«Аннотированный сборник научно-исследовательских выпускных квалификационных работ магистров НИУ ИТМО Санкт-Петербург 2012 Аннотированный сборник научно-исследовательских выпускных квалификационных работ магистров НИУ ...»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

Аннотированный сборник

научно-исследовательских

выпускных квалификационных

работ магистров НИУ ИТМО

Санкт-Петербург

2012 Аннотированный сборник научно-исследовательских выпускных квалификационных работ магистров НИУ ИТМО. – СПб: НИУ ИТМО, 2012. – 380 с.

Сборник представляет итоги конкурса на лучшую научно-исследовательскую выпускную квалификационную работу среди магистров НИУ ИТМО и издается с целью развития творческого потенциала дипломированных специалистов, их навыков научно-исследовательской работы, стимулирования участия студентов в научных исследованиях, усиления роли научно-исследовательской работы в повышении качества подготовки специалистов с высшим образованием, формирования резерва для кадров высшей квалификации.

ISBN 978-5-7577-0417- В 2009 году Университет стал победителем многоэтапного конкурса, в результате которого определены 12 ведущих университетов России, которым присвоена категория «Национальный исследовательский университет».

Министерством образования и науки Российской Федерации была утверждена программа его развития на 2009–2018 годы. В 2011 году Университет получил наименование «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики»

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, Авторы, Введение

ВВЕДЕНИЕ

«Аннотированный сборник научно-исследовательских выпускных квалификационных работ магистров НИУ ИТМО» опубликован по результатам конкурсов на лучшую научно-исследовательскую выпускную квалификационную работу (НИВКР) среди магистров НИУ ИТМО.

Конкурсы оценивают умение студента проводить самостоятельную творческую исследовательскую работу, показывают профессиональную зрелость выпускника, его способность решать реальные научно-технические задачи. Конкурсы проводятся в целях совершенствования системы подготовки кадров высшей квалификации, в рамках реализации программы развития ВУЗа как Национального исследовательского университета на 2009–2018 годы.

Первый этап Конкурса проводился на выпускающих кафедрах университета. По итогам предзащит ВКР магистров кафедрами было принято решение о выдвижении лучших работ в Государственную аттестационную комиссию (ГАК). По итогам работы ГАК были окончательно определены 145 лучших НИВКР на 30 кафедрах.

Второй этап Конкурса проводился на факультетах университета. По итогам представленных кафедрами работ, деканами факультетов был проведен анализ ВКР магистров, и определены победители Конкурса на факультетах. В итоге по факультетам состоялось 8 Конкурсов на «Лучшую НИВКР».

Третий завершающий этап Конкурса проводил Научно-технический совет (НТС) университета. Работы победителей второго этапа Конкурса были рассмотрены на заседании НТС. По итогам, которого определены «Лучшие НИВКР» проведенные в университете за 2012 год и определена номинация «Лучший научный руководитель НИВКР среди магистров 2012».

Статистические данные участия магистров Этап Название конкурса Приняло участие Победители Конкурсы кафедр I 424 Конкурсы факультетов II 145 Конкурс университета III 54 По итогам Конкурса среди магистров было определено 29 победителей на «Лучшую НИВКР университета» и 25 лауреатов, которые стали победителями Конкурсов проведенных на факультетах.

Общее количество магистрантов, участвовавших в конкурсах на «Лучшую научно-исследовательскую выпускную квалификационную работу» составило 424 человек.

Организационную работу по Конкурсам проводили следующие структурные подразделения НИУ ИТМО: НИЧ, Управление магистратуры, отдел «НИРС».

Введение Основные критерии оценки работ При оценке НИВКР учитывались следующие критерии:

- соответствие тематики работы основным научным направлениям университета;

- новизна предложенных в работе решений;

- оригинальность предложенных решений;

- наличие актов об использовании результатов работы;

- наличие выигранных грантов, стипендий, в том числе стипендий Президента Российской Федерации;

- наличие публикаций по результатам работы в научных журналах и изданиях (как в российских, так и в зарубежных);

- наличие документов защиты объектов интеллектуальной собственности, созданных в процессе выполнения ВКР;

- наличие заявок на объекты интеллектуальной собственности;

- наличие наград, полученных на всероссийских, региональных и городских конкурсах;

- наличие докладов по тематике ВКР на научных конференциях и семинарах;

- наличие документов о представлении результатов ВКР на различного уровня конкурсах и выставках;

- глубина раскрытия темы, логичность изложения;

- качество оформления (в т.ч. соблюдение ГОСТов);

- степень самостоятельности выполненной работы.

Общие требования к материалам, представляемым на НТС Для окончательного подведения итогов Конкурса на НТС представлялись следующие документы:

- анкета участника Конкурса;

- отзыв научного руководителя;

- рекомендация от кафедры (служебная записка, подписанная зав. кафедрой);

- рекомендация ГАК;

- техническое задание ВКР;

- краткое изложение ВКР в форме статьи до 4 страниц.

К работе прилагались акты о внедрении результатов научной работы, копии патентов, научных статей и тезисов.

Итоги Конкурса были подведены на заседании НТС университета и оформлены приказом ректора НИУ ИТМО № 1348-уч от 04.08.2012 г.

Победители конкурса университета на лучшую научно-исследовательскую выпускную квалификационную работу магистров

ПОБЕДИТЕЛИ КОНКУРСА УНИВЕРСИТЕТА

НА ЛУЧШУЮ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКУЮ

ВЫПУСКНУЮ КВАЛИФИКАЦИОННУЮ РАБОТУ

МАГИСТРОВ

Победители конкурса университета на лучшую научно-исследовательскую Институт холода и биотехнологий, факультет криогенной техники и кондиционирования, кафедра криогенной техники, группа 6КТ УДК 621.075.

ТЕПЛОВОЙ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

КРИОГЕННОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СВЕРХТЕКУЧЕГО ГЕЛИЯ

ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬЮ 7 КГ/Ч

Научный руководитель – к.т.н., доцент О.В. Пахомов Данный анализ проводился для подготовки криогенной системы по снабжению сверхтекучим гелием источника ультрахолодных нейтронов (УХН) на базе реактора ВВР-М в Петербургском институте ядерной физики [1–3]. Источник располагается в тепловой колонне реактора, в зоне прямого радиационного нагрева, что делает задачу отведения от камеры со сверхтекучим гелием тепловой нагрузки 45 Вт при температуре 1,2 К крайне сложной.

В рамках данной работы необходимо было провести следующие работы: выбор схемы низкотемпературной части источника; расчет теплопритоков к конструкциям и расчет тепловых экранов; расчет энергозатрат, холодопроизводительностей и характеристик эффективности работы установок цикла.

Рассматривались два возможных варианта исполнения низкотемпературной части источника: с удалением тепловой нагрузки из камеры за счет теплопроводности сверхтекучего гелия и за счет прямой вакуумной откачки испаряющегося гелия из камеры. В результате расчетов была выбрана схема с вакуумной откачкой в силу ряда преимуществ, в числе которых более низкая достижимая температура криоагента в камере, меньшее необходимое количество гелия в установке (40 л против 245 л в первой схеме) и отсутствие необходимости в установке теплообменного аппарата, обеспечивающего теплообмен в условиях сверхтекучести.

В рамках теплового проектирования узлов криостата определялись величины теплопритоков к конструкциям. Оценивались величины теплопритоков за счет теплового излучения и за счет теплопроводности по тепловым мостам. В итоге на наиболее критических температурных уровнях – 1,2 К и 4,2 К получены величины суммарных тепловых нагрузок 5,9 мВт и 78 мВт соответственно. Величина же теплопритоков на температурном уровне 20 К криостата в сумме составляет около 120 Вт. Величина теплопритоков на температурном уровне 20 К модели источника УХН складывается из теплопритока излучения к экрану камеры (127,5 Вт), к экрану криопровода (20,7 Вт), к экрану нейтроновода (65,4 Вт), что в сумме составляет около 210 Вт.

Также на основании данных о тепловых нагрузках на тепловые экраны модели и криостата была спроектирована система гелиевого охлаждения экранов. Была выбрана схема с пропусканием газообразного гелия при 20 К через змеевики, припаянные к медным цилиндрическим экранам. Параметры навивки и расходные характеристики подбирались, во-первых, из соображений обеспечения невысокого температурного перепада на поверхности экранов, и, во-вторых – из соображений обеспечения Победители конкурса университета на лучшую научно-исследовательскую выпускную квалификационную работу магистров гидравлических потерь на каждой из двух систем не выше 10 кПа, что обусловлено рабочими параметрами снабжающего систему гелием рефрижератора.

В результате выбраны следующие расходные характеристики. Системы запитываются параллельно гелием с массовым расходом 7 г/с. При таком расходе и принятой геометрии канала потери давления в системе охлаждения криостата составят величину около 5,97 кПа, а для модели – около 9,6 кПа.

Также был рассчитан ряд динамических характеристик криостатов. Сверхтекучий гелий, общей массой 7,6 кг, будет нагреваться от 1,2 К до температуры фазового перехода в течении 9 мин, от температуры фазового перехода до 4,4 К в течение 20 мин. Скорости изменения уровней были определены для всех трех ванн криостата, средняя скорость составила 0,5 см/мин, а время полного опорожнения камеры – 68,8 мин.

В рамках термодинамического анализа работы системы были определены энергозатраты на установках комплекса, холодопроизводительности и ряд параметров, характеризующих эффективность работы цикла. Анализу подвергался несколько упрощенный цикл, схема которого с основными тепловыми и массовыми потоками приведена на Рисунок.

Рисунок. Принципиальная схема гелиевого цикла Суммарные энергетические затраты:

где LkTCFr – энергозатраты на рефрижераторе; LkL280r – на ожижителе; LVPmv, LVPch – на вакуумных насосах откачки промежуточной ванны и камеры; QSL – на термомеханическом насосе криостата и QH1, QH2 – на нагревателях на линиях откачки гелия. Величина составляет 226,6 кВт.

Также были определены холодопроизводительности для ожижителя, холодопроизводительности, отражающих процентное распределение полной холодопроизводительности циклов установок между компенсацией потерь от теплопритоков извне, потерь от недорекуперации в теплообменных аппаратах, и, собственно, полезной холодопроизводительностью.

Эффективность работы установок цикла оценивалась по следующим параметрам:

удельные затраты энергии, отнесенные к реакторной нагрузке (40 Вт) – 5,6 кВт/Вт;

удельные затраты энергии, отнесенные к производительности по сверхтекучему гелию (2,12 г/с) – 106,7 МДж/кг; удельные затраты на производство 1 УХН – 2,1 мВт/n;

холодильный коэффициент – 0,00017; холодильный коэффициент для цикла Карно – 0,0071; термодинамический КПД комплекса – 0,0024.

