Выходит два раза в квартал · 2011-12-26 · Шунгит является...

1

Выходит два раза в квартал Научный журнал издается с января 2003 года

Главный редактор М . П . Б а т у р а

Редакционная коллегия: А.П. Кузнецов (зам. главного редактора), Л.М. Лыньков (зам. главного редактора),

Т.В. Борботько (ответственный секретарь), В.Е. Борисенко, С.Е. Карпович, Н.Т. Квасов, В.К. Конопелько,

А.А. Кураев, В.А. Лабунов, В.В. Муравьев, Р.Х. Садыхов

Редакционный совет: И.И. Абрамов, В.Е. Агабеков, В.В. Баранов, А.И. Белоус, И.В. Боднарь, С.В. Бордусов, С.В. Гапоненко, В.В. Голенков, В.Ф. Голиков, А.Л. Гурский, Л.И. Гурский, А.П. Достанко, В.А. Емельянов, И.Е. Зуйков, В.М. Колешко, Ф.Ф. Комаров, Ф.П. Коршунов, С.П. Кундас, В.А. Куренев, В.И. Курмашев, С.В. Лукьянец, В.Е. Матюшков, Л.И. Минченко, Ф.И. Пантелеенко, А.А. Петровский, В.А. Пилипенко, С.Л. Прищепа, A.M. Русецкий, В.А. Сокол, Н.К. Толочко, А.А. Хмыль, В.В. Цегельник, В.А. Чердынцев, Г.П. Яблонский, В.Н. Ярмолик

АДРЕС РЕДАКЦИИ:

220013, Минск, ул. П. Бровки, 6, к. 325

293-88-41 [email protected]

www.doklady.bsuir.by

СОДЕРЖАНИЕ

ЭЛЕКТРОНИКА, РАДИОФИЗИКА, РАДИОТЕХНИКА, ИНФОРМАТИКА Бойправ О.В., Махмуд М.Ш., Неамах М.Р. Влияние экранов с геометрически неоднородной поверхностью на ослабление мощности электромагнитных излучений 5

Лукьянец С.В., Кривальцевич Д.В. Имитационное моделирование сложных систем....................... 11

Хлудеев И.И., Кравченко И.Е., Зорин В.П. Сравнительный анализ процессов локализации хлориновых фотосенсибилизаторов в кровеносных сосудах и сенсибилизации ими реакции гемостаза ...................................................................................................................................................................... 18

2

Муха В.С., Козячий А.Н. Квадратичное прогнозирование векторной случайной последователь-ности............................................................................................................................................................. 25

Купреева О.В., Сасинович Д.А., Лазарук С.К., Борисенко В.Е. Особенности формирования наноструктурированного оксида титана при пониженной температуре ...................................... 29 До Тиен Хунг, Давыденко И.Н. Параметрическая оптимизация автокомпенсатора активных шумовых помех........................................................................................................................................... 34 Кураев А.А., Навроцкий А.А., Синицын А.К. ЛБВ-О с оптимальным профилем диэлектрических опор .............................................................................................................................................................. 38

Гурский Л.И., Каланда Н.А., Демьянов С.Е., Голосов Д.А., Завадский С.Е., Петров А.В., Телеш Е.В., Ковалев Л.В. Влияние условий синтеза на электротранспортные свойства сегнетоэлектрических пленок цирконата-титаната свинца 44

Гололобов Д.В., Завадский С.А., Кирильчук В.Б. Оценка отражательных характеристик анизотропных сред плазмоподобного типа 50 Ревотюк М.П., Батура П.М., Полоневич А.М. Реоптимизация кратчайших путей приращений при решении асимметричных задач коммивояжера. ....................................................................................... 56

Нгуен Куок Хань Вопросы построения интегрированной системы на основе принципов сервис-ориентированной архитектуры................................................................................................................... 63 Апорович В.А, Минов А.И., Обуховская Е.А. Оценочная модель выхлопного факела баллистической ракеты как источника инфракрасного излучения при обнаружении из космоса......... 67 Ганэ В.А., Ахмед Н.Т. Моделирование функционирования робастной системы при детерминированном обобщенном возмущении........................................................................................ 74

Сорокин В.М., Коломзаров Ю.В., Миняйло М.А., Титаренко П.А., Шкавро А.Г. Исследование влияния растворителей сопряженных полимеров на характеристики планарных гетероструктур ITO/PEDOT:PSS/PF/Al и ITO/PEDOT:PSS/MEH-PPV/Al......................................................................... 81

Ареби Мажед Али Оптимизация полосы прозрачности режекторного фильтра для замкнутых контуров....................................................................................................................................................... 87

Николаенко И.А., Ореховская Т.И., Степанова Л.С., Руденко М.В., Артемьева К.В., Ашариф А.М., Гапоненко Н.В., Мудрый А.В. Люминесценция и спектроскопия возбуждения в структурах, сформированных на основе пористого анодного оксида алюминия................................... 92

Учредитель: Учреждение образования "Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники"

Редактор Т.В. МИРОНЕНКО

Компьютерный дизайн и вёрстка Е.Г. МАКЕЙЧИК Подписано в печать 10.08.2010. Формат 6084 ⅛. Гарнитура "Таймс".

Печать ризографическая. Усл. печ. л. 15,35. Уч. изд. л. 13,5. Тираж 120 экз. Заказ 232. Индекс для индивидуальной подписки 00787. Подписная цена 15 400 р. Индекс для ведомственной подписки 007872. Подписная цена 15 455 р.

Отпечатано в БГУИР. Лицензия ЛП № 02330/0494175 от 03.04.2009. 220013, г. Минск, ул. П. Бровки, 6. Издатель: Учреждение образования "Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники" Свидетельство о государственной регистрации средства массовой информации № 1087 от 23.01.2010.

БГУИР, 2011

3

Published twice quarterly The journal has been published since January, 2003

Editor-In-Chief M . P . B a t u r a

ADDRESS OF EDITORIAL OFFICE

220013, Minsk, P. Brovka Str., 6, Room 325

293-88-41 [email protected]

www.doklady.bsuir.by

CONTENTS

ELECTRONICS, RADIOPHYSICS, RADIO ENGINEERING, INFORMATICS Boiprav O.V., Mahmoud M.SH., Neamah M.R. Influence of screens with geometrically non-uniform surface on capacity easing of electromagnetic radiations 5 Lukjanets S.V., Krivaltsevich D.V. Simulation modeling of complex system............................................. 11

Khludeyev I.I., Kravchenko I.E., Zorin V.P. The comparative analysis of processes of chlorine photosensitizers localization in blood vessels and sensitizations them of hemostasis reaction. 18

Mukha V.S., Kozyachy A.N. Square-law forecasting of vector random sequence 25

Kupreeva O.V., Sasinovich D.A., Lazarouk S.K., Borisenko V.E. Formation of titanium dioxide nanostructures 29

Do Tien Hung, Davydzenka I.N. The optimal parameters canseller of jammer 34

Kurayev A.A., Navrotsky A.A., Sinitsyn A.K. The twostage TWT with dielectrics corrective of the slowing 38

Gurskii L.I., Kalanda N.A., Demyanov S.E., Golosov D.A., Zavadsky S.E., Petrov A.V., Telesh E.V., Kovalev L.V. The influence of synthesis conditions on electrical transport properties of lead zirconium titanate ferroelectric films. 44

Gololobov D.V., Zavadski S.A., Kirilchuk V.B. The estimation of reflection characteristics of plasma like anisotropic media 50

Revotjuk M.P., Batura P.M., Polonevich A.M. Reoptimization of the shortest augmenting paths in asymmetric traveling salesman problem 56

4

Nguyen Quoc Khanh Problems of building an integrated system based on fundamental principles of service-oriented architecture............................................................................................................. 63

Aparovich U.A., Minau A.I., Abukhouskaya Y.A. Estimation model of the ballistic missile jet frame considered as a source of infrared radiation detected from space ............................................. 67 Gane V.A., Ahmed N.T Simulation of the robust systems in generalized deterministic perturbation . 74

Sorokin V.M., Kolomzarov Y.V., Minyajlo M.A., Tytarenko P.A., Shkavro A.G. Investigation of the solvent influence on the characteriatics of the planar ITO/PEDOT:PSS/PF/Al и ITO/PEDOT:PSS/MEH-PPV/Al hetherostructures .............................................................................. 81

Arebi Majed Ali Optimization band transparency rejecting filter for closed circuit contour .............. 87

Nikolaenko I.A., Orekhovskaya T.I., Stepanova L.S., Rudenko M.V., Artemyeva K.V., Asharif A.M., Gaponenko N.V., Mudryi A.V. Luminescence and excitation spectroscopy in the structures on the basis of porous anodic alumina............................................................................... 92

5

ДОКЛАДЫ БГУИР 2011 № 3 (57)

ЭЛЕКТРОНИКА, РАДИОФИЗИКА, РАДИОТЕХНИКА, ИНФОРМАТИКА, ЭЛЕКТРОНИКА

УДК 621.315.5/.7

ВЛИЯНИЕ ЭКРАНОВ С ГЕОМЕТРИЧЕСКИ НЕОДНОРОДНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ НА ОСЛАБЛЕНИЕ МОЩНОСТИ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ

О.В. БОЙПРАВ, М.Ш. МАХМУД, М.Р. НЕАМАХ

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники П. Бровки, 6, Минск, 220013, Беларусь

Поступила в редакцию 23 марта 2011

Приводятся результаты исследований влияния экранов с пирамидальной поверхностью, изготовленных на основе бетона, шунгитового и тауритового порошков, на ослабление мощности электромагнитных излучений (ЭМИ) в диапазоне частот 0,7…16 ГГц. Показана эффективность использования этих экранов для защиты от излучений радиолокационных систем.

Ключевые слова: мощность электромагнитного излучения, экраны с пирамидальной поверхностью, экраны с плоской поверхностью, шунгит, таурит.

Введение

В комплексе мероприятий, проводимых любым государством и направленных на без-условное обеспечение национальной безопасности, важное место занимают разработка и раз-витие средств получения информации о воздушно-космической обстановке. Эти средства включают в себя мощные радиолокационные системы (РЛС), которые позволяют решать со-вмещенно задачи обнаружения, сопровождения и распознавания объектов, обеспечивать одно-временную работу по большому числу целей [1, 2]. Для корректного функционирования дан-ных систем требуется уменьшение уровня сигналов, отражаемых от зданий и сооружений (пас-сивных помех). Оно может быть достигнуто путем использования радиопоглощающих покрытий (РПП) в структуре отражающих эти сигналы объектов.

Все известные на сегодняшний день РПП делятся на несколько основных типов: резо-нансные, градиентные и конфигурационные (геометрически неоднородные) [3].

РПП резонансного типа основаны на явлении суперпозиции отраженных от нескольких поверхностей волн. В случае, когда волны, отраженные от поверхностей электропроводящей пленки и металлической основы, находятся в противофазе и одинаковы по амплитуде, проис-ходит их взаимная компенсация. Создание разности фаз в полволны осуществляют нанесением λ/4-слоя диэлектрика, при этом его толщина зависит от длины волны в свободном пространстве и диэлектрической проницаемости. К основным недостаткам РПП данного типа относятся уз-кополосность, ухудшение поглощающих свойств при наклонном падении волны, зависимость от поляризации и необходимость увеличения толщины при уменьшении частоты ЭМИ [4].

Для расширения рабочего диапазона частот используются РПП градиентного типа, представляющие собой многослойные структуры с плавным или ступенчатым изменением по толщине комплексной диэлектрической (или магнитной) проницаемости; увеличение тангенса угла диэлектрических потерь при этом обеспечивается в направлении к задней поверхности. Однако этот тип РПП является наиболее сложным с точки зрения практической реализации [3].

6

Конфигурационные РПП обладают определенной геометрией наружной или внутрен-ней сторон в виде выступающих шипов, пирамид, конусов, преобразующих плоскую падаю-щую волну в поверхностную, которая в дальнейшем погашается в поверхностном слое [5]. Такие покрытия имеют широкую рабочую полосу частот, малый коэффициент отражения и, как правило, меньшую по сравнению с градиентными покрытиями массу. Однако чаще всего размеры РПП со структурой подобного типа превышают размеры плоскослоистых РПП.

Таким образом, большинство разрабатываемых в настоящее время средств уменьшения радиолокационной заметности объектов не способно обеспечить их малоотражающие свойства в широком диапазоне частот, имея при этом требуемые минимальные массогабаритные характеристики [3].

Цель работы – создание экранов со сниженными массогабаритными параметрами, обеспечивающих подавление ЭМИ антенно-передающих средств радиолокационных и телекоммуникационных систем в диапазоне частот 0,7…16 ГГц.

Методика проведения эксперимента В качестве основных материалов для изготовления поверхностного слоя экранов были

взяты порошкообразные шунгит и таурит. Шунгит относится к группе твердых углеродистых минеральных веществ, представ-

ляющих в основной массе аморфные разновидности углерода, близкие по составу к графиту. Химический состав шунгита непостоянен: в среднем содержит 30–40% углерода и 60–70% зо-лы. В золе содержится 35–50% окиси кремния, 10–25% окиси алюминия, 4–6% окиси калия, 1–5% окиси натрия, 1–4% окиси титана [6]. Основным структурным элементом шунгита являют-ся закрытые полые глобулы размером до 20 мкм. Установлено также наличие межглобулярных пустот [7]. Крупнейшее в мире разведанное месторождение шунгитовых пород – Зажогинское, расположенное в Республике Карелия (Российская Федерация).

Коксуский шунгит называют тауритом. Его крупнейшее месторождение находится в Алматинской области (Республика Казахстан). Основное отличие между шунгитом и тауритом заключается в процентном содержании в составе этих минералов углерода (для таурита оно лежит в пределах 10–15%) [8].

Шунгит является элекропроводным материалом, его удельное сопротивление составля-ет от 3,53∙10−3 до 3,29∙10−2 см. Это позволяет получать значение коэффициента передачи слоя порошкообразного шунгита толщиной 3 мм не ниже −9 дБ при значении коэффициента отра-жения, равном −5 дБ. Величину коэффициента передачи можно снижать, например, с помощью создания металлических кластеров на поверхности шунгитового порошка (в [9] в диапазоне частот 8…12 ГГц для такого образца было получено значение –12 дБ при незначительном уве-личении коэффициента отражения). Кроме того, шунгитовый порошок, благодаря своим инги-биторным свойствам, композитному составу, невысокой стоимости и массе может использо-ваться в качестве компонента для производства материалов, обеспечивающих эффективное эк-ранирование ЭМИ [9].

В лабораторных условиях были изготовлены 2 смеси с целью создания на их основе 2 объектов исследования – образцов защитных экранов с пирамидальной поверхностью: бетон (60%) и шунгит (40%), бетон (60%) и таурит (40%). Установлено, что высота неоднородностей у данных экранов составляет 30 мм.

7

Рис. 1. Внешний вид экрана с пирамидальной поверхностью,

изготовленного на основе смеси бетона и таурита

Исследования изготовленных экранов включали в себя 3 этапа: калибровка измери-

тельной системы, измерения в выбранном диапазоне частот уровня мощности ЭМИ, прошед-шей через образец, и анализ построенных на основе результатов измерений графических зави-симостей. Структурная схема измерительной установки представлена на рис. 2.

Рис. 2. Структурная схема измерения уровня мощности электромагнитной волны,

прошедшей через защитный экран

Для проведения исследований были взяты 19 частот из диапазона 0,7…16 ГГц с разным интервалом между соседними значениями последних: для поддиапазона 0,7…1 ГГц – с интер-валом 0,1 ГГц, для поддиапазона 2…16 ГГц – с интервалом 1 ГГц. Данный частотный диапазон выбран, исходя из того, что большинство РЛС осуществляют в нем свою работу.

В результате осуществления двух этапов исследования для каждого из образцов на 19 частотах были получены значения уровней прошедшей мощности ЭМИ при значениях падаю-щей мощности в 1 мВт, 2 мВт, 3 мВт и 5 мВт. При этом между передающей и приемной антен-нами защитный экран не устанавливался.

Результаты калибровки приведены в таблице. Следует отметить, что калибровка на ка-ждой из частот проводилась десятикратно с целью увеличения точности дальнейших измере-ний. Рассчитано, что погрешность калибровки на всем рассматриваемом диапазоне составила 10 %.

На втором этапе исследований между антеннами устанавливался защитный экран, по-сле чего для каждой из 19 частот с помощью генератора поочередно формировались сигналы с уровнями мощности, соответствующими выбранным на первом этапе равным значениям уров-ней мощности сигнала на приемной антенне, и снимались показания измерителя.

8

Результаты калибровки измерительной системы по выходной мощности

Выходная мощность, мВт 1 2 3 5 Частота, ГГц

Входная мощность, дБм 0,7 10,3 13 14,8 17 0,8 5,1 8,2 9,9 12 0,9 4 7,1 8,8 11 1 2,6 5,7 7,3 9,5 2 3,7 6,6 8,3 10,5 3 7,1 10,1 11,9 14,3 4 8,1 11,2 13 15 5 12,1 15,3 17 19,2 6 13,9 16,5 18,4 20,6 7 13,2 16,3 18 20,3 8 14,9 17,9 19,8 22 9 11 14 15,7 17,9

10 12,1 15,4 17,3 19,6 11 15 18 19,9 22,2 12 14 17 18,7 20,9 13 16 19,1 20,9 23 14 16,2 19,2 21 23,1 15 18 20,6 22,3 25 16 17,1 20,2 21,8 23,8

Результаты и их обсуждение

В результате осуществления двух этапов исследования для каждого из образцов на 19 частотах были получены значения уровней прошедшей мощности ЭМИ в 1 мВт, 2 мВт, 3 мВт, 5 мВт.

Частотные зависимости уровней прошедшей мощности ЭМИ представлены на рис. 3, 4.

Рис. 3. Частотные зависимости уровня прошедшей мощности ЭМИ при разных уровнях мощности

падающего ЭМИ для экрана с пирамидальной поверхностью, изготовленного на основе смеси бетона и шунгита

9

Рис. 4. Частотные зависимости уровня прошедшей мощности ЭМИ при разных уровнях мощности

падающего ЭМИ для экрана с пирамидальной поверхностью, изготовленного на основе смеси бетона и таурита

Представленные графические зависимости получены на основании результатов измере-ний, проведенных после высыхания образцов из смеси бетона и порошкообразных шунгита и таурита. Результаты измерений, проведенных до высыхания образцов, дали меньшие значения выходной мощности на всех частотах, что объясняется присутствием в смеси воды, которая яв-ляется поглотителем энергии ЭМИ [10]. При воздействии на воду ЭМИ радиочастотного диа-пазона появляется дипольная поляризация, приводящая к повышению диэлектрической прони-цаемости, а, значит, и к повышению потерь энергии [11].

