Tese de doutoramento. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008

The study of the elastic, dielectric and piezoelectric non-linear behavior in PZT-based and KNN-based piezoelectric ceramics represent the main goal of this work. Both systems present a perovskite-like structure. Several experimental set-ups were designed, mounted and automated to be used in this study. First, the elastic non-linear response, in resonance, is measured. The purpose is to study the variation of the elastic coefficient of the material when it is submitted to high stress. A model is formulated based on the variation of the coefficients due to the increase in amplitude of the high stress applied. The correspondence between the model and the experimental observations is verified. The results show a good agreement in soft PZT case but not in hard PZT, confirming that is not possible to assume a non-linear -like dependence for hard PZT coefficients. Secondly, we take a view of the dielectric, piezoelectric and elastic response over the temperature. The purpose of the study is to evaluate the contribution of the extrinsic effect to piezoceramics response. Anomalous behavior of the macroscopic properties of the hard PZT around the Room Temperature is observed. A preliminary model is proposed to explain such behavior. The contribution of the extrinsic effect to the macroscopic properties in a KNN compound is evaluated and the results suggest that the anomaly observed around Room Temperature would be associated, in this case, with the presence of a structural transition between two ferroelectric phases. Temperature dependent non-linear dielectric response is also observed. The study was carried out by measuring the dielectric permittivity at low frequencies and at high applied electric fields in a temperature range from 20K till 400K. The results have been analyzed using the Rayleigh model. The change in the hard PZT dynamic walls is shown and explained through an intuitive model. The results obtained in the KNN system display a soft PZT like behavior at Room Temperature. Nevertheless, the anomaly observed in the dielectric proper ties around Room Temperature was associated to the above mentioned structural transition between two ferroelectric phases. Finally, temperature dependent mechanical non-linear response in soft PZT ceramics is studied. The variations of the coefficients with the stress and with the temperature are studied and the similarities between the linear and non-linear regime are assessed. It is observed that the change of the extrinsic contribution with the temperature is qualitatively similar that the variation observed by the application of the high mechanical stress, thus indicating that the effect is due to a common phenomenon.

El trabajo de tesis tiene por objetivo diseñar e implementar un acondicionador de señales para transductores piezoeléctricos con electrónica integrada (IEPE), específicamente acelerómetros. El acondicionador funciona a baterías, cuenta con una fuente de corriente de 4 mA para polarizar al transductor, un amplificador, filtro pasa altos Butterworth, detector de cable y detector de sobrecarga. La fuente de corriente es de 4 mA ; el amplificador es de ganancia seleccionable 1 (0 dB) y 10 (20 dB), ancho de banda (±0,5 dB) de [0,05 Hz; 50 kHz] con una desviación de fase de ±5° ; el filtro es de segundo orden y frecuencia de corte de 22,5 Hz que puede conectarse o desconectarse a criterio del usuario. El acondicionador implementado tiene una distorsión armónica total (THD) menor de 0,014% en el rango [10 Hz; 20 kHz] , una relación señal a ruido superior a los 100 dB en el rango [10 Hz; 20,2 kHz] y superior a 95 dB en el rango [4 Hz; 10 Hz], en ambos casos medido con una señal de tensión eficaz 1 V . En el primer capítulo se presenta un montaje típico de medición que emplea un acondicionador de señales para el análisis de vibraciones mecánicas. Se incluyen también características relevantes de acelerómetros y acondicionadores de señales comerciales, que sirvieron de referencia para las especificaciones del sistema implementado. El segundo capítulo presenta el diseño del sistema y el tercer capítulo los ensayos realizados y los resultados. / This thesis has as a target the design and implementation of a signal conditioner for piezoelectric transducers with integrated electronics (IEPE), mainly for accelerometers. The instrument is battery operated and includes a current source of 4 mA to bias the transducer. Includes also an amplifier, a Butterworth high-pass filter, a cable fault detector and an overload detector. The current source is internally adjustable; the amplifier gain can be either 0 dB or 20 dB, the frequency response of the amplifier ±0.5 dB is 0.05 Hz to 50 kHz with a phase deviation from 0° ± 5° at the high and low end of the response. The instrument includes a second order high-pass filter with a cut-off frequency of 22.5 Hz that can be activated by the user. The total harmonic distortion (THD) of the conditioner is less than 0.014% in the range of 10 Hz to 20 kHz. The signal-to-noise ratio is greater than 100 dB in the range of 10 Hz to 20.2 kHz and greater than 95 dB in the range of 4 Hz to 10 Hz, both cases were measured with a signal of 1 Vrms . Chapter 1 presents a typical measurement setup that uses a signal conditioner for mechanical vibrations analysis. Relevant characteristics of accelerometers and commercial signal conditioners are included, which served as a reference for the specifications of the system. Chapter 2 presents the system design and chapter 3 the tests carried out and the results.

