Texte allégé de: Thèse de doctorat--Clermont-Ferrand 2, 1993. / Bibliogr. p. 373-390.

A fault detection and correction methodology for user positioning systems based on Kalman filtering is presented in this thesis. To develop this methodology, various aspects of the design of positioning systems are taken into account, such as the dynamic models of the systems, the definition of the estimation technique, the available technology and the environment (to identify disturbances that can affect the systems).In the first phase, the available technologies were identified, and the algorithms and the physical-mathematical models were defined for the positioning systems for both indoor and outdoor environments. The Dead Reckoning (DR) algorithm was included for this reason, because it can be applied in both environments. This algorithm allows the pedestrian's position to be obtained while s/he is walking. Given that one of the main parameters of DR is the pedestrian's step length, a careful analysis was carried out to determine it. Algorithms that allow, first, detection of a step and, second, calculation of its length are therefore presented here.An integrated system based on UWB and inertial technologies (IMU) is proposed for indoor environments. This system uses the information about the step length to improve the information provided by the UWB system. The system that was defined for outdoor environments is a GPS­IMU system based on the DR algorithm. Data fusion is carried out by means of Kalman filtering for both systems. In the GPS­IMU­DR system, the errors of the azimuth bias and the step length are obtained by means of Kalman filtering, which allows the DR parameters to be corrected and, consequently, the pedestrian's position can be obtained with greater accuracy.In the next phase, the fault detection and correction methodology is developed. This is based on the principles of causal diagnosis using the theory of possibility. This methodology is proposed in order to prevent the introduction of erroneous information into the Kalman filter. In order to carry this out, failure states of the sensor systems are defined and corrective measures are applied when one or more of those states are present. These states are defined taking into account the empirical knowledge of the behaviour of the system. The performance of the filters was also monitored. This consists in the continuous evaluation of their innovations and, in case of inconsistency, corrective measures are applied to the parameters of the filters.The experiments, for the proposed systems, presented results that improved their initial response to a considerable degree. For the UWB­IMU system, an analysis that involves the detection of inconsistencies of the filter is presented, while for the GPS­IMU­DR system the fault detection and correction methodology is applied. In the UWB­IMU system, the corrective measures introduced into to the Kalman filter allowed both consistent filtering and a soft signal to be obtained, i.e. most of the reflections of the signal provided by the UWB system were eliminated. The results of the GPS­IMU­DR system indicated that by implementing the methodology developed here, consistent filtering was obtained and the values of the azimuth and the step length were corrected properly. As a result more exact pedestrian trajectories were obtained.

The Earth is continuously monitored by sensors capable of providing diversified information about several phenomena. In particular Synthetic Aperture Radar (SAR) is able to observe the Earth in all-day and all-weather conditions. Differential SAR Interferometry (DInSAR) regards a set of techniques able to measure displacement of the terrain. In the last decades these techniques have become very powerful geodetic tools for land deformation monitoring and have gained a prominent role in several fields, ranging from geophysical to engineering, from commercial to civil protection purposes. Measurements of direction and magnitude of landslides phenomena, monitoring of subsidence movements due to natural events or human activity are some examples of DInSAR applications. These techniques allow not only the analysis of a single deformation episode but also to estimate, with millimetric precision, the temporal evolution of large-scale deformations phenomena occurring on the Earth surface. This research covers transversally several aspects within the DInSAR applications and particularly is focused on analyzing step by step the DInSAR algorithm of the Coherent Pixel Technic (CPT) developed by the Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) highlighting the conditions for a correct estimation of the solution. The achieved precision can be really high but anyway it is important to understand all the limitations that can change from one data-set to another. Particular attention has been paid on analyzing the different deteriorating factors that can affect the estimation, such as the quality of the data, the atmospheric artifacts or the spatial and temporal sampling of the phenomenon. In this regard, a theoretical study on the propagation of the interferometric phase noise has been carried out and validated through