Development and performance assessment of a Plasma Focus electron beam generator for Intra-Operative Radiation Therapy

The Plasma Focus is a device designed to generate a plasma sheet between two coaxial electrodes by means of a high voltage difference. The plasma is then driven to collapse into a “pinch”, where thermonuclear conditions prevail. During the “pinch phase” charged particles are emitted, with two main components: an ion beam peaked forward and an electron beam directed backward. The electron beam emitted backward by Plasma Focus devices is being investigated as a radiation source for medical applications, using it to produce x-rays by interaction with appropriate targets (through bremsstrahlung and characteristic emission). A dedicated Plasma Focus device, named PFMA-3 (Plasma Focus for Medical Applications number 3), has been designed, put in operation and tested by the research groups of the Universities of Bologna and Ferrara. The very high dose rate (several gray per discharge, in less than 1 µs) is a peculiarity of this device that has to be investigated, as it might modify the relative biological effectiveness (RBE). Aim of this Ph.D. project was to investigate the main physical properties of the low-energy x-ray beams produced by a Plasma Focus device and their potential medical applications to IORT treatments. It was necessary to develop the optimal geometrical configuration; to evaluate the x-rays produced and their dose deposited; to estimate the energy electron spectrum produced in the “pinch phase”; to study an optimal target for the conversion of the x-rays; to conduct simulations to study the physics involved; and in order to evaluate the radio-biological features of the beam, cell holders had to be developed for both irradiations and cell growth conditions.

Analysis of optimal control problems for the incompressible MHD equations and implementation in a finite element multiphysics code

This thesis deals with the study of optimal control problems for the incompressible Magnetohydrodynamics (MHD) equations. Particular attention to these problems arises from several applications in science and engineering, such as fission nuclear reactors with liquid metal coolant and aluminum casting in metallurgy. In such applications it is of great interest to achieve the control on the fluid state variables through the action of the magnetic Lorentz force. In this thesis we investigate a class of boundary optimal control problems, in which the flow is controlled through the boundary conditions of the magnetic field. Due to their complexity, these problems present various challenges in the definition of an adequate solution approach, both from a theoretical and from a computational point of view. In this thesis we propose a new boundary control approach, based on lifting functions of the boundary conditions, which yields both theoretical and numerical advantages. With the introduction of lifting functions, boundary control problems can be formulated as extended distributed problems. We consider a systematic mathematical formulation of these problems in terms of the minimization of a cost functional constrained by the MHD equations. The existence of a solution to the flow equations and to the optimal control problem are shown. The Lagrange multiplier technique is used to derive an optimality system from which candidate solutions for the control problem can be obtained. In order to achieve the numerical solution of this system, a finite element approximation is considered for the discretization together with an appropriate gradient-type algorithm. A finite element object-oriented library has been developed to obtain a parallel and multigrid computational implementation of the optimality system based on a multiphysics approach. Numerical results of two- and three-dimensional computations show that a possible minimum for the control problem can be computed in a robust and accurate manner.

Analisi sperimentale dell'influenza dei parametri di processo sulla resistenza di contatto tra polimero e stampo durante la formatura

Con gli strumenti informatici disponibili oggi per le industrie, in particolar modo coi software CAE, le possibile simulare in maniera più che soddisfacente i fenomeni fisici presenti in natura. Anche il raffreddamento di un manufatto in polimero può venire simulato, a patto che si conoscano tutti i dati dei materiali e delle condizioni al contorno. Per quanto riguarda i dati dei materiali, i produttori di polimeri sono molto spesso in grado di fornirli, mentre le condizioni al contorno devono essere padroneggiate dal detentore della tecnologia. Nella pratica, tale conoscenza è al più incompleta, quindi si fanno ipotesi per colmare le lacune. Una tra le ipotesi più forti fatte è quella di una perfetta conduzione all'interfaccia tra due corpi. Questo è un vincolo troppo forte, se paragonato alla precisione di tutti gli altri dati necessari alla simulazione, e quindi si è deciso di eseguire una campagna sperimentale per stimare la resistenza al passaggio flusso termico all'interfaccia polimero-stampo ovvero determinare la conduttanza termica di contatto. L'attività svolta in questa tesi di dottorato ha come scopo quello di fornire un contributo significativo allo sviluppo e al miglioramento dell'efficienza termica degli stampi di formatura dei polimeri termoplastici con tecnologia a compressione.

