Ion acceleration and plasma jet formation in ultra-thin foils undergoing expansion and relativistic transparency

At sufficiently high laser intensities, the rapid heating to relativistic velocities and resulting decompression of plasma electrons in an ultra-thin target foil can result in the target becoming relativistically transparent to the laser light during the interaction. Ion acceleration in this regime is strongly affected by the transition from an opaque to a relativistically transparent plasma. By spatially resolving the laser-accelerated proton beam at near-normal laser incidence and at an incidence angle of 30°, we identify characteristic features both experimentally and in particle-in-cell simulations which are consistent with the onset of three distinct ion acceleration mechanisms: sheath acceleration; radiation pressure acceleration; and transparency-enhanced acceleration. The latter mechanism occurs late in the interaction and is mediated by the formation of a plasma jet extending into the expanding ion population. The effect of laser incident angle on the plasma jet is explored.

A high-energy, high-flux source of gamma-rays from all-optical nonlinear Thomson scattering

γ-Ray sources are among the most fundamental experimental tools currently available to modern physics. As well as the obvious benefits to fundamental research, an ultra-bright source of γ-rays could form the foundation of scanning of shipping containers for special nuclear materials and provide the bases for new types of cancer therapy.

However, for these applications to prove viable, γ-ray sources must become compact and relatively cheap to manufacture. In recent years, advances in laser technology have formed the cornerstone of optical sources of high energy electrons which already have been used to generate synchrotron radiation on a compact scale. Exploiting the scattering induced by a second laser, one can further enhance the energy and number of photons produced provided the problems of synchronisation and compact γ-ray detection are solved.

Here, we report on the work that has been done in developing an all-optical and hence, compact non-linear Thomson scattering source, including the new methods of synchronisation and compact γ-ray detection. We present evidence of the generation of multi-MeV (maximum 16–18 MeV) and ultra-high brilliance (exceeding 10²⁰ photons s⁻¹mm⁻²mrad⁻² 0.1% BW at 15 MeV) γ-ray beams. These characteristics are appealing for the paramount practical applications mentioned above.

Do spectral gamma ray data really reflect humid-arid palaeoclimates? A test from the Palaeogene Interbasaltic weathered horizons at the Giant’s Causeway, N.Ireland

Since 1999, the rapid, inexpensive and non-destructive use of Th/K and Th/U ratios from spectral gamma ray measurements have been used as a proxy for changes in palaeo-hinterland weathering. This model is tested here by analysis of in situ palaeoweathering horizons where clay mineral contents are well-known. A residual palaeoweathered horizon of Palaeogene laterite (developed on basalt) has been logged at 14 locations across N. Ireland using spectral gamma ray detectors. The results are compared to published elemental and mineralogical data. While the model of K and U loss during the early stages of weathering to smectite and kaolinite is supported, the formation (during progressively more advanced weathering) of gibbsite and iron oxides has reversed the predicted pattern and caused U and Th retention in the weathering profile. The severity (duration, humidity) of weathering and palaeoweathering may be estimated using Th/K ratios as a proxy. The use of Th/U ratios is more problematic should detrital gibbsite (or similar clays) or iron oxides be detected. Mineralogical analysis is needed in order to evaluate the hosts for K, U and Th: nonetheless, the spectral gamma ray machine offers a real-time, inexpensive and effective tool for the preliminary or conjunctive assessment of degrees of weathering or palaeoweathering.

Investigations of ultrafast charge dynamics in laser-irradiated targets by a self probing technique employing laser driven protons

The divergent and broadband proton beams produced by the target normal sheath acceleration mechanism provide the unique opportunity to probe, in a point-projection imaging scheme, the dynamics of the transient electric and magnetic fields produced during laser-plasma interactions. Commonly such experimental setup entails two intense laser beams, where the interaction produced by one beam is probed with the protons produced by the second. We present here experimental studies of the ultra-fast charge dynamics along a wire connected to laser irradiated target carried out by employing a ‘self’ proton probing arrangement – i.e. by connecting the wire to the target generating the probe protons. The experimental data shows that an electromagnetic pulse carrying a significant amount of charge is launched along the wire, which travels as a unified pulse of 10s of ps duration with a velocity close to speed of light. The experimental capabilities and the analysis procedure of this specific type of proton probing technique are discussed.

