|
|
Interconnection of Restricted Boltzmann machine method with statistical physics and its implementation in the processing of spectroscopic data
Vrábel, Jakub ; Hrdlička, Aleš (referee) ; Pořízka, Pavel (advisor)
Práca sa zaoberá spojeniami medzi štatistickou fyzikou a strojovým učením s dôrazom na základné princípy a ich dôsledky. Ďalej sa venuje obecným vlastnostiam spektroskopických dát a ich zohľadnení pri pokročilom spracovaní dát. Začiatok práce je venovaný odvodeniu partičnej sumy štatistického systému a štúdiu Isingovho modelu pomocou "mean field" prístupu. Následne, popri základnom úvode do strojového učenia, je ukázaná ekvivalencia medzi Isingovým modelom a Hopfieldovou sieťou - modelom strojového učenia. Na konci teoretickej časti je z Hopfieldovej siete odvodený model Restricted Boltzmann Machine (RBM). Vhodnosť použitia RBM na spracovanie spektroskopických dát je diskutovaná a preukázaná na znížení dimenzie týchto dát. Výsledky sú porovnané s bežne používanou Metódou Hlavných Komponent (PCA), spolu so zhodnotením prístupu a možnosťami ďalšieho zlepšovania.
|
|
|
Comparison of quantification strategies in Laser-Induced Breakdown Spectroscopy
Hošek, Martin ; Hrdlička, Aleš (referee) ; Prochazka, David (advisor)
The aim of the submitted work is a comparison of methods of quantitative analysis used in laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS). The principles of LIBS method are explained at first, followed by a research of the most often used methods of quantitative analysis. The next part provides their description enabling a better comprehension and an eventual use of the methods in practice. Finally, the chosen methods are used to process data from the real experiment and the results are compared.
|
|
|
Classification of metals by means of Laser-induced Breakdown Spectroscopy and chemometric methods
Képeš, Erik ; Hrdlička, Aleš (referee) ; Novotný, Jan (advisor)
Táto diplomová práca sa zaoberá klasifikáciou kovov pomocou spektroskopie laserom indukovanej plazmy (LIBS) a chemometrických metód. Práca poskytuje prehľad o štúdiách na danú tému. Sú vybrané tri široko používané chemometrické klasifikačné metódy: "Soft Independent Modeling of Class Analogy" (SIMCA), "Partial Least Squares Discriminant Analysis" (PLS-DA) a variácia umelých neurónových sietí (ANN), "Feedforward Multilayer Perceptron". Rôzne prístupy k prieskumovej analýze su tiež preskúmané. Metódy sú stručne opísané. Následne sú klasifikátory experimentálne porovnané.
|
|
|
Comparison of quantitative LIBS analysis of steel standards utilizing single-pulse and double-pulse LIBS
Pořízka, Pavel ; Hrdlička, Aleš (referee) ; Kaiser, Jozef (advisor)
In this diploma thesis the differences between single pulse and double pulse laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) methods are discussed. The time evolution of laser induced plasma (LIP) parameters, such electron density, plasma temperature, density of ions and atoms is shown. Selected methods for evaluation of plasma parameters (Boltzmann equation, Saha-Boltzmann equation etc.) are also stated. The theoretical bases of local thermodynamic equilibrium (LTE), which is necessary condition for using of previously stated methods for computation of plasma parameters, are discussed. Diploma thesis also contains the description of each component of our LIBS experimental set up and the way of their optimization. Presented theoretical advantages of DP LIBS method are demonstrated on results of experimental measurements of steel standards.
