Soveltavaa tutkimusta fysiikan laitoksella. Markku Kataja

Transkriptio

1 Soveltavaa tutkimusta fysiikan laitoksella Markku Kataja

2 Jyväskylän yliopisto Lontoo Pariisi Berliini perustettu 1934 Suomen suurimpia yliopistoja kokonaisrahoitus 182,3 M 7 tiedekuntaa n opiskelijaa henkilöstöä n Madrid Rooma Ateena

3 Organisaatio HALLITUS REHTORI HALLINTOVIRASTO TIEDEKUNNAT ERILLISLAITOKSET HUMANISTINEN TIEDEKUNTA 5 laitosta Soveltavan kielentutkimuksen keskus INFORMAATIOTEKNOLOGIAN TIEDEKUNTA 3 laitosta KASVATUSTIETEIDEN TIEDEKUNTA 2 laitosta Normaalikoulu LIIKUNTA- JA TERVEYSTIETEIDEN TIEDEKUNTA 3 laitosta MATEMAATTIS-LUONNON- TIETEELLINEN TIEDEKUNTA 4 laitosta Konneveden tutkimusasema TALOUSTIETEIDEN TIEDEKUNTA YHTEISKUNTATIETEELLINEN TIEDEKUNTA 2 laitosta AGORA CENTER AVOIN YLIOPISTO KIELIKESKUS KIRJASTO KOKKOLAN YLIOPISTOKESKUS CHYDENIUS KOULUTUKSEN ARVIOINTISIHTEERISTÖ KOULUTUKSEN TUTKIMUSLAITOS MUSEO TIETOHALLINTOKESKUS TÄYDENNYSKOULUTUSKESKUS YMPÄRISTÖNTUTKIMUSKESKUS

4 Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta Laitokset: Bio- ja ympäristötieteiden laitos Fysiikan laitos Kemian laitos Matematiikan ja tilastotieteen laitos Perustettu 1965 Henkilökunta: ~530 Professorit 47 Muut opettajat 100 Tutkijat 270 Muu henkilöstö 90 Opiskelu: Opiskelijat 2600 Maisterin tutkinnot/v 190 Tohtorin tutkinnot/v 30 Suomen Akatemian nimeämät huippututkimusyksiköt: Evoluutiotutkimus Geometrinen analyysi ja matemaattinen fysiikka Virologia Ydin- ja kiihdytinfysiikka

5 Fysiikan laitos (JYFL) Tunnuslukuja (2006): Henkilökuntaa 166 (professoreja 12, hallinnossa 4) Maisteriopiskelijoita 530, jatko-opiskelijoita 70 Valmistuneita maistereita 38, tohtoreita 14 Budjetti 11.3 M, n. 45 % ulkopuolelta Fysiikan laitos harjoittaa kokeellista ja teoreettista perustutkimusta ja soveltavaa tutkimusta. Päätutkimusalat: Ydinfysiikka Materiaalifysiikka Suurenergiafysiikka (=hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa) Soveltava tutkimus: Kiihdytinpohjaiset sovellukset Nanoteknologia Teollisuusfysiikka

6 Kiihdytinlaboratorion resurssit ja sovellukset Yhteyshenkilöt: Ari Virtanen Timo Sajavaara

7 Henkilöresurssit Perustutkimuksessa Kokeellinen ja teoreettinen ydinja kiihdytinfysiikka 6 tiimiä, joissa 4 prof. ja 14 tohtoritason tutkijaa 16 jatko-opiskelijaa Soveltavassa tutkimuksessa Kokeellinen materiaalifysiikka Valmius myös teoll. sovelluksiin 1 tiimi, jossa 1 prof. ja 2 tohtoritason tutkijaa 5 jatko-opiskelijaa Teollisissa sovelluksissa Tutkimuslaitteiden, -tulosten ja osaamisen hyödyntäminen 1 tiimi, jossa 2 tohtoritason tutkijaa 5 jatko-opiskelijaa Kiihdyttimien operoinnista huolehtii 9 teknistä henkilöä. Lisäksi laitoksen yhteisissä mekaniikan ja elektroniikan työpajoissa työskentelee 13 teknisen alan henkilöä

