Neutron Spectroscopy Using LiF Thin-Film Detectors

A stacked array of segmented micro-structured semiconductor neutron detectors (MSNDs) has been fabricated to perform as a neutron spectrometer simultaneously capable of differentiating fast and thermal neutrons. The MSND devices consist of thin-film perforated diodes constructed from LiF powder back-filled into an etched silicon wafer. Geant4 simulations demonstrate than an eight-layer spectrometer consisting of alternating layers of MSND and hydrogenous moderator can successfully resolve neutron energies at a resolution dependent upon the number of layers and the thickness of the adjacent moderating materials. The simulated spectrometer response was compared to that obtained experimentally with mono-energetic neutrons from a D+D neutron generator. The commissioning tests of the spectrometer reveal that the energy of a mono-energetic neutron source can be identified to within + or -1 MeV. Following the commissioning tests, the spectrometer was used to characterize the poly-energetic neutron spectrum of a plutonium-beryllium neutron source

Neutron Spectroscopy Using Rubberized Eu:LiCAF Wafers

With the increasing cost and decreasing availability of 3He, there have been many efforts to find alternative neutron detection materials. Lithium calcium aluminum fluoride (LiCAF) enriched to 95% 6Li doped with europium was evaluated here as a replacement material for 3He, based on the absorption of thermalized neutrons by the 6Li and subsequent energy release of the 6Li(n,t)4He reaction. Wafers 0.5 cm thick, consisting of LiCAF crystals in a rubberized matrix, were embedded with wavelength shifting fibers (WSF) and mated to silicon photo-multipliers (SiPMs) to measure the photon response in a flux of neutrons from a DD neutron generator. Excellent discrimination was realized between neutrons and gammas, and both pulse-height discrimination and pulse-shape analysis were explored. A Figure of Merit (FoM) of 1.03 was achieved. Custom electronics were built to bias the SiPMs, then amplify, filter, discriminate, and digitize the LiCAF/WSF scintillation photons, resulting in a digital pulse that can easily be counted with any microcontroller. After evaluation of the Eu:LiCAF, a portable ten-layer neutron spectrometer was fabricated from the rubberized wafers. A layer of high density polyethylene (HDPE) was used as a neuton moderator between each layer. Neutrons entering the spectrometer are downscattered and absorbed by the lithium in a wafer of rubberized Eu:LiCAF; the layer in which the absorption occurs is dependent on the incident neutron\u27s energy. A library of neutron response curves was created using Geant4 and applied with the maximum entropy principle algorithm, MAXED, to unfold the experimentally acquired data. The spectrometer was commissioned using two DD generators and a 252Cf source. This research demonstrated that Eu:LiCAF is a promising potential replacement for 3He and shows excellent promise for neutron spectroscopy applications