Tesis por compendio / [ES] Esta tesis doctoral se enmarca en uno de los retos demandados por la sociedad relativo a la seguridad y calidad alimentaria, establecido en los actuales planes estatales y europeos de investigación científica, técnica y de innovación. En particular, la investigación realizada en esta tesis doctoral, contribuye a la validación de una técnica de análisis novedosa para la detección de pesticidas y antibióticos de interés en la miel. Esta técnica está basada en el uso combinado de la tecnología de sensores acústicos de alta resolución (High Fundamental Frequency Quartz Crystal Microbalance - HFF-QCM) funcionalizados con anticuerpos monoclonales, como elemento de reconocimiento biológico, para la detección de dos pesticidas (carbaril y DDT) y un antibiótico (sulfatiazol), en la matriz alimentaria miel. La metodología desarrollada se presenta como una técnica de análisis, alternativa y/o complementaria a las ya existentes, que resuelve algunos inconvenientes de las mismas; con la ventaja de requerir bajo consumo de muestra, ser fiable, simple, de bajo coste y de fácil manejo, por lo que no necesita de personal altamente cualificado. Además, es una técnica rápida que proporciona los resultados en pocos minutos, y está basada en instrumentación portátil, lo que facilita su implantación en la línea de trabajo. Los límites de detección alcanzados en miel por los inmunosensores HFF-QCM para carbaril, DDT y sulfatiazol fueron: 7, 24 y 0.10 µg/kg, respectivamente. Por su parte, los límites de cuantificación para los mismos analitos fueron: 17, 52 y 2 µg/kg, respectivamente. Los valores obtenidos con esta nueva tecnología son del mismo orden de magnitud que las técnicas de referencia actuales (cromatografía, SPR y ELISA), y confirman que cumple con los LMRs establecidos en el marco normativo actual. Respecto a la validación de esta nueva tecnología, el inmunosensor HFF-QCM desarrollado para la detección de sulfatiazol cumplió los requisitos de precisión y exactitud establecidos por la guía SANCO 12571/2013 para concentraciones de sulfatiazol en miel iguales o superiores a 10 ¿g/kg. Los inmunosensores HFF-QCM desarrollados para la detección de carbaril y DDT se aproximaron a los criterios de validación recomendados por la guía SANCO 12571/2013. Los resultados obtenidos con la técnica propuesta para el análisis de mieles reales han sido corroborados mediante cromatografía. En este sentido, ninguna de las muestras de miel reales analizadas mediante cromatografía y HFF-QCM reveló la presencia de pesticidas o de antibióticos en la miel, lo que confirma la fiabilidad de la técnica para la detección de estos contaminantes. Los hallazgos obtenidos en esta tesis son prometedores y establecen un punto de partida para futuros desarrollos encaminados a lograr la detección simultánea de varios analitos en un único análisis y muestra. Esto podría lograrse con un array de sensores HFF-QCM. En definitiva, la investigación realizada pone de manifiesto que los inmunosensores basados en la tecnología HFF-QCM son una alternativa seria a las técnicas actuales, para la cuantificación in situ de pesticidas y antibióticos en la industria de envasado de la miel. / [CA] Aquesta tesi doctoral s'emmarca en un dels reptes demandats per la societat relatiu a la seguretat i qualitat alimentària, establit en els actuals plans estatals i europeus d'investigació científica, tècnica i d'innovació. En particular, la investigació realitzada en aquesta tesi doctoral, contribuïx a la validació d'una tècnica d'anàlisi nova per a la detecció de pesticides i antibiòtics d'interés en la mel. Esta tècnica està basada en l'ús combinat de la tecnologia de sensors acústics d'alta resolució (High Fudamental Frequency Quartz Crystal Microbalance - HFF-QCM) functionalitzats amb anticossos monoclonals, com a element de reconeixement biològic, per a la detecció de dos pesticides (carbaril i DDT) i un antibiòtic (sulfatiazol), en la matriu alimentària mel. La metodologia desenvolupada es presenta com una tècnica d'anàlisi, alternativa y/o complementària a les ja existents, que resol alguns inconvenients de les mateixes; amb l'avantatge de requerir baix consum de mostra, ser fiable, simple, de baix cost i de fàcil maneig, per la qual cosa no necessita de personal altament qualificat. A més, és una tècnica ràpida que proporciona els resultats en pocs minuts, i està basada en instrumentació