Studentská grantová soutěž - předchozí roky

Diagnostika, charakterizace a modelování vybraných materiálů a jejich fyzikálních vlastností III

SP2022/25

Životský Ondřej prof. Ing., Ph.D.

01. 01. 2022 - 31. 12. 2022

Předmět výzkumu projektu je v souladu s odbornými zaměřeními Katedry fyziky (Optická diagnostika, Magnetické vlastnosti materiálů, Progresivní technologie porušování materiálů a Aplikovaná jaderná fyzika) a je rozdělen do čtyř směrů: 1) První směr je zaměřen na optické senzory využívající rezonance vidů, rezonance s Braggovými zrcadly a Tammovy plazmonové rezonance: Předmět výzkumu je možno rozdělit do tří vzájemně se doplňujících oblastí, zaměřených na teoretické a experimentální studium optických senzorů využívajících rezonance vidů, rezonance s Braggovými zrcadly a Tammovy plazmonové rezonance: • Teoretická a experimentální analýza nových optických senzorů využívajících rezonance vidů v jednoduchých či mřížkových fotonických strukturách. • Teoretická a experimentální analýza nových optických senzorů využívajících rezonance s Braggovými zrcadly, včetně rezonance povrchových Blochových vln, resp. rezonance v systémech dvojice Braggových zrcadel. • Teoretická a experimentální analýza nových optických senzorů využívajících Tammovy plazmonové rezonance. V rámci řešení projektu budeme studovat nové metody detekce jak plynných, tak kapalných analytů pomocí různých rezonancí, které budou zahrnovat rezonance vidů v jednoduchých či mřížkových fotonických strukturách, rezonance povrchových Blochových vln (SBWR) buzených pomocí Braggových zrcadel, včetně systémů s dvojicí Braggových zrcadel, resp. Tammových plazmonů (TP). Nejprve půjde o analýzu velmi citlivého refraktometru využívající jednoduchou planární strukturu zahrnující vrstvu zlata a ochrannou vrstvu oxidu křemíku a detekující změny rezonanční vlnové délky (minimum odrazivosti, resp. maximum derivace fáze) se změnou indexu lomu kapalného analytu v Kretschmannově uspořádání. Dále bude analýza rozšířena o senzoriku plynných analytů pomocí mřížky a budou určeny optimální parametry mřížky pro realizaci senzoru s co největší citlivostí. Řešení projektu se bude dále týkat senzorů využívajích SBWR, kdy pro teoretickou analýzu využijeme znalost odezvové funkce Braggova zrcadla reprezentovaného soustavou mnoha dielektrických vrstev se senzoricky citlivou poslední vrstvou. Navíc bude analýza rozšířena o senzory pracující při kolmém dopadu (bez potřeby vazebního hranolu), tj. senzory s dvojicí Braggových zrcadel. Mezi senzory pracující při kolmém dopadu zahrneme senzory využívající TP. Funkčnost všech senzorů bude experimentálně ověřena pro vhodné plynné analyty (vzduch o různé relativní vlhkosti, atd.) a pro vhodné kapalné analyty (roztoky soli rozpuštěné ve vodě, atd.). U senzorů s dvojicí Braggových zrcadel bude využívána odezva jak v odrazivosti, tak v propustnosti. 2) Druhý směr je věnován měření magnetizačních křivek NdFeB permanentních magnetů a jejich fitování pomocí Jiles- Athertonova modelu a dále strukturní a magnetické charakterizaci inverzních Heuslerových slitin Mn2FeSi a Mn2FeAl. Výzkum bude orientován do dvou klíčových oblastí: • Zhruba v polovině roku 2022 bude do Laboratoře magnetismu a nízkých teplot dodán Hysterezigraf od firmy Brockhaus sloužící k měření magnetických vlastností tvrdých magnetických materiálů, zejména permanentních magnetů. Přístroj bude sloužit