Experimental thermal hydraulic studies on the enhancement of safety of LWRs

The safe use of nuclear power plants (NPPs) requires a deep understanding of the functioning of physical processes and systems involved. Studies on thermal hydraulics have been carried out in various separate effects and integral test facilities at Lappeenranta University of Technology (LUT) either to ensure the functioning of safety systems of light water reactors (LWR) or to produce validation data for the computer codes used in safety analyses of NPPs. Several examples of safety studies on thermal hydraulics of the nuclear power plants are discussed. Studies are related to the physical phenomena existing in different processes in NPPs, such as rewetting of the fuel rods, emergency core cooling (ECC), natural circulation, small break loss-of-coolant accidents (SBLOCA), non-condensable gas release and transport, and passive safety systems. Studies on both VVER and advanced light water reactor (ALWR) systems are included. The set of cases include separate effects tests for understanding and modeling a single physical phenomenon, separate effects tests to study the behavior of a NPP component or a single system, and integral tests to study the behavior of the whole system. In the studies following steps can be found, not necessarily in the same study. Experimental studies as such have provided solutions to existing design problems. Experimental data have been created to validate a single model in a computer code. Validated models are used in various transient analyses of scaled facilities or NPPs. Integral test data are used to validate the computer codes as whole, to see how the implemented models work together in a code. In the final stage test results from the facilities are transferred to the NPP scale using computer codes. Some of the experiments have confirmed the expected behavior of the system or procedure to be studied; in some experiments there have been certain unexpected phenomena that have caused changes to the original design to avoid the recognized problems. This is the main motivation for experimental studies on thermal hydraulics of the NPP safety systems. Naturally the behavior of the new system designs have to be checked with experiments, but also the existing designs, if they are applied in the conditions that differ from what they were originally designed for. New procedures for existing reactors and new safety related systems have been developed for new nuclear power plant concepts. New experiments have been continuously needed.

Laskentamalli PKL-koelaitteiston pienen vuodon kokeen simuloimiseksi Apros-ohjelmistolla

Työn tavoitteena oli tehdä Apros-laskentamalli PKL-koelaitteistosta ja testata kuinka hyvin Apros pystyy laskemaan PKL-koelaitteistolla suoritetun E2.2 pienen vuodon kokeen. Tavoitteena oli myös tarkastella boorittoman veden tulpan etenemistä pienen vuodon kokeen aikana. PKL-koelaitteisto vastaa saksalaista sähköteholtaan 1300 MW olevaa Philippsburg 2 painevesilaitosta. Koelaitteiston tilavuudet ja teho on skaalattu kertoimella 145. Työssä tehdyllä laskentamallilla tarkasteltiin boorittoman veden tulpan liikkumista pienen vuodon kokeen aikana. Kun malli oli valmis, laskenta suoritettiin Apros 5.05 versiolla. Boorittoman veden tulpan etenemisen laskennassa käytettiin toisen kertaluvun diskretointia, jolla booripitoisuuden muutokset säilyvät teräväreunaisina. Laskentamalli pystyi kuvaamaan koelaitteistolla suoritetussa pienen vuodon kokeessa tapahtuneet ilmiöt varsin hyvin. Eroa koetuloksiintuli pääkiertopiirien luonnonkiertojen alkamishetkistä ja primääripaineen käyttäytymisessä. Kokeen alkutilanne ei ollut stationääritila, joten alkutilanteen asettamisessa oli hankaluuksia. Varsinkin pääkiertopiirien veden pinnankorkeuksienasettamisessa oli vaikeuksia, koska veden pinnankorkeuksien erot pyrkivät tasoittumaan nopeasti kokeen aikana. Apros pystyi laskemaan PKL-koelaitteistolla suoritetun pienen vuodon kokeen hyvin. Mallilla tulisi kuitenkin laskea vielä toisentyyppisiäkin kokeita, ennen kuin voidaan varmuudella tietää mallin toimivuus. PKL-koelaitteisto vastaa pääpiirteiltään Suomeen rakennettavaa Olkiluoto 3 ydinvoimalaitosta. Tehty työ antaa lisävarmuutta, kun Olkiluoto 3 laitoksen turvallisuustarkasteluita tehdään.

