2011 год


Основные результаты фундаментальных и прикладных исследований за 2011 год

 

Отделение физических наук РАН

Обнаружены и экспериментально исследованы электрические токи, индуцируемые в кристаллах со структурой силленита (Bi12SiO20 и Bi12TiO20) лазерными импульсами фемтосекундной длительности (~100 фс) с длиной волны 400 нм. Показано, что направление индуцируемого тока зависит от состояния поляризации лазерного импульса, что подтверждает фотогальваническую природу зарегистрированных токов (рис.1). Пиковое значения тока линейно зависит от интенсивности излучения в диапазоне до 45 ГВт/см2. Полученные результаты могут стать основой создания новых детекторов ультракоротких световых импульсов. 
[1] Kamshilin A.A., Grachev A.I., Golik S.S., Romashko R.V., Kulchin Y.N. Linear photogalvanic current excited in sillenite crystals by femtosecond laser pulses // Appl. Phys. B. - 2011. - V.105.

Рисунок 1. Зависимость амплитуды фотогальванического тока от пикового значения интенсивности фемтосекундного импульса: 
маркеры - экспериментальные данные, 
линия - линейная интерполяция по первым 12 точкам.

Разработан принципиально новый интерферометрический зонд для сканирующей оптической микроскопии ближнего поля, основанный на использовании волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо, одно из зеркал которого имеет конусообразно сужающийся выступ, на вершине которого сформирована субволновая диафрагма. Данный зонд может быть использован для исследования микро- и нано- объектов, обеспечивая пространственное разрешение 40 нм (λ/37) (рис.2). 
[1] Yu. N. Kulchin, O.B. Vitrik, A.A. Kuchmizhak, E.V. Pustovalov and A.V. Nepomnyaschii. // Optics Letters. Vol. 36, No. 20. (2011).

Рисунок 2. (а) Выдвинутый эванесцентный источник в одном из зеркал зонда: 
I-электронное изображение полученной в результате химического травления конусообразной структуры на выходном торце зонда; 
II- топографическое сечение этой структуры, полученное при помощи атомно-силового микроскопа; 
III и IV - электронные изображения диафрагм с диаметром D=100 nm и D=50 nm, соответственно, выполненные на вершине конусообразной структуры. 
(б) - профиль кантилевера, восстановленная по величине смещения резонансных максимумов в интерферометрическом зонде (1), 
в сравнении с реальным топографическим профилем (2), полученным при помощи АСМ.

При изучении формирования массивов нанокластеров In на поверхности кремния Si(111)2x1 впервые обнаружено нарушение симметрии четных и нечетных расстояний (в единицах постоянной решетки поверхности) между кластерами. Пары кластеров, разделенные четными расстояниями, встречаются реже из-за того, что на поверхности между ними образуется топологический солитон, который создает локальные механические напряжения и повышает энергию системы (рис.3). 
Полученный результат расширяет представления о возможных механизмах самоорганизации нанокластеров на поверхности полупроводниковых кристаллов. 
[1] M.Y. Lai, J.P. Chou, O.A. Utas, N.V. Denisov, V.G. Kotlyar, D. Gruznev, A. Matetsky, A.V. Zotov, A.A. Saranin, C.M. Wei, Y.L. Wang. Broken even/odd symmetry in self-selection of distances between nanoclusters due to presence/absence of topological solitons // Physical Review Letters. - Vol. 106. - No 16. - P.166101(1-4). - 2011.

Рисунок 3. (а) Микроскопическое изображение массива кластеров In на поверхности Si(111)2x1. 
(б) Примеры пар кластеров с нечетными (1-7) и четными (2-8) расстояниями между ними. 
(в) Экспериментальная гистограмма распределения парных расстояний в сравнении с результатами моделирования 
методом Монте-Карло случайного распределения без нарушения симметрии четных и нечетных расстояний (серая линия).

