2. Sekce aplikované fyziky
Seznam anotací:
- Kvantitativní model lomového chování kompozitů se skelnou matricí (ÚFM)
- Fáze v systému Ni-Cr-Al (ÚFM)
- Iniciace a růst krátkých trhlin v kovových materiálech (ÚFM)
- Turbulentní procesy buzené v plazmatu silnoproudým elektronovým svazkem (ÚFP)
- Turbulence plazmatu na tokamaku CASTOR (ÚFP)
- Řídicí a diagnostické mikroprocesorové systémy střídavých pohonů trolejbusů (ÚE)
- Predikce povodní na základě simulací srážko-odtokového procesu (ÚH)
- Přímé separace koloidních příměsí ve fluidní vrstvě zrnitého (ÚH)
- Výzkum rychlostních polí ve vybraných uspořádáních proudění s volnou hladinou (ÚH)
- Příprava a charakterizace nanostrukturovaných mnohovrstvých struktur C-N/TiNx - třetí generace tvrdých povlaků pro nástroje (ÚPT)
- Kvantifikace zobecněných signálů a spekter nukleární magnetické rezonance (ÚPT)
- Elektronové excitace v pevných látkách (ÚRE)
- Kódová synchronizace sdělovacích systémů s rozprostřeným spektrem (ÚRE)
- Výzkum elektromagnetické aktivity živých buněk (ÚRE)
- Obecná mezomechanická koncepce modelování nepružné deformace, kumulativního poškození a lokalizace (ÚTAM)
- Přechod od deterministických k pravděpodobnostním koncepcím posudku spolehlivosti nosných konstrukcí (ÚTAM)
- Korelace změn ultrazvukových zobrazení s plošným rozložením zdrojů akustické emise při víceosém namáhání kompozitových trubek (ÚT)
2.1 Kvantitativní model lomového chování kompozitů se skelnou matricí
Řešitel: Ing. Ivo Dlouhý, CSc.
V rámci komplexního projektu byl navržen a experimentálně potvrzen kvantitativní model umožňující předpověď zhouževnatění kompozitu na bázi borosilikátové skelné matrice zpevněné tvárnými kovovými částicemi, resp. vlákny karbidu křemíku. Nezbytnou podmínkou vytvoření modelu byl rozvoj originální metody zkoušení lomové houževnatosti velmi křehkých materiálů metodou tříbodového ohybu vzorků s šípovým vrubem, přičemž pro identifikaci počátku nestabilního růstu trhliny byla použita metoda akustické emise. Model vychází z poznání mikromechanismů zvyšujících odolnost křehké skelné matrice proti šíření trhliny a je založen na kvantifikaci přírůstků houževnatosti v důsledku působení těchto mikromechanismů. Model byl testován na dvou typech borosilikátového skla s různým obsahem kovových částic a na kompozitu se stejnou matricí zpevněnou vlákny karbidu křemíku. V dílčí podobě byly nové poznatky diskutovány na několika významných mezinárodních vědeckých konferencích, v přehledné formě jsou pak prezentovány v renomovaných mezinárodních časopisech.
- I.Dlouhý, M.Reinisch, A.R.Boccaccini, J.F.Knott: Fracture characteristics of borosilicate glasses reinforced by metallic particles, Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, 1997, Vol. 20, No. 9, pp. 1235-1253.
2.2 Fáze v systému Ni-Cr-Al
RNDr. Milan Svoboda, CSc.
Moderní slitiny na bázi Ni-Al s přísadou dalších prvků vykazují vysokou pevnost a odolnost proti korozi za vysokých teplot. Jsou obvykle tvořeny několika fázemi různého složení a stupně uspořádání atomů do krystalové mřížky. Klasickým příkladem jsou "superslitiny" s krychličkami uspořádané fáze γ' (Ni3Al) oddělenými kanálky tuhého roztoku γ (Ni-Al). Průmyslově používané superslitiny jsou ve skutečnosti slitinami více než deseti prvků, příměsi některých z nich jsou velmi malé, a vhodné složení bylo určeno empiricky metodou pokusů a omylů. Současné studium jednodušších slitin, které slouží jako jejich základ, směřuje k objasnění chování těchto materiálů na atomární úrovni. Pro slitiny Ni-Al-Cr a Ni-Al-Cr-Mo byly zvládnuty výpočty fázových hranic γ a γ' v systému Ni-Cr-Al pomocí termodynamického modelu započítávajícího vliv superstruktury Ni3Al a výsledky experimentálně ověřeny pro teplotu 900oC. Za vysokých teplot (800 - 1100oC) byla navíc v mikrostruktuře slitin Ni-Al-Cr-Mo nalezena molybdenem bohatá fáze P (Cr9Mo21Ni20), jejíž výskyt ve slitinách studovaného složení nebyl doposud popsán. Vytváří se přednostně na hranicích zrn a bude patrně zhoršovat mechanické vlastnosti materiálu.
- M. Svoboda, J. Buršík: zasláno do Scripta Materialia.
2.3 Iniciace a růst krátkých trhlin v kovových materiálech
Řešitelé: Doc.RNDr.Jaroslav Polák, DrSc. a RNDr.Karel Obrtlík, CSc.