Improving Dynamic Characteristics of Open-loop Controlled Log Crane

The improvement of the dynamics of flexible manipulators like log cranes often requires advanced control methods. This thesis discusses the vibration problems in the cranes used in commercial forestry machines. Two control methods, adaptive filtering and semi-active damping, are presented. The adaptive filter uses a part of the lowest natural frequency of the crane as a filtering frequency. The payload estimation algorithm, filtering of control signal and algorithm for calculation of the lowest natural frequency of the crane are presented. The semi-active damping method is basedon pressure feedback. The pressure vibration, scaled with suitable gain, is added to the control signal of the valve of the lift cylinder to suppress vibrations. The adaptive filter cuts off high frequency impulses coming from the operatorand semi-active damping suppresses the crane?s oscillation, which is often caused by some external disturbance. In field tests performed on the crane, a correctly tuned (25 % tuning) adaptive filter reduced pressure vibration by 14-17 % and semi-active damping correspondingly by 21-43%. Applying of these methods require auxiliary transducers, installed in specific points in the crane, and electronically controlled directional control valves.

Suomalaisen kotikeräyspaperin siistattavuus

Tämän diplomityön tavoitteena oli kartoittaa kotikeräyspaperin lajijakautumisesta ja eri jakeiden ikääntymiskäyttäytymisestä johtuvien siistausongelmien syyt sekä tutkia tulevaisuuden painotekniikan kehitystrendien asettamia vaatimuksia siistauslaitosten kannalta. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin siistauksen sekä erilaisten painatustekniikoiden teoriaa. Lisäksi siinä tarkasteltiin erilaisia siistattavuuteen vaikuttavia tekijöitä. Kirjallisuusosassa luotiin katsaus viimeaikaisiin painatuksen kehityksiin Suomessa sekä kartoitettiin painatuksen lähitulevaisuutta. Myös tulevaisuuden näkymiä siistauslaitosten kannalta tarkasteltiin. Kokeellisessa osassa tutkittiin suomalaisen kotikeräyspaperin siistattavuusominaisuuksia pian painamisen jälkeen sekä kolmen ja kuuden kuukauden vanhentamisen kuluttua. Esitutkimusten perusteella siistattaviksi valittiin useita coldset offset painettuja sanomalehtiä, sekä kaksi syväpainettua ja yksi heatset offset painettu aikakauslehti. Kyseisten painotuotteiden siistattavuus-ominaisuuksia tarkasteltiin laboratoriomittakaavaisissa pulpperoinneissa sekä osin flotatoinneissa. Erilaisten painotuotteiden siistattavuutta tarkasteltiin ISO-vaaleus-, k700nm-arvo-, ERIC-arvo-, CIE L*a*b*- ja lika- ja painoväripilkkumittausten avulla. Tutkittujen painotuotteiden kierrätysominaisuudet vaihtelivat niin tuoreena kuin vanhennettunakin helposti siistattavista jo tuoreena vaikeasti siistattavaan. Hyvän tuloksen koko vanhentamisen keston ajan antoivat suomalaiset aikakauslehdet sekä osa sanomalehdistä. Laboratoriotutkimuksissa havaittiin että painotalojen käyttämien painovärien, erityisesti värillisten painovärien, valinnalla on suuri vaikutus valmiin painotuotteen uusiokäyttöön. Tämän diplomityön antamien tulosten perusteella voidaan sanoa, että kotimaisen keräyspaperin viimeaikaiseen siistattavuuden heikkenemiseen on vaikuttanut eniten coldset offset painotuotteiden suuresti lisääntynyt väripainatuksen määrä.

