2. Sekce aplikované fyziky

Seznam anotací:

1. Creep kovových materiálů za podmínek konstantní struktury (ÚFM)
2. Magnetismus a stabilita tenkých epitaxních vrstev chrómu na substrátu Fe(001) (ÚFM)
3. Mikrostruktura slitin Ti-V-C (ÚFM)
4. Kapalinou stabilizované plazmatrony (ÚFP)
5. Anomální interakce dolně hybridních vln s tokamakovým plazmatem (ÚFP)
6. Skenovací monochromátor (ÚE)
7. Výsledky měření a analýzy přilnutí bílých krvinek k povrchu cév (ÚH)
8. Využití vznášené vrstvy zrnitého materiálu při úpravě povrchové vody (ÚH)
9. Robustní protonová in vivo NMR spektroskopie lidského mozku (ÚPT)
10. Polovodičový laser jako etalon vlnové délky (ÚPT)
11. Metody zkoumání povrchové struktury měkkých biologických tkání v hraničních podmínkách environmentální rastrovací elektronové mikroskopie (ÚPT)
12. Racionální interpretace Aharonova-Bohmova jevu bez paradoxů nelokality (ÚPT)
13. Optické senzory s povrchovými plazmony pro detekci chemických a biologických látek (ÚRE)
14. Automatická segmentace řeči pomocí syntézy řeči a dynamického programování (ÚRE)
15. Dvoujádrová optická vlákna pro vláknové lasery (ÚRE)
16. Rozvoj a aplikace hypoplastického modelu (ÚTAM)
17. Role povrchové zóny kloubní chrupavky synoviálních kloubů člověka (ÚTAM)
18. Nástroje pro ochranu a zhodnocení kulturního dědictví v historických městech (ÚTAM)
19. Studium problematiky znečištění ovzduší v ulici metodou fyzikální simulace v aerodynamickém tunelu (ÚT)

2.1. Creep kovových materiálů za podmínek konstantní struktury

K.Milička

Dosavadní metody badatelského výzkumu fyzikální podstaty mechanizmů vysokoteplotního tečení (creepu) kovových materiálů vyčerpaly své možnosti. V Ústavu fyziky materiálů AV ČR byla formulována a teoreticky zdůvodněna nekonvenční technika creepu při konstantní struktuře. Technika umožňuje významně rozšířit poznatky o tepelně aktivovaných mechanizmech deformace určujících žárupevnost kovových materiálů různých strukturních typů a její výsledky jsou aplikovatelné při efektivním vývoji žárupevných slitin. Výhody techniky byly dokumentovány její aplikací při výzkumu creepu řady kovů a slitin, zejména pak slitiny uspořádané Cu50%Zn, která je modelovou slitinou technicky významné skupiny intermetalik, na nichž je založen vývoj moderních žárupevných slitin pro použití při velmi vysokých teplotách.

• Milička, K.: Creep behaviour of long range ordered Cu50Zn alloy. - Acta Mat. 47: 1831-1843 (1999).

2.2. Magnetismus a stabilita tenkých epitaxních vrstev chrómu na substrátu Fe(001)

I. Turek

Pomocí kvantově-mechanických výpočtů elektronové struktury byly studovány vzájemné souvislosti mezi magnetickými a strukturními vlastnostmi velmi tenkých chrómových filmů (s tloušťkami 1 až 6 monovrstev) na polonekonečném substrátu Fe(001). Na základě analýzy celkových energií kvalitativně odlišných spinových konfigurací bylo zjištěno, že v důsledku interdifúze na rozhraní Cr/Fe dochází ke změně znaménka magnetické výměnné vazby mezi antiferomagnetickým chrómovým filmem a feromagnetickým železným substrátem. Získané výsledky představují teoretickou podporu pro interpretaci nedávných experimentů na systému Fe/Cr/Fe(001), který je základem moderních magnetorezistivních senzorů. Vypočtené celkové energie navíc velice dobře reprodukují experimentálně zjištěné tendence k meziatomární výměně: filmy s tloušťkou 1 monovrstvy chrómu vykazují výraznou tendenci k interdifúzi a k tvorbě dvoudimenzionální povrchové slitiny Cr-Fe, zatímco filmy s tloušťkou 2 monovrstev jsou vůči interdifúzi prakticky stabilní. Srovnání energií systému v magnetickém a (hypotetickém) nemagnetickém stavu vede k závěru, že tyto tendence jsou přímým důsledkem existence magnetických momentů a jejich konkrétního uspořádání.

• I. Turek: Stability and magnetism of ultrathin Cr films on a Fe(001) substrate, Czech. J. Phys. 49 (1999) 1639-44.

2.3. Mikrostruktura slitin Ti-V-C

J. Buršík

Byly získány původní výsledky o vlastnostech titan vanadových slitin s vysokým obsahem uhlíku. Studium těchto slitin má velký význam pro pochopení chování moderních materiálů, ve kterých hrají sloučeniny těchto prvků významnou roli jako elementy určující jejich fyzikální i mechanické vlastnosti. Ukázalo se, že výchozí nízkouhlíková fáze Ti-V, označovaná jako β fáze, se při kalení v závislosti na obsahu vanadu buď transformuje na hexagonální martensit nebo vznikají malé domény fáze ω. Dále bylo zjištěno, že ve fázi (Ti,V)C dochází při rychlém kalení ke vzniku uspořádané struktury typu Ti₂C, typické pro substechiometrické karbidy TiC_x (0,5<=x<1) s uspořádáváním vakancí v uhlíkové podmřížce této fáze. Zobecněním interpretace rozložení intenzity v elektronových difraktogramech se podařilo rozšířit dosavadní teoretický model popisu vlivu uspořádání na krátkou vzdálenost tak, aby umožňoval získat z elektronových difraktogramů realističtější hodnoty parametrů α_i používaných k popisu uspořádání. Problematika uspořádání na krátkou vzdálenost ve stechiometrických systémech typu A_0.5B_0.5 s plošně středěnou kubickou mřížkou byla rozebrána obecněji a byla navržena metoda určení interakčních parametrů rozhodujících o typu a kinetice uspořádání ze znalosti parametrů uspořádání v počátku tohoto procesu.

