Numerical and Analytical Methods for Laser-Plasma Acceleration Physics

Theories and numerical modeling are fundamental tools for understanding, optimizing and designing present and future laser-plasma accelerators (LPAs). Laser evolution and plasma wave excitation in a LPA driven by a weakly relativistically intense, short-pulse laser propagating in a preformed parabolic plasma channel, is studied analytically in 3D including the effects of pulse steepening and energy depletion. At higher laser intensities, the process of electron self-injection in the nonlinear bubble wake regime is studied by means of fully self-consistent Particle-in-Cell simulations. Considering a non-evolving laser driver propagating with a prescribed velocity, the geometrical properties of the non-evolving bubble wake are studied. For a range of parameters of interest for laser plasma acceleration, The dependence of the threshold for self-injection in the non-evolving wake on laser intensity and wake velocity is characterized. Due to the nonlinear and complex nature of the Physics involved, computationally challenging numerical simulations are required to model laser-plasma accelerators operating at relativistic laser intensities. The numerical and computational optimizations, that combined in the codes INF&RNO and INF&RNO/quasi-static give the possibility to accurately model multi-GeV laser wakefield acceleration stages with present supercomputing architectures, are discussed. The PIC code jasmine, capable of efficiently running laser-plasma simulations on Graphics Processing Units (GPUs) clusters, is presented. GPUs deliver exceptional performance to PIC codes, but the core algorithms had to be redesigned for satisfying the constraints imposed by the intrinsic parallelism of the architecture. The simulation campaigns, run with the code jasmine for modeling the recent LPA experiments with the INFN-FLAME and CNR-ILIL laser systems, are also presented.

Statistical mechanics formalism and methods for the analysis of real networks

This thesis provides a thoroughly theoretical background in network theory and shows novel applications to real problems and data. In the first chapter a general introduction to network ensembles is given, and the relations with “standard” equilibrium statistical mechanics are described. Moreover, an entropy measure is considered to analyze statistical properties of the integrated PPI-signalling-mRNA expression networks in different cases. In the second chapter multilayer networks are introduced to evaluate and quantify the correlations between real interdependent networks. Multiplex networks describing citation-collaboration interactions and patterns in colorectal cancer are presented. The last chapter is completely dedicated to control theory and its relation with network theory. We characterise how the structural controllability of a network is affected by the fraction of low in-degree and low out-degree nodes. Finally, we present a novel approach to the controllability of multiplex networks

Generatore di entropia basato su dinamica caotica con interfaccia usb

È impossibile implementare sorgenti autenticamente casuali su hardware digitale. Quindi, storicamente, si è fatto ampio uso di generatori di numeri pseudo-casuali, evitando così i costi necessari per la progettazione di hardware analogico dedicato. Tuttavia, le sorgenti pseudo-casuali hanno proprietà (riproducibilità e periodicità) che si trasformano in vulnerabilità, nel caso in cui vengano adottate in sistemi di sicurezza informatica e all’interno di algoritmi crittografici. Oggi la richiesta di generatori di numeri autenticamente casuali è ai suoi massimi storici. Alcuni importanti attori dell’ICT sviluppato proprie soluzioni dedicate, ma queste sono disponibili solo sui sistemi moderni e di fascia elevata. È quindi di grande attualità rendere fruibili generatori autenticamente casuali per sistemi già esistenti o a basso costo. Per garantire sicurezza e al tempo stesso contenere i costi di progetto è opportuno pensare ad architetture che consentano di riusare parti analogiche già disponibili. Particolarmente interessanti risultano alcune architetture che, grazie all’utilizzo di dinamiche caotiche, consentono di basare buona parte della catena analogica di elaborazione su ADC. Infatti, tali blocchi sono ampiamente fruibili in forma integrata su architetture programmabili e microcontrollori. In questo lavoro, si propone un’implementazione a basso costo ed elevata flessibilità di un architettura basata su un ADC, inizialmente concepita all’Università di Bologna. La riduzione di costo viene ottenuta sfruttando il convertitore già presente all’interno di un microcontrollore. L’elevata flessibilità deriva dal fatto che il microcontrollore prescelto mette a disposizione una varietà di interfacce di comunicazione, tra cui quella USB, con la quale è possibile rendere facilmente fruibili i numeri casuali generati. Quindi, l’intero apparato comprende solo un microcontrollore e una minima catena analogica di elaborazione esterna e può essere interfacciato con estrema facilità ad elaboratori elettronici o sistemi embedded. La qualità della proposta, in termini di statistica delle sequenze casuali generate, è stata validata sfruttando i test standardizzati dall’U.S. NIST.

