Advances in hardware and molecular design of polarizing agents for dynamic nuclear polarization

Die Kernmagnetresonanz (NMR) ist eine vielseitige Technik, die auf spin-tragende Kerne angewiesen ist. Seit ihrer Entdeckung ist die Kernmagnetresonanz zu einem unverzichtbaren Werkzeug in unzähligen Anwendungen der Physik, Chemie, Biologie und Medizin geworden. Das größte Problem der NMR ist ihre geringe Sensitivtät auf Grund der sehr kleinen Energieaufspaltung bei Raumtemperatur. Für Protonenspins, die das größte magnetogyrische Verhältnis besitzen, ist der Polarisationsgrad selbst in den größten verfügbaren Magnetfeldern (24 T) nur ~7*10^(-5).rnDurch die geringe inhärente Polarisation ist folglich eine theoretische Sensitivitätssteigerung von mehr als 10^4 möglich. rnIn dieser Arbeit wurden verschiedene technische Aspekte und unterschiedliche Polarisationsagenzien für Dynamic Nuclear Polarization (DNP) untersucht.rnDie technische Entwicklung des mobilen Aufbaus umfasst die Verwendung eines neuen Halbach Magneten, die Konstruktion neuer Probenköpfe und den automatisierten Ablauf der Experimente mittels eines LabVIEW basierten Programms. Desweiteren wurden zwei neue Polarisationsagenzien mit besonderen Merkmalen für den Overhauser und den Tieftemperatur DNP getestet. Zusätzlich konnte die Durchführbarkeit von NMR Experimenten an Heterokernen (19F und 13C) im mobilen Aufbau bei 0,35 T gezeigt werden. Diese Ergebnisse zeigen die Möglichkeiten der Polarisationstechnik DNP auf, wenn Heterokerne mit einem kleinen magnetogyrischen Verhältnis polarisiert werden müssen.rnDie Sensitivitätssteigerung sollte viele neue Anwendungen, speziell in der Medizin, ermöglichen.

Use of shared memory in the context of embedded multi-core processors: exploration of the technology and its limits

Modern embedded systems embrace many-core shared-memory designs. Due to constrained power and area budgets, most of them feature software-managed scratchpad memories instead of data caches to increase the data locality. It is therefore programmers’ responsibility to explicitly manage the memory transfers, and this make programming these platform cumbersome. Moreover, complex modern applications must be adequately parallelized before they can the parallel potential of the platform into actual performance. To support this, programming languages were proposed, which work at a high level of abstraction, and rely on a runtime whose cost hinders performance, especially in embedded systems, where resources and power budget are constrained. This dissertation explores the applicability of the shared-memory paradigm on modern many-core systems, focusing on the ease-of-programming. It focuses on OpenMP, the de-facto standard for shared memory programming. In a first part, the cost of algorithms for synchronization and data partitioning are analyzed, and they are adapted to modern embedded many-cores. Then, the original design of an OpenMP runtime library is presented, which supports complex forms of parallelism such as multi-level and irregular parallelism. In the second part of the thesis, the focus is on heterogeneous systems, where hardware accelerators are coupled to (many-)cores to implement key functional kernels with orders-of-magnitude of speedup and energy efficiency compared to the “pure software” version. However, three main issues rise, namely i) platform design complexity, ii) architectural scalability and iii) programmability. To tackle them, a template for a generic hardware processing unit (HWPU) is proposed, which share the memory banks with cores, and the template for a scalable architecture is shown, which integrates them through the shared-memory system. Then, a full software stack and toolchain are developed to support platform design and to let programmers exploiting the accelerators of the platform. The OpenMP frontend is extended to interact with it.

Turbulence models in the atmospheric boundary layer under convective conditions

In this work a modelization of the turbulence in the atmospheric boundary layer, under convective condition, is made. For this aim, the equations that describe the atmospheric motion are expressed through Reynolds averages and, then, they need closures. This work consists in modifying the TKE-l closure used in the BOLAM (Bologna Limited Area Model) forecast model. In particular, the single column model extracted from BOLAM is used, which is modified to obtain other three different closure schemes: a non-local term is added to the flux- gradient relations used to close the second order moments present in the evolution equation of the turbulent kinetic energy, so that the flux-gradient relations become more suitable for simulating an unstable boundary layer. Furthermore, a comparison among the results obtained from the single column model, the ones obtained from the three new schemes and the observations provided by the known case in literature ”GABLS2” is made.

