modelado del sistema con 3 grados de libertad y se calculó la respuesta dinámica del sistema. Finalizando se obtuvieron mediante los ensayos experimentales algunos resultados congruentes con el modelo dinámico. Se destaca que se pudo verificar una disminución de las oscilaciones al compensar las fuerzas con la actuación del actuador inercial

Desarrollo de un dispositivo de sensores integrados para el estudio del comportamiento animal

El monitoreo del comportamiento de la tortuga terrestre Chelonoidis chilensis en su hábitat natural, es esencial para recopilar información sobre su movimiento y elaborar directrices para la conservación de la especie, debido a que actualmente se encuentra en estado vulnerable. En esta Tesis, se presenta el desarrollo de una familia de dispositivos de bajo costo y bajo consumo de energía, formada por un dispositivo de monitoreo que se coloca sobre el animal, una estación colectora y un rastreador de radio frecuencia. Sus diseños fueron elaborados de forma de ser fácilmente adaptables para el monitoreo de otras especies animales en otros contextos. Cada dispositivo de la familia está compuesto por un transceptor compatible con protocolos de internet de las cosas (IoT) en la banda de frecuencia Sub-1 GHz, un receptor de sistema de navegación por satélite global (GNSS), un magnetómetro, así como sensores de temperatura e inercia. El dispositivo no supera el 5% del peso del animal para evitar perturbar su comportamiento. El peso de la placa de circuito impreso, junto a la batería y el receptor GNSS, es de 44,9 g y sus dimensiones son de 48,7 mm x 63,7 mm. La autonomía que puede variar entre una semana y un mes, dependiendo de las tasas de muestreo de los sensores, la tasa de la señal de radio frecuencia y la del receptor GNSS. La placa fue diseñada para funcionar como un dispositivo de monitoreo, una estación de recopilación de datos y un rastreador, mediante la adición de pequeñas piezas de hardware. Se presenta aquí el diseño del circuito electrónico y del firmware asociado, pensados para permitir la extensión de las funciones del dispositivo. Se realizaron mediciones en el laboratorio y en el campo para evaluar la autonomía y el alcance del enlace de radio frecuencia, así como el consumo de energía y el error de posicionamiento asociado. Se informan esos valores y discuten las limitaciones y ventajas del dispositivo, publicando este desarrollo abierto para su uso por parte de otros grupos de investigación que trabajan en proyectos similares

Desarrollo de técnicas de Monte Carlo para el problema neutrónico adjunto

Este proyecto integrador aborda el desafío del cálculo de la función importancia en sistemas de gas libre, con el objetivo de desarrollar y verificar métodos eficaces para este propósito. La función de importancia es crucial en la neutrónica para evaluar la seguridad de los reactores, optimizar sistemas, gestionar combustibles y reducir la varianza en simulaciones de Monte Carlo, entre otras aplicaciones. Se investigaron métodos directos e inversos y se propusieron implementaciones específicas para abordar este desafío. Se desarrolló un código de Monte Carlo que permite simular partículas en sistemas de gas libre, sorteando la velocidad del núcleo blanco. Los moderadores simulados fueron hidrógeno y deuterio. Se realizó un análisis exhaustivo de las bases teóricas de los métodos directos e inversos para comprender su fundamento y su aplicabilidad en el contexto de esta investigación. Los métodos implementados en este trabajo incluyen el método CHAR-0, el método SWAP y el método INVERSO. Para el scattering de gas libre, se tuvo en cuenta la velocidad del blanco sorteándola, siendo la primera vez que se hace para método SWAP. CHAR-0 es un método directo-modificado que se basa en la simulación individual de partículas, teniendo en cuenta sus condiciones iniciales. Fue sometido a verificaciones y comparaciones con simulaciones directas, demostrando una concordancia satisfactoria entre los resultados obtenidos. SWAP es un método inverso que se basa en la simulación de partículas inversas con distribución de energía maxwelliana. Se aprovecha del principio de balance detallado para utilizar el kernel de scattering directo en un problema inverso. Se aplicó a partículas con energías inferiores a 0,4 eV y se sometió a verificaciones y comparaciones con CHAR-0, demostrando una concordancia satisfactoria entre los resultados obtenidos. INVERSO es un método inverso que se fundamenta en la generación de espectros de importancia a partir de la inversión del kernel de scattering, permitiendo simular partículas en sistemas de gas libre en estas condiciones energéticas. Se aplicó a partículas con energías superiores a 400 kT y se sometió a verificaciones y comparaciones con CHAR-0, demostrando una concordancia satisfactoria entre los resultados obtenidos. Un hito importante de este trabajo fue la integración de los métodos CHAR-0 y SWAP en el código abierto de OpenMC. Esta integración permitió aumentar considerablemente la capacidad de cálculo, además de aumentar las capacidades de simulaci´on de OpenMC. Luego de realizar verificaciones adicionales para las implementaciones en OpenMC, se utilizó para el cálculo de la importancia en un caso de prueba. En este mismo se calculó la importancia para un haz térmico tangencial, en una pileta de agua pesada como podría ser la de un reactor experimental tipo RA-10. Se obtuvieron resultados satisfactorios para este caso de prueba. Se ha logrado avanzar en el conocimiento teórico y práctico de estos métodos, así como en su aplicación en un código de simulación de partículas ampliamente utilizado como OpenMC

