Exclusive vector meson production in pp collisions at the COMPASS experiment

Produktionsmechanismen für Teilchenproduktion im mittleren Energiebereich wurden in Proton-Proton Kollisionen innerhalb der COMPASS-Kollaboration mit Hilfe des COMPASS-Spektrometers am SPS Beschleuniger am CERN untersucht. Die verschiedenen Produktionsmechanismen werden mittels Produktion der Vektormesonen omega und phi studiert und können die diffraktive Anregung des Strahlteilchens mit anschliessendem Zerfall der Resonanz, zentrale Produktion und den damit verwandten “Shake-off” Mechanismus enthalten. Die für diese Arbeit verwendeten Daten wurden in den Jahren 2008 und 2009 mit 190 GeV/c-Protonen aufgenommen, die auf ein Flüssigwasserstofftarget trafen. Das Target war von einem Rückstoßprotonendetektor umgeben, der ein integraler Bestandteil des neuentwickelten Hadrontriggersystems ist. Für dieses System wurden außerdem einige neue Detektoren gebaut. Die Leistungsfähigkeit des Rückstoßprotonendetektors und des Triggersystems wird untersucht und Effizienzen extrahiert. Außerdem wird sowohl eine Methode zur Rekonstruktion von Rückstoßprotonen als auch eine Methode zur Kalibration des Rückstoßprotonendetektors entwickelt und beschrieben. Die Produktion von omega-Mesonen wurde in der Reaktion pp -> p omega p, omega -> pi+pi-pi0 und die Produktion von phi-Mesonen in der Reaktion pp -> p phi p, phi -> K+K- bei einem Impulsübertrag zwischen 0.1 (GeV/c)^2 und 1 (GeV/c)^2 gemessen. Das Produktionsverhältnis s(pp -> p phi p)/s(pp -> p omega p) wird als Funktion des longitudinalen Impulsanteils xF bestimmt und mit der Vorhersage durch die Zweigregel verglichen. Es ergibt sich eine signifikante Verletzung der Zweigregel, die abhängig von xF ist. Die Verletzung wird in Verbindung zu resonanten Strukturen im pomega-Massenspektrum diskutiert. Die xF-Abhängigkeit verschwindet, wenn man die Region niedriger pomega- und pphi-Masse entfernt, die solche resonanten Strukturen aufweist. Zusätzlich wird die Spinausrichtung bzw. das Spindichtematrixelement rho00 für omega- und phi-Mesonen untersucht. Die Spinausrichtung wird im Helizitätssystemrnanalysiert, welches für eine Abgrenzung von resonanten, diffraktiven Anregungen geeignet ist. Außerdem wird die Spinausrichtung in einem Referenzsystem mit Bezug auf die Richtung des Impulsübertrags untersucht, mit dessen Hilfe zentrale Prozesse wie zentrale Produktion oder “shake-off” abgegrenzt werden. Auch hier wird eine Abhängigkeit von xF und der invarianten Masse des pomega-Systems beobachtet. Diese Abhängigkeit kann wieder auf die resonanten Strukturen in der Produktion von omega-Mesonen zurückgeführt werden. Die Ergebnisse werden abschließend im Hinblick auf die verschiedenen Produktionsmechanismen diskutiert.

New enhancement strategies for plasmon-enhanced fluorescence biosensors

This thesis investigates metallic nanostructures exhibiting surface plasmon resonance for the amplification of fluorescence signal in sandwich immunoassays. In this approach, an analyte is captured by an antibody immobilized on a plasmonic structure and detected by a subsequently bound fluorophore labeled detection antibody. The highly confined field of surface plasmons originates from collective charge oscillations which are associated with high electromagnetic field enhancements at the metal surface and allow for greatly increased fluorescence signal from the attached fluorophores. This feature allows for improving the signal-to-noise ratio in fluorescence measurements and thus advancing the sensitivity of the sensor platform. In particular, the thesis presents two plasmonic nanostructures that amplify fluorescence signal in devices that rely on epifluorescence geometry, in which the fluorophore absorbs and emits light from the same direction perpendicular to the substrate surface.rnThe first is a crossed relief gold grating that supports propagating surface plasmon polaritons (SPPs) and second, gold nanoparticles embedded in refractive index symmetric environment exhibiting collective localized surface plasmons (cLSPs). Finite-difference time-domain simulations are performed in order to design structures for the optimum amplification of established Cy5 and Alexa Fluor 647 fluorophore labels with the absorption and emission wavelengths in the red region of spectrum. The design takes into account combined effect of surface plasmon-enhanced excitation rate, directional surface plasmon-driven emission and modified quantum yield for characteristic distances in immunoassays. Homebuilt optical instruments are developed for the experimental observation of the surface plasmon mode spectrum, measurements of the angular distribution of surface plasmon-coupled fluorescence light and a setup mimicking commercial fluorescence reading systems in epifluorescence geometry.rnCrossed relief grating structures are prepared by interference lithography and multiple copies are made by UV nanoimprint lithography. The fabricated crossed diffraction gratings were utilized for sandwich immunoassay-based detection of the clinically relevant inflammation marker interleukin 6 (IL-6). The enhancement factor of the crossed grating reached EF=100 when compared to a flat gold substrate. This result is comparable to the highest reported enhancements to date, for fluorophores with relatively high intrinsic quantum yield. The measured enhancement factor excellently agrees with the predictions of the simulations and the mechanisms of the enhancement are explained in detail. Main contributions were the high electric field intensity enhancement (30-fold increase) and the directional fluorescence emission at (4-fold increase) compared to a flat gold substrate.rnCollective localized surface plasmons (cLSPs) hold potential for even stronger fluorescence enhancement of EF=1000, due to higher electric field intensity confinement. cLSPs are established by diffractive coupling of the localized surface plasmon resonance (LSPR) of metallic nanoparticles and result in a narrow resonance. Due to the narrow resonance, it is hard to overlap the cLSPs mode with the absorption and emission bands of the used fluorophore, simultaneously. Therefore, a novel two resonance structure that supports SPP and cLSP modes was proposed. It consists of a 2D array of cylindrical gold nanoparticles above a low refractive index polymer and a silver film. A structure that supports the proposed SPP and cLSP modes was prepared by employing laser interference lithography and the measured mode spectrum was compared to simulation results.rn

A Nonstationary Negative Binomial Time Series with Time-Dependent Covariates: Enterococcus Counts in Boston Harbor