Победители конкурса университета на лучшую научно-исследовательскую Эффективность рассматриваемого цикла заведомо низкая, в силу ряда факторов, в числе которых: выбор прямой вакуумной откачки паров гелия, в качестве единственно целесообразного при данных температурах и нагрузках способа отведения теплоты;

невозможность обеспечения рекуперации на линии откачки паров гелия, и, как следствие, сильная зависимость между температурой в камере и давлением на входе в насосы; размещение камеры источника непосредственно в тепловой колонне реактора, т.е. в зоне радиационного нагрева.

Данные, полученные в работе, были неоднократно представлены на конференциях. Ряд данных, полученных при тепловом проектировании и расчете тепловых экранов, нашел практическое применение при проектировании и изготовлении отдельных узлов криостата и модели источника. На данный момент комплекс находится на стадии изготовления, испытания отдельных установок и подготовки к полномасштабным испытаниям всего комплекса.

1. Serebrov A.P. et.al. Project of UCN source for fundamental research at PNPI. – Preprint PNPI, 2008. – № 2783 – 11 p.

Ерыкалов А.Н., Онегин М.С., Серебров А.П. Новый источник холодных и ультрахолодных нейтронов на реакторе ВВР-М I. Оценка нейтронных потоков и энерговыделения. – Препринт ПИЯФ, 2008.– № 2776. – 22 с.

Захаров А.А., Серебров А.П. Новый источник холодных и ультрахолодных нейтронов на реакторе ВВР-М II. Низкотемпературная часть со сверхтекучим гелием». – Препринт ПИЯФ, 2009. – 25 с.

УДК 004.421.

ВЫЧИСЛЕНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ ПРОВОДНИКА

В ТОПОЛОГИЧЕСКОЙ ТРАССИРОВКЕ ПЕЧАТНОГО МОНТАЖА

Научный руководитель – д.т.н. С.Ю. Лузин Введение. Сложность радиоэлектронной аппаратуры неуклонно повышается. Не только увеличивается количество элементов на печатной плате или кристалле БИС, но и сами элементы становятся все более сложными: увеличивается количество контактов микросхем при одновременном уменьшении расстояний между контактами. В результате задача трассировки соединений становится все более сложной, возникает острая необходимость в средствах качественного автоматизированного проектирования.

Победители конкурса университета на лучшую научно-исследовательскую выпускную квалификационную работу магистров Существует два основных принципиальных подхода к автоматической трассировке печатных плат: геометрический и топологический. Первый предлагает на протяжении процесса трассировки оперировать метрикой коммутационного пространства, т.е. понятиями длина, ширина, расстояние. Второй предлагает использовать только такие понятия как: лежать слева, справа, между; обход по или против часовой стрелки.

Геометрические алгоритмы автоматической трассировки исследовали в 1960-х г.г.

К.Я. Ли в 1961 г. опубликовал работу [1], в которой положил начало их активному развитию. В последующие годы появились различные их модификации.

Топологические алгоритмы трассировки начали развиваться немного позже. В 1967 г. вышла статья Г.Э. Широ [2], в которой рассмотрен частный случай трассировки в канале для двухсторонних плат, когда все проводники имеют одно направление.

Р.П. Базилевич в [3, 4] предложил использовать в качестве модели триангулированное рабочее поле. Но эта модель существенно усложняет переход от укладки в топологической модели к геометрической укладке, удовлетворяющей конструктивнотехнологическим ограничениям. На рис. 1 изображены рабочие поля для геометрического и топологического подходов.

Рис. 1. Разводка на дискретном рабочем поле (геометрический подход) (а);

на дискретном топологическом рабочем поле (топологический подход) (б) Задача вычисления геометрической формы проводника. Монтажное пространство печатной платы содержит компоненты с контактными площадками различной формы. Пусть на первом этапе топологического подхода были вычислены топологические пути проводников. На втором этапе в монтажном пространстве задано разбиение, называемое квазитриангуляцией [5]. Вдоль ребер квазитриангуляции, либо пересекая их, идут топологические пути проводников. Требуется по топологическому пути проводника вычислить его геометрическую форму. Полученные проводники должны иметь минимальную длину с соблюдением конструктивно-технологических ограничений.

Для упрощения изложения далее вместо квазитриангуляции будет использоваться триангуляция. Первый подход к решению задачи вычисления геометрической формы проводника предложил в 1980 г. М. Томпа [6]. Его алгоритм имеет ряд существенных ограничений: узлы компонентов упорядочены и находятся на параллельных сторонах, ширины проводников нулевые, минимальные зазоры между проводниками одинаковы.

Последующие алгоритмы: Гао и др. [7], Хамы и Этоха [8], Полубасова [5], – имеют также свои ограничения.

Особенностью задачи является то, что на реальных платах зазор между контактной площадкой и проводником может быть произвольно большим, и проводник может выходить в соседние грани (рис. 2).

Победители конкурса университета на лучшую научно-исследовательскую Рис. 2. Топологический путь (а) и вычисленная форма (б) проводника могут сильно Предлагаемый подход. В работе предложен алгоритм, позволяющий вычислить геометрическую форму проводников с соблюдением конструктивно-технологических ограничений. Контактные площадки компонентов могут иметь произвольную форму, величины толщины проводников и зазоров между объектами печатного монтажа не имеют ограничений.

С каждой контактной площадкой печатного монтажа можно связать окружность некоторого радиуса, по которой проводнику w следует пройти. В радиус окружности включаются размеры контактной площадки, проводники, проходящие между w и контактной площадкой, зазоры между ними. Таким образом, гарантируется, что проводник не пройдет слишком близко к контактной площадке. Также, очевидно, что длина проводника будет минимальной, так как ближе к контактной площадке (уменьшив длину) не пройти из-за конструктивно-технологических ограничений.

Оптимальная по длине форма проводника состоит из дуг построенных окружностей и отрезков общих касательных к ним.

На первом этапе алгоритма вычисляются дуги окружностей. Для этого от каждой контактной площадки распространяется волна, и в процессе ее распространения подсчитываются радиусы окружностей для каждого проводника, на форму которых контактная площадка может повлиять. Если окружность пересекает ребро триангуляции, то дуга запоминается в ассоциации с ним. Впоследствии по ребру можно будет узнать о том, что некоторый проводник выходит в соседнюю грань.

На втором этапе необходимо пройти вдоль топологических путей проводников.

Путь проводника w пересекает грани триангуляции. С ребрами грани ассоциированы ранее вычисленные дуги окружностей. К этим радиусам необходимо прибавить зазоры и ширины тех проводников, пути которых находятся между путем проводника w и ребром.

Пусть дано множество окружностей (их дуг), упорядоченных вдоль топологического пути проводника. Путь идет из начальной точки в конечную, поэтому окружности можно разделить на левые и правые относительно пути. Сначала вычисляются касательные к первым левым (D) и правым (A) окружностям, проходящие через начальную точку S (рис. 3, а). Затем вычисляются общие касательные к этим окружностям и следующим левым и правым окружностям (касательные вычисляются отдельно для левых и правых окружностей) и т.д. Если правая касательная пересекает левую окружность (рис. 3, б), то левая касательная к ней становится частью вычисляемой формы (рис. 3, в). Алгоритм аналогичен для левой касательной.

Победители конкурса университета на лучшую научно-исследовательскую выпускную квалификационную работу магистров Рис. 3. Вычисление геометрической формы проводника Заключение. В работе предложен алгоритм, вычисляющий геометрическую форму проводника с учетом формы других объектов печатного монтажа при соблюдении конструктивно-технологических ограничений. В отличие от зарубежных аналогов алгоритм позволяет работать с объектами произвольной формы, с проводниками произвольной ширины и различными зазорами между объектами.

Предложенный подход реализован в системе автоматизированного проектирования TopoR, вычисление геометрической формы проводника учитывает и контактные площадки, расположенные на большом расстоянии от граней, пересекаемых топологическим путем проводника.

1. Lee C.I. An algorithm for path connections and its applications. – IRE Trans., 1961. – V. EC-10. – № 3. – P. 345–365.

Широ Г.Э. Метод проектирования печатного монтажа, основанный на эвристических принципах. – В кн.: Методы разработки схем и конструкций цифровых систем. – Ч. 2. – Л.: ЛДНТП, 1967.

Базилевич Р.П. Обобщенный подход к формализации задачи машинной трассировки межсоединений на плоскости. – Изв. вузов СССР. Радиоэлектроника. – 1974. – Т. 17. – № 6. – С. 98–103.

Базилевич Р.П. Декомпозиционные и топологические методы автоматизированного конструирования электронных устройств. – Львов: Вища школа, 1981. – 168 с.

Полубасов О.Б. Математические модели и алгоритмы автоматизированной разводки соединений печатных плат и БИС: диссертация на соискание ученой степени канд. тех. наук. – СПб: ЛЭТИ, 2001. – 112 с.

6. Tompa M. An Optimal Solution to a Wire-Routing Problem // Journal of Computer and System Sciences. – 1980. – V. 23. – № 2. – P. 127–150.

7. Gao S., Jerrum M., Kaufmann M., Mehlhorn K., Rulling W. and C. Storb. On continuous homotopic one layer routing // in Proc. 4th Annu. ACM Symp. Computational Geometry.

– 1988. – P. 392–402.

8. Hama T. and H. Etoh. Curvilinear Detailed Routing with Simultaneous Wire-Spreading and Wire-Fattening // IEEE Transactions on computer-aided design of integrated circuits and systems. – 1999. – V. 18. – № 11. – P. 1646–1653.

Победители конкурса университета на лучшую научно-исследовательскую кафедра измерительных технологий и компьютерной УДК 621.385.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СВЕТОДИОДОВ

В ОСВЕТИТЕЛЬНОЙ ЧАСТИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ МИКРОСКОПОВ

Научный руководитель – ст. преподаватель С.С. Гвоздев В настоящее время существует большое количество различных станков, приборов, измерительных комплексов и микроскопов, изготовленных в XX веке, в составе которых присутствуют элементы, не соответствующие современным требованиям и технологиям. Большое количество таких приборов успешно проходит модернизацию и в дальнейшем используется с гораздо большей производительностью, экономией и удобством для оператора (пользователя).

С постоянным техническим прогрессом все большее распространение в мире получают светодиоды или светоизлучающие диоды (LED – light emitting diodes) [1].

Появление новой элементной базы осветителей на основе светодиодов открывает широкую возможность для дальнейшего использования современных технологий в стандартной базовой измерительной технике.

Существует большое количество приборов отечественного производства, используемых в измерительных лабораториях различных фирм, у которых есть потребность в модернизации осветительных и индикаторных устройств. При модернизации осветительных устройств, лампы с малой светоизлучающей площадью (индикаторы) возможно заменить светодиодными сборками, а с большой – светодиодными модулями [3]. В каждом конкретном случае возможной модернизации прибора необходимо рассмотреть вопрос о создании специальных узлов, содержащих светодиодные сборки с целью замены ламповых источников света, с наименьшими конструктивными изменениями. Данная модернизация будет более экономическивыгодная, чем приобретение нового микроскопа производства иностранной фирмы [4].