Впервые экспериментально зарегистрировано широкомасштабное изменение спектра лазерного фемтосекундного импульса при его рассеянии на водной капле миллиметрового размера в результате самомодуляция фазы излучения за счет эффекта Керра и плазмообразования. Вклад "плазменной" составляющей в нелинейную поляризуемость воды и, следовательно, в фазовую самомодуляцию лазерного импульса выражен значительно слабее. Увеличение размера водной частицы при прочих равных условиях сопровождается дополнительным уширением спектра наблюдаемого рассеянного излучения (рис.4). 
[1] Y. E. Geints, A. A. Zemlyanov, A. M. Kabanov, E.E. Bykova, D. V. Apeksimov, O. A. Bukin, E. B. Sokolova, S. S. Golik and A. A. Ilyin Angular diagram of broadband emission of millimeter-sized water droplets exposed to gigawatt femtosecond laser pulses // Applied Optics, 20 September 2011 / Vol. 50, No. 27 / 5291-5298. 
[2] Y. E. Geints, A. M. Kabanov, A. A. Zemlyanov, E.E. Bykova, O. A. Bukin, E. B., S. S. Golik. Kerr-driven nonlinear refractive index of 800 and 400 nm measured through femtosecond laser filamentation. // Appl. Phys. Lett. 99, 181114, 2011.

Рисунок 4. Экспериментальные спектры рассеянного на подвешенной водной капле лазерного излучения для трех характерных направлений: 
по ходу лазерного луча (360°), поперек ( 270°) и навстречу пучку (191°).

Разработан оптический бесконтактный метод мониторинга параметров гидроакустических колебаний, позволяющий измерять характеристики низкочастотных сигналов из воздушной среды, без механического контакта с водой. Метод обеспечивает пороговую чувствительностью ~40 Па, и имеет линейную амплитудно-частотную характеристику в диапазоне 10-90 Гц (рис.5). Наличие низкочастотного акустического давления может быть зарегистрировано предлагаемым методом в предельно малых бассейнах объёмом ~4см2. Метод может оказаться полезным в случае, когда присутствие погружного гидрофона может существенно повлиять на распределение гидроакустического поля. 
[1] Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Дзюба В.П., Краева Н.П. Релаксация скорости неравновесных наночастиц в жидкости // ПЖТФ, 2011, т. 37, в. 12, с. 57-67. 
[2] Ю.Н. Кульчин, О.Б. Витрик, А.Д. Ланцов, Н.П. Краева. Пространственное усреднение данных при обработке картин динамического рассеяния света малоразмерными частицами // ВЕСТНИК РФФИ, 2011, №1 (69), с. 44-48.

Рисунок 5. Экспериментальные зависимости корреляционной функции. 
А) в режиме отражения лазерного луча водной поверхностью: 1 - в отсутствии акустического давления; 
2 - модуляции B(t) при возбуждении в водной среде акустического сигнала частотой 60 Гц; 
3 - модуляции B(t) при наличии стеклянной плоскости на водной поверхности. 
Б) в режиме "на просвет": 1 - в отсутствии акустического давления; 2 - остаточные изменения B(t) под воздействием акустического поля.

Установлено, что в зависимости от условий роста поверхность тонких пленок MnSi, выращиваемых на подложках кремния Si(111), может иметь различную структуру. В условиях недостатка атомов кремния формируется ранее неизвестный тип поверхности, верхний атомный слой в которой предположительно состоит из атомов Mn (рис.6). Различие в структуре поверхностей отражается в сильном различии их физических свойств: коэффициент диффузии атомов золота на этих поверхностях различается на четыре порядка величины. Полученные результаты расширяют возможности управления функциональными характеристиками тонких пленок MnSi. 
[1] S.G. Azatyan, O.A. Utas, N.V. Denisov, A.V. Zotov, and A.A. Saranin. Variable termination of MnSi/Si(111)√3x√3 films and its effect on surface properties // Surface Science.- Vol. 605.- No 3-4. - P. 289-295. - 2011.

Рисунок 6. (а) Микроскопическое изображение поверхности пленки MnSi, содержащей участки со структурой двух типов: 
QL (quadruple layer), где верхний слой составляют атомы Si, и "TL" (triple layer), где верхний атомный слой состоит из атомов Mn. 
(б) Схематическая диаграмма, иллюстрирующая атомное строение пленки MnSi на Si(111) и показывающая, в каких случаях будет получена поверхность каждого типа.




