Studio delle proprieta ottiche ed elettriche di dispositivi led a confinamento quantico

In questa tesi viene descritto il funzionamento delle sorgenti di luce LED (Light Emitting Diode) a confinamento quantico, che rappresentano la nuova frontiera dell'illuminazione ad alta efficienza e durata. Nei capitoli introduttivi è descritta brevemente la storia dei LEDs dalla loro invenzione agli sviluppi più recenti. Il funzionamento di tali dispositivi fotonici è spiegato a partire dal concetto di sorgente di luce per elettroluminescenza, con particolare riferimento alle eterostrutture a confinamento quantico bidimensionale (quantum wells). I capitoli centrali riguardano i nitruri dei gruppi III-V, le cui caratteristiche e proprietà hanno permesso di fabbricare LEDs ad alta efficienza e ampio spettro di emissione, soprattutto in relazione al fatto che i LEDs a nitruri dei gruppi III-V emettono luce anche in presenza di alte densità di difetti estesi, nello specifico dislocazioni. I capitoli successivi sono dedicati alla presentazione del lavoro sperimentale svolto, che riguarda la caratterizzazione elettrica, ottica e strutturale di LEDs a confinamento quantico basati su nitruri del gruppo III-V GaN e InGaN, cresciuti nei laboratori di Cambridge dal Center for Gallium Nitride. Lo studio ha come obiettivo finale il confronto dei risultati ottenuti su LEDs con la medesima struttura epitassiale, ma differente densità di dislocazioni, allo scopo di comprendere meglio il ruolo che tali difetti estesi ricoprono nella determinazione dell'effcienza delle sorgenti di luce LED. L’ultimo capitolo riguarda la diffrazione a raggi X dal punto di vista teorico, con particolare attenzione ai metodi di valutazioni dello strain reticolare nei wafer a nitruri, dal quale dipende la densità di dislocazioni.

New design of polyphenylene dendrimers for full-color light-emitting diodes

Dendritic systems, and in particular polyphenylene dendrimers, have recently attracted considerable attention from the synthetic organic chemistry community, as well as from photophysicists, particularly in view of the search for synthetic model analogies to photoelectric materials to fabricate organic light-emitting diodes (OLEDs), and even more advanced areas of research such as light-harvesting system, energy transfer and non-host device. Geometrically, dendrimers are unique systems that consist of a core, one or more dendrons, and surface groups. The different parts of the macromolecule can be selected to give the desired optoelectronic and processing properties. Compared to small molecular or polymeric light-emitting materials, these dendritic materials can combine the benefits of both previous classes. The high molecular weights of these dendritic macromolecules, as well as the surface groups often attached to the distal ends of the dendrons, can improve the solution processability, and thus can be deposited from solution by simple processes such as spin-coating and ink-jet printing. Moreover, even better than the traditional polymeric light-emitting materials, the well-defined monodisperse distributed dendrimers possess a high purity comparable to that of small molecules, and as such can be fabricated into high performance OLEDs. Most importantly, the emissive chromophores can be located at the core of the dendrimer, within the dendrons, and/or at the surface of the dendrimers because of their unique dendritic architectures. The different parts of the macromolecule can be selected to give the desired optoelectronic and processing properties. Therefore, the main goals of this thesis are the design and synthesis, characterization of novel functional dendrimers, e.g. polytriphenylene dendrimers for blue fluorescent, as well as iridium(III) complex cored polyphenylene dendrimers for green and red phosphorescent light emitting diodes. In additional to the above mentioned advantages of dendrimer based OLEDs, the modular molecular architecture and various functionalized units at different locations in polyphenylene dendrimers open up a tremendous scope for tuning a wide range of properties in addition to color, such as intermolecular interactions, charge mobility, quantum yield, and exciton diffusion. In conclusion, research into dendrimer containing OLEDs combines fundamental aspects of organic semiconductor physics, novel and highly sophisticated organic synthetic chemistry and elaborate device technology.rn

