«Санкт-Петербург Издательство Политехнического университета 2010 Министерство образования и науки Российской Федерации Российская академия наук Отделение энергетики, машиностроения, механики и процессов управления РАН ...»

Материалы XIV Всероссийской конференции

ТОМ 1

Санкт-Петербург

Издательство Политехнического университета

2010

Министерство образования и наук

и Российской Федерации

Российская академия наук

Отделение энергетики, машиностроения, механики и процессов управления РАН

Санкт-Петербургский научный Центр РАН

Комиссия по образованию Санкт-Петербургского научного Центра РАН Научный Совет по науковедению и организации и научных исследований ( при Санкт Петербургском научном Центре РАН) Санкт-Петербургский государственный политехнический университет Учебно-методическое объединение вузов по университетескому политехническому образованию Министерства образования и науки Российской Федерации Санкт-Петербургское отделение Международной академии наук высшей школы Научные советы по проблемам технических наук и высшего образования МАНВШ Руководящий Совет Межвузовских комплексных работ “Инновационные технологии образования" Аналитическая ведомственная целевая программа «Развитие научного потенциала высшей школы»

Ассоциация независимой экспертизы Северо-Западное отделение высшей школы Санкт-Петербурга Ассоциация технических университетов Материалы XIV Всероссийской конференции Том Санкт-Петербург Издательство Политехнического университета Фундаментальные исследования и инновации в национальных исследовательских университетах: Материалы XIV Всероссийской конференции. СанктПетербург. Том 1. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2010. 371 с.

Представлены результаты научных исследований, выполненных в национальных исследовательских университетах Российской Федерации по планам работ РАН, Руководящего Совета Межвузовской комплексной работы "Инновационные технологии образования", Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы», других федеральных научно-исследовательских программ, а также по заказам промышленности.

Для преподавателей, научных работников, аспирантов и студентов высших учебных заведений.

Сборник издается без редакторских правок.

Ответственность за содержание тезисов возлагается на авторов.

Оригинал-макет подготовлен НМЦ УМО © Санкт-Петербургский государственный политехнический университет,

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

И ИННОВАЦИИ В НАЦИОНАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ УНИВЕРСИТЕТАХ

Материалы XIV Всероссийской конференции ТОМ Ответственный за выпуск П.И. Романов Лицензия ЛР № 020593 от 07.08. Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции ОК 005-93, т. 2; 95 3004 – научная и производственная литература Подписано в печать Формат 60х84/ Усл. печ. л. Уч.-изд. Л Тираж Заказ Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного НМЦ УМО, в Цифровом типографском центре Издательства Политехнического университета.

195251, Санкт-Петербург, Политехническая, 29.

Тел.: (812) 550-40-14.

Тел./факс: (812) 297-57-76.

ОРГАНИЗАЦИОННЫЙ КОМИТЕТ

М.П. Федоров – ректор СПбГПУ, член-корреспондент РАН (председатель) Ю.С. Васильев – президент СПбГПУ, академик РАН (сопредседатель) А.И. Рудской – проректор по научной и инновационной деязам. председателя) тельности СПбГПУ, член-корреспондент РАН В.Н. Козлов – проректор по УМО СПбГПУ (зам. председателя) П.И. Романов – директор НМЦ УМО СПбГПУ (зам. председателя)

ЧЛЕНЫ ОРГАНИЗАЦИОННОГО КОМИТЕТА

М.М. Благовещенская – зам. председателя Руководящего Совета Межвузовских комплексных работ «Инновационные М.Б. Гузаиров – ректор Уфимского государственного авиационного технического университета А.В. Белоцерковский – ректор Тверского государственного университета Ю.В. Шленов – президент Российского государственного университета инновационных технологий и предпринимательства С.М. Стажков – первый проректор – проректор по учебной работе Балтийского государственного технического В.К. Иванов – декан физико-механического факультета М.М. Радкевич – декан механико-машиностроительного факультета СПбГПУ В.И. Никифоров – ученый секретарь УМО Н.Ю. Егорова – заместитель директора НМЦ УМО СПбГПУ

МЕТОД ДИНАМИЧЕСКОГО ГАРМОНИЧЕСКОГО

БАЛАНСА НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ

ОДНОФАЗНОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ

Казанский государственный энергетический университет Для повышения надежности электроснабжения в распределительных электрических сетях напряжением 6 – 10 кВ используется режим работы с изолированной нейтралью. В таких сетях, выполненных воздушными линиями электропередачи, одними из основных повреждений являются однофазные замыкания на землю (ОЗЗ), сопровождающиеся значительными перенапряжениями вследствие нестационарного процесса горения дуги. В последнее десятилетие распространился способ ограничения таких перенапряжений за счет использования резистивного заземления нейтрали.

При высокоомном заземлении нейтрали процесс горения дуги полностью не исключается, но ограничивается (теоретически) одним полупериодом промышленной частоты, но возможны повторные её зажигания.

Несмотря на то, что перенапряжения на воздушных линиях электропередачи снижаются, тем не менее они существуют и желательно быстрейшее обнаружения места повреждения. Одним из приемов определения расстояния до места повреждения является использование высших гармоник токов для его расчета. В этом случае составляются уравнения баланса напряжений и по соответствующим уравнениям находится удаленность места ОЗЗ от центра питания.

Желательно использование той измерительной аппаратуры, которая уже имеется на подстанциях (питающей и потребительских), и при этом проводить обнаружение места повреждения без отключения электропередачи. Чем выше частота тока, тем лучше проявляется зависимость величины падения напряжения в линии от расстояния до места ОЗЗ. Моделирование системы электроснабжения в режиме ОЗЗ показывает, что источник высших гармоник (дуга в месте ОЗЗ) может быть исключен из уравнений при двухсторонних измерениях токов, что при существующем информационном обеспечении подстанций не представляет проблем, с последующей передачей результатов для их обработки в диспетчерскую службу.

При этом необходимо учитывать динамический характер изменения уровня высших гармоник. Метод локального преобразования Фурье может быть использован для описания нестационарных процессов. В результате в уравнениях баланса напряжений относительно высших гармоник вводятся приращения токов, которые могут быть легко измерены.

КОНТРОЛЬ СМЕЩЕНИЙ ДИФФУЗНО ОТРАЖАЮЩИХ

ПОВЕРХНОСТЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

ГЕТЕРОДИННОЙ ГОЛОГРАФИЧЕСКОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ

Санкт-Петербургский государственный медицинский Государственный университет информационных В работе рассмотрены различные системы и подходы к измерению смещений и деформаций диффузно отражающих объектов с использованием методов голографической интерферометрии. Показано, что наиболее точными и информативными являются оптико-электронные фазоизмерительные системы обработки двухэкспозиционных голограмм. Предложена система оптической обработки и расшифровки голографических интерферограмм. В системе использован принципиально новый подход к восстановлению интерферирующих волновых фронтов с двухэкспозиционной голограммы, который заключается в освещении голограммы неразведенным лазерным пучком со стороны объекта. При этом интерференционная картина наблюдается в направлении распространения исходного опорного пучка, используемого при записи голограммы. Такой способ освещения голограммы обеспечивает постоянство направления регистрации интерферограммы. а также избавляет от необходимости диафрагмировать действительное изображение объекта с целью выделения анализируемой точки поверхности. Трансформация пространственного распределения интенсивности в интерференционной картине в фазу электрического сигнала обеспечивается посредством использования двухчастотного излучения, которое реализуется в He-Ne лазере за счет зеемановского расщепления линии генерации. Излучение такого лазера содержит два циркулярно поляризованных колебания с различными частотами 1 и 2, электрические векторы которых вращаются в противоположных направлениях. Для выделения интерферирующих линейно поляризованных компонент излучения в устройстве использован интерферометр сдвига. В работе проведены экспериментальные исследования. Показано, что фаза информационного сигнала на разностной частоте излучения (1 – 2) может быть измерена с точностью до 0,005 ·2 рад.

КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОХОЖДЕНИЯ ПЛОСКОЙ

ВОЛНЫ В АКУСТИЧЕСКОМ

ВОЛНОВОДЕ С ВКЛЮЧЕНИЕМ

Боровков А.И., Михалюк Д.С.,Шубин С.Н., Гилёв Е.Е.

Рассматривается акустический волновод с включением. На практике в роли волновода могут выступать система трубопроводов, в качестве включения – различного рода отложения. Так, например, при использовании газопроводов, лежащих на дне моря, в условиях пониженных температур и большого давления, на стенках трубы могут образовываться гидраты, что приводит к снижению пропускной способности, а иногда и к полной закупорке газопровода [1]. Вследствие этого, определение местоположения и параметров включения является задачей, вызывающей повышенный интерес.

Цель работы – выявление особенностей прохождения плоской волны в цилиндрической трубе, заполненной идеальной сжимаемой жидкостью, через включение. В качестве метода исследования выбран численный метод конечных элементов, реализованный в программной системе LSDYNA [2].

При решении нестационарной задачи распространения акустических волн находятся распределения давления во времени. Определяется перестройка волнового фронта, появление отраженной и прошедшей через включение волн. Результаты расчетов показали, что спектральные плотности этих волн имеют характерные экстремумы, которые определяются геометрическими и физическими параметрами включения.

Литература:

1. Ma J., Lowe M.J.S., Simonetti. Feasibility study of sludge and blockage detection inside pipes using guided torsional waves // Meas. Sci. Technol. – 2007. – N. 18. – P. 2629-2641.

2. Hallquist J.O. LS-DYNA. Theoretical Manual / Livermore Software Technology Corporation. 1998.

ИЗМЕРЕНИЕ ФАКТОРОВ ЯДЕРНОЙ МОДИФИКАЦИИ ДЛЯ

-МЕЗОНОВ В ЯДРО-ЯДЕРНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯХ

Эффект подавления выхода адронов (гашение струй), открытый на коллайдере RHIC в центральных столкновениях тяжёлых ядер при энергии sNN = 200 ГэВ [1], является уникальным явлением, которое не наблюдалось ранее при более низких энергиях взаимодействия ядер. Для того чтобы изучить зависимость эффекта гашения струй от энергии сталкивающихся ядер на RHIC был проведен специальный физический цикл работ при энергии взаимодействия ядер равной 62,4 ГэВ.

Настоящая работа посвящена измерению инвариантных спектров рождения по поперечному импульсу pT и факторов ядерной модификации RAA для -мезонов в столкновениях протонов, ядер меди и ядер золота при энергии 62,4 ГэВ. Измерения были проведены в канале распада K+K- в эксперименте ФЕНИКС [2] на коллайдере RHIC.

В случае обеих сталкивающихся систем для всех классов событий по центральности значения факторов RAA в пределах ошибок измерений согласуются с единицей в доступном для измерений диапазоне поперечных импульсов (1.0 < pT (ГэВ/с) < 4.0), что свидетельствует об отсутствии подавления выхода -мезонов в ядро-ядерных столкновениях при энергии 62,4 ГэВ. Подобное поведение факторов ядерной модификации разительно отличается от поведения факторов, измеренных для 0-мезонов, для которых превалирование эффекта гашения струй над эффектом Кронина происходит в области энергий взаимодействия между 22,4 и 62,4 ГэВ [3].