 

Отделение нанотехнологий и информационных технологий РАН 

Секция нанотехнологий 

*. Нанотехнологии, нанобиотехнологии, наносистемы, наноматериалы, нанодиагностика, наноэлектроника и нанофотоника

Предложен новый принцип создания рефрактометра жидкостей, основанный на спектральной регистрации фазовых изменений направляемого излучения в изогнутом волоконном интерферометре Фабри-Перо при обеспечении в нем резонансной связи мод сердцевины и оболочки (рис.7). Данный рефрактометр позволяет обнаруживать изменения показателя преломления жидкости с точностью 0,5·10-6
[1] Ю.Н. Кульчин, О.Б. Витрик, С.О. Гурбатов, Спектр изогнутого волоконного интерферометра Фабри - Перо при малых вариациях показателя преломления внешней среды. Квант. электроника, 2011, 41 (9), 821-823.

Рисунок 7. Зависимости величины сдвига интерференционных максимумов в волоконно-оптическом интерферометре Фабри-Перо от показателя преломления внешней среды 
при обеспечении резонансной связи мод сетовода (кривая 1,2), и в ее отсутствии (кривая 3,4).

Выращены кремниевые светоизлучающие полупроводниковые гетероструктуры на основе дисилицида железа b-FeSi2, свободные от дефектов в области эпитаксии. Установлено, что в зависимости от условий формирования, активная зона светоизлучателя формируется в виде нанокристаллов силицида с размерами 5…50 нм либо равномерно распределенных в кремниевой матрице, либо сосредоточенных в ограниченном слое, что позволяет получать приборы с заданными свойствами (рис.8). 
[1] Н.Г. Галкин, Е.А. Чусовитин и др. //Thin Solid Films. - Т.519. - Вып.24. С.8480-8484 - 2011.

Рисунок 8. Спектры фотолюминесценции, зарегистрированные при 5 К в инфракрасной области спектра, 
от образцов с равномерным (кривая А) и со слоистым (кривая Б) распределением нанокристаллов b-FeSi2 в кремниевой матрице.




 

Секция информационных технологий и автоматизации 

28*. Когнитивные системы и технологии, нейроинформатика и биоинформатика, системный анализ, искусственный интеллект, системы распознавания образов, принятие решений при многих критериях

Построены и исследованы математические модели динамики биомасс растительного сообщества водных микроорганизмов. Разработан алгоритм поиска устойчивых стационарных решений в модели с протоком питательных веществ. Установлено, что в замкнутых по веществу моделях множество устойчивых стационарных режимов континуально, а в моделях с протоком - конечно (рис.9). 
[1] Абакумов А.И., Пак С.Я., Симонов А.С. // Информатика и системы управления, 2011, № 1 (27), с. 17 - 26; 
[2] Пахт Е.В., Абакумов А.И. // Математическая биология и биоинформатика 2011, т. 6, № 1, с. 102 - 114

Рисунок 9. Динамика биомасс основных видов фитопланктонного сообщества при периодическом изменении концентраций минеральных веществ в воде 
(по вертикали - биомассы в г/м3 , по горизонтали - время в сутках).




 

32*. Архитектура, системные решения, программное обеспечение, стандартизация и информационная безопасность информационно-вычислительных комплексов и сетей новых поколений. Системное программирование

Выдвинута и экспериментально подтверждена гипотеза о том, что свойства методов индуктивного формирования знаний отражаются "внутренними оценками" - оценками правильности восстановления значений параметров модели предметной области. Показано, что основанные на ней методы индуктивного формирования знаний могут стать действенным механизмом их адекватного отбора для практики (рис.10). 
[1] Клещев А.С., Смагин С.В. О роли внешних и внутренних оценок свойств методов индуктивного формирования знаний // НТИ. Серия 2. - М.: ВИНИТИ РАН. - 2011. - №4. - С. 22-35

Рисунок 10. Подход к проведению компьютерных экспериментов по изучению свойств методов ИФЗ.