Byl studován mechanismus a kinetika nukleace a růstu krátkých únavových trhlin v konstrukčních polykrystalických materiálech. Etapa šíření krátkých trhlin je ve většině případů etapou určující životnost materiálu nebo části konstrukce. Na rozdíl od dlouhých trhlin však nelze jejich šíření popsat metodami lomové mechaniky. Studium bylo provedeno na nerezavějící austenitické oceli a na různě tepelně zpracovaných aluminium-lithiových slitinách lisovaných za zvýšených teplot, které jsou používány v leteckém průmyslu. Byly zjištěny a dokumentovány místa iniciace trhlin a charakterizován mechanismus jejich počátečního šíření. Měřením kinetiky šíření těchto trhlin při rozdílných amplitudách cyklické plastické deformace byly určeny charakteristické parametry. Tyto parametry byly srovnány s parametry křivek životnosti určených na stejných materiálech. Na základě rozboru experimentálních závislostí byl předložen model růstu krátkých trhlin a jejich přechodu do stadia dlouhých trhlin. Tento model dovoluje dát do relace počáteční rychlost šíření trhliny a event. i počáteční velikost trhliny, popř. iniciačního defektu, s únavovou životností. Tím přispívá k rozšíření našich poznatků o degradačních procesech i ke zlepšení dosavadních metod predikce únavové životnosti, odhadu únavové odolnosti a zbytkové životnosti konstrukčních dílů.
- J.Polák, K. Obrtlík, A. Vašek: Short crack growth kinetics and fatigue life of materials, Mater. Sci. Engng A234-236, 1997, 970-973.
2.4 Turbulentní procesy buzené v plazmatu silnoproudým elektronovým svazkem
J. Ullschmied. K. Koláček, M. Řípa
Na zařízení REBEX byl studován řetězec turbulentních procesů provázejících vstřik svazku do plazmatu. Primárním procesem je tzv. dvouproudová nestabilita s následným ohřevem elektronové komponenty. Vybuzená vysokofrekvenční pole ovlivňují plazma natolik, že dochází ke vzniku extrémně lokalizovaných vlnových objektů - silné Langmuirovy turbulence, složené ze solitonů a kavitonů. Sekundární procesy vznikající při jejich rozpadu pak vedou k rychlému ohřevu iontů plazmatu, srovnatelnému s ohřevem elektronů. Měření ukázalo, že lokální intenzita turbulentních Langmuirových polí dosahuje na zařízení REBEX hodnot až 100 kV/cm. Přitom se poprvé v mnohaleté historii svazkových experimentů podařilo odlišit změnu profilu emisních čar neutrálního vodíku, způsobenou silným elektrickým polem vln, od vlivu tepelného pohybu částic. Využití citlivého zobrazovacího spektrografu navíc umožnilo sledovat vývoj kavitonů v čase i prostoru s rozlišením pod 100 ns resp 0,1 mm.
- J. Ullschmied, K. Koláček, M. Řípa: publikováno ve sbornících mezinárodních konferencí BEAMS'96 a PPC IEEE 97.
2.5 Turbulence plazmatu na tokamaku CASTOR
J. Stöckel, F. Žáček, L. Kryška, K. Jakubka, J. Petržílka, M. Hron, I. Ďuran, V. Svoboda, L. Krlín
Plazma, držené v magnetické nádobě typu tokamak, je v turbulentním stavu. Tento jev, pozorovaný nejen na tokamaku CASTOR, ale i na podobných zařízeních, má principiální význam pro udržení a stabilitu plazmatu v toroidální konfiguraci.
Elektrostatické a magnetické fluktuace plazmatu se na tokamaku CASTOR systematicky sledují s dostatečným časovým i prostorovým rozlišením, takže lze identifikovat turbulentní struktury a charakterizovat je např. jejich rozměrem, dobou života a rychlostí šíření a pod. Tato systematická měření prokázala, že charakter elektrostatické turbulence na malém tokamaku CASTOR je podobný jako na velkých tokamacích. To naznačuje, že podstata turbulence v tokamacích má univerzální charakter. Pomocí magnetických měření se zjistilo, že kromě koherentních magnetických struktur se uvnitř sloupce plazmatu formují i turbulentní útvary, jejichž amplituda prakticky nezávisí na makroskopických parametrech plazmatu. Dále byly v okrajovém plazmatu poprvé identifikovány fluktuace toroidálního proudu, které mohou představovat dlouho hledané spojení mezi elektrostatickou a magnetickou turbulencí.
Pro detailnější pochopení procesů v turbulentním plazmatu se numericky modeloval pohyb jednotlivých částic v podmínkách, podobných reálnému experimentu. Ukázalo se, že za jistých okolností je pohyb částic napříč magnetického pole chaotický, což může vést k difúzi.
Kromě vlivu na udržení plazmatu může existence turbulentních struktur ovlivňovat i šíření elektromagnetické vlny. Na tokamaku CASTOR bylo poprvé experimentálně prokázáno, že zejména spektrum fázových rychlostí elektromagnetické vlny (typu "zpomalená dolně hybridní elektromagnetické vlna") se v turbulentním plazmatu podstatně rozšiřuje. Rozšíření spektra je pravděpodobně obecným průvodním jevem při neinduktivní generaci elektrického proudu v tokamacích.