8 Teolliset sovellukset Elektroniikan säteilynkeston testaus Radioisotooppituotanto Suodatinkalvojen valmistus Materiaalien analyysit Muu palvelututkimus: Paperiteollisuus Sädehoito, dosimetria Energia, ympäristö Yhteyshenkilö: Ari Virtanen

9 Esimerkkejä sovelluksista Kiihdytinlaboratoriossa tuotetaan viikoittain 123-jodia, jonka lääkeyritys jalostaa sairaalakäyttöön. Gamma-/PET -kamerakuva Sädehoitokenttää mittaavan ilmaisimen kehittäminen johti patenttiin Neutronisäteilyn avulla voidaan tutkia mm. puun tai turpeen kosteutta sekä biopolttoaineiden epäpuhtauksia Betasäteilyä voidaan soveltaa mm. paperin neliömassamittauksiin.

10 Mikrofiltterikalvot Hiukkassuihkulla voidaan kontrolloidusti porata reikiä ohuisiin kalvoihin. Näin voidaan tuottaa mikrometrin kokoluokassa (bakteerit, pienhiukkaset) toimia suodattimia. Esimerkki: kosteus ja lämpö poistuvat auton valokotelosta, mutta vesi ja pöly eivät pääse sisään. Breather

11 Pelletron kiihdytin Lahjoitus VTT:ltä syyskuussa 2006 Käytössä olevat analyysimenetelmät: Alkuainekoostumus syvyyden suhteen Kalvon paksuuden mittaus Vetypitoisuus näytteessä Protonisuihkulitografia Ominaisuuksia: Nopea Raskaille ioneille syvyys useita µm Havaitaan jopa ppm-pitoisuudet Yhteyshenkilö: Timo Sajavaara

12 Nanotiedekeskus (NSC) Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta Kemia Fysiikka Bio- ja ympäristötieteet Nanoscience Center Yhteyshenkilö: RIIKKA REITZER, Manager, industrial services

13 NSC: Poikkitieteellistä tutkimusta 14 professoria, ~ 100 tutkijaa kattava laitekanta puhdastila 200 m 2 (< 100 ple/ft 3 ) häiriösuojatut mittaushuoneet optiset laboratoriot solu- ja virusviljelylaboratoriot nelikantayhteistyö JY, TKK, VTT, TTY

14 Tutkimusalat nanotieteissä Teoreettinen nanotiede Esim. erittäin kylmien kaasujen tai molekyyli-metalli liitosten tutkimus Spektroskopia Esim. kehittyneen laser-teknologian osaaminen (UV-IR + fs aikaskaala) Nanoelektroniikka Esim. yksittäisten molekyylien (DNA, hiilinanoputki) käyttö sensoreina Supramolekyylit ja nanokemia Esim. itsejärjestyvät rakenteet, rakenteellisen kemian tutkimus Pehmeiden materiaalien ominaisuudet Esim. orgaanisten materiaalien mekaaniset ominaisuudet Mesoskooppinen fysiikka Esim. erittäin herkkien lämpötila- tai säteilyantureiden kehitys Molekyylien tunnistus Esim. proteiinien atomirakenne

15 Mittausympäristöjä: Mikroskoopit - elektroni, atomivoima, optiset, fluoresenssi, Raman, röntgen, Filmin paksuus ja pinnan karkeus Spektrometria - Optiset -, massa-, fs-laser spektrometrit, röntgendifraktio, NMR, Litografialaitteistot ja alustalle kasvatus Kattavat perusfysiikan mittaukset - esim. sähköiset, magneettiset ja termiset ominaisuudet Kylmäfysiikan ja tyhjiötekniikan osaaminen - esim. kryostaatit, heliumvuotojen mittarit, alle 10 K tyhjiöympäristöt

