Ultrasound modulated optical tomography in scattering media: flux filtering based on persistent spectral hole burning in the optical diagnosis window

Ultrasound modulated optical tomography (UOT) is a powerful imaging technique to discriminate healthy from unhealthy biological tissues based on their optical signature. Among the numerous detection techniques developed for acousto-optic imaging, only those based on spectral filtering are intrinsically immune to speckle decorrelation. This paper reports on UOT imaging based on spectral hole burning in Tm:YAG crystal under a moderate magnetic field (200G) with a well-defined orientation. The deep and long-lasting holes translate into a more efficient UOT imaging with a higher contrast and faster imaging frame rate. We demonstrate the potential of this method by imaging calibrated phantom scattering gels.Comment: 4 pages, 5 figure

On the critical character of plasticity in metallic single crystals

Previous acoustic emission (AE) experiments on ice single crystals, as well as numerical simulations, called for the possible occurrence of self-organized criticality (SOC) in collective dislocation dynamics during plastic deformation. Here, we report AE experiments on hcp metallic single crystals. Dislocation avalanches in relation with slip and twinning are identified with the only sources of AE. Both types of processes exhibit a strong intermittent character. The AE waveforms of slip and twinning events seem to be different, but from the point of view of the AE event energy distributions, no distinction is possible. The distributions always follow a power law, even when multi-slip and forest hardening occur. The power law exponent is in perfect agreement with those previously found in ice single crystals. Along with observed time clustering and interactions between avalanches, these results are new and strong arguments in favour of a general, SOC-type, framework for crystalline plasticity.Comment: 12 pages, 10 figure

Dislocation Exhaustion and Stress Anomaly in L12_2 Alloys: The `E.L.U.' Model

A statistical model is proposed to account for strength anomalies in L1$_2$ alloys. It is based on a competition between locking of superdislocations into Kear Wilsdorf locks and by-passing these locks by macrokinks. From the statistical distribution of macrokink heights, it is shown that the population of mobile dislocations is exhausted with an increasing efficiency as temperature is raised. This yields either an exhaustion creep at constant applied load, or a strength anomaly in constant strain rate conditions. Several consequences on strain rate sensitivity, work-hardening, or flow stress reversibility are envisaged

A Brief Theory of Epidemic Kinetics

In the context of the COVID-19 epidemic, and on the basis of the Theory of Dynamical Systems, we propose a simple theoretical approach for the expansion of contagious diseases, with a particular focus on viral respiratory tracts. The infection develops through contacts between contagious and exposed people, with a rate proportional to the number of contagious and of non-immune individuals, to contact duration and turnover, inversely proportional to the efficiency of protection measures, and balanced by the average individual recovery response. The obvious initial exponential increase is readily hindered by the growing recovery rate, and also by the size reduction of the exposed population. The system converges towards a stable attractor whose value is expressed in terms of the “reproductive rate” R0, depending on contamination and recovery factors. Various properties of the attractor are examined, and particularly its relations with R0. Decreasing this ratio below a critical value leads to a tipping threshold beyond which the epidemic is over. By contrast, significant values of the above ratio may bring the system through a bifurcating hierarchy of stable cycles up to a chaotic behaviour

Snow avalanches: beliefs, facts, and science

This work is a critical update of the most recent and innovative developments of the avalanche science. It aims at re-founding it on clear scientific bases, from field observations and experiments up to strong mathematical and physical analysis and modeling. It points out snow peculiarities, regarding both static mechanical properties and flow dynamics, that may strongly differ from those of compact solids for the former, and of Newtonian fluids for the latter. It analyzes the general processes involved in avalanche release, in terms of brittle fracture and ductile plasticity, specific friction laws, flow of healable granular materials, percolation concepts, cellular automata, scale invariance, criticality, theory of dynamical systems, bifurcations, etc. As a result, slab triggering (including remote triggering) can be summarized by the “slab avalanche release in 4 steps” concept, based on weak layer local collapse and subsequent propagation driven by slab weight. The frequent abortion of many incipient avalanches is easily explained in terms of snow grain dynamical healing. Sluffs and full-depth avalanches are also analyzed. Such advances pave the way for significant progress in risk evaluation procedures. In the present context of a speeding-up climate warming, possible evolutions of snow cover extent and stability are also tentatively discussed. We show how, in mountainous areas, the present analysis can be extended to other gravitational failures (rock-falls, landslides) that are likely to take over from avalanches in such circumstances. The text is supported by on-line links to field experiments and lectures on triggering mechanisms, risk management, and decision making

A simple model for dry snow slab avalanche triggering, Comptes Rendus à l'Académie des Sciences