Tyto experimentální výsledky měly velký ohlas na řadě mezinárodních konferencí.
2.6 Řídicí a diagnostické mikroprocesorové systémy střídavých pohonů trolejbusů
Od roku 1991 se výsledky výzkumu algoritmů mikroprocesorového řízení a diagnostiky stejnosměrných a střídavých pohonů v ÚE AV ČR uplatňují při vývoji nových, energeticky úsporných trolejbusů v závodě ŠKODA Ostrov s.r.o. Víceletá spolupráce s tímto závodem je od roku 1993 podporována společnými granty GA ČR.
V rámci projektu byl postupně navržen napěťový střídač s GTO tyristory a strategie cirkulární pulzní modulace, která spolu s vyvinutým algoritmem řízení pohonu byla implementována do řídicího mikropočítače. Dále byla vytvořena řada diagnostických programů pohonu a stanoveny parametry příslušného motoru. Kromě základního výzkumu se pracovníci ÚE účastnili prací na zkušebně závodu i zkušebním okruhu a iniciovali vývoj a výrobu mnoha dílčích komponentů celého pohonu. V současné době jsou výzkumné práce zaměřeny na analýzu některých efektů vyvolaných vyššími spínacími kmitočty nových polovodičových struktur (IGBT), na teoretické a experimentální práce související s nestandardními stavy střídavého pohonu trolejbusu v běžném provozu a na využití palubního počítače a průmyslových komunikačních sítí pro ovládání vozidla.
Potvrzením správnosti koncepce odpovídající posledním vývojovým trendům v oboru a bezprostředního uplatnění vědeckých poznatků je mimo jiné úspěch výrobce těchto trolejbusů, ŠKODA Ostrov, s.r.o., na náročném americkém trhu.
2.7 Predikce povodní na základě simulací srážko-odtokového procesu
J.Buchtele, M.Buchtelová, M.Fořtová
Pro simulace srážko-odtokového procesu je v ÚH AV ČR testován koncepčně bilanční model, jenž byl úspěšně uplatněn pro četná česká povodí. Na základě publikovaných příznivých výsledků jsme byli vyzváni i ke spolupráci při experimentech s modelem pro povodí v zahraničí. Model byl implementován pro experimentální povodí v SRN, Itálii, Nepálu a Španělsku a poznatky o vlivu rozličných klimatických a geomorfologických podmínek jsou ceným vodítkem pro možnosti uplatňování modelu jako nástroje i pro predikce průběhu povodní. Výsledky několikaletých prací našly bezprostřední uplatnění při snahách o zhodnocení povodně z července 1997 na Moravě. Díky spolupráci s hydrologickou službou Českého hydrometeorologického ústavu byly na základě dat vztahujících se k proběhlé povodni pro tento účel provedeny simulace pro dílčí povodí Bečvy resp. Moravy (Buchtele J. 1997).
Experimenty tohoto druhu by měly přispět k objasnění vlivu odlesňování, urbanizace a intenzivní zemědělské činnosti na změnu povodňového režimu. Zmíněná užitá data z povodí Moravy nemohou být samozřejmě dostačujícím podkladem pro taková posouzení. Jako užitečná se však jeví možnost srovnávání s předchozímí simulacemi pro povodí českého Labe, které byly uskutečněny na základě dlouholetých časových řad.
Z těchto předběžných experimentů - a z obdobných výzkumů, jež jsou připravovány např. v rámci projektu BAHC / IGBP (Biospheric Aspects of Hydrological Cycle/ Int. Geosphere-Biosphere Program) je zřejmé, že účinky změněného způsobu využívání území (land-use changes) na povodňový režim jsou aktuálním problémem nejen v našich podmínkách, a že žádoucí výzkum by měl být organizován jako multidisciplinární projekt; v mezinárodních projektech se uplatňují tzv. koncepty SVAT (Soil - vegetation - atmosphere transfer).
- Buchtele, J.: Změny povodňového režimu, jejich příčiny a vyšetřování (Úvodní referát sekce 2). Konf. Krajina a povodně ´97, Brno 13.-14. listopad 1997.
- Buchtele, J., Buchtelová M., Fořtová, M.:Comparisons of simulated runoff in basins with different vegetation and geomorphology. Conf. FRIEND'97, Postojna, Slovenia, Sept. 1997. LOC proceedings of poster presentation - FRIEND´97. Acta hydrotechnica 15/19 (1997), Ljubljana, pp. 79-84.
- Buchtele, J., Hladný, J., Krejčí, J., Němec, J., Zezulák, J.: Simulace velkých povodní modelovacím systémem AquaLog. Sborník posteru konf. Krajina a povodně ´97, Brno 13. - 14. listopadu 1997, 2/6.
- Buchtele J., Herrmann A., Maraga F., Bajracharya O. R.: Simulations of effects of land-use changes on runoff and evapotranspiration. Int.Conf. "Head Water", Merano, April 1998.
