2. Sekce aplikované fyziky
Seznam anotací:
- Únavové poškození monokrystalů superslitin při vysokých středních napětích (ÚFM)
- Vysokoteplotní deformace a mikrostrukturní změny hořčíkových slitin a jejich kompozitů (ÚFM)
- Vzájemná difúze ve svarech moderních slitin na bázi Ni3Al (ÚFM)
- Difúze na okraji tokamaku a rozdělovací funkce v elektrickém poli dolnohybridní antény (ÚFP)
- Určení koncentrace N2(A3?+) molekul produkovaných impulsním korónovým výbojem za atmosférického tlaku (ÚFP)
- Numerický model obloukového výboje s kapalinovou stabilizací a jeho využití pro analýzu vlastností vodou stabilizovaného plazmatronu (ÚFP)
- Přeměny energie s dvojitě napájenými stroji (ÚE)
- Vliv shluků receptorů na regulaci adheze bílých krvinek (ÚH)
- Vliv intenzity a doby míchání na proces agregace a separace znečišťujících příměsí při úpravě surové vody na pitnou vodu (ÚH)
- Chování koloidních částic v interferenčním světelném poli (ÚPT)
- Stanovení regulačních parametrů autonomního nervového systému (ANS) (ÚPT)
- Instrumentální prvky a metody environmentální rastrovací elektronové mikroskopie (ÚPT)
- Stabilizace zisku ramanovského vláknového zesilovače optickou zpětnou vazbou (ÚRE)
- Holografické přetváření gaussovských svazků na svazky s plochým vrcholem (ÚRE)
- Širokopásmové detektory infračerveného záření (ÚRE)
- Vápenné malty vyztužené přírodními vlákny (ÚTAM)
- Určení délky průchozí trhliny potrubí na základě teoretických vztahů odvozených ze zjištěných parametrů úniku vody při tlakové reparaci (ÚTAM)
- Experimentální výzkum mechanických vlastností spongiózní kosti při použití malých vzorků pomocí CCD kamery s vysokým rozlišením (ÚTAM)
- Numerická simulace transsonického proudění v lopatkové mříži (ÚT)
- Napěťové vlny vznikající při rázovém vrtání skal a jejich vliv na účinnost vrtání (ÚT)
- Experimentální ověření napjatosti střešní ocelové konstrukce haly Sazka (ÚTAM)
2.1 Únavové poškození monokrystalů superslitin při vysokých středních napětích
(J. Borovička, P. Spurný, Z. Řanda, J. Kučera)
Superslitina CMSX-4 používaná na výrobu extrémně namáhaných lopatek plynových turbin v leteckém průmyslu a její potenciální levnější varianta CM186SC zamýšlená pro použití v pozemních průmyslových plynových turbinách byly podrobeny ultra-vysokocyklové únavě při vysokých středních napětích. Tyto podmínky simulují podmínky provozní. Chemické složení zkoumaných slitin se liší málo. Podstatně se však liší mikrostrukturní rozložení jednotlivých fází, jmenovitě uspořádání fází ?a '. To je dáno vynecháním nákladného rozpouštěcího žíhání v případě superslitiny CM186SC. Zkušební vzorky byly vyrobeny z monokrystalů, opatřeny konstrukčními vruby a testovány na teplotě 850 °C, která odpovídá teplotě provozní. Pro obě slitiny bylo zjištěno, že pro malé amplitudy cyklického napětí (simulující vibrace lopatek) superponované na statickou složku napětí (simulující odstředivou sílu) je životnost neovlivněna nebo dokonce mírně roste s rostoucí amplitudou cyklické složky. Tento trend je opačný pro větší amplitudy, kde rozhodujícím poškozujícím mechanizmem je iniciace a šíření únavových trhlin. Za těchto podmínek vznikají perzistentní skluzová pásma, která se šíří jak v matrici, tak v ' precipitátech. Poněvadž tato pásma jsou místy zvýšené aktivity dislokací a v důsledku toho preferenčními místy iniciace (v interakci s póry a dalšími defekty) a počátečního šíření trhlin, vede jejich vznik ke snížení životnosti ve srovnání s podmínkami, za kterých perzistentní pásma nevznikají. Superslitina CM186SC, která má méně uspořádanou / ' strukturu, vykazuje nižší odolnost proti uvedenému typu zatěžování než superslitina CMSX-4 s vyšší pravidelností / ' uspořádání.
Lukáš, P., Kunz L., Svoboda, M.: High cycle fatigue of superalloy single crystals at high mean stresses. - Mat. Sci. Eng., in print.
2.2 Vysokoteplotní deformace a mikrostrukturní změny hořčíkových slitin a jejich kompozitů
Slitiny hořčíku, patřící mezi materiály s nejmenší hustotou, vzbudily v posledních letech značný zájem o využití v automobilovém a leteckém průmyslu. Jejich rozsáhlé použití, zejména v automobilovém sektoru, je v současné době omezeno v důsledku nižší pevnosti a creepové odolnosti hořčíkových slitin ve srovnání s dosud široce používanými hliníkovými slitinami.
Creepová odolnost hořčíkových slitin, tj. odolnost proti vysokoteplotní plastické deformaci, je významně zhoršena při teplotách vyšších než 400 K. Výrazného zvýšení creepové odolnosti monolitických hořčíkových slitin může být dosaženo vyztužením jejich matrice nekovovými vlákny či částicemi, tj. použitím hořčíkových kompozitů. Vzájemné porovnání creepového chování monolitických hořčíkových slitin AZ91 a QE22 s jejich kompozity, vyztuženými krátkými vlákny Al2O3, prokázalo významné zvýšení creepové odolnosti vláknových kompozitů ve srovnání s jejich matričními slitinami díky existenci prahového napětí a účinnému přenosu napětí z matrice na vlákna u kompozitů. Naproti tomu vyztužení slitin AZ91 a QE22 karbidickými částicemi SiC nevedlo ke znatelnému zvýšení creepové odolnosti těchto částicových kompozitů. Výsledky provedených creepových studií i mikrostrukturních rozborů ukazují na klíčovou důležitost optimální volby matriční slitiny a vyztužující fáze při vývoji kompozitů. Získané poznatky poskytují proto racionální základnu pro návrh optimálních mikrostruktur hořčíkových vláknových a částicových kompozitů, vyznačujících se vysokou pevností a creepovou odolností v provozních podmínkách.