The new Beam Halo Monitor for the CMS experiment at the LHC

In the context of increasing beam energy and luminosity of the LHC accelerator at CERN, it will be important to accurately measure the Machine Induced Background. A new monitoring system will be installed in the CMS cavern for measuring the beam background at high radius. This detector, called the Beam Halo Monitor, will provide an online, bunch-by-bunch measurement of background induced by beam halo interactions, separately for each beam. The detector is composed of synthetic quartz Cherenkov radiators, coupled to fast UV sensitive photomultiplier tubes. The directional and fast response of the system allows the discrimination of the background particles from the dominant flux in the cavern induced by pp collision debris, produced within the 25 ns bunch spacing. The readout electronics of this detector will make use of many components developed for the upgrade of the CMS Hadron Calorimeter electronics, with a dedicated firmware and readout adapted to the beam monitoring requirements. The PMT signal will be digitized by a charge integrating ASIC, providing both the signal rise time and the charge integrated over one bunch crossing. The backend electronics will record bunch-by-bunch histograms, which will be published to CMS and the LHC using the newly designed CMS beam instrumentation specific DAQ. A calibration and monitoring system has been designed to generate triggered pulses of UV light to monitor the efficiency of the system. The experimental results validating the design of the detector, the calibration system and the electronics will be presented.

Independent evolution of the prochlorophyte and green plant chlorophyll a/b light-harvesting proteins

The prochlorophytes are oxygenic prokaryotes differing from other cyanobacteria by the presence of a light-harvesting system containing both chlorophylls (Chls) a and b and by the absence of phycobilins. We demonstrate here that the Chl a/b binding proteins from all three known prochlorophyte genera are closely related to IsiA, a cyanobacterial Chl a-binding protein induced by iron starvation, and to CP43, a constitutively expressed Chl a antenna protein of photosystem II. The prochlorophyte Chl a/b protein (pcb) genes do not belong to the extended gene family encoding eukaryotic Chl a/b and Chl a/c light-harvesting proteins. Although higher plants and prochlorophytes share common pigment complements, their light-harvesting systems have evolved independently.

Differential Control of Xanthophylls and Light-Induced Stress Proteins, as Opposed to Light-Harvesting Chlorophyll a/b Proteins, during Photosynthetic Acclimation of Barley Leaves to Light Irradiance

Barley (Hordeum vulgare L.) plants were grown at different photon flux densities ranging from 100 to 1800 μmol m−2 s−1 in air and/or in atmospheres with reduced levels of O2 and CO2. Low O2 and CO2 partial pressures allowed plants to grow under high photosystem II (PSII) excitation pressure, estimated in vivo by chlorophyll fluorescence measurements, at moderate photon flux densities. The xanthophyll-cycle pigments, the early light-inducible proteins, and their mRNA accumulated with increasing PSII excitation pressure irrespective of the way high excitation pressure was obtained (high-light irradiance or decreased CO2 and O2 availability). These findings indicate that the reduction state of electron transport chain components could be involved in light sensing for the regulation of nuclear-encoded chloroplast gene expression. In contrast, no correlation was found between the reduction state of PSII and various indicators of the PSII light-harvesting system, such as the chlorophyll a-to-b ratio, the abundance of the major pigment-protein complex of PSII (LHCII), the mRNA level of LHCII, the light-saturation curve of O2 evolution, and the induced chlorophyll-fluorescence rise. We conclude that the chlorophyll antenna size of PSII is not governed by the redox state of PSII in higher plants and, consequently, regulation of early light-inducible protein synthesis is different from that of LHCII.

Suplementação luminosa no tomateiro cultivado em diferentes sistemas de condução em ambiente protegido

