Toinen esijulkaisu: Inkluusioiden etsimistä

26/10/2014

Toinen esijulkaisuni, joka on kirjoitettu yhteistyössä väitöstyön ohjaajani Mikko Salon sekä Manas Karin kanssa, löytyy arXivista osoitteesta http://arxiv.org/abs/1410.4048 . Manas on post doc -tutkija Jyväskylässä, eli kankeasti suomennettuna väitöskirjan jälkeisiä jatkotutkintoja suorittamassa.

Toinen artikkeli käsittelee suurinpiirtein samaa aihetta kuin ensimmäinen, mutta tulokset ovat varsin erilaisia. Kirjoitan ongelmasta kohtalaisen yleistajuisesti. Viimeksi mukana oli aavistus ongelman historiaa ja matemaattisempaa selitystä, joten en toista niitä tällä kertaa. Tämän tuloksen matemaattinen esitys löytyy arXivista.

Oletetaan, että meillä on sähköä (tai lämpöä; matemaattinen malli on sama) johtava kappale, jonka sisäistä rakennetta halutaan tutkia. Sähköimpedanssitomografian avulla voidaan esimerkiksi yrittää löytää syöpäkasvaimia, koska ne johtavat sähköä ympäröivää kudosta tehokkaammin, koska niisä on tehostunut verenkierto. Tutkittavan kappaleen ympärille asetetaan elektrodeja, joiden avulla asetetaan jännite-eroja. Jännite-erojen aiheuttama virta mitataan. Tästä tiedosta pyritään selvittämään kappaleen (sähkön) johtavuus. Vastaavasti asettamalla lämpötila kappaleen reunoilla ja mittaamalla lämmön johtumista kappaleeseen ja kappaleesta saadaan samanlaista dataa.

Jännite-erojen aiheuttaman virran mittaus vastaa jännitejakauman ylläpidon vaatimaa tehoa, eli käytännössä asetelmassa mitataan jännite-erojen ylläpidon vaatimaa tehoa. Ajatellaan kahta kappaletta, joista toinen on vakiojohtavuuksinen – yksiköt sopivasti valitsemalla voidaan olettaa johtavuuden olevan yksi kaikkialla kappaleessa. Ajatellaan, että toinen kappale sisältää inkluusion, eli alueen, jossa johtavuus on joko huomattavasti suurempi tai huomattavasti pienempi kuin ympäristössä – voisi esimerkiksi olla, että inkluusion johtavuus vaihtelee kahdesta kymmeneen, tai kuudesosasta kolmasosaan. Keskityn tässä tilanteeseen, jossa inkluusion johtavuus on suurempi kuin ympäristön. Pienemmän johtavuuden tilanne toimii vastaavasti.

Suurempi johtavuus tarkoittaa järjestelmän vaativan enemmän energiaa. Tilanne on helpompi ajatella lämmön kautta. Ajatellaan, että joku haluaisi samaan tilaan sekä lämpimän että kylmän alueen – vaikkapa +10 astetta ja +30 astetta. Jos nämä haluaisi samaan teollisuushalliin, ei ongelmaa olisi – patterit kovemmalle toisessa päässä kuin toisessa. Jos haluaisi vastaavan eron olohuoneeseen, niin työtä pitäisi tehdä paljon enemmän, koska matka kuuman ja kylmän alueen välillä olisi lyhempi. Alueiden tuominen aivan vierekkäin vaatii erittäin suuret määrät työtä, koska lämmin ilma sekoittuisi välittömästi kylmän kanssa. Suuri johtavuus vastaa etäisyyksien lyhentämistä, koska lämpö pääsee liikkumaan nopeammin ja tasoittamaan eroja nopeammin.

Jos vertaamme vakiojohtavuuksista kappaletta ja samankokoista ja -muotoista kappletta, jossa on suuren johtavuuden alue, niin saman reunajännitejakauman ylläpito vaatii korkeajohtavuuksisen alueen tilanteessa enemmän tehoa. Tämä ero on mahdollista havaita käytetyillä mittausmenetelmillä. Menetelmässä asetetaan jännitteet siten, että osaan alueesta keskittyy paljon jännite-eroja ja siten virtaa, ja toiseen osaan erittäin vähän eroja ja virtaa. Jos korkeajohtavuuksinen alue osuu suurten jännite-erojen puolelle, niin huomataan, että jännitteiden ylläpitäminen vaatii huomattavasti oletettua enemmän tehoa, ja jos inkluusio on kokonaan matalien erojen puolella, saadaan oletetun kaltaisia tuloksia. Täten saadaan tietoa korkeajännitteisen alueen sijainnista.

Koska tutkimme johtavuusyhtälön epälineaarista versiota (epälineaarinen tarkoittaa, että suureiden väliset verrannollisuudet ovat monimutkaisempia kuin suora tai käänteinen verrannollisuus), eli niin sanottua p-Laplace -yhtälöä, on sopivia jännitejakaumia hankala keksiä. Pystymme asettamaan jännitteen ainoastaan niin, että jonkun suoran (2-ulotteisessa tilanteessa) tai tason (3-ulotteisessa tilanteessa; yleisemmin hypertason) toisella puolella on suuria jännite-eroja ja toisella puolella pieniä. Lineaarisessa tapauksessa pystytään luomaan myös pallonmuotoisia alueita, joissa on suuret jännite-erot, mikä johtaa parempiin kuvantamistuloksiin. Rajoitteen takia pystymme rajaamaan korkean johtavuuden alueen suorilla tai tasoilla. Emme siis saa havaittua kohteen yksityiskohtaista muotoa – aivan kuin kohteen ympärille olisi viritetty kireä pressu, ja näemme vain sen, emmekä sen alla olevan pihakeinun rakennetta, tai yleisemmin kappaleen pinnassa olevia painaumia tai onkaloita. Jos inkluusioita on useita, niin havaitsemme yhden suuren alueen. Matematiikan kielellä havaitsemme inkluusion konveksin verhon.

Menetelmän jota käytämme (ns. enclosure method eli kotelointimenetelmä) kehitti alunperin Ikehata Masaru, ja muitakin menetelmiä löytyy, mutta niiden soveltamista p-Laplace -luonteiseen johtavuusyhtälöön emme ole vielä yrittäneet. Ehkä joskus. Laajempaa kirjallisuuskatsausta voi lueskella artikkelista.

Tähän mennessä p-Laplace -yhtälöön perustuvassa Calderónin ongelmassa osataan tehdä seuraavaa: Isotrooppinen johtavuus ja johtavuuden ensimmäinen derivaatta saadaan selville kappaleen reunalla, ja vakiojohtavaisesta taustamateriaalista voidaan havaita inkluusion konveksi verho. Nyt näemme ainakin hiukan kappeel sisälle, mutta emme vielä tyydyttävällä tavalla.

Vastaa

Täytä tietosi alle tai klikkaa kuvaketta kirjautuaksesi sisään:

WordPress.com-logo

Olet kommentoimassa WordPress.com -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Twitter-kuva

Olet kommentoimassa Twitter -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Facebook-kuva

Olet kommentoimassa Facebook -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Google+ photo

Olet kommentoimassa Google+ -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Muodostetaan yhteyttä palveluun %s

%d bloggers like this: