Seznam anotací:

1. Cyklická plasticita a iniciace únavových mikrotrhlin (ÚFM)
2. Stanovení meze pevnosti při tečení z výsledků protlačovacích zkoušek (ÚFM)
3. Permeace vodíku intermetalickými slitinami na bázi Ni₃Al (ÚFM)
4. Impulsní silnoproudý kapilární výboj jako zdroj kvazi-monochromatického XUV záření s vysokým jasem (ÚFP)
5. Terawattový laserový systém PALS (ÚFP)
6. Studium pnutí v kovových a keramických plazmových nástřicích (ÚFP)
7. Analýza a řízení energetických jednotek s dvojitě napájenými stroji pro vodní přečerpávací elektrárny (ÚE)
8. Snižování tření pomocí aditiv (ÚH)
9. Model retenčně evapotranspirační jednotky popisující formování odtoku vody z půdního profilu do podloží (ÚH)
10. Chování a tokové vlastnosti zahuštěných suspenzí (ÚH)
11. Nové metody rastrovací elektronové mikroskopie (ÚPT)
12. Nové metody diagnostiky ztráty vědomí a náhlé srdeční smrti (ÚPT)
13. Optická past na bázi stojaté světelné vlny pro prostorové manipulace s mikroobjekty a nanoobjekty (ÚPT)
14. Nové jevy při emisi elektronů a iontů z povrchu pevných látek (ÚRE)
15. Nový typ optických vláken pro chemickou detekci (ÚRE)
16. Studium vlastností fotonických krystalů (ÚRE)
17. Spolehlivost plynovodních potrubí (ÚTAM)
18. Kanonické tvary konstitutivních rovnic směsí (ÚTAM)
19. Obecná koncepce mezomechanického konstitutivního modelování (ÚTAM)
20. Matematicko-fyzikální modelování v biomechanice hlasu a sluchu člověka (ÚT)
21. Kondenzační rychlost vodní páry s příměsemi ekologicky a energeticky významných látek (ÚT)

---

2.1. Cyklická plasticita a iniciace únavových mikrotrhlin

P. Lukáš, L. Kunz

Intenzivní a velmi úspěšný rozvoj lomové mechaniky od sedmdesátých let minulého století se zdál být velmi nadějným příslibem, že konstruktéři budou mít v brzké době k dispozici účinný nástroj s jehož pomocí bude možné přesně a spolehlivě popsat a zejména predikovat poškození únavovými trhlinami. Závažnost tohoto faktu je zřejmá ze skutečnosti, že poškození únavou je v praxi, navzdory veškerému dosavadnímu výzkumu a pokroku v poznání, stále častým důvodem mnohdy fatálních selhání mechanicky namáhaných konstrukcí.
Růst poznatků v posledních letech ukázal, že lomová mechanika může velmi účinně popsat jen určitou část problému, jmenovitě chování relativně velkých a v praxi snadno diagnostickými metodami detekovatelných únavových trhlin. S klesající velikostí trhlin je aplikace lomové mechaniky čím dál problematičtější, přičemž právě iniciace únavových trhlin a ranná stadia jejich šíření často representují největší část únavové životnosti. Jednou z hlavních cest jak v této oblasti pokročit tak, aby bylo možno začít budovat výpočtové postupy pro stanovení stupně únavového poškození v těchto ranných stadiích je formulovat obecné podmínky pro iniciaci únavových mikrotrhlin, vycházející z fyzikálních principů lokalizace cyklické plastické deformace.
Výzkumný tým pracovníků ÚFM AV ČR na základě dřívějších i nových poznatků a experimentálních výsledků přispěl právě k formulaci obecných podmínek pro iniciaci únavových mikrotrhlin. Iniciaci mikrotrhlin vždy předchází určitá lokalizace cyklické plastické deformace. Forma této lokalizace závisí silně nejen na typu materiálu, ale i na podmínkách zatěžování - to velmi komplikuje nalezení obecných kriterií s ohledem na mimořádné množství strukturně velmi odlišných konstrukčních materiálů, které jsou v praxi vystavovány únavovému namáhání. Bylo však ukázáno, že pro iniciaci únavových trhlin je třeba splnit několik zcela obecných podmínek, bez kterých k iniciaci mikrotrhlin nedochází. Pro vznik únavových mikrotrhlin na hladkém povrchu či v konstrukčním vrubu je především důležitá existence výrazné povrchové topografie skluzových pásů, která je vytvářena nereverzibilním cyklickým skluzem a má charakter intruzí a extruzí. V kořenech intruzí přitom musí být dosaženo lokálně vyšší cyklické plastické deformace. Pro vznik únavových mikrotrhlin je dále nezbytná přítomnost vhodné dislokační mikrostruktury právě v bezprostředním okolí intruzí.

• Lukáš, P., Kunz, L.: Cyclic slip localisation and fatigue crack initiation in fcc single crystals. - Mat. Sci. Eng. (2001), v tisku.
• Lukáš, P., Kunz, L.: Cyclic plasticity and substructure of metals. - Mat. Sci. Eng. (2001), v tisku.
• Lukáš, P.: Fatigue Crack Initiation mechanisms. - In: Encyclopedia of Materials: Science and Technology, Buschow, K. H. J., Cahn, R. W., Flemings, M. C., Ilschner, B., Kramer, E. J., Mahajan, S. (eds.) Elsevier, Amsterdam, 2001, v tisku.

---

2.2. Stanovení meze pevnosti při tečení z výsledků protlačovacích zkoušek

F. Dobeš, K. Milička

Při provozu energetických zařízení je řada součástí vystavena složitému napěťovému a teplotnímu působení, které má za následek kritickou degradaci vlastností. Pro rozhodnutí o dalším provozu takových součástí a zařízení je znalost poškození, nebo jinými slovy znalost okamžitých lokálních vlastností, naprosto zásadní podmínkou. Jako vhodný nástroj se pro tento účel jeví miniaturizované zkoušky, např. miniaturní protlačovací zkouška (small punch). Zkouška spočívá v deformaci vzorku umístěného na prstencové raznici kuličkou resp. razníkem s polokulovitým hrotem.
Pro tento typ zkoušky byl adaptován creepový stroj ÚFM pro zkoušení při konstantním tahovém zatížení. Pro protlačovací zkoušku jsou použity specifické čelisti, které revertují směr působící síly z tahové na tlakovou. V průběhu zkoušky tlačí na vzorek keramická kulička vyrobená z materiálu na bázi Al₂O₃ (FRIALIT^®F99.7). Kulička je protlačována konstantní silou a je měřena časová závislost průhybu ve středu vzorku. Tato závislost je měřena s použitím průtahoměru W2K od firmy Hottinger-Baldwin Co. (SRN). Údaj průtahoměru je zpracován pro tento účel speciálně vyvinutým počítačovým programem, který provádí registraci dat v souladu se specifickými rysy zkoušky. Na uvedeném zařízení byly provedeny protlačovací creepové zkoušky materiálu kolena vysokotlakého parovodu po 104.000 hodinách provozu v elektrárně Dětmarovice při teplotě 540⁰ C a tlaku 17,1 MPa. Koleno bylo vyrobeno z oceli 15128.5.
Při protlačovací zkoušce jsou napětí působící v jednotlivých místech prohnutého vzorku složitou funkcí času. Jako srovnávací kriterium protlačovací a konvenční jednoosé creepové zkoušky proto byly zvoleny protlačovací síla a napětí, které vedou u obou typů zkoušky ke stejné době do lomu. Vzorec pro přepočet těchto veličin byl navržen na základě teorie průhybu tenké desky a byl ověřen empirickým srovnáním. Při použití tohoto vzorce a hodnoty napěťové citlivosti doby do lomu při jednoosé creepové zkoušce můžeme stanovit mez pevnosti při tečení z výsledků protlačovací zkoušky. Dále byl navržen postup pro odhad creepové tažnosti, který vychází z modifikovaného Monkmanova-Grantova vztahu a postup pro přepočet minimální rychlosti průhybu při protlačovací zkoušce a minimální rychlosti creepu při jednoosé zkoušce. Bylo prokázáno, že protlačovací zkouška prováděná na vzorku odebraném z povrchu trubky je schopna dát dostatečně reprezentativní představu o mezi pevnosti při tečení uvnitř stěny trubky.

• Dobeš, F., Milička, K.: Studium lokálních creepových vlastností kolena vysokotlakého parovodu po dlouhodobém provozu. - 9^th International Metallurgical Conference Metal 2000, Ostrava, 717/1-717/7 (2000).
• Dobeš, F., Milička, K.: Comparison of creep properties of power plant pipe bends after long term exposure. - Proceedings of 26^th MPA-Seminar Safety and Reliability in Energy Technology, Stuttgart, 24.1-24.10 (2000).
• Dobeš, F., Milička, K.: Investigation of local properties of exposed construction parts by means of small punch test. - In: Advances in Mechanical Behaviour, Plasticity and Damage. Miannay, D., Costa, P., Francois, D., Pineau, A. (eds.), sv. 2, 1475-1480. Elsevier, Amsterodam, 2000.
• Dobeš, F., Milička, K.: Small punch testing in creep conditions. - Journal of Testing and Evaluation 29: 31-35 (2001).

---

2.3. Permeace vodíku intermetalickými slitinami na bázi Ni₃Al

J. Čermák

Téma patří do oblasti, která je v poslední době v popředí badatelského zájmu; intermetalika na bázi nikl aluminidů jsou nadějné materiály aplikované v extrémních podmínkách namáhání. Jejich křehkost však brání jejich masivnímu rozšíření v praxi. V současné době převažuje názor, že hlavní příčinou křehkosti je především citlivost na přítomnost externích degradačních faktorů - zejména vodíku - v okolním prostředí. Přes poměrně četné a rozsáhlé studie v oblasti mechanických vlastností dosud chybí spolehlivé údaje o migračních charakteristikách vodíku v těchto materiálech.
Byla studována permeabilita vodíku v intermetalických slitinách na bázi Ni₃Al, a to v závislosti na teplotě a koncentraci třetího legujícího prvku. Měření bylo provedeno volumetrickou metodou v teplotním intervalu 573 - 1223 K a legujícími prvky byly bór, chróm, železo a zirkon. Koncentrace těchto příměsí byla volena tak, aby při zvolených teplotách byla experimentální slitina vždy jednofázová.
Z dosažených výsledků je zřejmé, že permeabilita vodíku ve zkoumaných materiálech je poměrně blízká permeabilitě v čistém niklu. Vyšší hodnoty naměřené při teplotách nižších než asi 823 K v některých materiálech obsahujících uspořádanou fázi g ' jsou pravděpodobně důsledkem anomálně vysoké rozpustnosti vodíku v g '. Ukázalo se rovněž, že čistota vodíku (zejména koncentrace O₂ a par H₂O) má pozorovatelný vliv na pronikání vodíku přes povrch do objemu materiálu. Zdá se, že nejvýznamnějším inhibičním faktorem je povrchová vrstva oxidu na bázi Al₂O₃, jejíž účinek se projevuje zejména při teplotách nad 823 K. Jednotlivé legury, jejichž vliv byl studován, měly rozdílný efekt na ochrannou schopnost oxidické povrchové vrstvy: nejvyšší byl u Zr, naopak přiměs Cr ochrannou schopnost prakticky eliminovala. Pozorované výsledky byly konzistentní s poznatky o struktuře a kinetice růstu směsných oxidů při vysokých teplotách na vzduchu, známými z literatury. Nejmarkantnějším rysem sloučenin Ni₃Al legovaných železem je zvýšení křehkosti hranic zrn, což pravděpodobně souvisí se vznikem méně uspořádané struktury v okolí hranic, popisované v literatuře.

• Rothová, V., Stloukal, I., Čermák, J.: Permeation of hydrogen in Ni-based superalloy CMSX-4. - Acta Materialia 48: 827-833 (2000).
• Čermák, J., Rothová, V., Stloukal, I.: Volumetric measurement of hydrogen permeation in chosen Ni-Al - based aAlloys. - 5^th Int. Conf. on Diffusion in Materials DIMAT 2000, Paris, v tisku.
• Čermák, J., Rothová, V., Stloukal, I.: Hydrogen permeation in CMSX-4 superalloy and in its structural components. - Int. Congress on Advanced Materials, their Processing and Applications MATERIALS WEEK 2000, München, v tisku.
• Čermák, J., Rothová, V.: Influence of Cr upon hydrogen permeation in Ni3Al at low partial pressure of oxygen. - Intermetallics (2001), v tisku.

---

2.4. Impulsní silnoproudý kapilární výboj jako zdroj kvazi-monochromatického XUV záření s vysokým jasem

K. Koláček, J. Schmidt, V. Boháček, M. Řípa, P. Vrba

Jedním z význačných rysů impulsního silnoproudého kapilárního výboje je možnost laserování v měkké rentgenové oblasti. Umožňuje to vysoká stabilita (způsobená malým kompresním poměrem) pinčujícího výbojového sloupce. Prakticky existují dvě hlavní cesty k dosažení populační inverze v kapilárním výboji: elektronově-srážkové  r e k o m b i n a č n í  pumpovací schéma a elektronově srážkové  e x c i t a č n í  pumpovací schéma.
Excitační pumpovací schéma obvykle užívá neonu- nebo niklu-podobné ionty, jejichž horní laserující hladina je účinně zaplňována elektronovými srážkami v plynem plněných kapilárách o větším průměru (~3-6 mm), což při strmém nárůstu proudu (~1-4.10¹² A/s) v předionizovaném plynu zajišťuje rychlé odtržení plazmatu od stěn kapiláry (Z-pinč efektem); důsledkem je jednak malé znečištění plazmatu materiálem stěn, jednak rychlý ohřev omezeného počtu částic. V Colorado State University (USA) již bylo prokázáno silné zesílení stimulované emise spektrální čáry neonu-podobného argonu (Ar IX), laserování, dosažení saturačního limitu a vysokého středního výkonu.
V Ústavu fyziky plazmatu AV ČR, po předchozím modelování elektrostatických polí v klíčových uzlech aparatury a přechodových charakteristik náhradních elektrických obvodů, byla postavena aparatura s plynem plněnou kapilárou, ve které dosáhly proudy v 20 cm dlouhé kapiláře amplitud 40-50 kA s nárůstem 2,6x10¹² A/s. Ukázalo se, že za jistých podmínek, začíná axiální emise měkkého rtg záření intenzívním zábleskem, který má velmi podobný časový průběh jako XUV laser v Colorado State University. Tyto podmínky byly poté podrobněji definovány: proudy musí být větší než 35 kA a počáteční tlak v kapiláře musí být v poměrně úzkém intervalu 10-25 Pa. Prostorová měření v daleké zóně dávala v časovém integrálu stopu o průměru ~2 mm; při 15ti nanosekundové expozici v okamžiku záblesku se průměr stopy zúží na ~400 mm. Zatímco v časově integrovaných spektrech dominují čáry 1x-4x nabitých iontů argonu, ve spektrech pořízených 15ti nanosekundovou expozicí v prvé půlperiodě výbojového proudu se vyskytují čáry až sedminásobně nabitých iontů argonu; nejintenzívnější čáry patří 4x ionizovanému argonu s ionizačním potenciálem 75.02 eV.
Numerické modelování charakteristické doby pinče bylo ve velmi dobré shodě s experimentem. Rovněž další 1-dimenzionální 2-teplotní MHD model kapilárního výboje prokázal, že náš výboj je z hlediska časového vývoje profilů hustoty a teploty plazmatu velmi podobný výboji v Colorado State University. V projektu je nové zařízení s vyššími výbojovými proudy a s rychlejším nárůstem proudu.

• Vrba, P., Koláček, K., Vrbová, M., Schmidt, J., Boháček, V: Evolution on Z-pinch in Argon Filled Capillary, Czech. J. Phys. 50 (2000), 9, 1043-1050
• Koláček, K., Boháček, V., Schmidt, J., Šunka, V., Řípa, V., Ullschmied, J., Fuciman, M.: Design of a New Driver for Fast Capillary Discharge, 7^th International Conference on X-ray Lasers, Saint Malo, France, June 19-23, 2000, paper No P61, Program and Abstracts p.123 and Le Journal de Physique IV - to be published
• Koláček, V., Schmidt, J., Boháček, V., Šunka, V., Ullschmied, J., Řípa, V., Piffl, V., Rupasov, A. A., Shikanov, A. S., Kubeš, V., Kravárik, V.: Spectroscopic Study of the Fast Capillary Discharge, 13th International Conference on High-Power Particle Beams, BEAMS'2000, Nagaoka, Japan, June 25-30, 2000, paper No O-8-3 (Oral presentation), Program and Abstracts p.172
• Koláček, K., Boháček, V., Schmidt, J.., Šunka, P., Řípa, M.: Refined Design of a New Driver for Fast Capillary Discharge International Workshop on Dense Magnetised Plasmas, IWDMP'2000, Kudowa Zdrój, Poland, October 12-14, 2000, paper No OP-20 (Oral presentation), Program and Abstracts p.O-16

---

2.5. Terawattový laserový systém PALS

K. Jungwirth a kolektiv Badatelského centra PALS

V nedávno dobudované mezinárodní uživatelské laserové laboratoři byl v rekordně krátké době uveden do plného provozu jeden z největších evropských laserových systémů PALS, zahrnující terawattový jódový fotodisociační pulsní laser, přestěhovaný z Ústavu kvantové optiky v Garchingu u Mnichova. Na základní vlnové délce 1,3 mm lze generovat až 1 kJ světelné energie v impulsu kratším než 0,5 ns. Modernizovaný systém je určen pro experimenty s laserovým plazmatem vytvářeným fokusovaným laserovým svazkem na terčících různých materiálů. Již první experimenty s kovovými terčíky (Al, Ti, Ag, Au, Mo) potvrdily výtečnou fokusovatelnost svazku. Při průměru ohniska £ 100 µm bylo na terčíku dosaženo hustoty impulsního výkonu přes 2×10²⁰ Wm^-2. Rentgenová spektroskopická měření ukázala, že při interakci vzniká horké a husté plazma s teplotou až 1 keV (10 mil. K) a hustotou přes 10²⁷ částic na m^-3.
V rámci grantové podpory projektem EU - HPRI-CT-1999-00053, poskytuje Centrum PALS na základě konkurzu část svého experimentálního času též uživatelům ze zemí Evropského společenství a asociovaných zemí 5. RP. Z celkem 17 dosud přihlášených projektů jich bylo mezinárodním panelem vybráno k realizaci 11 a 2 projekty již byly úspěšně dokončeny. Experimenty byly zaměřeny na využití laserového plazmatu jako zdroje měkkého rentgenového záření a mnohonásobně nabitých iontů.
Výsledky prvních experimentů a podrobnější informace o možnostech, které nabízí laserový systém PALS, byly v roce 2000 prezentovány formou čtyř zvaných přednášek na mezinárodních konferencích a jsou, či budou, dostupné v odborných publikacích a konferenčních sbornících.

• Jungwirth, K., Cejnarova, A., Juha, L., Kralikova, B., Krasa, J., Krousky, E., Krupickova, P., Laska, L., Masek, K., Mocek, T., Pfeifer, M., Präg, A., Renner, O., Rohlena, K., Rus, B., Skala, J., Straka, P., Ullschmied, J.: The Prague Asterix Laser System PALS, 42nd Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics and 10th International Congress on Plasma Physics, 23.-27.10.2000, Québec City, zvaný referát, přijato k publikaci ve Physics of Plasmas
• Rohlena, K., Rus, B., Juha, L., Skála, J., Králiková, B., Jungwirth, K., Ullschmied, J., Witte, K. J., Baumhacker, H.: Prague Asterix Laser System (PALS) and its upgrade, Proc. XIIIth International Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers, Florencie 18.-22.9.2000, SPIE, zvaný referát, bude publikováno
• Jungwirth, K., Babický, V., Ullschmied, J., Rohlena,K., Juha, L., Kovář, J., Králiková, B., Krása, J., Krouský, E., Láska, L., Mašek, K., Pfeifer, M., Renner, O., Rus, B., Skála, J.: Nové badatelské centrum PALS - Prague Asterix Laser System , 13. konferencia slovenských a českých fyzikov; 23.-26.8.1999, TU vo Zvolene, zvaný referát, bude publikováno
• Rus, B., Rohlena, K., Skála, J., Králiková, B., Jungwirth, K., Ullschmied, J., Witte, K. J., Baumhacker, H.: A new high-power laser facility PALS - prospects for laser-plasma research, Proceedings XXV ECLIM, Formia, May 4-8, 1998, revised July 1998, Laser and Particle Beams, 17, No. 2, (1999)
• Jungwirth, K., Ullschmied, J, Rohlena, K., Rus, B., "PALS - A New High Power Facility" , Digest of technical papers of the 12th IEEE Pulsed Power Conference, Monterey, CA, 27.-30.6.1999, edited by C. Stallings and H. Kirbie, (IEEE, Inc., 1999), Vol.II, p. 1010-1013
• Rus, B., Rohlena, K., Skála, J., Jungwirth, K., Ullschmied, J., Witte, K. J., Baumhacker, H.: Upgrades to Asterix IV implemented on the new facility PALS , Proceedings of Inertial Fusion Science and Applications, 12.-17.9.1999 Bordeaux, edited by C. Labaune, W.J. Hogan, K.A. Tanaka, (Elsevier, Paris, Amsterdam, Lausanne, New York, Oxford, Shannon, Tokyo, 1999), p. 677.
• Rus, B., Rohlena, K., Skála, J., Jungwirth, K., Ullschmied, J., Witte, K. J., Baumhacker, H.: Prospects for X-Ray Laser Development at the PALS Facility, Proc. 6th International Conference on X-Ray Lasers, Kyoto 1998, IOP Conference Series, IOP Publishing Ltd. Bristol 159, 139 (1998)

---

2.6. Studium pnutí v kovových a keramických plazmových nástřicích

J. Dubský, J. Matějíček, F. Kroupa

Fyzikální vlastnosti plazmově, resp. obecně termálně, deponovaných vrstev (nástřiků), závisí, mezi jiným, na jejich stavu napjatosti. V nástřicích existuje několik typů pnutí, která jsou vyvolána jednak inherentně způsobem jejich přípravy, dále pak jejich následným zatěžováním a této problematice je celosvětově věnována zvýšená pozornost. Stav napjatosti byl v ústavu studován u modelových i reálných vzorků plazmových nástřiků několika experimentálními metodami, resp. jejich kombinací. Byly použity metody rentgenové a neutronové difrakce, měření elastických konstant při mechanických zkouškách ohybem a konečně měření otěruvzdornosti. Nejvýhodnější se ukázala metoda neutronové difrakce pro vysokou pronikavost neutronů v použitých materiálech nástřiků. Ve spolupráci s NIST, USA byla provedena měření gradientu napjatosti ve směru rovnoběžném se směrem nanášení, včetně měření "in situ" na speciálním zařízení, zkonstruovaném v ústavu, pro měření změn během zatěžování v tahu a tlaku. Obdobná měření byla provedena i pomocí rtg difrakce. Současně byla navržena řada analytických řešení výpočtů stavu napjatosti pro nástřiky na substrátech různých tvarů a prováděny modelové výpočty.
Napěťové stavy byly studovány u řady různých keramických i kovových nástřiků, deponovaných různými technikami při použití různých pracovních parametrů. Byla tak získána představa o vlivu jednotlivých pracovních parametrů a porovnány materiály s velmi odlišnými základními vlastnostmi (kov, keramika). Získané experimentální výsledky byly porovnány s modelovými výpočty vlivu ochlazování nástřiku, resp. nástřiku se substrátem, na stavy napjatosti. Obdobné výsledky byly získány i pro samonosné keramické skořepiny, získané plazmovou deposici.
Experimentálně byl potvrzen předpoklad, navržený na základě výsledků a interpretace měření zbytkových pnutí u plazmově nanesené keramiky, že při zvyšování tlakových napětí se postupně v keramické vrstvě uzavírají přítomné trhliny a roste modul pružnosti v příslušných směrech. Ve všech případech studovaných vrstev bylo prokázáno jejich nelineární a anelastické chování, způsobené přítomností různých typů poruch koheze mezi strukturními prvky nástřiku a dále přítomností inherentně vnesených pórů a trhlin.

• Prchlík, L., Matějíček, J., Vaidya, A. Sampath, S.: Role of Imperfections and Intrinsic Stresses on the Thermo-mechanical and Tribological Properties of Thermal Sprayed Metal-Ceramic FGMS; 6th Intl. Conf. On Functionally Graded Materials, 2000, v tisku
• Thompson, J. A., Matějíček, J., Clyne, T. W.: Modelling and Neutron Diffraction Measurement of Stresses in Sprayed TBCs; Proc. 9th International Symposium on Superalloys, Seven Springs, PA, USA, 2000, 639-647 TMS, ISBN: 0-87339-477-1
• Kroupa, F., Dubský, J.: Pressure Dependence of Young's Moduli of Thermal Sprayed Materials, Scripta Materialia, Vol. 40, No. 11, 1999, pp. 399-411
• Vyšohlíd, M., Kroupa, F.: Quenching stresses in thermal sprayed cylindrical coatings and free-standing tubes, Material Science and Engineering A283 (2000),111-121.
• Harok, K. Neufuss: Elastic and Inelastic Effects in Compression of Plasma Sprayed Ceramic Coatings, J. Thermal Spray Techn. (ASM Inter.), v tisku
• Dubský, J, Prask, H.J., Matějíček J, Gnaeupel-Herold, T.: Elastic properties study in thermally sprayed chromia coatings, připraveno do tisku.