Wavelet Analysis in Turbulence

The objective of this thesis is to study wavelets and their role in turbulence applications. Under scrutiny in the thesis is the intermittency in turbulence models. Wavelets are used as a mathematical tool to study the intermittent activities that turbulence models produce. The first section generally introduces wavelets and wavelet transforms as a mathematical tool. Moreover, the basic properties of turbulence are discussed and classical methods for modeling turbulent flows are explained. Wavelets are implemented to model the turbulence as well as to analyze turbulent signals. The model studied here is the GOY (Gledzer 1973, Ohkitani & Yamada 1989) shell model of turbulence, which is a popular model for explaining intermittency based on the cascade of kinetic energy. The goal is to introduce better quantification method for intermittency obtained in a shell model. Wavelets are localized in both space (time) and scale, therefore, they are suitable candidates for the study of singular bursts, that interrupt the calm periods of an energy flow through various scales. The study concerns two questions, namely the frequency of the occurrence as well as the intensity of the singular bursts at various Reynolds numbers. The results gave an insight that singularities become more local as Reynolds number increases. The singularities become more local also when the shell number is increased at certain Reynolds number. The study revealed that the singular bursts are more frequent at Re ~ 107 than other cases with lower Re. The intermittency of bursts for the cases with Re ~ 106 and Re ~ 105 was similar, but for the case with Re ~ 104 bursts occured after long waiting time in a different fashion so that it could not be scaled with higher Re.

Populaation monimuotoisuuden mittaaminen liukulukukoodatuissa evoluutioalgoritmeissa

Diplomityössä esitetään menetelmä populaation monimuotoisuuden mittaamiseen liukulukukoodatuissa evoluutioalgoritmeissa, ja tarkastellaan kokeellisesti sen toimintaa. Evoluutioalgoritmit ovat populaatiopohjaisia menetelmiä, joilla pyritään ratkaisemaan optimointiongelmia. Evoluutioalgoritmeissa populaation monimuotoisuuden hallinta on välttämätöntä, jotta suoritettu haku olisi riittävän luotettavaa ja toisaalta riittävän nopeaa. Monimuotoisuuden mittaaminen on erityisen tarpeellista tutkittaessa evoluutioalgoritmien dynaamista käyttäytymistä. Työssä tarkastellaan haku- ja tavoitefunktioavaruuden monimuotoisuuden mittaamista. Toistaiseksi ei ole ollut olemassa täysin tyydyttäviä monimuotoisuuden mittareita, ja työn tavoitteena on kehittää yleiskäyttöinen menetelmä liukulukukoodattujen evoluutioalgoritmien suhteellisen ja absoluuttisen monimuotoisuuden mittaamiseen hakuavaruudessa. Kehitettyjen mittareiden toimintaa ja käyttökelpoisuutta tarkastellaan kokeellisesti ratkaisemalla optimointiongelmia differentiaalievoluutioalgoritmilla. Toteutettujen mittareiden toiminta perustuu keskihajontojen laskemiseen populaatiosta. Keskihajonnoille suoritetaan skaalaus, joko alkupopulaation tai nykyisen populaation suhteen, riippuen lasketaanko absoluuttista vai suhteellista monimuotoisuutta. Kokeellisessa tarkastelussa havaittiin kehitetyt mittarit toimiviksi ja käyttökelpoisiksi. Tavoitefunktion venyttäminen koordinaattiakseleiden suunnassa ei vaikuta mittarin toimintaan. Myöskään tavoitefunktion kiertäminen koordinaatistossa ei vaikuta mittareiden tuloksiin. Esitetyn menetelmän aikakompleksisuus riippuu lineaarisesti populaation koosta, ja mittarin toiminta on siten nopeaa suuriakin populaatioita käytettäessä. Suhteellinen monimuotoisuus antaa vertailukelpoisia tuloksia riippumatta parametrien lukumäärästä tai populaation koosta.

