Study and development of UV photodetectors envisaging COMPASS RICH-1 upgrade and applications

COMPASS is an experiment at CERN’s SPS whose goal is to study hadron structure and spectroscopy. The experiment includes a wide acceptance RICH detector, operating since 2001 and subject to a major upgrade of the central region of its photodetectors in 2006. The remaining 75% of the photodetection area are still using MWPCs from the original design, who suffer from limitations in gain due to aging of the photocathodes from ion bombardment and due to ion-induced instabilities. Besides the mentioned limitations, the increased luminosity conditions expected for the upcoming years of the experiment make an upgrade to the remaining detectors pertinent. This upgrade should be accomplished in 2016, using hybrid detectors composed of ThGEMs and MICROMEGAS. This work presents the study, development and characterization of gaseous photon detectors envisaging the foreseen upgrade, and the progress in production and evaluation techniques necessary to reach increasingly larger area detectors with the performances required. It includes reports on the studies performed under particle beam environment of such detectors. MPGD structures can also be used in a variety of other applications, of which nuclear medical imaging is a notorious example. This work includes, additionally, the initial steps in simulating, assembling and characterizing a prototype of a gaseous detector for application as a Compton Camera.

Modelo gerador de questões no reforço da aprendizagem das radiações e conteúdos de física moderna no ensino secundário

Os avanços e a disseminação do uso das Tecnologias de Informação e Comunicação (TIC) descortinam novas perspetivas para a educação com suporte em ambientes digitais de aprendizagem usados via internet (Fiolhais & Trindade, 2003). A plataforma usada no Projeto Matemática Ensino (PmatE) da Universidade de Aveiro (UA) é uma das ferramentas informáticas que suporta esses ambientes através da avaliação baseada no Modelo Gerador de Questões (MGQ), possibilitando a obtenção da imagem do progresso feito pelos alunos (Vieira, Carvalho & Oliveira, 2004). Reconhecendo a importância didática desta ferramenta, já demonstrada noutras investigações (por exemplo, Carvalho, 2011; Pais de Aquino, 2013; Peixoto, 2009), o presente estudo tem como objetivo geral desenvolver material didático digital de Física, no contexto do programa moçambicano de Física da 12ª classe, para alunos e professores sobre radiações e conteúdos da Física Moderna. Pretendeu-se, ainda, propor estratégias de trabalho com recurso às TIC para a melhoria da qualidade das aprendizagens nesta disciplina. O estudo assentou nas três seguintes questões de investigação: (a) Como conceber instrumentos de avaliação das aprendizagens baseadas no modelo gerador de questões para o estudo das radiações e conteúdos da Física Moderna, no contexto do programa moçambicano de Física da 12ª classe? (b) Que potencialidades e constrangimentos apresentam esses instrumentos quando implementados com alunos e professores? (c) De que forma o conhecimento construído pode ser mobilizado para outros temas da Física e para o ensino das ciências em geral? O estudo seguiu uma metodologia de Estudos de Desenvolvimento, de natureza mista, que compreendeu as fases da Análise, Design, Desenvolvimento e Avaliação, seguindo como paradigma um estudo de cariz exploratório, com uma vertente de estudo de caso. Assim, na Análise, foi discutido o contexto da educação em Moçambique e a problemática da abordagem das radiações e conteúdos de Física Moderna no ensino secundário no quadro desafiante que se coloca atualmente à educação científica. No Design foram avaliadas as abordagens dasTIC no ensino e aprendizagem da Física e das ciências em geral e construída a árvore de objetivos nos conteúdos referidos na fase anterior. Na fase do Desenvolvimento foram construídos os instrumentos de recolha de dados, elaborados os protótipos de MGQ e sua posterior programação, validação e testagem em formato impresso no estudo exploratório. Na Avaliação, foi conduzido o estudo principal com a aplicação dos modelos no formato digital e feita sua avaliação, o que incluiu a administração de inquéritos por questionário a alunos e professores. Os resultados indicam que na conceção de MGQ, a definição dos objetivos de aprendizagem em termos comportamentais é fundamental na formulação de questões e na análise dos resultados da avaliação com o objetivo de reajustar as estratégias didáticas. Apontam também que a plataforma do PmatE que suporta os MGQ, embora possua constrangimentos devido a sua dependência da internet e limitações de ordem didática, contribui positivamente na aprendizagem e na identificação das dificuldades e principais erros dos alunos, por um lado. Por outro, estimula através da avaliação os processos de assimilação e acomodação do conhecimento. O estudo recomenda a necessidade de mudanças nas práticas de ensino e de aprendizagem para que seja possível a utilização de conteúdos digitais como complemento à abordagem didática de conteúdos.

