Směry výzkumu

Skupina GAMS na Katedře matematiky 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.

Skupina MAFIA se na Katedře matematiky 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.

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

Při jádro-jaderných srážkách se snažíme vytvořit stav hmoty při tzv. Velkém třesku, kde je předpovídán vznik tzv. kvark-gluonového plasmatu. V této oblasti studujeme chování jaderné hmoty při a bezprostředně po srážce dvou jader, kde se uplatňuje velká škála efektů a jevů, které je potřeba teoreticky správně popsat. Na Katedře fyziky pracuje výzkumný tým, který se v rámci experimentů STAR v Brookhavenské národní laboratoři v USA, ALICE na urychlovači LHC v CERN Ženeva a CBM FAIR Darmstadt komplexně zabývá problematikou produkce částic a jejich interakci s hustou a horkou jadernou hmotou. Web

Na Katedře fyziky se věnujeme 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 Fermilabu USA. Při srážkách protonů vzniká celá řada částic známých z experimentů uplynulých dekád, nové procesy se projevují výjimečnými jevy, např. vznikem těžkých částic s velmi krátkou dobou života. Podílíme se na vývoji a testování detektorů pro experimenty, stejně jako na analýze a zpracování dat.

Dále Katedra dozimetrie a aplikace ionizujícího záření spolupracuje na experimentech v laboratořích Fermilab (Chicago, USA) a CERN (Ženeva, Švýcarsko).  V současnosti je hlavní náplní studium neutrin na experimentu NOvA, což je dvou-detektorový experiment navržený především k prozkoumání oscilací neutrin. Další oblastí zájmu jsou experimenty D0, DIRAC a COMPASS. Obecně se pracovníci KDAIZ podílí na testování částí detektoru, na provozu při nabírání dat, jejich zpracování dat a následných fyzikálních analýzách.

Na Katedře fyziky se věnujeme využití symetrií při analytickém i numerickém řešení diferenciálních rovnic či při konstrukci modelů v teorii strun. Zkoumáme i související oblasti diferenciální geometrie a algebry, tj. zejména strukturu a aplikace Lieových grup a jejich algeber. Klasifikujeme různé speciální třídy Lieových algeber, zkoumáme je a využíváme je v aplikacích, např. při konstrukci speciálních funkcí nebo při studiu modelů v teorii strun. Hledáme grupy symetrií zajímavých diferenciálních rovnic a využíváme je při jejich řešení. A naopak, konstruujeme rovnice se zvolenými symetriemi a zkoumáme jejich společné vlastnosti. S využitím symetrií prostých Lieových algeber zkoumáme vlastnosti symetrických funkcí více proměnných a příslušných ortogonálních polynomů. Formulujeme jejich diskrétní Fourierovu analýzu a testujeme aplikace při zpracování digitálních dat.

Kvantová teorie umožňuje překvapivé aplikace v oblasti přenosu a zpracování informace. V našem výzkumu na Katedře fyziky se zabýváme různými procesy kvantové informace, jako jsou kvantové procházky, kvantová optika, kvantová teleportace nebo kvantová kryptografie a jejich úlohou při zpracování informace.

Příklad vynikajícího výsledku této skupiny je zde.

Skupina Fyziky a techniky termojaderné fúze se účastní koordinovaného fúzního výzkumu na českém tokamaku COMPASS a na společném evropském tokamaku JET. Tento výzkum je v přímé souvislosti s plánovanými tématy v současné době budovaného mezinárodního experimentálního reaktoru ITER. Součástí koordinovaného výzkumu se postupně stává i fakultní tokamak GOLEM, kde se kromě vzdělávání věnujeme  problematice aplikací vysokoteplotních supravodičů v reálném tokamakovém provozu, zkoumání doby udržení radiofrekvenčního plazmatu vybuzeného elektromagnetickou vlnou v magnetickém poli a mapujeme 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. V oblasti počítačových simulací se věnujeme  interakci plazmatu s komplexy elektromagnetických vln a tématy tzv. ubíhajících elektronů.