Abstract -We show that dry snow slab avalanches that are artificially triggered (e.g. by a skier) may result from a tensile failure of the slab crown induced by respectively a quasistatic or an unstable shear propagation of a basal crack at the slab / substrate interface. Avalanches of the latter type only have an initial extension that may widely include the skier's position, and are favoured by large snow thicknesses and slopes centred around a critical value of 35 Considérons sur un versant de pente α une plaque de neige reposant sur une sous-couche plus ancienne. Nous choisissons de caractériser l'épaisseur de cette plaque, non pas par h ⊥ mesurée perpendiculairement à la plaque, mais par h = h ⊥ /cos ␣ mesurée verticalement (figure 1), qui est davantage représentatif de la hauteur de neige tombée. L'interface entre les deux milieux, souvent constituée de neige fragile (gobelets par exem- Scénario A. Pour une taille de fissure basale a T , la contrainte de traction en sommet de fissure basale atteint la contrainte de rupture en traction de la plaque (équa-tion (3)). Une fissure en mode I s'ouvre alors dans la plaque (figures 1 et 2b) et se propage horizontalement à la vitesse du skieur, jusqu'à ce que l'ensemble des deux fissures couplées satisfasse le critère d'instabilité de Griffith. La fissure sommitale peut alors très rapidement dévier en cisaillement dans l'épaisseur de la plaque (mode II) par rupture des flancs et suivre ainsi le front de fissure basale, ce qui déclenche l'avalanche. Scénario B. La fissure basale atteint elle-même la condition d'instabilité de Griffith avant l'ouverture de la fissure sommitale, donnée par (3). Ceci se produit pour une taille de fissure basale a S donnée en première approximation par l'équation (5), où K IIc i est la ténacité en cisaillement de l'interface. La fissure basale se propage alors à grande vitesse (de l'ordre de la vitesse du son dans la neige pour une rupture purement fragile) et sa taille devient rapidement plus grande que la distance parcourue par le skieur (figure 2b). Le transfert de charge en tête de fissure s'opère comme précédem-ment, conduisant à l'ouverture d'une fissure sommitale (équation (3)). Mais, à cet instant, la fissure basale est déjà surcritique, et continue à se développer quasi instantanément jusqu'à la taille critique d'instabilité de l'ensemble. L'avalanche se déclenche alors sur une zone qui cette fois englobe largement la position du skieur (figure 2b). En outre, la relaxation de l'énergie élastique stockée dans la plaque se libère en un temps extrême-ment court. Cette particularité peut expliquer l'émission, lors du départ de certaines avalanches, d'ondes de choc faisant penser à des « bangs » supersoniques. L'énergie élastique stockée dans la plaque et donnée par l'équa-tion (6) est en effet de l'ordre du MJ pour une plaque de 150 m de diamètre, de 0,4 m d'épaisseur, d'une densité de 300 kg·m -3 , sur une pente de 45 o . Ce genre d'avalanche semble beaucoup plus dangereuse que la première, à cause de la position centrale du skieur, qui a peu de chances de pouvoir s'échapper de la zone d'écoulement. La compétition entre ces deux scénarios est illustrée sur la figure 3, dans laquelle a S et a T sont tracés en fonction de la pente pour une densité de neige de 400 kg·m -3 . Pour une pente donnée, le type de scénario (A ou B) est déterminé par le plus petit de ces deux paramètres. Par souci de simplicité, K IIc i a été assimilé à la ténacité K c de la neige donnée dans le tableau, mais peut prendre des valeurs nettement plus faibles dans le cas de couches interfaciales affaiblies. On voit sur la figure 3 que, pour une épaisseur de neige de 1 m, par exemple, le déclenchement suivra le scénario B pour des pentes comprises entre 15 o et 58 o . Cette « fenêtre » se réduit si l'épaisseur de neige diminue, et disparaît dans le cas présent pour une épaisseur de 0,8 m. En dessous de cette épaisseur critique, tous les départs sont de type A. La transition entre ces deux régimes (disparition de la fenêtre) se produit pour une pente α 0 et une épaisseur de neige h o assurant la tangence des deux courbes, c'est-à-dire vérifiant les équations La photographie de la figure 5 a été prise immédiate-ment après le déclenchement d'une avalanche de plaque sur le versant nord de la pointe du Vallon, en février 1997, après plusieurs jours de chutes de neige abondantes (forte épaisseur de plaque), suivis par une nuit très claire (pouvant favoriser un affaiblissement de l'interface par métamorphisme de gradient). La pente de ce versant se situe entre 30 et 35 o , c'est-à-dire qu'elle est très proche de l'angle critique de 35,3 o . Ce déclen-chement spectaculaire fut accompagné de deux « bangs » très rapprochés, alors que deux skieurs traversaient la pente quelque 200 m plus bas (les skieurs furent balayés par la déferlante partie du haut de la plaque et qui descendit la pente à grande vitesse, mais survécurent, bien qu'ayant été transportés jusque sur le versant opposé où se trouvait l'auteur de cet article). Cette avalanche présente les caractéristiques du scénario B. Conclusion La démarche choisie ici était de mettre en évidence, de façon analytique et dans un cas simplifié, le rôle joué par la propagation et la stabilité des fissures. Nous avons ainsi montré que deux types distincts de départs de plaque peuvent se produire, selon que l'initiation de la fissure sommitale se produit ou non avant l'instabilité de la fissure basale. Dans le second cas, favorisé par de fortes épaisseurs de neige et des pentes comprises dans 822 F. Louchet / C. R. Acad. Sci. Paris, Sciences de la Terre et des planètes / Earth and Planetary Sciences 330 (2000) 821-827 une fenêtre « centrée » autour de 35,3 o , l'étendue de la zone de départ englobe largement la position du skieur qui l'a provoquée. Notre approche présente l'avantage de rendre compte, au moyen de concepts simples, de l'existence des deux types de déclenchements d'avalanches de plaque, ainsi que de mettre en lumière l'influence de divers paramè-tres tels que la pente, l'épaisseur de plaque et les caractéristiques mécaniques de la neige, lui permettant ainsi de servir de base physique à des simulations numéri-ques futures, qui pourront prendre en compte les particularités de la plaque de neige et du terrain

