Národní úložiště šedé literatury

Measurement of Shape and Dimensions of Forgings
Hurník, Jakub; Bračun, Drago; Piano, Samanta; Koutný, Daniel
2023 - English V procesu výroby těžkých výkovků volným kováním vznikají nepřesnosti, které je třeba měřit a korigovat. Metoda pasivního měření výkovků, na základě jejich siluet v obraze, zde potenciálně nabízí mnoho výhod. V případě měření výkovků ale v literatuře vykazuje relativně nízkou přesnost a nebyla ověřena v průmyslových podmínkách. Cílem práce je proto prozkoumat možnosti využití této metody v reálných podmínkách, které umožní pokročilé metody optického měření. Jsou diskutovány rušivé vlivy prostředí a navrhovány originální metody, jak ovlivnění zmírnit nebo mu předejít. Ty jsou ověřovány v laboratorním i v průmyslovém prostředí. Výsledky potvrzují efektivitu navržených metod; dosahovaná přesnost je stejného řádu s tou dosaženou v laboratorním prostředí. Bylo dosaženo chyby okolo 1 mm v měřicím objemu 6 × 6 × 2 m v případě měření přímosti osy a průměru výkovku. Tento výsledek postačuje požadavkům průmyslového prostředí. Nicméně, měření stále obsahuje odlehlé hodnoty, jejichž výskyt je diskutován. Poznatky obsažené v této práci je možné využít při vývoji profesionálního měřicího systému pro tuto aplikaci. Sekundárně jsou pak zobecnitelné a využitelné při měření horkých objektů nebo obecně objektů v komplexním prostředí na základě jejich siluet. Systém pro měření výkovků by v budoucnu mohl přinést vyšší efektivitu výroby volně kovaných polotovarů a mohl by se stát součástí automatizované kovací linky. In the process of open-die forging, inaccuracies can appear. These inaccuracies must be measured and corrected. Passive heavy forging measurement, based on their silhouettes in images, potentially offers many advantages in this application. However, regarding forging measurement, this method showed limited accuracy in the literature and was never verified under industrial conditions. Therefore, the aim of this thesis is to examine the feasibility of this method in the industrial environment, by using advanced methods of optical measurement. Interfering effects are discussed, and original methods, working as countermeasures, are proposed. Methods are verified in both the laboratory and the industrial environment. The results suggest the effectiveness of the proposed methods; the accuracy achieved in the laboratory and industrial environment is of the same order. The error is approximately around 1 mm in a measurement volume of 6 × 6 × 2 m for the geometry of the axis and the measurement of the diameter. This result satisfies the demands of an industrial environment. However, the measurement still contains outliers, which are discussed. The knowledge obtained can be used during the development of a professional measurement system for this application. Secondly, the knowledge can be generalized to the measurement of hot objects, or objects in a complex environment, based on their silhouettes. A system for the measurement of forgings could increase the effectiveness of manufacturing and could become a part of automated forging production line in the future. Keywords: forging; measurement; silhouettes; edge detection; axis straightness; výkovek; měření; siluety; detekce hran; přímost osy Available in a digital repository NRGL Measurement of Shape and Dimensions of Forgings

V procesu výroby těžkých výkovků volným kováním vznikají nepřesnosti, které je třeba měřit a korigovat. Metoda pasivního měření výkovků, na základě jejich siluet v obraze, zde potenciálně nabízí mnoho ...

Hurník, Jakub; Bračun, Drago; Piano, Samanta; Koutný, Daniel
Vysoké učení technické v Brně, 2023