portàtil, la qual cosa facilita la seua implantació en la línia de treball Els límits de detecció aconseguits en mel pels inmunosensors HFF-QCM per a carbaril, DDT i sulfatiazol van ser: 7, 24 i 0.10 µg/kg, respectivament. Per la seua banda, els límits de quantificació per als mateixos analits van ser: 17, 52 i 2 µg/kg, respectivament. Els valors obtinguts amb aquesta nova tecnologia són del mateix orde de magnitud que les tècniques de referència actuals (cromatografia, SPR i ELISA), i confirmen que complix amb els LMRs establits en el marc normatiu actual. Respecte a la validació d'esta nova tecnologia, l'inmunosensor HFF-QCM desenvolupat per a la detecció de sulfatiazol va complir els requisits de precisió i exactitud establits per la guia SANCO 12571/2013 per a concentracions de sulfatiazol en mel iguals o superiors a 10 µg/kg. Els inmunosensors HFF-QCM desenvolupats per a la detecció de carbaril i DDT es van aproximar als criteris de validació recomanats per la guia SANCO 12571/2013. Els resultats obtinguts amb la tècnica proposta per a l'anàlisi de mels reals han sigut corroborats per mitjà de cromatografia. En aquest sentit, cap de les mostres de mel reals analitzades per mitjà de cromatografia i HFF-QCM va revelar la presència de pesticides o d'antibiòtics en la mel, la qual cosa confirma la fiabilitat de la tècnica per a la detecció d'estos contaminants. Les troballes obtinguts en aquesta tesi són prometedors i estableixen un punt de partida per a futurs desenvolupaments encaminats a aconseguir la detecció simultània de diversos analits en un únic anàlisi i mostra. Açò podria aconseguir-se amb una matriu de sensors HFF-QCM. En definitiva, la investigació realitzada posa de manifest que els inmunosensors basats en la tecnologia HFF-QCM són una alternativa seriosa a les tècniques actuals, per a la quantificació in situ de pesticides i antibiòtics en la indústria d'envasament de la mel. / [EN] This thesis is part of one of the challenges demanded by society regarding food safety and quality, established in the current state and European plans for scientific, technical and innovation research. In particular, the research carried out in this doctoral thesis contributes to the validation of a novel analysis technique for the detection of pesticides and antibiotics of interest in honey. This technique is based on the combined use of high resolution acoustic sensor technology (High Fundamental Frequency Quartz Crystal Microbalance - HFF-QCM) functionalized with monoclonal antibodies, as a biological recognition element, for the detection of two pesticides (carbaryl and DDT ) and an antibiotic (sulfathiazole), in the honey food matrix. The developed methodology is presented as an analysis technique, alternative and / or complementary to those that already exist, which solves some of their drawbacks; with the advantage of requiring low sample consumption, being reliable, simple, low cost and easy to use, so it does not require highly qualified personnel. In addition, it is a fast technique that provides results in a few minutes, and is based on portable instrumentation, which facilitates its implementation in the industry. The detection limits reached in honey by the HFF-QCM immunosensors for carbaryl, DDT and sulfatiazole were: 7, 24 and 0.10 µg / kg, respectively. On the other hand, the quantification limits for the same analytes were: 17, 52 and 2 µg / kg, respectively. The values obtained with this new technology are of the same order of magnitude as the current reference techniques (chromatography, SPR and ELISA), and confirm that it meets the MRLs established in the current regulatory framework. Regarding the validation of this new technology, the HFF-QCM immunosensor developed for the detection of sulfathiazole meet the precision and accuracy requirements established by the SANCO 12571/2013 guideline for concentrations of sulfathiazole in honey equal to or greater than 10 ¿g / kg. The HFF-QCM immunosensors developed for the detection of carbaryl and DDT approached the validation criteria recommended by the SANCO guide 12571/2013. The results obtained with the proposed technique for the analysis of real honeys have been verified by chromatography. In this sense, none of the real honey samples analyzed by chromatography and HFF-QCM revealed the presence of pesticides or antibiotics in honey, confirming the reliability of this technique for the