jednak k měření komerčních permanentních magnetů ve spolupráci s firmami vyrábějícími tyto materiály a jednak k výzkumným účelům. Student Jan Pytlík v současné době pracuje na své diplomové práci zaměřené na modelování a fitování magnetizačních křivek pomocí Jiles-Athertonova modelu. Jedná se o teoretický model, který s využitím několika parametrů dokáže vykreslit magnetizační křivku feromagnetického (ferimagnetického) materiálu a stanovit tak jeho základní magnetické vlastnosti. Model bude naprogramován v programu Matlab. Po dodání hysterezigrafu budou změřeny magnetizační křivky, na pokojové teplotě i na vyšších teplotách, několika vybraných permanentních magnetů na bázi NdFeB. Křivky budou následně fitovány Jiles-Athertonovým modelem tak, aby se co nejvíce blížily experimentálním datům. Za tímto účelem bude zřejmě nutné rozšířit model na anizotropní, neboť permanentní magnety vykazují typicky jednoosou magnetickou anizotropii. • Druhá oblast zahrnuje přípravu a strukturní a magnetickou charakterizaci inverzních Heuslerových slitin Mn2FeSi a Mn2FeAl připravených různými technologiemi. Jedná se o speciální skupinu materiálů s kubickou XA strukturou, jejichž magnetické vlastnosti byly doposud předpovídány pouze pomocí teoretických modelů a neexistuje příliš mnoho experimentálních prací na toto téma. Vyrobeny budou nejprve ingoty (objemové materiály) odpovídajících materiálů pomocí obloukového a indukčního tavení. Následné roztavení ingotů, nastříkání taveniny na rotující válec a její prudké ochlazení vede k přípravě pásků s tloušťkou cca 20-30 m a šířkou okolo 1 mm. Kromě ingotů a pásků budou připraveny také práškové materiály s využitím kulového mlýnu. Různé způsoby syntézy vedou ke strukturním nedokonalostem v atomárním měřítku (antisite atomy, vakance), k různým morfologiím struktury, k různým chemicky uspořádaným fázím, k různým formám defektů a následně k různým fyzikálním vlastnostem určujícím různé aplikace Heuslerových slitin. Výzkum bude probíhat ve spolupráci s fakultou FMT VŠB-TUO, MFF UK v Praze a přírodovědeckou fakultou UP v Olomouci. Cílem je získání nových poznatků o chování těchto slitin na nízkých, pokojových a vysokých teplotách, na základě nichž by měly být predikovány jejich potenciální praktické aplikace. 3) Třetí směr je zaměřen na řízení interakčních procesů abrazivního vodního paprsku (AWJ). • Na základě poznatků získaných v minulých letech budou studenti pokračovat ve vývoji postupů, které lze aplikovat při online řízení kvality práce abrazivního vodního paprsku (AWJ). Tyto postupy jsou založeny na vyhodnocování několika signálů provázejících proces interakce AWJ s materiálem. Především jde o sledování úrovně silové působení AWJ ve směru řezu a ve směru proudění paprsku, dále jsou sledovány změny signálu generovaného vibracemi v materiálu a zaznamenávaného akcelerometry, v neposlední řadě je pro hodnocení "kvality" interakce využíván i záznam akustického signálu snímaného mikrofonem v blízkosti interakční oblasti. Doplňkem těchto signálů jsou okamžitá hodnota tlaku kapaliny před tryskou snímaná příslušným tlakovým čidlem a případně okamžitá rychlost proudění abrazivního materiálu na vstupu do směšovací komory. Zařízení na měření tohoto posledně uvedeného parametru je nyní vyvíjeno a v rámci projektu bude testováno a dokončováno. Z důvodu porovnání podmínek na různých strojích lišících se konstrukcí a rozsahy