Hardware and software development of a multichannel readout board named CARLOSrx for the ALICE experiment

ALICE, that is an experiment held at CERN using the LHC, is specialized in analyzing lead-ion collisions. ALICE will study the properties of quarkgluon plasma, a state of matter where quarks and gluons, under conditions of very high temperatures and densities, are no longer confined inside hadrons. Such a state of matter probably existed just after the Big Bang, before particles such as protons and neutrons were formed. The SDD detector, one of the ALICE subdetectors, is part of the ITS that is composed by 6 cylindrical layers with the innermost one attached to the beam pipe. The ITS tracks and identifies particles near the interaction point, it also aligns the tracks of the articles detected by more external detectors. The two ITS middle layers contain the whole 260 SDD detectors. A multichannel readout board, called CARLOSrx, receives at the same time the data coming from 12 SDD detectors. In total there are 24 CARLOSrx boards needed to read data coming from all the SDD modules (detector plus front end electronics). CARLOSrx packs data coming from the front end electronics through optical link connections, it stores them in a large data FIFO and then it sends them to the DAQ system. Each CARLOSrx is composed by two boards. One is called CARLOSrx data, that reads data coming from the SDD detectors and configures the FEE; the other one is called CARLOSrx clock, that sends the clock signal to all the FEE. This thesis contains a description of the hardware design and firmware features of both CARLOSrx data and CARLOSrx clock boards, which deal with all the SDD readout chain. A description of the software tools necessary to test and configure the front end electronics will be presented at the end of the thesis.

Development and characterization of non-oxide ceramic composites for mechanical and tribological applications

The main reasons for the attention focused on ceramics as possible structural materials are their wear resistance and the ability to operate with limited oxidation and ablation at temperatures above 2000°C. Hence, this work is devoted to the study of two classes of materials which can satisfy these requirements: silicon carbide -based ceramics (SiC) for wear applications and borides and carbides of transition metals for ultra-high temperatures applications (UHTCs). SiC-based materials: Silicon carbide is a hard ceramic, which finds applications in many industrial sectors, from heat production, to automotive engineering and metals processing. In view of new fields of uses, SiC-based ceramics were produced with addition of 10-30 vol% of MoSi2, in order to obtain electro conductive ceramics. MoSi2, indeed, is an intermetallic compound which possesses high temperature oxidation resistance, high electrical conductivity (21·10-6 Ω·cm), relatively low density (6.31 g/cm3), high melting point (2030°C) and high stiffness (440 GPa). The SiC-based ceramics were hot pressed at 1900°C with addition of Al2O3-Y2O3 or Y2O3-AlN as sintering additives. The microstructure of the composites and of the reference materials, SiC and MoSi2, were studied by means of conventional analytical techniques, such as X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive spectroscopy (SEM-EDS). The composites showed a homogeneous microstructure, with good dispersion of the secondary phases and low residual porosity. The following thermo-mechanical properties of the SiC-based materials were measured: Vickers hardness (HV), Young’s modulus (E), fracture toughness (KIc) and room to high temperature flexural strength (σ). The mechanical properties of the composites were compared to those of two monolithic SiC and MoSi2 materials and resulted in a higher stiffness, fracture toughness and slightly higher flexural resistance. Tribological tests were also performed in two configurations disco-on-pin and slideron cylinder, aiming at studying the wear behaviour of SiC-MoSi2 composites with Al2O3 as counterfacing materials. The tests pointed out that the addition of MoSi2 was detrimental owing to a lower hardness in comparison with the pure SiC matrix. On the contrary, electrical measurements revealed that the addition of 30 vol% of MoSi2, rendered the composite electroconductive, lowering the electrical resistance of three orders of magnitude. Ultra High Temperature Ceramics: Carbides, borides and nitrides of transition metals (Ti, Zr, Hf, Ta, Nb, Mo) possess very high melting points and interesting engineering properties, such as high hardness (20-25 GPa), high stiffness (400-500 GPa), flexural strengths which remain unaltered from room temperature to 1500°C and excellent corrosion resistance in aggressive environment. All these properties place the UHTCs as potential candidates for the development of manoeuvrable hypersonic flight vehicles with sharp leading edges. To this scope Zr- and Hf- carbide and boride materials were produced with addition of 5-20 vol% of MoSi2. This secondary phase enabled the achievement of full dense composites at temperature lower than 2000°C and without the application of pressure. Besides the conventional microstructure analyses XRD and SEM-EDS, transmission electron microscopy (TEM) was employed to explore the microstructure on a small length scale to disclose the effective densification mechanisms. A thorough literature analysis revealed that neither detailed TEM work nor reports on densification mechanisms are available for this class of materials, which however are essential to optimize the sintering aids utilized and the processing parameters applied. Microstructural analyses, along with thermodynamics and crystallographic considerations, led to disclose of the effective role of MoSi2 during sintering of Zrand Hf- carbides and borides. Among the investigated mechanical properties (HV, E, KIc, σ from room temperature to 1500°C), the high temperature flexural strength was improved due to the protective and sealing effect of a silica-based glassy phase, especially for the borides. Nanoindentation tests were also performed on HfC-MoSi2 composites in order to extract hardness and elastic modulus of the single phases. Finally, arc jet tests on HfC- and HfB2-based composites confirmed the excellent oxidation behaviour of these materials under temperature exceeding 2000°C; no cracking or spallation occurred and the modified layer was only 80-90 μm thick.