From individual dislocation motion to collective behaviour

International audienceThe dynamical behaviour of dislocations under load is analysed in terms of a balance between mutual interactions and lattice friction, defining a screening distance which is compared to dislocation separation. Large friction stresses or low dislocation densities obviously result in individual dislocation motion; a few examples taken from TEM in situ experiments illustrate how mechanisms recorded at the dislocation scale may help in understanding the macroscopic mechanical behaviour of such materials. The pathologic case of strength anomalies is then analysed: the effect of lattice friction is overwhelmed by a strong strain localisation arising from a very low value of the strain rate sensitivity. The resulting collective and intermittent plastic flow makes difficult any direct analysis of dislocation mechanisms within avalanches, whereas observations made in lower density regions may not be representative of the mechanisms responsible for the strength anomaly. Beyond such transient regimes, the screening distance tends to infinity as the lattice friction vanishes. An obstacle-free and fully collective dislocation motion appears (domino effect), characterised by scale-free avalanche size distributions, in which avalanches of any sizes can occur. Such behaviour is reminiscent of the well known self-organised criticality (SOC), making questionable any micro-macro homogeneization procedure based on a supposed representative elementary volume

Are Self-Organised Critical Dislocation Dynamics Relevant to Ice Sheet Flow?

It was recently shown thai crystals (including ice) plastically deform in an intermittent manner in usual laboratory conditions. The present paper aims at discussing whether such self-organised critical dynamics still apply to polar ice sheet conditions. Field data suggest that grains should contain between zero and one dislocation moving at a time. However, this is nothing but an average estimate. Field data also show that strong back-stresses are present, collesponding to a significant density of potentially mobile dislocations. These findings, together with the very low loading level, are consistent with critical dislocation dynamics, in which collective motion events occur for a short time, followed by long periods of inactivity during which grain growth, rotation recrystallization and other recovery processes contribute to the reduction of the long range internal stress field. The stress and grain size dependencies of the strain rate are derived on this basis. The applicability of the Hall-Petch law is also discussed.I. Microphysical properties, deformation, texture and grain growt

Anomalie plastique de l'alliage Fe-40Al ordonné B2

Nous avons caractérisé le comportement plastique du Fe-40A1 ordonné B2. Ce matériau présente la particularité de posséder une limite d'élasticité qui augmente dans une gamme de températures ("anomalie de la limite d'élasticité"). Cette anomalie est accompagnée d'une sensibilité nulle de la contrainte d'écoulement à la vitesse de déformation dans la même gamme de températures. Ces deux singularités sont généralement indissociables et peuvent s'expliquer par un épuisement thermiquement activé des dislocations mobiles. Au cours de ce travail, nous avons tout d'abord caractérisé le matériau de façon macroscopique ; cette partie constitue les fondations de notre étude. Ensuite, grâce à l'emploi de monocristaux, nous avons travaillé à comprendre la géométrie du glissement en fonction de la température. Enfin, nous avons détaillé la microstructure à l'échelle des dislocations par microscopie électronique en transmission post-mortem et in situ. Nos résultats ont montré que l'anomalie de la limite d'élasticité résulte de l'épuisement des superdislocations par formation de tubes de parois d'antiphase dus à l'absorption de lacunes : l'activation thermique de cet épuisement provient de la dépendance directe du nombre de tubes formés à la concentration en lacunes qui est une fonction croissante de la température. Par ailleurs, la présence d'un pic d'anomalie peut s'expliquer par le mécanisme de décomposition des superdislocations qui alimente le matériau en dislocations ordinaires non sujettes au mécanisme de création de tubes. L'épuisement des superdislocations semble être le facteur qui catalyse la décomposition. Nous avons proposé des bases pour un modèle de type épuisement/multiplication. En considérant un mécanisme classique de multiplication de type Franck-Read, nous parvenons à exprimer la contrainte d'écoulement en fonction de la température et nous montrons qu'il en résulte une anomalie. Par ailleurs, en supposant que le bore modifie l'énergie de migration des lacunes, nous proposons une analyse qui explique le rôle de cet élément par augmentation du rayon de capture des lacunes par les superdislocations mobiles.GRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocPARIS-MINES ParisTech (751062310) / SudocSudocFranceF