parametrů je navrženo několik pracovních cest na pracoviště, kde je možno v rámci spolupráce testovat uvedené zařízení i celý proces monitorování signálů za podmínek podstatně odlišných od laboratorního zařízení na VŠB – Technické univerzitě Ostrava. • Studenti budou měřit signály na různých materiálech za různých podmínek a zpracovávat je tak, aby bylo možno nalézt souvislosti mezi typem a úrovní signálů a výslednou kvalitou opracování materiálů. Z naměřených a vyhodnocených výsledků budou připravovány články do vědeckých časopisů zaměřených na kvalitu obrábění, měření a vyhodnocování signálů a řízení průmyslových procesů. Pokud to bude možné, budou orientovány články také na zpracování nekonvenčních materiálů, případně materiálů za specifických podmínek, při kterých není možno používat klasické technologické postupy a AWJ s vysokým stupněm automatizace je nejlepší alternativou vzhledem k požadavkům ochrany životního prostředí a zdraví obsluhy. 4) Čtvrtým směrem výzkumu projektu je rozvoj aplikované jaderné fyziky: • Výzkum v oblasti aplikované jaderné fyziky bude zaměřen na zpřesnění kalibrace neutronového toku 14 MeV neutronů z neutronového generátoru MP320 pomocí metody aktivace měděných a zlatých terčíků, případně terčíků z dalších vhodných materiálů, a s tím související měření účinných průřezů reakcí rychlých neutronů (Sara Mahiddine, MSc. a Ing. Ondřej Harkut). Limitem v současnosti používané metody tzv. texaské konvence pro kalibraci neutronového toku je její závislost na MonteCarlo simulacích odezvy používaného scintilačního spektrometru a na naměřených hodnotách účinných průřezů reakce rychlých neutronů s mědí, které jsou zatíženy relativně velkou nejistotou a závisejí výrazně na energii neutronu. Metoda aktivace zlatých terčíků, případně terčíků z jiných materiálů, jejichž účinný průřez slabě závisí na energii neutronů, nevyžaduje MonteCarlo simulace odezvy spektrometru gama záření a má šanci stát se přesnější metodou pro kalibraci neutronového toku. • Další oblastí bude studium vlastností nových scintilačních detektorů na bázi CeBr3 a jejich využití pro měření aktivity jaderných odpadů s cílem efektivně a spolehlivě měřit a určovat aktivity radionuklidů v pevných odpadech vznikajících činností v kontrolovaných pásmech (Ing. Ondřej Harkut). Přesnější určení radionuklidů a jejich aktivit umožní stanovit, zda je či není překročena uvolňovací úroveň pro daný jaderný odpad. • Pokračovat bude i práce na studiu spekter kosmického záření měřených na stratosférických balónech a na testování detektorů kosmického záření na neutronovém generátoru MP320 ve spolupráci s oddělením dozimetrie Ústavu jaderné fyziky v Řeži, která je tématem diplomové práce (Bc. Patrik Berka). Pro měření budou využity různé detektory ionizujícího záření (PIN dioda, G-M detektor, scintilační detektor), bude ověřena jejich odezva na různé druhy záření (fotony, neutrony různých energií) a zpracována data z letu stratosférického balónu včetně porovnání odezvy jednotlivých detektorů v závislosti na aktuálním kosmickém počasí a stanovení Pfotzerova maxima. Součástí projektu je také nákup softwarového balíčku pixel-fox, který se dá využít například pro měření smáčivosti na površích materiálů (spolupráce Katedry fyziky s Centrem nanotechnologií při charakterizaci polymerních materiálů) nebo k určení zakřivení (striace) povrchu řezné stěny po řezání kapalinovým paprskem.

