Η Τομογραφία Εκπομπής Ποζιτρονίων, η οποία συχνά αναφέρεται με βάση το ακρωνύμιό της, PET (Positron Emission Tomography), αποτελεί μία πρωτοποριακή τεχνική απεικόνισης η οποία παρέχει εγκάρσιες τομές της λειτουργίας των διαφόρων δομών του ανθρωπίνου σώματος. Η Τομογραφία PET επιτρέπει την μεταβολική απεικόνιση αυτών των δομών (σε αντίθεση με τις ακτίνες-Χ και την Υπολογιστική Τομογραφία (CT – Computer Tomography) οι οποίες παρέχουν ανατομική απεικόνιση), σε μοριακό επίπεδο, και αυτός είναι ο λόγος που συχνά η Τομογραφία PET αναφέρεται ως μοριακή απεικόνιση. Ειδικότερα, οι τομογράφοι PET για μικρά ζώα (Small Animal PET) οι οποίοι απαιτούν ιδιαίτερα υψηλή διακριτική ικανότητα, διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην βιολογία και στις in-vivo μελέτες της φαρμακοκινητικής των ιχνηθετών και του μεταβολισμού. Σύμφωνα με τη βιβλιογραφία έχουν αναφερθεί διάφοροι τύποι τομογράφων PET, στους οποίους χρησιμοποιήθηκαν διάφοροι τύποι ανιχνευτικών διατάξεων, με διαφορετικό σχεδιασμό σε κάθε περίπτωση. Η τεχνολογία αυτών των τομογράφων βασίζεται στη χρήση μικρών ανόργανων κρυστάλλων, κυρίς αποτελούμενων από BGO, GSO και LSO, οι οποίοι σχηματίζουν ένα block στο οποίο έχει προσαρτηθεί ένας φωτοπολλαπλασιαστής είτε με ευαισθησία θέσης (PS – PMT: Position Sensitive PhotoMultiplier Tube), είτε με πολλαπλές ανόδους (multianode PMT). To BGO (Bismuth Germanate Oxide) είναι το υλικό που χρησιμοποιείται σε αρκετούς εμπορικούς Τομογράφους, έχοντας πλέον αντικαταστήσει το ιωδιούχο νάτριο (ΝαΙ). Ένα πρότυπο σύστημα small animal PET χαμηλού κόστους βρίσκεται υπό ανάπτυξη, προκειμένου να μελετήσουμε τα επιμέρους σχεδιαστικά χαρακτηριστικά του και να μετρήσουμε την απόδοσή του. Ο βασικός block ανιχνευτής αποτελείται από μία 16×16 διάταξη επιμέρους BGO κρυστάλλων διαστάσεων 3.75×3.75×20 mm3, ο οποίος έχει τοποθετηθεί με ειδική διεργασία στην επιφάνεια ενός Hamamatsu R-2486 PSPMT. Με τη χρήση κατάλληλων ηλεκτρονικών διατάξεων και την ανάπτυξη ειδικού λογισμικού πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις της απόδοσης των επιμέρους ανιχνευτών καθώς επίσης και μετρήσεις σχετικές με τους φωτοπολλαπλασιαστές. / Positron Emission Tomography, often referred to by its acronym, PET, is an emerging radiologic modality that yields transverse tomographic images of functioning organs in the human body. PET enables the metabolic imaging of organs (as opposed to the anatomic imaging provided by techniques such as the X-ray imaging or the Computerized Tomography (CT)), in molecular level, and this is the reason why it is characterized as molecular imaging. Especially, small animal PET tomographs which require high spatial resolution can play an important role in biology and studies of in vivo tracer pharmacokinetics and metabolism. Various implementations have been reported in the literature using a variety of detector and design technologies. The basic technology for these scanners is based on small inorganic crystals, mainly from BGO, GSO, and LSO, forming detector blocks read out by position sensitive and multianode PMTs. BGO is the material used in a lot of commercial scanners, having replaced NaI, mainly because BGO has higher stopping power and it is not hygroscopic. We have been developing a low-cost small animal PET prototype, in order to study specific design characteristics and measure its performance. The basic block detector design consists of a 16×16 array of 3.75×3.75×20 mm3 individual BGO crystals coupled to a Hamamatsu R-2486 PSPMT. Measurements of the individual detector performance as well as measurements of the PSPMTs have been performed.

