Η φωτοκαταλυτική διάσπαση του νερού προς παραγωγή υδρογόνου με χρήση φωτοκαταλύτη διοξειδίου του τιτανίου (TiO2) μελετήθηκε με χρήση τεχνητής ηλιακής ή ορατής ακτινοβολίας Βρέθηκε ότι ο αρχικός ρυθμός της αντίδρασης αυξάνεται σημαντικά με την προσθήκη μικρών ποσοτήτων Pt στην επιφάνεια του ημιαγωγού. Στον καταλύτη αυτό, μελετήθηκε η επίδραση του pH καθώς και της θερμοκρασίας του αιωρήματος στην φωτοκαταλυτική παραγωγή υδρογόνου. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων έδειξαν ότι τόσο η αύξηση του pH όσο και η αύξηση της θερμοκρασίας έως τους 800C οδηγούν σε ενίσχυση του ρυθμού παραγωγής. Ο ρυθμός μπορεί να αυξηθεί περαιτέρω και να διατηρηθεί σε υψηλά επίπεδα για μεγάλους χρόνους ακτινοβόλησης, αν στο υδατικό αιώρημα προστεθεί ποσότητα «δότη ηλεκτρονίων» σε κατάλληλη συγκέντρωση. Πρόκειται για οργανικές ενώσεις (χρωστικές, αλκοόλες, σάκχαρα κ.α.) που απαντώνται σε απόβλητα χημικών βιομηχανιών, οι οποίες δρουν σαν «θυσιαζόμενες» ενώσεις. Ο ρόλος τους είναι η γρήγορη απομάκρυνση των φωτοπαραγόμενων οπών (ριζών υδροξυλίου) ή/και του φωτοπαραγόμενου οξυγόνου, κατά έναν μη αντιστρεπτό τρόπο, εμποδίζοντας έτσι την επανασύνδεση ηλεκτρονίου-οπής ή/και την αντίστροφη αντίδραση Ο2-Η2 Όταν επιτυγχάνεται πλήρης οξείδωση της οργανικής ένωσης (και των ενδιαμέσων της αντίδρασης) σε διοξείδιο του άνθρακα, το οξυγόνο δεν μπορεί πλέον να απομακρυνθεί από την επιφάνεια του φωτοκαταλύτη, με αποτέλεσμα ο ρυθμός παραγωγής Η2 να μειώνεται στα επίπεδα του ρυθμού μόνιμης κατάστασης, που επιτυγχάνεται απουσία «θυσιαζόμενης» ένωσης από το διάλυμα. Οι συνολικά παραγόμενες ποσότητες Η2 και CO2 είναι ευθέως ανάλογες με την ποσότητα του δότη ηλεκτρονίων που αρχικά προτίθεται στο διάλυμα. Επομένως, η παραγωγή υδρογόνου από την φωτοκαταλυτική διάσπαση του νερού με χρήση «θυσιαζόμενων» ενώσεων αποτελεί μια πολλά υποσχόμενη διεργασία καθώς, παράλληλα με τη δυνατότητα παραγωγής υδρογόνου μέσω της ηλιακής ακτινοβολίας, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ταυτόχρονη αποικοδόμηση οργανικών ρύπων που απαντώνται σε υγρά βιομηχανικά απόβλητα. / The production of hydrogen from aqueous TiO2 suspensions illuminated with UV/vis or visible light has been examined It has been found that deposition of Pt (0.5 wt.%) on the semiconductor surface results in an increase of the H2 production rate, which goes through a maximum with time of irradiation and then drops to steady-state values comparable to those obtained over bare TiO2. Both, maximum and steady-state rates obtained over Pt/TiO2 suspensions were found to increase with increasing solution pH and temperature. Addition of small quantities of electron donors (such as dyes, alcohols and sugars) in solution results in significantly enhanced rates of H2 production. Results are explained by considering that organic compounds act as sacrificial agents, which become progressively oxidized toward CO2 by consuming photogenerated holes and/or oxygen. This results in decreased rates of electron-hole recombination and oxygen-hydrogen back reaction and, concomitantly, in increased H2-production rates. The rate of photoinduced hydrogen production depends strongly on the concentration of the sacrificial agent employed and to a lesser extent on solution pH and temperature. When complete mineralization of the sacrificial agent is achieved, photogenerated oxygen can no longer be removed from the photocatalyst surface and the H2-production rate drops to steady-state values, comparable to those obtained in the absence of the organic compound in solution. The amounts of carbon dioxide and “additional” hydrogen produced depend on the nature of the organic additive and are directly proportional to its initial concentration in solution. Quantification of results shows that the overall process may be described as “photoinduced reforming of organic compounds at room temperature”. It is concluded that mineralization of organic pollutants, which are common waste products of biomass processing industries, can be achieved with simultaneous production of H2 fuel. The process may provide an efficient and cost effective method for cleaning up waste streams.

Σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι να εμβαθύνουμε στη λειτουργία φωτοβολταϊκού πλαισίου μονοκρυσταλλικού πυριτίου και μέσα από τα αριθμητικά δεδομένα των μετρήσεων και των υπολογισμών, να αποφανθούμε πώς η λειτουργία σε πραγματικές συνθήκες μπορεί να επηρεάσει την παραγόμενη ισχύ του. Στα πλαίσια αυτά, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις ρεύματος και τάσης, στο χώρο του τμήματος των Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, με φωτοβολταϊκό πλαίσιο μονοκρυσταλλικού πυριτίου ισχύος αιχμής 80 W. Οι μετρήσεις γίνονταν μια φορά την εβδομάδα κατά τη διάρκεια ενός έτους περίπου (2008-2009) και στόχος ήταν να διεξαχθούν μετρήσεις υπό διάφορες συνθήκες ακτινοβολίας και θερμοκρασίας και για αρκετές γωνίες κλίσης ώστε να αποκτήσουμε μια ολοκληρωμένη εικόνα της ενεργειακής του συμπεριφοράς. Στη διάρκεια των μετρήσεων αλλάζαμε την τιμή ενός μεταβλητού φορτίου, για να πάρουμε τη χαρακτηριστική ρεύματος τάσης του συγκεκριμένου πλαισίου και επιπλέον σημειώναμε την ακτινοβολία, τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος, του κυττάρου και της πίσω όψης του, καθώς και της κλίσης τοποθέτησης. Ακόμα ελέγχαμε πώς επηρεάζει τη χαρακτηριστική καμπύλη I-V, και κατά συνέπεια την απόδοση, τυχόν φυσική σκίαση από παρακείμενο αντικείμενο. Ο προσανατολισμός των πλαισίων ήταν πάντα προς το Νότο, ώστε να έχουμε περισσότερες ώρες ηλιοφάνειας, μίας και η Ελλάδα είναι χώρα του βόρειου ημισφαιρίου. Κατά την επεξεργασία των μετρήσεων καταλήξαμε στην βέλτιστη κλίση τοποθέτησης του πλαισίου ανά εποχή και είδαμε πως η ακτινοβολία επιδρά θετικά στην απόδοση του σε αντίθεση με τη θερμοκρασία του κυττάρου που τη μειώνει όταν αυτή αυξάνεται. Τέλος, έγινε μια σύγκριση των τιμών που δίνει ο κατασκευαστής σε εργαστηριακό περιβάλλον με τις τιμές των μετρήσεων για να διαπιστώσουμε τις απώλειες που έχουμε όταν το μονοκρυσταλλικό πλαίσιο λειτουργεί σε πραγματικές συνθήκες. / The aim of this diploma thesis is to take a better look at the operation of a monocrystalline silicon photovoltaic module and through the numerical data of measurements and the calculations, to come to a conclusion about how the operation in real conditions can influence his produced power. Measurements of current and tendency have been made in the area of the department of Electrical and Computer Engineering using a monocrystalline silicon photovoltaic module of peak power 80 W. The measurements took place once a week for about a year (2008-2009) and our goal was to obtain measurements under various conditions of radiation and temperature and for some angles of bent so that we acquire a completed picture of its energy behavior. During the measurements we changed a variable load, in order to form the characteristic curve of current and tendency of the module and we also noted down the radiation, the environmental, the cell and the back side temperature of the module, as well as the bent of placement. Moreover, we checked how a possible natural shading from an adjacent object influences the characteristic I-V curve, and as a result the efficiency of the module. The orientation of the module was always South, in order to gain more hours of sunlight, since Greece is a country of the northern hemisphere. While processing the measurements, we found the optimal bent of placement per season for the module and we saw that the radiation affects positively its efficiency contrary to the cell temperature that decreases the efficiency when increased. Finally, we compare the electrical specifications in laboratorial environment that the constructor gives, with the measurements in order to realise the losses that we have when the monocrystalline module functions in real conditions.

