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.

Variabilità spaziale dei parametri di modelli afflussi-deflussi

L’invarianza spaziale dei parametri di un modello afflussi-deflussi può rivelarsi una soluzione pratica e valida nel caso si voglia stimare la disponibilità di risorsa idrica di un’area. La simulazione idrologica è infatti uno strumento molto adottato ma presenta alcune criticità legate soprattutto alla necessità di calibrare i parametri del modello. Se si opta per l’applicazione di modelli spazialmente distribuiti, utili perché in grado di rendere conto della variabilità spaziale dei fenomeni che concorrono alla formazione di deflusso, il problema è solitamente legato all’alto numero di parametri in gioco. Assumendo che alcuni di questi siano omogenei nello spazio, dunque presentino lo stesso valore sui diversi bacini, è possibile ridurre il numero complessivo dei parametri che necessitano della calibrazione. Si verifica su base statistica questa assunzione, ricorrendo alla stima dell’incertezza parametrica valutata per mezzo di un algoritmo MCMC. Si nota che le distribuzioni dei parametri risultano in diversa misura compatibili sui bacini considerati. Quando poi l’obiettivo è la stima della disponibilità di risorsa idrica di bacini non strumentati, l’ipotesi di invarianza dei parametri assume ancora più importanza; solitamente infatti si affronta questo problema ricorrendo a lunghe analisi di regionalizzazione dei parametri. In questa sede invece si propone una procedura di cross-calibrazione che viene realizzata adottando le informazioni provenienti dai bacini strumentati più simili al sito di interesse. Si vuole raggiungere cioè un giusto compromesso tra lo svantaggio derivante dall’assumere i parametri del modello costanti sui bacini strumentati e il beneficio legato all’introduzione, passo dopo passo, di nuove e importanti informazioni derivanti dai bacini strumentati coinvolti nell’analisi. I risultati dimostrano l’utilità della metodologia proposta; si vede infatti che, in fase di validazione sul bacino considerato non strumentato, è possibile raggiungere un buona concordanza tra le serie di portata simulate e osservate.

Infrastrutture per la mobilità, interventi di trasformazione territoriale e valorizzazione immobiliare: una proposta metodologica di approccio integrato

In una situazione caratterizzata dalla scarsità delle risorse finanziare a disposizione degli enti locali, che rende necessario il contributo dei privati alla realizzazione delle opere pubbliche, e dalla scarsità delle risorse ambientali, che impone di perseguire la sostenibilità degli interventi, la tesi si pone l’obiettivo di rendere le realizzazioni di nuove infrastrutture viarie “attive” rispetto al contesto in cui si collocano, garantendo l’impegno di tutte parti coinvolte. Si tratta di ottenere il contributo dei privati oltre che per le opere di urbanizzazione primaria, funzionali all’insediamento stesso, anche per la realizzazione di infrastrutture viarie non esclusivamente dedicate a questo, ma che sono necessarie per garantirne la sostenibilità. Tale principio, che viene anche denominato “contributo di sostenibilità”, comincia oggi a trovare un’applicazione nelle pratiche urbanistiche, sconta ancora alcune criticità, in quanto i casi sviluppati si basano spesso su considerazioni che si prestano a contenziosi tra operatori privati e pubblica amministrazione. Ponendosi come obiettivo la definizione di una metodologia di supporto alla negoziazione per la determinazione univoca e oggettiva del contributo da chiedere agli attuatori delle trasformazioni per la realizzazione di nuove infrastrutture viarie, ci si è concentrati sullo sviluppo di un metodo operativo basato sull’adozione dei modelli di simulazione del traffico a 4 stadi. La metodologia proposta è stata verificata attraverso l’applicazione ad un caso di studio, che riguarda la realizzazione di un nuovo asse viario al confine tra i comuni di Castel Maggiore ed Argelato. L’asse, indispensabile per garantire l’accessibilità alle nuove aree di trasformazione che interessano quel quadrante, permette anche di risolvere alcune criticità viabilistiche attualmente presenti. Il tema affrontato quindi è quello della determinazione del contributo che ciascuno degli utilizzatori del nuovo asse dovrà versare al fine di consentirne la realizzazione. In conclusione, si formulano alcune considerazioni sull’utilità della metodologia proposta e sulla sua applicabilità a casi analoghi.