detection of these contaminants. The findings obtained in this thesis are promising and establish a starting point for future developments aimed at achieving the simultaneous detection of several analytes in a single analysis and sample. This could be accomplished with an array of HFF-QCM sensors. Ultimately, the research carried out shows that immunosensors based on HFF-QCM technology are a serious alternative to current techniques for in situ quantification of pesticides and antibiotics in honey packaging industry. / Así mismo quiero agradecer a la Generalitat Valenciana y al Fondo Social Europeo por haberme proporcionado la financiación económica mediante el contrato “Ayudas para la contratación de personal investigador en formación de carácter predoctoral” (ACIF/2016/132), ya que sin este contrato la realización de esta tesis no habría sido posible. Además, quiero agradecer de nuevo a la Generalitat Valenciana y al Fondo Social Europeo por el apoyo financiero para llevar a cabo una estancia predoctoral en el Instituto de Ciencia y Tecnología de los Alimentos de la Universidad de León (ICTAL), España (BEFPI/2018/021). Y no menos importante es el agradecimiento al Ministerio Español de Economía y Competitividad, que mediante Fondos FEDER ha financiado esta investigación a través del proyecto titulado: “Diseño de una plataforma basada en matrices de sensores de cuarzo de alta resolución para HTS (High-Throughput Screening) de residuos en mieles” (PQHTS-HONEY, AGL 2013-48646-R). / Cervera Chiner, L. (2020). Aplicación y validación de la tecnología de inmunosensores piezoeléctricos de alta frecuencia (HFF-QCM) para la detección de pesticidas y antibióticos en miel [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/152488 / Compendio

En el presente trabajo de tesis se propone un circuito optimizado de cosecha de energía piezoeléctrica. Este circuito presenta un modelo que depende de la arquitectura y estrategia de conmutación que se basa en la arquitectura de cosecha de energía sincronizada de interruptores en inductores (SSHI). La eficiencia de la cosecha de energía se lleva a cabo gracias al circuito paralelo de SSHI (P-SSHI) y el circuito serie de SSHI (S-SSHI) que por sí solas logran mejorar la eficiencia en la cosecha de energía. La integración de estos dos circuitos permite reducir, en mayor porcentaje, la disipación de energía en el proceso de cosechar energía piezoeléctrica. Esto debido a que el circuito P-SSHI acelera la carga (descarga) del capacitor intrínseco del transductor piezoeléctrico debido a la conexión en paralelo de un inductor y el circuito S-SSHI aprovecha la energía transferida al inductor. Se utilizó el software Proteus 8 Profesional para realizar la implementación del circuito propuesto y las simulaciones a distintas frecuencias para comprobar la eficiencia en la cosecha de energía. Los resultados de potencia recolectada que se obtuvieron en comparación con un circuito de referencia que se encuentra en el estado del arte son de 3.8 veces mayor dentro de un rango de operación con frecuencia de 5 Hz a 30 Hz

Estudi in vitro, cec, comparatiu entre curetes Gracey (Hu-Friedy ®), maduixes de terminació diamantades (Perioset Intensiv ®), curetes de terminació diamantades (Intensiv PerioDiaCurette ®), ultrasò piezocerámico (Suprasson P-5 Booster - Satelec ®) i ultrasò piezoelèctric (Piezosurgery Mectron ®), mitjançant microscopi confocal (MC) i microscopi electrònic d'escombrat (SEM). L'objectiu plantejat en aquest estudi in vitro va ser avaluar la microtopografia de la superfície radicular després del raspat i allisat radicular amb sis diferents tipus d'instruments. Així d'aquesta manera aportar noves i importants dades per a la seva subseqüent aplicació a nivell clínic / Estudio in vitro, ciego, comparativo entre curetas Gracey (Hu-Friedy®), fresas de terminación diamantadas (Perioset Intensiv®), curetas de terminación diamantadas (Intensiv PerioDiaCurette®), ultrasonido piezocerámico (Suprasson P-5 Booster - Satelec®) y ultrasonido piezoeléctrico (Piezosurgery Mectron®), mediante microscopio confocal (MC) y microscopio electrónico de barrido (SEM). El objetivo planteado en este estudio in vitro fue evaluar la microtopografía de la superficie radicular después del raspado y alisado radicular con seis distintos tipos de instrumentos. Así de esta manera aportar nuevos e importantes datos para su subsecuente aplicación a nivel clínico.