A Co-Processor Approach for Efficient Java Execution in Embedded Systems

This thesis deals with a hardware accelerated Java virtual machine, named REALJava. The REALJava virtual machine is targeted for resource constrained embedded systems. The goal is to attain increased computational performance with reduced power consumption. While these objectives are often seen as trade-offs, in this context both of them can be attained simultaneously by using dedicated hardware. The target level of the computational performance of the REALJava virtual machine is initially set to be as fast as the currently available full custom ASIC Java processors. As a secondary goal all of the components of the virtual machine are designed so that the resulting system can be scaled to support multiple co-processor cores. The virtual machine is designed using the hardware/software co-design paradigm. The partitioning between the two domains is flexible, allowing customizations to the resulting system, for instance the floating point support can be omitted from the hardware in order to decrease the size of the co-processor core. The communication between the hardware and the software domains is encapsulated into modules. This allows the REALJava virtual machine to be easily integrated into any system, simply by redesigning the communication modules. Besides the virtual machine and the related co-processor architecture, several performance enhancing techniques are presented. These include techniques related to instruction folding, stack handling, method invocation, constant loading and control in time domain. The REALJava virtual machine is prototyped using three different FPGA platforms. The original pipeline structure is modified to suit the FPGA environment. The performance of the resulting Java virtual machine is evaluated against existing Java solutions in the embedded systems field. The results show that the goals are attained, both in terms of computational performance and power consumption. Especially the computational performance is evaluated thoroughly, and the results show that the REALJava is more than twice as fast as the fastest full custom ASIC Java processor. In addition to standard Java virtual machine benchmarks, several new Java applications are designed to both verify the results and broaden the spectrum of the tests.

Thermal-Hydraulic Studies on the Safety Of VVER-440 Type Nuclear Power Plants

This thesis includes several thermal hydraulic analyses related to the Loviisa WER 440 nuclear power plant units. The work consists of experimental studies, analysis of the experiments, analysis of some plant transits and development of a calculational model for calculation of boric acid concentrations in the reactor. In the first part of the thesis, in the case of won of boric acid solution behaviour during long term cooling period of LOCAs, experiments were performed in scaled down test facilities. The experimental data together with the results of RELAPS/MOD3 simulations were used to develop a model for calculations of boric acid concentrations in the reactor during LOCAs. The results of calculations showed that margins to critical concentrations that would lead to boric acid crystallization were large, both in the reactor core and in the lower plenum. This was mainly caused by the fact that water in the primary cooling circuit includes borax (Na)BsO,.IOHZO), which enters the reactor when ECC water is taken from the sump and greatly increases boric acid solubility in water. In the second part, in the case of simulation of horizontal steam generators, experiments were performed with PACTEL integral test loop to simulate loss of feedwater transients. The PACTEL experiments, as well as earlier REWET III natural circulation tests, were analyzed with RELAPS/MOD3 Version Sm5 code. The analysis showed that the code was capable of simulating the main events during the experiments. However, in the case of loss of secondary side feedwater the code was not completely capable to simulate steam superheating in the secondary side of the steam generators. The third part of the work consists of simulations of Loviisa VVER reactor pump trip transients with RELAPSlMODI Eur, RELAPS/MOD3 and CATHARE codes. All three codes were capable to simulate the two selected pump trip transients and no significant differences were found between the results of different codes. Comparison of the calculated results with the data measured in the Loviisa plant also showed good agreement.

