L'objectiu d'aquesta tesi és estudiar l'aplicació de tancs d'emmagatzematge d'energia tèrmica en una bomba de calor convencional. En aquesta tesi s'inclou un estudi experimental on dos tancs d'emmagatzematge d'energia són acoblats a una bomba de calor aigua-aigua amb l'objectiu d'emmagatzemar energia tèrmica per després utilitzar-la per cobrir la demanda de refrigeració d'un cubicle, produint un desplaçament de la corba de la demanda d'hores puntes a hores valls. En aquest estudi s'analitza el comportament tèrmic del tanc i es realitza una comparativa entre la utilització de PCM i aigua com a medis d'emmagatzematge d'energia tèrmica. En aquesta tesi també s'inclou una descripció de sistemes similar publicats a la literatura, un estudi teòric on es descriu un model matemàtic per simular la descàrrega del tanc i un anàlisi d'incerteses dels paràmetres d'entrada, i finalment, un estudi de corrosió de diferents metalls quan treballen en contacte amb PCM aptes per ser utilitzats en sistemes actius de climatització. / El objetivo de esta tesis es estudiar la aplicación de tanques de almacenamiento de energía térmica en una bomba de calor convencional. En esta tesis se incluye un estudio experimental en donde dos tanques de almacenamiento de energía son acoplados a una bomba de calor agua-agua con el objetivo de almacenar energía térmica para posteriormente utilizarla para cubrir la demanda de refrigeración de un cubículo, produciendo un desplazamiento de la curva de la demanda desde las horas punta a las horas valle. En este estudio se analiza el comportamiento térmico del tanque i se realiza una comparativa entre la utilización de PCM i agua como medios de almacenamiento térmico. En esta tesis también se incluye una descripción de sistemas similares publicados en la literatura, un estudio teórico en donde se describe un modelo matemático para simular la descarga del tanque y un análisis de incertidumbres de los parámetros de entrada, y finalmente, un estudio de corrosión de diferentes metales cuando éstos trabajan en contacto con PCM aptos para ser utilizados en sistemas activos de climatización. / The objective of this thesis is to study the application of thermal energy storage tanks (TES) in a standard heat pump. This thesis includes an experimental study where two TES tanks are coupled to a water-to-water heat pump in order to accumulate thermal energy for later use. The system is used for shifting the cooling load of a small house-like cubicle, shifting the load from on-peak to off-peak periods. The thermal behaviour of the TES tank and a comparison between PCM and water as energy storage medium are evaluated in this study. Moreover, this thesis also includes a state-of-the-art review of similar studies found in the literature, a theoretical study where a mathematical model is developed to predict the thermal behaviour of the TES tank during discharging process, an uncertainties analysis of the input parameters, and finally, a corrosion study of different metals when work in contact with potential PCM to be used in HVAC systems.

Flame spread over solid samples has been studied from many points of view, as it is key for fire safety, yet it is a complex phenomenon that involves processes occurring in both the solid and the gas phases. This Ph.D. thesis studies the flame spread over thin solid samples in processes more complex than the classical cases where a flame spreads horizontally or downward over a vertical solid sample. In particular, this thesis deals with three different situations: the effects of the sides to the vertically downward flame spread over a thin solid; the effects of having various parallel samples burning simultaneously, and flame spread over horizontal and downward inclined samples. For all these situations a complete experimental study is made and a model that explains the obtained results is developed / La propagació de flames en sòlids és un fenomen complex que inclou processos que s’esdevenen tant a la fase sòlida com a la fase gasosa. Diversos autors han estudiat aquest fenomen des de diferents punts de vista ja que és un element clau en l’anàlisi del risc d’incendis i de la dinàmica de focs. En aquesta tesi doctoral estudiem la propagació de flames en sòlids prims en processos més complexos que els processos clàssics, on la flama es propaga horitzontalment o cap avall en una mostra vertical. Més concretament, aquesta tesi versa sobre tres situacions diferents: l'efecte de les vores en la propagació verticalment cap avall de la flama sobre un sòlid prim; els efectes de tenir diverses mostres paral•leles cremant alhora, i la propagació cap avall de la flama en mostres inclinades i horitzontals. Per a aquestes tres situacions es desenvolupa un estudi experimental complet i un model que descriu els resultats obtinguts

A new technology for Cr(VI) and divalent metal ions removal based on metal sorption onto exhausted coffee waste has been developed. Physical and chemical characterization of exhausted coffee waste was explored as well as the role of structural and non structural compounds of the waste in metal ions sorption. Kinetics of Cr(VI) sorption from binary mixtures containing different Cr(VI) and Cu(II) molar ratios were carried out in a batch reactor. A synergistic effect of Cu(II) in Cr(VI) reduction and sorption was found. From the kinetic sets of data a kinetic model taking into account Cr(VI) reduction/sorption, reduced Cr(III) sorption and Cu(II)synergistic effect on sorption was developed. The model described quite accurately the overall process of Cr(VI) removal. Biosorption by coffee wastes followed by precipitation resulted to be an efficient and low cost technology to remove Cr(VI) and divalent metals from synthetic and industrial effluents from metal finishing industries / S'ha desenvolupat una tecnologia nova per a l'eliminació de Cr(VI) i metalls divalents basada en l'adsorció dels metalls en residus de marro de café. Es va dur a terme la caracterització físicoquímica del marro de café i es va investigar el paper dels components estructurals i no estructurals en l'adsorció de metalls. Emprant un tanc agitat es va estudiar la cinètica d'adsorció de Cr(VI) de mescles binàries de Cr(VI)-Cu(II) amb diferents relacions molars d'ambdos metalls. Es va trobar un efecte sinèrgic del coure sobre l'adsorció i la reducció de Cr(VI). Un model basat en la reducció/adsorció de Cr(VI), adsorció del Cr(III) format i l'efecte sinèrgic del coure va ser desenvolupat. El model va descriure adequadament el procés. La bioadsorció seguida de precipitació va resultar ser una tecnologia eficaç i de baix cost per eliminar Cr(VI) i metalls divalents d'aigües sintètiques i efluents d’indústries de tractament de superfícies