 

Отделение математических наук РАН 

Секция прикладной математики и информатики

Предложена ступенчатая регулировка шаговых множителей для проективных процессов решения вариационных неравенств с монотонными отображениями. Разработаны параллельные алгоритмы решения обыкновенных дифференциальных уравнений с использованием графических ускорителей, обеспечивающие многократное сокращение времени вычислений. Предложены и реализованы параллельные алгоритмы решения полиэдральных проективных задач большой размерности на вычислительных системах смешанной архитектуры. 
[1] Нурминский Е. А. Фейеровские алгоритмы с адаптивным шагом // Журн. вычисл. матем. и матем. физики. 2011. т. 51, вып. 5. С. 791-801. 
[2] Nurminski E. A. Fejer algorithms with an adaptive step // Computational Mathematics and Mathematical Physics. 2011. Vol. 51, No. 5. P. 741-750. 
[3] Нурминский Е. А., Бурый А. А. Метод Паркера-Сохатского для решения систем обыкновенных дифференциальных уравнений с использованием графических процессоров // Cибирский журнал вычислительной математики. 2011. № 3. С. 277-289. 


 

Отделение энергетики, машиностроения, механики и процессов управления РАН 

Секция механики

Изучены нестационарные течения газа в саморазогревающихся полигонах твердых бытовых отходов при пренебрежении детальной химической кинетикой процесса. Обнаружено развитие вихревых течений газа внутри полигона в области очага выделения тепла и его окрестности. Показано, что указанные вихри могут существенно ухудшать теплоотвод из объекта и приводить к повышению его разогрева. Выявлено, что с течением времени образующиеся вихри могут перемещаться (рис.11). 
[1] Левин В.А., Луценко Н.А. // Вычислительная механика сплошных сред. 2011. Т. 4. № 1. С. 55-64.

Рисунок 11. Пример поля скорости фильтрации газа в осесимметричном саморазогревающемся полигоне твердых бытовых отходов.

Поставлены и решены новые краевые автомодельные задачи динамики несжимаемой упругой среды о распространении граничных возмущений от границы продеформированного полупространства и о столкновении ударных волн нагрузки постоянной интенсивности. Указаны условия возникновения ударных волн нагрузки и волн круговой поляризации, а также простых волн. Показано, что в результате столкновения ударных волн сдвига возникают как ударные волны нагрузки, так и простые волны разгрузки. При этом направленность сдвига может изменяться всегда только скачкообразно на поверхностях разрывов круговой поляризации. Полученные сведения о закономерностях распространения граничных ударных возмущений, взаимодействия ударных волн с преградами и между собой окажутся необходимыми в расчетах технологий обработки металлов, основанных на импульсных и ударных воздействиях, когда основными результирующими являются деформации изменения формы. 
[1] Буренин А.А., Дудко О.В., Лаптева А.А. К закономерностям распространения деформаций изменения формы // Сибирский журнал индустриальной математики. Новосибирск: Изд-во Института математики им. С.Л.Соболева СО РАН. 2011. № 4. С.14-23.

Создан новый автоматический метод распознавания вихрей океана синоптического масштаба, выделяющий произвольные замкнутые циркуляции. Метод позволяет идентифицировать вихрь с расчетом его центра, размера и формы. Созданы средства автоматического прослеживания вихрей по последовательности карт доминантных ориентаций термических контрастов с отбраковкой ложных объектов (рис.12). 
[1] Алексанин А.И., Загуменнов А.А. Проблемы автоматического обнаружения вихрей океана по спутниковым ИК-изображениям // Исследование Земли из космоса. 2011. № 3. С.65-74.

Рисунок 12. Вихрь, выделенный экспертом (А); вихрь на стадии формирования, не выделенный экспертом (Б); ложно выделенный и отбракованный вихрь (В).

Впервые указан реологический механизм залечивания микродефектов сплошности вязкоупругопластических материалов за счет всестороннего сжатия в условиях значительных эксплуатационных нагрузок по типу "нагрузка - разгрузка", получены количественные оценки такого эффекта в зависимости от реологических свойств материалов на основе специально разработанной математической модели больших деформаций (когда необратимые деформации представляются как пластическими, так и деформациями нелинейной ползучести). Данный механизм может использоваться для создания новых и оптимизации имеющихся технологий упрочнения изделий и повышения их длительной прочности. 
[1] Буренин А.А., Ковтанюк Л.В. Упругие эффекты при интенсивном необратимом деформировании. - Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2011. - 280 с. 
[2] Мурашкин Е.В., Бажин А.А., Камовский Д.А. О возможном реологическом механизме залечивания микродефектов под действием интенсивных эксплуатационных нагрузок по типу "нагрузка-разгрузка" // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011. № 4, Ч. 5. 


