Absorption of Short-Pulsed Laser Radiation in Superficial Human Tissues: Transient Vs Quasi-Steady Radiative Transfer

Transient radiative transfer effects are pertinent to thermal treatment of superficial cancer via short-pulsed laser irradiation. The transient effects become particularly important due to relatively strong scattering and long attenuation path of radiation in human tissues in the therapeutic window until the complete absorption. Our analysis is based on transport approximation for scattering phase function and the Monte Carlo method for radiative transfer. One-dimensional radiative transfer problem is considered, which was proved to be applicable for simulation of heat transfer and thermal destruction of tumors in superficial human tissues in the case of indirect heating strategy. A series of Monte Carlo calculations enables us to find the threshold of the steady-state approach applicability. In the biomedical problem under consideration, the steady-state solution for absorbed radiation power is sufficiently accurate at duration of laser pulse more than about 10 ps. The calculations for human tissues with embedded gold nanoshells, which are used to increase the local volumetric absorption of the radiation, showed that overheating of the nanoshells with respect to the ambient biological tissue is strongly dependent of the laser pulse duration. This effect is quantified for short pulses by solving the unsteady radiative transfer problem

Radiative characterization of random fibrous media with optically large long cylindrical fibers

Radiative heat transfer is analyzed in participating media consisting of long cylindrical fibers with a diameter in the limit of geometrical optics. The absorption and scattering coefficients and the scattering phase function of the medium are determined based on the discrete-level medium geometry and optical properties of individual fibers. The fibers are assumed to be randomly oriented and positioned inside the medium. Two approaches are employed: a volume-averaged two intensities approach referred to as multi-RTE approach as it has been done in several other papers, and a homogenized single intensity approach referred to as the single RTE approach. Both approaches require effective properties determined by utilizing Monte Carlo ray tracing techniques. The macroscopic radiative transfer equations (for single intensity or volume averaged two intensities) with the corresponding effective properties are solved by Monte Carlo techniques and allow for the determination of the radiative flux distribution as well as overall transmittance and reflectance of the medium. The results are compared against predictions by the direct Monte Carlo simulation on the exact morphology. The effects of optical properties of the fiber substance and volume fraction on the effective radiative properties and the overall slab radiative characteristics are investigated. The single RTE approach gives accurate prediction for high porosity fibrous media (porosity about 95%). Advanced radiative transfer models such as the multi-RTE approach are more suitable for isotropic fibrous media with porosity in the range 79−95%

Effect of pore-level geometry on far-field radiative properties of three-dimensionally ordered macroporous ceria particle

The effects of pore size on direction-averaged radiative properties of three-dimensionally ordered macroporous (3DOM) cerium dioxide (ceria) particles are investigated in the spectral range of 0.3-10 μm. The particles are of spherical shape and contain interconnected pores in a face-centered cubic lattice arrangement. The porous particle is modeled as a three-dimensional array of interacting dipoles using the discrete dipole approximation (DDA). The validity of the Lorenz-Mie theory to predict far-field radiative properties of a quasi-homogeneous particle with the effective optical properties obtained using the volume-averaging theory (VAT) is demonstrated. Direction-averaged extinction, scattering, and absorption efficiency factors as well as the scattering asymmetry factor are determined as a function of the pore size for a particle of 1 μm diameter and as a function of the particle size for pores of 400 nm diameter. The overlapping ordered pores in the 3DOM particles and the boundary effects in the presence of pores of size comparable to that of the particle are shown to affect the radiative properties in the ultraviolet to near-infrared spectral ranges. The effects of the 3DOM pore-level features on the far-field radiative properties are not captured by the Lorenz-Mie theory combined with VAT. Consequently, the use of advanced modeling tools such as DDA is necessary. In the mid- and far-infrared spectral ranges, the effects of 3DOM pore-level features on the far-field radiative properties diminish and the approach combining the Lorenz-Mie theory and VAT is shown to be accurate.Computer grants and technical support by the ROMEO High Performance Computing Center, hosted by the University of Reims ChampagneArdenne, are gratefully acknowledged

Transfert thermique par rayonnement et conduction dans les matériaux poreux micro et nanostructures. Analogie transfert de phonons et de photons