simulations. For reducing the impact of the interferometric phase noise normally only pixels with a certain quality can be processed. These pixels can be selected through different methods described in detail in the literature. On the one hand, each selection technique is able to detect a specific kind of target at a determined resolution. On the other hand, there is an obvious compromise between the quality and the pixels¿ density over the scene. Indeed, working with high densities could increase the reliability and the accuracy of the final result as long as poor quality pixels are not included in the processing. In this regard, in this Thesis a combination of the different kinds of targets has been studied with the objective of a joint processing at different resolutions. Finally the constant growth of the spaceborne, airborne and ground-based SAR sensors in terms of technology and number of available devices could be the beginning for exploiting at the same time different data-set in a joint processing. The integration of data coming from different sensors with different orbits, different resolution, different carrier frequencies and incidence angles can help in covering in a better way a complex displacement scenario and can provide more complete information. / La Tierra está continuamente monitorizada por una gran variedad de sensores e instrumentos capaces de extraer información muy diversa de distintos fenómenos geofísicos. En este contexto, los Radares de Apertura Sintética (SAR) orbitales, terrestres o aerotransportados, están protagonizando un interés creciente, ya que permiten monitorizar escenarios de naturaleza muy diversa con independencia de las condiciones meteorológicas, operando tanto de día como de noche. Entre las diferentes aplicaciones que permiten explotar imágenes SAR, la Interferometría Diferencial SAR (DInSAR) ha adquirido una gran relevancia, permitiendo la monitorización de desplazamientos complejos de forma remota y con una elevada precisión. De hecho, en las últimas décadas, esta técnica se ha convertido en una herramienta geodésica de gran utilidad para el control del desplazamiento de superficies, adquiriendo un papel muy destacado en una gran variedad de áreas de investigación y comerciales: mediciones de dirección y magnitud en deslizamientos, control de fenómenos de subsidencia debido a eventos naturales o actividades humanas, etc. Las técnicas DInSAR no sólo permiten medir un episodio de deformación aislado sino también estimar, con precisiones milimétricas, la evolución temporal de desplazamientos de gran escala. En la presente Tesis doctoral se investigan de forma transversal varios aspectos en el marco de aplicaciones DInSAR y, en particular y de una forma más exhaustiva, el algoritmo Coherent Pixel Technique (CPT) desarrollado por la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC), remarcando las condiciones de contorno necesarias para la correcta estimación de las soluciones. A pesar de que la precisión en los resultados obtenidos puede ser elevada, es de extremada importancia analizar en profundidad las limitaciones existentes para los distintos escenarios posibles. En este contexto, se ha prestado una especial atención al análisis de los diferentes factores de error que pueden afectar a la estimación, tales como la calidad de los datos, los artefactos atmosféricos o el muestreo espacial y temporal del fenómeno bajo observación. Con este propósito, se ha desarrollado un estudio teórico detallado relacionado con la propagación del ruido de fase interferométrica a lo largo de la cadena de procesado DInSAR, que a su vez ha sido validado mediante datos simulados. Con el objetivo de reducir el impacto del ruido de fase interferométrica, únicamente aquellos píxeles del escenario que cumplen con unos ciertos parámetros de calidad de fase deben ser incluidos en el procesado. Estos píxeles pueden ser seleccionados previamente a través de diferentes metodologías que se describen en detalle en la literatura. Por un lado, ha de tenerse en cuenta que cada una de estas técnicas es adecuada para un determinado tipo de blanco y resolución. Por otro lado, ha de remarcarse que existe un compromiso claro entre calidad y densidad. Efectivamente, trabajar con densidades elevadas favorece la fiabilidad del procesado y la utilidad de los resultados finales, siempre y cuando no sea a expensas de incluir píxeles de mala calidad. Con este propósito, en este trabajo de Tesis doctoral se propone la combinación de los distintos tipos de blanco a distintas resoluciones, obtenidos con los distintos métodos de selección disponibles, para la realización de un procesado conjunto. Finalmente, el crecimiento de sensores SAR aerotransportados y terrestres, en términos de tecnología y número de dispositivos disponibles, podría ser el comienzo para la explotación conjunta de datos desde múltiples plataformas. En este contexto, se muestra como la integración de los datos procedentes de diferentes sensores con distintas órbitas, resolución, frecuencia y ángulo de incidencia favorecen la obtención de mayores coberturas y mejoran el proceso de estimación de desplazamiento, dando lugar a una información más completa y detallada.