Sklenička, V., Pahutová, M., Kuchařová, K., Svoboda, M., Kainer, K.U.: Creep behaviour of magnesium monolithic alloys and composites. - Materials Science Forum 419: 805-810 (2003)
Pahutová, M., Sklenička, V., Kuchařová, K., Svoboda, M.: Creep resistance in magnesium alloys and their composites. - Int. Journal of Materials and Product Technology 18: 116-140 (2003).
Příloha 1: Anotace 3
2.3 Vzájemná difúze ve svarech moderních slitin na bázi Ni3Al
Intermetalické sloučeniny patří k moderním kovovým materiálům, určeným pro aplikace v mezních podmínkách. Pozornost světových výzkumných pracovišť se v posledních letech zaměřuje na některé typy, ke kterým patří slitiny na bázi sloučeniny Ni3Al. Cílem tříčlenného autorského kolektivu bylo nalézt kvantitativní charakteristiky vybrané skupiny těchto materiálů, které by bylo možno využít k odhadu stability, případně zbytkové životnosti struktur s nehomogenním rozložením koncentrace - např. svarovým spojením dvou materiálů s rozdílnou koncentrací složek. Autoři se zaměřili na stanovení ternárních interdifúzních koeficientů v materiálech s bází Ni3Al, legovanou Cr, Fe, Nb a Ti. Legury byly voleny tak, aby výsledky ukázaly odlišnosti, které v téměř dokonale uspořádané krystalové mřížce sloučeniny vykazují atomy nahrazující jen jeden typ poloh (Nb a Ti obsazují hliníkovou podmřížku), a atomy které alternují podle teploty a složení (Fe a Cr).
Pro získání žádaných výsledků byla autory vyvinuta nová teorie [1], umožňující stanovení interdifúzních koeficientů a jejich koncentrační závislosti měřením redistribuce složek na jednom jediném modelovém svaru. Pro ternární slitiny je totiž počet interdifúzních koeficientů vyšší, než je počet nezávislých rovnic plynoucí ze zobecněných Fickových zákonů. Získání interdifúzních koeficientů tímto způsobem pro několik složení tak představuje rozsáhlý a nákladný experimentální program. Jádrem nové metody, která je zatím unikátní, je aplikace dalších nezávislých rovnic pro koeficienty interdifúze, což umožní redukci měření redistribučních křivek na jediný modelový svar. Dosažené výsledky jsou v souladu se substitučním chováním legur [2] a aktivační energie difúze i frekvenční faktor klesá ve všech případech s rostoucí koncentrací příměsi. Limitní hodnoty difúzních koeficientů pro nulovou koncentraci byly v dobrém souhlasu s difúzí radioizotopů v čisté bázi Ni3Al. Odhad difuzivity hliníku [1], provedený touto metodou je unikátní s ohledem k potížím radioizotopové metody.
[1] Čermák J, Rothová V: Concentration dependence of ternary interdiffusion coefficients in Ni3Al/Ni3Al-X couples with X=Cr, Fe, Nb and Ti - Acta Materialia 51: 4411-4421 (2003).
[2] Čermák J., Gazda A., Rothová V.: Interdiffusion in ternary Ni3Al/Ni3Al-X diffusion couples with X=Cr, Fe, Nb and Ti - Intermetallics 11: 939-946 (2003).
2.4 Difúze na okraji tokamaku a rozdělovací funkce v elektrickém poli dolnohybridní antény
V. Fuchs, J. P. Gunn*, M. Goniche*, V. Petržíka
Elektrony plazmatu tokamaku mohou být ohřívány pomocí pomalé dolně hybridní vlny, která je na okraji plazmatu buzená fázovanou lineární řadou vlnovodů, obvykle nazývanou LH (lower hybrid) gril. Ještě důležitější je, že dolnohybridní vlna může vléci toroidálně orientovaný proud, který je stěžejní pro magnetické udržení plazmatu v tokamaku. Gril je navržen tak, aby většina jeho energie bylá předána horkým elektronům uvnitř plazmatu. Malá část energie však spočívá ve vyšších harmonických spektra a je pohlcena elektrony na okraji plazmatu poblíž grilu. Výsledný tepelný tok elektronů na okraji plazmatu může dosáhnout hodnot až 20 MW/m2 a způsobit vážné poškození stěn tokamaku a/nebo součástí divertoru.
Pomocí teoretické analýzy a simulací testovacích elektronů jsme určili difúzi v rychlostním prostoru a rozdělovací funkci elektronů na okraji plazmatu, které interagují s elektrickým polem grilu. Resonanční elektrony difundují uvnitř oblasti překrývajících se Fourierových módů spektra grilu, a proudí podél magnetických siločar v obou směrech od grilu. Tato difuzivní reakce elektronů dovoluje reprezentovat účinek dolně hybridního pole Langevinovým stochastickým procesem, založeným na koeficientu difúze odvozeném v naší práci [1]. Výsledky odpovídajících Monte-Carlo výpočtů souhlasí s výsledky počítačové simulace s použitím úplných trajektorií elektronů za působení radiofrekvenčního pole (viz obrázek). Nahrazení rychlého časového měřítka 1/ LH daného frekvencí vlny mnohem pomalejším časovým měřítkem spojeným s transitem elektronu napříč vlnovodem umožňuje asi desetinásobné snížení výpočetního času potřebného pro řešení problému.
Profily hustoty a teploty elektronů získané ze simulací pomocí Langevinova stochastického procesu (plná čára) a metodou úplných trajektorií (čárkovaně).
[1] Fuchs, V., Gunn, J.P., Goniche, M., Petržílka, V.: Tokamak edge electron diffusion and distribution function in the lower hybrid electric field. - Nuclear Fusion 43: 341-351 (2003).
*Ass. Euratom-CEA sur la Fusion Contrôlée, Centre d'Etudes de Cadarache, 13108 St-Paul-lez-Durance, France
2.5 Určení koncentrace N2(A3?+) molekul produkovaných impulsním korónovým výbojem za atmosférického tlaku
M. Šimek
Byla navržena a aplikována originální spektrometrická metoda umožňující, za jistých předpokladů, měření absolutní koncentrace N2 molekul nacházejících se v nejnižším elektronicky vybuzeném tzv. A3?+u kvantovém stavu. Tento stav má diky dlouhé době života fundamentální význam neboť dodává energii pro řadu procesů probíhajících ve vyhasínajícím plazmatu. Význam metody pak spočívá v tom, že umožňuje v daném případě nahradit náročné a drahé laserové diagnostické techniky technikou relativně jednoduchou a dostupnou, tj. emisní spektrometrií s vysokým časovým rozlišením.
