Cotutela Universitat Politècnica de Catalunya i CERN / The 4th of July 2012 was a milestone date in the history of physics of the last decades. The discovery of the Higgs boson at the ATLAS and CMS experiments thanks to the proton collisions delivered by the LHC not only has provided the missing piece of the Standard Model of particle physics, but most probably, it has opened the door to new physics that remains still hidden today. In order to go beyond in the understanding of the very deep laws of nature, new and more precise experiments are required. One of the alternatives that can unravel these mysteries is the $e^+e^-$ linear collider, being the CLIC~(Compact Linear Collider) and the ILC~(International Linear Collider) the two referents today. These two machines will collide bunches of electrons and positrons of the order of nanometers transverse size to ensure a high quantity of events during bunch crossing. To reach such small beam sizes, a very strong focusing of the beam is required by means of magnetic lenses. This strong focusing together with the fact that particles inside a bunch have slightly different energies from the nominal energy, makes that each particle is focalized into a different point. Effectively, this effect is translated into a beam size increase and it is called chromaticity. This effect must be corrected in order to reach an acceptable collision rate. The Final Focus System~(FFS) comprises the task to focalize the beam at the Interaction Point~(IP) and to correct chromaticity. There are two main concepts that carry out this task: the so called traditional or dedicated chromatic correction system and the local chromatic correction system. In this thesis both systems are compared in terms of luminosity performance and how the systems are affected when alignment errors are introduced in the different components of the FFS. We demonstrate that, at high energies, an optimized non-local FFS despite of being longer, is faster to tune and therefore, can deliver more integrated luminosity. The results of these studies have been published on Physical Review Special Topics Accelerators and Beams. The possibility of reducing the horizontal $\beta$-function for CLIC at 500 GeV center of mass energy has also been explored. This option would allow a luminosity increase or it would also allow to reduce the bunch charge while keeping the same luminosity. Finally, some studies concerning the optimization of the ILC FFS have been done, including the possibility of implementing the traveling focus scheme and the option of using the CLIC FFS lattice as ILC FFS has been considered showing the advantages / La data del 4 de Juliol del 2012 quedará marada per sempre a la història de la física com una de les més importants de les darreres dèades. El descobriment del bosó de Higgs als experiments ATLAS i CMS mitjançant col.lisions al LHC ha permés col.locar la peça que faltava al Model Estàndard de la física decpartícules però al seu torn, ha obert la porta o trobar nova física que encara avui roman desconeguda. Per tal d'anar més enllà en la comprensió de les lleis fonamentals de la natura, es requereixen experiments encara més precisos que els actuals. Una de les alternatives que podria desvetllar aquests misteris són els colisionadors lineals, entre els quals destaquen CLIC (Compat Linear Collider) i ILC (International Linear Collider). Aquestes futures màquines col.lisionaran dos feixos d'electrons i positrons agrupats en paquets del tamany del nanòmetre per tal de produir una quantitat molt gran de col.lisions per segon. Per tal d'assolir tamanys tan sumament petits, es requereix una forta focalització mitjançant camps magnètics. Però també degut a aquesta forta focalització, i degut a que les partícules de cada paquet tenen una energia que es desvia lleugerament de l'energia nominal, cadascuna d'aquestes partícules es focalitzacen un punt diferent al punt d'interacció. Aquest fet es tradueix en un increment efectiu del tamany del feix al punt de col.lisió. Aquest efecte, anomenat romaticitat, s'ha de corregir per tal de no reduir el nombre de col.lisions per sota del nivell acceptable. El sistema de focalitzaió final (FFS, de l'anglès Final Focus System) s'encarrega de crear aquesta forta focalització a la vegada que es corregeix la romatiitat del feix. Hi ha dos sistemes principals diferenciats que duen a terma aquesta tasca: l'anomenat sistema de correcció dedicat o tradicional i l'anomenat sistema de correcció local. En aquesta tesis es compara l'efectivitat de cada sistema per CLIC a 3 TeV i 500 GeV d'energia al entre de masses, en termes de luminositat i om es veuen afectats pels diferents errors associats a l'aliniació de tots els components que conformen el FFS. També s'explora l'opció de reduir la funció β horitzontal al punt d'interacció per a CLIC a 500 GeV d'energia al centre de masses. Aquesta opció permetria o bé augmentar la luminositat del sistema o bé reduir la càrrega del feix mantenint la mateixa luminositat. Finalment també es msotren alguns estudis d'optimització del FFS realitzats per ILC, incloent la possibilitat d'introduir un traveling focus mitjançant crab cavities i també es considera emprar el disseny del FFS de CLIC per a ILC i es comparen les avantatges i desavantatges d'ambdós sistemes.