Aquesta tesi es basa en un tipus de dispositius fotovoltaics, les cel•les solars sensitivitzades amb colorant. Des de fa un parell de dècades, l’estudi d’aquests dispositius ha anat en augment i actualment ja s’han publicat resultats amb més d’un 13% d’eficiència. S’estudien els diferents components d’aquest dispositiuis, la seva funció i totes les reaccions i fenòmens físics que hi tenen lloc. S’explica com es prepara aquest tipus de dispositius i com es caracteritzen. Finalment, hi ha un recull de 6 articles publicats i entre ells es diferencien pel tipus de colorant utilitzat: porfirines, ftalocianines, colorants orgànics que tenen una estructura anomenada dadora-acceptora amb un pont tipus π entremig i complexes de ruteni. / This thesis is based on a type of photovoltaic devices; the dye sensitized solar cells (DSCs). In the last two decades, the study of these devices has been increased and currently results with over 13% efficiency have been published. The first chapter discusses the various components of this kind of device, its function and its components. It is also explained how these cells work and all the reactions and physical phenomena that take place. The second chapter explains how to prepare these devices and how are characterized. And the third, fourth, fifth and sixth chapters are based on diverse articles published and the difference between them is the kind of dye. In chapter 3, the dyes used are porphyrins, chapter 4 is based on phthalocyanines, chapter 5 is centred on organic dyes that have a structure called donor-acceptor with a π-bridge type in between and chapter 6 studies two ruthenium complexes.

In this thesis, we report experimental evidence of a "gray" condensate of excitons, as predicted theoretically by M. Combescot et al. Most importantly, the condensate is characterized by the macroscopic population of dark excitons coherently coupled to a weak population of bright excitons through fermion exchanges. Such quantum condensation results from the excitons internal structure, with a dark i.e. optically inactive ground state. It is actually very similar to what occurs in the phases of superfluid 3He or in the more recent spinor condensates of ultracold atomic Bose gases. While it is our belief that such a "gray" condensate will eventually be observed in other excitonic systems, our study focus on its appearance together with the macroscopic auto-organization of dipolar excitons. Precisely we emphasize fragmented exciton rings in an electrically biased GaAs single quantum well. This very striking pattern was first observed independently by the groups of L. Butov and D. Snoke. It was interpreted as the result of an ambipolar diffusion of carriers in the quantum wells. The fragmentation of the macrosopic ring observed at low temperature by Butov and coworkers, and the subsequent evidence for long-range spatial coherence together with complex pattern of polarization, led Butov et al. to interpret the fragmentation as an evidence for the transition to a quantum regime where coherent exciton transport dominates. Our experiments led us to a very different interpretation. Indeed, we show that for our sample the formation of the fragmented ring is dominated by the diffusion of dipolar excitons in an optically induced electrostatic landscape. This potential landscape arises from the modulation of the internal electric field by excess charges injected in the QW by the same excitation beam which induces the ring. Dipolar excitons then explore a potential landscape characterized by a wide anti-trap inside the ring and more strikingly by microscopic traps distributed along the circumference of the ring. There, i.e. in the outside vicinity of the ring, a confining potential is responsible for the formation of "islands" where the population of dark excitons is dominant. Due to the low energy splitting between the bright and dark excitonic states in our sample, the observation of a dominant population of dark excitons signals that excitons condense in the low-lying dark states. To confirm this interpretation we show that the weak photoluminescence emitted in the outer vicinity exhibits macroscopic spatial coherence, up to 10 times larger than the de Broglie wavelength. Islands of extended coherence are in fact identified and quickly disappear upon increase of the bath temperature. This leads to an evolution of the coherence length strongly dependent on the temperature. Finally, we show that the photoluminescence emitted in the vicinity of the fragmented ring is dominantly linearly polarized and also organized in islands outside the ring. All these observations confirm the predicted signatures of a "gray" condensate, as formulated by M. and R. Combescot. / En aquesta tesis, mostrem evidència experimental d'un condensat "gris" d'excitons, tal com prediu la teoria de M. Combescot et al. En particular, el condensat està caracteritzat per la població macroscòpica d'excitons foscos acoblats coherentment a una població baixa d'excitons brillants a través d'intercanvis fermiònics. Aquesta condensació quàntica es dóna com a resultat de l'estructura interna dels excitons, amb un estat fonamental fosc i.e. òpticament inactiu. És de fet molt similar al que passa en les fases de 3He superfluid o en els més recents condensats d'espinors de gasos atòmics ultrafreds de Bose. Encara que nosaltres creiem que un condensat "gris" serà eventualment observat en altres sistemes excitònics, el nostre estudi es focalitza en la seva manifestació juntament amb l'auto-organització macroscòpica d'excitons dipolars. Precisament, ens centrem en els anells excitònics fragmentats en un sol pou quàntic elèctricament polaritzat. Aquest sorprenent patró va ser observat independentment per primer cop