Thèses sur le sujet « Ultra-high towers »

Materials Science has in recent years become a high priority research area, having been identified as a growth sector for the UK economy over the next decade. Breakthroughs in this field are likely to have a significant impact on every area of our lives. There has recently been a trend toward automation at beamlines which is driven by rapid technology advancement. This technology advancement has improved the quality of experiment data and has allowed data collection times to improve exponentially. The Materials Science Research Group in the Institute of Mathematics, Physics and Computer Science, at Aberystwyth University have achieved international recognition for their research on materials under extreme conditions. They have a rich history in the development and use of specialist instruments to conduct real time surface analysis. Their custom made instrumentation has allowed them to greatly improve experiment throughput. Automation of the group's ultra high vacuum chambers is therefore a further enhancement that is advantageous, important, necessary and inevitable. This thesis presents the research undertaken to study what is required to provide automated sample positioning inside vacuum chambers that are operated under ultra high vacuum conditions, as the first step towards automation. As part of the research, a prototype automated positioning system that employs state of the art model based visual tracking techniques was developed to gain an understanding of the challenges the ultra high vacuum environment presents. Experimentation was carried out to assess the effects of different lighting conditions on tracking, evaluate the tracking library, extract suitable extrinsic parameters for tracker initialisation, and evaluate both monocular and stereo mode tracking. Key findings were that the model based tracking is a suitable approach for an automated positioning system but that performance depends on having suitable port placement for the cameras. Stereo tracking provided the best performance but was still prone to divergence at certain relative positions of the manipulator. On linear runs the average error was 0.06mm. On rotational runs, anti-clockwise runs proved better with an average error of 2^o to 3^o. The high errors of mixed rotational and linear tracking runs did not match the visual outputs indicating that there were inherent errors in the data evaluation. Tracking output video footage is available at [8]. More work is needed to take the system forward and close the tracking loop. Recommendations for improvements were provided.

Le béton conventionnel (BC) a de nombreux problèmes tels que la corrosion de l’acier d'armature et les faibles résistances des constructions en béton. Par conséquent, la plupart des structures fabriquées avec du BC exigent une maintenance fréquent. Le béton fibré à ultra-hautes performances (BFUP) peut être conçu pour éliminer certaines des faiblesses caractéristiques du BC. Le BFUP est défini à travers le monde comme un béton ayant des propriétés mécaniques, de ductilité et de durabilité supérieures. Le BFUP classique comprend entre 800 kg/m³ et 1000 kg/m³ de ciment, de 25 à 35% massique (%m) de fumée de silice (FS), de 0 à 40%m de poudre de quartz (PQ) et 110-140%m de sable de quartz (SQ) (les pourcentages massiques sont basés sur la masse totale en ciment des mélanges). Le BFUP contient des fibres d'acier pour améliorer sa ductilité et sa résistance aux efforts de traction. Les quantités importantes de ciment utilisées pour produire un BFUP affectent non seulement les coûts de production et la consommation de ressources naturelles comme le calcaire, l'argile, le charbon et l'énergie électrique, mais affectent également négativement les dommages sur l'environnement en raison de la production substantielle de gaz à effet de serre dont le gas carbonique (CO[indice inférieur 2]). Par ailleurs, la distribution granulométrique du ciment présente des vides microscopiques qui peuvent être remplis avec des matières plus fines telles que la FS. Par contre, une grande quantité de FS est nécessaire pour combler ces vides uniquement avec de la FS (25 à 30%m du ciment) ce qui engendre des coûts élevés puisqu’il