• J. Buršík and G. C. Weatherly: Ordering of substoichiometric delta-TiC_x phase in TiVC alloys. physica status solidi (a) 174(2), pp. 327-335, 1999.
• J. Buršík and G. C. Weatherly: Transformation of the beta-(Ti,V) phase in Ti-V-C alloys. Scripta Materialia 40(12), pp. 1381-1386, 1999.
• J. Buršík and G. C. Weatherly: A study of short range order in an fcc-based stoichiometric A_0.5B_0.5 solid solution. physica status solidi (a) 176(2), pp. 835-842, 1999.

2.4. Kapalinou stabilizované plazmatrony

M. Hrabovský, V. Kopecký, M. Konrád, V. Sember, J. Jeništa, P. Kotalík

V ústavu jsou jako na jediném pracovišti ve světě vyvíjeny a studovány plazmatrony využívající pro vytvoření proudu termického plazmatu obloukový výboj stabilizovaný vírem kapaliny. V těchto unikátních zařízeních se dosahuje extrémně vysokých teplot 30 tis. stupňů, rychlostí až 7 km/sec a výrazně vyšší účinnosti při plazmovém stříkání než u běžně užívaných plynových plazmatronů.

Byla vytvořena teorie procesů v těchto generátorech včetně modelů zahrnujících procesy v oblouku i v generovaném proudu plazmatu. Výsledky těchto studií umožnily navrhnout a následně pokusně potvrdit možnost zvýšit účinnost plazmatronu a výstupní rychlosti plazmatu přidáním malého množství ethylalkoholu do stabilizační kapaliny. Na základě kombinace modelových výpočtů s experimenty byla nalezena konfigurace výstupní trysky vedoucí k dalšímu zvýšení rychlosti plazmatu, čehož bylo využito k návrhu nového typu plazmatronu s optimalizovanou výbojovou komorou a novým typem elektrod.

• Hrabovský, M., Konrád, V., Kopecký, V., Sember, V.: Properties of water stabilized plasma torches. - In: Solonenko, O.P. (ed.): Thermal Plasma Torches and Technologies. Vol. 1. Pp. 240-255. Cambridge Int. Sci. Publ., Cambridge 1999.
• Jeništa, J.: Water-vortex stabilized electric arc: I. Numerical model. - J. Physics D: Appl. Physics 32: 2763-2776 (1999). II. Effect of non-uniform evaporation of water. - J. Physics D: Appl. Physics 32: 2777-2784 (1999).

2.5. Anomální interakce dolně hybridních vln s tokamakovým plazmatem

L. Krlín, P. Pavlo, R. Klíma, V. Petržílka

Absorbce dolněhybridních vln v plazmatu tokamaku se obvykle určuje užitím kvazilineární teorie. Tato analytická teorie byla odvozena perturbační metodou, a je tudíž aplikovatelná pouze pro dostatečně nízké hustoty energie vln. V současných tokamacích se k ohřevu a generaci toroidálního vlečeného proudu používají výkony, které již nemusí opravňovat použití kvasilineární teorie.

V našich pracích jsme se touto otázkou podrobně zabývali a srovnávali jsme velikost absorbce vln plazmatem, plynoucí z kvazilineární teorie, s hodnotami určovanými numerickou simulací, která je založena na přímé integraci pohybových rovnic pro testovací částice. Původní popis vycházel z přibližného hamiltoniánu popisujícího pohyb částic ve vysokofrekvenčním poli v úplné třírozměrné geometrii tokamaku. Ukázalo se, že nejpodstatnější charakteristiku interakce částic s LH vlnou, tedy koeficient difúze, lze dostatečně přesně získat i pomocí podstatně jednoduššího jednorozměrného modelu uvažujícího prostorovou lokalizaci vysokofrekvenčního pole. Toto zjednodušení umožnilo provést výpočty dynamiky pro rozsáhlé soubory částic a docílit statisticky věrohodných výsledků pro široký rozsah parametrů. Důležitou skutečností je zde okolnost, že částice ztrácejí korelaci již prakticky po jediném průletu oblasti vysokofrekvenčního pole, a místo časového ustřednění lze použít ustřednění po souboru.

Z uvedených numerických simulací byla odvozena mez pro použitelnost kvazilineární teorie, která se pohybuje kolem 30 kV/m, a je tedy až desetkrát nižší než hodnoty dosahované v současných experimentech. Pro tyto vysoké hodnoty intenzity elektrického pole se difúzní koeficient i charakter interakce podstatně liší od kvazilineárního popisu:

• To se projevuje zejména:několikanásobným rozšířením oblasti interakce v rychlostním prostoru, dochází tedy k urychlování pomalejších elektronů, které jsou dle klasických představ nerezonanční,
• Částice se urychlují, že jsou vtahovány do resonanční oblasti během několika málo průletů oblastí vysokofrekvenčního pole,
• V důsledku toho se rozdělovací funkce elektronů stává v oblasti resonance nemonotonní, což povede k destabilizaci Langmuirovských vln stejným mechanizmem, jako v případě svazkové nestability. Lze očekávat, že tento efekt bude nejsilnější pro částice pohybující se na racionálních magnetických plochách.

Ukazuje se, že uvedený mechanizmus interakce je analogický anomálnímu urychlení elektronu před ústím antény, kterou se vysokofrekvenční energie vstřikuje do plazmatu.