Využití fluorescenčních technik k analýze průmyslově významných mikroorganismů
Müllerová, Lucie; Kráčmar, Stanislav; Krčma, František; Obruča, Stanislav
2023 - English Techniky analýzy jednotlivých buněk neboli single-cell analýzy, jsou velmi důležité v kontextu studia důležitých biotechnologických mikroorganismů. V biotechnologických procesech je optimální mít rychlé, efektivní a real-time analýzy, které lze provést s minimální přípravou vzorku. Proto jsme v rámci předložené disertační práce využili autofluorescenci jako marker fyziologického stavu mikrobiální kultury, který je možné analyzovat pomocí fluorescenční mikroskopie a/nebo průtokové cytometrie. Nejdříve bylo potvrzeno, na základně emisních spekter, že zelená autofluorescence emitovaná bakteriemi Cupriavidus necator H16 a jejím polyhydroxyalkanoáty (PHA) neprodukujícím mutantem Cupriavidus necator PHB-4, pochází skutečně z flavinů. Emisní maximum bylo naměřeno v rozmezí 510–550 nm pro FAD, FMN a riboflavin – bohužel jednotlivá spektra od sebe nebylo možné rozeznat, a 515 nm pro oba bakteriální kmeny Cupriavidus necator. Byly nalezeny dvě maxima excitačních spekter, jedno v rozmezí 360–370 nm a druhé okolo 440 nm. Z těchto poznatků byl sestaven nový protokol pro fluorescenční mikroskopii – laser byl nastaven na hodnotu 467 nm a emisní filtr pro detekci byl vybrán 520/35 nm. Flaviny a jejich autofluorescence může být take použita v kombinaci s jinými fluorofory, když jsou použity multiparametrické analýzy, ale je důrazně doporučeno, aby vybrané fluorescenční sondy buď emitovaly v jiném rozmezí, než je 500–550 nm anebo byla jejich doba života excitovaného stavu jiná, než je interval 3,2–3,7 a 4,2 – 4,9 ns. Tyto doby života navíc zůstaly konstantní, i když byly buňky vystaveny kultivačním a stresovým podmínkám. To z nich dělá velmi stabilní marker v porovnání s dynamickým charakterem intenzit fluorescence. Dále byl optimalizován protokol pro značení bakterie C. necator s využitím PHA specifické sondy BODIPY 493/503. Optimální koncentrace této lipofilní sondy byla stanovena na 2,5 µg ml-1 a sondu je možné dle našich dat aplikovat společně s viabilitní sondou propidium iodidem. Tento protokol byl také využit pro studium morfologie PHA-syntetizující halofilní bakterie Halomonas halophila. Pro stanovení UV-protektivních vlastností PHA obsaženého v bakterii Cupriavidus necator, byl optimalizován další protokol, tentokrát pro ROS citlivou sondu CM-H2DCFDA, která byla stanovená jako citlivější v porovnání s její nemethylovanou formou. V této studii byly navíc potvrzeny UV-protektivní vlastnosti PHA na bakterii Cupriavidus necator H16 v porovnání s PHA nesyntetizujícím kmenem Cupriavidus necator PHB-4. Single-cell analysis techniques are very important when studying relevant biotechnological microorganisms. In biotechnological processes, the optimum is to have fast, efficient and real-time analyses that can be done with minimal preparations. Therefore, we looked at autofluorescence as a possible and natural marker when employing fluorescence microscopy and flow cytometry. First, it has been established, based on the emission spectra, that the green autofluorescence of the bacteria used – Cupriavidus necator H16 and its non polyhydroxyalkanoates (PHA) producing mutant Cupriavidus necator PHB-4, is caused predominantly by flavins. The maxima of emission spectra were 510 – 550 nm for FAD, FMN and riboflavin whose spectra could not be distinguished, and 515 nm for both strains of Cupriavidus necator. Two maxima of excitation spectra of the bacteria were found – one in the range 360 – 370 nm and another around 440 nm, and so a new protocol for fluorescence microscopy has been established - the laser used was 467 nm and the emission filter chosen for the detection was 520/35 nm. Flavins and their autofluorescence can also be used in combination with other fluorophores when the need for multi-parametrical analyses arises, but it’s highly recommended the other dyes emit other than green fluorescence in the band of 500 – 550 nm or/and have an average fluorescence lifetime other than 3.2 – 3.7 and 4.2 - 4.9 ns. These values stayed constant even when the cells were exposed to various cultivation and even stress conditions. That makes them a very stable marker compared to the dynamic marker of fluorescence intensity that changes immediately after a change in the environment. A new staining protocol for C. necator using PHA-specific hydrophobic probe BODIPY 493/503 was optimised. The optimal staining concentration of the lipophilic dye BODIPY 493/503 was determined to be 2.5 µg ml-1 and it can be used in combination with propidium iodide. The BODIPY 493/503 staining protocol has been used when analysing the morphology of the PHA-synthesising bacteria Halomonas halophila. Further, to study the UV-protective properties of PHA in Cupriavidus necator, another staining essay has been optimised. It has been established that the ROS sensitive dye CM-H2DCFDA gives better performance than its non-methylated form. Also, the UV-protective characteristics of the PHA-synthesising strain Cupriavidus necator H16 were confirmed when compared to its non-PHA synthesising strain C. necator PHB-4. Keywords: Bacterial autofluorescence; Cupriavidus necator; Sporomusa ovata; Halomonas halophila; single cell analysis; average fluorescence lifetime; oxidative stress; ROS; biotechnological processes quality control; PHB protective characteristics; flow cytometry; fluorescence microscopy; fluorescence stain optimisation; Bakteriální autofluorescence; Cupriavidus necator; Sporomusa ovata; Halomonas halophila; analýzy jedné buňky; doba života excitovaného stavu; oxidativní stress; ROS; kvalita kontroly biotechnologických procesů; protektivní charakteristiky PHB; průtoková cytometrie; fluorescenční mikroskopie; optimalizace fluorescenčního barvení Available in a digital repository NRGL Využití fluorescenčních technik k analýze průmyslově významných mikroorganismů

Techniky analýzy jednotlivých buněk neboli single-cell analýzy, jsou velmi důležité v kontextu studia důležitých biotechnologických mikroorganismů. V biotechnologických procesech je optimální mít ...

Müllerová, Lucie; Kráčmar, Stanislav; Krčma, František; Obruča, Stanislav
Vysoké učení technické v Brně, 2023

Large-Scale Robotic 3D Printing of Polymer Composites
Krčma, Martin; Fritschi, Ena Lloret; Naboni, Roberto; Paloušek, David
2023 - English Tato disertační práce se zabývá vývojem a výzkumem 3D tiskové metody pro velkorozměrový 3D tisk komplexních, funkčních objektů z recyklovaného polymerního kompozitu. První část práce je materiálově zaměřená, zabývá se složením kompozitu, procesními parametry, materiálovými vlastnostmi a degradací během 3D tisku. Výsledkem této části je publikace v indexovaném časopise, která srovnává materiálové vlastnosti a porozitu tištěných a litých vzorků. V průběhu práce jsou definovány problémy s 3D tiskem tohoto materiálu a je navrženo jejich řešení pomocí tiskových strategií. Druhá část disertační práce se zaměřuje na návrh, provedení a vyhodnocení těchto strategií. Na toto téma byly publikovány dva články, první zaměřený na aplikaci a porovnání víceosých 3D tiskových strategií a druhý, ve kterém je popsána nová metoda 3D tisku. Byly srovnány 4 metody, kombinující neplanární slicing a orientovaný 3D tisk, z pohledu kvality povrchu, obtížnosti zpracování a vystavitelnosti. Získané poznatky byly využity při návrhu zmíněné nové metody 3D tisku, založené na principu variace výšky vrstvy v kombinaci s reorientací tiskové hlavy pro zlepšení možností velkorozměrového 3D tisku objektů s jedním perimetrem, u kterých metoda umožnuje vystavitelnost převisů přes 80°. The main goal of the thesis is research and development of a 3D printing process for large-scale printing of complex, functional objects from recycled polymer composites. The first part of the thesis is material-oriented, dealing with the composite makeup, processing parameters, material properties and their degradation during 3D printing. The results of this part are summarized in a journal article comparing the mechanical properties and porosity of printed and cast samples. During this part of the thesis, material processing problems are defined, and 3D printing strategies are proposed to solve or avoid them. The second part of the thesis then deals with the design, execution and evaluation of these strategies. This is split into two articles, the first one dealing with the application and evaluation of multiaxis 3D printing strategies, and a second that proposes a new printing method. Four methods were compared, combining nonplanar slicing and oriented 3D printing and evaluating the results in terms of buildability, processing difficulty and surface quality. The insights gained during this study were then used to inform the design of the new 3D printing method that makes use of intralayer height variations and tool reorientation to enhance single perimeter printing resulting in an increase in buildability for large-scale 3D printing to over 80° of overhang. Keywords: Material extrusion; Large scale 3D printing; Multi axis 3D printing; Polymer concrete; Composite; Extruze materiálu; Velkorozměrový 3D tisk; Víceosý 3D tisk; Polymerní beton; Kompozit Available in a digital repository NRGL Large-Scale Robotic 3D Printing of Polymer Composites