Airborne in situ measurements of ice particles in the tropical tropopause layer

Ice clouds have a strong effect on the Earth-atmosphere radiative energy balance, on the distribution of condensable gases in the atmosphere, as well as on the chemical composition of the air. The ice particles in these clouds can take on a variety of shapes which makes the description of the cloud microphysical properties more difficult. In the tropical upper troposphere/lower stratosphere (UTLS), a region where ice cloud abundance is relatively high, different types of ice clouds can be observed. However, in situ measurements are rare due to the high altitude of these clouds and the few available research aircraft, only three worldwide, that can fly at such altitudes.rnThis work focuses on in situ measurements of the tropical UTLS clouds performedrnwith a Cloud Imaging Probe (CIP) and a Forward Scattering Spectrometer Probern(FSSP-100), whereof the CIP is the key instrument of this thesis. The CIP is anrnairborne in situ instrument that obtains two-dimensional shadow images of cloud particles. Several cloud microphysical parameters can be derived from these measurements, e.g. number concentrations and size distributions. In order to obtain a high quality data set, a careful image analysis and several corrections need to be applied to the CIP observations. These methods are described in detail.rnMeasurements within the tropical UTLS have been performed during two campaigns:rnSCOUT-O3, 2005 in Northern Australia and SCOUT-AMMA, 2006 inWest Africa. Thernobtained data set includes first observations of subvisible cirrus clouds over a continental area and observations of the anvils of deep convective clouds. The latter can be further divided into clouds in mesoscale convective system outflows of different ages and clouds in overshooting cloud turrets that even penetrated the stratosphere. The microphysical properties of these three cloud types are discussed in detail. Furthermore, the vertical structure of the ice clouds in the UTLS is investigated. The values of the microphysical parameters were found to decrease with increasing altitude in the upper troposphere. Particle numbers and maximum sizes were also decreasing with increasing age of the outflow clouds. Further differences between the deep convective clouds and subvisible cirrus were found in the particle morphology as well as in the ratio of the observed aerosol particles to cloud particles which indicates that the different freezing processes (deposition, contact, immersion freezing) play different roles in the formation of the respective clouds. For the achievementrnof a better microphysical characterisation and description numerical fits have been adjusted onto the cloud particle size distributions of the subvisible cirrus as well as on the size distributions of the clouds at different altitudes in the UTLS.

Application of a hybrid blocking layer in dye-sensitized solar cells

In dye-sensitized solar cells a blocking layer between the transparent electrode and the mesoporous titanium dioxide film is used to prevent short-circuits between the hole-conductor and the front electrode. The conventional approach is to use a compact layer of titanium dioxide prepared by spin coating or spray pyrolysis. The thickness of the blocking layer is critical. On one hand, the layer has to be thick enough to cover the rough substrate completely. On the other hand, the serial resistance increases with increasing film thickness, because the layer acts as an ohmic resistance itself. In this thesis an amphiphilic diblock copolymer is used as a functional template to produce an alternative, hybrid blocking layer. The hybrid blocking layer is thinner than the conventional, compact titanium dioxide film and thereby possesses a higher conductivity. Still, this type of blocking layer covers the rough electrode material completely and avoids current loss through charge recombination. The novel blocking layer is prepared using a tailored, amphiphilic block copolymer in combination with sol-gel chemistry. While the hydrophilic poly(ethylene oxide) part of the polymer coordinates a titanium dioxide precursor to form a percolating network of titania particles, the hydrophobic poly(dimethylsiloxane) part turns into an insulating ceramic layer. With this technique, crack-free films with a thickness down to 24 nm are obtained. The presence of a conductive titanium dioxide network for current flow, which is embedded in an insulating ceramic material, is validated by conductive scanning force microscopy. This is the first time that such a hybrid blocking layer is implemented in a solar cell. With this approach the efficiency could be increased up to 27 % compared to the conventional blocking layer. Thus, it is demonstrated that the hybrid blocking layer represents a competitive alternative to the classical approach.