Raman-spektroskopische Untersuchungen an Alkali- und Erdalkalisilicatgläsern bei hohen Temperaturen

In der vorliegenden Arbeit wird die Struktur von Alkali- und Erdalkalisilicatglaesern bei hohen Temperaturen (bis 1800 K) mit Hilfe der Raman-Spektroskopie untersucht. Ein wesentlicher Teil der vorliegenden Arbeit besteht in dem Aufbau einer Hochtemperatureinrichtung, die es erlaubt, Raman-Spektren von Silicatglaesern bei sehr hohen Temperaturen zu messen. Mit der Hochtemperatur-Raman-Spektroskopie an Silicatglaesern sind erhebliche experimentelle Schwierigkeiten verbunden: Die thermische Strahlung der Probe überlagert sich mit dem Raman-Spektrum.Die Temperaturbestimmung der Glasprobe, die einen Durchmesser von nur 0,8 mm hat, erfolgt durch den Vergleich der Stokes- und Anti-Stokes-Raman-Intensitaeten einer intensiven Linie einer Referenzprobe. Die Natriumsilicatglaeser werden detailliert untersucht und die Verteilung der Struktureinheiten in den Natriumsilicatglaesern wird zwischen Zimmertemperatur und 900 K bestimmt. Aus der Verteilung der Strukturelemente wird eine Gleichgewichtskonstante K berechnet, welche die Disproportionierungsreaktion zwischen den Struktureinheiten in den Glaesern beschreibt. Der Wert für die Reaktionsenthalpie liegt im untersuchten Konzentrationsbereich zwischen 0 und 28 kJ/mol und haengt systematisch von der Zusammensetzung ab. Die Reaktionsenthalpie nimmt mit zunehmendem Natriumoxid-Gehalt zu.Die quantitative Auswertung der Raman-Spektren der Kaliumsilicatglaeser und der Bariumsilicatglaeser ist auf Grund deren Kristallisation bei hohen Temperaturen mit Problemen behaftet.

Electrothermal characterization and nonlinear modelling of GaN transistors for telecommunication circuit design

This thesis starts showing the main characteristics and application fields of the AlGaN/GaN HEMT technology, focusing on reliability aspects essentially due to the presence of low frequency dispersive phenomena which limit in several ways the microwave performance of this kind of devices. Based on an equivalent voltage approach, a new low frequency device model is presented where the dynamic nonlinearity of the trapping effect is taken into account for the first time allowing considerable improvements in the prediction of very important quantities for the design of power amplifier such as power added efficiency, dissipated power and internal device temperature. An innovative and low-cost measurement setup for the characterization of the device under low-frequency large-amplitude sinusoidal excitation is also presented. This setup allows the identification of the new low frequency model through suitable procedures explained in detail. In this thesis a new non-invasive empirical method for compact electrothermal modeling and thermal resistance extraction is also described. The new contribution of the proposed approach concerns the non linear dependence of the channel temperature on the dissipated power. This is very important for GaN devices since they are capable of operating at relatively high temperatures with high power densities and the dependence of the thermal resistance on the temperature is quite relevant. Finally a novel method for the device thermal simulation is investigated: based on the analytical solution of the tree-dimensional heat equation, a Visual Basic program has been developed to estimate, in real time, the temperature distribution on the hottest surface of planar multilayer structures. The developed solver is particularly useful for peak temperature estimation at the design stage when critical decisions about circuit design and packaging have to be made. It facilitates the layout optimization and reliability improvement, allowing the correct choice of the device geometry and configuration to achieve the best possible thermal performance.