Analisi fisiche e sensoriali per la valutazione della qualità di un prodotto da forno tipico: I taralli

Questa relazione è frutto di un lavoro sperimentale svolto su diversi campioni di taralli del commercio forniti da un'azienda del settore, prodotti mediante ricette simili ed omogenei per dimensioni. Le attività di ricerca sono state focalizzare su: I) l'individuazione e la valutazione dei principali descrittori sensoriali in grado di caratterizzare la tipologia di prodotto; II) lo svolgimento di un'analisi sensoriale discriminante per verificare l'esistenza di differenze significativamente rilevabili tra taralli dello stesso tipo ma conservati per tempi differenti (0, 6, 12 mesi), al fine di fornire indicazioni utili per la definizione corretta della shelf-life del prodotto; III) la determinazione di specifici parametri fisici relazionati con l'apparenza e la texture dei taralli, per verificare la possibilità di utilizzare tali dati sia come supporto alla fase di allenamento del gruppo di assaggiatori, sia come approccio rapido per la valutazione della qualità e della freschezza di tali prodotti. Per la realizzazione degli obiettivi appena esposti, é stata applicata la tecnica QDA®. I dati delle singole sedute di analisi sono stati monitorati mediante PanelCheck. E' stato svolto un test triangolare attraverso cui definire se i taralli differenti per tempo di conservazione risultino significativamente discriminati per le caratteristiche sensoriali. Parallelamente alla QDA® e sullo stesso set di campioni, sono state applicate alcune analisi fisiche concernenti la valutazione dell’aspetto visivo e della texture del prodotto. Per la valutazione strumentale dell’apparenza dei campioni di taralli, si sono acquisite le immagini relative ai campioni oggetto di studio mediante un sistema di acquisizione e, successivamente, elaborate attraverso Image Pro - Plus v 6.2, per determinare elementi utili alla discriminazione dei campioni in esame. Per quanto concerne la determinazione della caratteristiche strutturali dei taralli è stato utilizzato il Texture Analyzer ed impiegato un test di penetrazione. E' stata infine condotta, mediante tecniche statistiche, un’analisi congiunta dei dati sensoriali e fisici.

Advanced aspects of radiation protection in the use of particle accelerators in the medical field

In this work, the well-known MC code FLUKA was used to simulate the GE PETrace cyclotron (16.5 MeV) installed at “S. Orsola-Malpighi” University Hospital (Bologna, IT) and routinely used in the production of positron emitting radionuclides. Simulations yielded estimates of various quantities of interest, including: the effective dose distribution around the equipment; the effective number of neutron produced per incident proton and their spectral distribution; the activation of the structure of the cyclotron and the vault walls; the activation of the ambient air, in particular the production of 41Ar, the assessment of the saturation yield of radionuclides used in nuclear medicine. The simulations were validated against experimental measurements in terms of physical and transport parameters to be used at the energy range of interest in the medical field. The validated model was also extensively used in several practical applications uncluding the direct cyclotron production of non-standard radionuclides such as 99mTc, the production of medical radionuclides at TRIUMF (Vancouver, CA) TR13 cyclotron (13 MeV), the complete design of the new PET facility of “Sacro Cuore – Don Calabria” Hospital (Negrar, IT), including the ACSI TR19 (19 MeV) cyclotron, the dose field around the energy selection system (degrader) of a proton therapy cyclotron, the design of plug-doors for a new cyclotron facility, in which a 70 MeV cyclotron will be installed, and the partial decommissioning of a PET facility, including the replacement of a Scanditronix MC17 cyclotron with a new TR19 cyclotron.