Automatic rule verification for digital building permits

Dissertação de mestrado em Modelação de Informação na Construção de Edifícios BIM A+O sector da construção está a enfrentar grandes mudanças nas exigências do cliente e do mercado, empurrando para a transformação digital e para uma indústria orientada para os dados. Os governos tomaram parte ativa nesta mudança, apoiando a digitalização de processos como o das licenças de construção, introduzindo a utilização de modelos de informação de construção (BIM). A investigação sobre a digitalização do licenciamento municipal de construções mostrou grandes avanços no que diz respeito à extração de regras de forma interpretável e à automatização de verificações; contudo, a conciliação entre as definições semânticas do modelo de construção e os conceitos definidos nos regulamentos está ainda em discussão. Além disso, a validação da acuidade das informações incluídas nos modelos de construção relativamente às definições do regulamento é importante para garantir a qualidade ao longo do processo de licença de construção. Esta dissertação visa propor um fluxo de trabalho híbrido para verificar a informação extraída explicitamente do modelo BIM e a informação implicitamente derivada das relações entre elementos, seguindo as disposições contidas nos regulamentos no contexto de Portugal. Com base em alguma revisão de literatura, foi proposto um novo processo, e foi desenvolvido um código Python utilizando a biblioteca IfcOpenshell para apoiar a automatização do processo de verificação, tradicionalmente realizada por técnicos nos gabinetes de licenciamento municipal. Os elementos desenvolvidos neste documento foram comprovados num estudo de caso, demonstrando que a validação híbrida pode ajudar a detetar erros de modelação e melhorar a acuidade da informação durante a apresentação inicial de modelos para um processo de licença de construção. Os resultados indicam que a inclusão de uma validação automática do modelo contra definições regulamentares pode ser introduzida para melhorar o grau de certeza da qualidade da informação contida no Modelo de Informação, além disso, a proposta de métodos que produzem resultados a partir de informação implícita pode alargar as capacidades do esquema IFC. Contudo, os esquemas desenvolvidos neste trabalho estão ainda em constante revisão e desenvolvimento e têm limitações de aplicabilidade em relação a certas classes do IFC.The construction sector is facing major changes in the client and market requirements, pushing towards the digital transformation and a data driven industry. Governments have taken an active part in this change by supporting the digitalization of processes such as the one for building permits by introducing the use of building information models (BIM). The research on the digitalization of the building permit has shown great advancements in regarding the rule extraction in interpretable ways and the automation of the verification; however, the conciliation between the building model semantic definitions and the concepts defined in the regulations is still in discussion. Moreover, the validation of the correctness of the information included in building models regarding the regulation definitions is important to guarantee the quality along the digital building permit process. This dissertation aims to propose a hybrid workflow to check the information extracted explicitly from the BIM model and the information implicitly derived from relationships between elements by following the provisions contained in the regulations in the context of Portugal. Based on some context and literature review, a process reengineering was proposed, and a Python code was developed using the IfcOpenShell library to support the automation of the verification process, traditionally carried out by technicians in the building permit offices. The elements developed in this document were proven in a case-study, demonstrating that the hybrid validation can help to detect modelling errors and improve the certainty of correctness of information during the initial submission of models for a building permit process. The results indicate that the inclusion of an automated validation of the model against regulation definitions can be introduced to improve the degree of certainty of the quality of the information contained in the Building Information Model, moreover the proposal of methods that produce results from implicit information can extend the capabilities of the IFC schema. However, the scripts developed in this work are still under constant review and development and have limitations of applicability in relation to certain IFC classes.Erasmus Mundus Joint Master Degree Programme – ERASMUS

Simulation study of a wide axial field of view positron emission tomography system based on resistive plate chamber detectors