Μετά την πρώτη ενεργειακή κρίση την δεκαετία του ’70 κατά την οποία τα περιορισμένα αποθέματα ενέργειας προκάλεσαν την πρώτη σημαντική αύξηση στην τιμή της ενέργειας, η χρήση ενέργειας στα θερμοκήπια έχει γίνει κύριο ερευνητικό ζήτημα. Η ανάγκη για μείωση του ενεργειακού κόστους είναι σημαντική, γιατί η ενέργεια αποτελεί σημαντικό κλάσμα του συνολικού κόστους παραγωγής. Στις Μεσογειακές χώρες έχει υπολογιστεί ότι η χρήση ενέργειας για έλεγχο των συνθηκών περιβάλλοντος και ειδικότερα για τη θέρμανση, είναι 20% - 30% του συνολικού κόστους παραγωγής, ποσοστό το οποίο στις βορειότερες χώρες αυξάνεται. Ταυτόχρονα, με το έντονο ενδιαφέρον για το παγκόσμιο φαινόμενο του θερμοκηπίου και τις κλιματικές αλλαγές, η χρήση των συμβατικών καυσίμων είναι και πάλι στην πολιτική ατζέντα. Έτσι και η βιομηχανία θερμοκηπίων είναι αντιμέτωπη με οικονομική, πολιτική και κοινωνική πίεση για μείωση της χρήσης ενέργειας και βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης των θερμοκηπίων μέσω τεχνολογικών καινοτομιών. Η κατανάλωση ενέργειας για τη θέρμανση του θερμοκηπίου αποτελεί ένα πολύ σοβαρό πρόβλημα διότι οι απώλειες του θερμοκηπίου σε θερμότητα λόγω των λεπτών τοιχωμάτων του και της κατασκευής του, είναι πολύ μεγάλες, 6-12 φορές μεγαλύτερες από εκείνες ενός συνήθους κτίσματος ίσου όγκου. Η θερμότητα παρέχεται στο θερμοκήπιο κυρίως μέσω συμβατικών συστημάτων θέρμανσης (συστήματα σωληνώσεων θερμού νερού, συστήματα θερμού αέρα) και σε περιορισμένη έκταση με χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ηλιακή, γεωθερμία, βιομάζα). Για να επιτευχθεί με αυτές τις μεθόδους η απαραίτητη θερμοκρασία στο επίπεδο των φυτών, το εσωτερικό του θερμοκηπίου πρέπει να θερμανθεί στην ίδια ή υψηλότερη θερμοκρασία από την επιθυμητή θερμοκρασία των φυτών με αποτέλεσμα την δημιουργία ισοθερμοκρασιακού κλίματος σε ολόκληρο το θερμοκήπιο (όλον κλίμα). Το αποτέλεσμα αυτής της πρακτικής σε όλες τις μελέτες που διεξάγονται είναι ότι, τα θερμοκήπια καταναλώνουν απαράδεκτα υψηλά ποσά ενέργειας σε σχέση με την ενέργεια που απορροφάται από τα φυτά, για να καλύπτουν τις αυξημένες ενεργειακές απώλειες που λόγω κατασκευής παρουσιάζουν. Στην παρούσα διατριβή αναπτύσσεται μια ολοκληρωμένη πρόταση για την δημιουργία ενός "ψυχρού θερμοκηπίου" στο οποίο τα φυτά θα λαμβάνουν απευθείας την ενέργεια που χρειάζονται προκειμένου να φτάσουν και να διατηρήσουν την επιθυμητή για την ανάπτυξή τους θερμοκρασία χωρίς να υπάρχει ανάγκη για αύξηση της θερμοκρασίας του αέρα του θερμοκηπίου. Για τον σκοπό αυτό χρησιμοποιείται σύστημα θέρμανσης με μικρού μήκους υπέρυθρη ακτινοβολία (NIR). Σε αυτά τα συστήματα η θερμότητα μεταδίδεται απευθείας από την πηγή στον δέκτη, στην προκειμένη περίπτωση στα φυτά και το έδαφος και το αποτέλεσμα είναι η δημιουργία ισοθερμοκρασιακού κλίματος μόνο στην περιοχή του φυτικού θόλου (τοπικό κλίμα). Ειδικότερα η παρούσα εργασία αντιμετωπίζει τη θερμική συμπεριφορά του θερμοκηπίου λαμβάνοντας υπόψη όλα τα ουσιαστικά θερμικά φαινόμενα που συμβαίνουν κατά την διάρκεια θέρμανσης (με συμβατικό και με σύστημα θέρμανσης με ακτινοβολία) και παρουσία καλλιέργειας. Γι αυτό τον λόγο δίνεται ιδιαίτερη βαρύτητα στην ανάπτυξη ενός μαθηματικού μοντέλου που προσομοιάζει επαρκώς τις κύριες διαδικασίες μεταφοράς θερμότητας μέσα στο θερμοκήπιο, το οποίο περιλαμβάνει ένα σύνολο λειτουργικών συνθηκών, και στο οποίο καθορίζονται με σχετική ακρίβεια οι παράγοντες που επηρεάζουν την θερμική συμπεριφορά του θερμοκηπίου. Το μοντέλο προσομοίωσης δίνει την δυνατότητα αξιόπιστης περιγραφής του περιβάλλοντος του θερμοκηπίου, και σαφούς εκτίμησης των ενεργειακών αναγκών του και με τις δυο τεχνικές θέρμανσης. Ετσι προσδιορίζεται το εξοικονομούμενο ενεργειακό όφελος που προκύπτει με τη χρήση συστήματος θέρμανσης με ακτινοβολία. Ο έλεγχος της ποιότητας του μοντέλου προσομοίωσης και η περαιτέρω βελτίωσή του γίνεται με σύγκριση των θεωρητικών αποτελεσμάτων με πειραματικά δεδομένα, η συλλογή και επεξεργασία των οποίων αποτελεί τον πυρήνα της έρευνας. Τα πειραματικά δεδομένα προέρχονται από πειράματα που διεξήχθησαν σε δύο πειραματικά θερμοκήπια συζευγμένα με αυτόματο μετεωρολογικό σταθμό, στα οποία εφαρμόζεται συμβατικό σύστημα θέρμανσης και θέρμανση με υπέρυθρη ακτινοβολία αντίστοιχα. Αυτό δίνει την δυνατότητα πιστοποίησης των δυνατοτήτων της θέρμανσης με ακτινοβολία και ποσοτικοποίησης του ενεργειακού οφέλους που επιτυγχάνεται. Συμπερασματικά, η συστηματική θεωρητική και πειραματική μελέτη ενός "ψυχρού" θερμοκηπίου με χρήση μικρού μήκους υπέρυθρης ακτινοβολίας (NIR) και ενός "θερμού