Modularità: Dai sistemi biologici ai sistemi artificiali

I sistemi di intelligenza artificiale vengono spesso messi a confronto con gli aspetti biologici riguardanti il cervello umano. L’interesse per la modularità è in continua crescita, che sta portando a risultati davvero interessanti attraverso l’utilizzo di sistemi artificiali intelligenti, come le reti neuronali. Molte reti, sia biologiche sia artificiali sono organizzate in moduli, i quali rappresentano cluster densi di parti interconnesse fra loro all’interno di una rete complessa. Nel campo dell’ingegneria, si usano design modulari per spiegare come una macchina è costituita da parti separate. Lo studio della struttura e delle funzioni di organismi/processi complessi si basa implicitamente su un principio di organizzazione modulare, vale a dire si dà per acquisito il fatto che siano modulari, cioè composti da parti con forma e/o funzioni diverse. Questo elaborato si propone di esporre gli aspetti fondamentali riguardanti la modularità di reti neuronali, le sue origini evolutive, le condizioni necessarie o sufficienti che favoriscono l’emergere dei moduli e relativi vantaggi. Il primo capitolo fornisce alcune conoscenze di base che permettono di leggere gli esperimenti delle parti successive con consapevolezza teorica più profonda. Si descrivono reti neuronali artificiali come sistemi intelligenti ispirati alla struttura di reti neurali biologiche, soffermandosi in particolare sulla rete feed-forward, sull’algoritmo di backpropagation e su modelli di reti neurali modulari. Il secondo capitolo offre una visione delle origini evolutive della modularità e dei meccanismi evolutivi riguardanti sistemi biologici, una classificazione dei vati tipi di modularità, esplorando il concetto di modularità nell’ambito della psicologia cognitiva. Si analizzano i campi disciplinari a cui questa ricerca di modularità può portare vantaggi. Dal terzo capitolo che inizia a costituire il corpo centrale dell’elaborato, si dà importanza alla modularità nei sistemi computazionali, illustrando alcuni casi di studio e relativi metodi presenti in letteratura e fornendo anche una misura quantitativa della modularità. Si esaminano le varie possibilità di evoluzione della modularità: spontanea, da specializzazione, duplicazione, task-dependent, ecc. passando a emulare l’evoluzione di sistemi neurali modulari con applicazione al noto modello “What-Where” e a vari modelli con caratteristiche diverse. Si elencano i vantaggi che la modularità produce, soffermandosi sull’algoritmo di apprendimento, sugli ambienti che favoriscono l’evoluzione della modularità con una serie di confronti fra i vari tipi, statici e dinamici. In ultimo, come il vantaggio di avere connessioni corte possa portare a sviluppare modularità. L’obiettivo comune è l’emergere della modularità in sistemi neuronali artificiali, che sono usati per applicazioni in numerosi ambiti tecnologici.

Alcuni metodi per la determinazione delle radici di un polinomio

Un problema classico in matematica, che presenta numerose applicazioni anche al di fuori di tale disciplina, è la ricerca delle radici di un polinomio. Per quanto riguarda i polinomi di grado minore o uguale a 4 ci sono delle formule per determinare le radici a partire dai coefficienti, mentre per il generico polinomio di grado maggiore o uguale a 5 formule simili non esistono. È possibile, però, determinare in modo approssimato le radici di un polinomio, o stimare il numero di radici reali di un polinomio reale in un dato intervallo, o ancora localizzare nel piano complesso gli zeri di un polinomio a coefficienti complessi.

Geological and hydrogeological features affecting migration, multi-phase partitioning and degradation of chlorinated hydrocarbons through unconsolidated porous media.

