Readout architectures for hybrid pixel detector readout chips

The original contribution of this thesis to knowledge are novel digital readout architectures for hybrid pixel readout chips. The thesis presents asynchronous bus-based architecture, a data-node based column architecture and a network-based pixel matrix architecture for data transportation. It is shown that the data-node architecture achieves readout efficiency 99% with half the output rate as a bus-based system. The network-based solution avoids “broken” columns due to some manufacturing errors, and it distributes internal data traffic more evenly across the pixel matrix than column-based architectures. An improvement of > 10% to the efficiency is achieved with uniform and non-uniform hit occupancies. Architectural design has been done using transaction level modeling (TLM) and sequential high-level design techniques for reducing the design and simulation time. It has been possible to simulate tens of column and full chip architectures using the high-level techniques. A decrease of > 10 in run-time is observed using these techniques compared to register transfer level (RTL) design technique. Reduction of 50% for lines-of-code (LoC) for the high-level models compared to the RTL description has been achieved. Two architectures are then demonstrated in two hybrid pixel readout chips. The first chip, Timepix3 has been designed for the Medipix3 collaboration. According to the measurements, it consumes < 1 W/cm^2. It also delivers up to 40 Mhits/s/cm^2 with 10-bit time-over-threshold (ToT) and 18-bit time-of-arrival (ToA) of 1.5625 ns. The chip uses a token-arbitrated, asynchronous two-phase handshake column bus for internal data transfer. It has also been successfully used in a multi-chip particle tracking telescope. The second chip, VeloPix, is a readout chip being designed for the upgrade of Vertex Locator (VELO) of the LHCb experiment at CERN. Based on the simulations, it consumes < 1.5 W/cm^2 while delivering up to 320 Mpackets/s/cm^2, each packet containing up to 8 pixels. VeloPix uses a node-based data fabric for achieving throughput of 13.3 Mpackets/s from the column to the EoC. By combining Monte Carlo physics data with high-level simulations, it has been demonstrated that the architecture meets requirements of the VELO (260 Mpackets/s/cm^2 with efficiency of 99%).

The influence of high cable penetration in distribution networks on earth fault currents and the operation of relay protection.

Recent Storms in Nordic countries were a reason of long power outages in huge territories. After these disasters distribution networks' operators faced with a problem how to provide adequate quality of supply in such situation. The decision of utilization cable lines rather than overhead lines were made, which brings new features to distribution networks. The main idea of this work is a complex analysis of medium voltage distribution networks with long cable lines. High value of cable’s specific capacitance and length of lines determine such problems as: high values of earth fault currents, excessive amount of reactive power flow from distribution to transmission network, possibility of a high voltage level at the receiving end of cable feeders. However the core tasks was to estimate functional ability of the earth fault protection and the possibility to utilize simplified formulas for operating setting calculations in this network. In order to provide justify solution or evaluation of mentioned above problems corresponding calculations were made and in order to analyze behavior of relay protection principles PSCAD model of the examined network have been created. Evaluation of the voltage rise in the end of a cable line have educed absence of a dangerous increase in a voltage level, while excessive value of reactive power can be a reason of final penalty according to the Finish regulations. It was proved and calculated that for this networks compensation of earth fault currents should be implemented. In PSCAD models of the electrical grid with isolated neutral, central compensation and hybrid compensation were created. For the network with hybrid compensation methodology which allows to select number and rated power of distributed arc suppression coils have been offered. Based on the obtained results from experiments it was determined that in order to guarantee selective and reliable operation of the relay protection should be utilized hybrid compensation with connection of high-ohmic resistor. Directional and admittance based relay protection were tested under these conditions and advantageous of the novel protection were revealed. However, for electrical grids with extensive cabling necessity of a complex approach to the relay protection were explained and illustrated. Thus, in order to organize reliable earth fault protection is recommended to utilize both intermittent and conventional relay protection with operational settings calculated by the use of simplified formulas.