θερμοκηπίου" με χρήση συμβατικού συστήματος θέρμανσης αναδεικνύουν το κύριο πλεονέκτημα της υπέρυθρης ακτινοβολίας, δηλαδή η θερμότητα να μεταδίδεται απευθείας από το σύστημα ακτινοβολίας στα φυτά και το έδαφος χωρίς να παρεμβάλεται ο αέρας του εσωτερικού περιβάλλοντος του θερμοκηπίου. Αυτό οδηγεί σε ομοιομορφία θέρμανσης του φυτικού θόλου και ταυτόχρονα σε σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας της τάξεως του 40-50%. / After the first energy crisis in the seventies during which limited energy supplies led to an important increase in energy prices, greenhouse energy consumption has again become a major research issue. The energy cost reduction need is significant, since energy forms a substantial fraction of the total production costs. In Mediterranean countries it has been estimated that energy consumption for environment conditions control and more specifically for heating, consists 20% - 30% of total production cost, a percentage that is higher in northern countries. Moreover, due to the recent pronounced interest in the global greenhouse effect and climatic change, the use of fossil fuels is once again in the political agenda. Therefore the greenhouse industry is confronted with economical, political and social pressure to reduce energy usage and improve the greenhouse energy efficiency via technological innovations. Energy consumption for greenhouse heating represents a serious concern because greenhouse heat losses due to thin covers and construction specifics are 6-12 times higher than those of a common building of equal volume. Traditionally, thermal energy is transmitted to the greenhouse mainly through conventional heating systems (either by hot water circulation through a piping system or by air heaters) and, in a limited scale, through renewable energy sources (solar, geothermal, biomass). In order for the plants to reach required temperature through these methods, the greenhouse interior has to be heated to the same or even to a slightly higher temperature than the value targeted for the plants (entire climate). This practice results in extremely increased heat losses compared to the energy absorbed by plants, because of the increased energy losses due to construction specifications. The present thesis formulates a complete proposal for the creation of a "cold greenhouse" where plants will directly receive the needed energy in order to reach and preserve the desirable growth temperature without having to increase the internal greenhouse air temperature. The near infrared radiation (NIR) is used for this purpose. In the radiation system, heating is transmitted straight from the source to the receiver, in this particular case plants and soil. The result is an isothermal climate formation in the plant canopy (local climate). Specifically this study investigates the greenhouse thermal performance taking into account all the essential thermal phenomena that take place during heating (conventional and IR heating) and cultivation. For this reason, emphasis is given to the development of a mathematical model that simulates the main heating transfer procedures inside the greenhouse, takes into account a sum of operational conditions and determines all factors influencing the greenhouse thermal performance with relevant accuracy. The simulation model allows a credible description of greenhouse environment as well as a clear estimation of its energy needs with both heating systems. Thus the resulting energy saving by IR heating usage is determined. Quality control of the simulation model and its forward improvement is done by comparing the theoretical results with experimental data. Collecting and processing these data forms the research kernel. The experimental data correspond to experiments that took place in two experimental greenhouse connected with automatic meteorological station where conventional and IR heating have been used respectively. This method makes possible the identification of IR heating potential and quantification of energy saving. Concluding, the systematic theoretical and experimental study of a "cold" greenhouse using near IR heating, and of a "warm" greenhouse using conventional heating, proves the main advantage of IR heating that is that, the heat is directly transferred from the radiation system to the plants and the soil without interference of the internal greenhouse air. This leads to uniform heating of the plant canopy and at the same time to a significant energy saving of 40-50%.

