Studentská grantová soutěž - předchozí roky

Charakterizace a modelování fyzikálních vlastností vybraných materiálů

SP2023/036

Životský Ondřej prof. Ing., Ph.D.

01. 01. 2023 - 31. 12. 2023

Předmět výzkumu projektu odpovídá třem odborným zaměřením Katedry fyziky (Magnetické vlastnosti materiálů, Progresivní technologie porušování materiálů a Aplikovaná jaderná fyzika): 1) První směr je věnován rozvoji izotropního Jiles-Athertonova modelu a dále strukturní a magnetické charakterizaci Heuslerových slitin na bázi Mn. Výzkum bude orientován do dvou klíčových oblastí: Student Jan Pytlík v současné době pracuje na své diplomové práci zaměřené na modelování a fitování magnetizačních křivek pomocí izotropního Jiles-Athertonova modelu. Jedná se o teoretický model, který s využitím několika parametrů dokáže vykreslit magnetizační křivku feromagnetického (ferimagnetického) materiálu a stanovit tak jeho základní magnetické vlastnosti. Cílem je zjednodušení modelu a modifikace těchto parametrů tak, aby měly tyto parametry jasný fyzikální význam. Model bude naprogramován v programu Matlab a jeho hlavní výhodou by měla být rychlost fitování. Analyzována bude také teplotní závislost magnetizačních křivek zvolených izotropních materiálů (amorfní pásky na bázi Fe, prášek magnetitu). Magnetizační křivky budou měřeny pomocí vibračního magnetometru VSM Microsense EZ 9. Druhá oblast zahrnuje přípravu a strukturní a magnetickou charakterizaci Heuslerových slitin Mn2FeAl a Mn2FeSn připravených indukčním tavením ve formě ingotu a mletím ve formě prášku. Jedná se o speciální skupinu materiálů na bázi Mn, jejichž magnetické vlastnosti byly doposud předpovídány pouze pomocí teoretických modelů a neexistuje příliš mnoho experimentálních prací. Charakterizace bude probíhat pomocí rentgenové difrakce, elektronové mikroskopie, vibrační magnetometrie, Mössbauerovy spektroskopie či pozitronové anihilace. Cílem je získání nových poznatků o chování těchto slitin na nízkých, pokojových a vysokých teplotách, na základě nichž by měly být predikovány jejich potenciální praktické aplikace. Na výzkumu se bude podílet kromě Katedry fyziky také FMT VŠB-TUO, MFF UK v Praze a PřF UP v Olomouci. 2) Druhý směr je zaměřen na řízení interakčních procesů abrazivního vodního paprsku (AWJ). Na základě poznatků získaných v minulých letech budou studenti pokračovat ve vývoji postupů, které lze aplikovat při online řízení kvality práce abrazivního vodního paprsku (AWJ). Tyto postupy budou zaměřeny na využití nekonvenčních abrazivních materiálů pro generování AWJ. Studovány budou zejména úrovně silového působení AWJ při změnách abrazivních materiálů za nestandardních podmínek (dopad AWJ pod úhlem). Bude studováno i působení na nekonvenční materiály, které běžně nejsou pomocí AWJ opracovávány (sklo). Signály budou získávány z vlastního inovovaného snímače sil, z akcelerometrů a mikrofonu umístěného v blízkosti interakční oblasti. Doplňkem těchto signálů jsou okamžitá hodnota tlaku kapaliny před tryskou snímaná příslušným tlakovým čidlem a případně okamžitá rychlost proudění abrazivního materiálu na vstupu do směšovací komory. Abrazivní materiály, které budou studovány, jsou jednak měkké a s nízkou tvrdostí, jednak magnetické. U všech typů abraziv bude studován vliv parametrů indukování magnetického pole v řezané oceli a u magnetických abraziv bude studována i možnost ovládat pohyb abrazivního paprsku magnetickým polem pro případné využití při frézování, soustružení a dalších netradičních operacích prováděných pomocí AWJ. Studenti budou měřit signály na různých materiálech za různých podmínek a zpracovávat je tak, aby bylo možno nalézt souvislosti mezi typem a úrovní signálů a výslednou kvalitou opracování materiálů. Z naměřených a vyhodnocených výsledků budou připravovány články do vědeckých časopisů zaměřených na kvalitu inovaci procesu obrábění pomocí AWJ, měření a vyhodnocování signálů a řízení průmyslových procesů. Pokud to bude možné, budou orientovány články také na zpracování nekonvenčních materiálů, případně materiálů za specifických podmínek, při kterých není možno používat klasické technologické postupy a AWJ s vysokým stupněm automatizace je nejlepší alternativou vzhledem k požadavkům ochrany životního prostředí a zdraví obsluhy. 3) Třetím směrem výzkumu projektu je rozvoj aplikované jaderné fyziky: Výzkum v oblasti aplikované jaderné fyziky bude zaměřen jednak na měření účinných průřezů rychlých neutronů (Sara Mahiddine, MSc. a Ing. Ondřej Harkut), charakterizaci neutronových polí pomocí aktivačních fólií, pixelových detektorů a stopových a OSL dozimetrů (Ing. Patrik Berka, Bc. David Kuča). Budou pokračovat práce na návrhu gama spektrometrické sestavy pro měření nízkoaktivního pevného odpadu z výroby radiofarmak. Předpokládáme realizaci a testování měřící komory složené ze šesti scintilačních krystalů CeBr3 chráněné olověným stíněním, která je schopna účinně identifikovat vybrané nuklidy emitující gama záření a spolehlivě určit jejich aktivity (Ing. Ondřej Harkut). Novou oblastí výzkumu bude studium promptního gama záření indukovaného tepelnými neutrony a zpožděného gama záření z krátkožijících radionuklidů (ms až s). K tomu je třeba zakoupit nový mnohakanálový analyzátor BOSON firmy Baltic Scientific Instruments, který umožní trigrování polovodičového spektrometru gama záření pulzy z iontového zdroje neutronového generátoru v antikoincidenčním zapojení. Očekávaným přínosem bude snížení pozadí detektoru a zvýšení jeho citlivosti pro detekci vodíku a kyslíku při pulzním režimu neutronového generátoru (Bc. David Kuča). Další novou oblastí bude neinvazivní monitorování a charakterizace svazků nabitých částic pomocí pixelových detektorů Timepix3. Předpokládáme vyvinutí metody detekce pomocí rozptylových fólií s vysokým protonovým číslem a radiační kamerou MiniPIX-Timepix3 na základě Monte-Carlo simulací. Testování bude probíhat na protonovém cyklotronu U-120M v ÚJF AV ČR, Řež u Prahy (Ing. Dušan Poklop). Výzkum v oblasti teoretické jaderné fyziky bude zaměřen na vliv izomérů na produkci vybraných prvků při nukleosyntéze ve hvězdách, zejména na 180Ta, v souvislosti s připravovaným experimentem v ILL v Grenoblu a na studium fázových přechodů ve středně těžkých jádrech v rámci algebraického kolektivního modelu (Bc. Adam Prášek).