Spectrum reconstruction from a scattering measurement using the adjoint Boltzmann transport equation for photons

Quality control of medical radiological systems is of fundamental importance, and requires efficient methods for accurately determine the X-ray source spectrum. Straightforward measurements of X-ray spectra in standard operating require the limitation of the high photon flux, and therefore the measure has to be performed in a laboratory. However, the optimal quality control requires frequent in situ measurements which can be only performed using a portable system. To reduce the photon flux by 3 magnitude orders an indirect technique based on the scattering of the X-ray source beam by a solid target is used. The measured spectrum presents a lack of information because of transport and detection effects. The solution is then unfolded by solving the matrix equation that represents formally the scattering problem. However, the algebraic system is ill-conditioned and, therefore, it is not possible to obtain a satisfactory solution. Special strategies are necessary to circumvent the ill-conditioning. Numerous attempts have been done to solve this problem by using purely mathematical methods. In this thesis, a more physical point of view is adopted. The proposed method uses both the forward and the adjoint solutions of the Boltzmann transport equation to generate a better conditioned linear algebraic system. The procedure has been tested first on numerical experiments, giving excellent results. Then, the method has been verified with experimental measurements performed at the Operational Unit of Health Physics of the University of Bologna. The reconstructed spectra have been compared with the ones obtained with straightforward measurements, showing very good agreement.

Validation of the CFD code NEPTUNE for a full scale simulator for decay heat removal systems with in-pool heat exchangers

In the present work, a multi physics simulation of an innovative safety system for light water nuclear reactor is performed, with the aim to increase the reliability of its main decay heat removal system. The system studied, denoted by the acronym PERSEO (in Pool Energy Removal System for Emergency Operation) is able to remove the decay power from the primary side of the light water nuclear reactor through a heat suppression pool. The experimental facility, located at SIET laboratories (PIACENZA), is an evolution of the Thermal Valve concept where the triggering valve is installed liquid side, on a line connecting two pools at the bottom. During the normal operation, the valve is closed, while in emergency conditions it opens, the heat exchanger is flooded with consequent heat transfer from the primary side to the pool side. In order to verify the correct system behavior during long term accidental transient, two main experimental PERSEO tests are analyzed. For this purpose, a coupling between the mono dimensional system code CATHARE, which reproduces the system scale behavior, with a three-dimensional CFD code NEPTUNE CFD, allowing a full investigation of the pools and the injector, is implemented. The coupling between the two codes is realized through the boundary conditions. In a first analysis, the facility is simulated by the system code CATHARE V2.5 to validate the results with the experimental data. The comparison of the numerical results obtained shows a different void distribution during the boiling conditions inside the heat suppression pool for the two cases of single nodalization and three volume nodalization scheme of the pool. Finaly, to improve the investigation capability of the void distribution inside the pool and the temperature stratification phenomena below the injector, a two and three dimensional CFD models with a simplified geometry of the system are adopted.

Numerical optimization,modeling and system evaluation of a thermophotovoltaic hybrid panel

Photovoltaic (PV) solar panels generally produce electricity in the 6% to 16% efficiency range, the rest being dissipated in thermal losses. To recover this amount, hybrid photovoltaic thermal systems (PVT) have been devised. These are devices that simultaneously convert solar energy into electricity and heat. It is thus interesting to study the PVT system globally from different point of views in order to evaluate advantages and disadvantages of this technology and its possible uses. In particular in Chapter II, the development of the PVT absorber numerical optimization by a genetic algorithm has been carried out analyzing different internal channel profiles in order to find a right compromise between performance and technical and economical feasibility. Therefore in Chapter III ,thanks to a mobile structure built into the university lab, it has been compared experimentally electrical and thermal output power from PVT panels with separated photovoltaic and solar thermal productions. Collecting a lot of experimental data based on different seasonal conditions (ambient temperature,irradiation, wind...),the aim of this mobile structure has been to evaluate average both thermal and electrical increasing and decreasing efficiency values obtained respect to separate productions through the year. In Chapter IV , new PVT and solar thermal equation based models in steady state conditions have been developed by software Dymola that uses Modelica language. This permits ,in a simplified way respect to previous system modelling softwares, to model and evaluate different concepts about PVT panel regarding its structure before prototyping and measuring it. Chapter V concerns instead the definition of PVT boundary conditions into a HVAC system . This was made trough year simulations by software Polysun in order to finally assess the best solar assisted integrated structure thanks to F_save(solar saving energy)factor. Finally, Chapter VI presents the conclusion and the perspectives of this PhD work.