[ES] En la última década, la terapia con haces de partículas pesadas (hadrones) ha sido una de las líneas de investigación con mayores estudios y avances en medicina nuclear. El número de centros de terapia con haces de partículas pesadas y los resultados en tratamiento especializado en tumores en la infancia cuando la cirugía no es el método más seguro, revelan una mejora sustancial frente a la radiación clásica con electrones y fotones. Así, el uso de protones como uno de los principales candidatos en hadronterapia, plantea retos importantes en la monitorización y localización de la deposición de energía durante la sesión de radiación en el paciente, pues implica procesos complejos de simulación y localización de las partículas al final de su recorrido. El objetivo de esta tesis es, por tanto, evaluar el conjunto de herramientas necesarias para estudiar los procesos de generación del haz, de su comportamiento en el medio, y la localización de este por medio de tecnologías basadas en métodos analíticos, numéricos y experimentales sobre el efecto termoacústico. Para ello se plantean cuatro capítulos que describen cada uno de los métodos que intervienen en el objetivo de localización y un capítulo final que resume un caso específico en la detección y localización del pico de Bragg. El capítulo I presenta un análisis del estado del arte sobre las estadísticas mundiales de la enfermedad del cáncer, de su implicación en la sociedad, de los métodos actuales de diagnóstico, tratamiento y monitorización que desvelan la necesidad de estudiar nuevas técnicas en terapia de hadrones. Se presenta, además, la hadronterapia desde un punto de vista tecnológico, donde se definen los sistemas de generación, emisión y posicionamiento del haz. El capítulo II enmarca los aspectos físicos que describen los procesos que dan lugar al modelo analítico del pico de Bragg, de su implicación en los modelos termoacústicos y una comparativa de resultados experimentales con simulaciones basadas en la discretización del modelo analítico y modelos Monte Carlo. Así, el capítulo III define el efecto piezoeléctrico y su implicación en la optimización de cerámicas piezoeléctricas. Para ello, esta tesis basa los resultados en el comportamiento del coeficiente de acoplamiento electromecánico para modos de vibración en baja frecuencia. Esto permite delimitar los resultados en términos de la geometría del material PZT. Siguiendo el camino de la optimización, se muestran medidas experimentales y simuladas sobre el comportamiento en sensibilidad de diferentes dispositivos piezoeléctricos. La parte conceptual y experimentación se completan con el capítulo IV. En este, las herramientas para el tratamiento de las señales acústicas estudiadas en los capítulos anteriores son presentadas y aplicadas a señales experimentales. Se define, además, los métodos de localización basados en métodos numéricos de resolución de ecuaciones diferenciales, así como la aplicabilidad de estos en experimentación y simulación con el fin de comparar resultados de posicionamiento y coste computacional. Finalmente, el capítulo V se muestra como el resultado de los métodos, herramientas y procesos descritos en los anteriores capítulos. Se presenta un caso específico para el cual, se ha llevado a cabo simulaciones Monte Carlo y FEM con la finalidad de presentan una alternativa válida a la detección y localización del pico de Bragg en el tejido cerebral teniendo en cuenta aspectos de generación y propagación de señal en las capas que componen el medio antes de llegar a la superficie del sensor piezoeléctrico. Este marco teórico y experimental unifica diferentes procesos con la única finalidad de presentar herramientas que permitan el progreso de la ciencia en medicina nuclear aplicada al tratamiento del cáncer. / [CA] En les últimes dècades, la teràpia amb feixos de partícules pesades (hadrones) ha sigut una de les línies d'investigació amb majors estudis i avanços en medicina nuclear. El número de centres de teràpia amb feixos de partícules pesades i els resultats en tractament especialitzat en tumors infantils quan la cirurgia no és el mètode mes segur, revelen una majoria substancial front a la radiació clàssica amb electrons i fotons. L'ús de protons com un dels principals candidats en hadronterapia, planteja reptes importants en la monitorització i localització de la deposició d' energia durant la sessió de radiació en el pacient, ja que implica processo complexos