Известия академии инженерных наук 2014 №4

ISSN 2307-163Х

NEWS ACADEMY OF ENGINEERING SCIENCES

A.M. PROKHOROV

4 ∙ 2014

ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ

ИНЖЕНЕРНЫХ НАУК им. А.М. ПРОХОРОВА

Учредители: ООО «Научтехлитиздат» ООО «Мир журналов»

Свидетельство о регистрации: СМИ ПИ ФС77-50416 от 25.06.2012

Подписные индексы: ОАО «Роспечать» 83189«Пресса России» 10358ISSN 2307-163X

Главный редактор: Ю.В. Гуляев, Академик РАН

Зам. главного редактора Собко А.А., канд. физ.-мат. наукДмитриев С.М., д-р техн. наук

Ответственный секретарь:Э.Н. Муравьев, чл.-корр. АИН

Редакция: В.Б. Гончарова, Н.Н. Годованец, Е.А. Боброва, И.Ю. Шабловская, В.С. Сердюк

Редакционная коллегия:Алферов Ж.И., акад. РАН, д-р физ.-мат. наукГуляев Ю.В., акад. РАН, д-р физ-мат. наукМоисеенко В.Г., акад. РАН, доктор геол.-минер. наукОсико В.В., акад. РАН, д-р физ-мат. наукСергиенко В.И., акад. РАН, д-р хим. НаукФортов В.Е., акад. РАН, д-р физ.-мат. наукЩербаков И.А., акад. РАН, д-р физ.-мат. наукЖабрев В.А., чл.-корр. РАН, д-р хим. наукКойфман О.И., чл.-кор. РАН, д-р хим. наукЛысак В.И., чл.-кор. РАН, д-р техн. наукРыбин В.В., чл.-корр. РАНБичурин М.И., д-р физ.-мат. наукБогдасарян А.С., д-р физ.-мат. наукБондаренко Г.Г., д-р физ.-мат. наукБурдаков В.П., д-р техн. наукГромов Ю.Ю., д-р техн. наукДмитриев С.М., д-р техн. наукДубров Э.Я., д-р мед. наукЗахаревич В.Г., д-р техн. наукИванютин Л.А., д-р техн. наук Казарян М.А., д-р физ.-мат. наукКубарев Ю.В. д-р техн. наукКустов Е.Ф., д-р физ.-мат. наукЛапаев Д.Н., д-р эконом. наукЛегуша Ф.Ф., д-р физ.-мат. наукЛисиенко В.Г., д-р техн. наукМорозов В.В., д-р техн. наукНефедов Е.И., д-р физ.-мат. наукОчкин В.Н., д-р физ.-мат. наукПроклов В.В., д-р физ.-мат. наукПрохоцкий Ю.М., д-р техн. наукРухадзе А.А., д-р физ.-мат. наукСамхарадзе Т.Г., д-р техн. наукСинев С.Г., д-р техн. наукСобко А.А., канд. физ.-мат. наукСолинов В.Ф., д-р техн. наукСтаровойтов А.В., д-р техн. наукСухарев Е.М., д-р техн. наукТравкин Н.Н., канд. хим. наукЧугуй Ю.В., д-р техн. наукШокин А.А., д-р техн. наук

Дизайн и верстка: Б.Е. ГолишниковСтатьи, поступающие в редакцию, рецензируются

Адрес редакции:107258, Москва, Алымов пер., д. 17, корп. 2 Редакция журнала «Известия академии наук»Тел.: 8 (916) 185-45-55E-mail: [email protected]Подписано в печать 19.08.2014Формат 60х88 1/8. Бумага мелованная матоваяПечать офсетная. Усл.-печ. л. 14,6. Уч.-изд. л. 14,9. Заказ ИА-108. Тираж 250 экз.

Издатель: ООО «Научтехлитиздат» 107258, Москва, Алымов пер., д. 17, корп. 2Оригинал-макет и электронная версия подготовлены ООО «Научтехлитиздат»Отпечатано в типографии ООО «Научтехлитиздат»107258, Москва, Алымов пер., д. 17, корп. 2Тел.: 8 (985) 233-07-98

Содержание

АКАДЕМИИ ИНЖЕНЕРНЫХ НАУК им. А.М. ПРОХОРОВА

ИЗВЕСТИЯ 4 ⋅ 2014

научный журнал

А.Д. Изотов, Ф.И. Маврикиди

Построение статистических кривых По данным измерений в материаловедении 3

А.Т. Митин, А.А. Митина

из истории развития средств отображения навигационной обстановки и возможность исПользования оПыта их Применения При Пилотируемом Полете к луне 8

В.К. Егоров, Е.В. Егоров

об особенностях расПространения Потоков рентгеновских лучей в наноразмерных щелевых зазорах 15

В.Н. Семенов

исследование механизма Появления трещин в заготовках из сПлавов в Процессе сварки конструкций жидкостных ракетных двигателей 28

А.А. Собко

оПисание линии исПарения жидких металлов обобщенным уравнением ван-дер-ваальса-бертло 32

Д.Ю. Соколов

Проблемы защиты интеллектуальной собственности в российской Федерации и их решение 36

Г.Г. Галустов, Е.Е. Завтур

об исПользовании системы биномиальных моментных Функций для классиФикации случайных Процессов 44

В.Н. Никифоров

метрологические асПекты исПользования наночастиц 50

Founder and Publisher: Ltd. The Publishing House«Nauchtehlitizdat»LLC «World magazines»

Certificate of Registration of Media: PI ФС77-50416 from 25.06.2012

Subscription numbers: The Public Corporation «Rospechat» 83189«Pressa Rossii» 10358ISSN 2307-163X

Editor in Chief: Ju.V. Guljaev, acad. RAS

Deputy Editor in chief: A.A. Sobko, Cand. of Phys.-Math. SciencesS.M. Dmitriev, Doctor of Tech. Sciences

Executive Secretary:E.N. Murav'ev, Corresponding Member AIS

Editorial Staff: V.B. Goncharova, N.N. Godovanec, E.A. Bobrova, I.Ju. Shablovskaja, V.S. Serdjuk

Editorial Board:Alferov Zh.I., (Russia)Guljaev Ju.V., (Russia)Moiseenko V.G., (Russia)Osiko V.V., (Russia)Sergienko V.I., (Russia)Fortov V.E., (Russia)Shherbakov I.A., (Russia)Zhabrev V.A., (Russia)Kojfman O.I., (Russia)Lysak V.I., (Russia)Rybin V.V., (Russia)Bichurin M.I., (Russia)Bogdasarjan A.S., (Russia)Bondarenko G.G., (Russia)Burdakov V.P., (Russia)Gromov Ju.Ju., (Russia)Dmitriev S.M., (Russia)Dubrov Je.Ja., (Russia)Zaharevich V.G., (Russia)Ivanjutin L.A., (Russia) Kazarjan M.A., (Russia)Kubarev Ju.V. (Russia)Kustov E.F., (Russia)Lapaev D.N., (Russia)Legusha F.F., (Russia)Lisienko V.G., (Russia)Morozov V.V., (Russia)Nefedov E.I., (Russia)Ochkin V.N., (Russia)Proklov V.V., (Russia)Prohockij Ju.M., (Russia)Ruhadze A.A., (Russia)Samharadze T.G., (Russia)Sinev S.G., (Russia)Sobko A.A., (Russia)Solinov V.F., (Russia)Starovojtov A.V., (Russia)Suharev E.M., (Russia)Travkin N.N., (Russia)Chuguj Ju.V., (Russia)Shokin A.A., (Russia)

Design, Make-Up: B.E. GolishnikovArticles submitted articles are reviewed

Editorial office address:107258, Moscow, Alymov per., 17, bldg. 2 Еditors «New academy of engineering sciences»Phone: 8 (916) 185-45-55E-mail: [email protected] to the press: 19.08.2014Format 60х88 1/8. Matt coated paperOffset printing. Conv. printer’s sheets 14,6. Uch.-ed. l. 14,9. The order ИА-108. Circ. 250 экз. The layout and the electronic version of the journal are made by ltd. the Publishing House «Nauchtehlitizdat»Printed in ltd. The publishing house «Nauchtehlitizdat» 107258, Moscow, Alymov per., 17, bldg. 2Phone: 8 (499) 233-07-98

Content

ACADEMY OF ENGINEERING SCIENCES A.M. PROKHOROV

NEWSScientific Journal

4 ⋅ 2014

A.D. Izotov, F.I. Mavrikidi

ConstruCting statistiCal distributions

of measurement data in material sCienCe 3

А.Т. Mitin, А.А. Mitina

from the history of the development

of navigational display and the ability

to use the experienCe of their use

in manned flight to the moon 8

V.K. Egorov, E.V. Egorov

features of propagation x-ray in nanosize slits 15

V.N. Semenov

researCh of the meChanism of CraCks

emergenCe in workpieCes from alloys

during welding of designs

of liquid roCket engines 28

A.A. Sobko

line desCription of evaporation of liquid metals

generalized equation of van der waals-berthelot 32

D.Yu. Sokolov

problems of proteCtion of intelleCtual

property in the russian federation

and their solutions 36

G.G. Galustov, E.E. Zavtur

about the use of the binomial moment

funCtions for ClassifiCation of Casual proCesses 44

V.N. Nikiforov

metrologiCal aspeCts

of the nanopartiCles appliCations 50

3

А.Д. ИЗОТОВ – заведующий лабораторией, доктор хим. наук, Член-корр. Российской академии наук Е-mail: [email protected]

Институт общей и неорганической химии им. Н.С.Курнакова Российской академии наук (ИОНХ РАН)Москва, Российская Федерация

Ф.И. МАВРИКИДИ – канд. техн. наук, старший научный сотрудник Е-mail: [email protected]

Институт проблем нефти и газа Российской академии наук Москва, Российская Федерация

Построение статистических кривых По данным измерений в материаловедении

В статье предлагается новый подход к построению статисти-ческих кривых по данным измерений, основанный на модели-ровании внутреннего пространчства материала комбинацией вещественных и р-адических чисел. Преимуществом подхода явялется получение случайных чисел вместо проблематических псевдослучайных на основе р-адических чисел, которые явялют-ся неопределимыми в вещественнои пространстве. Это придает

математическое обоснование испльзуемой нелинейной регрес-сии и включает широкий спектр известных математических и физических верочтностных распределений в общий метод.

Ключевые слова: Математическое моделирование, инже-нерные науки, фракталы, компьютер, р-адические числа, те-плоемкость, материаловедение.

A.D. IZOTOV – Head of Laboratory, Doctor of Chem. Sciences, Corresponding Member, RAS Е-mail: [email protected]

Kurnakov Institute of General and Inorganic chemistry Russian Academy of SciencesMoscow, Russian Federation

F.I. MAVRIKIDI – Cand. of Techn. Sciences, Senior Researcher Е-mail: [email protected]

Oil and Gas Research Institute Russian Academy of Sciences Moscow, Russian Federation

ConstruCting statistiCal distributions of measurement data in material sCienCe

Abstract Present paper suggest a novel approach for con-structing statistical distributions, obtaining from measure-ment data in material science based on modeling the inner space of a material via superposition be real and p-adic num-bers. The advantage of given approach is really random char-acter of p-adic numbers, which replace the problematic pseu-dorandom ones in statistical practical usage. This gives a firm

mathematical base for generalized linear models and regres-sion and introduce a wide spectrum of known mathematical and physical distributions.

Keywords: Mathematical modeling, Material Science, Frac-tals, p-adic numbers, random number, Computer Science, Heat capacity.

Спецификой получения/построения эмпирических зависимостей в материаловедении является исследо-вание поведения одного параметра от другого, напри-мер теплоемкости от температуры [1]. В этом случае вне поля внимания и, соответственно моделирования остаются все остальные параметры вещества. С мате-матической точки зрения они оказываются неопреде-лимыми и должны рассматриваться как случайные по отношению к искомой зависимости.

Ситуация осложняется еще более тогда, когда в рассмотрение вводится топология материала, обыч-но (мульти)фрактальная [2–4]. Как известно фракта-лы не имеют точного математического определения, и, поэтому, фрактальная геометрия вносит дополни-тельную неопределенность в результат, снижает его надежность, воспроизводимость и устойчивость к малым изменениям всего неопределимого комплекса параметров.

Как известно, для всех выкладок и вычислений, независимо от топологии материала, используются

вещественные числа (как и во всей физике). Фрак-тальная топология отображается в них дробными степенями параметров, которые интерпретируются как фрактальная размерность. Однако здесь скрыт подводный камень всей теории. Известно, что если фрактальная (дробная) размерность множества меньше 1, то это множество обязано быть дисконти-нуальным, т.е. полностью разрывным [5]. Степен-ные зависимости инвариантны относительно ин-версии. Поэтому в таких зависимостях y xD∝ , если D > 1, то x y D∝ = <−δ δ,

11 , т.е. одна из перемен-

ных должна быть разрывной и ее представление гладкими функциями является огрублением, кото-рое может проявиться при определенных сочетани-ях параметров. Разрывная топология сохраняет воз-можности проявления иррегулярностей, бифурка-ций и прочих нелинейных эффектов, проявление которых вещественные числа блокируют. Дискон-тинуальными числовыми множествами являются р-адические Zp (2-адические – Z2) числа. Поэтому

ИЗВЕСТИЯ

4

АКАДЕМИИ ИНЖЕНЕРНЫХ НАУК ИМ. А.М. ПРОХОРОВА [email protected]

математически корректное исследование должно проводиться в «плоскости» ( , ) ( )X Y R Z∝ × 2 , т.е. с привлечением р-адических чисел и их основных свойств.

Основными свойствами р-адических чисел явя-лются следующие: из них отражением относительно «десятичной» точки получаются вещественные, они имеют фрактальную структуру, их метрика связана с величиной вещественных чисел степенной зави-симостью (см. выше). Для р-адических чисел дей-ствует принцип переноса – формулы, истинные на вещественных числах, остаются истинными и на р-адических. Но факты ими выражаемые могут кар-динально различаться.

Учитывая сказанное, можно видеть два пути к построению зависимостей. Первый предполагает создание полной системной теории вещества, как

это было замечено И.В. Тананаевым, включающей все определяющие его параметры и факторы воз-действия на него. И второй, который предполагает статистическое нелинейное моделирование, отве-чающее практике экспериментального подхода в материаловедении. Его мы опишем схематически с учетом сказанного выше о роли р-адических чисел, отсылая читателя за подробностями к приводимой ниже литературе.

Описание подхода

Для построения эмпирических зависимостей, кото-рые могли бы отражать специфику – форму, размер, дисперсность материала – предлагается использо-вать т.н. обобщенные линейные модели, которые позволяют по данным измерений получить функ-ции распределения вероятностей большого класса

ТАБЛИЦА 1. Характеристики некоторых общих распределений экспоненциального вида*

Нормальное Пуассоновское Биномиальное Гамма Обратное Гауссово

Обозначение N(µ, σ2) P(µ) B(m,π)/m G(µ,ν) IG(µ,σ2)

Вариация Υ −∞ ∞( ), 0 1( )∞ 0 1( )mm

0,∞( ) 0,∞( )

Параметр дисперсии ϕ ϕ σ= 2 1 1/m ϕ σ= −1 ϕ σ= 2

Кумулятивная функция b(θ) θ2 2/ exp θ( ) log 1+( )eθ - log −( )θ − −( )log

/2

1 2θ

c y= ( ),ϕ − + ( )

1

22

2yϕ

πϕlog-log y!

logmmy

ν νlog logy y( ) − −

− ( )logΓ ν− ( ) +

1

22

13log πϕϕ

yy

Математическое ожидание

µ(θ) = E (Y;θ)θ exp θ( ) e eθ θ

/ 1+( ) -1/ θ −( )−21 2θ /

Стандартная функция связи (линк-функция)

θ(µ)

тождество log logit Взаимно-обратный 1/ µ2

Функция вариации V(µ) 1 µ µ(1- µ) µ2 µ3

* Параметр среднего значения обозначен как µ, или π для биномиального распределения. Параметризация гамма-рас-пределения такова, что его вариация есть µ2/ν. Канонический параметр, обозначенный θ и функция c y= ( ),ϕ , опре-делен ниже в тексте формулами (1) и (2). Зависимость между µ и θ дается строками 6 и 7 Таблицы.

4 ⋅ 2014 АКАДЕМИИ ИНЖЕНЕРНЫХ НАУК ИМ. А.М. ПРОХОРОВАИЗВЕСТИЯ

5

вероятностных функций и их моментов [5], которые затем могут использоваться в моделях термодина-мических расчетах твердого тела. Обобщенные ли-нейные модели являются расширением линейной регрессии посредством включения в нее нелиней-ных функций – полиномов и обратных полиномов, семейства экспоненциальных зависимостей, кото-рые часто появляются в моделях роста и насыще-ния, статистической физике, гамма-функции и дру-гие см. таблицу ниже [6].

В таблице 1 приведены данные для семейства наиболее важных экспоненциальных распределений, общая формула для которых имеет вид [6]:

f y y b c yY ; , exp / ,θ ϕ θ θ α ϕ ϕ( ) = − ( )( ) ( ) + ( ) (1)

Здесь y – случайная переменная, с распределени-ем как нормальным, так и отличным от него; a, b, c, ϕ – функции, определяющие конкретный вид кри-вой, θ – канонический параметр. Пример для нор-мального распределения:

f y y

y y

Y , , exp /

exp / / / l

θ ϕπσ

µ σ

µ µ σ σ

( ) = − −( ) =

= −( ) − +

1

22

21

2

2

2 2

2 2 2 2 oog ,2 2πσ( )( )

следовательно, θ µ= , ϕ σ= 2 и

α ϕ ϕ( ) = ,

b θ θ( ) = 22/ , (2)

c y y, / log .ϕ σ πσ( ) = − + ( ) 1

222 2 2

Измерения независимых переменных произво-дятся либо принятым в данной теории способом, либо моделируются как случайные числа 2-адиче-ским представлением внутреннего пространства образца посредством квадро- или октодеревьев. Возможен любой другой способ наблюдения вну-треннего пространства материала, который, затем, должен оцифровываться.

Это представление аналогично известному про-цессу удвоения периода М.Фейгенбаума, которое можно рассматривать как один из способов порож-дения 2-адических чисел/бинарного лексикографи-ческого дерева [7]. Из-за взаимной неопределимо-сти вещественных и 2-адических чисел они могут рассматриваться как случайные друг относительно друга [8, 9].

Очевидно, что известные в статистической ме-ханике статистики Больцмана, Гиббса, Максвелла, Бозе-Эйнштейна и Ферми-Дирака относятся к экс-поненциальному типу и, таким образом, могут быть смоделированы в рамках предлагаемого подхода. Проблема здесь заключается в интерпретации в тер-минах фракталов и/или 2-адических чисел и параме-тров. Это предмет отдельной работы.

Особенность такого подхода к получению слу-чайных чисел в том, что их распределение имеет ограниченный носитель всегда ограничено формой и объемом образца, его линейными размерами, фрак-тальной размерностью, дисперсностью, т.е. конкрет-ными материальными особенностями, и не имеет длинных хвостов, присущих стандартным распре-делениям вероятностей типа Пуассонова, Гауссова и им подобных. Метод остается инвариантным от-носительно скейлинга – перехода на другой уровень разрешения наблюдения.

Получение 2-адических случайных чисел воз-можно методами компьютерной томографии или иной техники получения оцифрованной внутрен-ней структуры вещества. В случае компьютерной томографии визуальный образ является оцифро-ванным 2-адическими числами – двоичными стро-ками, которые являются естественным представ-лением данных в компьютерах. Их инволюция [7] дает действительнозначные результаты измере-ния, сохраняющие фрактальную размерность и все перечисленные особенности материала. Таким образом, формируется вещественно-фрактальное пространство

( , ) ( )X Y R Z∝ × 2 .

Схема нелинейной регрессии. В линейной ре-грессии априорно предполагается независимость или, по крайней мере, некоррелированность данных измерений, нормальное распределение ошибок, ад-дитивность эффектов, что не соответствует практике выделения одного параметра из совокупности харак-теристик материала.

Нелинейная регрессия проводится в три этапа: а) выбор модели и масштаба измерения, б) оценка пара-метров, в) прогноз значений, экстраполяция. Выбор масштаба является существенным этапом. Обычно осуществляется выбор между Y и log Y шкалами.

Основными составляющими нелинейной регрес-сии являются следующие [6]:1. Вектор y y y yn= ( , , , )1 2 размерности n рассма-

тривается как реализация случайной величины Y с независимыми составляющими и средними зна-чениями, представленными вектором μ. Система-

ИЗВЕСТИЯ

6


тическая часть Y представляется линейной комбинацией

µ β=∑ x j j

p

1

где β β1,..., p - неизвестные параметры, величины которых определяются по данным измерений.

2. Систематическая часть, мат. ожидание Y имеет вид:

E Y xi i ij i

p

( ) = =∑µ β ;1

i n=1,..., В матричной записи μ есть ( )n×1 вектор,

X – ( )n p× матрица, β – ( )p×1 вектор.

µ β= Χ

3. Связь между случайной η и систематической ∝ компонентами осуществляется связующей функ-цией (link-function)

η µi ig= ( )

Нелинейная регрессия не требует нормальности распределения в п.1, и допускает любую монотон-ную дифференцируемую функцию в п.3 (см. выше экспоненциальный вариант).

Три главные связующие функции имеют вид:1. С процессами роста и насыщения, описываемы-

ми логистическим уравнением

x r x xn n n+ = ⋅ ⋅ −1 1( )

и функцией Гомперца y K e e t= − − ⋅ − ⋅

( )1α β

связаны две линк-функции:

Logit – η µ µ= −( ) log / 1 и дополнительного логарифма

log-log – η α β= −−

= + ⋅log log( ) log( )

K yK

t здесь K, α β, − параметры функции Гомперца [9,

PP. 74-75]. Ее итеративный вид аналогичен логи-стическому уравнению

p r p p pn n n n+ = ⋅ ⋅ − +1 ( ln ) ,

которое также дает диаграмму Фейгенбаума. При K=1 функция Гомперца является функцией рас-пределения вероятностей.

2. Probit – η µ= ( )−Φ 1 , где Φ ( )• - функция нормаль-ного распределения.

3. Complementary log-log (дополнительного лога-рифма) – log-log

η π π= −( ) log / 1

Канонические линк-функции для достаточных статистик следующие:

Нормальная η µ=

Пуассоновская η µ= log

Биномиальная η π π= −( ) log / 1

Гамма η µ= −1

Обратная Гауссова η µ= −2

Общий вид линк-функций следующий: η µλ= для λ ≠ 0 и η µ= log для λ =0, или, полагая непрерыв-ность в точке λ=0

ηµλ

λ

=−1 .

Гибкость подгонки модели можно увеличить, по-лагая зависимость линк-функций от параметров, с использованием методов дифференциального исчис-ления, разложением в ряд Тейлора:

g g gµ λ µ µ λ λ λ µ λλλ; ; ;'( ) = ≈ ( ) + −( ) ( )0 0 0

= + −( )µ λ λ µ µλ λ0 00 log ,

Например, можно аппроксимировать линк-функцию η µλ= следующим образом:

η µ µ λ λ µ µλ λ λ0 0

0 0= = − −( ) log

= − −( )∑β λ λ µ µλj jx 0

0 log . [6]

Дальнейший анализ модели заключается в ста-тистической обработке, подгонке и проверке моде-ли [6]. Подробное описание нелинейной регрессии с большим количеством примеров можно найти в [10, 11]. Сведения и использование функции Гомпер-ца можно найти в [12-14].

Выводы

Нелинейная регрессия представляет собой новый вид планирования эксперимента. Она дает возмож-ность аппроксимации различных типов данных из-мерений, в т.ч. и нечисловых, различными функция-ми. Если обычно данные берутся из внешнего опыта, статистики внешних событий, то в материаловеде-нии стоит проблема получения псевдослучайных чи-сел, которая, как это хорошо известно из практики, часто является серьезным препятствием для получе-ния адекватных результатов. Описываемый подход, основанный на развиваемой авторами идее совмест-ного использования вещественных и р-адических чисел, снимает эту проблему. Случайными, а не псевдослучайными числами можно рассматривать р-адические по отношению ко всей кратко описан-ной выше вещественнозначной технике.

Фрактальные свойства материалов, получае-мые р-адической оцифровкой, сохраняются линк-


7

Сведения об авторах Information about authors Изотов Александр Дмитриевич

заведующий лабораторией, доктор хим. наукЧлен-корреспондент Российской академии наук

Е-mail: [email protected]Институт общей и неорганической химии им. Н.С.Курнакова РАН

119991, Москва, Российская Федерация, Ленинский просп., 31 Маврикиди Федор Иванович

канд. техн. наук, старший научный сотрудник Е-mail: [email protected]

Институт проблем нефти и газа Российской академии наук 119333, Москва, Российская Федерация, ул. Губкина 3

Izotov Alexander DmitrievichHead of Laboratory, Doctor of Chem. SciencesCorresponding Member RASЕ-mail: [email protected] Institute of General and Inorganic chemistry RAS119991, Moscow, Russian Federation Leninskii pr. 31Mavrikidi Fedor IvanovichCand. of Techn. Sciences, Senior Researcher Е-mail: [email protected] and Gas Research Institute Russian Academy of Sciences 119333, Moscow, Russian Federation, Gubkin st. 3

функциями, что дает возможность для дальнейших исследований и выводов без потери информации о топологии образца.

Метод не только хорошо обеспечен статистиче-скими компьютерными пакетами, но и тесно связан с компьютерными представлениями данных.

РАБОТА ВЫПОЛНЕНА ПРИ ЧАСТИЧНОЙ ПОДДЕРЖКЕ ПРОГРАММЫ РАН ОХ 2.4

Литература

1. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Статистическая физика. Ч. I. М., Наука, 1976.

2. Изотов А.Д., Гавричев К.С., Лазарев В.Б., Шеберш-нева О.В. Температурная зависимость теплоемкости веществ с мультифрактальной структурой // Неорга-нические материалы 1994, T. 30. 4. С. 449–456.

3. Кузнецов В.М., Хромов В.И. Фрактальное представ-ление теории Дебая для исследования теплоемкости макро- и наноструктур // ЖТФ 2008, T. 78б. Вып. 11. С. 11–164.

4. A.V. Tyurin, A.D. Izotov, K. S. Gavrichev, and V. P. Zlo-manov. Describing the Heat Capacity of III–VI Com-pound Semiconductors in a Fractal Model. Inorganic Materials, 2014. Vol. 50. 9. PP. 903–906.

5. Falconer K.J. Fractal Geometry. Mathematical Founda-tions and Applications. Wiley, 2003.

6. McCullagh P., Nedler J. Generalized Linear Models. Chapman, 1989.

7. Изотов А.Д., Маврикиди Ф.И. Фракталы. Самара, СГАУ, 2011. 128 с.

8. Collins J.J. et. al. A random Number Generator based on the logit transform of the logistic variable. Computers in Physics Vol. 6. 36. PP. 630–632.

9. Phatak S.C., Rao S.S. Logistic map: A possible random number generator// Phys.Rev.E, Vol. 51. 4. 1995. PP. 3670–3678.

10. Lindsey J.K. Applied Generalized Linear Models. Springer, 1997.

11. Olson U. Generalized Linear Models. An Applied Ap-proach. Studentliteratur, 2002.

12. Bajzer Z, Vuk-Pavlovic S, Huzak M. Mathematical Modeling of Tumor Growth Kinetics. In: Adam J.A., Bellomo N., eds. A Survey of Models for Tumor-Im-mune System Dynamics. Boston: Birkhauser, 1997. PP. 89–132.

13. Bajzer Z. Gompertzian growth as a self-similar and allo-metric process. Growth, Development and Aging 1999; 63. PP. 3–11.

14. Waliszewski P, Konarski J. Gompertzian curve reveals fractal properties of tumor growth. Chaos, Solitons and Fractals 2003; 16(5). 665–674.

References

1. Landau L.D., Livshits Ye.M. Statisticheskaya fizika chast I. [Statistical Physics]. M.: Nauka [Moscow: Pub-lishing house «Science»], 1976.

2. Izotov A.D., Gavrichev K.S., Lazarev V.B., Sheber-shneva O.V. Temperaturnaya zavisimost teploem-kosti veshchestv s multifraktalnoy strukturoy. Neor-ganicheskie materialy [The temperature dependence of the heat capacity of materials with multifractal structure. Inorganic Materials], 1994. Т. 30. 4. РР. 449–456.

3. Kuznetsov V.M., Khromov V.I. Fraktalnoe predstavlenie teorii Debaya dlya issledovaniya teploemkosti makro- i nanostruktur. ZhTF 2008, tom 78b. Vyp. 11. PP. 11–164.

4. A. V. Tyurin, A. D. Izotov, K. S. Gavrichev, and V.P. Zlo-manov. Describing the Heat Capacity of III–VI Com-pound Semiconductors in a Fractal Model. Inorganic Materials, 2014. Vol. 50. 9. PP. 903–906.

5. Falconer K.J. Fractal Geometry. Mathematical Founda-tions and Applications. Wiley, 2003.

6. McCullagh P., Nedler J. Generalized Linear Models. Chapman, 1989.

7. Izotov A.D., Mavrikidi F.I. Fraktaly. [Fractals]. Samara, SGAU, 2011. 128 p.

8. Collins J.J. et. al. A random Number Generator based on the logit transform of the logistic variable. Computers in Physics Vol. 6. 36. PP. 630–632.

9. Phatak S.C., Rao S.S. Logistic map: A possible random number generator. Phys.Rev.E. Vol. 51. 4. 1995. PP. 3670–3678.

10. Lindsey J.K. Applied Generalized Linear Models. Springer, 1997.

11. Olson U. Generalized Linear Models. An Applied Ap-proach. Studentliteratur, 2002.

12. Bajzer Z, Vuk-Pavlovic S, Huzak M. Mathematical Modeling of Tumor Growth Kinetics. In: Adam J.A., Bellomo N., eds. A Survey of Models for Tumor-Im-mune System Dynamics. Boston: Birkhauser, 1997; PP. 89–132.

13. Bajzer Z. Gompertzian growth as a self-similar and allo-metric process. Growth, Development and Aging 1999. 63. PP. 3–11.

14. Waliszewski P, Konarski J. Gompertzian curve reveals fractal properties of tumor growth. Chaos, Solitons and Fractals 2003; 16(5). PP. 665–674.

8

А.Т. МИТИН – канд. техн. наук, доцент, старший научный сотрудник А.А. МИТИНА – канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник

ФГБУ «НИИ ЦПК имени Ю.А. Гагарина» Звездный городок, Российская Федерация, Е-mail: [email protected]

из истории развития средств отображения навигационной обстановки и возможность исПользования оПыта их Применения При Пилотируемом Полете к луне

Рассматриваются возможности бортовых средств отображе-ния навигационной обстановки синтезировать изображения поверхности Земли и небесной сферы, близкие к наблюдае-мым космонавтом в реальных условиях полета. Проводится анализ недостатков и преимуществ бортовых средств ото-бражения навигационной информации. Предлагается при создании средств отображения навигационной обстановки использовать косую (орбитальную) равнопромежуточную цилиндрическую проекцию, картографическая плоскость которой перпендикулярна плоскости орбиты космического аппарата. Если при этом электронными средствами отобра-жения навигационной обстановки будут компенсированы угловая скорость вращения Земли вокруг своей оси и пре-цессия плоскости орбиты космического аппарата, то в этом

случае изображение, видимое космонавтом в космическом полете, будет практически совпадать с изображением на бортовом средстве отображения навигационной обстанов-ки, что значительно улучшит условия работы космонавтов при выполнении навигационно-баллистических задач и со-ответственно повысит качество их выполнения.

Ключевые слова: пилотируемый космический полет, борто-вые средства отображения навигационной обстановки, изо-бражение поверхности Земли и звездного неба, картогра-фические проекции, подспутниковая точка, трасса полета космического аппарата, условия выполнения космонавтом навигационных задач, пилотируемые полеты к Луне и дру-гим планетам

А.Т. MITIN – Cand. of Techn. Sciences, Associate Professor, Senior Researcher А.А. MITINA – Cand. of Techn. Sciences, Leading Researcher

State Organization «Gagarin Research &Test Cosmonaut Training Center» Star City, Russian Federation, Е-mail: [email protected]

from the history of the development of navigational display and the ability to use the experienCe of their use in manned flight to the moon

Discusses the possibility of on-board navigational display facilities to produce images of the surface of the Earth and the sky, close to the observed real Cosmonaut flight. Disadvantages and advantages of onboard navigation information display facilities are analysed. It is offered to use a slanting (orbital) equidistant cylindrical projection, mapping a plane which is perpendicular to the plane of the orbit of the spacecraft for creating a navigational display facilities. If electronic means of displaying the navigation conditions will be offset by the angular velocity of the rotation of the earth around its axis and the precession of the plane of

the orbit of the spacecraft, the image seen an astronaut during a space flight, will be virtually identical to the image on the side display navigational tool that will significantly improve the working conditions of astronauts during navigation.

Key words: manned space flight, onboard navigational display facilities, the image of the surface of the Earth and the sky, map projections, under satellite point, track flight of spacecraft, the spaceman navigation problems, manned flights to the Moon and other planets

Введение

В настоящее время многие страны приступили к раз-работке проектов пилотируемых полетов к другим планетам, в частности к Марсу и Луне.

В нашей стране возобновили разработку проекта пилотируемого полета на Луну. Такой проект пред-полагает решение на высоком уровне совокупности очень сложных наукоемких и трудоемких техниче-ских, медицинских, экологических, политических, гуманитарных проблем, вопросов и задач.

Одним из важнейших вопросов такого проекта является решение навигационных задач на значи-тельном удалении от Земли при подлете пилотиру-

емого космического аппарата (ПКА) к Луне, ее об-лете, посадке на Луну и при возвращении на Землю.

Начиная с 200000–300000 км от Земли, экипа-жу необходимо будет с помощью астрономических средств навигации определять отклонение траекто-рии движения ПКА к Луне относительно заданной. Если траектория движения отклоняется от заданной на величину, превышающую 10 км, тогда космонав-ты должны будут выполнять операции по коррекции траектории движения ПКА. Для обеспечения вы-полнения этих операций потребуются средства ото-бражения навигационной обстановки, позволяющие определять параметры движения ПКА с заданной точностью.


9

Очевидно, межпланетные перелеты выдвигают перед экипажем ПКА значительно более сложные навигационно-баллистические задачи, что, в свою очередь, требует повышения эффективности приме-нения бортовых средств отображения навигационной обстановки пилотируемых космических аппаратов.

Основной задачей при создании таких средств является обеспечение максимального приближения синтезируемого изображения поверхности планеты, к тому, что космонавт видит в иллюминаторе. Следу-ет отметить, что чем точнее выполняется это требо-вание, тем выше качество выполнения навигацион-но-баллистических задач.

В этой связи результаты анализа особенностей построения средств отображения навигационной обстановки пилотируемых космических аппаратов и опыта их применения в космических полетах могут быть полезны при создании новых средств отобра-жения навигационной обстановки, обеспечивающих выполнение навигационных задач при пилотируе-мых полетах к другим планетам.

Средства отображения навигационной обста-новки, используемые ранее и в настоящее время, по своему принципу действия можно разделить на аналоговые, электронные и средства отображения на бумажном носителе (т.е. карты); а по решаемым задачам − на средства отображения подстилающей поверхности планеты и средства отображения небес-ной сферы (табл. 1).

Аналоговые приборы

К аналоговым приборам относятся Индикатор нави-гационный космонавта ИНК-4 и бортовой звездный глобус БЗГ-1М.1. Индикатор навигационный космонавта ИНК-

4 представляет собой глобус Земли диаметром 30 см, имеющий две степени свободы (рис.1). По принципу действия − аналоговый прибор. ИНК-4 используется, начиная с 60 г.г. прошлого века.