16 Yritystoimintaa nanotalossa NSC haluaa edistää nanoteknologian (teollisten) sovellusten kehittymistä ja käyttöönottoa toimintatilat ja apua markkinoinnissa (pienille) spin-off yrityksille asiantuntijapalvelut yrityksille (mittaukset, osaaminen, toimistotilat) Esimerkki: Amroy Europe Ltd. kehitti uuden epoksimateriaalin (Hybtonite), jota on lujitettu hiilinanoputkien avulla. Käyttökohteita: Montreal jääkiekkomailat Karhu pesäpallomailat Peltonen sukset yli 200 muuta asiakasta Paras nanotuote 2006

17 Teollisuusfysiikka Yhteyshenkilöt: Markku Kataja Jussi Timonen

18 Teollisuusfysiikan tutkimusalat Pehmeän ja epäjärjestyneen aineen fysiikka Monifaasivirtaukset Teollisten prosessien mallinnus Monifaasivirtaukset: Numeerinen analyysi Mittausmenetelmien kehittäminen Huokoiset materiaalit: Kuljetusilmiöiden suora numeerinen simulointi Röntgenmikrotomografia: aineiden 3D rakenne µm skaalassa Kokeelliset menetelmät: huokoisuus, diffusiviteetti, permeabiliteetti, Epäjärjestyneen (kuitumaisen) aineen rakenne: Suorat tilastolliset simuloinnit Tilastollinen mallinnus

19 Röntgentomografian sovellukset heterogeenisten materiaalien tutkimuksessa.

20 Heterogeenisten aineiden sovellusten kannalta tärkeitä ominaisuuksia: Mekaaniset ominaisuudet Lujuus Kimmo-ominaisuudet Dynaamiset ominaisuudet (esim. äänen eteneminen) Kuljetusominaisuudet Virtausominaisuudet Diffuusio Lämmönjohtuminen Sähkönjohtuminen

21 Tarkkuusröntgentomografia Materiaalia vahingoittamaton menetelmä, joka sopii monien heterogeenisten materiaalien mikrorakenteen 3D kuvantamiseen. Mittausperiaate: Näytettä pyöritetään röngensäteessä Lähes pistemäinen röntgenlähde Röntgen CCD kamera Suurennus/resoluutio määräytyy näytteen paikasta lähteen ja kameran välissä. Kuvaus Projektiokuvat Rekonstruoitu 3D rakenne

22 Röntgentomografiatekniikat 1) Synkrotronisäteilyyn perustuva menetelmä (esim. European Synchrotron Radiation Facility, ESRF, Grenoble) -Erittäin hyvä kuvan laatu -Paras resoluutio alle 1 µm -Kallis. ESRF - The European Synchrotron Radiation Facility, Grenoble 2) Kaupalliset laitteet -Hyvä kuvan laatu -Resoluutio alle. 1 µm, parhaissa jopa ~50 nm! -Suhteellisen halpa hinta

23 Käyttö teollisuuden laadunvalvonnassa

24 Päällystetty kartonki. Tasonsuuntaiset halkileikkauskuvat (kuvan resoluutio ~0.9 µm, ESRF_ID19) Pintakerros Keskikerros 1.4 mm Päällyste (savipartikkeleita). Puukuituja Täyteainepartikkeleita (savi)

25 Päällystetty kartonki. Sivusuuntainen halkileikkauskuva (kuvan resoluutio ~0.9 µm, ESRF_ID19)

26 Esim: Pohjapaperin ja päällystekerroksen vuorovaikutus Segmentointi Eri tiheyden omaavat materiaalit voidaan erotella ja analysoida erikseen kuvankäsittelyn keinoin Päällysteen paksuuskartta (+reikäanalyysi) Paperin pintakerroksen paksuuskartta Koko pohjapaperin paksuuskartta

27 Esim: Mineraalien jakautuminen geologisessa materiaalissa Geologinen näyte Uraanimalmin 3D jakautuma graniitissa

28 Esim: Röntgentomografia + Numeriikka Pisaran tunkeutuminen paperin rakenteeseen Koejärjestely Num. simulointi + paperin tomografiakuva

29