Boston Harbor has had a history of poor water quality, including contamination by enteric pathogens. We conduct a statistical analysis of data collected by the Massachusetts Water Resources Authority (MWRA) between 1996 and 2002 to evaluate the effects of court-mandated improvements in sewage treatment. Motivated by the ineffectiveness of standard Poisson mixture models and their zero-inflated counterparts, we propose a new negative binomial model for time series of Enterococcus counts in Boston Harbor, where nonstationarity and autocorrelation are modeled using a nonparametric smooth function of time in the predictor. Without further restrictions, this function is not identifiable in the presence of time-dependent covariates; consequently we use a basis orthogonal to the space spanned by the covariates and use penalized quasi-likelihood (PQL) for estimation. We conclude that Enterococcus counts were greatly reduced near the Nut Island Treatment Plant (NITP) outfalls following the transfer of wastewaters from NITP to the Deer Island Treatment Plant (DITP) and that the transfer of wastewaters from Boston Harbor to the offshore diffusers in Massachusetts Bay reduced the Enterococcus counts near the DITP outfalls.

Approach to carbon dioxide capture and storage at ambient conditions

Carbon dioxide (CO2) capture and storage experiments were conducted at ambient conditions in varying weight % sodium carbonate (Na2CO3) solutions. Experiments were conducted to determine the optimal amount of Na2CO3 in solution for CO2 absorption. It was concluded that a 2% Na2CO3 solution, by weight, was the most efficient solution. The 2% Na2CO3 solution is able to absorb 0.5 g CO2/g Na2CO3. These results led to studies to determine how the gas bubble size affected carbon dioxide absorption in the solution. Studies were conducted using ASTM porosity gas diffusers to vary the bubble size. Gas diffusers with porosities of fine, medium, and extra coarse were used. Results found that the medium porosity gas diffuser was the most efficient at absorbing CO2 at 50%. Variation in the bubble size concluded that absorption of carbon dioxide into the sodium carbonate solution does depend on the bubble size, thus is mass transfer limited. Once the capture stage was optimized (amount of Na2CO3 in solution and bubble size), the next step was to determine if carbon dioxide could be stored as a calcium carbonate mineral using calcium rich industrial waste and if the sodium carbonate solution could be simultaneously regenerated. Studies of CO2 sequestration at ambient conditions have shown that it is possible to permanently sequester CO2 in the form of calcium carbonate using a calcium rich industrial waste. Studies have also shown that it is possible to regenerate a fraction of the sodium carbonate solution.

The SLC3 and SLC7 families of amino acid transporters

Amino acids are necessary for all living cells and organisms. Specialized transporters mediate the transfer of amino acids across plasma membranes. Malfunction of these proteins can affect whole-body homoeostasis giving raise to diverse human diseases. Here, we review the main features of the SLC3 and SLC7 families of amino acid transporters. The SLC7 family is divided into two subfamilies, the cationic amino acid transporters (CATs), and the L-type amino acid transporters (LATs). The latter are the light or catalytic subunits of the heteromeric amino acid transporters (HATs), which are associated by a disulfide bridge with the heavy subunits 4F2hc or rBAT. These two subunits are glycoproteins and form the SLC3 family. Most CAT subfamily members were functionally characterized and shown to function as facilitated diffusers mediating the entry and efflux of cationic amino acids. In certain cells, CATs play an important role in the delivery of L-arginine for the synthesis of nitric oxide. HATs are mostly exchangers with a broad spectrum of substrates and are crucial in renal and intestinal re-absorption and cell redox balance. Furthermore, the role of the HAT 4F2hc/LAT1 in tumor growth and the application of LAT1 inhibitors and PET tracers for reduction of tumor progression and imaging of tumors are discussed. Finally, we describe the link between specific mutations in HATs and the primary inherited aminoacidurias, cystinuria and lysinuric protein intolerance.

Antenna Simulations and Measurements of Focal Plane Array Facet Reflectors

We present a conceptual prototype model of a focal plane array unit for the STEAMR instrument, highlighting the challenges presented by the required high relative beam proximity of the instrument and focus on how edge-diffraction effects contribute to the array's performance. The analysis was carried out as a comparative process using both PO & PTD and MoM techniques. We first highlight general differences between these computational techniques, with the discussion focusing on diffractive edge effects for near-field imaging reflectors with high truncation. We then present the results of in-depth modeling analyses of the STEAMR focal plane array followed by near-field antenna measurements of a breadboard model of the array. The results of these near-field measurements agree well with both simulation techniques although MoM shows slightly higher complex beam coupling to the measurements than PO & PTD.

Primary optics for efficient high-brightness LED color mixing

In SSL general illumination, there is a clear trend to high flux packages with higher efficiency and higher CRI addressed with the use of multiple color chips and phosphors. However, such light sources require the optics provide color mixing, both in the near-field and far-field. This design problem is specially challenging for collimated luminaries, in which diffusers (which dramatically reduce the brightness) cannot be applied without enlarging the exit aperture too much. In this work we present first injection molded prototypes of a novel primary shell-shaped optics that have microlenses on both sides to provide Köhler integration. This shell is design so when it is placed on top of an inhomogeneous multichip Lambertian LED, creates a highly homogeneous virtual source (i.e, spatially and angularly mixed), also Lambertian, which is located in the same position with only small increment of the size (about 10-20%, so the average brightness is similar to the brightness of the source). This shell-mixer device is very versatile and permits now to use a lens or a reflector secondary optics to collimate the light as desired, without color separation effects. Experimental measurements have shown optical efficiency of the shell of 95%, and highly homogeneous angular intensity distribution of collimated beams, in good agreement with the ray-tracing simulations.

Inhomogeneous source uniformization using a shell mixer Köhler integrator

High flux and high CRI may be achieved by combining different chips and/or phosphors. This, however, results in inhomogeneous sources that, when combined with collimating optics, typically produce patterns with undesired artifacts. These may be a combination of spatial, angular or color non-uniformities. In order to avoid these effects, there is a need to mix the light source, both spatially and angularly. Diffusers can achieve this effect, but they also increase the etendue (and reduce the brightness) of the resulting source, leading to optical systems of increased size and wider emission angles. The shell mixer is an optic comprised of many lenses on a shell covering the source. These lenses perform Kohler integration to mix the emitted light, both spatially and angularly. Placing it on top of a multi-chip Lambertian light source, the result is a highly homogeneous virtual source (i.e, spatially and angularly mixed), also Lambertian, which is located in the same position with essentially the same size (so the average brightness is not increased). This virtual light source can then be collimated using another optic, resulting in a homogeneous pattern without color separation. Experimental measurements have shown optical efficiency of the shell of 94%, and highly homogeneous angular intensity distribution of collimated beams, in good agreement with the ray-tracing simulations.