Установлено, что образцы с пирамидальной поверхностью, изготовленные на основе смеси бетона и шунгита, обеспечивают большее затухание мощности, чем образцы, изготов-ленные на основе смеси бетона и таурита. Углерод в шунгите, обрамляя частицы оксида крем-ния, создает вокруг них «проводящую сетку». В таурите из-за меньшего, чем в шунгите, со-держания углерода «проводящая сетка» относительно тонкая. В силу этого электропроводность шунгита больше электропроводности таурита, а, значит, уровень пропускаемой мощности ЭМИ шунгитом ниже, чем уровень пропускаемой мощности ЭМИ тауритом [9].

Выявлено, что для экрана, изготовленного на основе бетона и шунгита, значение коэф-фициента отражения в диапазоне частот 3…12 ГГц лежит в пределах –10…–20 дБ. Для экрана, изготовленного на основе смеси бетона и таурита, в данной частотной области оно лежит в пределах –9,8…–16,3 дБ.

Кроме того, установлено, что коэффициенты отражения у рассмотренных в данной ра-боте экранов ниже коэффициентов отражения экранов с плоской поверхностью, изготовленных из смесей бетона (60%) и шунгита (40%), бетона (60%) и таурита (40%). Значения коэффициен-тов отражения экранов с плоской поверхностью лежат в пределах –5…–1 дБ. Отражение элек-тромагнитной волны (ЭМВ) наблюдается на различных неоднородностях в материале, а при конструировании экранов определяется различием волновых сопротивлений среды распро-странения волны и экрана. Рассеивание плоского фронта ЭМВ на неоднородностях структуры радиопоглощающего материала или конструкции позволяет достигнуть более полного погло-щения электромагнитной энергии и уменьшения уровня отраженного сигнала. При отражении от неровной поверхности происходит изменение поляризации ЭМВ. Деполяризация рассеян-ной ЭМВ оказывается в точности такой же, как и при отражении от идеально проводящей плоскости [12].

10

Заключение

Изготовленные и рассмотренные в рамках данной работы экраны обладают низким значением коэффициента отражения в частотном диапазоне 3…12 ГГц и малым весом. Благо-даря этому они могут вводиться в структуру наружных стен зданий, которые отражают сигна-лы РЛС и вносят тем самым помехи в работу последних. Кроме того, способность данных эк-ранов эффективно подавлять мощность ЭМИ в частотном диапазоне 3…12 ГГц будет обеспе-чивать защиту людей, находящихся внутри таких построек, от негативных электромагнитных воздействий.

INFLUENCE OF SCREENS WITH GEOMETRICALLY NON-UNIFORM SURFACE ON CAPACITY EASING OF ELECTROMAGNETIC RADIATIONS

O.V. BOIPRAV, M.SH. MAHMOUD, M.R. NEAMAH

Abstract Investigation results of influence of electromagnetic capacity in a range 0,7 – 16 GHz on screens with

pyramidal surfaces based on concrete, shungite and taurit powders, are presented. Efficiency of using of these screens for radiation protection of radar-tracking systems is shown.

Литература 1. Фоксвел Д., Джаксен Д. // IDR (International Defense Review). 1998. Vol. 31. P. 43–45. 2. Truker S. // Jane’s NAVY International. 1998. Vol. 103, №6. 3. Алексеев А.Г., Штагер Е.А., Козырев С.В. Физические основы технологии Stealth. СПб., 2007. 4. Ковнеристый Ю.К., Лазарева И.Ю., Раваев А.А. Материалы, поглощающие СВЧ-излучения. М., 1982. 5. Miazaki Y., Tanoe K. // Intern. symp. electromagnetic compability. 1989. Vol. 2. P. 504–508. 6. Большая Советская Энциклопедия. М., 2008. 7. Толстова О.Н., Пичугин А.М., Коссо Р.А., Т.В. // Каучук и резина. 2008. № 4. C. 22– 26. 8. Борботько Т.В. и др. Углеродсодержащие минералы и области их применения: монография. Минск, 2009. 9. Лыньков Л.М., Борботько Т.В., Криштопова Е.А. // Письма в ЖТФ. 2009. Т. 35. № 9. С. 44–48 10. Либерман Б.М., Гайдук В.И. // Радиотехника и электроника. 1999. Т. 44, № 1. С. 97–103. 11. Прохоров А.М. Физический энциклопедический словарь. М, 1988. Т. 1. 12. Басс Ф.Г. Рассеяние волн на статистически неровной поверхности. М., 1972.

11


УДК 681.5.015

ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ

С.В. ЛУКЬЯНЕЦ, Д.В. КРИВАЛЬЦЕВИЧ


Поступила в редакцию 6 января 2011

Рассмотрено имитационное моделирование сложных информационно-поисковых и произ-водственно-транспортных систем как с использованием стандартного языка GPSS, так и с организацией параллельных вычислений. Исследованы наиболее распространенные алго-ритмы балансировки нагрузки, даны рекомендации по их применению. Выполнены компь-ютерные расчеты упомянутых систем. Обоснованы границы применимости традиционного и предлагаемого подходов к моделированию сложных систем.

Ключевые слова: сложная система, имитационное моделирование, параллельные вычисле-ния, балансировка нагрузки.

Введение

При моделировании систем массового обслуживания, к которым относятся информаци-онно-поисковые и производственно-транспортные системы, широко используется язык имита-ционного моделирования GPSS и современное средство его реализации GPSS World. Однако при большой размерности задач, особенно при моделировании и управлении в реальном вре-мени, стандартный язык, ориентированный на последовательные вычисления, требует сущест-венных временных затрат и становится неприемлемым. Возникает необходимость организации параллельных вычислений [1] с соответствующим обеспечением балансировки нагрузки [2]. В данной работе приводятся результаты исследования возможностей применения при имитаци-онном моделировании сложных информационно-поисковых (на примере системы региональ-ной страховой компании) и производственно-транспортных (на примере системы объединения по производству пива) систем как последовательных, так и параллельных вычислений. В каче-стве методов исследований использованы алгоритмизация, программирование, компьютерный эксперимент.

Исследование алгоритмов балансировки нагрузки Наиболее эффективными и широко применяемыми алгоритмами балансировки нагруз-

ки при организации параллельных вычислений являются [3]: - ADE – многовекторного обмена размерностью; - ODE – одновекторного обмена размерностью; - ADF – усреднения диффузии; - ODF – усреднения диффузии по оптимальному параметру. На основе имитационного моделирования с использованием языка GPSS исследована

эффективность этих алгоритмов. Анализировались стратегии синхронной и асинхронной, ста-тической и динамической балансировок нагрузки. Установлено, что по скорости балансировки нагрузки в зависимости от числа распределяемых между узлами задач при статической балан-сировке предпочтительнее алгоритм ODE для синхронной и алгоритм ADF для асинхронной обработки информации. При динамической балансировке алгоритмы ADE и ADF более эффек-

12

тивны для синхронной обработки; в случаях же асинхронной обработки рассматриваемые ал-горитмы равноценны.

Алгоритмическое и программное обеспечение параллельных вычислений

Для информационно-поисковой системы региональной страховой компании, структур-ная схема которой приведена на рис. 1, характерно большое число условных переходов и зави-симостей между данными.

Рис.1. Структурная схема информационно-поисковой системы региональной страховой компании

Транспортная система пивоваренного предприятия, структурная схема которой пред-ставлена на рис. 2, содержит несколько независимых циклов и в ней отсутствуют жесткие зави-симости по данным.

Рис.2. Структурная схема транспортной системы пивоваренного предприятия

13

С учетом отмеченных особенностей этих систем разработаны алгоритмы их имитаци-онного моделирования при организации параллельных вычислений, изображенные на рис. 3 и 4.

.ожидзапр tt 111 nn

.лимV ОЗУOЗУ 0inMemory

122 nn

?0inMemory122 nn

Рис. 3. Алгоритм моделирования информационно-поисковой системы

Рис. 4. Алгоритм моделирования транспортной системы

14

Схема организации паралелльных вычислений показана на рис. 5.

Рис. 5. Схема организации параллельных вычислений

В соответствии с этой схемой на стадии оптимизации промежуточный код модели при-водится к пригодному для распараллеливания виду, далее транслируется в выбранный пользо-вателем целевой язык (в нашем случае – Java), компилируется и передается системе ProActive [4], параметризованной алгоритмом балансировки нагрузки.

Алгоритм балансировки нагрузки изображен на рис. 6.

iNj

)(),( jdjibuf

),( jipagesumsum

0sum

0sum

nj

)( jloadsumsum IO

sumfithresholdIO )(

n

j

i

DjDf

1

rrsumsum 1

)()( ithresholdiload IOIO

)()(

max 1 kthresholdkload

iIO

IOnk

),()()1(

jibufrjdrsumsum

)()( ithresholdiload IOIO )(iloadIO

Рис. 6. Алгоритм балансировки нагрузки

Программное обеспечение организации параллельных вычислений состоит из синтак-сического и лексического анализаторов, транслирующих код модели с языка GPSS в код на языке Java. В языке Java принят объектно-ориентированный подход, поэтому модель на языке GPSS после преобразования представляет собой набор классов, отображающих сущности мо-дели.

Модель разбивается на разделы. Разделом может быть хранилище, устройство или блок. Каждый блок языка GPSS оформляется как расширение базового класс-блока.

15

Компьютерный эксперимент по имитационному моделированию информационно-поисковой и производственно-транспортной систем

Для сопоставления результатов последовательного и параллельного подходов к моде-лированию проведен ряд тестов на моделях рассматриваеых систем.

Обе модели были протестированы в диапазоне от 100 до 500 тысяч транзактов, цирку-лирующих в каждой модели. Установлен следующий процесс проведения тестирования: внача-ле проводилось тестирование модели информационной системы при заданном диапазоне тран-зактов и организации последовательного моделирования. Затем к модели информационной системы применялись методы организации параллельных вычислений. Тестирование модели транспортной системы произведено дважды. В первом случае использовался стандартный ме-ханизм распределения нагрузки системы ProActive, функционирующий по алгоритму цикличе-ской диспетчеризации. Во втором случае применялся модуль для системы ProActive, который обеспечивал балансировку нагрузки по алгоритму ADF – наиболее эффективному при данном виде вычислений, как было показано ранее.

При организации последовательных вычислений использовался программный продукт GPSS World.

Для тестирования при организации параллельных вычислений использовался разрабо-танный нами транслятор моделей и система ProActive, параметризованная модулем баланси-ровки нагрузки также собственной разработки.

Параметры загрузки процессоров и объем доступной оперативной памяти измерялись программно при помощи инструмента VTune Performance Analyser и Thread Profiler от компа-нии Intel. Показания производительности считывались один раз в одну секунду и сохранялись в базе данных в автоматическом режиме.

Каждый эксперимент повторялся три раза и использовались усредненные значения ислледуемых величин.

Моделирование информационно-поисковой и производственно-транспортной систем позволило выявить ряд особенностей применения к организации вычислений последовательно-го и параллельного подходов.

Системы имитационного моделирования тратят фиксированное время на разбор кода модели вне зависимости от типа применяемых вычислений, поэтому усовершенствование спо-собов компиляции моделей представляется нецелесообразным. Для эффективной работы с ко-личеством транзактов более 100 000 системам имитационного моделирования достаточно обеспечить скорость компиляции моделей порядка 10 с, чтобы время компиляции составляло незначительную часть общего времени моделирования.

При организации параллельных вычислений применительно к задаче моделирования информационной системы разработанное программное обеспечение в большинстве случаев проводит полный цикл моделирования за время, которое необходимо системе GPSS World для разбора кода модели. Выигрыш в скорости моделирования по сравнению с последовательным моделированием становится заметнее с увеличением числа транзактов.

Преимущества параллельных вычислений применительно к моделированию наиболее заметны на моделях, представляющих собой совокупность циклов без зависимостей по дан-ным. В таком случае может быть достигнуто максимально возможное ускорение вычислений, уровень которого зависит от объема кода, выполняющегося в последовательном режиме и не подлежащего распараллеливанию.

Эффективность параллельных вычислений также зависит от используемого алгоритма балансировки нагрузки. Анализ результатов компьютерных экспериментов показал, что стан-дартный алгоритм циклической диспетчеризации в задачах моделирования способен загрузить вычислительные узлы только на 60-70%, в то время как уровень загрузки процессоров в фазе обсчета модели может достигать 100% при замене стандартного алгоритма балансировки на-грузки алгоритмом ADF.

Сокращение времени моделирования при применении параллельных вычислений пока-зано на рис. 7.

16

Рис. 7. Зависимость времени моделирования от количества транзактов

и реализации системы моделирования

Как следует из этих графиков, применение параллельных вычислений в задачах моде-лирования сложных систем позволяет сократить время моделирования в 2,5–3 раза.

Заключение В результате выполенных исследований обоснован вывод о том, что при моделирова-

нии сложных систем, к которым относятся большие информационные и транспортные систе-мы, целесообразно применение параллельных вычислений. При этом эффективность модели-рования растет с увеличением числа вычислительных узлов и зависит от исходного кода моде-ли и ее потенциальной способности к распараллеливанию вычислений. Показано также, что эффективность алгоритмов балансировки нагрузки находится в зависимости от типа вычисли-тельной задачи и топологии сети.

Разработка системы моделирования с учетом результатов анализа алгоритмов баланси-ровки нагрузки показала, что начальные стадии синтаксического и лексического разбора моде-ли на языке GPSS могут быть эквивалентными для последовательных и параллельных вычис-лений. Основное отличие заключается в способе трансляции модели. В предложенном способе организации параллельных вычислений модель транслируется в код, пригодный для дальней-шего распараллеливания путем обработки кода модели разработанным многопроходным опти-мизирующим транслятором, осуществляющим автоматический поиск параллельных частей как в глобальных (задачи), так и в локальных (циклы, условные переходы) контекстах.

Сопоставление результатов тестирования систем моделирования при организации по-следовательных и параллельных вычислений показало, что при сравнительно небольшом коли-честве обрабатываемых транзактов (100 000–200 000) выигрыш в производительности послед-него подхода незначителен, при существенном же их количестве (400 000 – 500 000 и более) скорость моделирования возрастает ощутимо (время моделирования уменьшается до 2,5 раз при 4 узлах сети).

SIMULATION MODELING OF COMPLEX SYSTEMS

S.V. LUKJANETS, D.V. KRIVALTSEVICH

Abstract

Simulation modeling for complex information searching, manufacturing and transport systems has been examined, using a standard GPSS language and parallel calculations. Most popular load bal-ancing algorithms have been investigated, recommendations for their application being offered. Com-puter calculations for the aforementioned systems have been performed. Frameworks were validated, for application of both traditional and offered methods to simulate complex systems.

17

Литература 1. Таненбаум Э., Стин М. Распределенные системы. Принципы и парадигмы. СПб., 2003. 2. Замятина E.B., Осмехин K.A. // Известия белорусской инженерной академии. 2005. №1(19). С. 54–55. 3. Ва Sharma S., Singh S., Sharma M. // World Academy of Science, Engineering and Technology. 2008. Vol. 28. С. 269–272. 4. Diekmann R., Monien B., Preis R. Load Balancing Strategies for Distributed Memory Machines.

18


УДК 577.3443; 577.3.08

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ЛОКАЛИЗАЦИИ ХЛОРИНОВЫХ ФОТОСЕНСИБИЛИЗАТОРОВ В КРОВЕНОСНЫХ СОСУДАХ И

СЕНСИБИЛИЗАЦИИ ИМИ РЕАКЦИИ ГЕМОСТАЗА

И.И. ХЛУДЕЕВ, И.Е. КРАВЧЕНКО, В.П. ЗОРИН

Белорусский государственный университет пр. Независимости, 4а, 220030, Беларусь


Исследованы особенности процессов связывания в стенке кровеносного сосуда и выведе-ния из нее фотосенсибилизаторов хлоринового ряда, имеющих различия в химической структуре. Изучены процессы фотосенсибилизированного повреждения клеток крови и на-рушений микроциркуляции и проанализирована взаимосвязь этих процессов с физико-химическими характеристиками фотосенсибилизаторов. Показано, что при фотодинамиче-ском воздействии наиболее эффективно клетки крови и васкулярная система повреждаются при использовании в качестве фотосенсибилизатора диметилового эфира хлорина е6.

Ключевые слова: фотосенсибилизатор, кровеносная система, эндотелий, лимфоциты, фото-динамическое воздействие.

Введение Фотодинамическая терапия (ФДТ) используется в клинической практике как метод ле-

чения некоторых видов онкологических заболеваний, а также ряда других патологий, в том числе связанных с неконтролируемой неоваскуляризацией тканей [1]. Среди механизмов, ле-жащих в основе терапевтического действия метода ФДТ, важную роль играет фотосенсибили-зированное повреждение васкулярной системы. Кровеносная система опухолевых и нормаль-ных тканей является одной из основных мишеней при проведении ФДТ. В результате ее по-вреждения происходит нарушение снабжения ткани-мишени питательными веществами и ки-слородом, приводящее к гибели клеток. Поскольку эффективность фотодинамического воздей-ствия в значительной степени определяется локальной концентрацией фотосенсибилизатора (ФС) в зоне светового облучения, очень важными для разработки протоколов ФДТ, целью ко-торой является васкулярная система, являются характеристики накопления ФС в кровеносных сосудах [2]. Отбор и использование ФС, отличающихся высокой селективностью накопления в клетках крови и кровеносных сосудов, является решающим фактором в дальнейшем развитии методов ФДТ. Известно, что физико-химические характеристики сенсибилизаторов (амфи-фильность, величина и асимметрия распределения заряда молекулы и др.) оказывают влияние на параметры накопления в клетках и тканях животных in vivo и in vitro [3]. В то же время па-раметры накопления ФС в кровеносных сосудах исследованы недостаточно. В значительной степени это обусловлено отсутствием методов, позволяющих осуществлять контроль процес-сов локализации ФС в компонентах кровеносной системы.

В данной работе представлены результаты исследования с помощью оптических мето-дов особенностей локализации в кровеносных сосудах трех ФС, относящихся к производным Хл е6, и процессов сенсибилизации ими фотоповреждения форменных элементов крови и вас-кулярной системы тканей.

19

Экспериментальная часть

Для оценки влияния физико-химических свойств ФС на характеристики его накопления в стенке кровеносного сосуда использовали группу производных хлорина е6 (Хл е6), вклю-чающую Хл е6 и диметиловый (ДМЭ) и триметиловый (ТМЭ) эфиры Хл е6, которые имеют сходные спектральные характеристики, но существенно различаются между собой величиной заряда и полярностью молекул. В зависимости от степени полярности производные Хл е6 можно условно отнести к умеренно-полярным (Хл е6), умеренно-неполярным (ДМЭ) и непо-лярным (ТМЭ) соединениям.

Процесс локализации ФС в стенке кровеносного сосуда исследовали с помощью разра-ботанного нами на базе спектрофлуориметра LSF 1211A (CОЛАР, Беларусь) устройства [4], которое позволяет регистрировать изменение интенсивности флуоресценции ФС в образце сонной артерии кролика в условиях ex vivo. Накопление ФС в клетках стенки сосуда при ее контакте с окрашенной пигментом сывороткой, а также выведение ФС из клеток стенки сосуда при взаимодействии с неокрашенной сывороткой оценивали в режиме реального времени.