Diagnosi prenatale delle malformazioni fetali: ecografia e risonanza magnetica a confronto in 11 anni di esperienza

Obiettivo: Valutare l’accuratezza reciproca dell’ecografia “esperta” e della risonanza magnetica nelle diagnosi prenatale delle anomalie congenite. Materiali e metodi: Sono stati retrospettivamente valutati tutti i casi di malformazioni fetali sottoposte a ecografia “esperta” e risonanza magnetica nel nostro Policlinico da Ottobre 2001 a Ottobre 2012. L’età gestazionale media all’ecografia e alla risonanza magnetica sono state rispettivamente di 28 e 30 settimane. La diagnosi ecografica è stata confrontata con la risonanza e quindi con la diagnosi postnatale. Risultati: sono stati selezionati 383 casi, con diagnosi ecografica o sospetta malformazione fetale “complessa” o anamnesi ostetrica positiva infezioni prenatali, valutati con ecografia “esperta”, risonanza magnetica e completi di follow up. La popolazione di studio include: 196 anomalie del sistema nervoso centrale (51,2%), 73 difetti toracici (19,1%), 20 anomalie dell’area viso-collo (5,2%), 29 malformazioni del tratto gastrointestinale (7,6%), 37 difetti genito-urinari (9,7%) e 28 casi con altra indicazione (7,3%). Una concordanza tra ecografia, risonanza e diagnosi postnatale è stata osservata in 289 casi (75,5%) ed è stata maggiore per le anomalie del sistema nervoso centrale 156/196 casi (79,6%) rispetto ai difetti congeniti degli altri distretti anatomici 133/187 (71,1%). La risonanza ha aggiunto importanti informazioni diagnostiche in 42 casi (11%): 21 anomalie del sistema nervoso centrale, 2 difetti dell’area viso collo, 7 malformazioni toraciche, 6 anomalie del tratto gastrointestinale, 5 dell’apparato genitourinario e 1 caso di sospetta emivertebra lombare. L’ecografia è stata più accurata della risonanza in 15 casi (3,9%). In 37 casi (9,7%) entrambe le tecniche hanno dato esito diverso rispetto agli accertamenti postnatali. Conclusioni: l’ecografia prenatale rimane a tutt’oggi la principale metodica di imaging fetale. In alcuni casi complessi e/o dubbi sia del sistema nervoso centrale sia degli altri distretti anatomici la risonanza può aggiungere informazioni rilevanti.

Power Transient Analysis of Experimental Devices for Jules Horowitz Material Testing Reactor (JHR)

The objective of this thesis is the power transient analysis concerning experimental devices placed within the reflector of Jules Horowitz Reactor (JHR). Since JHR material testing facility is designed to achieve 100 MW core thermal power, a large reflector hosts fissile material samples that are irradiated up to total relevant power of 3 MW. MADISON devices are expected to attain 130 kW, conversely ADELINE nominal power is of some 60 kW. In addition, MOLFI test samples are envisaged to reach 360 kW for what concerns LEU configuration and up to 650 kW according to HEU frame. Safety issues concern shutdown transients and need particular verifications about thermal power decreasing of these fissile samples with respect to core kinetics, as far as single device reactivity determination is concerned. Calculation model is conceived and applied in order to properly account for different nuclear heating processes and relative time-dependent features of device transients. An innovative methodology is carried out since flux shape modification during control rod insertions is investigated regarding the impact on device power through core-reflector coupling coefficients. In fact, previous methods considering only nominal core-reflector parameters are then improved. Moreover, delayed emissions effect is evaluated about spatial impact on devices of a diffuse in-core delayed neutron source. Delayed gammas transport related to fission products concentration is taken into account through evolution calculations of different fuel compositions in equilibrium cycle. Provided accurate device reactivity control, power transients are then computed for every sample according to envisaged shutdown procedures. Results obtained in this study are aimed at design feedback and reactor management optimization by JHR project team. Moreover, Safety Report is intended to utilize present analysis for improved device characterization.