pels grups de L. Butanov i D. Snoke. Va ser interpretat com el resultat d'una difusió ambipolar de portadors en pous quàntics. La fragmentació de l'anell macroscòpic observada a baixes temperatures per Butov i els seus col.laboradors, i la posterior evidència de coherència espacial de llarg abast juntament amb un patró de polarització complex, va portar a Butov et al. a interpretar la fragmentació com una evidència de la transició cap al règim quàntic en el que domina el transport coherent d'excitons. El nostre experiment ens va portar cap una interpretació molt diferent. En efecte, mostrem que per la nostra mostra la formació d'anells fragmentats és dominada per la difusió d'excitacions dipolars en un perfil electrostàtic òpticament induït. Aquest perfil de potencial sorgeix de la modulació del camp elèctric intern per un excés de càrregues injectades en el PQ pel mateix feix d'excitació que indueix l'anell. Les excitacions dipolars exploren per tant un perfil de potencial caracteritzat per una anti-trampa ampla dins de l'anell i més sorprenentment per trampes microscòpiques distribuïdes al llarg de la circumferència de l'anell. Allà, i.e. en la proximitat exterior de l'anell, un potencial de confinament és el responsable de la formació d'"illes" on la població d'excitons foscos és dominant. Degut a la baixa separació energètica entre els estats excitònics brillant i fosc en la nostra mostra, l'observació d'una població dominant d'excitons foscos senyala que els excitons es condensen en els estats foscos de més baixa energia. Per tal de confirmar aquesta interpretació, mostrem que la dèbil fotoluminescència emesa en la proximitat exterior exhibeix coherència espacial macroscòpica, fins a 10 vegades major que la longitud d'ona de de Broglie. Illes de coherència ampliada són de fet identificades i desapareixen ràpidament en incrementar la temperatura del focus. Això porta cap a una evolució de la longitud de coherència que depèn fortament de la temperatura. Finalment, mostrem que la fotoluminescència emesa en la proximitat de l'anell fragmentat està dominantment polaritzada linealment i organitzada també en illes fora de l'anell. Totes les observacions confirmen les senyals característiques previstes per un condensat "gris", tal com està formulat en la teoria desenvolupada per M. i R. Combescot

Disordered media with refractive index variations can be found in the atmosphere, the ocean, and in many materials or biological tissues. Several technologies that make use of such random media, as image formation, satellite communication, astronomy or microscopy, must deal with an unavoidable light scattering or diffusion. This is why for many years light propagation through random media has been a subject of intensive study. Interesting phenomena such as speckle, coherent backscattering or random lasing have been discovered and studied. More recently, researchers are beginning to investigate mechanisms to control light propagation through such media to enhance light transmission and sharpen the focus. On the other hand, it has been known for several years that nonlinear random structures are able to generate light in an ultra-broad frequency range, without the need of angle or temperature tuning. Particularly interesting is the nonlinear light diffusion observed from materials with no change in the refractive index and which appear to be fully diffusion less to linear light propagation. However, a comprehensive understanding of the scattering when a nonlinear interaction takes place has not yet been given. The core of the thesis focuses on the study of the nonlinear light generation and propagation from crystalline structures with disordered nonlinear domains but with a homogenous refractive index. A random distribution of non-linear domains is found naturally in the Strontium Barium Niobate (SBN) ferroelectric crystal. As opposed to other mono-domain nonlinear optical crystals commonly used for frequency up-conversion, such as Potassium Titanyl Phosphate (KTP) or Lithium Niobate (LiNbO3), in SBN the nonlinear domain size is, typically, on the order of the coherence length or many times smaller than the size of the whole crystal. Such domains are usually several times longer in the c-axis direction relative to the plane perpendicular to that axis. Adjacent domains exhibit antiparallel polarization along such crystalline axis, with no change in refractive index. In Chapter 1 we give a brief introduction to light generation and propagation in random media, describing the speckle, light manipulation and second harmonic generation (SHG). In chapter 2, we study the nonlinear light generation and manipulation from a transparent SBN crystal. In its theoretical description we use a two-dimensional random structure consisting of a homogeneous background polarized in one direction with uniform rectangular boundaries, and a group of square reverse polarization domains with random sizes and located in random positions. The SHG from each domain is obtained using the Green's function formalism. In the experiments, we alter the ferroelectric domain structure of the SBN crystal by electric field poling or thermal treatments at different temperatures. The SBN crystal structures after such different treatments are shown to be characterized by their SHG patterns. In chapter 3, by measuring the spatial distribution of the second harmonic light in the c-plane, we demonstrate that the randomness in the nonlinear susceptibility results in a speckle pattern. We explain the observations as a result of the linear interference among the second harmonic waves generated in all directions by each of the nonlinear domains. In chapter 4, we report on our experimental implementation of the wave-front phase modulation method to control and focus the SHG speckle from the random SBN crystal. This research creates a bridge between light phase modulation and nonlinear optics. Finally we perform a theoretical analysis to demonstrate enhanced efficiencies for nonlinear light focusing by the wave-front phase modulation method in different directions. Various types of nonlinear structures are considered, including the homogeneous rectangular crystal, the group of random domains, and the combination of both.