 

Секция проблем машиностроения и процессов управления

Предложен метод построения системы управления, обеспечивающей оптимальное функционирование технологической сети теплообменников (ТСТ), в условиях неопределенности модели объекта и воздействия неизмеряемых возмущений. В отличие от известных методов экстремального регулирования не требуется вычисления градиента оптимизируемой функции и подачи каких-либо входных сигналов (рис.13). Показано, что для повышения энергоэффективности ТСТ параллельной структуры максимальная температура на выходе может поддерживаться автоматически путем выравнивания температур каждого из потоков. Результат нашел практическое применение и подтвердил свою эффективность в ООО "Производственное объединение "Киришинефтеоргсинтез" в составе разработанной ИАПУ ДВО РАН усовершенствованной автоматизированной системы управления технологическим процессом нефтепереработки ЭЛОУ-АТ-6. 
[1] Торгашов А.Ю. Моделирование динамики и исследование оптимального функционирования теплообменного технологического процесса // Информатика и системы управления, 2011, № 2, с. 86-93.

Рисунок 13. Система управления для поддержания оптимального режима функционирования технологической сети теплообменников.

Предложена и исследована модель трехкомпонентной позиционно корректируемой по данным навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС астроинерциальной навигационной системы с функцией оценки напряженности гравитационного поля и впервые показано, что при отказе от этой функции возможно построение высокоточной интегрированной системы, инерциальный блок которой не содержит ньютонометров; впервые дано исчерпывающее теоретико-механическое обоснование и предложен полный класс моделей асимптотически устойчивых по динамической группе уравнений двухкомпонентных инерциальных навигационных систем, корректируемых по высотной (радиальной) информации. 
[1] Девятисильный А.С., Числов К.А. "Модель позиционно корректируемой астроинерциальной навигационной системы с функцией оценки напряженности гравитационного поля Земли" // Геодезия и картография. - 2011. - №8. - С. 8-11. 
[2] Девятисильный А.С., Числов К.А. "Методы построения устойчивых двухкомпонентных инерциальных навигационных систем на основе интерпретации радиальной позиционной информации" // Мехатроника, автоматизация, управление. - 2001. - №8. - С. 17-21.

Предложен новый принцип управления пространственным движением сложных динамических объектов (подводных аппаратов) с переменными параметрами. В отличие от традиционного принципа, использующего отрицательную обратную связь и регуляторы для непосредственного управления объектом, новый принцип обеспечивает управление программным сигналом, формируемым не только на основе информации о предписанной траектории движения объекта, но и о его отклонении от нее, создавая слежение не за этой траекторией, а за отклоненной от нее программной точкой (ис.14). Это позволяет многократно повысить динамическую точность скоростного управления объектом при использовании не высококачественных ( сложных и дорогих) систем, а простейших регуляторов, подавая на входы бортовых следящих систем легко формируемые программные сигналы. 
[1] Филаретов В.Ф., Юхимец Д.А. Способ формирования программного управления скоростным режимом движения подводных аппаратов по произвольным пространственным траекториям с заданной динамической точностью // Известия РАН. Теория и системы управления, 2011, № 4, с. 167-176.

Рисунок 14. Блок-схема системы формирования программных сигналов для точного управления 
быстрым пространственным движением сложного динамического объекта (подводного аппарата).



 

Секция энергетики

Получены аналитические выражения, позволяющие выполнить оценку достоверности результатов измерений для различных типов систем теплоснабжения. Оценки ориентированы на использование уравнений баланса расходов теплоносителя в системе, отражающих закон сохранения масс, и являются основой для вынесения заключения о допустимости результатов измерений для коммерческого и технологического учета тепловой энергии. 
[1] Чипулис В.П. Оценка достоверности результатов измерений в системах теплоснабжения с использованием уравнений баланса расходов теплоносителя // Измерительная техника, 2010. №11. C. 48-53.