de simulació i localització de deposició de les partícules al final del seu recorregut. L'objectiu d'aquesta tesi és avaluar el conjunt de ferramentes necessàries per a estudiar els processos de generació del feix, del seu comportament al medi i la localització d'aquest mitjançant tecnologies basades en mètodes analítics, numèrics i experimentals sobre l'efecte termoacustic. Per això, es plantejant quatre capítols que descriuen cadascun dels mètodes que intervenen en l'objectiu de localització i un capítol final que resumeix un cas específic en la detecció i localització del pic de Bragg. A capítol I es presenta un anàlisi de l'estat de 'art sobre les estadístiques mundials d'infermetat del càncer, de la seua implicació en la societat, dels mètodes actuals de diagnòstic, tractament i monitorització que mostren la necessitat d'estudiar noves tècniques en teràpia d'hadrons. A més, es presenta l'adronterapia des d'un punt de vista tecnològic, on es defineixen els sistemes de generació, emissió i posicionament del feix. El capítol II emmarca els aspectes físics que descriuen els processos que duen al model analític del pic de Bragg, de la seua implicació en els models termoacústic i iuan comparativa de resultats experimentals amb simulacions basades en la desratització del model analític i models Monte Carlo. Així dones, el capítol III defineix l'efecte piezoelèctric i la seua implicació en la optimització de ceràmiques piezoelèctriques. Per això, aquesta tesi basa els resultats en el comportament del coeficient d'acoblament electromecànic per a modes de vibració en baixa freqüència. Açò permet delimitar els resultat en termes de la geometria del material PZT. Seguint el camí de l'optimització, es mostren les mesures experimentals i simulades sobre el comportament en sensibilitat de diferents dispositius piezoelèctrics. La part conceptual i experimentació es completen al capítol IV. En aquest, les ferramentes per al tractament dels senyals acústics estudiats als capítols anteriors són representats i aplicats a senyals experimentals. Es defineixen, a més els mètodes de localització basats en mètodes numèrics de resolució d'equacions diferencial, això com l'aplicabilitat d'aquests en experimentació i simulació amb la finalitat de comparar resultats de posicionament i cost computacional. Finalment, el capítol V es mostra com a resultat dels mètodes, ferramentes i processos descrits als anteriors capítols. Es presenta un ca específic per al qual s'han dut a terme simulacions Monte Carlo i FEM amb la finalitat de presentar una alternativa vàlida a la detecció i propagació de senyal a les capes que componen el medi abans d'arribar a la superfície del sensor piezoelèctric. Aquest marc teòric i experimental unifica diferent processos amb la única finalitat de presentar ferramentes que permeten el progrés de la ciència en medicina nuclear aplicada al tractament del càncer. / [EN] In the last decade, heavy particle beam therapy (hadrons) has been one of the main lines of research with the most studies and advances in nuclear medicine. The number of heavy particle beam therapy centres and the results of specialized treatment for childhood tumours when surgery is not the safest method, reveal a substantial improvement over classical radiation with electrons and photos. Thus, the use of protons as one of the main candidates in hadrontherapy, poses significant challenges in monitoring and locating energy deposition during the radiation session in the patient, as it involves complex simulation processes and the localization of the particles at the end of their way. The aim of this thesis is, to evaluate the set of tools necessary to study the bem generation processes, their behaviour in the medium, and its localization by means of analytical, numerical and experimental methods on the thermoacoustic effect. To do this, four chapters are presented. Each one of these, describes methods involved in the localization objective and a final chapter that summarized a specific case in the detection and localization od the Bragg Peak. Chapter I presents a state-of-the-art analysis of global cancer disease statistics, their involvement in society, current diagnostic, treatment and monitoring methods that reveal the need to study new technologies in hadrontherapy. It is presented from a technology point of view, where the beam generation, emission and positioning system are defined. Chapter II frames the physical aspects that