Search

Passive radar has in general a coverage much more complex than that of a tradition radar. Predicting the coverage and therefore the areas lacking vision is time-consuming to compute with reasonable accuracy, and requires complete recalculations if the system topology changes. In this work a generalised Cramér-Rao bound for joint position and velocity estimations is used to compute an unbiased estimator parameter variance lower bound. The estimations are combined in differing ways to qualitatively mimic modularised coverage in case of topological change. The combinations and full single-simulation results are compared by the area limited by a chosen lower bound. The areal differences in single computations versus partitionedly computed predictions range from subtle to significant. The type of change and system configuration seem to have the most effect on the accuracy, since some predictions achieve less that 10% difference regardless of the bound. Primarily the methods evaluated did not achieve desirable results, and the outcome could be described as a suggestive outline of the way to approach the problem in further research. Not much could be said about the feasibility of similar modularisation without validated data, and more in-depth analysis of the lower bound.

Missing-in-metastasis (MIM) is an adaptor protein that connects the actin cytoskeleton to the plasma membrane. Its N-terminal domain, known as MIM IMD, is a member of the Bin-amphiphysin-Rvs (BAR) domain family, known for their ability to generate membrane curvature. More specifically, it is an inverse BAR (I-BAR) domain, generating negative curvature. MIM IMD is implicated in the formation of lamellipodia and filopodia, disassembly of actin stress fibers, and maintenance of adherence junctions. However, the exact membrane sculpting mechanism it employs has remained elusive. So far MIM has been studied only experimentally. In this thesis, for the first time we employ molecular dynamics (MD) simulations to computationally address the membrane sculpting mechanism of MIM. We employ both atomistic and mesoscopic scale simulations, examining the behaviour of MIM IMD in the presence of lipid bilayers of different properties. First, inspection of the crystal structure of the domain under study revealed that it cannot generate negative curvature by simply imposing its intrinsic curvature on the membrane. Introducing dynamics, we found that MIM IMD is actually considerably more flexible as compared to other BAR domains. Moreover, we discovered that MIM IMD can acquire a positive conformation, which may enable its suggested ability to sense and couple with positive membrane curvature. However, our study does not support the proposition that it would sense curvature via inserting its N-terminal amphipathic helix to a membrane. Additionally, our study reveals that significant protein-lipid interactions between the domain and lipids are driven by electrostatic interactions, which further induce clustering of phosphatidylinositol 4,5-biphosphate (PI(4,5)P2). We suggest the PI(4,5)P2-clustering may have a significant role in the curvature generation mechanism, due to increase of membrane fluidity.

Ruiskubetoni on maanalaisessa rakentamisessa laajalti hyödynnetty materiaali. Tämän työn tavoitteena on selvittää kalliopinnalle asennetusta ruiskubetonoinnista saatava hyöty maanalaisia räjähdysainevarastoja tarkasteltaessa. Uhkakuvana on räjähdysainevaraston yksittäisessä kammiossa tapahtuva räjähdysonnettomuus, joka aiheuttaa viereiseen kammioon heitteitä. Räjähdysonnettomuuden varalle on määritelty suojaetäisyydet luolien sijainnille toisiinsa nähden. Työssä tarkastellaan tapoja määrittää luolien räjähdysonnettomuuden johdosta kärsimät vahingot ja ruiskubetonoinnin vaikutus pyrittäessä rajoittamaan luolan ja luolan sisältämien räjähteiden kärsimiä vahinkoja, joiden aiheuttajaksi oletetaan räjähdyksen synnyttämät heitteet. Tavoitteen saavuttamiseksi työssä käydään läpi aiheeseen liittyviä tutkimustuloksia sekä esitellään aiheen taustalla vaikuttavia ilmiöitä. Esille tuodaan koeräjäytystuloksia liittyen maanalaisiin räjähdysainevarastoihin, ja tarkastellaan ruiskubetonoinnin käyttäytymiseen räjähdysonnettomuuden aikana liittyviä ilmiöitä. Työ sisältää tämän lisäksi tietokonemallinnusta ja simulointia, joita hyödynnetään ruiskubetonoinnin vaikutuksen selvittämisessä räjähdysonnettomuuden sattuessa. Suoritettujen simulaatioiden antamia tuloksia verrataan koeräjäytyksissä ja aiemmin mallinnuksella saatuihin. Ruiskubetonoinnin havaitaan pienentävän maanalaisen räjähdysainevaraston luolien välille vaadittavia suojaetäisyyksiä. Ruiskubetonoinnin suojavaikutuksen merkittävyys riippuu räjähdyksen synnyttämien heitteiden koosta korkeussuunnassa ja heitteiden räjähdyksen johdosta saamasta nopeudesta, joka puolestaan kytkeytyy luolan kärsimien vahinkojen vakavuuteen. Saavutettu suojavaikutus on merkittävä kooltaan pienille ja alhaisen heitenopeuden omaaville kappaleille ja puolestaan vähäinen kooltaan suurille ja suurella heitenopeudella eteneville kappaleille. Tarkat lukuarvot ruiskubetonoinnin vaikutuksesta vaadittaviin suojaetäisyyksiin ovat tapauskohtaisia, mutta suojaetäisyydet voivat osassa tapauksista pienentyä huomattavasti, kymmeniä prosentteja, verrattuna paljaan kalliopinnan omaaviin luoliin. Toisaalta saavutettu suojaetäisyyksien pienentäminen voi jäädä huomattavasti vähäisemmäksi, alle kymmeneen prosenttiin.

Sirkusta kokeiltiin opetusmenetelmänä Tampereen normaalikoulun lukion pitkän matematiikan kolmannella kurssilla. Kokeilujakso kesti noin 8 oppituntia. Tuntien aiheet olivat ympyrä ja sen tangentti, kehäkulma, suorakulmainen särmiö, kulma avaruudessa, lieriö, kartio ja pallo. Sirkus näkyi opetuksessa muun muassa videoiden, laskuesimerkkien ja sirkusaiheisten toiminnallisten työpajojen muodossa. Kurssin aikana opiskelijat tekivät sirkusta ja matematiikka yhdistävän projektityön. Luokassa oli sirkusvälineitä, joita opiskelijat saivat käyttää vapaasti. Näitä välineitä olivat muun muassa hulavanteet, jonglöörauspallot, pedalo sekä tasapainopallo. Suurin osa opiskelijoista koki sirkuksen positiivisena lisänä matematiikan opiskelussa. Kyselyyn (n=19) vastanneista 72% viittasi sirkuksen kasvattaneen motivaatiota tai tuoneen positiivista vaihtelua. Myös opetusta seuranneet opetusharjoittelijat kokivat sirkuksen motivoineen opiskelijoita, tuoneen konkretiaa oppitunneille ja helpottaneen hahmottamista. Sirkus opetusmenetelmänä auttoi opiskelijoita tuomaan koulussa opitut tiedot myös arkielämän sovelluksiin. Sirkus opetusmenetelmänä toteuttaa erinomaisesti uutta, syksyllä 2016 voimaan astunutta opetussuunnitelmaa. Sirkusta opetusmenetelmänä tutkittiin kurssin opiskelijoiden, tutkimuksen suorittaneen opetusharjoittelijan sekä tunteja seuranneiden opetusharjoittelijoiden antaman palautteen perusteella. Sirkuksen vaikutusta oppimiseen ja matematiikan osaamiseen tutkittiin vertailemalla opiskelijoiden koesuoritusta edellisen vuoden vastaavan ryhmän suorituksiin. Sirkuksen avulla opiskelleet opiskelijat (n=21) pärjäsivät vertailuryhmää (n=31) paremmin kurssikokeessa, mutta erityisesti sen haastavimmissa tehtävissä, joissa opiskelijalta vaadittiin muutakin kuin matemaattisten kaavojen ulkoa muistamista. Näissä tehtävissä tarvittiin erityisesti oivaltamista sekä ongelmanratkaisun ja matemaattisen ajattelun taitoja. Sirkusta voidaan pitää onnistuneena opetuskokeiluna, jonka kehittämistä kannattaa jatkaa ja tutkimista syventää. Tämä tutkimus tarjoaa valmiin projektityöoppimateriaalin.

Semiconductor nanowires (NWs) offer versatile possibilities among future electronic and photonic devices. This thesis contains a review of several NW growth methods and the properties of the NWs. The purpose of the practical part of this thesis is to present growth of self-catalyzed GaAs NWs on lithography-free oxide patterns with a strong emphasis on droplet epitaxy and analysis of the structural and optical properties of the NWs. Furthermore, growth of GaAs/AlGaAs/GaAs core-shell heterostructure NWs is presented along with a study of their photonic properties. In terms of the epitaxial growth, focus is on the GaAs droplet epitaxy which is the initial step of the NW growth on lithography-free oxide patterns. Various different growth parameters and two different molecular beam epitaxy reactors were used in order to investigate their influence on the GaAs nanocrystal density and morphology. Uninten-tional Sb exposure was found to cause Si(111) surface roughening and repeatability problems in terms of the GaAs nanocrystal density. High-resolution x-ray diffractometry was used to obtain reciprocal space maps of the self-catalyzed GaAs NWs grown on lithography-free oxide patterns formed by droplet epitaxy. Together with the micro-photoluminescence spectroscopy results they showed that the NWs consist mainly of ZB GaAs except for the WZ segments formed during the crystallization of the Ga catalyst droplets. The micro-photoluminescence also showed impurity related emission possibly due to substrate originated Si atoms. Room temperature photoluminescence spectroscopy of the core-shell NWs showed the necessity of AlGaAs passivation as it increased the PL intensity from the NWs several orders of magnitude. Furthermore, thicknesses of the AlGaAs passivation shell and the GaAs cap protecting it from oxidizing were found to have a significant effect on sample aging. Micro-photoluminescence measurements conducted on a single GaAs/AlGaAs/GaAs core-shell NW showed longitudinal Fabry-Pérot modes. However, thicker NWs are required in order to obtain lasing. A broad understanding was obtained concerning the characteristics of the NWs grown via self-catalyzed method on lithography-free oxide patterns. Simultaneously important experience was accumulated on the possibilities of the NW characterization methods at Optoelectronics Research Centre.

Koulumaailmassa opetus on ollut perinteisesti opettajajohtoista, kun taas nykyaikainen matematiikan opetus korostaa oppilasta aktiivisena toimijana. Perusopetuksen opetussuunnitelman perusteet 2014 nostavat esille opetuksessa laaja-alaisen osaamisen, eheyttämisen, yhteistyö- ja vuorovaikutustaidot, tieto- ja viestintäteknologisen osaamisen sekä työelämätaidot ja yrittäjyyden. Vastauksena niihin ja moneen muuhun uuden opetussuunnitelman tavoitteeseen on projektioppiminen. Diplomityöni sisältää yritysyhteistyöprojektien kehittämistutkimuksen. Suunnittelemieni yritysyhteistyöprojektien tarkoituksena on kannustaa ja motivoida oppilaita matematiikan oppimiseen. Projekteissa on yhteistyöyrityksenä mukana Metsä Group, jolloin saadaan tulevaisuuden työelämä ja yrittäjyys linkittymään oppilaiden elämään uuden perusopetuksen opetussuunnitelman mukaisesti. Kehittämistutkimuksen myötä saadaan luotua opettajille opetustyöhön käytännönläheistä ja helposti hyödynnettävää tietoa. Diplomityöni kehittämistutkimus toteutettiin kahdessa kehittämissyklissä. Ensimmäisessä kehittämissyklissä valmistettiin viisi yritysyhteistyöprojektia. Toisessa kehittämissyklissä tuotettuja projekteja kehitettiin kurssilla toteutetun havainnoinnin ja kyselylomakkeiden pohjalta. Tutkimuksessa havaittiin, että opettaja ja oppilaat kokevat projektioppimisen matematiikan opetuksessa positiivisena asiana. Oppilaat pitivät erityisesti siitä, että saivat työskennellä ryhmässä. Projektioppimisen ryhmätyöskentelyn kautta työelämässäkin tärkeänä pidetyt yhteistyö -ja vuorovaikutustaidot kehittyvät. Projektioppimisen käyttöä opetuksessa kannattaa hyödyntää tulevaisuudessa.

The ionosphere is one of the largest error sources in GNSS-based positioning, causing a delay in the arrival of the navigation signal. There are some existing correction methods, namely the Klobuchar model, the NeQuick G model and SBASs. None of these methods is simultaneously accurate, computationally light and having a low requirement of amount of data transfers. In this work the available ionospheric correction methods are studied and a new data-driven approach to obtain the corrections is developed. Two different sets of basis functions, polynomial and trigonometric, are tested for parametrization of the vertical ionospheric delay values transmitted by EGNOS. Universal kriging is applied on vertical ionospheric delay values obtained from dual frequency measurements. Furthermore, the parametrization of the vertical ionospheric delay values is predicted using a standard Kalman filter. The Kalman filter is tested using both a standard random walk state model, and a Klobuchar-based state model, which was developed during this work. The tests show that a compact presentation of the ionospheric delay with a small degradation of the resulting estimate is possible. Universal kriging proved to be challenging, but the obtained results still look promising in regards of the future work. Most essentially, the tests show that the parametrization and prediction of the vertical ionospheric delay outperform both the Klobuchar model and the NeQuick G model, and reduce the amount of data transfers needed significantly in comparison to the EGNOS transmissions.

