Revista Politécnica

Simulation of a HPGe Detector with GEANT4

Resumen: La espectroscopía gamma es una técnica analítica que identifica los isótopos mediante las emisiones de rayos gamma de cada uno de estos. En la actualidad, esta técnica tiene gran relevancia debido a un amplio espectro de aplicaciones como el estudio de la hidrodinámica del suelo y otras aplicaciones. Con el desarrollo de la computación moderna, se han desarrollado softwares de simulación Monte-Carlo que permiten estimar la respuesta de los detectores empleados en la espectroscopía gamma. El objetivo de este trabajo es desarrollar una aplicación en GEANT4 para estimar la eficiencia máxima de energía total para un detector de HPGe y determinar la desviación de los datos experimentales. Para lo cual, se realizó mediciones de Am-241, Eu-152, Cs-137, y Co-60 a las distancias de 0, 5, 10, 20 y 25 cm desde el recubrimiento superior del detector, cada uno respectivamente. La simulación se desarrolló mediante acciones de usuario para extraer la energía depositada en el volumen sensible. A partir de esto, se determinó la eficiencia máxima de energía total de los datos experimentales, luego se determinó un factor de detección que estimaba la desviación del resultado simulado con experimental. Se planteó que una razón de este comportamiento es la ausencia de la simulación de la cadena electrónica. Finalmente, se sugiere que futuros trabajos desarrollen simulaciones más precisas para isotopos multiemisores.

Abstract: Gamma spectroscopy is an analytic technique that identifies isotopes through gamma rays. Currently, gamma spectroscopy is widely used in several science fields, for instance, the study of the hydrodynamics of soils and other applications. Considering the development of computers, it has been developed Monte-Carlo simulation packages, in order to estimate the response of gamma spectroscopy detectors. This work aims to develop a GEANT4 application to estimate the full energy peak efficiency for a HPGe detector and determine the deviation with experimental data. It was carried out measurements of the next radioactive sources, Am-241, Eu-152, Cs-137, and Co-60. These measurements were made at different distances, they were at 0, 5, 10, 20, and 25 cm from the detector’s cover layer. Meanwhile, the simulation was carried out through user action classes to extract energy deposited in the sensitive detector. It was determined full energy peak efficiency of experimental data, through these results, it was estimated a detection factor that measures the deviation between experimental and simulated data. A reason for the deviation was that the simulation did not include the electronic chain of acquisition. Finally, it was suggested that future works should develop a more accurate simulation for multi-emitters isotopes.

Assessment of Climatic Aggressiveness and Precipitation Concentration in the Chancay-Lambayeque Basin, Peru

Resumen: El comportamiento de las precipitaciones en el norte peruano se caracteriza por presentar lluvias con pocos meses lluviosos y muchos meses secos, por lo cual, surge la necesidad de abordar el estudio de la regularidad de las lluvias en esta zona del país con fines de pronóstico y prevención. El objetivo de la presente investigación fue evaluar la agresividad climática y concentración de precipitaciones empleando los índices de Fournier (IF), Fournier modificado (IFM), Fournier-Maule modificado (IFMM) y concentración de precipitaciones (ICP), estos parámetros permiten estimar la agresividad y concentración pluvial empleando precipitaciones mensuales y anuales con correlaciones respecto a la altitud y la precipitación media. Para este caso, se usaron registros pluviométricos de las estaciones meteorológicas de la cuenca Chancay-Lambayeque ubicada en el norte de Perú agrupadas mediante su vector regional. Los resultados indican una buena correlación entre la altitud y la precipitación media (R2 = 0,69), además el índice de agresividad climática que mejor desempeño muestra es el IFMM respecto a la altitud (R2 = 0,62) y precipitación media (R2 = 0,87), también el ICP indica buenas correlaciones en cuanto a la altitud (R2 = 0,69) y precipitación media (R2 = 0,62). En consecuencia, los hallazgos de la investigación manifiestan que el IFMM y ICP son los mejores estimadores para la cuenca estudiada ya que explican su agresividad climática variable y un comportamiento estacional según la concentración de precipitaciones.