Riconversione degli impianti saccariferi per la valorizzazione della filiera agro-energetica: analisi di impatto sul comprensorio agricolo

Il presente lavoro trae origine dagli obiettivi e dalle relative misure applicative della riforma dell’OCM zucchero del 2006 e nello specifico dal Piano nazionale per la razionalizzazione e riconversione della produzione bieticolo-saccarifera approvato dal MIPAF nel 2007. Lo studio riguarda la riconversione dello zuccherificio di Finale Emilia (MO), di appartenenza del Gruppo bieticolo-saccarifero Co.Pro.B, in un impianto di generazione di energia elettrica e termica che utilizza biomassa di origine agricola per la combustione diretta. L'alimentazione avviene principalmente dalla coltivazione dedicata del sorgo da fibra (Sorghum bicolor), integrata con risorse agro-forestali. Lo studio mostra la necessità di coltivazione di 4.400 ettari di sorgo da fibra con una produzione annua di circa 97.000 t di prodotto al 75% di sostanza secca necessari per l’alimentazione della centrale a biomassa. L’obiettivo é quello di valutare l’impatto della nuova coltura energetica sul comprensorio agricolo e sulla economia dell’impresa agricola. La metodologia adottata si basa sulla simulazione di modelli aziendali di programmazione lineare che prevedono l’inserimento del sorgo da fibra come coltura energetica nel piano ottimo delle aziende considerate. I modelli predisposti sono stati calibrati su aziende RICA al fine di riprodurre riparti medi reali su tre tipologie dimensionali rappresentative: azienda piccola entro i 20 ha, media da 20 a 50 ha e grande oltre i 50 ha. La superficie di entrata a livello aziendale, se rapportata alla rappresentatività delle aziende dell’area di studio, risulta insufficiente per soddisfare la richiesta di approvvigionamento dell’impianto a biomassa. Infatti con tale incremento la superficie di coltivazione nel comprensorio si attesta sui 2.500 ettari circa contro i 4.400 necessari alla centrale. Lo studio mostra pertanto che occorre un incentivo superiore, di circa 80-90 €/ha, per soddisfare la richiesta della superficie colturale a livello di territorio. A questi livelli, la disponibilità della coltura energetica sul comprensorio risulta circa 9.500 ettari.

Systematic investigation of automated plan generation for breast cancer including beam angle and isocenter selection

Il tumore al seno è il più comune tra le donne nel mondo. La radioterapia è comunemente usata dopo la chirurgia per distruggere eventuali cellule maligne rimaste nel volume del seno. Nei trattamenti di radioterapia bisogna cercare di irradiare il volume da curare limitando contemporaneamente la tossicità nei tessuti sani. In clinica i parametri che definiscono il piano di trattamento radioterapeutico sono selezionati manualmente utilizzando un software di simulazione per trattamenti. Questo processo, detto di trial and error, in cui i differenti parametri vengono modificati e il trattamento viene simulato nuovamente e valutato, può richiedere molte iterazioni rendendolo dispendioso in termini di tempo. Lo studio presentato in questa tesi si concentra sulla generazione automatica di piani di trattamento per irradiare l'intero volume del seno utilizzando due fasci approssimativamente opposti e tangenti al paziente. In particolare ci siamo concentrati sulla selezione delle direzioni dei fasci e la posizione dell'isocentro. A questo scopo, è stato investigata l'efficacia di un approccio combinatorio, nel quale sono stati generati un elevato numero di possibili piani di trattamento utilizzando differenti combinazioni delle direzioni dei due fasci. L'intensità del profilo dei fasci viene ottimizzata automaticamente da un algoritmo, chiamato iCycle, sviluppato nel ospedale Erasmus MC di Rotterdam. Inizialmente tra tutti i possibili piani di trattamento generati solo un sottogruppo viene selezionato, avente buone caratteristiche per quel che riguarda l'irraggiamento del volume del seno malato. Dopo di che i piani che mostrano caratteristiche ottimali per la salvaguardia degli organi a rischio (cuore, polmoni e seno controlaterale) vengono considerati. Questi piani di trattamento sono matematicamente equivalenti quindi per selezionare tra questi il piano migliore è stata utilizzata una somma pesata dove i pesi sono stati regolati per ottenere in media piani che abbiano caratteristiche simili ai piani di trattamento approvati in clinica. Questo metodo in confronto al processo manuale oltre a ridurre considerevol-mente il tempo di generazione di un piano di trattamento garantisce anche i piani selezionati abbiano caratteristiche ottimali nel preservare gli organi a rischio. Inizialmente è stato utilizzato l'isocentro scelto in clinica dal tecnico. Nella parte finale dello studio l'importanza dell'isocentro è stata valutata; ne è risultato che almeno per un sottogruppo di pazienti la posizione dell'isocentro può dare un importante contributo alla qualità del piano di trattamento e quindi potrebbe essere un ulteriore parametro da ottimizzare. 