The intensive research aiming at matching the needs of creating more improved gaseous detectors helped in the emergence of more than a dozen of new ones. About in the beginning of the 1990 decade MICROMEGAS detector had been developed by Y. Giomataris and G. Charpak. MICROMEGAS is a gaseous detector based on amplification of electron avalanches in short gaps of the order of 100 μm at atmospheric pressure. It has specific properties of stability with respect to the gap length or gas pressure connected with the region of electric field at which it operates. It combines a good energy resolution, 5.4% FWHM at 22 keV X-rays, excellent position resolution that can reach 12 μm; high rate capability well adapted to particle physics experiments. A simple pre-amplification opens the way for orders of magnitude improvement in rate, and, in some cases, in accuracy in beta ray detection. The ease of construction is illustrated by the availability, for some experiments, of large detectors. The properties of MICROMEGAS open the way for promising applications in radiology, X-ray imaging with intense sources, imaging of neutrons, beta- and gamma-rays. / Η διεξοδική έρευνα προκειμένου να δημιουργηθούν ανιχνευτές αερίου πιο βελτιωμένοι βοήθησε στη δημιουργία χιλιάδων νέων ανιχνευτών. Περίπου στις αρχές της δεκαετίας του ‘90 αναπτύχθηκε από τον Ι. Γιοματάρη και G. Charpak ο MICROMEGAS ανιχνευτής. Ο MICROMEGAS είναι λοιπόν ένας ανιχνευτής αερίου, του οποίου η λειτουργία βασίζεται στην ενίσχυση της χιονοστιβάδας των ηλεκτρονίων σε μικρό κενό της τάξεως των 100 μm σε ατμοσφαιρική πίεση. Έχει συγκεκριμένες ιδιότητες ως προς την ομοιομορφία όσον αφορά το μήκος του κενού ή της πίεσης του αερίου που συνδέεται με τη περιοχή του ηλεκτρικού πεδίου στο οποίο και λειτουργεί. Επιπλέον έχει καλή ενεργειακή διακριτική ικανότητα, 5.4% FWHM σε ακτίνες Χ των 22 keV, υψηλή χωρική διακριτική ικανότητα η οποία μπορεί να φτάσει τα 12 μm• ικανότητα υψηλού ρυθμού μπορεί να αποκτηθεί για πειράματα σωματιδιακής φυσικής. Μια απλή προενίσχυση μπορεί να βελτίωση κατά ένα μέγεθος το ρυθμό και, σε μερικές περιπτώσεις, την ακρίβεια ανίχνευσης της β-ακτινοβολίας. Η απλή δομή του δίνει την ευκολία στη δημιουργία ανιχνευτών μεγάλων διαστάσεων και αυτό βοηθάει σε μερικά πειράματα καθώς επίσης στη βιομηχανία και στην ιατρική. Οι ιδιότητες του MICROMEGAS ανιχνευτή ανοίγει το δρόμο για πολλές εφαρμογές του στην ακτινολογία, την ανίχνευση ακτινών Χ σκληρής δέσμης, καθώς και την ανίχνευση νετρονίων, β- και γ- ακτινοβολιών.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία προσομοιώθηκε μέσω του προγράμματος Simulink ένα φωτοβολταϊκό σύστημα το οποίο αποτελούνταν από ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο των 60W, έναν DC/DC μετατροπέα Buck-Boost και ένα φορτίο. Στη συνέχεια εφαρμόσθηκαν τέσσερις διαφορετικές μέθοδοι ελέγχου στο φωτοβολταϊκό σύστημα με στόχο να λειτουργεί στο σημείο απόδοσης μέγιστης ισχύος (MPP) και συγκρίναμε τα αποτελέσματα της κάθε μια μεθόδου. Οι μέθοδοι που εφαρμόσθηκαν ήταν η μέθοδος Ανοιχτού Κυκλώματος (Open Voltage Method), η μέθοδος Διαταραχής και Παρατήρησης (Perturb and Observe Method), η μέθοδος Διαφορικής Αγωγιμότητας (Incremental Conductance) και προτείναμε και μια βελτιωμένη μέθοδο Διαταραχής και Παρατήρησης (Improved Perturb and Observe Method). / In this diploma thesis a photovoltaic system was simulated with the program Simulink. The photovoltaic system consisted of a photovoltaic panel of 60W, a buck-boost DC/DC converter and a load. Then four different control methods where applied so that the photovoltaic system would operate at the maximum power point (MPP) and the results of each control method were compared. The control methods which were applied were the Open Voltage Method, the Perturb and Observe Method, the Incremental Conductance Method and we proposed an improved Perturb and Observe Method.