Η υπερθερμία αποτελεί μια επικουρική μέθοδο θεραπείας του καρκίνου και η βιοϊατρική έρευνα τις τελευταίες δεκαετίες, με σκοπό την εκμετάλλευση και την ανάδειξη των ιδιοτήτων της μεθόδου, στοχεύει στην εφαρμογή της στην κλινική πράξη. Μία προσπάθεια με παρόμοιο σκοπό γίνεται τα τελευταία χρόνια στο Εργαστήριο Μικροκυμάτων και Οπτικών Ινών (ΕΜΟΙ) της σχολής Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών (ΗΜΜΥ) του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου, όπου έχει σχεδιαστεί και κατασκευαστεί ένα σύστημα υπερθερμίας. Το προτεινόμενο σύστημα ενσωματώθηκε σε ένα τρισδιάστατο σύστημα παθητικής μικροκυματικής ραδιομετρικής απεικόνισης (ΜiRaIS) για διαγνωστικές εφαρμογές εγκεφάλου, το οποίο μελετήθηκε και κατασκευάστηκε στα πλαίσια διδακτορικής διατριβής στο ίδιο εργαστήριο της σχολής ΗΜΜΥ. Στην παρούσα διπλωματική εργασία γίνεται η θεωρητική και πειραματική μελέτη του προτεινόμενου συστήματος της υπερθερμίας. Η αρχή λειτουργίας του είναι όμοια με αυτή του MiRaIS και βασίζεται στη χρήση μια ελλειψοειδούς αγώγιμης κοιλότητας για εστίαση της ακτινοβολίας επιλεκτικά στους ιστούς που χρήζουν θεραπείας. Ο ανακλαστήρας για εστίαση, που κατασκευάστηκε και χρησιμοποιήθηκε στην πειραματική διαδικασία, βελτιώνει την εργονομία του συστήματος, διατηρώντας παράλληλα της ιδιότητες εστίασης του πρωτότυπου ελλειψοειδούς. Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας πραγματοποιήθηκε θεωρητική μελέτη και μοντελοποίηση της διάταξης με σκοπό τη βελτίωση των ιδιοτήτων εστίασής της, καθώς και πειραματικές μετρήσεις του συνολικού συστήματος υπερθερμίας-μικροκυματικής ραδιομετρίας. Στη θεωρητική μελέτη, με χρήση του λογισμικού xFDTD που βασίζεται στη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών στο πεδίο του χρόνου, ερευνώνται δυο μέθοδοι για τη βελτίωση των ιδιοτήτων εστίασης του συστήματος (βάθος διείσδυσης της ακτινοβολίας, χωρική διακριτική ικανότητα) με τη χρήση διηλεκτρικών υλικών. Τα υλικά αυτά τοποθετούνται στο εσωτερικό του ελλειψοειδούς καθώς και γύρω από το μοντέλο κεφαλιού ως στρώματα προσαρμογής για την επίτευξη βηματικής αλλαγής της διηλεκτρικής σταθεράς στη διεπιφάνεια αέρα-μοντέλο ανθρώπινου κεφαλιού. Στην πρώτη προσέγγιση, το εσωτερικό του ελλειψοειδούς ανακλαστήρα γεμίζει με διηλεκτρικό υλικό χαμηλών απωλειών, με τα αποτελέσματα να δείχνουν σημαντική βελτίωση της χωρικής διακριτικής ικανότητας του συστήματος. Στη δεύτερη προσέγγιση του προβλήματος, χρησιμοποιείται ένα ημισφαίριο από διηλεκτρικό γύρω από το μοντέλο κεφαλιού, με τα αποτελέσματα να δείχνουν την αντίστοιχη βελτίωση της χωρικής διακριτικής ικανότητας και παράλληλα σημαντική μείωση των ανεπιθύμητων περιοχών εστίασης της ενέργειας. Η πειραματική διάταξη τοποθετήθηκε σε ανηχοϊκό θάλαμο, όπου και πραγματοποιήθηκαν όλες οι μετρήσεις. Παράλληλα με τα πειράματα υπερθερμίας, μελετήθηκε η δυνατότητα εφαρμογής της μεθόδου της μικροκυματικής ραδιομετρίας με τη γεωμετρία του προτεινόμενου συστήματος. Η μέθοδος της μικροκυματικής ραδιομετρίας θα μπορούσε να παρέχει τον έλεγχο της θερμοκρασίας της ακτινοβολούμενης περιοχής κατά τη διάρκεια των συνεδριών της υπερθερμίας. Στις πειραματικές διαδικασίες που ακολουθήθηκαν, χρησιμοποιήθηκαν ομοιώματα νερού, τα οποία στη φάση της υπερθερμίας υπέδειξαν τις περιοχές εστίασης της ενέργειας για τη συχνότητα ακτινοβολίας, ενώ στη φάση της μικροκυματικής ραδιομετρίας βοήθησαν στη μελέτη της θερμοκρασιακής διακριτικής ικανότητας του συστήματος. Επίσης, διενεργήθηκαν μετρήσεις με στρώματα προσαρμογής από διηλεκτρικά υλικά, τα οποία τοποθετούνταν γύρω από το αντικείμενο ενδιαφέροντος, για την πληρέστερη κατανόηση της επίδρασης των υλικών αυτών στις ιδιότητες εστίασης του συστήματος και για την επιβεβαίωση των αντίστοιχων θεωρητικών αποτελεσμάτων. / The application of hyperthermia process has been widely used in clinical research and efforts are being made for its implementation in clinical practice, as many researchers