Water delivery systems usually work in continuous way based on some prescribed flow conditions and user's needs . However there are situations in which abrupt changes in the operating conditions must be carried on. Typical examples are the alternative closing of a canal system during the non-demand periods to save water for other purposes as energy production, and the closure of a canal due the danger of water pollution in the supplier river. Closure of a canal means setting zero flow conditions by closing the gates along the canal, while maintaining specific water levels under the maximum allowed value. The closure operation requires a progressive and well planned set of actions to avoid overtopping and cracking in the canal lining, which can involve both economic and environmental issues. The opening operation involves restarting the canal to its normal operating condition from zero flow condition. This thesis is devoted to develop a supervised decentralized predictive control strategy for solving the problems related to the closure and opening operations of canal systems. The evaluation is fulfilled by means of numerical simulation on two cases of study in a variety of operating scenarios. The strategy is also experimentally validated through real-time implementation in a laboratory canal available in the Technical University of Catalonia (canal PAC-UPC). The control strategy has been developed in a two-level architecture: (i) a set of individual decentralized downstream water level predictive controllers, which are formulated via an optimal control problem under dynamic constraints and implemented by upstream local gates; and (ii) a supervising level to achieve the compromise of fast execution with smooth gate trajectories and water level regulation, even in the presence of disturbances. The simulation and real-time implementation scenarios have demonstrated that the proposed strategy is convenient for closure and opening of irrigation canals. Problems presented when the canal closure operations are not managed properly, such as overtopping, have been avoided in all the scenarios. / Los canales de riego usualmente trabajan en forma continua bajo unas condiciones de flujo prescritas y acorde a las necesidades de agua de los usuarios. Sin embargo hay situaciones en las cuales se presentan cambios abruptos en las condiciones de operación. Un típico ejemplo es la alternativa de cierre durante los periodos de inactividad de los regantes. Dicho cierre tiene por objeto el ahorro de agua para otros propósitos, como puede ser la producción de energía. Otro ejemplo es la necesidad de cierre de un canal ante la presencia de un vertido de contaminantes aguas arriba en la fuente abastecedora de agua. El cierre de un canal requiere cerrar de forma progresiva y suave las compuertas de todo el canal, evitando desbordamientos y manteniendo unos calados de seguridad en los diferentes tramos del canal hasta llegar a una condición de caudal cero. La violación de los calados máximos puede producir inundaciones y pérdidas de agua innecesarias. La reducción de los niveles de agua por debajo de los calados mínimos permitidos puede causar daños en la estructura física del canal. Esta tesis se centra en el desarrollo de una estrategia de control predictivo descentralizado supervisado para gestionar de forma automática las operaciones de cierre y apertura de canales de riego. La evaluación de la estrategia se lleva a cabo mediante la simulación numérica en dos casos de estudio. Dicha evaluación se completa mediante experimentos en tiempo real realizados en un canal de laboratorio existente en la Universitat Politècnica de Catalunya (canal PAC-UPC). La estrategia de control se ha desarrollado con una arquitectura de dos niveles: (i) un conjunto de controladores individuales descentralizados para el control de niveles de aguas abajo, cuya formulación se plantea como un problema de control óptimo con restricciones dinámicas; y (ii) un nivel de supervisión encargado de alcanzar el compromiso de una ejecución rápida del proceso de cierre (o apertura) con movimientos suaves de compuerta y de una regulación de los niveles de agua dentro de los márgenes de consigna, incluso en presencia de perturbaciones. Tanto los escenarios de simulación como los de implementación en tiempo real, han demostrado que la estrategia propuesta en esta tesis es satisfactoria para operaciones de cierre y apertura de canales de riego. En efecto, la estrategia de control ha sido capaz de evitar problemas, como por ejemplo el desbordamiento, que se presentan cuando la operación de cierre de un canal no se realiza adecuadamente.