• P. Pavlo and L. Krlín: Limits of applicability of the quasilinear approximation to the lower hybrid wave-plasma interaction. Plasma Phys. Contr. Fusion Vol. 41, No.4 (1999), 541-550.
• P. Pavlo, L. Krlín, R. Klíma, V. Petržílka, R. Pánek: Resonance Broadening by the interaction of Spatially Localised LH waves with Plasma. 26^th EPS Conference on Contr. Fusion and Plasma Phys., Maastricht, ECA Vol. 23J (1999), 85-88.
• L. Krlín, R. Klíma, P. Pavlo, V. Petržílka, V. Svoboda and J.A. Tataronis: Transport of Intense LH pulses into a Tokamak Plasma. J. Plasma Phys. Vol. 62, part 2 (1999), 203-218.

2.6. Skenovací monochromátor

V oddělení fyzikální elektrotechniky byl pracovníky dr. Hlínou, ing. Johánkem a J. Šlechtou, prom. fyz. navržen, vyroben a vyzkoušen typu Zeiss SPM-2, který je vybaven optoelektronickým měřicím systémem a pohonem s krokovým motorem. Snímání optických spekter je řízeno počítačem, jehož programové vybavení vyvinuté ve zmíněném oddělení umožňuje snímání spekter s dvanáctibodovým rozlišením, měření časového vývoje záření nestacionárních zdrojů na vybrané vlnové délce a záznam naměřených dat A/D kartou.

Přístroj bude využíván při sledování procesu mísení proudu plazmatu s okolním prostředím v rámci studia přechodu mezi laminárními a turbulentními režimy plazmatronů. Technické řešení rovněž umožní oddělenou detekci a analýzu oscilací generovaných v pracovním médiu plazmatronu a oscilací vnášených do jádra proudu plazmatu turbulencí v hraniční vrstvě.

2.7. Výsledky měření a analýzy přilnutí bílých krvinek k povrchu cév

P.Říha

Byl určen vliv rozložení selektinových a integrinových receptorů na přilnavost bílých krvinek na stěnu cév. Bílé krvinky hrají důležitou roli v imunitním systému organismu. Jako odezva na aktivaci vyvolanou obrannými mechanismy dochází u bílých krvinek ke změnám role molekulárních receptorů na jejich povrchu projevující se zvýšenou přilnavostí k povrchovým buňkám cév a generací vnitřních sil umožňující transmigraci bílých krvinek z cévního systému do tkání. Experimentální měření provedená pomocí 3-D skaningového mikroskopu ve spolupráci s laboratoří hematologie na Lékařské fakultě Univerzity  Nancy I (Francie) zjistila rozložení výše uvedených receptorů do nepravidelných shluků. Tento poznatek byl analyzován z hlediska vlivu na mechanismus přilnutí krvinek.

Výsledky byly následující. Pravděpodobnost přilnutí bílých krvinek byla v důsledku rozložení receptorů do shluků snížena vůči pravděpodobnosti přilnutí, kdy je klasicky předpokládané rovnoměrné rozložení. Rychlost přechodného valení krvinek po stěně je rovněž snížena. Na druhé straně je zvýšena tvorba vazeb receptorů k odpovídajícím anti-receptorům na stěně cév. Vytváření vazeb je zvýšeno vlivem zjištěných konformačních změn receptorů a také vytvářením vícevalentních vazeb mezi receptory a anti-receptory. K určení podmínek valení krvinek po stěně cévy a následnému pevnému přilnutí byly analyzovány molekulové síly ve vazebním komplexu receptor a anti-receptor. Dále byla určena změna volné energie při aktivaci receptorů a vytváření vázacích komplexů. Navržený model mechanismu přilnutí specifikuje všechny nutné kroky fyziologického přilnutí bílých krvinek. Porucha kroků tohoto mechanismu vede k patologickým odchylkám, které narušují imunitní systém. Model umožňuje specifikovat patologické odchylky a jejich podstatu z hlediska molekulárního i mechaniky molekulárních vazeb.

• Stoltz, J.F., Singh, M. and Říha, P.: Hemorheology in Practice, IOS Press, Amsterdam 1999.
• P. Říha, D. Dumas, V. Latger, S. Muller, V. Labrador, J. F. Stoltz: L-selectin clusters revealed by 3-D scanning microscopy and their effect on leukocyte rolling. Biophysical Journal (zasláno do tisku).
• P. Říha, D. Dumas, V. Latger, S. Muller, V. Labrador, J. F. Stoltz: Molecular mechanisms of leukocyte rolling and tight adhesion to endothelium. International Journal of Cardiovascular Medicine and Science (zasláno do tisku).
• V. Labrador, S. Muller, M.-A. N´negue, X. Wang, P. Říha, F. Paulus, V. Latger-Cannard, D. Dumas, J.F. Stoltz: In vitro experimental approach of cell adhesion, Proceedings of the conference on Problems in Fluid Mechanics and Hydrology, Prague 1999.
• P. Říha, D. Dumas, V. Latger, S. Muller, V. Labrador, J. F. Stoltz: Leukocyte rolling and adhesion to endothelium, 12^th Conference of the European Society of Biomechanics, Dublin 2000 (text příspěvku odeslán).

2.8. Využití vznášené vrstvy zrnitého materiálu při úpravě povrchové vody

S.Mutl

V rámci laboratorních, modelových a provozních měření byly stanoveny základní podmínky pro využití vznášené vrstvy zrnitého materiálu jako technologického prvku při chemické úpravě vody s jednostupňovou separací suspenze pískovými rychlofiltry. Pro využití vrstvy jako míchacího prvku zajišťujícího tvorbu vločkovité suspenze byly jako nejdůležitější parametry vyhodnoceny : vzestupná rychlost vody ve vrstvě, určující velikost gradientu rychlosti podmiňujícího četnost kontaktů agregujících částic, a počáteční výška vrstvy, vymezující dobu působení gradientu na agregující částice. Bylo prokázáno, že vlastnosti agregátů tvořených při vysokých gradientech umožňují v provozních podmínkách zkrácení filtračních cyklů a zvýšení kapacity filtrů. Pro využití fluidní vrstvy pro přímou separaci příměsí byly jako nejdůležitější vyhodnoceny: rychlost reakcí vedoucích ke tvorbě zárodků vločkovitých částic separovatelných přímo na povrchu částic tvořících náplň fluidní vrstvy a velikost gradientu rychlosti působícího na částice při jejich zachycování i na částice zachycené. Bylo prokázáno, že za optimalizovaných podmínek je až 60% příměsí odstranitelných ve formě bezvodého obalu zrn náplně. Důsledkem je snížení množství vodnatých kalů, při čemž obalová vrstva může být využita jako průmyslová surovina.