Фотосенсибилизированное повреждение клеток крови исследовали с помощью метода проточной цитофлуориметрии, оценивая жизнеспособность форменных элементов крови (по тесту с пропидиум иодидом) при различной длительности фотодинамического воздействия.

Для изучения фотосенсибилизированного повреждения васкулярной системы было из-готовлено устройство, которое состоит из термостатируемой площадки, снабженной фиксато-рами для закрепления наркотизированных животных, держателями для световода и инструмен-тария, и системы визуализации. В качестве последней использовался люминесцентный микро-скоп ЛЮМАМ-И3 (ЛОМО, Россия), снабженный специализированной цифровой видеокамерой DCM35 (SCOPETEK, China). Объектом исследований служила мышца cremaster muscle самцов крыс – плоская сумкообразная мышца, отличающаяся малой толщиной и развитой системой кровоснабжения. Животное с предварительно препарированной мышцей закрепляли на пло-щадке, установленной на предметном столике микроскопа. Наблюдение проводили в отражен-ном или в проходящем свете. Изменения интенсивности кровотока в сосудистой системе мыш-цы при различных дозах светового воздействия анализировали визуально методом интрави-тальной микроскопии [5].


В экспериментах по исследованию связывания производных Хл е6 со стенкой крове-носного сосуда ex vivo в режиме реального времени использовалось разработанное нами уст-ройство, позволяющее измерять интенсивность флуоресценции ФС в образце артерии при по-следовательном прохождении через него порций окрашенной ФС и неокрашенной сыворотки крови. На рис. 1 представлены типичные кинетические кривые изменения интенсивности флуоресценции образца сонной артерии в процессе перфузии сыворотки. Анализ данных зави-симостей позволяет выделить этап связывания ФС со стенкой артерии (сектор А), который на-чинается при поступлении в артерию пробы окрашенной сыворотки, сопровождающимся рез-ким увеличением интенсивности флуоресценции образца. Длительность этапа связывания оп-ределяется временем прохождения пробы окрашенной сыворотки и пропорциональна ее объе-му. Затем следует этап вымывания ФС из стенки сосуда (сектор В), во время которого интен-сивность флуоресценции падает из-за снижения концентрации сенсибилизатора в образце при прохождении через него большого объема неокрашенной сыворотки. Уровень интенсивности флуоресценции и скорость ее снижения позволяют судить об изменении содержания ФС в стенке артерии. Из представленных данных видно, что при одинаковых условиях эксперимента параметры накопления ФС в стенке артерии сильно зависят от его физико-химических свойств. Так, на этапе связывания интенсивность флуоресценции ДМЭ растет непрерывно и достигает значительно более высокого уровня в сравнении Хл е6, величина сигнала флуоресценции кото-рого после быстрого возрастания в момент поступления окрашенной сыворотки в образец ар-терии в дальнейшем почти не меняется.

20

0 10 20 30 40Длительность перфузии, мин

0

800

1600

2400

3200

Инт

енси

внос

ть ф

луор

есце

нции

, отн

.ед.

1

2

A B

Рис. 1. Изменение интенсивности флуоресценции Хл е6 (1) и ДМЭ (2) в образце артерии при прохожде-

нии через него окрашенной (сектор А) и неокрашенной (сектор В) сыворотки

При прохождении через артерию неокрашенной сыворотки (этап вымывания) скорость снижения интенсивности флуоресценции Хл е6 в образце артерии существенно выше в сравне-нии с ДМЭ. Для неполярного пигмента – ТМЭ (данные не приведены) связывание со стенкой артерии при выбранных условиях эксперимента практически отсутствует. Таким образом, уме-ренно-неполярнный ДМЭ по уровню накопления в сосудистой стенке превосходит как непо-лярный ТМЭ, так и умеренно-полярный Хл е6.

С целью дополнительного сравнения процессов локализации ДМЭ или Хл е6 в стенке кровеносного сосуда было проведено флуоресцентно-микроскопическое исследование образ-цов артерии кролика после контакта с окрашенной ФС сывороткой (рис. 2). Содержание сенси-билизаторов в стенке артерии кролика на различной глубине от внутренней поверхности стен-ки сосуда (1–0 мкм, 2–4 мкм, 3–8 мкм, 4–12 мкм, 5–16 мкм) оценивали по величине средней интенсивности флуоресценции в полосе 660 нм

1 2 3 4 50

20

40

60

80

100

120

Инт

енси

внос

ть ф

луор

есце

нции

, отн

.ед.

Сенсибилизаторы

Хл е6

ДМЭ

Рис. 2. Влияние структуры сенсибилизатора на его пространственное распределение в стенке артерии

Сканирование внутренней поверхности препарированного образца артерии с помощью конфокального лазерного сканирующего микроскопа показало, что более 85 % связанных в стенке сосуда ФС находится в слое, толщина которого не превышает 4 мкм. Поскольку это пространство соответствует расположению монослоя эндотелиоцитов в структуре стенки арте-рии, можно сделать вывод о том, что исследуемые ФС локализуются преимущественно в эндо-телии. Согласно данным флуоресцентной микроскопии, количество связанного в эндотелии ДМЭ почти в два раза превышает этот показатель для Хл е6. Следует отметить, что по характе-ру распределения в эндотелии исследуемые ФС также различаются, поскольку для Хл е6 отме-чается преимущественная локализация на поверхности эндотелиального слоя, тогда как значи-тельная часть ДМЭ содержится внутри эндотелиоцитов.

Ранее было показано, что процессы связывания исследуемых ФС различными типами клеток существенно различаются. Производные Хл е6 интенсивно окрашивают клетки, но при

21

малых временах окрашивания Хл е6 локализуется в основном на цитоплазматической мембра-не, тогда как ДМЭ равномерно прокрашивает всю цитоплазму клетки [6]. Скорость диффузи-онного перераспределения с белков сыворотки на клетки может являться лимитирующим фак-тором в процессах связывания только для крайне неполярных соединений (ТМЭ), поскольку для Хл е6 и ДМЭ характерны сравнительно высокие значения данного показателя. Можно предположить, что основная часть Хл е6 связывается на поверхности клеток стенки сосуда, от-куда затем может быстро мигрировать на белковые молекулы при прохождении неокрашенной сыворотки. Молекулы ДМЭ быстрее проникают в клетки артериальной стенки, в первую оче-редь – в эндотелиоциты, и накапливаются в них в значительных количествах. Таким образом, особенности процессов связывания и накопления производных Хл е6 в клеточных структурах могут объяснять наблюдаемые отличия в кинетиках связывания-вымывания ФС в кровеносных сосудах.

Относительно высокая скорость диффузионного перераспределения ДМЭ с белков сы-воротки и высокая скорость проникновения через плазматическую мембрану позволяют дан-ному ФС при попадании в васкулярную систему накапливаться значительно быстрее и в боль-ших количествах в эндотелии кровеносных сосудов.

Характеристики накопления производных Хл е6 в эндотелиоцитах коррелируют с ре-зультатами исследования процессов взаимодействия данных ФС с клетками периферической крови человека. В работе [7] показано, что ДМЭ обладает максимальной среди всех производ-ных Хл е6 скоростью и уровнем накопления в белых клетках крови.

Различия в параметрах накопления исследованных производных Хл е6 могут влиять на эффективность сенсибилизированного ими фотоповреждения компонентов кровеносной сис-темы.

Оценку влияния характеристик биораспределения ФС на фотосенисибилизированное повреждение кровеносных сосудов проводили с помощью разработанного нами устройства для интравитального контроля состояния васкулярной системы при ФДТ. Облучение исследуемого участка cremaster muscle с помощью полупроводникового лазерного модуля начинали через 1 мин после введения раствора Хл е6 или ДМЭ в хвостовую вену крысы. Фотовоздействие вели либо на протяжении фиксированного промежутка времени, либо непрерывно до наступления гемостаза. Оценку состояния кровеносной системы проводили визуально, а также посредством анализа полученных видеоизображений. Регистрировали время облучения, необходимое для появления признаков фотоповреждения сосудистой системы различной тяжести: появление от-дельных сгустков клеток (тромбов) в кровотоке, прекращение кровотока на отдельных участ-ках кровеносных сосудов вследствие их закупорки, гемостаз облучаемого участка васкулярной системы.

В таблице представлены результаты измерений реакции васкулярной системы cremaster muscle на сенсибилизированное производными Хл е6 фотооблучение. В контрольных опытах введение ФС без облучения и фотовоздействие в отсутствие ФС никак не отражались на со-стоянии васкулярной системы. Минимальное время развития реакции сосудистой системы на фотодинамическое воздействие наблюдается при использовании в качестве сенсибилизатора ДМЭ. Скорость развития повреждений васкулярной системы при сенсибилизации Хл е6 замет-но ниже. ТМЭ при используемых условиях эксперимента не вызывал фотоиндуцированных по-вреждений кровеносной системы.

Дополнительно была проведена серия опытов по дозированному фотовоздействию. В ходе эксперимента световое облучение прекращали в момент времени, когда обнаруживали тромбирование отдельных участков кровеносных сосудов, приводящее к запустеванию примы-кающих к ним участков васкулярной системы. Было показано, что динамика реакции крове-носной системы при данных режимах фотовоздействия также зависела от типа используемого ФС. В случае Хл е6 прекращение фотовоздействия приводило к восстановлению нормального кровотока, тогда как для ДМЭ процесс развития гемостаза продолжался.

22

Динамика развития фотосенсибилизированных производными Хл е6 повреждений кровеносной системы

Среднее время появления признаков фотоповреждения, мин Сенсибилизатор отдельные сгустки тромбирование участ-

ков сосудов гемостаз

Хл е6 213 414 9011 ДМЭ 41 113 284 ТМЭ

Таким образом, полученные данные свидетельствуют о том, что при использовании

ДМЭ скорость развития фотоиндуцированных нарушений микроциркуляции и степень повре-ждения васкулярной системы существенно выше в сравнении с Хл е6 и ТМЭ.

Реакция васкулярной системы тканей на фотосенсибилизированное воздействие может включать различные механизмы. С помощью электронной микроскопии показано, что крове-носные сосуды опухоли часто переполняются эритроцитами после ФДТ обработки [8]. Пред-полагается, что одним из механизмов, вызывающих формирование тромбов в кровеносном со-суде, может являться оголение базальной мембраны сосуда в результате сокращения эндоте-лиоцитов. Контакт с подэндотелиальным коллагеном вызывает адгезию тромбоцитов в месте нарушения целостности эндотелиального слоя. Происходит запуск процессов тромбообразова-ния вследствие выброса тромбоксана из тромбоцитов [9]. Кроме того, при повреждении эндо-телия происходит активация фактора Хагемана, выход фактора фон Виллебранда [10], высво-бождение тканевых тромбопластинов, в результате чего активируются внутренний и внешний пути свертывания крови, а также выброс в кровь вазоконстрикторных факторов, что приводит к сужению сосудов и усилению тромбоза. Таким образом, скорость протекания процесса тром-бообразования может зависеть от степени фотосенсибилизированного повреждения клеток эн-дотелия. В свою очередь интенсивность повреждения при ФДТ как эндотелиоцитов, так и дру-гих клеток крови зависит от физико-химических свойств ФС. В частности, ранее было показа-но, что ДМЭ характеризуется значительно более высокой фотогемолитической способностью в сравнении с Хл е6 и ТМЭ [11]. Фотосенсибилизирующая активность ДМЭ в отношении пред-варительно выделенных белых клеток крови также значительно выше в сравнении с другими производными Хл е6 [12]. Нами было исследовано влияние физико-химических свойств ФС на степень повреждения различных типов форменных элементов крови при фотодинамическом воздействии на цельную кровь. С этой целью с использованием проточного цитофлуориметра FACScan проводили идентификацию популяций лимфоцитов и гранулоцитов, а также опреде-ляли число поврежденных клеток по накоплению в них ДНК-специфичного красителя пропи-диум йодида.

На рис. 3 приведены результаты исследования процесса фотосенсибилизированного повреждения белых клеток крови при облучении светом лазера образцов цельной крови, окра-шенных производными Хл е6. 1, 3 – лимфоциты; 2, 4 – гранулоциты; 1, 2 – сенсибилизатор Хл е6; 3, 4 – сенсибилизатор ДМЭ. Темный фон – измерения сразу после 90 мин облучения лазе-ром (660 нм, 75 мВт), светлый фон – измерения после дополнительной темновой инкубации при температуре 37 °С в течение 45 мин.

1 2 3 40

20

40

60

80

100

Дол

я по

гибш

их к

лето

к,%

Рис. 3. Сравнение уровней инактивации лимфоцитов и гранулоцитов световым облучением в образцах

цельной крови при фотосенсибилизации Хл е6 и ДМЭ

23

Представленные данные показывают, что уровень инактивации как лимфоцитов, так и гранулоцитов был существенно выше при использовании в качестве ФС ДМЭ в сравнении с Хл е6. Причем различия в уровнях инактивации клеток наблюдались как по окончании фото-облучения, так и после дополнительной 45-минутной темновой инкубации. Поскольку, как бы-ло показано ранее, уровень накопления в клетках крови ДМЭ в сравнении с Хл е6 в 3-5 раз выше, можно утверждать, что фотосенсибилизированное повреждение клеток кровеносной системы зависит от содержания ФС в клетках. Данный показатель, вероятно, не является един-ственным фактором, определяющим фоточувствительность клеток, поскольку различия в пока-зателях фотосенсибилизированной ДМЭ инактивации лимфоцитов и гранулоцитов, сильно различающихся уровнями накопления ДМЭ, невелики. Возможно, на летальность сенсибили-зированного производными Хл е6 фотовоздействия на клетки влияет не только суммарное со-держание ФС, но и места его локализации внутри клетки, подобно тому, как это показано для некоторых ФС [13, 14].

Таким образом, приведенные данные показывают, что повреждение популяций белых клеток в составе цельной крови при ФДТ в значительной мере определяется такими парамет-рами биораспределения ФС, как уровень накопления и, возможно, места локализации ФС в клетках-мишенях. Параметры биораспределения ФС, в свою очередь, в значительной степени зависят от физико-химических свойств сенсибилизатора.


Представленные результаты исследования свидетельствуют о том, что имеется прямая взаимосвязь между характеристиками распределения ФС в кровеносной системе, которые за-висят от физико-химических свойств пигментов, и эффективностью сенсибилизированного ими фотоповреждения кровеносных сосудов и клеток крови при ФДТ. Обнаруженные эффекты необходимо учитывать при прогнозировании фармакокинетического поведения ФС в ходе ФДТ.

Разработаны оригинальные методы, позволяющие проводить отбор ФС с заданными свойствами, а также разрабатывать или оптимизировать протоколы их использования для на-целенного повреждения определенных биологических мишеней, например, сосудистой систе-мы.

Умеренно-неполярный ДМЭ, для которого характерны высокие скорости накопления в компонентах кровеносной системы, демонстрирует максимальную среди исследованных про-изводных Хл е6 эффективность фотоиндуцированного повреждения клеток крови и васкуляр-ной системы. Полученные результаты позволяют утверждать, что ДМЭ может быть использо-ван в качестве более эффективного фотосенсибилизатора для направленного воздействия на васкулярную систему опухоли или при использовании ФДТ для лечения заболеваний, обуслов-ленных неконтролируемой неоваскуляризацией тканей (например, возрастной макуларной дис-трофии).

THE COMPARATIVE ANALYSIS OF PROCESSES OF CHLORINE PHOTOSENSITIZERS LOCALIZATION IN BLOOD VESSELS AND

SENSITIZATIONS THEM OF HEMOSTASIS REACTION

I.I. KHLUDEYEV, I.E. KRAVCHENKO, V.P. ZORIN

Abstract For research of influence of physical and chemical properties of photosensitizers on character-

istics of their accumulation in components of blood system the group of chlorin е6 derivatives used. Influence of polarity of a photosensitizer on viability of blood cells at sensitized photodamage and on infringements of microcirculation at photodynamic therapy investigated. It is shown, that at photody-

24

namic action most effectively blood cells and vascular system are damaged when chlorin е6 dimethyl ether is used as a photosensitizer.

Литература 1. Аветисов С.Э., Будзинская М.В., Киселева Т.Н. и др. // Вестник Российской АМН. 2007. № 8. С.45–47. 2. Chen B., Pogue B.W., Luna J.M. et al. ,Hardman // Abstract Clin Cancer Res. 2006. Vol. 12(3). P. 917–923. 3. Boyle R.W., Dolphin D. // Photochem. Photobiol. 1996. Vol. 63. P. 469–485. 4. Хлудеев И.И., Зорин В.П. // Медэлектроника-2003. Сб. науч. тр. конф. 2003. С. 79–83. 5. Зорин В.П., Хлудеев И.И., Кравченко И.Е. и др. // Веснiк ГрДУ iмя Янкi Купалы. Сер. 2. 2008. №1(64). С. 25–29. 6. Хлудеев И.И., Савицкий В.П. // Медэлектроника-2008. Сб. науч. тр. конф. 2008. С. 175–180. 7. Савицкий В.П., Зорин В.П. // Биофизика. 2003. Т. 48. Вып. 1. С. 58–62. 8. Peng Q., Nesland J.M. // Ultrastruct Pathol. 2004. Vol. 28. P. 333–340. 9. Fingar V.H., Wieman T.J., Wiehle S.A. et al. // Cancer Res. 1992. Vol. 52. P. 4914–4921. 10. Foster T.H., Primavera M.C., Marder V.J. et al. // Cancer Res. 1991. Vol. 51. P. 3261–3266. 11. Гуринович Г.П., Зорина Т.Е., Зорин В.П. и др. // Биофизика. 1988. Т. 34. C. 314–317. 12. Хлудеев И.И., Савицкий В.П., Зорин В.П. // Молекулярные, мембранные и клеточные основы функ-ционирования биосистем: материалы междунар. науч. конф., Минск, 2004. С.134–136. 13. Ji Z., Yang G., Vasovic V. et. al. // J Photochem Photobiol B: Biology. 2006. Vol. 84. P. 213–220. 14. Machado A.H.A., Moraes K.C.M., Soares C.P. et al. // Photomedicine and Laser Surgery. 2010. Vol. 28, №1. P. 143–149.

25


УДК 519.216

КВАДРАТИЧНОЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ВЕКТОРНОЙ СЛУЧАЙНОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ

В.С. МУХА, А.Н. КОЗЯЧИЙ*


OAO «ИнтэксСофт» Кабяка, 8/4, офис 7, Гродно, 230020, Беларусь

Поступила в редакцию 6 января 2011

Предложен алгоритм квадратичного прогнозирования векторной случайной последователь-ности; рассматриваются вопросы его реализации.