Aquesta tesi es centra en el desenvolupament i l'ús d'una sonda miniaturitzada de silici per a la mesura de la impedància elèctrica de teixits vius tous. El propòsit d'aquestes mesures d'impedància és la monitorització en temps real del dany isquèmic per a aplicacions com la cirurgia cardíaca o el trasplantament d'òrgans. Actualment, el rang de mètodes aplicables a nivell clínic per tal de detectar l'isquèmia tissular és limitat i no existeix cap mètode pràctic que permeti la quantificació en temps real de l'efecte d'aquesta isquèmia, això és, el dany isquèmic. En aquest sentit, la monitorització de la impedància elèctrica sembla esperançadora i el treball d'aquesta tesi contribueix al camp mitjançant el desenvolupament de nous instruments i mètodes i mitjançant l'aportació de noves dades experimentals i eines per a la comprensió de la relació entre la patofisiologia i la impedància elèctrica. Les principals contribucions d'aquesta tesi es resumeixen a continuació.En aquesta tesi, es descriu el desenvolupament d'una sonda que formada per quatre elèctrodes de platí (300 &#61549;m &#61620; 300 &#61549;m) a sobre d'un substrat de silici en forma d'agulla ( longitud d'inserció = 9 mm i secció de 600 &#61549;m &#61620; 500 &#61549;m). Els elèctrodes estan situats a una distància de separació no constant per tal de millorar la relació senyal-soroll i la resolució espacial. Es realitza una deposició electroquímica de platí negre sobre els elèctrodes per tal de reduir la impedància de la interfície i millorar la qualitat de les mesures. En el cas dels teixits vius, la banda freqüencial de mesura va dels 100 Hz fins als 100 kHz. Un mètode nou per a la mesura d'impedància a cinc elèctrodes es presenta i s'analitza. Amb aquest mètode, es pretén minimitzar l'error a baixes freqüències degut a l'elevada impedància de la interfície elèctrode-electròlit. Malauradament, encara que aquest mètode a cinc elèctrodes funciona, s'han trobat algunes limitacions que el fan quasi impracticable en el cas dels teixits vius.També es presenta el desenvolupament i l'ús d'un paquet de programari per a simular la impedància elèctrica dels teixits vius en les regions de dispersió &#61537; i &#61538;. Aquest programari es basa en la generació d'arxius SPICE a partir de l'especificació d'alguns paràmetres numèrics relacionats amb el teixit i el dibuix d'un mapa bi-dimensional que representa un tall de teixit. El resultat més significatiu d'aquest simulador és que és capaç d'obtenir respostes compatibles amb l'equació de Cole a partir d'un model basat únicament en resistències i capacitats.S'han realitzat diversos estudis experimental fent servir la sonda de silici. En aquesta tesi únicament es presenten els estudis amb ronyons de rata. Els resultats confirmen les principals observacions fetes anteriorment per altres investigadors que han treballat amb diferents animals, òrgans i protocols. Això vol dir, en termes generals, un increment significatiu de la magnitud de la impedància elèctrica a baixes freqüències (< 10 kHz) durant el desenvolupament del procés isquèmic que s'associa a l'inflament cel·lular o al tancament de les unions inter-cel·lulars (gap junctions). Malgrat això, aquí també s'observa que un paràmetre derivat de la caracterització espectroscòpica de la impedància segons el model Cole, el paràmetre &#61537;, normalment ignorat per molts autors, és capaç de detectar alguns fets que no són detectats per la resta de paràmetres derivats de l'estudi de la impedància. Concretament es mostra que el valor de &#61537; podria estar relacionat amb la morfologia de l'espai extracel·lular i es demostra experimentalment que &#61537; pot ser modificat per una alteració induïda del citosquelet cel·lular.Addicionalment, aquesta tesi inclou un annex que tracta de facilitar la comprensió de la monitorització de la bioimpedància elèctrica a aquells amb formació en ciències de la vida. / This thesis is focused on the development and use of a miniaturized silicon probe for electrical impedance measurements of soft living tissues. The purpose of those impedance measurements is to monitor the ischemia injury for applications such as cardiac surgery or organ transplantation.Currently, the range of clinically available methods to detect tissue ischemia is limited and there is not any practical method to quantify in an on-line manner the effect of such ischemia, that is, the ischemia injury. In this sense, electrical impedance monitoring seems very promising and this thesis contributes to the field by developing new instruments and methods and by providing novel experimental results and tools to understand the relation between pathophysiology and electrical impedance. The main contributions of this thesis are summarized below.In this thesis, it is presented the development of a silicon probe that consists of four platinum electrodes (300 &#61549;m &#61620; 300 &#61549;m) on a needle shaped silicon substrate (9 mm insertion length, 600 &#61549;m &#61620; 500 &#61549;m cross section). The electrodes are placed at non-constant separation distance in order to enhance signal-to-noise ratio and spatial resolution. An electrochemical deposition of platinum black on the electrodes is performed in order to reduce the interface impedance and improve the quality of the measurements. For living tissue measurements, the useful measurement band goes from 100 Hz to 100 kHz.A novel measurement method based on five electrodes is described and analyzed. It is intended to minimize errors at low frequencies caused by the high electrode-electrolyte interface impedances. Unfortunately, although this five-electrode method works, some limitations have been found that made almost impossible its implementation for living tissue measurements.It is also presented a custom developed software package to simulate the electrical impedance of living tissues at the &#61537; and &#61538; dispersion regions. It is based on the generation of a SPICE netlist from the specification of some numerical parameters concerning the tissue and a bi-dimensional map representing a slice of tissue. Some examples are provided to demonstrate its feasibility. The most significant result is that the simulator is able to obtain Cole compatible behaviours from models based on simple resistances and capacitances. Several experimental studies have been performed by using the silicon probe. In this thesis only the experiments carried out on rat kidneys are presented. The results confirm the main observations made by previous researchers working with other animals, organs and protocols. That is, in general terms, a significant increase of impedance magnitude at low frequencies (<10 kHz) during the course of ischemia that is related to cell swelling or gap junctions closure. However, here it is also observed that a parameter from impedance spectroscopy characterization according to the Cole model, the &#61537; parameter, which is often ignored, is able to detect some events that are not revealed by other impedance parameters. It is shown that the &#61537; value could depend on the extracellular space morphology and it is experimentally demonstrated that &#61537; is modified by an induced alteration of cells cytoskeleton.This thesis includes an annex that tries to facilitate the understanding of electrical bioimpedance monitoring for life-sciences practitioners.Another annex describes the instrumentation systems that were developed for electrical impedance measurements based on the four-electrode method.