Molekulardynamiksimulationen zur Untersuchung des Mischalkali-Effektes in silikatischen Gläsern

In der vorliegenden Arbeit wird mittels Molekulardynamik(MD)-Computersimulationen die Dynamik von verschiedenen Alkalisilikaten in der Schmelze und im Glas untersucht. Es ist bekannt, daß diese Systeme ionenleitend sind, was auf eine hohe Mobilität der Alkaliionen im Vergleich zu den glasbildenden Komponenten Si und O zurückzuführen ist. Im Mittelpunkt des Interesses steht der sog. Mischalkalieffekt (MAE), der in ternären Mischungen aus Siliziumdioxid mit zwei Alkalioxiden auftritt. Gegenüber Mischungen mit nur einer Alkaliionensorte weisen letztere Systeme eine signifikante Verlangsamung der Alkaliionendiffusion auf. Zunächst werden zwei binäre Alkalisilikate simuliert, nämlich Lithiumdisilikat (LS2) und Kaliumdisilikat (KS2). Die Simulationen zeigen, daß der Ursprung der hohen Mobilität der Alkaliionen in der Struktur begründet ist. KS2 und LS2 weisen auf intermediären Längenskalen Ordnung auf, die in partiellen statischen Strukturfaktoren durch Prepeaks reflektiert ist. Die den Prepeaks zugrundeliegende Struktur erklärt sich durch perkolierende Netzwerke aus alkalioxidreichen Kanälen, die als Diffusionskanäle für die mobilen Alkaliionen fungieren. In diesen Kanälen bewegen sich die Ionen mittels Sprüngen (Hopping) zwischen ausgezeichneten Plätzen. In der Simulation beobachtet man für die hohen Temperaturen (4000K>=1500K) eine ähnliche Aktivierungsenergie wie im Experiment. Im Experiment findet allerdings unterhalb von ca.1200K ein Crossover in ein Arrheniusverhalten mit höherer Aktivierungsenergie statt, welches von der Simulation nicht nachvollzogen wird. Das kann mit der in der Simulation nicht im Gleichgewicht befindlichen Si-O-Matrix erklärt werden, bei der Alterungseffekte beobachtet werden. Am stärksten ist der MAE für eine Alkalikomponente, wenn deren Konzentrationsanteil in einem ternären Mischalkalisystem gegen 0 geht. Daher wird ein LS2-System untersucht, in dem ein Li-Ion gegen ein K-Ion getauscht wird. Der Einfluß des K-Ions ist sowohl lokal in den charakteristischen Abständen zu den ersten nächsten Nachbarn (NN) zu sehen, als auch in der ortsaufgelösten Koordinationszahlverteilung bis zu Längenskalen von ca. 8,5 Angstrom. Die Untersuchung der Dynamik des eingesetzten K-Ions zeigt, daß die Sprungwahrscheinlichkeit nicht mit der Lokalisierung, einem Maß für die Bewegung eines Teilchens um seine Ruheposition, korreliert ist, aber daß eine chemische Umgebung mit wenig Li- und vielen O-NN oder vielen Li- und wenig O-NN ein Sprungereignis begünstigt. Zuletzt wird ein ternäres Alkalisilikat (LKS2) untersucht, dessen Struktur alle charakteristischen Längenskalen von LS2 und KS2 aufweist. Es stellt sich also eine komplexe Struktur mit zwei perkolierenden Subnetzwerken für Alkaliionen ein. Die Untersuchung der Dynamik zeigt eine geringe Wahrscheinlichkeit dafür auf, daß Ionen in ein Subnetzwerk andersnamiger Ionen springen. Auch kann gezeigt werden, daß das Modellpotential den MAE reproduzieren kann, daß also die Diffusionskonstanten in LKS2 bei bis zu einer Größenordnung langsamer sind als in KS2 bzw. LS2. Der beobachtete Effekt stellt sich zudem vom funktionalen Verlauf her so dar, wie er beim MAE erwartet wird. Es wurde auch festgestellt, daß trotz der zeitlichen Verzögerung in den dynamischen Größen die Anzahl der Sprünge pro Zeit nicht geringer ist und daß für niedrige Temperaturen (d.h.im Glas) Sprünge auf den Nachbarplatz mit anschließendem Rücksprung auf die vorherige Position deutlich wahrscheinlicher sind als bei hohen Temperaturen (also in der Schmelze). Die vorliegenden Resultate geben Aufschluß über die Details der Mechanismen mikroskopischer Ionenleitung in binären und ternären Alkalisilikaten sowie dem MAE.

Klassische und ab initio Molekulardynamik-Untersuchungen zu Germaniumdioxidschmelzen