Chlorinated solvents are the most ubiquitous organic contaminants found in groundwater since the last five decades. They generally reach groundwater as Dense Non-Aqueous Phase Liquid (DNAPL). This phase can migrate through aquifers, and also through aquitards, in ways that aqueous contaminants cannot. The complex phase partitioning to which chlorinated solvent DNAPLs can undergo (i.e. to the dissolved, vapor or sorbed phase), as well as their transformations (e.g. degradation), depend on the physico-chemical properties of the contaminants themselves and on features of the hydrogeological system. The main goal of the thesis is to provide new knowledge for the future investigations of sites contaminated by DNAPLs in alluvial settings, proposing innovative investigative approaches and emphasizing some of the key issues and main criticalities of this kind of contaminants in such a setting. To achieve this goal, the hydrogeologic setting below the city of Ferrara (Po plain, northern Italy), which is affected by scattered contamination by chlorinated solvents, has been investigated at different scales (regional and site specific), both from an intrinsic (i.e. groundwater flow systems) and specific (i.e. chlorinated solvent DNAPL behavior) point of view. Detailed investigations were carried out in particular in one selected test-site, known as “Caretti site”, where high-resolution vertical profiling of different kind of data were collected by means of multilevel monitoring systems and other innovative sampling and analytical techniques. This allowed to achieve a deep geological and hydrogeological knowledge of the system and to reconstruct in detail the architecture of contaminants in relationship to the features of the hosting porous medium. The results achieved in this thesis are useful not only at local scale, e.g. employable to interpret the origin of contamination in other sites of the Ferrara area, but also at global scale, in order to address future remediation and protection actions of similar hydrogeologic settings.

Le cure oncologiche e la prospettiva del paziente. Revisione di letteratura e un caso di studio

Numerose ricerche indicano i modelli di cure integrate come la migliore soluzione per costruire un sistema più efficace ed efficiente nella risposta ai bisogni del paziente con tumore, spesso, però, l’integrazione è considerata da una prospettiva principalmente clinica, come l’adozione di linee guida nei percorsi della diagnosi e del trattamento assistenziale o la promozione di gruppi di lavoro per specifiche patologie, trascurando la prospettiva del paziente e la valutazione della sua esperienza nei servizi. Il presente lavoro si propone di esaminare la relazione tra l’integrazione delle cure oncologiche e l’esperienza del paziente; com'è rappresentato il suo coinvolgimento e quali siano i campi di partecipazione nel percorso oncologico, infine se sia possibile misurare l’esperienza vissuta. L’indagine è stata svolta sia attraverso la revisione e l’analisi della letteratura sia attraverso un caso di studio, condotto all'interno della Rete Oncologica di Area Vasta Romagna, tramite la somministrazione di un questionario a 310 pazienti con neoplasia al colon retto o alla mammella. Dai risultati, emerge un quadro generale positivo della relazione tra l’organizzazione a rete dei servizi oncologici e l’esperienza del paziente. In particolare, è stato possibile evidenziare quattro principali nodi organizzativi che introducono la prospettiva del paziente: “individual care provider”,“team care provider”,“mixed approach”,“continuity and quality of care”. Inoltre, è stato possibile delineare un campo semantico coerente del concetto di coinvolgimento del paziente in oncologia e individuare quattro campi di applicazione, lungo tutte le fasi del percorso: “prevenzione”, “trattamento”,“cura”,“ricerca”. Infine, è stato possibile identificare nel concetto di continuità di cura il modo in cui i singoli pazienti sperimentano l’integrazione o il coordinamento delle cure e analizzare differenti aspetti del vissuto della persona e dell’organizzazione.

Framework e librerie per lo sviluppo di applicazioni di realta aumentata: Metaio sdk come caso di studio

I moderni sistemi computazionali hanno reso applicazioni e dispositivi sempre più complessi e versatili, integrando in essi un numero crescente di funzioni. Da qui si avverte la necessità di un design d’interfaccia utente efficace e pratico che renda il rapporto uomo/macchina semplice ed intuitivo. Negli ultimi anni questo proposito è stato accolto da sviluppatori e progettisti che si sono affacciati nel mondo della “Realtà Aumentata”, una nuova visione d’insieme nel rapporto tra mondo reale e virtuale. Augmented Reality (AR), propone infatti di sviluppare nuove interfacce uomo-computer, che invece di mostrare le informazioni digitali su display isolati, immergano i dati stessi nell’ambiente concreto. Sfuma così una distinzione marcata tra il reale e il virtuale, ma anzi si cerca di combinare in modo naturale la coesistenza di quest’ultimi, permettendo la creazione di interfacce utente semplici e intuitive anche per applicazioni complesse. Il proposito che la tesi vuole andare ad affrontare è proprio quello di indagare lo sviluppo di nuove applicazioni basate su questa tecnologia. Nel primo capitolo verrà analizzatala storia, i campi di applicazione, i device più importanti sui quali è implementata e le varie tecniche di Tracciamento. Nella seconda parte della tesi andremo a interessarci del sistema vero e proprio sul quale regge questa tecnologia. Quindi nel successivo capitolo vedremo esempi di architetture e di piattaforme che offrono questa realtà di sviluppo, soffermandoci su un particolare caso di studio: Metaio; di cui nel terzo e ultimo capitolo indagheremo framework, SDK e API messe a disposizione.