Donat que la nostra societat és cada cop més dependent de la tecnologia, i perquè la tecnologia és vulnerable als processos de l’alta atmosfera que tenen el seu origen en el Sol, la nostra mirada es dirigeix progressivament vers la comprensió dels mecanismes concrets que possibiliten la connexió Sol - Terra, tractant-se avui dia d’una disciplina on la recerca va clarament en augment. L’acoblament de l’alta atmosfera amb la magnetosfera és, doncs, important per tal d’entendre processos que afecten el nostre planeta a escala global. Aquesta darrera baula en la complexa cadena d’esdeveniments que comencen en la nostra estrella té com a principal destinatària la ionosfera d’altes latituds, on es dipositen quantitats considerables d’energia i moment del vent solar. El camp magnètic terrestre juga un paper clau en aquesta interacció, on els corrents elèctrics que circulen al llarg de les línies de camp magnètic, altament conductores, es poden assimilar als cables d’un circuit que es tanca a través de la càrrega elèctrica (en terminologia de circuits) que constitueix la ionosfera d’altes latituds. La missió satel•litària Active Magnetosphere and Planetary Electrodynamics Response Experiment (AMPERE) ha proporcionat, per primera vegada, instantànies dels corrents alineats al camp amb una resolució espaial i temporal sense precedents, oferint així una oportunitat per alimentar un reconegut model físic de l’alta atmosfera de la Terra com el National Center for Atmospheric Research Thermosphere-Ionosphere-Electrodynamics General Circulation Model (NCAR TIE-GCM). En un primer pas, hem utilitzat les dades d’AMPERE en l’equació de continuïtat del corrent entre la magnetosfera i la ionosfera per tal de forçar l’electrodinàmica del TIE-GCM, i hem validat els resultats tot comparant l’output corresponent a les variacions magnètiques en superfície amb dades geomagnètiques d’observatoris a diferents latituds i per a diferents condicions geofísiques. En una segona fase, hem introduït conductivitats ionosfèriques compatibles amb sectors de corrents alineats ascendents elevats, corresponents a electrons que es desplomen com a resultat d’una acceleració descendent deguda a camps elèctrics paral•lels que s’acumulen al llarg de les línies de camp magnètic, tot fent ús de diferents models per a validar les nostres conductàncies de sortida. Els resultats mostren una millora general de la capacitat del model per explicar les variacions magnètiques observades, tot i que amb una major contribució arran de la nostra primera aproximació. Les distribucions de conductància obtingudes, d’altra banda, són prou consistents amb models independents que han intentat quantificar l’efecte ionitzant de partícules que precipiten sobre la ionosfera auroral. En conclusió, hem fet una contribució modesta, però tanmateix constructiva, a la modelització de l’alta atmosfera i la seva connexió amb l’entorn espacial; principalment perquè tenim entre mans un model físic, que en últim terme ha de servir per avaluar el nostre coneixement de la realitat, més que no pas per proveir un resultat purament funcional. / Dado que nuestra sociedad es cada vez más dependiente de la tecnología, y porque la tecnología es vulnerable a los procesos de la alta atmósfera que tienen su origen en el Sol, nuestra mirada se dirige progresivamente hacia la comprensión de los mecanismos precisos que posibilitan la conexión Sol - Tierra, tratándose hoy en día de una disciplina en claro avance en cuanto a investigación. El acoplamiento de la alta atmósfera con la magnetosfera es, pues, importante para la comprensión de procesos que afectan a nuestro planeta a escala global. Este último eslabón en la compleja cadena de sucesos que comienzan en nuestra estrella tiene como principal destinatario la ionosfera de altas latitudes, donde se depositan cantidades considerables de energía y momento del viento solar. El campo magnético terrestre juega un papel clave en esta interacción, donde las corrientes eléctricas que circulan a lo largo de las líneas de campo magnético, altamente conductoras, pueden asimilarse a los cables de un circuito que se cierra a través de la carga eléctrica (en terminología de circuitos) que constituye la ionosfera de altas latitudes. La misión satelital Active Magnetosphere and Planetary Electrodynamics Response Experiment (AMPERE) ha proporcionado, por vez primera, instantáneas de las corrientes alineadas al campo con una resolución espacial y temporal sin precedentes, ofreciendo así una oportunidad para alimentar un reconocido modelo físico de la alta atmósfera de la Tierra como el National Center for Atmospheric Research Thermosphere-Ionosphere-Electrodynamics General Circulation Model (NCAR TIE-GCM). En un primer paso, hemos utilizado los datos de AMPERE en la ecuación de continuidad de corriente entre la magnetosfera y la ionosfera a fin de forzar la electrodinámica del TIE-GCM, validando los resultados a través de la comparación del output correspondiente a las variaciones magnéticas en superficie con datos geomagnéticos de observatorios a distintas latitudes y para diferentes condiciones geofísicas. En una segunda fase, hemos introducido conductividades ionosféricas compatibles con sectores de corrientes alineadas ascendentes elevadas, correspondientes a electrones que se desploman como resultado de una aceleración descendiente debida a campos eléctricos paralelos que se acumulan a lo largo de las líneas de campo magnético, haciendo uso de diferentes modelos para validar nuestras conductancias de salida. Los resultados muestran una mejora general de la capacidad del modelo para explicar las variaciones magnéticas observadas, aunque con una mayor contribución a raíz de nuestra primera aproximación. Las distribuciones de conductancia obtenidas, por otro lado, son razonablemente consistentes con modelos independientes que han intentado cuantificar el efecto ionizante de partículas que precipitan sobre la ionosfera auroral. En conclusión, hemos contribuido modesta, aunque constructivamente, a la