Pine wilt disease: global issues, trade and economic impact

Pine wilt disease (PWD) is perhaps the most serious threat to pine forests worldwide. Since it´s discovery in the early XXth century by Japanese forest researchers, and the relationship with its causative agent, the pinewood nematode (PWN) Bursaphelenchus xylophilus, in the 1970s, PWD has wreaked havoc wherever it appears. Firstly in the Far East (Japan, China and Korea) and now, more recently in 1999, in the EU (Portugal). The forest sector in Portugal plays a major role in the Portuguese economy with a 12% contribution to the industrial gross domestic product, 3.2% of the gross domestic product, 10% of foreign trade and 5% of national employment. Maritime pine (Pinus pinaster) is one of the most important pine productions, and industrial activity, such as the production of wood and resin, as well as coastal protection associated with sand dunes. Also, stone pine (Pinus pinea) plays an important role in the economy with a share derived from the exports of high-quality pineon seed. Thus, the tremendous economical and ecological impact of the introduction of a pest and pathogen such as the PWN, although as far as is known, the only species susceptible to the nematode is maritime pine. Immediately following detection, the research team involved (Univ. Évora, INIAP) informed the national plant quarantine and forest authorities, which relayed the information to Brussels and the appropriate EU authorities. A task force (GANP), followed by a national program (PROLUNP) was established. Since then, national surveys have been taking place, involving MADRP (Ministry of Agriculture), the University of Évora and several private corporations (e.g. UNAC). Forest growers in the area are particularly interested and involved since the area owned by the growers organizations totals 700 000 ha, largely affected by PWD. Detection of the disease has led to serious consequences and restrictions regarding exploration and commercialization of wood. A precautionary phytosanitary strip, 3 km-wide, has been recently (2007) established surrounding the affected area. The Portuguese government, through its national program PROLUNP, has been deeply involved since 1999, and in conjunction with the EU (Permanent Phytosanitary Committee, and FVO) and committed to controlling this nematode and the potential spread to the rest of the country and to the rest of the EU. The global impact of the presence of Bursaphelenchus xylophilus or the threat of its introduction and the resulting pine wilt disease in forested areas in different parts of the world is of increasing concern economically. The concern is exacerbated by the prevailing debate on climate change and the putative impact this could have on the vulnerability of the world’s pine forests to this disease. The scientific and regulatory approach taken in different jurisdictions to the threat of pine wilt disease varies from country to country depending on the perceived vulnerability of their pine forests to the disease and/or to the economic cost due to lost trade in wood products. Much of the research surrounding pine wilt disease has been located in the northern hemisphere, especially in southern Europe and in the warmer, coastal, Asian countries. However, there is an increased focus on this problem also in those countries in the southern hemisphere where plantations of susceptible pine have been established over the years. The forestry sector in Australia and New Zealand are on “high alert” for this disease and are practicing strict quarantine procedures at all ports of entry for wood products. As well, there is heightened awareness, as there is worldwide, for the need to monitor wood packaging materials for all imported goods. In carrying out the necessary monitoring and assessment of products for B. xylophilus and its vectors substantial costs are incurred especially when decisions have to be made rapidly and regardless of whether the outcome is positive or negative. Australia’s response recently to the appearance of some dying pines in a plantation illustrated the high sensitivity of some countries to this disease. Some $200,000 was spent on the assessment in order to save a potential loss of millions of dollars to the disease. This rapid, co-ordinated response to the report was for naught, because once identified it was found not to be B. xylophilus. This illustrates the particular importance of taking the responsibility at all levels of management to secure the site and the need of a rapid, reliable diagnostic method for small nematode samples for use in the field. Australia is particularly concerned about the vulnerability of its 1million hectares of planted forests, 80% of which are Pinus species, to attack from incursions of one or more species of the insect vector. Monochamus alternatus incursions in wood pallets have been reported from Brisbane, Queensland. The climate of this part of Australia is such that the Pinus plantations are particularly vulnerable to the potential outcome of such incursions, and the state of Queensland is developing a risk management strategy and a proactive breeding programme in response to this putative threat. New Zealand has 1.6 million hectares of planted forests and 89% of the commercial forest is Pinus radiata. Although the climate where these forests are located tends to be somewhat cooler than that in Australia the potential for establishment and development of the disease in that country is believed to be high. The passage alone of 200,000 m³/year of wood packaging through New Zealand ports is itself sufficient to require response. The potential incursion of insect vectors of pinewood nematode through the port system is regarded as high and is monitored carefully. The enormous expansion of global trade and the continued use of unprocessed/inadequately-processed wood for packaging purposes is a challenge for all trading nations as such wood packaging material often harbours disease or pest species. The extent of this problem is readily illustrated by the expanding economies and exports of countries in south-east Asia. China. Japan and Korea have significant areas of forestland infested with B. xylophilus. These countries too are among the largest exporting countries of manufactured goods. Despite the attempts of authorities to ensure that only properly treated wood is used in the crating and packaging of goods B. xylophilus and/or its insect vector infested materials is being recorded at ports worldwide. This reminds us, therefore, of the ease with which this nematode pest can gain access to forest lands in new geographic locations through inappropriate use, treatment or monitoring of wood products. It especially highlights the necessity to find an alternative to using low-grade lumber for packaging purposes. Lest we should believe that all wood products are always carriers of B. xylophilus and its vectors, it should be remembered that international trade of all kinds has occurred for thousands of years and that lumber-born pests and diseases do not have worldwide distribution. Other physico-biological factors have a significant role in the occurrence, establishment and sustainability of a disease. The question is often raised as to why the whole of southern Europe doesn’t already have B. xylophilus and pine wilt disease. European countries have traded with countries that are infested with B. xylophilus for hundreds of years. Turkey is an example of a country that appears to be highly vulnerable to pine wilt disease due to its extensive forests in the warm, southern region where the vector, Monochamus galloprovincialis, occurs. However, there is no record of the presence of B. xylophilus occurring there despite the importation of substantial quantities of wood from several countries In many respects, Portugal illustrates both the challenge and the dilemma. In recent times B. xylophilus was discovered there in the warm coastal region. The research, administrative and quarantine authorities responded rapidly and B. xylophilus appears to have been confined to the region in which it was found. The rapid response would seem to have “saved the day” for Portugal. Nevertheless, it raises again the long-standing questions, how long had B. xylophilus been in Portugal before it was found? If Lisbon was the port of entry, which seems very likely, why had B. xylophilus not entered Lisbon many years earlier and established populations and the pine wilt disease? Will the infestation in Portugal be sustainable and will it spread or will it die out within a few years? We still do not have sufficient understanding of the biology of this pest to know the answers to these questions.