ТАБЛИЦА 1. Средств отображения навигационной обстановки ПКА

СРЕДСТВА ОТОБРАЖЕНИЯ ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ПЛАНЕТЫ

Аналоговые На бумажной основе Электронные

Индикатор навигационный космонавта ИНК-4

• Специальная бортовая космонавига-ционная карта в произвольной нор-мальной цилиндрической проекции

• Космонавигационная карта в ор-битальной равнопромежуточной проекции

• «Глобус»• «Панорама»• «Сигма»• Space Shuttle:

”STS“”Earth Observation» “

СРЕДСТВА ОТОБРАЖЕНИЯ НЕБЕСНОЙ СФЕРЫ

Бортовой звездный глобус БЗГ-1М

Космонавигационные карты звездного неба в равнопромежуточных

нормальной цилиндрической и азимутальной проекциях

«Сигма»

РИС. 1 Индикатор навигационный

Рис.1. Индикатор навигационный космонавта

средства отображения подстилающей поверхности планеты и средства отображения небесной сферы (табл. 1).

Таблица 1. Средств отображения навигационной обстановки ПКА

СРЕДСТВА ОТОБРАЖЕНИЯ ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ПЛАНЕТЫ

Аналоговые На бумажной основе Электронные

Индикатор навигационный космонавта ИНК-4

• Специальная бортовая космонавигационная карта в произвольной нормальной цилиндрической проекции

• Космонавигационная карта в орбитальной равнопромежуточной проекции

• «Глобус» • «Панорама» • «Сигма» • Space Shuttle:

”STS“ ”Earth Observation» “

СРЕДСТВА ОТОБРАЖЕНИЯ НЕБЕСНОЙ СФЕРЫ

Бортовой звездный глобус БЗГ-1М

Космонавигационные карты звездного неба в равнопромежуточных нормальной цилиндрической и азимутальной проекциях

«Сигма»

Аналоговые приборы К аналоговым приборам относятся Индикатор навигационный космонавта ИНК-4 и бортовой звездный глобус БЗГ-1М. 1. Индикатор навигационный космонавта ИНК-4 представляет собой глобус Земли диаметром 30 см, имеющий две степени свободы (рис.1). По принципу действия аналоговый прибор. ИНК-4 используется, начиная с 60 г.г. прошлого века. ИНК-4 это уникальное средство отображения навигационной обстановки, позволяющее получить совпадение видимой космонавтом поверхности Земли с поверхностью, изображаемой на сфере глобуса в масштабе 1:40000000. Движение ПКА относительно поверхности Земли имитируется вращением глобуса относительно одной оси со скоростью, равной средней угловой скорости движения ПКА по орбите, а относительно другой оси – с угловой скоростью, равной сумме угловой скорости вращения Земли вокруг своей оси и угловой скорости прецессии плоскости орбиты ПКА. Из-за малого масштаба глобуса, а также имитации движения ПКА только по круговой орбите, координаты местоположения ПКА определяются с низкой точностью 100 км.

ИЗВЕСТИЯ

10


ИНК-4 это уникальное средство отображения на-вигационной обстановки, позволяющее получить со-впадение видимой космонавтом поверхности Земли с поверхностью, изображаемой на сфере глобуса в масштабе 1:40000000.

Движение ПКА относительно поверхности Земли имитируется вращением глобуса относительно од-ной оси со скоростью, равной средней угловой ско-рости движения ПКА по орбите, а относительно дру-гой оси – с угловой скоростью, равной сумме угловой скорости вращения Земли вокруг своей оси и угло-вой скорости прецессии плоскости орбиты ПКА.

Из-за малого масштаба глобуса, а также имитации движения ПКА только по круговой орбите, коорди-наты местоположения ПКА определяются с низкой точностью 100 км.

Кроме того, ИНК-4, как автономное средство, не имеет связи с бортовыми навигационными система-ми, поэтому исходную информацию для его функци-онирования необходимо выбирать из соответствую-щих форм оповещения космонавта.

Поэтому прибор уже на протяжении нескольких лет не применяется для навигационных определений.

Сейчас ИНК-4 используется на транспортном ко-рабле (ТК) для приближенного определения текущих координат и координат точки посадки.2. Бортовой звездный глобус БЗГ-1М. На поверх-

ность глобуса нанесены 532-е звезды до +2-ой звездной величины, созвездия с их общеприня-той конфигурацией, небесный экватор, эклипти-ка и круги склонений точек весеннего и осеннего равноденствий.Основным достоинством этого бортового сред-

ства отображения навигационной обстановки явля-

ется то, что изображение на поверхности глобуса, совпадает с реальным звездным небом.

К числу недостатков БЗГ-1М можно отнести малое число звезд, нанесенных на его поверхность, низкую точность снятия экваториальных координат звезд 5°.

Сейчас этот прибор не используется.Ранее БЗГ-1М использовался для трехосной ори-

ентации космических кораблей «Союз», орбиталь-ной станции «Мир» с помощью астроориентаторов (АО-1,2), секстантов («Цель»), визиров (ДПТО – до-полнительный прибор точной ориентации).

Карты

1. Специальная бортовая космонавигационная кар-та в произвольной нормальной цилиндрической проекции была разработана картографом Моло-кановым в 1967 г.Масштаб: 1:40000000 на параллелях 20° сев. и

юж. широт.Основное достоинство карты: трасса изобража-

ется в виде двух полуокружностей, что существенно упрощает прокладку трасс.

По горизонтальной оси (рис. 3) откладываются долготы λ подспутниковых точек трассы (масштаб равнопромежуточный).

По вертикальной оси – широты ϕ (масштаб про-извольный). Радиус полуокружностей r, с помощью которых строится трасса на карте, равен сумме ве-личин наклонения орбиты i и коэффициента b. Ко-эффициент определяется из специальных таблиц, приведенных на карте, в зависимости от конкретных значений наклонения орбиты и периода обращения космического аппарата (КА) по орбите.

РИС. 2 Бортовой звездный глобус БЗГ-1МРИС. 3 Схема специальной бортовой космонавигационной карты

в произвольной нормальной цилиндрической проекцииРис.2. Бортовой звездный глобус БЗГ-1М.

Кроме того, ИНК-4, как автономное средство, не имеет связи с бортовыми навигационными системами, поэтому исходную информацию для его функционирования необходимо выбирать из соответствующих форм оповещения космонавта. Поэтому прибор уже на протяжении нескольких лет не применяется для навигационных определений. Сейчас ИНК-4 используется на транспортном корабле (ТК) для приближенного определения текущих координат и координат точки посадки. 2. Бортовой звездный глобус БЗГ-1М. На поверхность глобуса нанесены 532-е звезды до +2-ой звездной величины, созвездия с их общепринятой конфигурацией, небесный экватор, эклиптика и круги склонений точек весеннего и осеннего равноденствий. Основным достоинством этого бортового средства отображения навигационной обстановки является то, что изображение на поверхности глобуса, совпадает с реальным звездным небом. К числу недостатков БЗГ-1М можно отнести малое число звезд, нанесенных на его поверхность, низкую точность снятия экваториальных координат звезд 5. Сейчас этот прибор не используется. Ранее БЗГ-1М использовался для трехосной ориентации космических кораблей «Союз», орбитальной станции «Мир» с помощью астроориентаторов (АО-1,2), секстантов («Цель»), визиров (ДПТО – дополнительный прибор точной ориентации). Карты 1. Специальная бортовая космонавигационная карта в произвольной нормальной цилиндрической проекции была разработана картографом Молокановым в 1967 г.

Масштаб: 1:40000000 на параллелях 20 сев. и юж. широт. Основное достоинство карты: трасса изображается в виде двух полуокружностей, что существенно упрощает прокладку трасс. По горизонтальной оси (рис. 3) откладываются долготы подспутниковых точек трассы (масштаб равнопромежуточный).

По вертикальной оси – широты (масштаб произвольный). Радиус полуокружностей r, с помощью которых строится трасса на карте, равен сумме величин наклонения орбиты i и коэффициента b. Коэффициент определяется из специальных таблиц, приведенных на карте, в зависимости от конкретных значений наклонения орбиты и периода обращения КА по орбите. Но наряду с этими положительными свойствами, эта карта имеет ряд существенных недостатков:

• низкая точность снятия координат 5( 560 км);

Рис.3. Схема специальной бортовой космонавигационной карты в произвольной нормальной

цилиндрической проекции.


11

Но наряду с этими положительными свойствами, эта карта имеет ряд существенных недостатков:

• низкая точность снятия координат 5°(≈ 560 км);• большие искажения при изображении Земной

поверхности,

что и указывалось в отчетах последних экспедиций посещения орбитальной станции «Мир».

Специальная бортовая космонавигационная карта используется на ТК до сегодняшнего дня.2. Следующей разработкой картографа Молоканова

была космонавигационная карта в орбитальной равнопромежуточной проекции.Эта карта представляла собой изображение поло-

сы земной поверхности шириной 3000 км (рис. 4), расположенной вдоль трассы полета ПКА для задан-ной долготы восходящего узла.

Масштаб: 1:20000000.На схеме изображены:

• северный PN и южный PS полюса Земли;• орбита КА;• северный PO и южный PO′ полюса орбиты КА;• трасса КА (проекция движения КА на поверх-

ность Земли);• наклонение i орбиты КА;• орбитальное склонение δO и прямое восхожде-

ние αO подспутниковой точки трассы;• вертексы q, q′ трассы (наиболее удаленные точки

трассы от экватора);• восходящий В и нисходящий Н узлы трассы (точ-

ки пересечения трассой экватора).

Земная поверхность на космонавигационной кар-те в орбитальной равнопромежуточной проекции изображается с минимальными искажениями.

Использование этой разработки позволило существенно повысить точность снятия коор-динат ориентиров, что обеспечивало надеж-ность выполнения визуальной ориентировки на местности.

Недостаток: применение этой карты ограничено только одним конкретным витком – тем, на который она рассчитана и изготовлена.

Трассы витков КА последовательно смещаются на запад (ТК на 22° за виток, станция на 23° за ви-ток), что определяется двумя факторами:

• вращением Земли вокруг своей оси (угловая ско-рость вращения Земли 0,2507 град/мин).

• прецессией плоскости орбиты КА, вызванной нецентральностью гравитационного поля Земли (угловая скорость прецессии плоскости орбиты ТК и станции ≈ 0,3 °/виток).

По этим причинам трасса последующего витка выйдет за границы карты, ширина которой равна 3000 км ≈ 27°.3. Космонавигационные карты звездного неба в рав-

нопромежуточной нормальной цилиндрической и в равнопромежуточной азимутальной проекциях разработал в 1970 г. академик Михайлов в Пул-ковской обсерватории.На картах изображены звезды до + 5,5 звездной

величины (рис. 5).Космонавигационные карты звездного неба и в

настоящее время используются на борту ПКА для ре-

РИС. 4 Схема космонавигационной карты в орбитальной равнопромежуточной проекции

ИЗВЕСТИЯ

12


шения задач навигации и ориентации с применением астрономических приборов.

Погрешность определения ориентации пилотиру-емого космического аппарата относительно звезд со-ставляет 1–2°, что в 2–3 раза ниже, чем при исполь-зовании звездного глобуса БЗГ-1М.

Но эта точность не удовлетворяет требованиям проведения трехосной ориентации ПКА. Эта карта использовалась французом Жан Пьером Энере при выполнении им астрофизических экспериментов. Он отметил, что число звезд, нанесенных на рабочее поле карты, не соответствует числу видимых звезд в космическом полете, что ее черная основа затрудняет работу с картой.

Электронные средства отображения навигационной обстановки

В конце 80-х и начале 90-х годов на смену аналого-вым приборам пришли электронные средства ото-бражения навигационной обстановки «Глобус» и «Сигма», которые использовались на орбитальном комплексе «Мир».1. Бортовое средство отображения навигационной

обстановки «Глобус» по исходным начальным данным, введенным вручную, моделировало перемещение подспутниковой точки по элек-тронной цифровой карте в равнопромежуточной нормальной цилиндрической проекции, в девяти масштабах: 1:2500000; 1:5000000; 1:10000000; 1:20000000; 1:40000000; 1:80000000; 1:160000000; 1:320000000; 1:640000000.Из-за того, что средство «Глобус» не сопряжено с

бортовой навигационной системой, с течением вре-мени происходило накопление ошибки. Ошибка в определении местоположения подспутниковой точ-ки за сутки составляла 15 км.

С помощью этого средства определялись: мо-мент нахождения выбранного ориентира на травер-

се трассы, высота и азимут Солнца в подспутнико-вой точке.

Следует отметить, что при использовании рав-нопромежуточной нормальной цилиндрической проекции имеют место искажения геометрическо-го вида границ зон связи и геоцентрического угла обзора земной поверхности при их изображении на карте.

На схеме (рис. 6) показана трасса КА, проложен-ная на карте в равнопромежуточной нормальной ци-линдрической проекции.

Основной недостаток карт в такой проекции, за-ключается в том, что по мере удаления от экватора искажения изображения земной поверхности суще-ственно возрастают. Так на расстоянии 60° отрезок параллели, соответствующий такому же угловому размеру, что и на экваторе, будет изображен с уве-личением в два раза (l = λ⋅cos ϕ.). Поэтому карты в нормальной цилиндрической проекции изготовляют в диапазоне 70° сев. и юж. широт.

В верхней правой части схемы (рис. 6) показан ха-рактер возрастания искажения изображения отрезка горизонтали, соответствующего угловому расстоя-нию 10°, по мере удаления от экватора.

При этом по вертикале (на одном меридиане) со-ответствие линейного размера угловому сохраняет-ся: равные угловые расстояния изображаются равны-ми отрезками прямых линий.

Следовательно, в точках вертекса трассы искаже-ния изображения земной поверхности максимальны, а в узлах трассы КА − минимальны.2. Бортовое средство отображения навигационной

обстановки «Панорама» было разработано в на-чале 90-х годов в НПО «Энергия». Это средство связано с бортовым навигационным комплек-сом и предоставляет возможность по начальным данным (составляющих радиус-вектора ПКА, скорости полета, а также баллистическому коэф-

РИС. 5 Космонавигационные карты звездного неба в равнопромежуточной нормальной цилиндрической проекции и в равнопромежуточной азимутальной проекции

Рис.5. Космонавигационные карты звездного неба в равнопромежуточной нормальной цилиндрической проекции и в равнопромежуточной азимутальной проекции.

3. Космонавигационные карты звездного неба в равнопромежуточной нормальной цилиндрической и в равнопромежуточной азимутальной проекциях разработал в 1970 г. академик Михайлов в Пулковской обсерватории. На картах изображены звезды до + 5,5 звездной величины (рис. 5). Космонавигационные карты звездного неба и в настоящее время используются на борту ПКА для решения задач навигации и ориентации с применением астрономических приборов.

Погрешность определения ориентации пилотируемого космического аппарата относительно звезд составляет 1-2, что в 2-3 раза ниже, чем при использовании звездного глобуса БЗГ-1М. Но эта точность не удовлетворяет требованиям проведения трехосной ориентации ПКА. Эта карта использовалась французом Жан Пьером Энере при выполнении им астрофизических экспериментов. Он отметил, что число звезд, нанесенных на рабочее поле карты, не соответствует числу видимых звезд в космическом полете, что ее черная основа затрудняет работу с картой. Электронные средства отображения навигационной обстановки В конце 80-х и начале 90-х годов на смену аналоговым приборам пришли электронные средства отображения навигационной обстановки «Глобус» и «Сигма», которые использовались на орбитальном комплексе «Мир». 1. Бортовое средство отображения навигационной обстановки «Глобус» по исходным начальным данным, введенным вручную, моделировало перемещение подспутниковой точки по электронной цифровой карте в равнопромежуточной нормальной цилиндрической проекции, в девяти масштабах: 1:2500000; 1:5000000; 1:10000000; 1:20000000; 1:40000000; 1:80000000; 1:160000000; 1:320000000; 1:640000000. Из-за того, что средство «Глобус» не сопряжено с бортовой навигационной системой, с течением времени происходило накопление ошибки. Ошибка в определении местоположения подспутниковой точки за сутки составляла 15 км. С помощью этого средства определялись: момент нахождения выбранного ориентира на траверсе трассы, высота и азимут Солнца в подспутниковой точке. Следует отметить, что при использовании равнопромежуточной нормальной цилиндрической проекции имеют место искажения геометрического вида границ зон связи и геоцентрического угла обзора земной поверхности при их изображении на карте. На схеме (рис. 6) показана трасса КА, проложенная на карте в равнопромежуточной нормальной цилиндрической проекции.

Рис.5. Космонавигационные карты звездного неба в равнопромежуточной нормальной цилиндрической проекции и в равнопромежуточной азимутальной проекции.

3. Космонавигационные карты звездного неба в равнопромежуточной нормальной цилиндрической и в равнопромежуточной азимутальной проекциях разработал в 1970 г. академик Михайлов в Пулковской обсерватории. На картах изображены звезды до + 5,5 звездной величины (рис. 5). Космонавигационные карты звездного неба и в настоящее время используются на борту ПКА для решения задач навигации и ориентации с применением астрономических приборов.

Погрешность определения ориентации пилотируемого космического аппарата относительно звезд составляет 1-2, что в 2-3 раза ниже, чем при использовании звездного глобуса БЗГ-1М. Но эта точность не удовлетворяет требованиям проведения трехосной ориентации ПКА. Эта карта использовалась французом Жан Пьером Энере при выполнении им астрофизических экспериментов. Он отметил, что число звезд, нанесенных на рабочее поле карты, не соответствует числу видимых звезд в космическом полете, что ее черная основа затрудняет работу с картой. Электронные средства отображения навигационной обстановки В конце 80-х и начале 90-х годов на смену аналоговым приборам пришли электронные средства отображения навигационной обстановки «Глобус» и «Сигма», которые использовались на орбитальном комплексе «Мир». 1. Бортовое средство отображения навигационной обстановки «Глобус» по исходным начальным данным, введенным вручную, моделировало перемещение подспутниковой точки по электронной цифровой карте в равнопромежуточной нормальной цилиндрической проекции, в девяти масштабах: 1:2500000; 1:5000000; 1:10000000; 1:20000000; 1:40000000; 1:80000000; 1:160000000; 1:320000000; 1:640000000. Из-за того, что средство «Глобус» не сопряжено с бортовой навигационной системой, с течением времени происходило накопление ошибки. Ошибка в определении местоположения подспутниковой точки за сутки составляла 15 км. С помощью этого средства определялись: момент нахождения выбранного ориентира на траверсе трассы, высота и азимут Солнца в подспутниковой точке. Следует отметить, что при использовании равнопромежуточной нормальной цилиндрической проекции имеют место искажения геометрического вида границ зон связи и геоцентрического угла обзора земной поверхности при их изображении на карте. На схеме (рис. 6) показана трасса КА, проложенная на карте в равнопромежуточной нормальной цилиндрической проекции.


13

фициенту) производить определение координат подспутниковой точки и отображать их на карте земной поверхности в равнопромежуточной нор-мальной цилиндрической проекции.

3. Сейчас для отображения навигационной обста-новки используется система «Сигма». Она рабо-тает в двух режимах: в автономном и в составе бортовой навигационной системы.В автономном режиме по начальным исходным

данным движения ПКА, введенным вручную, вычис-ляются координаты подспутниковой точки.

Для изображения земной поверхности использу-ется равнопромежуточная нормальная цилиндриче-ская проекция переменного масштаба.

Система «Сигма» имеет возможность вычислить текущее положение осей ПКА на небесной сфере в экваториальной системе координат, что позволяет выполнить ориентацию ПКА по звездам с использо-ванием астрономических приборов.

На многоразовом космическом аппарате «Space Shuttle» использовались два образца средств отобра-жения навигационной обстановки: «STS» и «Earth Observation».4. Система «STS» − аналог отечественной системы

«Глобус». Отличается тем, что наряду с равно-промежуточной нормальной цилиндрической проекцией изображения поверхности Земли при-меняется и стереографическая проекция в виде гномонической сетки.

5. Система «Earth Observation» не связана с борто-вым навигационным комплексом. Подстилающая земная поверхность изображается в равнопроме-жуточной нормальной цилиндрической проекции в диапазоне широт ± 80° (масштаб 1:40000000). Эта система отображает текущий виток полета и

два последующих витка. Для обеспечения требуе-мой точности изображения витка трассы система требует ежесуточного обновления текущих пара-метров вручную.Использование во всех этих средствах отображения

навигационной обстановки равнопромежуточной нор-мальной цилиндрической проекции, предопределило наличие искажений изображения земной поверхно-сти, геометрического вида границ зон связи и геоцен-трического угла обзора земной поверхности. В точках вертекса трассы эти искажения настолько велики, что затрудняют визуальное сопоставление наблюдаемой местности с изображением на бортовом средстве.

Заключение

Результаты сравнительного анализа особенностей построения и опыта применения бортовых средств отображения навигационной информации позволяют отметить следующее:

• Аналоговые средства отображения навигацион-ной обстановки отображают навигационную об-становку на поверхности Земли и небесной сфере в таком виде, в каком она наблюдается из космоса. Но обладают низкой точностью.

• Электронные средства по сравнению с аналоговы-ми приборами обладают большей точностью. Но в этих средствах, как правило, применяется нор-мальная равнопромежуточная цилиндрическая проекция, для которой свойственны искажения, возрастающие по мере приближения к полюсам проекции, что вызывает трудности выполнения визуальной ориентации.

• Анализ применения космонавигационных карт показал, что наибольшую точность отображения навигационной обстановки космического полета

РИС. 6 Схема построения трассы КА на карте в равнопромежуточной нормальной цилиндрической проекции

ИЗВЕСТИЯ

14


обеспечивает косая (орбитальная) равнопромежу-точная цилиндрическая проекция. Картографиче-ская плоскость такой проекции перпендикулярна плоскости орбиты.При создании средств отображения навигацион-

ной обстановки для перспективных пилотируемых транспортных систем, в частности выполняющих по-лет на Луну, целесообразно использовать:

• косую равнопромежуточную цилиндрическую проекцию, картографическая плоскость которой перпендикулярна плоскости орбиты космическо-го аппарата;

• электронные средства, позволяющие при имита-ции подстилающей поверхности компенсировать угловые скорости вращения планеты вокруг своей оси и прецессии плоскости орбиты ПКА.В этом случае земная поверхность, небо и поверх-

ность Луны, видимые космонавтом в полете, будут практически совпадать с синтезируемым изображе-нием на бортовом средстве отображения навигаци-онной обстановки, что позволит на более высоком уровне и с большей точностью выполнять навигаци-онно-баллистические задачи во время межпланетных пилотируемых полетов.


1. Эрике К. Космический полет. Том 1. М.: «Физико-мате-матическая литература», 1963. 586 с.

2. Егоров В.А. Гусев Л.И. Динамика перелетов между Землей и Луной. М.: «Наука» Главная редакция физи-ко-математической литературы, 1980. 543 с.

3. Отчет о НИР «Исследование структуры и особенно-стей деятельности космонавтов при различных сцена-риях полетов к Луне и её освоения». Звездный городок: ФГБУ «НИИ ЦПК имени Ю.А. Гагарина», 2014.

4. Отчет о НИР «Разработка методов создания цифровых космонавигационных карт». Звездный городок: РГНИ-ИЦПК имени Ю.А. Гагарина, 1990.

5. Отчеты о НИР на специальные темы. Звездный го-родок: ФГБУ «НИИ ЦПК имени Ю.А. Гагарина», 2010−2012.

6. Техническое описание. ИНК-4.7. Техническое описание. БЗГ-1М.8. Отчет о проведении визуальных наблюдений тре-

тьей основной экспедицией орбитального комплекса «Мир», 1989.

9. Климук П.И., Митин А.Т., Митина А.А. Навигация и баллистика пилотируемых космических аппаратов.

Звездный городок: РГНИИЦПК имени Ю.А. Гагарина, 2002. 406 с.

10. Воробьев Л.М. Астрономическая навигация летатель-ных аппаратов. М.: «Машиностроение», 1968 г. 279 с.

11. Техническое описание. «Глобус».12. Демин В.М. Теория и практика применения карт в ави-

ации. М.: «Машиностроение», 1969. 203 с.13. Техническое описание. «Панорама».14. Техническое описание. «Сигма».

References

1. Krafft A. Ehricke. Kosmicheskij polet [Space flight. I]. Environment end celestial mechanics. M.: «Physical and mathematical literature», 1963. 586 p.

2. Yegorov V.A. Gusev L.I. Dinamika pereletov mezhdu Zemlej i Lunoj [Dynamics for flights between the Earth and the Moon]. M.: Nauka [Moscow: Publishing house «Science»], Main editorial of physico-mathematical litera-ture, 1980. 543 p.

3. Otchet o NIR «Issledovanie struktury i osobennostej deyatel'nosti kosmonavtov pri razlichnyh scenariyah pole-tov k Lune i ee osvoeniya» [Report on the NIR «Study of the structure and characteristics of the activities of the astronauts under various scenarios, flight to the Moon and its develop-ment»] Star City: FGBU «NII CPK of Y.A. Gagarin», 2014.

4. Otchet o NIR «Razrabotka metodov sozdaniya cifrovyh kosmonavigacionnyh kart» [Report on the NIR «Develop-ment of methods for creating digital kosmonavigacionnyh cards»]. Star City: RGNIICPK of Y.A. Gagarin, 1990.

5. Otchety o NIR na special'nye temy [Records of the NIR on special topics]. Star City: FGBU «NII CPK of Y.A. Gaga-rin», 2010-2012.

6. Tehnicheskoe opisanie [Technical description]. INC-4.7. Tehnicheskoe opisanie [Technical description]. BZG-1M.8. Otchet o provedenii vizual'nyh nablyudenij tret'ej osnovnoj

`ekspediciej orbital'nogo kompleksa [Report on conducting Visual observations of the third major expedition the Mir orbital complex], 1989.

9. Klimuk P.I., Mitin A.T., Mitina A.A. Navigaciya i ballistika pilotiruemyh kosmicheskih apparatov. Zvezdnyj gorodok: RGNIICPK imeni Yu.A.Gagarina [Navigation and ballis-tics of manned spacecraft. Star City: RGNIICPK of Y.A. Gagarin], 2002. 406 p.

10. Vorob′ev L.M. Astronomicheskaya navigaciya letatel'nyh apparatov [Astronomical navigation of aircraft]. M.: «Mashinostroenie» [Moscow: Publishing house «Mechani-cal engineering»], 1968. 279 p.

11. Tehnicheskoe opisanie [Technical description]. «Globus».12. Dyomin V.M. Teoriya i praktika primeneniya kart v avia-

cii [Theory and practice of aviation maps]. M.: «Mashi-nostroenie» [Moscow: Publishing house «Mechanical en-gineering»], 1969. 203 p.

13. Tehnicheskoe opisanie [Technical description]. «Panorama».14. Tehnicheskoe opisanie [Technical description]. «Sigma».

Сведения об авторах Information about authors

Митин Алексей Тимофеевичканд. техн. наук, доцент, старший научный сотрудник

Митина Антонина Алексеевнаканд. техн. наук, ведущий научный сотрудник

ФГБУ «НИИ ЦПК имени Ю.А. Гагарина» 141160, Звездный городок

Российская Федерация, д. 20, кв. 121Е-mail: [email protected]

Mitin Alexey TimofeevichCand. of Techn. Sciences, Associate Professor, Senior Researcher Mitina Antonina AlekseevnaCand. of Techn. Sciences, Leading ResearcherState Organization «Gagarin Research &Test Cosmonaut Training Center» 141160, Star City, Russian Federation, h. 20, apart. 121Е-mail: [email protected]

15

Введение

Проблема формирования потока рентгеновского излучения (РИ) минимального сечения и малой угловой расходимости, представляется одной из важнейших для развития методов диагностики и технологии. Считается, что первый реальный шаг в поисках решения этой проблемы был сделан в работе П. Хирша и Дж. Келлера, предложивших формировать микронные пучки РИ с помощью сте-клянного капилляра [1]. Позднее, по аналогии с оп-тическими световодами, для решения этой пробле-мы было предложено использовать тонкопленочные материальные волноводы [2]. В результате удалось получить пучки РИ шириной порядка 100 наноме-тров и интегральной интенсивностью до 5⋅107 фо-тонов в секунду [3-5]. Однако ввиду значительного

поглощения, материальные тонкопленочные рент-геноводы оказываются востребованными только в условиях применения синхротронных источников, а в лабораторных условиях более эффективным представлялось развитие поликапиллярных рент-генооптических систем [6–8]. Эта оптика оказалась полезной лишь для формирования рентгеновских пучков микронного сечения [9–11].

Кроме использования капиллярных систем были предложены формирователи потока РИ на базе так называемых «бесщелевых» коллиматоров [12–14], состоящих из двух плоских полированных пластин, плотно прижатых друг к другу. Оказалось, что та-кая структура не пропускает свет, но оказывается в состоянии транспортировать поток РИ. Подобные коллиматоры были использованы при разработке оригинальной конструкции рентгенофлуоресцентно-

В.К. ЕГОРОВ – канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудникЕ.В. ЕГОРОВ – младший научный сотрудникФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов Российской академии наукЧерноголовка, Российская Федерация, Е-mail: [email protected]

об особенностях расПространения Потоков рентгеновских лучей в наноразмерных щелевых зазорах

Представлены данные систематических эксперименталь-ных исследований особенностей распространения пото-ков квазимонохроматического рентгеновского излучения в плоском протяженном щелевом зазоре, образованном полированными кварцевыми пластинами, в условиях вари-ации ширины этого зазора. Полученные данные позволили предположить существование специфического механизма распространения таких потоков в щелевых зазорах нано-размерной ширины – механизма волноводно-резонансно-го распространения излучения. Сформулирована модель этого механизма, в основу которой положена концепция возникновения однородного интерференционного поля стоячей рентгеновской волны во всем пространстве щеле-вого зазора. Обсуждается конструкция рентгено-нанофо-

тонного устройства, функционирующего в рамках данного механизма, - плоского рентгеновского волновода-резона-тора. Специальное внимание уделено описанию его свойств и обсуждению возможностей повышения его практической эффективности.

Ключевые слова: рентгеновское квазимонохроматическое излучение; полное внешнее отражение; длина когерентности; волноводно-резонансное распространение рентгеновского потока; однородное интерференционное поле стоячей рентгеновской волны; рентгеновская нанофотоника; плоский протяженный щелевой зазор; плоский рентгеновский волновод-резонатор; угловая расходимость; интегральная интенсивность формируемых потоков.

V.K. EGOROV – Cand. of Phys.-Math. Sciences, Senior ResearcherE.V. EGOROV – Junior ResearcherInstitute of Microelectronics Technology and High Purity Materials Russian Academy of Science (IMT RAS)Chernogolovka, Russian Federation, Е-mail: [email protected]

features of propagation x-ray in nanosize slits

Experimental schematic study of peculiarities propagation for X-ray quasimonochromatic radiation flux through the planar extended slit clearance formed by planar polished quartz plates in conditions of the distance variation between them is presented. The experimental data allowed to propose the existence of new specific mechanism for propagation the X-ray fluxes in slit clearances with nanosize width – the mechanism of waveguide-resonance radiation propagation. The simple model of the mechanism is connected with an appearing the uniform interference field of X-ray standing wave in total space of the slit clearance. The construction of X-ray nanophotonic

device functioned in frame of the mechanism: the planar X-ray waveguide-resonator (PXWR) is discussed. Special attention is devoted to description of PXWR properties and to discussion of ways to increasing of it practical efficiency.

Key words: X-ray quasimonochromatic radiation; total external reflection; coherence length of radiation; waveguide-resonance propagation of X-ray fluxes; uniform interference field of X-ray standing wave; X-ray nanophotonics; planar extended slit clear-ance; planar X-ray waveguide-resonator; angular divergence of X-ray flux; integral intensities of X-ray forming fluxes.

ИЗВЕСТИЯ

16


го спектрометра, работающего в условиях полного внешнего отражения (ПВО) потока возбуждающей радиации [15, 16]. Рядом исследователей также были разработаны субмикронные плоские щелевые рент-геноводы с регулируемой шириной воздушного про-тяженного зазора [17,18], которые позволили фор-мировать потоки РИ шириной d = 500 нанометров, высотой 0.1 мм и интегральной интенсивностью J = 2.4⋅107 ф/с [17].

Изучение особенностей транспортировки потока РИ моно и поликапиллярными формирователями, бесщелевыми коллиматорами, а также устройствами с регулируемой шириной щели было ориентировано на построение рентгеноводных систем с воздушным рабочим зазором. Отказ от использования в качестве рентгеноводной среды конденсированного материа-ла повысил рентгенотранспортную эффективность этих устройств и сделал более понятными модели, описывающие их свойства и особенности [19–26]. В основу предлагавшихся моделей было положено явление многократного ПВО потока РИ на поверхно-стях материальных рефлекторов, формирующих воз-душный зазор. В то же время ряд дополнительных положений, использованных для развития моделей, представляется не вполне адекватными. Во-первых, в них гласно или не гласно постулировалась идеаль-ная монохроматичность излучения. Кроме того, в мо-делях не учитывалось наличие интерференционного взаимодействия падающего и отраженного потоков в условиях ПВО. Еще одним фактором, позволяю-щим сомневаться в справедливости предлагаемых моделей, является то, что все они были развиты в рамках допустимости Френелевского приближения к описанию взаимодействия потока РИ с материалом. Приближение Френеля справедливо при описании взаимодействия света с веществом, поскольку длина волны светового излучения существенно превышает межатомное расстояние. В случае РИ длина волны меньше расстояния между атомами и использование приближения Френеля становится принципиально незаконным.

Вследствие наличия указанных выше недочетов предложенные в литературе модели распространения потоков РИ в плоских протяженных щелевых зазорах следует рассматривать лишь как некоторое прибли-жение. В тоже время имеется достаточно оснований утверждать, что модель многократного ПВО является вполне достоверной базой для описания радиацион-но-транспортных свойств рентгеновских капилляров. Однако, сопоставление экспериментальных данных, представленных в литературе, и результатов наших предварительных исследований позволили нам усом-ниться в универсальности механизма многократного

ПВО при описании транспортировки потока РИ пло-скими протяженными щелевыми зазорами. Отклоне-ние от величин, рассчитываемых на основе предложе-ния универсальности этого механизма, оказывалось особенно заметным в области наноразмерных значе-ний ширины щелевого зазора. Поэтому нами были предприняты систематические экспериментальные исследования влияния ширины этого зазора на пара-метры формируемого им потока РИ в предельно ши-роком размерном интервале [27, 28].

Конструкция планарного протяженного рентгеновода

Для проведения этих исследований была разработа-на ячейка специальной конструкции, схема которой показана на рисунке 1. Рефлекторы рентгеновода были изготовлены из плоских полированных пла-стин кварцевого стекла размером 100 × 33 × 2.5 мм3. Они располагались на некотором расстоянии друг от друга, величина которого определялась толщиной пленок Ti, напылявшихся на края одного из рефлек-торов. Напыление проводилось методом электронно-лучевого испарения, а необходимая однородность толщины пленки (∼1%) гарантировалась значитель-ным расстоянием между испаряемой мишенью и кварцевой пластиной (L = 1 м). Абсолютное значе-ние толщины определялось методом резерфордов-ского обратного рассеяния ионов гелия. Напыление применялось для получения зазоров шириной вплоть до 6 микрометров. Широкие зазоры формировались используя краевые вкладыши из медной фольги. В целом, в работе были исследованы рентгенотран-спортные свойства плоских протяженных рентге-новодов (ППР), в которых ширина щелевого зазора варьировала от 30 нм до 120 мкм.