Many-Core Architectures: Hardware-Software Optimization and Modeling Techniques

During the last few decades an unprecedented technological growth has been at the center of the embedded systems design paramount, with Moore’s Law being the leading factor of this trend. Today in fact an ever increasing number of cores can be integrated on the same die, marking the transition from state-of-the-art multi-core chips to the new many-core design paradigm. Despite the extraordinarily high computing power, the complexity of many-core chips opens the door to several challenges. As a result of the increased silicon density of modern Systems-on-a-Chip (SoC), the design space exploration needed to find the best design has exploded and hardware designers are in fact facing the problem of a huge design space. Virtual Platforms have always been used to enable hardware-software co-design, but today they are facing with the huge complexity of both hardware and software systems. In this thesis two different research works on Virtual Platforms are presented: the first one is intended for the hardware developer, to easily allow complex cycle accurate simulations of many-core SoCs. The second work exploits the parallel computing power of off-the-shelf General Purpose Graphics Processing Units (GPGPUs), with the goal of an increased simulation speed. The term Virtualization can be used in the context of many-core systems not only to refer to the aforementioned hardware emulation tools (Virtual Platforms), but also for two other main purposes: 1) to help the programmer to achieve the maximum possible performance of an application, by hiding the complexity of the underlying hardware. 2) to efficiently exploit the high parallel hardware of many-core chips in environments with multiple active Virtual Machines. This thesis is focused on virtualization techniques with the goal to mitigate, and overtake when possible, some of the challenges introduced by the many-core design paradigm.

The thickness of the gaseous layer in disk galaxies

il profilo verticale del gas dipende sia dal potenziale galattico, e quindi dalla distribuzione di materia, sia dalla dispersione di velocit`a del gas La nostra analisi teorica ha mostrato che l’altezza scala dell’idrogeno gassoso ad un certo raggio `e fortemente legata alla componente di massa dominate: nelle parti centrali, dove domina la materia barionica, il disco gassoso incrementa il suo spessore esponenzialmente con una lunghezza scala pari al doppio di quella del disco stellare; dalle zone intermedie fino alla fine del disco, il profilo verticale del gas `e influenzato dalla distribuzione di DM. In queste zone lo spessore del disco gassoso cresce con il raggio in maniera circa lineare. Tale fenomeno viene definito gas flaring. Lo scopo principale di questa tesi `e la ricerca di una nuova tecnica per poter stimare il profilo vertical del gas in galassie con inclinazione intermedia.

OpenMP task scheduling strategies to mitigate hardware variability in tightly-coupled shared memory clusters

In questa tesi sono stati apportati due importanti contributi nel campo degli acceleratori embedded many-core. Abbiamo implementato un runtime OpenMP ottimizzato per la gestione del tasking model per sistemi a processori strettamente accoppiati in cluster e poi interconnessi attraverso una network on chip. Ci siamo focalizzati sulla loro scalabilità e sul supporto di task di granularità fine, come è tipico nelle applicazioni embedded. Il secondo contributo di questa tesi è stata proporre una estensione del runtime di OpenMP che cerca di prevedere la manifestazione di errori dati da fenomeni di variability tramite una schedulazione efficiente del carico di lavoro.

Realizzazione di un sistema di automazione domotica con tecnologia open-hardware

Il termine Domotica deriva dall’unione dei termini domus e robotics e spazia oltre alle competenze in ambito informatico ed elettronico, avvalendosi dell’architettura e di determinati campi dell’ingegneria come: energetica, edile, dell’ automazione, elettrotecnica, delle telecomunicazioni. La Domotica agevola gli aspetti della quotidianità all’interno dell’ambiente casalingo o, più in generale, di ambienti antropizzati. Questa tesi ha l’intento di spiegare come può essere realizzato un sistema domotizzato casalingo utilizzando dispositivi open-hardware. Inizialmente verranno messi in chiaro i concetti chiave generici di un sistema domotico e verranno discussi i prodotti attualmente in commercio e verrà fatta una piccola introduzione sul concetto di open-hardware. Successivamente verrà discusso il sistema realizzato dandone una panoramica, si esaminerà la strutturazione sia software che hardware e le tecnologie ed i dispositivi utilizzati, per poi enucleare casi d’uso. A seguire le conclusioni.