Hands-on training in Nonimaging Optics for SME's: the SMETHODS experience

A 5-day training in Nonimaging Optics for European SME’s employees was carried out in June 2012 in the framework of the FP7 funded Support Action "SMETHODS". The training combined theoretical introduction and hands-on practice. The experience was very positive, and the lessons learned will improve the next scheduled sessions. Introduction The FP7 funded Support Action "SMETHODS" [1] is an initiative of seven European academic institutions to strengthen Europe's optics and photonics industry, which has started on 1 September 2011. Participation in training sessions is free for participants, who are selected with priority will be given to employees of small and medium sized European enterprises (SMEs). The consortium in SMETHODS is formed by seven partners that are the most prominent academic institutions in optical design in their countries. Through fully integrated collaborative training sessions, the consortium provides professional assistance as well as hands-on training in a variety of design tasks in four domains: (1) imaging optics, (2) nonimaging optics, (3) wave optics, and (4) diffractive optics. For each of this domains domain, 5-day training sessions are scheduled to be hold in different locations throughout Europe, four times in two years, the teach four times in a 2.5 years period.

Estudio y diseño de sistemas para el acondicionamiento acústico

La acústica arquitectónica es la rama de la acústica que se dedica al estudio y control del campo sonoro en espacios destinados a la música y la palabra. Esta ciencia tiene la finalidad de recrear las mejores condiciones de escucha en una sala. Las cualidades acústicas que debe tener un espacio varían en función de diversos factores, como el tipo de señal reproducida, la actividad que se va a desarrollar en la sala o incluso los gustos, preferencias y costumbres del público. El acondicionamiento acústico es el proceso destinado a imprimir ese carácter acústico a la sala por medio de materiales y sistemas con propiedades absorbentes y difusoras. El trabajo está dedicado íntegramente al estudio de sistemas absorbentes y difusores para el acondicionamiento acústico de salas y pretende ser una guía para el diseño creativo de este tipo de sistemas. El trabajo incluye una parte teórica, en la que se desarrollan los conceptos sobre acústica de salas, absorbentes y difusores; y otra práctica, que incluye el diseño de un sistema acústico mixto absorbente-difusor, las correspondientes medidas de absorción y difusión y las simulaciones. Para estas últimas se emplean tanto modelos teóricos como software de predicción del campo sonoro por elementos de contorno (BEM). ABSTRACT. Architectural acoustics is the branch of acoustics that studies the sound field and his control in spaces devoted to music and speech. This science is aimed at reproducing the best listening conditions in a room. The acoustic qualities a enclosure must have vary depending upon several factors, as type of reproduced signal, the kind of activity in the room or even the preferences and customs of audience. Acoustic conditioning is the process that seeks to impress that acoustic character to the room by means of materials and devices with absorbent and diffusion properties. The monograph is entirely aimed at studying absorbent and diffusing devices for acoustic room conditioning and tries to be a guide for creative design of this type of devices. This monograph contains part of theory, which develops the concepts about room acoustics, absorbers and diffusers; and an experimental part, which includes the design of an hybrid absorber-diffuser acoustic device, the corresponding measures of absorption and diffusion and the simulations. For the last are used theoretical models and boundary elements (BEM) software for sound field prediction.

Photon Management Structures for Absorption Enhancement in Intermediate Band Solar Cells and Crystalline Silicon Solar Cells