Metoda je založena na sledování záření molekul N2 a NO. Vybrané zářivé přechody N2 a NO jsou totiž v dohasínajícím plazmatu buzeny specifickými srážkovými procesy jejichž rychlosti závisí kvadraticky resp. lineárně na populaci N2(A3?+) stavu. Prokázali jsme, že v takovémto případě je možno populaci N2(A3?+) stavu určit z poměru emisních intensit těchto vybraných přechodů [1].
Profily hustoty a teploty elektronů získané ze simulací pomocí Langevinova stochastického procesu (plná čára) a metodou úplných trajektorií (čárkovaně).
[1] Šimek, M.: Determination of N2(A3?+) metastable density produced by nitrogen streamers at atmospheric pressure: 1. Design of diagnostic method. - Plasma Sources Sci. Technol. 12: 421-431 (2003).
[2] Šimek, M.: Determination of N2(A3?+) metastable density produced by nitrogen streamers at atmospheric pressure: 2. Experimental verification. - Plasma Sources Sci. Technol. 12: 454-463 (2003).
2.6 Numerický model obloukového výboje s kapalinovou stabilizací a jeho využití pro analýzu vlastností vodou stabilizovaného plazmatronu
J. Jeništa
Byl formulován a řešen teoretický model procesů ve světově unikátním typu generátoru termického plazmatu se stabilizací oblouku vodním vírem. Dvojrozměrný osově symetrický numerický model předpokládá, že proudění plazmatu je laminární a stlačitelné ve stavu lokální termodynamické rovnováhy. Model zahrnuje popis transportu energie ve výboji zářením užitím tzv. čistého (net) emisního koeficientu. Na základě srovnání výsledků výpočtů s měřením byly testovány dvě metody popisu radiačního transportu: v prvním modelu je net emisní koeficient funkcí pouze lokální teploty s konstantní optickou tloušťkou 3 mm; kdežto ve druhém modelu je optická tloušťka plazmatu počítána pro každý teplotní profil a závisí na axiální pozici od katody. Druhý model bere v úvahu reabsorpci záření v chladnějších oblastech výboje. Ukázalo se, že osové teploty a rychlosti jsou vyšší v případě, kdy se uvažuje reabsorpce záření. Na základě kombinace modelových výpočtů s měřením byly analyzovány fyzikální procesy ve výboji v plazmatronu a určen vliv polohy hranice vody a páry na vlastnosti vytvořeného plazmatu. Rovněž byla ověřována platnost předpokladu existence lokální termodynamické rovnováhy v plazmatu. Výsledky výpočtů jsou využívány při analýze výsledků experimentů a při optimalizaci konstrukce plazmových generátorů, studovaných v Ústavu fyziky plazmatu.
Izočáry teploty plazmatu pro radiační modely 1 (bez reabsorpce) a 2 (s reabsorpcí). 10 000 K odpovídá 1 v grafech.
[1] Jeništa, J.: The Effect of Different Regimes of Operation on Parameters of a Water-Vortex Stabilized Electric Arc. - Journal of High Temperature Material Processes 7(1): 11-16 (2003).
[2] Jeništa, J.: Reabsorption of Radiation in Water-Vortex Stabilized Electric Arc and its Influence on Arc Performance. - Proc. of the 15th Symp. on Physics of Switching Arc (FSO 03) (ed. B. Gross et al.): 312-315 (2003).
[3] Jeništa, J.: Water-Vortex Stabilized Electric Arc: III. Radial energy transport, determination of water-vapour-boundary and arc performance. - J. Phys. D: Appl. Phys. vol. 36 (23): 2995-3006 (2003).
2.7 Přeměny energie s dvojitě napájenými stroji
V rámci projektu analyzovali pracovníci Ústavu pro elektrotechniku přeměny elektrické energie na mechanickou (pohonný systém) a mechanické na elektrickou (generátorický systém) u jednotek s proměnnými otáčkami v přečerpávacích vodních elektrárnách. Progresivním řešením jsou tzv. dvojitě napájené stroje s měničem kmitočtu v rotorovém obvodu. Takové soustrojí zvyšuje účinnost energetické přeměny až o 10 % a má delší životnost omezením účinku kavitace. Změnou otáček lze také krátkodobě krýt náhlý pokles činného výkonu v rozvodné síti setrvačnou energií rotujících hmot a vodního sloupce, a tím významně přispět ke stabilitě energetické sítě.
Důležitý byl zejména vývoj vhodných řídicích algoritmů na bázi vektorového řízení, které umožňují optimální provoz těchto energetických jednotek v běžných provozních stavech i při nestandardních podmínkách. Vznikl komplexní matematický model jednotky s dvojitě napájeným strojem s možností volby vhodného pracovního režimu nastavením rotorového napětí. Na tomto pracovišti vznikla také původní, dnes už rozšířená metoda řízení dvojitě napájeného stroje, poskytující výrazně lepší možnosti řízení stroje při nesymetrické zátěži nebo při nesymetrických poruchových stavech v připojené energetické síti. Dosažené poznatky lze z velké části uplatnit i u generátorických jednotek pro větrné elektrárny.
Chomát, M., Schreier, L. Bendl, J.: Control method for doubly fed machine supplying unbalanced load. - 10th European Conference on Power Electronic and Applications, Toulouse, CD-ROM (2003).
2.8 Vliv shluků receptorů na regulaci adheze bílých krvinek
Pavel Říha
Imunitní systém organizmu při zánětlivých procesech aktivuje molekulární receptory v membránách bílých krvinek a endotelních buněk vnitřního povrchu cév a způsobuje následný průnik bílých krvinek do napadené tkáně. Při výzkumu tohoto děje v souvislosti s disertační prací na univerzitě v Nancy pod vedením pracovníka Ústavu pro hydrodynamiku se zjistilo, že rozložení receptorů na povrchu bílých krvinek má podobu nepravidelných shluků, což změnilo dosud používaný model přilnutí. Ukázalo se, že toto rozložení shluků L-selektinových receptorů ovlivňuje pravděpodobnost a sílu přilnutí bílých krvinek k endotelním buňkám v počáteční vratné fázi adheze a že rozložení do shluků má souvislost s přilnutím a valením bílých krvinek po endotelních buňkách stálou rychlostí, která je nižší než rychlost proudění krve. Stálá, omezená rychlost valení krvinek umožňuje jejich dostatečnou aktivaci a následné pevné přilnutí k endotelním buňkám.