have used this method as an adjunct treatment procedure for cancer. During the past two decades, a great deal of research has been carried out, with the aim of developing effective techniques for hyperthermia treatment, primarily using RF, microwave, and ultrasound energy. A similar effort is carried out in the Laboratory of Microwaves and Fiber Optics (MFOL), School of Electrical and Computer Engineering, National Technical University of Athens (NTUA), where a proposed hyperthermia system has been designed and constructed. A system for deep brain hyperthermia treatment, designed to also provide passive measurements of temperature and/or conductivity variations inside the human body, is presented in this paper. The proposed system comprises both therapeutic and diagnostic modules, operating in a totally contactless way, based on the use of an ellipsoidal beamformer to achieve focusing on the areas under treatment and monitoring. The radiometry monitoring module, the Three Dimensional Passive Microwave Radiometry Imaging System (MiRaIS), has been studied, designed and constructed in the framework of a PhD thesis in the same laboratory of MFOL. In the present thesis, the proposed system is theoretically and experimentally studied. The operation principal is based on the use of an ellipsoidal conductive wall cavity for focusing the emitted radiation on the tissues that should accept treatment. The ellipsoidal cavity, which was constructed and used in the experimentation procedure, is newly developed and improves the system’s ergonomy retaining at the same time the focusing properties of the prototype system. In the framework of the present study, theoretical modelling and experimentation of the proposed system was carried out in order to examine and improve its focusing attributes. In the theoretical study, two methods for the improvement of the system’s focusing properties (e.g. penetration depth of the electromagnetic field, spatial sensitivity) using dielectric materials are tested with the use of a commercially available software tool, xFDTD (x-Finite Difference Time Domain). The materials are placed inside the ellipsoidal or used as matching layers around the head model for the achievement of a stepped change of the refraction index on the air-human head model interface. In the first approach, the ellipsoidal volume is filled with a low loss dielectric material in order to improve the system’s spatial sensitivity. In the second approach, a hemi-sphere also filled with a dielectric material is placed around the human head model and the results revealed the improvement of the system’s spatial sensitivity and the reduction of the undesirable auxiliary energy-absorbing areas. The experiments were performed inside an anechoic chamber providing maximum accuracy by avoiding any external interference. Along with the hyperthermia experiments, the implementation of the microwave radiometry process was also tested with the proposed system. Microwave radiometry could provide the temperature monitoring of the radiated area during the hyperthermia sessions. In the experimental procedures water phantoms were used, which during hyperthermia indicated the energy-absorbing areas at the irradiation frequency, and during microwave radiometry revealed the system’s temperature sensitivity. Also, measurements were conducted using dielectric matching layers, placed around the medium of interest, in order to fully understand the effect of those materials on the system’s focusing properties as well as to confirm the respective theoretical results. Taking into consideration the present study and the advantage of the non invasive character of the proposed brain hyperthermia system, it is concluded that further research is required in order to explore its potentials at becoming a part of the standard treatment protocol of brain malignancy in the future.