Letkuventtiilin mitoitus säätökäyttöön

Tässä diplomityössä käydään läpi IEC-60534 -standardin mukainen säätöventtiilin mitoitus kokoonpuristumattomille ja –puristuville virtauksille laskennassa tarvittavine yhtälöineen. Teoreettisessa osassa esitellään RF-letkuventtiilien rakennetta ja ominaisuuksia. Lisäksi käydään läpi putkivirtauksen perusperiaatteita. Koska letkuventtiilissä virtaavana fluidina on usein jokin liete, on työssä esitelty menetelmä lietevirtauksen aiheuttaman paine-eron laskentaan. Työssä on käsitelty myös kavitaation syntyä, laskennalliset mahdollisuudet kavitaation ennustamiseen sekä keinoja kavitaation estämiseksi. Kokeellisessa osassa suoritettiin mittauksia kolmella erikokoisella RF-letkuventtiilillä, joissa kussakin käytettiin kolmea erityyppistä letkua. Mittausten perusteella pystyttiin laskemaan kapasiteettikertoimet sekä määrittämään säätökäyrät mitatuille venttiileille ja letkutyypeille. Näistä tuloksista säätökäyrille sovitettiin yhtälöt, joiden perusteella saatiin laskettua kapasiteettikertoimien arvot myös muille venttiilikoille.

Kaupunkialueella toimivan sähkönjakeluverkkoyhtiön siirtohinnoittelun kehittäminen

Sähkönjakeluverkkoyhtiöllä on sähkön siirtopalveluun alueellinen monopoli. Siirtohinnoittelun reunaehdot tulevat sähkömarkkinalaista ja hintojen kohtuullisuutta valvoo ja sääntelee Energiamarkkinavirasto. Tässä työssä selvitetään Turku Energia Sähköverkot Oy:lle kustannusvastaavat aiheuttamisperiaatteen mukaiset siirtohinnat. Samalla muodostetaan yleis-, yö- ja kausituotteiden perusmaksuihin asiakkaan liittymispisteen pääsulakkeen kokoon perustuva porrastus. Sulakeporrastuksen käyttöönotolla pystytään kehittämään siirtohinnoittelun kustannusvastaavuutta ja noudattamaan aiheuttamisperiaatteen mukaista hinnoittelupolitiikkaa entistä paremmin. Työssä tutkitaan siirtohinnoittelun kehitysnäkymiä myös pidemmällä tähtäimellä. Älykkäiden sähköverkkojen kehittyminen ja erityisesti etäluettavien mittareiden käyttöönotto tulevat luomaan kehitysmahdollisuuksia siirtohinnoitteluun tulevaisuudessa. Laitteista saatavia tarkkoja sähkönkulutus- ja tehotietoja voidaan käyttää kustannusvastaavuuslaskennan taustalla. Jotta verkon käyttö olisi sen mitoitukseen nähden mahdollisimman tehokasta, tulisi kuorman jakautua mahdollisimman tasaisesti ajan suhteen. Verkossa esiintyviä kulutushuippuja pystytään tulevaisuudessa mahdollisesti tasoittamaan esimerkiksi kuorman ohjauksen avulla, jonka tehokeinona voidaan käyttää siirtohinnoittelua. Siirtohinnoilla voidaan mahdollisesti vaikuttaa myös esimerkiksi kulutuksen ja tuotannon ajoittamiseen sekä kannusta asiakkaita loistehon kompensointiin. Siirtotuotteiden täytyy myös kehittyä asiakkaiden tarpeiden kehittymisen rinnalla ja esimerkiksi sähkön laadun tuotteistaminen voi olla eräs keino vastaamaan tiukentuneisiin vaatimuksiin.

A study of combustion phenomena in circulating fluidized beds by developing and applying experimental and modelling methods for laboratory-scale reactors