|
|
|
Impact of the atmosphere on laser ablation of matters
Černá, Svatava ; Hrdlička, Aleš (referee) ; Pořízka, Pavel (advisor)
This thesis deals with a general overview of laser-induced breakdown spectroscopy - ablation of material and plasma formation when a change of the surrounding environment occurs. The aim is to establish ideal conditions for improving detection, which is difficult for some elements when the measurement takes place in the ambient atmosphere. This is the reason why we change the ambient conditions, the gas (air, helium, argon) and its pressure. Buffer gases (helium, argon) influence the development of the material ablation and quality of generated plasma. That is why we inspect the changes in the signal according to particular atmospheres (signal change in buffer gases compared to the ambient atmosphere). The first part of the thesis presents the principle and physical nature of laser ablation with a brief search of experiments performed so far for similar purposes. Based on this search we determine conclusions about the influence of buffer gasses and pressure on the detection used gasses. In the second part of the work, the controlled experiment is presented, which consisted of the detection of spectral lines of fluorine and potassium, see chapter 5.6 and molecular transitions of calcium fluoride, see chapter 5.10. In a controlled experiment, we established two assumptions. The first assumption is the influence of the inert gas atmosphere, which should significantly improve the detection of fluorine and potassium compared to the air atmosphere. We confirmed this finding only for the argon atmosphere. In contrast, in the helium atmosphere, the detection of none of the elements improved. The second assumption is the effect of reducing the ambient pressure, which in combination with an inert gas should allow the detection of fluorine even at low concentrations in the sample. We consider the measured glass disk in chapter 5.7 to be such a sample. This assumption is not confirmed, as the increased intensity of the fluorine spectral line does not manifest itself in any way when the pressure in the vacuum chamber decreases. Finally, in chapter 7 from the results of individual parts of the experiment, the most suitable conditions for the future detection of the measured substances were proposed: fluorine, potassium and calcium fluoride molecules.
|
|
|
Detection of heavy metals in liquids employing laser-induced breakdown spectroscopy
Skočovská, Katarína ; Hrdlička, Aleš (referee) ; Novotný, Jan (advisor)
The diploma thesis deals with the use of laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) for detection of heavy metals traces, copper and lead, in aqueous solution of copper(II) sulphate pentahydrate and lead(II) ethanoate trihydrate. Results obtained by using single and double-pulse LIBS are compared. The theoretical section focuses on the issue of heavy metals and detection possibilities, describes the fundamental principle of LIBS technique and its modification for liquid analysis. The experimental section describes analyzed samples, the experimental apparatus, double-pulse technique, and method of spectral analysis. The moving breakdown model, which theoretically predicts optimal values of some experimental parameters, is explained briefly in section Optimalizácia. This model has been tested, however the results of experiments did not prove the theory. Furthermore, the experimental section reports the process and results of the optimization of all key measurement parameters and obtaining limits of detection from calibration curves.
|
|
|
Using Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) for Material Analysis
Pořízka, Pavel ; Hrdlička, Aleš (referee) ; Pína,, Ladislav (referee) ; Kaiser, Jozef (advisor)
Tato doktorská práce je zaměřena na vývoj algoritmu ke zpracování dat naměřených zařízením pro spektrometrii laserem indukovaného plazmatu (angl. LIBS). Zařízení LIBS s tímto algoritmem by mělo být následně schopno provést třídění vzorků a kvantitativní analýzu analytu in-situ a v reálném čase. Celá experimentální část této práce byla provedena ve Spolkovém institutu pro materiálový výzku a testování (něm. BAM) v Berlíně, SRN, kde byl sestaven elementární LIBS systém. Souběžně s experimentílní prací byl vytvořen přehled literárních zdrojů s cílem podat ucelený pohled na problematiku chemometrických metod používaných k analýze LIBS měření. Použití chemometrických metod pro analýzu dat získaných pomocí LIBS měření je obecně doporučováno především tehdy, jsou-li analyzovány vzorky s komplexní matricí. Vývoj algoritmu byl zaměřen na kvantitativní analýzu a třídění vyvřelých hornin na základě měření pomocí LIBS aparatury. Sada vzorků naměřených použitím metody LIBS sestávala z certifikovaných referenčních materiálů a vzorků hornin shromážděných přímo na nalezištích mědi v Íránu. Vzorky z Íránu byly následně na místě roztříděny zkušeným geologem a množství mědi v daných vzorcích bylo změřeno na Univerzitě v Clausthalu, SRN. Výsledné