При наличии современной светодиодной элементной базы и базовой техники, нуждающейся в модернизации остается открытым вопрос методического подхода к осуществлению процесса замены осветительных узлов на современные.

Целью работы являлось исследование возможности применения светодиодов в осветительной части измерительных микроскопов. На примере универсального измерительного микроскопа можно рассмотреть возможность использования мощных светодиодов при модернизации его некоторых осветительных ветвей [5].

В ходе работы рассмотрена возможность использования мощных светодиодов в осветительных ветвях измерительных микроскопов. Был создан рабочий макет осветителя проходящего света, произведен экспериментальный контроль температуры в рабочих условиях, подтверждающий возможность работы макета в течение некоторого времени, необходимого для проведения дальнейших исследований. Для Победители конкурса университета на лучшую научно-исследовательскую выпускную квалификационную работу магистров оптимизации работы макета необходимо произвести температурный расчет конструкции, обеспечивающей центрировку осветителя.

В процессе макетирования были произведены замеры освещенности при работе лампы накаливания и светодиодного макета, составившие 5000 лк и 3400 лк соответственно. Порядок полученных значений освещенности один и тот же, но для уточнения данных необходимо было выполнить тщательную центрировку и обеспечить точное расположение светодиодного осветителя.

Создана блок-схема алгоритма работ по замене лампового осветителя на светодиодный. Вначале алгоритма необходимо убедиться в наличии осветителя, нуждающегося в модернизации, определить его тип и характеристики, такие, как световой поток, размер тела накала, мощность, напряжение, габаритный размер. Далее необходимо обратиться к базе данных светодиодов, соответствующих основным показательным характеристикам лампового осветителя. В случае отсутствия вышеуказанной базы, необходимо создать таковую, так как при дальнейшей работе будет необходимым наличие различных вариантов светодиодов для осветителя. Из уже имеющейся базы данных необходимо выбрать конкретный, наиболее подходящий светодиод, руководствуясь, в том числе, и возможностью покупки в данном регионе.

Имея конкретный светодиод, далее становится возможным создание макета осветителя.

Необходимо составить принципиальную схему включения светодиода в сеть, которая, возможно, будет с определенными особенностями в различных случаях (для светодиодов с различной мощностью). В состав макета необходимо включить наиболее подходящую развитую охлаждающую поверхность для светодиода, так как есть большая вероятность нагрева мощного светодиода при включении в сеть.

Немаловажной частью алгоритма являлась проверка работоспособности макета по средствам контроля температуры в процессе макетирования. Контроль температуры производился как в условиях естественной конвекции воздуха, так и при неестественной конвекции воздуха (в смоделированных рабочих условиях светодиодного осветителя).

В случае неудовлетворительных результатов экспериментального контроля, в алгоритме предусматривался циклический возврат на стадию выбора светодиода из базы данных. При удовлетворительной рабочей температуре светодиода (вместе с развитой охлаждающей поверхностью), возможен переход к апробации макета в рабочих условиях. Макет осветителя устанавливался в место узла освещения с лампой накаливания.

Далее производилось экспериментальное сравнение освещенности в рабочих условиях. Необходимые измерения проводились при помощи стандартного люксметра и фиксировались в сводную таблицу данных. В таблице указываются показатели светодиодного макета и базовой лампы накаливания, определенные характеристики, такие, как освещенность, в данном случае, должны находиться в определенных рамках взаимозаменяемости. В случае неудовлетворительного результата макетирования, алгоритм предусматривал цикл возврата к выбору светодиода из базы данных.

При удовлетворительных результатах макетирования, следовало перейти к разработке рекомендаций по конструированию осветителя. Рекомендации могут учитывать определенные особенности конструкции, необходимой для фиксации осветителя в корпусе микроскопа и размеры, форму и другие показатели развитой охлаждающей поверхности, так как в процессе базирования осветителя, форма самого осветителя имеет большое значение. После разработки рекомендаций осуществлялся выход на процесс проектирования и внедрения разработки в процесс производства.

Данный алгоритм позволит производить работы по расширению возможностей оптических измерительных приборов.

Победители конкурса университета на лучшую научно-исследовательскую Новые светодиоды Sharp: [Электронный ресурс]: Сайт журнала «Электроника» – М. – Режим доступа: http://www.electronics.ru/issue/2009/2/2.

Елисеев И. Обзор светодиодной продукции компании Cree // Информационнотехнический журнал «Новости электроники». – 2009. – № 9 (73). – С. 5–12.

Попова Е.В. Возможности использования светодиодных конструкций в измерительных приборах // Сборник тезисов докладов конференции молодых ученых. Труды молодых ученых. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2010. – Вып. 2. – С. 55–57.

Попова Е.В. Модернизация осветительной части биологического микроскопа сравнения // Аннотированный сборник научно-исследовательских выпускных квалификационных работ бакалавров и специалистов СПбГУ ИТМО. – СПб:

СПбГУ ИТМО, 2010. – С. 38–39.

Попова Е.В. О возможности использования мощных светодиодов в осветительных ветвях измерительных микроскопов // Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. Труды молодых ученых. – СПб: НИУ ИТМО, 2012. – Вып. 1. – кафедра оптоинформационных технологий и материалов, УДК 535.33; 535.372; 535.

НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ СТЕКЛОКЕРАМИКИ

ДЛЯ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ДАТЧИКОВ ТЕМПЕРАТУРЫ

Научный руководитель – к.ф.-м.н., ассистент В.А. Асеев В современном промышленном производстве наиболее распространенными (~60% от общего количества измеряемых величин) являются измерения температуры.

Среди разнообразия средств контроля температуры можно выделить две основные категории – электрические и оптические. Оптические датчики применяются, например, для измерения температуры на больших расстояниях и в сильных электромагнитных полях, чего нельзя добиться при использовании электрических термопреобразователей в связи с большой вероятностью возникновения эффекта «электрического пробоя».

Также значительным преимуществом оптических датчиков по сравнению с термоэлектрическими преобразователями является помехозащищенность, компактность измерительного устройства и его удаленность от исследуемого объекта.

К настоящему времени разработано несколько типов датчиков температуры, основанных на люминесцентных принципах. В основе этих датчиков лежат в основном следующие эффекты:

- температурное смещение максимума полосы люминесценции по спектру;

Победители конкурса университета на лучшую научно-исследовательскую выпускную квалификационную работу магистров - температурное перераспределение энергии по возбужденным уровням, приводящее к перераспределению интенсивности свечения в близко расположенных полосах люминесценции при изменении температуры;

- изменение времени затухания люминесценции при изменении температуры.

Эти эффекты наблюдаются для ионов редких земель (например, эрбий, неодим, диспрозий) или переходных металлов (например, хром), находящихся в кристаллическом или стеклообразном окружении.

Использование кристаллических материалов дополнительно усложняет конструкцию датчика, поскольку она подразумевает одновременное использование оптического волокна для доставки возбуждающего излучения и приема регистрируемого сигнала и активного кристалла, выполняющего роль термочувствительного элемента. В этой конструкции стыковка термочувствительного активного кристалла с волокном производится методом склейки. Поскольку длина активного кристалла ограничена несколькими миллиметрами, соединение с оптическим волокном (склейка) как правило, находится в зоне повышенных температур или в зоне больших градиентов температур. Это сказывается на надежности датчиков при их эксплуатации при высоких температурах (более 200оС). Замена такой конструкции на «чисто волоконный вариант», состоящего только из активного кристаллического волокна, невозможна, поскольку технологии вытяжки волокон из перечисленных кристаллов пока не разработаны.

В настоящее время прозрачные стеклокерамики представляют большой интерес для создания волоконных температурных люминесцентных сенсоров. Занимая промежуточное положение между кристаллическими материалами и стеклами, стеклокристаллические материалы объединяют в себе лучшие свойства кристаллов – высокую механическую и термическую прочность (чего нет у стекол) и лучшие характеристики стекол – возможность прессования и формования, возможность вытяжки оптического волокна, проведения ионного обмена для создания волноводных структур (чего нет у кристаллов). Если активатор (например, хром, эрбий, иттербий, и т.д.) входит в кристаллическую фазу, то спектрально-люминесцентные и лазерные характеристики стеклокерамики могут быть близки к характеристикам лазерных кристаллов-аналогов [1]. Таким образом, стеклокерамики позволяют создавать оптические волокна и планарные волноводы с новыми, уникальными оптическими свойствами, которые могут быть использованы для создания волоконно-оптических датчиком температуры.

Целью работы являлось исследование температурной зависимости ап-конверсионной люминесценции и времени затухания люминесценции в стеклокерамиках, активированных ионами неодима и хрома.

В ходе эксперимента были измерены времена жизни люминесценции хрома в наностеклокерамиках, полученных при температурах 650°С и 700°С в температурном диапазоне 25–450°С, также добавлено значение времени жизни измеренное при –198°С (жидкий азот). Данные зависимости имеют экспоненциальный характер, что позволяет использовать их в качестве градуировочных кривых при построении люминесцентных датчиков температуры.

Также на основе экспериментальных данных были рассчитаны соотношения значений интенсивности люминесценции на выбранных длинах волн (890 и 1064 нм для неодима и 523 и 547 нм для эрбия) для каждого значения температуры во всем исследуемом температурном диапазоне как для образцов с различной концентрацией ионов неодима, так и для образцов с различным временем вторичной термообработки.

Далее была рассчитана сравнительная чувствительность исследуемых образцов, с целью выявления наиболее подходящего материала для изготовления люминесцентных Победители конкурса университета на лучшую научно-исследовательскую датчиков температуры. Было показано, что стеклокерамика, активированная ионами неодима, показала результаты, делающие данный материал непригодным для создания температурных сенсоров, в отличие от стеклокерамик, активированных хромом и эрбием, продемонстрировавших чувствительность, сопоставимую с существующими аналогами, что делает их перспективными материалами для создания люминесцентных датчиков температуры.

Колобкова Е.В., Мелехин В.Г., Пенигин А.Н. Оптическая стеклокерамика на основе фторосодержащих силикатных стекол, активированных редкоземельными ионами // Физ. и хим. стекла. – 2007. – Т. 33. – № 1. – C. 11–18.

Факультет оптико-информационных систем и технологий, кафедра оптико-электронных приборов и систем, УДК 535.65, 53.

РАЗРАБОТКА УЗЛА РЕГИСТРАЦИИ ДЛЯ ЦВЕТОВОЙ

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ ЭКСПРЕСС-АНАЛИЗА РУД

ТВЕРДЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Научный руководитель – к.т.н., доцент А.Н. Чертов На сегодняшний день в связи со стабильным спросом на драгоценные металлы и камни, при неуклонном снижении качества добываемых руд, актуальным является поиск и внедрение все более эффективных современных методов обогащения.

