Studentská grantová soutěž

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

SP2025/009

Životský Ondřej prof. Ing., Ph.D.

01. 01. 2025 - 31. 12. 2025

Řešení navrhovaného projektu zahrnuje tři hlavní směry výzkumu v souladu s výzkumným zaměřením Katedry fyziky, FEI, VŠB-TUO: 1) První směr odpovídá odbornému zaměřením skupiny Optická diagnostika a zahrnuje dvě části: a) Teoretická a experimentální analýza nových optických senzorů využívajících povrchové plazmonové rezonance (SPR) nebo rezonance Blochových povrchových vln. b) Teoretická a experimentální analýza nových vláknových optických senzorů založených na rezonancích v systémech dvojice Braggových zrcadel. V rámci řešení projektu v oblasti SPR senzorů bude kladen důraz zejména na odezvu těchto senzorů na měřené analyty v úhlové oblasti. Studovány budou jak plynné, tak kapalné analyty. Prioritní bude optimalizace senzorů s ohledem na jejich citlivost. V rámci řešení projektu v oblasti Blochových povrchových vln, resp. vláknových optických senzorů s Braggovými zrcadly, se soustředíme na vliv porozity terminační vrstvy 1D fotonického krystalu na senzorickou odezvu. Toto bude analyzováno jak teoreticky, tak experimentálně, kdy bude sledován vliv velikosti póru na výsledné vlastnosti senzoru. Studována bude rovněž závislost odezvy senzoru na rozložení pórů podle velikosti a samotná dynamika zaplňování póru analytem. Hlavním cílem je optimalizovat strukturu senzoru a získat tak jeho nejvyšší citlivost. 2) Druhý směr se týká magnetických vlastností materiálů a je tvořen třemi částmi: a) Student Ing. Jan Pytlík v současné době pracuje na své dizertační práci s názvem „Vybrané teoretické modely magnetické hystereze“. Ve své první publikaci z roku 2023 (J. Pytlík a kol., Phys. Rev. B 108 (2023) 104414) navrhl modifikovaný izotropní model magnetizačních křivek feromagnetických materiálů (DIMFH) založený na Jiles-Athertonově modelu. V projektu bude tento model dále rozvíjen, důraz bude kladen zejména na (i) konkrétní hodnoty parametrů DIMFH modelu získané fitováním magnetizačních křivek různých druhů magnetických materiálů a na jejich fyzikální význam, (ii) popis minoritních magnetizačních křivek a (iii) teplotní chování parametrů modelu. Výzkum bude probíhat ve spolupráci s Katedrou informatiky (FEI, VŠB-TUO) a se Slezskou univerzitou v Katovicích. b) Studium strukturních a magnetických vlastností Heuslerových slitin na bázi železa a manganu probíhá v tomto výzkumném zaměření již několik let. Jeho součástí je i diplomová práce studenta Bc. Vojtěcha Trechy s názvem „Strukturní a fyzikální vlastnosti slitin Mn2FeSn“. Strukturní charakterizace slitin připravených tradičními technologiemi obloukového a indukčního tavení bude probíhat pomocí rentgenové difrakce, elektronové mikroskopie nebo neutronové aktivační analýzy. Magnetické vlastnosti na nízkých, pokojových a vysokých teplotách budou studovány pomocí vibračního vzorkovacího magnetometru. Experimentální výsledky budou také zahrnovat Mössbauerovská spektra umožňující charakterizovat chování železa v různých hloubkách pod povrchem vzorku. Těmto experimentům se bude detailně věnovat další student pracující na projektu, Ing. Adam Štefek. Kromě slitiny Mn2FeSn budou zkoumány ještě další kompozice, například Fe2CrSi, Fe2CrAl a Mn2.4Fe0.8Si0.8. c) Třetím směrem, na kterém se bude podílet zejména hlavní řešitel projektu, je vývoj tzv. „spring-exchange“ magnetů s kompozicí Dy/X-Fe-Nb-B (X = Ni, Co, Cu, Pt). Jedná se o kompozitní materiály tvořené magneticky měkkými a tvrdými fázemi. Cílem je optimalizace kompozice těchto materiálů za účelem maximalizace jejich tvrdých magnetických vlastností. Výzkum bude probíhat ve spolupráci se Slezskou univerzitou v Katovicích. 3) Výzkum v oblasti aplikované jaderné fyziky bude soustředěn do pěti oblastí: a) Použití pixelových detektorů Timepix3 pro základní a aplikovaný výzkum v jaderné fyzice: Detekce neutronů a nabitých částic s vysokým rozlišením, produkce radioaktivních jader na neutronovém generátoru na Katedře fyziky FEI VŠB-TUO a měření jejich poločasů přeměny, inovativní metody charakterizace a monitorování svazků nabitých částic z urychlovačů (cyklotron U-120M, ÚJF AV Řež u Prahy) (Ing. Dušan Poklop, doc. Carlos Granja). b) Vývoj pokročilých jaderných metod v kosmickém výzkumu: Fyzika radiace ve vesmíru, využití výsledků a zpracování nově naměřených dat získaných na oběžné na palubě družic (One Web – ESA, VZLUSAT2) a na mezinárodní vesmírné stanici ISS ve spolupráci s firmou Advacam Praha (doc. Carlos Granja). c) Charakterizace a precizní měření radiace v radioterapii: Využití metody a nově zavedené aplikace pixelových detektorů Timepix (CERN, Advacam Praha) na předních lékařských pracovištích (Proton Therapy Center, Praha, Proton Center CCB, Krakow, Polsko, MedAustron, Wiener Neustadt, Rakousko) (Ing. Dušan Poklop, doc. Carlos Granja). d) Návrh nové metody pro přesnější stanovení aktivity nízkoaktivního odpadu z výroby radiofarmak využívající detekční komoru s 8 scintilačními CeBr3 spektrometry gama záření. Předpokládaný ekonomický přínos spočívá v usnadnění uvolňování nízkoaktivního odpadu do životního prostředí a snížení nároků na ukládání radioaktivního odpadu (Ing. Ondřej Harkut). e) Pokračování studia nepružného rozptylu neutronů na železe a chlóru a měření emitovaného sekundárního gama záření ve spolupráci s Centrem výzkumu Řež spojené s testováním jaderných databází. Získané výsledky jsou využitelné pro zajištění dlouhodobého provozu stávajících jaderných reaktorů i nových jaderných reaktorů 4. generace (Bc. Michael Němeček).