Tese de doutoramento em Física, Especialidade de Física Tecnológica, apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de CoimbraO presente trabalho teve por objectivo avaliar, através de simulações em GEANT4, os parâmetros de desempenho de um tomógrafo de Tomografia por Emissão de Positrões (PET) com 2400 mm de comprimento do Campo de Visão Axial (AFOV), baseado em detectores do tipo Câmaras de Placas Resistivas (RPC). Para estabelecer uma base de comparação para esse estudo, investigou se a dependência da sensibilidade a coincidências verdadeiras de um tomógrafo baseado em detectores de BGO em função do ângulo polar de aceitação e do comprimento do AFOV, segundo as normas NEMA NU2 1994. O tomógrafo foi definido como um anel de tungsténio de modo a obter os pontos de entrada dos fotões, tendo-se usado factores de correcção para ter em conta a fracção de empacotamento e a eficiência de detecção em função da segmentação do tomógrafo GE Advance®. Concluíu se que a sensibilidade para eventos verdadeiros é dominada pelo ângulo sólido, aumentando significativamente com o comprimento do AFOV e com o ângulo polar de aceitação, enquanto a Fracção de Radiação Dispersa (SF), se revelou quase independente da geometria, dependendo no entanto do ângulo polar de aceitação. A sensibilidade para coincidências verdadeiras obtida para um AFOV de 2400 mm e plena aceitação no ângulo polar foi cerca de 100 vezes maior que a do tomógrafo GE Advance®. Complementarmente desenvolveu se um modelo analítico simples para a sensibilidade a coincidências verdadeiras que revelou um acordo razoável com os dados de simulação. De seguida fez-se um estudo semelhante para um tomógrafo baseado em detectores de RPC, tendo o mesmo sido definido de maneira análoga. As eficiências de detecção foram obtidas simulando uma pilha de 121 placas de vidro (400 µm de espessura) separadas por 120 camadas de gás (350 µm de espessura). Verificou se que a sensibilidade para coincidências verdadeiras seguia a mesma tendência apresentada pelo tomógrafo baseado em detectores de BGO, atingindo para os 2400 mm de AFOV e plena aceitação no ângulo polar uma sensibilidade cerca de 20 (5) vezes mais elevada do que no caso do tomógrafo GE Advance® usando um ganho de TOF de 4,4 (sem ganho de TOF), e uma SF de 46,4%, excluindo a dispersão no detector. Procedeu se então a simulações detalhadas com vista à optimização do detector RPC a usar num tomógrafo PET de forma paralelepipédica definido por quatro cabeças de detecção com um AFOV de 2400 mm. Cada cabeça de detecção contém uma pilha de 20 detectores RPC, cada um com dois módulos de detecção com 5 camadas de gás (350 µm de espessura) delimitados por 6 placas de vidro. Definiram se os materiais e as espessuras para as camadas isoladoras, os eléctrodos de alta tensão e os de recolha de sinal, tendo se obtido um espessura óptima de 200 µm para as placas de vidro para detecção de fotões de 511 keV, e uma fracção de eventos mal identificados de 32% para uma distância das Linhas de Resposta (LORs) ao ponto de aniquilação igual ou inferior a 2 mm. Estudou-se também a resolução espacial do referido tomógrafo com simulações detalhadas em GEANT4. Os dados de simulação foram processados por forma a ter em conta a electrónica de leitura dos protótipos de RPCs desenvolvidos para teste. As coincidências foram efectuadas recorrendo a um classificador de coincidências de janela temporal simples, aceitando se as LORs com ângulo polar igual ou inferior a 9º. Avaliou se a resolução especial de acordo com as recomendações da norma NEMA NU2 2001, mas considerando apenas uma fonte pontual com 1 µm de diâmetro localizada no centro de uma esfera de polymetil metacrilato com 2 mm de diâmetro, que foi posicionada no plano transaxial central, desviada 100 mm do eixo segundo as duas direcções do referido plano. A resolução espacial encontrada foi de 0,9, 1,4 e 2,1 mm, respectivamente, para um segmentação do detector de 0, 1 e 2 mm nas direcções transaxial e axial, e de 3,44 mm na direcção radial. Estudou se ainda a SF, as taxas de contagem e a Taxa de Contagem Equivalente de Ruído (NECR) do tomógrafo já descrito, seguindo as normas NEMA NU2 2001. Os dados de simulação foram processados de modo a ter em conta a electrónica de leitura do detector. O melhor esquema de processamento para optimizar o NECR consistiu em efectuar as coincidências recorrendo a um classificador de coincidências do tipo janela temporal múltipla, aceitação total no ângulo polar, rejeição das LORs cujo o ponto reconstruído directamente por TOF cai fora de uma região de interesse com 2 cm de margem relativamente às dimensões do fantoma, e aceitando todos os possíveis pares de coincidências, incluindo todas as combinação possíveis retiradas das coincidências múltiplas. Considerando um tempo morto para a leitura em posição de 3.0 µs e para o fantoma NEMA NU2 2001, obteve se uma SF de 51.8% e um pico de NECR de 167 kcps a ~7.6 kBq/cm3. Para um fantoma similar mas estendido axialmente até aos1800 mm, a SF obtida foi de 53.7% e o pico de NECR de ~164 kcps a ~3.0 kBq/cm3