• S. Mutl, B. Knesl: Application of a fluidised layer of granular material in the treatment of surface water. Part 1: aggregation efficiency of the layer, J.Water SRT - Aqua, 48,24 - 30, 1999
• S. Mutl, B. Knesl, P. Polasek: Application of a fluidised layer of granular material to the treatment of surface water. Part 2: separation efficiency of the layer, J.Water SRT - Aqua (přijato k publikaci).
• S. Mutl, B. Knesl, P. Polasek: Factors affecting aggregation and separation efficiency of a fluidised layer of granular material. Part 1:. treatment of low loaded surface waters , J.Water SRT - Aqua (zasláno do tisku).

2.9. Robustní protonová in vivo NMR spektroskopie lidského mozku

Zenon Starčuk, Zenon Starčuk jr., Jaroslav Horký

Mezi metodami nukleární magnetické rezonance (NMR) je protonová prostorově lokalizovaná in vivo NMR spektroskopie metodou s doposud ne plně využívaným potenciálem při diagnostice řady závažných onemocnění mozku. Mezi základní předpoklady klinické aplikace patří kvalita spekter, spolehlivá prostorová lokalizace, malý ohřev měřených tkání a robustnost metody.

K dosažení těchto cílů byla navázána spolupráce se dvěma vídeňskými pracovišti (Inst. für Medizinische Physik, Univ. Wien, a Universitätsklinik für Innere Medizin III, AKH der Stadt Wien). Na základě simulačních studií byla vyvinuta a na celotělovém 3 T spektrotomografu experimentálně ověřena robustní metoda typu STEAM necitlivá na homogenitu excitačního pole a tudíž vhodná k použití s povrchovými radiofrekvenčními (RF) cívkami, zlepšujícími citlivost měření a snižujícími nároky na budicí výkon. S využitím RF pulsů vyvinutých v ÚPT bylo dosaženo spolehlivé lokalizace spekter s minimální kontaminací měřených spekter signály z okolí sledované oblasti. K potlačení kontaminujících signálů významně přispívá i optimalizované schéma pro potlačení silného signálu vody založené na použití adiabatických pulsů, zajišťujících amplitudově necitlivou excitaci. Výborné potlačení nežádoucích signálů činí tuto metodu použitelnou i s ultrakrátkými echo-časy, které minimalizují efekty spin-spinové relaxace i artefakty plynoucí ze skalární interakce a tím zlepšují interpretovatelnost získaných spekter. Současně činí pozorovatelnými potenciálně využitelné signály makromolekulárních složek s krákými spin-spinovými relaxačními časy. Díky vhodné volbě adiabatických pulsů metoda nevede k ohřevu tkáně přesahujícímu povolené meze.

• Tkác I., Starcuk Z., Choi I., Gruetter R.: In Vivo 1H NMR Spectroscopy of Rat Brain at 1ms Echo Time. Magnetic Resonance in Medicine 41 [4] 649-656 (1999).
• Starčuk jr. Z., Starčuk Z., Mlynárik V., Gruber S., Horký J., Moser E.: B_1- and T_1- insensitive adiabatic water suppression for in vivo localized proton NMR spectroscopy at 3 T. Magnetic Resonance in Medicine (odesláno do tisku).
• Starcuk Z., Tkác I., Starcuk jr. Z., Horký J., Gruetter R.: Measurement of macromolecule or metabolite nulled in vivo proton NMR spectra of the rat brain. In: 7^th Scientific Meeting and Exhibition of the ISMRM and the 8^th Annual Meeting of the Section for Magnetic Resonance Technologists. - Philadelphia, International Society for Magnetic Resonance in Medicine 1999. - s. 1582.
• Mynárik V., Gruber S., Starcuk Z., Starcuk jr. Z., Moser E.: Short echo time MR spectroscopy of human brain at 3 Tesla using asymmetric pulses. Magnetic Resonance Materials in Physics, Biology, and Medicine 8 [1-Suppl.] 231-232 (1999) - ESMRMB 99, 16^th annual meeting, Seville.

2.10. Polovodičový laser jako etalon vlnové délky

Josef Lazar, Ondřej Číp, Petr Jedlička

V současné době je jednotka délky definována prostřednictvím rychlosti světla ve vakuu a praktickou realizací etalonu délky je vysoce stabilní laser. Cílem našeho projektu bylo realizovat etalon optického kmitočtu na bázi polovodičového laseru, jenž předčí dosavadní metrologické laserové systémy výkonem, kompaktními rozměry a především širokou přeladitelností - pokrytím širokého spektra vlnových délek ve viditelné oblasti.

Byl navržen a realizován laserový systém na bázi polovodičového laseru s opticky selektivním externím rezonátorem. Toto uspořádání umožňuje využít levnou a miniaturní laserovou diodu i pro náročné aplikace vyžadující úzkou spektrální čáru a jednofrekvenční provoz. Laser byl stabilizován prostřednictvím detekce hyperjemných absorpčních spektrálních čar v parách molekulárního jodu. Vyvinutý laserový systém se zúčastnil v roce 1999 prvního mezinárodního srovnávání polovodičových laserů ICLAD '99 pod patronací Mezinárodního úřadu pro míry a váhy - Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) v Sevres u Paříže, nadnárodní metrologické organizace dohlížející na primární etalonáž základních fyzikálních veličin. Měření dlouhodobé stability a reprodukovatelnosti prokázala u našeho systému srovnatelné parametry s ostatními účastnickými světovými laboratořemi a na úrovni dosavadního primárního etalonu délky na bázi helium-neonového laseru. Během srovnávacích měření bylo s naším systémem dosaženo dlouhodobé stability v řádu 10^-12 pro integrační dobu 100 s. Náš tým se takto zařadil mezi 6 předních světových metrologických laboratoří, které pracují na vývoji nových typů normálů optických kmitočtů a délek.

