|
|
Interconnection of Restricted Boltzmann machine method with statistical physics and its implementation in the processing of spectroscopic data
Vrábel, Jakub ; Hrdlička, Aleš (oponent) ; Pořízka, Pavel (vedoucí práce)
In this work, connections between statistical physics and machine learning are studied with emphasis on the most basic principles and their implications. Also, the general properties of spectroscopic data are revealed and used beneficially for improving automatized processing of the data. In the beginning, the partition function of a Boltzmann distribution is derived and used to study the Ising model utilizing the mean field theory approach. Later, the equivalence between the Ising model and the Hopfield network (machine learning model) is shown, along with an introduction for machine learning in general. At the end of a theoretical part, Restricted Boltzmann Machine (RBM) is obtained from the Hopfield network. Suitability of applying RBM to the processing of spectroscopic data is discussed and revealed by utilization of RBM to dimension reduction of the data. Results are compared to the standard tool (Principal Component Analysis), with discussing possible further improvements.
|
|
| |
|
|
Classification of metals by means of Laser-induced Breakdown Spectroscopy and chemometric methods
Képeš, Erik ; Hrdlička, Aleš (oponent) ; Novotný, Jan (vedoucí práce)
This thesis deals with the classification of metals by means of laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) and chemometric methods. The work gives a review of the studies reported on the subject. Three widely used chemometric classification methods are selected: Soft Independent Modelling of Class Analogy (SIMCA), Partial Least Squares Discriminant Analysis (PLS-DA) and a variation of Artificial Neural Networks (ANN), the Feedforward Multilayer Perceptron. Several approaches to exploratory data analysis are also considered. The methods are described, briefly stating their working principle. Subsequently, the performance of the classifiers is experimentally assessed, using several figures of merit.
|
|
|
Srovnání kvantitativního měření ocelových standardů dvoupulzní a jednopulzní LIBS
Pořízka, Pavel ; Hrdlička, Aleš (oponent) ; Kaiser, Jozef (vedoucí práce)
V této diplomové práci je diskutován rozdíl mezi jednopulzní (Single Pulse) a dvoupulzní (Double Pulse) metodou spektrometrie laserem indukovaného mikroplazmatu (LIBS). Je zde pojednáno o časovém vývoji parametrů (hustota elektronů, teplota plazmatu, hustota iontů, resp. atomů jednotlivých prvků) laserem indukovaného mikroplazmatu (LIP). Současně jsou uvedeny metody pro stanovení hodnot jednotlivých parametrů plazmatu (Boltzmannova rovnice, Sahova-Boltzmannova rovnice). Lokální termodynamická rovnováha (LTE), která je nezbytnou podmínkou pro zavedení dříve zmíněných metod výpočtu jednotlivých parametrů, je v této práci podpořena teoretickými úvahami. Diplomová práce rovněž obsahuje experimentální nastavení jednotlivých komponent laserové sestavy a způsob optimalizace. Uvedené teoretické přednosti metody DP LIBS jsou demonstrovány na výsledcích experimentálních měření ocelových standardů.
|
|
|
Vliv atmosféry na laserovou ablaci materiálů
Černá, Svatava ; Hrdlička, Aleš (oponent) ; Pořízka, Pavel (vedoucí práce)
Tato práce se zabývá všeobecným přehledem spektrometrie laserem buzeného plazmatu–ablací materiálu a vzniku plazmatu při změně okolního prostředí. Cílem je stanovit ideální podmínky pro zlepšení detekce, jež je u některých prvků obtížná, pokud měření probíhá ve vzduchu za atmosférického tlaku. Proto provádíme změnu podmínek okolního prostředí, tedy typ plynu (vzduch, helium, argon) a jeho tlak. Nárazníkové plyny (helium, argon) mají zásadní vliv na průběh ablace materiálu a vlastnosti vniklého plazmatu, proto studujeme změny v intenzitě signálu s ohledem na jednotlivé atmosféry (změna signálu v atmosféře argonu, helia oproti atmosféře vzduchu). V první části práce uvádíme princip a fyzikální podstatu laserové ablace se stručnou rešerší doposud provedených experimentů pro podobné účely. Na základě této rešerše jsou stanoveny předpokládané závěry experimentu ohledně vlivu inertních plynů a tlaku na detekci studovaných prvků. Ve druhé části práce je pak představen vlastní řízený experiment, který se skládal z detekce spektrálních čar fluoru a draslíku, viz kap. 5.6 a molekulových přechodů fluoridu vápenatého, viz kap. 5.10. V řízeném experimentu jsme stanovili dva předpoklady. Prvním předpokladem je vliv atmosféry inertního plynu, ta by měla výrazně zlepšit detekci fluoru i draslíku oproti atmosféře vzduchu. Toto zjištění jsme potvrdili jen pro argonovou atmosféru. Naopak v atmosféře helia nedošlo ke zlepšení detekce ani jednoho z prvků. Druhým předpokladem je vliv snižování okolního tlaku, ten by měl v kombinaci s inertním plynem umožnit detekci fluoru i při nízké koncentraci ve vzorku. Právě za takový vzorek považujeme měřený skleněný disk v kap. 5.7. Tento předpoklad potvrzen není, jelikož při snižování tlaku ve vakuové komoře se nijak neprojevuje zvýšená intenzita spektrální čáry fluoru. Závěrem v kap. 7 byly z výsledků jednotlivých částí experimentu navrženy nejvhodnější podmínky pro budoucí detekci měřených látek: fluoru, draslíku a molekul fluoridu vápenatého.