describe the processes that give rise to the analytical model of the Bragg Peak, its involvements in thermoacoustic models and a comparison of experimental results with simulations based on the discretization of the analytical model and Monte Carlo models. Thus, Chapter III defines the piezoelectric effect and its implication in the optimization of piezoelectric ceramics. For this, this thesis bases the results on the behaviour of the electromechanical coupling coefficient for low frequency vibration modes. This allows the results to be delimited in terms of the geometry of the PZT material. Following the optimization path, simulated and experimental measurements on the sensitivity behaviour of different piezoelectric device are shown. The conceptual part and experimentation are completed with Chapter IV. In this, the tools for the treatment of acoustic signal studied in the previous chapters are presented and applied to experimental signals. In addition, the localization methods based on numerical methods of solving differential equations are defined, as well as the applicability of these in experimentation and simulation in order to compare positioning results and computational cost. Finally, Chapter V is shown as the result of the method, tools and processes shown described in the previous chapters. A specific case is presented for which Monte Carlo and FEM simulations have been carried out in order to present a valid alternative to the detection and localization of the Brag Peak in brain tissue taking into account aspects of signal generation and propagation in the layers that make up the medium before reaching the surface of the piezoelectric sensor. This theorical and experimental framework unifies different processes with the sole propose of presenting tools that allow the progress of science in nuclear medicine applied to cancer treatment. / Otero Vega, JE. (2020). Detección y localización acústica del pico de Bragg para monitorización en hadronterapia [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/153804

Dark matter detectors based on superheated fluids set WIMP-nucleus interaction limits based on registering acoustic signals in combination with the information of other sensors. For this reason, in order to distinguish the background events from those originated by new particle interactions, it is crucial to know the behaviour of the acoustic signal within the detector. The aim of this Thesis is to study the set of acoustic techniques and technologies necessary for the analysis, characterization and optimization of the different parts that compose a dark matter detector based on superheated fluids. From these studies, we draw conclusions for the design of a Geyser detector. The research is organized in four Chapters that approach the processes that take place from the bubble generation in the superheated fluid to the discrimination analysis. The study begins in Chapter I, where we study the interaction of WIMPs with matter and the consequent bubble creation and growth. In Chapter II we analyse the acoustic processes from the emitted sound wave in the growth of these bubbles, until they arrive at the sensors, going through the different media of the detector. Chapter III deals with the characterization, design and optimization of the transducers that record these acoustic signals. In Chapter IV, the signal processing techniques are studied in order to extract the greatest amount of information from the different signals of interest, as well as the characteristics of the sources. Finally, in Chapter V, we present the conclusions of these researches for the design and control of the proposed Geyser detector, called MODA-LS. In addition, due to its importance in the increasingly sensitive dark matter searches, we analyse the so-called neutrino sensitivity grounds, both in direct dark matter searches with superheated fluids and indirect searches with neutrino telescopes, in Annexes A and B respectively. All these activities form a common and unified framework in this new application of acoustics in relation to the detection of astroparticles. More specifically in the dark matter direct detection using superheated liquids. / Lo detectores de materia oscura basados en fluidos sobrecalentados establecen límites de interacción WIMP-núcleo a partir de, entre otros aspectos, las señales acústicas registradas. Por ello, entender los distintos aspectos que puedan influir en dicha señal acústica