Bottom up strategies for the morphology control of BaTiO3 particulates

As propriedades funcionais dos materiais ferroeléctricos tais como a polarização reversível, piroelectricidade, piezoelectricidade, elevada actividade óptica não linear e comportamento dieléctrico não linear são fundamentais para a sua aplicação em sensores, microactuadores, detectores de infravermelhos, filtros de fase de microondas e memórias não-voláteis. Nos últimos anos, motivado pelas necessidades industriais de redução do tamanho dos dispositivos microelectrónicos, aumentando a eficiência volumétrica, tem sido feito um grande esforço ao nível da investigação para desenvolver estruturas ferroeléctricas à escala micro- e nano- métrica. É sabido que a redução de tamanho em materiais ferroeléctricos afecta significamente as suas propriedades. Neste sentido e considerando que foi previsto teoreticamente por cálculos ab initio que estruturas do tipo nanocilindros e nanodiscos apresentariam um novo tipo de ordem ferroeléctrica e, na expectativa de alcançar conhecimento para o desenvolvimento de uma nova geração de dispositivos microelectróncos, existe um grande interesse em desenvolver métodos de fabrico de nanoestruturas ferroeléctricas unidimensionais (1D) tais como nanocilindros e nanotubos. As estratégias de fabrico de nanoestruturas 1D até agora descritas na literatura indicam claramente as dificuldades inerentes à sua preparação. Existem duas grandes vias de síntese destas nanoestruturas: i) o método “topdown” que consiste na redução de tamanho de um dado material até à obtenção duma estrutura 1D; e ii) o método “bottom-up” em que átomos, iões e moléculas são agrupados para formar um material 1D. O método “top down” envolve em geral técnicas de desgaste, como o uso do feixe de electrões, que apesar de permitirem elevada precisão no posicionamento e no controlo do tamanho, falham em termos de resolução, exigem muito tempo e causam facilmente defeitos que deterioram as propriedades físicas destes materiais. Na metodologia “bottom up” a utilização de moléculas ou estruturas “molde” tem sido a mais explorada. As estructuras 1D podem também ser preparadas sem recorrer a “moldes”. Neste caso a agregação orientada é promovida pelo recurso a aditivos que controlam o crescimento dos cristais em direcções preferenciais. Neste contexto, neste trabalho utilizaram-se duas estratégias “bottom up” de baixo custo para a preparação de nanopartículas de titanato de bário (BaTiO3) com morfologia controlada: 1) síntese química (em solução e em fase vapor) com utilização de nanotubos de titanato TiNTs) como “moldes” e precursores de titânio 2) síntese química em solução com presença de aditivos. Os nanotubos de titanato de sódio foram preparados por síntese hidrotermal. Como existiam muitas dúvidas acerca da natureza estrutural e do mecanismo de formação dos NTs, a parte inicial do trabalho foi dedicada à realização de um estudo sistemático dos parâmetros intervenientes na síntese e à caracterização da sua estrutura e microestrutura. Foi demonstrado que os NTs têm a fórmula geral A2Ti2O5 (A = H+ or Na+), e não TiO2 (anátase) com defendido por vários autores na literatura, e podem ser preparados por método hidrotermal em meio fortemente alcalino usando como fonte de titânio TiO2 comercial na forma de anátase ou rútilo. A menor reactividade do rútilo exige temperaturas de síntese superiores ou tempos de reacção mais longos. A forma tubular resulta do tratamento hidrotermal e não de processos de lavagem e neutralização subsequentes. Se os NTs forem tratados após a síntese hidrotérmica em água a 200 ºC, transformam-se em nanocilindros. Uma das partes principais desta tese consistiu na investigação do papel dos NTs de titanato no crescimento anisotrópico de BaTiO3. O potencial funcionamento dos NTs como “moldes” para