Pro následnou nevratnou fázi adheze, při níž dochází k vyvolání integrinových receptorů v membráně bílých krvinek a k pevnému přilnutí, byla určena síla molekulárních vazeb mezi těmito receptory a skupinou receptorů ICAM-1 na povrchu endotelních buněk. Získané výsledky se uplatní při určení rozsahu patologických změn v aktivaci a rozložení receptorů na povrchu bílých krvinek, při určení vlivu těchto změn na mechanizmus adheze bílých krvinek k endotelním buňkám a při posuzování funkčních vlastností kultivovaných cévních náhrad z hlediska jejich interakce s bílými krvinkami.
Říha, P., Dumas, D., Latger, V., Muller, S., Stoltz, J. F.: The cooperative effect of L-selectin clusters and velocity-dependent bond formation that stabilizes leukocyte rolling. - Biorheology 40: 161-166 (2003).
Labrador, V., Říha, P., Muller, S., Dumas, D., Wang, X., Stoltz, J. F.: The strength of integrin binding between neutrophils and endothelial cells. - Eur. Biophys. J. 32: 684-688 (2003).
2.9 Vliv intenzity a doby míchání na proces agregace a separace znečišťujících příměsí při úpravě surové vody na pitnou vodu
S. Mutl, M. Pivokonský
Míchání podporující agregaci destabilizovaných znečišťujících příměsí na vločkovité agregáty patří k základním procesům chemické úpravy vody na vodu pitnou. Zásadní vliv na separovatelnost agregátů má jejich koncentrace a struktura, které jsou ovlivněny podmínkami míchání a významně ovlivňují hustotu, velikost a tvar agregátů. Tyto vlastnosti agregátů určují mechanismus jejich pohybu v nosném médiu, výběr separační technologie (sedimentaci, filtraci), účinnost zahušťování a odvodňování i výsledné vlastnosti vodárenských kalů.
Souvislosti mezi intenzitou a dobou míchání a vlastnostmi agregátů byly dosud studovány jen teoreticky se zaměřením na kinetiku procesu, na počítačové simulace tvorby a nárůstu velikostí agregátů. Náš současný výzkum jsme zaměřili na studium vlastností agregátů ovlivňujících jejich separaci. Vliv intenzity a doby míchání na proces agregace jsme studovali v laboratorních i provozních podmínkách (úpravny vody Kutná Hora a Želivka).
Prokázali jsme, že intenzita a doba míchání významně ovlivňují velikost a tvar agregátů. Naše výsledky přinesly poznatky významné pro teorii agregace destabilizovaných znečišťujících příměsí a pro inovaci technologie úpravy surové vody na vodu pitnou. Poloprovozním měřením na úpravnách vody jsme prokázali až 30% zvýšení účinnosti úpravy vody pomocí destabilizace a agregace při optimalizaci procesu míchání.
Polášek, P., Mutl, S.: Cationic polymers in water treatment. Part 1: Treatability of water with cationic polymers. Water SA 28(2002), No.1, pp.69-82.
Polášek, P., Mutl, S.: Cationic polymers in water treatment. Part 2: Filterability of CPE formed suspension. Water SA 28(2002), No.1, pp.83-88.
Mutl, S., Polasek, P., Pivokonsky,M.: The influence of the mean velocity gradient and time of its application on separability of the aggregates formed. J. Wat. Suppl.: Res. & Technol. - AQUA (přijato do tisku).
Pivokonský, M., Pivokonský,R., Benešová,L., Mutl,S.: Methodology of evaluation of size and size-distribution of particles formed during aggregation. J. Hydrol. Hydromech., 51 (2003), 4, pp. 281-287.
Polasek, P., Mutl, S.: Acceleration of gravity separation process. Int. Conference and Exhibition Filtration and Separation Technology "FILTECH EUROPA 2003", Düsseldorf (Germany), 21-23 October, 2003, Proceedings (L-Sessions) - pp. I-481 - I-488.
2.10 Chování koloidních částic v interferenčním světelném poli
Pavel Zemánek, Alexandr Jonáš, Jan Ježek, Petr Jákl, Mojmír Šerý, Vítězslav Karásek
S rozvojem laserů se vyvíjely i metody, které využívaly světlo nejen k zobrazování či spektrálním analýzám, ale rovněž k přemísťování dostatečně malých objektů. Tento bezdotykový způsob manipulace využívá kombinovaného působení radiačního tlaku a prostorové změny optické intenzity světla a umožňuje prostorově zachytit objekty o velikostech od desítek nanometrů po desítky mikrometrů. Věnovali jsme se teoretickému i experimentálnímu studiu chování koloidních částic (mikrometrových a submikrometrových částic v kapalném prostředí) v interferenčním světelném poli, které v jedné ose vykazovalo harmonickou prostorovou změnu optické intenzity (stojatá vlna vzniklá např. interferencí protiběžných vln nebo dopadající vlny a vlny odražené od rozhraní). Jako první jsme teoreticky popsali a experimentálně studovali silové působení v této disperzní soustavě v závislosti na velikosti objektu a jeho indexu lomu. Ukázali jsme, že existují jisté velikosti koloidních částic (závislé i na indexech lomu částice a prostředí, a na prostorovém rozložení a vlnové délce elektromagnetického pole), pro které je silové působení světelného pole minimalizováno. Rovněž se prokázalo, že částice větší či menší než tato velikost se chovají odlišně a jsou taženy do míst buď s větší či menší intenzitou světelného pole. Věříme, že tyto první poznatky umožní studovat chování koloidních částic i v komplikovanějších světelných interferenčních polích a naleznou praktické uplatnění všude tam, kde bude třeba od sebe oddělit částice různé velikosti či optických vlastností (např. posvícením na směs částic dvou velikostí lze dosáhnout toho, že se částice odlišných velikostí začnou pohybovat opačnými směry).
