Monte Carlo simulation of the WENDI-2 neutron dosimeter

Il presente lavoro di tesi, sviluppato nell’arco di sei mesi presso l’Institut Supérieur Industriel de Bruxelles (ISIB) in collaborazione con Ion Beam Application Group (IBA, Louvain la Neuve), ha come principale soggetto lo studio della risposta del rem meter WENDI-2 commercializzato da Thermo Scientific. Lo studio si è basato principalmente sull’uso del codice Monte Carlo MCNPX 2.5.0, simulando la risposta del detector sia in caso di campi di radiazione neutronica monoenergetici sia in corrispondenza di spettri neutronici continui. La prima fase è stata dedicata alla modellizzazione MCNPX del rem counter, consentendo così la valutazione della sua funzione risposta. Questa è stata ricostruita interpolando 93 punti, ciascuno calcolato in corrispondenza di un singolo valore di energia di una sorgente puntiforme, compreso tra 1 meV e 5 GeV. In tal caso è stata rilevata un’ottima corrispondenza tra i risultati ottenuti e quelli riportati nella letteratura scientifica esistente. In una seconda fase, al fine di ottenere informazioni sulla risposta di WENDI II in corrispondenza di campi complessi di radiazione, simulazioni MCNPX sono state realizzate riproducendo un ambiente di lavoro esistente presso la sede IBA di Louvain la Neuve: la risposta del detector è stata valutata in corrispondenza di 9 diverse posizioni all’interno di un bunker contenente un ciclotrone PET (18 MeV H-), implicando la rilevazione di campi di radiazione neutronica continui ed estesi dalle energie termiche fino a 18 MeV. I risultati ottenuti sono stati infine comparati con i valori di dose ambiente equivalente calcolata nelle stesse condizioni di irraggiamento.

Development and testing of the atlas ibl rod pre production boards

Il lavoro di questa tesi riguarda principalmente la progettazione, simulazione e test di laboratorio di tre versioni successive di schede VME, chiamate Read Out Driver (ROD), che sono state fabbricate per l'upgrade del 2014 dell'esperimento ATLAS Insertable B-Layer (IBL) al CERN. IBL è un nuovo layer che diverrà parte del Pixel Detector di ATLAS. Questa tesi si compone di una panoramica descrittiva dell'esperimento ATLAS in generale per poi concentrarsi sulla descrizione del layer specifico IBL. Inoltre tratta in dettaglio aspetti fisici e tecnici: specifiche di progetto, percorso realizzativo delle schede e test conseguenti. Le schede sono state dapprima prodotte in due prototipi per testare le prestazioni del sistema. Queste sono state fabbricate al fine di valutare le caratteristiche e prestazioni complessive del sistema di readout. Un secondo lotto di produzione, composto di cinque schede, è stato orientato alla correzione fine delle criticità emerse dai test del primo lotto. Un'indagine fine e approfondita del sistema ha messo a punto le schede per la fabbricazione di un terzo lotto di altre cinque schede. Attualmente la produzione è finita e complessivamente sono state realizzate 20 schede definitive che sono in fase di test. La produzione sarà validata prossimamente e le 20 schede verranno consegnate al CERN per essere inserite nel sistema di acquisizione dati del rivelatore. Al momento, il Dipartimento di Fisica ed Astronomia dell'Università di Bologna è coinvolto in un esperimento a pixel solamente attravers IBL descritto in questa tesi. In conclusione, il lavoro di tesi è stato prevalentemente focalizzato sui test delle schede e sul progetto del firmware necessario per la calibrazione e per la presa dati del rivelatore.

By-products of the dairy farming as raw material for the biotechnology production of polyhydroxyalkanoates