além de precursores foi testado em reacção com hidróxido de bário em síntese em solução e por reacção com um precursor orgânico de bário em fase vapor. Tendo por base os estudos cinéticos realizados, bem como as alterações estruturais e morfológicas das amostras, é possível concluir que a formação do BaTiO3 a partir de NTs de titanato de sódio, ocorre por dois mecanismos dependendo da temperatura e tempo de reacção. Assim, a baixa temperatura e curto tempo de reacção verifica-se que se formam partículas dendríticas de BaTiO3 cuja superfície é bastante irregular (“wild”) e que apresentam estrutura pseudo-cúbica. Estas partículas formam-se por reacção topotáctica na fronteira dos nanotubos de titanato de sódio. A temperaturas mais altas e/ou reacções mais longas, a reacção é controlada por um mecanismo de dissolução e precipitação com formação de dendrites de BaTiO3 tetragonais com superfície mais regular (“seaweed”). A microscopia de força piezoeléctrica mostrou que as dendrites “seaweeds“ possuem actividade piezoeléctrica superior à das dendrites “wild”, o que confirma o papel desempenhado pela estrutura e pela concentração de defeitos na rede na coerência e ordem ferroeléctrica de nanoestruturas. Os nossos resultados confirmam que os NTs de titanato não actuam facilmente como “moldes” na síntese em solução de BaTiO3 já que a velocidade de dissolução dos NTs em condições alcalinas é superior à velocidade de formação do BaTiO3. Assumindo que a velocidade de reacção dos NTs com o precursor de bário é superior em fase vapor, efectuou-se a deposição de um precursor orgânico de bário por deposição química de vapor sobre um filme de NTs de titnato de sódio depositados por deposição electroforética. Estudou-se a estabilidade dos NTs nas diferentes condições do reactor. Quando os NTs são tratados a temperaturas superiores a 700 ºC, ocorre a transformação dos NTs em nanocilindros de anatase por um mecanismo de agregação orientada. Quando se faz a deposição do precursor de bário, seguida de calcinação a 700 ºC em atmosfera oxidante de O2, verifica-se que a superficie dos NTs fica coberta com nanocristais de BaTiO3 independentemente da concentração de bário. O papel dos NTs de titanato no crescimento anisotrópico de BaTiO3 em fase vapor é assim descrito pela primeira vez. Em relação à metodologias de crescimento de partículas na ausência de “moldes” mas com aditivos fez-se um estudo sistemático utilizando 5 aditivos de natureza differente. As diferenças entre aditivos foram sistematizadas tendo em conta as diferenças estruturais e morfológicas verificadas. Está provado que os aditivos podem funcionar como modificadores de crescimento cristalino por alteração do seu padrão de crescimento ou por alteração da cinética de crescimento das faces cristalográficas do cristal. Entre os aditivos testados verificou-se que o ácido poliacrilíco adsorve em faces específicas do BaTiO3 alterando a cinética de crescimento e induzindo a agregação orientada das partículas. O polivinilpirrolidona, o docecilsulfato de sódio e hidroxipropilmetilcelulose actuam mais como inibidores de crescimento do que como modificadores do tipo de crescimento. A D-frutose aumenta a energia de activação da etapa de nucleação não ocorrendo formação de BaTiO3 para as mesmas condições dos outros aditivos. Esta tese clarifica o papel dos NTs de titanato de sódio enquanto precursores e “moldes” no crescimento anisotrópico de BaTiO3 em solução e em fase vapor. É feita também a abordagem do controlo morfológico do BaTiO3 através do uso de aditivos. As estratégias de preparação de BaTiO3 propostas são de baixo custo, reprodutíveis e fáceis de efectuar. Os resultados contribuem para uma melhor compreensão da relação tamanho – morfologia – propriedade em materiais ferroeléctricos nanométricos com vista à sua potencial aplicação.