Η υπερθερμία αποτελεί μια επικουρική μέθοδο θεραπείας του καρκίνου και η βιοϊατρική έρευνα τις τελευταίες δεκαετίες, με σκοπό την εκμετάλλευση και την ανάδειξη των ιδιοτήτων της μεθόδου, στοχεύει στην εφαρμογή της στην κλινική πράξη. Μια προσπάθεια με παρόμοιο σκοπό γίνεται τα τελευταία χρόνια στο Εργαστήριο Μικροκυμάτων και Οπτικών Ινών (ΕΜΟΙ) της σχολής Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών (ΗΜΜΥ) του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου, όπου έχει σχεδιαστεί και κατασκευαστεί ένα μικροκυματικό σύστημα υπερθερμίας. Το προτεινόμενο σύστημα ενσωματώθηκε σε ένα τρισδιάστατο σύστημα παθητικής μικροκυματικής ραδιομετρικής απεικόνισης (ΜiRaIS), το οποίο παρέχει τη δυνατότητα παρακολούθησης των μεταβολών της θερμοκρασίας και της αγωγιμότητας της υπό εξέταση περιοχής σε πραγματικό χρόνο και μελετήθηκε και κατασκευάστηκε στα πλαίσια παλαιότερης διδακτορικής διατριβής στο ίδιο εργαστήριο της σχολής ΗΜΜΥ. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή γίνεται η θεωρητική και πειραματική μελέτη του προτεινόμενου συστήματος υπερθερμίας. Η αρχή λειτουργίας του συστήματος είναι όμοια με εκείνη του MiRaIS και βασίζεται στη χρήση μιας ελλειψοειδούς αγώγιμης κοιλότητας για εστίαση της ακτινοβολίας επιλεκτικά στους ιστούς που χρήζουν θεραπείας. Ο ανακλαστήρας για εστίαση που κατασκευάστηκε και χρησιμοποιήθηκε στην πειραματική διαδικασία, βελτιώνει την εργονομία του συστήματος, διατηρώντας παράλληλα της ιδιότητες εστίασης του πρωτότυπου ελλειψοειδούς. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής πραγματοποιήθηκε αρχικά η θεωρητική μελέτη και μοντελοποίηση της διάταξης με σκοπό την εξακρίβωση των ιδιοτήτων εστίασης του συστήματος και στη συνέχεια επιχειρήθηκε η βελτίωση των ιδιοτήτων αυτών με χρήση διατάξεων διηελκτρικών υλικών, καθώς και πειραματικές μετρήσεις του συνολικού συστήματος υπερθερμίας-μικροκυματικής ραδιομετρίας. Η θεωρητική ηλεκτρομαγνητική μελέτη του συστήματος έγινε με τη χρήση ενός εμπορικά διαθέσιμου υπολογιστικού πακέτου προσομοίωσης (XFdtd, Remcom Inc.), το οποίο χρησιμοποιεί τη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών στο πεδίο του χρόνου για την επίλυση ηλεκτρομαγνητικών προβλημάτων. Ερευνώνται τρεις διατάξεις διηλεκτρικών υλικών με σκοπό τη βελτίωση των ιδιοτήτων εστίασης του συστήματος, οι οποίες επικεντρώνονται στη μελέτη του βάθους διείσδυσης της ακτινοβολίας και της χωρικής διακριτικής ικανότητας. Τα υλικά τοποθετούνται είτε στο εσωτερικό του ελλειψοειδούς είτε γύρω από το μοντέλο κεφαλιού ως στρώματα προσαρμογής, με σκοπό την επίτευξη βηματικής αλλαγής της διηλεκτρικής σταθεράς στη διεπιφάνεια αέρα-μοντέλο ανθρώπινου κεφαλιού. Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν τα πλεονεκτήματα από τη χρήση των διηλεκτρικών υλικών, καθώς παρουσιάζεται βελτίωση και στις δυο παραμέτρους των ιδιοτήτων εστίασης, ανάλογα με τη διάταξη που χρησιμοποιείται, τη θέση του μοντέλου κεφαλιού στο εσωτερικό του συστήματος και τη συχνότητα λειτουργίας. Για τη διενέργεια των πειραμάτων, η πειραματική διάταξη τοποθετήθηκε σε ανηχοϊκό θάλαμο, ο οποίος εξασφαλίζει την απομόνωσή της από τον περιβάλλοντα χώρο. Στις πειραματικές διαδικασίες που ακολουθήθηκαν, χρησιμοποιήθηκαν ομοιώματα, τα οποία στη φάση της υπερθερμίας υπέδειξαν τις περιοχές εστίασης της ενέργειας για την εκάστοτε συχνότητα ακτινοβολίας, ενώ στη φάση της μικροκυματικής ραδιομετρίας βοήθησαν στη μελέτη της θερμοκρασιακής διακριτικής ικανότητας του συστήματος. Η μέθοδος της μικροκυματικής ραδιομετρίας χρησιμοποιήθηκε για την παρακολούθηση των μεταβολών της θερμοκρασίας της ακτινοβολούμενης περιοχής κατά τη διάρκεια των συνεδριών της υπερθερμίας. Επίσης, κατά τη διάρκεια των πειραμάτων πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις με στρώματα προσαρμογής από διηλεκτρικά υλικά, τα οποία τοποθετήθηκαν γύρω από το αντικείμενο ενδιαφέροντος και βοήθησαν στην πληρέστερη κατανόηση της επίδρασης της παρουσίας τους στις ιδιότητες εστίασης του συστήματος και στην επιβεβαίωση των αντίστοιχων θεωρητικών