Фотометрический метод, основанный на анализе цветовых характеристик объектов анализа в реальном времени, является одним из наиболее динамично развивающихся радиометрических методов сортировки различных продуктов и материалов. Наиболее широко на мировом рынке фотометрического обогатительного оборудования сегодня представлены сортировщики немецких фирм ALIUD GmbH (сепараторы Optosort), Mogensen GmbH (сепараторы MikroSort) и др.

Проблема заключается в том, что подобные сортировочные комплексы имеют высокую стоимость, а методика предварительной оценки обогатимости руд твердых полезных ископаемых фотометрическим методом отсутствует. Другими словами на настоящий момент невозможно оценить возможность и эффективность обогащения того или иного типа руды фотометрическим методом без прямого опробования на конкретной модели сепаратора выбранного производителя. Указанное обстоятельство только добавляет неопределенности в понимание реальных возможностей метода и является причиной отторжения потенциальных заказчиков. Таким образом, актуальным является создание портативного оптико-электронного аналитического комплекса для экспресс-анализа руд твердых полезных ископаемых. В настоящей работе приведены Победители конкурса университета на лучшую научно-исследовательскую выпускную квалификационную работу магистров результаты разработки одного из ключевых узлов подобного аналитического комплекса, определяющие алгоритм работы системы и, в конечном итоге, его конструкцию, – узла регистрации оптико-электронной системы экспресс-анализа (ОЭСЭА) руд твердых полезных ископаемых. Конкретными задачами для достижения цели являлись:

- детальное описание задачи, условий работы ОЭСЭА руд твердых полезных ископаемых и связанных с ними особенностей конструкции узла регистрации;

- исследование процесса преобразования оптического сигнала в системах технического зрения и методов его анализа;

- разработка принципа действия и структурной схемы узла регистрации ОЭСЭА;

- разработка конструкции макета узла регистрации ОЭСЭА;

- сборка макета узла регистрации;

- исследование особенностей настройки узла регистрации на собранном макете;

- экспериментальные исследования макета.

Была разработана структурная схема узла регистрации и, в целом, принцип действия процесса регистрации и синхронизации. Определены режимы работы камеры в статичном и динамическом режимах. Принцип действия системы регистрации поясняется на рис. 1, а. Необходимо реализовать два способа доставки образца в зону анализа. Первый – образец пробрасывается через входное окно устройства (динамический стенд). Второй – объект устанавливается в зону анализа, затем проводится анализ (статичный стенд). Большинство сепараторов реализуют двусторонний анализ. В связи с этим в схеме на рис. 1, а, присутствует также два канала регистрации, состоящие из камер (КР1, КР2). С каждой стороны стоит по паре излучателей, которые освещают рабочую зону, питаются от блока питания источников излучения (БПИИ).

Камеры могут изменять свое положение вдоль визирной оси относительно зоны анализа (ЗА), что необходимо для работы с обширным диапазоном крупности образцов. В случае статичного стенда объект устанавливается в ЗА и производится регистрация. В динамическом же режиме (при пробросе объекта) возникает необходимость синхронизации момента входа образца в ЗА с моментом съемки. Предпочтительнее это реализовать с помощью щелевого датчика (ЩД). ЩД регистрирует проброс и подает сигнал на контроллер, который запускает съемку камеры и она сохраняет кадр или серию кадров.

Для экспериментальных измерений был разработан и собран исследовательский макет (рис. 1, б), на котором указано: 1 – ПК, производящий обработку изображения;

2 – источник питания подсветки; 3 – ТВ-камера ЭВС VEI-545; 4 – источники освещения зоны анализа; 5 – объект (в данном случае это колориметрическая таблица Munsell).

Рис. 1. Принцип действия ОЭСЭА (а); макет узла регистрации (б) Победители конкурса университета на лучшую научно-исследовательскую В ходе работы также разработаны методики экспериментов и проведены следующие исследования:

1. оценка цветопередачи камеры VEI-545 фирмы ООО «ЭВС»;

2. определение зависимости цветовых координат R, G, B от механизмов цветокоррекции, доступных в программе-драйвере для разработки полной адаптивной методики цветовой настройки камеры;

3. определение заполненности ТВ-кадра изображением минерального образца при различных размерах объекта и рабочих расстояниях, а также параметрах объектива.

В рамках первого исследования на макете (рис. 2, а) было определено качество цветопередачи ТВ-камеры VEI-545 при автонастройках. Цветовая таблица освещалась источниками освещения, производилась съемка и затем в среде MATLAB было произведено извлечение и построение цветовых составляющих в каждом из RGB каналов (рис. 2, б).

Рис. 2. Цветовые поверхности: А – эталонные координаты; Б – канал красного;

В – зеленого; Г – синего (а) и цветовая таблица с нумерацией оттенков (б) Выяснилось, что эталонные цветовые координаты (рис. 2, а, А) и экспериментально измеренные (рис. 2, а, Б, В, Г) не совпадают, отсюда и был сделан вывод о колориметрически неправильной цветопередаче. На основании проведенного исследования была разработана базовая методика цветовой настройки камеры.

В рамках второго исследования сформирована база данных зависимости измеренных цветовых координат в изображении оттенков с целью последующего анализа и разработки адаптивной методики настройки. Зависимости снимались для оттенков: № 15, № 14, № 13, № 19, № 22, № 24 цветовой таблицы (рис. 2, б).

Программное обеспечение (ПО) OSC16 позволило измерить цветовые координаты в вышеуказанных оттенках при пошаговом изменении каждого из 6 механизмов цветокоррекции (яркость, контраст, четкость, баланс красного, баланс синего, насыщенность), доступных в программе-драйвере. После анализа результатов выяснилось, что каждый механизм настройки в драйвере влияет на цветность по своему, некоторые – вовсе не оказывают эффекта на цветность. Параметр яркости служит для компенсации постоянной составляющей ошибки оцифровки цветного изображения узлом регистрации ОЭСЭА, параметр насыщенности определяет разброс координат относительно значений уровня серого. Данный параметр имеет смысл использовать в адаптивной настройке в качестве определения динамического диапазона изменения возможных цветовых оттенков [1], баланс красного можно использовать при адаптивной настройке как калибровочный механизм цветовых координат красного цвета, так как он напрямую влияет на него и не оказывает существенного влияния на остальные цветовые координаты. Механизм баланса синего действует аналогично, параметр контраста определяется классическим определением контраста изображения.

Победители конкурса университета на лучшую научно-исследовательскую выпускную квалификационную работу магистров Он может быть рассчитан для определенных условий наблюдения образца минерального сырья. Четкость изображения, как стало ясно, на всем диапазоне изменения существенного влияния на цветовые координаты не оказывает. В целом методика адаптивной настройки сводится к подбору оптимального сочетания баланса красного канала цветности и баланса синего канала цветности относительно сигналов зеленого канала цветности. Такая настройка может осуществляться методом последовательных приближений.

В рамках третьего исследования были определены условия, при которых изображение объекта в кадре составляло 25% и более относительно всего кадра.

Сформирована база данных снимков анализируемого объекта размером 10–100 мм при использовании разных параметров объектива и рабочих расстояний, а разработанное в среде MATLAB ПО, позволило определить значение заполненности кадра изображением объекта и построить соответствующие зависимости. Типичный график зависимости показан на рис. 3, а – зависимость заполненности кадра изображением объекта размером 10 мм при различных дистанциях и фокусных расстояниях объектива. Кроме того, разработана корпусная часть узла регистрации (рис. 3, б).

Рис. 3. Зависимость заполненности кадра изображением объекта размером 10 мм от дистанции до него при фокусных расстояниях 4, 8, 12 мм (а) На основании проведенного аналитического обзора была разработана структурная схема ОЭСЭА; определены особенности конструкции и режимы работы узла регистрации для реализации цветового анализа неподвижных и движущихся объектов;

разработана конструкция исследовательского макета; выявлена и исследована проблема некорректной цветопередачи, показавшая невозможность использования автоматических настроек программы-драйвера камеры для реализации адекватного цветового анализа минеральных объектов; разработана методика адаптивной настройки узла регистрации ОЭСЭА под особенности анализируемых сложных минеральных объектов и возможные изменения условий эксплуатации; разработаны рекомендации по выбору параметров функционирования ОЭСЭА для обеспечения оптимального режима работы (фокусное расстояние объектива, расстояние до зоны анализа, размер анализируемого объекта).

В дальнейшем предполагается реализация макета ОЭСЭА по предложенной схеме: создание устройства синхронизации, разработка дополнительных деталей конструкций, создание полноценной адаптивной методики цветовой настройки камер и отработка ее уже на минеральных пробах. Конечная цель реализации подобной схемы – создание фотометрического комплекса для экспресс-анализа руд полезных ископаемых. Ее мог бы использовать геолог, заранее определяя применимость Победители конкурса университета на лучшую научно-исследовательскую фотометрического метода для обогащения руд твердых полезных ископаемых того или иного типа.

Алехин А.А., Горбунова Е.В., Коротаев В.В., Чертов А.Н. Основные принципы настройки цветовых оптико-электронных систем технического зрения промышленного назначения // Изв. вузов. Приборостроение. – 2012. – № 4. – С. 33–36.

УДК 681.

МОДЕЛЬ ОТКАЗОУСТОЙЧИВОСТИ ФУНКЦИОНАЛЬНО НЕОДНОРОДНЫХ

КЛАСТЕРНЫХ СИСТЕМ

Научный руководитель – д.т.н., профессор А.А. Ожиганов Рост сложности современных вычислительных систем обусловливает актуальность исследований и разработок, направленных на обеспечение надежности и отказоустойчивости систем, особенно функционирующих в реальном масштабе времени.

Цель исследования. Построение высоконадежных отказоустойчивых систем кластерной архитектуры с функциональной неоднородностью серверов при оптимизации структуры объединения серверов в кластерные группы.

Для достижения поставленной цели в магистерской работе:

- определены рациональные варианты формирования кластерных групп при заданном наборе серверов различной функциональности;

- оценена надежность и производительность кластерной системы с учетом вариантов комплектования кластерных групп функционально неоднородными серверами [1];

- проведена оптимизация структуры системы, в результате которой определен состав и число кластерных групп различной функциональной комплектации, обеспечивающих минимум стоимости реализации системы при выполнении заданных требований по надежности;

- рассмотрены варианты построения и оценена надежность резервированной многоуровневой древовидной коммутационной подсистемы для взаимосвязи между кластерами, с учетом роста числа портов коммутационных узлов при увеличении кратности их резервирования [2].

Методы исследования основаны на использовании математического аппарата теорий вероятностей, надежности, массового обслуживания и принятия решений.