2.8 Přímé separace koloidních příměsí ve fluidní vrstvě zrnitého materiálu
S.Mutl
Při úpravě vody je jedním ze základních procesů agregace destabilizovaných koloidních částic v agregáty separovatelné usazováním nebo filtrací. Kontakty agregujících částic jsou vyvolány jejich pohybem vyvolaným prouděním vody nebo mícháním mechanickými způsoby. Při ověřování míchání ve fluidní vrstvě, které mělo odstranit některé nevýhody dříve uvedených způsobů bylo zjištěno, že ve fluidní vrstvě dochází kromě vzájemné agregace destabilizovaných částic i k jejich agregaci na povrchu zrn materiálu tvořícího náplň fluidní vrstvy ve formě pevného, bezvodového pseudokrystalického obalu.
Podmínky přímé separace byly ověřovány modelovým měřením v některých úpravnách v ČR a provozně ověřovány v úpravnách Želivka a Vír. Výzkum ukázal, že průběh separačního procesu a jeho účinnost jsou závislé na působení řady chemických a fyzikálních faktorů.
Z chemických faktorů má rozhodující význam stupeň destabilizace koloidních částic, podmíněný typem použitého destabilizačního činidla a jeho množstvím. Ověřovány byly ve vodárenství běžně užívané hydrolyzující soli hliníku a železa. Při použití síranu hlinitého je dosahováno výrazně vyšších separačních účinností než při použití síranu nebo chloridu železitého. Při použití všech činidel dochází k nejúčinnější separaci při dávkách na počátku oblasti optima, při hodnotách pH vody okolo pH = 6,0.
Průběh separace je výrazně ovlivňován teplotou vody. Nejúčinnější separace je dosahováno při teplotách kolem 4,0 oC; s růstem teploty účinnost klesá a při teplotách nad 15,0 oC je téměř nulová. Výrazný vliv na separační účinnost má i doba mezi nadávkováním činidla a vstupem destabilizovaných částic do fluidní vrstvy. Nejvyšší separační účinnost je dosahována, pokud dochází k destabilizaci těsně před vstupem do vrstvy, v závislosti na teplotě v rozmezí 15 až 30 s. Při delších dobách dochází ještě před vstupem do vrstvy k vzájemné agregaci destabilizovaných částic a tvorbě agregátů separovatelných standardními postupy.
Účinnost separačního procesu není ovlivněna zrnitostí použité náplně. Vzhledem k tomu, že s rostoucí zrnitostí klesá velikost aktivního povrchu, jsou jemnější náplně výhodnější. Jako vyhovující a provozně použitelná se jeví náplň o zrnitosti d = 0,315 až 0,71 mm. Použití zrnité náplně umožňuje aplikaci vysokých gradientů rychlosti.
Vliv typu odstraňovaných příměsí je zanedbatelný. Separovány jsou všechny příměsi schopné destabilizace, případně krystalizace. Analýzy obalových vrstev získaných na různých typech vod ukazují, že se jejich složení rovná složení kalů získaných při úpravě standardními technologiemi.
Obsah vody v obalové vrstvě byl ve všech případech nižší než 5 % a oddrcená obalová vrstva získaná při destabilizaci síranem hlinitým byla zpracovatelná na výrobu Al2O3.
- Mutl S., Knesl B: Application of a fluidized layer of granular material to the treatment of surface water. Part. I. Aggregation efficiency of the layer. (Přijato k publikaci v J. Wtr. Supply Res. and Technol. Aqua)
- Mutl S.: Application of the fluidized layer of granular material in the water treatment. Part I. Hydrodynamic properties of the fluidized layer. (Zasláno k publikaci v Journ. of Hydrology and Hydromechanics)
- Mutl S., Polášek P.: Evaluation of the treatability of water and of the course of the treatment processes. Part I. Methodology. (Zasláno k publikaci v Journ. Am. Wtr. Wks. Assn.).
2.9 Výzkum rychlostních polí ve vybraných uspořádáních proudění s volnou hladinou
(P.Vlasák, Z.Chára
Na základě experimentálního výzkumu byl určen vliv horizontálních cylindrických překážek umístěných kolmo na směr proudění na změny tokových charakteristik proudění s volnou hladinou v otevřeném hydraulickém kanálu. Byly studovány válcové překážky různých průměrů umístěné v různých polohách nad pevným dnem i částečně zapuštěné do dvou typů dnových sedimentů z nekohezivních materiálů (říční písek o velikosti zrna 0,2mm a 0,65mm).
Metodou LDA byly měřeny rychlostní profily v prostoru pod válcem a v oblasti mezi válcem a volnou hladinou, bylo stanoveno rozdělení průtoků pod a nad válcem v závislosti na průměru válce, velikosti štěrbiny mezi dnem a válcem a na výšce hladiny. V závislosti na poloze válce nade dnem byly určeny hodnoty tečných napětí na dně. Z měření rychlostního pole u povrchu válce vyplývá, že skutečné rychlosti jsou zde výrazně nižší než hodnoty získané z potenciální teorie či z numerických simulací komerčními softwarovými produkty.
Byly sledovány podmínky vzniku úplného výmolu vlivem přítomnosti válce v proudu. Při částečném zapuštění je vznik úplného výmolu závislý na velikosti tlakového gradientu před a za válcem a na intenzitě působení vírových struktur za válcem. V případě umístění válce těsně pod úroveň dna dochází ke vzniku výmolů bez ohledu na velikost tlakového gradientu.