Tato disertační práce se zabývá vývojem a výzkumem 3D tiskové metody pro velkorozměrový 3D tisk komplexních, funkčních objektů z recyklovaného polymerního kompozitu. První část práce je materiálově ...

Krčma, Martin; Fritschi, Ena Lloret; Naboni, Roberto; Paloušek, David
Vysoké učení technické v Brně, 2023

Rozsáhlé simulace ultrazvuku za použití akcelerovaných clusterů
Vaverka, Filip; Boehm, Christian; Říha, Lubomír; Jaroš, Jiří
2023 - English Efektivní využití akcelerovaných HPC clusterů je obzvlášť závislé na efektivitě komunikace použitých algoritmů. Tato práce se tedy věnuje přezkoumání pseudo-spektrálních algorimů používaných pro řešení vlnových problémů převážně v oblasti medicínského ultrazvuku s cílem umožnit jejich běh na akcelerovaných strojích. Je ukázáno, že doménová dekompozice je preferovaný způsob dosažení daného cíle, jelikož řada alternativních přístupů vykazuje výrazně horší numerické vlastnosti. Na základě tohoto přístupu a k-Wave modelu ultrazvuku, široce používaného v medicíně, je navržen nový simulační algoritmus. Následnými experimenty je ukázáno, že tento přístup dosahuje až 7.5x zrychlení a dosahuje téměř perfektního slabého škálování až do 512 GPU akcelerovaných uzlů. Zároveň toto řešení umožňuje plné využití výpočetních uzlů s několika GPU akcelerátory a pokročilým propojením jako je NVIDIA DGX-2 s NVLink. Tato metoda také nabízí možnost flexibilní volby mezi přesností a efektivitou. Volbou hloubky překryvu subdomén lze dosáhnout jak přesnosti srovnatelné s původní k-Space metodou, tak i maximalizovat výkon při zachování dostatečné přesnosti. Efficient utilization of accelerated HPC clusters is particularly sensitive to communication efficiency of deployed algorithms. In this thesis, we reexamine pseudo-spectral solvers for wave-like problems in medical ultrasonics to allow their deployment on these machines. The domain decomposition is shown to be a preferable approach to improving data locality of these solvers as a range of suitable alternative discretizations exhibited considerably worse numerical properties. The local Fourier basis domain decomposition is then used to construct a novel solver based on the state of the art model for ultrasound in medicine -- k-Wave. We show that this approach is up to 7.5x faster and achieves almost perfect weak-scaling up to 512 GPU accelerated nodes, while being able to take full advantage of advanced GPU interconnects such as NVLink in NVIDIA DGX-2 multi-GPU nodes. The method offers flexible accuracy--efficiency trade off, which allows to nearly match accuracy of the global k-Space method or maximize performance at sufficient accuracy by subdomain overlap scaling. Keywords: pseudo-spectral methods; supercomputing; domain decomposition methods; local Fourier basis; medical ultrasound simulation; non-linear ultrasound; HIFU; MPI+X; CUDA; GPU; accelerated computing; pseudo-spektrální metody; superpočítání; metody doménové dekompozice; lokální Fourierova báze; simulace ultrazvuku v lékařství; nelineární ultrazvuk; HIFU; MPI+X; CUDA; GPU; akcelerované počítání Available in a digital repository NRGL Rozsáhlé simulace ultrazvuku za použití akcelerovaných clusterů

Efektivní využití akcelerovaných HPC clusterů je obzvlášť závislé na efektivitě komunikace použitých algoritmů. Tato práce se tedy věnuje přezkoumání pseudo-spektrálních algorimů používaných pro ...