This thesis studied anti-reflective (AR) coatings for multi-junction solar cells (MJSC). The focus was on fabrication and characterization of dielectric thin films for AR coatings. In particular, the work focused on MgF2-based coatings and studying the effects of substrate temperature on the refractive index and mechanical properties of MgF2 films deposited by electron beam evaporation. Similarly, we studied the process parameters of nanoporous SiO2 deposited by plasma-enhanced chemical vapor deposition at different substrate temperatures and precursor gas ratios. Then for the two different spinnable siloxane coating, we studied parameters including spinning speed and lid position. The study revealed that MgF2 refractive index increases with substrate temperature until temperature of over 250 oC. For SiO2 the decrease in temperature and altered gas ratio generated porous structure that lowered the refractive index. The characterization results were used to simulate and optimize four different AR coatings for triple-junction InGaP/GaAs/GaInNAsSb solar cell using Essential Macleod design program. The coatings were MgF2/TiO2, nanoporous SiO2 with TiO2, siloxane layer with TiO2 and a triple layer coating of MgF2/Al2O3/TiO2. The coatings were compared to the conventional SiO2/TiO2 AR coating. The coated cells were tested with solar simulator under AM1.5D spectrum and all coating designs showed proper functionality, thus promising more efficient coating designs with these materials.

Frustrated quantum spin systems have been studied for quite some while. In frustrated systems such as in a triangular lattice all the spins cannot be simultaneously determined by antiferromagnetic interaction. In theory this will cause quantum fluctuations to switch the spin orientations, which leads to a quantum spin liquid (QSL) state. Various materials, for example edge-sharing tetrahedral or Kagome lattices have been proposed to be QSL candidates. Nonetheless, solid evidence has not been found for the QSL state in frustrated magnets. A promising method to confirm the existence of a QSL state is inelastic neutron scattering. As a fermion the neutron has a spin magnetic moment of 1/2 and it will interact with unpaired spin magnetic moments. When this occurs, the neutron will lose some of its kinetic energy, which can be observed and interpreted as an excited quasi-particle, spinon. This study focuses on an insulating cluster magnet LiZn2Mo3O8, which has attracted a lot of attention recently. It contains Mo3O13 clusters which are connected to each other by shared oxygen atoms. This leads to a Mo3O8 two-dimensional cluster plane of a hexagonal pattern. Each cluster has one unpaired electron contributing to a spin 1/2 magnetic moment. The electrons can interact antiferromagnetically with each other between the clusters. This is expected to be observed as a resonating valence bond (RVB) state – a type of a QSL state. The cluster planes are separated by layers of Li and Zn ions which provide the unpaired electron for each cluster. We believe that the full and evenly distributed occupation of Li and Zn sites tends to be imperfect in powder samples which could prevent the forming of the RVB state. This thesis focuses on finding a solid state reaction recipe to synthesize a stoichiometric compound of LiZn2Mo3O8. Also zinc hole doping dependence on lattice constants and magnetic susceptibility is studied. The analysis based on lithium is not in the scope of the thesis work as neutron powder diffraction (NPD) is required to obtain lithium lattice occupations. The magnetic susceptibility of some of the powder samples shows novel behavior for the LiZn2Mo3O8 compound. In this thesis LiZn2Mo3O8 single-crystal growth is also done and specimens in the range of 100–900 microns were found. Further experiments are still needed to fully confirm that single-crystals of the correct compound were grown.

Automatisoitu aikataulujen luominen on haastava tutkimusala, johon kuuluvat myös koulujen ja yliopistojen lukujärjestykset. Tässä työssä luodaan yleiskatsaus lukujärjestysongelmaan sekä muodostetaan ja ratkaistaan esimerkkiongelma kahdella eri kustannusfunktiolla. Lukujärjestysten muodostamisessa on kyse oppimistapahtumien ja resurssien eli opettajien, oppilasryhmien sekä opetustilojen jakamisesta eri aikaväleille, eli tunneille, tiettyjä rajoitteita noudattaen. Automatisoidussa lukujärjestysten luomisessa voidaan käyttää hyödyksi esimerkiksi lineaarista binäärilukuoptimointia. Tähän optimointimalliin luodaan rajoitteet ja kustannusfunktio, jonka arvo pyritään optimoimaan rajoitteita noudattaen. Rajoitteet voivat olla joko kovia tai pehmeitä ja ne voivat vaihdella tapauksittain. Kovien rajoitteiden on toteuduttava, jotta lukujärjestys voidaan muodostaa, kun taas kustannusfunktioon sisältyvien pehmeiden rajoitteiden avulla määritetään muodostettavan lukujärjestyksen laatu. Eri pehmeille rajoitteille voidaan antaa erisuuruiset painoarvot sen mukaan, kuinka tärkeinä niiden toteutumista pidetään verrattuna muihin pehmeisiin rajoitteisiin. Tämän työn esimerkkitapauksessa kustannusfunktion avulla minimoidaan hyppytuntien määrää ja opetustilojen käytöstä aiheutuvia kustannuksia. Mikäli oppimistapahtumia on melko vähän, kuten tässä työssä, nämä kaksi optimoitavaa tekijää eivät riitä muodostamaan mielekkäitä lukujärjestyksiä. Lukujärjestyksiin muodostuu yksittäisen oppimistapahtuman päiviä, mikä ei ole toivottavaa. Täten laadukkaiden lukujärjestysten luomiseksi tarvitsee kustannusfunktioon sisällyttää myös muita pehmeitä rajoitteita.

The diagnostics of fresh cartilage injuries in the early-state is important for the prevention of post-traumatic osteoarthritis (PTOA). Contrast enhanced computed tomography (CECT) enables the detection of fresh cartilage injuries. However, it requires two images first one immediately after the contrast agent administration into synovial fluid and second one 45 minutes after the administration. The first image allows the accurate segmentation of the cartilage surface since contrast agent diffusion diminishes the contrast at the cartilage-synovial fluid interface soon after contrast agent administration. Delayed imaging, at 45 minutes after the administration, enables the detection of cartilage injuries and degenerations as elevated contrast agent concentration at injured or degenerated tissue. Performing two scheduled imaging is logistically challenging and it doubles the patient exposure to the radiation. Therefore, in this thesis we develop a dual contrast method that will allow the diagnostics of fresh cartilage injuries and degeneration of the surrounding tissue conducting only one image 45 minutes after dual contrast agent administration. As a result, this method will enhance the CECT diagnostics of fresh cartilage injuries among with other joint diseases, thus leading to better repair and prevention of PTOA.

Nanokokoisten materiaalien kuten teollisten nanohiukkasten tuotantomäärät ja käyttö erilaisissa teollisissa sovelluksissa sekä arkipäiväisissä kulutustuotteissa ovat kasvaneet kiihtyvästi 2000-luvulla. Teollisilla nanohiukkasilla on havaittu olevan haitallisia vaikutuksia ympäristölle ja ihmisten terveydelle, mikä on herättänyt tarpeen riskien arvioinnille ja hallinnalle, jotta voidaan varmistaa niiden turvallinen tuotanto ja käyttö niiden koko elinkaaren aikana. Riskien arviointi vaatii analyyttisten mittausmenetelmien lisäksi luonnon prosessit huomioivia mallinnusmenetelmiä. Nykyiset riskien arviointimallit eivät kuitenkaan huomioi riittävässä määrin ilmakehässä hiukkasiin vaikuttavia prosesseja. Tässä diplomityössä tarkastellaan, kuinka ilmakehän prosessien vaikutus voitaisiin huomioida arvioitaessa nanohiukkasten ympäristö- ja terveysriskejä. Työssä ehdotetaan gaussisen ilmakehän dispersiomallin käyttöä ilmaan päätyvien teollisten nanohiukkasten leviämisen ja käyttäytymisen mallintamiseen sekä kehitetään dispersiomallia laskemaan altistusta riskien arvioimiseksi. Tämän dispersiomallin lisäksi riskien arviointiin ehdotetaan käytettäväksi kirjallisuusselvityksessä löytynyttä SimpleBox4Nano-mallia, joka huomioi osan ilmakehän prosesseista. Työssä tarkastellaan myös, kuinka mallien antamassa riskiarviossa olevaa epävarmuutta voidaan pienentää herkkyysanalyysin keinoin. Dispersiomallille toteutettiin herkkyystestaus yksi kerrallaan menetelmällä ja huomattiin altistusarvion muuttuvan eniten muutettaessa malliin syötettävistä parametreista hiukkasten kokonaismassaa, hiukkaskokoa, ilmakehän stabiilisuusluokkaa, tuulen nopeutta ja hiukkaspilven alkukokoa. Toteutettua herkkyystestausta voitaisiin käyttää esimerkkinä muiden riskien arviointimallien tarkkuuden ja luotettavuuden parantamiseen.

Tämän työn tarkoituksena oli kehittää galliumarsenidi pohjaisten optisten puolijohdevahvitimien (SOA) hybridi-integraatiota pii-eriste-alustalle (SOI). Integraation kehittämiseksi käytettiin kahta lähestymistapaa: SOA-sirun pituuden tarkka säätely ja valon kytkennän helpottaminen tuomalla SOA:n aaltojohdekanavan valon sisään- ja ulostulopäät sirun samalle reunalle taivuttamalla kanava U-mutkalle. Jälkimmäinen ratkaisu kohdistamisen helpottamiseksi mahdollistaa lisäksi sirun tiiviimmän pakkauksen. Sirujen pituuden säätelyn parantamiseksi kehitettiin puolijohteeseen valmistusprosessin aikana syövytettävät katkaisumerkit, joiden avulla sirujen pituus on riippuvainen lähinnä merkin muodon vaikutuksesta kidetasojen mukaiseen pilkkoutumiseen. U-mutkien kehityksessä käytettiin Euler-spiraalimuotoa mutkahäviöiden vähentämiseksi. Lopputuloksena tässä työssä raportoidaan katkaisumerkkien avulla saavutettavan komponentin pituusvaihtelun pienentyminen perinteisen pilkkomismenetelmän useasta mikrometristä ±250 nm:iin. Jatkokehitystä vaativana ongelmana on katkaisumerkkien tuottaman pilkkoutumisen laadun vaihtelu, joka pienentää saantoa. Alustavien testien perusteella ongelmaan vaikuttaisi kuitenkin olevan olemassa mahdollinen ratkaisu. Euler-SOA sirujen kehityksestä raportoidaan ensimmäisten laserdiodeina toimivien sirujen onnistuminen. Sirujen mutkahäviöille tehdyn arvion perusteella mutkan minimikääntösäteen ei havaittu vaikuttavan mutkahäviöiden suuruuteen. Parhaimmalla näytteellä häviöiden arvioidaan jäävän välille 0,5-3 1/cm. Seuraavissa testeissä tullaan testaamaan sirujen operoimista SOA:na. Tämän seurauksena varmennetaan valon kulku mutkan lävitse ja syntyvien mutkahäviöiden suuruus.

Ultrafast lasers producing short, intense pulses are of great interest for both optical science community and laser industry. The applications of ultrafast lasers range from medicine and optical communications to material processing. At present, especially ultrafast fiber lasers have attracted considerable amount of interest as a result of their superior beam quality, straightforward optical alignment and effortless cooling. However, the wavelength range of current fiber lasers is limited, due to the absence of suitable gain materials. Today, fiber devices mainly operate at ~1 μm (ytterbium lasers), ~1.55 μm (erbium lasers) and ~2 μm (thulium and holmium lasers). In this thesis, novel active fibers based on bismuth-doped glasses were exploited for the generation of ultrashort pulses at 1450 nm and 1730 nm. These spectral regions are not covered by the more well-established gain fibers. However, these new wavelengths are extremely interesting because of their potential for optical communications, medical applications and gas detection systems. At 1450 nm wavelength, a bismuth fiber system capable of producing 240 fs optical pulses was designed and demonstrated. These are the shortest optical pulses generated by bismuth-doped fiber lasers to date. The achieved pulse energy was 0.75 nJ after careful dispersion management and amplification in separate power amplifier. At 1730 nm wavelength, a bismuth-doped fiber laser delivered 1.65 ps and 1.2 ps pulses in anomalous and normal dispersion regimes, respectively. This 1700 nm spectral region is novel for ultrafast pulse generation and has not been demonstrated before to the best of author’s knowledge.

In this thesis the properties of GaAsBi structures are investigated with respect to their growth parameters in molecular beam epitaxy. The GaAsBi alloy is a novel III-V semiconductor material with many beneficial material properties, including large band gap reduction in relation to change in Bi concentration and lattice constant, which make it a promising candidate for a wide range of applications in optoelectronics. However, the progress of GaAsBi research has been hindered by challenges in its growth. Due to the weak reactivity of the Ga-Bi system, unconventional growth conditions, such as low growth temperatures and stoichiometric As/Ga flux ratios, are required for efficient Bi incorporation. Furthermore, small changes in these growth conditions induce large changes in Bi incorporation and material properties, to an extent that the poor accuracy in As flux control limits the control of material properties and reproducibility. This work aims to resolve this issue by using an unconventional growth method where the substrate rotation is stopped. Due to the inherent spatial non-uniformity of the molecular fluxes, the stationary growth method transforms the uncertainty in As flux into spatial uncertainty of the As/Ga gradient, which can be determined accurately by ex-situ methods. Simultaneously, as the growth parameter distributions over the substrate can be determined by growth of calibration samples, the GaAsBi material properties can be examined as a function of growth conditions. This work focuses on the growth of GaAsBi bulk layers and single quantum wells with relatively high nominal Bi-fractions of around 5 %. The Bi incorporation, structural properties and optical quality of the GaAsBi structures were found to be extremely sensitive to the growth parameters. GaAsBi grown at a low temperature of ~220 °C showed a pronounced growth window at the stoichiometric and slightly above As/Ga flux ratio range with efficient Bi incorporation, good crystal quality and smooth surfaces. At higher growth temperatures, the growth window was pinned down to only the stoichiometric range and the overall Bi incorporation was reduced. Additionally, growth at a high temperature of ~370 °C enabled efficient photoluminescence at the growth window, due to reduction in low temperature growth related defects. Interestingly, spontaneous changes in the Bi incorporation were observed at specific growth regimes, indicating fundamental growth mode changes.