Рефлекторные пары, образующие ППР, поме-щались в дюралюминиевый держатель, который включался в рентгенооптическую схему цифрового гониометра HZG-4 вместо щелевого формировате-ля потока рентгеновского излучения [27, 28]. Для проведения юстировки ППР в его держателе были предусмотрены четыре микровинта, снабженные пружинными фиксаторами. Эта юстировочная систе-ма обеспечивала наличие одной трансляционной и двух угловых степеней свободы. Эксплуатация такой юстировочной системы показала отсутствие необхо-димости в применении микропьезодвигателей.

Блок-схема регистрации излучения

Базовым устройством для исследования простран-ственного распределения интенсивности РИ в пото-ках, формируемых ППР, являлся, как было указано выше, гониометр HZG-4, модернизированный пу-


17

тем увеличения радиуса круга детектора до 500 мм. Спектроскопическая цепь блока регистрации ком-плектовалась сцинтилляционным счетчиком и мо-дулями стандарта NIM фирмы Ortec. Гониометр использовался в шаговом режиме. Минимально воз-можный шаг сканирования равнялся δ(2θ) = 0.001°.Размер детекторной щели составлял 0.1×10 мм2. Пе-ред ней стояла щель Солера, ограничивающая верти-кальную угловую расходимость регистрируемого по-тока на уровне 2°. В качестве источников излучения в работе применялись рентгеновские трубки БСВ-24 (Cu) и БСВ-24 (Fe), характеризовавшиеся размером анодного пятна 1 × 10 мм2. Угол отбора, близкий к 6°, обеспечивал ширину проекции фокуса источников излучения около 0.1 мм.

Параметры потоков, формируемых ППР

В верхней части рисунка 2 показана рентгеноопти-ческая схема регистрации пространственного рас-пределения интенсивности в рентгеновских потоках, формируемых ППР. Расстояние между фокусом ис-точника и входным срезом ППР составляло 75 мм, а между его выходным срезом и щелью детектора – 460 мм. Угол захвата излучения ППР равнялся 0.08°, а щели детектора – 0.01°. Шаг сканирования детекто-ра составлял 0.02°.

В центре рисунка показаны примеры экспери-ментально полученных пространственных распреде-

лений интенсивности излучения CuKαβ в потоках, формируемых на выходе ППР с различной шириной зазора. В размерном интервале 0 ≤ s ≤ 2 мкм распре-деления представляются однокомпонентной огибаю-щей с формой, близкой к Гауссовой, и полушириной около 0.1°. При ширине щелевого зазора, превышаю-щей 3 мкм, в распределениях наблюдается многоком-понентность, а их полуширина приближается к удво-енному значению критического угла ПВО CuKαβ на поверхности кварца. В нижней части рисунка пред-ставлена экспериментально полученная зависимость интегральной интенсивности формируемого потока от ширины щелевого зазора. Форма этой зависимости позволила предположить наличие трех размерных ин-тервалов, отличающихся друг от друга механизмами транспортировки потоков рентгеновского излучения. Там же для сравнения приведена аналогичная зави-симость для формирователя, состоящего из 2-х обре-зающих щелей с расстоянием между ними, равным длине рентгеновода. Широкощелевые зазоры, соот-ветствующие размерному интервалу «в» (s > 3 мкм), в соответствие с общепринятым подходом, характе-ризуются механизмом многократного ПВО транспор-тируемого потока с добавлением вклада РИ, проходя-щего через протяженный зазор без взаимодействия с поверхностями рефлекторов (прямой пучок). За-висимость интенсивности прямого пучка от ширины щелевой структуры иллюстрируют данные для 2-х щелевого формирователя. При увеличении ширины

РИС. 1 Схема конструкции плоского протяженного рентгеновода с воздушным щелевым зазором, применявшаяся для из-учения влияния его ширины на параметры формируемого рентгеновского потока

ИЗВЕСТИЯ

18


щелевого зазора ППР в данном размерном интервале интегральная интенсивность формируемого потока демонстрирует резкий рост, как за счет линейного возрастания интенсивности вклада прямого пучка, так и вследствие увеличения интенсивности потоков, испытывающих многократное ПВО. Линейная ин-терполяция функции, описывающий интегральную интенсивность потока, определяемую указанными выше механизмами транспортировки РИ, в область узких щелевых зазоров, показывает, что они не могут являться базой для описания распространения излуче-ния в наноразмерных щелевых зазорах. В размерном интервале «а» (20 нм < s < 200 нм) они могут обеспе-чивать лишь 1–3% от интегральной интенсивности потока, реально регистрируемой в эксперименте.

Более того, эти механизмы принципиально не в со-стоянии объяснить неизменность интегральной ин-тенсивности потока CuKαβ при изменении ширины щелевого зазора в рамках этого интервала. Поскольку известные механизмы не позволяли предложить мо-дель адекватного описания экспериментальных ре-зультатов, возникло предположение о существовании специфического механизма распространения потоков РИ, характерного для щелевых зазоров и полостей наноразмерной ширины. В работе [28] этот механизм был назван механизмом волноводно-резонансного распространения РИ. Размерный интервал «б» было предложено рассматривать как область постепенной смены механизма транспортировки рентгеновского потока.

РИС. 2 Экспериментальная схема для изучения пространственного распределения интенсивности в потоках РИ, формиру-емых ППР, примеры пространственного распределения интенсивности CuKα в потоках на выходе ППР с шириной щелевых зазоров 43, 800 нм и 35 мкм и экспериментальная зависимость интегральной интенсивности излучения CuKαβ в потоке, фор-мируемом ППР (*) и 2х щелевой структурой с расстоянием между щелями, равными длине ППР (о), в зависимости от ширины щелевого зазора.

а) б) в)


19

Модель волноводно-резонансного распространения потока

На рисунке 3 представлена идеализированная схе-ма явления ПВО потока квазимонохроматического (характеристического) РИ, эмитируемого рент-геновской трубкой. Излучение характеризуется средней длиной волны λ0, степенью монохрома-тичности ∆λ и длиной когерентности L=λ0/∆λ2, которая фактически определяет длину радиаци-онного цуга или продольный размер фотона [29]. Как известно, интерференционные явления воз-можны, если путь между падающим на интерфейс и отраженным потоками не превышает величины этого параметра, то есть продольный размер зоны интерференции не может быть больше значения L. В рамках феноменологической модели явления ПВО мы предположили, что поперечный размер зоны интерференции также определяется параме-тром длины когерентности [28]. Оказалось, что это предложение справедливо, поскольку реаль-ный интерференционный эффект при ПВО потока рентгеновского излучения связан с наличием про-странственной когерентности [30].

Еще одним постулатом, уточняющим описание явления ПВО, является необходимость учета фунда-ментального принципа полевой непрерывности [31, 32]. В соответствие с этим принципом интерфе-ренционное поле стоячей рентгеновской волны, на-блюдаемое в вакууме (воздухе) над интерфейсом, не может скачком обрываться в материале интерфейса. Обычно предполагается, что радиационное электро-магнитное поле убывает в материале рефлектора по экспоненциальному закону [33]. В соответствие с принципом непрерывности необходимо модифици-ровать экспоненциальную функцию убывания поля с увеличением значения координаты z путем ее моду-лированием интерференционным вкладом. В этом случае вектора электрического поля прямой

ET⊥ и обратной

ETr⊥ волн в материале рефлектора будут определяться выражениями [28]:

E z x ta ib

e e E

E z

T

izi t p x

Tr

x⊥ −[ ] ⊥

⊥

( ) =+ +

, ,

,

22

2

00

ϕϕ

πλ ω π

xx ta ib

e e Eiz

i t p xx,( ) =+ +

−−[ ] ⊥2

2

2

00

ϕϕ

πλ ω π

(1)

где ϕ – угол падения рентгеновского потока на интер-фейс, λ0 и ω0 – длина волны и угловая частота падаю-щего излучения, px – х-компонента импульса фотона. a и b представляются выражениями [33]:

a

b

2 22

2 2

2 22

2 2

1

22 4 2

1

22 4 2

= −( ) + + −( )

= −( ) + − −( )

ϕ δ β ϕ δ

ϕ δ β ϕ δ

(2)

в которых параметры δ и β представляются входящи-ми в обычно принятое выражение для коэффициента преломления материала [33]:

n i= − −1 δ β (3)

Параметр δ характеризует поляризуемость среды, параметр β представляет фактор ослабления интен-сивности рентгеновского потока в среде.

(Формальное использование коэффициента пре-ломления является хотя и общепринятым, но прин-ципиально некорректным, поскольку длина волны λ0 РИ меньше межатомного расстояния в материалах и, следовательно, материальная среда в условиях взаи-модействия с РИ не может рассматриваться как me-dium с усредненными параметрами, независящими от координат [34].)

Интенсивность стоячей волны в объеме рефлек-тора определяется выражением:

J E ET Tr= +( )⊥ ⊥ 2

(4)

Делая соответствующую подстановку, получаем:

Ja b

zD

ezb

=+( ) +

−

−4 22

2

2

4

0ϕ

ϕψ

π πλ

cos*

(5)

где ψ – фазовый сдвиг в условиях ПВО, определяе-мый выражением [28]:

tanψϕ

ϕ=

− −2

2 2 2

ba b

(6)

а D* – является периодом стоячей волны в материале рефлектора, почти совпадающий с периодом стоячей волны в вакууме (воздухе) D:

D D* ≅ =λϕ0

2 (7)

Фазовый сдвиг ψ при ПВО является функцией угла падения отражающегося потока. При скользящем па-дении (ϕ ≈ 0), фазовый сдвиг оказывается равным нулю, для критического угла ПВО θс ≈ 2δ он дости-гает своего максимума, близкого к π/2. Вариация фа-зового сдвига влияет на размеры области интерферен-ции в вакууме над интерфейсом. Для упрощения в рамках волноводно-резонансной модели было приня-то, что этот размер в вакууме определяется половиной длины когерентности излучения отражаемого по-

ИЗВЕСТИЯ

20


тока [28]. Область интерференционной зоны стоячей рентгеновской волны в объеме материала рефлектора ограничена только его размерами.

Обсужденные выше особенности явления ПВО потока РИ оказываются полезными при анализе ха-рактерных черт механизма многократного ПВО, а также волноводно-резонансного распространения излучения. Схематическое представление явления многократного ПВО представлено на рисунке 4а. Поток РИ претерпевает многократное последова-тельное ПВО в плоском протяженном воздушном щелевом зазоре, образованном материальными реф-лекторами, расположенными параллельно на неко-тором расстоянии друг от друга. Каждое отражение будет сопровождаться образованием локальной зоны интерференционного поля стоячей рентгеновской волны в щелевом зазоре и появлением этого поля во всем объеме каждого рефлектора. Поскольку каждое второе отражение приведет к повторному возбужде-нию объема одного и того же рефлектора, окажут-ся весьма существенными фазовые соотношения между отражениями. Если они сфазированы, то по-вторное отражение произойдет при минимальном ослаблении интенсивности транспортируемого по-тока. В противном случае на перевозбуждение объ-ема рефлектора будет потрачена значительная часть энергии излучения, что приведет к ослаблению ин-тенсивности формируемого потока. Поэтому модель многократного ПВО характеризуется дискретной мо-довой структурой. Это означает, что имеется набор входных магических углов ϕi, для которых характер-но относительно незначительное ослабление потока. Такая модовая структура присуща элементам поли-капиллярной оптики.

Картина транспортировки РИ кардинально ме-няется, если расстояние между парой рефлекторов, образующих щелевой зазор, становится меньше по-ловины длины когерентности транспортируемого излучения. В этом случае в зазоре происходит вза-имное перекрытие локальных интерференционных зон и образуется однородное интерференционное поле стоячей рентгеновской волны во всем про-странстве щелевого зазора и объемах рефлекторов (рис. 4б). Такое перекрытие будет возникать незави-симо от угла падения исходного потока излучения на входной срез щелевого зазора, естественно в гра-ницах критического угла ПВО материала рефлекто-ра (-θс≤ϕ≤θс). Таким образом, в этом случае можно ожидать наличия непрерывной модовой структуры, а это, в свою очередь, позволяет надеяться на более высокую радиационно-транспортную эффектив-ность, подобных рентгеноводов. Более того, усло-вия возбуждения стоячей волны оказываются неза-висимыми от ширины щелевого зазора. В рамках принятых моделей распространения потоков элек-тромагнитного излучения эти условия соответству-ют одномодовости.

Для сопоставления приведенных выше мо-дельных представлений и систематических экс-периментальных данных, кратко обсужденных в предыдущем разделе, была рассчитана длина ко-герентности для излучения CuKαβ. Оценки по-казали, что значение половины этого параметра оказывается в подозрительной близости с верхней границей размерной области «а» на рисунке 2. По-этому возникло предположение, что в условиях наноразмерной ширины щелевого зазора реализу-ется специфический механизм распространения

РИС. 3 Схема образования локального интерференционного поля стоячей рентгеновской волны для квазимонохроматиче-ского излучения со средней длиной волны λ0 при полном внешнем отражении потока на плоском материальном интерфейсе, D – период стоячей волны в воздухе

а) б)


21

РИС. 4 Визуальные схемы распространения квазимонохроматического потока РИ в плоском протяженном рентгеноводе по ме-ханизму многократного ПВО (а) и по механизму волноводно-резонансного распространения (б). Р – размер выпучивания интер-ференционного поля.

РИ, названный «волноводно-резонансным» для от-ражения факта сфазированного распространения парциальных рентгеновских потоков, падающих под разными углами на входной срез такой плоской протяженной рентгеноводной системой. ППР с на-норазмерными щелевыми зазорами были названы – плоскими рентгеновскими волноводами-резонато-рами (ПРВР) [28].

Интегральная интенсивность рентгеновских пуч-ков, формируемых ПРВР, W(x) может быть описана выражением [28]:

W x W e x( ) = −0

αµ (8)

где W0 – интенсивность потока, захваченного в щелевой зазор ПРВР, µ – линейный коэффициент ослабления материала рефлекторов, α – сложная функция, определяемая рядом фактором физиче-ской и геометрической природы [28], x – продоль-ная координата или длина волновода-резонатора. Вследствие малости величины α, ослабление по-тока в результате его транспортировки волново-дом-резонатором оказывается незначительным. При идеально полированных плоских рефлекторах длиной 100 мм ослабление потока составляет не-сколько процентов.

Независимое подтверждение существования механизма волноводно-резонансного распространения излучения

Независимое подтверждение существования нового механизма распространения потока РИ было получе-но японскими исследователями [36]. В этой работе изучались рентгенотранспортные свойства угловой структуры, образованной плоскими полированны-ми кремниевыми рефлекторами (рис. 5а). В качестве излучения использовался монохроматизированный поток MoKα. На рисунке 5б представлены резуль-таты выполненных ими измерений. Диффузный максимум I в окрестности межрефлекторного угла ϕ ≈ 0.1° соответствует достижению критического угла ПВО MoKα для кремния. Падение интенсив-ности при дальнейшем уменьшении межрефлектор-ного угла связано с сокращением величины входной угловой апертуры экспериментального устройства. Этот угловой интервал соответствует транспорти-ровке излучения по механизму многократного ПВО. В тоже время появление острого максимума II никак не объясняется на основании этой модели. Данный максимум свидетельствует о смене механизма транс-портировки излучения в условиях малых межреф-

а)

б)

ИЗВЕСТИЯ

22


лекторных углов. Увеличение интенсивности потока при переходе от ϕ ≈ 0.03° к ϕ ≈ 0.01° указывает на рост рентгенотранспортной эффективности угловой структуры. В области малых углов расстояние меж-ду рефлекторами клиновидной структуры становит-ся меньше длины когерентности излучения МоКα. Дальнейшее падение интенсивности объясняется юстировочными погрешностями.

Свойства плоских рентгеновских волноводов-резонаторов

Квазимонохроматическое излучение характеризу-ется параметром длины когерентности и поэтому успешно транспортируется наноразмерным щеле-вым зазором ПРВР. «Белое» излучение, также гене-рируемое рентгеновской трубкой, не обладает таким параметром [37]. Экспериментальные данные, при-веденные на рисунке 6, показывают, что относитель-ная интенсивность «белой» компоненты в потоке, формируемом ПРВР, оказывается уменьшенной в сравнении интенсивностью характеристических ли-ний. Интенсивность «белой» компоненты равномер-но уменьшается во всем энергетическом диапазоне спектра, причем ее снижение пропорционально ши-рине щели волновода-резонатора.

Одной из наиболее важных особенностей плоско-го рентгеновского волновода-резонатора является его способность формировать потоки РИ наноразмерной ширины, соответствующей размеру рентгеноводного воздушного зазора. Оценочная величина минималь-ного значения щелевого зазора ПРВР – 7 нм. Нано-размерность этого зазора порождает увеличение ра-диационной плотности транспортируемого потока. Поскольку захват излучения в волноводно-резонанс-

ную щель ПРВР происходит в угловом интервале, соответствуем удвоенному значению критического угла ПВО для материала рефлектора, оказывается, что оно захватывается с проекции фокуса источника, существенно превышающей ширину щелевого зазо-ра. В результате радиационная плотность в зазоре в сравнении с системами, состоящими из обрезающих щелей, резко возрастает. Этот рост обычно состав-ляет 2–3 порядка. Интересной особенностью ПРВР является отсутствие у формируемого им пучка диф-ракционных сателлитов даже в условиях предельно узких щелевых зазоров. Эта особенность связана с тем, что в этом случае реальным излучателем потока является не только наноразмерный щелевой зазор, но и макроразмерные торцы рефлекторов.

Полезным свойством ПРВР является предостав-ляемая им возможность управлять параметрами фор-мируемого потока путем прямого модулирования ин-терференционного поля стоячей волны. Вследствие малости угла ПВО период стоячей волны, возника-ющей в щелевом пространстве ПРВР, определяемый выражением (7), оказывается на 2–3 порядка больше длины волны РИ λ0, что позволяет путем возмуще-ния интерференционного поля стоячей рентгенов-ской волны в щелевом зазоре и объемах рефлекторов изменять параметры потока, формируемого волно-водом-резонатором. Данные прямого доказательства наличия этого свойства ПРВР готовятся к печати.

ПРВР обладает целым рядом других полезных и интересных особенностей [28]. Однако ему присущи очевидные недостатки. Это, прежде всего, относи-тельно низкая интегральная интенсивность форми-руемого потока и его заметная угловая расходимость. Наличие угловой расходимости, обычно составляю-

РИС. 5 Экспериментальная схема для изучения рентгенотранспортных свойств угловой структуры, образованной двумя крем-ниевыми рефлекторами, при варьировании угла между этими рефлекторами (а) и экспериментальная диаграмма, характеризую-щая зависимость интенсивности потока MoKα, сформированного угловой структурой, от угла между рефлекторами (б) [39].

а) б)


23

щей для ПРВР простейшего дизайна величину порядка 0.1°, резко нивелирует основные достоинства ПРВР – наноразмер-ную ширину формируемого потока и его повышенную радиа-ционную плотность. Эксперименты показали, что уменьшение угловой расходимости потока без снижения его интегральной интенсивности можно добиться, например, путем построения ПРВР из разновеликих рефлекторов. Однако кардинальное решение этой проблемы связано с построением составного плоского рентгеновского волновода-резонатора (СПРВР) [38].

Конструкция этого устройства представляет собой два по-следовательно установленных и взаимно сьюстированных ПРВР с небольшим зазором между выходом первого и вхо-дом второго. На рисунке 7, представляющим сравнительную характеристику волновода-резонатора простейшей конструк-ции и СПРВР, ширина пространства между последователь-

РИС. 6 Дифрактограммы монокристалла SiO2 (101), полученные в стандартной фокусирующей геометрии Брегга-Брентано (а) и псевдо-фокусирующей геометрии в условиях формирования потока с помощью волновода-резонатора (б). Верхняя дифрактограмма получена при ре-жиме источника БСВ-24 (Fe) U=25 кэВ, I=3 мА; нижняя – U=25 кэВ, I=9 мА. Выбор режимов стандартизирован по интенсивности линий FeKαβ.

но установленными ПРВР составляла ∆L = 0.1 мм. Этот просвет был выполнен в форме вертикальных глубоких царапин треугольной формы, нанесенных в центре обоих рефлекторов. Исследования про-странственного распределения интен-сивности излучения CuKαβ на выходе кварцевых ПРВР простейшей конструк-ции и СПРВР показали, что интегральная интенсивность формируемых потоков в обоих случаях оказалась приблизительно одинаковой, а угловая расходимость по-тока на выходе СПРВР – приблизительно вдвое ниже в сравнении с углом захвата излучения. В работе [38] факт уменьше-ния расходимости потока в условиях его формирования с помощью СПРВР был предположительно интерпретирован как результат частичного углового тунелиро-вания потока РИ в пространстве, разде-ляющим последовательно установленные ПРВР. Последовательной модели частич-ного углового тунелирования потока пока разработать не удалось. К настоящему времени лишь экспериментально зафик-сирован факт уменьшения длины коге-рентности излучения в потоке, формиру-емом СПРВР, т.е. фактическое понижение его монохроматичности.

Методика приготовления СПРВР пу-тем нанесения царапин на поверхность рефлекторов является принципиально некорректной, поскольку объемы мате-риалов рефлекторов в этом случае не раз-делены. В тоже время точное совмещение в пространстве двух ПРВР с наноразмер-ными протяженными щелевыми зазорами не является простой процедурой. В насто-ящее время нами разработана технология точного совмещения в пространстве двух независимых ПРВР и начата работа по ис-следованиям влияние ширины просвета, разделяющего последовательно располо-женные ПРВР и типа форм-факторов тор-цов рефлекторов, составляющих волново-ды-резонаторы, на угловую расходимость формируемого пучка.

В направлении устранения другого се-рьезного недостатка ПРВР – низкой ин-тегральной интенсивности формируемого им потока также удалось достичь некото-рого прогресса [39]. Радиационную свето-силу волновода-резонатора удалось увели-

а)

б)

ИЗВЕСТИЯ

24


чить за счет формирования на входе ПРВР скошенного углового концентратора излу-чения. Для увеличения его эффективности скошенные поверхности рефлекторов были покрыты пленкой материала повышенной плотности (ρHfO2 = 9.7 г/см3). На рисунке 8 представлены сравнительные схемы изме-рений параметров потоков, формируемых ПРВР простейшей конструкции, и модифи-цированным волноводом-резонатором. Там же приведены пространственные распре-деления интенсивности изучения FeKαβ в сформированных ими потоках в условиях идентичной работы источника излучения. Угловая ширина сформированных потоков одинакова и соответствует углу захвата ра-диации ПРВР простейшей конструкции. При этом поток, сформированный модифициро-ванным волноводом-резонатором, показал существенное увеличение своей интеграль-ной интенсивности. Оно произошло за счет дополнительного захвата части потока излу-чения, эмитируемого источником, путем его ПВО на поверхностях рефлекторных скосов в волноводно-резонансный канал. Оценки показывают, что применение входного ско-шенного концентратора специальной формы позволяет надеяться на увеличение радиа-ционной светосилы ПРВР без ухудшения остальных параметров формируемого пото-ка более чем на порядок. В тоже время наи-более кардинальный подход к увеличению радиационной светосилы ПРВР при сохра-нении наноразмерности формируемого по-тока связан с построением многощелевых волноводно-резонансных структур. Это подход сулит увеличение интегральной ин-тенсивности формируемого наноразмерного потока рентгеновского излучения более чем на два порядка, и тем самым позволит сде-лать волноводно-резонансные наноразмер-ные формирователи потоков конкуренто-способными по интегральной радиационной светосиле с формирователями потоков, вы-полненными на основе систем обрезающих щелей миллиметровой ширины. Однако при конструировании таких систем необходимо учитывать пространственную когерентность парциальных потоков, формируемых каж-дым ее щелевым зазором и, следовательно, возможности, как интерференционного уве-личения, так и уменьшения интегральной интенсивности результирующего потока.

РИС. 7 В верхней части показаны схемы изучения пространствен-ного распределения интенсивности в потоках, формируемых ПРВР простейшей конструкции (а) и СПРВР (б). Внизу приведены экспери-ментально полученные распределения интенсивности CuKαβ в по-токах, сформированных ПРВР и СПРВР. Режим источника излучения БСВ-24 (Cu) U=20 кэВ, I=10 мА

Заключение

В работе кратко обсуждены экспериментальные результаты, позволившие сделать вывод о существовании специфическо-го механизма распространения потока рентгеновской квази-монохроматической радиации в наноразмерных щелевых за-зорах. Описана модель, учитывающая особенности данного механизма, названного механизмом волноводно-резонансно-го распространения РИ. Представлена конструкция нового устройства рентгеновской нанофотоники, функционирующего на базе этого механизма – плоского рентгеновского волновода-резонатора. Обсуждены свойства этого устройства и указаны основные направления совершенствования его параметров.

Благодарности

Авторы благодарят за помощь с.н.с. ИРЭ РАН М.С. Афана-сьева. Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ (проекты 12-08-00315 и 13-07-00782).

а) б)


25


1. Hirsch P.B., Kellar J. An X-ray microbeam tech-nique: 1-collimator. Proc. Phys. Soc. London Scr. 1951. B64. PP. 369–392.

2. Spiller E., Segmuller A. Propagation of X-rays in waveguide. Appl. Phys. Lett. 1974. 24(2), PP. 60–61.

3. Feng Y.P., Sinha S.K., Fullerton E.E. et al. X-ray Fraunhofer diffraction patterns from a thin film waveguides. Appl. Phys. Lett. 1995. 67(24), PP. 3647–3649.

4. Lagomarsino S., Jark W., Di Fonzo S. et al. Sub-micrometer X-ray beam production by a thin film waveguide. Appl. Phys. 1996. 79(8), PP. 4471–4473.

5. Jark W., Di Fonzo S., Lagomarsino S. et al. Prop-erties of a submicrometer X-ray beam at the exit of a waveguide. Appl. Phys. 1996. 80(9), PP. 4831–4836.

6. Marton J. The glass tube as X-ray guide. App. Phys. Lett. 1966. 9(2), PP. 194–195.

7. Kumakhov M., Komarov F. Multiple reflection of surface X-ray optics. Phys. Rep. 1990. 191, PP. 289–350.

8. Vincze L., Janssens K., Adams F. et al. Detail ray-tracing code for capillary optics. X-ray Spectrom-etry. 1995. 24(1), PP. 27–37.

9. Аркадьев В.А., Белоглазов В.И., Бьюмиков А.А. и др. Применение капиллярной оптики в со-временной научной аппаратуре. Поверхность (рент. синхр. и нейтр. исследования). 2000. 1, С. 48–54.

10. Haschke M., Haller M. Examination of poly-capillary lenses for their use in micro-XRF-spec-trometers. X-ray Spectrometry. 2003. 32(3). PP. 239–247.

11. Rath B.K., Wang L., Homann B.E. et al. Measure-ments and analysis of radiation effects in polycap-illary X-ray optics. Appl. Phys. 1998. 83(12). PP. 7424–7425.

12. Мингазин Т.А., Зеленов В.Н., Лейкин В.Н. Бес-щелевой коллиматор рентгеновских лучей. ПТЭ. 1981. 1. С. 229–232.

13. Лейкин В.Н., Мингазин Т.А., Зеленов В.Н. Кол-лимирующее устройство для рентгеновских лу-чей. ПТЭ. 1981. 3. С. 208–210.

14. Лейкин В.Н., Мингазин Т.А., Зеленов В.Н. Фор-мирование рентгеновских пучков бесщелевым коллиматором. ПТЭ. 1984. 6, С. 33–37.

15. Егоров В.К., Зуев А.П., Малюков Б.А. Диагно-стика загрязнений поверхности кремниевых пластин методом РФА ПВО. Известия ВУЗов, Цветная металлургия. 1997. 5. С. 54–63.

16. Egorov V.K., Kondratiev O.S., Zuev A.P. et al. The modification of TXRF method by use of X-ray slit-less collimator. Advances in X-ray Analysis. 2000. 43. PP. 406–417.

17. Zwanenburg M.J., Peters J.F., Bongaerts J.H.H. et al. Coherent propagation of X-ray in planar wave-guide with turnable air gap. Phys. Rev. Lett. 1999. 82(8). PP. 1696–1699.

18. Zwanenburg M.J., van de Veen J.F., Ficke H.G. et al. A planar X-ray waveguide with a turnable air gap for the structural investigation of confined flu-ids. Rev. Sci. Inst. 2000. 71(4). PP. 1723–1732.

РИС. 8 Экспериментальные схемы для изучения пространственного распределения интенсивности в рентгеновских пото-ках, формируемых волноводом-резонатором простейшей конструкции (а) и ПРВР модифицированного дизайна (б), и экспери-ментально зафиксированные распределения в сформированных ими потоках. I** – интегральная интенсивность сформиро-ванных потоков, полученная с учетом влияния ослабителя А

а)

б)

ИЗВЕСТИЯ

26


19. Karimov V.P., Kurmaev E.Z. Application of generic algorithm for optimization of X-ray waveguides. Phys. Let. 2003. A320. PP. 234–237.

20. Pfeifer F., Salditt T., Hoghoj P. et al. X-ray wave-guides with multiple guiding layers. Phys. Rev. 2000. B62.PP. 16939–16943.

21. Ebel H., Svagera R., Ebel M.F. X-ray waveguide phenomenon in thin layers under grazing inci-dence conditions. X-ray Spectrometry. 2001. 30. PP. 180–185.

22. Dabagov S.B. Wave theory of X-ray scattering in capillary structures. X-ray Spectrometry. 2003. 32. PP. 179–185.

23. Fuhse C., Salditt T. Finite difference field calcula-tions for one dimensionally confined X-ray wave-guides. Physica. 2005. B357. PP. 57–60.

24. Bukreeva J., Popov A., Pelliceia D. et al. Wave filed formation in a hollow X-ray waveguide. Phys. Rev. Let. 2006. 97. PP. 184801–1(4).

25. Pankin S., Hartman A.K., Salditt T. X-ray propa-gation in tapered waveguides: simulation and op-timization. Optic Communication. 2008. 281. PP. 2779–2783.

26. Salditt T., Kruger S.P., Fuhse C. et al. High-trans-mission planar X-ray waveguides. Phys. Rev. Let. 2008. 100, PP. 184801–1(4).

27. Egorov V.K., Egorov E.V. Application of a planar X-ray waveguide for the structure study of thin film coating. Thin Solid Films. 2001. 398–399. PP. 405–412.

28. Egorov V.K., Egorov E.V. Planar waveguide-res-onator: new device for X-ray optics. X-ray Spec-trometry. 2004. Vol. 33. PP. 360–371.

29. Борн М., Вольф Е. Основы оптики. М.: Наука, 1973. 719 с.

30. Egorov V.K., Egorov E.V. Background of X-ray nanophotonics based on the planar air waveguide-resonator. X-ray Spectrometry. 2007. Vol. 36. PP. 381–397.

31. Бом М. Квантовая теория. М.: Наука, 1965. 727 с.32. Барыбин А.А. Электродинамика волноведущих

структур. М.: Физматгиз, 2007. 510 стр.33. Блохин М.А. Физика рентгеновских лучей. М.:

ГИТТЛ, 1957. 518 стр.34. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика

сплошных сред. М.: ГИФМЛ, 1959. 532 стр.35. Bedzyk M., Bommarito G., Schildkraut J. X-ray

standing waves at a reflecting mirror surface. Phys. Rev. Let. 1989. 69, PP. 1376–1379.

36. Tsuji L., Delalieus F. Characterization of X-ray emerging from between reflection and sample car-rier in reflector assisted TXRF and analysis. X-ray Spectrometry. 2004. Vol. 33, PP. 281–284.

37. Комптон А., Алисон С. Рентгеновские лучи, теория и эксперимент. Ленинград: ОГИЗ, 1941. 671 с.

38. Egorov V.K., Egorov E.V. Composite X-ray wave-guide-resonator as a background for the new gen-eration of the material testing equipment for films

on Si substrates. MRS Proceeding. 2002. 716, PP. 189–195.

39. Egorov V.K., Egorov E.V. Implementation of the light gathering power enhancement of waveguide-resonators. J. of Surface investigation, X-ray, Synchrotron and neutron Tech. 2009. Vol. 3(1), PP. 41–47.

References

1. Hirsch P.B., Kellar J. An X-ray microbeam tech-nique: 1-collimator. Proc. Phys. Soc. London Scr. 1951. B64. PP. 369–392.

2. Spiller E., Segmuller A. Propagation of X-rays in waveguide. Appl. Phys. Lett. 1974. 24(2). PP. 60–61.

3. Feng Y.P., Sinha S.K., Fullerton E.E. et al. X-ray Fraunhofer diffraction patterns from a thin film waveguides. Appl. Phys. Lett. 1995. 67(24). PP. 3647–3649.

4. Lagomarsino S., Jark W., Di Fonzo S. et al. Sub-micrometer X-ray beam production by a thin film waveguide. Appl. Phys. 1996. 79(8). PP. 4471–4473.

5. Jark W., Di Fonzo S., Lagomarsino S. et al. Prop-erties of a submicrometer X-ray beam at the exit of a waveguide. Appl. Phys. 1996. 80(9). PP. 4831–4836.

6. Marton J. The glass tube as X-ray guide. App. Phys. Lett. 1966. 9(2). PP. 194–195.

7. Kumakhov M., Komarov F. Multiple reflection of surface X-ray optics. Phys. Rep. 1990. 191. PP. 289–350.

8. Vincze L., Janssens K., Adams F. et al. Detail ray-tracing code for capillary optics. X-ray Spectrom-etry. 1995. 24(1). PP. 27–37.

9. Arkad’ev V.A., Beloglazov V.I., B’umikov A.A. et al. Primenenie kapillyarnoy optiki v sovremennoy nauchnoy apparature [Application capillary optics in modern science apparatus]. Poverchnost’ (rent. synch. i neitr. issledovaniya) [Surface (X-ray, synch. and neutron investigation)]. 2000. 1, PP. 48–54.

10. Haschke M., Haller M. Examination of poly-capillary lenses for their use in micro-XRF-spec-trometers. X-ray Spectrometry. 2003. 32(3). PP. 239–247.

11. Rath B.K., Wang L., Homann B.E. et al. Measure-ments and analysis of radiation effects in polycapil-lary X-ray optics. Appl. Phys. 1998. 83(12). PP. 7424–7425.

12. Mingazin T.A., Zelenov V.N., Leykin V.N. Besche-levoy kollimator rentgenovskich luchey [Slitless collimator of X-ray]. PTE [Instruments of experi-mental techniques]. 1981. 1. PP. 229–232.

13. Leykin V.N., Mingazin T.A., Zelenov V.N. Kolli-miruushee ustroystvo dlya rentgenovskich luchey [Collimator device for X-ray]. ПТЭ [Instruments of experimental techniques]. 1981. 3. PP. 208–210.


27

14. Leykin V.N., Mingazin T.A., Zelenov V.N. Formirovanie rentgenovskich puschkov beschshe-levim kollimatorom [Formation X-ray by slitless collimator]. ПТЭ [Instruments of experimental techniques]. 1984. 6. PP. 33–37.

15. Egorov V.K., Zuev A.P., Malyukov B.A. Diagnos-tika zagryazneniy poverchnosti kremnievich plastin metodom RFA PVO [Diagnostics surface pollutions of silicon plates by TXRF]. Izvestiya VUZov, Cvet-naya metallurgia [News of high education, Color metallurgy]. 1997. 5. PP. 54–63.

16. Egorov V.K., Kondratiev O.S., Zuev A.P. et al. The modification of TXRF method by use of X-ray slit-less collimator. Advances in X-ray Analysis. 2000. 43. PP. 406–417.