Различное поведение параметра RAA для лёгких адронов в исследуемой области поперечных импульсов наблюдается как при энергии взаимодействия ядер 62,4 ГэВ, так и при 200 ГэВ. Данный факт говорит о том, что в данной области поперечных импульсов мягкие процессы играют важную роль при рождении заряженных частиц.

Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках ФЦП “Научные и научно-педагогические кадры инновационной России” на 2009 – 2013 гг.

Литература:

1. S.S. Adler et al. // Phys. Rev.C. 2008. V. 77. P. 064907.

2. K. Adcox et al. // Nucl. Instr. Meth. A. 2003. V. 499. P. 469.

3. A. Adare et al. // Phys. Rev. Lett. 2008. V. 101. P. 232301.

ИЗМЕРЕНИЕ ФАКТОРОВ ЯДЕРНОЙ МОДИФИКАЦИИ ДЛЯ

-МЕЗОНОВ В СТОЛКНОВЕНИЯХ ЯДЕР МЕДИ

Одним из основных открытий, сделанных на Релятивистском Коллайдере Тяжелых Ионов (RHIC) [1] к настоящему времени, стало обнаружение эффекта подавления выхода адронов в области больших поперечных импульсов (pT > 5 ГэВ/c) в центральных столкновениях тяжелых ядер при энергии sNN = 200 ГэВ [2]. С теоретической точки зрения, наиболее правдоподобным объяснением эффекта подавления являются энергетические потери партонов в образующейся среде перед стадией фрагментации (эффект гашения струй).

Измерения выходов адронов, в состав которых входят странные кварки, на сегодняшний день обладают низкой статистической обеспеченностью в области больших поперечных импульсов. Картина энергетических потерь s-кварков в сравнении с легкими u и d кварками и тяжёлыми c и b кварками пока полностью неясна. Измерения инвариантных спектров рождения и факторов ядерной модификации -мезонов, состоящих из пары s и s кварков, позволят внести ясность в картину энергетических потерь странных кварков.

В настоящей работе были измерены факторы ядерной модификации RAA для -мезонов в столкновениях ядер меди (Cu+Cu) при энергии 200 ГэВ для различных классов событий по центральности. Измерения были проведены в адронном канале распада K+K– в эксперименте ФЕНИКС [2] на коллайдере RHIC.

На основе сравнения значений RAA, измеренных для -мезонов в Cu+Cu и Au+Au столкновениях при энергии 200 ГэВ, в работе показано, что для одинакового числа нуклонов, участвующих во взаимодействии N уч, величины подавления выхода -мезонов совпадают. Данный факт позволяет говорить о том, что величина подавления в основном определяется числом нуклонов, участвующих во взаимодействии и практически не зависит от геометрии перекрытия ядер.

Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках ФЦП “Научные и научно-педагогические кадры инновационной России” на 2009 – 2013 гг.

Литература:

1. G. Baym // Nucl. Phys. A. 2002. V. 698. P. 23.

2. S.S. Adler et al. // Phys. Rev. C. 2008. V. 77. P. 064907.

3. K. Adcox et al. // Nucl. Instr. Meth. A. 2003. V. 499. P. 469.

ПОЛЯРИЗАЦИЯ

РОЖДЕННЫХ ИЗ КВАРК-ГЛЮОННОЙ ПЛАЗМЫ

Теоретический анализ поляризационных свойств (1385) гиперона является актуальной проблемой физики высоких энергий в связи с теоретическими и экспериментальными исследованиями механизма рождения странных гиперонов в высокоэнергетических столкновениях тяжелых ионов. Известно, что поляризационные свойства барионов могут быть использованы для диагностики кварк-глюонной плазмы (КГП).

свойств гиперона, как частицы со спином 3/2, является наличие не только векторной поляризации, но и квадрупольного и октупольного тензоров поляризации.

В работе вычислено импульсное распределение множественности гиперонов, рожденных из термализованной КГП для состояний с проекциями спина гиперонов, рожденных в ультрарелятивистских столкновениях тяжелых ионов, не означает отсутствие КГП в промежуточном состоянии.

Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках ФЦП “Научные и научно-педагогические кадры инновационной России” на 2009 – 2013 гг.

ИССЛЕДОВАНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ОПТИЧЕСКОГО

ПОГЛОЩЕНИЯ В Bi0,5Sb1,5Te3 В ОБЛАСТИ КРАЯ

ФУНДАМЕНТАЛЬНОЙ ПОЛОСЫ

Несмотря на то, что Bi2Te3 и твердые растворы на его основе широко используются в термоэнергетике для создания охлаждающих устройств, многие детали их зонного спектра до сих пор не известны, а имеющиеся экспериментальные данные противоречивы. В частности, с общепринятыми представлениями об этих материалах – как об узкощелевых полупроводниках с непрямой запрещенной зоной (см., например [1]) плохо согласуется обнаруженная Кёллером [2] непараболичность законов дисперсии электронов и дырок вблизи основных зонных экстремумов. Поэтому в настоящей работе при T=300 К выполнены детальные исследования спектров оптического поглощения в Bi0,5Sb1,5Te3 в области края фундаментальной полосы с целью определения ширины запрещенной зоны в этом твердом растворе и типа оптических переходов на пороге межзонного поглощения. Полученные результаты проанализированы совместно с экспериментальными данными для Bi2Te3, приведенными в работах [3-6] (результаты, содержащиеся в работе [7], резко расходящиеся с данными [3-6], не рассматриваются, как ошибочные).

Объектами исследования служили блочно-монокристаллические пленки Bi0,5Sb1,5Te3 на подложках из слюды и KBr. Ось симметрии c3 была перпендикулярна поверхности пленок. Все образцы обладали проводимостью p-типа, значения коэффициента термоэдс в них варьировались в пределах (225-257) мкВ/К.

Некоторые из полученных в работе результатов совместно с данными для Bi2Te3, взятыми из работы [4], представлены на рис. 1, построенном в координатах 1/2, h–Egi, обычно используемых для анализа межзонных оптических переходов в непрямозонных материалах (Egi – величина порога для непрямых межзонных переходов). Видно, что экспериментальные точки, расположенные вблизи Egi, действительно спрямляются в указанных координатах. Это позволило определить величины Egi по отсечкам прямых 1/2(h) на оси энергий. Они оказались равными 0,13 в Bi2Te3 и 0,17 эВ Bi0,5Sb1,5Te3, что соответствует значениям Egi, приведенными в работах [4, 6], в которых анализировались данные, полученные в существенно более узких интервалах изменения (3000 см-1). Однако экстраполяция зависимостей 1/2(h–Egi) в область больших энергий квантов света h показывает, что экспериментальные точки располагаются ниже экстраполяционных прямых. Также обращает на себя внимание необычайно быстрый рост значений на пороге непрямых межзонных переходов, на порядки превышающий темп возрастания коэффициента поглощения в таком типичном непрямозонном полупроводнике, как кремний (Egi=1,12 эВ; показанные на рис. 1 данные для кремния приведены в координатах (·h)1/2, h–Egi, в соответствии с параболичностью законов дисперсии для электронов и дырок в этом материале).

Рис. 1. Спектральные зависимости коэффициента поглощения в Bi0,5Sb1,5Te3 (1), Bi2Te3 [4] (2), Si [9] (3) и PbS [9] (4) при T=300 К Эти результаты могли бы вызвать недоумение, но на самом деле, они не новы. Давно уже известно (см., например [8]), что аномалии, подобные рассмотренным выше, наблюдались в другой группе узкощелевых полупроводников, а именно, в халькогенидах свинца (ХГС). Впервые они были выявлены Скэнлоном, а впоследствии их существование было подтверждено в многочисленных экспериментах, выполненных другими авторами. Результаты, полученные в PbS, взятые из работы [9], представлены на рис. 1 (кривая 4). Видно, что результаты для PbS и соединений А52В63 подобны: в сульфиде свинца, в котором Egi=0,37 эВ при T=300 К, как и в соединениях А52В63, при h>Egi+0,04 эВ экспериментальные точки располагаются ниже прямой, экстраполирующей зависимость 1/2(h–Egi) в коротковолновую область спектра. Аналогичным образом ведут себя данные и для аналогов сульфида свинца – PbTe и PbSe. Однако из того факта, что в спектрах межзонного поглощения ХГС содержатся участки (при 3000 см-1 экспериментальные зависимости (h) в них спрямлялись в координатах 2, h, что характерно для прямых разрешенных переходов. Впервые это было также установлено Скэнлоном, а впоследствии подтверждено и другими авторами. Следует отметить, что различие между порогами прямых Egd и непрямых Egi переходов в ХГС оказалось небольшим и по данным Скэнлона составило 40 мэВ в PbS и 30 мэВ в PbSe и в PbTe.

Скэнлон, разумеется, попытался объяснить факт присутствия в спектрах поглощения ХГС участков, спрямляющихся в координатах для непрямых межзонных переходов. Он предположил, что обсуждаемые участки спектров (h) связаны с непрямыми оптическими переходами в прямозонных полупроводниках, происходящими с поглощением длинноволновых оптических фононов. Энергетическая схема, иллюстрирующая его идею, приведена на рис. 2.

Рис. 2. Энергетическая схема халькогенидов свинца Стрелкой обозначен непрямой переход, происходящий с поглощением фонона.

Однако в рамках предложенного Скэнлоном объяснения не удается истолковать два экспериментальных факта. Во-первых, неясно, почему темп возрастания коэффициента поглощения при непрямых оптических переходах в ХГС оказывается выше, чем прямых, тогда как известно, что вероятность прямых оптических переходов (двухчастичных, в которых участвуют электрон и фотон) на три – четыре порядка выше, чем непрямых (трехчастичных, происходящих с участием фонона). Во вторых, непонятен сам факт существования непрямых оптических переходов, происходящих с поглощением фононов, в PbSe и PbTe, в которых энергии продольных оптических LO-фононов составляют (16,5±0,6) и (13,6±0,4) мэВ соответственно [8].

Более подробные исследования коэффициента поглощения в PbTe, выполненные в работе [10], показали, что значения в спектральной области, соответствующей “непрямым” переходам, и величины отсечек прямых 1/2(h) на оси энергий варьируются заметным образом при переходе от образца к образцу. Более того, зависимости (h) в этой спектральной области спрямляются не только в координатах для непрямых разрешенных переходов, но и в координатах ln, h, соответствующих урбаховской зависимости Эта зависимость описывает поглощение, обусловленное оптическими переходами электронов между распространяющимися состояниями одной зоны и локализованными состояниями, принадлежащими другой зоне (так называемыми “хвостами” плотности состояний, простирающимися вглубь запрещенной зоны). Считается, что вклад в оптическое поглощение со стороны оптических переходов электронов между локализованными состояниями, принадлежащими различным зонам пренебрежимо мал вследствие малости интегралов перекрытия волновых функций электронов, локализованных в этих состояниях.