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτελεί η ανάπτυξη της πειραματικής Μεθόδου Διέγερσης Επιφανειακών Πλασμονίων (Surface Plasmon Resoanance, SPR) για τη μελέτη διεπιφανειακών φαινομένων και ειδικότερα των ιδιοτήτων ισορροπίας και της κινητικής της προσρόφησης πολυμερών και ολιγομερών στη διεπιφάνεια υγρού / στερεού. Στα πλαίσια της διατριβής, κατασκευάσθηκε εξ’ αρχής πειραματική διάταξη συντονισμού επιφανειακών πλασμονίων, η οποία χρησιμοποιήθηκε για την μελέτη του φαινομένου της προσρόφησης. Παράλληλα αναπτύχθηκε θεωρητικό υπόδειγμα και υπολογιστικά εργαλεία ανάλυσης των πειραματικών μετρήσεων. Με τη χρήση της πειραματικής διάταξης μελετήθηκε η διαδικασία της προσρόφησης γραμμικών και αστεροειδών πολυμερών στη διεπιφάνεια υγρού / στερεού όπως επίσης και τασιενεργών ολιγομερών τα οποία σχηματίζουν Αυτό-οργανούμενα Μονομοριακά Στρώματα (Self Assembled Monolayers) σε επιφάνειες οξειδίου του αλουμινίου. Επιπλέον διερευνήθηκε η επίδραση της αρχιτεκτονικής των πολυμερικών αλυσίδων σε σχέση με την ικανότητά τους να αυτο-οργανώνονται σε στρώματα πολυμερικών ψηκτρών (polymer brushes). Τα πειραματικά αποτελέσματα συγκρίνονται με μετρήσεις οι οποίες έγιναν με τη μέθοδο ανάκλασης νετρονίων. Για την κατανόηση των μικροσκοπικών μηχανισμών που υπεισέρχονται κατά την αυτό-οργάνωση των πολυμερών, γίνεται χρήση θεωρητικών υποδειγμάτων κλίμακας και υπολογιστικών προσομοιώσεων Monte Carlo. Περαιτέρω, μέσω της χρήσης λεπτών στρωμάτων νανο-πορώδους αλουμίνας, προτείνεται μια νέα παραλλαγή της μεθόδου διέγερσης επιφανειακών πλασμονίων η οποία όπως αποδεικνύεται, αυξάνει την ευαισθησία της μεθόδου κατά μια τάξη μεγέθους, στην περίπτωση της ανίχνευσης της προσρόφησης ολιγομερών. Η διατριβή παρουσιάζει ολοκληρωμένα τη χρήση της μεθόδου διέγερσης επιφανειακών πλασμονίων για την αναλυτική μελέτη της προσρόφησης μορίων σε επιφάνειες. Η επέκταση της μεθόδου με τη χρήση νανο-δομημένων υλικών ανοίγει τον δρόμο για πλειάδα νέων εφαρμογών στο πεδίο της ανίχνευσης προσροφημένων μορίων από διαλύματα ιδιαίτερα χαμηλών συγκεντρώσεων. / The objective of the present PhD thesis is the development of the experimental Surface Plasmon Resonance (SPR) method, for the study of interfacial phenomena such as the equilibrium properties and kinetics of polymer and oligomer adsorption at the liquid / solid interface. For the purposes of this work a custom-made experimental apparatus has been build and used for the acquisition of SPR experimental results. A theoretical model and various computational tools were also developed for the analysis of the experimental data. With the aid of this apparatus, the adsorption process of linear and star-like polymers at the liquid / solid interface was studied together with the self-assembly of functional oligomer monolayers on alumina surfaces. In addition, the effect of different chain structure (molecular architecture) on the formation of polymer brush layers was investigated. The experimental results are compared with measurements by neutron reflectivity