s’agit d’une ressource limitée. Aussi, la FS diminue de manière significative l’ouvrabilité des BFUP en raison de sa surface spécifique Blaine élevée. L’utilisation du PQ et du SQ est également coûteuse et consomme des ressources naturelles importantes. D’ailleurs, les PQ et SQ sont considérés comme des obstacles pour l’utilisation des BFUP à grande échelle dans le marché du béton, car ils ne parviennent pas à satisfaire les exigences environnementales. D’ailleurs, un rapport d'Environnement Canada stipule que le quartz provoque des dommages environnementaux immédiats et à long terme en raison de son effet biologique. Le BFUP est généralement vendu sur le marché comme un produit préemballé, ce qui limite les modifications de conception par l'utilisateur. Il est normalement transporté sur de longues distances, contrairement aux composantes des BC. Ceci contribue également à la génération de gaz à effet de serre et conduit à un coût plus élevé du produit final. Par conséquent, il existe le besoin de développer d’autres matériaux disponibles localement ayant des fonctions similaires pour remplacer partiellement ou totalement la fumée de silice, le sable de quartz ou la poudre de quartz, et donc de réduire la teneur en ciment dans BFUP, tout en ayant des propriétés comparables ou meilleures. De grandes quantités de déchets verre ne peuvent pas être recyclées en raison de leur fragilité, de leur couleur, ou des coûts élevés de recyclage. La plupart des déchets de verre vont dans les sites d'enfouissement, ce qui est indésirable puisqu’il s’agit d’un matériau non biodégradable et donc moins respectueux de l'environnement. Au cours des dernières années, des études ont été réalisées afin d’utiliser des déchets de verre comme ajout cimentaire alternatif (ACA) ou comme granulats ultrafins dans le béton, en fonction de la distribution granulométrique et de la composition chimique de ceux-ci. Cette thèse présente un nouveau type de béton écologique à base de déchets de verre à ultra-hautes performances (BEVUP) développé à l'Université de Sherbrooke. Les bétons ont été conçus à l’aide de déchets verre de particules de tailles variées et de l’optimisation granulaire de la des matrices granulaires et cimentaires. Les BEVUP peuvent être conçus avec une quantité réduite de ciment (400 à 800 kg/m³), de FS (50 à 220 kg/m³), de PQ (0 à 400 kg/m³), et de SQ (0-1200 kg/m³), tout en intégrant divers produits de déchets de verre: du sable de verre (SV) (0-1200 kg/m³) ayant un diamètre moyen (d[indice inférieur 50]) de 275 µm, une grande quantité de poudre de verre (PV) (200-700 kg/m³) ayant un d50 de 11 µm, une teneur modérée de poudre de verre fine (PVF) (50-200 kg/m³) avec d[indice inférieur] 50 de 3,8 µm. Le BEVUP contient également des fibres d'acier (pour augmenter la résistance à la traction et améliorer la ductilité), du superplastifiants (10-60 kg/m³) ainsi qu’un rapport eau-liant (E/L) aussi bas que celui de BFUP. Le remplacement du ciment et des particules de FS avec des particules de verre non-absorbantes et lisse améliore la rhéologie des BEVUP. De plus, l’utilisation de la PVF en remplacement de la FS réduit la surface spécifique totale nette d’un mélange de FS et de PVF. Puisque la surface spécifique nette des particules diminue, la quantité d’eau nécessaire pour lubrifier les surfaces des particules est moindre, ce qui permet d’obtenir un affaissement supérieur pour un même E/L. Aussi, l'utilisation de déchets de verre dans le béton abaisse la chaleur cumulative d'hydratation, ce qui contribue à minimiser le retrait de fissuration potentiel. En fonction de la composition des BEVUP et de la température de cure, ce type de béton peut atteindre des résistances à la compression allant de 130 à 230 MPa, des résistances à la flexion supérieures à 20 MPa, des résistances à la traction supérieure à 10 MPa et un module d'élasticité supérieur à 40 GPa. Les performances mécaniques de BEVUP sont améliorées grâce à la réactivité du verre amorphe, à l'optimisation granulométrique et la densification des mélanges. Les produits de déchets de verre dans les BEVUP ont un comportement pouzzolanique et réagissent avec la portlandite générée par l'hydratation du ciment. Cependant, ceci n’est pas le cas avec