Hlavním cílem srovnávacích měření ICLAD '99 bylo prokázat význam polovodičových laserů v základní metrologii, na základě zhodnocení parametrů zúčastněných systémů určit směry dalšího vývoje a zahájit proces začleňování polovodičových laserů do metrologické praxe včetně vypracovávání příslušných doporučení ke konstrukci a provozu, jako je tomu u již zavedených normálů, na čemž jsme se podíleli.

• Zarka A., Abou-Zeid A., Chagniot D., Chartier J. M., Cliche J. F., Číp O., Edwards C. S., Imkenberg F., Jedlička P., Kabel B., Lassila A., Lazar J., Millerioux Y., Merimaa M., Simonsen H., Tetu M., Wallerand J. P.: International comparison of eight semiconductor lasers stabilized on ¹²⁷I₂ at ë = 633 nm. Metrologia (v tisku)
• Lazar J., Číp O., Jedlička P.: Tunable extended-cavity diode laser stabilized on iodine at ë = 633 nm. Applied Optics (odesláno do tisku)
• Jedlicka P.: Instrumentation for narrow linewidth semiconductor laser. In: Proceedings of the Wave and Quantum Aspects of Contemporary Optics (Proc. SPIE 3820) - 11th Slovak-Czech-Polish Optical Conference. - (Ed.: Hrabovský, M. - Štrba, A. - Urbanczyk, W.). - Washington, SPIE-The International Society for Optical Engineering 1999. - s. 298-301.
• Číp O., Lazar J., Jedlicka P.: Plynule preladitelný polovodicový laser s vysokou koherencí generovaného zárení. In: Optické komunikace - OK '99. - (Ed.: Kucharski, M.). - Praha, Tech-Market 1999. - s. 159-163.

2.11. Metody zkoumání povrchové struktury měkkých biologických tkání v hraničních podmínkách environmentální rastrovací elektronové mikroskopie

Rudolf Autrata, Josef Jirák, Jiří Špinka, Vladimír Romanovský

Environmentální rastrovací elektronová mikroskopie (EREM) je nová kategorie elektronové mikroskopie. Otevírá dosud předtím nevídanou možnost studia vzorků s vysokým obsahem vody bez jejich předchozího zpracování preparačními technikami. Největší význam mají vzorky biologického a medicínského charakteru. Hraniční podmínky jsou takové podmínky, při nichž může být vzorek uchován v komoře mikroskopu a pozorován ve svém téměř přirozeném stavu vlhkosti a tlaku, tedy s nezměněnou strukturou alespoň po dobu postačující k provedení obrazového záznamu odpovídající kvality.

Biologické vzorky patří k nejobtížněji pozorovatelným vzhledem k jejich nízké měrné hmotnosti, vysokému obsahu vody, nízkému rozdílu atomových čísel prvků, ze kterých jsou složeny. Byly vypracovány metody detekce signálních elektronů (sekundárních a zpětně odražených elektronů), které se vyznačují vysokým poměrem signálu k šumu, zaznamenávají buď topografický kontrast povrchové struktury, nebo materiálový kontrast složení vzorku, a to s rozlišovací schopností 7 až 8 nm, při tlaku v komoře vzorku 500-800 Pa, za současného připouštění vodních par a chlazení vzorku na teplotu až do -23°C. Jejich hlavním znakem je možnost různorodého záznamu obrazové informace, současné pozorování obrazu vzorku v různých detekčních módech a usnadnění interpretace obrazu.

Detektory založené na ionizaci molekul plynů nebo na scintilaci světla po dopadu zpětně odražených elektronů na monokrystal ytritohlinitého granátu tvoří spolu s vakuovým systémem integrované jádro mikroskopu typu EREM, který byl vyvinut v ÚPT AV ČR pod názvem AQUASEM I a který byl v desítkové sérii vyroben podnikem Tescan. Řada akademických a universitních pracovišť potvrzuje dobré vlastnosti mikroskopu AQUASEM unikátními fotografiemi vzorků, které dříve zobrazeny elektronovou mikroskopií býti nemohly.

• Autrata R., Jirák J., Romanovský V., Špinka, J.: Signal detection in environmental SEM with ionisation detector. Journal of Computer-Assisted Microscopy 9 [2] 115-116 (1997). - MCEM '97, 3^rd Multinational Congress on Electron Microscopy, Portorož.
• Autrata R., Jirák J., Klvač M., Špinka J.: Detection of BSE signal at higher pressures in the specimen chamber. In: Proceedings of the 14^th International Congress on Electron Microscopy. - (Ed.: Benavides, H. A. C. - Yacamán, M. J.). - Díl 3. - Bristol, Institute of Physics Publishing Ltd. 1998. - S. 509-510.
• Romanovský V., Autrata R.: Scintillation and Ionisation Detectors for Environmental SEM. European Microscopy and Analysis [59] 19 (1999).
• Autrata R., Jirák J., Špinka J., Romanovský V.: Environmental scanning electron microscopy for the study of wet specimens. In: Proceedings of the 4^th Multinational Congress on Electron Microscopy. - Veszprém, University of Veszprém 1999. - S. 105-111.

2.12. Racionální interpretace Aharonova-Bohmova jevu bez paradoxů nelokality

Aleš Gottvald

Aharonovův-Bohmův (AB) jev souvisí s hlubším významem základních fyzikálních veličin - vlnových funkcí a elektromagnetických potenciálů, a tím také s interpretací dvou fundamentálních teorií - kvantové a elektromagnetické. Jde o typický interferenční jev, pro který proslulá "kodaňská" interpretace vede k tíživým "paradoxům" okamžité interakce na dálku (nelokalita) a letitým kontroverzím.