El objetivo de la tesis es investigar los beneficios que el atrapamiento de la luz mediante fenómenos difractivos puede suponer para las células solares de silicio cristalino y las de banda intermedia. Ambos tipos de células adolecen de una insuficiente absorción de fotones en alguna región del espectro solar. Las células solares de banda intermedia son teóricamente capaces de alcanzar eficiencias mucho mayores que los dispositivos convencionales (con una sola banda energética prohibida), pero los prototipos actuales se resienten de una absorción muy débil de los fotones con energías menores que la banda prohibida. Del mismo modo, las células solares de silicio cristalino absorben débilmente en el infrarrojo cercano debido al carácter indirecto de su banda prohibida. Se ha prestado mucha atención a este problema durante las últimas décadas, de modo que todas las células solares de silicio cristalino comerciales incorporan alguna forma de atrapamiento de luz. Por razones de economía, en la industria se persigue el uso de obleas cada vez más delgadas, con lo que el atrapamiento de la luz adquiere más importancia. Por tanto aumenta el interés en las estructuras difractivas, ya que podrían suponer una mejora sobre el estado del arte. Se comienza desarrollando un método de cálculo con el que simular células solares equipadas con redes de difracción. En este método, la red de difracción se analiza en el ámbito de la óptica física, mediante análisis riguroso con ondas acopladas (rigorous coupled wave analysis), y el sustrato de la célula solar, ópticamente grueso, se analiza en los términos de la óptica geométrica. El método se ha implementado en ordenador y se ha visto que es eficiente y da resultados en buen acuerdo con métodos diferentes descritos por otros autores. Utilizando el formalismo matricial así derivado, se calcula el límite teórico superior para el aumento de la absorción en células solares mediante el uso de redes de difracción. Este límite se compara con el llamado límite lambertiano del atrapamiento de la luz y con el límite absoluto en sustratos gruesos. Se encuentra que las redes biperiódicas (con geometría hexagonal o rectangular) pueden producir un atrapamiento mucho mejor que las redes uniperiódicas. El límite superior depende mucho del periodo de la red. Para periodos grandes, las redes son en teoría capaces de alcanzar el máximo atrapamiento, pero sólo si las eficiencias de difracción tienen una forma peculiar que parece inalcanzable con las herramientas actuales de diseño. Para periodos similares a la longitud de onda de la luz incidente, las redes de difracción pueden proporcionar atrapamiento por debajo del máximo teórico pero por encima del límite Lambertiano, sin imponer requisitos irrealizables a la forma de las eficiencias de difracción y en un margen de longitudes de onda razonablemente amplio. El método de cálculo desarrollado se usa también para diseñar y optimizar redes de difracción para el atrapamiento de la luz en células solares. La red propuesta consiste en un red hexagonal de pozos cilíndricos excavados en la cara posterior del sustrato absorbente de la célula solar. La red se encapsula en una capa dieléctrica y se cubre con un espejo posterior. Se simula esta estructura para una célula solar de silicio y para una de banda intermedia y puntos cuánticos. Numéricamente, se determinan los valores óptimos del periodo de la red y de la profundidad y las dimensiones laterales de los pozos para ambos tipos de células. Los valores se explican utilizando conceptos físicos sencillos, lo que nos permite extraer conclusiones generales que se pueden aplicar a células de otras tecnologías. Las texturas con redes de difracción se fabrican en sustratos de silicio cristalino mediante litografía por nanoimpresión y ataque con iones reactivos. De los cálculos precedentes, se conoce el periodo óptimo de la red que se toma como una constante de diseño. Los sustratos se procesan para obtener estructuras precursoras de células solares sobre las que se realizan medidas ópticas. Las medidas de reflexión en función de la longitud de onda confirman que las redes cuadradas biperiódicas consiguen mejor atrapamiento que las uniperiódicas. Las estructuras fabricadas se simulan con la herramienta de cálculo descrita en los párrafos precedentes y se obtiene un buen acuerdo entre la medida y los resultados de la simulación. Ésta revela que una fracción significativa de los fotones incidentes son absorbidos en el reflector posterior de aluminio, y por tanto desaprovechados, y que este efecto empeora por la rugosidad del espejo. Se desarrolla un método alternativo para crear la capa dieléctrica que consigue que el reflector se deposite sobre una superficie plana, encontrándose que en las muestras preparadas de esta manera la absorción parásita en el espejo es menor. La siguiente tarea descrita en la tesis es el estudio de la absorción de fotones en puntos cuánticos semiconductores. Con la aproximación de masa efectiva, se calculan los niveles de energía de los estados confinados en puntos cuánticos de InAs/GaAs. Se emplea un método de una y de cuatro bandas para el cálculo de la función de onda de electrones y huecos, respectivamente; en el último caso se utiliza un hamiltoniano empírico. La regla de oro de Fermi permite obtener la intensidad de las transiciones ópticas entre los estados confinados. Se investiga el efecto de las dimensiones del punto cuántico en los niveles de energía y la intensidad de las transiciones y se obtiene que, al disminuir la anchura del punto cuántico respecto a su valor en los prototipos actuales, se puede conseguir una transición más intensa entre el nivel intermedio fundamental y la banda de conducción. Tomando como datos de partida los niveles de energía y las intensidades de las transiciones calculados como se ha explicado, se desarrolla un modelo de equilibrio o balance detallado realista para células solares de puntos cuánticos. Con el modelo se calculan las diferentes corrientes debidas a transiciones ópticas entre los numerosos niveles intermedios y las bandas de conducción y de valencia bajo ciertas condiciones. Se distingue de modelos de equilibrio detallado previos, usados para calcular límites de eficiencia, en que se adoptan suposiciones realistas sobre la absorción de fotones para cada transición. Con este modelo se reproducen datos publicados de eficiencias cuánticas experimentales a diferentes temperaturas con un acuerdo muy bueno. Se muestra que el conocido fenómeno del escape térmico de los puntos cuánticos es de naturaleza fotónica; se debe a los fotones térmicos, que inducen transiciones entre los estados excitados que se encuentran escalonados en energía entre el estado intermedio fundamental y la banda de conducción. En el capítulo final, este modelo realista de equilibrio detallado se combina con el método de simulación de redes de difracción para predecir el efecto que tendría incorporar una red de difracción en una célula solar de banda intermedia y puntos cuánticos. Se ha de optimizar cuidadosamente el periodo de la red para equilibrar el aumento de las diferentes transiciones intermedias, que tienen lugar en serie. Debido a que la absorción en los puntos cuánticos es extremadamente débil, se deduce que el atrapamiento de la luz, por sí solo, no es suficiente para conseguir corrientes apreciables a partir de fotones con energía menor que la banda prohibida en las células con puntos cuánticos. Se requiere una combinación del atrapamiento de la luz con un incremento de la densidad de puntos cuánticos. En el límite radiativo y sin atrapamiento de la luz, se necesitaría que el número de puntos cuánticos de una célula solar se multiplicara por 1000 para superar la eficiencia de una célula de referencia con una sola banda prohibida. En cambio, una