The results shown in this thesis are based on selected publications of the 2000s decade. The work was carried out in several national and EC funded public research projects and in close cooperation with industrial partners. The main objective of the thesis was to study and quantify the most important phenomena of circulating fluidized bed combustors by developing and applying proper experimental and modelling methods using laboratory scale equipments. An understanding of the phenomena plays an essential role in the development of combustion and emission performance, and the availability and controls of CFB boilers. Experimental procedures to study fuel combustion behaviour under CFB conditions are presented in the thesis. Steady state and dynamic measurements under well controlled conditions were carried out to produce the data needed for the development of high efficiency, utility scale CFB technology. The importance of combustion control and furnace dynamics is emphasized when CFB boilers are scaled up with a once through steam cycle. Qualitative information on fuel combustion characteristics was obtained directly by comparing flue gas oxygen responses during the impulse change experiments with fuel feed. A one-dimensional, time dependent model was developed to analyse the measurement data Emission formation was studied combined with fuel combustion behaviour. Correlations were developed for NO, N2O, CO and char loading, as a function of temperature and oxygen concentration in the bed area. An online method to characterize char loading under CFB conditions was developed and validated with the pilot scale CFB tests. Finally, a new method to control air and fuel feeds in CFB combustion was introduced. The method is based on models and an analysis of the fluctuation of the flue gas oxygen concentration. The effect of high oxygen concentrations on fuel combustion behaviour was also studied to evaluate the potential of CFB boilers to apply oxygenfiring technology to CCS. In future studies, it will be necessary to go through the whole scale up chain from laboratory phenomena devices through pilot scale test rigs to large scale, commercial boilers in order to validate the applicability and scalability of the, results. This thesis shows the chain between the laboratory scale phenomena test rig (bench scale) and the CFB process test rig (pilot). CFB technology has been scaled up successfully from an industrial scale to a utility scale during the last decade. The work shown in the thesis, for its part, has supported the development by producing new detailed information on combustion under CFB conditions.

Improving strategic decision-making with simulation based decision support systems

Combating climate change is one of the key tasks of humanity in the 21st century. One of the leading causes is carbon dioxide emissions due to usage of fossil fuels. Renewable energy sources should be used instead of relying on oil, gas, and coal. In Finland a significant amount of energy is produced using wood. The usage of wood chips is expected to increase in the future significantly, over 60 %. The aim of this research is to improve understanding over the costs of wood chip supply chains. This is conducted by utilizing simulation as the main research method. The simulation model utilizes both agent-based modelling and discrete event simulation to imitate the wood chip supply chain. This thesis concentrates on the usage of simulation based decision support systems in strategic decision-making. The simulation model is part of a decision support system, which connects the simulation model to databases but also provides a graphical user interface for the decisionmaker. The main analysis conducted with the decision support system concentrates on comparing a traditional supply chain to a supply chain utilizing specialized containers. According to the analysis, the container supply chain is able to have smaller costs than the traditional supply chain. Also, a container supply chain can be more easily scaled up due to faster emptying operations. Initially the container operations would only supply part of the fuel needs of a power plant and it would complement the current supply chain. The model can be expanded to include intermodal supply chains as due to increased demand in the future there is not enough wood chips located close to current and future power plants.

Pelätty, vihattu vai rakastettu tietotekniikka elinikäisessä työ- ja oppimisympäristössä. Tietotekniikan merkitys työn ja työympäristön hallinnassa

Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää niitä tekijöitä, jotka vaikuttavat työn ja työympäristön hallintaan tietoteknisessä työssä: työn hallinta, työn nopeampi tekeminen, työn sisältö, työn tulokset ja vaikutusmahdollisuudet. Näitä tekijöitä tutkittiin suhteessa työntekijän tietoteknisiin taitoihin ja työntekijän ikään. Tutkimuksen viitekehyksenä ovat maailmanlaajuisesti tapahtuneet ja edelleen tapahtuvat muutokset työelämässä sekä tietoyhteiskunnan kehittyminen. Aikaisemmat tutkimukset nostavat esiin yleisiä kehityslinjoja, mutta myös ristiriitaisia tuloksia. Siksi tässä tutkimuksessa nämä kysymykset purettiin hyvin konkreettisiksi, työyhteisössä havaituiksi osakysymyksiksi ja suhteutettiin vastaajia koskeviin taustatietoihin. Tutkimus kohdistui eri ikäisiin työntekijöihin, joista osa on kokenut tietotekniikan tulon työelämään ja sen käytön lisääntymisen useamman viime vuosikymmenen aikana. Tänä aikana yhteiskunnassa on tapahtunut yleisemminkin merkittävää kehitystä, joka on nostanut esille laajemminkin tarpeet tietoteknisen osaamisen ja taitojen kehittymiseen ja elinikäiseen oppimiseen. Tämä tutkimus ajoittuu noihin vuosikymmeniin ja vaikka se kohdistuukin yhden organisaation sisällä koettuihin vaikutuksiin, niin on selvää, että yleisempikin yhteiskunnallinen kehitys heijastuu tuloksiin. Tämä tutkimus on tehty kvantitatiivisella tutkimusotteella. Tutkimusaineisto on kerätty sähköisellä lomakkeella. Tämän tutkimuksen mukaan tietoteknisiltä taidoiltaan hyvät kokivat hallitsevansa työnsä ja työympäristönsä paremmin kuin tietoteknisiltä taidoiltaan heikot. He kokivat myös tietotekniikan helpottaneen työtä, mahdollisuudet itsensä kehittämiseen lisääntyneen ja työn itsenäisyyden lisääntyneen. Tietoteknisiltä taidoiltaan heikot puolestaan kokivat työn ja työnympäristön hallinnan vähentyneen, työn vaativuuden lisääntyneen, työn tauotuksen vähentyneen, sosiaalisen ympäristön heikentyneen, työn henkisen rasittavuuden lisääntyneen, oman ammattialan arvostuksen vähentyneen ja työhön liittyvien vaikutusmahdollisuuksien vähentyneen. Tulosten perusteella kaikki työntekijät kokivat työn tulosten parantuneen tietotekniikan avulla, mutta toisaalta kokivat työn sisällön köyhtyneen tietotekniikan vuoksi – varsinkin iäkkäät työntekijät kokivat näin. Tutkimuksessa selvitettiin myös työn ja työympäristön hallintaa tukevia ja uhkaavia tekijöitä. Tämän tutkimuksen mukaan pelot tietotekniikkaa kohtaan ja puutteellinen tuki tietoteknisissä ongelmissa uhkaavat työn ja työympäristön hallintaa.

Synthesis, characterization and chemical sensor application of conducting polymers

Polymeric materials that conduct electricity are highly interesting for fundamental studies and beneficial for modern applications in e.g. solar cells, organic field effect transistors (OFETs) as well as in chemical and bio‐sensing. Therefore, it is important to characterize this class of materials with a wide variety of methods. This work summarizes the use of electrochemistry also in combination with spectroscopic methods in synthesis and characterization of electrically conducting polymers and other π‐conjugated systems. The materials studied in this work are intended for organic electronic devices and chemical sensors. Additionally, an important part of the presented work, concerns rational approaches to the development of water‐based inks containing conducting particles. Electrochemical synthesis and electroactivity of conducting polymers can be greatly enhanced in room temperature ionic liquids (RTILs) in comparison to conventional electrolytes. Therefore, poly(para‐phyenylene) (PPP) was electrochemically synthesized in the two representative RTILs: bmimPF6 and bmiTf2N (imidazolium and pyrrolidinium‐based salts, respectively). It was found that the electrochemical synthesis of PPP was significantly enhanced in bmimPF6. Additionally, the results from doping studies of PPP films indicate improved electroactivity in bmimPF6 during oxidation (p‐doping) and in bmiTf2N in the case of reduction (n‐doping). These findings were supported by in situ infrared spectroscopy studies. Conducting poly(benzimidazobenzophenanthroline) (BBL) is a material which can provide relatively high field‐effect mobility of charge carriers in OFET devices. The main disadvantage of this n‐type semiconductor is its limited processability. Therefore in this work BBL was functionalized with poly(ethylene oxide) PEO, varying the length of side chains enabling water dispersions of the studied polymer. It was found that functionalization did not distract the electrochemical activity of the BBL backbone while the processability was improved significantly in comparison to conventional BBL. Another objective was to study highly processable poly(3,4‐ethylenedioxythiophene) poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS) water‐based inks for controlled patterning scaled‐down to nearly a nanodomain with the intention to fabricate various chemical sensors. Developed PEDOT:PSS inks greatly improved printing of nanoarrays and with further modification with quaternary ammonium cations enabled fabrication of PEDOT:PSS‐based chemical sensors for lead (II) ions with enhanced adhesion and stability in aqueous environments. This opens new possibilities for development of PEDOT:PSS films that can be used in bio‐related applications. Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are a broad group of π‐conjugated materials consisting of aromatic rings in the range from naphthalene to even hundred rings in one molecule. The research on this type of materials is intriguing, due to their interesting optical properties and resemblance of graphene. The objective was to use electrochemical synthesis to yield relatively large PAHs and fabricate electroactive films that could be used as template material in chemical sensors. Spectroscopic, electrochemical and electrical investigations evidence formation of highly stable films with fast redox response, consisting of molecules with 40 to 60 carbon atoms. Additionally, this approach in synthesis, starting from relatively small PAH molecules was successfully used in chemical sensor for lead (II).