O auto sombreamento das folhas posicionadas nas porções inferiores do dossel de plantas pode limitar a produtividade em cultivos tutorados. Assim, a produtividade do tomateiro pode ser aumentada por meio da suplementação luminosa posicionada no interior do dossel, técnica conhecida como interlighting. O sistema de condução do tomateiro também interfere na distribuição da radiação solar, além de afetar os tratos culturais, a competição intra e entre plantas e a relação entre as partes vegetativas e reprodutivas. Desta forma, o objetivo deste trabalho foi avaliar a influência do sistema de condução de minitomate cultivar \'Sweet Grape\' em diferentes números de hastes por planta (duas, três e quatro hastes) e da suplementação luminosa com módulos de LED na produtividade e qualidade dos frutos, na eficiência do uso de água e nutrientes, além da morfologia das plantas e fatores relacionados ao manejo cultural, em ambiente protegido nas condições climáticas do sudeste brasileiro. Ao longo do ciclo de cultivo foram avaliados os seguintes parâmetros: volume irrigado, pH, condutividade elétrica, porcentagem e volume da solução drenada pelos vasos. As colheitas foram realizadas semanalmente, a partir de 90 dias após o transplante. Os frutos colhidos foram classificados, contados e pesados para a obtenção do número e massa de frutos grandes, médios, pequenos, comercial, não comercial e total. Amostras de frutos e tecidos foliares foram coletadas em cinco períodos e avaliadas quanto ao teor de sólidos solúveis, pH, acidez titulável e concentração de ácido ascórbico nos frutos e teor de nutrientes nas folhas. Além disso, ao final do ciclo cultural, foram realizadas as medições dos seguintes parâmetros morfológicos nas plantas: comprimento de hastes, número de cachos normais e bifurcados por hastes e diâmetro apical, mediano e basal das hastes. A suplementação luminosa apresentou aumento no número e na massa de frutos grandes e médios, elevando a produtividade total em 12%. Plantas com duas e três hastes apresentaram maior acúmulo de massa total de frutos, porém plantas com três hastes apresentaram maior massa de frutos não comerciais, com redução na massa de frutos comerciais. A maior eficiência no uso de água e nutrientes foi alcançada em plantas cultivadas com duas hastes. Plantas com quatro hastes demandaram mais solução nutritiva comparada às plantas com duas e três hastes. Esta maior demanda de solução, acarretou em aumento da condutividade elétrica da solução drenada. Plantas com quatro hastes apresentaram maiores teores de sólidos solúveis nos frutos. A suplementação luminosa também resultou em aumento do teor de sólidos solúveis e ligeiro aumento no teor de ácido ascórbico nos frutos. A suplementação luminosa favoreceu o acúmulo de nitrogênio, fósforo e potássio nas folhas do tomateiro. Desta forma, conclui-se que a suplementação luminosa é uma estratégia de manejo tecnicamente viável nas condições climática estudada. O sistema de condução de haste afeta a produtividade e qualidade dos frutos do tomateiro. Plantas com duas hastes além de apresentar maior produtividade de frutos comerciais, mostrou-se a estratégia mais eficiente no uso da água e nutrientes.

Expanding Bicycle Access to Transit: Providing Increased Secure Bicycle Parking at Light Rail Stations in the Seattle Area

Thesis (Master's)--University of Washington, 2016-06

A global vision system for a robot soccer team

This paper describes the real time global vision system for the robot soccer team the RoboRoos. It has a highly optimised pipeline that includes thresholding, segmenting, colour normalising, object recognition and perspective and lens correction. It has a fast ‘paint’ colour calibration system that can calibrate in any face of the YUV or HSI cube. It also autonomously selects both an appropriate camera gain and colour gains robot regions across the field to achieve colour uniformity. Camera geometry calibration is performed automatically from selection of keypoints on the field. The system acheives a position accuracy of better than 15mm over a 4m × 5.5m field, and orientation accuracy to within 1°. It processes 614 × 480 pixels at 60Hz on a 2.0GHz Pentium 4 microprocessor.

Advanced Applications of 3D Dosimetry and 3D Printing in Radiation Therapy

As complex radiotherapy techniques become more readily-practiced, comprehensive 3D dosimetry is a growing necessity for advanced quality assurance. However, clinical implementation has been impeded by a wide variety of factors, including the expense of dedicated optical dosimeter readout tools, high operational costs, and the overall difficulty of use. To address these issues, a novel dry-tank optical CT scanner was designed for PRESAGE 3D dosimeter readout, relying on 3D printed components and omitting costly parts from preceding optical scanners. This work details the design, prototyping, and basic commissioning of the Duke Integrated-lens Optical Scanner (DIOS).

The convex scanning geometry was designed in ScanSim, an in-house Monte Carlo optical ray-tracing simulation. ScanSim parameters were used to build a 3D rendering of a convex ‘solid tank’ for optical-CT, which is capable of collimating a point light source into telecentric geometry without significant quantities of refractive-index matched fluid. The model was 3D printed, processed, and converted into a negative mold via rubber casting to produce a transparent polyurethane scanning tank. The DIOS was assembled with the solid tank, a 3W red LED light source, a computer-controlled rotation stage, and a 12-bit CCD camera. Initial optical phantom studies show negligible spatial inaccuracies in 2D projection images and 3D tomographic reconstructions. A PRESAGE 3D dose measurement for a 4-field box treatment plan from Eclipse shows 95% of voxels passing gamma analysis at 3%/3mm criteria. Gamma analysis between tomographic images of the same dosimeter in the DIOS and DLOS systems show 93.1% agreement at 5%/1mm criteria. From this initial study, the DIOS has demonstrated promise as an economically-viable optical-CT scanner. However, further improvements will be necessary to fully develop this system into an accurate and reliable tool for advanced QA.