---

2.7. Analýza a řízení energetických jednotek s dvojitě napájenými stroji pro vodní přečerpávací elektrárny

L. Schreier, J. Bendl, M. Chomát

Byly vyřešeny elektrodynamické a elektromechanické děje energetických jednotek přečerpávacích vodních elektráren vybavených dvojitě napájenými stroji. Byl sestaven komplexní matematický model systému skládajícího se z vlastního elektrického stroje připojeného na energetickou síť přes blokový transformátor, cyklokonvertoru v rotorovém obvodu napájeného z trojvinuťového transformátoru, řídících jednotek a mechanického stroje (turbiny). Byly vyřešeny jak ustálené, tak přechodné stavy systému. U ustálených stavu byla pozornost věnována zejména vlivu vyšších harmonických způsobených cyklokonvertorem na vlastnosti stroje i nepříznivému vlivu na energetickou síť. Byly sledovány přechodné stavy stroje dané požadovanou změnou otáček. Jednalo se o přechody z podsynchronních do nadsynchonních otáček a naopak. Hlavní pozornost však byla věnována regulaci dodávaného i odebíraného činného i jalového výkonu. Ukázalo se, že systém je dobře regulovatelný, přičemž právě u dvojitě napájeného stroje lze k chvilkovému krytí výkonu využít kinetickou energii rotujících hmot při dočasném poklesu otáček. Byla formulována základní pravidla pro návrh systému a jeho regulace. Byly vytipovány nebezpečné poruchové stavy systému. Byla vyřešena problematika rozběhů dvojitě napájených strojů při využití proměnného kmitočtu rotorového napětí z cyklokonvertoru.

• Schreier, L., Bendl, J., Chomát, M.: Operation and Control of Doubly Fed Machine in Adjustable - Speed Power Unit. Proceedings of International Conference on Electrical Machines (ICEM), Helsinky, Finsko, 28 -30. 8. 2000, str. 709 - 713.
• Schreier, L., Chomát, M., Bendl, J.: Operation of System Double Fed Machine-Turbine in Power Network. Proceedings of Eight International Conference on Power Electronics and Variable Speed Drives, London, UK, 7 - 9. 9. 2000, str. 109 - 113, Conference Publication No. 475.

---

2.8. Snižování tření pomocí aditiv

Z. Chára, J. Myška

V městských i průmyslových otopných a klimatizačních systémech lze snížit energetické nároky na čerpání teplé či chladící vody přidáním vhodných aditiv, jakými jsou některé povrchově aktivní (PA) látky (surfaktanty). Při proudění tekutin v potrubních systémech vznikají ztráty, které jsou způsobeny především třecími ztrátami. Jednou z možností jak výrazně ovlivnit resp. snížit třecí ztráty je přidání vhodných činidel, která mění strukturu proudění. Pozornost se v této oblasti soustřeďovala především na polymery, které jsou velice účinné i při nepatrných koncentracích, ale při průchodu oblastí s vysokým smykovým namáháním (v čerpadlech, uzavíracích armaturách) trvale ztrácejí svou schopnost snižovat tření. Na druhé stSnižování tření pomocí aditiv
Z.Chára, J.Myška
V městských i průmyslových otopných a klimatizačních systémech lze snížit energetické nároky na čerpání teplé či chladící vody přidáním vhodných aditiv, jakými jsou některé povrchově aktivní (PA) látky (surfaktanty). Při proudění tekutin v potrubních systémech vznikají ztráty, které jsou způsobeny především třecími ztrátami. Jednou z možností jak výrazně ovlivnit resp. snížit třecí ztráty je přidání vhodných činidel, která mění strukturu proudění. Pozornost se v této oblasti soustřeďovala především na polymery, které jsou velice účinné i při nepatrných koncentracích, ale při průchodu oblastí s vysokým smykovým namáháním (v čerpadlech, uzavíracích armaturách) trvale ztrácejí svou schopnost snižovat tření. Na druhé straně právě surfaktanty vynikají tím, že jsou schopny rychlé regenerace i po průchodu takových oblastí s velkými smykovými gradienty a jsou proto vhodné do recirkulačních systémů. Jsou vyvinuty surfaktanty jak pro teplou tak i pro studenou vodu.
Byly zkoumány různé typy surfaktantů (kationaktivní, zwitterionaktivní) z hlediska jejich účinnosti a chování. Bylo ukázáno, že jejich účinnost je větší než při použití polymerních aditiv, byla stanovena nová limitní křivka maximální účinnosti surfaktantů, která nabývá vyšších hodnot než určuje dosud používaná Virkova asymptota pro polymery. Přítomnost některých iontů ve vodě snižuje jak smykovou tak elongační viskozitu testovaných surfaktantů a současně ovlivňuje velikost micel.

• Chára, Z., Myška, J.: Interaction of worm-like micelles with turbulent flow. Advances of Turbulence VIII, Eds. Dopazo et al., Proc. 8^th European Turbul. Conf., CIMNE Barcelona (Spain), June 27-30, 2000, pp. 869-872.
• Chára, Z., Myška, J., Vlasák, P.: Turbulent structure of surfactant solution. Proc. 10^th Intern. Conf. on Transport and Sedimentation of Solid Particles, Ed. J.Sobota, Wroclaw, Sept. 4-7, 2000, pp. 453-463.
• Myška, J., Chára, Z.: The effect of a zwitterionic and cationic surfactant in turbulent flows, Experiments in Fluids (v tisku).
• Myška, J., Lin, Zh., Štěpánek, P., Zakin, J. L.: Influence of salts on dynamic properties of drag reducing surfactants, J. Non-Newt. Fluid Mech. (v tisku).
• Myška, J., Štěpánek, P., Chára, Z.: The influence of water quality on properties of drag reducing surfactant, Proc. XIIIth Intern. Congr. Rheol., Rheology 2000, Eds. D.Binding et al., Cambridge, August 20-25, 2000, pp. 3/257-3/259.
• Štern, P., Myška, J.: Rheological properties of some cationic and zwitterionic drag reducing surfactants, Special Symposium "Surfactants and water soluble polymers in the bulk phase and at interfaces, Bayreuth, Germany, August 31-September 2, 2000, poster.
• Štern, P., Myška, J.: Viscous and elastic properties of a cationic and a zwitterionic drag reducing surfactants, Colloid and Surfaces (v tisku).
• Vocel, J., Myška, J.: On surface viscosity of a drag reducing surfactant, J. Hydrol. Hydromech. 48: 298-305 (2000).raně právě surfaktanty vynikají tím, že jsou schopny rychlé regenerace i po průchodu takových oblastí s velkými smykovými gradienty a jsou proto vhodné do recirkulačních systémů. Jsou vyvinuty surfaktanty jak pro teplou tak i pro studenou vodu.
• Byly zkoumány různé typy surfaktantů (kationaktivní, zwitterionaktivní) z hlediska jejich účinnosti a chování. Bylo ukázáno, že jejich účinnost je větší než při použití polymerních aditiv, byla stanovena nová limitní křivka maximální účinnosti surfaktantů, která nabývá vyšších hodnot než určuje dosud používaná Virkova asymptota pro polymery. Přítomnost některých iontů ve vodě snižuje jak smykovou tak elongační viskozitu testovaných surfaktantů a současně ovlivňuje velikost micel.
• Chára, Z., Myška, J.: Interaction of worm-like micelles with turbulent flow. Advances of Turbulence VIII, Eds. Dopazo et al., Proc. 8^th European Turbul. Conf., CIMNE Barcelona (Spain), June 27-30, 2000, pp. 869-872.
• Chára, Z., Myška, J., Vlasák, P.: Turbulent structure of surfactant solution. Proc. 10th Intern. Conf. on Transport and Sedimentation of Solid Particles, Ed. J.Sobota, Wroclaw, Sept. 4-7, 2000, pp. 453-463.
• Myška, J., Chára, Z.: The effect of a zwitterionic and cationic surfactant in turbulent flows, Experiments in Fluids (v tisku).
• Myška, J., Lin, Zh., Štěpánek, P., Zakin, J. L.: Influence of salts on dynamic properties of drag reducing surfactants, J. Non-Newt. Fluid Mech. (v tisku).
• Myška, J., Štěpánek, P., Chára, Z.: The influence of water quality on properties of drag reducing surfactant, Proc. XIIIth Intern. Congr. Rheol., Rheology 2000, Eds. D.Binding et al., Cambridge, August 20-25, 2000, pp. 3/257-3/259.
• Štern, P., Myška, J.: Rheological properties of some cationic and zwitterionic drag reducing surfactants, Special Symposium "Surfactants and water soluble polymers in the bulk phase and at interfaces, Bayreuth, Germany, August 31-September 2, 2000, poster.
• Štern, P., Myška, J.: Viscous and elastic properties of a cationic and a zwitterionic drag reducing surfactants, Colloid and Surfaces (v tisku).
• Vocel, J., Myška, J.: On surface viscosity of a drag reducing surfactant, J. Hydrol. Hydromech. 48: 298-305 (2000).