- Vlasák, P. and Chára, Z.: The effect of bed roughness and horizontal obstacles on velocity field in open channel. Proceeding of the 9th International Conference "Transport and Sedimentation of Solid Particles", Krakow, Poland, Sept. 1997, Vol. 1, p.243.
- Abubaker, M.: Uniform flow in an open channel and around a horizontal circular cylinder. Ph.D.Thesis, FSv ČVUT / ÚH AV ČR, Praha 1997.
- Vlasák, P., Chára, Z. : Vliv válcové přepážky na proudění v otevřených korytech. Sborník "Dynamika tekutin '96", ÚT AV ČR, Praha 1996,, 65.
2.10 Příprava a charakterizace nanostrukturovaných mnohovrstvých struktur C-N/TiNx - třetí generace tvrdých povlaků pro nástroje
J.Sobota , G.Sorensen, H Jensen
Povlakování nástrojů výrazně zvyšuje jejich užitnou hodnotu nejen redukcí otěru povrchu nástroje, a tím i jeho výrazně vyšší životnosti, ale v neposlední řadě lepším opracování povrchu součástky. Tzv. první generace povlaků (např. TiN), jsou v hojné míře používány v průmyslových aplikacích, zatímco vrstvy druhé generace (např. TiCN, TiAlN) jsou v současnosti do výroby intenzivně zaváděny. Třetí generace povlaků - mnohovrstvé nanostrukturované povlaky, jsou ve stadiu zkoumání, i když dnes už existují indicie počátku jejich praktického využívání v progresivních oborech vyspělých ekonomik.
V průběhu roku 1997 pokračovala v této oblasti naše úzká spolupráce s laboratoří povrchů a tribologie Ústavu fyziky a astronomie Aarhuské univerzity v Dánsku. Spočívala zejména v přípravě a charakterizaci C-N/TiNx mnohovrstev s tloušťkami dvouvrstev v oblasti nanometrů, které byly vytvářeny reaktivním magnetronovým naprašováním. Výsledky zcela potvrzují výše uvedené předpoklady umožňující realizaci tvrdých povlaků zcela výjimečných vlastností.
- H. Jensen, J.Sobota, G.Sorensen: Growth and tribological characterization of C-N multilayer films. ICMCTF April 21-25, 1997 San Diego, CA ( přijato do Surface Coat. and Technol.)
- H.Jensen, J.Sobota, G.Sorensen: Growth of nanostructured C-N/TiNx multilayers reactively sputtered in pure nitrogen 44th AVS National Symposium October 20-24,1997 , San Jose, CA (přijato do J.Vac.Sci.Technol. A)
2.11 Kvantifikace zobecněných signálů a spekter nukleární magnetické rezonance
Aleš Gottvald, Roman Malczyk
Mnohé diagnosticko-analytické metody pro příští století budou založeny na jevech nukleární magnetická rezonance (NMR). Unikátní a nesmírně závažné možnosti této metodiky v řadě oborů (např. biomedicína, ekologie, potravinářství, petrochemie) podstatně závisí na rozvoji nových metod pro analýzu (kvantifikaci) vysoce neideálních (zobecněných) signálů a spekter NMR.
Byla vytvořena teorie, metodologie i počítačové programy pro kvantifikaci zobecněných signálů a spekter NMR. Výsledek podstatně rozšiřuje možnosti závažných experimentů NMR v neideálních a mezních stavech, kde konvenční fourierovská kvantifikace již naráží na působení mnoha zkreslujících a poruchových vlivů. To otevírá nové možnosti pro nedestruktivní kvantitativní chemickou analýzu v biomedicíně, ekologii, petrochemii, potravinářství. Principem nové metody jsou inverzní, optimalizační a statistické postupy (zejména evoluční bayesovská dekonvoluce), a také fyzikální zobecnění jevů NMR. Přínos spočívá v podstatném zpřesnění, urychlení, a v mnoha případech i podstatném zlevnění (dosud velmi nákladné) metodiky NMR. Výsledek je doposud unikátní v celosvětovém kontextu a byl již průběžně prezentován na mezinárodním fóru.