kalibrační křivky byly silně nelineární, přestože byly sestaveny i z měření referenčních vzorků. Kalibrační křivku bylo možné rozložit na několik dílčích tak, že závislost intenzity měděné čáry na množství mědi se nacházela v jiném trendu pro jednotlivé druhy hornin. Rozdělení kalibrační křivky je zpravidla přisuzováno tzv. matričnímu jevu, který silně ovlivňuje měření metodou LIBS. Jinými slovy, pokud určujeme množství analytu ve vzorcích s různou matricí, je výsledná kalibrační křivka sestavená pouze z jedné proměnné (intenzity zvolené spektrální čáry analytu) nepřesná. Navíc, normalizace takto vytvořených kalibračních křivek k intenzitě spektrální čáry matrčního prvku nevedla k výraznému zlepšení linearity. Je obecně nemožné vybrat spektrální čáru jednoho matričního prvku pokud jsou analyzovány prvky s komplexním složením matric. Chemometrické metody, jmenovitě regrese hlavních komponent (angl. PCR) a regrese metodou nejmenších čtverců (angl. PLSR), byly použity v multivariační kvantitatvní analýze, tj. za použití více proměnných/spektrálních čar analytu a matričních prvků. Je potřeba brát v potaz, že PCR a PLSR mohou vyvážit matriční jev pouze do určité míry. Dále byly vzorky úspěšně roztříděny pomocí analýzy hlavních komponent (angl. PCA) a Kohonenových map na základě složení matričních prvků (v anglické literatuře se objevuje termín ‚spectral fingerprint‘) Na základě teorie a experimentálních měření byl navržen algoritmus pro spolehlivé třídění a kvantifikaci neznámých vzorků. Tato studie by měla přispět ke zpracování dat naměřených in-situ přístrojem pro dálkovou LIBS analýzu. Tento přístroj je v současnosti vyvíjen v Brně na Vysokém učení technickém. Toto zařízení bude nenahraditelné při kvantifikaci a klasifikaci vzorků pouze tehdy, pokud bude použito zároveň s chemometrickými metodami a knihovnami dat. Pro tyto účely byla již naměřena a testována část knihoven dat v zaměření na aplikaci metody LIBS do těžebního průmyslu.
|
|
|
Design of an optomechanical module for laser-induced plasma imaging
Buday, Jakub ; Hrdlička, Aleš (referee) ; Pořízka, Pavel (advisor)
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.
|
|
|
Approaches to signal correction and standardization in laser spectroscopy
Schiffer, Štěpán ; Hrdlička, Aleš (referee) ; Pořízka, Pavel (advisor)
The subject of this diploma thesis is the study of a sample position influence on results of an experiment in laser spectroscopy. The aim is to design an appropriate way for standardization of signal obtained at different conditions with the respect to its applicability for stand-off analysis. In the theoretical part of the diploma thesis there are the basics of LIBS method described together with the issues of stand-off experiment and both, basic and advanced approches for the processing and correction of obtained spectra. Also the experiment is designed here, which is used for the analysis of the sample inclination and distance influence on the detected signal. The choice of appropriate ways for the signal correction follows and their applicability and efficiency is then experimentally tested.
|
|
|
Study of influence of toxical and nutritional elements on cell metabolism using combination of Raman spectroscopy and Laser-Induced breakdown spectroscopy
Mazura, Martin ; Hrdlička, Aleš (referee) ; Prochazka, David (advisor)
In this work on-line discrimination of six bacteria strains by means of the Multivariate discrimination analysis (MVDA) is presented. Principal components analysis (PCA) was selected as most suitable technique. Two analytical methods – Laser-Induced breakdown spectroscopy (LIBS) and Raman spectroscopy were equipped for chemical analysis of bacteria strains. In order to obtain the best possible bacteria strains differentiation, the data from both methods was analyzed in two ways separately and together. The data from both measurements was normalized separately and afterwards combined in one data frame for simultaneous analysis. This data frame contained information from both analytical methods. Moreover an influence of cultivation period for each bacteria strain was studied. It was determined that Raman spectroscopy is able to discriminate two bacteria strains and LIBS even four bacteria strains. Using combination of both methods the complete discrimination was achieved. From information of first principal component it was determined that most valuable information in LIBS data is not included in different elemental composition but rather in influence of matrix effect. Solely the LIBS was utilized for studying the effect of cultivation period. It was possible to observe transformation of four bacteria strains within 24 hours. Based on results of this work it is possible to assume that combination of Raman spectroscopy and LIBS, because of the complementary information, is suitable for fast discrimination of different bacteria species and strains. Moreover it was determined that LIBS is able to observe the transformation caused by cultivation period.
|
guest ::