Все перечисленные факты свидетельствуют о том, что участки зависимостей (h), обнаруженные вблизи края собственного поглощения ХГС и описываемые обычно в рамках концепции непрямых переходов, следует связывать с наличием в них “хвостов” плотности состояний, простирающихся вглубь запрещенной зоны. Такое предположение позволяет объяснить и необычайно высокий темп возрастания значений в рассматриваемой спектральной области. Это связано с тем, что вероятность оптических переходов электронов между локализованными и распространяющимися состояниями должна быть выше вероятности межзонных переходов между распространяющимися состояниями вследствие существования заметной неопределенности в величинах квазиимпульсов локализованных электронов.

Очевидно, что все явления, наблюдаемые в ХГС могут иметь место и в соединениях А52В63 вследствие специфического строения их кристаллической решетки, особенностей фазовых диаграмм и возможности интеркалирования вводимых примесей и собственных компонентов. В пользу такого предположения свидетельствуют данные, полученные в Bi2Te3.

Анализ имеющегося в литературе экспериментального материала, в том числе и данных Аустина[3], показал, что край поглощения в Bi2Te3 в области “непрямых” переходов обладает такими же особенностями, как и край поглощения в ХГС. В нем также наблюдаются заметные вариации значений и отсечек прямых 1/2(h) на оси абсцисс от образца к образцу, а экспериментальные зависимости оптического поглощения в спектральной области, соответствующей “непрямым” переходам спрямляются в урбаховских координатах. В этом плане наиболее показательными являются данные Аустина [3], самые точные из имеющихся в литературе для обсуждаемой спектральной области. Они представлены на рис. 3. Видно, что при перестроении данных Аустина в урбаховских координатах ln, h, исчезает излом зависимости 1/2(h), который интерпретировался Аустином в рамках непрямых переходов, происходящих с излучением и поглощением фонона, а сама зависимость (h) превращается в прямую.

Из всего сказанного следует, что анализ края собственного поглощения в соединениях А52В63, производимый с целью определения типа оптических переходов на пороге межзонного поглощения следует начинать с рассмотрения тех участков экспериментальны спектров, которые неаддитивны к экстраполяционным прямым 1/2(h) (см. рис. 1).

Рис. 3. Зависимости коэффициента поглощения в Bi2Te3 [3], построенные в координатах для непрямых оптических Выполненный анализ показал (рис. 4), что экспериментальные точки в указанной спектральной области спрямляются в координатах 2, h, как это должно быть в прямозонных полупроводниках с непараболической зависимостью энергии от квазиимпульса. Величины Egd во всех исследованных образцах были определены по отсечкам прямых 2(h) на оси энергий. Оказалось, что в Bi0,5Sb1,5Te3 при T=300 К Egd=(0,209±0,005) эВ.

Приведенное значение Egd получено с использованием экспериментальных данных для семи образцов с надежностью s=0,95. Величина Egd в Bi2Te3.

Очевидно, менее точна. На основании анализа экспериментальных данных, представленных в работах [4, 5], можно считать, что величина Egd в этом материале при T=300 К равна (0,16±0,01) эВ с надежностью s=0,68.

Из рис. 4 видно также, что прямые 2ext, экстраполирующие экспериментальные зависимости 2(h), в коротковолновой области спектра расположены ниже экспериментальных точек. Это позволяет считать, что исследованные спектры содержат аддитивные составляющие, связанные с оптическими переходами электронов между основным экстремумом одной из зон и дополнительным – другой. Они были выделены из экспериментальных кривых посредством вычитания поглощения ext, связанного с прямыми межзонными переходами и проанализированы Оказалось, что спектральные зависимости –ext спрямляются в координатах (–ext)1/2, h, а величины отсечек Egi(2) прямых (–ext)1/2(h) на оси абсцисс составляют 0,18 и 0,29 эВ в Bi2Te3 и Bi0,5Sb1,5Te3 соответственно. Однако при интерпретации этих данных следует учитывать, что в дополнительной подзоне также могут быть “хвосты” плотности состояний, поэтому величины энергетических зазоров, разделяющих распространяющиеся состояния основной и дополнительной подзон могут быть больше, чем Egi(2)–Egd.

Рис. 4. Зависимости 2(h) a) и (–ext)1/2(h) b) в Bi2Te3 (1) и в Литература:

1. Wang G., Cagin T. Phys. Rev. B 76, 075201 (2007).

2. Khler H. Physica Status Solidi (b), 73, 95 (1976); 74, 591 (1976).

3. Austin I.G. Proc. Phys. Soc. (London), 72, 545 (1958).

4. Greenaway D.L., Harbeke G.J. Phys. Chem. Solids. 26, 1585 (1965).

5. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. М.: Мир, 1984. Т. 2.

455 с.

6. Sher R., Testardi L.R. J. Phys. Chem. Solids. 23, 1219 (1962).

7. El-Sayed H.E.A. Applied Surface Science, 250, 70 (2005).

8. Равич Ю.И., Ефимова Б.А., Смирнов И.А. Методы исследования полупроводников в применении к халькогенидам свинца PbTe, PbSe, PbS.

Л.: ЛПИ им. М.И.Калинина, 1971. 144 с.

10. Вейс А.Н. ФТП. 16, 1128 (1982).

РАЗРАБОТКА НОВЫХ АЛГОРИТМОВ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ

ЗАЩИТ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

При разработке чувствительных дифференциальных защит трансформатора приходится решать проблемы отстройки от токов небаланса обусловленных броском тока намагничивания и внешними короткими замыканиями (КЗ). Известен ряд способов отстройки дифференциальных реле от бросков токов намагничивания, из которых наибольшее распространение получила блокировка по второй гармонике. Противоречивые требования к формированию тормозного сигнала в режимах внешних КЗ определяют многообразие этих алгоритмов. При этом наиболее эффективными являются сигналы торможения, получаемые из токов плеч дифференциальных защит. Вместе с тем на сегодняшний день все они обладают определенными недостатками, связанными в первую очередь с нелинейной зависимостью погрешностей трансформаторов тока от величины и частоты входного сигнала. С целью дальнейшего повышения быстродействия и достоверности работы релейной защиты и противоаварийной автоматики требуется разработка принципиально новых алгоритмов, основанных на контроле тока намагничивания, который определяется с использованием высокоточного математического описания силовых и измерительных трансформаторов с учетом нелинейности их параметров.

Расчет (восстановление) тока намагничивания силовых и измерительных трансформаторов осуществляется в реальном времени с привлечением разработанной на кафедре «Электрические станции и автоматизация энергосистем» нелинейной математической модели. Использование этого восстановленного сигнала позволит повысить чувствительность дифференциальной защиты и обеспечить ее правильную работу в динамических (аварийных) режимах электросети, а также при включении трансформатора на холостой ход без ее блокировки.

Предложенный алгоритм дифференциальной защиты силового трансформатора апробирован в результате компьютерных исследований переходных процессов при различных расчетных условиях (холостой ход, внешние КЗ).

Данная работа проводится в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы.

Литература:

1. Атабеков Г.И. Основы теории цепей. Учебник для вузов. М., «Энергия»,1969. 424с

ПЛОСКИЙ НИЗКОВОЛЬТНЫЙ ХОЛОДНЫЙ ЭМИТТЕР ЭЛЕКТРОНОВ

Габдуллин П.Г., Гнучев Н.М., Архипов А.В., Давыдов С.Н.

Согласно проводимым исследованиям, величина средней по поверхности плотности тока холодной эмиссии различных наноразмерных углеродных систем может достигать значений до 1 А/см2, при внешнем поле, не превышающем значения в единицы В/мкм [1]. Такие данные невозможно объяснить в рамках существующих на сегодняшний день теоретических моделей. Считается установленным, что величина работы выхода для большинства форм углерода не менее 4-4,5 эВ, при этом наблюдается эмиссия при полях, явно недостаточных (с учетом всех возможных факторов геометрического усиления) для появления автоэлектронной эмиссии.

В то же время, например, в работе [2] показано, что наблюдавшиеся величины токов для пленочной системы должны соответствовать аномально низкой работе выхода в 0,03-0,05 эВ. В большинстве опубликованных работ (например [3, 4, 5]) показано, что экспериментальные вольтамперные характеристики не описываются в рамках формализма Фаулера-Нордгейма – основной теории автоэлектронной эмиссии.

В разрез с классической теорией идут и результаты исследования полевой эмиссии образцов на основе наноразмерной углеродной пленки, выращенной на монокристаллической полупроводниковой подложке. Площадь поверхности катода, с которой отбирался эмиссионный ток, составляла 0.3 см2 при зазоре между катодом и анодом 0.5 мм. Исследования профиля поверхности полевого эмиттера с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ) показывают полное отсутствие геометрического фактора усиления приложенного поля.

Рис. 1. АСМ изображение профиля поверхности катода На рис. 1 представлен типичный участок образца размером 1*1 мкм, на котором неоднородность высот не превышает 5 нм. Тем не менее, такой образец показывает относительно высокую эмиссионную способность при экстремально низких значениях тянущего поля.

Рис. 2. Начальный участок (а) и полная вольтамперная характеристика (б) исследуемых образцов Начальный участок ВАХ, приведенный на рис. 2,а, выявляет пороговое значение тянущего поля, при котором начинается электронная эмиссия, порядка 550 В/мм. Дальнейшее увеличение прикладываемого напряжения позволяет получить плотности токов в сотни мкА/см2 при полях менее 2000 В/мм (рис. 2, б).

Литература:

1. Jean-Marc Bonard, Mirko Croci, Christian Klinke, Ralph Kurt1, Olivier Noury, Nicolas Weiss // Carbon 40, p. 1715–1728 (2002).

2. S.J. Oh, J. Zhang, Y. Cheng, H. Shimoda, O. Zhou // Appl. Phys.

Lett. 84, 3738-3840 (2005).

3. С.А. Ляшенко, А.П. Волков, Р.Р. Исмагилов, А.Н. Образцов // Письма в ЖТФ 35, (2009).

4. А.Н. Образцов, И.Ю. Павловский, А.П. Волков // ЖТФ 71, с.89- (2001).

5. В.Б. Бондаренко, П.Г. Габдуллин, Н.М. Гнучев и др. // ЖТФ 74, с. 113-116 (2004).

ЭЛЕКТРОННАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ УГЛЕРОДНЫХ НАНОСТРУКТУР,

ВЫРАЩЕННЫХ НА КРЕМНИЕВЫХ ПОДЛОЖКАХ

Габдуллин П.Г., Гнучев Н.М., Давыдов С.Н., Шахмин А.Л.

Поверхностные углеродные наноструктуры являются перспективными источниками полевой эмиссии электронов. Они могут обеспечивать стабильную эмиссию на уровне нескольких сотен мкА/см2 при относительно невысоких напряжённостях электрического поля - 1-2 кВ/мм [1].

Вместе с тем физический механизм такой эмиссии остаётся не выясненным.

В данной работе впервые проведены комплексные исследования углеродных наноструктур, выращенных на кремниевых подложках, методами электронной спектроскопии для получения сведений об электронной структуре поверхности таких объектов. Измерения проводились на фотоэлектронном спектрометре фирмы SPECS методами рентгеновской (РФЭС) и ультрафиолетовой фотоэлектронной спектроскопии. Исследовались два образца с кристаллической ориентацией подложки (100) и (111).

