Směry výzkumu

Skupina se zabývá technikou iontových svazků a jejich aplikacemi v oblasti modifikace povrchů a analýz materiálů. Skupina provozuje Laboratoř iontových svazků, kde je zejména provozováno zařízení pro iontově-analytické metody (PIXE, zpětný rozptyl, PIGE) využívající svazek lehkých částic z urychlovače Van de Graaff. Dále je k dispozici například zařízení pro implantaci iontů s energií do 120 keV.

Odborníci na FJFI se zabývají vývojem a charakterizací struktur na bázi polymerů používaných při konstrukci chemických a fyzikálních vlnovodných senzorů a aktivních vlnovodných prvků. K přípravě funkčních struktur jsou využívány metody rotační depozice tenkých filmů z roztoku, depozice vrstev z par ve vakuu, tažení z roztoku a chemického dopování. K testování mikrostruktury vyvíjených materiálů jsou k dispozici metody optické spektroskopie, světelné mikroskopie, spektroskopie zeslabené totální reflexe, optické reflektometrie a transmisní elektronové mikroskopie.

Skupina GAMS se zabývá studiem fyzikálních, biologických a sociálních systémů, metodami matematické statistiky, matematické analýzy a teorie pravděpodobnosti. Jedná se především o statistickou analýzu dat, formulaci teoretických transportních modelů a hledání příslušných analytických řešení, matematické metody v defektoskopii, pravděpodobnostní odhady z malých sociálních oblastí, studium tzv. Φ-divergencí, matematické modely pro pohyb chodců, modely paniky a další.

Ve skupině radiační chemie je pozornost věnována radiačním a fotochemickým aplikacím v oblasti nano-materiálů a v oblasti bioradiační chemie. V první oblasti se pozornost soustřeďuje na výzkum, vývoj a radiačně chemickou či fotochemickou přípravu (i ve čtvrtprovozním měřítku) nano-materiálů zejména na bázi oxidů nebo kovů určených pro nejrůznější aplikace jako například příprava luminoforů nebo nanomateriálů pro biomedicínské aplikace. V oblasti bioradiační chemie je výzkum zaměřen na studium mechanismu modifikace radiační citlivosti živých buněk pomocí chemických modifikátorů.

Výzkumná činnost fraktografické laboratoře je rozdělena do dvou základních směrů:

• Výzkum lomových vlastností nových materiálů je realizován ve vazbě na fyzikálně metalurgické poznatky. Získané informace jsou nezbytným požadavkem pro inženýrskou provozní i technologickou činnost. Nedílnou součástí této oblasti je i vývoj nových metod kvantitativní fraktografické analýzy.
• Objasňování příčin různých poruch a havárií. Získané informace jsou základním vstupem jednak při odstraňováni příčin havárií, jednak pro studium zákonitostí porušování složitých mechanických soustav a odhad životnosti konstrukcí.

Skupina Fyziky a techniky termojaderné fúze se podílí na výzkumu na fakultním tokamaku GOLEM, tokamaku COMPASS a na společném evropském tokamaku JET. Kromě vzdělávání se skupina věnuje problematice aplikací vysokoteplotních supravodičů v reálném tokamakovém provozu, zkoumání doby udržení radiofrekvenčního plazmatu vybuzeného elektromagnetickou vlnou v magnetickém poli a mapování poloidální asymetrie toku plazmatu měřeného polem Machových sond. Unikátní konfigurace silových cívek a železného jádra tokamaku GOLEM se využívá pro vývoj a testování 3D modelu ferromagnetika za účelem charakterizace změny rozložení vnějšího magnetického pole v blízkosti nenasycených (nebo částečně nasycených) ferromagnetických materiálů.

Vědci na FJFI se věnují studiu produkce elementárních částic a jejich vlastností při srážkách protonů (antiprotonů) v rámci experimentů ATLAS na urychlovači LHC v CERN (Ženeva) a D0 na urychlovači Tevatron ve Fermilab (USA). Skupina se podílí na vývoji a testování detektorů pro experimenty, stejně jako na analýze a zpracování dat. V současnosti je jednou z hlavních náplní studium neutrin na experimentu NOvA, což je dvoudetektorový experiment navržený především k prozkoumání oscilací neutrin. Další oblastí zájmu jsou experimenty D0, DIRAC a COMPASS.