При построении систем на основе n типов функционально различных серверов проанализированы варианты формирования кластерных групп с объединением:

- однотипных по функциональному назначению серверов;

Победители конкурса университета на лучшую научно-исследовательскую выпускную квалификационную работу магистров - разнотипных по функциональному назначению серверов всех n типов;

- разнотипных по функциональности серверов при их полном функциональном наборе в каждой кластерной группе;

- разнотипных по функциональности серверов при их неполном функциональном наборе в каждой кластерной группе, с функциональной пересекаемостью различных кластерных групп;

- разнотипных по функциональности серверов при их неполном функциональном наборе в каждой кластерной группе, с функциональной не пересекаемостью различных кластерных групп.

Выбор рациональных вариантов объединения серверов по кластерным группам проведен с учетом минимизации среднего времени пребывания запросов различных функциональных типов, максимизации надежности и сглаживания влияния отказов серверного и коммуникационного оборудования на снижение функциональности, надежности и производительности системы.

Показано, что при тех же затратах на реализацию системы, ее надежность зависит не только от надежности и кратности резервирования серверов, но и от вариантов их объединения в кластерные группы, при этом предпочтительней комплектация кластерных групп серверами разного функционального назначения.

Богатырев В.А., Богатырев С.В., Богатырев А.В. Оптимизация кластера с ограниченной доступностью кластерных групп // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. – 2011. – № 1(70). – С. 63–67.

Богатырев В.А., Богатырев С.В., Богатырев А.В. Оптимизация многоуровневой сети при вариантности коммутационных узлов // Международная конференция «Стратегия качества в промышленности и образовании». – Варна, Болгария. – 2011.

кафедра оптоинформационных технологий и материалов, УДК 681.7.

СОЗДАНИЕ ФОТОИНДУЦИРОВАННЫХ БРЭГГОВСКИХ ДИФРАКЦИОННЫХ

РЕШЕТОК ДЛЯ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ОПТИКИ

И ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Научный руководитель – д.ф.-м.н., профессор Н.В. Никоноров Большое количество оптических устройств интегральной оптики и волоконнооптических систем построены на принципе использования брэгговских дифракционных структур. Одним из наиболее перспективных материалов для их создания в интегральной оптике является кристалл ниобата лития, так как сильно выраженные электрооптические, пьезооптические и нелинейно-оптические свойства кристалла Победители конкурса университета на лучшую научно-исследовательскую могут быть использованы для управления и перестройки. Также с разработкой и внедрением образцов фоторефрактивного оптического волокна появилась возможность фотоиндуцировать брэгговские решетки непосредственно в сердцевине волокна с последующим их использованием. Существуют несколько достаточно эффективных технологий записи решеток непрерывным лазерным излучением [1], но в последнее время большой интерес связан с исследованиями модификации оптических свойств материалов при импульсном излучении [2].

В схеме непрерывной записи Nd: YAG лазером = 532 нм записана 100% брэгговская решетка показателя преломления, c брэгговской длиной волны Бр = 1538,27 нм, имеет полуширину FWHM = 0,36 нм, период решетки = 348 нм. В данной схеме записи требуется наличие системы стабилизации, а запись решетки поперек с для достижения максимального электрооптического эффекта невозможна. В сязи с этим интересно использовать принципиально другой, не электрострикционный механизм образования решетки. В схеме импульсной записи KrF эксимерным лазером = 248 нм были записаны две различные структуры – решетка показателя преломления с амплитудой n = 3,6·10–4, толщиной T = 1,6·102 мкм, периодом решетки = 1 мкм (период маски), записанная при 100 мДж/см2 и поверхностная периодическая решетка с амплитудой n = 1,2, толщиной T = 31,3 нм, периодом = 1 мкм. В данной схеме была реализована запись волоконных брэгговских решеток в фоторефрактивном анизотропном оптоволокне с эллиптической напрягающей оболочкой с концентрацией германия 8%, 12%, 16% и 18%. С увеличением энергии в импульсе монотонно растет модуляция наведенного показателя преломления с переходом решеток от I ко II типу.

Во всех используемых волокнах были записаны решетки обоих типов. В волокне с 16% германия записана решетка I типа с отражением R = 10,1%, Бр = 1557,21 нм и FWHM = 0,19 нм и решетка II типа R = 100%, Бр = 1554,2 нм и FWHM = 1,32 нм.

В ходе эксперимента были записаны брэгговские решетки в ниобате лития и фоторефрактивном оптоволокне, используя непрерывное лазерное излучение и в импульсном режиме записи. Измерены спектры пропускания, определены дифракционные и физические параметры, проведены исследования морфологии записанных микроструктур. Полученные результаты могут найти применение при создании таких устройств интегральной оптики и волоконно-оптических сетей, как узкополосные перестраиваемые оптические фильтры, электрооптические модуляторы, аттенюаторы, мультиплексоры и датчики различных физических величин.

1. Shamray A.V., Ilichev I.V., Kozlov A.S., Petrov V.M. Controllable Holographic Optical Filters in Photorefractive Crystals // Journal of Holography and Speckle. – 2009. – V. 5. – 2. Ho Sze Phing, Jalil Ali, Rosly Abdul Rahman, Saktioto. Growth dynamics and characteristics of fabricated Fiber Bragg Grating using phase mask method // Microelectronics Journal. – 2009. – V. 40. – Р. 608–610.

Победители конкурса университета на лучшую научно-исследовательскую выпускную квалификационную работу магистров Естественнонаучный факультет, кафедра экологического УДК 502.

ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ ОЧИСТКИ РЕК И КАНАЛОВ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГА ОТ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ

Научный руководитель – д.т.н., профессор Л.А. Конопелько Работа выполнена по заданию Комитета по природопользованию, охране окружающей среды и обеспечению экологической безопасности.

В работе была изучена экологическая обстановка рек и каналов Санкт-Петербурга и определены приоритетные загрязнители акватории города [1, 2]. В настоящее время в Санкт-Петербурге не развита система постоянного мониторинга всех водных объектов и находящихся в них донных отложений. Таким образом, была поставлена задача, исследовать количественное содержание тяжелых металлов (ТМ), как одних из опаснейших поллютантов, для обоснования необходимости контроля загрязняющих веществ в донных отложениях и проведения очистных мероприятий.

В работе были изучены методы определения ТМ в донных отложениях. Особое внимание было уделено мышьяку и сурьме, так как они являются одними из приоритетных загрязняющих веществ урбанизированных ландшафтов, и потому их определение является обязательным при проведении экологических и санитарногигиенических оценок уровня загрязнения донных отложений [3]. Существуют различные инструментальные методы определения содержания этих элементов [4].

Однако большинство из них не могут обеспечить возможность определять фоновые концентрации искомых элементов и отличаются большой трудоемкостью. Был сделан вывод о необходимости совершенствования методов определения ТМ за счет применения метода атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (АЭС-ИСП) совместно с методом генерации гидридов, а также разработки новой методики измерений для определения токсичных металлов в донных отложениях.

В результате экспериментальных исследований были подобраны режимы работы спектрометра. Эксперимент показал преимущество применения метода АЭС-ИСП совместно с методом генерации гидридов, так как при концентрации мышьяка в растворе менее 0,5 мг/дм3 его обнаружение без использования генератора гидридов невозможно. Спектры образцов, полученные без подключения генератора гидридов, представляют собой сплошную линию шумов (рис. 1).

Победители конкурса университета на лучшую научно-исследовательскую Рис. 1. Градуировочные графики двух режимов работы спектрометра В результате исследований разработана новая методика измерений мышьяка и сурьмы в пробах донных отложений на основе метода АЭС-ИСП с генерацией гидридов. Диапазон измерений массовой доли мышьяка и сурьмы 0,05–100 мг/кг, погрешность ±25%. Проанализированы пробы донных отложений рек и каналов СанктПетербурга, которые представлены на рис. 2.

Рис. 2. Исследуемые реки и каналы Санкт-Петербурга Выявлены самые загрязненные объекты и основные источники техногенной нагрузки. Доказана необходимость контроля внутригодовой и многолетней динамики состояния донных отложений для составления надежных прогнозов изменения качества воды и состояния экосистем, и составление плана мероприятий по проведению дноочистительных работ. Проведен анализ современной системы мониторинга донных отложений в Санкт-Петербурге, даны рекомендации по ее совершенствованию [5].

Обоснована необходимость мероприятий по очистке рек и каналов Санкт-Петербурга от донных отложений.

Практическое значение диссертационного исследования заключено в возможности разработки постоянной системы мониторинга донных отложений в водотоках Санкт-Петербурга. Результаты исследования и разработанная методика так Победители конкурса университета на лучшую научно-исследовательскую выпускную квалификационную работу магистров же могут быть рекомендованы к использованию в деятельности ВУЗа и аналитических лабораторий.

Водные объекты Санкт-Петербурга / Под редакцией С.А. Кондратьева, Г.Т. Фрумина. – СПб: Символ, 2002. – 348 с.

Экологическая обстановка в Санкт-Петербурге / Под редакцией Д.А. Голубева, Н.Д. Сорокина. – СПб: ФормаТ, 2004. – 781 с.

Перевозников М.А., Богданова Е.А. Тяжелые металлы в пресноводных экосистемах. – СПб: ГосНИОРХ, 1999. – 228 с.

Линник Р.П., Линник П.Н., Запорожец О.А. Методы исследования сосуществующих форм металлов в природных водах (Обзор) [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.nbuv.gov.ua/portal/, свободный. Яз. рус., укр.

(дата обращения 25.01.2011).

Охрана окружающей среды, природопользование и обеспечение экологической безопасности в Санкт-Петербурге в 2010 году / Под редакцией Д.А. Голубева, Н.Д. Сорокина. – СПб: Сезам, 2011. – 515 с.

Факультет оптико-информационных систем и технологий, УДК 535.3, 535.

РАЗРАБОТКА ИСТОЧНИКА ИЗЛУЧЕНИЯ УФ ДИАПАЗОНА

ДЛЯ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ ЦВЕТОВОГО АНАЛИЗА

ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ МИНЕРАЛОВ

Научный руководитель – к.т.н., доцент А.Н. Чертов На сегодняшний день ультрафиолетовое излучение широко применяется в минералогии для возбуждения люминесценции минералов. Люминесцировать могут самые разные минералы, и цвет люминесценции может являться одним из селективных признаков их разделения при обогащении или качественной оценке. Целью работы являлось создание многокомпонентных источников ультрафиолетового (УФ) излучения с различным расположением элементов для возбуждения люминесценции минералов и ее последующего анализа в автоматическом режиме посредством оптико-электронных систем.

Для моделирования разрабатываемого многоэлементного источника предложено математическое выражение для расчета распределения облученности зоны анализа:

где n и k – число элементов в матрице; a – расстояние между источниками;

E(x – na, y – ka) – облученность зоны анализа от каждого элемента матрицы в зависимости от его расположения. Таким образом, были смоделированы Победители конкурса университета на лучшую научно-исследовательскую пространственные распределения облученности зоны анализа для функций, которые представлены на рис. 1. Необходимо отметить, что при разработке моделей учитывались энергетические особенности отдельных элементов матрицы и не учитывались спектральные.