Hilateoriat ovat saaneet alkunsa 1850-luvulla englantilaisen matemaatikon George Boolen (1815-1864) tutkimuksista, joista muodostui Boolen algebra. 1900-luvun alkupuolella Boolen algebra kehittyi hilateorian osaksi. Varsinaiset hilateorian tutkimukset aloittivat mm. amerikkalainen Garrett Birkhoff (1911-1996) ja norjalainen Oystein Ore (1899-1968) 1930-luvulla. Hilateoriasta on tullut yksi osa matemaattista tutkimusta, jolla on omat sovelluksensa esim. kuvankäsittelyssä. Tässä diplomityössä tarkastellaan Garrett Birkhoffin Lattice Theory kirjan kolmannen painoksen keskeisiä käsitteitä hilateorian perusteista ja sovelluksia, luoden näin pohjan ymmärtää hilateorioita käsittelevää matematiikkaa

Nanomateriaalit ovat tulleet osaksi teollista tuotekehittelyä ja niiden valmistusmäärät ovat kasvussa. Teollisen nanomateriaalituotannon tavoitteena on tuottaa tasalaatuisia ja tasakokoisia hiukkasia. Ongelmia kuitenkin aiheutuu tuotantoprosessien mahdollisina sivutuotteina syntyvistä suurikokoista residuaalihiukkasista, jotka vaikuttavat epäsuotuisasti nanomateriaalien homogeenisuuteen ja huokoisuuteen. Optisia kuituja voidaan valmistaa nesteliekkiruiskutuksella, jossa nestemäiset lähtöainepisarat ruiskutetaan liekkiin pieniksi pisaroiksi. Kuidun laadun kannalta on tärkeää, että muodostuneet hiukkaset ovat nanokokoisia. Liekissä epätäydellisesti haihtuneet jäännöspisarat voivat kuitenkin tuottaa residuaalihiukkasia, jotka vaikuttavat ei-toivotuilla tavoilla optisten kuitujen ominaisuuksiin. Lähtöainepisaroinnin avulla tuotettujen aerosolihiukkasten massakokojakaumia voidaan erikseen tutkia aerosolimittalaitteilla. Liekillä tuotettuja hiukkasia voidaan tutkia samanaikaisesti impaktorikeräyksellä, jolla voidaan määrittää residuaalihiukkasten massapitoisuus gravimetrisesti, sekä sähköisellä liikkuvuusanalysaattorilla, jolla voidaan määrittää nanohiukkasten lukumääräpitoisuus ja sitä kautta massapitoisuus. Aerosoli-menetelmät tarjoavat keinon tutkia erilaisten lähtöaineiden sekä niiden seosten soveltuvuutta optisten kuitujen lähtöaineiksi ilman, että kuitua tarvitsee tehdä valmiiksi asti. Tällöin säästyy aikaa, rahaa ja materiaaleja. Lisäksi massakokojakaumien avulla voidaan tutkia, miten yhdestä lähtöaineesta tuotetun näytteen massakokojakauma korreloi useammasta lähtöaineesta tuotetun näytteen massakokojakauman kanssa. Teollisissa olosuhteissa toteutetuissa mittauksissa määritettiin massakokojakauma 20 erilaisesta lähtöaineesta. Näiden jakaumien perusteella voitiin arvioida lähtöaineiden soveltuvuudesta optisten kuitujen lähtöaineiksi. Lisäksi havaittiin, että yhden lähtöaineen massakokojakaumasta ei voida suoraan päätellä mikä useampaa lähtöainetta sisältävän näytteen massakokojakauma olisi. Nanohiukkasten muodostuminen vaati pisaroiden täydellistä haihtumista liekissä. Haihtumiseen vaikuttavat lähtöaineiden kemiallinen koostumus sekä lähtöaineen liuottimen ominaisuudet. Tutkimusten mukaan liuottimeen voidaan lisätä aineita, jotka edesauttavat pisaroiden haihtumista liekissä. Tämän todentamiseksi laboratoriomittauksissa valmistettiin alumiinioksidihiukkasia käyttäen lähtöaineena edullista alumiininitraattia sekä liuottimena etanolia ja neljää pitoisuudeltaan erilaista etanolin ja 2-etyyliheksaanihapon (EHA) seosta. Kun liuottimena käytettiin etanolia, muodostui residuaalikokoisia alumiinioksidihiukkasia. Liuottimen koostumusta muutettaessa havaittiin, että jo 5 % EHA:a riitti poistamaan residuaalimoodin kokonaan siten, että liekissä muodostui pelkästään nanokokoisia alumiinioksidihiukkasia.

Tässä diplomityössä tutkittiin hiukkasten lukumääräpitoisuutta ja kokojakaumia Tampereen keskustassa, ympäristössä, jossa ihmiset liikkuvat ja näin ollen altistuvat pienhiukkasille. Mittaukset suoritettiin TTY:n Aerosolifysiikan laboratorion liikkuvalla laboratoriolla yhdeksällä eri hiukkasia ja kaasuja mittaavilla laitteilla yhdeksän päivän aikana syksyllä 2015. Mittauksissa selvitettiin taustapitoisuuksien vaikutusta kaupunki-ilmaan, erilaisten seisontamittauspaikkojen hiukkaspitoisuuksien eroja sekä reittiajon aikaisia pitoisuuksia. Tampereen kaupungin neljä kiinteää ilmanlaadun mittausasemaa kertovat kaupungin yleisestä ilmanlaadun tasosta tuntikeskiarvotettuina pienhiukkasten ja kaasujen massapitoisuuksina. Tämän työn tavoitteena oli selvittää reaaliaikaisesti paikallisia hiukkasten lukumääräpitoisuuksien muutoksia. Mobiilimittausten tuloksista laskettuja massapitoisuuksia verrattiin myös kiinteiden mittausasemien tuloksiiin, EU-lainsäädännön päästöjen raja-arvoihin ja ilmanlaatuindeksiin. Lisäksi määritettiin Hämeenkadun liikenteelle hiukkaslukumäärään perustuen päästökertoimet ja vertailtiin käytettyjä mittalaitteita ja keskihintaisia sensoreita toisiinsa. Kaikista mitatuista lukumääräkokojakaumista erottuivat selvästi nukleaatiomoodi 10--20 nm ja nokimoodi 40--80 nm kokoisissa hiukkasissa. Pienimmät hiukkasten lukumääräpitoisuudet mitattiin taustamittauksissa ja suurimat piikit olivat ruuhka-aikaan ajoradalla. Keskimäärin keskustan seisontamittauksissa hiukkasten lukumääräpitoisuus vaihteli (0,5--2)$\times$10$^4$ \#/cm$^3$. Tulokset vahvistavat aiempien vastaavien tutkimusten päätelmät siitä, että lukumääräisesti suurin osa kaupunki-ilman hiukkasista on nanohiukkasia ja peräisin ajoneuvojen moottoreista. Tulokset viittaavat siihen, että suurin Tampereen ydinkeskustan ilmanlaatua heikentävä tekijä on raskas liikenne, tässä tapauksessa linja-autot.

Semiconductor optical amplifiers (SOAs) are important optoelectronic components with many applications. This thesis focuses on the application of SOAs as integrated amplifiers in an optical interconnect system. In order to meet the amplification requirement of the application, SOAs of different lengths may be used and operated with different injection currents. Different component lengths result in varying power consumption which is wanted to be kept as low as possible. The aim of this thesis was to develop a method to find the optimal SOA length with the lowest power consumption. The length optimization was performed by fabricating and characterizing ridge waveguide lasers with a geometry similar to that of the target SOAs. Three different parameters - operating voltage, modal gain and saturation power - and their dependence on the injection current density were determined. Antireflection coating using atomic layer deposition was applied to the components to obtain modal gain data at high injection current densities. Two different SOA materials were studied: a novel GaInNAsSb/GaAs structure emitting around 1300 nm and a more traditional AlGaInAs/InP structure emitting around 1550 nm. The target application had four different operation cases with varying amplification targets. A component length resulting in the minimum power consumption was succesfully determined for all the cases and for both materials.

Growing demands for cost and energy efficiency set requirements for developing lighter and stronger products. The strength of material is characterized by maximum tolerable stress. For a given material, stress is directly related to strain, and strain measurement provides a practical way for estimating mechanical strength. Traditional strain gauges are simple and very robust, but their use is limited, since the measurements are taken at only discrete locations; long setup times are required; and maximum strain resolution is limited. Electronic speckle pattern interferometry (ESPI) is a very sensitive optical method for measuring full field displacements on the surface of a test object. Strain field is obtained by numerically differentiating the displacement field. Full field recording makes ESPI practical for quality control applications, since material faults cause strain concentrations that would be impractical or even impossible to detect using strain gauges. However, ESPI recordings contain noise that is amplified by the differentiation process. In the presence of large strains the noise level further rises due to increasing speckle decorrelation effect. Hence, the strain measurement range is ultimately limited by the ability to successfully filter out measurement noise. In this thesis, a filtering algorithm was developed to obtain good performance in the presence of large strains. In the algorithm, the measured displacement field is first repetitively mean filtered. The strain field is then calculated from the filtered displacement field. Amplified residual noise is removed by repetitively filtering the calculated strain field. Unlike in existing methods, data is handled in phasor format. This removes the need to unwrap the data, which often is the most critical and time- consuming step. In addition, the repetitive mean filtering is computationally simple and essentially self-adaptive. Compared to existing ESPI filtering methods, the developed algorithm achieves comparable or better performance but is also significantly faster. This enables real time monitoring of the strain field. As a second objective, a novel measurement setup was developed. Current ESPI systems require high-coherence lasers that tend to be costly and bulky. In this thesis, a compact and affordable laser diode was used in combination with a reflection diffraction grating. The grating relaxes coherence requirements so that even a low- coherence laser diode can be applied. The novel measurement setup shows promising performance but the obtained strain resolution is slightly lower than that of high- coherence ESPI. It is expected that with small hardware improvements the laser diode based ESPI can narrow the gap to the high-coherence ESPI.

The increasing workforce demand in the field of technology has forced universities to increase their student intake. However, for all students, their starting skill level is not high enough for university studies, which has increased drop-out rates. At Tampere University of Technology, a Remedial Instruction has been developed to improve students' skills in mathematics. This thesis is a part of teaching development research at the TUT Department of Mathematics. It is based on the students starting their studies in fall 2015 on the courses Engineering Mathematics 1 and Mathematics 1. In the beginning of the fall, these students took the Basic Skills Test in mathematics, and those that did poorly were directed to the Remedial Instruction. In this thesis, the Remedial Instruction was developed further by studying students' use of tools and adding educational videos. Pedagogical framework was derived from works of Mayer, Gagn\'e and Bloom. The Remedial Instruction was deployed using Math-Bridge, and for the first time, educational videos on different mathematics topics were added using the Echo360 platform. The use of these videos were measured both empirically as well as with a questionaire about the instruction. In addition, the students' Basic Skills Tests, learner profiles and exam grades in (Engineering) Mathematics 1 were collected. This data was used to study how the Remedial Instruction should be developed in the future. The results of this thesis include a framework for educational videos which can be used by teachers to apply videos to their teaching. As an example, the videos created for the Remedial Instruction are presented. Students' use of tools was analyzed and it shows that educational videos are an enriching addition to remedial mathematics, and that the Remedial Instruction is an effective tool in helping students learn mathematics. Analyzing the different learning profiles together with their use of tools and success in studies, new information was gained from the different learner profiles. Based on this, ideas for Remedial Instruction development are also presented.

Kvaternianalyysin voidaan ajatella laajentavan kompleksianalyysin menetelmiä neljään ulottuvuuteen. Kvaternianalyysin vahvuutena voidaan pitää esimerkiksi vahvoja integraalikaavoja, joita on mahdollista soveltaa melko suoraan erilaisiin reuna-arvo-ongelmiin. Tässä työssä esitellään kvaternianalyysin perustuloksia. Tarkastelun kohteena ovat kvaterniarvoiset funktiot, jotkin derivaatta- ja integraalioperaattorit, sekä näiden avulla lausutut integraalikaavat. Tässä työssä esitellään myös yleisimpiä kvaternifunktioavaruuksia, sekä sovelletaan joitakin funktionaalianalyysin perustuloksia näihin avaruuksiin. Pääasiallisena tavoitteena on koota reuna-arvo-ongelmien tutkimiseen tarvittavaa koneistoa. Tämän työn loppupuolella kvaternianalyysin menetelmiä sovelletaan vektoriaaliseen Laplace-yhtälöön. Osoitamme, että ongelmalle on olemassa yksikäsitteinen ratkaisu.