Ключевые слова: прогнозирование, векторная случайная последовательность, многомерные матрицы, моментные функции

Введение В настоящее время известен алгоритм линейного прогнозирования векторной случай-

ной последовательности [1], являющийся обобщением подхода А.Н. Колмогорова [2] на век-торные случайные последовательности. Можно предположить, что в некоторых случаях точно-сти линейного прогнозирования будет недостаточно. В этих случаях можно попытаться увели-чить точность прогнозирования за счет нелинейной обработки данных. Алгоритмы нелинейно-го прогнозирования случайных последовательностей, пригодные для практического использо-вания, в настоящее время отсутствуют в литературе. В данной статье предлагается алгоритм квадратичного прогнозирования векторной случайной последовательности.

Постановка задачи

Задача линейного экстраполирования (прогнозирования) скалярной стационарной слу-чайной последовательности ( )t , согласно А.Н. Колмогорову [2], состоит в подборе при задан-ных 0s и 0m таких действительных коэффициентов ia , при которых линейная комбина-ция

1 2( 1) ( 2) ... ( )sL a t a t a t s (1)

доставляет возможно более точное приближение к случайное величине ( )t m . За меру точ-ности приближения принимается величина 2 2( ( ) )E t m L . Данная задача имеет следую-щие особенности: 1) при постановке задачи зафиксирован алгоритм линейного прогнозирова-ния (1); 2) задача сформулирована для скалярной случайной последовательности; 3) рассмат-ривается стационарная случайная последовательность; 4) это задача прогнозирования на один фиксированный момент времени t m ; 5) рассматривается последовательность достаточно общего типа, т.е. на последовательность не накладываются дополнительные условия типа ус-ловия авторегрессии, авторегрессии-скользящего среднего и др. Первые четыре особенности позволяют выполнять обобщения задачи в различных направлениях, а пятое делает постановку

26

задачи привлекательной с точки зрения рассмотрения адекватной для практических приложе-ний математической модели случайной последовательности.

В работе [1] выполнено обобщение этой задачи на случай векторной как стационарной, так и нестационарной случайной последовательности, и прогнозирования на набор фиксиро-ванных моментов времени в рамках алгоритма линейного прогнозирования. В данной статье снимается ограничение линейности прогнозирования.

Будем рассматривать векторную случайную последовательность 1( ) ( ( ),..., ( ))T

i i n it t t , 1,2,...i . Задачу прогнозирования этой случайной последовательности будем считать состоящей в том, чтобы по наблюдениям 2( ), ( ),..., ( )i st t t этой последователь-ности, относящимся к прошлым и настоящему моментам времени, получить наилучшую в ка-ком-то смысле оценку значений

1 1 21( ), ( ),..., ( )s k s k s kt t t , относящихся к будущим моментам времени.

Алгоритм квадратичного прогнозирования векторной случайной последовательности

В работе [3] сформулирована и решена задача принятия оптимального статистического решения о многомерной случайной матрице по наблюдению другой многомерной случайной матрицы при квадратичной функции потерь. Результаты этой работы можно применить для решения сформулированной выше задачи прогнозирования векторной случайной последова-тельности. Для этого «наблюдаемую» часть последовательности ( )it представим в виде двух-мерной ( n s )-матрицы

1 2 1 2,( ) ( ( ))i i i it , 1 21, , 1,i n i s , (2)

а «прогнозируемую» часть – в виде двухмерной ( 2 1( 1)n k k )-матрицы

1 2 1 2 1, 1( ) ( ( ))i i i i s kt , 1 1,i n , 2 2 11, 1i k k , 1 21 k k , (3)

где s – число отсчетов наблюдаемой части реализации, 1k , 2k – минимальное и максимальное число тактов прогноза соответственно (минимальная и максимальная глубина прогноза). Зада-чу прогнозирования векторной случайной последовательности ( )it сформулируем как задачу принятия оптимального статистического решения о матрице (3) по наблюдению матрицы (2). Решение последней задачи можно получить как частный случай результатов работы [3]. Рассматривая оптимальный квадратичный предиктор работы [3] для случая двухмерных мат-риц, получаем следующий алгоритм квадратичного прогнозирования векторной случайной по-следовательности ( )it (расчета оценки матрицы по матрице ):

2 2 2 3 20,2 0,2 0,2 1

(2,4) ( ( )( ))B

, (4)

4 2 2 3 2 2 3 20,2 0,2 0,2 1

(4,4) ( ( (( ) )( )))A

, (5)

0,4 0,4 1(2,4) (2,4) (4,4)( )С B A , (6)

3 2 20,2 0,4 0,2 1

(2,2) (2,4)(( ( ( ))) )C C

, (7)

20,2 0,4 2

(2,2) (2,4)( ( )) ( ( ))C C . (8)

Здесь приняты следующие обозначения моментов матриц и :

( )kkE

, ( )E

, (9)

2 22

, . (10)

27

Записи вида 0,2 ( )PQ , 0,4 ( )PQ означают (0,2) - и (0,4) -свернутые произведения матриц P и Q соответственно, 2

0,2 1

, 0,4 1(4,4)A – матрицы, (0,2) - и (0,4) -обратные к матрицам 2

и

(4,4)A соответственно, произведения и степени в выражениях (9), (10) понимаются как (0,0) -свернутые [4], E – символ математического ожидания. Заметим также, что матрицы (2,4)B (4) и

(2,4)С (6) шестимерные, (4,4)A (5) – восьмимерная, (2,2)C (7) – четырехмерная, (8) – двухмер-ная.

Расчеты по формулам (4)–(8) выполняются в порядке их написания. Предварительно вычисляются все входящие в формулы (4)–(8) моменты.

Для реализации алгоритма (4)–(8) необходимо знать соответствующие моменты слу-чайных матриц и . Они в принципе могут быть получены по моментным функциям слу-чайной последовательности ( )it . Пусть известны следующие моментные функции случайного процесса 1( ) ( ( ),..., ( ))nt t t :

,( ) ( ( )) ( ( ( )))i it t E t , (11)

2 2 , ,( , ) ( ( , )) ( ( ( ) ( )))i ji jt u t u E t u

, (12)

3 3 , , ,( , , ) ( ( , , )) ( ( ) ( ) ( ))i j ki j kt u v t u v E t u v

, (13)

4 4 , , , ,( , , , ) ( ( , , , )) ( ( ) ( ) ( ) ( ))i j k li j k lt u v w t u v w E t u v w

, (14)

, , , 1,i j k l n .

Тогда матрицы моментов в выражениях (4)–(8) могут быть получены по следующим формулам:

1 2 1 2, , ,( ) ( ( ))i i i it , 1 21, , 1,i n i s ,

1 2 1 2 1, , , 1( ) ( ( ))i i i i s kt , 1 1,i n , 2 2 11, 1i k k ,

2 2 1 2 3 4 1 2 3 41 2 3 4, ,, , , ,

( ) ( ( )) ( ( ( ) ( ))i i i i i i i ii i i iE E t u

2 2 41 3, ,( ( , ))i ii i

t u

, 1 3, 1,i i n , 2 4, 1,i i s ,

3 3 1 2 3 4 5 61 2 3 4 5 6, , ,, , , , , ,

( ) ( ( ))i i i i i ii i i i i iE

31 2 3 4 5 6 2 4 61 3 5, , ,( ( ( ) ( ) ( ))) ( ( , , ))i i i i i i i i ii i iE t u v t u v

,

1 3 5, , 1,i i i n , 2 4 6, , 1,i i i s ,

4 4 1 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 8, , , ,, , , , , , , ,

( ) ( ( ))i i i i i i i ii i i i i i i iE

41 2 3 4 5 6 7 8 2 4 6 81 3 5 7, , , ,( ( ( ) ( ) ( ) ( ))) ( ( , , , ))i i i i i i i i i i i ii i i iE t u v w t u v w

,

1 3 5 7, , , 1,i i i i n , 2 4 6 8, , , 1,i i i i s ,

1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 1 3 4, , , , , , 1( ) ( ( )) ( ( ( ) ( ))i i i i i i i i i i s k i iE E t u

2 2 1 41 31, ,

( ( , ))i s k ii it u

, 1 3, 1,i i n , 2 2 11, 1i k k , 4 1,i s ,

2 2 1 2 3 4 5 61 2 3 4 5 6, , ,, , , , , , , ,

( ) ( ( ))i i i i i ii i i i i iE

28

1 2 1 3 4 5 61( ( ( ) ( ) ( ))i i s k i i i iE t u v

3 2 1 4 61 3 51, , ,

( ( , , ))i s k i ii i it u v

, 1 3 5, , 1,i i i n , 2 2 11, 1i k k , 4 6, 1,i i s .

В практических приложениях ни матрицы моментов в алгоритме (4)–(8), ни моментные функции (11)–(14) случайного процесса ( )t , по которым эти матрицы могут быть получены, как правило, неизвестны. В этом случае можно воспользоваться известным в математической статистике подстановочным правилом и вместо неизвестных характеристик подставлять их оценки.

Заключение Предложенный алгоритм квадратичного прогнозирования при большом числе компо-

нент векторной случайной последовательности и большой глубине прогноза потребует боль-ших объемов вычислений. Однако можно найти приложения, в которых вычислительная слож-ность алгоритма окажется вполне приемлемой. Одним из таких приложений представляется краткосрочное прогнозирование отдельных характеристик погоды, например, температуры воздуха. Вопросы изучения свойств моментных функций третьего и четвертого порядков (13), (14) векторной случайной последовательности в общем случае и для стационарной случайной последовательности, получения их оценок, а также оценок моментов алгоритма (4)–(8), требу-ют отдельного рассмотрения.

SQUARE-LAW FORECASTING OF VECTOR RANDOM SEQUENCE

V.S. MUKHA, A.N. KOZYACHY

Abstract The algorithm of the square-law forecasting of vector random sequence is offered. The ques-

tions of realization of the algorithm are considered.

Литература 1. Муха В.С. // Информационные системы и технологии (IST’2004). 2004. Ч. 2. С. 195–200. 2. Колмогоров А.Н. // Известия АН СССР. 1941. Т. 5. С. 3–14. 3. Муха В.С. // Весцi НАН Беларусi. 2010. № 3 С. 17–24. 4. Муха В.С. Анализ многомерных данных. Минск, 2004.

29


УДК 621.794

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО ОКСИДА ТИТАНА ПРИ ПОНИЖЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ

О.В. КУПРЕЕВА, Д.А. САСИНОВИЧ, С.К. ЛАЗАРУК, В.Е. БОРИСЕНКО


Поступила в редакцию 14 декабря 2010

Исследована структура пористого оксида титана, сформированного в 0.1 М растворе фто-рида аммония в этиленгликоле при напряжении формовки в диапазоне (40 ÷ 140 В) и тем-пературе раствора электролита от –5 до +20ºС. Установлено, что анодирование при темпе-ратуре раствора электролита ниже 0°С позволяет формировать пленки пористого анодного оксида титана с диаметром ячеек около 300 нм и пористостью менее 1%.

Ключевые слова: пористый оксид титана, анодирование, температура раствора электролита.

Введение

Наноструктуры на основе пористого оксида титана применяют в качестве активных слоев фотоэлектрохимических преобразователей энергии, газоанализаторов, каталитических мембран. Высокая биологическая совместимость этого материала позволяет использовать его в различных областях медицины.

Пористый оксид титана с гексагональными ячейками был получен сравнительно недав-но (2001 г.) [1], но интерес к этому материалу огромен из-за его уникальных свойств. Сущест-вующие методы не позволяют получать наноструктурированные пленки оксида титана с диа-метром ячейки более 220 нм [2]. Нами было предложено снизить температуру раствора элек-тролита, что позволяет увеличить напряжение формовки, а следовательно и диаметр ячейки, а также уменьшить пористость полученных пленок за счет снижения интенсивности травления. В качестве раствора электролита наиболее часто используют растворы фторида аммония в ор-ганических растворителях с высокой диэлектрической проницаемостью, так как именно они позволяют получать анодные пленки толщиной свыше 200 мкм [2].


В качестве исходного материала для получения наноструктурированных пористых анодных пленок оксида титана использовали фольгу технического титана (99,5 %) толщиной 200 мкм.

Анодирование проводили в двухэлектродной электрохимической ячейке в потенцио-статическом режиме. В качестве раствора электролита использовали 0,1 М раствор фторида аммония в этиленгликоле. Процесс анодного окисления проводили при температурах раствора электролита (–5 ÷ 20) ± 1°С при перемешивании 500 об/мин. Время анодирования составляло от 35 до 660 минут. Напряжение формовки пористых пленок оксида титана составляло от 40 до 140 В. Структуру сформированных анодных пленок исследовали с помощью сканирующего электронного микроскопа JSM – 840 (РЭМ). Коэффициент формовки для межпорового рас-стояния рассчитывали как отношение расстояния между центрами пор соседних ячеек к на-пряжению формовки.

30

Результаты и обсуждение

Снижение температуры раствора электролита позволяет увеличить и плотность тока и напряжение формовки, используемые для анодного окисления титана. На рис. 1 представлены зависимости плотности анодного тока от напряжения формовки при различных температурах раствора электролита.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800

10

20

30

40

50

60

70П

лотн

ость

ток

а фо

рмов

ки, м

A/с

м2

Напряжение формовки, B

Тэл= -50С

Тэл= 00С

Тэл= 210С

Рис. 1. Зависимость плотности анодного тока от напряжения формовки при пористом анодировании ти-

тана в 0,1 М растворе NH4F в этиленгликоле при разных температурах раствора электролита

Прерывистой линией обозначены участки, на которых наблюдается нестабильность ха-рактеристик, что можно объяснить неконтролируемым разогревом и локальными пробоями анодной пленки. При температуре раствора электролита –5°С процесс анодирования можно проводить при рекордно высокой плотности тока 25 мА/см2 и напряжении формовки 140 В.

Рис. 2. Поперечное сечение пленки пористого оксида титана, полученной при температуре раствора

электролита –5°С, плотности тока формовки 10 мА/см2 и напряжении 100 В

Напряжение формовки определяет размеры образующихся при анодировании титана гексагональных ячеек оксида титана. С ростом напряжения формовки диаметр ячейки увели-чивается. Охлаждение раствора электролита позволило получить ячейки с поперечным разме-ром до 300 нм (рис. 2). Отметим, что ранее сообщалось о максимальном размере ячеек 200 нм.

31

Кроме этого, охлаждение раствора электролита позволяет существенно уменьшить химическое травление стенок пор, благодаря чему пористость формируемых пленок была уменьшена до 1%. Такой низкой пористости не наблюдалось ни в пористом кремнии, ни в пористом оксиде алюминия. Толщина полученных пленок составила 15–20 мкм, что является близкой к пределу толщиной для пленок, полученных в данных условиях.

Расчет коэффициента формовки для межпорового расстояния показывает, что его вели-чина уменьшается от 3,2 нм/В для напряжения формовки 40 В до 2,3 нм/В для напряжения формовки 140 В.

Исследование структуры пористого оксида титана на разных этапах формирования по-казало, что рост пористого оксида титана начинается с образования барьерного слоя на по-верхности титана, после чего происходит рост пор внутри барьерного слоя, то есть пористого оксида с гексагональными ячейками, которые при механическом воздействии на образец рас-калываются по центрам ячеек (по порам). Толщина верхнего слоя пористого оксида титана с сотовой структурой составляет 200–400 нм (рис. 3,б). Увеличение продолжительности аноди-рования приводит к формированию трубчатой структуры оксида, поперечное раскалывание ко-торого происходит по границам ячеек. На фотографиях поперечного сечения анодной пленки видны границы отдельных нанотрубок. Похожая картина наблюдается при анодировании алю-миния при высоких плотностях электрического тока. Переход от сотовой структуры к трубча-той можно объяснить тем, что с ростом толщины анодного оксида увеличиваются механиче-ские напряжения на границах гексагональных ячеек. То, что толщина верхнего слоя превышает толщину барьерного слоя, свидетельствует о том, что некоторое время пористый оксид титана растет по механизму пористого оксида алюминия с коэффициентом объемного роста менее 2, то есть механические напряжения на границах ячеек не приводят к сдвигу соседних ячеек.

а б Рис. 3. Поперечное сечение пленки пористого оксида титана, полученной анодированием в 0,1 М раство-

ре NH4F в этиленгликоле (температура раствора электролита –5°С) при напряжении формовки 120 В (а) и ее верхней части (б)

32

Рис. 4. Рельеф поверхности пленки пористого оксида титана со стороны барьерного слоя, полученной

анодированием в 0,1 М растворе NH4F в этиленгликоле (температура раствора электролита –5°С) при напряжении формовки 120 В

В определенной группе образцов формирование пористого оксида титана осуществляли при фиксированных температурах раствора электролита: –5, 0, +20°С. Толщина полученных пленок пористого оксида составляла около 20 мкм. При температуре анодного процесса -5 ºС практически полностью подавляется химическое травление оксида титана. Благодаря этому удается сохранить сотовую структуру верхнего слоя. Пористый оксид титана, сформированный при температуре 0°С, тоже имеет на своей поверхности сотовую структуру, однако, что замет-но в данном случае верхний слой был в значительной мере подвергнут химическому травле-нию в процессе анодирования. Об этом свидетельствует его высокая пористость и меньшая толщина по сравнению с оксидом, полученным при –5°С. Сквозь растравленные широкие поры верхнего слоя видны поры нижнего слоя с трубчатой структурой. В некоторых случаях из од-ной ячейки верхнего слоя образуются две и даже три ячейки нижнего слоя, т.е. вместе с пере-ходом от сотовой структуры к трубчатой наблюдается уменьшение среднего размера ячейки, как это происходило при формировании пористого оксида алюминия при высоких плотностях тока формовки [3]. Так как напряжение формовки было одинаковым во время всего анодного процесса, то подобный эффект может быть объяснен изменением температуры пористого ок-сида титана, аналогично тому как это имеет место в случае пористого оксида алюминия.

Иная картина наблюдается на поверхности пористого оксида титана, сформированного при комнатной температуре. В этом случае происходит вытравливание не только верхнего слоя с сотовой структурой, но и растрав поверхности слоя с трубчатой структурой. В результате этого нанотрубки на внешней поверхности теряют свою форму и по внешнему виду напоми-нают спрессованную солому.

Преимуществами пористого оксида титана, сформированного при низких температурах раствора электролита, являются также гладкая поверхность нанотрубок и возможность фор-мовки самоупорядоченных структур с регулярно расположенными гексагональными ячейками (рис. 4).

Заключение Проведенные исследования показали преимущества процесса пористого анодирования

титана в охлажденном до 0, –5°С растворе электролита. Это позволяет увеличить диапазон размеров получаемых нанотрубок оксида титана до 320 нм в диаметре и возможность получе-ния упорядоченных гексагональных ячеек с пористостью менее 1%. Охлаждение раствора электролита до –5°С позволяет также сделать анодный процесс воспроизводимым при напря-жениях формовки до 140 В, в то время как при комнатной температуре локальные пробои имеют место для напряжений 70 В и более.

33

FORMATION OF TITANIUM DIOXIDE NANOSTRUCTURES

O.V. KUPREEVA, D.A. SASINOVICH, S.K. LAZAROUK, V.E. BORISENKO

Abstract Fabrication of porous titanium oxide films by electrochemical anodization of Ti in 0,1M NH4F solution

in ethylene glycol in the temperature range of –5 – +20°С is studied. Anodization at the electrolyte temperature below 0°С provides fabrication of anodic porous titania films with cell diameter of about 300 nm and porosity less than 1%.