---

2.9. Model retenčně evapotranspirační jednotky popisující formování odtoku vody z půdního profilu do podloží

M. Tesař, M. Šír

Byl navržen nový směr vývoje srážkoodtokových modelů - koncept retenčně evapotranspirační jednotky (RETU) pro souvisle porostlé plochy v teplém období. Pomocí nově zformulovaného modelu RETU bylo objasněno, jak retenčně evapotranspirační jednotka transformuje srážku na odtok z půdního profilu do podloží a následně do vodního toku, přičemž pro verifikaci modelu byly použity časové řady dat získaných v experimentálních povodích založených ve vybraných pramenných oblastech České republiky lišících se druhem vegetačního krytu a způsobem jeho využití. V rámci formování koncepce RETU byla provedena zásadní revize dosavadních představ o kontinuálním charakteru transportu vody v půdě a byl experimentálně prokázán a teoreticky objasněn jeho diskontinuální charakter. Jako odpověď na otázku, zda půda tlumí nebo zesiluje srážkové pulsy při jejich transformaci na odtok do podloží bylo prokázáno, že v perkolační fázi půda srážkové pulzy nezeslabuje, může je i zesilovat, v akumulační fázi je zeslabuje až k nulovému odtoku. Jako nezbytná součást modelu RETU byla studována evapotranspirace rostlinného krytu v průběhu vegetační sezóny a byla teoreticky odvozena a experimentálně verifikována fenomenologická teorie transpirace rostlin, která vykládá transpiraci z hlediska nutnosti chladit rostliny na jejich optimální teplotu. Rozborem faktorů určujících transpiraci rostlin bylo prokázáno, že meteorologické podmínky určují potřebu vody na transpirační chlazení (potenciální transpirace) a zásoba půdní vody rozhoduje, zda k transpiraci dojde nebo nedojde (aktuální transpirace).

• Tesař, M., Šír, M.: Influence of land use on the water regime of soil in the head water regions, Czech Republic. In: Proceedings of Headwater '98, 4th Intern. Conf. on Headwater Control, Merano, Italy, April 1998, IAHC, Headwaters: Water Resources and Soil Conservation, Eds.: Haigh, M.J., Křeček, J., Rajwar, G.S., Kilmartin, M.P., pp. 357-363.
• Pražák, J., Šír, M., Tesař, M.,: Retention curve of simple capillary networks. J. Hydrol. Hydromech. 47: 117-131 (1999).
• Eliáš, V., Kubík, F., Lichner, Ľ., Pražák, J., Syrovátka, O., Šír, M., Tesař, M.: Retenčně evapotranspirační jednotka. Hydrologické dny 2000 - Nové podněty a vize pro příští století. Sborník příspěvků - Eds. J. Bucek a M. Tesař, ISBN 80-85813-76-9, Plzeň, 18.- 21.září 2000, pp. 299-306.
• Šír, M., Tesař, M., Lichner, L., Syrovátka, O.: In-situ measurement of oscillation phenomena in gravity driven drainage. Catchment hydrological and biochemical processes in changing environment. Proc. of the Liblice Conference (22-24 Sept. 1998). Edited by V. Elias and I.G. Littlewood, IHP - V, Technical Documents in Hydrology, No.37, UNESCO, Paris, 2000, SC-2000/WS/38, pp. 249-255.
• Tesař, M., Buchtele, J., Šír, M., Di Nunzio, F.: Simulation and verification of evapotranspiration and rainfall-runoff processes in the Liz (Czech Republic) and Gallina (Italy) experimental basins. Catchment hydrological and biochemical processes in changing environment. Proc. of the Liblice Conference (22-24 September 1998). Edited by V. Elias and I.G. Littlewood, IHP - V, Technical Documents in Hydrology, No.37, UNESCO, Paris, 2000, SC-2000/WS/38, pp. 273-279.

---

2.10. Chování a tokové vlastnosti zahuštěných suspenzí

P. Vlasák, Z. Chára

Při ověřování tokových vlastností koncentrovaných vodních suspenzí obsahujících jílové a prachové materiály i elektrárenské popílky po procesu odsíření byly verifikovány tříparametrické reologické modely i vybrané predikční modely pro turbulentní režim proudění. Byl studován i přechod z laminárního do turbulentního režimu. Pomocí citlivostní analýzy bylo prokázáno, že turbulentní modely jsou velmi citlivé na stanovení reologických parametrů, které je nutno určit z turbulentních experimentálních dat. Takto stanovené parametry pak plně vyhovují i pro laminární oblast proudění. Suspenze s koloidními částicemi jsou výrazně ovlivněny fyzikálně chemickými procesy v suspenzi. Přidáním peptizačních přísad se změní iontový obsah suspenze, tloušťka elektrické dvojvrstvy kolem částic i vzájemný poměr přitažlivých a odpudivých sil a tím i tokové vlastnosti suspenze. Pro kaolinové suspenze s přídavkem peptisačních přísad byl studován vliv složení a koncentrace peptizačních přísad i pevné fáze na chování suspenze, prokázáno výrazné snížení zdánlivé viskozity a až řádové snížení počátečního napětí (např. z hodnoty Tg=134 Pa na 6 Pa), což umožní dosažení výrazně vyšších koncentrací při jejich dopravě a zpracování.

• Vlasák, P., Chára, Z.: Laminar and turbulent flow experiments with yield-power law slurries, Powder Technology 104 (1999), 200-206
• Vlasák, P., Chára, Z.: Laminar and turbulent flow of dense Kaolin and ash hydromixtures, Handbook of Conveying and Handling of Particulate Solids, Elsevier Sciences (in print)

---

2.11.  Nové metody rastrovací elektronové mikroskopie

Rudolf Autrata, Luděk Frank, Ilona Müllerová

Jednou z nejprogresivnějších metod rastrovací elektronové mikroskopie je takzvaná environmentální mikroskopie umožňující pozorování vzorků v jejich přirozeném vlhkém prostředí. Byly vyřešeny fyzikální problémy diferenciálního vakuového čerpání mikroskopu, šíření elektronů v prostředí vodních par, detekce signálních elektronů a byly zobrazeny měkké biologické tkáně s dostatečně vysokým rozlišením povrchových detailů. Uvedený mikroskop byl předán do výroby v podniku Tescan Brno pod názvem AQUASEM. Několik výrobků bylo zakoupeno Nadací Preciosa a věnováno ústavům AV ČR a VŠ.
Jinou progresivní metodou je mikroskopie využívající velmi pomalé elektrony s vysokým rozlišením. Je založena na původním řešení spočívajícím ve zformování a zaostření zobrazovacího svazku rychlých elektronů a v jeho zpomalení v elektrostatickém poli přiléhajícím k povrchu vzorku. Byly vypracovány a ověřeny možnosti adaptovat klasický rastrovací mikroskop na tuto metodu. V rámci Programu podpory cíleného výzkumu a vývoje byla metoda převedena do podoby vhodné k zavedení do moderního mikroskopu plně řízeného počítačem. Funkční vzor adaptovaného přístroje byl s úspěchem vystaven na výstavě přístrojů doprovázející 12. Evropský kongres o elektronové mikroskopii Brno 2000.
Romanovský, V., Autrata, R.: Combined scintillation and ionisation detectors for environmental scanning electron microscopes. Jemná mechanika a optika 45 [10] 273-274 (2000).

• Autrata, R., Jirák, J.: Scanning electron microscopy at low vacuum in specimen chamber. In: Proceedings of the 12th European Congress on Electron Microscopy. (Ed.: Frank, L. ,Čiampor, F.). - Díl 3. Instrumentation and Methodology, Brno, Czechoslovak Society for Electron Microscopy, I211-I212 (2000).
• Frank,L., Zadražil,M., Müllerová,I.: Scanning electron microscopy of nonconductive specimen at critical energies. Scanning 23 (2001) - v tisku.
• Müllerová, I., Frank, L.: Scanning low and very low energy electron microscopy. In: Proceedings of the 12th European Congress on Electron Microscopy. (Ed.: Frank, L. ,Čiampor, F.). - Díl 3. Instrumentation and Methodology, Brno, Czechoslovak Society for Electron Microscopy, I177-I178 (2000).