modelización de la alta atmósfera y a su conexión con el entorno espacial; principalmente porque estamos tratando con un modelo físico, que en último término debe servir para evaluar nuestro conocimiento de la realidad, antes que proveer un resultado puramente funcional. / Because our society is ever more dependent on technology, and because technology is vulnerable to upper atmospheric processes having their origin in the Sun, our gaze is progressively turning towards the understanding of the exact mechanisms that enable the Sun-Earth connection, being today a matter of increasingly intensive research. Coupling of the upper atmosphere system with the magnetosphere is thus important for understanding processes that affect our planet in a global scale. This last link in the complex chain of events starting in our star has the high-latitude ionosphere as a main target, where considerable amounts of solar wind energy and momentum are deposited. The magnetic field of the Earth plays a key role in this interaction, with electric currents flowing along the highly conducting geomagnetic field lines that can be thought of as the wires in a circuit that is closed by the electrical load of the high-latitude ionosphere. The Active Magnetosphere and Planetary Electrodynamics Response Experiment (AMPERE) satellite mission has offered for the first time snapshots of the geomagnetic field-aligned currents with unprecedented space and time resolution, thus providing an opportunity to feed an acknowledged first-principles model of the Earth’s upper atmosphere such as the National Center for Atmospheric Research Thermosphere-Ionosphere-Electrodynamics General Circulation Model (NCAR TIE-GCM). In a first step, we have made use of AMPERE data in the current continuity equation between the magnetosphere and the ionosphere to drive the TIE-GCM electrodynamics, and we have validated our results by comparing the output ground magnetic variations with geomagnetic observatory data at different latitudes and for different geophysical conditions. In a second stage, we have made ionospheric conductivities consistent with enhanced upward field-aligned current sectors corresponding to electrons plunging as a result of downward acceleration by parallel electric fields built up along the magnetic field lines, whereby we have used different models to validate our output conductances. Results show an overall improvement of the model ability to explain the observed magnetic variations, though with a greater contribution coming from our first approach. Our conductance distribution, on the other hand, is reasonably commensurate with independent models that have tried to quantify the ionizing effect of precipitating particles onto the auroral ionosphere. In conclusion, we have made a modest but constructive contribution to the modeling of the upper atmosphere and its connection with the space environment; especially because we are dealing with a physical model, which is ultimately meant to assess our knowledge of reality, rather than providing a purely functional result.

The primary purpose of this thesis is the design, development and validation of a system capable of measuring magnetic field with low-noise conditions at sub-millihertz frequencies. Such instrument is conceived as a part of a space mission concept for a gravitational-wave observatory called eLISA (evolved Laser Interferometer Space Antenna). In addition, the work of this thesis is also well-suited for use in magnetically sensitive fundamental physics experiments requiring long integration time, such as high-precision measurement of the weak equivalence principle using space atom interferometry. To this end, the baseline design of the instrument is also foreseen to monitor the environmental magnetic field in a proposed mission concept involving space atom-interferometric measurements, known as STE-QUEST (Space-Time Explorer and Quantum Equivalence Principle Space Test). / El principal objetivo de esta tesis es el diseño, desarrollo y validación de un sistema capaz de medir campos magnéticos de bajo ruido a muy baja frecuencia (0.1\,mHz). Este instrumento es concebido como parte de una propuesta de misión espacial para un observatorio de ondas gravitacionales llamado eLISA (evolved Laser Interferometer Space Antenna). Además, el estudio de esta tesis es también de utilidad para experimentos de física fundamental especialmente sensibles a los campos magnéticos. En particular, aquellos que requieren tiempos de integración largos, como por ejemplo medidas de alta precisión del principio de equivalencia usando interferometría atómica en el espacio. En este contexto, está previsto que el sistema de medidas desarrollado en esta tesis forme también parte del la misión espacial STE-QUEST (Space-Time Explorer and Quantum Equivalence Principle Space Test). Diferentes tecnologías de sensores magnéticos (fluxgate, magnetoresitencias anisotrópicas, y magnetómetros atómicos) junto con técnicas apropiadas de reducción de ruido electrónico han sido estudiadas con el fin de evaluar si pueden ser usadas en misiones espaciales con exigentes requerimientos a baja frecuencia. Por otro lado, estas misiones requieren del control minucioso del ambiente magnético generado en el satélite. Esto es debido a que el instrumento principal puede operar correctamente y alcanzar su máximo rendimiento sólo si el entorno magnético se encuentra bajo unas determinadas condiciones. Por lo tanto, este trabajo también implica la investigación de las propiedades magnéticas del magnetómetro y su posible impacto sobre el experimento científico. Finalmente, otro problema potencial es la exactitud con la que el campo magnético puede ser estimado desde la posición del sensor hasta la región de interés donde se desea interpolar la medida. La elección de un método robusto para una determinada configuración de sensores es también parte de este trabajo. Aunque otros tópicos son cubiertos, los objetivos aquí mencionados son los principales temas cubiertos en esta tesis.