le sable de quartz ni la poudre de quartz dans le BFUP classique, qui réagissent à la température élevée de 400 °C. L'addition des déchets de verre améliore la densification de l'interface entre les particules. Les particules de déchets de verre ont une grande rigidité, ce qui augmente le module d'élasticité du béton. Le BEVUP a également une très bonne durabilité. Sa porosité capillaire est très faible, et le matériau est extrêmement résistant à la pénétration d’ions chlorure (≈ 8 coulombs). Sa résistance à l'abrasion (indice de pertes volumiques) est inférieure à 1,3. Le BEVUP ne subit pratiquement aucune détérioration aux cycles de gel-dégel, même après 1000 cycles. Après une évaluation des BEVUP en laboratoire, une mise à l'échelle a été réalisée avec un malaxeur de béton industriel et une validation en chantier avec de la construction de deux passerelles. Les propriétés mécaniques supérieures des BEVUP a permis de concevoir les passerelles avec des sections réduites d’environ de 60% par rapport aux sections faites de BC. Le BEVUP offre plusieurs avantages économiques et environnementaux. Il réduit le coût de production et l’empreinte carbone des structures construites de béton fibré à ultra-hautes performances (BFUP) classique, en utilisant des matériaux disponibles localement. Il réduit les émissions de CO[indice inférieur 2] associées à la production de clinkers de ciment (50% de remplacement du ciment) et utilise efficacement les ressources naturelles. De plus, la production de BEVUP permet de réduire les quantités de déchets de verre stockés ou mis en décharge qui causent des problèmes environnementaux et pourrait permettre de sauver des millions de dollars qui pourraient être dépensés dans le traitement de ces déchets. Enfin, il offre une solution alternative aux entreprises de construction dans la production de BFUP à moindre coût.
Abstract : Conventional concrete (CC) may cause numerous problems on concrete structures such as corrosion of steel reinforcement and weaknesses of concrete construction. As a result, most of structures made with CC require maintenance. Ultra-high-performance concrete (UHPC) can be designed to eliminate some of the characteristic weaknesses of CC. UHPC is defined worldwide as concrete with superior mechanical, ductility, and durability properties. Conventional UHPC includes between 800 and 1000 kg/m³ of cement particles, 25–35%wt of silica fume (SF), 0–40 wt% of quartz powder (QP), and 110–140 wt% quartz sand (QS) (the percentages are based on the total cement content of the mix by weight). UHPC contains steel fibers to improve its ductility and tension capacity. The huge amount of cement used to produce UHPC not only affects production costs and consumes natural resources, limestone, clay, coal, and electric power, but it also negatively impacts the environment through carbon dioxide (CO[subscript 2]) emissions, which can contribute to the greenhouse effect. Additionally, the particle-size distribution (PSD) of cement exhibits a gap at the micro scale that needs to be filled with more finer materials such as SF. Filling this gap solely with SF requires a high amount of SF (25% to 30% by cement weight) which is a limited resource and involves high cost. This significantly also decreases UHPC workability due to high Blaine surface area of SF. QS and QP use is also costly and consumes natural resources. As such, they are considered as impedances for wide use of UHPC in the concrete market and fail to satisfy sustainability requirements. Furthermore, based on an Environment Canada report, quartz causes immediate and long-term environmental harm because its biological effect makes it an environmental hazard. Furthermore, UHPC is generally sold on the market as a prepackaged product, which limits any design changes by the user. Moreover, it is normally transported over long distances, unlike CC components. This increases to the greenhouse-gas effect and leads to higher cost of the final product. Therefore, there is a vital need for other locally available materials with similar functions to partially or fully replace silica fume, quartz sand, or quartz powder, and thereby reduce the cement content in UHPC, while having comparable or better