I Poliidrossialcanoati (PHA) sono poliesteri completamente biodegradabili, prodotti da microrganismi come fonte di energia e di carbonio per la sintesi di nuovo materiale cellulare, utilizzando come substrato materie prime rinnovabili. Questi poliesteri sono considerati potenziali candidati per la sostituzione delle materie plastiche convenzionali. Tuttavia, i più alti costi di produzione dei PHA in confronto a quelli delle materie plastiche derivanti dal petrolio, rappresentano il principale ostacolo per la parziale sostituzione di questi ultimi con i biopolimeri. Gli alti costi sono principalmente dovuti all'utilizzo di colture microbiche pure (in cui sia presente un solo ceppo batterico) e substrati puri e costosi. Nell'ultimo decennio è stato sviluppato un processo di produzione a tre stadi alternativo e potenzialmente a minor costo, basato sull'utilizzo di colture microbiche miste (Mixed Microbials Culture, MMC) e una varietà di substrati organici a costo contenuto o nullo, quali alcuni rifiuti dell’industria agro-alimentare. Il presente studio si è concentrato sulla prima fase del processo di produzione dei PHA da colture miste, la fermentazione acidogenica, utilizzando siero di latte come fonte di carbonio per produrre acidi organici. In particolare questo lavoro ha avuto come obiettivo quello di studiare come diverse condizioni operative utilizzate nella fase di fermentazione acidogenica possono influenzare la concentrazione e il profilo degli acidi organici prodotti. Sono stati valutati anche gli effetti dei diversi profili degli acidi organici sulla fase di selezione della coltura microbica, in termini di capacità di stoccaggio di PHA e composizione polimerica.

Sistemi a microonde dedicati all'imaging della mammella: prototipi sperimentali e risultati clinici.

In questo lavoro si è voluto mostrare lo sviluppo di nuove tecniche per la diagnosi del tumore alla mammella, in particolare la tecnica di imaging a microonde. Fra le varie metodologie di imaging della mammella, la Microwave Imaging è particolarmente interessante in quanto sfrutta il contrasto nelle proprietà elettromagnetiche dei tessuti. Questa emergente tecnica offre numerosi vantaggi per le pazienti eliminando la compressione della mammella tipica delle mammografie a raggi-X, e l'uso di radiazioni ionizzanti e dannose per l'uomo. Per tali motivi, la ricerca in campo biomedico, dal 2000 in poi, si è interessata particolarmente all' uso delle onde elettromagnetiche nel range delle microonde per ottenere immagini diagnostiche. Il presente lavoro si propone di illustrare lo stato dell'arte attuale nel campo dell'imaging a microonde, descrivendo dettagliatamente i vari prototipi sviluppati in tutto il mondo, e infine esporre i risultati che i vari gruppi di ricerca hanno ottenuto. Anche se la tecnica, per le sue potenzialità, dovrebbe avere un largo uso clinico, solo pochi dei sistemi realizzati sono stati testati su pazienti a scopo diagnostico.

The gas mass fraction and the dynamical state in x-ray luminous clusters of galaxies at low redshift

Gli ammassi di galassie sono le strutture gravitazionalmente legate con le più profonde buche di potenziale, pertanto è previsto che questi contengano una frazione di barioni non molto diversa da quella cosmologica. Con l’introduzione di modelli sempre più accurati di fisica barionica all’interno di simulazioni idrodinamiche è stato possibile predire la percentuale cosmica di barioni presente negli ammassi di galassie. Unendo questi modelli previsionali con misure della frazione di gas in ammassi e informazioni sulla densità di barioni dell’Universo si può ottenere una stima della densità di materia cosmica Ωm. L'obiettivo di questo lavoro di Tesi è la stima di Ωm a partire dalla frazione di gas osservata in questi sistemi. Questo lavoro era stato già fatto in precedenza, ma tenendo in considerazione solo gli ammassi più massivi e dinamicamente rilassati. Usando parametri che caratterizzano la morfologia della distribuzione di brillanza superficiale nei raggi X, abbiamo classificato i nostri oggetti come rilassati o disturbati, laddove presentassero evidenze di recenti attività di interazione. Abbiamo dunque valutato l’impatto degli oggetti disturbati sulla stima del parametro cosmologico Ωm, computando il Chi2 tra la frazione di massa barionica nell’Universo e quella da noi ricavata. Infine abbiamo investigato una relazione tra il valore della frazione di gas degli ammassi rilassati e quello dei disturbati, in modo da correggere quindi questi ultimi, riportandoli nei dintorni del valore medio per i rilassati e usarli per ampliare il campione e porre un vincolo più stringente su Ωm. Anche con il limitato campione a nostra disposizione, è stato possibile porre un vincolo più stretto su Ωm, utilizzando un maggior numero di oggetti e riducendo così l’errore statistico.