Radiological imaging in digital systems: the effect of exposure parameters in diagnostic quality and patient dose

Esta tese pretende contribuir para o estudo e análise dos factores relacionados com as técnicas de aquisição de imagens radiológicas digitais, a qualidade diagnóstica e a gestão da dose de radiação em sistema de radiologia digital. A metodologia encontra-se organizada em duas componentes. A componente observacional, baseada num desenho do estudo de natureza retrospectiva e transversal. Os dados recolhidos a partir de sistemas CR e DR permitiram a avaliação dos parâmetros técnicos de exposição utilizados em radiologia digital, a avaliação da dose absorvida e o índice de exposição no detector. No contexto desta classificação metodológica (retrospectiva e transversal), também foi possível desenvolver estudos da qualidade diagnóstica em sistemas digitais: estudos de observadores a partir de imagens arquivadas no sistema PACS. A componente experimental da tese baseou-se na realização de experiências em fantomas para avaliar a relação entre dose e qualidade de imagem. As experiências efectuadas permitiram caracterizar as propriedades físicas dos sistemas de radiologia digital, através da manipulação das variáveis relacionadas com os parâmetros de exposição e a avaliação da influência destas na dose e na qualidade da imagem. Utilizando um fantoma contrastedetalhe, fantomas antropomórficos e um fantoma de osso animal, foi possível objectivar medidas de quantificação da qualidade diagnóstica e medidas de detectabilidade de objectos. Da investigação efectuada, foi possível salientar algumas conclusões. As medidas quantitativas referentes à performance dos detectores são a base do processo de optimização, permitindo a medição e a determinação dos parâmetros físicos dos sistemas de radiologia digital. Os parâmetros de exposição utilizados na prática clínica mostram que a prática não está em conformidade com o referencial Europeu. Verifica-se a necessidade de avaliar, melhorar e implementar um padrão de referência para o processo de optimização, através de novos referenciais de boa prática ajustados aos sistemas digitais. Os parâmetros de exposição influenciam a dose no paciente, mas a percepção da qualidade de imagem digital não parece afectada com a variação da exposição. Os estudos que se realizaram envolvendo tanto imagens de fantomas como imagens de pacientes mostram que a sobreexposição é um risco potencial em radiologia digital. A avaliação da qualidade diagnóstica das imagens mostrou que com a variação da exposição não se observou degradação substancial da qualidade das imagens quando a redução de dose é efectuada. Propõe-se o estudo e a implementação de novos níveis de referência de diagnóstico ajustados aos sistemas de radiologia digital. Como contributo da tese, é proposto um modelo (STDI) para a optimização de sistemas de radiologia digital.