Skupina pevnolátkových laserů se na katedře fyzikální elektroniky věnuje od roku 1964 výzkumu pevnolátkových laserů založených na krystalických, skleněných, keramických a vláknových materiálech. Práce jsou zaměřeny na výzkum a vývoj speciálních laserových systémů generujících záření ve viditelné, blízké a střední infračervené oblasti a dále na generaci krátkých a ultrakrátkých impulsů a na charakterizaci generovaného záření na úrovni nejnovějších vědeckých poznatků laserové techniky a elektroniky. Rovněž se věnuje aplikacím laserového záření v medicíně, senzorové technice a přenosem vysokovýkonového laserového záření speciálními optickými vlákny. Skupina spolupracuje s projekty ELI a HiLASE a taktéž s mnoha zahraničními pracovišti.

Skupina optické fyziky na katedře fyzikální elektroniky 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 širokému spektru fotonických struktur, jako jsou například fotonické krystaly, metamateriály, plazmonické struktury a substráty a další periodické nebo kvaziperiodické optické systémy. Snažíme se vytvářet a rozvíjet různé modely a algoritmy pro numerickou analýzu, návrh a optimalizaci těchto prvků. V experimentální oblasti se dlouhodobě věnujeme širokému spektru technik pro realizaci optických mikro a nanostruktur, zejména laserové a elektronové litografii, interferenční litografii a souvisejícím technikám. Využíváme a zkoumáme také metody přípravy nanočástic a jejich uspořádání do periodických systémů. Řešíme aplikace uvedených mikrostruktur v oblastech jako jsou tvarování optických svazků, optické komunikace, optické mikromanipulace, různé formy optických senzorů, aplikace v medicíně a dalších. Skupina se také dlouhodobě zabývá problematikou holografie a výzkumem v oblasti optických záznamových materiálů.

V rámci skupiny informatické fyziky na katedře fyzikální elektroniky modelujeme fyzikální procesy a vyvíjíme metody numerického řešení parciálních diferenciálních rovnic. Vyvíjené numerické metody jsou aplikovány zejména ve fluidních simulacích interakce laserového záření s terči. Pomocí částicových simulací studujeme interakci ultrakrátkých intenzivních laserových impulsů s hmotou. Numerické simulace používáme pro návrh a interpretaci experimentů. Úzce spolupracujeme s projekty ELI-Beamlines, HiLASE, s laboratoří PALS a se zahraničními pracovišti (Los Alamos National Laboratory, USA; CELIA, Univ. Bordeaux, Francie; Utsunomiya Univ., Japonsko). Skupina také provozuje laboratoř femtosekundového laseru na KFE.

Příklad vynikajícího výsledku této skupiny je zde.

Skupina molekulové fotofyziky a spektroskopie se na katedře fyzikální elektroniky 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 rentgenovské fotoniky se na katedře fyzikální elektroniky zabývá studiem generace a interakce elektromagnetického záření v oblasti energie fotonů od 50 eV do 420 keV. Zvláštní pozornost je věnována oblasti 90 – 120 nm (aplikace v EUV litografii), celé oblasti 200 – 2000 eV (družicové teleskopy pro astrofyziku a mikroskopie v oblasti t.zv. vodního okna) a oblasti 5 – 400 keV (rentgenová radiografie a tomografie). Skupina disponuje zdroji založenými na elektronovém svazku (XRT), plazmovým kapilárním zdrojem vyvinutým na katedře (DPP) a plazmovým zdrojem založeným na interakci femtosekundového laseru s pevnolátkovým nebo plynným terčem (LPP, HHG). 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.

Skupina pokročilých kosmických technologií se na katedře fyzikální elektroniky zabývá vývojem měřících technik pro detekci optických pulzů a velmi přesná měření času a její aplikace v kosmickém výzkumu. Zároveň se skupina zabývá vývojem a testováním metod zpracování signálů z měření 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 (10^-12 s). Vyvinuté přístroje a metody jsou použity a úspěšně fungují v řadě existujících kosmických projektů, jak v pozemních měřících stanicích umístěných na 5 kontinentech tak na palubách 5 kosmických misí. V současné době je skupina navrhovatelem a odpovědným řešitelem kosmického projektu European Laser Timing, který připravuje Evropská kosmická agentura.

na Katedře fyzikální elektroniky se zabývá problematikou iontových svazků a jejích aplikacemi zejména v oblasti modifikace materiálů na nanoskopické úrovni. Skupina provozuje Laboratoř iontových svazků, kde je k dispozici zařízení pro iontovou implantaci (energie do 120 keV), iontové analytické techniky (PIXE a RBS) pomocí vysokoenergetického svazku z van de Graafova urychlovače a dále několik menších zařízení pro tvorbu a využití svazků s nízkými energiemi.