La terapia de hadrones es actualmente una realidad médica en oncología de radiación y una técnica probada en la lucha contra el cáncer. Hoy en día, el uso de la terapia de hadrones está ampliamente extendido en el tratamiento de pacientes con tumores profundos, no operables o resistentes a la radioterapia, debido a la ventaja de administrar una alta dosis de radiación con respecto al volumen del tumor. De esta forma se obtiene un mejor del control y protección del tejido circundante comparado con la radioterapia tradicional basada en haz de fotones. A pesar de que solo 35 centros médicos están actualmente tratando a pacientes de cáncer, la terapia de hadrones sigue considerada como una técnica medica emergente. Uno de sus retos permanentes consiste en la verificación de la dosis administrada al paciente ya que las propiedades físicas de los hadrones hacen que la terapia sea efectiva solo si se administra con precisión estrictamente al volumen del tumor. El control de calidad se consigue mediante la utilización de novedosas técnicas de diagnóstico por medio de detectores de radicación similares a los desarrollados para experimentos de física de partículas que ya se vienen utilizando en la producción de imágenes médicas. Las radiografías de protones se usan no solo para verificar el estado del paciente previo a los tratamientos de radioterapia, utilizando haces de protones de alta energía y baja intensidad, así como para obtener información necesaria para calcular de forma precisa el nivel de radiación de hadrones en los tejidos del paciente. Los cálculos de nivel de radiación se hacen hoy en día por medio de datos CT de rayos X, que se caracterizan por tener poco precisión. Durante la irradiación con haz terapéutico, la activación de los tejidos del paciente causados por interacciones nucleares con el haz de hadrones se puede visualizar por medio de detectores PET, haciendo posible representar en el momento la dosis administrada solo unos minutos después. En este contexto, esta Tesis presenta un estudio amplio sobre detectores de radiación novedosos que han sido desarrollados para asegurar la calidad en terapia de hadrones clínica. Tres diferentes soluciones se describen a continuación, un aparato de radiografía de protones y dos detectores cuya tecnología se utiliza para saber en el momento la dosis administrada durante el plan de tratamiento. En el caso de la radiografía en el rango de protones (PRR), se ha desarrollado un nuevo instrumento llamado PRR10, que tiene un área activa de 10 x 10 cm2 cubriendo un rango residual de 10 cm de longitud de tramo en equivalente de agua (WEPL). El PRR10 ha sido testeado ampliamente con haz de protones en el Instituto Paul Scherrer (PSI) en Villagen, Suiza y en el Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica (CNAO) en Pavia, Italia. Se han tomado medidas con una resolución de rango residual de 1.6 mm WEPL así como una resolución espacial inferior a 1 mm. El PRR10 esta instalado actualmente en el CNAO a la espera de nuevos test mientras un nuevo instrumento, el PRR30 que tiene un área activa de 30 x 30 cm2 está llegando a su última etapa de desarrollo. El PRR30 permitirá imágenes PRR a tamaño completo y está previsto que se empiece a testar con haz de protones en el PSI y el CNAO hacia finales de 2013. Para realizar dosimetría en vivo, se ha procedido al estudio de dos tecnologías PET diferentes. La primera está basada en escintiladores orgánicos (cristales) acoplados a un foto-detector, con muchas similitudes con respecto a aparatos PET convencionales de medicina nuclear. El diseño del detector PET de cristales sigue las tendencias actuales en investigación PET para obtener la medida de la profundidad de interacción (depth-of-interaction, DOI) así como el tiempo de vuelo (time-of-flight TOF) entre protones concurrentes. Ambas técnicas suponen una mayor sensibilidad efectiva y una mejora en la eliminación de ruido y por tanto en la calidad de las imágenes PET. Dos prototipos han sido construidos y testados, usando cristales LYSO de 12 x 60 x 30 cm3 y foto detectores de multi-ánodo y placa multi-canal (MPC). De esta forma se ha demostrado la excelente localización de la interacción de fotones, 1.2 mm en dirección transversal y 15 mm en DOI, con una resolución de energía de 13% FWHM. La resolución de concurrencia de TOF medida es de 810 ps. La segunda tecnología PET estudiada hace uso de las cámaras de placa resistiva multi-hueco (multi-gap Resistive Plate Chambers, MRPCs) que se utilizan raramente en PET debido a su baja eficacia de detección a gammas de 511 KeV. Los módulos compactos MRPC han sido construidos y testados, y tienen una área activa de 7 x 10 cm2 y 12 x 390 cm2. El diseño y el procedimiento de ensamblaje es apto para producción a gran escala, un requerimiento necesario para contrarrestar su baja eficacia. Módulos MRCP de 4 huecos de 7 x 10 cm2 han sido sometidos a test y muestran un eficacia de 0.66 a 0.01 % a gammas de 511 KeV. Además, se han obtenido tiempos entre lecturas de fin de franja en ambos lados del módulo de 38 ps., suficiente para permitir una localización de interacción de 3.5 mm. La resolución del detector simple TOF entre dos RPCs de hueco único y dos MRPCs de 4 huecos es de 310 ps y 370 ps respectivamente, con una poco esperada resolución de coincidencia de 150 ps. Para complementar los resultados experimentales obtenidos, se han efectuado simulaciones Monte-Carlo usando la herramienta GATE en escáneres PET como el LYSO-MCP y MRCP. También han sido incluidos en el estudio dos detectores comerciales como el Gemini de Philips y el HiRez de Siemens. El escáner de anillo completo LYSO-MCP ha demostrado tener un 57 % más de sensibilidad que el Gemini a 70 cm en línea de la fuente, como consecuencia del aumento de profundidad (30 mm) de los cristales LYSO utilizados en su diseño. Un escáner MRPC-PET, después de la optimización de sus parámetros de sensibilidad muestra un factor 2.5 en sensibilidad con respecto al Gemini. Aunque los recursos en términos de desarrollo para construir un escáner MRPC-PET son considerables, la