Modelação da qualidade do ar e da saúde humana: da mesoescala à dose

O actual, e crescente, padrão de consumo tem repercussões no ambiente que, inevitavelmente, se reflectem na saúde humana. A poluição atmosférica assume-se, na Europa, como um problema ambiental premente, por ter um elevado impacte na saúde dos cidadãos. Entre estes, há grupos particularmente vulneráveis, como os idosos, os doentes crónicos e as crianças. Vários estudos colocam em evidência a sensibilidade dos doentes asmáticos, em particular das crianças, à poluição atmosférica. No entanto, permanece por esclarecer o facto de a poluição atmosférica poder causar o aumento da prevalência desta doença, assim como a identificação dos principais poluentes atmosféricos responsáveis e os níveis de exposição seguros. O objectivo desta tese consiste no estudo da relação entre a poluição atmosférica e a saúde, contribuindo para o conhecimento nesta temática através do desenvolvimento de uma ferramenta e da sua aplicação a um caso de estudo concreto. Neste caso de estudo analisou-se a relação entre vários poluentes atmosféricos e o agravamento da sintomatologia em crianças asmáticas. Neste âmbito, foi desenvolvido o modelo doseAr, que possibilita o cálculo da exposição e da dose inalada, ao nível individual, de poluentes atmosféricos. Os resultados da aplicação do doseAr permitem a identificação dos microambientes onde a contribuição para a exposição e dose inalada de poluentes é mais relevante. Os microambientes interiores, em particular aqueles onde é desenvolvida actividade física exigente, são identificados como especialmente importantes. A relação entre a exposição e a dose inalada é claramente associada ao agravamento da asma nestas crianças, apesar dos níveis de poluição identificados serem baixos, face aos padrões de qualidade do ar existentes.

Quantum criptography in optical fibers

As comunicações quânticas aplicam as leis fundamentais da física quântica para codificar, transmitir, guardar e processar informação. A mais importante e bem-sucedida aplicação é a distribuição de chaves quânticas (QKD). Os sistemas de QKD são suportados por tecnologias capazes de processar fotões únicos. Nesta tese analisamos a geração, transmissão e deteção de fotões únicos e entrelaçados em fibras óticas. É proposta uma fonte de fotões única baseada no processo clássico de mistura de quatro ondas (FWM) em fibras óticas num regime de baixas potências. Implementamos essa fonte no laboratório, e desenvolvemos um modelo teórico capaz de descrever corretamente o processo de geração de fotões únicos. O modelo teórico considera o papel das nãolinearidades da fibra e os efeitos da polarização na geração de fotões através do processo de FWM. Analisamos a estatística da fonte de fotões baseada no processo clássico de FWM em fibras óticas. Derivamos um modelo teórico capaz de descrever a estatística dessa fonte de fotões. Mostramos que a estatística da fonte de fotões evolui de térmica num regime de baixas potências óticas, para Poissoniana num regime de potências óticas moderadas. Validamos experimentalmente o modelo teórico, através do uso de fotodetetores de avalanche, do método estimativo da máxima verossimilhança e do algoritmo de maximização de expectativa. Estudamos o processo espontâneo de FWM como uma fonte condicional de fotões únicos. Analisamos a estatística dessa fonte em termos da função condicional de coerência de segunda ordem, considerando o espalhamento de Raman na geração de pares de fotões, e a perda durante a propagação de fotões numa fibra ótica padrão. Identificamos regimes apropriados onde a fonte é quase ideal. Fontes de pares de fotões implementadas em fibras óticas fornecem uma solução prática ao problema de acoplamento que surge quando os pares de fotões são gerados fora da fibra. Exploramos a geração de pares de fotões através do processo espontâneo de FWM no interior de guias de onda com suceptibilidade elétrica de terceira ordem. Descrevemos a geração de pares de fotões em meios com elevado coeficiente de absorção, e identificamos regimes ótimos para o rácio contagens coincidentes/acidentais (CAR) e para a desigualdade de Clauser, Horne, Shimony, and Holt (CHSH), para o qual o compromisso entre perda do guia de onda e não-linearidades maximiza esses parâmetros.

Impact of exercise training on cancer-induced cardiac dysfunction

Cachexia is a complex syndrome characterized by severe weight loss frequently observed in cancer patients and associated with poor prognosis. Cancer cachexia is also related to modifications in cardiac muscle structure and metabolism leading to cardiac dysfunction. In order to better understand the cardiac remodeling induced by bladder cancer and the impact of exercise training after diagnosis on its regulation, we used an animal model of bladder cancer induced by exposition to N-butyl-N-(4-hydroxybutyl)-nitrosamine (BBN) in the drinking water. Healthy animals and previously BBN exposed animals were submitted to a training program in a treadmill at a speed of 20m/min, 60 min/day, 5 days/week during 13 weeks. At the end of the protocol, animals exposed to BBN presented a significant decrease of body weight, in comparison with control groups, supporting the presence of cancer cachexia. Morphological analysis of the cardiac muscle sections revealed the presence of fibrosis and a significant decrease of cardiomyocyte’s cross-sectional area, suggesting the occurrence of cardiac dysfunction associated with bladder cancer. These modifications were accompanied by heart metabolic remodeling characterized by a decreased fatty acid oxidation given by diminished levels of ETFDH and of complex II subunit  from the respiratory chain. Exercise training promoted an increment of connexin 43, a protein involved in cardioprotection, and of c-kit, a protein present in cardiac stem cells. These results suggest an improved heart regenerative capacity induced by exercise training. In conclusion, endurance training seems an attractive non-pharmacological therapeutic option for the management of cardiac dysfunction in cancer cachexia.