---

2.12. Nové metody diagnostiky ztráty vědomí a náhlé srdeční smrti

Pavel Jurák, Josef Halámek

Byla navržena nová metoda vyšetření pacientů trpících poruchami vědomí a srdečního rytmu a vytvořena a klinicky testována nová teorie patofyziologie vazodepresorického typu neurokardiogenní synkopy. Byla vybudována unikátní laboratoř, jediná ve střední a východní Evropě: stávající laboratoř pro diagnostiku autonomního nervového systému ve FN U sv. Anny byla v roce 2000 rozšířena o přístroje, převážně konstruované v ÚPT, které umožňují kontinuální časově synchronizovaný záznam invazivního i neinvazivního krevního tlaku, EKG (15 svodů), digitálního video-EEG (21 svodů), respirace, 10ti kanálové strain-gauge pletysmografie a minutového srdečního výdeje. Systém umožňuje komplexní hodnocení interakcí mezi systémovou, plicní a mozkovou cirkulací. Vytvoření laboratoře je velkým přínosem nejen pro základní výzkum, ale i pro klinickou praxi. Zde se používá pro selektivní diagnostiku ztráty srdečního rytmu a ve spolupráci s neurologickou klinikou v rámci diferenciální diagnostiky a léčby synkopálních stavů (ztráty vědomí).

Práce představující uvedenou problematiku byla vybrána do finále soutěže "Young Investigator Awards Competition of The North American Society of Pacing and Electrophysiology" (NASPE), konané v rámci 21^st Annual Scientific Session, 17-21 května 2000, ve Washingtonu D.C., v USA, kde získala cenu "Honorable Mention in Clinical Research".

• Jurák, P., Kára, T., Halámek, J., Souček, M., Francis, D. P., Davies, L. C., Toman, J.: Breathing and testing of autonomic nervous system. Journal of Hypertenion 18 [Suppl. 2] 59 (2000).
• Kára, T., Jurák, P., Souček, M., Novák, M., Nováková, Z., Halámek, J., Šumbera, J., Toman, J., Řiháček, I.: Assesment of Baroreflex feedback Systém by Phase Shift and XYt Graph Methods. The Physiologist 43 [4] 284 (2000).
• Kára, T., Souček, M., Jurák, P., Novák, M., Halámek, J., Fráňa, P., Toman, J.: The influence of sympathetic cholinergic systém in pathophysiology of vasodepressoric type of vasovagal syncope. Pacing and Clinical Electrophysiology 23 [4/II] 615 (2000).

---

2.13. Optická past na bázi stojaté světelné vlny pro prostorové manipulace s mikroobjekty a nanoobjekty

Pavel Zemánek, Alexandr Jonáš, Jan Ježek, Petr Jákl, Mojmír Šerý

Klasická metoda prostorové manipulace s mikroobjekty a nanoobjekty prostřednictvím světla využívá laserového svazku, který je zaostřen mikroskopovým objektivem s velkou numerickou aperturou do stopy o velikosti srovnatelné s vlnovou délkou použitého záření. Silové působení na vložené objekty je pak důsledkem nehomogennosti intenzity pole v blízkosti ohniska svazku a je tím větší, čím je prostorová změna intenzity prudší.
V naší laboratoři byla navržena, teoreticky analyzována a experimentálně realizována originální metoda, která pro vytvoření silně nehomogenního pole využívá interference dvou protiběžných vln. Složením dopadajícího svazku a svazku odraženého od podložního skla, které je pro zvětšení efektu pokryto odraznou vrstvou, vzniká stojatá vlna, jejíž sousední maxima respektive minima intenzity jsou od sebe vzdálena o polovinu vlnové délky záření v prostředí. S takto prudkými změnami intenzity je svázáno výrazné silové působení podél osy svazku, jehož absolutní hodnota může až o několik řádů převýšit hodnoty běžné pro klasické uspořádání, a to bez nutnosti zaostření svazku do stopy blížící se vlnové délce manipulačního svazku.
Experimentální studium mikromanipulace ve stojaté vlně prokázalo simultánní existenci více optických pastí, do nichž bylo prostorově chyceno několik objektů současně. S využitím signálu dvoufotonové fluorescence generovaného chycenou obarvenou kuličkou byly zviditelněny přeskoky mezi sousedními optickými pastmi, které vznikají - v souladu s teorií - dokonce i v blízkosti nevrstveného podložního skla. Byla rovněž prokázána vyšší osová tuhost pastí ve stojaté vlně. Optická past na bázi stojaté vlny tedy umožňuje stabilní manipulaci v širším intervalu velikostí a indexů lomu objektů a s použitím méně kvalitního optického systému než při klasickém jednosvazkovém uspořádání.

• Zemánek, P., Jonáš, A., Šrámek, L., Liška, M.: Optical trapping of Rayleigh particles using a Gaussian standing wave. Optics Communications 151 [Jun1] 273-285 (1998).
• Zemánek, P., Jonáš, A., Šrámek, L., Liška, M.: Optical trapping of nanoparticles and microparticles by a Gaussian standing wave. Optics Letters 24 [21] 1448-1450 (1999).
• Ježek, J., Jonáš, A., Liška, M., Jedlička, P., Lukášová, E., Kozubek, S., Zemánek, P.: Combined system for optical cutting and multiple-beam optical trapping. In "Photonics, Devices, and Systems" (Ed.: Hrabovský, M., Tománek, P., Miler, M.), Proceedings of SPIE Vol. 4016, 303-308 (2000).
• Jonáš, A., Zemánek, P., Florin, E. L.: Characterization of optical trapping in the vicinity of a reflective surface. Optics Letters - odesláno.

---

2.14. Nové jevy při emisi elektronů a iontů z povrchu pevných látek

Zdeněk Šroubek

Mechanismus emise elektronů z feroelektrik vystavených rychlým napětovým změnám byl v posledních letech intenzivně studován z hlediska použití tohoto efektu k realizaci výkonných studených katod nového typu. Dosud však není vyjasněno, zda mechanismus této emise spočívá v elektron-elektronové repulsi na povrchu rychle přepolarizovaného dielektrika, nebo zda jsou elektrony emitovány z plazmatu při povrchovém výboji. Nebylo také jasné, zda ionty, kladné nebo záporné, jsou emitovány současně s elektrony. Mikroskopické procesy probíhající na površích rychle polarizovaných nebo přepolarizovaných dielektrik zahrnují i mechanizmy elektronové a iontové emise z povrchů pevných látek bombardovaných atomovými částicemi. Atomárně vybuzené emise byly v ÚRE již dříve intenzivně studovány jak teoreticky, tak i experimentálně. Ke studiu napěťově indukované emise z dielektrik byl použit společně s nanosekundovou pulsní technikou ultravakuový průletový hmotový spektrometr. Vůbec poprvé bylo takto změřeno hmotové spektrum iontové emise z napětově excitovaných feroelektrik. Přitom se rovněž zjistila relativní časová následnost emise kladných a záporných iontů a elektronů vzhledem k záporným či kladným náběhovým hranám excitačních pulsů. Experimenty nasvědčují tomu, že zdrojem iontů je prostorově a časově lokalizované plazma povrchového výboje s řadou zajímavých specifik. Použity byly excitační pulsy s amplitudou pouze 80 V a s délkou trvání 7 ns. Kontakt byl proveden wolframovým hrotem s poloměrem 10 mikrometrů. Výsledky ukazují, že mikroplasma má poloměr menší než 1 mikrometr s časovým trváním pod 1 ns, s elektronovou teplotou 3eV. Jsou plánovány experimenty s wolframovým hrotem o poloměru 0,1 mikrometrů a s pikosekundovými pulsy.

• Šroubek, Z.: "Ion emission from ferroelectrics." - J. Appl. Phys. 88, 4452-4454 (2000).

---

2.15. Nový typ optických vláken pro chemickou detekci

Miroslav Chomát, Vlastimil Matějec, Ivan Kašík, Daniela Berková

V rámci návrhu a přípravy speciálních optických vláken pro vysoce citlivou detekci chemických látek byla vyvinuta vlákna s invertovaným gradientním profilem indexu lomu (IGI vlákna). Tato vlákna mají na rozdíl od gradientních typů optických vláken pro telekomunikace minimální index lomu jádra na ose vlákna a maximální index lomu na rozhraní s optickým pláštěm. Ve srovnání s velmi často používanými vlákny pro chemickou detekci, tj. vlákny s homogenním křemenným jádrem pokrytým polymerním optickým obalem (PCS vlákna), mají IGI vlákna srovnatelné mechanické vlastnosti, jednoduché používaní i srovnatelnou cenu. Speciální profily IGI vláken navíc umožňují při vhodném navázání světla do vlákna řídit dráhy světelných paprsků v jádře tak, že jejich dosažitelná citlivost k chemickým látkám přítomným v okolí vlákna (v optickém plášti) je několikrát vyšší než u PCS vláken se stejným průměrem jádra [1].
Pro přípravu jader IGI vláken byla vyvinuta technologie spočívající na modifikované depozici z plynné fáze (MCVD metoda) s využitím oxidu boritého pro snížení indexu lomu křemene kombinovaná s řízeným odleptáním substrátové křemenné trubice roztokem obsahujícím kyselinu fluorovodíkovou [1]. Touto technologií byla připravena vlákna s parabolickým IGI profilem indexu lomu [1] i useknutým parabolickým profilem indexu lomu [2]. Z takto připravených preforem byly taženy vzorky IGI vláken s průměrem jádra 350 µm pokryté polysiloxanovým polymerem s indexem lomu 1.41.
Pro zajištění maximální citlivosti vzorků IGI vláken ke změnám indexu lomu jejich optického pláště vyvolaných chemickými látkami byl vyvinut optický zdroje sestávající z optického vlákna umístěného na ose IGI vlákna ve vhodné vzdálenosti před jeho vstupním čelem. S pomocí tohoto zdroje byla naměřena citlivost ke změnám indexu lomu 5x10^-5 v oblasti indexů lomu 1.44-1.45. Bylo rovněž zjištěno, že tuto citlivost lze dále zvýšit pokrytím IGI jádra tenkou vrstvou zlata nebo stříbra. V těchto případech se maximální citlivost posunula do oblasti indexů lomu 1.33-1.4. Pro detekci nepolárních látek byly tyto vzorky IGI vláken dále upraveny pokrytím tenkou vrstvou polysiloxanového polymeru. S pomocí těchto vzorků byly detekovány koncentrace 30 ppm toluenu ve vodě [3].