|
|
|
Detekce těžkých kovů v kapalinách metodou spektrometrie laserem buzeného plazmatu
Skočovská, Katarína ; Hrdlička, Aleš (oponent) ; Novotný, Jan (vedoucí práce)
Diplomová práca sa zaoberá použitím spektrometrie laserom budenej plazmy (LIBS) na detekciu stopových množstiev ťažkých kovov, medi a olova, vo vodných roztokoch pentahydrátu síranu meďnatého a trihydrátu ethanoátu olovnatého. Práca porovnáva výsledky získané pomocou jednopulznej a dvojpulznej techniky. Teoretická časť práce je venovaná problematike ťažkých kovov a možnosti ich detekcie, uvádza základný princíp techniky LIBS a jej modifikáciu určenú na analýzu kvapalín. Experimentálna časť popisuje konkrétne študované vzorky a použitú aparatúru, dvojpulznú techniku a spôsob analýzy spektier. Model pohyblivého optického prierazu, ktorý má teoreticky predpovedať optimálne hodnoty niektorých parametrov experimentu, je stručne vysvetlený v časti Optimalizácia. Tento model bol otestovaný, no výsledky experimentov ho nepotvrdili. Ďalej je v experimentálnej časti popísaný postup a výsledky optimalizácie všetkých kľúčových parametrov meraní a získania detekčných limitov pomocou kalibračných kriviek.
|
|
|
Using Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) for Material Analysis
Pořízka, Pavel ; Hrdlička, Aleš (oponent) ; Pína,, Ladislav (oponent) ; Kaiser, Jozef (vedoucí práce)
This doctoral thesis is focused on further development of the Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) device for in-situ and in real-time classification and quantification of samples. The major part of work, namely the whole experimental part for this thesis, was conducted at the Federal Institute for Material Research and Testing (BAM) in Berlin, Germany where a simple LIBS system was constructed. In parallel to experimental work, the literature was surveyed with the aim to give a thorough view on the usage of chemometrics in the LIBS community. The application of chemometric algorithms on LIBS data is generally recommended when more complex data sets are obtained. The research was primarily aimed on the LIBS capability of quantitative analysis and classifying the igneous rocks. Variety of samples was measured employing a simple LIBS system. The sample set was compiled from certified reference materials as well as from real samples collected directly at copper mines in Iran. The samples from Iran were classified in-situ by an experienced geologist and the copper content was estimated at the University of Clausthal, Germany. Even though the certified reference materials were analysed, the resulting calibration curve was highly nonlinear. For each individual rock type the relevant part of the calibration curve was observed under different trend. This separation of the calibration curve was assigned to the so-called matrix effect, which strongly affects the LIBS measurement. In other words, when different matrices with complex composition are analysed at once, the quantitative analysis employing the univariate calibration curves may not be reliable. Moreover, the normalization of such calibration curves using the intensity of selected matrix element lines did not let to a significant improvement in their linearity. It is generally not possible to pick up one line, which could perform the linearization independently on the complex data matrices. Chemometric algorithms, such as principal component regression (PCR) and partial least squares regression (PLSR), were used for multivariate calibration. PCR and PLSR may compensate for the matrix effect only to a certain extent. Furthermore, samples were successfully classified based on their spectral fingerprint (i.e. composition of matrix elements) employing principal component analysis (PCA) and Kohonen’s selfs-organizing maps. On the basis of theory and results, a solution for the reliable classification and quantification of unknown samples is proposed. The whole study should contribute to the processing of the analytical data measured by the in-situ stand-off LIBS device which is currently being constructed at Brno University of Technology in Brno, Czech Republic. However, LIBS can fulfil its potential as the versatile and irreplaceable technique for in-situ classification and quantitative analysis only when utilized with chemometric algorithms and data libraries. For those purposes, a fragment of the data library has already been established and tested for the application of LIBS to the mining industry.