Во втором случае толщина углеродного слоя оказалась заметно больше, чем в первом при одинаковых условиях осаждения.

Анализ результатов показал, что электронное строение поверхностного углерода имеет сложный характер, не одинаковый для исследованных образцов. Линии С1s в спектрах РФЭС имеют различную тонкую структуру. Для системы С - Si(100) имеются три составляющих, а для образца С - Si(111) – четыре составляющих основного пика фотоэлектронов.

Каждая из составляющих соответствует различным химическим состояниям углерода. Энергетическая структура валентной зоны также не одинакова: в первом случае она подобна структуре монослоя графита, во втором случае она заметно отличается как от данных для монослоя графита, так и для пирографита. [2]. Прямой взаимосвязи между различием в электронной структуре и эмиссионной способностью не обнаруживается: в обоих случаях уровень полевой эмиссии находился в пределах нескольких сотен мкА/см2. Таким образом, на поверхности полупроводниковых кристаллов различной ориентации сформировались эмиссионно-активные системы с примерно одинаковыми эмиссионными свойствами. Отличительной особенностью таких систем – по данным атомно-силовой микроскопии – является отсутствие микронеровностей на поверхности, которые могли бы быть центрами полевой эмиссии за счёт локального усиления электрического поля. Поэтому вопрос обнаружения взаимосвязи между электронной структурой таких слоёв и их эмиссионной активностью остается актуальным, и исследования в этом направлении будут продолжены.

Литература:

1. Бондаренко В.Б., Габдуллин П.Г., Гнучев Н.М., Давыдов С.Н. Научно-технические ведомости СПбГПУ, № 3, 2008, с. 164-169.

2. Бржзезинская М.М., Байтингер В.И, Кормилец В.И. ФТТ, 41, (1999).

ИССЛЕДОВАНИЕ НАНОДИСПЕРСНЫХ МОДИФИКАТОРОВ

СВОЙСТВ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

ЯДЕРНО-ФИЗИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

На реологические, прочностные и эксплуатационные свойства различных строительных материалов, например, бетонов и бетонных смесей, положительно сказывается применение нанодисперсных модифицирующих добавок техногенного происхождения (шламовых отходов процессов водоочистки, водоподготовки и водоумягчения промышленных предприятий), приводящее к изменению структуры конструкционных материалов на надмолекулярном уровне.

Образцы шламов исследовались методом малоуглового рассеяния нейтронов с помощью дифрактометра «Мембрана-2», установленного на реакторе ВВР-М ПИЯФ. Длина волны нейтронов = 0,3 nm, ширина линии / = 0,3. Диапазон переданных импульсов q = (4 / )sin( /2) от 0,03 nm-1 до 0,8 nm-1. Рассеянные нейтроны регистрировались детектором, состоящим из 41 3Не-счетчика, в интервале углов 2° 2°.

Сечения рассеяния, отнесенные к единице объема вещества и к единичному телесному углу, как функции переданного нейтронного импульса q получались из экспериментальных спектров с учетом фона и вклада прошедшего через образец пучка без взаимодействия с ним (трансмиссии) при нормировке данных на интенсивности рассеяния для стандартного образца известного сечения (1 мм H2O). С помощью Фурьепреобразования (пакет программ ATSAS) из полученных экспериментальных данных для сечений рассеяния нейтронов восстанавливались распределения рассеивающих объектов в приближении однородных сфер.

Распределения по радиусам рассеивающих надмолекулярных структур, как у влажных, так и высушенных образцов оказались одинаковы. Добавка несвязанной воды не меняет структуру материала, что свидетельствует о его стабильности при различных условиях.

В образцах с разной вероятностью присутствуют структуры различных размеров. Средний радиус рассеивающих структур для образцов шламов, образованных при различных условиях, оказался в пределах от 30 до 60 nm. Это подтверждает наблюдаемое на практике влияние шламов, как нанодисперсных модифицирующих добавок, на свойства композиционных строительных материалов.

О ДИСПЕРСНОСТИ БРЫЗГОВОГО ОБЛАКА, ОКРУЖАЮЩЕГО

АМФИБИЙНОЕ СУДНО НА ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКЕ (ВП)

Вопросам исследования дисперсности жидкой среды в струе газа посвящено большое количество работ [1]. Их целью была выработка оптимальных способов распыления жидкого топлива, подаваемого в камеры сгорания дизельных и карбюраторных двигателей, газовых турбин и ракетных двигателей. Все выполнявшиеся работы были посвящены анализу экспериментальных материалов и подбору эмпирических формул, позволяющих аналитически описывать дисперсность жидкой среды в струе газа.

Аналогичная задача возникает при рассмотрении взаимодействия струи воздуха, выносимой из области ВП, с волнами на ее склоне. При этом происходит разрушение водной поверхности и образование облака брызг, которое окружает судно и затрудняет его эксплуатацию. Для совершенствования средств защиты судна от морской воды необходимо знать параметры облака - распределение воды по высоте вокруг судна q(H) и дисперсность этой водной среды, т.е. математическое ожидание линейных размеров капель на разных высотах mH и величины среднеквадратичных отклонений от среднего размера капель. Для решения этой задачи разработана методика [2], позволяющая рассчитать скорости капель различного радиуса r на выходе в атмосферу и высоту их подъема H над уровнем моря, т.е. rH. Полная величина объема воды, вынесенной струей воздуха из ВП qm, определяется на основании экспериментальных результатов [3].

Для определения доли общего количества выброшенной из ВП воды, содержащейся в каплях радиуса, меньше данного, модифицирован закон Розина – Раммлера S(rH). Используя соотношение q(H) = S(rH) qm, можно установить распределение воды в облаке по высоте над уровнем моря.

В основу расчета mH и DH положена гауссова кривая распределения плотности вероятности числа капель по размерам с учетом того, что часть капель выпадает из общего объема воды на малых высотах подъема.

1. Лышевский А.С. Распыливание топлива в судовых дизелях. Л, Судостроение, 1971.

2. Дьяченко В.К., Дьяченко Н.В.Методика расчета параметров облака брызг, окружающих амфибийное судно на воздушной подушке при парении над поверхностью воды. Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. СПб., вып. 49(333), 2009, с. 111.

3. Аносов В.Н., Дьяченко Н.В. Расчет количества воды, выносимой в атмосферу струей воздуха из воздушной подушки. Там же, с.123.

ПОЛУПРОВОДНИКИ В КУРСЕ ФИЗИКИ ИНЖЕНЕРНОГО ВУЗА

Изучение основ физики полупроводников и принципов действия основных видов полупроводниковых приборов имеет важное значение для подготовки будущего инженера любого профиля. В числе таких приборов:

полупроводниковые диоды – выпрямители; транзисторы, предназначенные для генерирования и преобразования электрических колебаний; термисторы, использующие для измерения температуры зависимость электропроводности от температуры; тиристоры, обеспечивающие скачкообразный переход из состояния с низкой проводимостью в состояние с высокой проводимостью; полупроводниковые лазеры на гетеропереходах и др.

Для энергообеспечения за счет энергии солнечного излучения применяются солнечные батареи – полупроводниковые генераторы, непосредственно преобразующие энергию Солнца в электрическую на основе использования явления внутреннего фотоэффекта. Таким образом, например, осуществляется энергообеспечение космических станций и объектов на Земле.

Качественным отличием полупроводников от проводников, их наиболее существенной особенностью является изменение свойств полупроводников в широких пределах под влиянием различных воздействий: температуры, освещенности, электрических и магнитных полей и других факторов.

Научной основой физики полупроводников является зонная теория твердых тел. Изложение основ данной теории только на лекциях, связанно с определенными трудностями, поэтому она включена в темы семинарских и лабораторных занятий.

Лабораторный практикум ВИТУ содержит цикл работ по физике полупроводников для второкурсников. В нем исследуются характеристики полупроводниковых выпрямителей, транзисторов и зависимость сопротивления полупроводников от температуры.

ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ КОНСТАНТА СКОРОСТИ В

ФИЗИКЕ НЕНЬЮТОНОВА ВРЕМЕНИ

Московский государственный университет инженерной экологии Обобщение классической равновесной и линейной неравновесной термодинамики на основе введения неньютонова времени [1] позволяет активное вовлечение термодинамических методов в современную фундаментальную физику (см. тезисы докладов в аналогичных сборниках 2007гг.). В настоящем докладе обсуждаются особенности фундаментальной константы скорости в новом обобщении – физике неньютонова времени.

Теоретическим ядром новой физической версии является элементарная термодинамическая ячейка, как альтернатива традиционной материальной точке. Новая концепция идейно близка к современным струнным теориям, где основным теоретическим элементом выступает ячейка с планковскими масштабами. Различие подходов связано с тем, что термодинамическая ячейка формулируется на основе соотношений неопределенностей квантовой механики и гипотезе о существовании макроскопического кванта энтропии. В основе же существующих в физике планковских параметров лежит полуэмпирический метод размерностей, строгий лишь с точностью до безразмерного множителя. Примечательно, что на основе рассматриваемой концепции планковские масштабы выводятся аналитически с получением недостающего безразмерного коэффициента.

При этом такой вывод сопровождается введением неньютонова необратимого времени и решением проблемы квантовой гравитации на основе суперсимметрии [1].

Параметры элементарной макроячейки с радиусом r c t c / 2kT описание макроячейки приводит к обобщению уравнений Максвелла с приводит к пространственному электрическому и магнитному векторному скорость частиц в макроячейке, m масса макроячейки [1]. Под магнитными зарядами понимаются ненаблюдаемые, но реальные (виртуальные) монополи. Введение новых соотношений термо-электромагнитного характера, как показывает анализ, снимает необходимость привлечения калибровочных полей и освобождает теорию от перенормировок.

Фундаментальность электрического объемного заряда проявляется через определение основания натуральных логарифмов как отношения q / g, где g константа слабого взаимодействия. Отношение других двух зарядов можно вычислить (eo / g ) 2 (eeo / q ) 2 0.21568 [1,c.68] и сравнить с известным в физике лишь из эксперимента отношением (eo / g ) 2 0.215 [2], проведя тем самым верификацию теории.

Наконец отношение ещё двух фундаментальных зарядов и силовых подлинный смысл константы с, как фундаментальной характеристики пространственно-временной метрики физического вакуума, лишь формально совпадающий с размерностью скорости. Этот вывод проясняет явление независимости «скорости света» от скорости движения его источника. Отсюда же появление в обобщенной термодинамике ньютонового дальнодействия, ограниченного только недостижимостью нулевой термодинамической температуры c t. Дальнодействие здесь осуществляетL ся за счет свойств метрики при с const (см., например, значение элементарного интервала времени t при T 0 ).

Таким образом, привлечение обобщенной термодинамики к фундаментальной физике приводит к противоречию с основным принципом ОТО об относительности одновременности!

Литература:

1. Майков В.П. Расширенная версия классической термодинамики — физика дискретного пространства-времени. МГУИЭ, Москва (1997).

http://maikov.chat.ru/russian/evt/book/bookr.htm 2. Биленький С.М. Вайнберга угол. Физическая энциклопедия, т. 1, Советская энциклопедия, Москва (1988), с. 234.