Characterisation of gas and particle emissions from wildfires

Os incêndios florestais são uma importante fonte de emissão de compostos gasosos e de aerossóis. Em Portugal, onde a maioria dos incêndios ocorre no norte e centro do país, os incêndios destroem todos os anos milhares de hectares, com importantes perdas em termos económicos, de vidas humanas e qualidade ambiental. As emissões podem alterar consideravelmente a química da atmosfera, degradar a qualidade do ar e alterar o clima. Contudo, a informação sobre as caraterísticas das emissões dos incêndios florestais nos países do Mediterrâneo é limitada. Tanto a nível nacional como internacional, existe um interesse crescente na elaboração de inventários de emissões e de regulamentos sobre as emissões de carbono para a atmosfera. Do ponto de vista atmosférico da monitorização atmosférica, os incêndios são considerados um desafio, dada a sua variabilidade temporal e espacial, sendo de esperar um aumento da sua frequência, dimensão e severidade, e também porque as estimativas de emissões dependem das caraterísticas dos biocombustíveis e da fase de combustão. O objetivo deste estudo foi quantificar e caraterizar as emissões de gases e aerossóis de alguns dos mais representativos incêndios florestais que ocorreram no centro de Portugal nos verões de 2009 e de 2010. Efetuou-se a colheita de amostras de gases e de duas frações de partículas (PM2.5 e PM2.5-10) nas plumas de fumo em sacos Tedlar e em filtros de quartzo acoplados a um amostrador de elevado volume, respetivamente. Os hidrocarbonetos totais (THC) e óxidos de carbono (CO e CO2) nas amostras gasosas foram analisados em instrumentos automáticos de ionização de chama e detetores não dispersivos de infravermelhos, respetivamente. Para algumas amostras, foram também quantificados alguns compostos de carbonilo após reamostragem do gás dos sacos Tedlar em cartuchos de sílica gel revestidos com 2,4-dinitrofenilhidrazina (DNPH), seguida de análise por cromatografia líquida de alta resolução. Nas partículas, analisou-se o carbono orgânico e elementar (técnica termo-óptica), iões solúveis em água (cromatografia iónica) e elementos (espectrometria de massa com plasma acoplado por indução ou análise instrumental por ativação com neutrões). A especiação orgânica foi obtida por cromatografia gasosa acoplada a espectrometria de massa após extração com recurso a vários solventes e separação dos extratos orgânicos em diversas classes de diferentes polaridades através do fracionamento com sílica gel. Os fatores de emissão do CO e do CO2 situaram-se nas gamas 52-482 e 822-1690 g kg-1 (base seca), mostrando, respetivamente, correlação negativa e positiva com a eficiência de combustão. Os fatores de emissão dos THC apresentaram valores mais elevados durante a fase de combustão latente sem chama, oscilando entre 0.33 e 334 g kg-1 (base seca). O composto orgânico volátil oxigenado mais abundante foi o acetaldeído com fatores de emissão que variaram desde 1.0 até 3.2 g kg-1 (base seca), seguido pelo formaldeído e o propionaldeído. Observou-se que as emissões destes compostos são promovidas durante a fase de combustão latente sem chama. Os fatores de emissão de PM2.5 e PM10 registaram valores entre 0.50-68 e 0.86-72 g kg-1 (base seca), respetivamente. A emissão de partículas finas e grosseiras é também promovida em condições de combustão lenta. As PM2.5 representaram cerca de 90% da massa de partículas PM10. A fração carbonosa das partículas amostradas em qualquer dos incêndios foi claramente dominada pelo carbono orgânico. Foi obtida uma ampla gama de rácios entre o carbono orgânico e o carbono elementar, dependendo das condições de combustão. Contudo, todos os rácios refletiram uma maior proporção de carbono orgânico em relação ao carbono elementar, típica das emissões de queima de biomassa. Os iões solúveis em água obtidos nas partículas da pluma de fumo contribuíram com valores até 3.9% da massa de partículas PM2.5 e 2.8% da massa de partículas de PM2.5-10. O potássio contribuiu com valores até 15 g mg-1 PM2.5 e 22 g mg-1 PM2.5-10, embora em massa absoluta estivesse maioritariamente presente nas partículas finas. Os rácios entre potássio e carbono elementar e entre potássio e carbono orgânico obtidos nas partículas da pluma de fumo enquadram-se na gama de valores relatados na literatura para emissões de queima de biomassa. Os elementos detetados nas amostras representaram, em média, valores até 1.2% e 12% da massa de PM2.5 e PM2.5-10, respetivamente. Partículas resultantes de uma combustão mais completa (valores elevados de CO2 e baixos de CO) foram caraterizadas por um elevado teor de constituintes inorgânicos e um menor conteúdo de matéria orgânica. Observou-se que a matéria orgânica particulada é composta principalmente por componentes fenólicos e produtos derivados, séries de compostos homólogos (alcanos, alcenos, ácidos alcanóicos e alcanóis), açúcares, biomarcadores esteróides e terpenóides, e hidrocarbonetos aromáticos policíclicos. O reteno, um biomarcador das emissões da queima de coníferas, foi o hidrocarboneto aromático dominante nas amostras das plumas de fumo amostradas durante a campanha que decorreu em 2009, devido ao predomínio de amostras colhidas em incêndios em florestas de pinheiros. O principal açúcar anidro, e sempre um dos compostos mais abundantes, foi o levoglucosano. O rácio levoglucosano/OC obtido nas partículas das plumas de fumo, em média, registaram valores desde 5.8 a 23 mg g-1 OC. Os rácios levoglucosano/manosano e levoglucosano/(manosano+galactosano) revelaram o predomínio de amostras provenientes da queima de coníferas. Tendo em conta que a estimativa das emissões dos incêndios florestais requer um conhecimento de fatores de emissão apropriados para cada biocombustível, a base de dados abrangente obtida neste estudo é potencialmente útil para atualizar os inventários de emissões. Tem vindo a ser observado que a fase de combustão latente sem chama, a qual pode ocorrer simultaneamente com a fase de chama e durar várias horas ou dias, pode contribuir para uma quantidade considerável de poluentes atmosféricos, pelo que os fatores de emissão correspondentes devem ser considerados no cálculo das emissões globais de incêndios florestais. Devido à falta de informação detalhada sobre perfis químicos de emissão, a base de dados obtida neste estudo pode também ser útil para a aplicação de modelos no recetor no sul da Europa.