Литература 1. Gong D. // J. Mater. Res. 2001. Vol. 16. P. 3331–3334. 2. Shankar K. // Nanotechnology. 2007. Vol. 18. P. 065707(1–11). 3. Chu S. // Adv. Mater. 2005. Vol. 17. P. 2115–2119.

34


УДК 621.396.98

ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ АВТОКОМПЕНСАТОРА АКТИВНЫХ ШУМОВЫХ ПОМЕХ

ДО ТИЕН ХУНГ, И.Н. ДАВЫДЕНКО


Поступила в редакцию 22 февраля 2011

Получены оптимальные значения параметров цепей самонастройки одноканального авто-компенсатора активных помех, реализующего критерий минимума мощности помехи. Предложенные решения предназначены для использования в РЛС с быстрым линейным сканированием.

Ключевые слова: автокомпенсатор шумовых помех, параметрическая оптимизация, ошибки самонастройки.

Введение Задача внедрения автокомпенсаторов шумовых помех в РЛС с быстрым сканированием

является актуальной. Основной проблемой таких автокомпенсаторов являются большие дина-мические ошибки самонастройки. Для снижения влияния динамических ошибок автокомпенса-торов на эффективность компенсации используют в том числе следящие системы второго по-рядка астатизма и расширение полосы пропускания замкнутого контура самонастройки. Одна-ко расширение полосы пропускания приводит к увеличению вклада флуктуационных ошибок в суммарные ошибки. Очевидно, существуют оптимальные значения параметров цепей самона-стройки, при которых суммарные ошибки самонастройки минимальны. В статье анализируют-ся выражения для суммарных ошибок самонастройки автокомпенсатора и формулируются подходы по их минимизации. Предполагается, что спектр задающего воздействия автокомпен-сатора соответствует колебательному звену.

Основная часть

В предположении, что спектр задающего воздействия соответствует формирующему фильтру в виде колебательного звена, в работе [1] получены следующие выражения для дис-персий динамической и флуктуационной ошибок автокомпенсатора шумовой помехи:

122

2 2 11 02 2

11 12 12 12 11 11 122 4 2 4 2 40 0 0 0 0 0

1 2

1 2 2 2ДИН ЗАДW W

KK

K K K K K K K

, (1)

2 11 12. 0 .

112 2ФЛW W ЭКВ W W ЭКВK KS f S

K

, (2)

где .W ЭКВS – эквивалентная спектральная плотность возмущающего воздействия измерителя ве-сового коэффициента автокомпенсатора.

35

Двумерный график зависимости среднего квадрата суммарной ошибки фильтрации ве-сового коэффициента автокомпенсатора 2 2 2

11 12,ЗАД ФЛW WK K от параметров 11K и 12K

для 6 -1. 10 (кГц )W ЭКВS , 0 1, 256(рад / мс) и 1(кГц) приведен на рис. 1.

Рис. 1. Зависимость среднего квадрата суммарной ошибки от коэффициентов фильтрации

В соответствии с графиком могут быть получены следующие значения оптимальных коэффициентов фильтрации для заданных исходных данных:

11 25кГцоптK ; 12 600кГцoptK .

Можно показать, что для РЛС с быстрым сканированием выражение (1) в окрестности минимума ошибки примет более простой вид:

42 2 0

212

ДИН ЗАДW W K

(3)

В этом случае выражения для оптимальных значений коэффициентов фильтрации с учетом (2) и (3) могут быть получены в следующем виде:

01011 2

16опт

W ЭКВ

KS

, (4)

30

512 0 222опт

W ЭКВ

KS

. (5)

Для проверки правильности полученных выражений (4) и (5) было проведено имитаци-онное моделирование автокомпенсатора шумовой помехи. Результаты имитационного модели-рования в виде индикаторов дальность-угол представлены на рис. 2–5 для выключенного авто-компенсатора и для включенного автокомпенсатора с различными значениями коэффициента фильтрации по скорости 12K при оптимальном значении коэффициента фильтрации по поло-жению 11 11 optK K . Из рисунка видно, что при оптимальных значениях параметров фильтра-ции видимость полезного сигнала на фоне остатков компенсации помехи, как и ожидалось, наилучшая.

36

Рис. 2. Автокомпенсатор выключен Рис. 3. Коэффициент фильтрации 120,1 оптK

Рис. 4. Оптимальный параметр 12 оптK Рис. 5. Коэффициент фильтрации 1210 оптK


Таким образом, проанализирована суммарная ошибка фильтрации весового коэффици-ента автокомпенсатора шумовой помехи для РЛС с линейным сканированием и условия дос-тижения ее минимума. Для РЛС с быстрым сканированием получены частное выражение для дисперсии динамической ошибки автокомпенсатора и аналитические выражения для опти-мальных коэффициентов фильтрации. Достоверность полученных выражений подтверждается результатами имитационного моделирования автокомпенсатора.

37

THE OPTIMAL PARAMETERS CANSELLER OF JAMMER

DO TIEN HUNG, I.N. DAVYDZENKA

Abstract The optimal parameters are considered for the one-channel canceller of jammer, which im-

plements the criterion of the output power minimum. The proposed algorithms intended for the radars with scanning beam of main antenna.

Литература 1. Храпун И.С., Давыденко И.Н., Папушой В.И. // Докл. БГУИР. 2008. Т. 34, №4. С. 13–19.

38


УДК 621.385

ЛБВ-О С ОПТИМАЛЬНЫМ ПРОФИЛЕМ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ОПОР

А.А. КУРАЕВ, А.А. НАВРОЦКИЙ, А.К. СИНИЦЫН


Поступила в редакцию 28 июня 2010

Предложена спиральная ЛБВ, в которой используются закрепляющие спираль диэлектри-ческие стержни из материала, диэлектрическая проницаемость или поперечное сечение ко-торого изменяются вдоль области взаимодействия заданным образом, обеспечивая требуе-мый плавный закон изменения замедления и повышение КПД.

Ключевые слова: Лампа Бегущей Волны (ЛБВ), спиральная Замедляющая Система (ЗС), КПД.

Введение

Как показывают расчеты, в спиральной ЛБВ с плавным законом изменения замедления вдоль области взаимодействия имеется возможность достичь значений электронного КПД 70-80% [1]. Однако, такие лампы до сих пор не нашли широкого распространения ввиду трудно-стей, связанных с технологией изготовления спиральной замедляющей системы с плавным не-регулярным шагом навивки. Ранее, для реализации плавного закона изменения замедления в спирали с регулярным шагом, была предложена ЛБВ с авторегулировкой замедления за счет использования поддерживающих спираль опор из гипотетического диэлектрика, проницае-мость которого возрастает при повышении амплитуды ВЧ-поля, что приводит к увеличению замедления [2]. Существование такого диэлектрика и возможность создания ЛБВ с авторегули-ровкой замедления на сегодняшний день проблематичны. Однако, на основе эффекта авторегу-лировки замедления [2], в [3] предложен метод нахождения оптимального закона изменения замедления вдоль области взаимодействия, который используется в данной статье.

В настоящей статье предложена замедляющая система (ЗС) с поддерживающими стержнями, диэлектрическая проницаемость которых изменяется вдоль оси z по заданному за-кону, тем самым обеспечивая плавное изменение замедления при регулярной навивке спирали. Необходимый профиль фазовой скорости можно обеспечить либо плавно изменяя диэлектри-ческую проницаемость материала опор, либо изменяя форму опор при постоянном значении их диэлектрической проницаемости. При этом использовалась методика расчета дисперсионных характеристик, описанная в [4], позволяющая получить зависимость замедления 1

ф ( ) и со-

противления связи ( )sR от величины диэлектрической проницаемости , а также зависимость замедления 1

ф ( ) и сопротивления связи ( )sR от азимутального угла опор секторного ти-па.

Конструкция двухсекционной ЛБВ На рис. 1. показано продольное сечение, а на рис. 2 два варианта поперечного сечения

ЗС предлагаемой двухсекционной ЛБВ: 1 – электронно-оптическая система; 2 – входной вол-новод, согласованный с антенкой спирали 3; 4 – спиральная ЗС первой секции; 5 – однородные диэлектрические опоры спирали; 6 – аттенюатор; 7 – спиральная ЗС второй секции ЛБВ; 8 –

39

нерегулярная диэлектрическая опора спирали выходной секции; 9 – магниты фокусирующей системы; 10 – выходной волновод, согласованный с антенкой 11 выходной секции; 12 – кол-лектор электронов; 13 – диэлектрические шайбы, изоляторы; 14 – экран спиральной ЗС; 15 – диафрагмы входного и выходного волноводов.

Рис. 1. Схема усилительной двухсекционной ЛБВ-О с одноступенчатым рекуператором

а б Рис. 2. Поперечное сечение ЗС: опоры секторного типа (a), опоры обратного секторного типа (б)

Методика расчета ЛБВ с профилированием характеристик диэлектрических опор

Как показали результаты исследования, выполненного с использованием метода расче-та дисперсионных характеристик [4] для рассматриваемой ЗС, замедление фазовой скорости возрастает как с увеличением диэлектрической проницаемости , так и площади поперечного сечения, при этом величина замедления зависит от формы диэлектрических опор. Поэтому для реализации плавного закона изменения фазовой скорости вдоль области взаимодействия ЛБВ можно изменять как величину диэлектрической проницаемости, так и азимутальный размер или поддерживающих опор. Так, например, угол или (рис. 2) может изменяться от 0 (нет диэлектрических опор) до 2 / 3 (максимальное заполнение).

Для проверки возможности повышения КПД за счет плавного изменения свойств ди-электрических опор вдоль лампы были выполнены расчеты двухсекционной ЛБВ с диэлектри-ческой корректировкой замедления во второй секции; в первой секции свойства опор не меня-ются. Шаг спирали в первой и во второй секциях – постоянный. Были выбраны следующие па-раметры спирали и экрана: R0 = 0,15 см, R = 0,35 см, диаметр провода спирали d = 0,1см, шаг спирали h = 0,24 см, длина волны = 6 см, относительная средняя скорость электронов

40

0 = v0/c = 0,17 (V0 = 7,5 кВ). При расчетах использовалась одномерная модель ЛБВ с нерегу-лярной ЗС, описанная в работе [1], в которой необходимо задавать зависимость сопротивления связи Rs от частоты и фазовой скорости ф в заданном сечении z области взаимодействия элек-тронного пучка с усиливаемой замедленной волной, имеющей амплитуду A(z). Эти зависимо-сти для выбранной здесь ЗС с диэлектрическими опорами рассчитывались по методике, опи-санной в [4].

На рис. 3 представлены характерные зависимости замедления и сопротивления связи от диэлектрической проницаемости, формы и азимутального размера опор выбранного размера спиральной ЗС. В частности видно, что наибольшее изменение фазовой скорости можно полу-чить с опорами, имеющими большую диэлектрическую проницаемость при изменении угла в диапазоне 0 < < 1.

а б Рис.3. Зависимость фазовой скорости (сплошная) и сопротивления связи (пунктир) от характеристик

опор; а: 1 – все пространство между спиралью и экраном заполнено диэлектриком, 2 – три опоры сек-торного типа (для каждой опоры / 3 ), 3 – три опоры кругового сечения; б: три опоры секторного

типа (для каждой опоры / 3 ) 1 – = 3, 2 – = 15, 1 – = 27

Из рис. 3 видно, что зависимость ф от (или от или ) имеет характерный экспо-ненциальный вид и хорошо аппроксимируется формулой (здесь u{ или или })

1 12ф ф0 2 2( ) /( )c u cu e c e c . (1)

Например, для кривой 2 рис. 3,а коэффициенты 1 2 ф00,15, 0,37, 0,21, 2.c c u Необходимые для расчетов зависимости сопротивления связи от фазовой скорости и

частоты восстанавливались по интерполяционным формулам из заранее рассчитанных таблиц.

Для расчета оптимального закона изменения диэлектрической проницаемости (азимутального размера или ) в выходной секции воспользуемся методом авторегулировки замедления [3] с законом зависимости фазовой скорости ф от амплитуды усиливаемой волны A(z), получаемым из (1):

21 0 1( ) 22

ф ф0 2 2( ) / ( )c u A cA e c e c , (2)

в котором параметры u0 и находились из условия максимума электронного КПД лампы и в результате получался искомый закон 2

0( ) ( )u z u A z . Ниже приведены параметры и характеристики двух типичных оптимизированных вари-

антов ЛБВ.

41

ЛБВ с изменением диэлектрической проницаемости опор секторного типа вдоль выходной секции

В первой секции (до поглотителя) – задавалось =const, а во второй секции использова-лись диэлектрические опоры, имеющие плавно изменяющуюся вдоль области взаимодействия диэлектрическую проницаемость стержней по закону (z). Предварительно были получены за-висимости ф( ) и ф( )SR – (рис. 4), которые непосредственно входят в математическую мо-дель [1]. Как видно из рис. 4, для уменьшения фазовой скорости волны требуется увеличивать диэлектрическую проницаемость опор. Сопротивление связи при этом тоже увеличивается, что благоприятно для работы ЛБВ с плавным увеличением замедления к концу второй секции.

Рис. 4. Зависимость диэлектрической проницаемости и сопротивления связи от фазовой скорости для ЗС

с тремя опорами секторного типа при = /3

В результате оптимизации получены: 0,94 , 0 2,1 , электронный КПД – 58%, ток пучка I0 = 0,41 A, длина спирали L = 12,4 см, коэффициент усиления Ку = 30,2 Дб; поглотитель расположен на участке 0,4 < z/L < 0,5.

На рис. 5 приведены: закон изменения (z), функции группировки Gr [1, 2] и электрон-ного КПД вдоль ЗС. Закон изменения (z) в опорных стержнях может быть технически реа-лизован либо путем переменного легирования стекла стержней (при этом возможна вариация в пределах 2…15), либо набором секций с различным .

Рис. 5. Распределение , Gr и е вдоль области взаимодействия

Распределение электронов по скоростям на выходе ЗС позволяет при одноступенчатой рекуперации вернуть в источник питания 10% энергии и получить технический КПД с учетом рекуперации – 68% [5].

42

а б Рис. 6. Частотная (а) и амплитудная (б) характеристики полученного варианта

ЛБВ с изменением азимутального размера диэлектрических опор обратного секторного типа вдоль выходной секции

Первая секция: регулярная =const (форма стержней постоянная), во второй секции за-медляющее свойство стержней регулируется с помощью плавного изменения их азимутального размера . Проведенные исследования показали, что наибольшее влияние на фазовую скорость и сопротивление связи оказывает диэлектрик вблизи спирали ЗС. При использовании формы опор секториального типа (рис. 2,а) при увеличении угла с уменьшением ф одновременно уменьшается и сопротивление связи (рис. 3). Поэтому в рассматриваемом варианте 2 были предложены опоры обратного секторного типа с уменьшающимся по радиусу заполнением об-ласти (рис. 2,б).

Для предложенной на рис. 2, б формы диэлектрических опор были получены распреде-ления ф( ) и ф( )SR (рис. 7).

Из рис. 7 видно, что для уменьшения фазовой скорости волны требуется делать опоры с большим азимутальным размером. Сопротивление связи при этом тоже возрастает, что способ-ствует улучшению взаимодействия электронов с полем усиливаемого сигнала.

Рис. 7. Зависимость угла , характеризующего форму опор и сопротивления связи Rs от фазовой скоро-

сти для ЗС с тремя опорами при =15

В результате оптимизации получен электронный КПД e = 52%, I0 = 0,12 A, длина спи-рали L = 22,7 см, Ку = 32,1 Дб. Поглотитель расположен на участке 0,5 < z/L < 0,6.

На рис. 8 представлено изменение характеристик взаимодействия e , Gr и угла вдоль ЛБВ. Как видно из графика, для получения оптимальных условий для отбора энергии во второй секции размер диэлектрических опор должен монотонно увеличиваться.

43

Рис. 8. Распределение , Gr и е вдоль области взаимодействия для варианта 2

Распределение электронов в ЭП по энергиям на выходе из ЗС в этом варианте позволя-ет при одноступенчатой рекуперации вернуть в источник питания 20% энергии и получить технический КПД 72%.

а б Рис. 9. Частотная (а) и амплитудная (б) характеристики полученного варианта

Полученный прибор имеет несколько меньшую полосу усиления, чем в варианте ЛБВ с изменением диэлектрической проницаемости опор.

Заключение Следует отметить, что в предложенных вариантах ЛБВ плавный закон изменения фазо-

вой скорости реализуется при регулярной навивке спирали, в результате снимаются многие проблемы при изготовлении оптимизированных по КПД ЛБВ-О с переменным вдоль оси за-медлением.

THE TWOSTAGE TWT WITH DIELECTRICS CORRECTIVE OF THE SLOWING

A.A. KURAYEV, A.A. NAVROTSKY, A.K. SINITSYN

Abstract

The helix TWT in which the dielectrics supports with varying along area of interaction are used is suggested. The law of varying have maintained the necessary for high efficiency distribution of slowing of helix with constant pitch.

Литература 1. Кураев А.А, Cиницын А.К. // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. 1997. № 1. С. 61–71. 2. Кураев А.А., Навроцкий А.А., Попкова Т.Л. и др. // ЭВиЭС. 1998. Т.3, № 4. С. 47–50. 3. Кураев А.А., Навроцкий А.А. Синицын А.К. // Материалы 19-й Международной Крымской Конферен-ции (КрыМиКо 2009). 2009. С. 163–164. 4. Синицын А.К., Навроцкий А. А. // Радиотехника и электроника. 1995. Т. 40. № 11. 5. Кураев А.А., Навроцкий А.А. Синицын А.К. // Радиотехника и электроника. 2005. Т. 50, № 10. С. 1243–1248.

44


УДК 538.956: 538.935: 539.1.04

ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ СИНТЕЗА НА ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТНЫЕ СВОЙСТВА СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЕНОК ЦИРКОНАТА-ТИТАНАТА СВИНЦА

Л.И. ГУРСКИЙ, Н.А. КАЛАНДА*, С.Е. ДЕМЬЯНОВ*, Д.А. ГОЛОСОВ, С.Е. ЗАВАДСКИЙ, А.В. ПЕТРОВ*, Е.В. ТЕЛЕШ, Л.В. КОВАЛЕВ*


*ГО «НПЦ НАН Беларуси по материаловедению» П. Бровки, 19, Минск, 220072, Беларусь

Поступила в редакцию 24 декабря 2010

Рассмотрено влияние температурной обработки на электротранспортные свойства PbZr1-xTixO3-слоя в многослойной структуре Si/SiO2/Ti/Pt/PbZr1-xTixO3/Pt. Установлены раз-личные механизмы электропереноса заряда. Так, после отжига в течение 0,5 ч при темпера-туре 770 К в инертной среде (Ar), механизмом переноса в PbZr1-xTixO3-слое в интервале температур 280–400 К является туннелирование термически активированных электронов с энергиями выше кулоновского энергетического барьера. В интервале температур 200 – 280 К доминирует перенос заряда путем прыжковой проводимости электронов с переменной длиной прыжка по локализованным состояниям, лежащим в узкой полосе энергий вблизи уровня Ферми. После отжига в течение 0,5 ч при температуре 720 К в окисляющей среде (pO2 = (0,21–2,0)×105 Па) установлено, что в интервале температур 200–400 К электропере-нос заряда в PbZr1-xTixO3-слое осуществляется также путем прыжковой проводимости с изменяющейся длиной прыжка.