célula con red de difracción precisaría un incremento del número de puntos en un factor 10 a 100, dependiendo del nivel de la absorción parásita en el reflector posterior. Abstract The purpose of this thesis is to investigate the benefits that diffractive light trapping can offer to quantum dot intermediate band solar cells and crystalline silicon solar cells. Both solar cell technologies suffer from incomplete photon absorption in some part of the solar spectrum. Quantum dot intermediate band solar cells are theoretically capable of achieving much higher efficiencies than conventional single-gap devices. Present prototypes suffer from extremely weak absorption of subbandgap photons in the quantum dots. This problem has received little attention so far, yet it is a serious barrier to the technology approaching its theoretical efficiency limit. Crystalline silicon solar cells absorb weakly in the near infrared due to their indirect bandgap. This problem has received much attention over recent decades, and all commercial crystalline silicon solar cells employ some form of light trapping. With the industry moving toward thinner and thinner wafers, light trapping is becoming of greater importance and diffractive structures may offer an improvement over the state-of-the-art. We begin by constructing a computational method with which to simulate solar cells equipped with diffraction grating textures. The method employs a wave-optical treatment of the diffraction grating, via rigorous coupled wave analysis, with a geometric-optical treatment of the thick solar cell bulk. These are combined using a steady-state matrix formalism. The method has been implemented computationally, and is found to be efficient and to give results in good agreement with alternative methods from other authors. The theoretical upper limit to absorption enhancement in solar cells using diffractions gratings is calculated using the matrix formalism derived in the previous task. This limit is compared to the so-called Lambertian limit for light trapping with isotropic scatterers, and to the absolute upper limit to light trapping in bulk absorbers. It is found that bi-periodic gratings (square or hexagonal geometry) are capable of offering much better light trapping than uni-periodic line gratings. The upper limit depends strongly on the grating period. For large periods, diffraction gratings are theoretically able to offer light trapping at the absolute upper limit, but only if the scattering efficiencies have a particular form, which is deemed to be beyond present design capabilities. For periods similar to the incident wavelength, diffraction gratings can offer light trapping below the absolute limit but above the Lambertian limit without placing unrealistic demands on the exact form of the scattering efficiencies. This is possible for a reasonably broad wavelength range. The computational method is used to design and optimise diffraction gratings for light trapping in solar cells. The proposed diffraction grating consists of a hexagonal lattice of cylindrical wells etched into the rear of the bulk solar cell absorber. This is encapsulated in a dielectric buffer layer, and capped with a rear reflector. Simulations are made of this grating profile applied to a crystalline silicon solar cell and to a quantum dot intermediate band solar cell. The grating period, well depth, and lateral well dimensions are optimised numerically for both solar cell types. This yields the optimum parameters to be used in fabrication of grating equipped solar cells. The optimum parameters are explained using simple physical concepts, allowing us to make more general statements that can be applied to other solar cell technologies. Diffraction grating textures are fabricated on crystalline silicon substrates using nano-imprint lithography and reactive ion etching. The optimum grating period from the previous task has been used as a design parameter. The substrates have been processed into solar cell precursors for optical measurements. Reflection spectroscopy measurements confirm that bi-periodic square gratings offer better absorption enhancement than uni-periodic line gratings. The fabricated structures have been simulated with the previously developed computation tool, with good agreement between measurement and simulation results. The simulations reveal that a significant amount of the incident photons are absorbed parasitically in the rear reflector, and that this is exacerbated by the non-planarity of the rear reflector. An alternative method of depositing the dielectric buffer layer was developed, which leaves a planar surface onto which the reflector is deposited. It was found that samples prepared in this way suffered less from parasitic reflector absorption. The next task described in the thesis is the study of photon absorption in semiconductor quantum dots. The bound-state energy levels of in InAs/GaAs quantum dots is calculated using the effective mass approximation. A one- and four- band method is applied to the calculation of electron and hole wavefunctions respectively, with an empirical Hamiltonian being employed in the latter case. The strength of optical transitions between the bound states is calculated using the Fermi golden rule. The effect of the quantum dot dimensions on the energy levels and transition strengths is investigated. It is found that a strong direct transition between the ground intermediate state and the conduction band can be promoted by decreasing the quantum dot width from its value in present prototypes. This has the added benefit of reducing the ladder of excited states between the ground state and the conduction band, which may help to reduce thermal escape of electrons from quantum dots: an undesirable phenomenon from the point of view of the open circuit voltage of an intermediate band solar cell. A realistic detailed balance model is developed for quantum dot solar cells, which uses as input the energy levels and transition strengths calculated in the previous task. The model calculates the transition currents between the many intermediate levels and the valence and conduction bands under a given set of conditions. It is distinct from previous idealised detailed balance models, which are used to calculate limiting efficiencies, since it makes realistic assumptions about photon absorption by each transition. The model is used to reproduce published experimental quantum efficiency results at different temperatures, with quite good agreement. The much-studied phenomenon of thermal escape from quantum dots is found to be photonic; it is due to thermal photons, which induce transitions between the ladder of excited states between the ground intermediate state and the conduction band. In the final chapter, the realistic detailed balance model is combined with the diffraction grating simulation method to predict the effect of incorporating a diffraction grating into a quantum dot intermediate band solar cell. Careful optimisation of the grating period is made to balance the enhancement given to the different intermediate transitions, which occur in series. Due to the extremely weak absorption in the quantum dots, it is found that light trapping alone is not sufficient to achieve high subbandgap currents in quantum dot solar cells. Instead, a combination of light trapping and increased quantum dot density is required. Within the radiative limit, a quantum dot solar cell with no light trapping requires a 1000 fold increase in the number of quantum dots to supersede the efficiency of a single-gap reference cell. A quantum dot solar cell equipped with a diffraction grating requires between a 10 and 100 fold increase in the number of quantum dots, depending on the level of parasitic absorption in the rear reflector.