Moniliitosaurinkokennojen ja uusien materiaaliratkaisujen avulla on mahdollista saavuttaa erittäin korkeita hyötysuhteita aurinkokennojen eri sovelluksissa. Käyttöolosuhteilla on merkittävä vaikutus kennojen toimintaan, minkä vuoksi kennojen toiminnan syvällinen ymmärtäminen on tärkeää kehitettäessä moniliitoskennoja, joilla pyritään entistä tehokkaampaan energiantuotantoon. Tässä työssä tutkittiin valaisun ja lämpötilan vaikutusta III–V-puolijohteista valmistettujen kolmiliitoskennojen toimintaan. Tutkitut kennot valmistettiin plasma-avusteisella molekyylisuihkuepitaksialla. Kennojen rakenteessa on käytetty osakennoja, jotka sisältävät pienen määrän typpeä. Kennot karakterisoitiin erilaisissa olosuhteissa virta-jännitemittauksin, joita varten rakennettiin kolmesta valonlähteestä koostuva aurinkosimulaattori. Simulaattori osoittautui tarkaksi ja hyödylliseksi työkaluksi kennojen karakterisoinnissa, ja sen tuottaman valotehon ajalliseksi stabiiliudeksi määritettiin ±2 %. Virta-jännitemittausten lisäksi parhaan moniliitoskennon toimintaa tutkittiin ulkoisen kvanttihyötysuhteen avulla. Huoneenlämmössä parhaan kolmiliitoskennon hyötysuhteeksi mitattiin 27 % AM0-spektrillä ja 28 % AM1.5-spektrillä. Typpeä sisältävät osakennot ylituottivat virtaa kaikissa kolmiliitoskennoissa, kun taas GaInP-liitoksen havaittiin rajoittavan kennojen virtaa. Kennojen toimintaa tutkittiin myös lämpötilariippuvilla mittauksilla. Kennojen virrantuotto kasvoi ja hyötysuhde laski lämpötilan noustessa. Lämpötilariippuvista mittauksista määritettiin myös lämpötilavakiot kennojen toimintaa kuvaaville suureille. Lämpötilavakioiden arvot ovat yhteneviä kirjallisuudessa esitettyjen vakioiden kanssa.

Full waveform tomography refers to a technique that can used in imaging internal structures of a target object without altering or damaging it in anyway. The term full waveform means that the wave is utilized in its full form. The imaging can be done using either acoustic waves or electromagnetic waves. The goal of this thesis is to explore the concept of waveform inversion, the physical theory behind it and possible applications in real life. In the computational part of this thesis a multiresolution approach to solve a mathematical waveform inversion problem is introduced. The numerical test setup was based on a minimal configuration of three sources. A single resolution approach was used as a reference method. Numerical experiments were conducted in a 2D domain and the results of the multi and single resolution were compared to each other. Based on the results of the numerical experiments the multiresolution approach turned out to be a feasible method to solve our inversion problem. In addition to the memory savings gained compared to the single resolution method, the multiresolution also proved to be more accurate with suitably chosen regularization parameters.

Tämän diplomityön tavoitteena oli kehittää Vertex Systemsin suunnitteluohjelmisto Vertex G4:n muotoilutoimintoja. Vertex G4 on 3d-mallinnusohjelmisto, jota käytetään pääasiassa koneiden suunnitteluun. Vertex G4 ohjelmisto on toiminnoiltaan laaja-alainen ja sitä on kehitetty eri työntekijöiden toimesta yli 30 vuotta, joten tehtävään sisältyi myös ohjelmiston muotoiluominaisuuksien ja ohjelmakoodin rakenteen alkutilanteen kartoittamista. Alustavia ideoita ohjelmiston kehityskohteista kerättiin Vertexin asiakkailta. Ideoita saatiin paljon, joten työn aihe päätettiin rajata splinikäyrien käsittelyyn. Splinikäyrät ovat kaarevia käyriä, joita käytetään kaarevien muotojen mallinnuksessa. Työn päämenetelmänä oli Vertex G4:n vertaileminen kilpailijoiden ohjelmistoihin. Vertailussa löydettiin kehitettäviä asioita paitsi splinikäyrien toiminnasta myös yleisestä käyrän käsittelystä. Yleiseen käyränkäsittelyyn liittyen Vertex G4:ssä oli virhe kolmiulotteisten koordinaattien laskemisessa hiiren kursorin sijainnista, mikä johti myös splinikäyrien virheelliseen toimintaan. Splinikäyrien toiminnassa kehitettävää oli muun muassa splinin yleisessä käyttäytymisessä sekä tangenttikahvoissa. Tässä työssä esitellään Vertex G4:n sekä kilpailevien mallinnusohjelmistojen tapoja käsitellä splinikäyriä, todetaan havaitut kehityskohteet ja esitetään niiden korjaus sekä uusien ominaisuuksien toteutus. Tämän työn puitteissa ei ollut mahdollista toteuttaa kaikkia kehitysideoita, joten kehityskohteista toteutettiin vain tärkeimmät. Rajauksesta huolimatta työssä onnistuttiin merkittävästi kehittämään Vertex G4:n muotoilutoimintoja ja niiden käytettävyyttä. Muutokset yhdessä mahdollistavat muun muassa splinin tarkan paikoituksen. Toteutettujen muutosten seurauksena ohjelmakoodiin jouduttiin tekemään laajoja rakenteellisia muutoksia, mistä on hyötyä myös ohjelmiston myöhempää kehittämistä ajatellen. The goal of this thesis is to improve modelling features of Vertex G4 for complex shapes. Vertex G4 is a modelling software developed by Vertex Systems and it's mostly used for designing machines. The software has been developed by different employees for over 30 years so this thesis also includes determining the initial state of both software's modelling capabilities and the code structure. Initial development ideas were gathered from Vertex's customers. Lots of ideas were acquired so the topic of this thesis had to be narrowed to the handling of spline curves. Spline curves are curved lines which are used to model curved shapes. The main method of this thesis is to compare Vertex G4 to the software of its competitors. During the comparison, shortcomings were found from both spline handling and general curve handling. The biggest error with the general curve handling was in the calculation of 3d coordinates from the cursor location which also affected spline curves. The biggest problems with spline curves were general spline behavior and lack of tangent handles. This thesis presents Vertex G4's and its competing software's ways of handling spline curves, notices discovered issues and shows how problems were fixed and new features implemented. Discovered issues were prioritized according to their importance because it wasn't possible to implement all of them during this thesis. Still, the results significantly improved the modelling capabilities and usability of Vertex G4. The changes for example allow a precise positioning of a spline curve. Additionally the changes required wide structural changes to the code base which helps the future development of the software.

Smart stimuli-responsive materials that can be externally triggered to undergo mechanical motions have a huge potential in applications ranging from artificial muscles and sensing to microrobotics. Among different classes of stimuli-responsive materials, photomechanical actuators based on liquid-crystal elastomers (LCEs) are of particular importance because they provide a route to control mechanical motions with light. Liquid-crystal elastomers exhibit a unique combination of anisotropic molecular order due to liquid crystallinity, and elasticity brought about by the polymer network. This coupling leads to the ability of free-standing LCE samples to change their shape reversibly after the application of external stimulus. Plasmonic nanoparticles, for example gold nano-rods, have the ability to absorb light strongly at different wavelengths, depending on their dimensions, which makes them a possible candidate to produce the light response needed to actuate LCEs. In the Thesis work three photoactuable liquid-crystal elastomers, which absorb light in different wavelengths, were studied. Infrared-absorbing gold nanorods, cross-linked UV-absorbing azobenzenes, and doped visible-absorbing azobenzenes, were used as light-absorbing moieties. The LCE that was used was acrylate-based and the sample films were prepared by applying well-developed liquid crystal-alignment technologies and photopolymerization. As a major part of this work, gold nanorods were synthesized and functionalized. Gold nanorods were synthesized with a seed-mediated growth method in water by using hexadecylcetyltrimethylammonium bromide as a surfactant and 5-bromosalisylic acid as an additive. Rods were also synthesized without the additive for comparison and it was found that nanorods synthesized with the additive had smaller size dispersion and better morphology. Gold nanorods were successfully functionalized and transferred to organic solutions with dodecanethiol when thiolated polyethylene glycol was used for pre-functionalization. The solubility of the functionalized gold nanorods into LCE mixture (comprising photopolymerizable monomer and cross-linker) was studied. However, functionalized gold nanorods were not soluble into the LCE matrix, whereas the two dyes showed a good solubility and polymerized films could be efficiently actuated with light. The main characterization methods used in this work were UV-Vis-NIR spectroscopy, transmission electron microscopy, and polarized optical microscopy.

Tampereen teknillisessä yliopistossa (TTY) matematiikan perusopinnot ovat 27 opintopistettä (op), joista 15 op on kaikille opiskelijoille samoja Insinöörimatematiikan opintojaksoja. Tampereen ammattikorkeakoulussa (TAMK) kaikki insinöörialojen opiskelijat opiskelevat matematiikkaa yhteensä 12 op. Näiden opintojaksojen sisältöjä verratessa huomattiin, että otsikkotasolla aiheet ovat suurelta osin samoja, mutta käsittelyn syvällisyys ja perustelut eroavat toisistaan. TTY:n puolella tulokset pyritään mahdollisuuksien mukaan loogisesti perustelemaan. Erityisesti matriisien osalta käsittely on TTY:n opintojaksoilla laajempaa. Kun verrattiin ensimmäisen vuoden ja suoraan maisterivaiheeseen tulleiden opiskelijoiden menestystä Insinöörimatematiikan opintojaksoilla huomattiin, että Insinöörimatematiikka 1 -opintojaksolla ensimmäisen vuoden opiskelijoiden keskiarvo oli parempi kuin muilla. Muiden opintojaksojen osalta vastaavaa johtopäätöstä ei voitu tehdä, koska aineiston koko oli liian pieni ja tulosten luotettavuus jäi heikoksi. Nykyisen käytännön mukaan ammattikorkeakoulussa (AMK) suorittettuja matematiikan opintoja ei hyväksytä osaksi tutkintoa TTY:ssa. Tiivistyvä yhteistyö ja paine sujuvampiin opintopolkuihin on luonut tarpeen arvioida, voisiko AMK:ssa suoritettuja matematiikan opintoja hyödyntää yliopisto-opetuksessa. Sisältövertailun perusteella suunniteltu Siltakurssi on tarkoitettu TTY:lle maisterivaiheeseen tuleville AMK-insinööreille, jotta heidän matematiikan osaamisensa saadaan samalle tasolle tekniikan kandidaattien kanssa. Opintojakso koostuu moduuleista, joihin kuuluu käänteiseen opetukseen perustuen viikkoharjoitukset ja verkkotehtäviä sekä ennen harjoitustilaisuuksia katsottavia videoita ja teoriaosuus monisteesta. Moduulit on jaettu kolmeen osaan, joista jokaisesta järjestetään sähköinen EXAM-koe.

Paperia käytetään painotuotteissa, pakkausmateriaalina sekä hygieniatuotteissa. Painopaperin tärkeimpiä ominaisuuksia on sen ulkonäkö. Ulkonäköön vaikuttavat optiset ominaisuudet, kuten kiilto, vaaleus ja opasiteetti. Opasiteetti, eli paperin läpinäkymättömyys, on erityisen tärkeässä roolissa painopapereissa, jotta paino molemmille puolille ei haittaa toisen puolen tarkastelua. Valon sironta vaikuttaa opasiteettiin. Kasvavan digitalisaation myötä paperiteollisuus joutuu kehittämään uusia kustannustehokkaita painopaperilaatuja. Yksi kehityskohde on kevyt ja hyvin valoa sirottava paperi. Aiemmin valon sirontaa paperissa on tutkittu makroskooppisten standardimittausten sekä erilaisten simulaatioiden avulla. Paperin rakennetta on tutkittu konfokaalimikroskopian, pyyhkäisyelektronimikroskopian sekä röntgendiffraktion avulla. Työn tarkoituksena on tutkia eri täyteaineita sisältävien paperiarkkien valonsirontaa mikroskooppisella tasolla. Tavoitteena on selvittää, mitkä mikroskooppiset rakenteet paperiarkissa sirottavat valoa hyvin ja mitkä huonosti. Näytearkeille on ennen tutkimusta suoritettu optiset ja mekaaniset standardimittaukset, joten arkkien makroskooppiset valonsirontakertoimet sekä muut ominaisuudet tiedetään ennalta. Tutkittavia paperin täyteaineita on 5 erilaista, joista kaksi on kaupallisia mineraalitäyteaineita ja loput tutkimusta varten valmistettuja täyteaineita. Tutkimus suoritettiin sirontamikroskoopin ja pyyhkäisyelektronimikroskoopin avulla. Sirottavat alueet selvitettiin sirontamikroskoopin avulla, ja rakenteiden yksityiskohtaisempi tarkastelu tehtiin pyyhkäisyelektronimikroskoopilla. Kuvankäsittelymenetelmien avulla luotiin syvyysterävyydeltään laajennettuja valomikroskooppikuvia, sekä rekisteröintikuvia, joissa sirontamikroskooppi- ja pyyhkäisyelektronimikroskooppikuvat asetettiin päällekkäin. Tulokset perustuvat mikroskooppikuvista tehtyyn kvalitatiiviseen analyysiin. Tutkimus osoittaa, että lastumaisilla täyteaineilla saadaan hyvä valon sironta. Lastumaiset täyteaineet toimivat hyvin etenkin kalanteroiduissa näytteissä, sillä ne kestävät kalanteroinnin hyvin liimautumatta tasaiseksi pinnaksi. Pinnasta irtonaiset hienoaineet ja täyteaineet sirottavat valoa huomattavasti paremmin kuin pintaan sitoutuneet. Kaikissa näytteissä valon sironta syntyy pääasiassa partikkeleiden reunoista.