17. Zwanenburg M.J., Peters J.F., Bongaerts J.H.H. et al. Coherent propagation of X-ray in planar wave-guide with turnable air gap. Phys. Rev. Lett. 1999. 82(8). PP. 1696–1699.

18. Zwanenburg M.J., van de Veen J.F., Ficke H.G. et al. A planar X-ray waveguide with a turnable air gap for the structural investigation of confined flu-ids. Rev. Sci. Inst. 2000. 71(4). PP. 1723–1732.

19. Karimov V.P., Kurmaev E.Z. Application of generic algorithm for optimization of X-ray waveguides. Phys. Let. 2003. A320. PP. 234–237.

20. Pfeifer F., Salditt T., Hoghoj P. et al. X-ray wave-guides with multiple guiding layers. Phys. Rev. 2000. B62. PP. 16939–16943.

21. Ebel H., Svagera R., Ebel M.F. X-ray waveguide phenomenon in thin layers under grazing inci-dence conditions. X-ray Spectrometry. 2001. 30. PP. 180–185.

22. Dabagov S.B. Wave theory of X-ray scattering in capillary structures. X-ray Spectrometry. 2003. 32, PP. 179–185.

23. Fuhse C., Salditt T. Finite difference field calcula-tions for one dimensionally confined X-ray wave-guides. Physica. 2005. B357. PP. 57–60.

24. Bukreeva J., Popov A., Pelliceia D. et al. Wave filed formation in a hollow X-ray waveguide. Phys. Rev. Let. 2006. 97. PP. 184801–1(4).

25. Pankin S., Hartman A.K., Salditt T. X-ray propa-gation in tapered waveguides: simulation and op-timization. Optic Communication. 2008. 281. PP. 2779–2783.

26. Salditt T., Kruger S.P., Fuhse C. et al. High-trans-mission planar X-ray waveguides. Phys. Rev. Let. 2008. 100. PP. 184801–1(4).

27. Egorov V.K., Egorov E.V. Application of a planar X-ray waveguide for the structure study of thin film coating. Thin Solid Films. 2001. 398–399. PP. 405–412.

28. Egorov V.K., Egorov E.V. Planar waveguide-res-onator: new device for X-ray optics. X-ray Spec-trometry. 2004. Vol. 33. PP. 360–371.

29. Born M., Wolf E. Principles of optics, electromag-netic theory of propagation interference and diffrac-tion of light. Oxford: Pergamon Press, 1973. 719 p.

30. Egorov V.K., Egorov E.V. Background of X-ray nanophotonics based on the planar air waveguide-resonator. X-ray Spectrometry. 2007. Vol. 36. PP. 381–397.

31. Bohm D. Quantum theory. New York: Prestine-Hall, 1952. 755 p.

32. Baribin A.A. Electrodinamika volnoveduschshich strucktur [Electrodynamics of waveguide struc-ture]. M.: Fizmatgiz [Moscow: Publishing house of “Physmatgiz”], 2007. 510 p.

33. Blochin M.A. Fizika rentgenovskich luchey [Phys-ics of X-ray]. M.: GITTL [Moscow: Publishing house “GITTL”], 1957. 518 p.

34. Landau L.D., Lifshitz E.M. Electrodynamics of continuous medium. Reading.: Addison-Wesley, 1965. 586 p.

35. Bedzyk M., Bommarito G., Schildkraut J. X-ray standing waves at a reflecting mirror surface. Phys. Rev. Let. 1989. 69. PP. 1376–1379.

36. Tsuji L., Delalieus F. Characterization of X-ray emerging from between reflection and sample car-rier in reflector assisted TXRF and analysis. X-ray Spectrometry. 2004. Vol. 33. PP. 281–284.

37. Compton A.H., Alisson S.K. X-rays in theory and experiment. New York: Princeton, 1935. 828 p.

38. Egorov V.K., Egorov E.V. Composite X-ray wave-guide-resonator as a background for the new gen-eration of the material testing equipment for films on Si substrates. MRS Proceeding. 2002. 716. PP. 189–195.

39. Egorov V.K., Egorov E.V. Implementation of the light gathering power enhancement of waveguide-resonators. J. of Surface investigation, X-ray, Synchrotron and neutron Tech. 2009. Vol. 3(1). PP. 41–47.


Егоров Владимир Константиновичканд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник

Егоров Евгений Владимировичмладший научный сотрудник

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем технологии микроэлектроники

и особочистых материалов Российской академии наук142432, Черноголовка, Российская Федерация

ул. академика Осипьяна, 6Е-mail: [email protected]

Egorov Vladimir KonstantinovichCand. of Phys.-Math. Sciences, Senior ResearcherEgorov Evgeniy VladimirovichJunior ResearcherInstitute of Microelectronics Technology and High Purity Materials Russian Academy of Science (IMT RAS)142432, Chernogolovka, Russian Federationst. academician Osip'yan, 6Е-mail: [email protected]

28

В.Н. СЕМЕНОВ – доктор техн. наук, профессор, зам. ген. директора по науке ООО МК Инвест Москва, Российская Федерация, Е-mail: [email protected]

исследование механизма Появления трещин в заготовках из сПлавов в Процессе сварки конструкций жидкостных ракетных двигателей

В статье рассмотрена природа появления трещин в круп-ных заготовках из дисперсионно- твердеющих сплавов на основе никель-хром при их сварке в процессе изготовления жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Характерной осо-бенностью этих сплавов является склонность к изменению механических свойств в процессе их нагрева. Особенно ярко это изменение наблюдается в интервале 700–850 0С. При этом относительное удлинение сплавов резко падает и составляет не более 4 % (металл переходит в стадию хрупкого состоя-ния). Причиной падения пластичности являются: легирующие элементы, структурные изменения, связанные с выпадением из твердого раствора преимущественно упрочняющих фаз в мелкодисперсном виде и появление здесь же ликвационных включений. Еще с большим проявлением аналогичные изме-нения происходят в сплавах в зоне, граничащей со сварным швом (зона термического влияния - ЗТВ). Как показали иссле-

дования, все это сказывается не только на снижении пластич-ности сплавов в зоне ЗТВ. Оно, к тому же является причиной появления здесь же концентрации напряжений вследствие усиления структурных изменений и усадки металла сварно-го шва (плотность металла сварного шва при кристаллизации увеличивается, а объем металла уменьшается). Резкая потеря пластичности и появление концентратора напряжений явля-ются причиной образования трещин как в ЗТВ сплавов, так и в сварном шве. Проведенный комплекс исследований при-роды появления трещин позволил разработать ряд техноло-гических приемов, предотвращающих образование трещин в сплавах при их сварке.

Ключевые слова: дисперсионно-твердеющие сплавы, дис-локационные скопления, концентратор напряжений, свар-ка, упрочнение.

V.N. SEMENOV – Doctor of Tech. Sciences, professor, Deputy General Director for Science Ltd. MK Invest Moscow, Russian Federation, Е-mail: [email protected]

researCh of the meChanism of CraCks emergenCe in workpieCes from alloys during welding of designs of liquid roCket engines

The article considers the nature of the cracks in large work-pieces made of precipitation-hardening alloys based on nickel-chromium when welding in the manufacture of liquid rocket engines (LRE). A characteristic feature of the alloys is their tendency to change the mechanical properties during the heating process. This is especially true change is observed in the range of 700–850 0С. The elongation alloys drops sharply and is no more than 4 %. The cause of the fall of plasticity are the structural changes associated with the precipitation of a solid solution hardening phases mainly in finely divided form and appearance here segregated inclusions. Similar changes also occur when welding alloys in the area bordering the

weld (heat-affected zone, HAZ). Studies have shown changes in the structure affects not only the reduction of ductility of alloys in the area of the HAZ. It is also a cause of stress con-centration here. Sudden loss of plasticity and the emergence of stress concentrator cause cracking in the HAZ alloys which sometimes in the weld. Conducted research in the study of the complex nature of the cracks allowed the development of a number of technological methods to prevent cracking when welding alloys.

Keywords: precipitation-hardening alloys, dislocation clusters, stress concentrator, welding, hardening.

Введение

В современных сварных конструкциях жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) нашли широкое при-менение жаропрочные дисперсионно – твердеющие сплавы, такие как ЭП202 и ЭК61. Указанные спла-вы представляют собой твердый раствор на осно-ве никель – хром. Высокие механические свойства сплавов и их коррозионная стойкость достигаются легированием матрицы химическими элементами – упрочнителями (W, Mo, Ti, Al и др.) и фазами таки-ми как: интерметаллидная γ′ – Ni3 (TiAl), карбидная Cr23C6 и другими, выпадающие из твердого раствора матрицы в процессе термообработки сплавов [1]. В отношении данных фаз следует отметить, что на-грев этих сплавов на любой стадии, например, при выполнении технологических операций: штампов-ка, ковка, пайка, сварка и других операций, вызы-

вает выпадение указанных фаз из γ-твердого рас-твора. Как правило, заготовки из данных сплавов, в этом случае, становятся малотехнологичными из–за снижения пластичности металла и появления в нем хрупкости, особенно, в диапазоне температур Т = 700–850 C [1]. Низкий уровень технологич-ности может в отдельных случаях способствовать образованию в них трещин, например, в процессе сварки. К тому же, увеличению склонности в обра-зовании трещин в сплавах способствует также не-однородность их структуры, различие морфологии частиц фаз и их неоднородная плотность, отличаю-щиеся параметры решеток и размер атомного ради-уса, разнозернистость и т.д. Отсутствие материалов, альтернативных названным сплавам, но с высокой технологичностью, является веским основанием в необходимости постоянного совершенствования технологий с использованием в них новых позна-


29

вательных средств, направленных на повышение их технологичности.

Сегодня механизм появления трещин в малоле-гированных сплавах и сталях небольших толщин достаточно широко изучен: установлены источ-ники их возникновения и развития; эксперимен-тально и теоретически определены напряжения и деформации на стадиях зарождения, распростране-ния и остановки трещин; установлена роль влия-ния остаточных напряжений на появление трещин при наличии различных факторов; разработаны методики оценки уровня напряжений и деформа-ций, возникающих вокруг трещины, а также созда-ны методики снижения уровня напряжений путем термообработки и подбора оптимальных техно-логических приемов и конструктивных размеров. Имеющийся широкий задел исследовательских и экспериментальных работ помогает сварщикам в разумном подборе сплавов и сталей для сварных конструкций и присадочных материалов благопри-ятной структуры [2, 3].

Однако, несмотря на существующие успехи в по-нимании механизма трещин, природа их появления в сложнолегированных сплавах, какими являются, например, сплавы ЭП202 и ЭК61, остается малоиз-ученной, особенно, на больших толщинах сварива-емых деталей. Это обстоятельство часто приводит к дополнительным издержкам в производстве, связан-ные с проведением ремонтных работ в процессе лик-видации трещин [4–6].

Проведенные ранее исследования этих сплавов на толщинах 5–8 мм [4, 5] показали, что трещины имеют место в основном в двух зонах. Одна из них – свар-ной шов, другая – зона термического влияния (ЗТВ).

Каждая из этих зон имеет свои особенности. Первая зона – металл сварного шва характеризуется литой крупнозернистой структурой с повышенным содержанием ликвационных включений и наличи-ем интерметаллидной и карбидной фаз, указанных выше, в теле зерна и по границам зерен. Металл этой зоны имеет повышенную твердость и незначитель-ную пластичность. Вторая зона (ЗТВ) характеризу-ется неравномерным по величине зерном и наличи-ем фаз указанных выше с большой их плотностью, особенно, по границам зерен. Металл в ЗТВ обладает повышенной прочностью, твердостью и малой пла-стичностью, тогда как основной металл представляет собой однородную структуру γ – твердого раствора с равномерно расположенными частицами мелкоди-сперсной γ’ – фазы и локально разбросанными ча-стицами карбидной фазы. В сплаве ЭК61, кроме ука-занных фаз, обнаружена фаза NbC и фаза Лавеса [4]. Трещины в сплавах, как показано в [4],отмечаются в

местах с повышенным содержанием ликвационных включений и интерметаллидной и карбидной фаз.

Целью настоящей работы является формирование взглядов на природу появления трещин в указанных жаропрочных дисперсионно твердеющих сплавах при сварке.

Анализ эксперимента и исследований

В работах [4, 5] было установлено изменение хи-мического и фазового состава в зоне термическо-го влияния при сварке жаропрочных дисперсионно твердеющих сплавов. Оно, как показано, характери-зовалось увеличением легирующих элементов и по-вышением содержания фаз в мелкодисперсном виде. Опираясь на полученные данные [4–6], рассмотрим природу появления трещин при сварке конструкций ЖРД из этих же сплавов (рис. 1), но с толщиной стен-ки более 15 мм. Сварку в работе [6] осуществляли в автоматическом режиме с присадочной проволокой, близкой по химическому составу к указанным спла-вам. При этом в корне шва использовали проволоку гомогенного класса, а при формировании последую-щих слоев – дисперсионно – твердеющего класса с прочностью 0,8–0,85 % от прочности сплава.

Перед сваркой корневого шва (первый проход) осу-ществляли прихватку оболочек между собой в двух диаметрально противоположных местах. Уже в мо-мент их прихватки в этих местах в процессе кристал-лизации шва появляются растягивающие напряжения в поверхностных слоях верхней и нижней оболочек.

РИС. 1 Трещина в ЗТВ (основной металл) и в сварном шве

ИЗВЕСТИЯ

30


Однако эти напряжения не велики из–за малого объ-ема прихватки, и, соответственно, незначительного изменения структуры и фазового состава в основном металле оболочек. Возникающее здесь напряженно–деформированное состояние, в первом приближении, можно принять соответствующим простому растяже-нию. Однако, с формированием корня шва при сварке, картина напряженно–деформированного состояния меняется. Сварной шов вносит возмущение, которое локализуется в корне шва и в ЗТВ оболочек. Заключа-ется оно в том, что в появившихся двух зонах – свар-ной шов и ЗТВ, происходят изменения. В сварном шве формируется литая, крупнозернистая структура, по-являются указанные выше ликвационные включения и частицы фаз. В ЗТВ вблизи сварного шва обнаружи-вается оторочка из крупных зерен уменьшающихся в размере по мере удаления от сварного шва. И уже на расстоянии более 1мм размер их становится близким размеру зерен основного металла. Наряду с измене-нием зерна в ЗТВ сплава ЭП202 наблюдается образо-вание ликваций Cr, Mo, Mn и Ti, появление мелкоди-сперсных частиц γ’ – фазы с увеличенной плотностью, местами – карбидной и скопление дислокаций; в спла-ве ЭК61 обнаружены соединения (Ni3Al), частицы мелкодисперсной фазы Ni3 (Ti, Al) с содержанием в ней тугоплавких элементов Nb, Cr, Mo и W, крупные карбиды NbC, карбиды Cr7C3,карбонитриды Ti (N, C) и лес дислокаций. Появившиеся указанные нерегуляр-ности в сплавах вызывают при кристаллизации шва резкое снижение пластической деформации (сплавы приобретают хрупкость), увеличение прочности и твердости металла и образование здесь же поля рас-тягивающих напряжений. К этому нужно добавить и то, что в процессе кристаллизации сварного шва про-исходит его усадка и соответственно увеличивается плотноть его металла. Эта особенность способствует тоже возникновению растягивающих напряжений, ко-торые проявляются не только в металле ЗТВ, но и в граничащей с ней металле сварного шва. Столь диску-тируемые напряжения, возникающие при сварке, но-сят естественный характер и вызывают потребность в их учете и в конечном итоге –их предотвращении.

Взгляды на природу трещин

Схематически природу появления трещин можно представить следующим образом [6]. Известно, что высокотемпературная ползучесть в металлах осу-ществляется преимущественно благодаря перемеще-нию дислокаций, зернограничному проскальзыва-нию и миграции границ зерен. Однако в сварном шве и ЗТВ в сплавах ЭП202 и ЭК61 появляются ограни-чения в осуществлении указанных актов пластиче-ской деформации. К числу их, относятся: ликвации

из тугоплавких элементов, частицы фаз, располагаю-щиеся преимущественно по границам зерен, лес дис-локаций и крупное зерно. Причем каждый из барье-ров в ограничении в ЗТВ и в сварном шве находится в многообразных отношениях друг с другом. И гла-венствующую роль- как барьер, на наш взгляд все-таки, играют дислокации, несмотря на фактическую разницу точек зрения, существующую среди специ-алистов сварщиков. Высказанное мнение в пользу дислокационного барьера обусловлено тем, что все излагаемое в виде сборников различного рода статей и другой информации в мире имеет в лучшем случае описание трудностей и причин, далеко выходящих за пределы этих трудностей.

Исходя из приведенных данных выше, следует, что пластическая деформация протекает в свариваемой конструкции неоднородно. Такой довод основан на том, что металл конструкции из этих сплавов – холод-ный, а в ЗТВ на границе со сварным швом имеет тем-пературу близкую к температуре сварного шва. От-сюда деформация может локализоваться в отдельных местах ЗТВ и сварного шва, где проходит его кристал-лизация. Следовательно, в этих местах будет макси-мальное скопление дислокаций и их взаимодействие между собой. А каждая из краевых дислокаций, как известно, на краю экстраплоскости имеет несплош-ность размером, составляющим несколько атомных расстояний. И тогда в случае их слияния, переплете-ния и образования клубка дислокаций перед препят-ствием возможно образование полого дислокационно-го ядра, являющегося, по сути дела, трещиной.

С формированием последующих слоев при сварке (сварка многопроходная многослойная), появившие-ся трещины растут, например, посредством перехода их в следующий слой. Благоприятным местом для их перехода в этом случае, могут быть скопившие-ся дислокации в этой зоне, образовавшиеся в новом наплавленном слое и перемещающиеся сюда же из предыдущего слоя, втянутые нагревом при свар-ке (при сплавлении слоев), ликвации и, созданные ими и дислокациями вокруг себя поле напряжений. А роль напряжений для роста трещин, как извест-но, является великим благом. Точно также трещина может продвинуться и в следующий слой сварного шва. И тогда по мере окончания сварки в какой-то момент времени в наиболее неблагоприятном месте на поверхности образуется магистральная трещина. Такой критический случай возможен, когда скорость образования трещин превышает скорость релакса-ции напряжений. Подобная аномальность явлений, связанных со скоростью роста трещин вследствие скопления дислокаций, составляющих 1015см-2 (перед препятствием) имеет место в указанных сплавах, по-


31

скольку пластичность их в интервале хрупкости не превы-шает 4%, а в ЗТВ и того ниже.

Если в рамках описанной модели ограничить внимание на физическое воздействие ликваций на природу зарожде-ния и развития трещин, кроме дислокаций, то тогда реша-ющую роль в росте трещин при сварке играют дислокации с несплошностью, появившуюся при их скоплении и нор-мальные растягивающие напряжения, причина возникно-вения которых указана выше. Тогда данная модель может быть применима к оценке локальной прочности отмечен-ных сплавов, находящихся в зоне сварки в сложно напря-женном состоянии

Длительное время развитию наших представлений о при-чинах зарождения трещин в сплавах мешала ограниченность знаний. В последние годы этот недостаток был исчерпан обилием полученных результатов при исследовательских и экспериментальных работах в производственных условиях. Анализ, отбор и учет результатов позволили разработать ряд конкретных рекомендаций, учитывающих основные крите-рии оценки полей температурных напряжений и деформа-ций и ограничить влияние различных факторов на измене-ние физико-химических и механических свойств сплавов, сварного шва и ЗТВ, а также свести к минимуму появление ликваций, неоднородностей, скопление дислокаций и растя-гивающих напряжений в ЗТВ [6] вследствие использования:

– изотермической деформации, которая обеспечивает фор-мирование мелкозернистой структуры (размер зерна 6–7). При сварке такого металла рост зерна в ЗТВ незна-чительный, а ликвации по границам зерен не наблюдаются из-за резкого увеличения протяженности границ зерен;

– режимов термообработки (т/о), обеспечивающей созда-ние γ-твердого раствора в сплавах. Такой прием позво-ляет повысить их пластичность за счет однородности структуры и минимизации содержания частиц фаз в γ-твердом растворе.

– Приемов стабилизации структуры благодаря применения (т/о), повышающей стабильность структуры и пластич-ность сплава. Эффективность первой рекомендации была подтверж-

дена изготовлением конструкций, имеющих тонкие стенки. Она может найти применение не только в области изготов-ления ЖРД, но и для многих других областей промышлен-ного производства [4–6]; второй и третьей, способствующих уменьшению растягивающих напряжений и увеличению деформационной способности металла, подтверждены каче-ственной сваркой при изготовлении деталей больших тол-щин [6].

Сведения об авторе Information about author Семенов Виктор Никонорович

доктор техн. наук, профессорзам. ген. директора по науке ООО МК Инвест

109456,г. Москва, Российская Федерация Рязанский проспект, д. 81/1, стр. 2

Е-mail: [email protected]

Semyonov Viktor NikonorovichDoctor of Tech. Sciences, professorDeputy General Director for Science Ltd. MK Invest109456, Moscow, Russian FederationRyazan prospect, 81/1, page 2Е-mail: [email protected]


1. Семенов В.Н. Жидкометаллическое охрупчива-ние высокопрочных сплавов при их взаимодей-ствии с медно-серебряными припоями и техно-логия пайки. Дис. д-ра техн. наук. М. 1987.

2. Адаскин А.М., Каширцев В.В., Сапронов И.Ю. Вид ползучести и характер разрушения сталей и сплавов, не претерпевающих полиморфного превращения // Вестник МГТУ Станкин. 2012. 3. С. 14–20.

3. Схиртладзе А.Г., Тимирязев В.А. Технологич-ность конструкций технических изделий // Из-вестия Волгоградского государственного тех-нического университета. 2012. Т. 13. С. 83–92.

4. В.И. Лукин, В.Н.Семенов, Л.Л. Старова и др. Структура шва и околошовной зоны в никеле-вых сплавах ЭП202 и ЭК61. М.: Металловеде-ние и термическая обработка металлов. 2001. 12. С. 14–18.

5. В.И. Лукин, В.Н.Семенов, Л.Л. Старова и др. Образование горячих трещин при сварке жа-ропрочных сплавов. М.: Металловедение и термическая обработка металлов. 2001. 12. С. 8–10.

6. Семенов В.Н. Через трудности к победе. М.: ООО «Красногорская типография». 2011. 354 с.

References

1 SemenovV.N. liquid metal embrittl element high-strength alloys in their interaction with the cop-per-silver solders and soldering technology. Dis. Dr. tehn. Sciences. M. 1987.

2 Adaskina A.M., Kashirtsev V.V., Sapronov I.Y. Kind of creep and fracture behavior of steels and alloys do not undergo polymorphic transforma-tion. Herald Bauman STANKIN. 2012. 3. PP. 14–20.

3 Skhirtladze A.G., Timiriazev V.A. Technological design of technical products. News Volgograd StateTechnicalUniversity. 2012T.13S83-92.

4 Lukin V.I., Semenov V.N., Starov L.L. et al. Structure weld and heat affected zone in nickel alloys EP202 and EK61. M. metallurgy and heat treatment of metals. 2001. 12. PP. 14–18.

5 LukinV.I., Semenov V.N., Starov L.L. et al. Hot cracking during welding superalloys. M.: Metal-lurgy and heat treatment of metals. 2001. 12. PP. 8–10.

6 Semenov V.N. Through difficulties to win. M.: Krasnogorskaja typography [Moscow: Publishing house «Krasnogorskaja typography»], 2011. 354 p.

32

РИС. 1 Линии испарения газов Ван-дер-Ваальса и Бертло и линии испарения жидких щелочных металлов

А.А. СОБКО – исполнительный директор, канд. физ.-мат. наук Академия инженерных наук имени А.М. Прохорова Москва, Российская Федерация, E-mail: [email protected]

оПисание линии исПарения жидких металлов обобщенным уравнением ван-дер-ваальса-бертло

1. Расчет линий испарения газов Ван-дер-Ваальса-Бертло и сравнение с линиями испарения щелочных металлов

В работе [1] показано, что линии испарения жидких газов лежит между линией испарения газа Ван-дер-Ваальса и линией испарения газа Бертло. Как видно из рисунка 1 линии испарения жидких щелочных метал-лов также лежат между линиями испарения газа Ван-дер-Ваальса и газа Бертло. Варьируя параметр α в обобщенном уравнении Ван-дер-Ваальса-Бертло:

P TV T V

∗∗

∗ ∗ ∗=−( )

−8

3 1

32α

можно получить хорошее согласие между экспери-ментальными линиями испарения и щелочных ме-таллов и линиями испарения обобщенного уравне-ния Ван-дер-Ваальса-Бертло.

Автором рассчитаны, с использованием правила равных площадей (правило Максвелла), линии испа-рения обобщенного газа Ван-дер-Ваальса-Бертло на отрезке α [0.0-1.0] с шагом 0.1. Также доказано в [1], что производная в критической точке обобщенного уравнения Ван-дер-Ваальса-Бертло равна:

P dPdTT c t

c t

∗′∗

∗

∗( ) =

= +

.

.

3 4α .

Ниже приводятся и анализируются линии испа-рения щелочных металлов и линии испарения газа

T*0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

P*

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2P*=f(T*) α=0.0P*=f(T*) α=1.0P*=f(T*) LiP*=f(T*) NaP*=f(T*) KP*=f(T*) RbP*=f(T*) Cs

В работе, используя сделанные автором расчеты термодинамических пара-метров на линии насыщения для обобщенного уравнения Ван-дер-Ваальса-Бертло, показано, что это уравнение с хорошей точностью описывает линию испарения (линию насыщения) щелочных металлов.

Ключевые слова: Уравнение Ван-дер-Ваальса, уравнение Бертло, обобщенное уравнение Ван-дер-Ваальса-Бертло, линия испарения, металлы.

A.A. SOBKO – Cand. of Phys.-Math. Sciences Academy of Engineering Sciences A.M. Prokhorov Moscow, Russian Federation, E-mail: [email protected]

line desCription of evaporation of liquid metals generalized equation of van der waals-berthelot

In this paper, the author made calculations using thermodynamic parameters on the saturation line for the generalized equation of van der Waals-Berthelot, it is shown that this equation with good accuracy the evaporation line (line saturation) of alkali metals.

Key words: Van-der-Waals equation, the equation Berthelot, generalized Van-der-Waals- Berthelot equation, the line of vapors, metals.


33

РИС. 2 Линия испарения лития и линия испарения газа Ван-дер-Ваальса-Бертло

T*

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

P*

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2P*=f(T*) LiP*=f(T*) α=0.7

РИС. 3 Линии испарения натрия и газа Ван-дер-Ваальса-Бертло

T*

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1

P*

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

P*=f(T*) Na Pc=370 барP*=f(T*) Na Pс=256.4 барP*=f(T*) α=0.2

Ван-дер-Ваальса-Бертло. Все экспериментальные данные для линий испарения щелочных металлов взяты из справочника [2].

2. Линии испарения щелочных металлов

2.1.Анализ линии испарения лития

На рисунке 2 представлена линия испарения лития и линия испарения газа Ван-дер-Ваальса-Бертло с па-раметром α = 0 7. . Как видно из рисунка линия испа-рения лития хорошо согласуется с линией испарения газа Ван-дер-Ваальса-Бертло.

Производные в критической точке соответствен-но равны:

PT c ex∗′∗( ) =

.6,33 и PT c t

∗′∗( ) =

..6 1

погрешность δLi = 3,64%.

2.2. Анализ линии испарения натрия

На рисунке 3 представлены две линии испарения натрия и линия испарения газа Ван-дер-Ваальса-Бертло. Это связано с тем, что критические значения давления натрия по двум источникам существенно различаются. По данным справочника [2]

T Pc c= =2500 370, бар, а по данным [3]

T Pc c= =2503 256 4, . бар. Критические температуры практически совпадают, а критические давления существенно различаются. По-этому на рисунке 3 приведены две линии испарения натрия для приведенных температур T ∗ и давлений P∗ , рассчитанных по данным [2], [3]. Так как [3], из-данная в 1990 году, а [2] в 1972 году, то данные, при-веденные в [3] более надежные. В самом деле, линия

ИЗВЕСТИЯ

34


испарения, построенная со значением Pc = 256 4. бар хорошо согласуется с линией испарения газа Ван-дер-Ваальса-Бертло с параметром α = 0 2. . Линия испаре-ния натрия построенная с использования критическо-го значения давления Pc = 370 бар не согласуется с линией испарения газа Ван-дер-Ваальса-Бертло ни при каких значениях параметра α .

Экспериментальные данные линии испарения на-трия, приведенные в справочнике [2] заканчиваются далеко от критической точки, поэтому вычислить производную PT c ex

∗′∗( )

. в критической точке не пред-

ставляется возможным. Производные в конечной экспериментальной точке равны PT ex

∗′∗( ) = 2.13 при

Pc = 370 бар и PT ex∗′∗( ) = 3.08 при Pc = 256 4. бар и они

меньше теоретической производной PT c t∗′∗( ) =

..4 6 .

2.3. Анализ линии испарения калия

На рисунке 4 представлена линия испарения калия и линия испарения газа Ван-дер-Ваальса-Бертло с пара-

метром α = 0 1. . Как видно из рисунка линия испаре-ния калия хорошо согласуется с линией испарения газа Ван-дер-Ваальса- Бертло. Производные в крити-ческой точке соответственно равны: PT c ex

∗′∗( ) =

.4.50 и

PT c t∗′∗( ) =

..4 30 погрешность δK = 4.44%.

2.4. Анализ линии испарения рубидия

На рисунке 5 представлена линия испарения рубидия и две линии испарения газа Ван-дер-Ваальса-Бертло с параметрами α = 0 1. и α = 0 2. . Как видно из рисун-ка линия испарения рубидия лежит между линиями испарения газа Ван-дер-Ваальса-Бертло и описыва-ется уравнением газа Ван-дер-Ваальса-Бертло с па-раметром α , лежащим между 0 1 0 2. .< <α . К сожа-лению, экспериментальные данные на линии испарения кончаются далеко от критической точки. Производная в этой точке PT ex

∗′∗( ) =1 5. , что суще-

ственно меньше теоретической производной в кри-тической точке PT c t

∗′∗( ) = ÷

.. .4 30 4 60.

РИС. 4 Линия испарения калия и линия испарения газа Ван-дер-Ваальса-Бертло

РИС. 5 Линии испарения рубидия и линия испарения газа Ван-дер-Ваальса-Бертло

T*

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

P*

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2P*=f(T*) KP*=f(T*) α=0.1

T*

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

P*

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2P*=f(T*) RbP*=f(T*) α=0.1P*=f(T*) α=0.2


35

2.5. Анализ линии испарения цезия

На рисунке 6 представлена линия испарения цезия и две линии испарения газа Ван-дер-Ваальса-Бертло с параметрами α = 0 0. и α = 0 1. . Как видно из рисунка линия испарения цезия лежит между линиями испа-рения газа Ван-дер-Ваальса-Бертло и описывается уравнением газа Ван-дер-Ваальса-Бертло с параме-тром α , лежащим между 0 0 0 1. .< <α .

Экспериментальное значение производной PT ex

∗′∗( ) = 3 75. , теоретическое значение производной

в критической точке PT c t∗′∗( ) =

..4 0 погрешность со-

ставляет δCs = 6 26. %

3. Выводы

1. Как видно из приведенных выше результатов обобщенное уравнение Ван-дер-Ваальса-Бертло с хорошей точностью (несколько процентов) описы-вает линии испарения щелочных металлов.

2. Также хорошо согласуются экспериментальные и теоретические значения PT c t

∗′∗( ) = +

.3 4α произво-

дных в критической точке, если эксперименталь-ные значения T ∗ и P∗ известны в близи критиче-ской точки.

3. Согласие между расчетными и эксперименталь-ными данными можно еще улучшить, если при расчете линии испарения газа Ван-дер-Ваальса-Бертло выбирать параметр α с точностью не до десятых, а до сотых.


1. А.А. Собко. Описание линии испарения жидких газов обобщенным уравнением Ван-дер-Ваальса-Бертло, Известия Академии инженерных наук имени А.М. Прохорова, 2014 г. 3.

2. Н.Б. Варгафтик. Справочник по теплофизиче-ским свойствам газов и жидкостей, М., «Наука», Главная редакция физико-математической лите-ратуры, 1972.

3. М.А. Анисимов, В.А. Рабинович, В.В. Сычев. Термодинамика критического состояния индиви-дуальных веществ. М., «Энергоатомиздат», 1990.

References

1. A.A. Sobko. Opisanie linii ispareniya zhidkih gazov obobschennym uravneniem Van-der-Vaal'sa-Bertlo, Izvestiya Akademii inzhenernyh nauk imeni A.M. Pro-horova [Line description of evaporation of liquid gases generalized equation of Van der Waals-Berthelot, Pro-ceedings of the Academy of Engineering Sciences named after A.M. Prokhorov], 2014. 3.

2. N.B. Vargaftik. Spravochnik po teplofizicheskim svojstvam gazov i zhidkostej [Handbook on thermo-physical properties of gases and liquids], M.: Nauka [Moscow: Publishing house «Science»], 1972.

3. M.A. Anisimov, V.A. Rabinovich, V.V. Sychev. Ter-modinamika kriticheskogo sostoyaniya individual'nyh veschestv [Thermodynamics of the critical state of in-dividual substances]. M.: Energoatomizdat [Moscow: Publishing house «Energoatomizdat»], 1990.

РИС. 6 Линии испарения цезия и линия испарения газа Ван-дер-Ваальса-Бертло

T*0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

P*

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2P*=f(T*) CsP*=f(T*) α=0.1P*=f(T*) α=0.0

Сведения об авторе Information about author

Собко Александр Александрович Исполнительный директор, канд. физ.-мат. наук

Академия инженерных наук им. А.М. Прохорова 123557, Москва, Российская Федерация, Пресненский вал, 19

E-mail: [email protected]

Sobko Alexander АlecsandrovichCand. of Phys.-Math. SciencesAcademy Engineering Sciences A.M. Prokhorov 123557, Moscow, Russian Federation, Presnensky Island, 19E-mail: [email protected]

36

Д.Ю. СОКОЛОВ – Руководитель патентного департамента ЗАО «Нанотехнология МДТ» E-mail: [email protected], Зеленоград, Российская Федерация

Проблемы защиты интеллектуальной собственности в российской Федерации и их решение

В работе раскрыты причины низкой патентной защищен-ности отечественных разработок, связанные с отсутствием программ обучения изобретателей. Приведены дополне-ния, которые необходимо внести в государственную страте-гию по защите интеллектуальной собственности. Показано

направление обучения изобретательству и патентованию, как единому взаимодополняющему процессуКлючевые слова: интеллектуальная собственность, госу-дарственная стратегия, обучение изобретательству и патен-тованию, обучение изобретательству и патентованию.

D.YU. SOKOLOV – Head of Patent Department, ZAO «Nanotechnology MDT» E-mail: [email protected], Zelenograd, Russian Federation

problems of proteCtion of intelleCtual property in the russian federation and their solutions

The article reveals causes of low patent protection of Russian developments, which are associated with the lack of training programs for inventors. It contains additions that should be made in the national strategy for the protection of intellectual

property and shows the direction of teaching invention and pat-enting as synergistic process.Key words: intellectual property, national strategy, teaching in-vention and patenting.