Generative Mesh Modeling

Generative Modeling is an alternative approach for the description of three-dimensional shape. The basic idea is to represent a model not as usual by an agglomeration of geometric primitives (triangles, point clouds, NURBS patches), but by functions. The paradigm change from objects to operations allows for a procedural representation of procedural shapes, such as most man-made objects. Instead of storing only the result of a 3D construction, the construction process itself is stored in a model file. The generative approach opens truly new perspectives in many ways, among others also for 3D knowledge management. It permits for instance to resort to a repository of already solved modeling problems, in order to re-use this knowledge also in different, slightly varied situations. The construction knowledge can be collected in digital libraries containing domain-specific parametric modeling tools. A concrete realization of this approach is a new general description language for 3D models, the "Generative Modeling Language" GML. As a Turing-complete "shape programming language" it is a basis of existing, primitv based 3D model formats. Together with its Runtime engine the GML permits - to store highly complex 3D models in a compact form, - to evaluate the description within fractions of a second, - to adaptively tesselate and to interactively display the model, - and even to change the models high-level parameters at runtime.Die generative Modellierung ist ein alternativer Ansatz zur Beschreibung von dreidimensionaler Form. Zugrunde liegt die Idee, ein Modell nicht wie üblich durch eine Ansammlung geometrischer Primitive (Dreiecke, Punkte, NURBS-Patches) zu beschreiben, sondern durch Funktionen. Der Paradigmenwechsel von Objekten zu Geometrie-erzeugenden Operationen ermöglicht es, prozedurale Modelle auch prozedural zu repräsentieren. Statt das Resultat eines 3D-Konstruktionsprozesses zu speichern, kann so der Konstruktionsprozess selber repräsentiert werden. Der generative Ansatz eröffnet unter anderem gänzlich neue Perspektiven für das Wissensmanagement im 3D-Bereich. Er ermöglicht etwa, auf einen Fundus bereits gelöster Konstruktions-Aufgaben zurückzugreifen, um sie in ähnlichen, aber leicht variierten Situationen wiederverwenden zu können. Das Konstruktions-Wissen kann dazu in Form von Bibliotheken parametrisierter, Domänen-spezifischer Modellier-Werkzeuge gesammelt werden. Konkret wird dazu eine neue allgemeine Modell-Beschreibungs-Sprache vorgeschlagen, die "Generative Modeling Language" GML. Als Turing-mächtige "Programmiersprache für Form" stellt sie eine echte Verallgemeinerung existierender Primitiv-basierter 3D-Modellformate dar. Zusammen mit ihrer Runtime-Engine erlaubt die GML, - hochkomplexe 3D-Objekte extrem kompakt zu beschreiben, - die Beschreibung innerhalb von Sekundenbruchteilen auszuwerten, - das Modell adaptiv darzustellen und interaktiv zu betrachten, - und die Modell-Parameter interaktiv zu verändern

Modeling and sensitivity analysis of aircraft geometry for multidisciplinary optimization problems

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Aeronautics and Astronautics, 2012.This electronic version was submitted by the student author. The certified thesis is available in the Institute Archives and Special Collections.Cataloged from student-submitted PDF version of thesis.Includes bibliographical references (p. 415-421).A new geometry management paradigm for aircraft design utilizes Computer Aided Design (CAD) systems as the source for consistent geometry models across design phases and analysis tools. Yet various challenges inhibit the widespread application of CAD models in aircraft conceptual design because current CAD platforms are not designed for automated shape optimization. In particular, CAD models built with conventional methods can perform poorly in automated design frameworks and their associated CAD systems do not provide shape sensitivities. This thesis aims to remedy these concerns by bridging the computational geometry tools in CAD with aerospace design needs. A methodology for constructing CAD models is presented using concepts of multifidelity/multidisciplinary geometry and design motion. A formalized definition of design intent emerges from this approach that enables CAD models with parameterization flexibility, shape malleability and regeneration robustness for automated design settings. Analytic shape sensitivities are also presented to apply CAD models in gradient-based shape optimization. The parameterization and sensitivities for sketches, extrude, revolve and sweep features are given for mechanical design; shape sensitivities for B-spline curves and surfaces are also presented for airfoil and wing design. Furthermore, analytic methods modeling the sensitivity of intersection edges and nodes in a boundary representation (BRep) are given. Comparisons between analytic and finite-difference gradients show excellent agreement, however an error associated with the finite-difference gradient is found to exist if linearizing the support points of B-spline curves/surfaces and regenerating with a geometry kernel. This important outcome highlights a limitation of the finite-difference method when used on CAD models containing these entities. Finally, various example design problems are shown which highlight the application of the methods presented in the thesis. These include mechanical part design, inverse/forward design of airfoils and wings, and a multidisciplinary design space study. Gradient-based optimization is used in each design problem to compare the impact of analytic and finite-difference geometry gradients on the final designs obtained. With each of these contributions, the application of CAD-by David Sergio Lazzara.Ph.D