Le onde elettromagnetiche per la diagnostica non distruttiva sui beni culturali

La mole di reperti e manufatti definiti, al momento, dalla legge come “bene culturale” è immensa e in continua espansione. La definizione di bene culturale copre un'infinità di oggetti, di variabili datazioni, materiali e dimensioni ed è ovvio immaginare che la quantità di manufatti da conservare e restaurare andrà, col tempo, ampliandosi essendo logico supporre che, con l'evolversi del genere umano, gli oggetti attualmente di uso e consumo andranno ad aggiungersi a quanto già viene conservato e tutelato diventando anch'essi reperti storici. La necessità di conoscere quanto più possibile del bene e di massimizzarne la durata mantenendo al contempo la sua integrità e una sua accessibilità al pubblico ha portato alla ricerca di soluzioni sempre più efficaci per adempiere allo scopo. Il fortunato evolversi della tecnologia ha ben risposto a questa richiesta permettendo l'utilizzo di una grande quantità di strumenti per far fronte alle più varie necessità del restauratore, dello studioso e del conservatore che cercano risposte sull'oggetto in esame volendo al contempo incidere il meno possibile sul bene stesso. Al momento di questa trattazione ci troviamo di fronte ad un'enorme quantità di dati ottenibili dalle più svariate forme di indagine. Ciò che tuttavia accomuna molti degli strumenti di indagine non distruttiva utilizzati da chi lavora nel campo dello studio, della conservazione e del restauro è il basarsi sull'impiego delle onde elettromagnetiche nelle diverse bande spettrali. Questa trattazione ha quindi lo scopo di fare il punto su quali tipologie, con quali metodi e con quali risultati le onde elettromagnetiche rispondono alle esigenze della conservazione e dello studio dei beni culturali.

Sviluppo di un sistema di rivelazione per l'esperimento FAMU (fisica degli atomi muonici) basato su scintillatore LaBr3 con fotomoltiplicatore UQE e sistema spettrometrico DSP

In questa tesi si sono studiati e sviluppati i rivelatori di fotoni x per l’esperimento FAMU (Fisica degli Atomi Muonici gruppo 3 dell’INFN) che indaga sulla natura e la struttura del protone. I rivelatori sono stati assemblati e testati con elementi che rappresentano lo stato dell’arte nel campo dei rivelatori di radiazione (scintillatori LaBr3(Ce) e fotomoltiplicatori Hamamatsu™ Ultra Bi-Alcali). È stata anche studiata e sviluppata parte della catena di formatura del segnale. Questa è stata implementata su un chip FPGA dell’ALTERA™ con buoni risultati per quanto riguarda la qualità del filtro; le performance dell’FPGA non hanno consentito di raggiungere la velocità di 500MHz richiesta dall’esperimento costringendo l’implementazione ad una velocità massima di 320MHz.

Novel materials for direct X-ray detectors based on semiconducting organic polymers

Conventional inorganic materials for x-ray radiation sensors suffer from several drawbacks, including their inability to cover large curved areas, me- chanical sti ffness, lack of tissue-equivalence and toxicity. Semiconducting organic polymers represent an alternative and have been employed as di- rect photoconversion material in organic diodes. In contrast to inorganic detector materials, polymers allow low-cost and large area fabrication by sol- vent based methods. In addition their processing is compliant with fexible low-temperature substrates. Flexible and large-area detectors are needed for dosimetry in medical radiotherapy and security applications. The objective of my thesis is to achieve optimized organic polymer diodes for fexible, di- rect x-ray detectors. To this end polymer diodes based on two different semi- conducting polymers, polyvinylcarbazole (PVK) and poly(9,9-dioctyluorene) (PFO) have been fabricated. The diodes show state-of-the-art rectifying be- haviour and hole transport mobilities comparable to reference materials. In order to improve the X-ray stopping power, high-Z nanoparticle Bi2O3 or WO3 where added to realize a polymer-nanoparticle composite with opti- mized properities. X-ray detector characterization resulted in sensitivties of up to 14 uC/Gy/cm2 for PVK when diodes were operated in reverse. Addition of nanoparticles could further improve the performance and a maximum sensitivy of 19 uC/Gy/cm2 was obtained for the PFO diodes. Compared to the pure PFO diode this corresponds to a five-fold increase and thus highlights the potentiality of nanoparticles for polymer detector design. In- terestingly the pure polymer diodes showed an order of magnitude increase in sensitivity when operated in forward regime. The increase was attributed to a different detection mechanism based on the modulation of the diodes conductivity.