Pre-clinical animal studies are used as a conventional means of translational research, as a midpoint between in-vitro cell studies and clinical implementation. However, modern small animal radiotherapy platforms are primitive in comparison with conventional linear accelerators. This work also investigates a series of 3D printed tools to expand the treatment capabilities of the X-RAD 225Cx orthovoltage irradiator, and applies them to a feasibility study of hippocampal avoidance in rodent whole-brain radiotherapy.

As an alternative material to lead, a novel 3D-printable tungsten-composite ABS plastic, GMASS, was tested to create precisely-shaped blocks. Film studies show virtually all primary radiation at 225 kVp can be attenuated by GMASS blocks of 0.5cm thickness. A state-of-the-art software, BlockGen, was used to create custom hippocampus-shaped blocks from medical image data, for any possible axial treatment field arrangement. A custom 3D printed bite block was developed to immobilize and position a supine rat for optimal hippocampal conformity. An immobilized rat CT with digitally-inserted blocks was imported into the SmART-Plan Monte-Carlo simulation software to determine the optimal beam arrangement. Protocols with 4 and 7 equally-spaced fields were considered as viable treatment options, featuring improved hippocampal conformity and whole-brain coverage when compared to prior lateral-opposed protocols. Custom rodent-morphic PRESAGE dosimeters were developed to accurately reflect these treatment scenarios, and a 3D dosimetry study was performed to confirm the SmART-Plan simulations. Measured doses indicate significant hippocampal sparing and moderate whole-brain coverage.

Efficient daylighting approach by means of light-shelve device adequate for habitat program in Aarhus City

The concepts of light shelves consist of windows that have face towards the sun, which receive a vast quantity of energy that could be used for healthy day lighting. This paper debates a main assessment, investigates the optimization of daylight requirement by means of light shelves system. An experimental test was carried out assessing the measurements and lighting simulations of a model of a building in order to elucidate the characteristics of indoor lighting. Light shelf is an architectural element that permits daylight to enter deep into a building. It constitutes an optimal solution for an incorrect building orientation and less sunny days. The essential objective of this study is to highlight the vital role of light shelves in residential buildings in northern Europa where the requirement is to improve the daylight in the interior functional spaces. The main objects of this paper are to investigate the effect of daylight in the interior functional spaces using light shelves, the effect of natural light diffusion in interior space in the period of low daylight season, and glare effect in this field. This paper investigates a procedure for analysing the daylight performance using software habitat function

Postharvest light treatments increase skin blush in mango fruit

Skin colour is an important quality parameter that influences mango fruit marketability. The mango industry is interested in controlled induction of skin blush in mangoes. It is desirable to understand the control of anthocyanin accumulation in mango skin. Among environmental factors known to induce anthocyanin accumulation in plants, light is the most studied. Light exposure induces pigmentation in various fruits, including apple, strawberry and grape. The effect of different light qualities on skin blush in mango fruit has received relatively little attention. The objective of this study was to assess anthocyanin accumulation and blush in response to blue, red and far red light from light-emitting diodes (LEDs) as applied to harvested mango fruit skin during storage at 12°C. Except for red light, the other wavelengths induced anthocyanin accumulation and skin blush as compared to the dark control treatment. Anthocyanin concentration and a∗ values were highest in blue light exposed fruit skin. This wavelength enhanced phenylalanine ammonia lyase activity in the mango skin, which may be associated with increased pigmentation. LED light treatment did not affect other fruit quality parameters at 21 days of storage, including firmness, total soluble solids and titratable acidity. Overall, the findings suggest that postharvest treatment with blue light can induce skin blush in mango fruit, which potentially may enhance their commercial value.