Το μικροκρυσταλλικό υδρογονωμένο πυρίτιο (μc-Si:H) βρίσκει εφαρμογή ως ενδογενής ημιαγωγός σε φωτοβολταϊκές ιδιοσυσκευές λεπτών υμενίων πυριτίου απλής και ανάστροφης δομής (tandem). Η τυπική μέθοδος παρασκευής του υλικού είναι η χημική εναπόθεση ατμών ενισχυμένη με πλάσμα (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition – PECVD) με χρήση χωρητικών εκκενώσεων υψηλής αραίωσης σιλανίου (SiH4) σε υδρογόνο (H2). Εξαιτίας της χαμηλής απορρόφησης στο ορατό φάσμα απαιτείται αρκετά μεγάλο πάχος της ενδογενούς στοιβάδας του μc-Si:H, ωστόσο με τα υπάρχοντα δεδομένα οι ρυθμοί εναπόθεσης είναι αρκετά χαμηλοί με αποτέλεσμα οι χρόνοι εναπόθεσης να είναι απαγορευτικοί για τη βιομηχανία. Έτσι γίνεται επιτακτική η ανάγκη για υψηλούς ρυθμούς εναπόθεσης (> 5 Å/s) ούτως ώστε να είναι εφικτή η παραγωγή φωτοβολταϊκών κελιών χαμηλού κόστους. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη εναλλακτικών τεχνικών ενίσχυσης του ρυθμού εναπόθεσης λεπτών υμενίων μc-Si:H όπως η χρήση πηγής πλάσματος υψηλής πυκνότητας ηλεκτρονίων (Hollow Cathode) και η χρήση δισιλανίου (Si2H6) ως επιπρόσθετο του τυπικού μίγματος SiH4/H2. Στο πρώτο μέρος παρουσιάζεται η κατασκευή δύο ηλεκτροδίων hollow cathode διαφορετικής γεωμετρίας και ο ηλεκτρικός χαρακτηρισμός τους σε εκκενώσεις Η2 με σκοπό τη βελτίωση της γεωμετρίας της πηγής και των συνθηκών στις οποίες επιτυγχάνεται υψηλή πυκνότητα ηλεκτρονίων στην εκκένωση. Επιπλέον παρουσιάζονται μετρήσεις ρυθμού εναπόθεσης λεπτών υμενίων με την πηγή hollow cathode διερευνώντας διαφορετικές παραμέτρους της διεργασίας και πραγματοποιείται σύγκριση με την προϋπάρχουσα πηγή χωρητικής σύζευξης. Αποδείχθηκε ότι με τη χρήση καθοδικών κοιλοτήτων μεγάλης διαμέτρου (20 mm) η πυκνότητα των ηλεκτρονίων αυξάνει σημαντικά και οι ρυθμοί εναπόθεσης είναι έως και τρεις φορές υψηλότεροι σε σχέση με την πηγή χωρητικής σύζευξης. Στο δεύτερο μέρος παρουσιάζεται η επίδραση της προσθήκης μικρής ποσότητας Si2H6 στο μίγμα SiH4/H2 στο ρυθμό εναπόθεσης και την κρυσταλλικότητα των λεπτών υμενίων πυριτίου, πραγματοποιείται βελτιστοποίηση της διεργασίας όσον αφορά την πίεση και συγκρίνεται η χρήση Si2H6 με την αύξηση της παροχής του μίγματος SiH4/H2. Η προσθήκη Si2H6 σε περιοχή πιέσεων 2-3 Torr αποδείχθηκε ευεργετική για το ρυθμό εναπόθεσης των υμενίων (έξι φορές αύξηση) λόγω ενίσχυσης της πυκνότητας ηλεκτρονίων και του ρυθμού διάσπασης του SiH4. Επίσης η προσθήκη Si2H6 οδηγεί σε υψηλότερη απόδοση εναπόθεσης συγκριτικά με την αύξηση της συνολικής παροχής του μίγματος SiH4/H2 ή της περιεκικότητας σε SiH4. / Microcrystalline hydrogenated silicon (μc-Si:H) is widely used as intrinsic layer in thin film solar cells of single or tandem structure. This material is most commonly produced via Plasma enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) from highly diluted silane (SiH4) in hydrogen (H2). However, the rather low absorption coefficient of the intrinsic material in the visible spectrum imposes higher