es crucial para distinguir los eventos que provengan de fondos indeseados respecto a los de interacciones de nuevas partículas. El objetivo de esta Tesis es abordar el estudio del conjunto de técnicas y tecnologías acústicas necesarias para el análisis, caracterización y optimización de las distintas partes que componen un detector de materia oscura basado en fluidos sobrecalentados. Con ello, se extraen conclusiones para el diseño de un detector Geyser. La investigación se organiza en cuatro Capítulos que abordan los procesos que tiene lugar desde la generación de burbujas en el fluido sobrecalentado hasta el análisis para su discriminación. El estudio se inicia en el Capítulo I, donde se estudia la interacción de los WIMP con la materia y la consiguiente creación y crecimiento de burbujas. En el Capítulo II se analizan los procesos acústicos que tienen lugar desde se emiten las ondas acústicas en el crecimiento de estas burbujas, hasta que llegan a los sensores, a través de los distintos medios que conforman un detector. En el Capítulo III se aborda la caracterización, diseño y optimización de los transductores que registran estas señales. En el Capítulo IV se estudian las técnicas de procesado de señal para extraer la mayor cantidad de información de las distintas señales de interés, así como de las características de las fuentes que las generan. Por último, en el Capítulo V, se exponen las conclusiones de estas investigaciones para el diseño y control del detector Geyser propuesto, MODA-LS. Adicionalmente, dada su importancia en la cada vez más sensible búsqueda de materia oscura, en los Anexos A y B analizamos los llamados suelos de sensibilidad por neutrinos, tanto en búsqueda directa de materia oscura con fluidos sobrecalentados como indirecta para los telescopios de neutrinos, respectivamente. Todos estos trabajos conforman un marco común y unificado en esta nueva aplicación de la acústica en lo referente a la detección de astropartículas, y más concretamente en la búsqueda directa de materia oscura con líquidos sobrecalentados. / Els detectors de matèria fosca basats en fluids sobreescalfats estableixen els límits d'interacció WIMP-nucli a partir de, entre altres aspectes, les senyals acústiques registrades. Llavors, entendre els aspectes que puguin influir en aquesta senyal acústica és crucial per a distingir els esdeveniments provinents de fons no desitjats respecte als de interaccions de noves partícules. L'objectiu d'aquesta Tesis és abordar l'estudi del conjunt de tècniques i tecnologies acústiques necessàries per a l'anàlisi, caracterització i optimització de les distintes parts que conformen un detector de matèria fosca basat en fluids sobreescalfats. Amb això, s'extrauen conclusions per al disseny d'un detector Geyser. La investigació s'organitza en quatre Capítols que aborden els processos que tenen lloc des de la generació de bombolles en el fluid sobreescalfat fins a l'anàlisi per a la seva discriminació. L'estudi s'inicia en el Capítol I, amb la interacció dels WIMP amb la matèria i la consegüent creació i creixement de bombolles. Al Capítol II s'analitzen els processos acústics que tenen lloc des que s'emeten les ones acústiques en el creixement d'aquestes bombolles fins que arriben als sensors, a través dels diferents medis que conformen un detector. Al Capítol III es tracta la caracterització, disseny i optimització dels transductors que registren aquests senyals. Al Capítol IV s'estudien les tècniques de processat de senyal per extreure la major quantitat d'informació així com de les característiques de les fonts que les generen. Finalment, al Capítol V, s'exposen les conclusions d'aquestes investigacions per al disseny i control del detector Geyser proposat, MODA-LS. Addicionalment, donada la seva importància en la cada vegada més sensible cerca de matèria fosca, en els annexos A i B analitzem els anomenats sòls de sensibilitat per neutrins, tant en cerca directa de matèria fosca amb fluids sobreescalfats com indirecta per als telescopis de neutrins, respectivament. Tots aquests treballs conformen un marc comú i unificat d'aquesta nova aplicació de l'acústica pel que fa a la detecció d'astropartícules i més concretament en la detecció directa de matèria fosca amb líquids sobreescalfats. / Felis Enguix, I. (2017). Tecnologías acústicas para la detección de Materia Oscura. Diseño y desarrollo de un detector Geyser [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/86282