experiments. For the investigation of the microscopic mechanisms that are involved in the polymer self-assembly, scaling theoretical calculations and Monte Carlo computer simulations were performed. Furthermore, by the use of thin nano-porous alumina films, a new variation of the SPR method is proposed. It is demonstrated, that this improved method is characterized by over one order of magnitude higher sensitivity in the case of the detection of adsorbed oligomers. The present thesis describes in detail the use of the SPR method for the analytical study of molecular adsorption on surfaces. The improvement of the SPR technique by the use of nano-structured materials opens new prospects for many new applications in the field of molecular detection in very dilute solutions.

Τα παραγόμενα πρωτογενή ηλεκτρόνια εντός του φωτοαγώγιμου υλικού ενός μαστογραφικού ανιχνευτή ενεργού μήτρας άμεσης μετατροπής κατά την ακτινοβόληση, αποτελούν το πρωτογενές σήμα το οποίο προχωρώντας σχηματίζει το τελικό σήμα (εικόνα). Έτσι, η ποιότητα της μαστογραφικής εικόνας εξαρτάται άμεσα από τα χαρακτηριστικά των πρωτογενών ηλεκτρονίων. Ερευνώνται οι διαδικασίες σχηματισμού του πρωτογενούς σήματος και τα χαρακτηριστικά των πρωτογενών ηλεκτρονίων σε κατάλληλα φωτοαγώγιμα υλικά, όπως τα a-Se, a-As2Se3, GaSe, GaAs, Ge, CdTe, CdZnTe, Cd0.8Zn0.2Te, ZnTe, PbO, TlBr, PbI2 και HgI2, με την ανάπτυξη μοντέλου προσομοίωσης με τεχνικές Monte Carlo της παραγωγής των πρωτογενών ηλεκτρονίων για διάφορα φάσματα ακτίνων Χ στο μαστογραφικό εύρος ενεργειών. Το μοντέλο προσομοιώνει την αλληλεπίδραση φωτονίων-ύλης και την ατομική αποδιέγερση. Επιπρόσθετα, ειδικότερα για το a-Se, πραγματοποιείται μία προκαταρτική μελέτη της συσχέτισης των χαρακτηριστικών αρχικού και τελικού σήματος, με επίλυση των εξισώσεων του Νεύτωνα για την ολίσθηση των πρωτογενών ηλεκτρονίων στο κενό υπό την επίδραση ενός απλού ηλεκτρικού πεδίου. Για το ίδιο υλικό, αναπτύσσεται αφενός μεν αλγόριθμος υπολογισμού της κατανομής του ηλεκτρικού δυναμικού εντός του ανιχνευτή με χρήση υπάρχουσας αναλυτικής λύσης αφετέρου δε ένα πρωταρχικό μοντέλο Monte Carlo για τις ηλεκτρονιακές αλληλεπιδράσεις. Τα σημαντικότερα ευρήματα είναι: (i) το ποσοστό των πρωτογενών ηλεκτρονίων που εκπέμπονται εμπρόσθια είναι περίπου 60 % με την πιθανότερη πολική γωνία εκπομπής μεταξύ 50ο και 70ο, (ii) τα ηλεκτρόνια εκπέμπονται σε δύο λοβούς γύρω από τις αζιμουθιακές γωνίες φ=0 και π, (iii) περίπου το 80 % των πρωτογενών ηλεκτρονίων παράγεται στο σημείο πρόσπτωσης των ακτίνων Χ ενώ η πλειονότητά τους παράγεται εντός των πρώτων 300 μm από την επιφάνεια του ανιχνευτή, (iv) οι χωρικές κατανομές των ηλεκτρονίων στα a-Se, a-As2Se3, GaSe, GaAs, Ge, PbO και TlBr είναι σχεδόν ανεξάρτητες του μαστογραφικού φάσματος ενώ στα υπόλοιπα υλικά παρουσιάζουν φασματική εξάρτηση, (v) για το πρακτικό μαστογραφικό εύρος (15-40 keV) και στο πρωταρχικό στάδιο της δημιουργίας του σήματος τα a-Se, a-As2Se3 και Ge έχουν την ελάχιστη αζιμουθιακή ομοιομορφία κατά την εκπομπή των ηλεκτρονίων ενώ τα