ОБ ОДНОЙ ФУНДАМЕНТАЛЬНОЙ АНАЛОГИИ

Московский государственный университет инженерной экологии Ярославский государственный технический университет В настоящее время, по мнению авторов, в физике развивается новая парадигма, которая обобщает классическую равновесную термодинамику и линейную область неравновесной термодинамики на основе гипотезы о существовании в Природе не только кванта энергии, но и макроскопического кванта энтропии равного постоянной Больцмана [1]. Привлечение к этой гипотезе соотношений неопределенностей квантовой механики позволяет получить характерный минимальный макроскопический, или максимальный микроскопический, объём – термодинамическую элементарную макроячейку, параметры которой определяются только температурой.

Макроячейка выступает основным элементом теории.

В масштабах макроячейки математические дифференциально малые величины можно трактовать термодинамическими предельно малыми с вычислением их значений. При этом, в рамках новой парадигмы макроячейка феноменологически может быть представлена в трёх связанных микроструктурах (стратах):

как термодинамически элементарный цикл Карно, в котором разностью температур выступает квантовое рассеяние термодинамической температуры;

как элементарный объёмный резонатор, без привлечения калибровочных полей и без возникновения первичных расходимостей;

как суперсимметричная система с объединением бозонов и гравитонов в концепции квантовой гравитации.

Раскрытие сущности квантовой гравитации позволяет решить проблему времени и сопровождающую её проблему «стрелы времени». Физическое время – осреднённая, интегративная мера изменчивости, порождаемая квантово-релятивистской природой фундаментального элементарного термодинамического уровня материи, где время необратимо, дискретно и динамически-эволюционно.

Новая парадигма позволяет выйти на новую область физики – термодинамическую космологию с термодинамическим доказательством вечности Вселенной. Из этой парадигмы вытекает несколько неожиданный вывод. Если фундаментальную физику отнести к элементарному макроскопическому уровню, то можно заключить, что для фундаментального описания основных законов неживой природы достаточно всего лишь обобщения равновесной и линейной неравновесной термодинамики. Тогда возникает вопрос, что же скрывается в области очень далёкой от равновесного состояния? Один из авторов полагает, что там лежит качественно иная область – физика жизни.

Интересный пример влияния явления дискретности вдали от равновесия был найден при энтропийно-информационном анализе процесса разделения многокомпонентных систем методом ректификации. На рис.

представлена зависимость суммарной информационной энтропии выходных потоков двухпродуктовой ректификационной колонны от относительного отбора верхнего продукта (дистиллята). Расчёт выполнен для двух типов модельных смесей равномерно распределённого состава: дискретной десятикомпонентной и аналогичной по свойствам непрерывной (состоящей из бесконечно большого числа микрокомпонентов) в равновесных условиях ( 1 ) и очень удалённых от равновесного состояния ( 100 ). Здесь – обобщённая координата процесса, характеризующая удаленность системы от равновесия [2]. Видно, что явление дискретности качественно изменяет поведение системы в области далёкой от термодинамического равновесия.

Рис. Зависимость энтропии выходных потоков колонны от относительного отбора дистиллята Литература:

1. Майков В.П. Расширенная версия классической термодинамики – физика дискретного пространства-времени. – М.: МГУИЭ, 1997. – 160 с.

2. Балунов А.И., Майков В.П. Энтропия и информация в теории ректификации. Известия вузов. Химия и химическая технология. 2003. Т. 46.

Вып. 9. – С. 54-67.

ДОЗИМЕТРИЧЕСКАЯ ПОДГОТОВКА СИСТЕМЫ

ПЛАНИРОВАНИЯ ДИСТАНЦИОННОЙ ЛУЧЕВОЙ ТЕРАПИИ

В работе описана процедура дозиметрической подготовки трехмерной системы планирования дистанционной лучевой терапии XiO, проведенная на этапе ввода в эксплуатацию линейного ускорителя электронов Oncor Avant-Garde. Для дозиметрических измерений применялись система Blue Phantom с механизмом 3-х мерного сканирования и программным обеспечением OmniPro; наперстковые водонепроницаемые ионизационные камеры СС13, графитовая фармеровская камера FC65-G, плоскопараллельные ионизационные камеры маркусовского типа PPC-05 и PPC-40, клинический дозиметр Dose-1.

Для инсталляции дозиметрических данных в систему планирования были измерены диагональные профили для пучков фотонов с энергией 6 МВ на глубинах 0.0-30.0 см для квадратных полей 5х5-35х35 см2, с энергией 18 МВ – на глубинах 1.2-30.0 см для полей 10х10-30х30 см2. Измерения проводятся при РИП=100 см. Снимаются прямые профили для такого же набора полей на глубинах максимума ионизации и 5.0-30.0 см. Для пучков электронов измеряются профили для аппликаторов 10х10-25х25 см2, при РИП=100-115 см для различных наборов глубин в зависимости от энергии пучка. Глубинные распределения дозы для пучков фотонов измеряются при РИП=100 см для полей 3х3-40х40 см2, а для пучков электронов – при РИП=100-115 см для размеров аппликаторов 10х10-25х25 см2.

И для фотонных и для электронных пучков проводятся абсолютные измерения поглощенной дозы в воде, по которым впоследствии производится калибровка мониторных единиц линейного ускорителя. Для фотонов различной энергии абсолютная доза измеряется фармеровской ионизационной камерой на референсной глубине 10 см при РИП=90, для электронов – маркусовской ионизационной камерой на глубине 1,6-5,4 см в зависимости от энергии пучка. Также проводится ряд абсолютных измерений для характеризации рассеивающих факторов, физических и виртуальных клиньев. Механические характеристики ускорителя, в частности, параметры многолепесткового коллиматора, предустановлены в систему планирования XiO и не требуют дополнительных замеров.

При сопоставлении протоколов дозиметрической подготовки систем планирования XiO и Oncentra Master Plan было выявлено, что набор измеряемых параметров аналогичен, но для системы Oncentra Master Plan дополнительно снимается звезда профилей с шагом 1 для фотонных пучков, с применением реальных клиньев и без них, кроме того снимаются профили пучков для малых полей и профили электронных пучков без аппликатора.

ИМПУЛЬСНЫЙ МАГНИТООПТИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ КЕРРА

Существует методика исследования магнитных свойств материалов, основанная на магнитооптическом эффекте Керра, который заключается в изменении поляризации света, отраженного от поверхности намагниченного образца. Регистрируя изменение поляризации отраженного света, можно говорить о магнитных характеристиках исследуемого материала.

Основная проблема реализации данной методики заключается в невозможности намагничивания магнитожестких материалов постоянным током. Создавать сильные поля постоянными токами практически невозможно, так как подобные системы намагничивания были бы чрезвычайно громоздкими, требовали бы постоянного охлаждения.

Авторами был разработан импульсный метод изучения магнитных свойств материалов, в основе которого лежит возможность получения необходимых больших полей с использованием простой системы, токи намагничивания в которой могут достигать ~ 500 А. Ещё одним преимуществом созданной системы является возможность её использования внутри вакуумной камеры при намагничивании магнитожестких материалов, которые слабыми полями намагнитить невозможно.

Система состоит из цифрового осциллографа, генератора сигналов PCG10/8016, синхронизированного с генератором тока намагничивания, и блока намагничивания. Исследование магнитных свойств материалов производится по стандартной методике меридианального магнитооптического эффекта Керра.

Суть метода импульсного намагничивания заключается в следующем: исследуемый образец намагничивается короткими импульсами тока большой амплитуды (~ 10 – 500 А) для создания сильных магнитных полей. Данная методика позволяет избежать перегрева элементов системы и получить поля, необходимые для намагничивания образцов до насыщения.

Изменение направления тока приводит к полному перемагничиванию. В результате получаются данные о зависимости остаточной индукции от величины амплитуды импульсного тока, на основании которых в дальнейшем можно восстановить вид кривых намагничивания.

В качестве тестовых образцов были исследованы как магнитомягкие (металлическое стекло 71КНСР, трансформаторное железо Э320), так и магнитожесткий (сталь-10) материалы, намагничиваемые вдоль поверхности.

КОМПЛЕКСНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОННЫХ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ

РЕСУРСОВ ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫХ ДИСЦИПЛИН ДЛЯ

ПОДГОТОВКИ СПЕЦИАЛИСТОВ В

ОБЛАСТИ ВЫСОКИХ ТЕХНОЛОГИЙ

Современное состояние промышленного производства в России требует его модернизации и все более квалифицированного кадрового обеспечения. Инновационный характер развития экономики России предусматривает достижение высокого уровня развития производственных технологий. Поэтому перед техническими вузами встает задача поиска наиболее эффективных методов подготовки инженерных кадров и переподготовки работников различных отраслей для инновационного производства.

ГОУ ВПО «СЗТУ» специализируется на подготовке инженерных кадров широкого профиля без отрыва от производства на базе концепций непрерывного обучения и комплексирования классических и информационных обучающих технологий. Подготовка специалистов в области высоких технологий предполагает системное внедрение столь же инновационных технологий в области образования и возможна только на хорошей естественнонаучной базе. Фундаментальный характер дисциплин подразумевает обязательный учет профессиональных интересов обучаемых, практико-ориентированный подход к обучению, непосредственную связь учебного материала с профессиональными компетенциями обучаемых.

Обеспечить требуемый уровень подготовки можно лишь при высокой степени самостоятельности обучаемых, интерактивности учебного процесса. С этой целью в ГОУ ВПО «СЗТУ» созданы комплексы электронных образовательных ресурсов учебных дисциплин естественнонаучного профиля. В их числе учебные ресурсы образовательного сектора Интернет-пространства, электронные контенты, построенные путем модульного структурирования учебного материала, размещенные в программной среде MOODLE, лекционные курсы на CD и DVD, в свободном доступе на Интернет-порталах (в частности на YouTube), виртуальные лабораторные практикумы, система компьютерного тестирования. Студенты имеют возможность оперативно получать индивидуальные консультации преподавателей через Интернет (e-mail, Skype, чаты и форумы на портале университета www.nwpi.ru, на учебном сайте www.student.nwpi.ru). Многообразие информационных ресурсов и свободный доступ к ним позволяют студентам самостоятельно проектировать свою траекторию обучения, работать в оптимальном для них режиме, учитывать свои профессиональные интересы.

БАРЬЕРЫ ШОТТКИ AL/In2Se3: ПОЛУЧЕНИЕ И

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Настоящая работа посвящена разработке и первым исследованиям фотоэлектрических свойств барьеров Шоттки Al/n-In2Se3.

Методом направленной кристаллизации расплава были выращены монокристаллы бинарного соединения In2Se3, определены состав полученных кристаллов и их структура.

Из измерений эффекта Холла определены тип проводимости, концентрация и холловская подвижность свободных электронов в полученных монокристаллах, на которых разработаны первые фоточувствительные барьеры Шоттки Al/In2Se3 и определены их фотоэлектрические свойства.