- Gottvald A.: "A Survey of Inverse Methodologies, Meta-Evolutionary Optimization and Bayesian Statistics: Applications to In Vivo MRS". Int. J. of Applied Electromagnetics and Mechanics 8 (1997), pp. 17-44
- Gottvald A., Malczyk R.: "Geometry of Generalized Signals & Spectra in MRS". Journal of Electrical Engineering 48 (1997), 8/S, pp. 141-144 (Proc. of the 4th Japanese - Czech - Slovak Joint Seminar on Applied Electromagnetics, Stara Lesna (SK), Sept. 18-20, 1997)
2.12 Elektronové excitace v pevných látkách
Zdeněk Šroubek
Elektronické excitace vyvolané dopadem nebo pohybem rychlých, t.j. hypertermálních atomů v pevné fázi jsou studovány řadu let, protože hrají významnou roli v moderních mikroelektronických technologiích. Při energetických srážkách atomů elektronická excitace vzniká v důsledku kvantově mechanického Pauliho vylučovacího principu a mechanismus je znám. Při nízkoenergetických srážkách, které jsou častější, se předpokládá, že excitace vznikají v důsledku přímých binárních srážek atom-elektron. Tyto klasické srážkové procesy jsou však velmi neúčinné, v rozporu s experimentálním pozorováním a lze předpokládat existenci dalších excitačních mechanismů. Některé studijní práce, prováděné experimentálně i teoreticky v oddělení diagnostiky polovodičů v ÚRE AV ČR, jsou věnovány této tématice. K tomu účelu bylo vyvinuto speciální experimentální zařízení umožňující studovat emisi elektronů a iontů z pevné látky při dopadu iontů, elektronů a rychlých elektronů a byla navázána spolupráce s několika pracovišti v USA a BRD, kde jsou prováděny komplementární experimenty. V rámci této aktivity byl navržen a experimentálně prověřen mnoha-elektronový excitační mechanismus [1] v GaAs, mechanismus povrchových elektron-děrových párů při rozptylu iontů [2] a proces vytváření excitovaných neutrálů [3] ve srážkových kaskádách.
- Šroubek Z.: Electron emission from solids bombarded by slow neutrals. Phys. Rev. Letters 78, 1997, 3204.
- Varmoff J.A., Liu T.D., Qiu S.R., Šroubek Z.: Mechanism of electron emission from Al(100) bombarded by slow Li+ ions. Phys.Rev. Letters, (accepted for publication).
- Wucher A., Šroubek Z.: Formation of metastable excited states in sputtering. Phys.Rev. 55, 1997, 780.
2.13 Kódová synchronizace sdělovacích systémů s rozprostřeným spektrem
Jan Šimša
Sdělovací systémy s rozprostřeným spektrem se vyznačují několika unikátními vlastnostmi, především vysokou odolností proti (nekorelovaným) interferencím a možností mnohonásobného využití sdělovacího kanálu v kódovém multiplexu, kterých je dosaženo za cenu složitějšího kódování/dekódování a synchronizace systému. Stejně jako systémy se skákáním kmitočtu používají systémy s přímým rozprostřením spektra periodických rozprostíracích kódových posloupností s dobrými korelačními vlastnostmi, které jsou v kodéru přičítány k přenášené datové posloupnosti, takže vysílaný signál je touto posloupností modulován. V přijímači je třeba určit neznámou časovou polohu jinak apriori známé kódové rozprostírací modulace přijímaného signálu. Počáteční kódovou synchronizací nazývaný hrubý odhad polohy kódové modulace získáváme testováním vzájemné polohy této modulace a její místně generované repliky v ekvidistantních bodech, pokrývajících interval neurčitosti polohy kódového signálu. K testování lze použít detektoru s opakovaným výpočtem korelace mezi signály v daném bodě s postupným (sériovým) testováním jediným detektorem v bodech uvažovaného pokrytí. Optimalizací parametrů detektoru minimalizujeme střední hodnotu náhodné doby dosažení synchronizace nebo maximalizujeme pravděpodobnost synchronizace v zadaném časovém intervalu. Proces synchronizace je popsán Markovovským řetězcem; názorná je reprezentace grafem signálových toků. Výzkum se zaměřil na optimalizaci procesu počáteční synchronizace v případě komunikačního kanálu s neselektivními úniky resp. s Dopplerovým posuvem.
- Šimša J.: DS-SS Serial Search Code Acquisition in Time-Variant Channel, Proc. IEEE 4-th Int. Symp. on Spread Spectrum Techniques and Appl. Mainz, Germany, 1996, 771-775.
- Šimša J., Tříska I.: Direct Sequence Spread Spectrum Receiver-Code Acquisition by Envelope Corelator, Turkish Journal of Physics, vol. 20, No. 4, 1996, 413-419.
- Šimša J.: Direct Sequence Spread Spectrum Code Acquisition in Fading Channel: Mean Acquisition Time of Serial Search Multiple-Dwell Detector, Proc. IEEE MILCOM Conf., Monterey, CA, USA 1997, 1356-1360.
- Bezucha P.: Analýza vlivu Dopplerova jevu na činnost obvodu seriové počáteční synchronizace komunikačního systému se spektrem rozprostřeným..., disertační práce ÚRE AV ČR,Praha 1997.