Taste receptors in the gut: a chemosensitive mechanism from fish to human

The ingestion of a meal evokes a series of digestive processes, which consist of the essential functions of the digestive system: food transport, secretory activity, absorption of nutrients and the expulsion of undigested residues do not absorbed. The gastrointestinal chemosensitivity is characterized by cellular elements of the endocrine gastrointestinal mucosa and nerve fibers, in particular of vagal nature. A wide range of mediators endocrine and/or paracrine can be released from various endocrine cells in response to nutrients in the diet. These hormones, in addition to their direct activity, act through specific receptors activating some of the most important functions in the control of energy intake and energy homeostasis in the body. For integration of this complex system of control of gastrointestinal chemosensitivity, recent evidence demonstrates the presence of taste receptors (TR) belonging to the family of G proteins coupled receptor expressed in the mucosa of the gastrointestinal tract of different mammals and human. This thesis is divided into several research projects that have been conceived in order to clarify the relationship between TR and nutrients. To define this relationship I have used various scientific approaches, which have gone on to evaluate changes in signal molecules of TR, in particular of the α-transducin in the fasting state and after refeeding with standard diet in the gastrointestinal tract of the pig, the mapping of the same molecule signal in the gastrointestinal tract of fish (Dicentrarchus labrax), the signaling pathway of bitter TR in the STC-1 endocrine cell line and finally the involvement of bitter TR in particular of T2R38 in patients with an excessive caloric intake. The results showed how there is a close correlation between nutrients, TR and hormonal release and how they are useful both in taste perception but also likely to be involved in chronic diseases such as obesity.

Experimental and Numerical Analysis of Gas Forced Convection through Microtubes and Micro Heat Exchangers

The last decade has witnessed very fast development in microfabrication technologies. The increasing industrial applications of microfluidic systems call for more intensive and systematic knowledge on this newly emerging field. Especially for gaseous flow and heat transfer at microscale, the applicability of conventional theories developed at macro scale is not yet completely validated; this is mainly due to scarce experimental data available in literature for gas flows. The objective of this thesis is to investigate these unclear elements by analyzing forced convection for gaseous flows through microtubes and micro heat exchangers. Experimental tests have been performed with microtubes having various inner diameters, namely 750 m, 510 m and 170 m, over a wide range of Reynolds number covering the laminar region, the transitional zone and also the onset region of the turbulent regime. The results show that conventional theory is able to predict the flow friction factor when flow compressibility does not appear and the effect of fluid temperature-dependent properties is insignificant. A double-layered microchannel heat exchanger has been designed in order to study experimentally the efficiency of a gas-to-gas micro heat exchanger. This microdevice contains 133 parallel microchannels machined into polished PEEK plates for both the hot side and the cold side. The microchannels are 200 µm high, 200 µm wide and 39.8 mm long. The design of the micro device has been made in order to be able to test different materials as partition foil with flexible thickness. Experimental tests have been carried out for five different partition foils, with various mass flow rates and flow configurations. The experimental results indicate that the thermal performance of the countercurrent and cross flow micro heat exchanger can be strongly influenced by axial conduction in the partition foil separating the hot gas flow and cold gas flow.

Caratterizzazione citogenetico-molecolare alla diagnosi di pazienti con leucemia mieloide cronica in fase cronica trattati con inibitori delle tirosinchinasi: ruolo prognostico.