Potenzialita di una linea ferroviaria: confronto tra blocco fisso e blocco mobile

Nella prima parte dell'elaborato vengono introdotti dei concetti basilari del sistema ferroviario necessari al proseguo della trattazione: i sistemi di circolazione utilizzati in Italia, le sezioni di blocco, i sistemi di sicurezza e di controllo della marcia, il sistema ERTMS a livello europeo. Nella seconda parte, dopo aver introdotto il concetto di capacità, vengono analizzati nel dettaglio e confrontati, in termini di capacità teorica, i sistemi basati sul blocco fisso e sul blocco mobile. Vengono quindi proposti i metodi utilizzati per il calcolo della capacità reale, prestando particolare attenzione al metodo dei coefficienti di ritardo specifico D e di stabilità X. Da quest' ultimo e con l'introduzione dei livelli di servizio, viene analizzato il rapporto che lega la capacità con la qualità della circolazione. Infine viene proposto un confronto tra le linee convenzionali e le linee AV/AC in Italia, evidenziando il rapporto tra le caratteristiche di velocità e di capacità.

Firmware development and testing for L1/L2 IBL upgrade

Il lavoro di questa tesi riguarda principalmente l'upgrade, la simulazione e il test di schede VME chiamate ReadOut Driver (ROD), che sono parte della catena di elaborazione ed acquisizione dati di IBL (Insertable B-Layer). IBL è il nuovo componente del Pixel Detector dell'esperimento ATLAS al Cern che è stato inserito nel detector durante lo shut down di LHC; fino al 2012 infatti il Pixel Detector era costituito da tre layer, chiamati (partendo dal più interno): Barrel Layer 0, Layer 1 e Layer 2. Tuttavia, l'aumento di luminosità di LHC, l'invecchiamento dei pixel e la richiesta di avere misure sempre più precise, portarono alla necessità di migliorare il rivelatore. Così, a partire dall'inizio del 2013, IBL (che fino a quel momento era stato un progetto sviluppato e finanziato separatamente dal Pixel Detector) è diventato parte del Pixel Detector di ATLAS ed è stato installato tra la beam-pipe e il layer B0. Questa tesi fornirà innanzitutto una panoramica generale dell'esperimento ATLAS al CERN, includendo aspetti sia fisici sia tecnici, poi tratterà in dettaglio le varie parti del rivelatore, con particolare attenzione su Insertable B-Layer. Su quest'ultimo punto la tesi si focalizzerà sui motivi che ne hanno portato alla costruzione, sugli aspetti di design, sulle tecnologie utilizzate (volte a rendere nel miglior modo possibile compatibili IBL e il resto del Pixel Detector) e sulle scelte di sviluppo e fabbricazione. La tesi tratterà poi la catena di read-out dei dati, descrivendo le tecniche di interfacciamento con i chip di front-end, ed in particolare si concentrerà sul lavoro svolto per l'upgrade e lo sviluppo delle schede ReadOut Drivers (ROD) introducendo le migliorie da me apportate, volte a eliminare eventuali difetti, migliorare le prestazioni ed a predisporre il sistema ad una analisi prestazionale del rivelatore. Allo stato attuale le schede sono state prodotte e montate e sono già parte del sistema di acquisizione dati del Pixel Detector di ATLAS, ma il firmware è in continuo aggiornamento. Il mio lavoro si è principalmente focalizzato sul debugging e il miglioramento delle schede ROD; in particolare ho aggiunto due features: - programmazione parallela delle FPGA} delle ROD via VME. IBL richiede l'utilizzo di 15 schede ROD e programmandole tutte insieme (invece che una alla volta) porta ad un sensibile guadagno nei tempi di programmazione. Questo è utile soprattutto in fase di test; - reset del Phase-Locked Loop (PLL)} tramite VME. Il PLL è un chip presente nelle ROD che distribuisce il clock a tutte le componenti della scheda. Avere la possibilità di resettare questo chip da remoto permette di risolvere problemi di sincronizzazione. Le ReadOut Driver saranno inoltre utilizzate da più layer del Pixel Detector. Infatti oltre ad IBL anche i dati provenienti dai layer 1 e 2 dei sensori a pixel dell’esperimento ATLAS verranno acquisiti sfruttando la catena hardware progettata, realizzata e testata a Bologna.