Advanced Fresnel Köhler concentrators for photovoltaic applications

La concentración fotovoltaica (CPV) es una de las formas más prometedoras de reducir el coste de la energía proveniente del sol. Esto es posible gracias a células solares de alta eficiencia y a una significativa reducción del tamaño de la misma, que está fabricada con costosos materiales semiconductores. Ambos aspectos están íntimamente ligados ya que las altas eficiencias solamente son posibles con materiales y tecnologías de célula caros, lo que forzosamente conlleva una reducción del tamaño de la célula si se quiere lograr un sistema rentable. La reducción en el tamaño de las células requiere que la luz proveniente del sol ha de ser redirigida (es decir, concentrada) hacia la posición de la célula. Esto se logra colocando un concentrador óptico encima de la célula. Estos concentradores para CPV están formados por diferentes elementos ópticos fabricados en materiales baratos, con el fin de reducir los costes de producción. El marco óptimo para el diseño de concentradores es la óptica anidólica u óptica nonimaging. La óptica nonimaging fue desarrollada por primera vez en la década de los años sesenta y ha ido evolucionando significativamente desde entonces. El objetivo de los diseños nonimaging es la transferencia eficiente de energía entre la fuente y el receptor (sol y célula respectivamente, en el caso de la CPV), sin tener en cuenta la formación de imagen. Los sistemas nonimaging suelen ser simples, están compuestos de un menor número de superficies que los sistemas formadores de imagen y son más tolerantes a errores de fabricación. Esto hace de los sistemas nonimaging una herramienta fundamental, no sólo en el diseño de concentradores fotovoltaicos, sino también en el diseño de otras aplicaciones como iluminación, proyección y comunicaciones inalámbricas ópticas. Los concentradores ópticos nonimaging son adecuados para aplicaciones CPV porque el objetivo no es la reproducción de una imagen exacta del sol (como sería el caso de las ópticas formadoras de imagen), sino simplemente la colección de su energía sobre la célula solar. Los concentradores para CPV pueden presentar muy diferentes arquitecturas y elementos ópticos, dando lugar a una gran variedad de posibles diseños. El primer elemento óptico que es atravesado por la luz del sol se llama Elemento Óptico Primario (POE en su nomenclatura anglosajona) y es el elemento más determinante a la hora de definir la forma y las propiedades del concentrador. El POE puede ser refractivo (lente) o reflexivo (espejo). Esta tesis se centra en los sistemas CPV que presentan lentes de Fresnel como POE, que son lentes refractivas delgadas y de bajo coste de producción que son capaces de concentrar la luz solar. El capítulo 1 expone una breve introducción a la óptica geométrica y no formadora de imagen (nonimaging), explicando sus fundamentos y conceptos básicos. Tras ello, la integración Köhler es presentada en detalle, explicando sus principios, válidos tanto para aplicaciones CPV como para iluminación. Una introducción a los conceptos fundamentales de CPV también ha sido incluida en este capítulo, donde se analizan las propiedades de las células solares multiunión y de los concentradores ópticos empleados en los sistemas CPV. El capítulo se cierra con una descripción de las tecnologías existentes empleadas para la fabricación de elementos ópticos que componen los concentradores. El capítulo 2 se centra principalmente en el diseño y desarrollo de los tres concentradores ópticos avanzados Fresnel Köhler que se presentan en esta tesis: Fresnel-Köhler (FK), Fresnel-Köhler curvo (DFK) y Fresnel-Köhler con cavidad (CFK). Todos ellos llevan a cabo integración Köhler y presentan una lente de Fresnel como su elemento óptico primario. Cada uno de estos concentradores CPV presenta sus propias propiedades y su propio procedimiento de diseño. Además, presentan todas las características que todo concentrador ha de tener: elevado factor de concentración, alta tolerancia de fabricación, alta eficiencia óptica, irradiancia uniforme sobre la superficie de la célula y bajo coste de producción. Los concentradores FK y DFK presentan una configuración de cuatro sectores para lograr la integración Köhler. Esto quiere decir que POE y SOE se dividen en cuatro sectores simétricos cada uno, y cada sector del POE trabaja conjuntamente con su correspondiente sector de SOE. La principal diferencia entre los dos concentradores es que el POE del FK es una lente de Fresnel plana, mientras que una lente curva de Fresnel es empleada como POE del DFK. El concentrador CFK incluye una cavidad de confinamiento externo integrada, que es un elemento óptico capaz de recuperar los rayos reflejados por la superficie de la célula con el fin de ser reabsorbidos por la misma. Por tanto, se aumenta la absorción de la luz, lo que implica un aumento en la eficiencia del módulo. Además, este capítulo también explica un método de diseño alternativo para los elementos faceteados, especialmente adecuado para las lentes curvas como el POE del DFK. El capítulo 3 se centra en la caracterización y medidas experimentales de los concentradores ópticos presentados en el capítulo 2, y describe sus procedimientos. Estos procedimientos son en general aplicables a cualquier concentrador basado en una lente de Fresnel, e incluyen tres tipos principales de medidas experimentales: eficiencia eléctrica, ángulo de aceptancia y uniformidad de la irradiancia en el plano de la célula. Los resultados que se muestran a lo largo de este capítulo validarán a través de medidas a sol real las características avanzadas que presentan los concentradores Köhler, y que se demuestran en el capítulo 2 mediante simulaciones de rayos. Cada concentrador (FK, DFK y CFK) está diseñado y optimizado teniendo en cuenta condiciones de operación realistas. Su rendimiento se modela de forma exhaustiva mediante el trazado de rayos en combinación con modelos distribuidos para la célula. La tolerancia es un asunto crítico de cara al proceso de fabricación, y ha de ser máxima para obtener sistemas de producción en masa rentables. Concentradores con tolerancias limitadas generan bajadas significativas de eficiencia a nivel de array, causadas por el desajuste de corrientes entre los diferentes módulos (principalmente debido a errores de alineación en la fabricación). En este sentido, la sección 3.5 presenta dos métodos matemáticos que estiman estas pérdidas por desajuste a nivel de array mediante un análisis de sus curvas I-V, y por tanto siendo innecesarias las medidas a nivel de mono-módulo. El capítulo 3 también describe la caracterización indoor de los elementos ópticos que componen los concentradores, es decir, de las lentes de Fresnel que actúan como POE y de los secundarios free-form. El objetivo de esta caracterización es el de evaluar los adecuados perfiles de las superficies y las transmisiones ópticas de los diferentes elementos analizados, y así hacer que el rendimiento del módulo sea el esperado. Esta tesis la cierra el capítulo 4, en el que la integración Köhler se presenta como una buena alternativa para obtener distribuciones uniformes en aplicaciones de iluminación de estado sólido (iluminación con LED), siendo particularmente eficaz cuando se requiere adicionalmente una buena mezcla de colores. En este capítulo esto se muestra a través del ejemplo particular de un concentrador DFK, el cual se ha utilizado para aplicaciones CPV en los capítulos anteriores. Otra alternativa para lograr mezclas cromáticas apropiadas está basada en un método ya conocido (deflexiones anómalas), y también se ha utilizado aquí para diseñar una lente TIR aplanética delgada. Esta lente cumple la conservación de étendue, asegurando así que no hay bloqueo ni dilución de luz simultáneamente. Ambos enfoques presentan claras ventajas sobre las técnicas clásicas empleadas en iluminación para obtener distribuciones de iluminación uniforme: difusores y mezcla caleidoscópica mediante guías de luz. ABSTRACT Concentrating Photovoltaics (CPV) is one of the most promising ways of reducing the cost of energy collected from the sun. This is possible thanks to both, very high-efficiency solar cells and a large decrease in the size of cells, which are made of costly semiconductor materials. Both issues are closely linked since high efficiency values are only possible with expensive cell materials and technologies, implying a compulsory area reduction if cost-effectiveness is desired. The reduction in the cell size requires that light coming from the sun must be redirected (i.e. concentrated) towards the cell position. This is achieved by placing an optical concentrator system on top of the cell. These CPV concentrators consist of different optical elements manufactured on cheap materials in order to maintain low production costs. The optimal framework for the design of concentrators is nonimaging optics. Nonimaging optics was first developed in the 60s decade and has been largely developed ever since. The aim of nonimaging devices is the efficient transfer of light power between the source and the receiver (sun and cell respectively in the case of CPV), disregarding image formation. Nonimaging systems are usually simple, comprised of fewer surfaces than imaging systems and are more tolerant to manufacturing errors. This renders nonimaging optics a fundamental tool, not only in the design of photovoltaic concentrators, but also in the design of other applications as illumination, projection and wireless optical communications. Nonimaging optical concentrators are well suited for CPV applications because the goal is not the reproduction of an exact image of the sun (as imaging optics would provide), but simply the collection of its energy on the solar cell. Concentrators for CPV may present very different architectures and optical elements, resulting in a vast variety of possible designs. The first optical element that sunlight goes through is called the Primary Optical Element (POE) and is the most determinant element in order to define the shape and properties of the whole concentrator. The POE can be either refractive (lens) or reflective (mirror). This thesis focuses on CPV systems based on Fresnel lenses as POE, which are thin and inexpensive refractive lenses able to concentrate sunlight. Chapter 1 exposes a short introduction to geometrical and nonimaging optics, explaining their fundamentals and basic concepts. Then, the Köhler integration is presented in detail, explaining its principles, valid for both applications: CPV and illumination. An introduction to CPV fundamental concepts is also included in this chapter, analyzing the properties of multijunction solar cells and optical concentrators employed in CPV systems. The chapter is closed with a description of the existing technologies employed for the manufacture of optical elements composing the concentrator. Chapter 2 is mainly devoted to the design and development of the three advanced Fresnel Köhler optical concentrators presented in this thesis work: Fresnel-Köhler (FK), Dome-shaped Fresnel-Köhler (DFK) and Cavity Fresnel-Köhler (CFK). They all perform Köhler integration and comprise a Fresnel lens as their Primary Optical Element. Each one of these CPV concentrators presents its own characteristics, properties and its own design procedure. Their performances include all the key issues in a concentrator: high concentration factor, large tolerances, high optical efficiency, uniform irradiance on the cell surface and low production cost. The FK and DFK concentrators present a 4-fold configuration in order to perform the Köhler integration. This means that POE and SOE are divided into four symmetric sectors each one, working each POE sector with its corresponding SOE sector by pairs. The main difference between both concentrators is that the POE of the FK is a flat Fresnel lens, while a dome-shaped (curved) Fresnel lens performs as the DFK’s POE. The CFK concentrator includes an integrated external confinement cavity, which is an optical element able to recover rays reflected by the cell surface in order to be re-absorbed by the cell. It increases the light absorption, entailing an increase in the efficiency of the module. Additionally, an alternative design method for faceted elements will also be explained, especially suitable for dome-shaped lenses as the POE of the DFK. Chapter 3 focuses on the characterization and experimental measurements of the optical concentrators presented in Chapter 2, describing their procedures. These procedures are in general applicable to any Fresnel-based concentrator as well and include three main types of experimental measurements: electrical efficiency, acceptance angle and irradiance uniformity at the solar cell plane. The results shown along this chapter will validate through outdoor measurements under real sun operation the advanced characteristics presented by the Köhler concentrators, which are demonstrated in Chapter 2 through raytrace simulation: high optical efficiency, large acceptance angle, insensitivity to manufacturing tolerances and very good irradiance uniformity on the cell surface. Each concentrator (FK, DFK and CFK) is designed and optimized looking at realistic performance characteristics. Their performances are modeled exhaustively using ray tracing combined with cell modeling, taking into account the major relevant factors. The tolerance is a critical issue when coming to the manufacturing process in order to obtain cost-effective mass-production systems. Concentrators with tight tolerances result in significant efficiency drops at array level caused by current mismatch among different modules (mainly due to manufacturing alignment errors). In this sense, Section 3.5 presents two mathematical methods that estimate these mismatch losses for a given array just by analyzing its full-array I-V curve, hence being unnecessary any single mono-module measurement. Chapter 3 also describes the indoor characterization of the optical elements composing the concentrators, i.e. the Fresnel lenses acting as POEs and the free-form SOEs. The aim of this characterization is to assess the proper surface profiles and optical transmissions of the different elements analyzed, so they will allow for the expected module performance. This thesis is closed by Chapter 4, in which Köhler integration is presented as a good approach to obtain uniform distributions in Solid State Lighting applications (i.e. illumination with LEDs), being particularly effective when dealing with color mixing requirements. This chapter shows it through the particular example of a DFK concentrator, which has been used for CPV applications in the previous chapters. An alternative known method for color mixing purposes (anomalous deflections) has also been used to design a thin aplanatic TIR lens. This lens fulfills conservation of étendue, thus ensuring no light blocking and no light dilution at the same time. Both approaches present clear advantages over the classical techniques employed in lighting to obtain uniform illumination distributions: diffusers and kaleidoscopic lightpipe mixing.