Для лучших поверхностно–барьерных структур Al/n-In2Se3 максимальная вольтовая фоточувствительность Sum 500 В/Вт при Т=330 К, что существенно превышает имеющиеся результаты [1].

Установлено, что указанные барьеры могут использоваться при создании широкополосных фотопреобразователей оптических излучений на основе монокристаллов In2Se3.

1. Г.А. Ильчук, В.В. Кусьнеж, Р.Ю. Петрусь, В.Ю Рудь, Ю.В. Рудь ФТП. 41, (2007) 53 -58.

ДВУМЕРНЫЙ ПРОСТРАНСТВЕННО-ОГРАНИЧЕННЫЙ

КВАНТОВЫЙ ОСЦИЛЛЯТОР

Квантовые волноводы как составные элементы наноприборов и микрокомпьютеров широко исcледуются во всем мире. Несмотря на их размах, эти исследования все еще носят ограниченный характер как в плане постановок физических задач, так и в численном моделировании. Необходим переход от стационарных задач к нестационарным для систем различной размерности. По существу, надо разработать теорию колебаний и волн квантовых систем. Как известно, для классических систем такая проблема была успешно решена в XX веке.

В настоящем докладе представлены результаты численного интегрирования нестационарного двумерного уравнения Шредингера для пространственно ограниченного квантового осциллятора. Свойства такого осциллятора определяются полиномиальным потенциалом, зависящим от двух координат в прямоугольной области. На границах области задается внешний скачкообразный потенциал, который образует потенциальную яму с непроницаемыми стенками. Для анализа формируется начальное условие в виде гауссова пакета с ненулевой средней скоростью или ненулевой средней координатой. На границе области волновая функция равна нулю во все моменты времени. Ширина начального пакета много меньше размера ямы. В том случае, когда полиномиальный потенциал представляет сумму двух слагаемых, пропорциональных квадрату координат, а квантово-механические средние значения координат много меньше размеров ямы, влияние стенок на колебания становится несущественным. В этом случае мы имеем режим колебаний двумерного квантового гармонического осциллятора. Фурье-преобразование для среднего значения координаты содержит пик, соответствующий частоте колебаний вдоль данной координаты. Здесь, как и для одномерного квантового осциллятора выполняется принцип соответствия.

Если полиномиальный потенциал содержит дополнительное слагаемое, пропорциональное произведению координат, мы переходим в режим связанных колебаний. В режиме малых колебаний изучены их свойства, обусловленные связью между ними. Характерные частоты хорошо согласуются с частотами соответствующей классической задачи. Однако, если амплитуда становится соизмерима с полуразмером ямы, влияние стенок становится существенным и картина колебаний усложняется.

УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ

ИНТЕРФЕРОМЕТР ДЛЯ КОНТРОЛЯ ТОЛЩИНЫ

ЖИДКИХ И ТВЕРДЫХ ПЛЕНОК

Федорцов А.Б., Иванов А.С., Чуркин Ю.В., Гончар И.В.

Проведена модернизация лазерного интерферометра для контроля толщины жидких и твердых пленок [1,2]. Была произведена замена в оптической схеме прибора эллиптических зеркал на сферические, что позволило снизить его стоимость и улучшить качество оптического тракта.

Также, была изменена электронная схема обработки сигнала для сопряжения прибора с ПК. Применение современной элементной базы и оригинальных схемных решений дало возможность повысить точность измерений, уменьшить массогабаритные параметры и снизить энергопотребление прибора.

Аналоговый сигнал с фотоприемника поступает на схему преобразования в стандартные ТТЛ-уровни цифрового сигнала для дальнейшей обработки микроконтроллером, на котором реализованы: модуль высокоточного таймера, контроль ошибок, и схема универсального синхронно – асинхронного передатчика для пересылки данных на ПК. Используется стандартный интерфейс RS-232, как распространенный и надежный. Однако, не исключена возможность использования и шины USB, завоевавшей на данный момент большую популярность.

Окончательная обработка данных производится на ПК. Для этого разработан алгоритм взаимодействия с прибором, при помощи среды разработки Delphi написана программа, работающая под управлением операционной системы Windows, как самой распространенной операционной системы (ОС) на сегодняшний день. Также, возможна реализация программы обработчика и для семейства UNIX-подобных ОС, например LINUX, с использованием среды Kylix, почти не требующая переделки.

В результате получена возможность использования прибора, как аппаратно-программного комплекса, не только с компьютерами, работающими под управлением ОС Windows, но также совместно с ПК, работающими под управлением семейства UNIX-подобных ОС, также используемыми в промышленности.

Литература:

1. A.B. Fedortsov, D.G. Letenko, Yu.V. Churkin, I.A. Torchinsky, and A.S. Ivanov., Rev of Sci Instrum Vol. 63, No 7, July 2. Л.М. Цинципер, А.Б. Федорцов, Д.Г. Летенко., Приб. и техн. экспер-та, 1996, №

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ

ПРОЦЕССОВ В СТРУКТУРАХ

МЕТАЛЛ-ДИЭЛЕКТРИК-ПОЛУПРОВОДНИК

ПРИ ПОМОЩИ ЛАЗЕРНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

Федорцов А.Б., Иванов А.С., Чуркин Ю.В., Манухов В.В.

В настоящее время теория расчета дисперсионных сил (сил Ван-дерВаальса и Казимира) применительно к реальным наноструктурам недостаточно хорошо разработана. Однако учет этих сил необходим для создания технических устройств, имеющих размеры менее 100нм [1]. Для развития и применения теории дисперсионных сил необходимо экспериментальное исследование зависимости комплексной диэлектрической проницаемости от частоты в широком диапазоне концентраций носителей заряда. Для исследования комплексной диэлектрической проницаемости полупроводника эффективны лазерно-интерферометрические методы. Однако при высоких концентрациях электронов зондирующий луч сильно поглощается в полупроводнике. Резко снизить потери мощности зондирующего луча можно, если высокую концентрацию электронов создать в очень тонком инверсном слое у поверхности полупроводника при приложении поперечного электрического поля к структуре металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-структуре). При работе с МДП-структурами возникает необходимость работы «на отражение». При этом измерения необходимо проводить при разных углах падения зондирующего луча. Нами была разработана специальная оптическая схема для изменения угла падения луча лазера на поверхность образца с последующей регистрацией отраженного луча.

Данная схемы разработана на основе созданного нами ранее устройства [2], позволяющего изменять угол падения на образец на 65. В предлагаемом устройстве вместо малодоступных и дорогих эллиптических зеркал используются зеркала сферические. Прибор позволяет изменять угол падения луча лазера на неподвижный образец на 40 с последующей регистрацией отраженного луча. Важным достоинством схемы является возможность быстрого (порядка 1мс) изменения угла в пределах рабочего диапазона.

Литература:

1. M. Borolag, G.L. Klimchitskaya, V. Mohideen, V.M. Mostepanenko, Advances in the Casimir effect.// Oxford, Oxford University Press, 2009.

2. Fedortsov A.B., Letenko D.G., Churkin Yu.V. et al. // Rewiew of scientific instruments. T. 63, № 7. C. 3597–3582. 1992.

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИСПЕРСИОННЫХ СИЛ В

НАНОРАЗМЕРНЫХ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ

Федорцов А.Б., Климчицкая Г.Л., Чуркин Ю.В., Юрова В.А.

Требования по сокращению габаритов и энергопотребления электронных устройств привели в настоящее время к уменьшению размеров элементов до десятков, а порой единиц нанометров. В этом диапазоне проявление дисперсионных сил становится преобладающим по сравнению с классическими электромагнитными силами. Влияние дисперсионных сил на работу микроэлектронных устройств ранее не исследовалось, однако исследования в наноэлектротехнике показали, что именно дисперсионные силы ответственны за ”схлопывание“ микроконденсаторов. Следовательно, разработка элементов электронной техники требует глубокого исследования данных сил.

Для вычисления величины давления силы Казимира используются различные модели расчетов, содержащих экспериментальные данные о вещественной и мнимой частях диэлектрических проницаемостей материалов рассматриваемых структур. В представленной работе проводились расчеты величины давления, создаваемого силой Казимира, на слой диэлектрика в структуре металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) по модифицированной формуле Лифшица с использованием поправки, связанной с дисперсией диэлектрических проницаемостей материалов структуры. Эта структура представляет собой монокристалл полупроводника, на поверхности которого формируется тонкий диэлектрический слой, поверх которого наносится электрод из алюминия или другого металла.

Расчеты показывают, что казимировское давление на слой диэлектрика в МДП-структурах на основе кремния увеличивается при уменьшении толщины этого слоя. При изменении толщины от 80 нм до 40 нм величина давления возрастает от 5,5 Па до 67,3 Па, то есть увеличивается в 12 раз. При дальнейшем уменьшении толщины диэлектрического слоя следует ожидать дальнейшего резкого увеличения этого давления.

Таким образом, роль казимировских сил в наносистемах может быть существенной. Поэтому для учета дисперсионных сил в работе электронных элементов необходимо детально исследовать эти силы, используя в качестве примера расчета реальные материалы в реальных конфигурациях и режимах работы.

ЛАЗЕРНЫЙ «ТАУМЕТР» ДЛЯ СТРУКТУР

МЕТАЛЛ-ДИЭЛЕКТРИК-ПОЛУПРОВОДНИК

Федорцов А.Б., Чуркин Ю.В., Иванов А.С., Аникеичев А.В.

Создание новых полупроводниковых материалов, приборов и технологических процессов вызывает потребность в современных методах исследования рекомбинационных параметров полупроводников, главным из которых является время жизни носителей заряда: электронов и дырок.

Современные методы измерения времени жизни носителей заряда должны быть неразрушающими и локальными. Именно такими являются методы лазерной интерферометрии. Использование интерференционных эффектов лазерного излучения по сравнению с другими методами позволяет получить более детальные сведения о рекомбинационных характеристиках полупроводников.

Целью данной работы является разработка физического принципа работы лазерного «тауметра» для исследования реальных полупроводниковых структур. Традиционно в методах лазерной интерферометрии генерация неравновесных носителей в полупроводниковом образце осуществляется оптически с помощью коротковолнового инжектирующего облучения образца. Однако для оценки работы некоторых приборов, например, мощных тиристоров необходимо измерение времени жизни носителей при высоком уровне инжекции. При этом область повышенной концентрации неравновесных носителей имеет большую величину, а это увеличивает поглощение в полупроводнике зондирующего излучения, что «губит» интерференцию и делает лазерно-интерференционный метод не применимым. Поэтому этот метод требует модернизации.

Мы положили в основу разрабатываемого «тауметра» создание неравновесных носителей заряда в приповерхностном слое полупроводникового материала с помощью поперечного электрического поля в структуре металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) на основе исследуемого материала и зондирование полученной МДП-структуры длинноволновым лазерным излучением. Это позволяет, изменяя концентрацию носителей, исследовать рекомбинационные характеристики полупроводника в тонком приповерхностном слое толщиной в десятки нанометров.

ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ КАК ИМИТАЦИОННАЯ

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ФИЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ

Анализ положений основы современной физики - теории относительности - показывает, что эта теория является по существу не физической, а чисто математической теорией так как в ней во многих случаях необходимость проведения экспериментов заменяется математическими спекуляциями, среди них: a) использование нефизических понятий таких как пространство, время, поле, инвариант, наблюдатель; б) использование математических операций без установления их физического содержания: калибровки, перенормировки; в) постепенная «эрозия» классических физических понятий таких как длина, масса, энергия, импульс, время, из-за чего нарушается принцип соответствия классической и релятивистской физики, несмотря на чисто формальное совпадение формы уравнений при предельном переходе, когда скорость света устремляется к бесконечности.

Однако, по-видимому, основным пороком современной физической парадигмы является неправомерная подмена экспериментального физического принципа относительности математическим условием инвариантности уравнений относительно преобразований координат. Эта проблема впервые возникла в связи с работами французского математика А. Пуанкаре. Действительно, преобразования Галилея (не принадлежащие Галилею) свидетельствуют о неравноправности наблюдателей, то есть эти преобразования противоречат принципу относительности Галилея, что, однако, характерно и для преобразования Лоренца. Инвариантность формы математических уравнений относительно преобразований координат не имеет прямого отношения к чисто экспериментальному принципу относительности. Действительно, уравнение – это математическая абстракция, некоторое обобщение и непосредственно в природе не наблюдается. Сопоставить с экспериментом можно лишь конкретные решения уравнений, но некоторые из этих решений могут вообще не иметь физического смысла. И поскольку специальная теория относительности построена на условии инвариантности уравнений физики к преобразованиям координат Лоренца, она не имеет отношения к экспериментальному принципу относительности Галилея, не вскрывает причинно-следственные связи при взаимодействии быстро движущихся природных объектов и по существу является лишь имитационной математической моделью реальности.

Поэтому в физике сейчас идет процесс создания новой, можно сказать пострелятивистской электродинамики, свободной от этих недостатков. Адекватную реальности физическую теорию отражения движения предложил во второй половине прошлого века проф. СПбГПУ А.А. Денисов. В работах данного автора наглядно показано, что в электродинамике все экспериментальные эффекты, возникающие при быстром относительном движении взаимодействующих тел, связаны с искажением информации о положении и скорости этих тел из-за конечной скорости распространения электромагнитных волн. Причем, так же как и в классической механике Галилея-Ньютона при допущении существования светоносной промежуточной среды (физического вакуума) не требуется никаких дополнительных релятивистских гипотез о сокращении тел, замедлении времени и увеличении массы, что удовлетворяет принципу Оккама.

ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ

ЕДИНИЧНОГО БАРЬЕРНОГО МИКРОРАЗРЯДА

В процессе развития техники было изучено большое число режимов известных форм газового разряда. Количество газоразрядных режимов постоянно растет, по мере появления новых приложений. В настоящее время ведутся активные исследования барьерного разряда – разряда в газовом промежутке, осложненного накоплением заряда на поверхности диэлектрического электрода. Такой тип разряда (используемый в озонаторах, плазменных панелях) является одним из видов частичных разрядов (ЧР) в высоковольтной электрической изоляции.

В настоящее время не существует технологии производства органической изоляции, которая позволяла бы получить структуру материала, не содержащую пор и расслоений. Поэтому ЧР всегда присутствуют в электроизоляционных конструкциях и являются основной причиной их разрушения.

В физике газового разряда уделено недостаточно внимания изучению механизмов развития разряда в коротких (субмиллиметровых) промежутках, в основном исследовались средние и длинные промежутки: порядка единиц миллиметров – интерес процессы, развивающиеся в субмилли-метровых промежутках, т.к.

характерные дефекты в изоляционных конструкциях составляют доли миллиметров. На рис. представлена зависимость напряжения начала первого разряда от размера воздушного промежутка для системы «игла – воздушный зазор – диэлектрический барьер – плоскость». Кривая, соответствующая положительной полярности иглы, лежит существенно выше кривой, соответствующей отрицательной полярности иглы. Такое взаимное расположение кривых имеет характер противоположный известным закономерностям для воздушного промежутка более 1 см. В зависимости от величины воздушного промежутка, материала барьера и полярности иглы, наблюдалось несколько механизмов разряда: одиночный стример (ток до 50 мА, длительность – 7-15 нс), одиночная лавина (длительность – 100нс), стример + серия лавин и многолавинный механизм (импульсы Тричела). Отмеченные особенности могут быть связаны с изменением типа и времени развития разряда в субмиллиметровых промежутках.

РАССЕЯНИЕ ИМПУЛЬСНОГО МАГНИТНОГО

ПОЛЯ НА ПРОВОДЯЩЕЙ ОБОЛОЧКЕ

Значительный интерес в различных областях прикладной электродинамики представляют задачи рассеяния электромагнитного поля на проводящих и диэлектрических слоях и оболочечных структурах достаточно сложной геометрической формы. К таким областям относятся: геологоразведка, дефектоскопия и ряд других. При этом во многих случаях объект исследования с хорошей точностью может быть аппроксимирован сфероидальной оболочкой.

При рассеянии импульсного электромагнитного поля на оболочке основной информативной величиной, включающей в себя электродинамические и геометрические параметры рассеивателя, является постоянная времени затухания рассеянного поля.

В работе получено выражение для постоянной времени затухания импульсного магнитного поля, рассеянного на тонкой проводящей слабомагнитной оболочке постоянной толщины сфероидальной формы.

Ранее нами [1], в низкочастотном приближении с помощью интегральных уравнений, были получены явные выражения для рассеянного гармонического однородного поля на сфероидальной оболочке постоянной толщины.

Используя полученный результат и применив к нему обратное преобразование Лапласа, в данной работе, получено общее решение для ступенчато изменяющегося во времени магнитного поля, рассеянного на такой оболочке. При этом, подынтегральная функция полученного выражения имеет единственный полюс, определяющий экспоненциальное затухание рассеянного поля со временем. Нахождение этого полюса сопряжено с необходимостью решения трансцендентного уровня. Поэтому в работе мы ограничиваемся случаем, когда произведение волнового числа материала оболочки на ее толщину много меньше единицы. Это соответствует случаю хорошо проводящей немагнитной оболочки и позволяет вычислить полюс для получения выражения постоянной времени затухания рассеянного поля.

Литература:

1. Яхно Ю.Л. «Рассеяние низкочастотного электромагнитного поля на искривленных проводящих слоях», автореф. канд. дис., Л., 1984.

ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ КОМПЕНСАЦИОННОЙ

ОПОРЫ УСТАНОВКИ КАТАЛИТИЧЕСКОГО КРЕКИНГА

Каталитический крекинг – один из наиболее важных процессов нефтеперерабатывающей промышленности. Установка крекинга состоит из реактора и регенератора, соединенных между собой трубопроводом. Опоры необходимы для компенсации гравитационных сил и способствуют снижению усилий, действующих на штуцера.

Целью работы является минимизация массы наиболее нагруженной опоры путем варьирования некоторых её геометрических параметров (см. рис. 1). Ограничениями являются суммарная площадь отверстий для вентиляции и значения максимально допустимых изгибных и мембранных напряжений. Расчет напряжений проводился в системе КЭ анализа ABAQUS, полученные данные обрабатывались с помощью программного комплекса оптимизации modeFrontier.

В результате оптимизации получены новые геометрические характеристики, позволяющие снизить массу опоры с 63 кг (масса исходной опоры) до 22 кг (в 2,9 раз), удовлетворяя условиям прочности. Установлено, что наибольшее влияние на массу оказывают толщина h и длина L цилиндрической части, а также радиус упрочняющей накладки R (см. рис. 2).

Литература:

1. Michailov A.A., Voinov I.B., Borovkov A.I. Designing safe crackers // ANSYS Advantage. Volume II, Issue 4, 2008, pp. 38-39;

2. Michailov A.A., Voinov I.B., Borovkov A.I. Entwicklung von sicheren crackern // CAD CAMReport Nr.5, 2009, pp. 20-21 (in German).

КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

КОНТАКТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В КОЛЕННОМ

СУСТАВЕ ЧЕЛОВЕКА С УЧЕТОМ УГЛА

ПАТАЛОГИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ

Из медицинской практики известно, что при изменении угла деформации коленного сустава (КС) перераспределяется нагрузка на суставные поверхности (мыщелки). Латеральные или медиальные мыщелки КС оказываются нагруженными сверх нормы (синдром гиперпрессии), что приводит к различным заболеваниям. Существует точка зрения [1], что сагитальные деформации дистального отдела бедренной кости свыше 10° вызывают повреждение хряща КС. Есть и другая точка зрения [2], согласно которой сагитальные деформации от 0° до 10° относятся к деформациям легкой степени, а деформации от 11° до 21° к деформациям средней степени тяжести.

В настоящей работе поставлена задача уточнения существующих сведений о допустимой величине угла деформации КС и нахождения биомеханического критерия, разграничивающего паталогическое состояние КС, на основе решения задач биомеханики. Для решения задач использовался метод конечных элементов с целью установления максимальных напряжений в хряще коленного сустава в зависимости от угла деформаций.

Для определения возможного разброса значений контактного давления в зависимости от индивидуальных особенностей пациентов проведено параметрическое исследование модели КС. В процессе работы также создана полномасштабная трехмерная (3D) модель КС пациента ж., 14 лет, воссозданного по компьютерной томограмме, предоставленной НИИ им. Г.И. Турнера. Созданная модель адекватно воспроизводит геометрию КС, и в ней учтены все основные элементы КС: связки, сухожилия, коленная чашечка, гиолиновый хрящ, мениски.

Литература:

1. Меркулов В.Н., Гаврюшенко Н.С., Супрунов К.Н., Дорохин А.И.

Биомеханические критерии определения показаний к оперативному лечению посттравматических деформаций коленного сустава у детей // Вестник травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова 2006. № 1. С. 43– 2. Брытов А.В., Поздеев А.П., Маричева О.Н., Попова Т.В., Гаркавенко Ю.Е. Варианты поражения зон роста трубчатых костей и деформаций коленного сустава у детей после перенесенного острого гематогенного остеомелита (рентгено-томографическая диагностика) // Травматология и ортопедия России 2008. № 3(49). С. 47–

КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА

ПОДВОДНЫЙ ТРУБОПРОВОД

Михалюк Д.С., Боровков А.И., Гилёв Е.Е., Шубин С.Н.

Цель работы - определение гидродинамического воздействия поверхностных волн на подводный трубопровод в незаполненной траншее при заданных условиях волнения. Исследования проводились с помощью конечно-элементного моделирования в программном комплексе COMSOL Multiphysics [1].

Схема задачи представлена на рис. 1: ширина расчётной области подобрана в соответствии с длиной волн на мелкой воде [2]. Рассматривается стоячая волна над траншеей. Трубопровод обладает нейтральной плавучестью и связан с основанием линейной упругой связью с жёсткостью с.

Движение жидкости описывается уравнением Навье-Стокса (подход Лагранжа). Между трубопроводом и жидкостью заданы условия контактного взаимодествия.