Vaverka, Filip; Boehm, Christian; Říha, Lubomír; Jaroš, Jiří
Vysoké učení technické v Brně, 2023

Automatizace návrhu systémů odolných proti poruchám
Lojda, Jakub; Plíva, Zdeněk; Steininger, Andreas; Sekanina, Lukáš
2023 - English Pokud je požadováno, aby digitální systém dosáhl vysoké úrovně spolehlivosti, musí zachovat funkčnost i v případě přítomnosti přirozeně se objevujících poruch. Mnoho takových systémů využívá hradlová pole FPGA (z angl. Field Programmable Gate Array). Jedním z přístupů ke zvýšení spolehlivosti systému je začlenění mechanismů odolnosti proti poruchám (OPP; angl. Fault Tolerance). Není však snadné navrhovat systémy tak, aby byly OPP. V této disertační práci je navržen, prozkoumán a popsán automatický způsob transformace popisu systému do jeho podoby zvyšující OPP. Prezentovaný výzkum klade důraz na obecnost tohoto procesu, který umožňuje znovupoužitelnost metod mezi odlišnými formáty popisu, různými jazyky a úrovněmi abstrakce. Tato práce zkoumá navrhovanou metodu a její hlavní aspekty: metody úpravy zdrojového kódu, strategie návrhu OPP a akceleraci měření dosažené úrovně OPP. V neposlední řadě práce prezentuje postup návrhu, který cílí na minimalizaci požadovaných měření parametrů, což výrazně urychluje automatický návrh systému OPP. Během výzkumu prezentovaného v této práci bylo experimentálně studováno několik případů. Různé obvody popsané v odlišných jazycích byly optimalizovány dle rozdílných metrik spolehlivosti tak, aby během výzkumu bylo pokryto více scénářů. První kroky ve výzkumu využívají řídicí jednotku robota napsanou v C++ jako cíl pro vyhodnocení manipulace se zdrojovým kódem. Optimalizace se zaměřuje na procentuální zastoupení tzv. kritických bitů (z angl. critical bits) na FPGA. Následně byly místo řídicí jednotky robota použity naše testovací obvody, rovněž popsané v C++. K automatickému přiřazení nejvhodnějších mechanismů OPP (např. třímodulové redundance, z angl. Triple Modular Redundancy - TMR; nebo N-modular Redundancy - NMR) byla nejprve použita strategie založená na Multiple-choice Knapsack Problem (MCKP). Navrhovaná strategie nalezla řešení snižující počet kritických bitů o 18 % a zároveň snížila velikost obvodu (obojí ve srovnání s předchozím přístupem se statickou alokací mechanismů OPP). Poté byly implementovány prostředky pro vkládání mechanismů OPP do VHDL kódů. Testovací obvody popsané ve VHDL byly použity rovněž se strategií MCKP k nalezení řešení s nejlepším mediánem času do selhání (též známým jako t50). Pro tuto případovou studii bylo dosaženo cca 25% úspory velikosti obvodu ve srovnání s referenčním návrhem, ve kterém byly mechanismy OPP přiřazeny staticky a ručně. Prezentovaná metoda totiž umožňuje uživateli omezit oblast na čipu, která je pro daný systém dostupná a získat výsledek o optimální spolehlivosti pro tuto danou oblast (za předpokladů blíže specifikovaných v této práci). Rovněž byla testována obnova systému, která dále zlepšila výsledky t50 o 70 %. Nakonec byla provedena komplexní případová studie na reálném obvodu - řadiči rekonfigurace FPGA. V této případové studii se v praxi představuje způsob nalezení Paretovy fronty optimálních obvodů zohledňujících více kritérií, tj. spotřeba energie, velikost a střední doba do poruchy (z angl. Mean Time to Failure - MTTF). Metoda také umí využít principů dynamické částečné rekonfigurace FPGA pro obnovu systémů. If a digital system is required to maintain a high level of reliability, it must withstand the presence of naturally-emerging failures. Many of such systems utilize Field Programmable Gate Arrays (FPGAs). One of the approaches to increase the system's reliability is the insertion of the so-called Fault Tolerance (FT) mechanisms. It is, however, a significant challenge to design systems to be FT. In this thesis, an approach is designed and researched, capable of automatically transforming an unhardened design into its FT version. The thesis emphasizes the generality of such a process, which allows for the reusability of the methods among various description formats, languages, and abstraction levels. This thesis describes the proposed method and its main aspects: the source code modification approaches, design strategies, and acceleration of FT parameters measurement. Last but not least, design flows that target the minimization of required measurements are proposed, which significantly accelerates the complete automated design of the FT system. Several cases were experimentally studied during the research presented in this thesis. Multiple circuits described in different languages were targeted with various reliability metrics to cover multiple scenarios. The first steps use a robot controller written in C++ as a target for evaluating the source code manipulations and the so-called critical bits representation of an FPGA design. After that, our C++ benchmark circuits were used instead of the robot controller. At first, a strategy based on the Multiple-choice Knapsack Problem (MCKP) was used to automatically select the most suitable hardening from available hardening schemes (e.g., Triple Modular Redundancy, or N-modular Redundancy). The proposed design strategy found a solution with 18% fewer critical bits while even lowering the design size overhead compared to the previous approach with the static allocation of FT mechanisms. After that, means of FT mechanism insertion were implemented for VHDL. VHDL benchmarks were also used with the MCKP strategy to find solutions with the best Median Time to Failure (a.k.a. t50). For the actual case study, circa 25% savings in the area were achieved compared to the reference design to which the FT mechanisms were assigned statically and manually. The method allows the user to constrain the available chip area and obtain the result optimal on reliability for this given area (under assumptions specified in the thesis). Also, system recovery was tested, which further improved the t50 results by 70%. Finally, a comprehensive case was studied on a real circuit, the FPGA reconfiguration controller. This presents a method of finding a Pareto-frontier of optimal designs considering multiple criteria (i.e., power consumption, size, and Mean Time to Failure - MTTF). The method exploits the principles of dynamic partial reconfiguration. Keywords: Fault-tolerant System Design Automation; Electronic Design Automation; Fault-tolerant System Design Flow; Redundancy Allocation and Insertion; FPGA; VHDL; C++; Automatizace návrhu systémů odolných proti poruchám; automatizace návrhu elektronických systémů; postup návrhu systémů odolných proti poruchám; alokace a vkládání redundance; FPGA; VHDL; C++ Available in a digital repository NRGL Automatizace návrhu systémů odolných proti poruchám

Pokud je požadováno, aby digitální systém dosáhl vysoké úrovně spolehlivosti, musí zachovat funkčnost i v případě přítomnosti přirozeně se objevujících poruch. Mnoho takových systémů využívá hradlová ...

