Ústav přístrojové techniky AV ČR, v. v. i.

Pro činnost ústavu je charakteristické propojení teoretického, experimentálního a aplikovaného výzkumu v elektronové optice a mikroskopii, koherenční optice, technologickém využití elektronových svazků, nukleární magnetické rezonanci a měření i zpracování biosignálů. Úsilí je zaměřeno především na objevování a rozvíjení nových experimentálních metod studia mikrostruktury živé i neživé hmoty. K ověřování principů se využívají původní teoretické výsledky ve vybraných oblastech přírodních i technických věd společně s vytvořenými unikátními přístrojovýmiprvky a metodickými postupy. Konečným cílem je nasadit vypracované metody na získávání nových poznatků základního i aplikovaného výzkumu především v biomedicínských a fyzikálně materiálových oborech, popřípadě zhodnotit dosažené výsledky v průmyslu.

Oddělení koherenční optiky navazuje na tradici výzkumu plynových laserů a jejich aplikací. V současné době jsou předmětem zájmu lasery s vysokou koherencí, frekvenčně stabilizované lasery, interferometrické metody, refraktometrie, metrologie délky, silové účinky světla a optické mikromanipulační techniky i jejich aplikace.

Etalony optických frekvencí – vysoce koherentní a stabilní laserové systémy vyvíjené na bázi polovodičových, pevnolátkových a helium-neonových laserů – jsou stabilizovány prostřednictvím absorpční spektroskopie ve vhodných plynných médiích a slouží k metrologickým účelům, jako normálové lasery pro kalibraci interferometrů, pro optické telekomunikace aj.

Výzkum speciálních interferometrických technik je zaměřen na zlepšení přesnosti a rozlišení. Využívají se například aparatury pro nanometrologii ve spojení se sondovou mikroskopií pro měření nanostruktur, jež se vyznačuje návazností na primární etalon délky, nebo laboratorní aplikace základní metrologie včetně přesného měření indexu lomu vzduchu pro kalibraci průmyslových interferometrů. Na tyto výsledky navazuje aplikačně orientovaný výzkum interferometrických technik s přímým uplatněním v průmyslové metrologii pro zvýšení přesnosti výroby v přesném strojírenství.

Optické mikromanipulační techniky využívají mechanické účinky světla při změně směru jeho šíření v důsledku rozptylu na mikroobjektech. Prostorově manipulovat je možné s objekty o rozměrech od desítek nanometrů po desítky mikrometrů, a to pouhým osvícením laserovým paprskem. Ostře fokusovaný laserový svazek zachytí objekt ve svém ohnisku.

Výzkum se v současné době zaměřuje na speciální konfigurace světelného pole vhodného k optickým mikromanipulacím. Příkladem je povrchové zachycení mnoha částic do interferenční struktury stojaté evanescentní vlny – optický dopravník (obrázek 1) pro řízený transport částic prostřednictvím pohybu interferenční struktury, optický třídicí mechanizmus, aj. Studují se metody využívající nedifrakční svazky, mezičásticové interakce a přeuspořádání částic spojené se vznikem opticky vázané hmoty.

Oddělení elektronové optiky se zabývá metodologií elektronově optických zařízení a studia povrchů a technologickým využitím částicových svazků. Při návrhu elektronově optických prvků a systémů se používají velmi přesné výpočty fokusačních a vychylovacích polí pomocí metody konečných prvků. Optické vlastnosti jsou určeny buď pomocí standardní aberační teorie, nebo přesným trasováním pohybu nabitých částic v prostoru.

Mikroskopie pomalými elektrony je moderní metoda studia povrchů. Spojení principů emisního a rastrovacího mikroskopu (obrázek 2) umožňuje dosahovat vysokého rozlišení obrazu i při energii elektronů blízké nule. Svazek elektronů je těsně před dopadem na preparát brzděn v elektrostatickém poli na libovolně nízkou energii. Energie elektronů pod 50 eV přinášejí obrazové kontrasty jiným způsobem nedosažitelné, například difrakční a interferenční, zatímco v oblasti stovek eV až jednotek keV je přínosem zachycení elektronů odražených pod velkým úhlem k normále povrchu a možnost zobrazení nevodivých preparátů.

Detekční systémy jsou navrhovány a konstruovány pro všechny typy elektronových mikroskopů, zejména pro mikroskop se zředěným plynem nebo vodní párou v prostoru vzorku, který umožňuje zobrazit živou hmotu bez vysušení a zvodivění. Detailně je řešena problematika scintilačních detektorů.