Potential and Challenges of Analog Reconfigurable Computation in Modern and Future CMOS

In this work, the feasibility of the floating-gate technology in analog computing platforms in a scaled down general-purpose CMOS technology is considered. When the technology is scaled down the performance of analog circuits tends to get worse because the process parameters are optimized for digital transistors and the scaling involves the reduction of supply voltages. Generally, the challenge in analog circuit design is that all salient design metrics such as power, area, bandwidth and accuracy are interrelated. Furthermore, poor flexibility, i.e. lack of reconfigurability, the reuse of IP etc., can be considered the most severe weakness of analog hardware. On this account, digital calibration schemes are often required for improved performance or yield enhancement, whereas high flexibility/reconfigurability can not be easily achieved. Here, it is discussed whether it is possible to work around these obstacles by using floating-gate transistors (FGTs), and analyze problems associated with the practical implementation. FGT technology is attractive because it is electrically programmable and also features a charge-based built-in non-volatile memory. Apart from being ideal for canceling the circuit non-idealities due to process variations, the FGTs can also be used as computational or adaptive elements in analog circuits. The nominal gate oxide thickness in the deep sub-micron (DSM) processes is too thin to support robust charge retention and consequently the FGT becomes leaky. In principle, non-leaky FGTs can be implemented in a scaled down process without any special masks by using “double”-oxide transistors intended for providing devices that operate with higher supply voltages than general purpose devices. However, in practice the technology scaling poses several challenges which are addressed in this thesis. To provide a sufficiently wide-ranging survey, six prototype chips with varying complexity were implemented in four different DSM process nodes and investigated from this perspective. The focus is on non-leaky FGTs, but the presented autozeroing floating-gate amplifier (AFGA) demonstrates that leaky FGTs may also find a use. The simplest test structures contain only a few transistors, whereas the most complex experimental chip is an implementation of a spiking neural network (SNN) which comprises thousands of active and passive devices. More precisely, it is a fully connected (256 FGT synapses) two-layer spiking neural network (SNN), where the adaptive properties of FGT are taken advantage of. A compact realization of Spike Timing Dependent Plasticity (STDP) within the SNN is one of the key contributions of this thesis. Finally, the considerations in this thesis extend beyond CMOS to emerging nanodevices. To this end, one promising emerging nanoscale circuit element - memristor - is reviewed and its applicability for analog processing is considered. Furthermore, it is discussed how the FGT technology can be used to prototype computation paradigms compatible with these emerging two-terminal nanoscale devices in a mature and widely available CMOS technology.