2.14 Výzkum elektromagnetické aktivity živých buněk
Jiří Pokorný, František Jelínek, Fedor Šrobár, Viktor Trkal
V ÚRE AV ČR se ve spolupráci s katedrou mikroelektroniky Fakulty elektrotechnické ČVUT a s mikroelektronickou firmou ICM studuje emise elektromagnetického záření individuálních živých buněk. Motivaci pro tento směr výzkumu poskytly práce naturalizovaného anglického fyzika H. Fröhlicha, který koncem šedesátých let vytvořil matematický model soustavy vázaných oscilátorů, které jsou čerpány z vnějšího zdroje a mají lineární a nelineární vazby s okolím. Fröhlich vyslovil domněnku, že tento model lze použít na popis chování polárních struktur v živých buňkách. Energie je dodávána z metabolických zdrojů buňky (např. štěpení energeticky bohatých molekul ATP). Za vhodných podmínek jsou kmity jednotlivých molekulárních oscilátorů synchronizovány a vznikají koherentní kolektivní oscilace. Podle zákonů elektrodynamiky musí takový systém generovat elektromagnetické pole v blízkém okolí. Vzhledem k mikroskopickým rozměrům buněk (řádově tisíciny mm) je výkon emitovaný individuální buňkou velice malý (řádově 10-15 W), také dosah příslušného elektromagnetického pole nepřevyšuje hodnoty řádu 10 až 100 nm (t.j. 10-5 až 10-4 mm). Měření těchto jevů tedy představuje náročný technický problém. Strategie použitá v ÚRE je založena na kombinaci mikrobiologie a mikroelektroniky: jednotlivé buňky jsou posazeny na rozměrově adekvátní elektrody vytvořené na mikroelektronickém čipu, který tedy plní úlohu senzoru pro sledovanou emisi. Zachycený extrémně slabý signál se detekuje a zpracovává standardním postupem. Tento směr výzkumu by mohl v budoucnu poskytnout významné metodické prostředky jak pro biologii, tak pro mikrobiologickou praxi.
- Jelínek F., Šaroch J., Trkal V., Pokorný J.: Measurement system for experimental verification of Fröhlich electromagnetic fields. Bioelectrochemistry and Bioenergetics 41, 1996, 35-38.
- Pokorný J., Jelínek F., Trkal V., Šrobár F.: Vibrations in microtubules. Second World Congress for Electricity and Magnetism in Biology and Medicine, Bologna, Italy 1997. Abstracts 81-82.
- Šrobár F., Pokorný J.: Quest for bistable behaviour in the Fröhlich systems. Ibid., 153-154.
- Pokorný J., Jelínek F., Trkal V., Lamprecht I., Hölzel R.: Vibrations in microtubules. J. Biol. Phys., (v tisku).
2.15 Obecná mezomechanická koncepce modelování nepružné deformace, kumulativního poškození a lokalizace
Ing.Vratislav Kafka, DrSc., Ing. David Vokoun,CSc.
Byla vypracována obecná mezomechanická koncepce modelování nepružné deformace, kumulativního poškození a lokalizace. Koncepce vychází z popisu změn ve struktuře materiálů. Při stále rostoucí deformaci vedou tyto změny k postupné kumulaci poškození, lokalizaci deformace a nakonec k vyčerpání pevnosti. U kovových materiálů je v modelovém popisu rozdělena celková struktura do dvou substruktur; substrukturu se snadno probíhající plastickou deformací (oblasti pravidelné atomové mřížky) a substrukturu bariér, které plastické deformaci brání. Kumulativní poškození je popsáno jako postupné prolamování bariér, jako postupné snižování spojitosti bariérové substruktury. Dosáhne-li tento proces určitého stupně, vede to k lokalizaci deformace.
Jako modelový nejjednodušší případ takového procesu byl vybrán proces vytváření krčku u tahové zkoušky vzorků s kruhovým průřezem. Byl vypracován model pro popis pracovního diagramu až do porušení, ve kterém je celkový průběh rozdělen do tří fází : (i) první fáze s plastickou deformací beze změn struktury, (ii) druhá fáze s kumulativním poškozením struktury, ale s přetrvávající makroskopicky homogenní deformací, (iii) třetí fáze s pokračujícím kumulativním poškozením a vytvářením krčku. Teoretický popis byl konkretizován pro jeden druh sorbitické oceli a hliníkovou slitinu AlMg3. Experimentální část výzkumu byla realizována ve spolupráci s pracovníky katedry materiálů fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT, zatím v zaměření na experimentální studium změn ve struktuře v krčku vzorků slitiny AlMg3 po tahové zkoušce do porušení.
- V.Kafka: Localization of plastic deformation: Mesomechanical energetic interpretation and modeling, ZAMM 77 (1997)S1, 147-148.
- V.Kafka : On mathematical modeling of the material structure changes in the plastic localization bands, Proc.IUTAM-Symp.´Micro-and Macrostroctural Aspects of Thermoplasticity´, Bochum 1997, in print.
- V.Kafka : General mesomechanical concept of modeling inelastic deformation, continuum damage and localization , Acta Technica CSAV, in print.
2.16 Přechod od deterministických k pravděpodobnostním koncepcím posudku spolehlivosti nosných konstrukcí
V dlouhodobém vývoji navrhování stavebních konstrukcí byla jejich spolehlivost posuzována zprvu zcela zjednodušeně deterministickými metodami na základě zkušenosti projektanta, při čemž byla spolehlivost vyjádřena jediným součinitelem. Zhruba od poloviny dvacátého století jsou do projekční praxe zaváděné metody polo-pravděpodobnostní uplatňující rozbor náhodných veličin, při čemž jsou odděleně analyzovány veličiny reprezentující odolnost a účinky zatížení. Metoda označovaná jako "metoda dílčích součinitelů" je založena na t.zv. návrhovém bodu a indexu spolehlivosti. Tato koncepce slouží v současné době při tvorbě EUROCODů, severoamerických norem AISC-LRFD, norem japonských atd. Z hlediska projektanta je možno tuto metodu považovat za deterministickou, neboť projektant musí aplikovat hodnoty, postupy a kritéria uvedená v normě, aniž má možnost přesvědčit se o skutečných rezervách, či pravděpodobnosti poruchy navržené konstrukce.