αποτελεσμάτων. / The application of hyperthermia process has been widely used in clinical research and efforts are being made for its implementation in clinical practice, as many researchers have used this method as an adjunct treatment procedure for cancer. During the past two decades, a great deal of research has been carried out, with the aim of developing effective techniques for hyperthermia treatment, primarily using RF, microwave and ultrasound energy. A similar effort is carried out in the Laboratory of Microwaves and Fiber Optics (MFOL), School of Electrical and Computer Engineering, National Technical University of Athens (NTUA), where a proposed hyperthermia system has been designed and constructed. A system for deep brain hyperthermia treatment, designed to also provide passive measurements of temperature and/or conductivity variations inside the human body, is presented in the present PhD thesis. The proposed system comprises both therapeutic and diagnostic modules, operating in a totally contactless way, based on the use of an ellipsoidal beamformer to achieve focusing on the areas under treatment and monitoring. The radiometry monitoring module, the Three Dimensional Passive Microwave Radiometry Imaging System (MiRaIS), has been studied, designed and constructed in the framework of a previous PhD thesis in the same laboratory of MFOL. In the present thesis, the proposed system is theoretically and experimentally studied. The operation principal is based on the use of an ellipsoidal conductive wall cavity for focusing the emitted radiation on the tissues that should accept treatment. The ellipsoidal cavity, which was constructed and used in the experimentation procedure, is newly developed and improves the system’s ergonomics retaining at the same time the focusing properties of the prototype system. In the framework of the present work, theoretical modeling and experimentation of the proposed system is carried out in order to examine and improve its focusing attributes. In the theoretical study, three setups are investigated for the improvement of the system’s focusing properties (e.g. penetration depth of the electromagnetic field, spatial sensitivity) using dielectric materials. The research is carried out with the use of a commercially available software tool, XFdtd (Remcom Inc.). The materials are placed inside the ellipsoidal or used as matching layers around the head model for the achievement of a stepped change of the refraction index on the air-human head model interface. The results revealed the possible advantages of using matching dielectric materials, as improvement on the focusing properties of the system is clearly observed, depending on the setup used, the position of the head model inside the system and the operating frequency. The experiments were performed inside an anechoic chamber providing maximum accuracy by avoiding all possible EMC/EMI issues. Along with the hyperthermia experiments, the implementation of the microwave radiometry process was also tested with the proposed system. Microwave radiometry could provide the temperature monitoring of the radiated area during the hyperthermia sessions. In the experimental procedures water phantoms were used, which during hyperthermia indicated the energy absorbing areas at the irradiation frequency, while during microwave radiometry revealed the system’s temperature sensitivity. Also, measurements were conducted using dielectric matching layers, placed around the medium of interest, in order to fully understand the effect of those materials on the system’s focusing properties as well as to confirm the respective theoretical results. Taking into consideration the present study and the advantage of the non invasive character of the proposed brain hyperthermia system, it is concluded that further research is required in order to explore its potentials at becoming a part of the standard treatment protocol of brain malignancy in the future.