Katedra dozimetrie a aplikace ionizujícího záření se zabývá sledováním životního prostředí odběrem vzorků (např. v okolí JE Temelín, v oblastech zasažených těžbou a zpracováním uranové rudy, apod.), monitorováním depozice radionuklidů pomocí analýzy vzorků bioindikátorů a využitím in situ gama spektrometrie. Katedra se podílí i na vývoji metod monitorování pomocí letecké spektrometrie gama. Zpracování vzorků probíhá laboratorní gama spektrometrií, což je z hlediska výzkumu komplexní odvětví jaderné fyziky zaměřené především na vývoj metod detekce a rychlého stanovení aktivity při mimořádných radiačních událostech. Další nedílnou součástí přírodního ozáření je radon, tato problematika je na KDAIZ také dlouhodobě řešena, 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.

Katedra dozimetrie a aplikace ionizujícího záření se dlouhodobě zabývá rozvíjením výpočetních metod a aplikacemi programů pro simulaci transportu záření látkou. Z výpočetních metod je to zejména problematika zpracování, analýzy a vyhodnocení spekter, dekonvoluce spekter, 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 pro simulaci transportu širokého spektra částic 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.

v této oblasti je na KDAIZ věnována pozornost zejména dvěma metodám – rentgen-fluorescenční analýze prvků a termoluminiscenční datování stáří předmětů. Rentgenfluorescenční analýza (RFA) je jednou z nedestruktivních instrumentálních analytických metod, která se na KDAIZ používá zejména k průzkumu cenných předmětů a historických památek. Významnou oblastí aplikace je analýza pigmentů v nástěnných malbách, obrazech, keramice nebo starých iluminovaných rukopisech. Dále je metoda využívána k analýze geologických vzorků nebo i jiných vzorků životního prostředí. 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, pro přípravu vzorků se používá metoda jemných zrn a současným cílem je optimalizovat metodu datování cihel (potažmo budov) tak, aby výsledky byly reprodukovatelné, bylo možné je získávat rutinně a využívat v archeologickém výzkumu.

radioterapie se zabývá zničením nádoru pomocí ionizujícího záření za současné maximální ohleduplnosti k okolní tkáni, další dvě odvětví slouží především k diagnostice onemocnění. Nejnovější výzkumy jsou v této oblasti - s ohledem na rozvoj používaného technického vybavení - orientovány na strategii a optimalizaci postupů jednotlivých lékařských výkonů. Oblastí zájmu na KDAIZ je zejména experimentální ověření naplánovaných terapeutických dávek v cílových objemech. V tomto směru jsou na katedře vyvíjeny a dále optimalizovány speciální 3D gelové dozimetry, které jsou vyrobené z tkáňově-ekvivalentního materiálu a umožňují tak stanovit prostorové rozložení dávek se submilimetrovou přesností. Další oblastí zájmu je in-vivo dozimetrie, která se zabývá měřením dávek pacientů při ozařování. Zatímco měření pomocí bodových detektorů na kůži je dobře zavedeno, transmisní dozimetrie na svou implementaci do klinické praxe teprve čeká. Jedná se o měření pomocí 2D detektoru umístěného pod pacientem a následnou rekonstrukci 3D dávky v pacientovi, díky které můžeme porovnat léčebný záměr s reálným ozářením. V poslední době se zájem soustředí na využití in vivo dozimetrie v brachyterapii a u speciálních technik ozařování, kde se používají velmi vysoké dávky (Cyberknife, stereotaktická radioterapie, protonová terapie). Dále jsou testovány nové zobrazovací možnosti magnetické rezonance, individuální dozimetrie pacientů v nukleární medicíně či klinická dozimetrie protonového svazku.

výzkum v této oblasti postihuje několika podoblastí. První z nich se zabývá in-vivo měřícími metodami které jsou  užívány k stanovení interního ozáření osob. Zde jsou aplikovány poznatky z výpočetních metod ve snaze zpřesnit a optimalizovat měřící geometrie nebo vylepšit samotná zařízení. Druhá oblast postihuje matematické modely pro výpočet interního ozáření. Modely zahrnují jak bio-kinetiku radionuklidů v lidském těle, tak výpočet dávkových veličin na antropomorfních fantomech lidských jedinců. Oba zmíněné směry se spojují v třetí oblasti. Ta se orientuje na zefektivnění léčby a minimalizaci dávek pacientů při terapii otevřenými radionuklidovými zdroji v nukleární medicíně.