S uvedením mocné výpočetní techniky do praxe a s dostupností moderních osobních počítačů každému projektantovi vznikají předpoklady k uplatnění kvalitativně nových plně pravděpodobnostních koncepcí posudku spolehlivosti. K prvním návrhům takové koncepce aplikovatelné v praxi ve světovém měřítku patří metoda SBRA (Simulation-based Reliability Assessment vyvinutá v poslední dekadě a dále rozvíjená v ÚTAM AV ČR ve spolupráci s dalšími pracovišti. Tato metoda vychází z reprezentace vstupních veličin useknutými histogramy, využívá k rozboru funkce spolehlivosti simulační techniku a spolehlivost vyjadřuje pravděpodobností poruchy. Zavedení této metody do praxe si vyžádá "reengineering" (t.j. zásadní přehodnocení) celého procesu posuzování spolehlivosti a změnu myšlení projektantů spočívající v přechodu od dosavadního "deterministického" k "pravděpodobnostnímu" myšlení.
Lze zdůraznit, že nikdy dříve v historii inženýrství nedošlo z hlediska posuzování spolehlivosti konstrukcí k tak radikální změně, jakou nutně vyvolá zavedení výpočetní techniky. Pracovníci výzkumu, normalizační komise a uživatelé norem se musí připravit na překonání "předělu" mezi érou logaritmického pravítka a érou počítačů. K úspěšnému překonání tohoto předělu zejména z hlediska vytvoření vědecko-technické báze pro konkretizaci metody SBRA má přispět řešený projekt.
Závěrem nelze opomenout, že v České republice norma pro navrhování konstrukcí viz (ČVN 73 140) zřejmě jako první na světě dovoluje aplikaci plně pravděpodobnostního posudku spolehlivosti využívajícího simulační techniku.
- Kniha - Marek,P., Guštar,M. and Bathon, L.: Tragwerksbemessung. Von deterministischen zu probabilistischen Verfahren. Připraveno k tisku 1997.
- Journal - Marek, P., de Almeida,A., and Guštar,M. (1997). Evaluation par une methode de Monte-Carlo de la fiabilite de structures metalliques soumises a un incendie. (Probability of Failure of Steel Component Exposed to Fire - in French). Construction Metallique No 2 - 1997, pp. 19-32. Paris.
- Konference - Marek, P., Guštar, M., Teplý, B., Novák, D., Keršner, Z. (1997). Sensitivity Analysis in Simulation-Based Reliability Assessment of a Structure. ICISSAR´97, Kyoto, Japan.
2.17 Korelace změn ultrazvukových zobrazení s plošným rozložením zdrojů akustické emise při víceosém namáhání kompozitových trubek
Z.Převorovský, M.Landa, M.Blaháček
V rámci mezinárodního projektu COPERNICUS byly společně s LMARC Besançon realizovány kvazistatické zatěžovací zkoušky vinutých trubek z kompozitu sklo-epoxid. Při kombinovaném namáhání (tah - vnitřní přetlak) byly zaznamenávány signály akustické emise a sledovány změny ultrazvukového C-zobrazení struktury kompozitu s rozlišením 0,3 mm. K plošné lokalizaci emisních zdrojů na anizotropní trubce byl použit algoritmus umělé neuronové sítě, trénované na počítačových simulacích, využívajících experimentálně určené úhlové diagramy rychlosti šíření napěťových vln. Takto navrženým algoritmem bylo možné lokalizovat zdroje s relativně vysokou přesností (5 mm). Bylo ověřeno, že neuronovou síť, natrénovanou na jedné konstrukci lze beze změn použít pro lokalizaci zdrojů na jiné konstrukci se stejnou anizotropií.
Na základě korelací ultrazvukových zobrazení defektů s plošnými distribucemi emisních zdrojů a s mikroskopickým pozorováním poškozených oblastí, byly identifikovány dva hlavní mechanismy porušování trubek, závislé na způsobu namáhání: vytváření mikrotrhlin v matrici podél vláken a postupná delaminace jednotlivých vrstev vinutí. Zkoušky rovněž prokázaly velmi nízkou vrubovou citlivost testovaných materiálů. Výsledky zkoušek ukázaly nutnost revize stávajících modelů poškozování kompozitové konstrukce při kombinovaném namáhání. Zjištěné skutečnosti přispějí k optimalizaci výrobní technologie korozivzdorných kompozito-vých potrubí pro náročné aplikace, např. na jaderných elektrárnách.
- Z. Převorovský, M. Landa, M. Blaháček, D. Varchon, J. Rousseau, L. Ferry, D. Perreux: Ultrasonic scanning and acoustic emission of composite tubes subjected to multiaxial loading,. Ultrasonics International, Delft, 2-4 July 1997 (v tisku)
- Z. Převorovský, M. Landa, M. Blaháček: Akustická emise a ultrazvuková defektoskopie kompozitových trubek, Sborník mezinárodní konference Defektoskopie´97, Praha, listopad 1997, 143-156