properties. In some countries, and Canada in particular, large quantities of glass cannot be recycled because of the high breaking potential, color mixing, or high recycling costs. Most waste glass goes into landfill sites, which is undesirable since it is not biodegradable and less environmentally friendly. In recent years, attempts have been made to use waste glass as an alternative supplementary cementitious material (ASCM) or ultra-fine aggregate in concrete, depending on its chemical composition and particle-size distribution (PSD). This thesis is based on a new type of ecological ultra-high-performance glass concrete (UHPGC) developed at the Université de Sherbrooke. The concrete’s design involved using waste glass of varying particle-size distributions obtained from cullets and optimizing the packing density of the entire material matrix. UHPGC can be designed with a reduced amount of cement (400–800 kg/m³), silica fume (SF) (50–220 kg/m³), quartz powder (QP) (0–400 kg/m³), and quartz sand (QS) (0–1200 kg/m³), while incorporating various waste-glass products: glass sand (GS) (0–1200 kg/m³) with an average mean diameter (d[subscript 50]) of 275 μm, a high amount of glass powder (GP) (200–700 kg/m³) with average diameter (d[subscript 50]) of 11 μm, a moderate content of fine glass powder (FGP) (50–200 kg/m³) with d[subscript 50] of 3.8 μm. UHPGC also contains steel fibers (to increase tensile strength and improve ductility) and superplasticizer (10–60 kg/m³) as well as having a water-to-binder ratio (w/b) as low as that of UHPC. Replacing cement and silica-fume particles with non-absorptive and smooth glass particles improves UHPGC rheology. Furthermore, using FGP as a SF replacement reduces the net total surface area of a SF and FGP blend. This decreases the net particle surface area, it reduces the water needed to lubricate particle surfaces and increases the slump flow at the same w/b. Moreover, the use of waste glass material in concrete leads to lower cumulative heat of hydration, which helps minimize potential shrinkage cracking. Depending on UHPGC composition and curing temperature, this type of concrete yields compressive strength ranging from 130 up to 230 MPa, flexural strength above 20 MPa, tensile strength above 10 MPa, and elastic modulus above 40 GPa. The mechanical performance of UHPGC is enhanced by the reactivity of the amorphous waste glass and optimization of the packing density. The waste-glass products in UHPGC have pozzolanic behavior and react with the portlandite generated by cement hydration. This, however, is not the case with quartz sand and quartz powder in conventional UHPC, which react at high temperature of 400 °C. The waste-glass addition enhances clogging of the interface between particles. Waste-glass particles have high rigidity, which increases the concrete’s elastic modulus. UHPGC also has extremely good durability. Its capillary porosity is very low, and the material is extremely resistant to chloride-ion permeability (≈ 8 coulombs). Its abrasion resistance (volume loss index) is less than 1.3. UHPGC experiences virtually no freeze–thaw deterioration, even after 1000 freeze–thaw cycles. After laboratory assessment, the developed concrete was scaled up with a pilot plane and field validation with the construction of two footbridges as a case study. The higher mechanical properties allowed for the footbridges to be designed with about sections reduced by 60% compared to normal concrete. UHPGC offers several economic and environmental advantages. It reduces the production cost of ultra-high-performance concrete (UHPC) by using locally available materials and delivers a smaller carbon footprint than conventional UHPC structures. It reduces the CO[subscript 2] emissions associated with the production of cement clinkers (50% replacement of cement) and efficiently uses natural resources. In addition, high amounts of waste glass cause environmental problems if stockpiled or sent to landfills. Moreover, the use of waste glass in UHPGC could save millions of dollars that would otherwise be spent for treatment and placing waste glass in landfills. Lastly, it provides an alternative solution to the construction companies in producing UHPC at lower cost.