Tampereen teknillisessä yliopistossa pyritään jatkuvaan matematiikan opetuksen kehittämiseen. Matemaattisten ohjelmistojen kehittymisen myötä opiskelijoille voidaan tarjota erilaisia sähköisiä ja verkkopohjaisia työkaluja itsenäisen matematiikan opiskelun tueksi. Tässä työssä tutustutaan kahteen verkko-opetustyökaluun; automaattisesti tarkistettaviin matematiikan tehtäviin suunniteltuun STACK-ohjelmistoon sekä verkossa tapahtuvaan vertaisarviointiin tarkoitettuun Moodlen Työpajaan. Työssä tutkitaan, kokevatko ensimmäisen vuoden matematiikan opiskelijat STACK-tehtävien ja vertaisarvioinnin edesauttavan matematiikan oppimista. Tarkastelun kohteena on myös, kuinka aktiivisesti STACK- ja vertaisarvioitavia Työpaja-tehtäviä tehdään ja miten aktiivisuus vaikuttaa menestymiseen tentissä. Aluksi tarkastellaan verkko-opetusta ja vertaisarviointia yleisesti. Seuraavaksi perehdytään STACKin taustoihin ja STACK-tehtäviin opiskelijan näkökulmasta. Myöhemmissä luvuissa esitellään matematiikan opintojaksoilla tehtyjä STACK- ja vertaisarviointikokeiluja ja niiden tuloksia. Lopuksi tarkastellaan tutkimuksen luotettavuutta ja tiivistetään työn keskeisimmät tulokset. Opintojaksoilla järjestettyjen mielipidekyselyjen perusteella opiskelijat suhtautuvat STACK-tehtäviin positiivisesti. Opiskelijat pitivät erityisesti välittömästä palautteesta. Mielipiteet Työpajassa tehdystä vertaisarvioinnista olivat neutraalimpia. Menettelyssä nähtiin kehittämisen varaa, mutta vertaisarvioinnin koettiin edesauttavan syvällisempää oppimista. Sekä STACK-tehtävien että vertaisarvioinnin nähtiin tuovan lisäarvoa matematiikan opiskeluun.

Hybrid organic–inorganic photovoltaics (HOPVs) are emerging as an attractive solution to achieve cost-effectiveness and an acceptable performance. HOPVs offer several advantages over the traditional organic photovoltaics, namely the well-defined morphology, the high specific area of the inorganic–organic interface, and the high carrier mobility. However, further research and innovation are needed to understand how to engineer the organic–inorganic nanoarchitectures and achieve full control and the optimization of the nanomorphology. This Thesis aims to offer a contribution in this direction by developing novel hybrid organic–inorganic solar cells via the assembling of highly-ordered functional layers at the interface between the inorganic and organic moieties. Two main solar cell architectures were investigated in this work, namely bulk-heterojunction (BHJ) and solid-state dye sensitized solar cells (ssDSSCs). In both cases, a set of four perylene monoimide (PMI) antennas were assembled on metal oxides (zinc oxide, ZnO, or titanium dioxide, TiO2) and tested as interlayer materials and sensitizers in BHJ solar cells and ssDSSCs, respectively. The final goal was to evaluate the effect of the introduction of the PMI antenna on the power conversion efficiency (PCE) of the photovoltaic devices. Quantum chemical calculations were also carried out in order to find the highest occupied molecular orbital (HOMO) and the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) levels of the four PMIs applying the density functional theory. In the BHJ experiments an overall improvement in the PCE was achieved, when comparing the performance of the reference solar cell, which did not contain PMI, to earlier results carried out in the same laboratory. However, the addition of the PMI interlayer did not enhance the solar cell performance. The capability of PMIs to act as sensitizers was successfully verified in the ssDSSC experiments, by demonstrating the electron injection from PMI monolayer to the titanium dioxide. In fact, a 20-times increase in the PCE of the ssDSSCs was achieved thanks to the addition of the PMI. Furthermore, for two of the PMI cell-structures presented in this work, the PCE values were comparable to those obtained for the device adopting a well-known and mostly used commercial ruthenium dye, N719. This suggests the beneficial use of the PMIs studied in this Thesis for ssDSSCs as potential replacements of the expensive rare metal ruthenium-containing dyes as modifiers of the TiO2 surfaces.

Syksyllä 2015 Tampereen teknillisessä yliopistossa pilotoitiin uutta e-oppimateriaalia hyödyntävää MATLAB-kokonaisuutta. Matematiikan laitoksen tehtävänä oli kehittää e-oppimateriaalien avulla ensimmäisen vuosikurssin opiskelijoille pakollista MATLABin alkeiden kokonaisuutta, jonka tavoitteena oli perehdyttää uudet opiskelijat MATLABin perustoiminnallisuuksiin. MATLABin alkeiden kokonaisuuden kehittämiseen otettiin vaikutteita e-oppimisen pedagogiikasta ja muista Suomen tai muiden maiden korkeakoulujen käyttämistä e-oppimateriaalipainotteisista laskentaohjelmaopetuskokonaisuuksista. TTY:n MATLABin alkeiden kokonaisuus toteutettiin Moodle-sivuna, jonne koottiin itse tehty e-oppimateriaali. Oppimateriaali koostui automaattisesti itsensä tarkastavista STACK-tehtävistä, opetusvideoista ja ohjepdf-tiedostoista. STACK-tehtävät olivat arvioitava osuus, jotka jokaisen opiskelijan tuli palauttaa. Tehtävien tueksi oli opetusvideot ja ohjepdf-tiedostot, joilla käsiteltiin tehtävien ratkaisemiseen liittyvää materiaalia mutta myös ylimääräistäkin MATLAB-tietoutta. Moodle-sivulta löytyi myös keskustelupalsta opiskelijoiden ja opettajien välille sekä toisen periodin ensimmäisen viikon aikana järjestettiin ohjattuja harjoitustilaisuuksia, joissa opiskelijat voivat ratkoa tehtäviä. Alkeiden kokonaisuuden kokeilu onnistui pääosin hyvin, sillä suurin osa noin 700 opiskelijasta läpäisi alkeet, ja e-oppimateriaali koettiin käyttökelpoiseksi työkaluksi. Opiskelijoilta saadun palautteen ja opiskelijoiden suorituskäyttäytymisestä tehdyn klusterianalyysin perusteella alkeiden kokonaisuutta voi sisällöllisesti jatkossa kehittää entistä enemmän MATLABin käyttötaitojen oppimista ja sisäistettävyytä edistäväksi kokonaisuudeksi.

Ajoneuvojen päästölainsäädäntö Euroopassa tiukentuu jatkuvasti. Pakokaasupäästöjen mittaamista ajoneuvon todellisissa käyttöolosuhteissa on esitetty osaksi seuraavaa työkoneille suunnattua päästöstandardia. Vastuu työkoneen reaaliaikaisten päästöjen mittauksesta vaikuttaa jäävän moottorivalmistajan vastuulle. AGCO Powerin valmistamia moottoreita käytetään useissa erilaisissa maatalouskoneissa kuten traktoreissa ja puimureissa. AGCO Powerin kannalta kokemusten hankkiminen erilaisten työkoneiden päästöjen mittaamisesta niiden todellisissa käyttöolosuhteissa on siis tärkeää. Tässä työssä sovellettiin Tampereen teknillisen yliopiston aerosolifysiikan laboratoriossa kehitettyä kannettavaa päästöjenmittausjärjestelmää työkoneelle. Mittaukset suoritettiin kahdessa vaiheessa. Ensimmäisessä vaiheessa mitattiin AGCO Powerin valmistaman moottorin päästöt nykyisillä Euroopassa käytössä olevien standardisyklien yli moottorilaboratoriossa. Toisessa vaiheessa mitatattiin vastaavaa moottoria käyttävän Valtran traktorin reaaliaikaiset päästöt. Tulosten kannalta työssä oli kaksi tavoitetta: Arvioida mittalaitteiston soveltuvuutta kyseisessä käyttöympäristössä sekä verrata kentällä mitattuja päästöjä laboratoriossa mitattuihin referenssituloksiin. Mittaustulokset käsiteltiin Euroopassa käytössä olevalla liikkuvan keskiarvon ikkunointimenetelmällä. Tulostenkäsittelyn vertailun vuoksi päästökertoimet laskettiin myös Yhdysvalloissa käytetyllä Not-to-Exceed -menetelmällä sekä Euroopan komission tutkimuskeskuksen esittämällä työkoneelle muokatulla liikkuvan keskiarvon ikkunointimenetelmällä. Tavoitteena oli myös löytää työkoneen käytön kannalta päästöihin merkittävästi vaikuttavat tekijät. Tulevan Stage V -päästöstandardin esityksen päästörajoihin suhteutettuna vaatimustenmukaisuuden kertoimet olivat laskentatavasta riippuen typen oksideille 1,53--4,57 ja hiukkaslukumäärälle 6,50--10,8. Mittauksissa käytetty moottori oli kuitenkin Stage IV -tyyppihyväksytty eikä sen voida olettaa täyttävän Stage V -päästötason vaatimuksia.

Nonlinear microscopy is used for investigating a variety of biological systems and artificial materials. The contrast achieved in this imaging technique relies on the detected signals that arise from nonlinear interactions between a pulsed excitation beam and the specimen. As these nonlinear interactions are spatially localized, i.e., the signal originates only from a small focal volume, this technique permits intrinsic three-dimensional imaging. In order to acquire an image, either beam scanning with a fixed sample or sample scanning with respect to a fixed beam is used. In this Thesis, we developed and tested the performance of a home-built point-scanning nonlinear microscope. In the development, it is critical to integrate and synchronize the components of a nonlinear microscope. For example, as the excitation beam is focused and thus the spot covers only a very small area in the sample, a scanning stage is needed that is computer-controlled and synchronized with photodetectors that measure the intensity of the nonlinear signal. If the polarization of the excitation beam needs to be carefully defined and changed between measurements, a motorized wave plate also needs to be computer-controlled. Here, the controls of the scanning stage, detectors and the wave plate were integrated into a single program, and a functional user interface in the LabVIEW environment was developed. The program enables the adjustment of the measurement parameters, monitoring of the measurements and saving of the results. Furthermore, the program was modified so that additional devices can be integrated into it in the future, and thus the microscopy setup is not restricted only to the kinds of measurements shown in this Thesis. The performance of the developed program was tested using artificial nanosized gold particles. The microscopy setup and the controlling program were found to work properly and reliably, and the detected signals were confirmed to originate from second- and third-harmonic phenomena in which the output signal has a frequency of two or three times the original one, respectively. As expected for the second-harmonic response, samples with chiral properties had different responses for the two opposite circular polarizations. Additionally, we found that the third-harmonic response also exhibits different but weak responses under circular polarizations. Our results suggest the great potential of nonlinear microscopy for studying nonlinear circular dichroism effects in artificial nanomaterials. Epälineaarista mikroskopiaa, jossa mitattava signaali syntyy fokusoidun pulssitoimisen lasersäteen ja näytteen välisessä epälineaarisessa vuorovaikutuksessa, käytetään sekä biologisten systeemien että synteettisten materiaalien tutkimuksessa. Epälineaarisissa prosesseissa vaste on peräisin hyvin pienestä näytetilavuudesta, mikä mahdollistaa kolmiulotteisen kuvantamisen. Koska epälineaarisessa mikroskoopissa käytetään fokusoitua lasersädettä, näytettä täytyy liikuttaa mittauksen aikana suhteessa säteeseen tai päinvastoin. Tässä diplomityössä kehitettiin ja testattiin käyttöliittymä itse rakennettuun epälineaariseen mikroskooppiin. Käyttöliittymää toteutettaessa on tärkeää ottaa huomioon, että siihen liitettyjen laitteiden, kuten näytteensiirtoalustan ja epälineaarisia signaaleja mittaavien fotoni-ilmaisimien, tulee toimia oikea-aikaisesti suhteessa toisiinsa. Myös herätekentän polarisaatiotilan muuttamiseen käytettävän polarisaattorin ohjaus voidaan yhdistää samaan ohjelmaan näytealustan ja ilmaisimien kanssa, kuten tässä työssä tehtiin. LabVIEW-ympäristössä luodun ohjelman avulla voidaan säätää mittausparametreja, tarkkailla mittauksen etenemistä ja tallentaa tulokset. Ohjelma toteutettiin siten, että uusien ominaisuuksien ja laitteiden lisääminen siihen on mahdollista myöhemminkin, koska kyseistä mikroskooppia saatetaan tulevaisuudessa käyttää myös muunlaisiin mittauksiin kuin mihin tässä työssä on keskitytty. Toteutetun ohjelman toimintaa tutkittiin mittaamalla kullasta valmistettujen nanokokoluokan näytteiden epälineaarisia vasteita. Mikroskooppi ja kehitetty ohjelmisto todettiin toimiviksi, luotettaviksi sekä helppokäyttöisiksi. Mittauksissa varmistettiin, että epälineaariset signaalit aiheutuvat taajuudenkahdennuksesta ja -kolmennuksesta, jolloin syntyvän säteilyn taajuus on kaksin- tai kolminkertainen alkuperäisen herätekentän taajuuteen nähden riippuen kummasta ilmiöstä on kysymys. Taajuudenkahdennuksen tapauksessa kiraalisten näytteiden vaste oli oletetusti erilainen oikea- ja vasenkätisesti ympyräpolarisoiduille herätekentille. Lisäksi huomasimme, että myös taajuuden-kolmennuksen tapauksessa havaitaan sama ilmiö, joskin heikkona. Tämä antaa viitteitä siitä, että tulevaisuudessa kyseisen kaltaisia näytteitä voidaan tutkia epälineaaristen vasteiden avulla.