|
|
|
Design of an optomechanical module for laser-induced plasma imaging
Buday, Jakub ; Hrdlička, Aleš (oponent) ; Pořízka, Pavel (vedoucí práce)
Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) is a method of analytical chemistry that provides a qualitative and quantitative analysis of a sample. The ablation process of a sample is fast and dynamic and the change of plasma in time and space is a question of a few microseconds. An examination that provides a good time and space resolution is necessary to understand better the physical processes. For this reason, the goal of this thesis is to design a basic optomechanic construction for this type of experiment. Furthermore, it is important to check the functionality of this design and to use it for a basic comparison between the spectroscopic and imaging data. Also, the time development of plasma will be observed under different experimental conditions. The goal of this thesis, in general, is to prove that the morphology of plasma is as it is described in available related literature.
|
|
|
Způsoby korekce a standardizace signálu v laserové spektroskopii
Schiffer, Štěpán ; Hrdlička, Aleš (oponent) ; Pořízka, Pavel (vedoucí práce)
Předmětem této diplomové práce je studium vlivu polohy vzorku vůči sběrné optice na výsledky měření v laserové spektroskopii. Jejím cílem je navržení vhodného způsobu standardizace signálu obdrženého za různých podmínek s ohledem na jeho využitelnost pro dálkovou analýzu. V teoretické části jsou shrnuty základy metody LIBS, přiblížení problematiky experimentu na dálkové sestavě a základní i pokročilé přístupy ke zpracování a korekci získaných spekter. Dále je navržen a popsán experiment sloužící k analýze vlivu sklonu vzorku a jeho vzdálenosti na detekovaný signál, který je následován zvolením vhodných způsobů pro jeho korekci. Závěrem je využitelnost a účinnost těchto metod experimentálně ověřena.
|
|
|
Studium vlivu toxických a nutričních prvků na metabolismus buněk pomocí kombinace Ramanovy spektroskopie a spektroskopie laserem buzeného plazmatu
Mazura, Martin ; Hrdlička, Aleš (oponent) ; Prochazka, David (vedoucí práce)
V této práci je studováno online rozlišení šesti kmenů bakterií pomocí multivariační analýzy dat (MVDA). Jako nejvhodnější technika byla zvolena analýza hlavních komponent (Principal component analysis, PCA). K chemické analýze bakterií byly použity dvě různé analytické metody – Spektroskopie laserem buzeného plazmatu (LIBS) a Ramanova spektroskopie. Pro co nejlepší rozlišení jednotlivých kmenů bakterií byla získaná data z obou metod vyhodnocována zvlášť i dohromady. Pro společné vyhodnocení byla data separátně škálována od nuly do jedné a následně zařazena za sebe. Takto vznikl soubor dat nesoucí informaci z obou metod. U jednotlivých kmenů bakterií byl navíc studován i vliv doby kultivace. Bylo zjištěno, že pomocí Ramanovy spektroskopie je možné rozlišit dva kmeny bakterií a pomocí metody LIBS dokonce čtyři. Kombinací obou metod bylo dosaženo úplného rozdělení všech šesti kmenů do samostatných shluků. Pomocí vah jednotlivých vlnových délek první hlavní komponenty (PC1) bylo zjištěno, že největší přínos pro třídění bakterií u metody LIBS nenese rozdíl jejich prvkového složení, ale matriční efekt ovlivňující spektrum. Vliv doby kultivace byl sledován pouze metodou LIBS. Na základě měření provedených s odstupem 24 hodin bylo možné pozorovat změnu u čtyř kmenů bakterií. Z výsledků této práce lze usuzovat, že kombinace Ramanovy spektroskopie a metody LIBS je díky komplementárním informacím vhodná pro rychlé rozlišení jednotlivých kmenů a druhů bakterií. Navíc bylo zjištěno, že pomocí metody LIBS je u některých kmenů bakterií možné stanovit změny vzniklé délkou kultivace.
|
host ::
RSS.