prof. Ing. Ondřej Životský, Ph.D.
Ing. Michal Gryga, Ph.D.
doc. Ing. Carlos Granja, Ph.D.
Ing. Jan Pytlík
Ing. Dušan Poklop
Ing. Adam Štefek
Ing. Jakub Chylek
Bc. Vojtěch Trecha
Ing. Ondřej Harkut
Bc. Michael Němeček
Bc. Vojtěch Slaný

Cíle projektu:

1) Optická diagnostika:

Hlavním cílem projektu je zapojení Ing. Jakuba Chylka, Bc. Vojtěcha Slaného a Ing. Michala Grygy, Ph.D., do řešení problematiky optických senzorů využívajících povrchové vlny a rezonanční vidy v systémech s dvojicí Braggových zrcadel. Důraz bude kladem zejména na dielektrické struktury s porézními vrstvami, resp. na vláknovou implementaci senzorů.

• Minimálně dvě publikace v časopise s impakt faktorem, z nichž jedna bude zaměřená na vláknovou senzoriku a druhá na senzoriku povrchových vln (SPR a Blochovy povrchové vlny).
• Prezentace výsledků zaměřených na analýzu a realizaci nových optických senzorů využívajících výše zmíněné rezonance v rámci mezinárodní konference. Dále budou výsledky průběžně prezentovány na seminářích Katedry fyziky a na konferencích FEI.

2) Magnetické vlastnosti materiálů:

• Rozvoj izotropního modelu feromagnetické hystereze (Ing. Jan Pytlík, prof. Ondřej Životský).
• Studium Heuslerových slitin na bázi manganu a železa s využitím Mössbauerovy spektroskopie a dalších charakterizačních technik (Ing. Adam Štefek, Bc. Vojtěch Trecha, prof. Ondřej Životský).
• Příprava a charakterizace tvrdých magnetických kompozitů na bázi Dy/X-Fe-Nb-B (X = Ni, Co, Cu, Pt) (prof. Ondřej Životský).

Výsledky budou publikovány ve 2-3 článcích v časopisech s IF (Q1 nebo Q2), v jedné diplomové práci, v jedné dizertační práci a průběžně prezentovány na seminářích Katedry fyziky a mezinárodních konferencích.

3) Aplikovaná jaderná fyzika:

• Využití pixelových detektorů v základním a aplikovaném výzkumu, viz témata a), b), c) (Ing. Dušan Poklop, doc. Carlos Granja) – 3 články.
• Prezentace výsledků výzkumu pixelových detektorů na mezinárodních konferencích formou vystoupení a posterů (uvažované konference: International Workshop on Radiation Imaging Detector, Bratislava, Slovensko, European Space Weather Week (ESA) - Evropa, International Particle Therapy Conference PTCoG - USA).
• Účast na experimentech na urychlovačích (Proton Therapy Center, Prague, Proton Center CCB, Krakow, Poland, MedAustron, Wiener Neustadt, Austria, NASA Space Radiation Laboratory NSRL, Brookhaven National Laboratory, USA) (Ing. Dušan Poklop, doc. Carlos Granja).
• Multidetektorová gama spektrometrie kontaminovaného pevného odpadu z výroby radiofarmak (Ing. Ondřej Harkut) – 1 článek.
• Gama-spektrometrická metoda pro hodnocení radioaktivity nízkoaktivních odpadů – dizertační práce (Ing. Ondřej Harkut).
• Promptní gama záření z nepružného rozptylu neutronů na chlóru s využitím neutronových zdrojů 252Cf a AmBe (Bc. Michael Němeček) - 1 článek.
• Monitorování neutronových polí a nepružný rozptyl neutronů - diplomová práce (Bc. Michael Němeček).

Celkem 5 článků v časopisech s impakt faktorem, 1 obhájená dizertační a 1 obhájená diplomová práce.