Diffusion-weighted imaging (DWI) is a novel magnetic resonance imaging (MRI) technique sensitive to Brownian motion. With the use of diffusion-sensitizing gradient pulses DWI enables the detection of microscopic diffusion of water molecules in biological tissues. Diffusion state for different voxels can be calculated from DW images with different diffusion weightings, resulting a quantitative apparent diffusion coefficient (ADC) map. Different tissues restrict diffusion in different ways, which makes DWI sensitive for alterations in movement of water molecules in normal versus abnormal tissue. So far DWI has been used clinically mainly for imaging brain disorders but applications on oncology are also promising. Breast cancer imaging is one potential application for DW imaging. The ADC values of malign breast lesions are usually lower than those of benign lesions, which makes DWI a potential tool for differentiating lesion types. DWI has multiple advantages over conventional contrast-enhanced MRI, for example it is cheaper and faster than DCE-MRI and to top it all it increases the sensitivity of breast lesion characterization. In this Master of Science thesis 45 patients with 48 ductal carcinoma and 8 benign lesions were examined through four different studies: comparison of mean ADC values of benign and malign breast lesions, repeatability of ADC measurements, correlation between ADC values and Signal-to-Noise ratio and effect of lesions size to the ADC values. The statistical significance of the results was analyzed with statistical tests with SPSS software. The normalized mean ADC values for benign lesions was found 0.80 ± 0.23 x10-3 mm2/s and for malign lesions 0.63 ± 0.20 x10-3 mm2/s and they were found significantly different. The cutoff value for malign lesions was determined 0.83 x10-3 mm2/s with sensitivity of 83.3% and specificity of 37.3%. The measurement method showed excellent repeatability (ICC 0.94), especially with big lesions. ADC and SNR values did not have significant correlation. These results were promising and they give a basis for further studies, like for studies with larger sample size and with several different malign lesion types. In the future the cutoff value of malign and benign lesions could be used as guidance tool for doctors in breast lesion characterization. Diffuusio-painotettu magneettikuvantaminen (Diffusion-Weighted Imaging, DWI) on uudenlainen lääketieteellinen kuvantamismenetelmä, joka perustuu vesimolekyylien Brownian liikkeeseen. DWI-tekniikka käyttää erityisiä herkistyspulsseja mitatessaan vesimolekyylien diffuusiota biologisissa kudoksissa. Diffuusion voimakkuutta eri kuva-alkioissa voidaan kuvata näennäisdiffuusiovakioilla (Apparent Diffusion Coefficient, ADC), joista voidaan muodostaa ADC-karttoja. ADC-kartat ovat lääketieteellisiä kuvia, joiden muodostamiseen käytetään kahta tai useampaa eri herkistyspulsseilla saatua diffuusiopainotettua kuvaa. Eri kudokset rajoittavat vesimolekyylien diffuusiota eri tavoin, mikä tekee DWI-tekniikasta herkän kudosten rakenne-eroille. Toistaiseksi DWI-tekniikan kliinisenä käyttökohteena ovat olleen erilaiset aivojen sairaudet. Menetelmällä on myös sovelluskohteita onkologiassa, erityisesti rintasyövän kuvantamisessa. Malignien kasvaimien ADC arvot ovat yleensä matalampia kuin vastaavat benignien kasvaimien arvot. DW-kuvantamisella on monia etuja tavalliseen varjoaine-magneettikuvantamiseen verrattuna: DWI on edullisempi ja nopeampi ja lisäksi se parantaa magneettikuvantamisen sensitiivisyyttä rintasyöpätyypin karakterisoinnissa. Tämän diplomityön aineisto koostui 45 rintasyöpäpotilaasta, joilla oli yhteensä 48 malignia ja 8 benigniä kasvainta. Työssä suoritettiin seuraavat kokeet: benignien ja malignien kasvaimien ADC-keskiarvojen vertailu, ADC-mittausten toistettavuus, signaali-kohinasuhteen (SNR) ja ADC-arvojen välinen korrelaatio sekä kasvaimen koon vaikutus ADC-arvoihin. Tulosten tilastollista merkitsevyyttä analysoitiin SPSS-ohjelmalla. Benignien kasvaimien normalisoiduksi ADC-arvoksi saatiin 0.80±0.23 x10-3 mm2/s ja malignien vastaavasti 0.63±0.20 x10-3 mm2/s ja ne todettiin eroavan tilastollisesti merkittävästi toisistaan. Malignien kasvaimien raja-arvoksi määritettiin 0.83 x10-3 mm2/s, jolloin sensitiivisyys oli 83.3% ja spesifisyys 37.3%. ADC-arvojen mittausmenetelmä osoitti eriomaista toistettavuutta (ICC 0.94), erityisesti suurien kasvaimien tapauksessa. ADC- ja SNR-arvojen välillä ei havaittu korrelaatiota. Tulokset olivat lupaavia, joten lisätutkimukset ovat perusteltuja. Esimerkiksi tutkimukset suuremmalla aineistolla ja eri rintasyöpätyyppien kanssa olisivat mielenkiintoisia. Tulevaisuudessa malignien ja benignien kasvaimien ADC-raja-arvoa voidaan käyttää radiologien työkaluna rintasyövän karakterisoinnissa.

Biopolttoaineiden lisääntynyt käyttö suomalaisessa energiantuotannossa on lisännyt kiinnostusta sen polttoprosesseissa tapahtuvia palamisreaktioita kohtaan. Biopolttoaineiden palamisominaisuuksia voidaan tutkia kokeellisesti. Kokeellisen tutkimuksen avulla päästään käsiksi numeerisissa palamismalleissa esiintyviin parametreihin, joita optimoimalla polttoprosesseja voidaan kehittää puhtaammiksi ja energiatehokkaammiksi. Polttoaineiden ominaisuuksia tutkittaessa niiden palamislämpötilan luotettava mittaus on tärkeää. Tässä diplomityössä tehtiin selvitystä, miten polttoprosesseissa esiintyviä korkeita lämpötiloja voidaan mitata digitaalista värivalokuvausta käyttämällä. Työssä luotiin teknologiapohja tavallisella digitaalisella värikameralla suoritettavaan korkealämpötilamittaukseen. Tavoitteena työssä suoritetuissa mittauksissa oli menetelmän toimivuuden todentaminen. Mittaustekniikka perustuu optiseen kaksiväripyrometriaan. Pyrometriassa lämpötilaa mitataan kosketuksettomasti mittauskohteen emittoiman lämpösäteilyn voimakkuuden perusteella. Kaksiväripyrometriassa säteilyvoimakkuutta mitataan kahdella toisiaan lähellä olevalla kapealla aallonpituuskaistalla. Värikameralla suoritettava korkealämpötilamittaus pohjautuu näkyvän valon ja lähi-infrapunavalon, tai pelkästään näkyvän valon, taltioimiseen kameran valoherkän kuvakennon avulla. Diplomityössä toteutettiin CCD-suurnopeusvärikameraan perustuva mittalaite, jolla palavan polttoainehiukkasen pintalämpötilaa ja fyysistä kokoa voidaan mitata kaksiväripyrometriaa soveltaen. Mittalaite kehitettiin polttoainehiukkasten tutkimuslaitteistona käytettävään pudotusputkireaktoriin. Työssä suunnitellun mittaustekniikan avulla on mahdollista mitata myös yksittäisen hiukkasen putoamisnopeus reaktorissa yhtäaikaisesti hiukkasen pintalämpötilan ja koon kanssa. Työssä kehitettiin laskentaohjelmisto palavan polttoainehiukkasen pintalämpötilan laskemiseksi CCD-värikameralla otetusta mittauskuvasta. Värikameralla suoritettavaa korkeiden lämpötilojen mittaustekniikkaa sovellettiin työssä myös toiseen polttotekniikan tutkimussovellukseen. Sovelluskohteessa mitattiin laboratorioreaktorissa palavan rapsipelletin pintalämpötiloja palamisen eri vaiheissa ja rapsipelletin eri osissa. Mittalaitteena käytettiin kaupallista CMOS-järjestelmäkameraa. Järjestelmäkameralla otetuille mittauskuville suunniteltiin laskentaohjelmisto, jonka avulla voidaan laskea pintalämpötilajakaumia mille tahansa palavalle polttoainepartikkelille. Etuina kaupallisen järjestelmäkameran käyttämiselle korkeiden lämpötilojen mittalaitteena ovat niiden edullisuus, kompaktius, helppokäyttöisyys sekä laaja saatavuus.

This thesis lays out a common architecture for a software system meant for verification of correctness of concurrent state machines. The purpose of the architecture is to enable implementation and combination of different reductions and other manipulations, that give perspectives into the behaviour of the system. The LTS model and associated techniques are presented for a mathematical basis for the system. The system is made flexible using extensive modularization. Even techniques traditionally contained inside the parallel composer, such as cut states and stubborn sets are extracted into modules. Techniques are presented to avoid the performance loss of modularization using compile time processing.

Diplomityötutkimuksen tarkoituksena oli selvittää minkälaisia tekniikan aihepiiristä tuotuja sovellustehtäviä voi hyödyntää pitkän matematiikan opetuksessa sekä miten ne tukevat opiskelijoiden oppimista, motivaatiota ja ymmärrystä matematiikan tarpeellisuudesta. Tutkimuksessa valmistettiin tehtävämateriaali geometrian kurssia varten. Aihepiirien rajaamiseksi opiskelijoilla toteutettiin kysely kiinnostuksen kohteista syksyllä 2014. Tehtävien laadinnassa hyödynnettiin matematiikan kielentämistä, jota myös tutkittiin. Empiirinen aineisto muodostui vuoden 2015 alun aikana tehdyn opetuskokeilun tuotoksesta. Kenttäkokeilu toteutettiin Tampereen teknillisessä lukiossa yhdelle pitkän matematiikan ryhmälle (n = 20) yhdessä kurssin vastuuopettajan kanssa. Kokeilussa tutkittiin kuinka sovellustehtävät ja niihin liittyvät vierailut korkeakouluun ja yliopistoon vaikuttivat opiskelijoihin. Tehtäviä muokattiin jo kokeilun aikana opiskelijoiden antaman palautteen perusteella. Ideana oli tehtävien ja vierailujen myötä lisätä opiskelijoiden motivaatiota ja osoittaa matematiikan tarpeellisuutta ja hyödyllisyyttä. Tutkimuksen teoreettinen viitekehys käsittää oppimista, motivaatiota sekä matematiikan oppimisen ja sovellusongelmien problematiikkaa. Näiden näkökulmien pohjalta pyrittiin analysoimaan kenttäkokeilusta saatuja tuloksia. Tutkimuksen metodologia perustuu kvalitatiiviseen tapaustutkimukseen, mutta tutkimuksessa hyödynnetään myös kvantitatiivisia metodeja. Tutkimusaineisto koostuu kurssille osallistuneiden opiskelijoiden tekemistä sovellustehtävistä, kurssituloksista, alku-, loppu- ja vierailujen palautekyselyistä sekä yksittäisiin tehtäviin liittyneistä kyselyistä, havainnoinnista opetuskokeilun aikana ja vastuuopettajan haastattelusta. Tutkimustuloksien mukaan opiskelijat pitivät matematiikkaa hyödyllisenä. Sovellustehtävät olivat opiskelijoista haasteellisia. Ne eivät lisänneet motivaatiota eivätkä parantaneet oppimistuloksia, mutta ne lisäsivät opiskelijoiden ymmärrystä matematiikan käytännönläheisyydestä. Tehtävät havainnollistivat sitä, miten ja mihin matematiikkaa hyödynnetään. Tämä oli opiskelijoista mielenkiintoista. Opiskelijat ja opettaja pitivät vierailuja onnistuneina sekä jatkossakin toteuttamiskelpoisina ja toivottuina. The purpose of this Master of Science Theses is to examine what kinds of problems from different technical fields are suitable in teaching advanced syllabus mathematics and how they sustain learning motivation and understanding the importance of mathematics. For this purpose teaching material was developed for a course in geometry. In order to limit the themes the students answered to a survey regarding their interests. The survey was held early fall 2014. The problems contained some models of languaging. Languaging was also studied in this theses. The empirical data was gathered in the teaching experiment and from its results in the beginning of the year 2015. The experiment was carried out for one advanced syllabus mathematics group (n = 20) together with the teacher who was in charge of the course at Tampere High School of Technology. In the experiment it was studied how the application problems and visits to University of Applied Science in Tampere and Tampere University of Technology affected the students. The application problems were modified during the experiment according to the feedback of the students. The theoretical framework consists learning, motivation and the problematic issues connected to learning and applying mathematic problems. The results were analyzed from these aspects. The methodology is based on the qualitative case study, but quantitative methods are also used. The data consists of the returned application tasks, grades, surveys in the beginning, at the end, after the visits and after returning the tasks. In addition, the investigator observed the lessons and interviewed the teacher in charge. According to the results the students consider mathematics to be useful. They also considered the application exercises challenging. Exercises didn’t increase motivation neither did they improve the learning results. Yet they added the understanding of practicality of mathematics and demonstrated how and in what fields mathematics is needed. The students felt this interesting. The students and the teacher found the visits successful and viable.