Se ha llevado a cabo un estudio con el fin de observar diferencias en el comportamiento de fluencia en caliente de los cobres refinados al fuego con una pureza de 99.9%, dicho estudio ha permitido proponer modelos para predecir la curva esfuerzo-deformación y para predecir el tamaño de grano recristalizado dinámicamente. Los cobres refinados al fuego con una pureza de 99.9% se caracterizan por tener una composición residual de varios otros elementos, en algunos casos hasta 1000ppm. En los cobres con por lo menos 99.9% de pureza que tengan pocos elementos residuales, las diferencias observadas durante la fluencia en caliente se atribuyen a las interacciones entre átomos disueltos y dislocaciones, específicamente las interacciones con oxígeno intersticial. En el cobre electrolítico, el cual contiene principalmente altos contenidos de oxigeno, las diferencias de fluencia se atribuyen a cantidades cada vez mayores de partículas de Cu2O. Este trabajo más bien demuestra que las diferencias de esfuerzo encontradas en cobres refinados al fuego con una pureza de 99.9% son debidas a la cantidad de oxígeno residual, el cual forma finos precipitados a temperaturas intermedias que refuerzan la matriz metálica. A pesar del bajo contenido en oxígeno en los cobres estudiados (26-62ppm) se han caracterizado precipitados de Cu2O y se han utilizado teorías del endurecimiento por precipitación que han indicado que los precipitados de Cu2O eran los responsables del incremento en resistencia. Las interacciones entre átomos de oxígeno y dislocaciones son poco probables que causen un retro esfuerzo adicional a temperaturas superiores a los 600º C, en donde se ha llevado a cabo este trabajo. Se han comprimido tres cobres con 26, 46 y 62ppm de oxígeno a unas velocidades de deformación de 0.3s-1, 0.1s-1, 0.03s-1, 0.01s-1, 0.003s-1 y 0.001s-1 y a unas temperaturas desde 600º C hasta 950º C en intervalos de 50º. En este trabajo se presenta evidencia de cómo bajos contenidos de oxígeno en cobres 99.9% puros pueden afectar el comportamiento esfuerzo-deformación y el tamaño de grano recristalizado dinámicamente.Además de haber encontrado el elemento y el mecanismo responsable del retro esfuerzo adicional también se presenta un algoritmo matemático para estudiar y predecir las oscilaciones de esfuerzo durante la recristalización dinámica de pico múltiple. Intentos anteriores utilizando Modelos Computarizados de Monte Carlo, Modelos de Autómatas Celulares o Modelos Matemáticos para la Recristalización Dinámica (DRX) no predicen las oscilaciones de esfuerzo de materiales reales y su tiempo de computo los hace inviables para procesos de simulación industrial. El nuevo Modelo de Avrami con Coseno Amortiguado para la DRX es capaz de predecir la transición de DRX de pico simple a DRX de pico múltiple. Además el nuevo modelo define el esfuerzo de estado estable sin tener que escoger un valor de una curva experimental que posiblemente no haya alcanzado un estado estable. Otra contribución del nuevo modelo es que demuestra que las oscilaciones son completamente predecibles en términos de la velocidad de deformación y la temperatura, una característica que antes se había dicho ser improbable. El nuevo modelo para la DRX junto con un modelo modificado de Voce-Kocks para la restauración dinámica han sido exitosamente implementados para predecir la fluencia en caliente.Adicionalmente a las anteriores contribuciones este trabajo también da a conocer la relación que tiene el tamaño de grano recristalizado con la temperatura y la velocidad de deformación. Se asume que los cobres 99.9% puros, como los estudiados, tenderán a un tamaño de grano de estado estable el cual cuando esté a temperatura ambiente determinará las propiedades mecánicas del producto forjado.