В послевоенный период, начиная с 1946 года в Совет-ском Союзе изобретатели стали активнее защищать свою интеллектуальную собственность. С 1953 года уже шел неуклонный ежегодный рост количества по-лученных авторских свидетельств на изобретения. С 1964-го года темпы роста увеличились. В 1967 году мы догнали Японию по количеству зарегистрирован-ных изобретений. В начале 1970-х годов – обогнали Францию и Великобританию, к концу 1970-х годов сравнялись с США. Но с 1985-го года началось резкое уменьшение патентной активности, и только после 1991 года возник небольшой рост ежегодного получе-ния российских патентов российскими изобретателя-ми. В настоящее время патентная активность в России находится на следующем уровне. В 2012 году Рос-патентом гражданам России было выдано 32.9 тыс. патентов. При этом резиденты Япония получили приблизительно 280 тыс. патентов, США – 250 тыс., Китая – 220 тыс., а Южной Кореи – 115 тыс. Может показаться, что отставание большое, но не катастро-фическое. Однако, если посмотреть статистику меж-дународного патентования, то в 2012 году россияне получили всего лишь 822 патента за рубежом. А если вычесть из этого числа патенты, выданные Европей-ской патентной организацией, штаб квартира которой расположена в Москве, то останется 666 патентов, полученных гражданами России вне ее территории. Это составляет величину 2.9% от всех патентов, по-лученных россиянами. Для Японии аналогичный по-казатель составляет величину 118 тыс. (34.4 % от всех полученных патентов), для США – 105 тыс. (46,5 %), для Южной Кореи – 28 тыс. (25%). То есть, наша стра-на по ежегодному количеству получаемых патентов на территории других стран более чем в 100 раз от-

стает от мировых лидеров. А от Японии мы отстаем в 177 раз. В 2013 году темпы роста патентования в за-рубежных странах только увеличились. В США было получено 302948 патентов. Китай по подаче междуна-родных заявок (23 тыс.) вышел на третье место после США и Японии. На Японию, Китай и Южную Корею в 2013 году пришлось 38% всех заявок, поданных по системе РСТ (при 25% в 2007 году). В России было подано всего 1087 международных заявок, что на 2 меньше, чем в 2012 году.

Кроме этого существует коэффициент изобрета-тельской активности (Ки), который привязан к ко-личеству патентов на 10 тыс. населения. Здесь мы в 13 раз отстаем от Южной Кореи и находимся на 20-м месте в мире. Нас опережают Финляндия, Нидер-ланды, Дания, Австрия, Норвегия, Австралия и даже КНДР с 3.4 патентов на 10 тыс. населения (у нас этот показатель составляет величину 3.1). Но если и здесь посмотреть на более объективный коэффициент Ки, привязанный к международному патентованию, то выяснится, что от Южной Кореи мы отстаем уже не в 13 раз, а более чем в 100 раз. Приведенные стати-стические данные взяты из [1,2]. При этом в насто-ящее время происходит относительное уменьшение количества российских изобретений, по отношению к зарубежным, защищенных патентами Российской Федерации. Ежегодно это уменьшение составляет около 20%. По некоторым высокотехнологичным на-правлениям, например, биотехнологии и цифровой обработке изображений число зарубежных изобре-тений превысило 50% и доходит до 70% от общего числа, зарегистрированных в России. При этом мно-гие зонтичные формулы этих изобретений имеют количество зависимых пунктов, приближающееся к


37

сотне, что, по сути, увеличивает приведенные про-центы. Согласно этому, а также международным и российским законам, зарубежные патентодержатели могут запрещать российским фирмам производить и продавать свою продукцию. Причем со вступлением России в ВТО для наших бизнесменов эта ситуация может только усугубиться. Проблема осложняется еще и тем, что в настоящее время участились случаи атак патентных «троллей» на производителей про-дукции. «Тролли» могут ликвидировать их патенты и навязывать необоснованные выплаты [3].

Следует также заметить, что многие патенты, выдан-ные на гражданскую продукцию, могут иметь двойное применение. Например, патенты на системы цифровой обработки изображений, в фотоэлектрической, зондо-вой и электронной микроскопии могут одновременно защищать и системы целенаведения ракет. Эти систе-мы часто настолько похожи, что даже специалист не всегда определит истинное назначение патента. Напри-мер, проблема конвективного тепломассобмена в фото-электрической микроскопии, приводящая к искажению хода оптических лучей, меняющая истинное положение объекта и его форму, сходна с проблемой флуктуации атмосферы, которая также исказит положение цели и ее контуры. Цифровая обработка обоих изображений, по-зволяющая минимизировать эти искажения, будет иден-тичной (см. подробнее [4]). Таким образом, Российская Федерация может выдавать патенты иностранным за-явителям, защищающие одновременно с гражданской продукцией и военные разработки.

Попробуем выяснить хотя бы часть причин тако-го катастрофического отставания России в области защиты интеллектуальной собственности от разви-тых стран.

Разумеется, уменьшение промышленного про-изводства в России сказалось на востребованность изобретений и патентов. Но все-таки до 100 кратно-го отставания от мировых лидеров по объемам про-изводства и разработок мы пока не дошли. Основная причина низкой патентной защищенности отече-ственных разработок, на мой взгляд, это разрыв по-колений 1990-х годов. Знания и умения в области защиты интеллектуальной собственности до этого печального события передавались от старшего поко-ления к младшему. При этом государство популяри-зировало изобретательство через телевидение и пери-одические издания, поддерживало патентные службы предприятий, гарантировало выплаты изобретателям и т.п. Существуют и некоторые другие причины низ-кой патентной защищенности отечественных раз-работок [5, 6]. Разрыв поколений не восстановить. Посмотрим, что делает государство для поддержки своих государственных интересов.

Основными понятиями в долгосрочной государ-ственной стратегии в области интеллектуальной соб-ственности является – защита и управление интел-лектуальной собственностью. Система подготовки патентных юристов и патентных поверенных в Рос-сии существует, образовательный стандарт по обуче-нию специальности «инженер-патентовед» создается. Обучением в области интеллектуальной собственно-сти в стране занимаются: Высшая школа экономики, Российская государственная академия интеллектуаль-ной собственности. Периодические занятия по этой теме проводят: Федеральный институт промышленной собственности, Российский фонд технологического развития, Институт повышения квалификации работ-ников атомной промышленности, Фонд «Сколково». Работа эта, разумеется, необходима. Однако во всех программах перечисленных организаций обучение делает акцент на юридических и экономических во-просах. Основные публичные мероприятия в стране в области интеллектуальной собственности (конферен-ции, форумы, мастер-классы и т.п.) связаны с управ-лением ею. Согласно этому и строятся все системы обучения. При этом тема изобретательства в них прак-тически не затронута. Система подготовки изобрета-телей, что является одной из основных задач любого технического ВУЗа – отсутствует. Подавляющее число статей, книг, методических пособий в области интел-лектуальной собственности касаются управления ей, и только менее одного процента – современным техно-логиям изобретательства и патентования. Вопросы па-тентования, в основном рассматриваются в отрыве от изобретательства. При этом обучением патентованию занимаются патентоведы, которые сами часто ничего не изобретали, и мало чему могут научить начинаю-щего изобретателя. Единственный, по сути, журнал, занимающийся обучением изобретательству – «Изо-бретатель и рационализатор», первой номер которого вышел в 1929 году с напутственной статьей Эйнштей-на, в настоящее время выходит в количестве 2 тыс. экземпляров. А в 1970-е годы этот тираж составлял 400 тыс. экз. Опять это мистическое соотношение, превышающее сотню. Более чем в 100 раз стало меньше уделяться внимания изобретательству – во столько же раз мы имеем меньше, чем нужно патентов. В следующем году этот журнал из-за отсутствия госу-дарственной поддержки, по информации на сегодняш-ний день, прекращает свое существование.

Разумеется, процесс управления интеллектуаль-ной собственностью важен и его надо совершенство-вать. Но в наших конкретных условиях, учитывая разрыв поколений 1990-х, к сожалению, существую-щую патентную стратегию России можно сформули-ровать как: «Управлять тем, чего нет!».

ИЗВЕСТИЯ

38


Только два примера из-за рубежа. В Японии в 1960–1970-е годы была реализована государственная программа массового обучения изобретательству. Создавались кружки изобретателей. Любое незначи-тельное усовершенствование патентовалось. Конеч-но, японские изобретения в то время были доволь-но смешные. Но никто не отменял закона перехода количества в качество. В настоящее время японские патенты, по моему мнению, наиболее «сильные» и с технической, и с юридической точек зрения. В том числе такая политика в области патентования вывела Японию в мировые лидеры.

В Китае в настоящее время осуществлен переход от лозунга «Сделано в Китае» к лозунгу «Изобретено в Китае». Реализуя эту программу в 2011 году, Китай вышел на первое место в мире по количеству заявок на изобретения (526.4 тыс.). В 2013 году эта вели-чина составила 830 тыс. Темпы роста в получении патентов в настоящее время у Китая наивысшие в мире. Пока не все китайские патенты имеют высокий уровень, но учитывая китайский менталитет и бога-тые изобретательские традиции, вероятно через 5 лет их патенты станут не хуже японских и американских, и Китай выйдет по всем параметрам защиты интел-лектуальной собственности на первое место в мире.

В обеих программах ключевым словом является «изобретательство».

По моему мнению, самое важное место в цепоч-ке от идеи до патента, и дальше до его использова-ния и получении прибыли должен занимать изобре-татель. Реализация стратегии изобретательства в нашей стране должна быть осуществлена в первую очередь путем развертывания систем обучения изо-бретательству и патентованию, как единому взаи-модополняющему процессу, понятным языком и на интересных примерах через:1. Общеобразовательные школы, в которых обуче-

ние изобретательству будет основано на опыте ве-ликих изобретателей и примерах из повседневной жизни каждого человека.

2. ВУЗы, где обучение изобретательству и патен-тованию будет проходить с использованием кон-кретных примеров из научно-исследовательской деятельности студентов.

3. Промышленные предприятия, на которых пере-подготовка изобретателей будет осуществляться с учетом последних требований патентной экс-пертизы, а обучение начинающих изобретателей будет основано на экспресс методиках создания патентоспособных технических решений и сквоз-ной технологии подготовки заявок. При отсут-ствии патентных служб на предприятиях возмож-но оперативное их создание.

Вкратце следует остановиться на особенностях перечисленных систем обучения.

Как показывает практика, школьники достаточно восприимчивы к основным положениям изобрета-тельства. Да и опыт великих изобретателей говорит о том, что многие из них свои первые изобретения сде-лали в достаточно юном возрасте или использовали «детские» методы исследований [7–9]. Самое глав-ное при проведении занятий со школьниками – вы-звать интерес к изобретательству, показать его поль-зу, в том числе для каждого конкретного человека при решении ежедневных проблем наилучшим об-разом, а потом, на понятных и интересных примерах, постепенно раскрывать основы изобретательской деятельности [10–19]. Очень важны примеры дости-жения уникальных результатов, в том числе нашими современниками, за счет изобретательного подхода к широкому спектру задач, от организации путе-шествий до художественного творчества [20–25]. Программируя таким образом процесс мышления (формируя устойчивые синаптические связи в моз-гу) можно формировать личность в нужном направ-лении. Изобретательство даже помогает уменьшить пагубное влияние компьютера, т.к. помимо удоволь-ствия может приносить и реальную пользу при реше-нии практических задач.

При проведении занятий в ВУЗах студентов тоже вначале надо заинтересовать вопросами изобрета-тельства на основе примеров создания выдающихся изобретений [26–30]. Обучение студентов изобрета-тельству и патентованию целесообразно привязы-вать к выполнению ими научных исследований на кафедре, и одновременно к защите курсовых работ и дипломных проектов. Помимо приобретения изо-бретательских навыков патенты будут служить трам-плином творческой карьеры. Одновременно, четко структурированный текст заявки на изобретение по-зволяет научить быстро, понятно и в правильной по-следовательности описывать решения технических проблем, а также – излагать свои мысли по любому вопросу [31–35].

Занятия на производственных предприятиях наи-более эффективны при решении неотложных практи-ческих задач по созданию изобретений и их патенто-ванию. Причем чем жестче временные ограничения, тем эффективнее работа. Чуть ли не основная про-блема при подготовке заявки на изобретение связана с тем, что после локальных успехов по составлению формулы изобретения, важных фрагментов текста описания, возникает ошибочное чувство, что ос-новная работа сделана, и можно немного отложить ее завершение. Иногда это откладывание затягивает подготовку заявки на годы. А когда план предпри-


39

ятия требует отчета к близкому сроку, например, для участия в тендере на разработку или для выполне-ния индикаторов по проекту, то времени откладывать работу нет, происходит предельная концентрация на решении проблемы и на трехдневных занятиях с изобретателями удается подготовить 3–4 зонтичные формулы изобретений. Дальнейшая работа может строиться следующим образом. Если осталось не-сколько дней до сдачи работы, то ведущий мастер-класса, по экспресс методикам подготовки заявок готовит их шаблоны, куда изобретатели вставляют конкретные данные, касающиеся реализации отли-чительных признаков. Марки комплектующих, ма-териалы, из которых изготовлены важные детали, качество их обработки, режимы эксплуатации и т.п.. Если времени до сдачи работы остается несколько недель, то можно этим экспресс-методикам научить изобретателей, и они сами составят тексты заявок. Следует заметить, что возможно в короткие сроки не только оформлять готовые изобретения, но и их соз-давать. В этом случае целесообразно использовать экстремальные мозговые штурмы [36] и веерные тех-нологии создания зонтичных решений. Основы этих технологий основаны на объединении процессов изобретательства и патентования. Обычно изобрете-ние в голове его создателя формируется в виде одно-го – двух базовых отличительных признаков. После этого, используя мозговой штурм, первичную идею, часто удается развить в зонтичную формулу изо-бретения, содержащую 10–15 зависимых признаков. Далее по специальным шаблонам изобретателю це-лесообразно самому раскрывать зонтичную форму-лу изобретения и выявлять технические результаты каждого признака, при этом количество отличитель-ных признаков может быть увеличено, минимум, в два раза. Практика использования этих технологий описана в [37, 38]. Обычно, прошедшие такие прак-тические занятия изобретатели, в дальнейшем само-стоятельно могут готовить заявки на изобретения. Патентным работникам на предприятиях, также ино-гда необходимо повышать свою квалификацию. Они также могут присутствовать на этих технических за-нятиях. Знакомясь с изобретательскими методиками [39–41], патентоведы в дальнейшем будут говорить с изобретателями на одном языке и помогут новичкам создавать патентоспособные изобретения.

Однако в настоящее время далеко не на всех пред-приятиях, занимающихся разработками технологий и оборудования, существуют патентные службы. Если администрация предприятия примет решение о создании патентной службы, разумеется в каждом конкретном случае ее состав будет отличаться в за-висимости от объема производства. В минимальной

комплектации патентная служба может включать секретаршу директора, которая должна отправлять заявки на изобретения, подготовленные, например, привлеченным специалистом, отслеживать решения Федерального института промышленной собственно-сти и передать их тому же специалисту. Подготовить секретаршу к этой работе можно в течение одного дня. Мастер-классы по созданию более продвинутых патентных служб на предприятиях, по сути, могут быть продолжением описанного мастер-класса по решению неотложных задач [42]. На них должны быть раскрыты: примеры оптимизации патентных исследований, согласованных с этапами подготовки заявок; технологии создания тактических патентов, например, блокирующих [43,44], деблокирующих, рекламных, маскирующих [45], зонтичных [46, 47], дезориентирующих, адаптационных; технологии создания патентов на отдельные типы высокотехно-логичного оборудования [48–59]; тактика и стратегия проведений экспертных совещаний [60–64]; принци-пы оптимизации компьютерных патентных техноло-гий [65,66]; особенности подготовки графических материалов на высокотехнологичное оборудование [67]; варианты дополнительной классификации изо-бретений [68]. Если у предприятия нет средств для создания полноценной патентной службы, то можно поступить следующим образом. Обычно, при реше-нии частных патентных проблем при проведении описанного мастер-класса из группы изобретателей можно выделить одного, который сможет, не меняя своего основного профиля, в последствии за допол-нительное вознаграждение помогать изобретателям защищать свою интеллектуальную собственность.

Переподготовка преподавателей для обучения изобретательству и патентованию может осущест-вляться, например, на базе одного из ведущих ВУЗов страны (МФТИ, МГУ, МИФИ, МИЭТ, РГАИС) и про-должаться от одного месяца до одного года.

В качестве пособий по обучению практическо-му изобретательству и патентованию в дополнение к приведенной литературе можно использовать из-дания [69–71], а также монографии автора [72–78], которые составлены на основе лекций, семинаров и мастер-классов, проведенных им в учебных, науч-ных и производственных аудиториях.

Дополнительные меры государственной под-держки должны включать: популяризацию изобре-тательства в средствах массовой информации; го-сударственную поддержку периодических изданий по изобретательству («Изобретатель и рационализа-тор», «Изобретательство» и др.); издание массовыми тиражами литературы по практическому изобрета-тельству и ее распространение; широкое использова-

ИЗВЕСТИЯ

40


ние IT-технологий (создание обучающих программ в области интеллектуальной собственности, разработ-ка компьютерных игр по изобретательству, не уводя-щих надолго в виртуальный мир и т.п.).

Разумеется, патентные юристы нужны, знания юридических норм изобретателям необходимы, вопро-сы использования интеллектуальной собственности имеют важное значение, но без решения проблем изо-бретательства и патентования – эти вопросы практиче-ски теряют смысл. Таким образом, в государственной стратегии по защите интеллектуальной собственно-сти наряду с подготовкой юристов и патентоведов, по меньшей мере, равноправное место должна занимать подготовка изобретателей. При этом обучение техно-логиям патентования необходимо рассматривать в со-четании с обучением технологиям изобретательству, как двум взаимодополняющим процессам.


1. Статистические данные Роспатента о государственной регистрации изобретений, полезных моделей, про-мышленных образцов // Изобретательство, 2013. Т. 13. 7. С. 51–54.

2. Карпов Е.С. Статистическое исследование патентной активности в России и странах мира // Диссертация на соискание ученой степени кандидата экономических наук. М., 2014. 150 с.

3. Андрощук Г. Патентный троллинг против инноваций // Интеллектуальная собственность, 2013. 4. С. 66–74.

4. Соколов Д.Ю. Угрозы экономической и военной не-зависимости России из-за недостаточной патентной защищенности разработок в области высоких техно-логий // Новые промышленные технологии, 2009. 2. С. 32–33.

5. Соколов Д.Ю. Проблемы патентной защищенности от-ечественных разработок и их решение // Менеджмент и бизнес администрирование, 2013. 1. C.154–165.

6. Соколов Д.Ю. Патентная защита разработок в России. Некоторые проблемы // Наноиндустрия, 2013. 6. C. 82–87.

7. Соколов Д.Ю. Прислушаемся к Эйнштейну // Изобре-татель и рационализатор, 2011. 1. С. 28–29.

8. Соколов Д.Ю. Связь времен в изобретательстве: от па-леолита до нанотехнологий // Наноиндустрия, 2010. 6. С. 48–53.

9. Соколов Д.Ю. Великие ученые: изобретения и об изо-бретательстве // Наноиндустрия, 2011. 1. С. 60–63.

10. Соколов Д.Ю. Интересные изобретения и составления их формул // Патенты и лицензии, 2011. 5. С. 50–52.

11. Соколов Д.Ю. Самые древние изобретения // Изобрета-тель и рационализатор, 2011. 6. С. 28–30.

12. Соколов Д.Ю. Учимся изобретать у природы // Нано-индустрия, 2011. 4. С. 66–71.

13. Соколов Д.Ю. Пример выуживаем у океана // Изобре-татель и рационализатор, 2012. 1. С.18–19.

14. Соколов Д.Ю. Что придумали грибы // Изобретатель и рационализатор, 2012. 2. С. 18–19.

15. Соколов Д.Ю. Учимся изобретать у природы // Патен-ты и лицензии, 2012. 3. С. 64–70.

16. Соколов Д.Ю. Патентуем возникновение жизни // Изо-бретатель и рационализатор, 2012. 5. С. 16–17.

17. Соколов Д.Ю. Высокие технологии планеты Земля // Наноиндустрия, 2012. 5. С.100–105.

18. Соколов Д.Ю. Беседа с Виктором Языковым перед стартом // Изобретатель и рационализатор. 2012. 10. С. 20–21

19. Соколов Д.Ю. Связь времен по Языкову // Изобрета-тель и рационализатор, 2013. 5. С. 22–23.

20. Соколов Д.Ю. Решение нетривиальных изобретатель-ских задач // Изобретатель и рационализатор, 2011. 4. С.16–19.

21. Соколов Д.Ю. Как Джордж Буш-старший чуть не стал президентом во второй раз // Изобретатель и рациона-лизатор, 2011. 5. С. 16–17.

22. Языков В.А., Соколов Д.Ю. Один из основных за-конов изобретательства // Наноиндустрия, 2011. 5. С. 16–18.

23. Соколов Д.Ю. ТРИЗ в парусах «Кон-Тики» // Изобрета-тель и рационализатор, 2011. 11. С. 16–17.

24. Соколов Д.Ю. Изобретательский подход Юрия Нор-штейна к решению технических и художественных за-дач // Патенты и лицензии, 2013. 9. С. 47–51.

25. Соколов Д.Ю. Архитектура, врастающая в природу // Изобретатель и рационализатор, 2014. 9. С. 4–5.

26. Соколов Д.Ю. Как создается выдающееся изобретение // Наноиндустрия, 2013. 1. С. 66–71.

27. Соколов Д.Ю. Изобретатели и власть // Патенты и ли-цензии, 2013. 5. С. 53–60.

28. Соколов Д.Ю. У истоков нанотехнологии // Наноинду-стрия, 2013. 8. С.64–69.

29. Соколов Д.Ю. Критерии выбора перспективных на-правлений развития техники и патентования // Изобре-татель и рационализатор, 2014. 6. С.20–23.

30. Соколов Д.Ю. Изобретательство: основные принципы // Патенты и лицензии, 2014. 10. С. 54–60.

31. Соколов Д.Ю. Простое побеждает сложное // Патенты и лицензии, 2011. 11. С. 21–24.

32. Соколов Д.Ю. Единство и борьба терминологий // Изо-бретатель и рационализатор, 2012. 3. С. 16–17.

33. Соколов Д.Ю. Рождение языка // Изобретатель и раци-онализатор, 2012. 4. С. 16–17.

34. Соколов Д.Ю. Значительность – сестра простоты // Изобретатель и рационализатор, 2013. 10. С.12–13.

35. Соколов Д.Ю. Терминология и патентование // Наноин-дустрия, 2014. 1. С. 74–79.

36. Соколов Д.Ю. От мозгового штурма до мозгового шторма // Изобретатель и рационализатор, 2014. 7. С. 14–16.

37. Соколов Д.Ю. Эффективное обучение изобретатель-ству в области высоких технологий // Наноиндустрия, 2011. 2. С. 68–70.

38. Соколов Д.Ю. Два подхода к патентованию изобрете-ний в области высоких технологий // Наноиндустрия, 2011. 3. С. 60–64.

39. Соколов Д.Ю. Как оформить патент и защитить свое изобретение? // Патенты и лицензии, 2010. 7. С. 44–49.

40. Соколов Д.Ю. Советы практика // Изобретатель и раци-онализатор, 2011. 3. С. 20–21.

41. Соколов Д.Ю. Современные патентные технологии // Инновации, 2012. 9. С. 97–100.

42. Соколов Д.Ю. Стратегия организации патентной служ-бы // Патенты и лицензии, 2008. 12. С. 41–43.


41

43. Regan B.C., Zettl A.K., Aloni S. Patent US7863798. Nano-crystal powered nanomotor. 04.01.2011.

44. Hiroyuki H. Patent JP5374701. Functional molecu-lar element composed of octaethylporphyrin derivative. 25.12.2013.

45. Соколов Д.Ю. Создание зонтичного и маскирующего патентов в области высоких технологий // Наноинду-стрия, 2010. 5. С. 20–22.

46. Соколов Д.Ю. Маска-зонтик // Изобретатель и рацио-нализатор. 2013. 9. С.19.

47. Amer N., Mejer G. Patent US5144833. Atomic force mi-croscope. 09.08.1992.

48. Соколов Д.Ю. Особенности патентования объектов нанотехнологии // Патенты и лицензии, 2008. 6. С. 14–19.

49. Соколов Д.Ю. Особенности патентования продукции нанотехнологии // Патенты и лицензии, 2008. 10. С. 12–18

50. Соколов Д.Ю. Полезная модель – действительно полез-на // Наноиндустрия, 2011. 6. С. 92–94.

51. Соколов Д.Ю. Особенности патентования микро- и на-номашин // Наноиндустрия, 2012. 3. С. 50–53.

52. Соколов Д.Ю. Закономерности патентования высотех-нологических решений // Наноиндустрия. 2012. 7. С. 56–63.

53. Соколов Д.Ю. Подготовка заявки на сложное изобрете-ние // Наноиндустрия, 2013. 4. С. 56–62.

54. Соколов Д.Ю. Наномашины природные и человеческие // Изобретатель и рационализатор, 2013. 6. С.19–20.

55. Соколов Д.Ю. Выявление отличительных признаков и технических эффектов совмещенных технологий // Изобретатель и рационализатор, 2013. 10. С.22–23.

56. Соколов Д.Ю. Объединение известных изобретений в новой комбинации // Изобретатель и рационализатор, 2014. 5. С. 29–30.

57. Соколов Д.Ю. Патентование способов в области высо-ких технологий // Наноиндустрия, 2014. 4. С.74–80.

58. Соколов Д.Ю. Патентование принципиально новых технологий // Наноиндустрия, 2014. 6. С.70–78

59. Соколов Д.Ю. Патентование изобретений, основан-ных на открытиях // Патенты и лицензии, 2010. 9. С. 21–27.

60. Соколов Д.Ю. Патентная экспертиза глазами экспер-та и изобретателя // Патенты и лицензии, 2011. 1. С. 45–51.

61. Соколов Д.Ю. Нанотехнологии и необычные ситуации // Изобретатель и рационализатор, 2012. 6. С. 22–23.

62. Соколов Д.Ю. Патентование объектов нанотехнологии // Наноиндустрия, 2012. 4. С. 100–102

63. Соколов Д.Ю. Патентная экспертиза высоких техноло-гий // Наноиндустрия, 2012. 6. С. 100–103.

64. Соколов Д.Ю. Защита изобретений в ФИПС // Изобре-татель и рационализатор, 2014. 2. С. 20–22.

65. Соколов Д.Ю. О вреде и пользе компьютера // Изобре-татель и рационализатор, 2013. 7. С. 22–23

66. Соколов Д.Ю. Патентование изобретений и инфор-мационные технологии // Патентное дело. 2014. 9. С. 41–45.

67. Соколов Д.Ю. Графическое оформление высокотех-нологичных решений // Наноиндустрия, 2014. 3. С. 68–79.

68. Соколов Д.Ю. Классификация изобретений в обла-сти высоких технологий // Наноиндустрия, 2014. 5. С. 54–56.

69. Осуги С., Саэки Ю. Приобретение знаний. М.: Мир, 1990. 304 с.

70. Шпаковский Н.А. ТРИЗ. Анализ технической инфор-мации и генерация новых идей. М.: ФОРУМ, 2010. 264 с.

71. Devoino I., Skuratovich A. Idealization of Engineering Sys-tems through Trimming: Engineering Systems as Techno-logical Proceeding of TRIZ Future. Strasbourg, 2002. 197 p.

72. Соколов Д.Ю. Патентование изобретений в области высоких и нанотехнологий. М.: ТЕХНОСФЕРА, 2010. 135 с.

73. Соколов Д.Ю. Об изобретательстве понятным языком и на интересных примерах. М.: ТЕХНОСФЕРА, 2011. 152 с.

74. Соколов Д.Ю. Обучение изобретательству на интерес-ных примерах. Саарбрюкен: LAMBERT Academic Pub-lishing, 2012. 104 с.

75. Соколов Д.Ю. Создание, оформление и защита изобре-тений: практическое пособие для инженеров, ученых и патентоведов. М.: Информационно-издательский центр «ПАТЕНТ», 2013. 206 с.

76. Соколов Д.Ю. Необычные изобретения. От Вселенной до атома. М.: ТЕХНОСФЕРА, 2013. 144 с.

77. Соколов Д.Ю. Патентование сложных изобретений. М.: Информационно-издательский центр «ПАТЕНТ», 2013. 120 с.

78. Соколов Д.Ю. Патентная защита изобретений после вступления России во Всемирную торговую органи-зацию. М.: Информационно-издательский центр «ПА-ТЕНТ», 2014. 109 с.

References

1. Statisticheskie dannye Rospatenta o gosudarstvennoy reg-istratsii izobreteniy [Statistical data Rospatent on state reg-istration of inventions] Izobretatelstvo [Invention] 2013. Vol.13. 7. PP. 51–54.

2. Karpov Ye.S. Statisticheskoe issledovanie patentnoy ak-tivnosti v Rossii i stranakh mira [Statistical study of patent activity in Russia and countries of the world] Dissertatsiya na soiskanie uchenoy stepeni kandidata ekonomicheskikh nauk [Dissertation for the degree of Candidate of Economic Sciences. Moscow], 2014. 150 p.

3. Androshchuk G. Patentnyy trolling protiv innovatsiy [Pat-ent trolling against innovation] Intellektualnaya sobstven-nost [intellectual property], 2013. 4. PP. 66–74.

4. Sokolov D.Yu. Ugrozy ekonomicheskoy i voennoy neza-visimosti Rossii iz-za nedostatochnoy patentnoy zashch-ishchennosti razrabotok v oblasti vysokikh tekhnologiy [Threats of economic and military independence Russia be-cause of insufficient patent protection developments in the field of high technology] Novye promyshlennye tekhnolo-gii [New Industrial Technology], 2009. 2. PP. 32–33.

5. Sokolov D.Yu. Problemy patentnoy zashchishchennosti otechestvennykh razrabotok i ikh reshenie [Problems of patent protection of domestic developments and their solu-tions] Menedzhment i biznes administrirovanie [Manage-ment and business administration], 2013. 1. PP. 154–165.

6. Sokolov D.Yu. Patentnaya zashchita razrabotok v Rossii. Nekotorye problem [Patent protection developments in Russia. some problems] Nanoindustriya [Nanoindustry], 2013. 6. PP. 82–87.

7. Sokolov D.Yu. Prislushaemsya k Eynshteynu [Listen to Einstein] Izobretatel i ratsionalizator [Inventor], 2011. 1. PP. 28–29.

ИЗВЕСТИЯ

42


8. Sokolov D.Yu. Svyaz vremen v izobretatelstve: ot paleolita do nanotekhnologiy [Communication times in invention: from Paleolithic to nanotechnology] Nanoindustriya [Na-noindustry], 2010. 6. PP. 48–53.

9. Sokolov D.Yu. Velikie uchenye: izobreteniya i ob izobre-tatelstve [Great scientists: the invention of invention and] Nanoindustriya [Nanoindustry], 2011. 1. PP. 60–63.

10. Sokolov D.Yu. Interesnye izobreteniya i sostavleniya ikh formul [Interesting inventions and making their formu-las] Patenty i litsenzii [Patents and licenses], 2011. 5. PP. 50–52.

11. Sokolov D.Yu. Samye drevnie izobreteniya [The oldest of the invention] Izobretatel i ratsionalizator [Inventor], 2011. 6. PP. 28–30.

12. Sokolov D.Yu. Uchimsya izobretat u prirody [Learning from nature to invent] Nanoindustriya [Nanoindustry], 2011. 4. PP. 66–71

13. Sokolov D.Yu. Primer vyuzhivaem u okeana [Example of fishes in the ocean] Izobretatel i ratsionalizator [Inventor], 2012. 1. PP. 18–19.

14. Sokolov D.Yu. Chto pridumali griby [What came up mush-rooms] Izobretatel i ratsionalizator [Inventor], 2012. 2. PP. 18–19.

15. Sokolov D.Yu. Uchimsya izobretat u prirody [Learning from nature to invent] Patenty i litsenzii [Patents and li-censes], 2012. 3. PP. 64–70.

16. Sokolov D.Yu. Patentuem vozniknovenie zhizni [Patent-ing the origin of life] Izobretatel i ratsionalizator [Inventor], 2012. 5. PP. 16–17.

17. Sokolov D.Yu. Vysokie tekhnologii planety Zemlya [High-Tech Planet Earth] Nanoindustriya [Nanoindustry], 2012. 5. PP. 100–105.

18. Sokolov D.Yu. Beseda s Viktorom Yazykovym pered star-tom [Interview with Victor before start by Language] Izo-bretatel i ratsionalizator [Inventor]. 2012. 10. PP. 20–21

19. Sokolov D.Yu. Svyaz vremen po Yazykovu [Communica-tion times on language] Izobretatel i ratsionalizator [Inven-tor], 2013. 5. PP. 22–23.

20. Sokolov D.Yu. Reshenie netrivialnykh izobretatelskikh za-dach [Decision nontrivial inventive problems] Izobretatel i ratsionalizator [Inventor], 2011. 4. PP. 16–19.

21. Sokolov D.Yu. Kak Dzhordzh Bush-starshiy chut ne stal prezidentom vo vtoroy raz [As George HW Bush almost became president for the second time] Izobretatel i ratsion-alizator [Inventor], 2011. 5. PP. 16–17.

22. Yazykov V.A., Sokolov D.Yu. Odin iz osnovnykh zakonov izobretatelstva [One of the basic laws of invention] Na-noindustriya [Nanoindustry], 2011. 5. PP. 16–18.

23. Sokolov D.Yu. TRIZ v parusakh «Kon-Tiki» [TRIZ in the sails “Kon-Tiki”] Izobretatel i ratsionalizator [Inventor], 2011. 11. PP. 16–17.

24. Sokolov D.Yu. Izobretatelskiy podkhod Yuriya Norshteyna k resheniyu tekhnicheskikh i khudozhestvennykh zadach [Inventive approach to solving Yuri Norstein technical and artistic problems] Patenty i litsenzii, 2013. 9. PP. 47–51.

25. Sokolov D.Yu. Arkhitektura, vrastayushchaya v prirodu [Architecture, grows in nature] Izobretatel i ratsionalizator [Inventor], 2014. 9. PP. 4–5.

26. Sokolov D.Yu. Kak sozdaetsya vydayushcheesya izobrete-nie [How to create an outstanding invention] Nanoindus-triya [Nanoindustry], 2013. 1. PP. 66–71.

27. Sokolov D.Yu. Izobretateli i vlast [Inventors and power] Patenty i litsenzii, 2013. 5. PP. 53–60.

28. Sokolov D.Yu. U istokov nanotekhnologii [At the root of nanotechnology] Nanoindustriya [Nanoindustry], 2013. 8. PP. 64–69.

29. Sokolov D.Yu. Kriterii vybora perspektivnykh napravleniy razvitiya tekhniki i patentovaniya [Criteria for selection of promising areas of technological development and pat-enting] Izobretatel i ratsionalizator [Inventor], 2014. 6. PP. 20–23.

30. Sokolov D.Yu. Izobretatelstvo: osnovnye printsipy [Inge-nuity: basic principles] Patenty i litsenzii [Patents and li-censes], 2014. 10. PP. 54–60.

31. Sokolov D.Yu. Prostoe pobezhdaet slozhnoe [Simple beats complex] Patenty i litsenzii [Patents and licenses], 2011. 11. PP. 21–24.

32. Sokolov D.Yu. Yedinstvo i borba terminologiy [Unity and struggle terminologies] Izobretatel i ratsionalizator [Inven-tor], 2012. 3. PP. 16–17.

33. Sokolov D.Yu. Rozhdenie yazyka [The birth of lan-guage] Izobretatel i ratsionalizator [Inventor], 2012. 4. PP. 16–17.

34. Sokolov D.Yu. Znachitelnost – sestra prostoty [Signifi-cance – the sister of simplicity] Izobretatel i ratsionalizator [Inventor], 2013. 10. PP. 12–13.

35. Sokolov D.Yu. Terminologiya i patentovanie [Terminology and patenting] Nanoindustriya [Nanoindustry], 2014. 1. PP. 74–79.