Laboratoř strukturní rentgenografie Katedry inženýrství pevných látek se zaměřuje na rtg. difrakční studium stavu zbytkové napjatosti v polykrystalických kovových i keramických materiálech. Přístrojové vybavení laboratoře bylo v posledních letech výrazně inovováno a umožňuje rovněž zkoumat 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.

Laboratoř neutronové difrakce Katedry inženýrství pevných látek využívá difrakčních vlastností tepelných neutronů k aplikacím ve strukturní a texturní analýze i materiálovém výzkumu. Uplatňuje se zde kvantitativní texturní neutronografická analýza, která je schopna poskytovat rozhodující informace například pro technologií přípravy orientovaných ocelových transformátorových plechů. Laboratoř se řadu let zabývá výzkumem vlastností technicky perspektivních materiálů (syntetické zeolity, perovskity, vysokoteplotní supravodiče, rychlé iontové vodiče). Jde o jediné pracoviště tohoto druhu v ČR.

Výzkumná činnost Laboratoře optické spektroskopie na Katedře inženýrství pevných látek je soustředěna na optickou diagnostiku objemových a tenkovrstvých dielektrických a polovodičových materiálů. Krystalické a keramické materiály, které jsou zkoumány, jsou vhodné k využití v optoelektronice, k výrobě laserů, luminiscenčních detektorů a scintilátorů pro ionizující záření. Cílem našeho 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.

Laboratoř materiálového modelování na Katedře inženýrství pevných látek je zaměřena 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 vyhořelého 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.

Laboratoř aplikované fotoniky na Katedře inženýrství pevných látek se zabývá vývojem a charakterizací struktur na bázi polymerů používaných při konstrukci chemických a fyzikálních vlnovodných senzorů a aktivních vlnovodných prvků. K přípravě funkčních struktur využíváme 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.

Katedra jaderných reaktorů se zaměřuje na teoretickou i experimentální fyziku. Pomocí výpočetních kódů lze analyzovat kritičnost reaktorových systémů, studovat dynamiku reaktoru, určovat toky neutronů a gama v různých místech, stanovit koncentrace štěpných produktů a aktinoidů, případně analyzovat stínění. Experimenty z oblasti reaktorové fyziky jsou realizovány na reaktoru VR-1, který katedra provozuje, a pokrývají měření hustoty toku neutronů a difuzních parametrů, stanovení vlivu různých vzorků na reaktivitu nebo přibližování ke kritickému stavu.

Optimalizace střední části palivového cyklu má významný vliv na ekonomičnost provozu jaderných elektráren. Kromě hodnocení palivového uran-plutoniového cyklu se katedra zabývá 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.

Zadní část palivového cyklu řeší především otázku skladování a konečného uložení vyhořelého paliva v případě, že nebude přepracováno. S tím souvisí výpočty stínění kontejnerů s vyhořelým palivem, vývinu zbytkového tepla a toxicity ukládaného paliva a migrace radioizotopů v látkovém prostředí.

Sdílení a přenos tepla z jaderného reaktoru až k turbíně je významnou částí provozu jaderných elektráren nezbytnou k výrobě elektrické energie. S pomocí pokročilých výpočetních kódů (CFD kódy) jsou počítány teplotní profily, rychlosti proudění chladiva, součinitele vedení tepla a koeficienty přestupu 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 vlastnosti jaderného paliva v normálním, abnormálním i havarijním stavu.

Systém řízení a ochran je důležitou součástí všech jaderných zařízení. Původní řídící systém reaktoru VR-1 byl analogový a navrhli jej odborníci FJFI ve spolupráci se ŠKODA JS v polovině 80. let 20. století. V letech 2001-2007 proběhla s velkým přispěním právě Katedry jaderných reaktorů rozsáhlá rekonstrukce ovládacího zařízení a řídících systémů.

Katedra se dále zabývá vývojem hardware a software vybavení programovatelných obvodů a mikroprocesorů, které jsou základem řídících systémů jaderných zařízení. Okruh nezávislé výkonové ochrany reaktoru VR-1 byl vytvořen na katedře v rámci rozvoje řídících systémů výzkumných zařízení. Dalším dlouhodobým projektem katedry je implementace zpracování elektronického signálu detektorů Campbellovou metodou.