Ilmakehä on hapettava ympäristö. Hapetusreaktioiden seurauksena ilmakehään emittoituneet kaasut voivat osittain siirtyä hiukkasfaasiin, jolloin muodostuu sekundääristä hiukkasmassaa. Tämän diplomityön tarkoituksena oli tarkastella läpivirtauskammioiden toimintaa sekundäärisen hiukkasmassan muodostumisen tutkimisessa. Läpivirtauskammiot mahdollistavat ilmakehän useita päiviä kestävän hapetuksen simuloinnin lyhyessä ajassa. Kirjallisuusselvityksen perusteella läpivirtauskammiossa muodostunut sekundäärinen hiukkasmassa vastaa monilta ominaisuuksiltaan ilmakehässä muodostunutta sekundääristä hiukkasmassaa, vaikka kammion olosuhteet eroavatkin huomattavasti ilmakehän olosuhteista. Työn pääpaino oli TTY:n aerosolilaboratorion oman läpivirtauskammion TSARin ominaisuuksien karakterisointi. Mittausten perusteella virtaus TSARissa on lähes laminaarinen ja hiukkashäviöt ovat pieniä. Lisäksi TSARin hapetinaltistusta voidaan kontrolloida, ja maksimissaan saavutetaan altistus, joka vastaa noin viikon hapettumista ilmakehässä. Virtauksen laminaarisuuden ja nopean vasteajan takia TSARilla on mahdollista mitata sekundäärisen hiukkasmassan muodostumista myös nopeasti muuttuvissa päästölähteissä. Muilla läpivirtauskammioilla ei ole tehty tällaisia mittauksia, ja useimmilla se ei ole mahdollistakaan niiden epälaminaarisen virtauksen takia. Atmosphere is an oxidative environment. Some gases emitted to the atmosphere go through oxidation reactions and the reaction products may transfer to the particle phase. The mass transferred from gas to particle phase is called secondary aerosol mass. The aim of this thesis was to study flow tubes in secondary aerosol research. Flow tubes can be used to simulate oxidation that takes several days in the atmosphere so that the simulation takes only few minutes. The literature survey made in this work shows that the secondary aerosol formed in a flow tube resembles in many ways the secondary aerosol formed in the atmosphere, even though the conditions in flow tubes are remarkably different to the conditions in the atmosphere. The main part of this thesis was to characterize a flow tube called TSAR which is developed at the aerosol laboratory of TUT. Based on the measurements, the flow in TSAR is nearly laminar and particle losses are small. In addition, the oxidant exposure in TSAR can be controlled and the maximum exposure is equivalent to the oxidation that takes place in the atmosphere in approximately one week. Because of the laminarity of the flow and fast response time, TSAR can be used to measure the formation of secondary aerosol also in rapidly changing emission sources. This kind of measurement has not been done with other flow tubes, and for most of them it is not even possible because of their nonlaminar flow.

The formation of imines is one of the most important reactions in organic synthesis, as imines are used as highly versatile and exquisite precursors in numerous synthetic processes. In addition, these have proven to possess a wide selection of biological activities, such as antibacterial, antifungal, antiviral and anticancer properties. Even though several methods for imine preparation have been reported, most of the techniques require harsh conditions, expensive catalysts or they are effective only with a limited selection of starting materials. The most common way to produce imines utilizes condensation reaction between amines and carbonyl compounds. Such reaction between L-valine derived boroxazolidone and benzaldehyde had already been studied in synthesis laboratory to synthesize highly functional imines, which could be further employed in challenging α-amino acid functionalization. As the reaction resulted in formation of tautomeric isomers, the aim of the study, which was adopted as the aim of this Master’s thesis, was to optimize the reaction conditions towards selective formation of only one of the regioisomers. Through screening of different reaction parameters in the abovementioned reaction, the base catalysis was found to be effective in controlling the interconversion of the isomers. Depending on the activating nature of the base catalyst, the reaction could be directed towards either the aldimine formation or the ketimine formation, and in most cases, only one isomer could be obtained. The highest aldimine conversion, 14 %, was obtained with 1,2-bis(diphenylphosphino)ethane (DPPE), as the reaction with 1,8-diazabicyclo(5.4.0)undec-7-ene (DBU) gave the highest ketimine yield, 27 %. In addition, not only the choice of base, but also reaction temperature, reaction time, choice of solvent and reagent ratio were noticed to have an effect in the outcome. After these parameters were optimized in DBU-catalyzed reactions, the obtained yield of ketimine was increased to 62 %. When applying the optimized conditions to condensation reactions between benzaldehyde and two other boroxazolidones, the corresponding ketimines were obtained in 64 % and 44 % yields, respectively. Imiinit ovat monipuolisia ja ainutlaatuisia yhdisteitä, joita hyödynnetään lukemattomissa synteeseissä. Tästä johtuen imiinisynteesiä voidaan pitää yhtenä keskeisimmistä ja tärkeimmistä synteettisen orgaanisen kemian reaktioista. Sen lisäksi, että imiinit toimivat prekursoreina reaktioissa, niillä on havaittu sieni-, bakteeri- ja virusinfektioita hoitavia sekä syöpäsoluja tuhoavia ominaisuuksia. Siitä huolimatta, että imiinien valmistamiseksi on kehitetty useita synteesireittejä, monet näistä metodeista vaativat rankat reaktio-olosuhteet sekä kalliiden katalyyttien hyödyntämisen, tai ne toimivat vain tiettyjen lähtöaineiden kanssa. Imiinejä valmistetaan tavallisimmin amiinien ja karbonyyliyhdisteiden välisellä kondensaatioreaktiolla. Synteesilaboratoriossamme on ennen tätä diplomityötä tutkittu vastaavanlaista reaktiota L-valiinista johdetun boroksatsolidonin ja bentsaldehydin välillä. Kyseisen projektin tarkoituksena oli valmistaa monitoiminnallisia imiinejä, joita voitaisiin hyödyntää erityisen haastavissa α-aminohappojen funktionalisoinneissa. Projektin aikana kuitenkin ilmeni, että kyseisessä reaktiossa syntyy kahta isomeeriä tautomerisaation seurauksena. Tutkimuksen tavoitteeksi tulikin löytää ne reaktio-olosuhteet, jossa tasapainoreaktiota näiden isomeerien välillä voitaisiin ohjata haluttuun suuntaan. Tämän pohjalta syntyi tämän diplomityön päätavoite eli yllämainitun reaktion olosuhteiden optimointi niin, että tautomerisaatiota pystyttäisiin hallitsemaan. Hyödyntämällä erityyppisiä katalyyttejä reaktiossa havaittiin, että tautomerisaatiota oli mahdollista kontrolloida. Emäskatalysoiduissa reaktioissa, riippuen käytetyn katalyytin ominaisuuksista, tasapainoa voitiin ohjata joko aldimiinin tai ketimiinin muodostumisen suuntaan ja monessa tapauksessa täysin selektiivinen kontrollointi onnistui. Suurin aldimiinin konversio, 14 %, saavutettiin 1,2-bis(difenyylifosfiini)etaani- eli DPPE-katalysoidulla reaktiolla, kun taas 1,8-diatsabisyklo[5.4.0]undek-7-eeni- eli DBU-katalysoitu reaktio tuotti ketimiiniä 27 % saannolla. Reaktiossa käytetyn emäskatalyytin lisäksi reaktiolämpötilan, reaktioajan, liuottimen sekä lähtöaineiden keskinäisen suhteen havaittiin vaikuttavan reaktion lopputulokseen. Reaktio-olosuhteiden optimoinnin myötä DBU-katalysoidulla reaktiolla onnistuttiin tuottamaan ketimiiniä 62 % saannolla. Lisäksi optimoituja olosuhteita testattiin kahden muun boroksatsolidonin ja bentsaldehydin välisessä reaktiossa, jolloin ketimiiniä saatiin 64 % ja 44 % saannoilla.

Uuden, vuonna 2016 voimaan tulevan, perusopetuksen opetussuunnitelman mukaan matematiikan opettamisessa ja opiskelussa keskeisessä asemassa ovat toiminnallisuus, konkretisointi ja opetusvälineet. Opetussuunnitelmassa mainitaan, että opetuksessa tulee käyttää vaihtelevia työtapoja. Esimerkiksi oppimispelit ja -leikit ovat tärkeitä ja oppilaita motivoivia. Maria Montessori havaitsi jo 1900-luvun alussa toimintavälineiden käytön hyödyllisyyden matematiikan opetuksessa. Montessorin mukaan lapset oppivat ymmärtämään matematiikkaa aivan uudella tavalla kun opetuksessa edetään loogisesti ja käytetään konkreettista havaintomateriaalia. Konkreettisten matematiikkavälineiden tarkoitus on myös herättää lasten mielenkiintoa ja muuttaa negatiiviset asenteet matematiikkaa kohtaan positiivisiksi. Myös unkarilaisessa Varga-Neményi -opetusmenetelmässä käytetään runsaasti apuvälineitä ja toimintamateriaalia. Leikkien ja toiminnallisuuden kautta luodaan jo pienille lapsille pohjaa ja kokemuksia vaikeistakin matematiikan käsitteistä. Myöhemmin tapahtuva abstraktimman tason oppiminen on helpompaa, kun lapsella aikaisempia kokemuksia ja omia tietorakenteita matematiikan osa-alueista. Tässä työssä kerrotaan keväällä 2013 Tampereella järjestetystä Bagdad - matematiikkanäyttelystä. Näyttely sisälsi toiminnallisia matematiikan aktiviteetteja, tehtäviä, pelejä ja ongelmia. Näyttelyn tavoitteena oli luoda positiivisia matematiikka kokemuksia näyttelyyn osallistuneille oppilaille. Näyttelyyn osallistuneilta oppilailta, opettajilta ja ohjaajilta kerättiin palautetta, jonka pohjalta on arvioitu näyttelyn tavoitteiden onnistumista. Monet opettajat toivoivat, että näyttelyn materiaaleja olisi mahdollista saada koottuna jostakin. Työssä on esitelty suuri osa näyttelyssä olleista tehtävistä, peleistä ja pulmista. Työn tavoitteena on tuoda ideoita peruskoulun matematiikan toiminnalliseen opetukseen Bagdad-näyttelyn matematiikasta.

Hyperreaalilukujen systeemi on reaalilukujen systeemin laajennus, mikä sisältää äärettömiä ja infinitesimaalisia lukuja. Ääretön luku on itseisarvoltaan suurempi kuin mikään reaaliluku ja infiniteismaaliluku on itseisarvoltaan pienempi kuin mikään positiivinen reaaliluku. Hyperreaaliluvuilla on ollut iso rooli matematiikan historiassa, mutta niille onnistuttiin luomaan täsmällinen pohja vasta 1960-luvulla. Tässä diplomityössä konstruoidaan hyperreaalilukujen systeemi, ja näytetään, kuinka matemaattisia objekteja, kuten lukuja, joukkoja ja relaatioita, voidaan siirtää reaalilukujen struktuurista hyperreaalilukujen struktuuriin. Työssä esitetään siirtoperiaate, jonka avulla voidaan siirtää reaalilukujen struktuurista matemaattisia objekteja käsitteleviä tosia lauseita hyperreaalilukujen struktuuriin vastaavia matemaattisia objekteja käsitteleviksi tosiksi lauseiksi. Lisäksi tutustutaan epästandradiin analyysiin, missä reaalianalyysin peruskäsitteille, kuten jonojen suppenemiselle, joukkojen avoimuudelle, funktioiden jatkuvuudelle ja funktioiden derivaatoille, määritellään perinteisen määritelmän kanssa ekvivalentti epästandardi määritelmä. Näiden uusien määritelmien ja hyperreaalilukujen ominaisuuksien avulla voidaan esitellä ja todistaa reaalianalyysin tuloksia.

Kiinteän aineen elektronirakenne ja muut ominaisuudet määräytyvät elektronien ja yti-mien Schrödingerin yhtälöstä. Kiderakenne määrittää atomien järjestyksen kiteisessä aineessa. Kiderakenteesta puhuttaessa on helpointa puhua sen pienimmästä toistuvasta rakenteesta eli alkeiskopista. Atomit pyrkivät asettumaan hilarakenteeseen mahdollisim-man tiiviisti eli energeettisesti edullisimpaan konfiguraatioon. Symmetriaominaisuuksien perusteella hilat voidaan jakaa seitsemään eri kideluokkaan, jotka edelleen muodostavat 14 perushilatyyppiä eli Bravais’n hilaa, ja joiden erilaisia variaatioita on 230 kappaletta. Bravais’n hilat näyttävät kaikista hilapisteistä tarkasteltuina samanlaisilta. Bravais’n hilat määritellään kolmen hilavektorin a, b ja c sekä näiden välisten kulmien α, β ja γ avulla. Schrödingerin yhtälö on differentiaaliyhtälö, joka liittää systeemin energian sen hiukkas-ten avaruuskoordinaatteihin. Atomiorbitaalit esittävät elektronin mahdollisia aaltofunk-tioita kuvaten ydintä kiertävien elektronien todennäköistä sijaintia. Atomiorbitaalit saa-daan ratkaistua Schrödingerin yhtälön avulla. Koska vedynkaltaisen (yksielektronisen) atomin elektroni voi liikkua kolmiulotteisessa avaruudessa vapaasti, on jokainen ato-miorbitaali määritetty kolmen kvanttiluvun, pää-, sivu- ja magneettisen kvanttiluvun, avulla. Elektronien vyöteoria antaa yksinkertainen selityksen erityyppisten kiinteiden aineiden sähköisille ominaisuuksille. Kiinteiden aineiden vyörakenne voidaan määrittää WIEN 2k-ohjelman avulla. WIEN 2k:lla voi määrittää myös muita kiinteiden aineiden elektro-nisia rakenteita, kuten elektronitiheyden ja tilatiheyden. Ohjelmaa käytettäessä tulee tietää aineen kiderakenne, molekyylikaava ja kaavan atomien avaruudellinen sijainti ki-teessä. Suoritettujen laskujen perusteella ohjelma laskee pienimolekulaaristen kemiallis-ten yhdisteiden elektroniset rakenteet oikein. Vyökuvaa määritettäessä, WIEN 2k:n avulla, voi selvittää eri alkuaineiden vaikutukset vyökuvaan, sekä tarkemmin eri atomien eri orbitaalien vaikutukset. Ohjelma on suunniteltu ei-relativististen ja relativististen vöi-den laskemiseen, mutta sen avulla pystyy laskemaan myös Muffin’n mallin vyöt.