Segmentación de imágenes médicas mediante inferencia bayesiana

Las imágenes médicas son una herramienta de suma utilidad diagnóstica en medicina, proporcionando información anatómica o funcional de forma mínimamente invasiva. Posteriormente al proceso de adquisición, las imágenes digitales pueden ser procesadas de diversas maneras para destacar o extraer información subyacente de utilidad para el diagnóstico. Una de las técnicas de procesamiento más relevantes es la segmentación, que consiste en particionar a la imagen en regiones relevantes, en particular para delinear automáticamente estructuras como órganos o tejidos. Los métodos de segmentación existentes son diversos en cuanto a su forma de representar las características relevantes de imagen para segmentar, el grado de interacción manual y la cantidad de datos necesarios para obtener un método de desempeño satisfactorio. En particular, los métodos basados en modelos probabilísticos tienen las virtudes de requerir pocos datos, tener pocos hiperparámetros ajustables, costo computacional moderado y que potencialmente pueden ser completamente automatizables. En esta tesis se desarrolló un modelo de segmentación basado en inferencia bayesiana que incorpora información a priori de estructuras a segmentar mediante priors de forma. El enfoque está basado en trabajos previos de segmentación bayesiana de tejidos y la adaptación de la idea de prior de forma de level-sets al contexto de inferencia bayesiana. En particular se estudió la aplicación de este método al problema de segmentación cardíaca de miocardio del ventrículo izquierdo en imágenes cardíacas de resonancia magnética nuclear de cine, en donde el prior de forma incorpora la información a priori de la geometría del tejido del miocardio en las imágenes. El método fue validado en la base de datos del Cardiac Motion Analysis Challenge 2011 contrastando los resultados obtenidos contra anotaciones manuales realizadas por expertos. El desempeño alcanzado por el método propuesto es compatible con otros métodos de segmentación aplicados al problema de segmentación cardíaca, con valores obtenidos de coeficiente de Dice de 0,8 ± 0,1, 0,94 ± 0,04 y 0,90 ± 0,09 para segmentación de miocardio, endocardio y epicardio respectivamente, con la ventaja principal que no es necesaria una gran cantidad de datos para su funcionamiento y requiere mínima interacción. Finalmente se estudió la aplicación del método de segmentación al cálculo del esfuerzo miocárdico, dentro del marco del desarrollo de una extensión para el software de procesamiento y visualización de imágenes médicas 3DSlicer. Se comprobó en que el método de segmentación propuesto como pre-procesamiento al cálculo de esfuerzo alcanza resultados cualitativos compatibles a otros métodos establecidos y además se contribuyó al desarrollo y validación de la extensión CardIAc del software 3DSlicer para calculó y visualización de esfuerzo miocárdico

Rediseño de máquina de caracterización creep fatiga para equipar laboratorios

El objetivo del presente trabajo es rediseñar una máquina de ensayos de creep-fatiga en base a un prototipo ya existente en la Div. Física de Metales del Centro Atómico Bariloche. Para abarcar este proyecto se analizaron en primer lugar los fenómenos de creep y de fatiga y cómo afectan a los materiales. Luego se estudiaron los requerimientos de la máquina destinada a la implementación de ensayos normalizados para evaluar estos fenómenos. Posteriormente se realizó un diseño conceptual de la máquina y se identificaron los sistemas principales que la conforman. Se rediseñaron, calcularon y verificaron la estructura principal, sistema de carga, subsistema de capstan y subsistema de knife edge. Se prevé que esta máquina permita equipar laboratorios del Centro Atómico Bariloche (CAB), dando la posibilidad de realizar ensayos de manera simultánea sin comprometer la disponibilidad de otros equipos más versátiles, de este modo, brindará herramientas para la caracterización de nuevos materiales en función de sus aplicaciones en especial dentro de la industria nuclear