layer thickness in order to ensure high device efficiency. The key obstacle for the production of cost-effective solar cells is the relatively low growth rate of the intrinsic μc-Si:H and thus the research is focused on the increase of the deposition rate while maintaining the thin film quality. In this work we aim to study alternative techniques in order to enhance the μc-Si:H thin films growth rate such as the utilization of high electron density plasma source (hollow cathode) and the small disilane (Si2H6) addition to the SiH4/H2 gas mixture. In the first part is presented the construction of two novel hollow electrodes and their electrical characterization in H2 discharges aiming to investigate the conditions that ensure a high electron density in the discharge. Moreover, deposition rate measurements are presented for the hollow cathode source and compared to the already existing CCP source. It was proved that for the larger hollows (20mm diameter) the average electron density increased abruptly and the corresponding deposition rate was about 3 times higher comparatively to the CCP source. In the next part of this study is presented the effect of the small Si2H6 addition to the gas mixture to the silicon thin films growth rate and crystallinity, the process is optimized in terms of the total gas pressure and compared to the case of the SiH4/H2 total flow rate increase. The small Si2H6 addition in the narrow pressure region of 2-3 Torr proved beneficial for the film growth rate (six times increase) due to the sharp enhancement of the electron density and the SiH4 dissociation rate. The Si2H6 addition also resulted in much higher deposition efficiency as compared with the increase of the SiH4/H2 flow rate or the SiH4 molar fraction.

Στην διατριβή αυτή μελετήθηκαν και εξακριβώθηκαν θεωρητικά όλες οι φυσικές διεργασίες που υπεισέρχονται στις μετρήσεις του διαμορφωμένου φωτορεύματος. Με βάση αυτές δείξαμε ότι μπορούμε να εξάγουμε όλες τις πιθανές διεργασίες παγίδευσης και επανασύνδεσης σε διάφορες κατηγορίες ανόργανων ημιαγωγών. Σαν μελλοντική μελέτη μπορεί να γίνει η επέκταση της θεωρητικής ανάλυσης για υλικά όπου έχουμε ατέλειες που μπορούν να βρεθούν σε περισσότερες από δύο καταστάσεις φορτίου όπως είναι οι αιωρούμενοι δεσμοί του άμορφου . Επίσης η ανάλυση που προτείνουμε μπορεί να εφαρμοστεί και στην κατηγορία των οργανικών ημιαγωγών. / In this thesis we studied and verified theoretically, all the physical processes involved in modulated photocurrent measurements. Based on these measurements, we show that we can extract all possible trapping and recombination processes in different classes of inorganic semiconductors. As future study, we can extend the theoretical analysis for materials which have defects that may be found in more than two charge states such as the dangling bonds in amorphous silicon. Also, the analysis we propose can be applied to the class of organic semiconductors.