Antenna-coupled microwave radiation is used to enhance the sensitivity of laser induced breakdown spectroscopy (LIBS). Limit of detection on low laser pulse energy is enhanced by factor of 93. Improved detection is mainly due prolonged plasma lifetime which enables use of longer signal integration times.

Tämän diplomityön tarkoituksena on tutkia kompleksifunktioita ja konformikuvauksia sekä niiden soveltuvuutta virtauksien mallintamiseen. Ensimmäisessä luvussa tarkastellaan aluksi kompleksifunktioita yleisesti ja käydään läpi teoriaa, jota tarvitaan konformikuvausten määrittämiseksi ja ymmärtämiseksi. Teoriassa käydään läpi Cauchy-Riemannin yhtälöitä ja siitä siirrytään edelleen harmonisiin funktioihin, jotka ovat tärkeitä, kun halutaan ymmärtää teoriaa konformikuvausten taustalla. Viimeisenä tarkastellaan analyyttisten funktioiden soveltuvuutta erilaisiin virtaustilanteisiin kuten: horisontaalivirtaus, virtaus 90 asteen sisäkulman ohi ja virtaus sylinterin ohi. Toisessa luvussa tarkastellaan aluksi joitakin analyyttisten kuvausten perustavanlaatuisia esimerkkejä. Sen jälkeen kerrotaan varsinaisista konformikuvauksista sekä niiden tärkeimmästä ominaisuudesta eli kulmien säilymisestä. Kuvaus on konformikuvaus, jos funktio on analyyttinen ja sen derivaatta on nollasta poikkeava. Tärkein konformikuvauksen sovellus on Joukowskin muunnos, jota tarkastellaan tarkemmin vielä kolmannessa luvussa. Joukowskin muunnoksella saadaan muutettua sylinterin leikkausprofiili lentokoneen siiven leikkausprofiiliksi. Kolmannessa luvussa on otettu fyysiseksi esimerkiksi lentokoneen siipi ja siihen kohdistuva virtaus, noste ja paine. Lentokoneen siipi ja sen ympärillä olevat virtaukset saadaan muodostettua sylinteristä Joukowskin muunnoksen avulla tietyillä parametrien arvoilla. Kompleksisen integraalin avulla voidaan laskea pyörrekenttä lentokoneen siiven ympärille ja näin edelleen saadaan laskeuttua myös noste, jota ilman lentokoneet eivät lentäisi. Tähän vaikuttaa luonnollisesti myös painejakauma siiven ympärillä, ja sitä tarkastellaan viimeiseksi sylinterin avulla.

The development of high-speed electronics has improved the availability and reduced the cost of components operating in the millimeter wave (MMW) region substantially. Therefore, in recent years the spectral range of 30–300 GHz has received a strongly increased interest in various application areas such as medical imaging, spectroscopy, radars, and guidance systems. The progress of MMW technologies has opened new opportunities in optical communication, and it has also made possible the rebirth of optical heterodyne detection systems. Remote heterodyne detection (RHD) links are promising candidates for the optical MMW generation in the future. The most critical challenge in RHD links is the generation of two stable and phase-correlated laser lines. This work focuses on RHD links, and the generation of optical carriers using novel distributed feedback (DFB) laser diodes (LDs). These lasers provide a compact low cost solution for the optical MMW generation with a tunable frequency separation that can be exploited in numerous applications, particularly in RHD links. The thesis gives a general presentation of optical communication links followed by a presentation of the elements and the characteristics of RHD links, outlining the diffculties and advantages of employing RHD links in optical communications. Multi-quantum-well distributed feedback laser diode principles and characteristics are reviewed and the LD requirements for operating as light sources in optical RHD links are derived. The thesis also presents a time-domain travelling wave simulation model developed for complex multi-section LDs. The model was developed since the laser characteristics needed for operating as RHD light sources imply non-typical simulation conditions like longitudinally non-uniform transverse sections, longitudinally non-uniform carrier and photon densities, variable gain and grating coupling coeffcient, and a combination of active and passive sections. The developed model takes into account spontaneous emission noise, gain dispersion and variations of the longitudinal effective refractive index, material gain, carrier densities and photon density. Based on this model a simulation program has been implemented. Numerous simulation studies have been performed on the novel laser structures and the thesis presents some of the most relevant numerical modelling results, including continuous wave and transient analysis. The simulation results are compared with experimental results and the differences are analyzed and discussed.

Matematiikan perusopinnot muodostavat ison osan Tampereen teknillisen yliopiston (TTY) perusopintojen opinnoista. Opintojen tarkoituksena on antaa kattavat valmiudet tekniikan ja luonnontieteiden opiskeluun. Opintojen suoritusaktiivisuutta tarkasteltaessa kuitenkin huomataan, että eri opintosuuntien opiskelijat suorittavat matematiikan perusopintoja hyvin vaihtelevasti. Opintojen suoritusaktiivisuutta ja opiskelijoiden oppimistuloksia pyritään jatkuvasti kehittämään TTY:llä erilaisten toimenpiteiden, esimerkiksi matematiikan kielentämisen, avulla. Matematiikan kielentäminen tarkoittaa ilmaisutapaa, jossa matemaattista ajattelua ilmaistaan matematiikan symbolikielen lisäksi luonnollisella kielellä sekä kuviokielen tai toiminnan avulla. Kielentäminen voi tapahtua suullisesti tai kirjallisesti. Kielentämisen päämääränä on jäsentää ja selkeyttää opiskelijan ajatteluprosessia ja monipuolistaa matemaattista ilmaisua. Kielentäminen on keskeinen matematiikan oppimisen tutkimuskohde, koska on havaittu, että monilla opiskelijoilla vaikeudet matematiikan oppimisessa liittyvät oman ajattelun ilmaisemiseen. Erityisen vaikeana koetaan matematiikan symbolikielen käyttö. Monipuolisen ilmaisun on nähty edistävän matematiikan oppimista. Kielentäessä eri käsitteille ja operaatioille voidaan luoda monimuotoisempia merkityksiä, mikä syventää opiskelijoiden ymmärrystä. Sen lisäksi, että kielentäjän oma ajattelu jäsentyy, myös muun ryhmän jäsenten matemaattinen ajattelu kehittyy vuorovaikutuksessa kielentäjän kanssa. Opettajan näkökulmasta matematiikan kielentäminen puolestaan helpottaa arviointiprosessia. Tutkimuksessa havaittiin, että TTY:n opiskelijat kokevat matematiikan kielentämisen positiivisena asiana. Luonnollisen kielen liittäminen osaksi matematiikan tehtävää on tärkeää ja se helpottaa tehtävän ratkaisuprosessia sekä valmiin tehtävän ymmärrystä. Kielentäminen tuo tehtävän ratkaisuun kokonaan uuden perspektiivin, mikä tukee matematiikan oppimista sekä oman osaamisen arviointia. Kielentämistehtävien käyttöä opetuksessa kannattaa jatkaa myös tulevaisuudessa.

The most common perovskite-based solar cell architecture is the mesoscopic perovskite solar cell. Its structure employs a compact layer and a mesoporous metal oxide layer as the cell anode. Typically, the anode consists of titania, which is an n-type semiconductor. The compact layer acts as a blocking layer by preventing the recombination of charges. The mesoporous layer extracts electrons from the excited perovskite upon light absorption, and transports them to the electrode. The present Thesis studies the effect of titania anode modification on the power conversion efficiency of mesoscopic perovskite solar cells. The experiments carried out include the fabrication and the characterization of titania-based mesoscopic solar cells. The research methods used in this work are scanning electron microscopy, steady-state absorption and reflectance spectroscopies, and I-V measurements. The titania anode, i.e. the compact and mesoporous layer, was optimized as the result of the study. The best solution to produce compact titania layer by spin-coating was found. It was observed that the mesoscopic perovskites solar cells with highest efficiency had a thin mesoporous titania layer. Among the tested thicknesses, 190 nm was the optimal value for the mesoporous layer thickness, leading to the best cell performance. The highest achieved efficiency of the solar cells prepared in this work was 9.55 %.

Funktio on yksi tärkeimmistä käsitteistä matematiikassa ja luonnontieteissä. Funktion käsite perustuu joukko-oppiin. Joukko-oppi ei varsinaisesti sisälly Opetushallituksen hyväksymiin valtakunnallisen opetussuunnitelman perusteisiin, jotka määräävät, mitä opetuksen tulee sisältää peruskoulussa ja lukiossa. Ensin tässä tutkimuksessa selvitetään, millaisen kuvan peruskoulun ja lukion pitkän matematiikan oppikirjat antavat funktiosta. Tutkimukseen valittiin yhteensä kuusi oppikirjaa. Peruskoulun ja lukion pitkän matematiikan oppikirjat analysoitiin laadullisella sisällönanalyysillä. Lukion oppikirjat määrittelevät funktion vastaavuutena ja peruskoulun oppikirjat sääntönä, joka kuvaa riippuvuutta. Lähimpänä funktion matemaattista määritelmää on funktion ymmärtäminen vastaavuutena. Oppikirjojen erot ovat kaiken kaikkiaan vähäisiä. Toiseksi tutkimuksessa selvitetään, mistä lähtökohdista opettajat suunnittelevat opetustaan ja mitä he pitävät tärkeänä funktion käsitteen opetuksessa. Matematiikan opettajille lähetettiin sähköinen kyselylomake, josta kerätty aineisto käsiteltiin tilastollisin menetelmin. Kyselytutkimuksen perusteella oppikirja ja opettajan omat kokemukset ovat tärkeimmät opetuksen suunnitteluun liittyvistä tekijöistä. Opettajat pitävät tärkeänä funktion ymmärtämistä riippuvuutena, mikä tukee oppikirjojen näkemystä. Lukion opettajat pitävät funktion ymmärtämistä vastaavuutena tärkeämpänä kuin peruskoulun opettajat. Funktion käsite on selvästi hankala opetettava asia ja se jää epätäsmälliseksi sekä oppikirjoissa että opetuksessa. Lukiossa mahdollisuudet matemaattisempaan esitystapaan olisi olemassa.

Acquired immunodeficiency syndrome (AIDS) is a life-threatening disease caused by human immunodeficiency viruses (HIVs). A protective vaccination has been under development for several decades. The main targets for the vaccines are surface glycoproteins (gp120) on the viral envelope of HIV-1. Gp120 is characterized by functionally important variable (V) loops that are hard to study experimentally. Here, atomistic molecular dynamics (MD) simulations are harnessed to improve the current understanding of the gp120 loop dynamics. According to previous MD studies the major variable loop V3 shows significant flexibility in monomeric gp120. This is also observed in this study. Additionally, the flexibility of the V1/V2 domain in monomeric gp120 is demonstrated for the first time. However, gp120 in the trimer context tells a different story. According to the simulations, the major variable loops have lost their flexibility, mobility, and concerted motion among the loops in the trimer. The reduced motion seems to be due to inter-gp120 interactions, where the V2 and V3 loops play key roles in stabilizing the trimer apex. The results provide significant insight into gp120 variable loop dynamics on an atomic level in the native trimeric state and facilitate understanding the mechanism of the viral entry and its inhibition.

Reaaliaikaisissa aerosolimittalaitteissa hiukkasten detektointi tapahtuu usein sähköisesti mittaamalla varautuneista hiukkasista syntynyt virta, josta voidaan laskea hiukkasten lukumääräpitoisuus. Nanohiukkasten kohdalla pienten pitoisuuksien mittaamisessa haasteita aiheuttaa perinteisten varausmenetelmien tehottomuus pienille hiukkasille. Pieni keskimääräinen varaus johtaa siihen, että hiukkasten lukumääräpitoisuuden on oltava suuri, jotta saadaan elektrometrien kohinasta selvästi erottuva signaali. Tämän diplomityön tarkoituksena oli kehittää veden kondensaatiokasvuun perustuva varauslaitteisto, jolla saataisiin nanohiukkasille suurempi varaus kuin perinteisillä menetelmillä. Menetelmässä nanohiukkaset ensin kasvatetaan kondensoimalla hiukkasten pinnalle vettä, jolloin niiden koko kasvaa yli mikrometrin kokoiseksi. Tämän jälkeen hiukkaset varataan koronapurkauksen avulla kasvaneina, jolloin ne saavat suuremman kokonsa vuoksi huomattavasti suuremman varauksen. Lopuksi hiukkaset kuivataan alkuperäiseen kokoonsa. Kehitettyä varauslaitteistoa karakterisoitiin laboratoriossa tuotetuilla dioktyyli sebakaatti hiukkasilla. Laitteistolla tuotetut varausluvut olivat noin 1-2 kertaluokkaa suurempia kuin perinteisellä koronavaraajalla saadut varausluvut. 60 nm, 100 nm ja 200 nm hiukkasille saatiin varausluvut 250, 320 ja 600. Kasvatuslaitteiston parametreja muuttamalla pystyttiin säätämään hiukkasen saamaa varausta. Laitteistolla saadut varausluvut olivat hyvin suuria, mikä mahdollistaa sähköisen detektoinnin pienilläkin hiukkaspitoisuuksilla. Haittapuolena havaittiin suuret hiukkashäviöt sekä joissakin tapauksissa Rayleigh’n rajan ylittyminen. Tulokset osoittivat, että menetelmällä on potentiaalia auttaa parantamaan nanohiukkasten sähköisten mittausten laatua. Varauslaitteistolle tulee kuitenkin tehdä vielä rakenteellisia muutoksia, joilla Rayleigh’n rajan ylittyminen saadaan estettyä sekä hiukkashäviöitä pienennettyä.