Algunos recuerdos de la Cuarta Promoción (1961) en la perspectiva de José P. Abriata

Es una rápida narración personal que cubre desde el ingreso en 1958 al Instituto de Física de Bariloche (hoy Instituto Balseiro) hasta el presente. En ella resumo aspectos de como fue la interacción con el IB y la CNEA a lo largo de todo ese tiempo, y como esta interacción se reflejó en mi vida profesional

Comparación teórico-experimental de flujos en toberas en régimen supersónico

En este trabajo se analizaron distintos aspectos tanto fluidodinámicos como difusivos de flujos de mezclas binarias de gases en expansión libre supersónica. Se realizaron simulaciones con condiciones similares a mediciones hechas en el laboratorio del proyecto LASIE, con el objetivo de analizar los procesos físicos que ocurren en el interior de una unidad separativa. Se encontró que para ciertas condiciones de presión, en regiones del dominio simulado no se cumple la hipótesis del continuo, y por ende, no se pueden representar los fenómenos físicos por medio de las ecuaciones de Navier-Stokes, ni por el modelo de gas ideal. El análisis computacional en régimen del continuo es la herramienta principal con la que se cuenta hasta el momento en el proyecto para poder comprender el comportamiento de los parámetros, tanto en los procesos fluidodinámicos como de difusión. Debido a esto, se diseñaron las condiciones de futuros experimentos con presiones de alta que puedan ser reproducidas en el laboratorio de acuerdo a sus capacidades, de modo que se cumpla esta hipótesis. Se obtuvieron las presiones de baja mínimas para diferentes diámetros de garganta con los que se dispone en el laboratorio, y se verificó que en las simulaciones se obtenga un valor de número de Knudsen menor a 0, 3 en todo el dominio. Por otra parte, se realizó un análisis de la influencia de la termoforesis para un gas de Ne"229, 25 %-Ne"20 y otra mezcla de especies SF_65 %-He, implementando un modelo detallado para el factor termofónico. Se obtuvo que el aporte de la termoforesis a la difusión global para dichas mezclas no es relevante para las presiones utilizadas. Luego, se estudió la variación en la concentración media a la salida de una cámara con divisor de caudal en función de la posición axial, para dos posiciones radiales de la punta del mismo, en una mezcla de CO_2 2, 5 %-He. Para el menor valor de radio, se obtuvo enriquecimiento en las posiciones más cercanas a la boquilla, mientras que en las demás posiciones no se logra apreciar. Para el mayor de los radios, se obtuvo enriquecimiento, el cual varía en función de la posición axial, dado que se realizan cortes en distintas zonas difusivas a través de la onda de choque oblicua, debido a la curvatura de la misma. Por ultimo, se realizó un análisis de los perfiles de concentración en una tobera sin divisor de caudales. Se concluye que esta geometría resulta una herramienta adecuada para un análisis previo cualitativo de las posiciones ´optimas de un skimmer, con el objetivo de enriquecer la especie pesada en la cámara externa

Los logos del Instituto Balseiro

El logo del Instituto Balseiro cumple 30 años. Lo celebramos contando la historia de los varios logos que hemos tenido, reconstruida a partir de recuerdos de los protagonista