36. Sokolov D.Yu. Ot mozgovogo shturma do mozgovogo shtorma [From brainstorming to brain storm] Izobretatel i ratsionalizator [Inventor], 2014. 7. PP. 14–16.

37. Sokolov D.Yu. Effektivnoe obuchenie izobretatelstvu v oblasti vysokikh tekhnologiy [Effective training inventions in the field of high technology] Nanoindustriya [Nanoin-dustry], 2011. 2. PP. 68–70.

38. Sokolov D.Yu. Dva podkhoda k patentovaniyu izobreteniy v oblasti vysokikh tekhnologiy [Two approaches to patent-ing inventions in the field of high technology] Nanoindus-triya [Nanoindustry], 2011. 3. PP. 60–64.

39. Sokolov D.Yu. Kak oformit patent i zashchitit svoe izo-bretenie? [How to make patent and protect your inven-tion?] Patenty i litsenzii [Patents and licenses], 2010. 7. PP. 44–49.

40. Sokolov D.Yu. Sovety praktika [practice tips] Izobretatel i ratsionalizator [Inventor], 2011. 3. PP. 20–21.

41. Sokolov D.Yu. Sovremennye patentnye tekhnologii [Mod-ern technology patent] Innovatsii, 2012. 9. PP. 97–100.

42. Sokolov D.Yu. Strategiya organizatsii patentnoy sluzhby [The strategy of the organization Patent Service] Patenty i litsenzii [Patents and licenses], 2008. 12. PP. 41–43.

43. Regan B.C., Zettl A.K., Aloni S. Patent US7863798. Nano-crystal powered nanomotor. 04.01.2011.

44. Hiroyuki H. Patent JP5374701. Functional molecu-lar element composed of octaethylporphyrin derivative. 25.12.2013.

45. Sokolov D.Yu. Sozdanie zontichnogo i maskiruyushchego patentov v oblasti vysokikh tekhnologiy [Creation of an umbrella and a masking of patents in high-tech] Nanoin-dustriya [Nanoindustry], 2010. 5. PP. 20–22.

46. Sokolov D.Yu. Maska-zontik [Mask-Umbrella] Izobretatel i ratsionalizator [Inventor]. 2013. 9. P.19.

47. Amer N., Mejer G. Patent US5144833. Atomic force mi-croscope. 09.08.1992.

48. Sokolov D.Yu. Osobennosti patentovaniya obektov nan-otekhnologii [Features patenting nanotechnology] Patenty i litsenzii [Patents and licenses], 2008. 6. PP. 14–19.


43

49. Sokolov D.Yu. Osobennosti patentovaniya produktsii nanotekhnologii [Features patented nanotechnology prod-ucts] Patenty i litsenzii [Patents and licenses], 2008. 10. PP. 12–18.

50. Sokolov D.Yu. Poleznaya model – deystvitelno polezna [Utility model – really useful] Nanoindustriya [Nanoindus-try], 2011. 6. PP. 92–94.

51. Sokolov D.Yu. Osobennosti patentovaniya mikro- i nano-mashin [Features patented micro and nanomachines] Na-noindustriya [Nanoindustry], 2012. 3. PP. 50–53.

52. Sokolov D.Yu. Zakonomernosti patentovaniya vysotekh-nologicheskikh resheniy [Regularities of patenting deci-sions vysotehnologicheskih] Nanoindustriya [Nanoindus-try]. 2012. 7. PP. 56–63.

53. Sokolov D.Yu. Podgotovka zayavki na slozhnoe izobrete-nie [Preparing applications for complex invention] Nanoin-dustriya [Nanoindustry], 2013. 4. PP. 56–62.

54. Sokolov D.Yu. Nanomashiny prirodnye i chelovecheskie [Nanomachines natural and human] Izobretatel i ratsional-izator [Inventor], 2013. 6. PP. 19–20.

55. Sokolov D.Yu. Vyyavlenie otlichitelnykh priznakov i tekh-nicheskikh effektov sovmeshchennykh tekhnologiy [Iden-tifying features and technical effects of combined tech-niques] Izobretatel i ratsionalizator [Inventor], 2013. 10. PP. 22–23.

56. Sokolov D.Yu. Obedinenie izvestnykh izobreteniy v no-voy kombinatsii [Combining famous inventions in the new combination] Izobretatel i ratsionalizator [Inventor], 2014. 5. PP. 29–30.

57. Sokolov D.Yu. Patentovanie sposobov v oblasti vysokikh tekhnologiy [Patenting methods in the field of high tech-nology] Nanoindustriya [Nanoindustry], 2014. 4. PP. 74–80.

58. Sokolov D.Yu. Patentovanie printsipialno novykh tekh-nologiy [Patenting of fundamentally new technologies] Nanoindustriya [Nanoindustry], 2014. 6. PP. 70–78

59. Sokolov D.Yu. Patentovanie izobreteniy, osnovannykh na otkrytiyakh [Patenting of inventions based on discover-ies] Patenty i litsenzii [Patents and licenses], 2010. 9. PP. 21–27.

60. Sokolov D.Yu. Patentnaya ekspertiza glazami eksperta i izobretatelya [Patent examination of the eyes of the ex-pert and inventor] Patenty i litsenzii [Patents and licenses], 2011. 1. PP. 45–51.

61. Sokolov D.Yu. Nanotekhnologii i neobychnye situatsii [Nanotechnology and unusual situations] Izobretatel i rat-sionalizator [Inventor], 2012. 6. PP. 22–23.

62. Sokolov D.Yu. Patentovanie obektov nanotekhnologii [Pat-enting Nanotechnology objects] Nanoindustriya [Nanoin-dustry], 2012. 4. PP. 100–102.

63. Sokolov D.Yu. Patentnaya ekspertiza vysokikh tekhnologiy [Patent examination of high technology] Nanoindustriya [Nanoindustry], 2012. 6. PP. 100–103.

64. Sokolov D.Yu. Zashchita izobreteniy v FIPS [Protecting inventions in FIPS] Izobretatel i ratsionalizator [Inventor], 2014. 2. PP. 20–22.

65. Sokolov D.Yu. O vrede i polze kompyutera [About the dan-gers and benefits of computer] Izobretatel i ratsionalizator [Inventor], 2013. 7. PP. 22–23.

66. Sokolov D.Yu. Patentovanie izobreteniy i informatsionnye tekhnologii [Patents and Information Technology] Patent-noe delo. 2014. 9. PP. 41–45.

67. Sokolov D.Yu. Graficheskoe oformlenie vysokotekhno-logichnykh resheniy [Graphic design of the high-tech solutions] Nanoindustriya [Nanoindustry], 2014. 3. PP. 68–79.

68. Sokolov D.Yu. Klassifikatsiya izobreteniy v oblasti vysokikh tekhnologiy [Classification of inventions in the field of high technology] Nanoindustriya [Nanoindustry], 2014. 5. PP. 54–56.

69. Osugi S., Saeki Yu. Priobretenie znaniy[Acquisition of knowledge]. M.: Mir [Moscow:Wordl], 1990. 304 p.

70. Shpakovskiy N.A. TRIZ. Analiz tekhnicheskoy informat-sii i generatsiya novykh idey [TRIZ. Analysis of technical information and generation of new ideas]. M.: FORUM [Moscow: FORUM], 2010. 264p.

71. Devoino I., Skuratovich A. Idealization of Engineering Sys-tems through Trimming: Engineering Systems as Techno-logical Proceeding of TRIZ Future. Strasbourg, 2002. 197p.

72. Sokolov D.Yu. Patentovanie izobreteniy v oblasti vyso-kikh i nanotekhnologiy [Patenting inventions in the field of high and nanotechnology]. M.: TEHNOSFERA [Moscow: TECHNOSPHERE] 2010. 135p.

73. Sokolov D.Yu. Ob izobretatelstve ponyatnym yazykom i na interesnykh primerakh [About Ingenuity clear language and interesting examples]. M.: TEHNOSFERA [Moscow: TECHNOSPHERE]. 2011. 152p.

74. Sokolov D.Yu. Obuchenie izobretatelstvu na interesnykh primerakh [Education Invention on interesting examples]. Saarbryuken: LAMBERT Academic Publishing [Saar-bryuken: LAMBERT Academic Publishing]. 2012. 104p.

75. Sokolov D.Yu. Sozdanie, oformlenie i zashchita izobreteniy: prakticheskoe posobie dlya inzhenerov, uchenykh i patento-vedov [Create, design and protection of inventions: a practi-cal guide for engineers, scientists and patent specialists]. M.: Informatsionno-izdatelskiy tsentr «PATENT» [Moscow: In-formation and Publishing Center “PATENT”]. 2013. 206 p.

76. Sokolov D.Yu. Neobychnye izobreteniya. Ot Vselennoy do atoma [Unusual invention. From universe to atom]. M.: TEHNOSFERA [Moscow: TECHNOSPHERE], 2013. 144 p.

77. Sokolov D.Yu. Patentovanie slozhnykh izobreteniy [Pat-enting inventions complex]. M.: Informatsionno-izdatels-kiy tsentr «PATENT» [Moscow: Information and Publish-ing Center «PATENT»]. 2013. 120 p.

78. Sokolov D.Yu. Patentnaya zashchita izobreteniy posle vstupleniya Rossii vo Vsemirnuyu torgovuyu organizatsiyu [Patent protection of inventions after Russia’s accession to the World Trade Organization]. M.: Informatsionno-izda-telskiy tsentr «PATENT» [Moscow: Information and Pub-lishing Center «PATENT»]. 2014. 109 p.


Соколов Дмитрий Юрьевич Руководитель патентного департамента ЗАО «Нанотехнология МДТ»

E-mail: [email protected], Зеленоград, Российская Федерация, корп. 317-А, а/я 158

Sokolov Dmitry YurievichHead of Patent Department, ZAO «Nanotechnology MDT»E-mail: [email protected], Zelenograd, Russian Federation, buildi. 317-A, a/y 158

44

При решении задачи классификации сигналов ос-новным вопросом является выбор информативной системы признаков, позволяющей с учетом эффек-тивного решающего правила получать классифи-кацию заданного множества классов сигналов с высокой достоверностью. В настоящее время опу-бликовано достаточно большое число работ, в ко-торых тем или иным способом синтезируется ин-формативная система признаков [1, 8, 11]. Однако синтезированная система признаков оказывается действительно эффективной, если имеется доста-точно большой объем априорной информации о распознаваемых множествах сигналов, что практи-чески никогда не выполняется. Другой путь, часто

используемый на практике, – это формирование систем признаков (векторов признаков) в процессе поступления обучающих реализаций сигналов. Но в этом случае оценки векторов признаков будут иметь малые дисперсии при наличии обучающих реализа-ций большой длительности, при этом, как показано в [2, 3, 5, 9, 10], использование в качестве признаков характеристик сигналов, учитывающих моменты распределения высших порядков, позволяет постро-ить решающее правило в соответствии с принципом адаптивного байесова подхода. В силу большой тру-доемкости вычисления степенных моментов высо-ких порядков, на практике обычно не используют степенные моменты выше четвертого порядка. В

Г.Г. ГАЛУСТОВ – доктор техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, E-mail: [email protected]Е.Е. ЗАВТУР – аспирант, E-mail: [email protected]

Институт радиотехнических систем и управления Южного Федерального университета кафедра «Радиоприемных устройств и телевидения»; Таганрог, Российская Федерация

об исПользовании системы биномиальных моментных Функций для классиФикации случайных Процессов

Рассмотрены вопросы анализа эффективности работы клас-сификатора случайных и псевдослучайных процессов с ис-пользованием в качестве признаков систем биномиальных моментных функций. Показано, что использование в ка-честве признаков характеристик сигналов, учитывающих моменты распределения высших порядков, позволяет по-строить решающее правило в соответствии с принципом адаптивного байесовского подхода, а большая трудоем-кость вычисления степенных моментов высоких порядков нивелирована использованием в качестве векторов призна-ков систем биномиальных моментных функций. Система би-номиальных моментных функций не является ортогональ-ной, но обеспечивает более устойчивые в вычислительном аспекте решения прикладных задач, а также обеспечивает простоту их технической реализации. Для проверки раз-решающей способности классификатора предложено ис-

пользовать специальный источник «окрашенного шума», при этом энергетические параметры процессов на его вы-ходе были выбраны таким образом, чтобы выявить работо-способность алгоритма в наихудшем для классификатора режиме. В результате обсуждения экспериментальных ис-следований оценивается эффективность использованных признаков как при классификации случайных процессов, так и при классификации детерминированных сигналов на фоне «окрашенных» помех, приводятся рекомендации по применению классификаторов, функционирующих на осно-ве предложенного алгоритма.

Ключевые слова: биномиальные моментные функции, оценки моментов, статистические характеристики, энерге-тическая полоса помехи, дисперсия оценки, окрашенный шум, вероятность ошибки, решающее правило.

G.G. GALUSTOV – Doctor of Tech. Sciences, Professor, Head of Department, E-mail: [email protected]. ZAVTUR – Postgraduate Student, E-mail: [email protected]

Institute of radio engineering systems and control of the Southern Federal University «Radio receivers and television»; Taganrog, Russian Federation

about the use of the binomial moment funCtions for ClassifiCation of Casual proCesses

Questions of the analysis the effectiveness of the qualifier of casual and pseudo-random processes with use as signs of sys-tems binomial moment functions are considered. Use as signs of characteristics of the signals considering the moments of distribution of the higher usages is shown, that, allows to con-struct solving rule according to a principle of adaptive Bayesian approach, and the big labour input of calculation of the sedate moments of high usages is levelled by use as vectors of signs of systems binomial moment functions. The system binomial moment functions is not orthogonal, but provides steadier de-cisions in computing aspect of applied problems, and also pro-vides ease of their technical realisation. For check of resolution capability of the qualifier it is offered to use a special source of

«the painted noise», thus power parametres of processes on its output have been sampled so that to reveal service capability of algorithm in the worst for the qualifier a mode. As a result of discussion of experimental researches efficiency of the used signs is estimated both at classification of casual processes, and at classification of the determined signals against the “painted” hindrances, recommendations about application of the qualifi-ers functioning on the basis of offered algorithm are resulted.

Keywords: binomial moment functions, estimations of the mo-ments, statistical characteristics, a power strip of a hindrance, the estimation dispersion, the painted noise, probability of the error, a solving rule.


45

данной ситуации представляет интерес использо-вание в качестве векторов признаков систем би-номиальных моментных функций [11]. Система биномиальных моментных функций не является ортогональной, однако, учитывая, что с увеличе-нием порядка численные значения биномиальных моментов уменьшаются медленнее, чем численные значения степенных моментов того же порядка, что, в свою очередь, обеспечивает большую точность вычисления при решении прикладных задач, а так-же простоту технической реализации биномиаль-ных моментных функций, указанный недостаток в значительной степени компенсируется.

Целью настоящей статьи является анализ работы классификатора, в котором в качестве вектора при-знаков использованы коэффициенты разложения сигналов по системам биномиальных моментных функций.

Структурная схема экспериментальной установ-ки для анализа работы классификатора в различных режимах представлена на рисунке 1, где:

– милливольтметр квадратичный B3-48;– осциллограф С1-99;– источник окрашенного шума;– генератор гармонических колебаний ГЗ-109 ; – согласующий усилитель;– исследуемый классификатор сигналов.Милливольтметр 1 и осциллограф 2 эксперимен-

тальной установки предназначены для выставления и контроля заданного отношения сигнал-шум на входе согласующего усилителя 5, работающего в ли-нейном режиме и имеющего регулируемый коэффи-

циент усиления, с целью получения на входе клас-сификатора сигналов с постоянным эффективным значением при изменении отношения сигнал-шум.

Для проверки разрешающей способности клас-сификатора в режиме классификации случайных процессов был применен специальный источник «окрашенного» шума 4. Причем энергетические параметры процессов на его выходе были выбраны таким образом, чтобы выявить работоспособность алгоритма в наихудшем для классификатора режиме. То есть тогда, когда классифицируемые процессы имеют одинаковые математические ожидания и дис-персии и незначительно отличаются корреляционны-ми функциями

Структурная схема источника шума представле-на на рисунке 2, [4, 7] где:

1 – генератор равномерно распределенного шума;2, 3, 4, 5 – активные фильтры низких частот Ф1,

Ф2, Ф3, Ф4 соответственно.Параметры фильтров 2, 3, 4, 5 выбраны такими,

чтобы обеспечить одинаковые математические ожи-дания mξ = 0 и дисперсии σξ

22 2= , В при нормаль-

ной плотности распределения процессов ξ ξ ξ ξ1 2 3 4( ), ( ), ( ), ( )t t t t на их выходах. При этом нор-мированные корреляционные функции процессов на выходах фильтров Ф1, Ф2, Ф3, Ф4 имели вид, показан-ный на рисунке 3.

Варьируя комбинацией процессов ξ ξ1 2( ), ( ),t tξ ξ3 4( ), ( )t t и гармоническим колебанием с выхода ге-нератора Г3-109, можно формировать на входе клас-сификатора зашумленный сигнал с заданным отно-шением сигнал-шум с различной «окраской» шума.

РИС. 1 Структурная схема экспериментальной установки РИС. 2 Структурная схема источника случайных процессов

1

2 3 4 5

)(ξ1 t )(ξ2 t )(ξ3 t )(ξ4 t

S1)(ξ t

1

5

2

3

4

6

ИЗВЕСТИЯ

46


В основе анализируемого классификатора сигна-лов лежит операция вычисления оценок математиче-ских ожиданий [2, 11] стохастически биномиально преобразованных случайных сигналов x(t), или, со-кращенно, оценок биномиальных моментов

m P k n W x P k x n dxn k, ( , ) ( ) ( / , )= = ∫0

1

, (1)

m nk nk

n

, , , , ...=∑ = =0

1 1 2 3 ,

P k x n C x xkn k n k

( / , ) ( )= − −1 ,

(2)P k x n

k

n

( / , )=∑ =0

1 ,

где W x( ) – плотность распределения сигнала х(t),P k x n( / , ) – весовая функция, реализуемая с помощью функциональных вероятностных ( ; , ,..., ; )k f f fn1 2 1 – по-люсников [11], под которыми понимается устройство с k-входами и ( , ,..., )f f fn1 2 выходами, каждый из кото-рых может быть возбужден (т.е. на выходе появится 1) с вероятностью (2), функционально зависящей от входного сигнала х(t).

Нетрудно видеть, что при n=k биномиальные мо-менты (1) преобразуются в степенные начальные мо-менты k-го порядка. При этом необходимо отметить, что интервал распределения анализируемых стоха-стически преобразованных сигналов х(t) остается постоянным, равным [0; 1].

Классификатор работает в реальном масшта-бе времени и обладает следующими техническими характеристиками:1. Число распознаваемых классов – 6;2. Амплитуда входного сигнала –10 В;3. Число входных каналов – 16;

4. Частота дискретизации входного сигнала ≤ 100 кГц;

5. Максимальное число векторов признаков – 210;6. Мерность обработки сигналов – 1–10.

При проведении экспериментальных исследова-ний в классификаторе был установлен режим трех-мерной обработки сигналов, при этом в качестве векторов признаков использовались трехмерные кор-реляционные биномиальные моменты вида

m W x x x n k x x

n k x

n kk n k

k

n

k

, ( , , ) ( , ) ( )

( , )

= − ×∫∫∫ ∏ −

=

=

0

1

0

1

0

1

1 2 3 1 1

0

7

2

1

(( ) ( , ) ( )1 12

0

7

3 3 1 2 3

0

10

− −−

=

=−

=

=

∏ ∏x n k x x dx dx dxn k

k

nk n k

k

n

.

(3)

В блоке принятия решений, работающем на ос-нове использования критерия минимума расстояния, решение принималось по минимуму суммы абсо-лютных разностей в соответствии с выражением [4–6, 9, 10]

L L x t A i j

L m m

i j

n kP

= ∈ = =

= −

min

min ,

; ( ) ( , , ,...; , , ... )

min

1 2 3 1 2 3 6

1

2

,

nn kk

n

,

0

0=∑ ,

(4)

где mn k,0 – математические ожидания биномиальных моментов, определяемых на этапе обучения;mn kP, – биномиальные моменты классифицируемых реализаций сигналов.

Вначале приведем результаты эксперименталь-ных исследований классификатора в режиме распоз-навания случайных процессов. В режиме обучения на вход классификатора последовательно подавались случайные процессы ξ ξ1 2( ), ( ),t t ξ ξ3 4( ), ( )t t с выхода источника шумов. При этом в памяти классификато-ра формировались оценки математических ожида-

РИС. 3 Нормированные корреляционные функции процессов на выходах фильтров Ф1, Ф2, Ф3, Ф4

3

Рис. 3. Нормированные корреляционные функции процессов на выходах

фильтров Ф1, Ф2, Ф3, Ф4.

Варьируя комбинацией процессов ),(ξ),(ξ 21 tt )(ξ),(ξ 43 tt и гармоническим колебанием с выхода генератора Г3-109 можно формировать на входе классификатора зашумленный сигнал с заданным отношением сигнал-шум с различной «окраской» шума.

В основе анализируемого классификатора сигналов лежит операция вычисления оценок математических ожиданий [2,11] стохастически биномиально преобразованных случайных сигналов x(t), или, сокращенно, оценок биномиальных моментов

1

0, ),/()(),( dxnxkPxWnkPm kn , (1)

...3,2,1,10

,

nmn

knk ,

knknk xxCnxkP )1(),/( , (2)

1),/(0

n

knxkP ,

где )(xW – плотность распределения сигнала х(t)

),/( nxkP – весовая функция, реализуемая с помощью функциональных вероятностных )1;...,,,;( 21 nfffk – полюсников [11], под которыми понимается устройство с k -входами и )...,,,( 21 nfff выходами, каждый из которых может быть возбужден (т.е. на выходе появится 1) с вероятностью (2), функционально зависящей от входного сигнала х(t).

Нетрудно видеть, что при n=k биномиальные моменты (1) преобразуются в степенные начальные моменты k-го порядка. При этом необходимо отметить, что интервал распределения анализируемых стохастически преобразованных сигналов х(t) остается постоянным, равным [0;1].

Классификатор работает в реальном масштабе времени и обладает следующими техническими характеристиками:

1. Число распознаваемых классов – 6; 2. Амплитуда входного сигнала –10 В; 3. Число входных каналов – 16; 4. Частота дискретизации входного сигнала ≤ 100 кГц;


47

ний биномиальных моментов для каждого из про-цессов. В режиме распознавания на вход классификатора подавались по 20 реализаций про-цессов ξ ξ ξ1 2 3( ), ( ), ( ),t t t и ξ4 ( )t , не участвовавших в процессе обучения. В решающем блоке классифика-тора решение о принадлежности предъявленной реа-лизации принималось в соответствии с выражени-ем (4). Оценки вероятностей распознавания процессов сведены в таблицу 1. При этом необходи-мо отметить, что число анализируемых отсчетных значений каждой из реализаций N = 1000, а частота дискретизации F0 = 2 ∙ 103 Гц выбраны такими, что «прямая» классификация процессов с использовани-ем в качестве признаков корреляционных моментов практически возможна только между процессами ξ1( )t и ξ4 ( )t . Тогда как при использовании в каче-стве признаков систем биномиальных моментов ве-роятность правильной классификации всех четырех процессов осуществлялaсь с вероятностью не ниже Р = 0,75. Однако следует отметить, что оценки веро-ятностей правильной (ложной) классификации полу-чены по 20 контрольным реализациям каждого из процессов ξ ξ ξ1 2 3( ), ( ), ( ),t t t и ξ4 ( )t , поэтому оценку P = 0 следует понимать как отсутствие ошибки при этих 20-ти контрольных реализациях. При увеличе-нии количества контрольных реализаций (например, до 100) или использовании другой серии из 20-ти контрольных реализаций эта оценка вероятности мо-жет быть незначительно отличной от нуля.

При увеличении числа отсчетных значений N = 1000000 при частоте дискретизации F0 = 35∙103 Гц классификатор распознавал предъявленные реа-лизации процессов без ошибок (таблица 2).

Для определения работоспособности классифи-катора при распознавании детерминированных сиг-

налов, подверженных воздействию помех, использо-вались радиоимпульсы с различной частотой заполнения, а в качестве фоновой помехи с различ-ной окраской использовался один из четырех про-цессов ξ ξ1 2( ), ( ),t t ξ ξ3 4( ), ( )t t источника шумов.

В режиме обучения на классификатор подавались радиоимпульсы длительностью τи = 0,5 с и частотой заполнения f1 = 100 Гц, f2 = 110 Гц, которые пред-ставляли два класса сигналов. Минимальный частот-ный интервал, при котором классификатор, уверенно разделяя радиоимпульсы с различной частотой за-полнения (при отсутствии помех), определялся в ре-зультате большого числа экспериментов и составил порядка 3% от частоты заполнения радиоимпульса. Поэтому при обучении классификатора между часто-тами заполнения радиоимпульсов выбран частотный интервал в 10 Гц.

В режиме распознавания на вход классификатора подавались по 20 реализаций с частотами заполне-ния f1 и f2 в аддитивной смеси с одним из процессов ξ ξ1 2( ), ( ),t t ξ ξ3 4( ), ( )t t при различном отношении

сигнал-шум q U= с

шσ.

Экспериментальные зависимости вероятности правильной классификации сигналов с частотами f1 и f2 в смеси с одним из шумовых процессов ξ ξ ξ1 2 3( ), ( ), ( )t t t и ξ4 ( )t в зависимости от отношения сигнал-шум представлены на рисунке 4. При этом следует заметить, что число отсчетных значений за-шумленных сигналов N = 1000, а частота дискретиза-ции F0 = 2∙103 Гц.

Из анализа экспериментальных данных можно сделать следующие выводы: с расширением ширины спектра помехи вероятность правильной классифи-

ТАБЛИЦА 1

обучениераспозн.

ξ1 ξ2 ξ3 ξ4

ξ1 P = 0,8 P = 0,25 P = 0 P = 0

ξ2 P = 0,2 P = 0,75 P = 0 P = 0

ξ3 P = 0 P = 0 P = 0,75 P = 0,15

ξ4 P = 0 P = 0 P = 0,25 P = 0,85

ТАБЛИЦА 2

обучениераспозн.

ξ1 ξ2 ξ3 ξ4

ξ1 P = 1,0 P = 0 P = 0 P = 0

ξ2 P = 0 P = 1,0 P = 0 P = 0

ξ3 P = 0 P = 0 P = 1,0 P = 0

ξ4 P = 0 P = 0 P = 0 P = 1,0

ИЗВЕСТИЯ

48


РИС. 4 Экспериментальные зависимости вероятностей правильной классификации смеси – сигнал плюс «окрашенный» шум – от отношения сигнал/шум при F0 = 2∙103 Гц и N = 103

РИС. 5 Экспериментальные зависимости вероятностей правильной классификации смеси – сигнал плюс «окрашенный» шум – от отношения сигнал/шум при F0 = 35∙103 Гц и N = 106

кации падает, при этом классификация ухудшается с ростом частоты заполнения радиоимпульса; с умень-шением отношения сигнал-шум вероятность пра-вильной классификации быстро падает и при q = 1,6 для наиболее широкополосной помехи ξ4 ( )t при-ближается к Р = 0,5. При изменении условий экспе-римента, а именно: число анализируемых отсчетных значений N = 1000000, а частота дискретизации F0 = 35∙103 Гц, отношение сигнал-шум, при котором существенно ухудшается классификация (Р → 0,5), несколько снижается по отношению к предыдущему эксперименту и составляет порядка q = 1,4 ÷ 1,45.

Экспериментальные зависимости P q= ϕ( ) для N = 1000000 и F0 = 35 кГц представлены на рисунке 5.

В заключение следует сказать, что проведенные экспериментальные исследования далеко не ис-черпывают возможностей классификатора на базе биномиальные моментных функций и требуются дальнейшие исследования по оптимизации мерно-сти систем биномиальных моментов применитель-но к конкретному набору сигналов, подлежащих классификации.

Однако на основе проведенных исследований можно утверждать, что классификатор такого типа может быть с успехом использован для решения за-дач распознавания как шумоподобных сигналов, так и детерминированных колебаний, подверженных действию помех.

6

Рис. 4. Экспериментальные зависимости вероятностей правильной классификации смеси – сигнал плюс «окрашенный» шум – от отношения сигнал/шум при F0 = 2∙103 Гц и N = 103.

Из анализа экспериментальных данных можно сделать следующие выводы: с

расширением ширины спектра помехи вероятность правильной классификации падает, при этом классификация ухудшается с ростом частоты заполнения радиоимпульса; с уменьшением отношения сигнал-шум вероятность правильной классификации быстро падает и при q = 1,6 для наиболее широкополосной помехи )(ξ4 t приближается к Р = 0,5. При изменении условий эксперимента, а именно: число анализируемых отсчетных значений N = 1000000, а частота дискретизации F0 = 35∙103 Гц, отношение сигнал-шум, при котором существенно ухудшается классификация (Р → 0,5), несколько снижается по отношению к предыдущему эксперименту и составляет порядка q = 1,4÷1,45.

Экспериментальные зависимости )(qP для N = 1000000 и F0 = 35 кГц представлены на рисунке 5.


В заключение следует сказать, что проведенные экспериментальные исследования далеко не исчерпывают возможностей классификатора на базе биномиальные моментных функций и требуются дальнейшие исследования по оптимизации мерности систем биномиальных моментов применительно к конкретному набору сигналов, подлежащих классификации.

Однако на основе проведенных исследований можно утверждать, что

6


Из анализа экспериментальных данных можно сделать следующие выводы: с

расширением ширины спектра помехи вероятность правильной классификации падает, при этом классификация ухудшается с ростом частоты заполнения радиоимпульса; с уменьшением отношения сигнал-шум вероятность правильной классификации быстро падает и при q = 1,6 для наиболее широкополосной помехи )(ξ4 t приближается к Р = 0,5. При изменении условий эксперимента, а именно: число анализируемых отсчетных значений N = 1000000, а частота дискретизации F0 = 35∙103 Гц, отношение сигнал-шум, при котором существенно ухудшается классификация (Р → 0,5), несколько снижается по отношению к предыдущему эксперименту и составляет порядка q = 1,4÷1,45.

Экспериментальные зависимости )(qP для N = 1000000 и F0 = 35 кГц представлены на рисунке 5.


В заключение следует сказать, что проведенные экспериментальные исследования далеко не исчерпывают возможностей классификатора на базе биномиальные моментных функций и требуются дальнейшие исследования по оптимизации мерности систем биномиальных моментов применительно к конкретному набору сигналов, подлежащих классификации.

Однако на основе проведенных исследований можно утверждать, что


49


1. Галустов Г.Г. Оценка погрешностей вычисления статистических характеристик, при использовании метода стохастического кодирования случайных процессов // Материалы X Международной научно-практической конференции «Научный прогресс на рубеже тысячелетий». Прага, 2014. С. 80–86.

2. Галустов Г.Г., Краснобаев Д.А., Поцыкайло А.А. О построении статистических систем распознавания по кластеризованным выборкам // Материалы Все-российской научной конференции «Современные исследовательские и образовательные технологии». Таганрог, 2010. С. 45-50.

3. Галустов Г.Г., Поцыкайло A.A., Краснобаев Д.А. Синтез решающего правила классификатора сигна-лов при непараметрической априорной неопределен-ности // Известия ЮФУ. Технические науки. 2011. 1 (114). С. 78–84.

4. Галустов Г.Г. Классификатор случайных сигналов // Известия СКНЦ ВШ. Технические науки. 1984. 3. С. 54–57.

5. Ту Дж., Гонсалес Р. Принципы распознавания обра-зов. М.: Мир, 1978. 411 с.

6. Фукунага К. Введение в статистическую теорию рас-познавания образов. М.: Наука, 1979. 367 с.

7. Галустов Г.Г. Моделирование случайных процес-сов и оценивание их статистических характеристик. М.: Радио и связь, 1999. 120 с.

8. Омельченко В.А. Распознавание сигналов по спектру в условиях априорной неопределенности. Харьков: ХПИ, 1979. 100 с.

9. Галустов Г.Г., Цымбал В.Г., Михалёв М.В. Принятие решений в условиях неопределённости. М:. Радио и связь, 2001. 196 с.

10. Галустов Г.Г., Бровченко С.П. Приём и обработ-ка сигналов диапазона сверхвысоких частот. LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG Saarbrucken, Germany, 2012. 518 с.

11. А. с.1198537 (СССР). Измеритель моментов // Мир-вода В.С., Гондарев В.П. Опубл. 15.12.1985, Бюл. 46.

References

1. Galustov G.G. Otsenka pogreshnostey vychisleniya statisticheskikh kharakteristik, pri ispolzovanii metoda stokhasticheskogo kodirovaniya sluchaynykh protsessov [Estimation errors of calculation of statistical charac-teristics, using the method of stochastic coding casual processes] // Materialy X Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii «Nauchnyy progress na ru-bezhe tysyacheletiy» [Proceedings of the X International

scientific and practical conference «Scientific progress on the Millennium»]. Prague, 2014. PP. 80–86.

2. Galustov G.G., Krasnobaev D.A., Potsykaylo A.A. O postroenii statisticheskikh sistem raspoznavaniya po klasterizovannym vyborkam [On the construction of statistical pattern recognition systems on clustered sam-ples]. Materialy Vserossiyskoy nauchnoy konferentsii «Sovremennye issledovatelskie i obrazovatelnye tekh-nologii» [Materials of the Scientific Conference «Mod-ern research and educational technology»]. Taganrog, 2010. PP. 45–50.

3. Galustov G.G., Potsykaylo A.A., Krasnobaev D.A. Sin-tez reshayushchego pravila klassifikatora signalov pri neparametricheskoy apriornoy neopredelennosti [Syn-thesis of a decision rule classifier signals in nonparamet-ric a priori uncertainty]. Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [News SFU. Technical sciences], 2011. 1 (114). PP. 78–84.

4. Galustov G.G. Klassifikator sluchaynykh signalov [Qualifier casual signals]. Izvestiya SKNTs VSh. Tekh-nicheskie nauki [News SKNTS VSH. Engineering], 1984. 3. PP. 54–57.

5. Tu Dzh., Gonsales R. Printsipy raspoznavaniya obrazov [Principles of pattern recognition]. M.: Mir [Moscow: Publishing house «World»]. 1978. 411 p.

6. Fukunaga K. Vvedenie v statisticheskuyu teoriyu ra-spoznavaniya obrazov [Introduction to statistical pattern recognition theory]. M.: Nauka. [Moscow: Publishing house «Science»]. 1979. 367 p.

7. Galustov G.G. Modelirovanie sluchaynykh protsessov i otsenivanie ikh statisticheskikh kharakteristik [Simula-tion of casual processes and estimation of their statistical characteristics]. M.: Radio i svyaz [Moscow: Publishing house «Radio and communication»], 1999. 120 p.

8. Omelchenko V.A. Raspoznavanie signalov po spektru v usloviyakh apriornoy neopredelennosti [Detection of signals in the spectrum in terms of a priori uncertainty]. Kharkov: KhPI [Kharkov: Publishing house «KhPI»], 1979. 100 p.

9. Galustov G.G., Tsymbal V.G., Mikhalev M.V. Prinyatie resheniy v usloviyakh neopredelennosti [Decision making under uncertainty]. M.: Radio i svyaz [Moscow: Publishing house «Radio and communication»], 2001. 196 p.

10. Galustov G.G., Brovchenko S.P. Priem i obrabotka sig-nalov diapazona sverkhvysokikh chastot [Receiving and processing signals microwave frequencies]. LAP LAM-BERT Academic Publishing GmbH & Co. KG Saar-brucken, Germany, 2012. 518 p.