L’IRM quantitative recouvre l’ensemble des méthodes permettant de mesurer des paramètres physiques accessibles en Résonance Magnétique Nucléaire. Elle offre un bénéfice par rapport à l’imagerie en pondération classiquement utilisée, notamment pour la détection, la caractérisation physiopathologique mais aussi pour le suivi thérapeutique des pathologies. Malgré ce potentiel avéré connu de longue date, ces méthodes restent peu utilisées dans la routine clinique. La raison principale est la longueur des acquisitions par rapport à l’approche classique. Les paramètres physiques que nous souhaitons étudier plus particulièrement sont le temps de relaxation longitudinal (T₁), transversal (T₂), le coefficient de diffusion apparent (ADC), et la densité de protons (DP). Malgré la possibilité d’atteindre une meilleure qualité d’images, ces cartographies in vivo sont quasiment inexistantes dans la littérature au-delà de 3T car leur implémentation nécessite de surmonter un certain nombre de limites spécifiques aux IRM ultra-haut champs (UHF). Au travers de ce projet de thèse, une méthode d’imagerie quantitative basée sur les états de configurations (QuICS) a été implémentée, pour déterminer ces paramètres quantitatifs de façon simultanée sous fortes contraintes propres aux UHF. L’approche a été optimisée dans le but d’obtenir des cartographies fiables et rapides. Le potentiel de la méthode a été démontré dans un premier temps in vitro sur un noyau tel que le sodium démontrant des propriétés complexes à cartographier. Puis dans un second temps, des acquisitions ont été réalisées sur proton, in vivo, en un temps d’acquisition compatible avec une utilisation en routine clinique à 7T. L’application d’une telle méthode d’IRM quantitative à UHF sur des populations permettra d’ouvrir de nouvelles voies d’études pour le futur
Quantitative MRI refers to methods able to measure different physical parameters accessible in Nuclear Magnetic Resonance. It offers benefits compared to weighting imaging commonly used, for the detection, the pathophysiological characterization but also for the therapeutic follow-up of pathologies for example. Despite this long-established potential, these methods remain little used in clinical routine. The main reason is the long acquisition time compared to the classical approach. The physical parameters that we will study more particularly are the longitudinal (T₁), transverse (T₂) relaxation time, the apparent diffusion coefficient (ADC), and the proton density (DP). Despite the possibility to achieve a better image quality, these in vivo mappings are virtually non-existent in the literature beyond 3T because their implementation requires overcom-ing a number of specific ultra-high-field (UHF) MRI limits. Through this thesis project, a Quantitative Imaging method using Configuration States (QuICS) was implemented under strong UHF constraints, to determine these parameters simultaneously. The technique has been optimized to obtain fast and reliable maps. The potential of the method was first demon-strated in vitro on a nucleus such as sodium, exhibiting complex properties. As a second step, acquisitions were performed in proton, in vivo, in an clinically-relevant acquisition time, compatible with a routine use at 7T for population imaging. The application of such a method of quantitative MRI to UHF will open new research possibilities for the future

Cette thèse concerne l'étude des anisotropies des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie observé à l'aide de l'Observatoire Pierre Auger. Une partie de recherche et développement a été effectué afin d'augmenter la gamme dynamique des PM Hamamatsu en s'appuyant sur l'extraction du signal de dy-nodes plus profonde, permettant d'atteindre les 20 bits. Pour augmenter la statistique à haute énergie, un trigger plus lâche pour les prochaines étude des données d'Auger a été développé. De plus, des re¬cherche de sources ponctuelles en direction du centre galactique et de Centaurus ont été menées. Une nouvelle méthode pour la recherche d'anisotropies sans comparaison avec un catalogue a été dévelop¬pée, fournissant le degré de regroupement et un moyen analytique pour calculer la probabilité pénali-| sée. Grâce a celle-ci, d'importantes limites sur la densité de source et les déflexions des rayons cosmi¬ques extra-galactiques ont pu être posées. Dans la gamme d'énergie plus faible, une analyse de la première harmonique a été mené avec l'aide d'une nouvelle méthode tenant compte des effets de dé¬tection. Des limites supérieures au delà de 1 EeV ont été posées avec de surcroît une indication pour une réelle anisotropie indiquée par la présence d'une transition régulière dans sa phase. En utilisant une méthode numérique pour résoudre l'équation de diffusion dans un champ magnétique galactique simpli¬fié et des simulations Monte Carlo, nous avons comparé le degré d'anisotropie induit avec celui possible avec la possibilité de relâcher certaines hypothèses (source stationnaires, émission isotrope)