Souvislosti mezi intenzitou a dobou míchání a vlastnostmi agregátů byly dosud studovány jen teoreticky se zaměřením na kinetiku procesu, na počítačové simulace tvorby a nárůstu velikostí agregátů. Náš současný výzkum jsme zaměřili na studium vlastností agregátů ovlivňujících jejich separaci. Vliv intenzity a doby míchání na proces agregace jsme studovali v laboratorních i provozních podmínkách (úpravny vody Kutná Hora a Želivka).
Prokázali jsme, že intenzita a doba míchání významně ovlivňují velikost a tvar agregátů. Naše výsledky přinesly poznatky významné pro teorii agregace destabilizovaných znečišťujících příměsí a pro inovaci technologie úpravy surové vody na vodu pitnou. Poloprovozním měřením na úpravnách vody jsme prokázali až 30% zvýšení účinnosti úpravy vody pomocí destabilizace a agregace při optimalizaci procesu míchání.
Jákl, P., Šerý, M., Ježek, J., Jonáš, A., Liška, M., Zemánek, P.: Behaviour of an optically trapped probe approaching a dielectric interface. - Journal of Modern Optics 50: 1615-1625 (2003).
Zemánek, P., Jonáš, A., Jákl, P., Ježek, J., Šerý, M., Liška, M.: Theoretical comparison of optical traps created by standing wave and single beam. - Optics Communications 220: 410-412 (2003).
Zemánek, P., Jonáš, A., Liška, M.: Simplified description of optical forces acting on a nanoparticle in the Gaussian standing wave. - Journal of Optical Society of America A 19: 1025-1034 (2002).
Jonáš, A., Zemánek, P., Florin, E.-L.: Single-beam trapping in front of reflective surfaces. - Optics Letters 26: 1466-1468 (2001).
2.11 Stanovení regulačních parametrů autonomního nervového systému (ANS)
Rudolf Autrata
Byla vyvinuta původní metoda pro detekci nestability regulačních mechanismů ANS. Metoda byla testována na zdravých subjektech různého věku a pacientech s hypertenzí a poruchou srdečního rytmu. Jedná se o neinvazivní měření s excitací ANS řízeným dýcháním na frekvenci 0,1Hz. Vyhodnocuje se variabilita okamžité fáze mezi tepovými intervaly a systolickým krevním tlakem a baroreflexní senzitivita. Kombinace obou parametrů umožňuje klasifikaci subjektů s vysokým rizikem srdečního selhání. Výsledky byly publikovány v prestižním kardiologickém časopise. Metoda byla ověřena v rámci zahraniční spolupráce.
Halámek Josef, Kára T., Jurák Pavel, Souček M., Francis D., Davies L. C., Shen W. K., Coats A. J., Novák M., Nováková Z., Panovský R., Toman J., Šumbera J., Somers V. K.: Variability of Phase Shift Between Blood Pressure and Heart Rate Fluctuations - A Marker of Short-Term Circulation Control. Circulation 108 [3] - S. 292-297 (2003)
2.12 Instrumentální prvky a metody environmentální rastrovací elektronové mikroskopie
Josef Halámek, Pavel Jurák
Environmentální rastrovací elektronová mikroskopie je trendem mikroskopie posledního desetiletí. Představuje novou kategorii mikroskopických metod umožňujících získat dosud nevídané informace o povrchové struktuře objektů obsahujících vodu, tedy v jejich přirozeném stavu. Jejím prostřednictvím lze sledovat vzorky měkkých tkání a dynamické děje a reakce probíhající v plynném či vlhkém prostředí při tlaku vyšším než je tlak nasycených vodních par. Nachází uplatnění při studiu vzorků v medicíně, biologii, fytologii, ekologii a dalších oborech, a to bez jejich výraznější destrukce a bez nabíjecích efektů. Nová konstrukce environmentálního mikroskopu je založena na zdokonalené elektronově optické části tubusu, se stopou primárního svazku v jednotkách nanometrů, na změněné koncepci diferenciální komory umožňující dosáhnout větší zorné pole při menší pracovní vzdálenosti a na účinnějším čerpacím systému, včetně tlak oddělujících aperturních clon. Je možné pracovat do tlaku 2000 Pa , zatímco v tubusu mikroskopu je vakuum 10-3 Pa a v diferenciální komoře tlak 100 Pa. Mikroskop je vybaven kombinovaným detekčním systémem signálních elektronů, který umožňuje záznam obrazu vzorku v různých kontrastních módech. Originálním prvkem je zejména monokrystalický detektor zpětně odražených elektronů se zabudovaným krystalem YAG nového typu. Krystal tvoří nejen tlak oddělující clonu, ale je i nosnou částí pro elektrodový systém ionizačního detektoru pracujícího na principu srážkového mechanismu mezi signálními elektrony a molekulami plynu. Prostřednictvím změny napětí na elektrodách je možné dosáhnout změnu kontrastu obrazu. Součástí mikroskopu je zařízení pro chlazení vzorku do -30 C a zařízení pro připouštění vodních par a jejich regulaci v komoře vzorku v libovolném rozmezí tlaku. Omezení destrukce měkkých tkání během procesu čerpání je dosahováno vypracovanou metodou cyklického zavodňování vzorku pomocí vodní injekce zabudované ke komoře vzorku. Mikroskop je universální a tedy může pracovat jak ve vakuu, tak i za zvýšeného tlaku ve vzorkové komoře. Ve vakuových podmínkách dosahuje rozlišení 4 nm a zvětšení až 300 000 krát.
Autrata R., Jirák J., Schneider L.: Usage of Segmental Ionization Detector in Environmental Conditions. Microscopy and Microanalysis 9 [sup.3] (2003) 142-143
Autrata R., Neděla V., Horký D.: Influence of Water Environment on Biological Specimens Imaging in ESEM. Proceedings of the 6th Multinational Congress on Microscopy, Pula 2003, 497-498
Autrata R., Jirák J., Wandrol P., Špinka j.: Detection of Backscattered Electrons in Environmental Scanning Electron Microscope. Proceedings of the 6th Multinational Congress on Microscopy, Pula 2003, 489-490
Autrata R., Jirák J.: Environmentální rastrovací elektronová mikroskopie., Monografie : Metody analýzy povrchů. Iontové, sondové a speciální metody (2002) (Frank L-Král J) Praha, Academia, 459-484