ganancia en sensibilidad con respecto a los escáneres comerciales de hoy en día, unido a las excelentes resoluciones TOF, hacen de esta tecnología una interesante alternativa a los cristales, tanto para control de calidad de terapia de hadrones como para imágenes PET de cuerpo entero. / Hadrontherapy is currently a clinical reality in radiation oncology and a proven technique in the fight against cancer. In the world today, hadrontherapy is being more and more widely employed for treating patients with non-operable deep-seated or radio-resistant tumours because of its advantage in delivering a highly conformal dose to the tumour volume. This offers an increased likelihood of tumor control and a better sparing of healthy surrounding tissue as compared with traditional radiotherapy which use photon beams. Despite the fact that 35 centers are currently treating patients, hadrontherapy is still considered to be an emerging clinical technique. One of the persisting challenges to hadrontherapy is the verification of the dose delivered to the patient since the physical properties of hadrons are only beneficial for therapy if they can be delivered precisely to the tumour volume. Quality assurance can be achieved using novel diagnostic techniques which make use of radiation detectors similar to those developed for high-energy physics experiments and already used in medical imaging. Proton radiography can be used to verify the patient setup prior to irradiation, using a diagnostic proton beam of higher energy and lower intensity, but can also provide directly the information needed for accurately computing the range of hadrons in the patient tissues. Range calculations currently rely on X-ray CT data, and are characterized by a small but non-negligible uncertainty. During irradiation with the therapeutic beam, the activation of the patient tissues caused by nuclear interactions with the hadron beam can be visualized by PET detectors, making it possible to perform in-vivo dosimetry during irradiation and in the minutes immediately following. In this context, this thesis presents an expansive study of novel radiation detectors which have been developed for quality assurance in clinical hadrontherapy. Three distinct detector solutions are described, a proton radiography instrument and two detectors technologies which could be used for performing in-vivo dosimetry of the delivered treatment plan. In the case of proton range radiography (PRR), a novel instrument called the PRR10 has been built having 10x10 cm2 active area and covering a residual range of 10 cm water-equivalent path length (WEPL). The PRR10 has been extensively tested with proton beams at the Paul Scherrer Institute (PSI) in Villagen, Switzerland and at the Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica (CNAO) in Pavia, Italy. A residual range resolution of 1.6 mm WEPL has been measured as well as a spatial resolution better than 1 mm. The PRR10 currently sits at the CNAO center awaiting further testing while a new instrument, the PRR30, which has an active area of 30x30 cm2, is reaching a final stage of completion. The PRR30 will allow full-size PRR images to be made and is scheduled for testing with proton beams at PSI and the CNAO by the end of 2013. To perform in-vivo dosimetry, two different PET technologies have been studied. The first is based on inorganic scintillators (crystals) coupled to a photodetector, having many similarities to conventional PET hardware for nuclear medicine. The design for a unit PET detector based on crystal follows the trends in current PET research allowing for the depth-of-interaction (DOI) to be measured as well as the time-of-flight (TOF) between the coincidence photons. Both techniques result in a higher effective sensitivity and a better rejection of noise, and therefore higher quality PET images. Two prototypes have been assembled and tested, built using 12x60x30 cm3 LYSO crystals and a multi-anode Multi-Channel Plate (MCP) photodetector. An excellent localization of the photon interaction, 1.2 mm in the transverse direction and 15 mm in DOI, have been demonstrated with an energy resolution of 13% FWHM. The coincidence TOF resolution has been measured as 810 ps. The second PET technology we have studied makes use of multi-gap Resistive Plate Chambers (MRPCs), which are highly unusual in PET because of their low detection efficiency to 511 keV gammas. Compact MRPC modules have been built and tested, having 7x10 cm2 and 12x30 cm2 active area. The design and assembly procedure has been shown to be suitable for mass-production, a requirement for overcoming the intrinsic low efficiency. A 4-gap 7x10 cm2 MRPC module has been tested and shown to have an efficiency of (0.66 0.01)% to 511 keV gammas. In addition, the timing between ends of the strip readout at either side of the module has been measured as 3.8 ps, enough to allow an interaction localization of 3.5 mm. The single-detector TOF resolution between two single-gap RPCs and two 4-gap MRPCs has been measured as 310 ps and 370 ps, respectively with a coincidence resolution of 150 ps expected shortly. To compliment the experimental results, Monte-Carlo simulations of both LYSO-MCP and MRPC-based PET scanners have been carried out using the GATE toolkit. Two commercial detectors, the Philips Gemini and Siemens HiRez, have also been included in the study as a benchmark for the results. The full-ring LYSO-MCP scanner has been shown to have a 57% higher sensitivity than the Gemini to a 70 cm long line source, a consequence of the increased depth (30 mm) of the LYSO crystals used in our design. An MRPC-PET scanner, after performing a sensitivity optimization of various parameters, has been shown to be a factor of 2.5 higher than the Gemini. Although considerable development will be required to build such a MRPC-PET scanner, the gains in sensitivity over existing commercial scanners, coupled with their excellent TOF resolutions, make this technology an exciting alternative to crystals, whether for hadrontherapy quality assurance, or whole-body PET imaging.