prof. Ing. Ondřej Životský, Ph.D.
Doc. Dr. RNDr. Petr Alexa
Ing. Adam Štefek
Bc. Jakub Gřunděl
Ing. Petr Pětroš
Bc. Jiří Kozelský
Ing. Ondřej Harkut
Bc. David Kuča
Ing. Jan Pytlík
Ing. Martin Tyč
Sara Mahiddine, M.Sc.
Bc. Adam Prášek
Bc. Vojtěch Trecha
Bc. Vojtěch Slaný
Bc. Michael Němeček
Ing. Dušan Poklop

Cíle projektu:
1) Magnetismus materiálů:

• Rozvoj izotropního Jiles-Athertonova modelu pro modelování a fitování magnetizačních křivek (Bc. Jan Pytlík, výzkum v rámci diplomové práce).
• Studium defektů, strukturních a magnetických vlastností Heuslerových slitin Mn2FeAl a Mn2FeSn (prof. Ondřej Životský).

Výsledky budou publikovány ve 2-3 článcích v časopisech s IF, v jedné diplomové práci a průběžně prezentovány na seminářích Katedry fyziky.


2) On-line řízení kvality práce abrazivního vodního paprsku (AWJ):

• Ing. Adam Štefek – měření a analýza signálů při měření silových účinků působení nekonvenčních abraziv použitých v AWJ za nestandardních podmínek a na nekonvenčních materiálech.

• Ing. Martin Tyč – měření a analýza signálů z akcelerometrů a mikrofonu během působení nekonvenčních abraziv použitých v AWJ za nestandardních podmínek a na nekonvenčních materiálech.

• Bc. Jakub Gřunděl – měření a vyhodnocení několika kombinací signálů z různých zdrojů a určení jejich vztahu ke kvalitě výsledného účinku.

• Bc. Petr Pětroš – měření a vyhodnocení signálů z různých zdrojů a určení jejich vztahu ke změně vstupních parametrů.

• Bc. Jiří Kozelský – výpočet proudění vodního paprsku se souběžným vzduchovým obalem. Porovnání výsledků s měřeními a případná korekce modelu.

Poznatky studentů budou základem pro články, které budou poslány do časopisů s IF. V plánu jsou 2-3 články v časopisech s IF zařazených do D1 až D4 a dva články na významné mezinárodní konferenci s předpokládanými výstupy do WoS a Scopus.


3) Aplikovaná jaderná fyzika:

• Měření účinných průřezů (Sara Mahiddine, MSc., Ing. Ondřej Harkut).

• Charakterizace neutronových polí pomocí aktivačních fólií, pixelových detektorů a stopových a OSL dozimetrů (Ing. Patrik Berka, Bc. David Kuča) .

• Multidetektorová gama spektrometrie kontaminovaného pevného odpadu z výroby radiofarmak (Ing. Ondřej Harkut) .

• Gama-spektrometrická metoda pro hodnocení radioaktivity nízkoaktivních odpadů – dizertační práce (Ing. Ondřej Harkut).

• Využití pulzního režimu neutronového generátoru pro detekci vodíku a kyslíku (Bc. David Kuča).

• Neinvazivní monitorování a charakterizace svazků nabitých částic pomocí pixelových detektorů Timepix3 (Ing. Dušan Poklop) – účast na mezinárodní konferenci IWORID, Oslo, Norsko, červen 2023 (poster nebo vystoupení, publikace ve sborníku – Journal of Instumentation).

• Nukleosyntéza 180Ta a fázové přechody v algebraickém kolektivním modelu (Bc. Adam Prášek).

Výsledky budou publikovány v 4-5 článcích v časopisech s IF a jedné dizertační práci.