This thesis concerns the study anisotropies of UHECRs observed by the Pierre Auger Observatory. R&D was done to increase of the dynamical range of Hamamatsu PMTs using the technique based on the reading out of deeper dynodes, reaching 20 bits. To increase the statistics at high energy, a relax trigger selection was designed to be used in further Auger data analysis. Further, point sources were searched in direction of the Galactic Center and Centaurus A. We also developed a new method for searching for anisotropies without relying on any catalog that provides the clustering scale and an analytical way to compute the chance probability. Using it, we place important limits on the density of sources and the deflections of the extra-galactic cosmic rays. In the low energy range, we performed a first harmonic analysis using a new method to account for detector effects. Upper bounds were given above 1 EeV with an indication of a signal at all energies pointed out by the smooth transition of the phase. Finally, using both a numerical method to solve the diffusion equation in a simplified galactic magnetic field mo-del and Monte Carlo simulations, we compare the resulting anisotropy with the possible one, studying also relaxing some hypothesis (stationary sources, isotropic emission)

L'évolution des réserves de pétrole implique l'utilisation en raffinerie de pétroles bruts non conventionnels, bien souvent plus lourds et donc difficiles à caractériser. Les produits pétroliers sont en effet des mélanges chimiques extrêmement complexes. La partie légère et volatile peut être analysée par chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse (GC/MS), permettant l'identification des composés par l'utilisation de mesures de masses précises et de modèles de fragmentation. Cependant ces techniques sont inadaptées à l'analyse des fractions lourdes. Dans la pratique, la caractérisation des mélanges les plus complexes implique l'utilisation de spectromètres de masse à ultra-haute résolution généralement par analyse directe sans séparation chromatographique. La technique de référence est aujourd’hui la spectrométrie de masse à transformée de Fourier par résonance cyclotronique des ions (FTICR). Grâce à une résolution supérieure à 106 et à une précision de mesure de masse inférieure à 0,1 ppm, cet instrument permet de séparer toutes les espèces présentes dans un produit pétrolier et d'attribuer à chaque valeur de m/z une composition élémentaire unique. Ceci permet d'obtenir très facilement des cartes moléculaires qui peuvent être présentées graphiquement en utilisant le diagramme de Kendrick, le diagramme de van Krevelen ou le nombre d'insaturations (DBE) en fonction du nombre de carbones. Ce travail de thèse a permis grâce à la caractérisation moléculaire de produits pétroliers (Vacuum Gas Oil, Pétroles Bruts, Matériel Interfacial, Asphaltènes et Bio-Oil…) d'aborder la complexité de leur traitement dans l’outil de raffinage. Des protocoles d'analyses des échantillons ont été développés, à l'aide de différentes sources d'ionisation à pression atmosphérique (ESI, APCI et APPI) ainsi que par désorption/ionisation laser (LDI) sur le spectromètre de masse FTICR 12T. Les informations sur le contenu isomérique des produits pétroliers ont ensuite été déterminées grâce à l'apport de la spectrométrie de mobilité ionique (IMS)
The evolution of oil reserves requires the use in refineries of unconventional crude oils, which are often heavier and therefore difficult to characterize. Petroleum products are in fact extremely complex chemical mixtures. The light and volatile part can be analysed by gas chromatography coupled with mass spectrometry (GC/MS), allowing the identification of compounds by using precise mass measurements and fragmentation models. However, these techniques are inappropriate for the analysis of heavy fractions. In practice, the characterization of the most complex mixtures involves the use of ultra-high-resolution mass spectrometers generally by direct analysis without chromatographic separation. The reference technique today is Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry (FTICR). With a resolution of more than 106 and a mass measurement accuracy of less than 0.1 ppm, this instrument can separate all the species present in a petroleum product and assign a unique elemental composition to each m/z value. This makes it very easy to obtain molecular maps that can be presented graphically using the Kendrick diagram, the van Krevelen diagram or the number of unsaturations (DBE) as a function of the number of carbons. This thesis work has allowed thanks to the molecular characterization of petroleum products (Vacuum Gas Oil, Crude Oil, Interfacial Material, Asphaltenes and Bio-Oil...) addressing the complexity of their treatment in the refining tool. Protocols for sample analysis have been developed, using different sources of ionization at atmospheric pressure (ESI, APCI and APPI) as well as laser desorption/ionization (LDI) on the FTICR 12T mass spectrometer. Information on the isomeric content of petroleum products was then determined using ion mobility spectrometry (IMS)