11. A. s.1198537 (SSSR). Izmeritel momentov [Copyright certificate: 1198537 (USSR). Meter moments]. Mir-voda V.S., Gondarev V.P. Opubl. 15.12.1985, Byul. 46 [Publ. 15.12.1985, Bull. 46].


Галустов Геннадий Григорьевичдоктор техн. наук, профессор, заведующий кафедрой

E-mail: [email protected]Завтур Евгений Евгеньевич

аспирантE-mail: [email protected]

Институт радиотехнических систем и управления Южного Федерального университета

кафедра «Радиоприемных устройств и телевидения»347922, Таганрог, Российская Федерация

пер. Некрасовский, 44

Galustov Gennady GrigorevichDoctor of Tech. Sciences, Professor, Head of DepartmentE-mail: [email protected] Evgeny EvgenevichPostgraduate StudentE-mail: [email protected] of radio engineering systems and control of the Southern Federal University «Radio receivers and television»347922, Taganrog, Russian Federationlane Nekrasovskiy, 44

50

В.Н. НИКИФОРОВ – доцент, канд. физ.-мат. наук Физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова Москва, Российская Федерация, Е-mail: [email protected]

метрологические асПекты исПользования наночастиц

1.Введение

В медицине активно разворачивается массовое при-менение наночастиц. Сотни тысяч исследователей и фирм разрабатывают новейшие препараты с исполь-зованием наночастиц. Разработаны и совершенству-ются методы синтеза, контроля метрологических параметров и токсичности новых нанообъектов. Разрабатываемый дизайн наночастиц требует учета метрологии и токсичности при использовании в ме-дицинских терагностических целях.

В настоящее время разработаны методы контроля метрологических параметров нано-объектов на базе рентгеновской, оптической, мессбауэровской, элек-тронной микроскопии.

К сожалению, метрологическое обеспечение и оценка токсичности являются «слабым местом» в биомедицинском приложении нанотехнологий. Раз-меры наночастиц сопоставимы с биологическими параметрами, что позволяет им легко встраиваться в живые клетки организма и участвовать во внутри-клеточных процессах. Разработанные и известные метрологические методы зачастую дают различные результаты, слабо согласующиеся друг с другом, разработаны для лабораторных физико-химических исследований, условий опасных для использования в живых организмах и на клеточном уровне, инвазив-ны. Не разработаны ГОСТ, СанПиН для магнитных наночастиц.

2. Особенности метрологии магнитных наночастиц

Понятия наноструктуры, наноматериалы, наноча-стицы и т.д. объединяют объекты различной фи-зической природы, терминологически фиксируя только их размеры, в отличие, например от терми-

на «электроника», который содержит указание на общую природу физических процессов. Поэтому в области нанотехнологии стоит проблема разработ-ки общепринятой классификации и сертификации наноматериалов [1–3]. Развитие этого направления требует решения целого ряда новых взаимосвя-занных проблем. Здесь можно выделить проблемы общего подхода к классификации наночастиц и на-ноструктур по физическим свойствам, методам их получения, областям применения, геометрическим размерам и т.д. Например, по очевидным причинам подразделение наноматериалов по типу проводи-мости утрачивает привычный для массивных тел смысл. Очевидно также, что в наноматериалах, в сравнении традиционными, большую роль на фоне объемных должны играть поверхностные эффекты. В то же время поверхностные свойства наночастиц в настоящее время практически не изучены.

Одним из главных направлений исследования на-номатериалов должно стать изучение влияния гео-метрических размеров на физические свойства нано-объектов. Однако для его развития также необходимо решить ряд задач, например, разработать сертифици-рованные методы измерения размеров наночастиц, физически обоснованные показатели среднего и рас-сеяния около среднего (т.е. физически обоснованную статистику), что в свою очередь требует поиска соот-ветствующих свойств и новых физических эффектов.

Наночастицы могут быть совместимы с биоло-гическими объектами и участвовать в решении ме-дицинских задач. Сравнение размеров дает идею использования наночастиц в качестве маленьких зондов, которые позволили бы нам регистрировать ход клеточных процессов, не влияя на их протекание. Для «неразрушающего» контроля они должны быть очень малыми, а именно, наноразмеров и быть покры-

В настоящей работе представлены эксперименты по нанодиагностике магнит-ных наночастиц на основе оксидов железа и обсуждаются возможности их при-ложений в медицине и судебной экспертизе. Несомненным условием их приме-нения является метрологический контроль параметров магнитных наночастиц.

Ключевые слова: наночастицы оксида железа, магнитные наночастицы, диагно-стика, применение наночастиц, медицина, судебная экспертиза, метрология.

V.N. NIKIFOROV – Associate Professor, Cand. of Phys.-Math. Sciences Faculty of Physics, Moscow State University Moscow, Russian Federation, E-mail: [email protected]

metrologiCal aspeCts of the nanopartiCles appliCationsIn this paper we present experiments on nanodiagnostics magnetic nanoparticles based on iron oxides and discussed the possibility of their application in medicine and forensics. Undoubted condition for their applicability is the metrological con-trol parameters of the magnetic nanoparticles.

Keywords: iron oxide nanoparticles, mag-netic nanoparticles, diagnosis, applica-tion of nanoparticles, medicine, forensics, metrology.


51

ты биологическими молекулами для того, чтобы они могли взаимодействовать или связываться с биологи-ческими объектами специфическим образом, и таким образом обеспечить адресность и управляемость до-ставки лекарств и «маркировки». Таким образом, раз-мер наночастицы является критическим параметром, определяющим в значительной мере ее свойства. В зависимости от размера могут изменяться свойства наночастиц, такие как магнитные свойства, токсич-ность, адсорбционные свойства и многие другие. Сле-дует отметить, что размер наночастицы не является единственным параметром, определяющим свойства магнитной наночастицы. Необходима полная паспор-тизация свойств и параметров наночастиц, однако на сегодня есть только 7 российских стандартов по нано-частицам, и вопросы метрологического обеспечения наноматериалов крайне актуальны.

Американская администрация пищевых продуктов и лекарств (FDA) занимается лицензированием широ-кого спектра товаров (пищевые продукты, косметика, лекарства, аппаратура и ветеринария), а теперь обра-тила внимание и на наноматериалы. FDA определило нанотехнологии как отрасль разработок и исследова-ний, регулируемую по следующим причинам:

– существующие материалы имеют атомный, моле-кулярный и макромолекулярный уровни, которые размером и функцией лекарств/устройств укла-дываются в шкалу от 1 до 100 нанометра;

– изобретения и используемые устройства, аппара-ты и системы обладают новыми свойствами вви-ду их малых размеров;

– наносистемы и наноматериалы обладают способ-ностью контролировать и манипулировать мате-рией на атомарном уровне.С улучшением терапевтических средств, в част-

ности, с помощью нанотехнологий, станет возмож-ной, например, доставка лекарственных средств к отдельным клеткам организма. В этой ситуации от-ветственность за надзором над такими продуктами берет на себя Office of Combination Products.

Конкурентное преимущество магнитных наноча-стиц – магнетизм, позволяющий осуществлять не-инвазивное воздействие, неразрушающий контроль при дальнодействии. Магнетизм также может быть полезен в оценке количественных параметров и ха-рактеристик магнитных наночастиц.

Синтезированные нами магнитные наночастицы оксидов железа контролировались различными мето-диками и на различном оборудовании. Для определе-ния параметров наночастиц в наших экспериментах использовались электронная микроскопия, атомно-силовая микроскопия, мёссбауэровская спектроско-пия и рентген. Дополнительно использовались также

и магнитные методики: ЭПР, ЯМР, SQUID, магнит-ная атомно-силовая микроскопия.

Была показана возможность использования маг-нитных методов для паспортизации магнитных нано-частиц. Полученные различными методами параметры наночастиц находятся в хорошем соответствии друг с другом. Мы проводили исследование магнитных па-раметров магнитных наночастиц в широком диапазо-не магнитных полей 0–7 Тесла и температур 4–800 К на SQUID магнетометре и VSM вибромагнетометре.

К известным методам аттестования наноматериа-лов, а именно:

1. Масс-спектрометрия (для фуллеренов в частности).2. Ядерный гамма резонанс (мессбауэровская

спекутороскопия).3. Определение площади поверхности наночастиц

(по адсорбции азота).4. Агрегатная структура (рентгенофазовый анализ).5. Распределение частиц по размерам

(рассеяние света).6. Морфология наочастиц (TEM – Электроная

микроскопия ПЭМ).7. Термостабильность (ТГА, ДТА).8. Состояние поверхности

(Инфракрасная спектрометия).9. Состав химический (ICPASS, EPX).10. Кристаллическая структура (рентгенофазовый

анализ РФА) как при комнатных, так и при вы-соких температурах.

По нашему мнению, следует добавить магнитные методы:1. SQUID магнетометрия и VSM вибромагнетометрия,2. МАСМ – магнитная атомно-силовая спектроскопия,3. ЯМР – томография, 4. ЭПР – спектроскопия.

Два последних также можно отнести к магнит-ным резонансным методам.

Магнитные методы доказали свою эффектив-ность, они дальнодействующие и неинвазивны.

Важнейшим для биомедицинских приложений наночастиц свойством является их токсичность. В настоящей работе оценивались in vitro токсичности синтезированных наночастиц при использовании раз-личных покрытий наночастиц[4, 5]. Обнаружено, что при покрытии магнитных наночастиц оксидов железа рядом химических соединений на основе гумидных кислот получаемые нами наночастицы оксидов железа нетоксичны. На наборе перевиваемых клеточных ли-ний было проведено исследование цитотоксичности препаратов солей гуминовой кислоты. Для анализа были отобраны следующие культуры: МТ-2 и МТ-4 – лимфоциты человека; U-937 – макрофаги человека; BW5147 – лимфоциты мыши; IC-21 – макрофаги кры-

ИЗВЕСТИЯ

52


сы; К562 – эритролейкемические клетки (эритробла-сты) человека; PLC/PRF/5 – гепатокарцинома (гепато-циты) человека; BHK-21 – почка сирийского хомячка. Показано, что Fe2O3-наночастицы размерами 4 нм, полученные методом пиролиза [4], покрытые гумата-ми, имеют низкую токсичность (до 20 %) и способны к адсорбции к клеточной мембране и проникновению внутрь клетки, что делает их перспективными для дальнейшего использования.

Будущее медицины – в создании комбиниро-ванных многофункциональных «умных» терадиаг-ностических нанопрепаратов [6]. Паспортизация, стандартизация, метрологическое обеспечение, ха-рактеризация физических, химических, биологиче-ских свойств и токсичности, недопущение вреда при использовании нанопрепаратов становятся первосте-пенно важными задачами. Другими словами, аспек-ты наноэкологии выдвигаются на передний план.

В настоящей работе рассмотрено распределение по размеру наночастиц Fe3O4, полученных методом со-осаждения из геля [7]. Данный материал представляет большой интерес для биомедицинских и ряда других приложений [8]. Кроме того, между наночастицами действует достаточно сильное магнитное взаимодей-ствие, приводящее к образованию их конгломератов и, следовательно, к изменению размеров частиц. На ри-сунке 1 представлен вид частиц Fe3O4, осажденных на слюду, полученный нами с помощью атомного сило-вого микроскопа JPK. Наночастицы были помещены в ориентирующее слабое внешнее магнитное поле, на-правленное под углом 30 градусов к вертикали в пло-скости поверхности подложки. Типичные размеры ча-стиц составляет от 2 до 10 нм. Эту же величину дают результаты измерений с помощью просвечивающей электронной микроскопии. Лазерная корреляционная спектроскопия также подтверждают эти результаты. Форма наночастиц в соответствии с данными просве-чивающей электронной микроскопии и атомной си-

ловой микроскопии не является строго сферической, а имеет слабо-эллипсоидальную форму. Проведен-ные рентгеновские исследования свидетельствует об однофазности материала и исключают наличие вто-рой фазы в полученных наночастицах. Рентгеновские спектры позволили оценить по формуле Дебая – Ше-рера размер наночастиц, который также соответствует приведенным выше параметрам.

Как отмечалось, например в [3], распределение наночастиц (в том числе и магнитных – Ni) по разме-рам носит либо нормальный, либо логарифмически нормальный характер с выраженной правосторонней асимметрией. При этом все распределения являются унимодальными. Для таких распределений значение среднего размера и отклонения от него имеют вполне определенный смысл: среди множества наночастиц имеется один наиболее вероятный размер, определя-емый как технологией получения, так и условиями состояния этой системы.

Проведенные нами экспериментальные данные по просвечивающей электронной микроскопии и атомной силовой микроскопии позволили получить экспериментально распределение частиц Fe3O4 по размерам. Весь интервал возможных значений раз-меров (0–100 нм) разбивался на равные подинтерва-лы (0.5 нм), затем подсчитывалось на основе данных микроскопии ni – количество наночастиц, средние размеры которых укладываются в соответствующие интервалы. Результат в нормированном виде ni/N, где N − общее число частиц, представлен на рисунке 2.

Основная особенность распределения наночастиц Fe3O4 по размеру − его бимодальность с максимумами для 4.5 и 8.75 нм. Для однофазной системы это означает, что для данных частиц имеется два преимущественных размера. Форма первого пика с резким спадом выше 4.5 нм свидетельствует о наличии механизма, препят-ствующего образованию частиц с размерами в области 6–7 нм, однако частицы размером более 8 нм при этом

РИС. 1 Атомная силовая микроскопия наночастиц Fe3O4 , размеры по вертикали и горизонтали: A – 1x1 мкм, B – 50x50 нм. Ориентация частиц задается внешним магнитным полем. Используются магнитные кантилеверы на базе кобальта.

А В


53

возникают с частотой в 5 раз меньшей, чем наиболее распространенные. Можно предположить, что обнару-женная нами особенность распределения обусловлена магнитными взаимодействиями в системе.

С целью изучения возможного влияния поверхност-ных магнитных эффектов на конгломерацию наноча-стиц проведено также исследование пассивированных магнитных наночастиц Fe3O4. Измерения проводились методом лазерной корреляционной спектроскопии на Gaussian/Nicomp анализаторе. Поверхность исход-ных наночастиц покрывалась декстраном (А, рис. 3), а также декстран – мелфоланом (В, рис. 3). Интервал диаметров частиц для первого случая составляет (A) (170–300 nm), а во втором – (B) (70–190 nm). В слу-чае покрытых декстраном и мелфоланом наночастиц Fe3O4 распределение частиц (рис. 3) становилось уни-модальным и близким к нормальному. Данный резуль-тат может объясняться тем, что размер покрытия на-много превышает размеры наночастиц Fe3O4 , поэтому значительно, на несколько порядков, ослабляется один из механизмов конгломерации, а именно, механизм магнитного взаимодействия наночастиц, который спа-дает с расстоянием по закону ~ r –6.

Следует сделать вывод о необходимости в метро-логической характеризации и паспортизации маг-нитных наночастиц учитывать фактор их сильного магнитного взаимодействия.

3. Применения магнитных наночастиц в медицине

Одним из наиболее важных применений магнитных наночастиц в медицине является регионарная магнит-ная гипертермия [6, 7–10]. Гипертермия – повышение температуры тела или участков тела при физическим воздействии нашла применение в терапии ряда забо-леваний, в том числе в онкологии. В 1957 году Гиль-чристом было обнаружено, что нагрев до 43˚С приво-дит к гибели онкологических клеток, в то время как здоровые клетки сохраняются. Для этих целей приме-няются лазерные, электромагнитные и другие методы нагрева тканей при гипертермии. Наибольшие успехи метода гипертермии отмечаются в онкологии, в экс-периментальных стадиях комбинированного воздей-ствия [6], когда гипертермия применяется как элемент программы, включающей радио-, химиотерапию и другие типы воздействия (рис. 4).

Тем не менее, вплоть до настоящего времени не решен ряд проблем гипертермии – не найдены неток-сичные, саморегулирующие температуру наночастицы, позволяющие сохранять здоровые ткани при физиче-ском воздействии, нет методов контролируемого равно-мерного нагрева разных локальных участков, не нашли применения неинвазивные методы контроля темпера-

РИС. 2 Распределение относительной частоты наличия наночастиц Fe3O4 от их размера

0 2 4 6 8 10 12 14 160,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

ni/N

d, nm

РИС. 3 Распределение по размерам покрытых декстра-ном (А), а также декстран – мелфоланом (В) наночастиц Fe3O4

А

В

ИЗВЕСТИЯ

54


тур нагрева, не устранены побочные явления, ограни-чивающие применение данного метода в терапии [10].

Возможно, успех будет достигнут на пути решения ряда новых задач и вызовов в нанотехнологии. Следует обратить внимание на тенденцию проведения лечения больных при одновременном контроле результатов доставки лекарств, воздействия тепла и лазерного об-лучения, радиоактивного облучения неинвазивными диагностическими методами. В ряде случаев, напри-мер, в магнитно-резонансной томографии (МРТ), диа-гностические методы обладают факторами (перемен-ные электромагнитные поля), дающими возможность их терапевтического использования. Поиск новых на-ночастиц – агентов для локальной гипертермии может включать также и поиск новых возможных приложе-ний для терапии и диагностики. Однозначен вывод о перспективности многофункциональных наночастиц, обладающих широким спектром терапевтических и диагностических свойств. Обычно, магнитные наноча-стицы изготавливаются как core-shell структуры, в цен-тре которой есть магнитное ядро размером несколько нанометров, окруженное полисахаридами – декстра-ном, или пептидами, антителами, и другими биосов-местимыми пассиваторами. Преимущество магнитных структур – в многофункциональности, а именно – на-ряду с тканеспецифичной (за счет антител) направлен-ной доставкой, есть еще и дополнительные возможно-сти концентрации растворенных магнитных частиц в точках максимума градиента магнитного поля. Внеш-ние магнитные поля при этом создаются электромаг-нитами, удаленными от тела пациента. Появились возможности включения в данные наноструктуры флуоресцентных меток, квантовых точек, что сделало возможным использование данных наночастиц в кон-фокальной и УФ микроскопии в качестве меток для трансфекции и трехмерной визуализации в режиме реального времени. Включение соответствующих на-нообъектов в наноструктуры позволяет использование наночастиц для фотоиндуцированной терапии, актива-ции свободного кислорода, доставки лекарств, цито-статиков, термоактивируемых лекарств и т.п. Одетая в «шубу» магнитная наночастица за счет свой много-функциональности становится «интеллектуальной». Засланная в определенную локальную область тела па-циента, она может как лечить, так и докладывать о ре-зультатах лечения, то есть осуществлять терагностику. Наибольшую проблему составляет «адресная» достав-ка наночастицы вместе с интеллектуальной оболочкой в нужную локальную область живого организма. И тут дополнительный механизм доставки, магнитные силы, увеличивают возможности адресности. Это тем более важно, поскольку доставка антителами из кровяного русла низкоэффективна. Перспектива создания и при-

менения в лечебной практике многофункциональных «интеллектуальных» магнитных наночастиц сталкива-ется с целым рядом проблем и вызовов:

3.1.Безопасность

Необходимо, чтобы используемые наночастицы не наносили вред здоровью, были безопасны для жи-вого организма, нетоксичны, биодеградируемыми и не накапливались в печени, почках и др. органах. К сожалению, данный аспект проблемы труднораз-решим. Тем не менее, возможен неинвазивный кон-троль магнитнорезонансными методами выведения наночастиц из организма.

3.2. Магнитные свойства

Необходимые новые магнитные материалы должны обладать рядом требуемых магнитных параметров, а именно – высоким магнитным моментом насыщения, температурой Кюри, близкой к температуре тела [6–10].

3.3. Дополнительные диагностические свойства

Ряд наноматериалов способен обеспечить трехмер-ную магнитнорезонансную Т1, Т2 визуализацию [6]. Возможен также и неинвазивный магнетнорезонанс-ный контроль температуры и ее распределения в тка-нях организма [11, 12].

3.4. Возможность доставки лекарств

Существует реальная возможно повысить эффек-тивность доставки лекарств магнитными методами. Использование магнитных термочувствительных липосом и других наночастиц совместно с методами электромагнитной гипертермии достаточно перспек-тивно [6]. Возможна также и доставка агентов радио-терапии магнитными методами [6].

3.5. Биосовместимые покрытия

Разработка дизайна новых нанообъектов ограничи-вается небольшим выбором, поскольку разрешены к применению всего лишь оксиды железа – магнетит и магхемит (FDA, USA). Разработка биодеградируемых, биосовместимых и нетоксичных покрытий для нано-частиц активно развивается в настоящее время [6].

4. Применения магнитных наночастиц в судебной экспертизе

Появление новых материалов и связанных с ними тех-нологий открывает новые возможности для использо-вания их при проведении анализов, экспертиз, создания принципиально новых методов маркировки и контро-ля. Наноматериалы, в том числе и наночастицы, обла-дают в этом отношении рядом принципиально новых


55

качеств: во-первых, добавление их микроскопических количеств в некую внешнюю среду кардинально не изменяет ее макроскопические свойства, во- вторых, возможность обнаружения предельно низких концен-траций содержания наночастиц неразрушающими ме-тодами представляет собой идеальную ситуацию для контроля, в-третьих, в ряде случаев наночастицы из-начально входят в состав подвергаемого анализу мате-риала. Вместе с тем исследования свойств наночастиц представляют достаточно сложную задачу, т.к. далеко не все методы, разработанные для исследования объ-емных материалов или тонких слоев, пригодны для этих целей. Так, очевидным образом очень сложно говорить об их электрофизических свойствах ввиду чрезвычайной малости размеров наночастиц. По ана-логичным причинам ограничены возможности и спек-троскопических исследований. Однако в случае нано-частиц магнитных материалов ситуация изменяется: существует целый ряд методов, позволяющих прово-дить прямые измерения их магнитных характеристик. Одним из них является спектроскопия электронного магнитного резонанса (ЭМР) – один из классических методов изучения электронных и магнитных свойств материалов. К его достоинствам относится высокая чувствительность и информативность. Кроме того, этот метод может быть адаптирован к магнитным материалам, очень сильно различающимся по своим свойствам. В случае парамагнетиков применяется ме-тод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), в случае ферромагнетиков − метод ферромагнитного ре-зонанса (ФМР), при исследовании сильномагнитных материалов −антиферромагнитный резонанс (АФМР).

ЭМР возникает во внешнем магнитном поле бла-годаря спиновому магнетизму электронной подси-стемы в материалах со слабым влиянием орбиталь-ного магнетизма (например, в свободных радикалах). При помещении исследуемого образца в постоянное

магнитное поле с напряженностью Н уровни энер-гии магнитных моментов электронов расщепляются на подуровни, отстоящие друг от друга на энергию ΔE = g μБН, где g – множитель Ланде, μБ – магнетон Бора (эффект Зеемана). Резонансное поглощение СВЧ излучения в таком образце с частотой ν = ΔE/h, где h – постоянная Планка, связанное с переходами между этими подуровнями энергии, и называется электронным магнитным резонансом. Типичный вид кривой резонансного поглощения представлен на ри-сунке 5. Теория эффекта Зеемана описывает, каким образом внешнее магнитное поле может снимать вы-рождение энергетических уровней атомов (или более сложных структур − молекул, кластеров). Вид этой резонансной зависимости (спектр ЭМР) неодина-ков для различных типов магнетизма, что позволяет идентифицировать тип магнитного центра и опреде-лять особенности его окружения. Образно говоря, резонансный спектр является «паспортом» магнит-ного центра. Следует, однако, иметь в виду, что есть случаи, когда похожими «паспортами» обладают раз-личные системы.

Магнетизм наночастиц обладает выраженной спецификой, в сравнении, как с атомным магнетиз-мом, так и магнетизмом макроскопических тел, та-ких как кристаллы. И хотя в последнее время этой проблеме уделяется большое внимание, она находит-ся на начальной стадии изучения.

В магнито-упорядоченных средах (ферро-, анти-ферромагнетиков и т.д.) магнитный резонанс опи-сывается теориями ФМР и АФМР, в которых резо-нансные явления рассматриваются не для отдельного центра, а для макроскопического магнитного мо-мента, образованного всеми центрами, входящими в магнитную подсистему, т.е. для магнитного мо-мента всего образца. В наночастицах такой же под-ход нужно применять и для суперпарамагнитных

РИС. 4 Мыши C57/Black с привитой карциномой Льюиса до (A) и после (B) сеансов магнитной гипертермии. Комбинация радиационного воздействия с гипертермией повышает выживаемость животных с 22 до 77%. (По сравнению с радиационным воздействием без гипертермии) (фото автора).

ИЗВЕСТИЯ

56


наночастиц, в которых моменты отдельных атомов формируют магнитный момент порядка 104µБ. Если же в наночастице центры изолированы в магнитном отношении от соседей, то для них можно применять одноионный подход (обычный парамагнетизм). Та-ким образом, магнитный момент наночастицы может быть много больше магнитного момента отдельного иона, но много меньше магнитного момента ферро-магнитного макроскопического образца.

Для однодоменных ферромагнитных наноча-стиц, содержащих до 104 атомов, принято использо-вать теорию ФМР, в которой тем или иным способом учитывается возможность тепловых флуктуаций магнитного момента суперпарамагнетика [13, 14]. Суперпарамагнитные флуктуации приводят к су-жению линии ЭМР наночастицы при высоких тем-пературах по сравнению с аналогичным объемным ферромагнетиком. Этот эффект обусловлен тем, что чем меньше размер наночастицы, тем меньше ее магнитный момент, тем сильнее выражены те-пловые флуктуации, и тем уже линия ЭМР. Таким образом, ширина линии ЭМР для ферромагнитных наночастиц должна сужаться с уменьшением разме-ра наночастицы. Это предположение подтверждают эксперименты, в которых исследовались ферро-жидкости с пониженной полидисперсностью с на-ночастицами маггемита [15]. Однако ширина линии магнитного резонанса ферромагнитных наночастиц может зависеть не только от размера, но и от дру-

гих факторов, в частности от формы, межчастичных взаимодействий и т.п. [16–17].

В настоящей работе в качестве среды, содержащей наночастицы магнитных материалов, избраны тоне-ры, используемые в лазерных принтерах обычных персональных ЭВМ. В них сдержатся наночастицы оксида железа, но их размер, концентрация в составе и т.д.и отличаются у различных производителей.

Измерения ЭМР проводились при комнат-ной температуре на спектрометре X-диапазона (частота ≈ 9.1 ГГц) Varian E-4. Образец в виде узкой бумажной полоски с напечатанной буквой «I» − фак-тически отрезок прямой, равномерно окрашенный тонером − опускался на дно кварцевой ампулы, кото-рая помещалась в резонатор спектрометра. Ориента-ция плоскости бумажки была либо перпендикулярна, либо параллельна квазистационарному магнитному полю. Внешнее магнитное поле изменялось в диапа-зоне 0−6 кГс. Эффективное резонансное поле опре-делялся как среднее арифметическое максимума и минимума кривой первой производной от поглоще-ния в единицах магнитного поля. Ширина линии ∆B определялась как расстояние между максимумом и минимумом на кривой первой производной погло-щения в единицах магнитного поля.

На рисунке 6 показаны спектры ЭМР образцов тонера. Все спектры состоят из одиночной интенсив-ной резонансной линии с параметрами, представлен-ными в таблице 1.

ТАБЛИЦА 1

Тип образца DBpp, Tл Эффективное резонансное поле, Тл

«Canon», поле перпендикулярно бумаге 0.123 0.358«Canon», поле параллельно бумаге 0.113 0.320

«HP», поле перпендикулярно бумаге 0.177 0.352«HP», поле параллельно бумаге 0.168 0.239

Такой сигнал типичен для суперпарамагнитных наночастиц оксидов железа [18–19]. В образце «HP» ширина сигнала ЭМР заметно больше, а резонансное поле меньше, чем в образце «Canon». Особенно это различие выражено для параллельной ориентации образцов. Уширение линии может быть обусловле-но увеличением разброса размеров частиц в тонере «HP», присутствием более крупных частиц и, как следствие, ослаблением суперпарамагнитных флук-туаций [20]. Смещение линии ЭМР в область низких полей также указывает на больший размер частиц в тонере «HP», которое сопровождается увеличением проекции среднего магнитного момента частицы (или группы частиц) на направление магнитного поля.

Отметим, что приведенный в данной работе пример следует рассматривать только как част-

ный случай принципиально нового метода [21–24] проведения экспертизы материалов, содержащих наночастицы или ультрадисперсные частицы с магнитными свойствами. Присадки из магнитных материалов получили широкое распространение или считаются перспективными в этом качестве для применения в различных красителях, покрыти-ях, добавках к горючим и взрывчатым веществам и т.д. Магнитные наночастицы могут быть даже вве-дены в состав биологических макромолекул. При-веденный пример показывает новую возможность не только проведения микроанализа свойств та-ких материалов, но и создания маркеров, метящих равномерно весь объем, причем таких, которые не уничтожаются в экстремальных ситуациях (пожа-ры, взрывы, наводнения и т.д.)


57

Выводы

Предлагается добавить к уже известным новые ме-тоды контроля, метрологии, оценки токсичности магнитных наночастиц в медицине, которые неин-вазивны, обладают дальнодействием, не опасны, не токсичны, а именно магнитные методы. Магнитные методы могут «почувствовать» квант магнитного потока, а также оценить вклад парамагнитных при-месей, наличие магнитных фракций в наночастицах. Показана возможность охарактеризовать предвари-тельно сконцентрированные и сепарированные на-ночастицы в магнитных полях.

Для метрологической характеризации магнитных наночастиц предлагается:

– сравнить разные методы на одних и тех же объек-тах и доказать эффективность новых магнитных метрологических методов для нанообъектов,

– провести магнитную сепарацию нанообъектов и охарактеризовать магнитную фракцию,

– получить количественные характеристики коли-чества нанообъектов, их размеров, магнитных ха-рактеристик и др. параметров,

– расширить области приложений магнитной нано-метрологии на смежные области,

– показать важность параллельного использования наночастиц для терапии и диагностики одновремен-но, при контроле доставки лекарств, контроля ре-зультатов воздействия, то есть в целях терагностики,

– рассмотреть токсичность наночастиц на клеточ-ном уровне и in vivo как неотъемлемую важней-шую метрологическую характеристику, напря-мую зависящую от параметров наночастиц. Критическим параметром магнитных наночастиц

является их размер.Меняются их свойства, магнетизм, токсичность в

зависимости от размера.Конкурентное преимущество магнитных наноча-

стиц – их собственный магнетизм.Дополнительные степени свободы магнитных

наночатиц дают неинвазивность, неразрушающий контроль, дальнодействие, оценку количественных параметров и характеристик.

Для диагностики также важен магнитный момент. Магнитные метки МРТ, ЭПР, ЯКР дают бимодаль-ность, многофункциональность, интеллектуальность.

Для терапии – опять важен магнитный момент. Примером является магнитная гипертермия (локаль-ная), магнитная доставка контейнеров с лекарства-ми, МРТ контроль доставки лекарств с магнитной меткой, МРТ контроль хода лечения в реальном вре-мени. Данные свойства магнитных наночастиц дают возможность реализации терагностического подхода в медицине.

Магнитные методы позволяют диагностировать и лечить отдельные виды онкологических заболе-ваний, сосудистые нарушения и решать ряд других медицинских задач.

РИС. 5 Вид типичного спектра ЭПР, состоящего из одной линии лоренцевой формы. Кривая поглощения СВЧ ЭМП (а), и первой производной поглощения по магнитному полю (б).

РИС. 6 Спектры электронного магнитного резонанса об-разцов шрифта с использованием тонера фирм Canon и HP. Линии, сдвинутые в область низких (высоких) магнитных полей, получены для ориентации плоскости бумаги парал-лельной (перпендикулярной) внешнему магнитному полю. (Наночастицы оксидов железа в полимерном красителе). По оси ординат – коэффициент поглощения СВЧ излучения в относительных единицах.

а

б

ИЗВЕСТИЯ

58



1. Тодуа П.А. Российские нанотехнологии. Обзоры. 2007.Т. 2, 1–2, С. 61–69.

2. Никифоров В.Н. Магнитная гипертермия // Изв. ву-зов. Физика. 2009. 9. С. 60–72

3. Pingali K.C., Deng S., Rockstraw D.A. Effect of am-monium nitrate on nanoparticle size reduction. Research Letters in Nanotechnology 2008. Vol. 2008. Article ID 756843. 4 p. doi:10.1155/2008/756843.

4. Chekanova A.E., Sorkina T.A., Nikiforov V.N., Davido-va G.A., Selezneva I.I., Goodilin E.A., Grigorieva A.V., Trusov L.A., Korolev V.V., Permenova I.V., Tretyakov Yu.D. New environmental non-toxic agents for prepa-ration of core-shell magnetic nanoparticles. Mendeleev Commmunication. 2009. Vol. 19. PP. 1–4.

5. Никифоров В.Н., Чеканова A.Е., Гудилин Е.A., Пер-минова И.В., Соркина Т.А., Дубов А.Л, Поляков А.Ю., Пресняков И. А., Давыдова Г.А., Селезнёва И.И., Суз-далев И.П., Максимов Ю.В.Метрологические аспекты и оценка токсичности синтезированных магнитных наночастиц оксида железа // Российский биотерапев-тический журнал.2009. Т. 8. 1. 8 c. (Материалы научной конференции с международным участием. «Нано онкология», Москва, 18–19 февраля 2009)

6. Nikiforov V.N., Filinova E.Yu. Biomedicical application of magnetic nanoparticles. Wiley-VCH Verlag GmbH. 2009. PP. 393–455. Chapter in book: Magnetic nanopar-ticles. Ed. by S.Gubin. N.Y. 2009.

7. Кузнецов В.Д., Брусенцова Т.Н., Никифоров В.Н., Брусенцов Н.А, Данилкин. М.И. Температурные за-висимости намагниченности препаратов для магнит-ной гипертермии // Известия ВУЗов, серия Физика. 2005. Т. 48. . 2. С. 47–52.

8. Berg J.W., Franken N.A., Haveman J., Geijsen E.D., Crezee J., van Bree C. Hyperthermia, cisplatin and radia-tion trimodality treatment: a promising cancer treatment? A review of preclinical studies to clinical application. Int.J.of Hyperthermia. 2007. Vol. 23. PP. 329–341.

9. Никифоров В.Н. Биомедицинские применения маг-нитных наночастиц // Наука и технологии в промыш-ленности. 2011. 1. С. 94–103.

10. Никифоров В.Н., Брусенцов Н.А. Магнитная гипер-термия в онкологии. Медицинская физика. 2007. 2. С. 51–59.

11. Волков А.А., Никифоров В.Н., Прохоров А.С., Иванов А.В., Пирогов Ю.А. Магнитно-резонансные методы регистрации температурных полей в применении к ги-пертермии // Медицинская физика. 2012. 2. С. 65–70.

12. Волков А.А., Никифоров В.Н., Пирогов Ю.А., Ива-нов А.В., Прохоров А.С. Регистрация температурно-го поля методом магнитно-резонансной томографии // Медицинская физика. 2011. 1. С.75–81.

13. Гехт Р.С., Игнатченко В.А., Райхер Ю.Л., Шлиомис М.И. Магнитный резонанс изотропного суперпара-магнетика // ЖЭТФ.1976. Т. 70. C. 1300–1311.

14. De Biasi R.S, Devezas T.C. Anisotropy field of small magnetic particles as measured by resonance. J.Appl.Phys. 1978. Vol. 49. PP. 2466–2469.

15. Gazeau F., Shilov V., Bacri J. C., Dubois E., Gendron F., Perzynski R., Raikher Yu. L., and Stepanov V. I. Magnetic resonance of nanoparticles in a ferrofluid: evidence of

thermofluctuational effect. J. Magn. Magn. Mater. 1999. Vol. 202. PP. 535–546.