• [1] Matějec, V., Chomát, M., Kašík, I., Čtyroký, J., Berková, D., Hayer, M.: "Inverted-graded index fiber structures for evanescent-wave chemical sensing," Sensors and Actuators B 51, 340-347 (1998).
• [2] Chomát, M., Berková, M., Matějec, V., Čtyroký, J., Kašík, J., Gagnaire, H., Trouillet, A., Bardin, F.: "Detection of refractive index changes by using a sensing fiber with an inverted parabolic index profile," SPIE International Symposium on Environmental and Industrial Sensing - Photonics East, Proc. SPIE Vol. 3860, 179-189 (2000).
• [3] Bardin, F., Trouillet, A.,Veillas, C., Gagnaire, H., Matějec, V., Kašík, I., Chomát, M., Berková, D.: "Capteur a plasmon de surface avec une fibre a gradient d'indice parabolique inverse," 20^emes Journées Nationales d'Optique Guidée, Toulouse, France, Novembre 20-22 (2000).

---

2.16. Studium vlastností fotonických krystalů

V. Kuzmiak, J. Čtyroký

Myšlenka využít periodicky uspořádaných dielektrických materiálů (fotonických krystalů) jako prostředku, pomocí nichž lze ovlivňovat chování fotonů a v důsledku toho i jejich interakci s pevnou látkou, se stala předmětem širokého zájmu jak z hlediska základního výzkumu, tak kvůli mnoha potenciálním aplikacím (viz např. J. D. Joannopoulos, R. D. Meade, and J. N. Winn, Photonic Crystals, Molding Flow of Light (Princeton University Press, Princeton, NJ, 1995). Bylo teoreticky ukázáno, že funkci mnoha optických a optoelektronických zařízení lze značně zlepšit, pokud se při jejich konstrukci podaří využít technologií založených na fotonických krystalech. Umístněním atomů či molekul do vhodné struktury fotonického krystalu je možno výrazně ovlivnit jejich vyzařovací charakteristiky vlastnosti, např. potlačit nežádoucí spontánní luminiscenci, a tohoto efektu využít při konstrukci účinných zdrojů optického záření. Bodové a čárové defekty ve fotonickém krystalu se mohou chovat jako rezonátory a optické vlnovody velmi malých rozměrů, které by mohly být využity v integrovaných optických obvodech s velmi vysokým stupněm integrace.
V rámci probíhajích projektů NSF INT-932651 a COST 268 byly studovány vlastnosti jednorozměrných a dvojrozměrných fotonických krystalů. Pomocí numerické metody konečných diferencí byly provedeny výpočty lokalizovaných modů, které se mohou objevit v pásu zakázaných frekvencí, je-li do neporušeného krystalu zaveden izolovaný bodový defekt v substituční resp. intersticiální poloze [1]. Se vzrůstajícím zájmem o vývoj aktivních prvků byly v poslední době studovány jevy související se šířením elektromagnetického vlnění ve fotonických krystalech s nelineární dielektrickou konstantou a vlastnosti související s dynamickými efekty, jako např. generací druhé harmonické a indukovanými mezipásovými přechody. V návaznosti na toto úsilí jsme se v rámci probíhajícího projektu dále zabývali studiem vlastností souvisejících se zesílením vyzářené energie s frekvencí odpovídající modu čárového defektu s využitím jevu parametrické rezonance [2], ke které dochází na základě periodické modulace dielektrické konstanty pomocí slabého parametrického signálu.
Vzhledem k technologické náročnosti přípravy trojrozměrných fotonických krystalů je ve světě intenzivně zkoumána i možnost realizace a využití dvojrozměrných fotonických krystalů vytvořených v planárních optických vlnovodech. Základním předpokladem správné funkce takových struktur jsou nízké ztráty způsobené vyzařováním z planárního vlnovodu. Abychom mohli takové jevy analyzovat, zdokonalili jsme naši metodu pro přesnou numerickou analýzu vlastností planárních optických vlnovodných struktur založenou na rozkladu vln šířících se ve vlnovodech vobousměrně se šířící vlastní vidy zabudováním nového typu okrajových podmínek, tzv. "dokonale přizpůsobených vrstev" ve formulaci rozšíření souřadnice do komplexní roviny. Metoda byla využita při numerické analýze ztrát vyzařováním při šíření vln v jednorozměrných fotonických krystalech v planárním vlnovodu. Teoretický rozbor chování fotonických struktur v planárním optickém vlnovodu vycházející z výše uvedené metody ukázal, že pokud vektorová vlnová rovnice pro šíření vln v takových strukturách umožňuje separaci souřadnice kolmé k rovině vlnovodu, může se v takových strukturách šířit optické záření zcela beze ztrát [3].

• [1] V. Kuzmiak and A. A. Maradudin: "Symmetry analysis of the localized modes associated with substitutional and interstitial defects in a two-dimensional triangular photonic crystal", Phys. Rev. B 61, 10750 (2000).
• [2] V V. Konotop and V. Kuzmiak: "Parametric resonance of a defect mode in 2D photonic crystal", zasláno do red Phys. Rev. B. (2000).
• [3] J. Čtyroký: "Photonic bandgap structures in planar waveguides", J. Opt. Soc. Am. A, (2001) (přijato k publikaci).

---

2.17. Spolehlivost plynovodních potrubí

Ľubomír Gajdoš

Plynovody jsou vystaveny obtížným podmínkám provozu, jsou poškozovány statickou a dynamickou únavou, degradací vlastností materiálu při dlouhodobém užívání i účinky koroze. Přitom poruchy a exploze jsou velmi nebezpečné, neboť potrubí probíhají v terénu v hustě osídlených oblastech, akumulovaná energie potrubí je vysoká a havárie jsou tudíž katastro-fické. Využitím nových výsledků výzkumu lze zvýšit provozní spolehlivosti dlouhodobě provozovaných plynovodů tlakovou rehabilitací neboli řízeným přetížením. Význam přetížení spočívá ve vytváření bariér proti rozvoji vad a odhalení nejnebezpečnějších defektů, které by mohly vést k porušení plynovodu v krátké provozní době. Přetížení vede k zablokování nebo zpomalení růstu dalších defektů. Nutnou podmínkou k dosažení pozitivního účinku přetížení na zvýšení pevnostní spolehlivosti rehabilitovaného plynovodního potrubí je nepřekročení jisté hodnoty tlaku, při které by u ostré trhliny došlo k podkritickému stabilnímu nárůstu. Určení optimálního rehabilitačního přetlaku je proto nejnáročnější teoretickou operací rehabilitačního procesu. Rehabilitační přetlak musí být zvolen tak, aby byly lomem odkryty ty defekty, které by zkrátily požadovanou životnost plynovodu, a dále aby byla zajištěna požadovaná anebo delší životnost plynovodu se zbylými defekty. Na základě výsledků výzkumu a ověřovacích zkoušek na laboratorních vzorcích i na trubních tělesech byl vypracován postup určení rehabilitačního přetížení, který zohledňuje uvedené požadavky. Princip tohoto postupu spočívá v tom, že elasto-plastický lomový parametr, tzv. J integrál, dosahuje pro největší "přípustnou" trhlinu a pro tlak rovný rehabilitačnímu přetlaku právě hodnotu, která určuje počátek stabilního podkritického růstu trhliny.