Lojda, Jakub; Plíva, Zdeněk; Steininger, Andreas; Sekanina, Lukáš
Vysoké učení technické v Brně, 2023

Electrochemická syntéza, charakterizace a aplikace nových typů 1D oxidických struktur přechodných kovů
Alijani, Mahnaz; Prof. Lluis F. Marsal; Tsuchiya, Hiroaki; Macák, Jan
2023 - English Tato disertační práce představuje komplexní výzkum růstu TiO2 nanotrubicových (TNT) vrstev s vysokým poměrem délka/šířka (HAR) a jejich využití v pokročilých světelně-sensorických aplikacích. Výzkumné výstupy dosažené během tohoto doktorského studia zahrnují sérii článků, které se zabývají výzkumem syntézy a charakterizace vrstev HAR TNT na jedné straně a hodnocení výkonu těchto vrstev v různých senzorických modalitách na straně druhé. Počáteční studie se zaměřuje na anodizaci Ti fólií za účelem získání vrstev HAR TNT pomocí speciálně formulované elektrolytu obsahujícího NH4F/H2O/ethylene glycol s přídavkem mléčné kyseliny (LA). Výsledky ukazují, že regulací stáří a složení elektrolytu a použitím dostatečně vysokých potenciálů lze dosáhnout vrstev HAR TNT s vysokým poměrem délka/šířka (přibližně 450) v pozoruhodně krátkých časech anodizace ( 15 minut) ve srovnání s literaturou dostupnou před zahájením této disertační práce. Tento přístup nabízí slibnou cestu k získání robustních vrstev TNT bez dielektrického průrazu, eliminující potřebu řízení dalších procesních parametrů, jako je ohřev nebo ochlazování elektrolytu. Na základě úspěšných výsledků byla v následující práci zkoumána galvanostatická anodizace pro získání vrstev HAR TNT v elektrolytu obsahujícím LA. Bylo zjištěno, že mléčná kyselina účinně předchází dielektrickému průrazu při použití vysokých proudových hustot. Tento nález poukazuje na potenciál galvanostatické anodizace pro výrobu vrstev HAR TNT v podstatně zkrácených časech anodizace při pokojové teplotě. Navazující výzkum v disertační práci se zabývá mikrovlnnou fotoelektrickou vodivostí TNT vrstev s různou tloušťkou (15, 50, 80 a 110 m) při frekvencích X-pásma (~8 GHz) pro aplikace v senzorice a bezdrátové vesmírné komunikaci. Integrace anatasových TNT vrstev s rovinným rezonátorem se rozděleným kroužkem (SRR) umožňuje hodnocení jejich mikrovlnné fotoelektrické vodivosti. Experimentální výsledky odhalily významné variace v rezonanční amplitudě a frekvenčních odezvách TNT vrstev, přičemž TNT vrstvy o tloušťce 80 m vykazovaly nejvyšší citlivost. Byly stanoveny korelace mezi účinností fotoelektrické vodivosti, velikostí krystalitů a tloušťkou vrstev TNT, což podporuje využití optimalizovaných vrstev TNT pro co nejlepší mikrovlnného snímání. Kromě toho práce zkoumá vrstvy TNT na SRR pro detekci viditelného světla. Depozicí CdS tenkých vrstev na TNT vrstvy pomocí technologie depozice atomárních vrstev (ALD) se TNT vrstvy stávají velmi citlivé ve viditelné oblasti spektra, což umožňuje efektivní detekci UV a viditelného světla a detekci světlem indukovaných změn dielektrických vlastností TNT vrstev. Experimentální výsledky souhlasí s teoretickými modely a zdůrazňují výjimečný potenciál senzorů založených na TNT při detekci nebezpečí, monitorování znečištění, analýze materiálů a světelné komunikaci mezi satelity. Celkově tato práce poskytuje komplexní porozumění o růstu HAR TNT vrstev a jejich schopnostem pro pokročilé senzorické aplikace. Získané poznatky z tohoto výzkumu přispějí k rozvoji senzorů založených na nanomateriálech a otevírají nové možnosti jejich využití v různých odvětvích a nových technologiích. This thesis presents a comprehensive investigation of the growth of high-aspect-ratio (HAR) TiO2 nanotube (TNT) layers and their application in advanced light sensing technologies. The research outputs achieved during this Ph.D. study encompass a series of papers that collectively explore the synthesis and characterization of HAR TNT layers on one hand side, and performance evaluation of these layers in various sensing modalities on the other side. The initial study focuses on the successful anodization of Ti foil to obtain HAR TNT layers using a specially formulated electrolyte containing NH4F/H2O/ethylene glycol, with the addition of lactic acid (LA). The results demonstrate that by controlling the electrolyte age and composition, together with the application of sufficiently high potentials, HAR TNT layers with high aspect ratio (of approximately 450) can be achieved within remarkably short anodization times ( 15 minutes) compared to the literature available before the work on this thesis begun. This approach offers a promising pathway to obtain robust TNT layers without dielectric breakdown, eliminating the need for additional process control, such as heating or cooling of the electrolyte. Building up on the successful anodization results, the subsequent investigation explored the galvanostatic anodization for obtaining HAR TNT layers in an LA-containing electrolyte. It was observed that lactic acid effectively prevents dielectric breakdown when high current densities are applied. This finding highlights the potential of galvanostatic anodization to produce HAR TNT layers in significantly reduced anodization times at room temperature. Expanding the research scope, the thesis delves into the microwave photoconductivity of TNT layers with different thicknesses (15, 50, 80, and 110 m) at X-band frequencies (~8 GHz) for applications in sensing and wireless space communication. The integration of anatase TNT layers with a planar split ring resonator (SRR) microwave resonator enables the evaluation of their microwave photoconductivity performance. Experimental results revealed significant variations in the resonant amplitude and frequency responses of the TNT layers, with the 80 m thick TNT layers demonstrating the highest sensitivity. Correlations were established between the photoconductivity efficiency, crystallite size, and thickness of the TNT layers, supporting the development of optimized TNT layers for enhanced microwave sensing capabilities. Furthermore, the thesis explores TNT layers on SRR for visible light detection. By sensitizing the TNT layers to the visible spectral region through the deposition of a CdS coating using Atomic Layer Deposition (ALD), the results demonstrate effective detection of ultraviolet (UV) light, visible (VIS) light and light-induced variations in the dielectric properties of TNT layers. The experimental findings align with theoretical models and highlight the clearly outstanding potential of TNT-based sensors in hazard detection, pollution monitoring, material analysis, and light-based satellite-to-satellite communication. Overall, this thesis provides a comprehensive understanding of HAR TNT layers and their capabilities for advanced sensing applications. The knowledge gained from this research will contribute to the advancement of nanomaterial-based sensors and opens up new possibilities for their utilization in various industries and emerging technologies. Keywords: TiO2 nanotube layers; anodization; high aspect ratio; sensing application; UV detection.; TiO2 nanotrubicové vrstvy; anodizace; vysoký poměr stran; sensorické aplikace; detekce UV světla Available in a digital repository NRGL Electrochemická syntéza, charakterizace a aplikace nových typů 1D oxidických struktur přechodných kovů