The dissertation addresses the design of ultra-high towers under the wind action and has a special application for Solar Updraft Power Plants. They are a highly sustainable natural resource for electric power generation, based on a combined sun-wind energy solution. The object of the investigation is a 1-km tall solar tower, made of reinforced concrete and stiffened along the height by stiffening rings. They are usually introduced in the design of solar towers in order to reduce the structural vulnerability to the wind action by enhancing a beam-like behaviour. However, the wind tunnel tests performed within this research showed that the presence of rings along the height of the tower modifies the aerodynamics of the flow around the circular cylinder and creates a bi-stable and asymmetric load condition, even at moderately high Reynolds numbers. This phenomenon is new and unknown. Similar effects were observed in the critical range of Re number and around two side-by-side cylinders, but the conditions of occurrence and the physical reasons are profoundly different. The discovery of the existence of such a bistable and asymmetric load condition induced by rings along the height of a finite length circular cylinder, its interpretation, as well as the cross-checked experimental evidence in different wind-tunnels confirmed also by numerical simulations, are the original contributions of this work. Then, the effect is quantified on the structural response. The bistable asymmetric load on the structure did not result to be a prohibitive load condition for solar towers and the magnitude of the effect depends on the number and on the size of the rings. Mitigation strategies are then proposed in the work. Furthermore, the dissertation evaluates the shell response to the stochastic wind loading process and provides to the designer a general unified simple tool to define design wind loads for quasi-static calculations of ultra-high towers in any atmospheric boundary layer flow.

A measurement of the angular correlation between the neutron spin and the direction of emission of the electron in polarized neutron decay (the "A" asymmetry), when combined with results from the neutron lifetime, provides a determination of the Cabibbo-Kobayashi-Maskawi (CKM) matrix element Vud. The value of Vud determined from neutron beta decay can also be compared with the value determined from measurements of the superallowed 0+ to 0+ nuclear beta decay, and the value determined by requiring that the CKM matrix be unitary. This provides a sensitive way to search for new physics beyond the standard model.

Four measurements of the "A" asymmetry using cold neutron beams at reactor were carried out since 1985, all of which quote a combined statistical and systematic uncertainty of about 1% in the determination of "A." Unfortunately, the agreement between these four measurements is poor and the results also disagree with both the 0+ to 0+ nuclear beta decay and the CKM unitarity results. In order to understand the origin of these discrepancies, a high precision (0.2%) measurement of "A" using ultra-cold neutrons (UCN) is in progress at the Los Alamos Neutron Science Center (the UCNA experiment), with very different systematic effects than those in the reactor experiments.

The essential elements of the UCNA experiments, including a dedicated spallation-driven solid deuterium UCN source developed by the collaboration, the UCN guides, and the superconducting spectrometer (SCS) including the beta detector system, are described, focusing on the UCN source and the spectrometer. The developed UCN source produced the highest stored density of UCN ever. The UCN were successfully transported out of the source along several meters of diamond-coated quartz guide tubes through the field of a 7-Telsla pre-polarizing magnet. The SCS magnet was successfully commissioned, demonstrating 10^-4 uniformity over 3 meters. The beta detector package including a Multi-Wire Proportional Chamber (MWPC) backed with a plastic scintillator detector was constructed. Studies of the energy response, linearity, timing response, and position resolution of the detector package were carried out using a home-built 135keV electron gun and a Helmholtz spectrometer, and the results are presented. Studies of systematics for the UCNA experiment based on a full GEANT4 Monte Carlo simulation are presented. A large and uncharacterized part of the systematics, the electron backscattering of low energy electrons, was measured in detail using the 135keV electron gun. The results from the electron backscattering studies are presented.