L’applicazione della citogenetica convenzionale e molecolare può identificare: Ph-negatività, traslocazioni t(9;22) varianti e alterazioni citogenetiche addizionali (ACA) al cromsoma Ph in pazienti con LMC alla diagnosi. Prima dell’introduzione della terapia con Imatinib, esse mostravano un impatto prognostico negativo o non chiaro. Nel nostro studio, 6 casi di LMC Ph- erano trattati con Imatinib. La FISH identificava 4 casi con riarrangiamento BCR/ABL sul der(9q), 1 sul der(22q) e 1 su entrambi i derivativi. Quattro pazienti (66,7%) raggiungevano la RCgC, 2 fallivano il trattamento e 1 sottoposto a TMO. A causa dello scarso numero di casi, non era possibile nessuna correlazione con la prognosi. Nell’ambito di studi prospettici multicentrici del GIMEMA-WP, abbiamo valutato: traslocazioni varianti e ACA. Dei 559 pazienti arruolati, 30(5%) mostravano traslocazioni varianti, 24 valutabili in FISH: 18(75%) mostravano meccanismo 1-step, 4(16,7%) meccanismo 2-step e 2(8,3%) meccanismo complesso. Abbiamo confermato che le varianti non influenzano la risposta e la sopravvivenza dei pazienti trattati con Imatinib. Dei 378 pazienti valutabili alla diagnosi con citogenetica convenzionale, 21(5,6%) mostravano ACA: 9(43%) avevano la perdita del cromosoma Y, 3(14%) trisomia 8, 2(10%) trisomia 19, 6(28%) altre singole anomalie e 1 cariotipo complesso. La presenza di ACA influenzava la risposta: le RCgC e RMolM erano significativamente più basse rispetto al gruppo senza ACA e le curve di sopravvivenza EFS e FFS non erano significativamente diverse. Le curve di PFS e OS erano sovrapponibili nei due gruppi, per il basso numero di eventi avversi oppure perché alcuni raggiungevano la risposta con TKI di seconda generazione. Le anomalie “major route” mostravano decorso clinico peggiore, ma non è stato possibile determinare l’impatto prognostico in relazione al tipo di alterazione. Pertanto, le ACAs alla diagnosi rivestono un ruolo negativo nella prognosi dei pazienti trattati con Imatinib, che quindi rappresentano una categoria più a rischio per la risposta.

Development of a method for plasma - induced combustion of intermediate to low-level radioactive waste

This work demonstrates that the plasma - induced combustion of intermediate to low-level radioactive waste is a suitable method for volume reduction and stabilization. Weaknesses of existing facilities can be overcome with novel developments. Plasma treatment of LILW has a high economical advantage by volume reduction for storage in final repositories.

Il ruolo dell’ecografia prenatale nella diagnosi precoce delle anomalie fetali della fossa cranica posteriore

Obiettivo: Valutare il ruolo brainstem-vermis angle (BV angle) a 16-18 settimane per la diagnosi precoce delle anomalie cistiche della fossa cranica posteriore. Metodi: Uno studio prospettico, multicentrico, osservazionale. Volumi ecografici tridimensionali della testa fetale sono stati acquisiti in feti a 16-18 settimane. Tre operatori di simile esperienza hanno misurato il BV angle nel piano sagittale come precedentemente descritto1,2 e hanno annotato se il quarto ventricolo era aperto sul piano assiale. Un follow-up dettagliato è stato ottenuto in tutti i casi. Risultati: Tra novembre 2009 e marzo 2011, 150 volumi sono stati acquisiti ad un’epoca gestazionale media di 16 settimane. A causa di una scarsa qualità delle immaginai, 49 volumi sono stati esclusi, con una popolazione finale di 101 casi. Di questi, 6 hanno ricevuto successivamente una diagnosi di malformazione di Dandy-Walker (DWM) e 2 di cisti della tasca di Blake (BPC), gli altri erano normali. In tutti i feti con anomalie cistiche della fossa cranica posteriore, il BV angle è risultato significativamente più ampio rispetto ai controlli (57.3+23.0° vs 9.4+7.7°, U-Mann Whitney test p<0.000005). Nel 90.3% dei feti normali, il BV angle era <20° e il quarto ventricolo era chiuso sul piano assiale. In 9 feti normali e nei casi con BPC, l’angolo era >20° ma <45° (25.8+5.6°) e il quarto ventricolo era aperto posteriormente sul piano assiale, ma solo utilizzando una scansione non convenzionale. In tutti i feti con DWM, il BV angle era >45° (67.9+13.9°) e il quarto ventricolo era aperto anche sul piano assiale standard. Conclusioni: Fino ad ora la diagnosi di anomalie cistiche della fossa cranica posteriore è stata consideratea difficile o impossibile prima di 20 settimane, a causa del presunto sviluppo tardivo del verme cerebellare. La nostra esperienza suggerisce che la misurazione del BV angle consente un’identificazione precisa di queste condizioni già a 16 settimane.