Germaniumdioxid (GeO2) ist ein Glasbildner, der wie das homologe SiO2 ein ungeordnetes tetraedrisches Netzwerk ausbildet. In dieser Arbeit werden mit Hilfe von Molekulardynamik-Computersimulationen die Struktur und Dynamik von GeO2 in Abhängigkeit von der Temperatur untersucht. Dazu werden sowohl Simulationen mit einem klassischen Paarpotentialmodell von Oeffner und Elliott als auch ab initio-Simulationen gemäß der Car-Parrinello-Molekulardynamik (CPMD), bei der elektronische Freiheitsgrade mittels Dichtefunktionaltheorie beschrieben werden, durchgeführt. In der klassischen Simulation werden dazu ein Temperaturen zwischen 6100 K und 2530 K betrachtet. Darüberhinaus ermöglichen Abkühlläufe auf T=300 K das Studium der Struktur des Glases. Zum Vergleich werden CPMD-Simulationen für kleinere Systeme mit 60 bzw. 120 Teilchen bei den Temperaturen 3760 K und 3000 K durchgeführt. In den klassischen Simulationen kann die im Experiment bis 1700 K nachgewiesene, im Vergleich zu SiO2 starke, Temperaturabhängigkeit der Dichte auch bei höheren Temperaturen beobachtet werden. Gute Übereinstimmungen der Simulationen mit experimentellen Daten zeigen sich bei der Untersuchung verschiedener struktureller Größen, wie z.B. Paarkorrelationsfunktionen, Winkelverteilungen, Koordinationszahlen und Strukturfaktoren. Es können leichte strukturelle Abweichungen der CPMD-Simulationen von den klassischen Simulationen aufgezeigt werden: 1. Die Paarabstände in CPMD sind durchweg etwas kleiner. 2. Es zeigt sich, daß die Bindungen in den ab initio-Simulationen weicher sind, was sich auch in einer etwas stärkeren Temperaturabhängigkeit der strukturellen Größen im Vergleich zu den klassischen Simulationen niederschlägt. 3. Für CPMD kann ein vermehrtes Auftreten von Dreierringstrukturen gezeigt werden. 4. In der CPMD werden temperaturabhängige Defektstrukturen in Form von Sauerstoffpaaren beobachtet, die vor allem bei 3760 K, kaum jedoch bei 3000 K auftreten. Alle strukturellen Unterschiede zwischen klassischer und CPMD-Simulation sind eindeutig nicht auf Finite-Size-Effekte aufgrund der kleinen Systemgrößen in den CPMD-Simulationen zurückzuführen, d.h. sie sind tatsächlich methodisch bedingt. Bei der Dynamik von GeO2 wird in den klassischen Simulationen ebenfalls eine gute Übereinstimmung mit experimentellen Daten beobachtet, was ein Vergleich der Diffusionskonstanten mit Viskositätsmessungen bei hohen Temperaturen belegt. Die Diffusionskonstanten zeigen teilweise ein verschiedenes Verhalten zum homologen SiO2. Sie folgen in GeO2 bei Temperaturen unter 3000 K einem Arrheniusgesetz mit einer deutlich niedrigeren Aktivierungsenergie. Darüberhinaus werden die Möglichkeiten der Parametrisierung eines neuen klassischen Paarpotentials mittels der Kräfte entlang der CPMD-Trajektorien untersucht. Es zeigt sich, daß derartige Parametrisierungen sehr stark von den gewählten Startparametern abhängen. Ferner führen sämtliche an die Schmelze parametrisierten Potentiale zu zu hohen Dichten im Vergleich zum Experiment. Zum einen liegt dies sehr wahrscheinlich daran,daß für das System GeO2 Kraftdaten allein nicht ausreichen, um grundlegende strukturelle Größen, wie z.B. Paarkorrelationen und Winkelverteilungen, der CPMD-Simulationen gut reproduzieren zu können. Zum anderen ist wohl die Beschreibung mittels Paarpotentialen nicht ausreichend und es ist erforderlich, Merkörperwechselwirkungen in Betracht zu ziehen.

Point defects in carbon nanostructures studied by in-situ electron microscopy

In the present work, the formation and migration of point defects induced by electron irradiation in carbon nanostructures, including carbon onions, nanotubes and graphene layers, were investigated by in-situ TEM. The mobility of carbon atoms normal to the layers in graphitic nanoparticles, the mobility of carbon interstitials inside SWCNTs, and the migration of foreign atoms in graphene layers or in layers of carbon nanotubes were studied. The diffusion of carbon atoms in carbon onions was investigated by annealing carbon onions and observing the relaxation of the compressed clusters in the temperature range of 1200 – 2000oC. An activation energy of 5.0±0.3 eV was obtained. This rather high activation energy for atom exchange between the layers not only prevents the exchange of carbon atoms between the layers at lower temperature but also explains the high morphological and mechanical stability of graphite nanostructures. The migration of carbon atoms in SWCNTs was investigated quantitatively by cutting SWCNT bundles repeatedly with a focused electron beam at different temperatures. A migration barrier of about 0.25 eV was obtained for the diffusion of carbon atoms inside SWCNTs. This is an experimental confirmation of the high mobility of interstitial atoms inside carbon nanotubes, which corroborates previously developed theoretical models of interstitial diffusivity. Individual Au and Pt atoms in one- or two-layered graphene planes and MWCNTs were monitored in real time at high temperatures by high-resolution TEM. The direct observation of the behavior of Au and Pt atoms in graphenic structures in a temperature range of 600 – 700°C allows us to determine the sites occupied by the metal atoms in the graphene layer and the diffusivities of the metal atoms. It was found that metal atoms were located in single or multiple carbon vacancies, not in off-plane positions, and diffused by site exchange with carbon atoms. Metal atoms showed a tendency to form clusters those were stable for a few seconds. An activation energy of around 2.5 eV was obtained for the in-plane migration of both Au and Pt atoms in graphene (two-dimensional diffusion). The rather high activation energy indicates covalent bonding between metal and carbon atoms. Metal atoms were also observed to diffuse along the open edge of graphene layers (one-dimensional diffusion) with a slightly lower activation energy of about 2.3 eV. It is also found that the diffusion of metal atoms in curved graphenic layers of MWCNTs is slightly faster than in planar graphene.