prof. Ing. Ondřej Životský, Ph.D.
Doc. Dr. RNDr. Petr Alexa
Bc. Jiří Kozelský
Bc. Adam Prášek
Ing. Ondřej Harkut
Ing. Roman Kaňok
Ing. Martin Tyč
Ing. Adam Štefek
Ing. Jakub Chylek
Ing. Patrik Berka
Ing. Jan Pytlík
Ing. Michal Gryga, Ph.D.
Bc. Jakub Gřunděl
Bc. David Kuča
Bc. Petr Pětroš
Sara Mahiddine, M.Sc.

1) Optické senzory využívající rezonance vidů, rezonance s Braggovými zrcadly a Tammovy plazmonové rezonance:
Zapojení studenti: Ing. Michal Gryga, Ing. Roman Kaňok, Ing. Jakub Chylek, Bc. Jaroslav Bartuněk
• Minimálně tři publikace v časopisech s impakt faktorem zaměřené na analýzu a realizaci nového optického senzoru využívajícího jak rezonance vidů, rezonance s Braggovými zrcadly a Tammovy plazmonové rezonance.
• Prezentace výsledků zaměřených na analýzu a realizaci nových optických senzorů využívajících výše zmíněné rezonance v rámci mezinárodních SPIE konferencí: Photonics Europe, Francie, resp. Slovensko-Česko-Polská optická konference, Slovensko. Dále budou výsledky průběžně prezentovány na seminářích Katedry fyziky a na konferencích FEI.
2) Magnetismus materiálů:
• Měření magnetizačních křivek NdFeB permanentních magnetů a jejich fitování pomocí Jiles-Athertonova modelu (Bc. Jan Pytlík, výzkum v rámci diplomové práce).
• Dvě publikace v časopise s impakt faktorem zaměřené na strukturní a magnetickou charakterizaci Heuslerových slitin Mn2FeSi a Mn2FeAl (doc. Ondřej Životský).
Výsledky budou průběžně prezentovány na seminářích Katedry fyziky.
3) On-line řízení kvality práce abrazivního vodního paprsku (AWJ):
• Měření a analýza signálů při měření silových účinků AWJ na nekonvenčních materiálech (Ing. Adam Štefek).
• Měření a analýza signálů z akcelerometrů a mikrofonu při působení AWJ na nekonvenční materiály (Ing. Martin Tyč).
• Výpočet proudění ve vodním paprsku s pláštěm ze vzduchového paprsku. Porovnání výsledků s měřením provedeným silovým snímačem (Bc. Jiří Kozelský).
Výsledky budou publikovány ve 2-3 článcích v časopisech s IF a průběžně prezentovány na seminářích Katedry fyziky a na konferencích FEI.
4) Aplikovaná jaderná fyzika:
• Kalibrace neutronového toku a měření účinných průřezů (Sara Mahiddine, MSc., Ing. Ondřej Harkut).
• Využití CeBr3 scintilačních detektorů pro měření aktivity jaderných odpadů (Ing. Ondřej Harkut).
• Studium kosmického záření pomocí stratosférických balónů (diplomová práce Bc. Patrika Berky, obhajoba v roce 2022).
Výsledky budou publikovány ve 3 článcích v časopisech s IF a průběžně prezentovány na seminářích Katedry fyziky a na konferencích FEI.
Zdůvodnění finančních prostředků:
• Stipendia (celkem 450.1 tis. Kč) - Stipendia studentů pracujících na projektu.
• Materiálové náklady (celkem 339 tis. Kč) - Mechanické a optické prvky: držáky, substráty, dusík a argon, laboratorní materiál, materiál na přípravu Heuslerových slitin, olověné stínění, chemikálie, kapalný dusík, stínící materiály, inovované deformační členy pro snímač sil s nalepenými tenzometry, elektromateriál, spojovací materiál, kancelářské potřeby, tonery.
• Drobný hmotný a nehmotný majetek (celkem 140 tis. Kč) – řídicí jednotka k Fabryho-Perotovu interferometru, optická vlákna a posuvné prvky, softwarový balíček pixel-fox, 2 krát notebook
• Služby (celkem 350 tis. Kč) - vložné konferencí, publikační poplatky do open access časopisů, služba osobní dozimetrie, servis vzduchotechniky, pronájem tlakových lahví, údržba čerpadla a obslužných zařízení, příspěvek na licenci programu LabVIEW, ostatní služby.
• Cestovní náhrady (celkem 70 tis. Kč) - Cestovné konferencí, konzultační cesty na spolupracující pracoviště (Praha, Brno, Olomouc), cestovné na spolupracující pracoviště za účelem společných experimentů (Prešov, Ostroměř, Kielce).
• Doplňkové (režijní) náklady (celkem 149.9 tis. Kč)
Celkem: 1 499 tis. Kč