Alla ricerca della sostenibilità: lo sviluppo dell'agricoltura dall'Unità d'Italia alla Green Economy

L’elaborato finale presentato per la tesi di Dottorato analizza e riconduce a unitarietà, per quanto possibile, alcune delle attività di ricerca da me svolte durante questi tre anni, il cui filo conduttore è l'impatto ambientale delle attività umane e la promozione dello sviluppo sostenibile. Il mio filone di ricerca è stato improntato, dal punto di vista di politica economica, sull'analisi storica dello sviluppo del settore agricolo dall'Unità d'Italia ai giorni nostri e dei cambiamenti avvenuti in contemporanea nel contesto socio-economico e territoriale nazionale, facendo particolare riferimento alle tematiche legate ai consumi e alla dipendenza energetica ed all'impatto ambientale. Parte della mia ricerca è stata, infatti, incentrata sull'analisi dello sviluppo della Green Economy, in particolare per quanto riguarda il settore agroalimentare e la produzione di fonti di energia rinnovabile. Enfasi viene posta sia sulle politiche implementate a livello comunitario e nazionale, sia sul cambiamento dei consumi, in particolare per quanto riguarda gli acquisti di prodotti biologici. La Green Economy è vista come fattore di sviluppo e opportunità per uscire dall'attuale contesto di crisi economico-finanziaria. Crisi, che è strutturale e di carattere duraturo, affiancata da una crescente problematica ambientale dovuta all'attuale modello produttivo, fortemente dipendente dai combustibili fossili. Difatti la necessità di cambiare paradigma produttivo promuovendo la sostenibilità è visto anche in ottica di mitigazione del cambiamento climatico e dei suoi impatti socio-economici particolare dal punto di vista dei disastri ambientali. Questo punto è analizzato anche in termini di sicurezza internazionale e di emergenza umanitaria, con riferimento al possibile utilizzo da parte delle organizzazioni di intervento nei contesti di emergenza di tecnologie alimentate da energia rinnovabile. Dando così una risposta Green ad una problematica esacerbata dall'impatto dello sviluppo delle attività umane.

Il risparmio delle risorse alla scala abitativa e di insediamento. Tecnologie non convenzionali e valutazione ambientale attraverso metodologia LCA.

Nel corso del mio lavoro di ricerca mi sono occupata di identificare strategie che permettano il risparmio delle risorse a livello edilizio e di approfondire un metodo per la valutazione ambientale di tali strategie. La convinzione di fondo è che bisogna uscire da una visione antropocentrica in cui tutto ciò che ci circonda è merce e materiale a disposizione dell’uomo, per entrare in una nuova era di equilibrio tra le risorse della terra e le attività che l’uomo esercita sul pianeta. Ho quindi affrontato il tema dell’edilizia responsabile approfondendo l’ambito delle costruzioni in balle di paglia e terra. Sono convinta che l’edilizia industriale abbia un futuro molto breve davanti a sé e lascerà inevitabilmente spazio a tecniche non convenzionali che coinvolgono materiali di semplice reperimento e posa in opera. Sono altresì convinta che il solo utilizzo di materiali naturali non sia garanzia di danni ridotti sull’ecosistema. Allo stesso tempo ritengo che una mera certificazione energetica non sia sinonimo di sostenibilità. Per questo motivo ho valutato le tecnologie non convenzionali con approccio LCA (Life Cycle Assessment), approfondendo gli impatti legati alla produzione, ai trasporti degli stessi, alla tipologia di messa in opera, e ai loro possibili scenari di fine vita. Inoltre ho approfondito il metodo di calcolo dei danni IMPACT, identificando una carenza nel sistema, che non prevede una categoria di danno legata alle modifiche delle condizioni idrogeologiche del terreno. La ricerca si è svolta attraverso attività pratiche e sperimentali in cantieri di edilizia non convenzionale e attività di ricerca e studio sull’LCA presso l’Enea di Bologna (Ing. Paolo Neri).