Quantum criptography in optical fibers

As comunicações quânticas aplicam as leis fundamentais da física quântica para codificar, transmitir, guardar e processar informação. A mais importante e bem-sucedida aplicação é a distribuição de chaves quânticas (QKD). Os sistemas de QKD são suportados por tecnologias capazes de processar fotões únicos. Nesta tese analisamos a geração, transmissão e deteção de fotões únicos e entrelaçados em fibras óticas. É proposta uma fonte de fotões única baseada no processo clássico de mistura de quatro ondas (FWM) em fibras óticas num regime de baixas potências. Implementamos essa fonte no laboratório, e desenvolvemos um modelo teórico capaz de descrever corretamente o processo de geração de fotões únicos. O modelo teórico considera o papel das nãolinearidades da fibra e os efeitos da polarização na geração de fotões através do processo de FWM. Analisamos a estatística da fonte de fotões baseada no processo clássico de FWM em fibras óticas. Derivamos um modelo teórico capaz de descrever a estatística dessa fonte de fotões. Mostramos que a estatística da fonte de fotões evolui de térmica num regime de baixas potências óticas, para Poissoniana num regime de potências óticas moderadas. Validamos experimentalmente o modelo teórico, através do uso de fotodetetores de avalanche, do método estimativo da máxima verossimilhança e do algoritmo de maximização de expectativa. Estudamos o processo espontâneo de FWM como uma fonte condicional de fotões únicos. Analisamos a estatística dessa fonte em termos da função condicional de coerência de segunda ordem, considerando o espalhamento de Raman na geração de pares de fotões, e a perda durante a propagação de fotões numa fibra ótica padrão. Identificamos regimes apropriados onde a fonte é quase ideal. Fontes de pares de fotões implementadas em fibras óticas fornecem uma solução prática ao problema de acoplamento que surge quando os pares de fotões são gerados fora da fibra. Exploramos a geração de pares de fotões através do processo espontâneo de FWM no interior de guias de onda com suceptibilidade elétrica de terceira ordem. Descrevemos a geração de pares de fotões em meios com elevado coeficiente de absorção, e identificamos regimes ótimos para o rácio contagens coincidentes/acidentais (CAR) e para a desigualdade de Clauser, Horne, Shimony, and Holt (CHSH), para o qual o compromisso entre perda do guia de onda e não-linearidades maximiza esses parâmetros.