Retroacción dinámica en resonadores optomecánicos basados en espejos de Bragg

Los resonadores optomecánicos semiconductores se han convertido en una plataforma de interés para el estudio y desarrollo de sistemas de tecnologías cuánticas. Estos sistemas permiten investigar la interacción entre la luz y los grados de libertad mecánicos, la retroacción que estos ejercen y diversos fenómenos resultantes de este acoplamiento. Los avances en las técnicas de fabricación e ingeniería han posibilitado el desarrollo de distintos tipos de arquitecturas, que van más allá de simples transductores, amplificadores, emisores y detectores. Algunas áreas clave de investigación y aplicaciones para los resonadores optomecánicos semiconductores incluyen: (i) Procesamiento de información cuántica: Estos resonadores sirven como interfaces luz-materia para el intercambio de información entre diversos dispositivos de estado sólido. Esto es particularmente valioso en el desarrollo de sistemas de comunicación cuántica y arquitecturas de computación cuántica. (ii) Optomecánica cuántica: El estudio de los resonadores optomecánicos permite la observación y manipulación de estados coherentes en escalas macroscópicas mediante la interacción de la luz con osciladores mecánicos. Esto ayuda a comprender mejor la naturaleza cuántica de objetos macroscópicos y explorar el límite entre la mecánica clásica y cuántica. (iii) Fenómenos no lineales: Los resonadores optomecánicos semiconductores pueden exhibir una serie de fenómenos no lineales, como biestabilidad optomecánica y autooscilación, que pueden ser útiles para desarrollar dispositivos novedosos y explorar nueva física en el régimen cuántico. (iv) Aplicaciones de sensores: Estos resonadores pueden emplearse como sensores de alta precisión para medir fuerza, masa o aceleración, con posibles aplicaciones en campos como la biotecnología, la vigilancia ambiental y la ingeniería aeroespacial. (v) Peines de frecuencia óptica: Los resonadores optomecánicos semiconductores pueden generar peines de frecuencia óptica, que son fundamentales para aplicaciones como la espectroscop ía, la metrología y la comunicación óptica. Las estructuras dieléctricas periódicas, que surgieron a finales de la década de 1980, dieron lugar al desarrollo de los reflectores distribuidos de Bragg (DBR) y microcavidades semiconductoras. Estos dispositivos pueden fabricarse utilizando pozos cuánticos semiconductores, lo que resulta en una modificación significativa de la emisión de estados electrónicos confinados. En tales sistemas, los polaritones excitónicos de cavidad desempeñan un papel crucial en la interacción entre la luz y los grados de libertad mecánicos, permitiendo el estudio de fenómenos cuánticos y optomecánicos en escalas macroscópicas. Las microcavidades ópticas basadas en la familia de semiconductores de GaAs y AlAs, diseñadas para confinar la luz en el rango de cientos de THz, son a la vez sistemas que confinan de manera óptima vibraciones en el rango de GHz, en la misma longitud de onda que la luz y con una distribución localizada similar. Como consecuencia, estos sistemas presentan un rol de candidato pujante para combinar la física de los polaritones de cavidad, la condensación de Bose-Einstein y la emisión de fotones únicos, con fenómenos novedosos de optomecánica como emisión estimulada de sonido, enfriamiento láser, sincronización de grados de libertad mecánicos, rigidez inducida por luz, entre otros. Además, cabe mencionar que estos sistemas han mostrado una gran capacidad para operar con frecuencias mecánicas récord, alcanzando cientos de GHz que se establecen por diseño. Este aspecto es de interés ante los considerables esfuerzos por aumentar las frecuencias mecánicas de trabajo en sistemas optomecánicos de estado solido. Más aún, una gran variedad de estos sistemas involucran vibraciones coherentes originadas superficialmente (SAW) y en forma volumétrica (BAW), excitados de manera simultánea tanto ópticamente como de manera eléctrica mediante dispositivos piezoeléctricos convenientemente diseñados. En este trabajo, se investiga la naturaleza de la interacción entre la luz y las vibraciones confinadas en busca de observar efectos de retroalimentación dinámica en estos resonadores. Para ello, se evalúan efectos de presión de radiación, donde la luz fuerza mecánicamente al sistema al reflejarse en cada interfaz. Por otro lado, se evalúan los fenómenos térmicos en los cuales el intercambio optomecánico involucra efectos de expansión térmica durante procesos de absorción de fotones. Se discuten las consecuencias de la electrostricción, donde la presencia de vibraciones modifica las propiedades dieléctricas del sistema, modificando así el escenario para la luz. Más aun, se investigan procesos optoelectrónicos donde la absorción de fotones perturba niveles electrónicos del semiconductor que también influyen en la excitación y detección de vibraciones. Se demuestra que todos ellos son esenciales en la búsqueda de no linealidades y de efectos de retroalimentación cuando diferentes ingredientes son puestos en juego experimentalmente. Una vez cuantificados los diversos mecanismos, se centra en la mediación de polaritones de cavidad en el acoplamiento optomecánico, marcando la ruta para operar con energías ópticas en sintonía con las resonancias electrónicas de los semiconductores. Estos mediadores amplifican el acoplamiento optomecánico debido al carácter resonante del mecanismo de potencial de deformación. En segundo lugar, brindan protección a procesos de decoherencia e incluso evidencian efectos de protección en la vida media de los fotones al trabajar a bajas temperaturas, amplificando la interacción varios ´ordenes de magnitud respecto a una condición de excitación no resonante. Por último, se presenta un prototipo de ingeniería de potenciales ópticos. Estos potenciales son generados mediante excitación óptica en estructuras planares. Con ello se amplifica la interacción fotón-fonón a niveles sin precedentes en estos sistemas, operando a temperatura ambiente. Se demuestra experimentalmente la presencia de efectos de retroalimentación dinámica, evidenciando efectos de enfriamiento óptico de fonones de 180 GHz hasta 170 K por debajo de temperatura ambiente, trazando nuevos métodos para el desarrollo de sistemas optomecánicos que operen frecuencias mecánicas en el rango de centenas de GHz, con perspectivas para el desarrollo de redes y sistemas de tecnologías cuánticas