Vědecká skupina se při jádro-jaderných srážkách snaží vytvořit stav hmoty při tzv. Velkém třesku, kde je předpovídán vznik tzv. kvark-gluonového plazmatu. V této oblasti je studováno chování jaderné hmoty při a bezprostředně po srážce dvou jader, kde se uplatňuje velká škála efektů a jevů, které je potřeba teoreticky správně popsat. Vědci se věnují experimentům STAR v Brookhavenské národní laboratoři v USA, ALICE na urychlovači LHC v CERN (Ženeva) a CBM FAIR Darmstadt a komplexně se zabývají problematikou produkce částic a jejich interakcí s hustou a horkou jadernou hmotou.

Skupina se zabývá především fázovými přeměnami v kovech a slitinách, degradačními procesy s nimi spojenými, vlivem fázových transformací na mechanické vlastnosti materiálů, jakož i jejich využitím při tepelném zpracování. Nedílnou součástí výzkumu je vývoj progresivních materiálů (např. intermetalických slitin, slitin s vysokou entropií, tenkých vrstev, plazmových nástřiků). Při tomto výzkumu je kladen důraz na pokročilé metody studia materiálů, jako je elektronová mikroskopie, energiově disperzní analýza či nanoindentace.

Odborníci na FJFI se věnují vývoji metod numerického řešení parciálních diferenciálních rovnic a jejich aplikaci zejména ve fluidních simulacích interakce laserového záření s terči. Pomocí částicových simulací se zde studuje interakce ultrakrátkých intenzivních laserových impulsů s hmotou. Je zde úzká spolupráce s projekty ELI-Beamlines, HiLASE, s laboratoří PALS a se zahraničními pracovišti. Skupina také provozuje laboratoř femtosekundového laseru.
Příklad vynikajícího výsledku této skupiny je zde.

Odborníci na FJFI se věnují optimalizaci střední části palivového cyklu, která má významný vliv na ekonomičnost provozu jaderných elektráren. Kromě hodnocení palivového uran-plutoniového cyklu se vědci zabývají možnostmi zavedení thorium-uranového cyklu nebo zavedením směsného paliva MOX. Chování uranového paliva v reaktoru je známé, ale zahrnutí thoria nebo plutonia do palivového cyklu pozměňuje neutronické vlastnosti soustavy a je nutné analyzovat vliv použití nového typu paliva na bezpečnost provozu. Další oblastí výzkumu je palivový cyklus. Koncová část cyklu řeší především otázku skladování a konečného uložení použitého paliva v případě, že nebude přepracováno. S tím souvisí výpočty stínění kontejnerů s použitým palivem, vývinu zbytkového tepla a toxicity ukládaného paliva a migrace radioizotopů v látkovém prostředí.

Skupina se soustředí na využití kvantových částic jako nosičů informace. V oblasti kvantové dynamiky zkoumá vlastnosti a využití kvantových procházek, otevřených kvantových systémů a vývoj kvantových systémů pod vlivem měření. V oblasti kvantové informace se skupina zaměřuje na vyhledávací algoritmy a přenos stavu mezi uzly sítě. Zabývá se i problémem tzv. bosonového vzorkování, což je klasicky náročná úloha, na které je možné studovat výhody kvantových počítačů. Výsledky byly základem řady experimentů provedených s využitím lineární kvantové optiky.

Skupina MMG se věnuje matematickému modelování a numerickým simulacím komplexních jevů v high-tech designu, v ochraně životního prostředí a počítačové vědě. Skupina se podílí na výzkumu a vývoji a zároveň na výchově mladých expertů v matematickém inženýrství. Skupina úspěšně spolupracuje s prestižními univerzitami a instituty a také průmyslovými firmami po celém světě.

Skupina MAFIA se věnuje výzkumu v oblasti matematické fyziky. Orientuje se zejména na problémy, které jsou současně zajímavé z matematického i fyzikálního hlediska. Jmenujme hlavní témata výzkumu: Lieovy a Hopfovy algebry, lineární operátory na Hilbertových prostorech, integrabilní systémy, řešitelné modely kvantové fyziky, časově závislé systémy a poruchové metody v klasické i kvantové mechanice.
Příklad vynikajícího výsledku této skupiny je zde.