Рис. 1. Модели облученности зоны анализа от матрицы точечных источников (а), а также график распределения облученности от матрицы точечных источников (б) УФ источник светодиодный (УФИС) – это многоэлементная линейка излучающего диода (ИД) размером 310 элементов с расстоянием 7,62 мм друг от друга. Разработанный макет УФИС состоит из двух блоков: блок А – блок ИДизлучателей, блок Б – блок схемы управления (БСУ). Блоки и общий вид УФИС представлены на рис. 2.

Рис. 2. УФИС: блок А, блок ИД-излучателей (а); блок Б, БСУ (б); общий вид УФИС (в) Электрическая схема УФИС позволяет регулировать яркость каждого элемента источника. Управление производиться через кабель USB 2.0 посредством программного обеспечения, разработанного на базе среды программирования Lab View. Screenshot окна программного обеспечения для управления источника излучения (ИИ) представлен на рис. 3, а. В данной среде достаточно выбрать элементы, предназначенные для управления и требуемую яркость.

Рис. 3. Программное обеспечение для управления блоком источников излучения (а);

экспериментальная установка по возбуждению люминесценции минералов (б) Победители конкурса университета на лучшую научно-исследовательскую выпускную квалификационную работу магистров На базе разработанного макета УФИС была создана экспериментальная установка, представленная на рис. 3, б, с помощью которой были проведены экспериментальные исследования по возбуждению люминесценции образцов янтаря, рубина, галенита (свинцового блеска), хризоберилла зеленого и мусковита. В состав установки входят: 1 – УФИС блок А; 2 – УФИС блок Б; 3 – видеокамера ЭВС VEI-545;

4 – исследуемый образец; 5 – персональный компьютер. Полученные результаты показали высокую степень совпадения с теоретическими данными о цвете люминесценции исследованных минералов [2–4].

Первым исследуемым образцом-минералом являлся янтарь. Вторичным излучением янтаря согласно теоретическому описанию является излучение в зеленой области спектра [2, 3]. На рис. 4 представлены данные, полученные в ходе эксперимента.

Рис. 4. Экспериментальные данные по возбуждению люминесценции янтаря: янтарь под обычным дневным излучением (а); цвет янтаря под ультрафиолетовым излучением (возбуждение люминесценции) (б) Вторым исследуемым в ходе экспериментов образцом являлся рубин.

Люминесценция рубина согласно теоретическому описанию – излучение в красной области спектра [2, 4]. На рис. 5 представлены данные, полученные в ходе эксперимента.

Рис. 5. Экспериментальные данные по возбуждению люминесценции рубина: рубин под обычным дневным излучением (а); цвет рубина под ультрафиолетовым излучением (возбуждение люминесценции) (б) Следует отметить, что в теоретическом описании цвет люминесценции данного образца представлен, как излучение в красной области видимого диапазона спектра. В результате эксперимента данное излучение было получено, однако, на рис. 5, б, люминесценция рубина в породе явно приобретает выраженное излучение в желтой спектральной области. Данное явление говорит о неправильной цветопередаче, используемой в ходе эксперимента видеокамеры. Этот эффект требует дополнительного рассмотрения и устранения, не входящего в данную работу.

Победители конкурса университета на лучшую научно-исследовательскую Также в ходе данной работы возбуждение люминесценции производилось еще у трех видов образцов минералов: мусковит, галенит (свинцовый блеск) и хризоберилл зеленый. Люминесценция первых двух представлена на рис. 6, а (мусковит) и рис. 6, б (галенит).

Рис. 6. Люминесценция минералов, вызванная в результате эксперимента:

Следует отметить, что люминесценция у этих образцов была вызвана частично.

Вторым важным фактором является то, что ни один из этих минералов не люминесцентен по своей природе. Таким образом, в ходе эксперимента удалось выявить примеси в данных образцах, которые под обычным дневным излучением не наблюдались в составе данных минералов.

Приоритетным направлением дальнейших исследований является создание более сложной модели источника, содержащего излучающие диоды с пиковыми длинами волн 260, 285, 325, 365 и 405 нм, для реализации исследований избирательной люминесценции минералов в ультрафиолетовом диапазоне длин волн с целью определения оптимальных признаков их разделения. Указанная схема построения и управления источником хотя и является более сложной по конструктивному исполнению, позволит, с одной стороны, вызвать люминесценцию у большего количества минералов, а с другой стороны, разделить их, в случае совпадения цвета люминесценции, на классы.

Вакуленко А.Д. О возможностях создания УФ источника излучения для решения задач цветового анализа минералов по их люминесценции // Сборник тезисов докладов конференции молодых ученых. – Вып. 2. – Труды молодых ученых. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2011. – С. 77.

Горобец Б.С., Рогожин А.А. Спектры люминесценции минералов. – М.: ВНИИМ, Гришаева Т.И. Методы люминесцентного анализа: Учебное пособие для вузов.

СПб: АНО НПО «Профессионал», 2003. – 226 с.

Гармаш А.В. Введение в спектроскопические методы анализа. Оптические методы анализа. – М., 1995. – 38 с.

Победители конкурса университета на лучшую научно-исследовательскую выпускную квалификационную работу магистров Факультет компьютерных технологий и управления, кафедра систем управления и информатики, группа УДК 681.513.

АДАПТИВНЫЕ И РОБАСТНЫЕ АЛГОРИТМЫ КОМПЕНСАЦИИ

ВНЕШНИХ ВОЗМУЩЕНИЙ

Научный руководитель – д.т.н., профессор А.А. Бобцов Грант РФФИ № 09-08-00139-а, государственные контракты № П127, № 2.1.2/6326 и № 8576р/13906.

На объект управления в реальных технических системах в зачастую действует некое возмущающее воздействие. Компенсация возмущения, приложенного к системе, является классической задачи теории автоматического управления. Несмотря на это, реализация на практике предлагаемых подходов зачастую невозможна по причине наличия в реальных системах определенных особенностей, которые надо учитывать при синтезе закона управления. Во-первых, в силу ограниченности быстродействия отдельных компонентов системы, инерционности процессов, протекающих в ней, пространственной удаленности объекта управления или по другим причинам в системе появляется запаздывание. Иногда этими факторами можно пренебречь, но чаще это может привести к тому, что система будет работать совсем не так, как ожидалось, а в некоторых случаях это может привести к ее разрушению. Во-вторых, возмущающее воздействие, рассматриваемое в идеализированных постановках как мультигармоническое, на самом деле может быть представлено в данном виде лишь с некоторой конечной точностью. В-третьих, в реальных системах разного рода измерительным приборам свойственна некоторая погрешность измерения, а каналу связи наличие ограниченных помех.

На сегодняшний день получено большое количество алгоритмов, рассматривающих отдельно проблемы управления в условиях запаздывания [1–4] и действия возмущения [5, 6], в том числе для сигнально неопределенных детерминированных возмущающих воздействий [7]. Имеется ряд работ, посвященных компенсации влияния внешней среды применительно к задаче удаленного управления, недостатком которых можно отметить рассмотрение идеализированной постановки задачи с чисто гармоническим возмущением без учета помех и погрешностей измерения.

Данная работа основывалась на результатах, полученных в [8–10], и была посвящена решению этих проблем в совокупности, с учетом особенностей реальных систем.

В работе рассматривался линейный объект управления с одним входом и одним выходом. Измерению доступна только выходная переменная объекта. Запаздывание в каналах управления и измерения считаются постоянными и известными. В канале связи присутствует ограниченная помеха. На объект управления действует периодическое возмущающее воздействие, которое может быть представлено в виде Победители конкурса университета на лучшую научно-исследовательскую мультигармонической функции с точностью до ограниченной аддитивной составляющей. Возмущение не измеряется, параметры воздействия неизвестны.

Целью работы являлся синтез адаптивного закона управления, позволяющего компенсировать влияние внешней среды в условиях запаздывания в каналах управления и измерения, робастного по отношению к аддитивным составляющим в возмущающем воздействии, помехам в канале связи и погрешностям измерения.

В задачи работы входило теоретическое обоснование предлагаемого подхода, формализация условия реализуемости инвариантности выхода объекта управления по отношению к внешнему возмущающему воздействию средствами адаптивного управления, построение устройства оценивания параметров периодических сигналов, робастное по отношению к неучтенным составляющим в сигнале, синтез реализуемого адаптивного закона управления, позволяющего компенсировать эффект возмущающего воздействия на выходе объекта при наличии запаздывания и помех в каналах связи, погрешностей измерения и аддитивных составляющих в возмущении.

Для решения поставленных задач использовался весь современный аппарат методов адаптивного и робастного управления системами с запаздыванием, преобразование Лапласа, метод функций Ляпунова, а также методы нелинейной теории управления. Оценивание параметров возмущающего воздействия основано на интегральных законах идентификации, для формирования закона управления была использована теория частотного анализа динамических звеньев.

В результате работы был синтезирован адаптивный закон компенсации параметрически неопределенного периодического возмущающего воздействия, сохраняющий работоспособность при наличии запаздываний в канале управления и измерения. Показаны робастные свойства полученного алгоритма по отношению к аддитивным составляющим в возмущении, помехам в канале связи и наличию погрешностей в измерениях. Проанализировано влияние параметров алгоритма на точностные и динамические показатели предлагаемого метода стабилизации.

Предложен ряд подходов, позволяющих существенно повысить скорость и точность оценивания параметров зашумленных периодических сигналов, что позволяет уменьшить время стабилизации.

Полученный результат имеет строгое математическое доказательство. Для иллюстрации работоспособности алгоритма представлены числовые примеры с результатами математического моделирования, выполненный в среде MATLAB/ Simulink.

Целью дальнейших исследований является рассмотрение параметрически неопределенного объекта управления, в том числе нелинейного, а также других видов возмущающих воздействий.

Еремин Е.Л., Теличенко Д.А. Алгоритмы адаптивной системы с запаздыванием по управлению в схеме с расширенной ошибкой и эталонным упредителем // Мехатроника, автоматизация, управление. – 2006. – № 6. – С. 9–16.

Кирьянен А.И. Устойчивость систем с последействием и их приложения. – СПб:

Изд-во СПбГУ, 1994. – 235 с.

Цыкунов А.М. Адаптивное и робастное управление динамическими объектами по выходу. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. – 268 с.

4. Mazenc F., Mondie S., Niculescu S.I. Global asymptotic stabilization for chains of integrators with a delay in the input // IEEE Trans. on Autom. Control. – 2003. – V. 48. – Победители конкурса университета на лучшую научно-исследовательскую выпускную квалификационную работу магистров 5. Marino R., Tomei P. Adaptive regulator for uncertain linear minimum phase systems with unknown undermodeled exosystems regulation of linear systems with unknown additive sinusoidal sensor disturbances // Proc. 17th IFAC World Congress. – Seoul, Repulic Korea, 2008. – P. 11293–11298.