Effects of Global Warming on Berry Composition of cv. Sangiovese: Biochemical and Molecular Aspects and Agronomical Adaptation Approaches

Wine grape must deal with serious problems due to the unfavorable climatic conditions resulted from global warming. High temperatures result in oxidative damages to grape vines. The excessive elevated temperatures are critical for grapevine productivity and survival and contribute to degradation of grape and wine quality and yield. Elevated temperature can negatively affect anthocyanin accumulation in red grape. Particularly, cv. Sangiovese was identified to be very sensitive to such condition. The quantitative real-time PCR analysis showed that flavonoid biosynthetic genes were slightly repressed by high temperature. Also, the heat stress repressed the expression of the transcription factor “VvMYBA1” that activates the expression of UFGT. Moreover, high temperatures had repressing effects on the activity of the flavonoids biosynthetic enzymes “PAL” and “UFGT”.Anthocyanin accumulation in berry skin is due to the balance between its synthesis and oxidation. In grape cv. Sangiovese, the gene transcription and activity of peroxidases enzyme was elevated by heat stress as a defensive mechanism of ROS-scavenging. Among many isoforms of peroxidases genes, one gene (POD 1) was induced in Sangiovese under thermal stress condition. This gene was isolated and evaluated via the technique of genes transformation from grape to Petunia. Reduction in anthocyanins concentration and higher enzymatic activity of peroxidase was observed in POD 1 transformed Petunia after heat shock compared to untrasformed control. Moreover, in wine producing regions, it is inevitable for the grape growers to adopt some adaptive strategies to alleviate grape damages to abiotic stresses. Therefore, in this thesis, the technique of post veraison trimming was done to improve the coupling of phenolic and sugar ripening in Vitis vinifera L. cultivar Sangiovese. Trimming after veraison showed to be executable to slow down the rate of sugar accumulation in grape (to decrease the alcohol potential in wines) without evolution of the main berry flavonoids compounds.

Produzione di bioetanolo da effluenti del settore lattiero-caseario con Kluyveromyces marxianus

Il siero di latte e la scotta sono effluenti provenienti rispettivamente dal processo di trasformazione del latte in formaggio e ricotta. Il siero di latte contiene minerali, lipidi, lattosio e proteine; la scotta contiene principalmente lattosio. Il siero può essere riutilizzato in diversi modi, come l'estrazione di proteine o per l’alimentazione animale, mentre la scotta è considerata solamente un rifiuto. Inoltre, a causa degli ingenti volumi di siero prodotti nel mondo, vengono a crearsi seri problemi ambientali e di smaltimento. Destinazioni alternative di questi effluenti, come le trasformazioni biotecnologiche, possono essere un modo per raggiungere il duplice obiettivo di migliorare il valore aggiunto dei processi agroindustriali e di ridurre il loro impatto ambientale. In questo lavoro sono state studiate le condizioni migliori per produrre bioetanolo dal lattosio del siero e della scotta. Kluyveromyces marxianus è stato scelto come lievito lattosio-fermentante. Sono state effettuate fermentazioni su scala di laboratorio aerobiche e anaerobiche in batch, fermentazioni semicontinue in fase dispersa e con cellule immobilizzate in alginato di calcio,. Diverse temperature sono state testate per migliorare la produzione di etanolo. Le migliori prestazioni, per entrambe le matrici, sono state raggiunte a basse temperature (28°C). Anche le alte temperature sono compatibili con buone rese di etanolo nelle fermentazioni con siero. Ottimi risultati si sono ottenuti anche con la scotta a 37°C e a 28°C. Le fermentazioni semicontinue in fase dispersa danno le migliori produzioni di etanolo, in particolare con la scotta. Invece, l'uso di cellule di lievito intrappolate in alginato di calcio non ha migliorato i risultati di processo. In conclusione, entrambi gli effluenti possono essere considerati adatti per la produzione di etanolo. Le buone rese ottenute dalla scotta permettono di trasformare questo rifiuto in una risorsa.