Odborníci na FJFI se věnují zejména dvěma metodám – rentgen-fluorescenční analýze (RFA) prvků a termoluminiscenčnímu datování stáří předmětů. RFA, jakožto nedestruktivní instrumentální analytická metoda, se používá zejména k průzkumu cenných předmětů a historických památek. Významnou oblastí aplikace je analýza pigmentů v nástěnných malbách, obrazech, keramice nebo starých iluminovaných rukopisech. Metoda termoluminiscenčního datování je vhodná pro geologické a archeologické materiály vykazující termoluminiscenční odezvu (obsahující křemen a živec), které prošly v okamžiku vzniku vypálením nebo vyhřátím. Metoda se vyvíjí na vzorcích cihel známého stáří a cílem je optimalizovat metodu datování cihel (potažmo budov) tak, aby výsledky bylo možné běžně využívat v archeologickém výzkumu.

Experimentální studium interakce vybraných radionuklidů s materiály bariér úložišť odpadů a s horninovými materiály a difúze kritických radionuklidů materiály bariér, včetně modelování studovaných procesů. Tvorba a aplikace kódů pro celkové hodnocení podzemního úložiště ozářeného jaderného paliva a vysoce aktivních radioaktivních odpadů (Performance Assessment).

Skupina se zabývá studiem fotoindukovaných procesů v organických molekulách, mezi které patří např. fotoluminiscence či fotoindukovaný přenos elektronu nebo elektronové excitační energie, a jejich ovlivňováním pomocí silně lokalizovaného elektromagnetického pole v blízkosti plazmonických nanostruktur. Tyto procesy jsou základem organické optoelektroniky, fotovoltaiky či umělé fotosyntézy. K objasnění jejich mechanizmů je využívána syntéza speciálně navržených vícechromoforových sloučenin, stacionární i časově rozlišená spektroskopie a kvantově-chemické výpočty.

Skupina se zabývá studiem v oblasti optických mikro a nanostruktur, jejich návrhem a analýzou, technikami realizace a také vybranými aplikacemi. V oblasti návrhu a analýzy se věnujeme kromě syntetických difraktivních prvků a hologramů také fotonickým krystalům, metamateriálům, plazmonickým strukturám a substrátům. Vědci vytvářejí a rozvíjejí různé modely a algoritmy pro numerickou analýzu, návrh a optimalizaci těchto prvků. Skupina se zabývá technikami pro laserovou, elektronovou a interferenční litografii, zkoumá metody přípravy nanočástic a jejich uspořádání do periodických systémů.

Skupina se soustředí na optickou diagnostiku objemových a tenkovrstvých dielektrických a polovodičových materiálů. Cílem výzkumu je objasnění elektronové struktury, tvorby a vlastností bodových poruch a vlastností nečistot ve studovaných materiálech. Výsledky jsou vyžívány k optimalizaci růstu krystalů, přípravě keramik a tenkých vrstev a ke kontrole obsahu některých nečistot ve vyráběných materiálech, jež je možné využít v optoelektronice, k výrobě laserů, luminiscenčních detektorů a scintilátorů pro ionizující záření.

Skupina se věnuje výzkumu pevnolátkových laserů založených na krystalických, skleněných, keramických a vláknových materiálech. Zaměřuje se na výzkum a vývoj speciálních laserových systémů generujících záření ve viditelné, blízké a střední infračervené oblasti a dále na generaci krátkých a ultrakrátkých impulsů. Odborníci se zde věnují aplikacím v medicíně, senzorové technice a přenosu vysokovýkonového laserového záření speciálními optickými vlákny.

Skupina matematického modelování využívá principy mechaniky kontinua a numerickou metodu konečných prvků k simulaci porušování materiálů a konstrukcí. Rozvíjeny jsou i postupy reverzní analýzy ke stanovení mechanických vlastností malého objemu materiálu a tenkých vrstev. Výsledky výzkumu najdou uplatnění především v leteckém a energetickém průmyslu při stanovení únavové živostnosti konstrukcí a v jaderné energetice při stanovení stupně radiačního poškození materiálů reaktoru.

Skupina se zaměřuje na multiškálové modelování materiálů. Věnuje se jak ab-initio kvantově mechanickým výpočtům elektronových struktur (založených na DFT), tak i simulacím na bázi molekulární mechaniky (Forcefield theory) a vybraným problémům z termodynamiky kontinua. Mezi nejdůležitější projekty v současnosti patří výpočty chemické stability molekul vhodných k přepracování použitého jaderného paliva, řešení polymerní elasticity a difuzivity plynných molekul v polymerech v závislosti na jejich způsobu zesíťování nebo simulace modulovaných martenzitických struktur v pokročilých kovových materiálech.