Compressed sensing in digital tomosynthesis reconstruction

In this work we study a model for the breast image reconstruction in Digital Tomosynthesis, that is a non-invasive and non-destructive method for the three-dimensional visualization of the inner structures of an object, in which the data acquisition includes measuring a limited number of low-dose two-dimensional projections of an object by moving a detector and an X-ray tube around the object within a limited angular range. The problem of reconstructing 3D images from the projections provided in the Digital Tomosynthesis is an ill-posed inverse problem, that leads to a minimization problem with an object function that contains a data fitting term and a regularization term. The contribution of this thesis is to use the techniques of the compressed sensing, in particular replacing the standard least squares problem of data fitting with the problem of minimizing the 1-norm of the residuals, and using as regularization term the Total Variation (TV). We tested two different algorithms: a new alternating minimization algorithm (ADM), and a version of the more standard scaled projected gradient algorithm (SGP) that involves the 1-norm. We perform some experiments and analyse the performance of the two methods comparing relative errors, iterations number, times and the qualities of the reconstructed images. In conclusion we noticed that the use of the 1-norm and the Total Variation are valid tools in the formulation of the minimization problem for the image reconstruction resulting from Digital Tomosynthesis and the new algorithm ADM has reached a relative error comparable to a version of the classic algorithm SGP and proved best in speed and in the early appearance of the structures representing the masses.

Introduzione agli elettrodi senza contatto per uso medico

I segnali biopotenziali cardiaci e neurali nelle forme di elettroencefalogramma (EEG) ed elettrocardiogramma (ECG) sono due indicatori fisiologici molto importanti che ben si prestano ad un monitoraggio sanitario wireless a lungo termine. Nonostante gli innumerevoli progressi compiuti nel campo della tecnologia wireless e della microelettronica, l’utilizzo dell'EEG/ECG risulta essere ancora limitato dai disagi e dalle scomodità dovute all’impiego di elettrodi a contatto bagnato (wet contact electrodes). Gli elettrodi adesivi ad uso clinico sono spesso percepiti dai pazienti su cui vengono applicati come irritanti e scomodi, riducendo notevolmente l’accondiscendenza ad un loro utilizzo costante nell'ambiente domestico, ovvero al di fuori dello stretto controllo medico-sanitario. Come alternativa si ricorre all’uso di elettrodi a secco (dry electrodes), questi però, in mancanza della capacità di conduzione del gel, sono molto più sensibili alle condizioni della pelle e pertanto suscettibili agli artefatti legati al movimento. Questa tesi si ripropone di illustrare in maniera il più possibile organica e precisa il principio di funzionamento degli elettrodi senza contatto, con particolare attenzione al ruolo rivestito dai segnali EEG ed ECG. L’analisi intende inoltre mettere in evidenza l’entità dei vantaggi derivanti dall’impiego degli elettrodi senza contatto rispetto a quelli tradizionali.

Ottica geometrica e ondulatoria, e applicazioni astrofisiche

Lo studio dell'ottica si incentra sull'indagine della natura della luce, delle sue proprietà e delle leggi che ne regolano i fenomeni fisici. Si possono, in complessivo, identificare tre branche: l'ottica geometrica, l'ottica ondulatoria e l'ottica quantistica. Quest'ultima esula dalla presente trattazione, che piuttosto si incentra sull'aspetto geometrico ed ondulatorio della radiazione luminosa. Con l'ottica geometrica viene identificato lo studio della luce come propagazione rettilinea di raggi luminosi. Essa include lo studio degli specchi e delle lenti, di particolare interesse per le applicazioni nella strumentazione astrofisica. All'interno del primo capitolo, dunque, sono enunciate le principali leggi che definiscono la propagazione rettilinea della luce, la sua riflessione contro una superficie o la sua rifrazione attraverso due mezzi differenti. L'ottica geometrica, in effettivo, consiste in un caso limite della più generica trattazione fornita dall'ottica ondulatoria. La condizione che demarca la possibilità di approssimare la trattazione nell'ambito geometrico, è definita dalla richiesta che la lunghezza d'onda della radiazione in esame sia di molto inferiore delle dimensioni lineari dell'ostacolo con cui interagisce. Qualora tale condizione non fosse soddisfatta, la considerazione della natura ondulatoria della luce non sarebbe più trascurabile. Nel secondo capitolo dell'elaborato, dunque, vengono presi in esame il modello ondulatorio della radiazione elettromagnetica ed alcuni fenomeni fisici che ne avvalorano la fondatezza; in particolare i fenomeni dell'interferenza e della diffrazione. Infine, nel terzo ed ultimo capitolo, sono affrontati alcuni esempi di applicazioni astrofisiche, sia nell'ambito dell'ottica geometrica che nell'ambito dell'ottica ondulatoria.