Abstract: The behavior of precipitations in northern Peru is characterized by having rains with few rainy months and many dry months, which is why there is a need to address the study of the regularity of rains in this area of the country for forecasting and prevention purposes. The objective of this research was to evaluate the climatic aggressiveness and precipitation concentration using Fournier (IF), modified Fournier (IFM), modified Fournier-Maule (IFMM) and precipitation concentration (ICP) index, since these parameters allow estimating the aggressiveness and pluvial concentration using monthly and annual precipitations with correlations with respect to altitude and mean precipitation, which for this case pluviometric records from meteorological stations of the Chancay-Lambayeque basin located in northern Peru were used grouped by their regional vector. The results indicate a good correlation between altitude and mean precipitation (R2 = 0,69), in addition climatic aggressiveness index that shows the best performance is IFMM with respect to altitude (R2 = 0,62) and mean precipitation (R2 = 0,87), ICP also indicates good correlations in terms of altitude (R2 = 0,69) and media precipitation (R2 = 0,62). Consequently, the research findings show that IFMM and ICP are the best estimators for the studied basin as they explain its variable climatic aggressiveness and seasonal behavior according to precipitations concentration.

Imputation Efficiency of Missing Rainfall Data Using Computational Tools in a River Basin, Jubones-Ecuador

Resumen: Para un correcto análisis de los recursos hídricos es necesario conocer de una manera precisa las precipitaciones de una zona, esto permitirá realizar aplicaciones con altos niveles de confiabilidad en cuanto a la cantidad de agua que se tenga en una cuenca hidrográfica. Las series suelen ser de varios años por lo que es muy probable que por fallas de los equipos, fallas humanas o pérdida de registros de almacenamiento se encuentren datos faltantes. Previo a cualquier análisis hidrológico, una tarea fundamental es tener series de datos completas y debido a la variabilidad de ciertas cuencas hidrográficas muchos de los métodos convencionales no resultan efectivos. Por tal motivo se utiliza la paquetería Climatol de R y la metodología estadística recomendada desde la normalización de los datos para evaluar su funcionamiento. Para esto se imputan los datos de la cuenca del río Jubones que se caracteriza por ser vertiente de Pacífico y por tener una gran variabilidad de precipitaciones. Se han utilizado varias métricas estadísticas de comparación para comprobar el funcionamiento de la metodología encontrando muy buenos ajustes en diversas comparaciones entre series de datos de diferentes estaciones meteorológicas.

Abstract: For a correct analysis of water resources, it is necessary to know precisely the rainfall in an area; this will allow applications with high levels of reliability in terms of the amount of water in a hydrographic basin. The series is usually of several years, so it is very likely that missing data will be found due to equipment failures, human failures, or loss of storage records. Before any hydrological analysis, a fundamental task is to have complete data series, and due to the variability of certain hydrographic basins, many of the conventional methods are ineffective. For this reason, the R Climatol package is used, and the statistical methodology is recommended from the normalization of the data to evaluate its operation. For this, the Jubones river basin data are imputed, characterized by being a Pacific-slope and having a great rainfall variability. Several statistical comparison metrics have been used to verify the methodology performance, finding perfect fits in various comparisons between data series from different meteorological stations.

Temperature Profile Modeling for Suborbital Flight EMIDSS-1

Resumen: La medición física de las principales variables involucradas en las diferentes capas de la atmósfera ante un eminente cambio climático puede proporcionar registros que coadyuven al modelado, pronóstico, predicción y simulación del clima. En particular, el propósito de este trabajo se centra en el modelado del perfil de temperatura en diferentes etapas del vuelo, haciendo énfasis en la Tropopausa. El perfil fue obtenido por varios termómetros dentro y fuera del módulo “Experimental Module for the Iterative Design for Satellite Subsystems version 1” por sus siglas en inglés (EMIDSS-1) y registrados en la computadora de abordo. Este es un Proyecto de colaboración entre el Centro de Desarrollo Aeroespacial del Instituto Politécnico Nacional y del Instituto de Ciencias Aplicadas y Tecnología de la Universidad Nacional Autónoma de México. El módulo fue lanzado con la ayuda de la NASA en la misión FY19-FTS dentro de la plataforma 11MCF#697N en septiembre 2019 desde Fort Sumner, Nuevo México-EUA dentro del Programa Columbia Scientific Balloon Facility. Los perfiles se comparan con vuelos suborbitales similares con plataformas de grandes altitudes y estándares internacionales de la atmósfera para el estudio y predicciones entre la tropósfera y la estratósfera.