The AMS-02 Experiment and the Dark Matter Search

AMS-02 is running after great scientific goals since one year and a half: a final setting up for dark matter searches has been achieved, allowing to study the so important antiparticle to particle ratios, which will probably be the first dark matter signals ever corroborated. Even if primary cosmic rays fluxes are subjected to a lot of uncertainties sources, some statements can be done and have been written down about dark matter properties: DM should be a heavy Majorana fermion or Spin 0 or 1 boson, with a mass from about 1 TeV to 10 TeV - unveiling a new TeV-ish search age - which could be able to originate antiparticle fluxes enhancements at high energies, both for positrons and antiprotons. All the observations, direct and indirect, point to these new paradigms or can be traced back to them quite easily. These enhancements perfectly fall into the research window of AMS-02, allowing the experiment to attack each today credible theory. Also an investigation of the Sommerfeld effect-associated dark boson will be possible, in terms of antiparticle to particle ratios substructures. The first great AMS-02 measurement is the positron fraction: an official paper is going to be submitted in few months, where the correct behavior of the apparatus will be reviewed and the full positron fraction rate will be analyzed up to 200 GeV. In this concern, one of the objectives of this work is to test the AMS-02 capability and versatility in doing these dark matter researches, thanks to an orbital temporal (and geomagnetic) stability. The goal has been accomplished: the experiment is very stable in time, so that the temporal error associated to the positron fraction measurement is compatible with zero, offering a beyond belief opportunity to measure CR antiparticle to particle ratios.

Study of the forward photons productions in pp collisions at sqrt{s} = 7 TeV with the ZDC detector of the ATLAS experiment

The Zero Degree Calorimeter (ZDC) of the ATLAS experiment at CERN is placed in the TAN of the LHC collider, covering the pseudorapidity region higher than 8.3. It is composed by 2 calorimeters, each one longitudinally segmented in 4 modules, located at 140 m from the IP exactly on the beam axis. The ZDC can detect neutral particles during pp collisions and it is a tool for diffractive physics. Here we present results on the forward photon energy distribution obtained using p-p collision data at sqrt{s} = 7 TeV. First the pi0 reconstruction will be used for the detector calibration with photons, then we will show results on the forward photon energy distribution in p-p collisions and the same distribution, but obtained using MC generators. Finally a comparison between data and MC will be shown.

Measurement of the ZZ production cross section and limits on anomalous neutral triple gauge couplings with ATLAS

The main work of this thesis concerns the measurement of the production cross section using LHC 2011 data collected at a center-of-mass energy equal to 7 TeV by the ATLAS detector and resulting in a total integrated luminosity of 4.6 inverse fb. The ZZ total cross section is finally compared with the NLO prediction calculated with modern Monte Carlo generators. In addition, the three differential distributions (∆φ(l,l), ZpT and M4l) are shown unfolded back to the underlying distributions using a Bayesian iterative algorithm. Finally, the transverse momentum of the leading Z is used to provide limits on anoumalus triple gauge couplings forbidden in the Standard Model.

Measurement of the differential cross section of tt pairs in pp collision at sqrt(s) = 7TeV with the ATLAS detector at the LHC

In this thesis three measurements of top-antitop differential cross section at an energy in the center of mass of 7 TeV will be shown, as a function of the transverse momentum, the mass and the rapidity of the top-antitop system. The analysis has been carried over a data sample of about 5/fb recorded with the ATLAS detector. The events have been selected with a cut based approach in the "one lepton plus jets" channel, where the lepton can be either an electron or a muon. The most relevant backgrounds (multi-jet QCD and W+jets) have been extracted using data driven methods; the others (Z+ jets, diboson and single top) have been simulated with Monte Carlo techniques. The final, background-subtracted, distributions have been corrected, using unfolding methods, for the detector and selection effects. At the end, the results have been compared with the theoretical predictions. The measurements are dominated by the systematic uncertainties and show no relevant deviation from the Standard Model predictions.

Measurement of K(892)*0 resonance production in Pb-Pb collisions with the ALICE experiment at the LHC

The analysis of the K(892)*0 resonance production in Pb–Pb collisions at √sNN = 2.76 TeV with the ALICE detector at the LHC is presented. The analysis is motivated by the interest in the measurement of short-lived resonances production that can provide insights on the properties of the medium produced in heavy-ion collisions both during its partonic (Quark-Gluon Plasma) and hadronic phase. This particular analysis exploits particle identification of the ALICE Time-Of-Flight detector. The ALICE experiment is presented, with focus on the performance of the Time-Of-Flight system. The aspects of calibration and data quality controls are discussed in detail, while illustrating the excellent and very stable performance of the system in different collision environments at the LHC. A full analysis of the K*0 resonance production is presented: from the resonance reconstruction to the determination of the efficiency and the systematic uncertainty. The results show that the analysis strategy discussed is a valid tool to measure the K∗0 up to intermediate momenta. Preliminary results on K*0 resonance production at the LHC are presented and confirmed to be a powerful tool to study the physics of ultra-relativistic heavy-ion collisions.

Sviluppo di un approccio congiunto fuzzy-Bayesiano per l'analisi e la modellizzazione degli ecosistemi: applicazione ad ecosistemi marini costieri.