Lobjectif de cette thèse est de modéliser et de mieux comprendre le transfert thermique multi-échelle au sein de matériaux micro et nanoporeux. Les deux modes de transfert de chaleur conduction et rayonnement sont modélisés à partir de léquation de transport de particules de Boltzman (ETB) par lintermédiaire de lanalogie entre le photon et le phonon. Pour le transfert radiatif monodimensionnel, lETB est résolue par la méthode des ordonnées discrètes (MOD) basée sur lutilisation dune quadrature composée adaptée (QCA) afin dobtenir une répartition directionnelle précise des intensités. Les propriétés radiatives du milieu homogène équivalent associé au milieu réel, intervenant dans lETB sont déterminées par des modèles de diffusion simple et indépendante appelés théorie classique de Mie (TCM), approche en champ lointain (ACL) et approche en champ proche (ACP) dune part, et caractérisées par une méthode inverse didentification des paramètres dautre part. Les applications concernent deux types de matériaux différents : du quartz fondu contenant une faible fraction volumique de micro-bulles et des films de polymère contenant différentes concentrations de microsphères creuses. Ces matériaux sont caractérisés par une forte absorption aux longueurs donde infrarouge. La validité des méthodes est vérifiée par la comparaison des résultats issus des modèles avec des mesures expérimentales de transmittance et de réflectance hémisphériques. Si la concentration de particules est faible, les différents modèles de propriétés radiatives sont en bon accord entre eux et avec les résultats expérimentaux, dans le cas contraire, il est mis en évidence que lACL est la mieux appropriée. A partir de notre connaissance concernant le transfert radiatif dans les milieux poreux microstructurés, et de lanalogie phonon/photon nous avons développé une nouvelle approche du transfert conductif dans les matériaux nanoporeux. Cette thèse est la première analyse permettant une modélisation fine du transport dénergie phononique au sein dun film de Silicium contenant des pores nanométriques. Les pores contenus dans le film étant de forte concentration et dorientation très anisotropes, aucune des méthodes de résolution de lETB existantes nest adéquate. Une nouvelle méthode de Monte Carlo en régime permanent et en trois dimensions est développée pour simuler directement le transport de phonons (conduction thermique) dans ce matériau. La morphologie nanoporeuse est modélisée, dans un premier temps, comme une répartition aléatoire de pores sphériques non agglomérés dans le volume et dans un second temps par un modèle fractal, Two-scale modifié, plus proche de la structure réelle. Les résultats de modélisation sont comparés avec les données expérimentales de la littérature. Cette méthode de Monte Carlo a permis de mettre en évidence linfluence de la taille, de la fraction volumique et de la morphologie des pores. Elle présente un fort potentiel, elle permettra notamment de modéliser le transport de phonon dans les matériaux diélectriques cristallins à géométries complexes

Transfert thermique par rayonnement et conduction dans les matériaux poreux micro et nanostructurés (analogie transfert de phonons et de photons)