Byla vypracována racionální interpretace AB-jevu a nalezena nová cesta k řešení "paradoxů" nelokality i vlnově-částicového dualismu. Vlnové funkce i elektromagnetické potenciály byly nově zavedeny a reprezentují nyní danou makroskopickou a verifikovatelnou informaci o experimentu. Doposud nejasný vztah částic a vln v procesu měření tak odpadá. Dlouholeté "schizma" mezi pojetím pravděpodobnosti v kvantové a statistické fyzice mizí. Na AB-jevu je ukázáno, že pozorovaná fakta jsou plně v souladu s logickou strukturou a kvantitativními vztahy bayesovské teorie pravděpodobnosti a nevyžadují nové ad hoc předpoklady. Schrödingerova a Maxwellovy rovnice překvapivě vyplynuly jako skryté formy Bayesova teorému. "Paradoxy" nelokality se nyní jeví jako interpretační artefakty, způsobené záměnou logické korelace za fyzikální kauzalitu. V předkládaném pojetí se tak kvantová a elektromagnetická teorie mění ve "fyziku informace", sjednocenou pomocí bayesovské teorie neurčitosti. Koncepci lze bezprostředně zobecnit i na jiné kontroverzní typy zdánlivě "paradoxních" kvantových experimentů.

• Gottvald A.: Aharonov-Bohm Effect and Vector Potential: How Weird for Bayesians? In: Elsevier Studies in Applied Electromagnetics and Mechanics: Non-linear Electromagnetic Systems - (Ed.: Savini A., Di Barba P.) - Amsterdam, Elsevier (v tisku).
• Gottvald A.: On Bayesian Spectral Electromagnetics - I., II. In: Digests of the Joint Seminar '99. - Sapporo, Hokkaido University 1999. - s. 101-104.
• Gottvald A.: Aharonov-Bohm Effect and Vector Potential: How Weird for Bayesians? In: Conference Digest - International Symposium on Non-Linear Electromagnetic System. - Pavia, University of Pavia 1999, s. 149.

2.13. Optické senzory s povrchovými plazmony pro detekci chemických a biologických látek

Jiří Homola, Jiří Čtyroký, Miroslav Skalský, Václav Malina, Radan Slavík, Petr Tobiška, Ivo Tichý

Metoda optické excitace povrchových plazmonů patří mezi moderní optické metody, které v posledním desetiletí nalezly uplatnění v detekci a analýze biomolekulárních látek. Výzkumný tým ÚRE realizoval nový laboratorní prototyp senzoru s povrchovými plazmony založený na vybuzení povrchových plazmonů metodou tlumeného totálního odrazu s použitím hranolového vazebního elementu. Bylo prokázáno, že realizovaný senzorový systém je schopen měřit změny indexu lomu menší než 1*10^-6. Byly též navrženy a laboratorně realizovány nové senzory s povrchovými plazmony buzenými optickým zářením vedeným optickými vlákny a integrovaně-optickými vlnovody. Vyvinutý vláknový senzor s povrchovými plazmony, s rozměry senzorového elementu v citlivé oblasti menšími než 1*1*2 mm, představuje v současnosti nejvyšší úroveň miniaturizace senzorů tohoto typu vůbec. Mezi nejdůležitější potenciální aplikace senzorů s povrchovými plazmony patří především detekce a určování koncentrací chemických látek. V této oblasti spolupracují pracovníci ÚRE s výzkumnými týmy Ústavu makromolekulární chemie AVČR a Ústavu hematologie a krevní transfuze, které vyvíjejí biomolekulární vrstvy shopné selektivně vázat vybrané chemické látky. S využitím těchto biospecifických vrstev byly v ÚRE realizovány experimenty s detekcí vybraných patogenů, jako je Salmonella enteritidis. Perspektivně se předpokládá využití optických (bio)senzorů s povrchovými plazmony pro monitorování životní prostředí, kontrolu jakosti potravin, testování léčiv a v lékařství.

• J. Homola, S. Yee, G. Gauglitz: Surface plasmon resonance sensors: review, Sensors and Actuators B 54, 3-15 (1999).
• R. Slavík, J. Homola, J. Čtyroký: Single-mode optical fiber surface plasmon resonance sensor, Sensors and Actuators B 54, 74-79 (1999).
• J. Čtyroký, J. Homola, P. V. Lambeck, S. Musa, H. J. W. M. Hoekstra, R. D. Harris, J. S. Wilkinson, B. Usievich, N. M. Lyndin, Theory and modeling of optical waveguide sensors utilizing surface plasmon resonance, Sensors and Actuators B 54, 66-73 (1999).
• E. Brynda, J. Homola, M. Houska, P. Pfeifer, J. Škvor, Antibody networks for surface plasmon resonance immunosensors, Sensors and Actuators B 54, 132-136 (1999).

2.14. Automatická segmentace řeči pomocí syntézy řeči a dynamického programování

Petr Horák

Pro hlubší výzkum prozodie přirozené řeči jsou potřeba prozodicky označkované databáze přirozených promluv, jejichž manuální vytváření je velice namáhavé a zdlouhavé. Z tohoto důvodu byl vyvinut programový systém pro automatickou segmentaci řeči umožňující automatické označování difónů, hlásek a případně i vyšších suprasegmentálních celků v přirozené řeči. Vyvinutý systém pracuje na principu porovnávání přirozené promluvy s identickou syntetickou promluvou, u které známe hranice mezi jednotlivými suprasegmentálními prvky, s použitím dynamického programování. Vstupem je tedy přirozená promluva a text této promluvy, výstupem je informace o poloze difónů a hlásek v přirozené promluvě. Popisovaný systém byl porovnáván s manuálním označováním a výsledky ukázaly použitelnost systému v praxi pro tvorbu prozodicky označkovaných databází. Použití automatické segmentace se neomezuje pouze na výzkum prozodie lidské řeči, ale je důležité také pro výzkum rozpoznávání řeči a má své uplatnění i při tvorbě nových inventářů pro syntézu řeči.