Scheda di controllo JTAG per l'elettronica di readout del pixel detector dell'esperimento ATLAS

Il sistema di acquisizione dati del nuovo layer IBL di ATLAS conta attualmente 15 schede ROD attive sull’esperimento. In ognuna di queste schede sono presenti due catene JTAG per la programmazione e il test. La prima catena è facilmente accessibile da remoto tramite uno standard VME o Ethernet, mentre la seconda è accessibile solo tramite un programmatore JTAG. Accedere alla catena secondaria di tutte 15 le ROD è in primo luogo sconveniente poiché sarebbero necessari 15 programmatori diversi; in secondo luogo potrebbe risultare difficoltoso doverli gestire tutti da un unico computer. Nasce così l’esigenza di sviluppare un’elettronica aggiuntiva con funzione di controllo che riesca, tramite un unico programmatore, a distribuire un segnale JTAG in ingresso a 15 uscite selezionabili in maniera esclusiva. In questa tesi vengono illustrati i vari passaggi che hanno portato alla realizzazione del progetto ponendo attenzione alla scelta, al funzionamento e all’eventuale programmazione dei componenti elettronici che lo costituiscono. Per ogni parte è stato realizzato un ambiente hardware di prototipazione che ne ha garantito il test delle funzionalità. La scheda, basata su un microcontrollore ATmega 328-P, è attualmente in fase di completamento nel laboratorio di progettazione elettronica dell’INFN di Bologna. Il prototipo studiato e realizzato tramite il lavoro di questa tesi verrà anche utilizzato in ambiente CERN una volta che ne sarà convalidata l’affidabilità e potrà anche essere facilmente adattato a tutti gli esperimenti che usano un protocollo JTAG per la programmazione di dispositivi remoti.

Un approccio cross-layer all'affidabilita guidata dalle applicazioni

Il lavoro descrive la progettazione, implementazione e test sperimentale di un meccanismo, integrato nel kernel linux 4.0, dedicato al riconoscimento delle perdite dei frame Wi-Fi.

Firmware development and testing for L1/L2 IBL upgrade

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

The wind profile in the atmospheric stable boundary layer over complex terrain and heterogeneous surfaces: limitations of local similarity theory

L'indagine ha riguardato il profilo del vento nei primi 30 metri dello strato limite atmosferico stabile nell'ambito della teoria di similarità locale. Ad oggi, diversi esperimenti hanno confermato la validità della teoria per strati-limite su terreni livellati e superfici omogenee. Tali condizioni ideali sono però infrequenti nella realtà ed è perciò importante capire quali siano i limiti della similarità locale per strati-limite su terreni complessi e superfici disomogenee. Entrambe le condizioni sono presenti a Ny-Alesund (Svalbard, Norvegia) dove il Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR), nel 2009, ha installato una torre di 30 m, la Amudsen-Nobile Climate Change Tower (CCT), per lo studio dello strato-limite artico. Il lavoro di tesi ha riguardato misure di vento e turbolenza acquisite sulla CCT da maggio 2012 a maggio 2014. Il confronto tra le velocità del vento misurate dagli anemometri installati sulla CCT, ha rivelato criticità nel dato sonico manifestatesi con sovrastime sistematiche e maggiore erraticità rispetto alle misure provenienti dagli anemometri a elica. Un test condotto fra diversi metodi per il calcolo dei gradienti verticali della velocità del vento ha rivelato scarsa sensibilità dei risultati ottenuti al particolare metodo utilizzato. Lo studio ha riguardato i gradienti verticali adimensionali della velocità del vento nei primi 30-m dello strato limite stabile. Deviazioni significative tra i tra le osservazioni e i valori predetti dalla similarità locale sono state osservate in particolare per i livelli più distanti dal suolo e per valori crescenti del parametro di stabilità z/L (L, lunghezza di Obukhov locale). In particolare, si sono osservati gradienti adimensionali inferiori a quelli predetti dalle più usate relazioni di flusso-gradiente. Tali deviazioni, presenti perlopiù per z/L>0.1, sono state associate ad un effetto di accentuazione della turbolenza da parte delle irregolarità del terreno. Per condizioni meno stabili, z/L<0.1, scarti positivi tra i gradienti osservati e quelli attesi sono stati attribuiti alla formazione di strati limite interni in condizioni di vento dal mare verso la costa. Sono stati proposti diversi metodi per la stima dell'effetto della self-correlazione nella derivazione delle relazioni di flusso-gradiente, dovuta alla condivisione della variabile u*. La formula per il coefficiente lineare di self correlazione e le sue distribuzioni di probabilità empiriche sono state derivate e hanno permesso di stimare il livello di self-correlazione presente nel dataset considerato.