Le reologia dei leganti bituminosi stradali: studio delle proprietà meccaniche a seguito di processi di “aging” in laboratorio

Lo studio effettuato pone le sue basi sulla ricerca di materiali stradali che combinino ad elevati standard prestazionali, la riduzione dell’impatto ambientale in fase realizzativa e manutentiva. In particolare il seguente lavoro si occupa dello studio di 7 leganti modificati con polimeri ed additivati con cere. I primi infatti conferiscono alla miscela maggiore elastoplasticità, incrementandone la durabilità e la resistenza a fatica. Nei secondi la presenza del materiale paraffinico contribuisce a ridurre la viscosità del bitume, consentendo un notevole abbassamento della temperatura di produzione e stesa della miscela. Numerosi studi hanno dimostrato che le caratteristiche meccaniche della pavimentazione sono fortemente influenzate dal grado di ossidazione delle componenti organiche del bitume, ovvero dal fenomeno dell’invecchiamento o aging. Pertanto allo studio reologico del bitume, si sono affiancate prove di simulazione dell’ invecchiamento nel breve e lungo termine. In fase di ricerca sperimentale si sono analizzati i leganti modificati ed additivati secondo la teoria della viscoelasticità, simulando le reali condizioni di carico ed invecchiamento alle quali il bitume è sottoposto. Tutte le prove di caratterizzazione reologica avanzata sono state effettuate mediante l’utilizzo del DSR (Dynamic Shear Rheometer - UNI EN 14770 ) in varie configurazioni di prova e l’invecchiamento a breve termine è stato simulato mediante RTFOT (Rolling thin film oven test -UNI EN 12607-1). Si è proposto inoltre una nuova procedura di aging invecchiando il bitume alla temperatura di Twork, ovvero a quel valore della temperatura tale per cui, in fase di messa in opera, si avrà una distribuzione molecolare omogenea del modificante all’interno del bitume.

Fine tuning of on-growing diets for farmed marine fish species as a key tool to sustain the aquaculture development

The aim of this thesis was to investigate some important key factors able to promote the prospected growth of the aquaculture sector. The limited availability of fishmeal and fish oil led the attention of the aquafeed industry to reduce the dependency on marine raw materials in favor of vegetable ingredients. In Chapter 2, we reported the effects of fishmeal replacement by a mixture of plant proteins in turbot (Psetta maxima L.) juveniles. At the end of the trial, it was found that over the 15% plant protein inclusion can cause stress and exert negative effects on growth performance and welfare. Climate change aroused the attention of the aquafeed industry toward the production of specific diets capable to counteract high temperatures. In Chapter 3, we investigated the most suitable dietary lipid level for gilthead seabream (Sparus aurata L.) reared at Mediterranean summer temperature. In this trial, it was highlighted that 18% dietary lipid allows a protein sparing effect, thus making the farming of this species economically and environmentally more sustainable. The introduction of new farmed fish species makes necessary the development of new species-specific diets. In Chapter 4, we assessed growth response and feed utilization of common sole (Solea solea L.) juveniles fed graded dietary lipid levels. At the end of the trial, it was found that increasing dietary lipids over 8% led to a substantial decline in growth performance and feed utilization indices. In Chapter 5, we investigated the suitability of mussel meal as alternative ingredient in diets for common sole juveniles. Mussel meal proved to be a very effective alternative ingredient for enhancing growth performance, feed palatability and feed utilization in sole irrespectively to the tested inclusion levels. This thesis highlighted the importance of formulating more specific diets in order to support the aquaculture growth in a sustainable way.

Laser heating of polymers

Zur Untersuchung von Effekten beim Laserheizen von Polymeren wurde ein Temperaturmessaufbau entwickelt. Das Messprinzip basiert auf der Auswertung der thermischen Emission. Der Messaufbau besteht aus einer hochauflösenden Kamera, ausgestattet mit Bildverstärker, sowie Interferenzfiltern um eine spektrale Auflösung zu gewährleisten und einem gepulster NIR-Heizlaser. Die Pulsdauer des Lasers liegt in der Größenordnung von 10 µs, der Strahldurchmesser durch entsprechende Fokussierung in der Größenordnung von 10 µm. Mittels Fit des Planck‘schen Strahlungsgesetzes an die aufgenommene thermische Emission konnten 2D Temperaturgraphen erhalten werden. Eine Ortsauflösung von 1 µm und eine Zeitauflösung von 1 µs konnten realisiert werden. In Kombination mit Finite-Elemente-Simulationen wurde mit diesem Aufbau die Laserablation verschiedener Polymere untersucht. Dabei hat sich gezeigt, dass bei Polymeren mit einem Glasübergang im Temperaturbereich zwischen Raum- und Zerfallstemperatur, photomechanische Ablation stattfand. Die Ablationsschwelle lag für diese Polymere mehrere 10 K über dem Glasübergang, weit unter der Zerfallstemperatur aus thermogravimetrischen Experimenten mit typischen Heizraten von 10 K/min. Bei hohen Laserenergien und damit verbundenen hohen Temperaturen konnte dagegen thermischer Zerfall beobachtet werden. Ein Übergang des Mechanismus von photomechanischer Ablation zu Ablation durch thermischen Zerfall ergab sich bei Temperaturen deutlich über der Zerfallstemperatur des Polymers aus der Thermogravimetrie. Dies wurde bedingt durch die kurzen Reaktionszeiten des Laserexperiments in der Größenordnung der Pulsdauer und steht im Einklang mit dem Gesetz von Arrhenius. Polymere ohne Glasübergang im Heizbereich zeigten dagegen keine photomechanische Ablation, sondern ausschließlich thermischen Zerfall. Die Ablationsschwelle lag auch hier bei höheren Temperaturen, entsprechend dem Gesetz von Arrhenius. Hohe Temperaturen, mehrere 100 K über der Zerfallstemperatur, ergaben sich darüber hinaus bei hohen Laserenergien. Ein drastisches Überhitzen des Polymers, wie in der Literatur beschrieben, konnte nicht beobachtet werden. Experimentelle Befunde deuten vielmehr darauf hin, dass es sich bei dem heißen Material um thermische Zerfallsprodukte, Polymerfragmente, Monomer und Zerfallsprodukte des Monomers handelte bzw. das Temperaturprofil der Zerfallsreaktion selbst visualisiert wurde.