Characterization of water-soluble organic matter from urban aerosols

Water-soluble organic matter (WSOM) from atmospheric particles comprises a complex array of molecular structures that play an important role on the physic-chemical properties of atmospheric particles and, therefore, are linked to several global-relevant atmospheric processes which impact the climate and public health. Due to the large variety of sources and formation processes, adequate knowledge on WSOM composition and its effects on the properties of atmospheric aerosol are still limited. Therefore, this thesis aims at providing new insights on the molecular composition of WSOM from fine atmospheric aerosols typical of an urban area (Aveiro, Portugal). In a first step, adsorption phenomena of semivolatile organic compounds on quartz fibre filters employed in the collection of atmospheric aerosols were assessed. Afterwards, atmospheric aerosol samples were collected during fifteen months, on a weekly basis. A mass balance of aerosol samples was performed in order to set the relative contribution of elemental carbon, WSOM and water-insoluble organic matter to the aerosol mass collected at the urban area of Aveiro, with a special focus on the assessment of the influence of different meteorological conditions. In order to assess the chemical complexity of the WSOM from urban aerosols, their structural characteristics were studied by means of Fourier transform infrared infrared - Attenuated Total Reflectance (FTIR-ATR) and solid-state cross polarization with magic angle spinning 13C nuclear magnetic resonance (CPMAS 13C NMR) spectroscopies, as well as their elemental composition. The structural characterization of aerosol WSOM samples collected in the urban area highlighted a highly complex mixture of functional groups. It was concluded that aliphatic and aromatic structures, hydroxyl groups and carboxyl groups are characteristic to all samples. The semi-quantitative assessment of the CPMAS 13C NMR data showed different distributions of the various functional groups between the aerosol samples collected at different seasons. Moreover, the presence of signals typical of lignin-derived structures in both CPMAS 13C NMR and FTIR-ATR spectra of the WSOM samples from the colder seasons, highlights the major contribution of biomass burning processes in domestic fireplaces, during low temperature conditions, into the bulk chemical properties of WSOM from urban aerosols. A comprehensive two-dimensional liquid chromatography (LC x LC) method, on-line coupled to a diode array, fluorescence, and evaporative light scattering detectors, was employed for resolving the chemical heterogeneity of the aerosol WSOM samples and, simultaneously, to map the hydrophobicity versus the molecular weight distribution of the samples. The LC x LC method employed a mixed-mode hydrophilic interaction column operating under aqueous reversed phase mode in the first dimension, and a size-exclusion column in the second dimension, which was found to be useful for separating the aerosol WSOM samples into various fractions with distinct molecular weight and hydrophobic features. The estimative of the average molecular weight (Mw) distribution of the urban aerosol WSOM samples ranged from 48 to 942 Da and from 45 to 1241 Da in terms of UV absorption and fluorescence detection, respectively. Findings suggest that smaller Mw group fractions seem to be related to a more hydrophobic nature.

Thick-microstructures for MPGDs: simulations and experimental studies

Cherenkov Imaging counters require large photosensitive areas, capable of single photon detection, operating at stable high gains under radioactive backgrounds while standing high rates, providing a fast response and a good time resolution, and being insensitive to magnetic fields. The development of photon detectors based in Micro Pattern Gaseous detectors (MPGDs), represent a new generation of gaseous photon detectors. In particular, gaseous detectors based on stacked Thick-Gaseous Electron Multipliers (THGEMs), or THGEM based structures, coupled to a CsI photoconverter coating, seem to fulfil the requirements imposed by Cherenkov imaging counters. This work focus on the study of the THGEM-based detectors response as function of its geometrical parameters and applied voltages and electric fields, aiming a future upgrade of the Cherenkov Imaging counter RICH-1 of the COMPASS experiment at CERN SPS. Further studies to decrease the fraction of ions that reach the photocathode (Ion Back Flow – IBF) to minimize the ageing and maximize the photoelectron extraction are performed. Experimental studies are complemented with simulation results, also perfomed in this work.

Pathways of oxidative degradation of wine

The production of color/flavor compounds in wine is the result of different interrelated mechanism reactions. Among these, the oxidation phenomenon and the Maillard reaction stands out with particular relevance due to their large impact on the sensory quality of wines and consequently on the product shelflife. The aim of this thesis is to achieve a global vision of wine degradation mechanisms. The identification of mediators’ reactions involved in oxidative browning and aromatic degradation will be attempted based on different detectors. Two approaches are implemented in this work: a “non-target” approach by which relevant analytical tools will be used to merge the information of cyclic voltammetry and Diode-Array (DAD) detectors, allowing a broader overview of the system and the note of interesting compounds, and a “target” approach by which the identification and quantification of the different compounds related to the wine degradation process will be performed using different detectors (HPLC-UV/Vis, LC-MS, GC-MS, and FID). Two different patterns of degradation will be used in this study: wines generated by O2 and temperature perturbations, and synthetic solutions with relevant wine constituents for mechanisms validation. Results clearly demonstrate a “convolution” of chemical mechanisms. The presence of oxygen combined with temperature had a synergistic effect on the formation of several key odorant compounds.The results of this work could be translated to the wine-making and wine-storage environment from the modelling of the analysed compounds.

Modos r de oscilação em estrelas de neutrões

Tese dout., Física - Astrofísica, Universidade do Algarve, 2007

Resiliência, sustentabilidade e qualidade de vida em sistemas urbanos : efeitos da crise (pós-2008) em Portugal e no sistema urbano do oeste

Tese de doutoramento, Geografia (Planeamento Regional e Urbano), Universidade de Lisboa, Instituto de Geografia e Ordenamento do Território, 2014