Nell’attuale contesto di aumento degli impatti antropici e di “Global Climate Change” emerge la necessità di comprenderne i possibili effetti di questi sugli ecosistemi inquadrati come fruitori di servizi e funzioni imprescindibili sui quali si basano intere tessiture economiche e sociali. Lo studio previsionale degli ecosistemi si scontra con l’elevata complessità di questi ultimi in luogo di una altrettanto elevata scarsità di osservazioni integrate. L’approccio modellistico appare il più adatto all’analisi delle dinamiche complesse degli ecosistemi ed alla contestualizzazione complessa di risultati sperimentali ed osservazioni empiriche. L’approccio riduzionista-deterministico solitamente utilizzato nell’implementazione di modelli non si è però sin qui dimostrato in grado di raggiungere i livelli di complessità più elevati all’interno della struttura eco sistemica. La componente che meglio descrive la complessità ecosistemica è quella biotica in virtù dell’elevata dipendenza dalle altre componenti e dalle loro interazioni. In questo lavoro di tesi viene proposto un approccio modellistico stocastico basato sull’utilizzo di un compilatore naive Bayes operante in ambiente fuzzy. L’utilizzo congiunto di logica fuzzy e approccio naive Bayes è utile al processa mento del livello di complessità e conseguentemente incertezza insito negli ecosistemi. I modelli generativi ottenuti, chiamati Fuzzy Bayesian Ecological Model(FBEM) appaiono in grado di modellizare gli stati eco sistemici in funzione dell’ elevato numero di interazioni che entrano in gioco nella determinazione degli stati degli ecosistemi. Modelli FBEM sono stati utilizzati per comprendere il rischio ambientale per habitat intertidale di spiagge sabbiose in caso di eventi di flooding costiero previsti nell’arco di tempo 2010-2100. L’applicazione è stata effettuata all’interno del progetto EU “Theseus” per il quale i modelli FBEM sono stati utilizzati anche per una simulazione a lungo termine e per il calcolo dei tipping point specifici dell’habitat secondo eventi di flooding di diversa intensità.

Physiological and structural aspects of fruit and vegetable mild processing

Over the past years fruit and vegetable industry has become interested in the application of both osmotic dehydration and vacuum impregnation as mild technologies because of their low temperature and energy requirements. Osmotic dehydration is a partial dewatering process by immersion of cellular tissue in hypertonic solution. The diffusion of water from the vegetable tissue to the solution is usually accompanied by the simultaneous solutes counter-diffusion into the tissue. Vacuum impregnation is a unit operation in which porous products are immersed in a solution and subjected to a two-steps pressure change. The first step (vacuum increase) consists of the reduction of the pressure in a solid-liquid system and the gas in the product pores is expanded, partially flowing out. When the atmospheric pressure is restored (second step), the residual gas in the pores compresses and the external liquid flows into the pores. This unit operation allows introducing specific solutes in the tissue, e.g. antioxidants, pH regulators, preservatives, cryoprotectancts. Fruit and vegetable interact dynamically with the environment and the present study attempts to enhance our understanding on the structural, physico-chemical and metabolic changes of plant tissues upon the application of technological processes (osmotic dehydration and vacuum impregnation), by following a multianalytical approach. Macro (low-frequency nuclear magnetic resonance), micro (light microscopy) and ultrastructural (transmission electron microscopy) measurements combined with textural and differential scanning calorimetry analysis allowed evaluating the effects of individual osmotic dehydration or vacuum impregnation processes on (i) the interaction between air and liquid in real plant tissues, (ii) the plant tissue water state and (iii) the cell compartments. Isothermal calorimetry, respiration and photosynthesis determinations led to investigate the metabolic changes upon the application of osmotic dehydration or vacuum impregnation. The proposed multianalytical approach should enable both better designs of processing technologies and estimations of their effects on tissue.

Sviluppo e validazione di metodologie di analisi numerica per flussi cavitanti all'interno di iniettori ad alta pressione

Il continuo sviluppo dei sistemi di iniezione, rispondente ad aumento di performance unito alla riduzione delle emissioni inquinanti, evidenzia sempre più la necessità di studiare i fenomeni cavitanti che si instaurano all’interno degli iniettori. La cavitazione, infatti, se particolarmente intensa e prolungata nel tempo porta all’erosione del materiale con la conseguente rottura dell’organo elettromeccanico. Attraverso un confronto tra le diverse tipologie di fori iniettore, si è messa a punto una metodologia di analisi per prevedere quali siano le zone dell’iniettore a maggior rischio di danneggiamento per erosione da cavitazione e quale sia l’influenza della geometria su queste. Lo studio è stato effettuato con il software commerciale FLUENT, codice di simulazione fluidodinamica di ANSYS.

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.