Effect of therapeutic dose X rays on mechanical and chemical properties of esthetic dental materials

The aim of this study was to investigate the influence of therapeutic dose X rays on the microhardness (MH) and degree of conversion (DC) of two different esthetic restorative dental materials. The materials were photo-activated with a LED light-curing unit using three cure-times: 5, 20 and 40 seconds. The photo-activation was carried out in two distinct periods: before and after irradiation with doses of 5, 35 and 70 Gy, from a 6 MV X rays beam. In accordance with the methodology used, it was conclude that a therapeutic dose does not have a detrimental effect on the photoinitiator molecules, because the photo-activation occurred after they were irradiated. When the irradiation was applied before photo-activation, the materials showed MH improvement, but when photo-activation was performed after irradiation, there was less improvement. However, there was no correlation between MH and DC. Thus, a therapeutic dose applied to cured material can promote linking and breaking of chain bonds in a non-linear way.

Photodynamic inactivation of four Candida species induced by photogem®

This study evaluated the in vitro susceptibility of C. albicans, C. dubliniensis, C. tropicalis and C. krusei to photodynamic therapy (PDT) induced by Photogem® and light emitting diode (LED). Suspensions of each Candida strain were treated with three photosensitizer (PS) concentrations (10, 25 and 50 mg/L) and exposed to 18.0, 25.5 and 37.5 J/cm² LED light fluences (λ ~ 455 nm). Control suspensions were treated only with PS concentrations, only exposed to the LED light fluences or not exposed to LED light or PS. Sixteen experimental conditions were obtained and each condition was repeated three times. From each sample, serial dilutions were obtained and aliquots were plated on Sabouraud Dextrose Agar. After incubation of plates (37 ºC for 48 hours), colonies were counted (cfu/mL) and the data were statistically analyzed by ANOVA and the Tukey test (α=0.05). Complete killing of C. albicans was observed after 18.0 J/cm² in association with 50 mg/L of PS. C. dubliniensis were inactivated after 18.0 J/cm² using 25 mg/L of PS. The inactivation of C. tropicalis was observed after photosensitization with 25 mg/L and subsequent illumination at 25.5 J/cm². For C. krusei, none of the associations between PS and light resulted in complete killing of this species. PDT proved to be effective for the inactivation of C. albicans, C. dubliniensis and C. tropicalis. In addition, reduction in the viability of C. krusei was achieved with some of the PS and light associations.

Controlo tolerante a falhas de um canal de rega

A presente dissertação pretende conceber e implementar um sistema de controlo tolerante a falhas, no canal experimental de rega da Universidade de Évora, utilizando um modelo implementado em MATLAB/SIMULINK®. Como forma de responder a este desafio, analisaram-se várias técnicas de diagnóstico de falhas, tendo-se optado por técnicas baseadas em redes neuronais para o desenvolvimento de um sistema de detecção e isolamento de falhas no canal de rega, sem ter em conta o tipo de sistema de controlo utilizado. As redes neuronais foram, assim, os processadores não lineares utilizados e mais aconselhados em situações onde exista uma abundância de dados do processo, porque aprendem por exemplos e são suportadas por teorias estatísticas e de optimização, focando não somente o processamento de sinais, como também expandindo os horizontes desse processamento. A ênfase dos modelos das redes neuronais está na sua dinâmica, na sua estabilidade e no seu comportamento. Portanto, o trabalho de investigação do qual resultou esta Dissertação teve como principais objectivos o desenvolvimento de modelos de redes neuronais que representassem da melhor forma a dinâmica do canal de rega, de modo a obter um sistema de detecção de falhas que faça uma comparação entre os valores obtidos nos modelos e no processo. Com esta diferença de valores, da qual resultará um resíduo, é possível desenvolver tanto o sistema de detecção como de isolamento de falhas baseados nas redes neuronais, possibilitando assim o desenvolvimento dum sistema de controlo tolerante a falhas, que engloba os módulos de detecção, de isolamento/diagnóstico e de reconfiguração do canal de rega. Em síntese, na Dissertação realizada desenvolveu-se um sistema que permite reconfigurar o processo em caso de ocorrência de falhas, melhorando significativamente o desempenho do canal de rega.