Development and application of an analytical method for the determination of total atmospheric biogenic non-methane organic carbon

Ein wesentlicher Anteil an organischem Kohlenstoff, der in der Atmosphäre vorhanden ist, wird als leichtflüchtige organische Verbindungen gefunden. Diese werden überwiegend durch die Biosphäre freigesetzt. Solche biogenen Emissionen haben einen großen Einfluss auf die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Atmosphäre, indem sie zur Bildung von bodennahem Ozon und sekundären organischen Aerosolen beitragen. Um die Bildung von bodennahem Ozon und von sekundären organischen Aerosolen besser zu verstehen, ist die technische Fähigkeit zur genauen Messung der Summe dieser flüchtigen organischen Substanzen notwendig. Häufig verwendete Methoden sind nur auf den Nachweis von spezifischen Nicht-Methan-Kohlenwasserstoffverbindungen fokussiert. Die Summe dieser Einzelverbindungen könnte gegebenenfalls aber nur eine Untergrenze an atmosphärischen organischen Kohlenstoffkonzentrationen darstellen, da die verfügbaren Methoden nicht in der Lage sind, alle organischen Verbindungen in der Atmosphäre zu analysieren. Einige Studien sind bekannt, die sich mit der Gesamtkohlenstoffbestimmung von Nicht-Methan-Kohlenwasserstoffverbindung in Luft beschäftigt haben, aber Messungen des gesamten organischen Nicht-Methan-Verbindungsaustauschs zwischen Vegetation und Atmosphäre fehlen. Daher untersuchten wir die Gesamtkohlenstoffbestimmung organische Nicht-Methan-Verbindungen aus biogenen Quellen. Die Bestimmung des organischen Gesamtkohlenstoffs wurde durch Sammeln und Anreichern dieser Verbindungen auf einem festen Adsorptionsmaterial realisiert. Dieser erste Schritt war notwendig, um die stabilen Gase CO, CO2 und CH4 von der organischen Kohlenstofffraktion zu trennen. Die organischen Verbindungen wurden thermisch desorbiert und zu CO2 oxidiert. Das aus der Oxidation entstandene CO2 wurde auf einer weiteren Anreicherungseinheit gesammelt und durch thermische Desorption und anschließende Detektion mit einem Infrarot-Gasanalysator analysiert. Als große Schwierigkeiten identifizierten wir (i) die Abtrennung von CO2 aus der Umgebungsluft von der organischen Kohlenstoffverbindungsfaktion während der Anreicherung sowie (ii) die Widerfindungsraten der verschiedenen Nicht-Methan-Kohlenwasserstoff-verbindungen vom Adsorptionsmaterial, (iii) die Wahl des Katalysators sowie (iiii) auftretende Interferenzen am Detektor des Gesamtkohlenstoffanalysators. Die Wahl eines Pt-Rd Drahts als Katalysator führte zu einem bedeutenden Fortschritt in Bezug auf die korrekte Ermittlung des CO2-Hintergrund-Signals. Dies war notwendig, da CO2 auch in geringen Mengen auf der Adsorptionseinheit während der Anreicherung der leichtflüchtigen organischen Substanzen gesammelt wurde. Katalytische Materialien mit hohen Oberflächen stellten sich als unbrauchbar für diese Anwendung heraus, weil trotz hoher Temperaturen eine CO2-Aufnahme und eine spätere Abgabe durch das Katalysatormaterial beobachtet werden konnte. Die Methode wurde mit verschiedenen leichtflüchtigen organischen Einzelsubstanzen sowie in zwei Pflanzenkammer-Experimenten mit einer Auswahl an VOC-Spezies getestet, die von unterschiedlichen Pflanzen emittiert wurden. Die Pflanzenkammer-messungen wurden durch GC-MS und PTR-MS Messungen begleitet. Außerdem wurden Kalibrationstests mit verschiedenen Einzelsubstanzen aus Permeations-/Diffusionsquellen durchgeführt. Der Gesamtkohlenstoffanalysator konnte den tageszeitlichen Verlauf der Pflanzenemissionen bestätigen. Allerdings konnten Abweichungen für die Mischungsverhältnisse des organischen Gesamtkohlenstoffs von bis zu 50% im Vergleich zu den begleitenden Standardmethoden beobachtet werden.