При решении нестационарной мультидисциплинарной задачи оцениваются поля давлений, скоростей, перемещений жидкости, а также отклик трубопровода в результате гидродинамического воздействия. Исследования показывают возможность наступления резонансного режима колебаний трубопровода при условии близости парциальной частоты системы "трубопровод - линейная упругая связь" и частоты, соответствующей спектральному пику поверхностных волн.

Литература:

1. Comsol Multiphysics 3.5 User's Guide. COMSOL AB, 2008.

2. Уизем Дж. Линейные и нелинейные волны. М., Мир, 1977.

ПРИМЕНЕНИЕ НЕЙРОННЫХ СЕТЕЙ И ПРИРОДНЫХ

ВЫЧИСЛЕНИЙ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ МАРШРУТИЗАЦИИ

В связи с ростом числа автомобилей и недостаточно развитой транспортной инфраструктуры в России, перед водителем зачастую возникает проблема выбора маршрута следования с учетом текущей дорожной обстановки. Схожая ситуация, связанная с распределением информационного потока, наблюдается в компьютерных сетях. Применяемая распределенная архитектура построения сетей обеспечивает высокую надежность и масштабируемость компьютерных сетей, но в то же время привносит сложность в процесс управления, возрастающую с ростом самих сетей. В обеих ситуациях процесс выбора оптимального маршрута следования объекта требует больших ресурсных затрат на его выполнение.

Цель работы заключается в исследовании существующих методов и алгоритмов оптимизации маршрута, а также рассмотрении возможности использования альтернативных методов, основанных на применении природных вычислений и нейросетевых моделей для снижения затрат на оптимизацию и повышения производительности сетей. Данные методы отличает возможность оперативного нахождения субоптимального решения в условиях ограниченного времени. В качестве результата исследования предполагается создание программного продукта, построенного на платформе вычислительной среды Matlab и реализующего алгоритм маршрутизации на базе природных механизмов.

В качестве инструмента исследования применяется теория графов, основы компьютерных сетей, основы построения нейронных сетей и генетических алгоритмов.

Рассматриваемые в работе задачи относятся к классу комбинаторнооптимизационных, не имеющих простых аналитических решений. К таким задачам относятся задача коммивояжера, задача поиска кратчайшего пути, задача распределения трафика в сетях связи. Среди исследуемых алгоритмов маршрутизации выделяются как статические алгоритмы (деревянный алгоритм, волновой алгоритм, алгоритм Дейкстры), так и динамические алгоритмы, включающие в себя дистанционно-векторную маршрутизацию (алгоритм Беллмана-Форда) и маршрутизацию с учетом состояния каналов. Кроме того, особое внимание уделяется природным механизмам маршрутизации (генетические и муравьиные алгоритмы), позволяющим с меньшими ресурсами решить задачу маршрутизации и повысить производительность сетей.

НИЗКОЧАСТОТНАЯ ПЛАЗМЕННАЯ АНТЕННА

Московский государственный университет технологий и В последние годы появилось много работ по плазменным передающим антеннам, В [1] изучалась высокочастотная приемная антенна на основе плазменного столба, где плотность электронов во много раз больше критической. Указывается также на отсутствие сведений о приемных плазменных антеннах. Между тем, подобные исследования проводились еще в 80-е годы. В [2-3] обнаружен эффект резонансного усиления внешнего электромагнитного поля плазмой СВЧ разряда на пороге 2-го ленгмюровского резонанса (субрезонанс). В нем происходит параметрический распад и переход флуктуационного спектра в триплет собственных мод. При этом плазма работает как приемная антенна-усилитель для частот внешнего поля, принадлежащих к нижней распадной ветви [3], [4], [5].

Эксперименты с приемной плазменной антенной показали, что вблизи резонансов ленгмюровской частоты со второй гармоникой накачки Le 2о собственные шумы являют глубокий провал, а принятый сигнал – максимум. По сравнению со стандартной штыревой антенной длиной L, согласованной с НЧ приемником, плазменная антенна дает намного лучшее отношение сигнал/шум: на 15 – 20 дБ. При этом её длина составляла 0,1L.

Математическая модель субрезонанса построена на основе уравнений гидродинамики двухкомпонентной плазмы совместно с условиями существования плазмонов. Рассмотрен параметрический распад в условиях близости частоты модуляции электронной плотности к собственной частоте плазмы. В этом состоянии параметрически связанными оказываются частоты, различающиеся на 3 – 5 порядков. Показано, что в распределенной плазменной системе происходит перекачка энергии по спектру в пользу нижней распадной ветви. Применение альвеновского (токового) метода описания плазмы дает возможность перейти к физической модели субрезонансного состояния в виде эквивалентной схемы. Это двухконтурный параметрический усилитель с емкостной связью. Пороговое поведение импедансов контуров позволяет сделать вывод о резком уменьшении резонансной длины плазменной НЧ антенны. Таким образом, СВЧ разряд низкотемпературной плазмы в режиме субрезонанса представляет эффективную короткую приемную антенну-усилитель в НЧ диапазоне.

1. Гусейн-заде Н.Г., Минаев И.М., Рухадзе К.З. Четвертьволновая вибраторная плазменная приемная антенна. XXXVII Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС, 2010.

2. Дементьева О.Б. Резонансные свойства плазменного столба, созданного СВЧ полем. VII Всесоюзная конференция по физике низкотемпературной плазмы. Ташкент, 1987, т. 1.

3. Дементьева О.Б. Самоорганизация и антенные свойства плазмы СВЧ разряда. Тезисы Всесоюзной конференции «Современные проблемы радиоэлектроники», М., 1988.

4. Дементьева О.Б. Исследование резонансных свойств плазменного столба, созданного СВЧ полем. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Москва, ИВТАН – Харьков, ХГУ, 1990.

5. Дементьева О.Б. Аномальная проводимость и эффект параметрического усиления в холодной плазме СВЧ разряда. Международная конференция «Математика, образование, экономика», Воронеж, 2003.

ОБ ОДНОЙ ПРОБЛЕМЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЩЕГО

ПОЛЯ НАПРЯЖЕНИЙ В ЛИТОСФЕРНЫХ ПЛИТАХ

Одной из нерешенных проблем в задачах определения общего поля напряжений в литосферной плите и оценки сейсмичности территории является учет эндогенных процессов. Эндогенные факторы, внутренние процессы, происходящие в земной коре и в мантии Земли, генерируют как глобальное поле напряжений Земли, так и тектонические движения в земной коре. Неоднородности верхней мантии, то есть ее участки, обладающие различной плотностью и температурой, также являются источниками напряжений в литосфере и земной коре и им принадлежит существенная, ведущая роль (более 70-80%) в формировании напряжений в верхней и средней коре.

Для решения задачи определения контактных напряжений на границе литосферная плита – астеносфера используется теория блочных структур.

Рассматриваем астеносферу и литосферную плиту как блоки блочной структуры. При наличии трещин, разломов, включений в литосферной плите последние надо рассматривать как границы блоков. В общем случае материалы и литосферной плиты, и астеносферы являются линейными анизотропными, термоэлектроупругими средами. Движение блоков в коре порождает напряженное состояние, в частности, тектонические напряжения. Развитие блочных структур влияет на распределение напряжений в земной коре.

В Кубанском государственном университете для исследования и решения краевых задач для совокупности контактирующих тел с разными физико-механическими свойствами разработана теория блочных структур.

Теория блочных структур позволяет строить общие представления физико-механических полей в средах блочного строения, каждый блок которых обладает своими специфическими физико-механическими свойствами.

Среды такого рода обобщают известные слоистые структуры, и с их помощью можно описывать практически все известные макроструктуры (к которым можно отнести литосферные плиты), материалы и конструкции.

В основе теории лежат дифференциальный и интегральный методы факторизации, опирающиеся на методы факторизации матриц-функций нескольких комплексных переменных, внешний анализ, теорию представления групп, которые позволяют получить представления решений краевых задач в каждом блоке, необходимые для постановки и решения задач об устойчивости и резонансах подобных структур.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта президента РФ (НШ-3765.2010.1), грантов РФФИ (08-08-00669_а, 08-08-00447_а).

ДВУМЕРНЫЙ КУСОЧНО-БИЛИНЕЙНЫЙ ОПЕРАТОР

При моделировании физических объектов возникает необходимость учета многослойных свойств двумерных и многомерных объектов. Двумерные кусочно-билинейные операторы позволяют интерпретировать нелинейности по двум координатам. Уравнения, пописывающие кусочнобилинейные операторы представлены в 1.

Синтез Двумерного кусочно-билинейного оператора Для проведения синтеза билинейного оператора на основании исходных данных, воспользуемся значениями, представленными в табл. 1.

Исходные данные к синтезу билинейного оператора Будем полагать, что в промежутках между соседними табличными данными, значения изменяются по линейному закону.

Синтез двумерного кусочно-билинейного оператора разобьем на 2 этапа:

1 этап - построение кусочно-линейных операторов на слое для каждой строки (столбца) таблицы, получение соответствующих значений ;

2 этап – построение кусочно-линейных операторов для полученных значений по другой пространственной координате – столбцу (строке) таблицы.

В качестве примера поведем синтез двумерного кусочнобилинейного оператора, построенного на основании данных, представленных в табл. 2.

Исходные данные для задачи синтеза билинейного оператора Для кусочно-билинейного оператора матрица коэффициентов примет следующие значения:

Для проверки и визуализации полученных данных построим графики значений оператора y z, f на срезе 0, 10, 20, 30 координатных z слоев для пространственного диапазона координат f (рис. 1), пространственный график гистограмм кусочно-билинейного оператора (рис. 2) и пространственный график поверхности, образованной плоскостями значений кусочно-билинейного оператора (рис. 3).

ОБЗОР МЕТОДОВ РЕДУКЦИИ С ПРИМЕНЕНИЕМ

ПОДПРОСТРАНСТВА КРЫЛОВА

Методы редукции в подпространстве Крылова опираются на понятие моментов передаточной функции системы. Само понятие подпространства Крылова было впервые введено в трудах русского и советского инженера-кораблестроителя Алексея Николаевича Крылова, отсюда и его название. Подпространством Крылова размерности m, порожденным вектором и матрицей A, называется линейное пространство K m ( v, A) span v, Av, A2v,..., Am 1v.

Методы редукции в подпространстве Крылова относятся к так называемым проекционным методам. Пусть дана система в пространстве состояний ( A, B, C, D ). Для проекционных методов сокращенная модель моnq nq дальнейшим преобразованием модели к новым переменным состояния, при которых матрицы будут описываться как ( V T AU, V T B, CU, D). Собственно при этом и будет получаться система сокращенного порядка. Все проекционные методы редукции отличаются друг от друга методикой вычисления двух вышеописанных матриц проекции.

Смысл методов редукции в подпространстве Крылова заключается в том, что если дано множество частотных точек si передаточной функции, то можно получить сокращенную систему, соответствующую любому заданному числу моментов исходной системы конкретным построением матриц проекции U и V и выполнением проекции.

Преимущества методов в подпространстве Крылова заключаются в первую очередь в простоте и быстроте их реализации. Что же касается недостатков, то в общем случае отсутствуют гарантии точности и устойчивости, а число векторов в подпространствах Крылова прямо пропорционально числу входных и выходных сигналов соответственно.