Sublethal effects of a common neonicotinoid pesticide, thiamethoxam, on honey bees: impact on locomotion and thermoregulation

Neonicotinoids have been pointed to as a factor responsible for the increased honey bee colony losses in the last decades. Many studies have investigated the effects of the first marketed neonicotinoid, imidacloprid, while fewer have focused on thiamethoxam. One recent study showed that sublethal doses of thiamethoxam lead to colony failure by decreasing forager homing flight success. We thus decided to investigate the mechanism which caused this phenomenon. Our hypothesis was that this effect was caused by impairment of forager locomotion abilities. Therefore we tested the effects of sublethal acute and chronic exposures to thiamethoxam on forager walking (Chapter 2) and flight (Chapter 3) performances. The acute treatment (1.34 ng/bee) affected walking locomotion firstly triggering hyperactivity (30 min post-treatment) and then impairing motor functioning (60 min post-treatment). 2-day continuous exposures to thiamethoxam (32.5, 45 ppb) elicited fewer effects on walking locomotion, however both exposure modes elicited an increased positive phototaxis. Similarly, in flight experiments, the single dose (1.34 ng/bee) elicited hyperactivity shortly after intoxication (increased flight duration and distance), while longer and continuous exposures (32.5, 45 ppb) impaired forager motor functions (decreased flight duration, distance, velocity). It is known that flight muscles temperature needs to be precisely regulated by bees during flight. Therefore, we further hypothesized that the impaired flight performances of neonicotinoid intoxicated bees were caused also by thermoregulation anomalies. We tested the effects that acute thiamethoxam exposures (0.2, 1, 2 ng/bee) elicit on forager thorax temperature (Chapter 4). Foragers treated with high doses exhibited hyperthermia or hypothermia when respectively exposed to high or low environmental temperatures. In summary, we show that sublethal doses of thiamethoxam affected forager walking and flight locomotion, phototaxis and thermoregulation. We also display the intricate mode of action of thiamethoxam which triggered, at different extents, inverse sublethal effects in relation to time and dose.

Fighting corruption with pyramids: A Law and Economics approach to combating corruption in post-socialist countries

Corruption is, in the last two decades, considered as one of the biggest problems within the international community, which harms not only a particular state or society but the whole world. The discussion on corruption in law and economics approach is mainly run under the veil of Public choice theory and principal-agent model. Based on this approach the strong international initiatives taken by the UN, the OECD and the Council of Europe, provided various measures and tools in order to support and guide countries in their combat against corruption. These anti-corruption policies created a repression -prevention-transparency model for corruption combat. Applying this model, countries around the world adopted anti-corruption strategies as part of their legal rules. Nevertheless, the recent researches on the effects of this move show non impressive results. Critics argue that “one size does not fit all” because the institutional setting of countries around the world varies. Among the countries which experience problems of corruption, even though they follow the dominant anti-corruption trends, are transitional, post-socialist countries. To this group belong the countries which are emerging from centrally planned to an open market economy. The socialist past left traces on institutional setting, mentality of the individuals and their interrelation, particularly in the domain of public administration. If the idiosyncrasy of these countries is taken into account the suggestion in this thesis is that in public administration in post-socialist countries, instead of dominant anti-corruption scheme repression-prevention-transparency, corruption combat should be improved through the implementation of a new one, structure-conduct-performance. The implementation of this model is based on three regulatory pyramids: anti-corruption, disciplinary anti-corruption and criminal anti-corruption pyramid. This approach asks public administration itself to engage in corruption combat, leaving criminal justice system as the ultimate weapon, used only for the very harmful misdeeds.