6. Bodson M., Douglas S.C. Adaptive algorithms for the rejection of periodic disturbances with unknown frequencies // Automatica. – 1997. – V. 33. – P. 2213–2221.

7. Никифоров В.О. Адаптивное и робастное управление с компенсацией возмущений.

– СПб: Наука, 2003. – 282 с.

8. Pyrkin Anton, Bobtsov Alexey, Kolyubin Sergey, Vedyakov Alexey. Precise Frequency Estimator for Noised Periodical Signals // Proceedings of IEEE Multi-conference on Systems and Control. – Dubrovnik, Croatia, 2012, October 3–5. (принята).

9. Vedyakov A.A. Estimating parameters of periodic signals // Proceedings of the 13th International Student Olympiad on Automatic Control BOAC. – Saint-Petersburg, Russia, 2011. – P. 13–17.

10. Pyrkin A., Bobtsov A., Kapitanyuk Y., Vedyakov A., Titov A. Adaptive Cancellation of Unknown Multiharmonic Disturbance for Nonlinear Plant with Input Delay // Proceedings of the 19th Mediterranean Conference on Control and Automation (IEEE). – Aquis Corfu Holiday Palace, Corfu, Greece. – 2011. – P. 874–879.

Факультет фотоники и оптоинформатики, кафедра оптической физики и современного естествознания, группа УДК

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГИБРИДНЫХ НАНОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК И МОЛЕКУЛ

АЗОКРАСИТЕЛЕЙ В ПОЛИМЕРНЫХ ТРЕКОВЫХ МЕМБРАНАХ

Научный руководитель – к.т.н., доцент А.О. Орлова Гранты РФФИ №11.519.11.3020, №11.519.11.3026, №14.740.11.1366 и № 02.740.11. Введение. В последние десятилетие активно изучается создание комплексов полупроводниковых нанокристаллов, или квантовых точек (КТ), с органическими молекулами [1]. С одной стороны такие системы интересны в качестве модельных объектов для изучения процессов комплексообразования и передачи энергии фотовозбуждения. С другой стороны, создание гибридных структур на основе полупроводниковых нанокристаллов и органических молекул позволяет значительно расширить возможности практического использования КТ. Гибридные структуры на основе нанокристаллов могут использоваться в сенсорных и каталитических системах, электронных устройствах, а также существенно повысить эффективность неинвазивных, терапевтических методов в диагностике и лечении ряда заболеваний [2–6].

Очевидно, что создание эффективно функционирующих структур на основе КТ и органических молекул невозможно без детального изучения физических основ Победители конкурса университета на лучшую научно-исследовательскую формирования структур и изучения внутрикомплексных и межкомплексных взаимодействий.

Отдельной задачей является внедрение полупроводниковых КТ в полимер без образования макроагрегатов и изменения их оптических свойств.

Цели и задачи работы. Целью работы являлось создание нового типа структур на основе полупроводниковых нанокристаллов и органических молекул с уникальными свойствами. Для достижения поставленной цели в ходе выполнения работы было проведено комплексное исследование фотофизических свойств комплексов полупроводниковых нанокристаллов и молекул азокрасителей, внедренных в полиэтилентерефталатные трековые мембраны (ПЭТФ ТМ). В результате экспериментов планировалось решить ряд следующих задач. Во-первых, создать комплексы с азокрасителями на основе КТ, внедренных в мембраны. Во-вторых, если создание таких гибридных структур возможно, то сравнить между собой свойства комплексов КТ/азокраситель в растворе и в трековых мембранах. В-третьих, определить в каком состоянии находятся нанокристаллы и комплексы на их основе после внедрения в трековые мембраны. Молекулы азокрасителей, использованные в данной работе, были выбраны таким образом, что на основе их комплексов с КТ возможно создание диссоциативных люминесцентных сенсоров [7, 8]. Исходя из этого, в работе должен был быть поставлен дополнительный вопрос, который, не являясь основным, тем ни менее, актуален для практического применения результатов исследования: перспективно ли создание сенсорных систем на основе трековых мембран с внедренными комплексами КТ/азокраситель?

Описание и анализ результатов работы. В ходе выполнения работы было установлено, что при пропитывании трековых мембран раствором гидрофобных квантовых точек происходит внедрение КТ в приповерхностные слои трековых пор (рисунок). На основании спектрально-кинетических измерений образцов ПЭТФ ТМ установлено что нанокристаллы, внедренные в мембраны, слабо взаимодействуют друг с другом и находятся в квази-изолированном состоянии, близком к состоянию нанокристаллов в коллоидных растворах [9]. Это позволяет создавать в мембранах гибридные структуры, состоящие из нанокристаллов и органических молекул, со свойствами аналогичными свойствам подобных структур в растворах.

Рисунок. Люминесцентное изображение ПЭТФ ТМ с внедренными КТ (диаметр пор 1,5 мкм, сканируемая площадь 2525 мкм2) – вверху и справа приведены изображения сечений мембраны по горизонтали и вертикали вдоль направлений, показанных на рисунке зеленой и красной линиями соответственно (а); схематичное изображение Было продемонстрировано, что при последовательном пропитывании трековых мембран раствором гидрофобных нанокристаллов и молекул азокрасителей (как Победители конкурса университета на лучшую научно-исследовательскую выпускную квалификационную работу магистров гидрофильных, так и гидрофобных) происходит образование комплексов КТ/азокраситель в трековых мембранах. Для изучения комплексообразования в работе использовались молекулы 1-(2-пиридилазо)-2-нафтол (ПАН) и 4-(2-пиридилазо)резорцин (ПАР) – фотометрические металлоиндикаторы, образующие хелатные комплексы с ионами металлов, что делает возможным образование координационного комплекса данных соединений с поверхностными ионами цинка на оболочке ZnS CdSe/ZnS квантовых точек. Образование комплекса КТ/азокраситель приводит к полному тушению люминесценции КТ. Одним из основных механизмов тушения люминесценции КТ в комплексах с азокрасителями является безызлучательный резонансный перенос энергии (Frster Resonance Energy Transfer, FRET).

В ходе работы автором было установлено, что высокие локальные концентрации нанокристаллов (~10–3 моль/литр) в приповерхностных слоях пор трековых мембран позволяют создать условия, при которых комплекс КТ/азокраситель начинает выступать в качестве акцептора энергии для свободных КТ. Это позволило создать в ПЭТФ ТМ структуру, в которой, за счет дальнодействующего переноса энергии от КТ к комплексам КТ/азокраситель, возможно реализовать сверхэффективное тушение люминесценции КТ. Так, в случае комплексов КТ/ПАН одна молекула азокрасителя, внедренного в ТМ с квантовыми точками, приводит к тушению люминесценции шести КТ, а в случае комплексов КТ/ПАР – десяти квантовых точек. Следует отметить, что различие в эффективности тушения люминесценции КТ в данных структурах при использовании молекул ПАН и ПАР обусловлено различием для комплексов КТ/ПАН и КТ/ПАР условий для переноса энергии по механизму FRET (разная степень перекрытия спектров поглощения азокрасителей со спектром люминесценции КТ).

Условиями диссоциации металлокомплексов ПАН и ПАР является изменение уровня рН и (или) присутствие ионов металлов с более высокой константой комплексообразования. В работе продемонстрирована диссоциация комплексов КТ/азокраситель в присутствии ионов кобальта и воды, которая приводит к диссоциации карбоксильных групп на поверхности трековой мембраны, а, следовательно, к снижению уровня рН. Диссоциация комплексов сопровождалась разгоранием люминесценции КТ.

Заключение. Проведенные в работе исследования позволяют сделать следующие выводы. Трековые мембраны являются удобной матрицей для создания тонкопленочных образцов с высокими локальными концентрациями нанокристаллов (~10–3 моль/литр) без образования макроагрегатов. Предложенный подход последовательного создания гибридных структур в полимерной матрице прост и актуален, так как позволяет создавать на основе трековых мембран различные микрофлюидные устройства и изучать такие фундаментальные физические вопросы как перенос энергии в системах квантовая точка/органическая молекула.

Использование трековых мембран также позволяет просто совмещать гидрофобные и гидрофильные соединения. Возможность создавать в полиэтилентерефталатных трековых мембранах структуры с сверхэффективным тушением люминесценции квантовых точек свидетельствует о высокой перспективности создания сенсорных элементов на основе трековых мембран с квантовым точками, так как удаление из системы одной молекулы тушителя приводит к разгоранию люминесценции нескольких нанокристаллов. Это приводит к заметному увеличению чувствительности сенсорных элементов, принцип действия которых основан на изменении люминесцентного отклика системы.

Победители конкурса университета на лучшую научно-исследовательскую 1. Frasco M.F., Chaniotakis N. Semiconductor Quantum Dots in Chemical Sensors and Biosensors // Sensors. – 2009. – № 9. – Р. 7266–7286.

2. Kniprath R., Rabe J.P., McLeskey J.T., Wang D. and Kirstein S. Hybrid photovoltaic cells with II-VI quantum dot sensitizers fabricated by layer-by-layer deposition of watersoluble components // Thin Solid Films. – 2009. – V. 518. – № 1. – Р. 295–298.

3. Li F. et al. Reduction in feature size of two-photon polymerization using SCR500// Applied physics letters. – 2007. – V. 90. – № 7. – P. 071106-3.

4. Yun D. et al. Efficient conjugated polymer-ZnSe and -PbSe nanocrystals hybrid photovoltaic cells through full solar spectrum utilization // Solar Energy Materials & Solar Cells. – 2009. – V. 93. – № 8 – P. 1208–1213.

5. Weaver J.E. et al. Investigating Photoinduced Charge Transfer in Carbon NanotubePerylene-Quantum Dot Hybrid Nanocomposites // ACS nano. – 2010. – V. 4. – № 11. – Р. 6883–6893.

6. Sobha K. et al. Emerging trends in nanobiotechnology // Biotechnology and Molecular Biology Reviews. – 2010. – V. 5. – № 1. – Р. 1–12.

7. Baranov A.V. et al. // J. Appl. Phys. – 2010. – V. 108. – P. 1–5.

Орлова А.О. и др. Пленочный люминесцентный наносенсор на основе комплекса квантовая точка – органическая молекула // Российские нанотехнологии. – 2010. – Orlova A.O. et al. // Nanotechnology. – 2011. – № 22. – Р. 1–7.

Факультет оптико-информационных систем и технологий, УДК 535.

РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА КОНЦЕНТРИЧЕСКИХ ЗЕРКАЛЬНЫХ,

ЗЕРКАЛЬНО-ЛИНЗОВЫХ И ЛИНЗОВЫХ СИСТЕМ

Научный руководитель – д.т.н., профессор В.А. Зверев Разработка оптических систем, удовлетворяющих современным условиям применения, требует обстоятельного анализа элементной базы и базовых схем, формирующих реальную основу композиции линзовых, зеркальных и зеркальнолинзовых оптических систем.