Hardware design of a multiconverter for hybrid vehicle applications

Hybridiajoneuvosovellukset vaativat usein sekä korkea- että matalajännitejärjestelmän. Korkeajännitejärjestelmä sisältää yleensä energiavaraston, joka on joko superkondansaattori tai korkeajänniteakusto, dieselgeneraattorin tai range extenderin ja ajokäytön. Korkeajännitejärjestelmään liitetään usein myös erilaisia apukäyttöjä kuten kompressoreita ja hydraulipumppuja. Matalajännitejärjelmä koostuu yleensä ohjausyksiköistä, ajovaloista, yms. laitteista. Perinteisesti matalajännitejärjestelmää on syötetty dieselmoottorin laturista, mutta korkeajännitejärjestelmien myötä DC/DC-hakkurin käyttäminen korkea- ja matalajännitejärjestelmien välillä on herättänyt kiinnostusta, koska tällöin laturin voisi poistaa ja matalajänniteakustoa pienentää. Tässä työssä kuvatun monilähöisen tehonmuokkaimen invertterisilta soveltuu apukäyttöjen ajamiseen, ja erotettu DC/DC-hakkuri matalajännitejärjestelmän syöttämiseen. Tässä työssä käydään läpi edellä mainitun tehonmuokkaimen suunnittelu, keskittyen eritoten laitteen korkeajänniteosien mitoitukseen ja termiseen suunniteluun. DC/DC-hakkurin osalta perinteisiä piistä valmistettuja IGBT transistoreja vertaillaan piikarbidi MOSFET transistoreihin. Lämpömallilaskujen paikkaansapitävyyttä tutkitaan suorittamalla prototyyppilaitteelle hyötysuhdemittaus, jonka tuloksia verrataan laskettuihin tuloksiin. Lämpömallin parannusmahdollisuuksia käsitellään myös hyötysuhdemittauksen tulosten perusteella.

A performance analysis of conventional and fundamental exchange traded funds: ETFs and their risk-return characteristics in relation to building institutional investor’s passive portfolio

An exchange traded fund (ETF) is a financial instrument that tracks some predetermined index. Since their initial establishment in 1993, ETFs have grown in importance in the field of passive investing. The main reason for the growth of the ETF industry is that ETFs combine benefits of stock investing and mutual fund investing. Although ETFs resemble mutual funds in many ways, also many differences occur. In addition, ETFs not only differ from mutual funds but also differ among each other. ETFs can be divided into two categories, i.e. market capitalisation ETFs and fundamental (or strategic) ETFs, and further into subcategories depending on their fundament basis. ETFs are a useful tool for diversification especially for a long-term investor. Although the economic importance of ETFs has risen drastically during the past 25 years, the differences and risk-return characteristics of fundamental ETFs have yet been rather unstudied area. In effect, no previous research on market capitalisation and fundamental ETFs was found during the research process. For its part, this thesis seeks to fill this research gap. The studied data consist of 50 market capitalisation ETFs and 50 fundamental ETFs. The fundaments, on which the indices that the fundamental ETFs track, were not limited nor segregated into subsections. The two types of ETFs were studied at an aggregate level as two different research groups. The dataset ranges from June 2006 to December 2014 with 103 monthly observations. The data was gathered using Bloomberg Terminal. The analysis was conducted as an econometric performance analysis. In addition to other econometric measures, the methods that were used in the performance analysis included modified Value-at-Risk, modified Sharpe ratio and Treynor ratio. The results supported the hypothesis that passive market capitalisation ETFs outperform active fundamental ETFs in terms of risk-adjusted returns, though the difference is rather small. Nevertheless, when taking into account the higher overall trading costs of the fundamental ETFs, the underperformance gap widens. According to the research results, market capitalisation ETFs are a recommendable diversification instrument for a long-term investor. In addition to better risk-adjusted returns, passive ETFs are more transparent and the bases of their underlying indices are simpler than those of fundamental ETFs. ETFs are still a young financial innovation and hence data is scarcely available. On future research, it would be valuable to research the differences in risk-adjusted returns also between the subsections of fundamental ETFs.

The role of nuclear and other conventional power plants in the flexible energy system

This thesis reviews the role of nuclear and conventional power plants in the future energy system. The review is done by utilizing freely accesible publications in addition to generating load duration and ramping curves for Nordic energy system. As the aim of the future energy system is to reduce GHG-emissions and avoid further global warming, the need for flexible power generation increases with the increased share of intermittent renewables. The goal of this thesis is to offer extensive understanding of possibilities and restrictions that nuclear power and conventional power plants have regarding flexible and sustainable generation. As a conclusion, nuclear power is the only technology that is able to provide large scale GHG-free power output variations with good ramping values. Most of the currently operating plants are able to take part in load following as the requirement to do so is already required to be included in the plant design. Load duration and ramping curves produced prove that nuclear power is able to cover most of the annual generation variation and ramping needs in the Nordic energy system. From the conventional power generation methods, only biomass combustion can be considered GHG-free because biomass is considered carbon neutral. CFB combusted biomass has good load follow capabilities in good ramping and turndown ratios. All the other conventional power generation technologies generate GHG-emissions and therefore the use of these technologies should be reduced.