Odborníci na FJFI se zabývají vývojem a testováním metod zpracování signálů z měření v kosmickém prostředí a oddělení užitečného signálu od šumu. Hlavními předmětem vývoje jsou unikátní detektory jednotlivých fotonů, rychlé elektro-optické spínače a měřiče přesného času. Všechny vyvíjené přístroje umožňují extrémně přesná měření s přesností na úrovni zlomků pikosekund. Vyvinuté přístroje a metody jsou použity a úspěšně fungují jak v pozemních měřících stanicích umístěných na 5 kontinentech, tak na palubách 5 kosmických misí.

Výzkum je zaměřen na přípravu složitých krystalických struktur v nanoměřítku. Tyto nanokrystaly nalézají využití jako materiály pro výrobu ultrarychlých detektorů na zobrazování nádorů v lékařské diagnostice nebo optických keramik. Dalším využitím je výroba pokročilých farmak pro léčbu nádorových onemocnění metodou rentgenem buzené fotodynamické terapie. K přípravě těchto materiálů se využívají metody chemické, fotochemické a radiační.

Odborníci ve skupině se zabývají in-vivo měřicími metodami, které jsou užívány ke stanovení vnitřního ozáření osob. Ve snaze zpřesnit a optimalizovat měřící geometrie nebo vylepšit samotná zařízení jsou aplikovány poznatky z výpočetních metod. Dále se odborníci věnují matematickým modelům pro výpočet vnitřního ozáření. Modely zahrnují jak bio-kinetiku radionuklidů v lidském těle, tak výpočet dávkových veličin na antropomorfních fantomech lidských jedinců. Cílem celého výzkumu je zefektivnění léčby a minimalizace dávek, kterým jsou pacienti podrobeni při terapii otevřenými radionuklidovými zdroji v nukleární medicíně.

Skupina se zabývá sledováním životního prostředí odběrem vzorků, monitorováním depozice radionuklidů pomocí analýzy vzorků bioindikátorů a využitím in situ gama spektrometrie. Dále se podílí na vývoji metod monitorování pomocí letecké spektrometrie gama a na studiu přírodního ozáření radonem, zejména se zaměřením na měření radonu ve vodě, inhalací radonu pracovníky v podzemí, předpovídání zemětřesení pomocí výskytu radonu, mapování zdrojů radonu a jeho šíření objekty i pracovním prostředím.

Odborníci na FJFI se orientují na strategii a optimalizaci postupů jednotlivých lékařských výkonů v oblasti radioterapie. Jde zejména o experimentální ověření naplánovaných terapeutických dávek v cílových objemech. V tomto směru jsou vyvíjeny a optimalizovány speciální 3D gelové dozimetry vyrobené z tkáňově-ekvivalentního materiálu umožňující stanovit prostorové rozložení dávek se submilimetrovou přesností. Dále se odborníci zabývají měřením dávek pacientů při ozařování pomocí 2D detektoru umístěného pod pacientem a následnou rekonstrukci 3D dávky v pacientovi, díky které je možné porovnat léčebný záměr s reálným ozářením. Největší zájem o využití in vivo dozimetrie je v brachyterapii a u speciálních technik ozařování, kde se používají velmi vysoké dávky (Cyberknife, stereotaktická radioterapie, protonová terapie).

Odborníci na FJFI pomocí výpočetních kódů analyzují kritičnost reaktorových systémů, studují dynamiku reaktoru, určují toky neutronů a gama záření v různých místech, stanovují koncentrace štěpných produktů a aktinoidů a analyzují kvalitu stínění. Experimenty z oblasti reaktorové fyziky jsou realizovány na reaktoru VR-1 provozovaném fakultou a pokrývají měření hustoty toku neutronů a difuzních parametrů, stanovení vlivu různých vzorků na reaktivitu nebo přibližování ke kritickému stavu.

Skupina se zaměřuje na rtg. difrakční studium stavu zbytkové napjatosti v polykrystalických kovových i keramických materiálech. Předmětem zkoumání jsou též kvalitativně i kvantitativně fázové složení a přednostní orientace (textury) polykrystalických materiálů. Tyto charakteristiky reálné krystalové struktury pevných látek patří mezi základní parametry, jejichž znalost je nepostradatelná při návrhu nových progresivních materiálů. V oblasti neutronové difrakce se využívá difrakčních vlastností tepelných neutronů k aplikacím ve strukturní a texturní analýze i materiálovém výzkumu. Pomocí kvantitativní texturní neutronografické analýzy odborníci vylepšují technologie přípravy orientovaných ocelových transformátorových plechů. Jako jediné pracoviště svého druhu v ČR se věnuje i výzkumu nových materiálů, jako jsou syntetické zeolity, perovskity, vysokoteplotní supravodiče, či rychlé iontové vodiče.