La modernidad paradigmática de la arquitectura popular. Orígenes y evolución de su descubrimiento en las publicaciones periódicas de arquitectura en España 1897-1958

La aparición de la arquitectura popular en la escena de la cultura arquitectónica siempre ha estado rodeada de escasa claridad, especialmente si se trata de determinar las circunstancias en que apareció el interés por ella o la primera vez que fue mostrada en alguna publicación. El origen de la estimación de la arquitectura popular como tal se presenta en principio envuelto en una nebulosa, difuminado por la suposición de un siempre anterior conocimiento de ella -por la obviedad de este fenómeno-, y por la escasa atención prestada al tema, a lo que hay que sumar los desconcertantes indicios de que en realidad sólo ha sido apreciada en tiempos más recientes. Este estudio intenta arrojar luz sobre ese momento en que la arquitectura popular es descubierta, reconocida y difundida, y posteriormente estudiada con detenimiento hasta que llega a adquirir el status que le corresponde, en el ámbito del territorio español. La arquitectura popular no aparece en un momento determinado, como cualquier tendencia en la evolución de cierta sensibilidad estética o movimiento. La arquitectura popular siempre ha estado ahí. Lo único que cambia, y que permite que de repente la arquitectura popular sea tenida en cuenta, es la mirada de quien la descubre, la valora, la estudia o la propone como fenómeno digno de la atención y la estimación de los arquitectos. Así pues, la interpretación de la arquitectura popular como una forma más de las distintas que adopta la arquitectura como manifestación técnica y artística, plenamente aceptada dentro la concepción vigente de la época, es la historia de las miradas que se han dirigido a ella, de las distintas sensibilidades que han reparado en ella y de las tendencias arquitectónicas, construidas o teóricas, que han acudido a ella como fuente de inspiración o como modelo de virtudes constructivas o proyectuales. Desde este punto de vista se hace necesario investigar en las diferentes etapas de la modernidad en España, en sus acontecimientos, sus discursos, y sus obras construidas, partiendo de las distintas mentalidades que las sustentaron, para de este modo profundizar en la trayectoria seguida a través del tiempo histórico y del espacio geográfico en que se han desarrollado esas miradas. Para ello se ha realizado un estudio de las publicaciones periódicas de arquitectura españolas como elementos susceptibles de proporcionar la información más fidedigna posible sobre el interés en la difusión, el debate y la reflexión arquitectónica en torno a este fenómeno de la arquitectura popular. Es conocido el inestimable valor de las revistas como transmisoras no sólo de los acontecimientos de actualidad –la arquitectura popular no es uno de ellos- sino de la opinión y la forma de pensar de la intelectualidad del mundo de la ciencia y del arte, de los arquitectos en sus distintas actividades –profesional, docente, teórica, directiva, artística- y de las instituciones y personajes vinculadas al mundo de la arquitectura y la edificación. Es además relevante el hecho de que proporcionan una visión inmejorable de la época en que se publican, con datos importantes de carácter social, cultural, político o económico, que facilitan el encuadre de los acontecimientos estudiados en su contexto histórico y permiten un acercamiento a éstos de una forma más afinada. ABSTRACT Vernacular architecture’s appearance in the architectural culture’s scene has always been involved by certain obscureness, specially if the task is to know the circumstances of its first appealing, or the first time that was published. Original vernacular architecture’s valuation in its own seems to be involved in a vague nebula, blurred by the supposed fact of an always previous and obvious knowledge, and the scarce attention kept over this theme, increased in confusion when considering some last traces showing that only in recent times it has been really appreciated. This work searches for clarity inquiring those moments in which vernacular architecture is discovered, then recognised and issued, and finally broadly studied till reaches the status that has today. This investigation is focused on the spanish context. Vernacular architecture does not come out at a certain moment, as any artistic or stylish trend; it has always been there. The only thing that changes, and suddenly makes vernacular architecture take place in architects’ mind, is the observer’s glance, who discovers it and takes care about it, studying and proposing it as a worthy architectonic phenomenon that deserves architect’s attention. Thus, vernacular architecture’s interpretation, as another one of the several forms of conceiving architecture as a technical and artistic expression, fully accepted in the spirit of its time, is the story of the glances that have focused on it, the story of the varied sensibilities that have felt concerned with it, and the story of theoretical or practical trends that gaze it as an inspiration’s source or a model for functional or designing values. From this point of view is necessary to dive into the different ages of modernity, their events, their programs, and their built architecture, departing from the different attitudes developing in the historic time and the geographic space of Spain. With this purpose it has been realized this study on spanish periodical journalism specialized in architecture, searching for the most reliable information possible, due to their attention to teorethical discussion, critique, and thoughts about the fact of vernacular architecture. Is well known the value of architecture magazines as excellent diffusers, not only of hot news –vernacular architecture is not one of them- , but also of intellectual activity in science and art, of the architects in their different activities –professional, academic, theoretical, executive, artistic- and of outstanding people and Institutions linked with architecture and building. Is also remarkable the fact that they provide an unbeatable vision of the whole world in the moment they appear, bringing at the same time significant information about social, cultural, political or economic nature, that make easier the understanding of the historical context, in a more fitting way.

Estudio y diseño de elementos acústicos para proporcionar una acústica variable en una sala multifuncional

El objetivo de este proyecto es profundizar en el estudio y diseño de sistemas relacionados con el acondicionamiento acústico para una sala multifuncional. El proyecto se compone de dos partes. Una parte teórica y una parte práctica dónde se aplican los conceptos teóricos aprendidos. La primera parte, está dividida en capítulos en los que se habla de los siguientes temas: Acústica de salas. Para obtener una acústica adecuada en un recinto destinado a varias funciones, se debe contar con una serie de características que lo definan según su uso, por lo que es necesario conocer el tiempo de reverberación y otros parámetros subjetivos para poder caracterizar ese recinto. Materiales para el acondicionamiento acústico, donde se habla de los materiales absorbentes clasificándolos según las frecuencias a las que actúan y de los distintos tipos de difusores. Métodos para conseguir una acústica variable mediante la utilización de elementos físicos variables, citando casos reales de salas multifuncionales. La segunda parte, consiste en la realización de diseños de elementos de acústica variable para una posible utilización en salas polivalentes reales. La herramienta elegida a la hora de la elaboración de estos diseños es el AutoCad. Con esta herramienta se han realizado estos diseños representados en dos y tres dimensiones. ABSTRACT. The objective of this project is to deepen the study and design of systems related to multifunctional room acoustic conditioning. The project is composed of two parts. A theoretical part and a practical part where the learned theoretical concepts are applied. The first part is divided into chapters in which we talk about the following topics: Acoustics of rooms. To obtain proper acoustics in a room intended for various functions, you must have a number of characteristics that define it according to its use, so it is necessary to know the reverberation time and other subjective parameters to characterize the hall. Materials for acoustic conditioning, where we talk about the absorbent materials classified according to frequencies that those materials act and the different types of diffusers. Methods for obtain a variable acoustic by using variable physical elements, mentioning real cases of multi-purpose rooms. The second part deals with designs execution of variable acoustic elements for a possible use in a real multipurpose room. The chosen tool to develop these designs is the AutoCad. These designs have been made with this tool, represented in two and three dimensions.

ERNESTO GEISEL E A IMPRENSA DO BRASIL: A propaganda ideológica sobre o quarto Presidente do Regime Militar brasileiro (1964-1985), entre sua eleição e posse

No início da década de 1970 o Brasil viveu um período de grande crescimento econômico e de ampla divulgação das ações governamentais através dos meios de comunicação para tentar legitimar o Regime Militar. O País era governado pelo general-presidente Emílio Garrastazu Médici (1969-1974), cuja gestão ficara conhecida como os anos de chumbo . Em meados de 1973 ele decide que seu sucessor no comando da República seria o general Ernesto Geisel. O objetivo deste trabalho é investigar a campanha de propaganda ideológica feita pelas revistas Manchete e Veja e pelos jornais O Estado de S. Paulo e Folha de S. Paulo para apresentar aos seus leitores o novo Presidente. O trabalho deu-se inicialmente por meio de pesquisas bibliográficas para compreensão daquele período histórico e de analises documentais. Posteriormente realizou-se o estudo das edições selecionadas dos periódicos acima citados para buscar neles evidências dos componentes da propaganda ideológica realizada e para descobrir se eles atuaram ou não como difusores dos interesses oficiais.