Studio della superficie degli impianti dentali in titanio: La nanotecnologia nella valutazione delle nuove superfici implantari in rapporto all'osteointegrazione dei mascellari

Il presente lavoro parte dalla descrizione dei processi di rimodellamento osseo mascellare a seguito della perdita di elementi dentari e la successiva riabilitazione mediante impianto dentale osteointegrato. Approfondiremo proprio i complessi aspetti dell’osteointegrazione su superfici implantari in titanio sia a livello micro che macroscopico. Nel campo dell’implantologia, infatti, il titanio risulta essere il materiale maggiormente impiegato in virtù della sua eccellente biocompatibilità e resistenza. Successivamente prenderemo in analisi i trattamenti di superficie implantare ad oggi più diffusi, lavorati prevalentemente a livello microscopico e infine confronteremo una sistematica trattata tradizionalmente con una innovativa trattata superficialmente a livello nanometrico. Il confronto avverrà in vivo, paragonando i risultati ottenuti clinicamente e radiograficamente tra le 2 sistematiche implantari, utilizzate per ripristinare la funzione masticatoria nei pazienti arruolati.

Willem Marinus Dudok. Progetti urbani per la citta' di Hilversum

Il tema principale affrontato dalla presente ricerca è quello dell’architettura della città; attraverso lo studio dei progetti urbani redatti dall’architetto Willem Marinus Dudok per la città di Hilversum, la tesi vuole confermare l’ipotesi che la costruzione dei “luoghi urbani” collettivi è il fulcro dell’idea di architettura che porta alla costruzione della città. La ricerca si propone di studiare il contributo dato da Dudok al progetto dello sviluppo urbano della città olandese, considerando un arco temporale che va dal 1915, anno in cui l’architetto viene designato a ricoprire la carica di direttore del locale ufficio Lavori Pubblici, al 1954, anno simbolico della sua nomina a cittadino onorario di Hilversum. Il lavoro di ricerca vuole individuare quelle caratteristiche formali e tipologiche, insite nei quartieri progettati dall’architetto olandese, in grado di definire una struttura urbana capace di sostenere un ragionamento architettonico indipendente dal luogo e dal tempo, un ragionamento impostato sulla definizione della forma urbis. Non desidera certo delineare un modello, vista la consapevolezza che ogni progetto ha un proprio luogo e un proprio tempo, cerca di tratteggiare, piuttosto, uno scenario possibile per il progetto urbano, capace di assurgere ad exemplum per la costruzione della città. I progetti analizzati riguardano edifici residenziali e spazi urbani per la collettività; questi rappresentano veri e propri nuclei aggregativi per la costruzione dei complessi di alloggi popolari, dei quali definiscono la scena fissa delle vicende umane. Lo studio di questi quartieri rappresenta, pertanto, il tentativo di decodificare un “modo” di comporre la città dal quale sia possibile estrapolare temi validi e di carattere generale che permettano di formalizzare una serie di utili insegnamenti, tramite i quali poter pensare alla realizzazione della stessa, nella convinzione che “la qualità del progetto consiste nella qualità dei caratteri del tema e nel loro riconoscimento nelle forme dell’architettura”.

Essays in Health Economics

In the first chapter we develop a theoretical model investigating food consumption and body weight with a novel assumption regarding human caloric expenditure (i.e. metabolism), in order to investigate why individuals can be rationally trapped in an excessive weight equilibrium and why they struggle to lose weight even when offered incentives for weight-loss. This assumption allows the theoretical model to have multiple equilibria and to provide an explanation for why losing weight is so difficult even in the presence of incentives, without relying on rational addiction, time-inconsistency preferences or bounded rationality. In addition to this result we are able to characterize under which circumstances a temporary incentive can create a persistent weight loss. In the second chapter we investigate the possible contributions that social norms and peer effects had on the spread of obesity. In recent literature peer effects and social norms have been characterized as important pathways for the biological and behavioral spread of body weight, along with decreased food prices and physical activity. We add to this literature by proposing a novel concept of social norm related to what we define as social distortion in weight perception. The theoretical model shows that, in equilibrium, the effect of an increase in peers' weight on i's weight is unrelated to health concerns while it is mainly associated with social concerns. Using regional data from England we prove that such social component is significant in influencing individual weight. In the last chapter we investigate the relationship between body weight and employment probability. Using a semi-parametric regression we show that men and women employment probability do not follow a linear relationship with body mass index (BMI) but rather an inverted U-shaped one, peaking at a BMI way over the clinical threshold for overweight.