Serious games are video games designed to provide specific expertise, knowledge and skills to the player, going beyond pure entertainment. In this thesis we present a classification of serious games for health and medicine that have been proposed in the last decade. We propose LISSA a serious game designed to teach the cardiopulmonar resuscitation protocol (RCP). In the context of LISSA, we study the visual realism of 3D serious games and their elements, evaluating photorealistic and non-photorealistic effects and camera position in first and third person. In addition, we study the physical realism to improve the interaction between game and player. We propose a new technique based on Kinect able to reproduce the key factors of the CPR protocol. Finally, we evaluate LISSA in a real scenario / Els anomenats jocs seriosos (de l’anglès serious games), són videojocs dissenyats per donar una experiència específica, coneixements i habilitats al jugador, és a dir van més enllà de l’entreteniment pur. En aquesta tesi presentarem una classificació dels jocs seriosos de l’àmbit mèdic i de la salut que s’han proposat en aquesta darrera dècada. Proposarem LISSA, un joc seriós dissenyat per ensenyar el protocol de reanimació cardiopulmonar (RCP). En el context del LISSA, estudiarem el realisme visual dels jocs seriosos 3D i els seus elements, avaluarem els efectes fotorealistes i no-fotorealistes i la posició de la càmera en primera i tercera persona. A més, estudiarem el realisme físic per tal de millorar la interacció entre el joc i el jugador. Proposarem una nova tècnica basada en Kinect capaç de reproduir factors clau del protocol RCP. Finalment, avaluarem LISSA en un escenari real

Optical quantum memories are important devices in quantum information science. In particular, they are building blocks of quantum repeater architectures that have been proposed to increase the range of quantum communication beyond the limits set by losses in optical fibers. In this thesis, we report experiments with a quantum memory based on cold atoms. We focus on two important aspects relevant for using the memories as quantum repeater nodes: the connectivity to the optical fiber network, and the ability to operate in a time-multiplexed fashion. The core of the work presented in this thesis was the implementation of a quantum memory based on spontaneous Raman scattering, following the protocol of Duan, Lukin, Cirac and Zoller (DLCZ). The memory is implemented with a cold ensemble of 87Rb atoms loaded in a magneto optical trap. Single collective atomic spin excitations (spin-waves) are created in a heralded manner, before being retrieved by conversion into strongly non-classically correlated single photons. Our system showed measured second-order cross-correlation function values up to 200, an inferred intrinsic retrieval efficiency inside the science chamber up to 44%, and a memory lifetime up to 55 µs. Current realizations of DLCZ quantum memories present several limitations, reducing the maximum practical distance achievable for quantum repeaters based on these systems. We partially addressed two of them. The first one originates from high absorption in optical fibers at the operating wavelength of 780 nm. The second one is that current demonstrations only allow the creation of spin-waves in single temporal modes, limiting the entanglement generation rates in quantum repeaters protocols. A good solution to alleviate the first limitation is to translate the wavelength of the single photons to the telecom C-band, where absorption is minimal, while preserving their quantum characteristics. For this, we demonstrated an ultra-low-noise solid state photonic quantum interface based on an integrated-waveguide in a non-linear PPLN crystal. We converted heralded single photons emitted by the DLCZ quantum memory at 780 nm to the telecommunication wavelength of 1552 nm. We achieved a maximum signal-to-noise ratio of 80 for a mean input photon number of 1, allowing us to show significant non-classical correlations between the heralding and converted photons via the violation of the Cauchy-Schwarz inequality. To address the second limitation, we demonstrated the first experimental steps towards the realization of a temporally multiplexed DLCZ-type quantum repeater node. We showed active control of the spin-waves created in our quantum memory by means of an external magnetic field gradient inducing an inhomogeneous