Big Data: applicazione di una λ-Architecture alla gestione batch di dati climatici

L’avanzamento tecnologico degli ultimi anni ha portato ad un aumento sostanziale dei dati generati giornalmente. L’analisi di queste ingenti quantità di dati si è rivelata essere troppo complessa per i sistemi tradizionali ed è stato pertanto necessario sviluppare nuovi approcci basati sul calcolo distribuito. I nuovi strumenti sviluppati in seguito a queste nuove necessità sono framework di calcolo parallelo basati sul paradigma del MapReduce, un modello di programmazione sviluppato da Google, e sistemi di gestione di basi di dati fluidi, in grado di trattare rapidamente grandi quantità di dati non strutturati. Lo scopo alla base di entrambi è quello di costruire sistemi scalabili orizzontalmente e utilizzabili su hardware di largo consumo. L’utilizzo di questi nuovi strumenti può comunque portare alla creazione di sistemi poco ottimizzati e di difficile gestione. Nathan Marz propone un’architettura a livelli che utilizza i nuovi strumenti in maniera congiunta per creare sistemi semplici e robusti: questa prende il nome di Lambda-Architecture. In questa tesi viene introdotto brevemente il concetto di Big Data e delle nuove problematiche ad esso associate, si procede poi ad illustrare i principi su cui si basano i nuovi strumenti di calcolo distribuito sviluppati per affrontarle. Viene poi definita l’Architettura Lambda di Nathan Marz, ponendo particolare attenzione su uno dei livelli che la compone, chiamato Batch Layer. I principi della Lambda Architecture sono infine applicati nella costruzione di un Batch Layer, utilizzato per l’analisi e la gestione di dati climatici con fini statistici.

Elaborazione di Big Data: un’applicazione dello Speed Layer di Lambda Architecture

I Big Data hanno forgiato nuove tecnologie che migliorano la qualità della vita utilizzando la combinazione di rappresentazioni eterogenee di dati in varie discipline. Occorre, quindi, un sistema realtime in grado di computare i dati in tempo reale. Tale sistema viene denominato speed layer, come si evince dal nome si è pensato a garantire che i nuovi dati siano restituiti dalle query funcions con la rapidità in cui essi arrivano. Il lavoro di tesi verte sulla realizzazione di un’architettura che si rifaccia allo Speed Layer della Lambda Architecture e che sia in grado di ricevere dati metereologici pubblicati su una coda MQTT, elaborarli in tempo reale e memorizzarli in un database per renderli disponibili ai Data Scientist. L’ambiente di programmazione utilizzato è JAVA, il progetto è stato installato sulla piattaforma Hortonworks che si basa sul framework Hadoop e sul sistema di computazione Storm, che permette di lavorare con flussi di dati illimitati, effettuando l’elaborazione in tempo reale. A differenza dei tradizionali approcci di stream-processing con reti di code e workers, Storm è fault-tolerance e scalabile. Gli sforzi dedicati al suo sviluppo da parte della Apache Software Foundation, il crescente utilizzo in ambito di produzione di importanti aziende, il supporto da parte delle compagnie di cloud hosting sono segnali che questa tecnologia prenderà sempre più piede come soluzione per la gestione di computazioni distribuite orientate agli eventi. Per poter memorizzare e analizzare queste moli di dati, che da sempre hanno costituito una problematica non superabile con i database tradizionali, è stato utilizzato un database non relazionale: HBase.