• Gajdoš Ľubomír a kolektiv: Spolehlivost plynovodních potrubí. Vydavatelství ČVUT, Praha 2000

---

2.18. Kanonické tvary konstitutivních rovnic směsí

Karel Bucháček

Pro studium difúze složek heterogenních materiálů, jaká se projevuje například při fyziologických procesech v živých tkáních, nebo při konsolidaci zemin, je vhodné heterogenní materiál fyzikálně modelovat jako směs, tj. jako superpozici prostředí, která se pohybují v čase a prostoru nezávisle. Fyzikální vlastnosti složek se navzájem ovlivňují a každá závisle proměnná veličina je závislá na všech nezávisle proměnných definovaných na všech složkách směsi.
Fyzikální vlastnosti směsi jsou popsány konstitutivními rovnicemi, které je třeba odvodit. K tomuto účelu bylo třeba definovat materiální symetrii směsi a formulovat teorii násobných invariantů. Známe-li pro dané nezávislé vektorové a tenzorové veličiny bázové násobné invarianty, pak postupem uvedeným v článku lze odvodit obecné a exaktní tvary konstitutivních rovnic.

• Bucháček, K.: Canonical forms of constitutive equations of mixtures. Int. J. Engng.
  Sci. 38: pp. 643-672 (2000).

---

2.19. Obecná koncepce mezomechanického konstitutivního modelování

Vratislav Kafka

Byla vytvořena a v mnoha směrech experimentálně verifikována původní obecná koncepce konstitutivního modelování kvazihomogenních, mikroskopicky heterogenních materiálů. Je koncipována především pro popis nepružných deformačních procesů a procesů kumulativního poškozování. Vzhledem k její obecnosti je aplikovatelná na širokou škálu materiálů technických, i materiálů biologických.
Její podstatu je možno charakterizovat dvěma hledisky:
(i) Jako zobecnění a přiblížení k realitě dvou klasických fiktivních modelů, modelu paralelního a sériového uspořádání reologických prvků. Tyto modely neodpovídají skutečným deformačním procesům v trojdimenzionálních strukturách. Nová koncepce umožňuje popis reálných trojdimenzionálních dvoufázových struktur: nespojitých inkluzí ve spojité matrici, dvou spojitých substruktur, dvou nespojitých substruktur.
(ii) Jako zvláštní případ modelu s tenzorovými vnitřními proměnnými, v němž mají vnitřní proměnné jasně definovaný fyzikální význam.
Struktura je popsána strukturními parametry, které jsou odvozeny jako integrální formy distribučních funkcí. Uživatel modelu však nepotřebuje znát distribuční funkce, pracuje pouze se strukturními parametry, které lze poměrně snadno experimentálně určit. Byly propracovány aplikace na kovové polykrystalické materiály, na konstrukční betony, na materiály s anizotropní strukturou a na některé biologické materiály. Modelované procesy se týkají plasticity, lokalizace, reologického přetváření, kumulace poškození a tvarové paměti.

• Kafka, V.: Mesomechanical Constitutive Modeling. - World Scientific, Singapore · New Jersey · London · Hong Kong, vyjde v únoru 2001.

---

2.20. Matematicko-fyzikální modelování v biomechanice hlasu a sluchu člověka

J. Horáček, J. Veselý, L. Pešek, P. Formánek, J. Švec (Medical Healthcom s.r.o.)

Ve spolupráci s lékařským pracovištěm Medical Healthcom, s.r.o. - Centrem péče o nemocné s poruchami hlasu, řeči a vadami sluchu byly z měření in vivo získány unikátní experimentální údaje o rezonančních vlastnostech lidských hlasivek. Zvláště významným přínosem je identifikace rezonančních frekvencí a modů kmitání reálných hlasivek pomocí jejich externího buzení vibrátorem a využitím laryngoskopie. Výsledky nepodpořily dosavadní zjednodušené teoretické modely hlasivek, odpovídají naopak analýze z matematického modelu hlasivek spočívajícího na metodě konečných prvků. Naměřené dynamické charakteristiky (rezonanční frekvence, tvary kmitu a tlumení) přispívají k tvorbě matematicko-fyzikálních modelů hlasu člověka. Jeden z takových původních matematických modelů hlasivek umožňující studium interakcí mezi vzdušným prouděním a vibracemi hlasivek byl vytvořen i v ÚT AV ČR. Analýza dynamických a stabilitních vlastností modelu ukazuje na dobrou korelaci s reálnými fyziologickými daty

• Horáček, J., Švec, J. G.: Aeroelastic Model of Vocal-Fold Vibration. - In: Proc. of 7^th Int. Conf. on FIV 2000, Luzern, Switzerland, June 2000; Flow-Induced Vibration (Eds. Ziada S., Staubli T.): A. A. Balkema, Rotterdam, 419-425 (2000).
• Švec, J. G., Horáček, J., Šram, F., Veselý, J.: Resonance Properties of the Vocal Folds: In vivo Laryngoscopic Investigation of the Externally Excited Laryngeal Vibrations. - Journal of the Acoustical Society of America: 108 (4), 1397-1407 (2000).

---

2.21. Kondenzační rychlost vodní páry s příměsemi ekologicky a energeticky významných látek

J. Hrubý, F. Maršík, J. Blaha, J. Hošek

V roce 2000 byla vyvinuta a úspěšně použita metoda měření nukleace kapiček a rychlosti jejich růstu pomocí tzv. nukleačního pulzu [1,4]. Předností této metody, která využívá speciálně upravenou rázovou trubici, je zejména krátká doba expanze (~0.3ms). Tím se umožňuje měření vysokých rychlostí růstu kapiček. Ve spolupráci s prof. R. Streyem (University of Cologne) se podařilo experimentálně a teoreticky dokázat existenci kinetické generalizace Henryho zákona pro binární nukleaci. Energie tvorby nové fáze je díky tomu stanovena mnohem přesněji respektováním chemického složení kritického klastru [2].
Ve spolupráci s prof. M.E.H. van Dongenem (University of Eindhoven) byla formulována metoda odhadu formační práce klastrů ve směsích plynů o vysoké hustotě [3]. Tato metoda rozšiřuje tzv. kapilární aproximaci tak, že je možno předvídat složení povrchové vrstvy klastru. Ta je ovlivněna jak složením vnitřní části klastru tak okolní plynnou fází. Vliv plynné fáze byl dříve zanedbáván, což je chybné v případě vyšších hustot plynu. Dále byl proveden obecný důkaz tzv. nukleačního teorému, který dovoluje určení velikosti a složení kritického klastru z měření nukleační rychlosti. Dřívější důkazy byly založeny na rovnovážné termodynamice bez ohledu na skutečnost, že jde o popis vlastností metastabilních systémů. V provedeném důkazu je tato skutečnost respektována a je ukázáno, že limituje oblast platnosti nukleačního teorému. Pomocí nově vyvinutého programu pro klasickou unární a binární nukleaci byla vyhodnocena dřívější měření nukleační rychlosti čisté vodní páry, směsi vodní páry a ethanolu a vodní páry a čpavku za přítomnosti nosných plynů (He, Ar, N₂, CO₂) metodou kondenzační vlny. Bylo prokázáno, že vliv nosného plynu o nízkém tlaku na nukleační rychlost je zanedbatelný, ačkoliv kondenzační rychlost je silně ovlivněna. Kromě výzkumu fázového přechodu pára-kapalina je připravován experiment pro měření vlivu příměsí na kinetiku fázového přechodu kapalina-pára (kavitace).

• [1] Maršík, F., Blaha, J., Hrubý, J., Hošek, J., Sopuch, P.: Condensation Waves in Fast Expansion of Steam with Admixtures. - In: Steam, Water and Hydrothermal Systems, Physics and Chemistry. Proceedings of the 13^th International Conference on the Properties of Water and Steam (Eds.P.Tremaine, P.G.Hill, D.Irish, P.V.Balakrishnan): NRC Press, Ottawa, 934-941 (2000).
• [2] Hrubý, J., Strey, R.: Experimental Determination of Molecular content of Nuclei by independent Variation of Activities. - In: Nucleation and Atmospheric Aerosols 2000 (Eds.B.N. Hale, M. Kulmala): American Institute of Physics, New York, 119-122 (2000).
• [3] Hrubý, J., Peeters, P., van Dongen, M.E.H.: Homogeneous Nucleation in High-Pressure Multi-Component Systems: Application to Mixtures of N-Alkanes. - In: Nucleation and Atmospheric Aerosols 2000 (Eds.B.N.Hale, M.Kulmala): American Institute of Physics, New York, 143-146 (2000).
• [4] Hrubý, J., Hošek, J., Blaha, J., Maršík, F.: Nucleation Pulse Measurements for Water Vapor at Elevated Temperatures. - In: Nucleation and Atmospheric Aerosols 2000. (Eds.B.N.Hale, M. Kulmala): American Institute of Physics, New York, 237-240 (2000).