• Horák, P.: Automatic Speech Segmentation Using Czech TTS. In: Abstracts of 9^th Czech-German Workshop Speech Processing, Prague, September 13-15, 1999, (in print).
• Horák, P.: Automatic Speech Segmentation Based on DTW with the Application of the Czech TTS System. In: Working papers of COST 258, Ed. by E. Keller, Laussanne, Switzerland, 2000 (in print).

2.15. Dvoujádrová optická vlákna pro vláknové lasery

Jiří Kaňka, Pavel Peterka, Pavel Honzátko, Vlastimil Matějec, Ivan Kašík

Dvoujádrová optická vlákna nalézají aplikace v oblasti optických komunikací (např. v systémech s vlnovým multiplexem) i vláknových senzorů (snímače teploty, tlaku). V ÚRE AV ČR byly připraveny vzorky dvoujádrových vláken a vypracovány měřicí metody pro určení jejich lineárních vazebních charakteristik. Byla zkoumána původní aplikace dvoujádrového vlákna ve vláknovém laseru v kontinuálním režimu, kdy Er-dopované dvoujádrové vlákno ve spojení s přeladitelným pásmovým filtrem pracuje v rezonátoru laseru jako sledovací úzkopásmový filtr. Praktický význam tohoto uspořádání spočívá v odstranění nebo alespoň výrazném zmírnění jinak nutného kompromisu mezi požadavkem úzkopásmovosti filtru a jeho široké přeladitelnosti. Poprvé bylo demonstrováno jak numericky, tak experimentálně, že zařazení Er-dopovaného dvoujádrového vlákna do kruhového rezonátoru vláknového laseru vede ke stabilizaci vlnové délky a významnému zúžení šířky čáry výstupního záření. Navazující experimenty dále naznačily, že dvoujádrové vlákno lze uplatnit i v pulsním režimu vláknového solitonového laseru. Bylo zjištěno, že součinností hřebenové přenosové funkce dvoujádrového vlákna a modulační nestability ve vláknovém rezonátoru lze dosáhnout pasivní harmonické vidové synchronizace s odpovídající generací ultrakrátkých optických pulsů s vysokou opakovací frekvencí.

• J. Kaňka, P. Peterka, P. Honzátko, V. Matějec, I. Kašík, "Er-doped twin-core fibre coupler as a saturable-absorber-based narrow-band filter for fibre lasers". Czech. J. Phys., 49, 889-894, (1999).
• J. Kaňka, P. Honzátko, P. Peterka, V. Matějec, I. Kašík, "Line-narrowing and wavelength stabilization in a tunable Er-Yb fibre ring laser with an Er twin-core fibre", in SPIE Proceedings, vol. 4016, leden 2000.
• J. Kaňka, P. Peterka, P. Honzátko, V. Matějec, I. Kašík, "Performance characterisation of twin-core fibre filter in fibre laser", in Proc. of Optical Fibre Measurement Conference OFMC '99, Nantes, Francie, 22-24 září 1999, str. 190-193.

2.16. Rozvoj a aplikace hypoplastického modelu

Ivo Herle

Hypoplastický konstituční vztah představuje moderní numerický model pro popis mechanického chování nesoudržných zemin a jiných zrnitých materiálů. Na rozdíl od běžně užívaných pružnoplastických vztahů se v hypoplastickém modelu uměle nerozlišuje mezi pružným a plastickým přetvořením, což usnadňuje fyzikální interpretaci modelu i jeho matematickou formulaci. Hypoplasticita je založena na racionální mechanice (Truesdell, Noll, aj.), takže vychází z jasně formulovaných matematických ekvivalentů některých obecných fyzikálních zákonitostí (např. nezávislost na rychlosti deformace, proporcionalita mezi přímkovými dráhami napětí a přetvoření, asymptotické stavy atd.). Díky tomu hypoplastická teorie i přes poměrnou matematickou jednoduchost modeluje realisticky chování zrnitých materiálů včetně vlivu napětí, ulehlosti i směru deformace. Podstatným přínosem při rozvoji tohoto modelu v poslední době je nalezení závislostí mezi parametry modelu a granulometrickými vlastnostmi materiálu. Tento krok umožňuje snadné a rychlé určení parametrů modelu pro různé materiály a tím otevírá cestu k mnoha aplikacím.

• Herle, I.: A relation between parameters of a hypoplastic constitutive model and grain properties. - Localization and Bifurcation Theory for Soils and Rocks, Adachi, T., Oka, F., Yashima, A. (eds.), Balkema, 91-98 (1998).
• Herle, I., Gudehus, G.: Determination of parameters of a hypoplastic constitutive model from properties of grain assemblies. - Mechanics of cohesive-frictional materials 4(5): 461-486 (1999).
• Kolymbas, D., Herle, I.: Hypoplasticity: A framework to model granular materials. - Behaviour of granular materials, Cambou, B. (ed.), CISM courses and lectures No. 385, Springer, 239-268 (1998).