2.13 Stabilizace zisku ramanovského vláknového zesilovače optickou zpětnou vazbou.
M. Karásek, J. Kaňka, P. Honzátko, J. Radil
Kapacita optických sdělovacích systémů se řádově zvýšila díky zavedení technologie vlnového multiplexování, tj. současnému přenosu několika desítek či stovek datových kanálů lišících se vlnovou délkou po jednom vlákně. Přenosová rychlost každého z těchto kanálů je 10 Gbit/s nebo 40 Gbit/s. Vývoj optických vláknových zesilovačů umožnil zesilování všech přenášených kanálů současně vždy, když poměr signálu k šumu klesne v důsledku ztrát ve vlákně pod přípustnou úroveň. V optických sdělovacích systémech příští generace bude možné jednotlivé datové kanály v uzlových bodech sítě vyčleňovat či začleňovat v závislosti na jejich vlnové délce, takže počet kanálů přenášených mezi sousedními body sítě se bude měnit. Zisk vláknových zesilovačů pro tento typ sítě nesmí být tudíž závislý na počtu současně přítomných kanálů. Navrhli jsme stabilizaci zisku ramanovského vláknového zesilovače pomocí optické zpětné vazby. Tento typ stabilizace zisku byl dosud vyzkoušen jen u optických zesilovačů na bázi vláken dopovaných prvky vzácných zemin. Pro teoretickou analýzu stabilizace zisku ramanovského zesilovače jsme vytvořili numerický model založený na řešení soustavy parciálních diferenciálních rovnic popisujících šíření vln signálu, čerpání a zesílené spontánní emise zesilovacím vláknem. Z teoretické analýzy vyplývá, že pomocí optické zpětné vazby lze omezit špičkové fluktuace výkonu signálu více než desetkrát a lze zcela odstranit trvalé změny výkonu signálu při změně počtu přenášených datových kanálů. Teoretické výsledky jsme ověřili experimentálně a dosáhli jsme kvantitativní shody teoretických a experimentálních výsledků.
[1] Karásek, M., Menif, M., Bellemare, A.: Remotely pumped hybrid amplifiers for extended bidirectional passive optical networks. Fiber and Integrated Optics 22: 13-24 (2003).
[2] Karásek, M., Kaňka, J., Honzátko, P., Radil, J.: Protection of Surviving Channels in All-Optical Gain Clamped Lumped Raman Fibre Amplifier: Modelling and Experimentation. Optics Communications 231: 309-317 (2004)
[3] Karásek, M., Kaňka, J., Honzátko, P., Radil, J.: Channel Addition/Removal Response in All-Optical Gain-Clamped Lumped Raman Fiber Amplifier. IEEE Photonics Technology Letters 16: (March 2004, v tisku)
[4] Karásek, M., Kaňka, J., Honzátko, P., Radil, J.: All-Optical Gain-Controlled Lumped Raman Fibre Amplifier. 8th Working Conference on Optical Network Design and Modelling, 2.-4. February 2004, Ghent, Belgium, Proceedings (2004, přijato k prezentaci).
2.14 Holografické přetváření gaussovských svazků na svazky s plochým vrcholem
M. Miler, I. Aubrecht, J. Pala
Rovnoměrné plošné osvětlení či ozáření vytyčené oblasti koherentním optickým svazkem je důležité v různých informačních a tiskových technologiích, v průmyslových a lékařských aplikacích apod. Běžný typ koherentního svazku má gaussovský profil se zakulaceným vrcholem a pro rovnoměrnější osvětlení je třeba svazek rozšířit a vybrat pouze jeho střední část. Tím se však plošná hustota osvětlení značně zeslabí. Jinou možností je přetvořit svazek tak, aby měl plošší vrchol. Způsobům vytváření takových svazků se v současnosti ve světě věnuje velká pozornost. Jedním z efektivních způsobů je použití nehomogenního holografického prvku, jehož průběh difrakční účinnosti po ploše umožní potlačit střední a naopak posílit okrajovou část. Výzkum tohoto přístupu vyústil v přípravu holografického filtru ve formě matice mřížkových nehomogenních struktur. Z této matice je pak možno bez předběžných měření a výpočtů použít vhodný prvek k získání potřebné rovnoměrnosti, popř. k její optimalizaci.
Miler, M., Aubrecht, I., Pala, J.: Holographic Gaussian to flat-top beam shaping. - Opt. Engin. 42: 3114-3122 (2003).
Hradil, M., Miler, M.: Diffraction efficiency of surface-relief gratings with various profiles. - SPIE Proc. 5036: 668-673 (2003).
2.15 Širokopásmové detektory infračerveného záření
J. Novotný, J. Zelinka a Z.Podvalová
Detektory infračerveného záření lze v zásadě rozdělit na dva typy: fotonové (polovodiče) a pyroelektrické (feroelektrické materiály). Fotonové detektory jsou v principu úzkopásmové, používané převážně v optickém sdělování a rychlém zpracování optického signálu. Pyroelektrické detektory infračerveného záření jsou obvykle širokopásmové (2 25 m), což nabízí jejich široké využití v řadě aplikací. Používají se jako detektory alarmů, v bezkontaktním měření teploty, ve vědeckých aplikacích jako je spektroskopie FTIR a přesná kalorimetrie. V ekologii a chemii nalezly významné použití v detektorech plynů. Jejich použití v neposlední řadě patří vojenství, kde slouží v infračervených naváděcích systémech a k nočnímu zobrazování.
V ÚRE AV ČR jsme vypěstovali, nové ferroelektrické monokrystaly na bázi hybridního síranu triglycinia legovaného L-alaninem a ionty Pt(IV) [1, 2]. Krystaly mají vysoký pyroelektrický koeficient, velmi dobrou homogenitu a komplex Pt-glycin zajišťuje vhodnou vnitřní zapolarizaci Eb nutnou pro konstrukci širokopásmových detektorů záření pracujících v infračervené oblasti spektra. Zájem o studium těchto materiálů projevila fyzikální laboratoř na Universitě v Alabamě (USA), která se materiály těchto typů pro vojenské využití zabývá více než třicet let.
Z vypěstovaných monokrystalů LATGS/Pt(IV) jsme zhotovili ve spolupráci s a.s. TESLA BLATNÁ pyroelektrické detektory, které vykazují i ve srovnání se zahraničními laboratořemi vysokou citlivost [3-5]. Konstrukce detektoru byla volena s ohledem na jejich zabudování do normalizovaných pouzder elektronických součástek TO5 k usnadnění jejich případně hromadné výroby. Zvláštní pozornost byla přitom věnována optimalizaci systému absorpčních elektrod. Fyzikální a technické parametry fotodetektorů byly důkladně proměřeny. Perspektivně se počítá s využitím vyvinutých detektorů v a.s. TESLA BLATNÁ v senzorech plynů a plynných směsí pro ekologii a chemii.