16. Berger R., Kliava J., Bissey J.-C., Daubric H; Es-tournes C. Temperature dependence of superparamagnet-ic resonance of iron oxide nanoparticles. J. Magn. Magn. Mater. 2001. Vol. 234. 3. PP. 535–544.

17. Berger R., Kliava J., Bissey J.-C., Daubric H; Es-tournes C. Magnetic resonance of superparamagnetic iron-containing nanoparticles in annealed glass. J. Appl. Phys. 2000. Vol. 87. PP. 7389–7396.

18. Koksharov Yu.A., Gubin S.P., Kosobudsky I.D., Beltran M., Khodorkovsky Y., Tishin A.M. Low-temperature electron paramagnetic resonance anomalies in Fe-based nanopar-ticles. J.Appl.Phys. 2000. Vol. 88. 1. PP. 587–592.

19. Koksharov Yu.A., Gubin S.P., Kosobudsky I.D., Yurkov G.Yu, Pankratov D.A., Ponomarenko L.A., Mikheev M.G., Khodorkovsky Y., Beltran M., Tishin A.M. Electron-paramagnetic-resonance spectra near spin-glass transition in iron-oxide nanoparticles. Phys.Rev. 2001.V. B63. PP. 12407–12410.

20. Koksharov Yu.A., Pankratov D.A., Gubin S.P., Koso-budsky I.D., Khodorkovsky Y., Beltran M., Tishin A.M. Electron paramagnetic resonance of ferrite nanoparticles. J. Appl.Phys. 2001. Vol. 89. 4. PP. 2293–2298.

21. Лобанов Н.Н., Никифоров В.Н., Кокшаров Ю.А., Средин В.Г., Скоромникова О.А., Тросман Э.А., Омельянюк Г.Г., Федотов Г.Н. Способ дифференцирования документов, изготавливаемых методами электрографической печа-ти магнитными тонерами // Авторское свидетельство. АС РФ 2008146234/28(060447) от 25.11.2008.

22. Средин В.Г., Никифоров В.Н. Способ защиты доку-ментов с помощью магнитных наночастиц // Автор-ское свидетельство АС РФ 2009102274/12(002880) от 26.01.2009.

23. Лобанов Н.Н., Никифоров В.Н., Гудошников С.А., Сиротинкин В.П., Кокшаров Ю.А., Усов Н.А., Средин В.Г., Ситнов Ю.С., Гаршев А.В., Путляев В.И., Иткис Д.М., Тросман Э.А., Скоромникова О.А., Федотов Г.Н. Дифференциация магнитных нанокомпозитов, осно-ванная на их наноструктурной организации // Докла-ды Академии Наук. 2009. Т. 426. 2. С. 189–193.

24. Никифоров В.Н., Кокшаров Ю.А., Средин В.Г. Ис-следование методом электронного магнитного резо-нанса напечатанных на лазерном принтере заглавных букв I для разных образцов тонеров – Canon и HP, содержащих наночастицы оксида железа // Информа-ция и космос. 2008. . 4. С. 211–215.

References

1. Todua P.A. Rossiyskiye nanotekhnologii. Obzory [Rus-sian nanotechnology. Reviews]. 2007. Vol. 2. 1–2. PP. 61–69.

2. Nikiforov V.N. Magnetic induction hyperthermia. Rus-sian Physics Journal 2009. Vol. 50. 9. PP. 913–925.

3. Pingali K.C., Deng S., Rockstraw D.A. Effect of am-monium nitrate on nanoparticle size reduction. Research Letters in Nanotechnology 2008. Vol. 2008. Article ID 756843. 4 p. doi: 10.1155 / 2008/756843.

4. Chekanova A.E., Sorkina T.A., Nikiforov V.N., Davido-va G.A., Selezneva I.I., Goodilin E.A., Grigorieva A.V., Trusov L.A., Korolev V.V., Permenova I.V., Tretyakov Yu.D. New environmental non-toxic agents for prepa-


59

ration of core-shell magnetic nanoparticles. Mendeleev Commmunication. 2009. Vol. 19. PP. 1–4.

5. Nikiforov V.N., Chekanova A.E., Goodilin E.A., Per-minova I.V., Sorkina T.A., Dubov A.L., Polyakov A.Y., Presnyakov I.A., Davydov G.A., Selezneva I.I., Suzdalev I.P., Maksimov Yu.V. Metrologicheskiye aspekty i otsen-ka toksichnosti sintezirovannykh magnitnykh nanochas-tits oksida zheleza [Metrologic aspects and evaluation of toxicity of the synthesized magnetic iron oxide nanopar-ticles]. Rossiyskii bioterapevticheskii zhurnal [Russian biotherapy journal]. 2009. Vol. 8. 1. 8 p. (Materialy nauchnoy konferentsii s mezhdunarodnym uchastiyem. «Nanoonkologiya», [Materials of scientific conference with international participation. «Nanoonkology»], Mos-cow, 18–19 February 2009).

6. Nikiforov V.N., Filinova E.Yu. Biomedicical application of magnetic nanoparticles. Wiley-VCH Verlag GmbH. 2009. PP. 393–455. Chapter in book: Magnetic nanopar-ticles. Ed. by S.Gubin. N.Y. 2009.

7. Kuznetsov V.D., Brusentsova T.N., Nikiforov V.N., Brusentsov N.A., Danilkin. M.I. The temperature depen-dence of the magnetization of preparation for magnetic hyperthermia Russian physics journal, 2005 Vol. 48. 2. PP. 156–162.

8. Berg J.W., Franken N.A., Haveman J., Geijsen E.D., Crezee J., van Bree C. Hyperthermia, cisplatin and radia-tion trimodality treatment: a promising cancer treatment? A review of preclinical studies to clinical application. Int.J.of Hyperthermia. 2007. Vol. 23. PP. 329–341.

9. Nikiforov V.N. Biomeditsinskiye primeneniya magnitnykh nanochastits [Biomedical applications of magnetic nanopar-ticles]. Nauka i tekhnologii v promyshlennosti [Science and technology in the industry], 2011. 1. PP. 94–103.

10. Nikiforov V.N., Brusentsov N.A. Magnitnaya giperter-miya v onkologii [Magnetic hyperthermia in oncology]. Meditsinskaya fizika [Medical Physics], 2007. 2. PP. 51–59.

11.Volkov A.A., Nikiforov V.N., Prokhorov A.S., Ivanov A.V., Pirogov Yu.A. Magnitno-rezonansnyye metody registrat-sii temperaturnykh poley v primenenii k gipertermii [Mag-netic resonance methods for the detection of temperature fields in the application of hyperthermia]. Meditsinskaya fizika [Medical Physics], 2012. 2. PP. 65–70.

12.Volkov A.A., Nikiforov V.N., Pirogov Yu.A., Ivanov A.V., Prokhorov A.S. Registratsiya temperaturnogo polya meto-dom magnitno-rezonansnoy tomografii. [Registration the temperature field by magnetic resonance imaging. Medit-sinskaya fizika [Medical Physics], 2011. 1. PP. 75–81.

13.Geht R.S., Ignatchenko V.A., Reiher Y.L., Shliomis M.I. Magnitnyy rezonans izotropnogo superparamagnetika [Magnetic resonance in isotropic superparamagnetic]. ZhETF.[JETP], 1976. Vol. 70. PP. 1300–1311.

14. De Biasi R.S, Devezas T.C. Anisotropy field of small magnetic particles as measured by resonance. J. Appl.Phys. 1978. Vol. 49. PP. 2466–2469.

15. Gazeau F., Shilov V., Bacri J. C., Dubois E., Gendron F., Perzynski R., Raikher Yu. L., and Stepanov V. I. Magnet-ic resonance of nanoparticles in a ferrofluid: evidence of thermofluctuational effect. J. Magn. Magn. Mater. 1999. Vol. 202. PP. 535–546.

16. Berger R., Kliava J., Bissey J.-C., Daubric H; Estournes C. Temperature dependence of superparamagnetic reso-nance of iron oxide nanoparticles. J. Magn. Magn. Mater. 2001. Vol. 234. 3. PP. 535–544.

17. Berger R., Kliava J., Bissey J.-C., Daubric H; Estournes C. Magnetic resonance of superparamagnetic iron-con-taining nanoparticles in annealed glass. J. Appl. Phys. 2000. Vol. 87. PP. 7389–7396.

18. Koksharov Yu.A., Gubin S.P., Kosobudsky I.D., Beltran M., Khodorkovsky Y., Tishin A.M. Low-temperature electron paramagnetic resonance anomalies in Fe-based nanopar-ticles. J.Appl.Phys. 2000. Vol. 88. 1. PP. 587–592.

19. Koksharov Yu.A., Gubin S.P., Kosobudsky I.D., Yurkov G.Yu, Pankratov D.A., Ponomarenko L.A., Mikheev M.G., Khodorkovsky Y., Beltran M., Tishin A.M. Elec-tron-paramagnetic-resonance spectra near spin-glass transition in iron-oxide nanoparticles. Phys.Rev. 2001.Vol. B63. PP. 12407–12410.

20. Koksharov Yu.A., Pankratov D.A., Gubin S.P., Koso-budsky I.D., Khodorkovsky Y., Beltran M., Tishin A.M. Electron paramagnetic resonance of ferrite nanoparticles. J.Appl.Phys. 2001. Vol. 89. 4. PP. 2293–2298.

21. Lobanov N.N., Nikiforov V.N., Koksharov Yu.A., Sre-din V.G., Skoromnikova O.A., Trosman E.A., Omel’yanyuk G.G., Fedotov G.N. Sposob differentsirovaniya dokumen-tov, izgotavlivayemykh metodami elektrograficheskoy pe-chati magnitnymi tonerami [The method of differentiation of documents, produced by electrographic printing mag-netic toner]. Avtorskoye svidetel’stvo. AS RF [Patents. RF CA] 2008146234/28 (060447) on 25.11.2008.

22. Sredin V.G., Nikiforov V.N. Sposob zashchity dokumen-tov s pomoshch’yu magnitnykh nanochastits [A method for protecting documents using magnetic nanoparticles]. Avtorskoye svidetel’stvo. AS RF [Patents. RF CA] 2009102274/12 (002880) on 26.01.2009.

23. Lobanov N.N., Nikiforov V.N., Gudoshnikov S.A., Siro-tinkin V.P., Koksharov Yu.A., Usov N.A., Sredin V.G., Sitnov Y.S., Garshev A.V., Putlyaev V.I., Itkis D.M., Trosman E.A., Skoromnikova O.A., Fedotov G.N. Dif-fferentiation of magnetic composites in terms of their nanostructural organization. Doklady Chemistry. 2009. Vol. 426. 1. PP. 96–100.

24. Nikiforov V.N., Koksharov Yu.A., Sredin V.G. Issledovani-ye metodom elektronnogo magnitnogo rezonansa napechat-annykh na lazernom printere zaglavnykh bukv I dlya raznykh obraztsov tonerov – Canon i HP, soderzhashchikh nanochastitsy oksida zheleza [Study by electron magnetic resonance printed on a laser printer caps I for different sam-ples toners – Canon and HP, containing iron oxide nanopar-ticles]. Information and Space. 2008. . 4. PP. 211–215.


Никифоров Владимир Николаевичдоцент, канд. физ.-мат. наук

Физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова119899, Москва, Российская Федерация, Ленинские горы, 1

Е-mail: [email protected]

Nikiforov Vladimir NikolaevichAssociate Professor, Cand. of Phys.-Math. Sciences Faculty of Physics, Moscow State University119899, Moscow, Russian Federation, Lenin Hills 1 E-mail: [email protected]

ИЗВЕСТИЯ

60


РИС. 1 Зависимость активности окисления CO, энергетической щели в электронном спектре наночастицы золота и их распределения по размерам

РИС. 2 Потенциальная энергия кристалла с поверхностью в модели Тамма – Кронига – Пенни

РИС. 3 График для определения границ разрешенных и запрещенных зон (черные точки); Ω1 < Ω2.

1.00

2.20 1.80 1.40

0.60

Au/TiO2

A 60

45

30

15

0

Кластеры Au с

щириной щели 0.2-

0.6 эв

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0 10.10 Диаметр класткера Au (nm)

b

U1

x

U

U0

0

a

1 aka

2Ω a

ka

1Ω

akaΩ

)sin(ka

ka 0 π π3 π2

1.50 1.20 0.90 0.60 0.30 0.0

Au/TiO2(110) B

ВНИМАНИЕВ 3 настоящего издания, на страницах 36–39 была опубликована статья

«О роли модифицированных таммовских состояний в росте каталитической активности наночастиц переходных металлов» (авторы: В.Н. Никифоров, Б.Л. Оксенгендлер, Б. Аскаров, И.Н. Нургалиев).

Для полного понимания текста изданной статьи необходимы рисунки, которые автором были переданы в редакцию после выхода в свет журнала. Публикуем эти рисунки.

π π π


61

РИС. 4 Схематическая качественная зависимость энергии Таммовского уровня (1) и показателя затухания волновой функции Таммовского электрона (2) от радиуса наночастицы

РИС. 5 Геометрическая схема концертного взаимодействия молекулы кислорода с Таммовским состоянием нанокластера золота

РИС. 6 Квантовохимичесчкая модель взаимодействия электронных состояний молекулы кислорода с Таммовским состоянием нанокластера золота: электронные уровни энергии а) ВЗМО и НСМО O2; б) I – потенциал ионизации атома Au,

Тc – уровень Тамма нанокатализатора Au, Ts – уровень Тамма полубесконечного катализатора Au и A – работа выхода золота

E α

2

1

R

уровень энергии вакуума

Tc

ypxp*π

Szp*σ

E (эВ)

1.47

12.08

4.80

9.18

0

A

I

Ts

б) а)

Au

TO

O O

R

π

σ

академик лазарев в.б. (1929–1994)

19 сентября 1994 года, двадцать лет назад, не стало выдающегося ученого, академика владислава борисовича лазарева, главного редактора журнала «неорганические материалы», действительного члена академии инженерных наук им. а.м. Прохорова

Владислав Борисович Лазарев родился 25 июля 1929 года в пос. Реутово Балашихинского района Московской области.

Основные вехи его биографии:1947 г. – окончил школу 46 г. Москвы. 1947–1952 гг. – учился на физфаке МГУ М.В. Ломоносова, который закончил с отличием.1952–1954 гг. – работа в ВНИПИ подземной газификации Минуглепрома.1954–1957 гг. – аспирант ИОНХ.01.07.1958 г. – защита кандидатской диссертации. 20.12.1968 г. – защита докторской диссертации. 1970–1994 гг. – заведующий лабораторией химической термодинамики ИОНХ им. Н.С. Курнакова.1973–1992 гг. – зам. директора ИОНХ РАН.1975 г. – награждение орденом «Знак Почета».23.04.1976 г. – присвоение звания профессор.1979 г. – открытия 196, 197. – гл. ред. Журнала «Известия АН СССР. Сер. Неорганические материалы»

(позднее «Неорганические материалы»). – председатель Научного совета АН СССР по термическому анализу

(с 1993 г. Национального комитета по термическому анализу и калориметрии).1981 г. – присуждена государственная премия СССР. 1987 г. – Премия Совета Министров СССР. 1990 г. – избрание чл.-корр. РАН по Отделению физикохимии и технологии неорганических материалов

(неорганическая химия).1994 г. – избрание академиком РАН по Отделению физикохимии и технологии неорганических материалов

(физикохимия и технология неорганических материалов).

Научные интересы В.Б. Лазарева охватывали проблемы химии и термодинамики простых и сложных оксидов, химии и термодинамики полупроводников и энергоемких веществ, проблемы создания неорганических материалов для электроники, светотехники, радиотехники, промышленности средств связи, решения задач защиты от высокоско-ростных деформаций. Он был крупным специалистом в области неорганической химии, физико-химии твердого тела и химической термодинамики, автором более 400 научных работ, в том числе двух открытий, 6 монографий и 70 изобретений.

В.Б. Лазаревым был выполнен цикл исследований по синтезу и изучению свойств простых и сложных оксидов с це-лью получения веществ, обладающих ценными свойствами для практического использования в микроэлектронике и электротехнике. Совместно с Н.М. Жаворонковым и И.С. Шаплыгиным в 1979 году была открыта закономерность зависимости характера электропроводности сложного оксида, включающего атом металла платиновой группы, от электронной конфигурации атома благородного металла (открытие 197). Были выполнены основополагающие работы в области химии оксидов с металлическим характером электропроводности, впервые синтезированы слож-ные оксиды меди, лантана, стронция (бария) и др., явившиеся первыми представителями нового класса высокотем-пературных сверхпроводников.

Исследования Владислава Борисовича с соавторами (в числе которых были академик В.Я. Шевченко, член-кор-респондент РАН А.Д. Изотов, член-корреспондент АН СССР Г.Б. Бокий и другие) установили связь между электрон-ными и фононными свойствами двойных полупроводников и структурными изменениями в гомологических рядах полупроводниковых веществ и привели к открытию закономерности морфотропии, что легло в основу открытия 196. За разработку физико-химических основ получения полупроводниковых соединений группы AIIBV В.Б. Лаза-реву была присуждена Премия Совета Министров СССР 1987 г. как руководителю работы. В.Б. Лазаревым были раз-виты оригинальные научные представления в области физикохимии разрушения керамических тел под воздействи-ем высокоскоростной деформации и о формировании структуры неорганического полимера в системе полимер-растворитель. Решением ГКНТ СССР и Президиума АН СССР В.Б. Лазарев был утвержден руководителем ВНТК «Волна», объединяющего работу ряда организаций АН СССР и трех министерств по созданию новых материалов и электромеханических приборов нового типа на их основе. В.Б. Лазарев являлся председателем Национального комитета по термическому анализу, заместителем председателя Научного совета АН СССР по химической термоди-намике, членом редколлегии ряда журналов АН СССР, им подготовлено 30 кандидатов и докторов наук.

В этом году Владиславу Борисовичу исполнилось бы 85 лет.

Юрий Козьмич Воронько родился 31 мая 1932 года в г. Запорожье УССР. В 1954 году закон-

чил МГУ им. М.В. Ломоносова и в 1955 г начал научную деятельность в Физическом институте

им. П.Н. Лебедева. В 1983 г после образования Института общей физики РАН он возглавил ла-

бораторию спектроскопии кристаллов и стекол, где проработал до конца своей долгой жизни.

С 1962 года Ю.К. Воронько одним из первых приступил к изучению спектроскопии примес-

ных редкоземельных ионов и ионов группы железа в лазерных кристаллах в образован-

ном тогда по инициативе академиков Н.Г. Басова и А.М. Прохорова отделе монокристаллов

ФИАН. Предложенные им методы концентрационных серий, добавок, селективного воз-

буждения, радиационного воздействия внесли существенный вклад в развитии нового в

60–70-х годах направления – спектроскопии материалов квантовой электроники. Одно-

временно им были начаты пионерские работы по изучению процессов взаимодействия

различных оптических центров и передачи энергии возбуждения между редкоземельными

ионами, которые впоследствии стали широко применяться для увеличения эффективность

активных лазерных сред. Эти работы стали классическими, а их результаты не потеряли

актуальность и в настоящее время.

Ю.К.Воронько внес значительный вклад в исследовании аспектов получения индуцированно-

го излучения на кристаллах фторидов лития с различными типами центров окраски, которые

нашли применение в качестве активных элементов лазеров и пассивных лазерных затворов.

С участием Юрия Козьмича Воронько были начаты работы, приведшие к развитию нового на-

учного направления – исследования фазообразования, плавления и кристаллизации широ-

кого класса материалов (оксидов, фосфатов, боратов и др.) методом высокотемпературной

(до 2000 К) спектроскопии КРС.

Ю.К.Воронько подготовил более 20 кандидатов наук. Под его руководством начинали свою

научную деятельность академик РАН И.А. Щербаков и член-корреспондент РАН Т.Т. Басиев.

Светлая память о Юрии Козьмиче Воронько навсегда останется в сердцах родных, друзей и

сотрудников, которые знали его как доброжелательного, веселого и оптимистичного человека.

Президиум академии инженерных наук имени А.М. Прохорова и институт общей физики Российской академии наук

юрий козьмич воронько

Президиум академии инженерных наук имени а.м. Прохорова и институт общей Физики российской академии наук с глубоким Прискорбием сообщают, что 24 ноября 2014 года на 83-м году жизни скончался юрий козьмич воронько – главный научный сотрудник научного центра лазерных материалов и технологий иоФран, доктор Физико-математических наук, ПроФессор, лауреат Премии совета министров ссср, действительный член аин им. а.м. Прохорова, заслуженный деятель науки рФ. воронько ю.к. был одним из ведущих сПециалистов в области сПектроскоПии лазерных кристаллов, Физике твердого тела, квантовой электроники, автор свыше 300 научных работ.

64

УКАЗАТЕЛЬ СТАТЕЙ, ОПУБЛИКОВАННЫХ В ЖУРНАЛЕ в 2014 г.

Большухин В.А., Булычев Н.А., Гарелина С.А. Казарян М.А., Муравьев Э.Н., Чернов А.А.

о некоторых возможных Применениях люминоФоров длительного Послесвечения 3Бритов А.Д.

курбатов леонид николаевич – выдающийся ученый в области Фото- и оПтоэлектроники (1913–2004) 2

Бузановский В.А.газовые химические наносенсоры с чувствительными элементами на основе оксида молибдена 3

Булычев Н.А., Муравьев Э.Н., Чернов А.А., Казарян М.А.Плазмохимические реакции в жидких средах Под действием акустоПлазменного разряда 1

Булычев Н.А., Чайков Л.Л. Муравьев Э.Н., Чернов А.А., Казарян М.А.

исследование размерных характеристик наночастиц оксидов металлов, Полученных в акустоПлазменном разряде методом динамического рассеяния света 3

Галустов Г.Г., Завтур Е.Е.об исПользовании системы биномиальных моментных Функций для классиФикации случайных Процессов 4

Горобец Б.С.100 лет со дня рождения я.б. зельдовича – главного теоретика aтомного Проекта ссср 1

Егоров В.К., Егоров Е.В.об особенностях расПространения Потоков рентгеновских лучей в наноразмерных щелевых зазорах 4

Иванов Д.С.энергомоделирование как инструмент анализа энергоэФФективных зданий 2

Изотов А.Д., Маврикиди Ф.И.Построение статистических кривых По данным измерений в материаловедении 4

Кустов Д.М., Бундюк А.В. Гончаров Е.О., Курчатов И.С.

ик лазеры на ПолуПроводниках aiibvi и aiiibv с ионами Co2+ 2Лукин Е.С., Попова Н.А., Ануфриева Е.В. Сафина М.Н., Горелик Е.И., Сабурина И.Н., Муравьев Э.Н.

современная оксидная керамика и области ее Применения 2Лунев Г.Г.

оПределение резервов Повышения эФФективности Производства за счет исПользования вторичных строительных ресурсов 1

Любченко В.Е., Калинин В.И., Котов В.Д. Радченко Д.Е., Телегин С.А., Юневич Е.О.

логоПериодическая активная антенна, интегрированная с волноводом на диэлектрической Подложке 3

Маренкин С.Ф., Изотов А.Д., Федорченко И.В.технологические основы Получения магнитогранулированных структур в системах ПолуПроводник-Ферромагнетик 3


65

Мирошникова И.Н., Х.С.Х. Мохамед Пресняков М.Ю., Мирошников Б.Н.

влияние Поверхностноадсорбированного кислорода на Параметры Фоторезисторов на основе pb-s-о 1

Мирошникова И.Н.

Фотоэлектрические Приемники ик-излучения: история разработки 2Митин А.Т., Митина А.А.

из истории развития средств отображения навигационной обстановки и возможность исПользования оПыта их Применения При Пилотируемом Полете к луне 4

Никифоров В.Н., Ржевский В.В.

к воПросу уПругих наПряжений в высокотемПературных сверхПроводниках 2Никифоров В.Н., Оксенгендлер Б.Л. Аскаров Б., Нургалиев И.Н.

о роли модиФицированных таммовских состояний в росте каталитической активности наночастиц Переходных металлов 3

Никифоров В.Н.

метрологические асПекты исПользования наночастиц 4Порев В.А., Пахалюк Р.И., Божко К.М.

исследование люминесцирующих деФектов солнечных Панелей 1Порев В.А., Порев Г.В.

комПенсация систематической Погрешности измерения темПературы Поверхности зоны Плавки 2

Порев В.А., Дунаевский В.И., Божко К.М.термограФический контроль солнечных элементов и батарей в режиме стабилизации нагрева темновым током 2

Семенов В.Н.исследование механизма Появления трещин в заготовках из сПлавов в Процессе сварки конструкций жидкостных ракетных двигателей 4

Собко А.А. оПисание линии исПарения жидких газов обобщенным уравнением ван-дер-ваальса-бертло 3

Собко А.А.оПисание линии исПарения жидких металлов обобщенным уравнением ван-дер-ваальса-бертло 4

Соколов Д.Ю.Проблемы защиты интеллектуальной собственности в российской Федерации и их решение 4

Солинов В.Ф., Михайленко Н.Ю., Шелаева Т.Б.

Получение стронций-алюмо-силикатного ситалла Повышенной однородности 3Сусов Е.В.

к истории разработки в ссср и рФ материала Cdxhg1-xte и ФотоПриемников на его основе для теПловизионной техники 1

Травкин Н.Н.исследование металлодиэлектрических наноматериалов, Полученных термическим разложением металлоорганических соединений 1

Травкин Н.Н.

Прохоровская Премия академии инженерных наук 1

66

1. При направлении материалов для публикации в журнале необходимо заполнить карточ-ку «Сведения об авторе» (на русском и английском языках), например: – 111222, Москва, ул. генерала Авдеева, д. 2, корп. 4, кв. 444. – 111222, Moscow, street of General Avdeeva, house 2, build. 4, apart. 444.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРЕ:

Фамилия.........................................................Имя.................................................................Отчество.........................................................Дата и место рождения...................................Адрес регистрации (прописки) по паспорту с указанием почтового индекса...........Адрес фактического проживания с указанием почтового индекса..........................Контактная информация

(домашний, служебный и мобильный телефоны, электронный адрес)................Название организации

(место работы (учебы)) вместе с ведомством, к которому она принадлежит, занимаемая должность, адрес организации с указанием почтового индекса....

Ученая степень и звание ( диплома, аттестата, кем и когда выдан)......................

2. Объем статьи не должен превышать 20 страниц машинописного текста. Текст необходимо набирать в редакторе Word шрифтом 12, Times New Roman; текст не форматируется, т.е. не имеет табуляций, колонок и т.д. Статьи должны быть свободны от сложных и громоздких предложений, математических формул и особенно формульных таблиц, а также промежуточных математических выкладок. Нумеровать следует только те схемы и формулы, на которые есть ссылка в последующем изложении. Все сокращения и условные обозначения в схемах и формулах следует расшифровать, размерности физических величин давать в СИ, названия иностранных фирм и приборов – в транскрипции первоисточника с указанием страны.

3. Отдельным файлом должны быть присланы аннотация и ключевые слова на русском и английском языках. В аннотации полностью должна быть раскрыта содержательная сторона публикации и полученные результаты (выводы). Аннотация должна иметь объем от 100 до 250 слов. После аннотации дается перечень ключевых слов – от 5 до 10.

4. Список использованной литературы (лишь необходимой и органически связанной со статьей) составляется в порядке упоминания и дается в конце статьи. Ссылки на литературу в тексте отмечаются порядковыми цифрами в квадратных скобках, а именно: [1, 2]. Желательно, чтобы список литературы содержал не менее 10–12 источников, в том числе как минимум – три зарубежные публикации (желательно из трех стран) в данной области за последние 5–10 лет.

Список литературы представляется на русском, английском языках и латинице (романским алфавитом). Вначале дается список литературы на русском языке, имеющиеся в нем зарубежные публикации – на языке оригинала. Затем приводится список литературы в романском алфавите, который озаглавливается References и является комбинацией англоязычной [перевод источника информации на английский язык дается в квадратных скобках] и транслитерированной частей русскоязычных ссылок. В конце статьи приводится название статьи, фамилия, имя, отчество автора(ов), ученая степень, ученое звание, должность и место работы, электронный адрес хотя бы одного из авторов для связи и точный почтовый адрес организации (место работы автора) на русском и английском языках, при этом название улицы дается транслитерацией.

Список литературы следует оформлять в соответствии с Международными стандартами.

ПРАВИЛА ОФОРМЛЕНИЯ, РАССМОТРЕНИЯ, ПУБЛИКАЦИИ И РЕЦЕНЗИРОВАНИЯ СТАТЕЙ


67

ПРИМЕР ОФОРМЛЕНИЯ ЛИТЕРАТУРЫ

• Статья из периодического журналаБаранов М.И., Веселова Н.В. Основные достижения отечественных и зарубежных научных школ в области техники высоких напряжений. Часть 1: Московская, Ленинградская, Томская и Киевская школы ТВН // История науки и техники. 2012. Т. 2. 3. С. 38−52.

• ReferencesПеревод русского текста на латиницу необходимо производить с использованием ресурса http://shub123.ucoz.ru/Sistema_transliterazii.html. Онлайн транслит-переводчик. Перевод на английский язык – с помощью ресурса http://translate.google.com/ «Google Переводчик» – онлайн-перевод текстов.

Схема представления статьи: автор (ры), название статьи пишется на латинице, далее в квадратных скобках название статьи на английском языке. Название журнала – на латинице, далее в квадратных скобках – перевод названия на английский язык. Год, номер (том, выпуск), страницы. При этом слово «том» пишется не полностью – volume, а сокращенно – Vol.

Baranov M.I., Veselova N.V. Osnovnye dostizheniya otechestvennykh i zarubezhnykh nauchnykh shkol v oblasti tekhniki vysokikh napryazheniy. Chast 1: Moskovskaya, Leningradskaya, Tomskaya i Kievskaya shkoly TVN [The main achievements of Russian and foreign scientific schools in the art of high voltages. Part 1: Moscow, Leningrad, Tomsk and Kiev school TVN]. Istoriya nauki i tekhniki [History of science and Engineering]. 2012. Vol. 2. 3. PP. 38–52.

Перевод всегда необходимо перепроверять. Так, например, в указанном выше переводе «Google Переводчик» – онлайн-перевод текстов сделан правильно, однако последовательность школ в конце изменена, то есть Московская, Ленинградская, Томская и Киевская школы ТВН, были переведены как Moscow, Leningrad, Kiev and Tomsk school TVN. В таких случаях автору надо самому исправить неточность перевода, внести коррективу и написать Moscow, Leningrad, Tomsk and Kiev school TVN, как это дается выше.

• МонографияИщенко А.М. Отечественное приборостроение: становление и развитие. М.: Научтехлитиздат, 2011. Ishchenko A.M. Otechestvennoe priborostroenie: stanovlenie i razvitie [Domestic instrument: Development and Evolution]. M.: Nauchtekhlitizdat [Moscow: Publishing house «Nauchtehlitizdat»]. 2011. 240 p.

Название издательства «Научтехлитиздат» на английский язык не переводится, поэтому пишется латинскими буквами. Если книга и/или монография издана в издательстве название, которого переводится на английский, то сначала надо дать транслитерацию названия издательства, а потом в квадратных скобках указать перевод этого названия на английский язык. При этом обращаем Ваше внимание, что в России принято название города Москвы указывать сокращенно – М., однако зарубежные читатели могут не понять, что это город Москва, а может быть книга издана в Мурманске, Магнитогорске, Мариуполе. Поэтому в квадратных скобках указываем полное название города – Moscow, а если это город, где издана монография и/или книга, например, Мариуполь: Издательство «Звезда», или Магнитогорск: Издательство «Сталь», то в квадратных скобках кроме города указываем перевод названия издательства на английский язык.

Например: Иванов И.И. Проблемы разработки недр. М.: Наука, 2012. 320 с. В References эту книгу указываем так: Ivanov I.I. Problemy razrabotki nedr [Problems of development of mineral resources]. M.: Nauka [Moscow: Publishing house «Science»]. 2012. 320 p.

Особо обращаем внимание авторов, что если Вы ссылаетесь на статью, то обязательно надо указать страницы от и до, на которых она напечатана, при этом букву «с» надо ставить перед страницами. Например, С. 22–37, в References – РР. 22–37. Если дается ссылка на монографию, то буква «с» ставится после указания количества страниц. Например, 240 с. В References – 240 p. Все материалы необходимо направлять на электронный адрес редакции, а также на почтовый адрес редакции (107258, Москва, Алымов пер., д. 17, стр. 2, ООО «Научтехлитиздат», редакция журнала «указать название журнала») с подписями автора(ов) на каждой странице.

ИЗВЕСТИЯ

68


ЭТАПЫ РАССМОТРЕНИЯ И ПУБЛИКАЦИИ СТАТЬИ

1. Регистрация статьи и присвоение ей индивидуального номера.

2. Определение соответствия содержания статьи тематике журнала. Если содержание не совпадает с тематикой публикуемых статей в журнале, статья снимается с рассмотрения; об этом сообщается автору (или авторам). Неопубликованный материал авторам не возвращается.

3. Направление статьи рецензенту, крупному специалисту в данной области.

4. Рассмотрение замечаний и пожеланий рецензента; при необходимости обращение к автору с просьбой учесть замечания и пожелания рецензента. При получении от рецензента отрицательной рецензии статья передается другому рецензенту. При отрицательном результате повторного рецензирования статья снимается с рассмотрения.

5. Научное редактирование.

6. Литературное редактирование.

7. Корректура статьи.

8. Верстка статьи.

После прохождения вышеперечисленных этапов статья включается в список подготовленных для публикации статей и публикуется в порядке общей очереди.

ПРАВИЛА РЕЦЕНЗИРОВАНИЯ СТАТЕЙ

Любая статья, поступающая в редакцию журнала, независимо от личности автора(ов) направляется рецензенту, крупному специалисту в данной области.

Статья рецензенту передается безличностно, т.е. без указания фамилии автора(ов), места работы, занимаемой должности и контактной информации (адреса, телефона и E-mail адреса).

Рецензент на основе ознакомления с текстом статьи обязан в разумный срок подготовить и в письменной форме передать в редакцию рецензию, в обязательном порядке содержащую оценку актуальности рассмотренной темы, указать на степень обоснованности положений, выводов и заключения, изложенных в статье, их достоверность и новизну. В конце рецензии рецензент должен дать заключение о целесообразности или нецелесообразности публикации статьи.

При получении от рецензента отрицательной рецензии статья передается другому рецензенту. Второму рецензенту не сообщается о том, что статья была направлена рецензенту, и что от него поступил отрицательный отзыв. При отрицательном результате повторного рецензирования статья снимается с рассмотрения и об этом сообщается автору(ам).

Автору(ам) редакция направляет копии рецензии без указания личности рецензента.

В исключительных случаях, по решению редакционной коллегии, при получении от двух рецензентов отрицательного отзыва, статья может быть опубликована. Такими исключительными случаями являются: предвзятое отношение рецензентов к рассмотренному в статье новому направлению научного нововведения; несогласие и непризнание рецензентами установленных автором фактов на основе изучения и анализа экспериментальных данных, результатов научно-исследовательских, опытно-конструкторских и других работ, выполненных на основании и в рамках Национальных и государственных программ и принятых заказчиком; архивных и археологических изысканий, при условии предоставления автором документальных доказательств и т.д.

ISSN 2307-163Х

NEWS ACADEMY OF ENGINEERING SCIENCES

A.M. PROKHOROV

4 ∙ 2014

ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ

ИНЖЕНЕРНЫХ НАУК им. А.М. ПРОХОРОВА

Известия академии инженерных наук 2014 №4

Documents

russiagromov ju

russiaprohockij ju

russiachuguj ju

russiakubarev ju

russiaguljaev ju

public corporation rospechat

alferov zh

sciencesexecutive secretary