Abstract: The physical measurement of the main variables involved in the different layers of the atmosphere in the face of eminent climate change can provide records that contribute to the modeling, forecasting, prediction and simulation of the climate. In particular, the purpose of this work focuses on the modeling of the temperature profile at different stages of flight, emphasizing the Tropopause. The profile was obtained by several thermometers inside and outside the module "Experimental Module for the Iterative Design for Satellite Subsystems Ver.1" and recorded on the on board computer. This is a collaboration project between the CDA-IPN and ICAT-UNAM. The module was launched with NASA's help on the FY19-FTS mission within the 11MCF#697N platform in September 2019 from Fort Sumner, New Mexico-USA of the Columbia Scientific Balloon Facility Program. The profiles are compared with similar suborbital flights with high altitude platforms and international atmospheric standards for the study and predictions between the troposphere and the stratosphere.

Obtaining and Validating of Differential Pressure Models in the Impulse Section of an Air Handling Unit

Resumen: Este artículo aborda el problema de la identificación de la presión diferencial en una unidad manejadora de aire (UMA), haciendo especial énfasis en la validación de los modelos obtenidos. A pesar de que muchos autores se concentran solo en las variables: temperatura y humedad, por el probado ahorro energético de la aplicación de diversas estrategias de control avanzado sobre las mismas, otros estudios también muestran las oportunidades de ahorro a partir del control del flujo de aire. Todos estos trabajos tienen como denominador común el uso de modelos tanto en el diseño como en la evaluación de las estrategias de control propuestas. El trabajo aquí presentado destaca los aspectos tomados en cuenta durante la aplicación de la metodología de la identificación de sistemas en el proceso estudiado. Se exponen algunas de las principales dificultades que conlleva la aplicación de la misma en la industria y se proponen variantes, para, a pesar de ellas, obtener modelos que satisfagan las expectativas de sus futuros usuarios. En la validación se recomiendan, además de las pruebas que típicamente se hacen en la práctica de la identificación de sistemas, otros análisis sobre los modelos obtenidos, dada la variabilidad estocástica de la variable presión diferencial.

Abstract: This article addresses the problem of identifying differential pressure in an air handling unit (AHU), with special emphasis on the validation of the obtained models. Despite of the fact that many authors focus only on the variables: temperature and humidity, due to the proven energy savings of the application of several advanced control strategies for these variables, other researches show energy savings opportunities from air flow control. All those works have as common denominator the use of models, both in the design and in the evaluation of the proposed control strategies. The work presented here highlights the aspects considered during the application of the system identification methodology in the studied process. Some of the main difficulties involved in applying it in a real case of the industry are exposed and variants are proposed to, despite them, obtain models that satisfy the expectation of its future users. In the validation step, in addition to tests typically done in the practice of system identification, other analysis on the obtained models are recommended, given the stochastic variability of differential pressure variable.

A Comparative Study of Bee and Ant Algorithms on the Sphere

Resumen: Dos algoritmos bio-inspirados en la naturaleza se implementaron con el fin de conocer y analizar su comportamiento al buscar una solución a un problema de optimización numérica bien conocido en el estado del arte como problema de la esfera. Asimismo, se buscó detectar aspectos comunes y particulares de ambos algoritmos que derivan en una convergencia prematura. Estos algoritmos son: el Algoritmo de Optimización de Colonia de Hormigas (ACO) y Colonia Artificial de Abejas (ABC). Ambos pertenecen al grupo de Algoritmos de Inteligencia Colectiva, los cuales simulan el comportamiento colaborativo de ciertas especies simples e inteligentes. ACO y ABC son escasamente utilizados debido a su poca popularidad en la solución de problemas de optimización numérica puesto que en un principio fueron desarrollados para problemas combinatorios. Los resultados de cinco experimentos son presentados dando como mejor algoritmo a ACO para el problema de la esfera.