X-Ray Free-Electron Lasers

Recenti sviluppi nella progettazione di impianti di luce di sincrotrone di quarta generazione riguardano la produzione di fasci di luce nella banda dei raggi X con elevate caratteristiche in termini di brillanza, coerenza e impulsi estremamente brevi ( femtosecondo ) . I principali schemi per la produzione della radiazione XFEL riguardano l’impiego di ondulatori con differenti modalità di seeding. L’utilizzo dei fasci di radiazione XFEL nelle linee di luce per applicazioni di imaging, spettroscopia e diffrazione, ha determinato un costante sforzo sia nello sviluppo di dispositivi ottici in grado di selezionare e focalizzare il fascio su dimensioni nanometriche, che nella sperimentazione di tecniche “lensless” in grado di superare i limiti imposti dall’utilizzo di tali dispositivi . I risultati ottenuti nella produzione dei fasci hanno consentito nuove possibilità di indagine nella struttura dei materiali su distanze atomiche nella definizione, senza precedenti di dettagli su scale temporali del femtosecondo, permettendo lo studio, non solo di strutture atomiche in condizioni di equilibrio stabile quanto di stati della materia velocemente dinamici e di non equilibrio. CXDI e Spettroscopia Strutturale Ultraveloce risolte in tempo sono alcune delle tecniche in cui l’utilizzo della radiazione XFEL apre nuove possibilità di indagine agli stati transienti della materia permettendo la ricostruzione della dinamica di processi chimico –fisici su intervalli temporali finora inaccessibili .

Grafene: proprietà, sintesi e trasferimento con il ciclododecano

Il grafene è un cristallo bidimensionale di atomi di carbonio, isolato per la prima volta nel 2004 da due fisici che per questo risultato vinsero il premio Nobel per la Fisica nel 2010. Il grafene possiede proprietà chimiche e fisiche superiori, quali un’elevata resistenza chimica e meccanica e un’eccellente conducibilità termica ed elettrica. Inoltre possiede altre due caratteristiche che lo rendono particolarmente promettente in diversi ambiti applicativi: leggerezza e trasparenza ottica. In questo elaborato ho descritto le attività svolte seguendo le ricerche che vengono svolte al CNR-IMM di Bologna, dove questo materiale viene prodotto tramite la tecnica di Chemical Vapor Deposition e studiato per l’integrazione in dispositivi elettronici ed elettro-meccanici innovativi. Durante la mia esperienza di laboratorio all’IMM ho seguito i procedimenti che portano al trasferimento del grafene sintetizzato su substrati catalitici di rame sui substrati finali per la successiva integrazione nella tecnologia del silicio. Nell’elaborato vengono da prima descritte la struttura cristallina ed elettronica e successivamente presentate alcune proprietà di cui gode e messe in relazione con i materiali attualmente in uso. Segue una breve trattazione bibliografica di alcune delle principali tecniche di produzione del grafene, trattando più nel dettaglio la tecnica CVD attualmente in uso per la sintesi di grafene all’interno dei laboratori del CNR-IMM di Bologna. La parte principale di questa esperienza di laboratorio è stato di seguire in prima persona le attuali ricerche del gruppo di lavoro per la messa a punto di un metodo alternativo che utilizza il ciclododecano per il trasferimento del grafene sintetizzato su rame al posto del classico strato sacrificale polimerico di PMMA. Nell’elaborato il confronto tra le due tecniche viene eseguito confrontando i risultati del trasferimento analizzando la morfologia dei campioni finali con tecniche di microscopia elettronica in scansione