[1] Novotný, J., Zelinka, J., Podvalová, Z.: Catalysed growth of doped TGS single crystals for infrared applications. Proceedings of SPIE. Vol 4710, 704. Int. Conf. Thermosense XXIV, Orlando USA 2002.
[2] Novotný, J., Zelinka, J.: Characterisation of LATGS and LADTGS Single Crystals Doped with Pt(II) and Pt(IV) Ions for Infrared Applications. Int. Congress "Euromat 2003", Poster,1-5.9. Lausanne 2003.
[3] Novotný, J., Podvalová, Z., Zelinka, J.: Growth of Triglycine Sulfate Single Crystals Doped with Pt(IV) and L-alanin. Crystal Growth and Design 3: 393-395 (2003).
[4] Novotný, J. Zelinka, J., Franc, J.: Technology of Infrared Detectors Preparation on the Basis of LATGS/Pt(IV) and LADTGS/Pt(II) Single Crystals. Mezinár. konf. Applied Electronics 2003, Plzeň, 152-156 (2003).
[5] Novotný, J., Březina, B., Zelinka J.: Growth and characterization of TGS and DTGD single crystals doped with Pt(II), Pt(IV) and L-alanine. Crystal Research and Technology (in print, 2004).
2.16 Vápenné malty vyztužené přírodními vlákny
Vápenné malty vyztužené přírodními vlákny jsou jedním z tradičních kompozitních materiálů, který se vyznačuje vynikajícími vlastnostmi a trvanlivostí. Jeho chování však nebylo vědecky popsáno a proto se stalo předmětem výzkumného projektu podporovaného Ministerstvem kultury ČR a řešeného ve spolupráci Akademie věd ČR, Národního památkového ústavu a ČVUT Praha. Při výzkumu jsme teoreticky odvodili optimální průřezy vláken, studovali dávkování a jeho vliv na mechanické vlastnosti kompozitu a zkoumali chování malty vyztužené různými typy přírodních i syntetických vláken (např. koňskými nebo kozími chlupy). Dosažené výsledky objasňují některé mechanismy, ke kterým dochází při tuhnutí a tvrdnutí vápenné matrice protkané krátkými vlákny. Tyto mechanismy podporují vznik husté sítě velmi malých trhlinek, které vyrovnávají objemové změny v matrici a omezují vznik větších smršťovacích trhlin. Výsledkem je výrazné zlepšení odolnosti malty proti povětrnostním vlivům a významné prodloužení její životnosti na exponovaných místech obvodového pláště stavby.
Drdácký, M., Michoinová, D., Procházka, P.P.: Maltovinové směsi vyztužené vlákny pro obnovu a záchranu uměleckých památek, Výzkumná zpráva ÚTAM AV ČR, Prosinec 2002, 146 stran.
Drdácký, M.F., Michoinová, D.: Lime mortars with natural fibres, in Proc. Int. Symp. "Brittle Matrix Composites 7", A.M.Brandt, V.C.Li and I.H.Marshall, eds., ZTUREK RSI and Woodhead Publ., Warsaw 2003, pp.523-532
Pro bezporuchový spolehlivý provoz vysokotlakých potrubí, např. plynovodů, je potřebná znalost jejich technického stavu a s tím související znalost geometrických imperfekcí a defektů ve stěně. K jejich identifikaci a lokalizaci lze v zásadě použít vnitřní inspekci potrubí pomocí nákladného inspekčního zařízení, které k detekci využívá různých mechanických, magnetických a ultrazvukových metod. Naprostá většina vysokotlakých plynovodů však není technicky ani dispozičně uzpůsobena vnitřní inspekci, a proto je nutné zajistit jejich potřebnou spolehlivost postupem vytvoření bariér proti rozvoji ostrých def ektů, např. tlakovou reparací vyčleněných úseků plynovodu vodou. Pokud se vyskytuje ve stěně potrubí průchozí trhlina určité délky, pak při monotonním nárůstu tlaku vody v potrubí během tlakové reparace dochází k jejímu úniku, a to tím více, čím je trhlina delší a čím je tlak vyšší. Této skutečnosti využil autor k vypracování teoreticko-experimentální metody na určení délky průchozí trhliny na základě teoretických vztahů odvozených ze zjištěných parametrů úniku vody při tlakové reparaci s uvážením deformace pláště, stlačitelnosti vody a zavzdušnění potrubí. Výhodou této metody je, že je ekonomicky i technicky nenáročná a poskytuje konzervativní odhad velikosti průchozí trhliny, neboť apriorně předpokládá, že veškerý únik vody je způsoben pouze jednou trhlinou a nikoliv dvěma či více trhlinami. Gajdoš, Ľ.: Leakage of Water from Linepipe as the Way for Determination of the Size of a Through Crack in the Wall. Proceedings of the National Conference with International Participation ENGINEERING MECHANICS 2003, held at Svratka, Czech Republic, May 12-15, 2003, paper No 267, 12 pp.
2.18 Experimentální výzkum mechanických vlastností spongiózní kosti při použití malých vzorků pomocí CCD kamery s vysokým rozlišením
Pro tvorbu matematických modelů částí lidského skeletu je velmi důležitý vhodný popis mechanických vlastností spongiózní kosti. Spongiózní kost je nelineární, vysoce nehomogenní materiál s viskoelastickými vlastnostmi. Některé mechanické vlastnosti, jako Youngův modul pružnosti nebo pevnost v tahu či ohybu jsou závislé na relativní hustotě tkáně, kterou lze získat z tomografických snímků dané kosti.
Pro získání dostatečně přesného popisu mechanických vlastností spongiózní kosti v závislosti na její relativní hustotě jsme provedli tahové i tlakové zkoušky za použití malých vzorků spongiózní kosti, které jsou předem nasnímány pomocí počítačového tomografu s rozlišením 512x512 pixelů. Tyto vzorky byly velmi pečlivě odebírány ve směru shodném s trabekulárním uspořádáním spongiózní kosti.