Abstract: Two bio-inspired algorithms in nature were implemented in order to know and analyze their behavior when looking for a solution to a numerical optimization problem well-known in the state of the art as a sphere problem. Likewise, we sought to detect common and particular aspects of both algorithms that lead to a premature convergence. These algorithms are: the Ant Colony Optimization Algorithm (ACO) and the Artificial Bee Colony (ABC). Both belong to the group of Collective Intelligence Algorithms, which simulate the collaborative behavior of certain simple and intelligent species. ACO and ABC are rarely used due to their low popularity in solving numerical optimization problems since they were originally developed for combinatorial problems. The results of five experiments are presented giving ACO as the best algorithm for the sphere problem.

Kinetics and Adsorption Mechanisms of Lead (II) Using Gis-NaP Zeolite Obtained from Brick Waste

Resumen: Este artículo reporta los resultados de una investigación efectuada para evaluar la cinética y mecanismos de adsorción de Pb2+ de una zeolita sintética del tipo Gis-NaP, que fue obtenida a partir de residuos de ladrillos y que fue caracterizada mediante diversas técnicas de análisis. El tratamiento de los resultados experimentales mostró que el modelo de pseudo-primer orden (R2 = 0,9983) describe mejor la cinética de adsorción. El mecanismo de adsorción de Pb2+ es mejor explicado por la isoterma de Freundlich que muestra ajuste perfecto (R2 = 0,980). Con un tiempo de contacto de 8 horas, se consigue la saturación del material zeolítico alcanzando una adsorción de 109,8 mg/g de Pb2+. La máxima capacidad de adsorción 124,4 mg/g (95,1%) se obtuvo para una concentración inicial de 872,0 mg/L. Según los resultados obtenidos, se concluye que la zeolita Gis-NaP tiene una alta eficiencia de remoción de Pb2+ y que se puede aplicar en el tratamiento de efluentes mineros y/o industriales.

Abstract: This article reports the results of an investigation carried out to evaluate the kinetics and adsorption mechanisms of Pb2+, of a synthetic zeolite of the Gis-NaP type that was obtained from brick residues and that was characterized by various analysis techniques. Treatment of the experimental results showed that the pseudo-first order model (R2 = 0,9983) better describes the adsorption kinetics. The Pb2 + adsorption mechanism is better explained by the Freundlich isotherm which shows perfect fit (R2 = 0,980). With a contact time of 8 hours, the saturation of the zeolitic material is achieved, reaching an adsorption of 109,8 mg/g of Pb2+. The maximum adsorption capacity 124,4 mg/g (95,1%) was obtained for an initial concentration of 872,0 mg/L. According to the results obtained, it is concluded that the Gis-NaP zeolite has a high removal efficiency of Pb2+ and that it can be applied in the treatment of mining and / or industrial effluents.

Exposure to Default: Estimation for a Credit Card Portfolio

Resumen: Este trabajo estima la exposición al incumplimiento sin hacer uso del factor de conversión de crédito, mecanismo habitual empleado en la literatura de estimación de pérdidas y sugerido por el Comité de Basilea. Para lograr este objetivo se ha identificado la distribución de probabilidad de esta variable (exposición al default), que posteriormente es estimada en partes (EAD = 0 y EAD > 0) mediante modelos lineales generalizados (logit y GLM-Gamma). Los resultados obtenidos son competitivos con los que se encuentran en la literatura. Esto muestra que la estimación simultánea de parámetros, así como la estimación separada arrojan resultados prometedores. Adicionalmente, el caso EAD > 0 es contrastado con un modelo MARS cuyo rendimiento es superior al GLM-Gamma. Estos modelos se aplicaron a un conjunto de datos de un portafolio de tarjeta de crédito de una entidad financiera del Ecuador.

Abstract: This work estimates the exposure at default without using the credit conversion factor, a common mechanism used in the expected loss estimation literature and suggested by the Basel Committee. To achieve this objective, the probability distribution of this variable (exposure at default) has been identified, which is subsequently estimated in parts (EAD = 0 and EAD > 0) using generalized linear models (logit and GLM-Gamma). The results obtained are competitive with those found in the literature. This shows that the simultaneous estimation of parameters, as well as the separate estimation, give promising results. Additionally, the EAD > 0 case is contrasted with a MARS model whose performance is superior to GLM-Gamma. These models were applied to a data set of a credit card portfolio of a financial institution in Ecuador.