Development of a microgrid with renewable energy sources and electrochemical storage system integration

Beside the traditional paradigm of "centralized" power generation, a new concept of "distributed" generation is emerging, in which the same user becomes pro-sumer. During this transition, the Energy Storage Systems (ESS) can provide multiple services and features, which are necessary for a higher quality of the electrical system and for the optimization of non-programmable Renewable Energy Source (RES) power plants. A ESS prototype was designed, developed and integrated into a renewable energy production system in order to create a smart microgrid and consequently manage in an efficient and intelligent way the energy flow as a function of the power demand. The produced energy can be introduced into the grid, supplied to the load directly or stored in batteries. The microgrid is composed by a 7 kW wind turbine (WT) and a 17 kW photovoltaic (PV) plant are part of. The load is given by electrical utilities of a cheese factory. The ESS is composed by the following two subsystems, a Battery Energy Storage System (BESS) and a Power Control System (PCS). With the aim of sizing the ESS, a Remote Grid Analyzer (RGA) was designed, realized and connected to the wind turbine, photovoltaic plant and the switchboard. Afterwards, different electrochemical storage technologies were studied, and taking into account the load requirements present in the cheese factory, the most suitable solution was identified in the high temperatures salt Na-NiCl2 battery technology. The data acquisition from all electrical utilities provided a detailed load analysis, indicating the optimal storage size equal to a 30 kW battery system. Moreover a container was designed and realized to locate the BESS and PCS, meeting all the requirements and safety conditions. Furthermore, a smart control system was implemented in order to handle the different applications of the ESS, such as peak shaving or load levelling.

HCl gas gettering of 3d transition metals for crystalline silicon solar cell concepts

In order to reduce the costs of crystalline silicon solar cells, low-cost silicon materials like upgraded metallurgical grade (UMG) silicon are investigated for the application in the photovoltaic (PV) industry. Conventional high-purity silicon is made by cost-intensive methods, based on the so-called Siemens process, which uses the reaction to form chlorosilanes and subsequent several distillation steps before the deposition of high-purity silicon on slim high-purity silicon rods. UMG silicon in contrast is gained from metallurgical silicon by a rather inexpensive physicochemical purification (e.g., acid leaching and/or segregation). However, this type of silicon usually contains much higher concentrations of impurities, especially 3d transition metals like Ti, Fe, and Cu. These metals are extremely detrimental in the electrically active part of silicon solar cells, as they form recombination centers for charge carriers in the silicon band gap. This is why simple purification techniques like gettering, which can be applied between or during solar cell process steps, will play an important role for such low-cost silicon materials. Gettering in general describes a process, whereby impurities are moved to a place or turned into a state, where they are less detrimental to the solar cell. Hydrogen chloride (HCl) gas gettering in particular is a promising simple and cheap gettering technique, which is based on the reaction of HCl gas with transition metals to form volatile metal chloride species at high temperatures.rnThe aim of this thesis was to find the optimum process parameters for HCl gas gettering of 3d transition metals in low-cost silicon to improve the cell efficiency of solar cells for two different cell concepts, the standard wafer cell concept and the epitaxial wafer equivalent (EpiWE) cell concept. Whereas the former is based on a wafer which is the electrically active part of the solar cell, the latter uses an electrically inactive low-cost silicon substrate with an active layer of epitaxially grown silicon on top. Low-cost silicon materials with different impurity grades were used for HCl gas gettering experiments with the variation of process parameters like the temperature, the gettering time, and the HCl gas concentration. Subsequently, the multicrystalline silicon neighboring wafers with and without gettering were compared by element analysis techniques like neutron activation analysis (NAA). It was demonstrated that HCl gas gettering is an effective purification technique for silicon wafers, which is able to reduce some 3d transition metal concentrations by over 90%. Solar cells were processed for both concepts which could demonstrate a significant increase of the solar cell efficiency by HCl gas gettering. The efficiency of EpiWE cells could be increased by HCl gas gettering by approximately 25% relative to cells without gettering. First process simulations were performed based on a simple model for HCl gas gettering processes, which could be used to make qualitative predictions.