V pavilonu laboratoří elektronové mikroskopie se provádějí experimenty ve spolupráci s domácími i zahraničními partnery z různých aplikačních oblastí. K dispozici je rastrovací mikroskopie s vysokým rozlišením, mikroskopie pomalými elektrony, mikroskopie ve zředěném plynu a rentgenová mikroanalýza. Trvale vyhledáváme nové kooperační projekty.

Skupina speciálních technologií vyvinula malou elektronovou svářečku s počítačem řízeným procesem a mikroskopickým pozorováním vytvářeného svaru. Je určena k svařování malých, popřípadě tenkostěnných součástí a k dynamicky i tepelně odolnému spojování kombinací kovů považovaných za nesvařitelné, například titanu a hliníku. Umožňuje také mikroobrábění nevodivých materiálů.

Elektronový litograf vlastní konstrukce s tvarovaným expozičním svazkem slouží především k vytváření předloh difraktivních ochranných prvků a průmyslových hologramů s detaily do 50 nm. K diagnostice struktur se používá mikroskop atomárních sil.

Technologie magnetronového naprašování je rozvíjena pro vytváření multivrstev sloužících jako odrazné plochy v optice měkkého rentgenového záření a multivrstvých ultratvrdých povlaků, které se testují v extrémních dynamických nárazových režimech. Multivrstvy se studují pomocí konfokálního optického mikroskopu.

Oddělení magnetické rezonance a bioinformatiky se zaměřuje hlavně na in vivo MR spektroskopii (MRS) s důrazem na rychlé MR spektroskopické zobrazování (MRSI) a také na MR difuzometrii a relaxometrii.

V MRS je snaha získávat s velkou rychlostí experimentální data v kvalitě nezbytné pro jejich správné kvantitativní vyhodnocení. Správná kvantifikace MR spekter je základním předpokladem pro jejich úspěšné využití ve výzkumu (v diagnostice, monitorování terapie) mnoha závažných, zejména onkologických a neurologických onemocnění.

MR difuzometrie a relaxometrie poskytují cenné informace o dynamických procesech probíhajících na molekulární úrovni v různých biologických i anorganických systémech, a mají proto velmi rozsáhlý okruh aplikací (studium vlastností porézních materiálů pro stavebnictví, chemický průmysl, hodnocení potravin, dřeva, studium fyziologie rostlin, modifikace kontrastu v in vivo MR obrazech apod.).

Měření a analýza biosignálů přinášejí nové poznatky z oblasti fyziologie a nové parametry a metody upřesňující diagnostiku v oblasti kardiologie a neurologie. Pro základní výzkum v těchto oblastech vyvíjíme unikátní lékařské přístroje a programy pro analýzu naměřených dat (ScopeWin).

Základem navržených metod pro neinvazivní diagnostiku kardiovaskulárních onemocnění je souběžné měření více signálů během různých excitací autonomního nervového systému a vyhodnocení vzájemných vazeb (obrázek 3). Výzkum je orientován na stanovení míry rizika akutních srdečních příhod (náhlá srdeční smrt, arytmie, srdeční infarkt a selhání srdce) a diagnostiku ischemických chorob a inervování srdce po transplantaci. Zahrnuje i stanovení hemodynamických parametrů, pružnosti cév, vlastností srdečního rytmu a ventrikulární depolarizace. Měření a vyhodnocení EEG signálů z hlubokých mozkových elektrod u pacientů trpících farmakorezistentní epilepsií nebo Parkinsonovou chorobou, kteří mohou být léčeni chirurgicky, má klinický i teoretický přínos.

Přenos tepla zářením je jedním z nejvýznamnějších mechanizmů přenosu tepla v nízkoteplotních zařízeních. Znalost schopnosti povrchů vyzařovat a pohlcovat tepelné záření je důležitá pro přesné výpočty a návrhy zařízení, která k své činnosti využívají nízké teploty. Jde například o přístroje pro výzkum vesmíru nebo pro lékařské aplikace. Absorptivita a emisivita jsou zejména u kovů citlivé na stav a čistotu povrchu a závisejí také na teplotě zdroje tepelného záření a teplotě materiálu. Aparatura vytvořená v ústavu je schopna zjišťovat emisivitu nebo absorptivitu tepelného záření v rozsahu sedmi řádů výkonu až do jednotek kelvinů.