L objectif de cette thèse est de modéliser et de mieux comprendre le transfert thermique multi-échelle au sein de matériaux micro et nanoporeux. Les deux modes de transfert de chaleur conduction et rayonnement sont modélisés à partir de l équation de transport de particules de Boltzman (ETB) par l intermédiaire de l analogie entre le photon et le phonon. Pour le transfert radiatif monodimensionnel, l ETB est résolue par la méthode des ordonnées discrètes (MOD) baseée sur l utilisation d une quadrature composée adaptée (QCA) afin d obtenir une répartition directionnelle précise des intensités. Les propriétés radiatives du milieu homogène équivalent associé au milieu réel, intervenant dans l ETB sont déterminées par des modèles de diffusion simple et indépendante appelés théorie classique de Mie (TCM), approche en champ lointain (ACL) et approche en champ proche (ACP) d une part, et caractérisées par une méthode inverse d identification des paramètres d autre part. Les applications concernent deux types de matériaux différents : du quartz fondu contenant une faible fraction volumique de micro-bulles et des films de polymère contenant différentes concentrations de microsphères creuses. Ces matériaux sont caractérisés par une forte absorption aux longueurs d onde infrarouge. La validité des méthodes est vérifiée par la comparaison des résultats issus des modèles avec des mesures expérimentales de transmittance et de réflectance hémisphériques. Si la concentration de particules est faible, les différents modèles de propriétés radiatives sont en bon accord entre eux et avec les résultats expérimentaux, dans le cas contraire, il est mis en évidence que l ACL est la mieux appropriée. A partir de notre connaissance concernant le transfert radiatif dans les milieux poreux microstructurés, et de l analogie phonon/photon nous avons développé une nouvelle approche du transfert conductif dans les matériaux nanoporeux. Cette thèse est la première analyse permettant une modélisation fine du transport d énergie phononique au sein d un film de Silicium contenant des pores nanométriques. Les pores contenus dans le film étant de forte concentration et d orientation très anisotropes, aucune des méthodes de résolution de l ETB existantes n est adéquate. Une nouvelle méthode de Monte Carlo en régime permanent et en trois dimensions est développée pour simuler directement le transport de phonons (conduction thermique) dans ce matériau. La morphologie nanoporeuse est modélisée, dans un premier temps, comme une répartition aléatoire de pores sphériques non agglomérés dans le volume et dans un second temps par un modèle fractal, Two-scale modifié, plus proche de la structure réelle. Les résultats de modélisation sont comparés avec les données expérimentales de la littérature. Cette méthode de Monte Carlo a permis de mettre en évidence l influence de la taille, de la fraction volumique et de la morphologie des pores. Elle présente un fort potentiel, elle permettra notamment de modéliser le transport de phonon dans les matériaux diélectriques cristallins à géométries complexes.The aim of this ph-D thesis is to model the heat transfer in micro and nanoporous materials in order to better understand the multi-scale thermal transport phenomena. We modeled both conductive and radiative heat transfer from the fundamental Boltzman Transfer Equation (BTE) using the analogy between the concepts of photon and phonon. Concerning the one-dimensional radiative transfer, the BTE is solved by the Discrete Ordinates Method (DOM) using an Adapted Composite Quadrature (ACQ) in order to obtain an accurate angular repartition of the radiative intensities. The radiative properties of the equivalent homogeneous medium associated with the real material are determined using two different methods. First, they are calculated directly using the classical Mie theory (CMT) with independent scattering, the near-field approach (NFA) or the far-field approach (FFA). They are also determined from spectroscopic measurements using an inverse identification method. The study of the radiative transfer concerns two different materials: fused quartz containing a weak volume fraction of micro-bubbles and thin polymer films containing different concentrations of hollow glass microspheres. These materials are characterized by a high absorption of radiation in the I.R wavelength range. We checked the validity of the results obtained by comparing the hemispherical transmittance and reflectance calculated theoretically with experimental measurements. For low particle concentrations, the different methods of determination of the radiative properties are in good agreement with each other and with the experimental results. On the other hand, for relatively high particle concentrations, the FFA proves to be more suitable. Thereafter, we use the analogy between the concepts of photon and phonon, used in radiative and conductive transfer respectively, to develop a novel approach to model heat conduction in nanoporous materials. Actually, this thesis constitutes the first study allowing a fine modeling of the phonon energy transport in Silicon films containing nanometric pores. Indeed, given that the concentration of pores is high and that their repartition is highly anisotropic, any of the classical method of solution of the BTE are suitable. Thus, we developed a new 3-D steady-state Monte Carlo method to simulate directly the transport of phonons in this kind of materials. The nanoporous structure is first represented by a random arrangement of non-agglomerated spherical pore and then by the modified Two-scale fractal model, which is closer to the real structure. The results of the model are compared with the experimental data reported in the literature. This Monte Carlo approach allows us to analyze the influence of the volume fraction, the size and the morphology of the pores on the heat conduction. It constitutes a promising method and would notably permit to model the phonon transport in crystalline dielectric materials with complex geometryVILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF

Modeling radiation characteristics of semitransparent media containing bubbles or particles.

Modeling of radiation characteristics of semitransparent media containing particles or bubbles in the independent scattering limit is examined. The existing radiative properties models of a single particle in an absorbing medium using the approaches based on (1) the classical Mie theory neglecting absorption by the matrix, (2) the far field approximation, and (3) the near field approximation are reviewed. Comparison between models and experimental measurements are carried out not only for the radiation characteristics but also for hemispherical transmittance and reflectance of porous fused quartz. Large differences are found among the three models predicting the bubble radiative properties when the matrix is strongly absorbing and/or the bubbles are optically large. However, these disagreements are masked by the matrix absorption during calculation of radiation characteristics of the participating medium. It is shown that all three approaches can be used for radiative transfer calculations in an absorbing matrix containing bubbles