"Our aim is to challenge this conventional wisdom". Luokkatutkimuksen keskusteluja Sosiologia-lehdessä ja British Journal of Sociologyssa 1970–2010

Tutkielmani aiheena on sosiologisen luokkatutkimuksen erot ja vaiheet Suomessa ja Iso-Britanniassa neljän vuosikymmenen aikana. Keskeinen tutkimuskysymykseni on, minkälaisia muutoksia suomalaisessa ja brittiläisessä luokkatutkimuskeskustelussa on tapahtunut vuosina 1970–2010, ja miten maiden sisäiset painotukset sosiologisessa luokkatutkimuksessa eroavat toisistaan. Empiirinen tutkimusaineisto koostuu suomalaisen Sosiologian ja brittiläisen British Journal of Sociologyn vuosina 1970–2010 julkaistuista luokkatutkimusartikkeleista. Tarkastelen aineistoani ja sen diskursseja luokasta Foucault'n tiedonarkeologista tutkimusotetta soveltaen. Historian keskeisyys kyseisessä lähestymistavassa sopii tämän tutkimuksen historialliseen tutkimusasetelmaan. Tiedonarkeologinen näkökulma erottuu diskurssianalyysin perinteistä siten, että se ei ole kiinnostunut esimerkiksi kirjoittajien positioinnista erilaisiin valta-asemiin, vaan teksteistä sekä niiden suhteista toisiinsa ja historialliseen tekstien jatkumoon. Haasteelliseksi tutkimukselle osoittautui mm. luokkatutkimuksen rajaaminen foucault'laisittain niin, että saataisiin tutkittavien diskurssien kokonaisuus ja suhteet esiin mahdollisimman hyvin. Diskurssien muutosten ohella olen myös tarkastellut luokkatutkimuksen artikkelimäärien prosentuaalista osuutta kaikista tutkimusartikkeleista vuosittain. Tuloksissa näkyy joitakin eroja maiden välillä, mutta osaksi myös samankaltaisia kehityskulkuja. Muutoksia näkyy esimerkiksi keskustelujen luokkateoreettisissa painotuksissa ja puheessa luokan selitysvoimasta.

Kaukolämpöliiketoiminnan kehittäminen Mäntsälän Sähkö osakeyhtiössä

Tämän diplomityön tarkoitus oli selvittää Mäntsälän Sähkö Oy:n kaukolämpöliiketoiminnan nykytila ja kehityskohteet. Tutkimuskysymykset olivat: 1) Millaisilla toimenpiteillä varmistetaan kaukolämpöliiketoiminnan kannattavuus tulevaisuudessa? ja 2) Millaisia mahdollisuuksia älykäs kaukolämpö tuo kaukolämpöliiketoiminnalle? Tutkimus suoritettiin perehtymällä aiheen kirjallisuuteen ja uutisiin. Takaisinmaksuajan menetelmällä arvioitiin maakaasun korvaamisen kannattavuutta. Työn tuloksena voitiin todeta, että kaukolämmön hinnoittelua kannattaa kehittää kustannusvastaavampaan suuntaan. Nykyinen kaukolämmön energiankulutukseen painottuva hinnoittelu ei sovi uusille rakennuksille, jotka kuluttavat vähän energiaa. Yleistyvät hybridilämmitysjärjestelmät on otettava huomioon hinnoittelussa. Kaukolämmön kausihinnoittelu toisi etuja asiakkaalle, kaukolämpöyhtiölle sekä ympäristölle. Kaukolämmön kulutuksen tuntimittaus mahdollistaisi siirtymisen kaukolämpötehoon perustuvaan hinnoitteluun. Kaukolämmön hinta on ollut Mäntsälän Sähkö Oy:llä suhteellisen korkea. Korkea hinta johtuu enimmäkseen maakaasulla tuotetun kaukolämmön korkeista tuotantokustannuksista. Kaukolämmön tuotantoa voidaan kehittää kannattavammaksi, vaikka lämmöntalteenottolaitoksen oletettu lämmöntuotanto kattaa Mäntsälän lämmöntarpeesta noin puolet ja vähentää tuotantokustannuksia. Nykyisten maakaasukattiloiden käyttäminen pelletin pölypolttoon olisi teknisten muutoksien avulla mahdollista. Pölypolton kannattavuus riippuu erityisesti puupelletin ja maakaasun hintaerosta. Älykäs kaukolämpöjärjestelmä voisi automaattisesti tasoittaa kaukolämmön kysyntää yhdessä lämpövaraston kanssa. Tällöin huippulämpölaitosten käyttö vähentyisi ja lämmöntuotannon kustannukset pienentyisivät. Älykäs kaukolämpöjärjestelmä ja kaukolämpötehon tuntimittaus mahdollistaisivat myös kaksisuuntaisen kaukolämpökaupan.