Relativní deformace vzorků byla zjišťována pomocí CCD kamery s vysokým rozlišením. Za tímto účelem jsme vypracovali metodu pro detekci značek nepravidelného tvaru, které jsou vyznačeny na povrchu každého vzorku. Značkami je povrch vzorku pokryt ve dvou směrech, což nám umožnilo stanovit i deformace ve směru příčném k ose namáhání.
Výsledky těchto mechanických testů umožňují definovat materiálové vlastnosti v konečněprvkových modelech celých kostí v závislosti na hodnotě relativní hustoty tkáně v daném místě získané z odpovídajícího CT-snímku. Daná kost je nejprve nasnímána pomocí CT a po vytvoření geometrie daného modelu jsou pro každý element sítě stanoveny materiálové vlastnosti. Mechanické testy prováděné na celých kostech pak slouží ke stanovení spolehlivosti těchto konečněprvkových modelů určit maximální namáhání různých kostí pro různé namáhání (tah, tlak, ohyb, kroucení).
Jiroušek O., Jírová J., and Vavřík D. Measurement of material properties of cancellous bone using small specimens and optical identification method. In Hamza M. H., editor, IASTED International Conference on Biomechanics (BioMECH 2003), volume 1 of 1, pages 262-264, Rhodos, Greece, 30 June 2003. IASTED, ACTA Press.
Jiroušek O., Matlach R., and Jírová J. Use of nonlinear finite element modeling in prediction of the whole bone fracture. In 13th European Society of Biomechanics Conference, volume 1 of 1, pages 139-140, Wroclaw, Poland, 1 September 2002. Polish Society of Biomechanics, Wroclaw University of Technology.
2.19 Numerická simulace transsonického proudění v lopatkové mříži
Kozel K., Fořt J., Dobeš J., Fürst J., Halama J., Louda P.
Lopatkové mříže jsou základním elementem při transformaci energie v turbinách a kompresorech. Transsonické proudění v těchto mřížích, rázové vlny a jejich poloha významně ovlivňují velikost energetických ztrát. Zvýšení výkonu, účinnosti a spolehlivosti je nutno hledat ve výhodnější konstrukci. Tím vzrůstají nároky na návrhové metody, které se musí opírat o "výpočetní dynamiku tekutin". Pracovníci Centra energetiky, společného pracoviště Ústavu termomechaniky a strojní fakulty ČVUT, navrhli metodu řešení problému vazkého transsonického proudění v rovinné lopatkové mříži. Středované Navier-Stokesovy rovnice uzavřené modelem turbulence vyřešili pro transsonické i subsonické proudění. Výsledky numerické simulace se velmi dobře shodují s experimenty v aerodynamickém tunelu, a to nejen v celkovém obrazu proudění, tj. v poloze rázových vln a jejich interakci se smykovými vrstvami, ale též v rozložení tlaku na profilu lopatek. V rámci projektu EC Thematic Network "Quality and Trust in the Industrial Application of CFD" byly získané výsledky společně s experimentálními daty zařazeny do databáze QNET-CFD jako vybraný testovací případ pro ověřování spolehlivosti numerických metod užívaných v mechanice tekutin.
Dobeš, J., Fořt, J., Fürst, J., Halama, J., Hyhlík, T., Louda, P., Kozel, K., Příhoda, J., Šafařík, P.: Experimental and numerical analysis of transonic flow through plane turbine cascade. - Engin. Mechan. 10: 413-426 (2003).
2.20 Napěťové vlny vznikající při rázovém vrtání skal a jejich vliv na účinnost vrtání
Okrouhlík M., Pták S., Lundberg B. (University of Uppsala, Sweden)
Analyticky a numericky byla zkoumána účinnost rázového vrtání skal, a to s ohledem na šíření napěťových vln. Rázové vrtání skal je založeno na přeměně kinetické energie kladiva na práci nutnou k rozrušení vrtaného prostředí. Účinnosti procesu vrtání závisí na vhodném naladění mechanické soustavy kladivo - proces rozrušování - skála. Analytické metody řešení rázu jsou omezeny na jednoduché geometrické a zatěžovací případy - proto bylo k řešení úlohy převážně použito numerického postupu - metody konečných prvků. Pro věrohodné modelování rychlých rázových dějů bylo třeba použít miliony stupňů volnosti. Nástrojem byl program PMD.
Byly modelovány různé vrtací technologie s uvážením prostorového šíření vln. Též bylo kvantifikováno množství kompletně zmařené energie - tj. energie vyzářené do skalnatého prostředí. Podrobně byl zkoumán transientní napěťový stav pro různé geometrie vrtacího kladiva. Je též k dispozici analýza účinků rozrušovací síly v závislosti na různých geometrických a zatěžovacích podmínkách nutná k dosažení vysoké účinnosti nelineární procesu rozrušování. Přiložený ilustrativní obrázek ukazuje rozložení von Misesova napětí ve vrtací tyči opatření spirální drážkou, a to 39 mikrosekund po rázu. Ve dvou pohledech jsou znázorněny isolinie napětí na povrchu tyče, třetí pohled dává představu o napětí v řezu, rozvinutém podél drážky.
Lundberg B., Okrouhlík M.: Approximate transmission equivalence of elastic bar transitions under 3-D conditions. Journal of Sound and Vibration, Vol. 256, No. 5, 941-954 (2002)
Okrouhlík M., Pták S.: Numerical modeling of axially impacted rod with spiral groove, Engineering Mechanics, Vol.10, No.5, 359-374 (2003)
2.21 Experimentální ověření napjatosti střešní ocelové konstrukce haly Sazka
Ocelová konstrukce o hmotnosti 700 tun zastřešuje prostor víceúčelové sportovní haly oválného půdorysu, s kapacitou 17 000 diváků. Konstrukci střechy tvoří 36 příhradových vazníků, které se v radiálách sbíhají ke středovému kruhovému prstenci. Každý ocelový vazník má ocelové táhlo, které přebírá vodorovnou reakci od zatížení. Při montáži vznikl úkol postupného napínání čtveřic táhel tak, aby po napnutí poslední čtveřice, byly ve všech táhlech shodné síly. ÚTAM provedl měření napětí v táhlech v různých fázích stavby střechy a ověřil teoretický výpočet hlavního projektanta. Táhla byla opatřena dvojicemi aktivních a kompenzačních odporových tenzometrů a byla sledována napětí ve všech táhlech. Tým experimentátorů ÚTAM aplikoval své bohaté zkušenosti a přispěl tak k realizaci světově unikátní ocelové konstrukce.