broadening of the atomic hyperfine levels. Acting on this gradient allows active dephasing and rephasing of individual spin-waves, enabling spin-wave creation in multiple temporal modes and read out a specific time-bin only. We showed that the active rephasing technique preserves the non-classical statistics of the heralded photons via the observation of anti-bunching. We then created spin-waves in two temporal modes and demonstrated selective read-out of only one of them with a selectivity up to 92%. All these results pave the way towards the realization of future temporally multiplexed quantum repeater nodes based on the DLCZ protocol. / Les memòries quàntiques òptiques son dispositius importants en el camp científic de la informació quàntica. En particular, són peces fonamentals de les estructures de repetidors quàntics, les quals han estat proposades per tal d’incrementar la distància en la comunicació quàntica més enllà dels límits imposats per les pèrdues en fibres òptiques. En aquesta tesi mostrem experiments duts a terme amb una memòria quàntica basada en àtoms freds. Ens hem centrat en dos aspectes importants que són rellevants a l’hora d’usar les memòries com a nodes de repetidors quàntics: la connectivitat cap a la xarxa de fibres òptiques i l’habilitat d’operar amb multiplexació temporal. La part central del treball presentat en aquesta tesi és la implementació d’una memòria quàntica basada en la dispersió Raman espontània, seguint el protocol de Duan, Lukin, Cirac i Zoller (DLCZ). La memòria és implementada en un conjunt d’àtoms de 87Rb en una trampa òptico-magnètica. Excitacions individuals col·lectives d’espins atòmics (ones d’espín) són creades de manera anunciada, abans de ser recuperades en una conversió cap a fotons individuals amb fortes correlacions no-clàssiques. En el nostre sistema vam mostrar mesures de la funció de correlació creuada de segon ordre amb valors de fins a 200, una eficiència de recuperació intrínseca dins la cambra experimental de fins a un 44% i un temps de vida de la memòria de 55 µs. Les realitzacions actuals de memòries quàntiques DLCZ presenten varies limitacions, les quals redueixen la distància màxima que els repetidors quàntics basats en aquests sistemes poden assolir. Nosaltres n’hem adreçat parcialment dues d’elles. La primera és originada per l’alta absorció en fibres òptiques de la longitud d’ona de 780 nm. La segona té a veure amb el fet que altres experiments actuals només permeten la creació d’ones d’espín en un únic mode temporal, limitant el ritme de la generació d’entrellaçament en protocols de repetidors quàntics. Una bona solució per mitigar la primera limitació és traslladar la longitud d’ona dels fotons individuals, cap a la banda C de telecomunicacions en la que l’absorció és mínima, preservant les seves característiques quàntiques. Per això, vam demostrar l’operació d’una interfície fotònica quàntica d’estat sòlid amb un soroll ultra-baix basada en una guia d’ones integrada en un cristall PPLN. Vam convertir fotons individuals anunciats emesos per la memòria quàntica DLCZ a 780 nm cap a la longitud d¿ona de telecomunicacions de 1552 nm. Vam aconseguir una relació senyal-soroll màxima de 80 per a un nombre mitjà incident de fotons de 1, permetent-nos mostrar correlacions no-clàssiques significatives entre el fotó anunciat i el convertit, mitjançant la violació de la desigualtat de Cauchy-Schwarz. Per tal d’adreçar la segona limitació, vam demostrar els primers passos experimentals cap a la realització d’un node de repetidor quàntic de tipus DLCZ amb multiplexació temporal. Vam mostrar el control actiu d’ones d’espín creades a la nostra memòria quàntica, utilitzant un gradient de camp magnètic extern que indueix un eixamplament inhomogeni dels nivells atòmics hiperfins. Actuar en aquest gradient permet el desfasament i refasament actiu d’ones d’espín individuals, permetent crear ones d’espín en múltiples modes temporals i llegir només un mode temporal específic. Vam mostrar que la tècnica de refasament actiu preserva les estadístiques no-clàssiques dels fotons anunciats a través de l’observació d’anti-agrupament. Seguidament vam crear ones d'espín en dos modes temporals i vam demostrar la lectura selectiva de només un mode amb una selectivitat de fins a un 92%. Tots aquest resultats obren la porta a la realització de futurs nodes de repetidors quàntics amb multiplexació temporal basats en el protocol DLCZ.