Desarrollo de una herramienta numérica para el análisis de estabilidad lineal de flujos en convección mixta

La evolución en el tiempo y en el espacio de un flujo laminar depende de las perturbaciones externas que este reciba, como cambios de presión y temperatura, así como de las condiciones de borde a las que esté sometido, como la rugosidad y las fuentes de calor en las paredes. Estas perturbaciones pueden llevar al flujo a hacer una transición hacia un estado turbulento, conocido como transición laminar-turbulenta. En la actualidad, este fenómeno es de gran importancia en la ingeniería y la física aplicada. En numerosas aplicaciones ingenieriles, como reactores nucleares de investigación, intercambiadores de calor y equipos electrónicos, la transferencia de calor durante la transición laminar-turbulenta juega un papel fundamental. Un ejemplo de interés para la CNEA es el núcleo del reactor RA-6, que utiliza combustibles tipo placa y opera en un régimen cercano a la transición. Por tanto, resulta relevante estudiar y analizar este fenómeno en flujos de convección mixta en canales rectangulares verticales. Aunque el régimen de transición no es deseado desde un punto de vista ingenieril debido a su carácter intermitente, no siempre es evitable y su estudio es requerido ya que presenta características particulares que podrían influir, por ejemplo, en el diseño de un sistema termohidráulico. Por ejemplo, el coeficiente de fricción y el coeficiente de convección aumentan considerablemente durante la transición. A pesar de que este proceso ha sido investigado durante más de cien años, todavía no se comprende completamente. Con el objetivo de entender las condiciones de flujo que desencadenan la transición y su impacto en la transferencia de calor, se utilizó la teoría de estabilidad lineal, una herramienta ampliamente empleada en años recientes. Esta teoría propone un modelo matemático que permite predecir bajo qué condiciones un flujo laminar estable se volverá inestable mediante el análisis de pequeñas perturbaciones. Así, se determina si estas perturbaciones crecerán o se amortiguarán en el tiempo y en el espacio. En este trabajo, se estudió la evolución temporal de estas perturbaciones, particularmente en casos donde hay influencia de fuerzas boyantes. Para lograr esto, se desarrolló un módulo computacional de acceso libre en Python que resuelve las ecuaciones de estabilidad lineal para flujos en convección mixta en canales rectangulares verticales. Esta herramienta utiliza esquemas espectrales de Chebyshev, conocidos por su rápida convergencia y bajo costo computacional. El módulo fue validado adecuadamente. Por otro lado, en la revisión bibliográfica se encontraron pocos trabajos numéricos que utilicen simulaciones numéricas directas (DNS) para estudiar la transición temporal en el caso de estudio. Por lo tanto, se utilizó el software Xcompact-3D para implementar una condición inicial que sumara al flujo laminar las perturbaciones de velocidad y temperatura calculadas por la herramienta desarrollada. Se examinó la evolución de estas perturbaciones en el tiempo a través del cálculo de la energía cinética turbulenta. Los resultados verificaron que las perturbaciones tienen una influencia en la evolución temporal del flujo consistente con las calculadas en base a la teoría de estabilidad lineal