Ключевые слова: PbZr1-xTixO3-слой, многослойная структура, электроперенос, туннелирова-ние электронов, прыжковая проводимость.

Введение

Многослойные структуры на основе твердых растворов (PbZr1-xTixO3) – цирконата-титаната свинца с толщинами слоев нанометрового диапазона представляют большой интерес как для фундаментальной физики, так и для различных технических применений [1–4]. Прак-тический интерес связан с использованием цирконата-титаната свинца в микроэлектронике при создании, прежде всего, датчиков излучения, эмиссионных приборов, устройств акустоэлек-троники и микромеханики, а также возможностями создания высокоэффективных конденса-торных структур для микросхем энергонезависимой памяти с низкими управляющими напря-жениями (3–5 В), длительными временами хранения информации (не менее 5 лет), неизменно-стью параметров при большом числе циклов запись – считывание (> 1010–1012 раз), высокими значениями радиационной стойкости и степени интеграции [3, 4]. Тем не менее, существует ряд нерешенных проблем, связанных с тем, что уменьшение размеров функциональных уст-ройств современной электроники привело к ряду проблем, которые обусловлены не только технологическими ограничениями, но и тем, что начинают оказывать влияние физические яв-ления, характерные для наномира. В частности, малый размер слоев в таких системах приводит к квантовым эффектам при транспорте носителей электрического заряда. Правильное исполь-зование данных эффектов позволит значительно увеличить функциональные характеристики микросхем на основе различных гетероструктур [4–8]. В связи с этим, актуальной проблемой является установление корреляций между условиями нанесения слоев гетероструктур и их

45

электротранспортными характеристиками. Исследования, направленные на установление более глубокого понимания физических механизмов переноса носителей заряда в многослойных наност-руктурах, несомненно позволят более эффективно использовать их в различных приборах элек-тронной техники.


Схема экспериментальной установки для нанесения слоев методами магнетронного и ионно-лучевого распыления приведена на рис. 1,а. Формирование конденсаторной структуры Si/SiO2/Ti/Pt/PbZr1-xTixO3/Pt (рис. 1,б) осуществлялось путем поэтапного ионно-плазменного нанесения слоев. Камера вакуумной установки была оборудована фланцевым двухлучевым ионным источником (ИИ) с замкнутым дрейфом электронов на основе ускорителя с анодным слоем и магнетронной распылительной системой (МРС). Особенностью ИИ является возмож-ность генерирования двух независимых ионных пучков, один из которых служит для очистки поверхности подложек, а второй – для распыления материала мишени.

Для очистки поверхности подложек камера вакуумной установки откачивалась до оста-точного давления 10–3 Па. В камеру подавался Ar до рабочего давления 2,010–2 Пa. Время очи-стки, энергия ионов и ток разряда во всех экспериментах были постоянными и составляли со-ответственно 3 мин, 700 эВ, 40 мА.

МРС

O2Ar 2N

РРГ

БП МРС0 -800 В0 - 4 А

БП соленоида0 -30 В0 - 10 А

К откачнойсистеме

Подложка

БПИИ10-5.0 кВ300мА

БПИИ20-5.0 кВ300 мА

мишень

Ar

ИИ

NS

S

а б Рис. 1. Схема экспериментальной установки (а) для нанесения слоев гетероструктуры Si/SiO2/Ti/Pt/ PbZr1-xTixO3/Pt (б) методами магнетронного и ионно-лучевого распыления. ИИ – ионный источник, МРС – магнетронная распылительная система, БП – блок питания, РРГ-1 – регулятор расхода газов

Для формирования нижнего электрода в виде двухслойной структуры Ti/Pt на оксиди-рованных кремниевых пластинах Si (100) первоначально методом магнетронного распыления наносился слой Ti толщиной 50 нм при мощности – 1,2 кВт, напряжении – 470 В и токе разряда – 2,6 А. Затем методом ионно-лучевого распыления наносился слой Pt толщиной 80 нм при мощности, напряжении и токе разряда 0,19 кВт, 3,2 кВ и 60 мА, соответственно. Удельное электросопротивление нижнего и верхнего электродов не превышало 2×10–4 Ом×см. Для нане-сения пленок PbZr1-xTixO3 использовался ионно-лучевой метод. Использовались мишени соста-ва PbZr0.54Ti0.46O3 с размерами: диаметр d=80мм, толщина h=6мм. Распыление мишеней осуще-ствлялось в среде Ar+О2 при различных парциальных давлениях кислорода (pO2), при мощно-сти 150 и 300 Вт, напряжении 3,0 кВ, токе разряда 50 и 100 мА. Для компенсации поверхност-ного заряда, возникающего при распылении диэлектриков, включался накальный вольфрамо-вый компенсатор. Ток компенсатора составлял 15,0 А. Расход газов контролировался автома-тическими регуляторами расхода газа РРГ-1. Время распылния мишени было 20±5 мин.

Толщина нанесенных пленок измерялась на различных участках пленок-свидетелей при помощи интерферометра МИИ-4 и корректировалась изменением времени нанесения слоев, как правило, в пределах от 15 до 20 мин. Изучение фазового состава пленок производилось на установке ДРОН-3 в Cuk-излучении. Структура поверхности слоев исследовалась с использо-ванием атомного силового микроскопа NT-206. Измерение температурных зависимостей элек-тропроводности слоев гетероструктуры осуществлялось на полупроводниковом измерительном комплексе HP4145.

46


При формировании конденсаторной структуры с использованием гетероструктуры Si/SiO2/Ti/Pt/ PbZr1-xTixO3 /Pt следует учитывать особенности формирования текстуры [8–9] в слое PbZr1-xTixO3 с кристаллографической ориентацией (100), обусловленной ориентацией кремниевой подложки. Для направленного роста зерен в слое PbZr1-xTixO3 создавались центры кристаллизации, в качестве которых использовались зерна оксида титана (TiO), вкрапленные в слой текстурированной платины Pt (100). На основании оптимизации условий формирования нижнего электрода установлено, что напыление слоев Ti/Pt на подложку Si/SiO2 с последую-щим отжигом при 670–870 К в течение 30 мин при pO2=105 Па способствует формированию ориентированного роста зерен Pt, рис. 2. Высота игл достигает 15 нм при температуре отжига 770 К и увеличивается при повышении температуры. Повышение температуры более 770 К нежелательно, так как высота игл может превысить критический размер и конденсаторная структура будет короткозамкнутой. Отжиг нижнего электрода Ti/Pt, напыленного на подложку Si/SiO2 в окислительной среде, способствует взаимной диффузии Pt и Ti с одновременным окислением титана, что приводит к кластерообразованию фазы TiO на поверхности платиновой пленки. Вкрапления фазы TiO являются центрами зародышеобразования, понижающими тем-пературу формирования зерен PbZr1-xTixO3 и способствующими направленному росту слоя [9, 10].

При изучении температурных зависимостей проводимости многослойной структуры Si/SiO2/Ti/Pt/ PbZr1-xTixO3 /Pt, отожженной в среде Ar при 770К в течение 0,5 ч, выявлен полу-проводниковый характер электропереноса в PbZr1-xTixO3 слое. Изучение электротранспортных характеристик слоя PbZr1-xTixO3 проводилось в интервале рабочих температур 200–400 K. Для выявления доминирующего механизма электропереноса заряда были построены зависимости R=f(T) в координатах, ln(0/)T–1/2 и ln(0/)T–1/4, где 0 / – нормированная электрическая проводимость, 0 – электропроводность при T0 = 400 К. При анализе температурной зависимо-сти нормированной электропроводности в интервале 280–400 K установлено, что она является линейной функцией обратной температуры и хорошо описывается степенным законом ln(0/)T–1/2 (рис. 3,а).

Данная степенная зависимость указывает на реализацию переноса заряда путем тунне-лирования электронов из одного энергетического состояния в другое через энергетический барьер. В рамках этой модели туннельная проводимость определяется параметрами энергети-ческого барьера и может быть выражена в виде

exp(–2{2/h}[2m]1/2s), (1)

где h – постоянная Планка, m – эффективная масса электрона, – эффективная высота барьера, s – ширина барьера, равная наименьшему расстоянию, через которое проходит электрон [10]. В этом случае имеет место нарушение электронейтральности, и электрону при туннелировании дополнительно необходимо преодолеть энергетический барьер, обусловленный кулоновским взаимодействием (Ek). Это означает, что в процессе туннелирования могут участвовать лишь термически активированные электроны с энергиями выше кулоновского энергетического барь-ера.

Учитывая соотношение Еа Ek, где Еа – энергия активации туннелирования электронов, Ek–величина кулоновского энергетического барьера, аналитическое выражение для проводимо-сти записывается в виде:

=0{exp(–2 [ / ]аЕ kT )}, (2)

где Еа ={2/h}(2m)1/2sEk, k–постоянная Больцмана. (3)

Из выражения (2) вытекает степенной закон поведения нормированной электропровод-ности от обратной температуры в виде:

ln(0/)=2 [ / ]аЕ k T–1/2, т.е. ln(0/)~ T–1/2. (4)

47

а б Рис. 2. АСМ-изображение поверхности последнего слоя электрода (Ti/Pt) до (а) и (б) после отжига при

Т=770 К и pO2=105 Па в течение 0,5 ч

При дальнейшем понижении температуры от 280 K до 200 K механизм электропровод-ности изменяется с туннельной проводимости на прыжковую проводимость и прыжковую про-водимость можно в хорошем приближении описать степенным законом ln(0/)T–1/4 (закон Мотта) [11]. В рамках данной модели предполагается, что вблизи краев зоны проводимости и валентной зоны электронные состояния локализованы и представляют собой «ловушки» для электронов.

Движение электронов при прыжковой проводимости из одного состояния в другое про-исходит с испусканием или поглощением фотона. При этом, электрон совершает прыжки бли-жайшими состояниями, так как величина, определяющая перекрытие волновых функций exp(–2αr), где r – расстояние прыжка, α – радиус локализации волновой функции электрона, быстро спадает с расстоянием. Электрон, как правило, перепрыгивает в такое состояние, для которого Emin является наименьшей возможной величиной, что характерно для прыжковой про-водимости с переменной длиной прыжка, причем длина прыжка r увеличивается с уменьшени-ем температуры. Для такого состояния Emin определяется как Emin = 3{4r3N(EF)}–1, где N(EF) – плотность состояний на уровне Ферми. Так как среднее расстояние для прыжка r=3r/4, где r={2/3[2αN(EF)kT]}–1/4, а вероятность прыжка определяется выражением: exp(–1,66(α3/kN(EF)T)–1/4), где – множитель, зависящий от спектра фотонов, то выражение для проводимости принимает вид:

=e2N(EF)r2exp(–1,66 (α3/kN(EF)T)–1/4) (5)

и ln~T–1/4. На основании вышеописанной модели можно утверждать, что в интервале темпера-тур 200–280 К в слое PbZr1-xTixO3 доминирует перенос заряда путем прыжковой проводимости электронов с переменной длиной прыжка по локализованным состояниям, лежащими в узкой полосе энергий вблизи уровня Ферми. Перенос заряда осуществляется по каналу, пронизы-вающему всю среду и образованному сферами радиуса r, окружающими каждый узел решетки и соприкасающимися вдоль наиболее благоприятного пути для переноса заряда [11].

48

а б Рис. 3. Зависимости нормированной электропроводности конденсаторных структур от обратной темпе-ратуры: а– структура, отожженная при 770 К в течение 0,5 ч в среде Ar, измерения в интервале темпера-тур 280–400 K; б– структура, отожженная при 770 К в течение 0,5 ч в окислительной среде, измерения в

интервале температур 200–400K

При рассмотрении политермических зависимостей в диапазоне (200–400 K) нормиро-ванной электрической проводимости 0 / конденсаторной структуры Si/SiO2/Ti/Pt/PbZr1-xTixO3/Pt, отожженной при Т = 720 К и pO2= (0,21 и 2,0)×105 Па в течение 0,5 ч, установлено, что увеличение давления кислорода при отжиге конденсаторной структуры приводит к значительному росту 0 / (рис. 3,б). При этом для обоих случаев pO2= (0,21 и 2,0)×105 Па зависимости 0/=f(T) являются линейными функциями обратной температуры и хорошо описываются степенным законом ln(0/)T–1/4. Данное выражение, описываемое за-коном Мотта ln(/0)~(1/T)1/4, является критерием реализации механизма переноса заряда пу-тем прыжков с переменной длиной по локализованным состояниям вблизи уровня Ферми. Пе-ренос заряда путем прыжков не всегда имеет различную длину прыжка r. Так при отжиге гете-роструктуры в окислительной среде (pO2=2,0×105 Па) величина r>>1, и прыжковый механизм переноса заряда осуществляется только между ближайшими соседями [11–12].

Эта зависимость может реализоваться, когда состояния локализованы по всей зоне, так что край зоны проводимости лежит в более высоких энергетических уровнях [13–15]. Умень-шение давления кислорода при отжиге конденсаторной структуры до pO2=0,21×105 Па приво-дит к реализации условия – r1. В этом случае перенос заряда осуществляется с изменяющей-ся длиной прыжка, причем длина прыжка увеличивается с уменьшением температуры.


На основании исследований установлено, что нанесение нижнего электрода, состояще-го из двух слоев Ti/Pt, с последующим их отжигом при 670–870 К в течение 30 мин приводит к ориентированному росту зерен Pt в направлении, перпендикулярном поверхности титана.

При рассмотрении влияния термической обработки на электротранспортные свойства слоя PbZr1-xTixO3 в мультислойной структуре Si/SiO2/Ti/Pt/PbZr1-xTixO3/Pt, установлены различ-ные механизмы переноса заряда. Так, при отжиге Т=770 К в инертной среде Ar в течение 0,5 ч, механизмом электропереноса в слое PbZr1-xTixO3 в интервале температур 280–400 К является туннелирование термически активированных электронов с энергиями выше кулоновского энергетического барьера. В интервале температур 200–280 К доминирует перенос заряда путем прыжковой проводимости электронов с переменной длиной прыжка по локализованным со-стояниям, лежащими в узкой полосе энергий вблизи уровня Ферми. При рассмотрении влияния термической обработки при температуре 720 К и давлениях кислорода pO2 =(0,21 и 2,0)×105 Па в течение 0,5 ч на электротранспортные свойства слоя PbZr1-xTixO3 установлено, что в интерва-ле температур 200–400 К перенос заряда осуществляется с изменяющейся длиной прыжка. При

49

этом длина прыжка увеличивается с уменьшением температуры. Перенос заряда путем прыж-ков не всегда имеет различную длину прыжка r. Так при отжиге гетероструктуры в окисли-тельной среде (pO2=2,0×105 Па) величина r>>1, и прыжковый механизм переноса заряда осу-ществляется только между ближайшими соседями.

THE INFLUENCE OF SYNTHESIS CONDITIONS ON ELECTRICAL TRANSPORT PROPERTIES OF LEAD ZIRCONIUM TITANATE FERROELECTRIC FILMS

L.I. GURSKII, N.A. KALANDA, S.E. DEMYANOV, D.A. GOLOSOV, S.E. ZAVADSKY, A.V. PETROV, E.V. TELESH, L.V. KOVALEV

Abstract

Various mechanisms of charge transfer are determined at a consideration of the influence of postgrowth annealing processes on electrical transport processes of a PbZr1–xTixO3 layer in Si/SiO2/Ti/Pt/PbZr1–xTixO3/Pt multilayered structure. In this way at the structure annealing at 770 K in an inert medium of Ar during 0,5 h, a tunneling of thermally active electrons with energies higher than Coulon energy barrier is the main electrical transport mechanism in the PbZr1–xTixO3 layer in the tem-perature range 280–400 К. In the temperature range 200–280 K dominates the charge transfer mecha-nism of electrons hopping with a variable length of the hopping over localized states, located in a nar-row enegy strip near the Fermi level. As a result of a consideration of the influence of postgrowth an-nealing processes at 720 K and pO2 = (0,21 and 2,0)×105 Pa during 0,5 h on electrical transport in the PbZr1–xTixO3 layer it was determined that the charge transfer process in the temperature range 200–400 К is realized with the changeable hopping length.

Литература 1. Whatmore R.W. // Ferroelectrics. 1999. Vol. 225. P. 179. 2. Muralt P. // J.Microeng. 2000. Vol. 10. P. 136. 3. Setter N., Damjanovic D., Eng L. et al. // J. Appl. Phys. 2006. Vol. 100. P. 051606. 4. Suchaneck G., Gerlach G. // Ferroelectrics. 2006. Vol. 335. P. 701. 5. Ledermann N., Muralt P., Babowski J. et al. // Sensors and Actuators. 2003. Vol. A105. P. 162. 6. Bi Zh., Zhang Zh., Fan P. // J. Phys.: Conf. Ser. 2007. Vol. 61. P. 115. 7. Петров А.В., Гурский Л.И., Каланда Н.А. и др. // Докл. БГУИР. 2010. №3. С. 62–67. 8. Hsu Y.-Ch., Wu Ch.-Ch., Lee Ch.-Ch. et al. // Sensors and Actuators. 2004. Vol. A116. P.369. 9. Suchaneck G., Lin W.-M., Gerlach G. et al. // Integrated Ferroelectrics. 2006. Vol. 80. P. 189. 10. Афанасьев В.П., Мосина Г.Н., Петров А.А. и др. // Письма в ЖТФ. 2001. Т. 27, №11. С. 56–63. 11. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. М., 1984. 12. Park H.-H., Yoon S., Park H.-H., et al. // Thin Solid Films. 2004. Vol. 447–448. P. 669. 13. Kundu T.K., Lee J.Y.-M. // Ferroelectrics. 2005. Vol. 328. P. 53. 14. Balke N., Bdikin I., Kalinin S.V. et al. // J. Am. Ceram. Soc. 2009. Vol. 92. P. 1629. 15. Wang W., Fukui M., Fuji T. et al. // J. Korean Phys. Soc. 1999. Vol. 35. P. S1532.

50


УДК 621.371:550.837.6

ОЦЕНКА ОТРАЖАТЕЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК АНИЗОТРОПНЫХ СРЕД ПЛАЗМОПОДОБНОГО ТИПА

Д.В. ГОЛОЛОБОВ, С.А. ЗАВАДСКИЙ, В.Б. КИРИЛЬЧУК



Приведены результаты анализа частотных характеристик модулей коэффициента отраже-ния электромагнитной волны с различными поляризациями от анизотропной среды плаз-моподобного типа. Представлены зависимости оценочных параметров частотных характе-ристик модуля коэффициента отражения при вариациях концентраций частиц и относи-тельной диэлектрической проницаемости наполнителя анизотропной среды, которые могут быть использованы для создания новых и уточнения существующих алгоритмов их обна-ружения и идентификации.

