Od nitra hmoty do vesmíru

V roce 2012 slaví Ústav technické a experimentální fyziky ČVUT (ÚTEF) výročí 10 let od svého vzniku. ÚTEF založila 1. května 2002 skupina vědeckých pracovníků katedry fyziky Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT pod vedením Ing. Stanislava Pospíšila. Ústav, který v okamžiku svého založení měl necelých 20 pracovníků, se do dnešní doby rozrostl na více než 60 osob, převážně mladých vědců a studentů. Jeho program, který je řízen mezinárodní vědeckou a správní radou, se zabývá nejen fyzikou experimentální, jak by napovídal jeho název, ale i fyzikou teoretickou.

Spolupráce s CERN

ÚTEF, jakožto instituce financovaná téměř výhradně z grantových prostředků a z výsledků své vědecké činnosti, řeší v současnosti více než 30 výzkumných projektů. Jedním z nejvýznamnějších je podíl na výstavbě a provozu velkého urychlovače LHC v CERN u Ženevy. Pracovníci ÚTEF se podíleli na stavbě detektoru ATLAS od samého počátku, a to jak na vývoji i produkci (testech funkčnosti a kvality) polovodičových stripových detektorů tzv. vnitřního detektoru, tak i nyní na řídicí činnosti v kontrolním centru experimentu v CERN formou směn. Dalším projektem je výzkum radiační odolnosti senzorů a elektroniky pro budoucí nový detektor, kterým bude po skončení své životnosti nahrazen současný. Přestože současný detektor pracuje teprve 4. rok a očekávaná životnost je přibližně 10 let, již nyní se vyvíjí nový systém, který musí být schopen zvládnout vyšší toky částic, aby bylo možné zvýšit srážkovou energii zkoumaných částic. Druhým přínosem vědců z ÚTEF pro provoz detektoru ATLAS (mimo návrh a zajištění výroby neutronového stínění) bylo vybudování sítě detektorů ATLAS Medipix (MPX). Jde o polohově citlivé polovodičové detektory záření s vysokou granulací (pixelové), které jsou rozmístěny na přibližně 15 místech detektoru ATLAS v oblastech jak vnitřku detektoru, tak v jeho okolí. Signál z těchto detektorů je možné sledovat online z libovolného místa pomocí vlastní webové aplikace a umožňuje získat okamžitou informaci o stavu radiačního pole (intenzita, typ částic) včetně parametrů radiačního pozadí.

Projekt Medipix sice vznikl v CERN, ale postupně se ukázala vhodnost použití MPX i pro řadu zcela odlišných aplikací, a po jeho úpravě na neutronově citlivé detektory se otevřela úplně nová oblast využití. Vývojem aplikací MPX se zabývá od počátku skupina Ing. Jakůbka, která v tomto oboru získala světový ohlas a která láká ke spolupráci a studiu ročně řadu studentů – doktorandů – z celého světa.

Detektory MPX umožňují např. rentgenografii malých a málo kontrastních objektů formou rentgenové nebo neutronové tomografie.

K úplnému využití potenciálu MPX byl v ÚTEF vyvinut USB R/O interface (tzv. FITPix) na bázi protokolu USB 2.0 a uživatelské rozhraní programového balíku v jazyce JAVA. SW Pixelman vyvinutý v ÚTEF je nyní Medipix plně využíván jako univerzální řídicí SW pro počítače se všemi hlavními operačními systémy (Windows, PC, Linux, Mac) či webovými prohlížeči.

Nepatrné rozměry vlastního detektoru a plně zvládnutý sběr dat vedly organizaci NASA k myšlence použít miniaturizované MPX jako osobní dozimetry pro astronauty na ISS.

3D detektory

Sestavením několika vrstev detektorů Timepix (modifikace MPX) byl vytvořen 3D detektor, který byl ve spolupráci s ESA a NASA úspěšně otestován pro detekci vysoce energetických nabitých částic a rychlých neutronů pro potřeby dozimetrie ve vesmíru.

Mezinárodní spolupráce

Kromě projektů, vzešlých ze spolupráce s CERN, spolupracuje ÚTEF s mnoha světovými vědeckými ústavy a univerzitami. Jde například o SÚJV Dubna, MPI Mnichov, ILL Grenoble, Frauenhofer Institut, German Cancer Center, univerzity Montreal, Valencie, MSU Sundsvall, Freiburg, Erlangen, Heidelberg, Houston, Alberta, Wollongong (Austrálie), Canterbury (NZ), Canterbury (UK) a další.

Astrofyzika

Významným experimentem v oblasti astrofyziky, jehož se ÚTEF účastní, je projekt CZELTA (CZEch Large-area Time coincidence Array) – detekce spršek vysokoenergetického kosmického záření. Experiment navazuje na severoamerický projekt ALTA/NALTA, který tvoří největší detekční síť kosmického záření na severní polokouli a je součástí globální světové detekční sítě. Projekt sítě detektorů, vybudované pracovníky ÚTEF ve spolupráci se školami v České republice je zajímavý i svým pedagogickým posláním. Jeho cílem je zapojit do této aktivity i vybrané střední školy a přitáhnout tak mladé zájemce o fyziku.

Urychlovač Van de Graaff

V areálu těžkých laboratoří MFF UK v Tróji provozuje ÚTEF elektrostatický urychlovač iontů Van de Graaf HV2500 (dále VdG) s maximální energií protonů 2,5 MeV. Urychlovač je využíván hlavně jako laditelný zdroj těžkých nabitých částic (protonů, deuteronů, částic alfa) v rozsahu 300–2500 keV a v neposlední řadě jako poměrně intenzivní a regulovatelný zdroj rychlých neutronů. Schopnost VdG produkovat i rychlé neutrony v široké oblasti energií (zhruba do 14 MeV) umožňuje provádět experimenty základního výzkumu, astrofyzikální, kalibrační a testovací měření detektorů ionizujících částic, jakož i studium jejich radiační odolnosti v závislosti na době ozařování.

Kalibrační gama spektroskopie

Ve spolupráci s Evropskou kosmickou agenturou (ESA) byla v laboratoři VdG vybudována i měřicí a kalibrační gama spektroskopická aparatura. Jedná se o pevný a mobilní zdroj definovaného pole gama záření, vybudovaný pro kalibraci a zkoušky funkčnosti gama detektorů pro družice, vyvíjené kosmickou agenturou. Pevná aparatura, umístěná v laboratoři VdG, obsahuje mimo zdroje gama záření i přesný detektor HPGe, sloužící jako referenční pro kalibrační účely. Mobilní zdroj je možné převážet do montážních středisek ESA, kde poté slouží k ověřování funkčnosti družic před jejich vypuštěním.

Popularizace

Nejen vlastní výsledky jsou obrázkem kreativity a vědecké úrovně ústavu, ale k jeho dobrému jménu přispívá i dobrá informovanost odborné i laické veřejnosti formou pravidelných ústavních seminářů. Zvláště pak pro starší generaci jsou určeny přednášky, pořádané v rámci programu Univerzity třetího věku.