Tato disertační práce představuje komplexní výzkum růstu TiO2 nanotrubicových (TNT) vrstev s vysokým poměrem délka/šířka (HAR) a jejich využití v pokročilých světelně-sensorických aplikacích. Výzkumné ...

Alijani, Mahnaz; Prof. Lluis F. Marsal; Tsuchiya, Hiroaki; Macák, Jan
Vysoké učení technické v Brně, 2023

Paralelismus v číslicovém zpracování signálů
Mego, Roman; Wyrzykowski, Roman; Vágnerová, Jitka; Frýza, Tomáš
2023 - English Dizertační práce je zaměřena na systémy pro číslicové zpracování signálů, jejich architekturu a možnosti vývoje softwaru. Text pojednává o základním rozdělení počítačových systémů z hlediska paralelního zpracování dat. Rovněž demonstruje chování nízkoúrovňových a vysokoúrovňových programovacích jazyků na vícejadrovém signálovém procesoru založeném na architektuře VLIW. Cílem dizertační práce je vytvořit nástroj, který může být použitý při implementaci DSP algoritmů na VLIW procesory s efektivností nízkoúrovňových programovacích jazyků, ale s výhodami vysokoúrovňových programovacích jazyků. Výsledkem je software, který využívá pro popis algoritmů graf signálových toků a generuje kód v jazyce symbolických adres. The doctoral thesis is focused on the systems for digital signal processing, its architecture and possibilities of software development. The text discussed the basic classification of computer systems from the view of parallel processing. It also demonstrates the behavior of the low-level and high-level programming languages on the multicore digital signal processors based on VLIW architecture. The aim of the dissertation thesis is to develop a tool that can be used to implement any DSP algorithm on the any VLIW processor with efficiency of the low-level programming languages, but with the advantages of the highlevel programming languages. Result is the software that uses a signal-flow graph approach to describe an algorithm, and generates the low-level assembly code. Keywords: digital signal processing; VLIW architecture; software development; signal-flow graph; digitální zpracování signálů; VLIW architektura; vývoj softwaru; graf signálových toků Available in a digital repository NRGL Paralelismus v číslicovém zpracování signálů

Dizertační práce je zaměřena na systémy pro číslicové zpracování signálů, jejich architekturu a možnosti vývoje softwaru. Text pojednává o základním rozdělení počítačových systémů z hlediska ...

Mego, Roman; Wyrzykowski, Roman; Vágnerová, Jitka; Frýza, Tomáš
Vysoké učení technické v Brně, 2023