Τα σύνθετα υλικά πολυμερικής μήτρας - ανόργανων/κεραμικών εγκλεισμάτων ελκύουν όλο και περισσότερο το ενδιαφέρον χάρη στο ευρύ φάσμα των εφαρμογών. Ως σύνθετο υλικό ορίζεται το υλικό το οποίο αποτελείται από τουλάχιστον 2 διαφορετικές διακριτές μεταξύ τους φάσεις. Συνδυάζοντας τις ιδιότητες της μήτρας και του εγκλείσματος έχουμε ένα υλικό με νέες ιδιότητες. Οι ηλεκτρικές ιδιότητες των σύνθετων υλικών πολυμερικής μήτρας τους δίνουν σημαντικό ρόλο στην βιομηχανία της μικροηλεκτρονικής καθώς μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν διηλεκτρικά υλικά σε συσκευές αποθήκευσης ενέργειας, σαν στοιχεία κυκλωμάτων αλλά και σαν μονωτές παρεμβολών ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας Στην παρούσα εργασία χρησιμοποιήθηκε ως μήτρα εποξειδική ρητίνη και σαν έγκλεισμα καρβίδιο του Βορίου ( Β4C). To Β4C είναι το τρίτο σκληρότερο υλικό, μετά το διαμάντι και το κυβικό νιτρίδιο του Βορίου, έχει χαμηλή πυκνότητα και πολύ καλές μηχανικές ιδιότητες. Μέχρι πρότινος χρησιμοποιούταν κυρίως σε πλάκες θωράκισης και σαν απορροφητικό νετρονίων στην πυρηνική βιομηχανία αλλά τελευταίες μελέτες υποδεικνύουν και πολύ καλές ηλεκτρικές ιδιότητες και χρήση στην μόνωση παρεμβολών ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Στην παρούσα εργασία παρασκευάστηκαν 6 δοκίμια εποξειδικής ρητίνης και B4C, με μεταβαλλόμενη συγκέντρωση της εγκλεισμένης φάσης, έτσι ώστε να εξεταστεί εμπεριστατωμένα η σχέση -συγκέντρωσης εγκλεισμένης φάσης και ηλεκτρικών ιδιοτήτων-. Για τον διηλεκτρικό χαρακτηρισμό των δοκιμίων χρησιμοποιήθηκε διάταξη Διηλεκτρικής Φασματοσκοπίας (Broadband Dielectric Spectroscopy) με μεταβαλλόμενη θερμοκρασία στον χώρο μετρήσεων. Το εύρος συχνοτήτων στο οποίο έλαβε χώρα το πείραμα ήταν 10-1 - 107 Hz και το θερμοκρασιακό εύρος 30oC-160oC. Τα αποτελέσματα του ηλεκτρικού χαρακτηρισμού υποδηλώνουν την ύπαρξη τριών διεργασιών, στο εξεταζόμενο φάσμα συχνοτήτων. Στις υψηλές συχνότητες είχαμε την εμφάνιση της διεργασίας της β-χαλάρωσης, η οποία σχετίζεται με τον επαναπροσανατολισμό των πλευρικών πολικών ομάδων της πολυμερικής αλυσίδας, στις μεσαίες συχνότητες είχαμε την εμφάνιση της α-χαλάρωσης, η οποία σχετίζεται με την μετάπτωση από την υαλώδη στην ελαστομερική φάση της πολυμερικής μήτρας και τέλος στις χαμηλές συχνότητες παρατηρήθηκε το φαινόμενο Maxwell-Wagner-Sillars το οποίο σχετίζεται με την διεπιφανειακή πόλωση. / Nowadays, polymer matrix composites filled with inorganic/ceramic inclusions gather the scientific interest because of their vast uses in numerous applications. A composite refers to a materials system that consists of at least two different separated phases. Combining the properties of the matrix and the filler we achieve a material with superior properties than that of its constituents. The electrical properties of polymer matrix composites give them a significant position in the microelectronics industry because of their potential applications such as energy storage devices, welding elements in circuit and electromagnetic interference shielding. In the present study as a matrix was used a commercially available epoxy resin and as a filler Boron carbide (B4C) in the form of powder. Boron carbide is the third hardest material on earth after diamond and cubic Boron nitride, with low density and excellent mechanical properties. Until recently Boron carbide was used primarily in armor plates and as a neutron absorber in the nuclear industry but latest studies suggest interesting electrical properties and possible applications in the electromagnetic interference shielding. In this study 6 epoxy resin – Boron carbide specimens were manufactured, varying the concentration of the encapsulated phase, in order to investigate thoroughly the dependence of the filler content in the presented results. For the dielectric characterization of the specimens we used a Broadband Dielectric Spectroscopy device varying the frequency (10-1 - 107 Hz) and temperature range (30oC-160oC). The results of the dielectric characterization suggest the existence of three distinct relaxation processes which can be attributed to the interfacial polarization, known as Maxwell-Wagner-Sillars effect, glass to rubber transition and reorientation of polar side groups of the polymeric matrix.