Ключевые слова: электромагнитная волна, анизотропная среда, модуль коэффициента от-ражения, концентрация заряженных частиц, оценочный параметр.

Введение. Постановка задачи

Анизотропные среды плазмоподобного типа образуются в результате специфических процессов, которые возникают на различных объектах искусственного и естественного проис-хождения [1]. В реальном канале радиосвязи неоднородности такого вида могут стать причи-ной существенного искажения электромагнитного поля, сопровождаемого потерей информа-ции.

Приближенный алгоритм оценки искажений спектрального состава, отраженного от анизотропной среды сигнала, приведен в работе [2] и сводится к оценке комплексного коэффи-циента отражения в частотной области при известной спектральной характеристике воздейст-вующей волны. Задачей настоящей работы является анализ трансформации частотной характе-ристики коэффициентов отражения волн с различными поляризациями при вариациях электро-динамических параметров подстилающей анизотропной среды.

Пусть электромагнитная волна (ЭМВ) с круговой (в общем случае) поляризацией и на-пряженностью электрического поля ЕП падает на поверхность, разделяющую два полупро-странства, характеризуемые своими электродинамическими параметрами: верхнее – ε1, μ1, σ1 и нижнее, обладающее анизотропными свойствами – ε2, μ2, σ2 (рис. 1). Волна падает на границу раздела под произвольным углом θп, отсчитываемым от внешней нормали, совпадающей с осью ОZ. Отраженная ЭМВ характеризуется напряженностью электрического поля Е0 с углом отражения θ0. Вектор поля подмагничивания Н0 лежит в плоскости ХОZ и ориентирован пер-пендикулярно границе раздела двух сред. Электродинамическая модель анизотропной среды плазмоподобного типа (АСПТ) образована потоком заряженных частиц, находящимся в плот-ном диэлектрическом наполнителе и слабом поле подмагничивания. Модель АСПТ является многопараметрической, поскольку ее электродинамические характеристики определяются па-раметрами потока частиц, диэлектрического наполнителя и вектора магнитного поля [1].

51

Рис. 1. Воздействие ЭМВ с произвольной поляризацией на АСПТ

Коэффициенты Френеля волн, отраженных от АСПТ

Оценка отражательных свойств подстилающей поверхности при известных электроди-намических параметрах среды и угле падения волны осуществляется по коэффициентам Фре-неля. В отличие от однородной подстилающей поверхности частотные зависимости имеют яр-ко выраженный резонансный характер [2].

При воздействии на АСПТ с заданными электродинамическими параметрами гармони-ческой ЭМВ с линейной поляризацией под произвольным углом θП коэффициенты Френеля определяются выражениями:

- для вертикальной: 2

П П1 3В В В2

П П2 3

cos (cos 1) expcos (cos 1)

u uR Ru u

, (1)

- для горизонтальной: 2

П П4 2Г Г Г2

П П2 3 1

cos (cos 1) exp j( cos (cos 1))(1 )

u uR Ru u u

, (2)

где 1,2 1R Lu , 3 LRu , 4 R R L Lu , 1 2R , 1 2 L , а

1 2, – компоненты тензора диэлектрической проницаемости, описывающего АСПТ. При этом появляется кроссполяризационная компонента поля, связанная с преобразованием поля-ризационной структуры воздействующей ЭМВ:

П

П П

2 3ВГ ГВ ВГ ВГ2

2 3

2( 1) cos exp

cos (cos 1)u u

R R R ju u

. (3)

Для волн с правым П или левым Л направлением вращения вектора электрической на-пряженности поля коэффициент отражения определяется выражениями

2 2П П П П1 1 3 4 2

П П П2П П2 3 1

exp(1 ) cos (cos 1) cos (cos 1)

2( cos (cos 1))(1 )u u u u u

ju u u

R R

, (4)

2 2П П П П1 1 3 4 2

Л Л Л2П П2 3 1

exp(1 ) cos (cos -1) cos (cos 1)

2( cos (cos 1))(1 )u u u u u

ju u u

R R

. (5)

52

При этом компоненты тензора диэлектрической проницаемости являются зависимыми от параметров потока частиц с равными концентрациями электронов и ионов Ne =Nu =N, прони-зывающим плотный диэлектрический наполнитель с комплексной диэлектрической проницае-мостью, характеризуемой εr и σr [1].

В качестве оценочных параметров частотных характеристик выбраны экстремальные значения модулей коэффициента отражения Rξ0 и соответствующие им частоты f0 при вариаци-ях электродинамических параметров потока частиц и наполнителя. Обозначенные особенности позволяют определить искажения, которые претерпит спектр зондирующего сигнала, а значит и его форма при отражении от границы АСПТ. В параметры принимаемого отраженного сиг-нала будет заложена информация о коэффициенте отражения, который в свою очередь связан с параметрами специфической среды.

Численные исследования коэффициентов отражения при воздействии ЭМВ с линейной поляризацией

Результаты численных исследований частотных зависимостей коэффициентов отраже-ния при различных значениях концентраций и диэлектрических проницаемостей для фиксированного угла падения θП =60° вертикально поляризованной ЭМВ приведены на рис. 2. Ранее было показано [3], что при использовании ЭМВ с вертикальной поляризацией и различ-ных углов ее падения относительно нормали к границе раздела сред наблюдается максималь-ное поглощение при θП= =60°.

а б

Рис. 2. Трансформация частотной характеристики модуля коэффициента отражения ЭМВ вертикальной поляризации (а) и ее оценочных параметров (б) при вариации концентраций частиц

а б

Рис. 3. Трансформация частотной характеристики модуля коэффициента отражения ЭМВ горизонталь-ной поляризации (а) и ее оценочных параметров (б) при вариации концентраций частиц

Цифрами на рисунке обозначены кривые: а – частотные зависимости при 1 – N =1013м-3; 2 – N=1014м-3; 3 – N=51014м-3; 4 – N=1015м-3; 5 – N=1016м-3; б – оценочные параметры при 1 – Rξ0(lgN) при εr=15; 2 – Rξ0(lgN) при εr=10; 3 – Rξ0(lgN) при εr=5; 4 – f0(lgN) при εr=5; 5 – f0(lgN) при εr=10; 6 – f0(lgN) при εr=15. При вертикальной поляризации значение модуля коэффициента

53

отражения не превышает 0,4 при малых диэлектрических проницаемостях εr, а частота дости-гает 950 МГц при больших εr. С увеличением концентрации частиц происходит уменьшение экстремального значения модуля коэффициента отражения. При линейном росте концентрации R10 уменьшается экспоненциально. Причем с линейным уменьшением диэлектрической про-ницаемости наполнителя происходит линейное уменьшение экстремума частотной характери-стики при фиксированной концентрации, а также сужение контраста (диапазона изменений) R10 при увеличении N (рис. 2,б). Если при N=1013м-3 для относительной проницаемости 15 экстре-мум коэффициента отражения имеет значение 0,13, а для 5 – 0,01, то при N =1016м-3 для тех же проницаемостей равен 0,008.

Для горизонтальной поляризации ЭМВ (рис. 3) тенденция уменьшения экстремума час-тотной характеристики сохраняется, однако это уменьшение происходит линейно. При фикси-рованной концентрации минимум R20 существенно больше в сравнении с оценочным парамет-ром для вертикальной поляризации волны R10. Объясняется это менее эффективным взаимо-действием электрической компоненты поля, обусловленным влиянием пространственного взаимодействия магнитной составляющей поля волны и поля подмагничивания. При возраста-нии проницаемости наполнителя изменение R20, когда концентрация частиц остается неизмен-ной, является нелинейным. Так, если при N =1013м-3, R20 = 0,63 для εr = 15, а для εr = 5 уже 0,41 (рис. 3,б), то для N =1016м-3 для этих же проницаемостей экстремальное значение коэффициента отражения составляет 0,1 и 0,05. Линейное увеличение диэлектрической проницаемости εr при-водит к росту частоты f0. Для горизонтальной поляризации максимальное значение модуля со-ставляет 0,63 при малых εr, частота f0max=400 МГц при больших εr.

Пиковое значение кроссполяризационной компоненты отражения ЭМВ (рис. 4) являет-ся незначительным, однако ее можно использовать как специфический элемент идентифика-ции, когда идет речь о необходимости регистрации сверхмалой информации. Численные ис-следования показывают, что проявление кроссполяризации волны однозначно связано с экс-тремумами R10 и R20. Это обусловлено перетоком незначительной части энергии в ортогональ-ную плоскость поляризации за счет взаимодействия с АСПТ. Частотная зависимость R(f) имеет резонансный характер при изменениях концентраций (рис. 4,а) с большими проницаемостями наполнителя. При малых εr характеристика является нерезонансной. Вместе с тем, контраст (диапазон изменений) R30 (рис. 4,б) при росте и концентраций и проницаемости возрастает. При росте проницаемости наполнителя изменение R30 и f0, когда концентрация частиц постоян-на, является нелинейным.

а б

Рис. 4. Трансформация частотной характеристики модуля кроссполяризационной компоненты коэффи-циента отражения ЭМВ (а) и ее оценочных параметров (б) при вариации концентраций частиц

Численные исследования коэффициентов отражения при воздействии ЭМВ с круговой поляризацией

Частотные характеристики модуля коэффициента отражения ЭМВ с круговой поляри-зацией для тех же параметров концентраций частиц и относительных диэлектрических прони-цаемостей наполнителя АСПТ приведены на рис. 5–6,а. Цифрами на рисунке обозначены кривые: а – частотные зависимости при 1 – N=1013м-3; 2 – N=1014м-3; 3 – N=51014м-3; 4 –

54

N=1015м-3; 5 – N=51015м-3; б – оценочные параметры при 1 – Rξ0(lgN) при εr=15; 2 – Rξ0(lgN) при εr=10; 3 – Rξ0(lgN) при εr=5; 4 – f0(lgN) при εr=5; 5 – f0(lgN) при εr=10; 6 – f0(lgN) при εr=15.

Сравнение зависимостей экстремумов частотных характеристик R40 и R50 от концентра-ций частиц и проницаемостей (рис. 5–6,б) с рассмотренными выше аналогичными зависимо-стями показывают следующее. Закономерность смещения частоты f0 при вариациях N и εr для левополяризованной волны не отличается от закономерности для кроссполяризационной со-ставляющей поля при зондировании АСПТ волной с линейной поляризацией. Отличие при та-ком воздействии на АСПТ составляют лишь значения экстремумов коэффициентов отражения, которые изменяются в диапазоне 0,27…0,55 для интервалов варьируемых электродинамиче-ских параметров. На полученных графиках можно наблюдать возрастание значений обоих оценочных параметров с увеличением концентрации электронов, а также незначительное влия-ние диэлектрической проницаемости на их поведение (рис. 5,б). Такое поведение характерно лишь для левой поляризации волны.

а б Рис. 5. Трансформация частотной характеристики модуля коэффициента отражения ЭМВ левой поляри-

зации (а) и ее оценочных параметров (б) при вариации концентраций частиц

а б Рис. 6. Трансформация частотной характеристики модуля коэффициента отражения ЭМВ правой поля-

ризации (а) и ее оценочных параметров (б) при вариации концентраций частиц

Закономерность изменений R50 при вариациях N и εr для правополяризованной волны не отличается от закономерности при зондировании АСПТ волной с горизонтальной поляриза-цией. Отличие при таком воздействии на АСПТ составляют лишь значения экстремумов коэф-фициентов отражения, которые лежат в пределах 0,35…0,45 для концентрации N=1013м-3. При N=1016м-3 модуль R50 равен 0,05…0,1 и не отличается от модуля R20


Анализ оценочных параметров частотных зависимостей коэффициентов отражения при дискретном изменении концентраций электронов и диэлектрической проницаемости наполни-теля свидетельствует о следующем.

Установлены закономерности влияние вида поляризации, диэлектрической проницае-мости и концентрации заряженных частиц на частотные смещения минимума коэффициента

55

отражения ЭМВ, а также его численных значений при вариации концентраций и относитель-ной диэлектрической проницаемости наполнителя АСПТ. Дополнительная низкоэнергетиче-ская кроссполяризационная составляющая электромагнитного поля, возникающая за счет двойного лучепреломления, создает характерную для анизотропного объекта с конечными электродинамическими параметрами информацию. Данную информацию можно оценить через соответствующие коэффициенты Френеля.

Результаты численных исследований позволяют проводить косвенные оценки транс-формаций спектров зондирующих сигналов и являются данными для возможной идентифика-ции свойств анизотропного образования.

При практической реализации радиотехнических систем поиска анизотропных объек-тов безусловным преимуществом обладают системы, построенные по многоканальному прин-ципу, использующему поляризационную обработку в круговом поляризационном базисе. Для повышения уровня достоверности идентификации анизотропных объектов необходимо созда-вать дополнительный (вспомогательный) канал, обеспечивающий обработку сверхмалой ин-формации, формируемой малыми электромагнитными полями.

THE ESTIMATION OF REFLECTION CHARACTERISTICS OF PLASMA LIKE ANISOTROPIC MEDIA

D.V. GOLOLOBOV, S.A. ZAVADSKI, V.B. KIRILCHUK

Abstract Results of frequency response analysis of the reflection coefficient module of an electromag-

netic wave at different polarizations from plasma like anisotropic media is given. The dependences of frequency response of the reflection coefficient module of an electromagnetic wave when charged par-ticles concentration and filling permittivity are varied are shown here. They can be used for founding new methods and improvement of existing methods of anisotropic media detection and identification.

Литература 1. Гололобов Д.В. Взаимодействие электромагнитных волн и углеводородных залежей. Минск, 2009. 2. Гололобов Д.В., Качан И.А., Кунашко К.В. // Докл. БГУИР. 2010. №3(49). С. 5–11. 3. Гололобов Д.В. // Радиоэлектроника интеллектуальных транспортных систем. 2010. С. 88–99.

56


УДК 656.2-50: 519.8

РЕОПТИМИЗАЦИЯ КРАТЧАЙШИХ ПУТЕЙ ПРИРАЩЕНИЙ ПРИ РЕШЕНИИ АСИММЕТРИЧНЫХ ЗАДАЧ КОММИВОЯЖЕРА

М.П. РЕВОТЮК, П.М. БАТУРА, А.М. ПОЛОНЕВИЧ


Поступила в редакцию 1 апреля 2011

Рассматривается способ ускорения решения асимметричной задачи коммивояжера мето-дом ветвей и границ с ветвлением на задачах о назначении. Предлагаемый способ исполь-зует наследование решений порождающих задач, при котором оценка вариантов порожден-ных задач проводится методом коррекции дерева кратчайших путей приращений. Реопти-мизация дерева путей приводит к снижению вычислительной сложности задачи на поря-док.

Ключевые слова: задача коммивояжера, разностная схема, вычислительная сложность.

Постановка задачи

Задача коммивояжера, как известно, возникает во многих случаях оптимизации управ-ления дискретными процессами, легко формулируется, но трудно решается. В классической постановке формальная модель такой задачи имеет вид:

1 1m in1 1

1; 0, , 1, ;m in .

1, 2, , 2, ,

n n

n n ij ij iji jij ij

i ji j ij

x x x i j nY c x

u v nx n i n j n i j

(1)

Для решения так называемых асимметричных задач вида (1), когда , , 1,ij jic c i j n , наиболее эффективным из точных методов считается метод ветвей и границ [1]. Схема алго-ритма метода ветвей и границ может использовать разные способы порождения дерева вариан-тов. Исторически первый способ, предложенный Литтлом, использует операцию приведения матриц. Современный подход базируется на решении линейных задач о назначении (ЛЗН), анализе получающихся замкнутых циклов и, если таких циклов более одного, последующем переборе вариантов разрыва циклов. Установлено, что размер дерева вариантов в этом случае оказывается меньше. Рекурсия обхода дерева ЛЗН строится на матрице расстояний, где разры-вы циклов задаются назначением бесконечных значений длин запрещаемых дуг [2].

Основной проблемой использования метода ветвей и границ, как и других процедур исчерпывающего поиска, является повышенные требования к объему памяти. В частности, прямолинейная реализация метода ветвей и границ для асимметричной задачи коммивояжера размерностью n характеризуется потребностью в памяти порядка 2( 2 )n n n . Использование разностной схемы представления состояний процесса ветвления позволяет получить зависи-мость 2( )O n . Например, реализация такой схемы для случая ветвления на двоичных деревьях методом Литтла характеризуется потребностью в памяти 2 2 3n n n [3].

Предмет рассмотрения – способ построения эффективной как по памяти, так и быстро-действию разностной схемы ветвления на множестве ЛЗН. Алгоритм решения ЛЗН будет явно

57

учитывать возможность частичного наследования результатов решения порождающей задачи. Потенциальный эффект реализации такого приема объясняется тем, что вычислительная слож-ность решения независимых ЛЗН – 3( )O n , а пересчета после изменения строки матрицы ЛЗН – 2( )O n [3]. Для простоты изложения далее будут опущены приемы сокращения количества ветвей дерева вариантов [1, 2, 5], не влияющие на общность предлагаемых решений.

Алгоритм ветвления и его переменные состояния

При прямолинейной реализации метода ветвей и границ время решения (1) в основном определяется временем решения в каждом узле дерева ЛЗН фиксированной размерности

1 1 1 1min 1; 0; , 1, .

n n n n

ij ij ij ij iji j i j

c x x x x i j n

(2)

С целью определения переменных состояния процесса поиска оптимального решения (1) рассмотрим процесс ветвления более детально. Ветвление дерева вариантов задачи комми-вояжера удобно проводить, используя стратегию DFS (Depth First Search) на векторе решения

| 1, 1, ( ), 1,ijR i x j n r j j n . (3)

Поиск оптимального решения начинается с создания глобальных объектов – вектора лучшего текущего назначения minR и его оценки minY с начальными значениями minR и

minY . Далее следует вызов процедуры анализа корневого узла дерева для матрицы C . Процедура анализа узла на уровне k , получив матрицу kC , включает следующие шаги.

Шаг 1. Решение ЛЗН k kC R и оценка целевой функции ( ),1

n

r j jj

Y c

.

Шаг 2. Если minY Y , то выход. Шаг 3. Поиск в решении цикла обхода вершин минимальной длины k kr R . Шаг 4. Если k kr R , т.е. цикл не гамильтонов, то переход к шагу 6. Шаг 5. Сохранение результата – minY Y , min

kR R , а затем – выход. Шаг 6. Для всех вершин цикла поочередно создать копию матрицы 1k kC C , устано-

вить запрет посещения других вершин цикла и выполнить процедуру анализа узла, соответст-вующего матрице 1k

iC . В настоящее время лучшим по времени решения ЛЗН (2) является метод кратчайшего

пути приращений SAP (Shortest Augmenting Path) [4]. Развивая идею классического венгерского метода, метод SAP базируется на двойственной задаче линейного программирования

1 1max 0, , 1,

n n

i j ij i ji j

u v c u v i j n

.