Известно, что оптическая система концентрических поверхностей обладает собственными коррекционными возможностями, это строгое отсутствие астигматизма при произвольном положении предмета и строгое отсутствие аберрации в зрачках.

Исследование свойств концентрических оптических систем представлено в трудах ряда авторов во второй половине ХХ в. Результаты этих исследований позволяют проанализировать габаритные и аберрационные свойства оптической системы и Победители конкурса университета на лучшую научно-исследовательскую выпускную квалификационную работу магистров разработать метод расчета концентрических объективов. Для достижения поставленной цели работы, необходимо выполнить следующие задачи: анализ аберрационных свойств концентрических отражающих и преломляющих поверхностей;

расчет зеркальных и зеркально-линзовых концентрических оптических систем; расчет зеркально-линзовой оптической системы с тройным прохождением луча через концентрический мениск; анализ хроматической аберрации положения; расчет линзовых концентрических оптических систем.

Если рассмотреть поверхность, концентричную зрачку, такая поверхность обладает сферической аберрацией. Однако если устранить сферическую аберрацию, то образуется апланатическая поверхность, которая оставляет неисправленной только кривизну изображения.

Обратимся к рис. 1, на котором показан путь действительного луча через преломляющую поверхность сферической формы.

Рис. 1. Ход действительного луча через преломляющую поверхность сферической Из рис. 1 при s1 = 0 фокусное расстояние рассматриваемой системы равно Дифференцируя выражение (1) и заменяя дифференциалы конечными разностями, получаем Df @ Ds = - 2 m cos s. Здесь m = const. Тогда поперечная сферическая аберрация определится выражением dg = Ds tgs = f ds, где ds = s - s. При этом сферическая аберрация в угловой мере определится отношением ds = В соответствии с формулой (1) угол sk = arcsin. При малой величине x угол arcsin x = x. В рассматриваемом случае при малой величине m (m ® 0) величина f = f 0. Полагая в формуле (2) величину m малой, получаем arcsin x x + x + Ограничиваясь в разложении в степенной ряд членами не выше седьмого порядка, формулу (2) можно представить в виде:

Победители конкурса университета на лучшую научно-исследовательскую Полученные соотношения позволяют выражение (4) представить в виде:

Оптические системы с концентрическими поверхностями, состоящие из одних линз, наряду со сферической аберрацией обладают еще одной аберрацией – хроматической. Если система состоит из линз и зеркал, находящихся в воздухе, то хроматическую аберрацию можно представить в виде [3]:

где ji – оптическая сила концентрической линзы, которая ji = В своей работе автором приведено несколько схем концентрических объективов, которые посчитаны по изложенному методу. Первый пример – концентрический зеркально-линзовый объектив с коррекционной пластинкой. Схема объектива представлена на рис. 2.

Рис. 2. Оптическая система из двух концентричных отражающих поверхностей Победители конкурса университета на лучшую научно-исследовательскую выпускную квалификационную работу магистров Второй пример – концентрический зеркально-линзовый объектив с тройным прохождением луча через концентрический мениск. Схема объектива представлена на рис. 3.

Рис. 3. Зеркально-линзовый объектив с концентрическим мениском Третий пример – концентрический линзовый объектив, который состоит из 3-х поверхностей. Схема объектива представлена на рис. 4.

Рис. 4. Трехлинзовая оптическая система с преломляющими поверхностями В результате проделанной работы был разработан инженерный метод расчета зеркальных, линзовых и зеркально-линзовых оптических систем с концентрическими поверхностями. Данный метод расчета позволяет посчитать оптическую систему на минимум аберраций, используя свойства концентрических систем. В линзовых системах данный метод расчета учитывает хроматические аберрации и дает рекомендации к выбору комбинации стекол.

Борн М., Вольф Э. Основы оптики / Под ред. Г.П. Мотулевич. – М.: Наука, 1973. – Попов Г.М. Концентрические оптические системы и их применение в оптическом приборостроении. – М.: Наука, 1969. – 125 с.

Зверев В.А. Основы геометрической оптики. – СПб: СПб ГИТМО (ТУ), 2002. – Чуриловский В.Н. Теория хроматизма и аберраций третьего порядка. – М.-Л.:

Машиностроение, 1968. – 312 с.

Победители конкурса университета на лучшую научно-исследовательскую Факультет оптико-информационных систем и технологий, кафедра прикладной и компьютерной оптики, группа УДК 535.

РАЗРАБОТКА МЕТОДА СИНТЕЗА ГОЛОГРАММ-ПРОЕКТОРОВ

«СФОКУСИРОВАННОГО» ИЗОБРАЖЕНИЯ

Научный руководитель – д.т.н., профессор С.Н. Корешев Работа была выполнена в рамках НИР № 18005 «Исследование закономерностей структурирования пленок халькогенидного стеклообразного полупроводника в процессе получения рельефно-фазовых голограмм», этап 3 «Исследование основных закономерностей структурирования поверхности халькогенидного стеклообразного полупроводника в процессе реализуемого на его основе метода голографической (интерференционной) литографии».

Введение. До последнего времени крайне высокие темпы развития фотолитографии достигались, в основном, за счет уменьшения рабочей длины волны и увеличения числовой апертуры проекционного объектива без кардинальных изменений в самом процессе [1]. Однако к настоящему времени переход от существующей технологии на длине волны 193 нм, к длине 157 нм осложняется, главным образом, дефицитом материалов, подходящих для изготовления проекционного объектива.

Еще одной серьезной проблемой современных объективов для фотолитографии, является крайне малое рабочее поле. Это связано с тем, что при больших апертурах и малой длине волны сильно возрастают полевые аберрации, с которыми трудно бороться даже применением асферических оптических элементов. Столь малое рабочее поле вынуждает прибегать к сканированию фотошаблона по отдельным участкам. В свою очередь, это определяет более высокие требования к точности позиционирования механической части, а также требует значительно больших временных затрат на производство.

Одним из перспективных подходов к решению обозначенных выше проблем является применение различных голографических методов [3–6]. Среди них наиболее интересными, с точки зрения практической реализации, являются системы на основе голограмм-проекторов «сфокусированного изображения», при этом голограммапроектор является носителем информации об объекте и корректором аберраций объектива. Благодаря этому, становится возможным применять простые объективы с большими полевыми аберрациями. Так в работах [7, 8] описываются успешные эксперименты по записи и восстановлению субмикронных структур, с применением голограмм данных видов. Еще более перспективным представляется применение голографических систем на базе синтезированных голограмм. Такой подход позволяет отказаться от этапа изготовления промежуточного фотошаблона, ограничившись лишь изготовлением синтезированной бинарной голограммы.

Отсутствие в доступной литературе сведений об успешных опытах по разработке систем синтеза голограмм «сфокусированного изображения», работающих совместно с Победители конкурса университета на лучшую научно-исследовательскую выпускную квалификационную работу магистров объективом невысокого качества, а также очевидная перспективность разработки такой системы и внедрения ее в производство для решения задач высокоразрешающей фотолитографии, послужило основанием для постановки настоящей работы.

Постановка задачи. В силу описанных выше достоинств применения синтезированных голограмм-проекторов «сфокусированного» изображения для задач проекционной фотолитографии, необходимость разработки методов синтеза таких голограмм является важной и перспективной задачей. Поскольку процесс синтеза соответствии с математической моделью реального физического процесса записи такой голограммы, то данную задачу можно представить виде трех основных подзадач:

1. вычисление значений параметров синтеза, оптимальных с точки зрения качества восстанавливаемого изображения;

2. вычисление комплексной амплитуды объектной волны в плоскости голограммы;

3. вычисление комплексной амплитуды опорной волны в плоскости голограммы и «сложение» ее с опорной волной.

Здесь важно отметить, что последняя задача является аналогичной соответствующей задаче синтеза голограмм-проекторов Френеля [8], и может быть решена теми же методами.

Таким образом, целью работы являлась разработка метода синтеза голограмм «сфокусированного изображения», работающих совместно с объективом невысокого качества для задач проекционной фотолитографии.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. исследование параметров синтеза и вывод оптимальных значений с точки зрения качества восстанавливаемого изображения;

2. сравнительный анализ методов вычисления комплексной амплитуды объектной волны в плоскости синтеза голограммы и определение наиболее перспективного из них с точки зрения минимизации требуемых вычислительных ресурсов и обеспечения требуемой точности.

Методика выполнения работы. Для решения первой из поставленных задач было проведено исследование влияния различных параметров синтеза голограммы на качество изображения, восстанавливаемого при помощи такой голограммы.

Исследование проводилось путем проведения анализа математической модели процесса записи физической голограммы. При этом при рассмотрении модели учитывалась дискретная структура голограммы, и влияние проекционного объектива на волновой фронт.

Решение второй задачи заключалось в рассмотрении существующих математических методов, позволяющих произвести вычисление голографического поля объектной волны в плоскости голограммы, при этом основными критериями выбора оптимального из них являлись точность описания волнового фронта и минимизация требуемых для этого вычислительных ресурсов. Последний критерий связан с необходимостью синтеза голограммы за приемлемое для промышленных и исследовательских задач время.

Анализ результатов и заключение. В работе были рассмотрены особенности синтеза голограмм-проекторов «сфокусированного» изображения, работающих совместно с проекционным объективом для задач проекционной фотолитографии. Ввиду дискретной структуры голограммы, особое внимание уделено влиянию основных параметров синтеза и дискретизации на качество восстанавливаемого изображения. На основании анализа этих параметров, были сформулированы рекомендации по выбору их Победители конкурса университета на лучшую научно-исследовательскую значений с точки зрения минимизации потерь качества изображения, восстанавливаемого синтезированной голограммой. Было показано, что наличие проекционного объектива не только позволяет снизить требования к размеру фокального пятна генератора изображений, но и достичь теоретического дифракционного предела для оптики, равного длине волны восстанавливающего излучения.

В работе было также показано, что задача вычисления комплексной амплитуды объектной волны в плоскости голограммы является ключевой задачей синтеза такой голограммы-проектора. Ввиду этого был проведен сравнительный анализ методов, позволяющих выполнить вычисление комплексной амплитуды объектной волны в плоскости голограммы с учетом влияния аберраций оптической системы, с точки зрения критериев точности и минимизации требуемых вычислительных ресурсов компьютера.

В результате была выявлена невозможность применения стандартных методов такого расчета к данной задаче. Был предложен метод «таблицы поиска». Применение данного метода позволило показать возможность вычисления комплексной амплитуды объектной волны голограммы за время, приемлемое для проведения дальнейшей работы. Предложенные в работе способы модификации метода позволяют также уменьшить количество памяти компьютера, необходимой для хранения данных о голографическом поле.