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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

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

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.

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.

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.

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.

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.