Στο επίκεντρο της παρούσας διπλωματικής εργασίας, βρίσκεται η μελέτη μη γραμμικών οπτικών ιδιοτήτων, σύνθετων δομών κβαντικών τελειών οξειδίου του ψευδαργύρου (ZnO). Αρχικά θα κάνουμε μια γρήγορη επισκόπηση των ιδιοτήτων των νανοδομημένων συστημάτων, περίπτωση των οποίων αποτελούν οι ημιαγώγιμες κβαντικές τελείες, καθώς και οι σύνθετες νανοδομές του ZnO, ενώ θα επισημάνουμε και τον στόχο που καλείται να εκπληρώσει η εργασία μας. Προκειμένου να υπολογίσουμε την ηλεκτρονική δομή του συστήματος που εξετάζουμε, χρησιμοποιούμε την μέθοδο PMM (Potential Morphing Method), τις βασικές αρχές της οποίας παραθέτουμε στο δεύτερο κεφάλαιο. Στο επόμενο κεφάλαιο παρουσιάζουμε το θεωρητικό μας μοντέλο, βασισμένο στην μέθοδο των πλατών πιθανότητας για τον αναλυτικό υπολογισμό της γραμμικής (1) και της μη γραμμικής οπτικής επιδεκτικότητας (3), οι οποίες και αποτυπώνουν τις οπτικές ιδιότητες του συστήματος μας. Τέλος περιγράφουμε την δομή του σύνθετου συστήματος κβαντικών τελειών πυρήνα/κελύφους (core/shell quantum dots), παραθέτουμε τα αποτελέσματα του υπολογισμού της ηλεκτρονικής δομής και παρουσιάζουμε την συμπεριφορά της γραμμικής, της μη γραμμικής καθώς και της ολικής επιδεκτικότητας του συστήματος που εξετάζουμε, μέσω διαγραμμάτων και του απαραίτητου σχολιασμού των αποτελεσμάτων μας. / At the center of our interest in this thesis lies the study of nonlinear optical properties of complex Zinc Oxide (ZnO) quantum dots structures. At first we will have a short review of the nanostructured systems properties in general and then we will discuss the properties of semiconductor quantum dots as well as the complex ZnO nano-structures. We will also notify the goal of this thesis. In order to calculate the electronic structure of our investigating system we will use the PMM (Potential Morphing Method) method, the basic principles of which we quote on the second chapter. In the next chapter we present our theoretical model, based in the probability amplitudes method, for the analytical calculation of both the linear (1) and nonlinear susceptibility (3) which illustrate the optical properties of our system. At the end we describe our complex core/shell quantum dots system, we quote the results of the electronic structure calculation and we present the behaviour of linear, nonlinear as well as the total susceptibility of our system through graphs and the necessary discussion of our results.

Two research studies have been addressed in this thesis. Both of them are of actual scientific interest and are based on processing GNSS data. The first part of this thesis is devoted to GNSS detection and monitoring of solar flares. The second one is devoted to GNSS prediction of ionospheric Total Electron Content. Regarding the first study, a new solar flare detector called SISTED has been designed and implemented. Its goal is to provide a simple and efficient way of detecting the most number of powerful X-class solar flares in real time operation. In addition, it can send early warning messages to prevent the harmful consequences of the increase of ejected particles from the Sun that may reach the Earth after a solar flare, especially in case of a Coronal Mass Ejection. The main benefit of SISTED regarding other detection techniques is that it does not require data from external providers out of the GNSS community. In addition, it can run in real-time operation and could provide value added data to GNSS users. The results show that SISTED was able to detect up to the 95% of the X-class flares reported by GOES for more than a half solar cycle. Regarding the second study, a new approach to predict Global Ionospheric vertical TEC Maps has been designed and implemented in the context of the IGS Ionosphere Working Group. The motivation to develop a UPC Predicted product was the interest of ESA's SMOS mission. A recent application using UPC Predicted products is the generation of real-time global VTEC maps as background model. In addition, the predicted VTEC maps are used to generate the combined IGS Predicted products. The results obtained in this thesis show that the model performs well when the results are compared with those obtained by the other IGS analysis centers. In addition, applying the prediction model leads to better results than the use of time-invariant ionosphere for two days ahead. In relation with this research, 4 publications in international journals indexed in JCR/ISI have been generated (and another one is under review process), and 7 presentations have been authored in international meetings, among the new UPC predicted product contributing to IGS, and the contribution to two competitive projects funded by the European Space Agency (AGIM and MONITOR).