Paginació: pàg. 1-136 i 1-464 / Educational Reverse Engineering Activities referred to as the acronym -EREA- help engineering design students to: Acquire and develop a set of abilities that raise their awareness of the design process; expand their sources of inspiration, position their actions within the lifecycle of a product, and transform theoretical knowledge into practice. However, it was detected that although such activities sparked interest among engineering design educators, they were either absent from typical engineering design curricula or were not fully exploited. After analysing the causes for it and determining that the creation of a collection of resources for the study of educational reverse engineering activities was the best way to reach a geographically dispersed community and thus start trying to change the existing research situation, the development of such resources began with the goal to address as many of the concerns as possible found whenever trying to implement EREA into existing engineering design curricula. The contents selected for inclusion in the collection of resources then, were derived based on initial exploratory discussions with experts in academia and industry; from the feedback received from peer reviewed conference papers stemming from this doctoral research, and from the presentation of intermediate results to early reviewers of this project; for such reasons, the information presented in the different resources targets first time (or novice) instructors of reverse engineering activities and takes into account not only the technical but also the pedagogical and administrative considerations implicated in the study of academic activities, and their potential introduction into an existing engineering design curriculum Given that some relevant information about the topic already existed but it was dispersed across different areas of knowledge; rather than developing all topics from scratch again, a conscious effort was made to examine published literature and to consult with domain experts to integrate and contextualise all existing information into a coherent body that could be complemented with the original results originating from this project. The major sections comprising the collection of resources then, are listed below: - Resource 1: Fundamentals of Educational Reverse Engineering Activities - Resource 2: Reverse Engineering and Learning - Resource 3: Misconceptions about Reverse Engineering - Resource 4: Benefits of Reverse Engineering - Resource 5: A Proposed Methodology for Reverse Engineering Analysis in Engineering Design Education - Resource 6: A Suggested Pedagogy for the Teaching of Educational Reverse Engineering Activities - Resource 7: Integrated Example of an Educational Reverse Engineering Activity on a Disposable Camera - Resource 8: Conclusions and Final Remarks - Resource 9: Miscellaneous Resources for the Study of Reverse Engineering The abovementioned resources were of a self-contained nature, could be read either individually or sequentially, and were written using the "DRM" framework for research in the area of engineering design. Once finished, a number of academic institutions were contacted to measure their interest in the resources, and in the end 12 different ones in the United Kingdom, Ireland, France, Denmark and Germany showed their interest in the research project and agreed to receive the document for reading, thus helping fulfil one of the main goals of this research which was to disseminate the results from it. Other results from this project include five peer reviewed conference papers and a report presented at the Technical University of Ilmenau in Germany after spending a visiting internship abroad to learn about similar approaches to the research into reverse engineering by other schools and traditions of design / Las actividades educativas de ingeniería inversa “AEII” tambien conocidas como “EREA” por su acrónimo en inglés ayudan a los estudiantes de ingeniería de diseño a: Adquirir y desarrollar un conjunto de habilidades que elevan su conocimiento del proceso de diseño; tambien a expandir sus fuentes de inspiración, a situar sus acciones dentro del ciclo de vida de un producto, y a transformar conocimiento teórico en practico. Sin embargo, se detectó que a pesar de que tales actividades despertaban el interés de los profesores del área de ingeniería de diseño ellas estaban o ausentes de sus típicos programas de estudio o no explotadas en su totalidad Después de analizar las causas de ello y determinar que la creación de una colección de recursos para el estudio de las actividades educativas de ingeniería inversa era la mejor forma de acceder a un grupo geográficamente disperso y así intentar cambiar la situación de investigación existente, el desarrollo de tales recursos empezó con la meta de atender tantas inquietudes como fueran posible, de aquellas encontradas siempre que se intentaba implementar “AEII” en programas existentes de ingeniería de diseño Los contenidos seleccionados para formar parte de la colección de recursos, fueron definidos en base a conversaciones iniciales de exploración con expertos en la academia y la industria; en base a la retroalimentación recibida de los artículos presentados en conferencia procedentes de esta investigación doctoral, y de la presentación de resultados intermedios a los revisores preliminares de este proyecto; por tales razones, la información presentada en los diferentes recursos está dirigidas a instructores principiantes de actividades de ingeniería inversa y toma en cuenta no solo las consideraciones técnicas sino también las pedagógicas y administrativas involucradas en el estudio de actividades académicas y su potencial incorporación a un programa existente en ingeniería de diseño Dado que cierta información relevante al tema de investigación ya existía pero estaba dispersa entre varias áreas del conocimiento; en vez de desarrollar todos los temas desde cero nuevamente, se realizó un esfuerzo consciente para examinar la literatura existente y consultar con expertos en el tema, para así integrar y contextualizar toda la información disponible en un estudio coherente que pudiera ser complementado con los resultados originales producidos por esta investigación. Las secciones principales que comprenden la colección de recursos se enumeran a continuación: • Recurso 1: Fundamentos de las Actividades Educativas de Ingeniería Inversa • Recurso 2: Ingeniería Inversa y Aprendizaje • Recurso 3: Interpretaciones Equívocas acerca de la Ingeniería Inversa • Recurso 4: Beneficios de la Ingeniería Inversa • Recurso 5: Una Propuesta de Metodología para Utilizar Análisis de Ingeniería Inversa en la Enseñanza de la Ingeniería de Diseño • Recurso 6: Una Propuesta de Pedagogía para la Enseñanza de Actividades Educativas de Ingeniería Inversa • Recurso 7: Ejemplo de una Actividad Educativa de Ingeniería Inversa en una Cámara Desechable • Recurso 8: Conclusiones y Apuntes Finales • Recurso 9: Recursos Diversos para el Estudio de la Ingeniería Inversa Los recursos fueron escritos utilizando la metodología “DRM” para la investigación en el área de ingeniería de diseño y se contactó a diversas instituciones académicas para saber de su interés en tales recursos, al final 12 instituciones en el Reino Unido; Irlanda, Francia, Dinamarca y Alemania mostraron su interés en el proyecto y accedieron a recibir el documento, ayudando así a cumplir una de las metas principales de esta investigación que fue difundir sus resultados entre estudiosos de la ingenierÍa inversa educativa. Tambien como resultado final de esta investigacion se pueden contar 5 artículos presentados en conferencia y el reporte de trabajo de la estancia de investigación en el extranjero.