Skupina se zabývá studiem generace a interakce elektromagnetického záření v oblasti energie fotonů od 50 eV do 420 keV. Pozornost je věnována aplikacím v EUV litografii, družicovým teleskopům pro astrofyziku, mikroskopii v oblasti tzv. vodního okna a rentgenové radiografii a tomografii. Skupina disponuje zdroji založenými na elektronovém svazku (XRT), plazmovým kapilárním a plazmovým zdrojem založeným na interakci femtosekundového laseru s pevnolátkovým nebo plynným. Předmětem studia jsou též různé rentgeno-optické systémy a metody zobrazování absorpčního, fázového a rozptýleného záření v EUV/SXR/XR oblasti pro mikroskopii a pro diagnostiku vysokoteplotního plazmatu.

Systém řízení a ochran je důležitou součástí všech jaderných zařízení. Původní analogový řídicí systém reaktoru VR-1 prošel rozsáhlou rekonstrukcí a modernizací a odborníci se dále zabývají vývojem hardware a software vybavení programovatelných obvodů a mikroprocesorů, které jsou základem řídicích systémů všech současných jaderných zařízení. Okruh nezávislé výkonové ochrany reaktoru VR-1 byl vytvořen našimi odborníky v rámci rozvoje řídicích systémů výzkumných zařízení. Dalším dlouhodobým projektem je implementace zpracování elektronického signálu detektorů Campbellovou metodou.

Skupina se věnuje využití symetrií při analytickém i numerickém řešení diferenciálních rovnic či při konstrukci modelů v teorii strun. Odborníci zkoumají i související oblasti diferenciální geometrie a algebry, tj. zejména strukturu a aplikace Lieových grup a jejich algeber, klasifikují různé speciální třídy Lieových algeber, zkoumají je a využívají je v aplikacích, např. při konstrukci speciálních funkcí nebo při studiu modelů v teorii strun. Ve skupině se též věnují vlastnostem symetrických funkcí více proměnných a příslušných ortogonálních polynomů. Dále pak formulují jejich diskrétní Fourierovu analýzu a testují aplikace při zpracování digitálních dat.

Skupina TIGR se věnuje aktuálním tématům diskrétní matematiky s aplikacemi v informatice i fyzice, jako jsou např. nestandardní reprezentace reálných čísel, kombinatorika na slovech, či periodická dláždění prostoru. V současné době se středem zájmu staly kombinatorické, algebraické a číselně-teoretické úlohy s aplikacemi v teoretické informatice.

Přenos tepla z jaderného paliva v reaktoru až k uvolnění v podobě mechanické práce v turbíně je součástí konstrukčního výpočtu i provozu jaderných elektráren. S pomocí pokročilých výpočetních kódů (CFD kódy) počítají odborníci teplotní profily, rychlosti proudění chladiva, součinitele přestupu tepla či kondukci tepla materiálem. Znalost teplotního modelu systému je nezbytná i pro výpočet neutronických vlastností, které jsou závislé právě na teplotě jednotlivých komponent daného systému. Pozornost je věnována také určení termomechanických vlastností jaderného paliva v normálním, abnormálním i havarijním stavu.

Skupina se zabývá rozvíjením výpočetních metod a aplikacemi programů pro simulaci transportu záření látkou, a to zejména problematikou zpracování, analýzy a vyhodnocení spekter, dekonvoluce spekter a matematické a statistické zpracování. V oblasti simulace transportu záření se jedná zejména o modelové výpočty v oblasti odezvy detekčních systémů, stínění, radiační ochrany, radioanalytických metod, jaderné bezpečnosti a oblasti lékařských aplikací. Využívány jsou zejména univerzální programy MCNP, Penelope, Geant4, Fluka a také specializované programy jako SCALE, SRIM, vizualizační programy, nástroje pro práci s antropomorfními fantomy pro medicínské výpočty apod. Vyvíjeny jsou i některé vlastní programové nástroje. Výsledky prováděných výpočtů se využívají v řadě praktických aplikací.