Fotodetector e dispositivo WDM integrados

Ao longo deste trabalho é apresentada a caracterização optoelectrónica de uma estrutura semicondutora empilhada de fotodíodos PIN (Positive-Intrinsic-Negative), baseados em silício amorfo hidrogenado (a-Si:H - Hydrogenated Amorphous Silicon) e siliceto de carbono amorfo hi-drogenado (a-SiC:H - Hydrogenated Amorphous Silicon Carbide), em que ambos funcionam como filtros ópticos na zona visível do espectro electromagnético e cuja sensibilidade espectral na região do visível é modulada pelo sinal de tensão eléctrico aplicado e pela presença de polarização óptica adicional (radiação de fundo). Pretende-se utilizar a característica de sensor de cor destes dispositivos semicondutores para realizar a demultiplexagem de sinais ópticos e desenvolver um algoritmo que permita fazer o reco-nhecimento autónomo do sinal transmitido em cada canal, tendo em vista a utilização de vários ca-nais para a transmissão de sinais a curta distância. A transmissão destes sinais deverá ser suportada no meio de transmissão fibra óptica, que constituirá uma importante mais-valia na optimização do sistema WDM (Wavelength Division Mul-tiplexing), permitindo optimizar a transmissão de sinais. Pelas suas capacidades intrínsecas, as fi-bras ópticas de plástico (POF - Plastic Optical Fibers) são uma solução adequada para a transmis-são de sinais no domínio visível do espectro electromagnético a curtas distâncias. Foi realizada uma sucinta caracterização optoelectrónica da estrutura semicondutora sob diferentes condições de iluminação, variando o comprimento de onda e a iluminação de fundo que influencia a resposta espectral do dispositivo semicondutor, variando as cores dos fundos inciden-tes, variando o lado incidente do fundo sobre a estrutura semicondutora, variando a intensidade des-ses mesmos fundos incidentes e também variando a frequência do sinal de dados. Para a transmissão dos sinais de dados foram utilizados três dispositivos LED (Light-Emitting Diode) com as cores vermelho (626nm), verde (525nm) e azul (470nm) a emitir os respec-tivos sinais de dados sobre a estrutura semicondutora e onde foram aplicadas diversas configurações de radiação de fundo incidente, variando as cores dos fundos incidentes, variando o lado incidente do fundo sobre a estrutura semicondutora e variando também a intensidade desses mesmos fundos incidentes. Com base nos resultados obtidos ao longo deste trabalho, foi possível aferir sobre a influên-cia da presença da radiação de fundo aplicada ao dispositivo, usando diferentes sequências de dados transmitidos nos vários canais. Sob polarização inversa, e com a aplicação de um fundo incidente no lado frontal da estrutura semicondutora os valores de fotocorrente gerada são amplificados face aos valores no escuro, sendo que os valores mais altos foram encontrados com a aplicação do fundo de cor violeta, contribuindo para tal, o facto do sinal do canal vermelho e canal verde serem bastan-te amplificados com a aplicação deste fundo. Por outro lado, com a aplicação dos fundos incidentes no lado posterior da estrutura semi-condutora, o sinal gerado não é amplificado com nenhuma cor, no entanto, a aplicação do fundo de cor azul proporciona a distinção do sinal proveniente do canal azul e do canal vermelho, sendo que quando está presente um sinal do canal vermelho, o sinal é fortemente atenuado e com a presença do sinal do canal azul o sinal gerado aproxima-se mais do valor de fotocorrente gerada com a estru-tura no escuro. O algoritmo implementado ao longo deste trabalho, permite efectuar o reconhecimento au-tónomo da informação transmitida por cada canal através da leitura do sinal da fotocorrente forne-cida pelo dispositivo quando sujeito a uma radiação de fundo incidente violeta no lado frontal e uma radiação de fundo incidente azul no lado posterior. Este algoritmo para a descodificação dos sinais WDM utiliza uma aplicação gráfica desenvolvida em Matlab que com base em cálculos e compara-ções de sinal permite determinar a sequência de sinal dos três canais ópticos incidentes. O trabalho proposto nesta tese é um módulo que se enquadra no desenvolvimento de um sistema integrado de comunicação óptica a curta distância, que tem sido alvo de estudo e que resulta das conclusões de trabalhos anteriores, em que este dispositivo e outros de configuração idêntica foram analisados, de forma a explorar a sua utilização na implementação da tecnologia WDM den-tro do domínio do espectro visível e utilizando as POF como meio de transmissão.