2.17. Role povrchové zóny kloubní chrupavky synoviálních kloubů člověka

Miroslav Hlaváček

Užitím dvoufázových matematických modelů pro kloubní chrupavku a lubrikační synoviální kapalinu ve velkých synoviálních kloubech člověka (kyčel, koleno, kotník) bylo zjištěno, že povrchová zóna normální kloubní chrupavky hraje důležitou úlohu při lubrikaci synoviálního kloubu. V ranném stadiu artrózy dochází vzhledem ke zvýšené roztažitelnosti kloubních povrchů účinkem zatížení k intenzivní filtraci synoviálního filmu chrupavkou, souvislý kapalinový film se mezi povrchy chrupavek neudrží a mezi chrupavkami zůstane pouze synoviální gel tloušťky řádově 0.01-0.1 mikronu. Kloub začne pracovat v režimu mezné lubrikace. Mezi chrupavkami pak vzniká zvýšené tření, které může způsobit další postup artrózy. Zdravá chrupavka s intaktní, málo propustnou povrchovou zónou o odlišných mechanických vlastnostech však filtruje synoviální kapalinu nepatrně, spojitý kapalinový synoviální film se při chůzi v kloubech dolní končetiny udrží mnohem déle. Klouby nyní pracují převážně v režimu hydrodynamické lubrikace, s nepatrným třením a bez kontaktu kloubních ploch.

• Hlaváček, M.: A note on asymptotic solution for the contact of two biphasic cartilage layers in a loaded synovial joint at rest. Journal of Biomechanics,32, 987-991(1999).
• Hlaváček, M.: Lubrication of the human ankle joint in walking with the synovial fluid filtrated by the cartilage with the surface zone worn out: steady pure sliding motion. Journal of Biomechanics, 32, 1059-1069 (1999).

2.18. Nástroje pro ochranu a zhodnocení kulturního dědictví v historických městech

Miloš Drdácký, Jaroslav Lesák (ÚTAM AV ČR), Jaroslav Macháček, Petr Kratochvíl (ÚDU AV ČR), Vladimíra Rákosníková (SÚPP Praha), Jiří Bláha (PÚ Brno)

Zachování a zhodnocení památek historických měst vyžaduje účinné nástroje pro optimální plánování a rozhodování o jejich rozvoji. Komplexně pojatý mezioborový projekt v rámci výzkumných programů Ministerstva kultury ČR vyústil v návrh počítačově podporovaného systému dokumentace kulturního dědictví, využívajícího vazby obrazových a textových databází na geografický informační systém historického území. Dokumentační systém je navržen v souladu s novými evropskými normami inventarizace a hodnocení památek. Pro ekonomické hodnocení prvků kulturního dědictví v území a sídlech je zpracována metodika zahrnující podrobné pohledy na využití památek pro hospodářskou stabilitu území, rozvoj cestovního ruchu, oceňování památek a řízení historických sídel. Pro územní plánování je zpracován návrh zásad plánu ochrany památkové podstaty historických území. Je založen na diferencovaném přístupu ke třem kategoriím území: a) určujícího charakter historického sídla, b) dotvářejícího charakter historického sídla a území ostatních. Plány jsou zpracovávány ve dvou stupních - generelu územního systému památkové stability sídla a plánu ochrany a zhodnocení kulturního dědictví sídla. Zásady obsahují cíle a principy jednotlivých plánů, metodické pokyny, podrobnou osnovu a obsah dokumentace a přiklad použití pro Telč.

• Drdácký, M.: Plán ochrany (zachování) a zhodnocení historické podstaty města, Publikace Asociace pro urbanismus a územní plánování "Proměny městských center", (ed. J.Mužík, M.Tůma a Z.Černý), str. 27-30, 1997.
• Drdácký, M., Macháček, J., Rákosníková, V., Bláha, J.: Systém dokumentace, metodika ekonomického a mimoekonomického hodnocení a zásady plánu ochrany historických měst s demonstračním plánem ochrany města Telče, Zpráva ÚTAM AV ČR - díl I-V, 345 str., 1998.
• Drdácký, M.: Methodology for cultural heritage safeguarding and enhancement plans in small historic towns and micro-regions, Proceedings of 5^th International Symposium of the O.W.H.C. "Innovation in the management of World Heritage Cities", Santiago de Compostella, September 1999, 15 p., (v tisku)
• Drdácký, M.: Telč - Conservation of the built heritage in a Czech historic town, Část monografie "The Management of European Historic Centres" (editor Dr. Rob Prickard) vydávané Radou Evropy, 18 str., (v tisku).

2.19. Studium problematiky znečištění ovzduší v ulici metodou fyzikální simulace v aerodynamickém tunelu

Z. Jaňour, J. Holpuch, V. Sloup (ÚT AV ČR)
S. Civiš, Z Zeliger (ÚFChJH AV ČR)

Pro studium fyzikálních procesů v mezní vrstvě atmosféry bylo vyvinuto modelování v aerodynamickém tunelu. V rámci projektů COST, řešících problematiku rozvoje evropských měst, byl touto metodou sledován proces difuse pasivní příměsi od liniového zdroje v kaňonu ulice, nalézajícím se v městské zástavbě. Metodou vizualizace byly kvalitativně odhadnuty charakteristiky proudění pro různé rychlosti větru. Pro měření koncentrací byl vyvinut model liniového zdroje na permeačním principu a modifikována metoda laserové fotoakustické spektrometrie. Tato aplikace využívá vysokou citlivost a široký dynamický rozsah detekční metody. Model kaňonu ulice s měnitelnou geometrií byl společně s vyvinutým zdrojem použit pro měření prostorových profilů imisí. Byla získána pole koncentrací uvnitř kaňonu ulice v závislosti na Reynoldsově čísle. Výsledky lze interpretovat jako rozložení imisí v okolí liniového zdroje (automobilové dopravy) uvnitř městské zástavby. Laboratorní model tím demonstroval různé aspekty odvětrávání kaňonu ulice, které jsou žádoucí při rozhodování o rozvoji městských aglomerací.

• Jaňour, Z., Dittrt, F., Severa, M., Eliáš, V., Brych, K.:Air-pollution wind tunnel modelling. - In: Vlasák, P., Filip, P., Chára, Z. (ed.): Problems in Fluid Mechanics and Hydrology. Pp. 490-497 (1999).
• Zelinger, Z., Civiš, S., Jaňour, Z.: Laser photoacoustic spectrometry and its application for simulation of air pollution in a wind tunnel. - Analyst 124: 1205-1208 (1999).