Umělé uspořádané soubory magnetických nanostruktur
Schánilec, Vojtěch; Mougin, Alexandra; Carrey, Julian; Šikola, Tomáš
2023 - English Uměle vytvořená dvourozměrná pole interagujících nanomagnetů jsou mocným hřištěm pro zkoumání fyziky mřížkových spinových modelů. Tyto umělé spinové systémy byly navrženy tak, aby napodobovaly chování frustrovaných pyrochlorových krystalů. Zdokonalení nanofabrikačních technik nám umožňuje vyrobit jakýkoli požadovaný umělý systém v laboratorně kontrolovaném prostředí. Díky tomu lze vyrábět umělé simulátory hmoty a používat je k pokročilejšímu studiu požadovaných jevů. Výhodou použití nanomagnetických objektů jako stavebních kamenů umělých mřížek je, že malé magnetické struktury lze efektivně považovat za obří klasické Isingovy spiny. Proto transformují problém frustrovaných spinů v pyrochlorových krystalech do takových rozměrů, aby bylo možné systém studovat pomocí zobrazovacích technik reálného prostoru. Pomocí zobrazovacích technik, jako je mikroskopie magnetických sil, lze uspořádání každého Isingova makrospinu vizualizovat v reálném prostoru. To nám umožní podívat se nejen na globální vlastnost systému jako celku, ale také na to, jak jsou realizovány lokální interakce. Schopnost vyrobit umělé systémy zachycující požadovaný fyzikální jev a porovnat jej s~reálným přírodním protějškem ukazuje naše porozumění problému. Může také nabídnout chybějící část informací. Existují vlastnosti systémů, které nejsou zakódovány v teoretických Hamiltoniánech popisujících systémy, ale přesto jsou systému vlastní. Takové vlastnosti se zdánlivě objevují odnikud a díky umělým systémům a schopnosti tyto systémy vizualizovat můžeme takové vlastnosti analyzovat. Tato práce se zaměřuje na studium dvou typů systémů: kagome a čtvercových dipolárních spinových systémů. Oba tyto systémy jsou výsledkem projekcí trojrozměrných pyrochlorových krystalů do roviny. Oba navíc vykazují poměrně neobvyklé chování, které je třeba teprve změřit v reálném prostoru ve velkých měřítcích. Dipolární kagome spinový systém má nízkoenergetickou fázi zvanou \textit{spinová kapalina 2}. Spiny v této fázi jsou uspořádané a neuspořádané současně, což je jedinečná vlastnost systému, která nemá obdoby. Na druhé straně, čtvercový spinový systém je dokonalým hřištěm pro studium exotické fyziky spinových kapalin, Columbovy fáze a chování kvazičástic podobných magnetickým monopólům. Obvyklý přístup při výrobě umělých spinových systémů spočívá v jejich sestavení z jedno-doménových nanomagnetů, které interagují prostřednictvím dipolárních interakcí dlouhého dosahu. Systémy se proto snaží minimalizovat interakce mezi všemi páry Isingových makro-spinů. Ústřední myšlenkou této práce je však propojení všech nanomagnetů do jedné makromřížky, a tedy zavedení mikromagnetických efektů do systémů. Magnetizace se snaží uspokojit mikromagnetické energie v místě spojů. Proto účinně nahrazujeme spinový stupeň volnosti mikromagnetickým regulátorem, který lze použít k vyladění energie každého spoje zavedením speciálně navržených topologických defektů. Přestože oba systémy jsou předmětem zájmu výzkumníků již téměř dvacet let, věříme, že naše modifikace otevírají bránu ke zkoumání exotické fyziky, kterou je třeba teprve odhalit. Two-dimensional artificial arrays of interacting nanomagnets are a powerful playground for probing the physics of the lattice spin models. Artificially designed spin systems were introduced to mimic the behaviour of the frustrated pyrochlore crystals. Recent improvement in nano-fabrication techniques allows us to fabricate any desired artificial system in the lab control environment. Therefore artificial simulators of the matter can be produced and used for more advanced study of the desired phenomenons. The advantage of using nanomagnetic objects as building blocks of artificial lattices is that small magnetic structures can effectively be considered giant classical Ising spins. Therefore elevating the problem of frustrated spins in pyrochlore crystals into such dimensions so the system can be studied with real space imaging techniques. With imaging techniques such as magnetic force microscopy, the ordering of each Ising macrospin can be visualised in real space, enabling us to look not only at the global property of the system as a whole but to see how local interactions are accommodated. Being able to fabricate artificial systems capturing the desired physics and comparing it to the real nature counterpart measures our understanding of the problem. It can also offer a missing piece of information. Furthermore, there are properties of the systems which are emergent and not encoded in the theoretical Hamiltonians describing the systems. Such properties seem to come out of nowhere, and with artificial systems and the ability to visualise these systems, we can analyse such properties. This thesis focus on studying two types of systems: kagome and square dipolar spin systems. Both these systems are the results of the projections of the three-dimensional pyrochlore crystals into a plane. Moreover, both systems exhibit rather unusual behaviour, which is still to be measured on a large scale in real space. The dipolar kagome spin system has a low energy phase called spin liquid 2, which hosts unusual spin behaviour. The spins in this phase are ordered and disordered simultaneously, a unique emergent property of the system with no equivalent. On the other hand, the square spin system is a perfect playground for studying the exotic physics of spin liquids, the Columb phase, and the behaviour of magnetic monopole-like quasi-particles. The usual approach when fabricating artificial spin systems is to build them up out of single-domain nanomagnets which interact via long-range dipolar interactions. Therefore the systems try to minimise the interactions between all pairs of the Ising macrospins. However, the central idea of this thesis is to connect all the nanomagnets into one macro lattice, therefore introducing the micromagnetic effects into the systems. Magnetisation tries to satisfy the micromagnetic energies at the vertex site. Hence, we effectively replace the spin degree of freedom with a micromagnetic knob which can be used to tune each vertex's energy by introducing specially designed topological defects. Even though both systems have been the focus of researchers for almost twenty years, we believe that our modifications open a gateway to fully accessing the exotic physic yet to uncover. Keywords: Artificial spin systems; geometrical frustration; micromagnetism; kagome dipolar spin system; square spin system; Umělé vytvořené spinové systémy; geometrická frustrace; mikromagnetismus; dipolární kagome spinový systém; čtvercový spinový systém Available in a digital repository NRGL Umělé uspořádané soubory magnetických nanostruktur

Uměle vytvořená dvourozměrná pole interagujících nanomagnetů jsou mocným hřištěm pro zkoumání fyziky mřížkových spinových modelů. Tyto umělé spinové systémy byly navrženy tak, aby napodobovaly chování ...