CdZnTe, Cd0.8Zn0.2Te και CdTe τη μέγιστη, το a-Se παρουσιάζει την καλύτερη ενδογενή χωρική διακριτική ικανότητα αλλά το μικρότερο παραγόμενο αριθμό ηλεκτρονίων, το PbO παρουσιάζει το ελάχιστο χώρο παραγωγής πρωτογενών ηλεκτρονίων (ακτίνας R=200 μm, βάθους Dmax=320 μm), ενώ το CdTe το μέγιστο (R=500 μm, Dmax=660 μm), (vi) τέλος, υπάρχουν σημαντικές ενδείξεις ότι τα PbI2 και HgI2 αποτελούν τις καλύτερες επιλογές φωτοαγώγιμου υλικού. / The x-ray induced primary electrons inside the photoconductor of direct conversion digital flat panel mammographic detectors, comprise the primary signal which propagates in the material and forms the final signal (image). Consequently, the quality of the mammographic image strongly depends on the characteristics of primary electrons. An investigation is made concerning the primary signal formation and the characteristics of primary electrons inside a-Se, a-As2Se3, GaSe, GaAs, Ge, CdTe, CdZnTe, Cd0.8Zn0.2Te, ZnTe, PbO, TlBr, PbI2 and HgI2, which are suitable photoconductors for direct detectors. A Monte Carlo model has been developed that simulates the primary electron production inside the materials mentioned for various x-ray spectra in the mammographic energy range. The model simulates the photon interactions and the atomic deexcitations. Furthermore, particularly for a-Se, a preliminary study is made concerning the correlation between the characteristics of primary and final signal, solving Newton’s equations of electron drifting in vacuum under the influence of a simple electric field. For the same material, an algorithm that calculates the electric potential distribution inside the detector from an existing analytical solution has been developed as well as a primitive Monte Carlo model for electron interactions. The most important findings are: (i) the percentage of primary electrons being forwards ejected is approximately 60 % with the most probable polar angles ranging from 50o to 70o, (ii) the electrons prefer to be emitted at two lobes around azimuthal angles φ=0 and π, (iii) approximately 80% of primary electrons are produced at the point of x-ray incidence whereas their majority is produced within the first 300 μm from detector’s surface, (iv) the electron spatial distributions for a-Se, a-As2Se3, GaSe, GaAs, Ge, PbO and TlBr are almost spectral independent while for the rest of materials there is a spectral dependence, (v) at the practical mammographic energies (15-40 keV) and at the primitive stage of signal formation a-Se, a-As2Se3 and Ge have the minimum azimuthal uniformity in electron emission whereas CdZnTe, Cd0.8Zn0.2Te and CdTe the maximum one, a-Se has the best inherent spatial resolution but the minimum number of primary electrons, PbO has the minimum bulk space in which electrons can be produced (radius R=200 μm, depth Dmax=320 μm) whereas CdTe has the maximum one (R=500 μm, Dmax=660 μm), (vi) finally, there is strong evidence indicating that PbI2 and HgI2 could be the best choices for this kind of applications.