Schánilec, Vojtěch; Mougin, Alexandra; Carrey, Julian; Šikola, Tomáš
Vysoké učení technické v Brně, 2023

BEZSNÍMAČOVÉ ŘÍZENÍ SYNCHRONNÍHO RELUKTANČNÍHO MOTORU SE ZAMĚŘENÍM NA VYSOKOU ÚČINNOST
Mynář, Zbyněk; Talla,, Jakub; Lettl, Jiří; Václavek, Pavel
2023 - English Synchronní reluktanční motory se pro svou relativně vysokou účinnost, robustnost a nízkou cenu stávají stále populárnější alternativou velmi rozšířených asynchronních motorů. Snaha o využití výhodných vlastností bezsnímačového řízení, a dosažení co nejvyšší účinnost jejich provozu, je však komplikována jejich výraznou nelinearitou způsobenou saturací magnetického obvodu. Úvod této práce je věnován popisu matematicko-fyzikálního modelu SynRM a přehledu existujících moderních algoritmů výkonově-optimálního bezsnímačového řízení. Jádrem práce je pak představení estimátoru stavů a parameterů SynRM postaveného na novém přístupu k měření a využití fázových reluktancí. Klíčovými prvky algoritmu jsou nová metodologie měření fázových reluktancí, spínací PWM schéma jež umožňuje snížit spínací ztráty a měřit fázové reluktance od nulových otáček, a nakonec integrace těchto měření s matematickým modelem SynRM s pomocí rozšířeného Kalmánova filtru. Experimentální část práce pak diskutuje výsledky reálných měření s navrženým algoritmem a vybranými současnými algoritmy. Synchronous reluctance motors are becoming a more and more popular alternative to the AC induction machine for their relatively high power efficiency, low cost, and high robustness. Full utilization of benefits of sensorless control and high power efficiency are being complicated by non-linearities of the motor, especially magnetic saturation. The beginning of this work is dedicated to an inference of the mathematical-physical model of SynRM and an overview of existing state-of-the-art sensorless power-optimal algorithms. The core of this work is then the introduction of the SynRM state and parameter estimator, which is based on a new approach to measurement and utilization of phase reluctances. The key elements of the algorithm are a new methodology for measuring phase reluctances, a PWM switching scheme that allows to reduce switching losses and to measure phase reluctances from zero speed, and finally the integration of these measurements with the SynRM mathematical model using extended Kalman filter. The experimental part of the thesis then discusses the real measurement results obtained with the proposed algorithms and several selected state-of-the-art algorithms. Keywords: Synchronous; SynRM; Reluctance; FOC; Power optimization; MTPA; ME; EKF; Synchronní; SynRM; Reluktance; FOC; Optimalizace výkonu; MTPA; ME; EKF Available in a digital repository NRGL BEZSNÍMAČOVÉ ŘÍZENÍ SYNCHRONNÍHO RELUKTANČNÍHO MOTORU SE ZAMĚŘENÍM NA VYSOKOU ÚČINNOST

Synchronní reluktanční motory se pro svou relativně vysokou účinnost, robustnost a nízkou cenu stávají stále populárnější alternativou velmi rozšířených asynchronních motorů. Snaha o využití výhodných ...

Mynář, Zbyněk; Talla,, Jakub; Lettl, Jiří; Václavek, Pavel
Vysoké učení technické v Brně, 2023

Pokročilé výpočetní metody pro zvýšení rozlišení genotypizačních metod
Nykrýnová, Markéta; Budinská, Eva; Hrabák,, Jaroslav; Škutková, Helena
2023 - English Tato disertační práce je zaměřena na vytvoření nových výpočetních metod, které zvýší diskriminačních schopnost genotypizačních metod. Hlavní důraz je kladen na odlišení blízce příbuzných bakterií, které pocházejí například z jedné nemocnice či jednoho oddělení. V první části práce jsou popsány současné typizační metody a jsou představeny nové postupy pro identifikaci genetických markerů s vysokou mírou sekvenční variability, pomocí kterých lze lépe rozlišit bakteriální populaci. Navržené metody jsou založeny na výpočtu signálů entropie a analýze nenamapovaných čtení. Druhá část práce se zabývá návrhem nových metod zpracování surových dat z nanopórového sekvenování, které lze použít pro rychlou vysoce citlivou typizaci bakterií bez nutnosti převádět proudové signály na nukleotidové sekvence. Předložená práce přispívá ke zlepšení a zpřesnění rutinně používaných typizačních metod pomocí navržených bioinformatických postupů a představuje unikátní přístup využití doposud experimentální techniky nanopórového sekvenování pro rychlou genotypizaci a analýzu bakterií. This dissertation aims at developing new computational methods to increase the discriminatory power of genotyping methods. The main focus is on distinguishing closely related bacterial strains, e.g. from the same hospital or ward. The first part of the thesis describes current typing methods and new approaches to identify genetic markers with high levels of sequence variability that contribute to distinguishing bacterial populations better. The proposed methods are based on the entropy signal calculation and analysis of unmapped reads. The second part of the thesis deals with designing new methods for raw nanopore sequencing data processing; thus, it can be used for rapid high-sensitivity bacterial typing without the need to convert current signals into nucleotide sequences. Overall, this dissertation contributes to the improvement and refinement of routine typing methods by utilizing the proposed bioinformatics approaches and presenting a unique application for experimental nanopore sequencing in rapid genotyping and bacteria analysis. Keywords: Bacterial typing; whole genome sequencing; genome assembly; MLST; mini-MLST; nanopore sequencing; genomic signal processing.; Typizace bakterií; celogenomové sekvenování; sestavování genomů; MLST; mini-MLST; nanopórové sekvenování; zpracování genomických signálů. Available in a digital repository NRGL Pokročilé výpočetní metody pro zvýšení rozlišení genotypizačních metod

Tato disertační práce je zaměřena na vytvoření nových výpočetních metod, které zvýší diskriminačních schopnost genotypizačních metod. Hlavní důraz je kladen na odlišení blízce příbuzných bakterií, ...

Nykrýnová, Markéta; Budinská, Eva; Hrabák,, Jaroslav; Škutková, Helena
Vysoké učení technické v Brně, 2023