В известных реализациях метода SAP чаще всего внимание уделяется эффективности решения независимых ЛЗН вида (2) c квадратной матрицей. Однако алгоритм метода SAP при-годен после модификации для реоптимизации задач с изменяющимися прямоугольными мат-рицами, требуя сохранения лишь вектора потенциалов.

Алгоритм решения ЛЗН методом SAP включает следующие шаги: 1) формирование начального назначения и потенциалов различающихся столбцов по

результатам поиска минимальных элементов в строках; 2) для всех строк без назначенных столбцов выполнить поиск кратчайшего пути при-

ращений к любому не назначенному столбцу, коррекцию потенциалов столбцов и фиксацию найденного пути приращений от назначенного столбца до текущей строки.

58

Первый шаг можно опустить, тогда ЛЗН будет фактически решена инкрементной вер-сией алгоритма венгерского метода [3]. Потенциалы столбцов при этом должны быть нулевы-ми.

Изменение элементов матрицы ЛЗН влечет необходимость пересмотра результата оп-тимизации, если только меняется позиция нулевого элемента после операции приведения. Действительно, увеличение элемента *

ij ijc c матрицы задачи (2), когда 0ijx , не меняет ре-

шения для любых , 1,i j n . Аналогично, уменьшение элемента *ij ijc c , когда 1ijx , не нару-

шает соотношения ij i jc u v в задаче (2). В общем случае, для решения ЛЗН с измененной матрицей требуется повтор итераций назначения лишь для строк

* * *( ) ( 0) ( ) ( 1), 1,ij ij ij ij ij ijM i c c x c c x j n . (4)

При этом достигается снижение вычислительной сложности пересчета задачи (1) на ве-личину * 2( )n M O n . Из выражения (4) следует, что релаксация на множестве ЛЗН при ре-

шении задачи коммивояжера методом ветвей и границ соответствует условию * 1M . По-следнее объясняет сокращение времени решения задачи коммивояжера приблизительно в 1n раз.

Из (5) следует, что изменение элементов матриц в любом узле дерева вариантов произ-водится только путем увеличения значения. Учитывая, что потенциал измененной строки будет уточняться на итерации пересчета, предварительное уточнение потенциалов не требуется.

Вектор lR пригоден как для выявления циклов, не являющихся гамильтоновыми, так и исключает необходимость хранения решения в матричном виде.

Можно заметить, что если k – некоторая вершина цикла в решении задачи (2), то по-

следовательность 1( ) (0) , ( ) ( )l l lr ir k r k r i R r i k R только тогда соответствует га-

мильтонову циклу, когда условием остановки является ( 1)r n k , 1, .k n Если цикл не га-мильтонов, т.е. ( )l lr k R , то необходимо породить множество задач уровня 1l . Для этого следует указать цикл минимальной длины, выбрав вершину входа в цикл (для наследования)

arg min , 1,l l

kk r k k n .

Правило порождения ЛЗН тривиально – для каждой вершины обнаруженного цикла не-обходимо запретить посещение других вершин этого цикла. При этом матрица очередной ЛЗН отличается от предыдущей одной строкой, в которой часть элементов заменяются значением, не меньшим значения

max ,max : , 1, , 1,iji j

c c i j i n j n . (5)

Построчное изменение матриц проводится по следующему закону:

1max

l l l l l lij ijc c c i r k j r k , , 1,i j n . (6)

Так как изменения матрицы C выполняются построчно, то достаточно сохранить из-меняемые элементы в буфере размером n . Однако запрет на использование элемента матрицы можно установить смещением его текущего значения на величину maxc . В этом случае допол-нительный буфер для сохранения элементов строки не требуется. Надежность реализации та-кого способа очевидна, если выполняется условие размещения в машинном слове, выделяемом для хранения элементов матрицы, значения maxc n .

59

Фильтрация бесперспективных вариантов

В случае решения задачи коммивояжера естественно использовать взаимосвязь матриц рекурсивно порождаемых ЛЗН. Например, можно учитывать возможности прерывания итера-ций решения задачи ЛЗН. При решении ЛЗН на основе (3) имеется возможность получения нижних оценок целевой функции. Это позволяет прервать анализ бесперспективного варианта матрицы, используя глобальное значение рекордной оценки среди просмотренных листьев де-рева [3]. На основании теории двойственности, нижняя оценка целевой функции kZ на итера-ции k решения ЛЗН венгерским методом определяется выражением

1 1,

n nk k k

i ji j

Z u v

(7)

где kiu , k

jv – значения потенциалов строк и столбцов на этой итерации. Если выясняется, что k

recZ Z , где recZ – значение целевой функции лучшего из просмотренных вариантов, то ите-рации анализа рассматриваемой ЛЗН можно прекратить. Нижняя оценка целевой функции в этот момент совпадает с оценкой оптимального решения, но выражение (7) эффективнее для вычисления по сравнению с прямолинейным использованием выражения (1).

В алгоритме метода SAP промежуточные итерации проводятся с использованием лишь потенциалов столбцов , 1,k

jv j n . Потенциалы строк можно определить после завершения

итераций, используя соотношение ( ) ( ), , 1, .r j r j j ju c v j n В этом случае ( ) 1, , 1,r j n j n , что означает назначение каждому столбцу матрицы некоторой ее строки. Однако на промежуточ-ных итерациях алгоритма метода SAP столбцы без назначенных строк можно пометить, на-пример, недействительным значением индекса элемента вектора решения. В результате ниж-нюю оценку целевой функции на любых итерациях алгоритма метода SAP можно получить следующим образом:

( ),1

( ( ) 0)n

kr j j

jZ c r j

.

Шаблон класса решения задачи

Рассмотренная схема поиска решения задачи коммивояжера представлена полной вер-сией исходного текста шаблона класса на языке С++(рис. 1–3).

Рис. 1. Шаблон класса решения задачи коммивояжера

60

Атомарной задачей, соответствующей узлу дерева, здесь выступает процесс решения ЛЗН (рис. 2) и анализ результата (рис. 3). При этом проверяется наличие гамильтонова цикла и порождаются новые узлы, если цикл не гамильтонов.

После этапа решения ЛЗН в случае необходимости ветвления имеем список порождае-мых задач следующего уровня. Список задач полностью представлен элементами вектора ре-шения (3) текущей ЛЗН.

Рис. 2. Шаблоны основных функций решения задач о назначении

Функции организации ветвления (рис. 3) осуществляют анализ вектора решения и вы-деляют цикл минимальной длины, если решение не представляет гамильтонов цикл. Ветвление организуется посредством построчного изменения и восстановления текущей матрицы стои-мостей. Изменение касается лишь строк и столбцов, соответствующих вершинам разрываемого цикла.

Построенный шаблон класса пригоден для непосредственного использования в одно-поточных последовательных вычислениях. При распараллеливании шаблон применим для ана-лиза отдельной ветви дерева вариантов. Основным достоинством рассмотренной здесь разно-стной схемы реализации ветвления на множестве ЛЗН является экономное использование па-мяти. Оценка потребности в памяти – 2 ( 1) 1n n n , где первое слагаемое – исходная мат-рица задачи (1), второе – память стека вариантов ветвления.

61

Рис. 3. Функции организации ветвления задач о назначении

Экспериментальная оценка времени решения задач

В таблице приведены результаты экспериментов по оценке среднего времени решения задач коммивояжера процедурами реализации классического алгоритма венгерского метода [5] и алгоритма кратчайшего пути приращений (рис. 1–3). Результаты фиксировались для трех ва-риантов применения алгоритмов каждого вида: 1) независимое решение ЛЗН; 2) реоптимиза-ция порождаемых ЛЗН в узлах дерева вариантов; 3) реоптимизация порождаемых ЛЗН с пре-рыванием решения бесперспективных вариантов. Размеры матриц случайных исходных дан-ных, генерируемых по равномерному закону распределения – n=50…150.

Оценка времени решения задач коммивояжера различными процедурами

Среднее время решения, сек (Celeron 1,7 Ггц, 512 Мбайт) Венгерский метод Метод SAP Размерность

задачи (n) 1 2 3 1 2 3

50 0,183 0,028 0,009 0,036 0,011 0,009 60 0,342 0,036 0,012 0,059 0,036 0,013 70 0,576 0,082 0,027 0,126 0,027 0,022 80 0,879 0,122 0,038 0,282 0,047 0,043 90 2,513 0,241 0,081 0,299 0,050 0,046

100 3,234 0,283 0,099 0,481 0,084 0,061 110 9,854 0,344 0,124 1,018 0,188 0,146 120 5,599 0,666 0,238 1,038 0,164 0,112 130 8,048 0,861 0,320 1,545 0,101 0,134 140 14,983 0,607 0,228 2,726 0,281 0,216 150 14,447 0,696 0,260 4,571 0,157 0,293

Результаты эксперимента подтверждают ожидаемое преимущество реализации разно-стной схемы метода SAP, но эффект от прерывания анализа бесперспективных вариантов для такого метода оказался незначительным.

62


Реализация метода ветвей и границ предложенным открытым для расширения шабло-ном класса для решения асимметричных задач коммивояжера базируется на наследовании ре-шений порождающих задач о назначении, при котором оценка вариантов порожденных задач проводится методом коррекции дерева кратчайших путей приращений. Это приводит к сниже-нию вычислительной сложности задачи коммивояжера в первом приближении на порядок. Дополнительная память для хранения наследуемых значений потенциалов столбцов и вектора решения не превышает объема 2(2 )O n .

REOPTIMIZATION OF THE SHORTEST AUGMENTING PATHS IN ASYMMETRIC TRAVELING SALESMAN PROBLEM

M.P. REVOTJUK, P.M. BATURA, A.M. POLONEVICH

Abstract

The problem of the solution of asymmetric traveling salesman problem, based on branch and bound techniques with linear assignment problems relaxation, is considered. Inheritance of the result’s data of previous problems and its reoptimization allows to decreasing time of reception of the new solution on branch’s tree path. The algorithm of reoptimization, based on a Shortest Augmenting Path method, is offered.

Литература 1. Miller D., Pekny J. // Science. 1991. Vol. 251. P. 754–761. 2. Mahshid A.F., Rosnah M.Y. // European Journal of Scientific Research. 2009. Vol. 29, №3, P. 349–359. 3. Ревотюк М.П., Батура П.М., Полоневич А.М // Докл. БГУИР. 2011. №1, С. 55–62. 4. Jonker R., Volgenant A. // Computing. 1987. Vol. 38. P. 325–340. 5. Zhang W. // Journal of Artificial Intelligence Research. 2004. Vol. 20. P. 471–497.

63


УДК 004.27

ВОПРОСЫ ПОСТРОЕНИЯ ИНТЕГРИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ ПРИНЦИПОВ СЕРВИС-ОРИЕНТИРОВАННОЙ АРХИТЕКТУРЫ

НГУЕН КУОК ХАНЬ



Исследуются сервис-ориентированная архитектура (СОА), основные принципы СОА, пре-имущества использования СОА. Рассмотрены трудности построения интегрированной сис-темы на основе принципов СОА и предложены решения для избежания этих трудностей.

Ключевые слова: сервис-ориентированная архитектура, веб-сервис, интеграция приложе-ний.

Введение Индустрия программного обеспечения прошла через множество архитектурных реше-

ний, стремясь реализовать полностью распределенную обработку информации. Традиционные подходы уже достигли предела своих возможностей, но от подразделений информационной технологии (ИТ) продолжают требовать все более быстрого реагирования на новые запросы бизнеса, снижения стоимости ИТ-решений и прозрачной интеграции с новыми партнерами и заказчиками. Сервис-ориентированная архитектура помогает подразделениям ИТ достойно встретить возникающие задачи, являясь следующим эволюционным шагом в истории ИТ [1].

СОА интегрирует существующие «лоскутные» подсистемы корпорации в единую ин-формационную систему. Кроме того, при расширении корпорации, при изменении ее структу-ры СОА позволяет без больших затрат ресурсов преобразовать существующую систему в но-вый информационный комплекс.

Методика сервис-ориентированной архитектуры

Сервис-ориентированная архитектура – это парадигма организации и использования распределенных информационных ресурсов, таких как приложение и данные, находящихся в сфере ответственности разных владельцев для достижения желаемых результатов потребителя, которым может быть как конечный пользователь, так и другое приложение.

Основными преимуществами использования СОА являются [2]: - уменьшение стоимости и сокращение времени разработки; - упрощение структуры информационных систем (ИС) и более тесная координация

подразделений ИС за счет схожих задач и схожести структур бизнес-подразделений предпри-ятия;

- уменьшение стоимости интеграции приложений; - снижение рисков разработки: в процессе модернизации системы новые риски возни-

кают из-за появления новых бизнес-функции или их изменения; СОА позволяет снизить эти риски путем изменения только некоторых сервисов;

- высокая адаптируемость к изменениям бизнес-просцессов предприятия; - возможность повторного использования служб в различных системах; - возможность модернизировать и объединить всю инфраструктуру предприятия.

64

Все компоненты СОА-приложений могут быть условно разделены на три группы: службы, клиенты служб и брокеры служб. Первые два понятия очевидны; брокером называется приложение, которое предоставляет услуги по распространению информации о службах и по поиску необходимых служб.

Рис. 1. Модель СОА в случае использования веб-служб

На рис. 1 обозначены: UDDI (Universal Description Discovery and Integration) –универсальное описание, поиск и взаимодействие; WSDL (Web Services Description Language) –язык описания веб-сервисов; SOAP (Simple Object Access Protocol) – простой протокол доступа к объектам.

Каждая служба состоит из интерфейса и реализации этого интерфейса. Интерфейс пре-доставляет данные о службе, данные для идентификации службы и описание вход-ных/выходных параметров методов службы. Реализация интерфейса представляет собой про-граммный модуль, для клиента службы это "черный ящик".

Клиентом службы может быть приложение абонента сети, серверное приложение, веб-приложение или другая служба.

Брокером в случае использования веб-служб может быть UDDI-сервер, содержащий ре-гистр служб, или собственное решение.

Сервисы региструются брокером путем своего описания. Это описание называется формальным контрактом, в нем перечисляются функции серсиса и его параметры.

Принципы СОА

Не существует официального набора принципов СОА. Однако есть набор общепри-знанных принципов СОА [3, 4], перечисленных ниже.

1. Сервисы слабо связаны друг с другом. Слабо связанные сервисы взаимодействуют, опираясь на описание на языке WSDL, ко-

торое не зависит от выбранной платформы и языка программирования. Интерфейс скрывает внутреннюю логику приложения, делая сервис независимым от используемой технологии.

2. Сервисы могут использоваться повторно. Сервисы следует проектировать так, чтобы иметь возможноть их повторного использо-

вания. При этом экономятся ресурсы (в том числе и время) на построение нового сервиса, а также уменьшается сложность системы.

3. Сервисы обеспечивают формальный контракт для взаимодействия с другими серви-сами.

Один сервис обнаруживает и распознает другой сервис через его формальный контракт. Формальный контракт сервиса следует описать так, чтобы другие сервисы могли понять и ис-пользовать его в соответствии с описанием.

4. Сервисы скрывают все свои части, кроме той части, которая взаимодействует с внешней средой (формальный контракт).

65

Недоступность частей сервиса необходима для обеспечения его безопасности и незави-симости. Сервисы взаимодействуют друг с другом через формальные контракты и работают по принципу «черного ящика».

5. Сервисы могут создаваться из других сервисов. Разрешено создавать новый абст-рактный слой, который может ссылаться на любые части сервиса.

Сервисы проектируются с возможностью повторного использования: новые сервисы можно создать путем интеграции существующих сервисов. Сервисы могут создаваться для возможности использования других сервисов на более высоком уровне.

6. Сервисы являются автономными, они не зависят от других сервисов напрямую. Сервисы следует проектировать так, чтобы они не зависели от платформы и могли сами

управлять обработкой своих процессов. 7. Сервисы не имеют механизма запоминания состояния. Идеальный сервис всегда готов к обслуживанию процесса, при обработке сообщения

его работа не прерывается и поэтому не требуется запоминания текущего состояния обработки. Поэтому сервисам не следует запоминать текущее состояние, так как это противоречит прин-ципам слабой связанности сервисов.

8. Сервисы являются общедоступными и видимыми для других сервисов. Сервис через формальный контракт разрешает доступ всем другим сервисам, этот фор-

мальный контракт позволяет другим сервисам определить его функции.

Трудности построения интегрированной системы на основе основных приципов СОА Построение информационно-управляющей системы (ИУС), интегрированной на основе

СОА – это задача, которая должна жестко соответствовать основным приципам СОА. Некото-рые часто встречающиеся препятствия на этом пути перечислены ниже.

1. Определение набора сервисов и выполняемых ими функций Выбор необходимых сервисов и их функций является самым важным шагом в процессе

проектирования интегрированной системы на основе приципов СОА. Сервисы проектируются так, что полностью соответсвуют взаимосвязям и процессам системы и слабо связаны друг с другом. Для успешного построения сервисов на этапе моделирования системы необходимо тщательно работать с бизнес-аналитиками. Без консультации бизнес-аналитиков все СОА-начинания обречены на неудачу. На этом этапе построены бизнес-процессы системы, на основе которых определены необходимые сервисы для системы СОА. С помощью аналитиков и BPEL (Business Process Execution Language) – язык на основе XML для формального описания биз-нес-процессов и протоколов их взаимодействия между собой мы можем облегчить построение сервисов.

2. Логические области сервисов Сервисы следует разместить в соответственной области так, чтобы не усложнять архи-

тектуру системы и чтобы при конструировании новых сервисов можно было без труда повтор-но использовать имеющиеся в наличии сервисы. Здесь предлагается два подхода к распределе-нию сервисов в соответствующей области: по их применению в бизнес-процессе или по их на-значению в системе. При первом подходе сервисы распределены по течению бизнес-процесса (в глубину) и конструируемые сервисы описывают этот бизнес-процесс. При втором подходе сервисы распределены по их назначению (в ширину) и тогда образуемые сервисы описывают конкретную функцию процесса. На основе прелагаемых здесь подходов по управлению серви-сами их интегрирование и использование становятся легче.

3. Структуры сообщений для обмена информацией между сервисами Существует ряд важных стандартов, позволяющих описать сервисы и определить

структуру сообщений между сервисами; это протоколы XML, SOAP, WSDL и др. На основе этих стандартов можно создать собственную структуру сообщений.

4. Физическое распределение сервисов Сервисы следует распределить в системе так, чтобы беспрепятственно обеспечить

множественный доступ к сервисам. 5. Интегрирование сервиса для построения нового сервиса

66

Сервисы размещаются по некоторому критерию в соответствующих областях. Если при этом ставится задача построения нового сервиса, то обычное решение – интеграция сущест-вующих сервисов. При этом необходимо выбрать подходящие сервисы, которые следует ин-тегрировать в соответствии со стандартом.

6. Управление сервисами Управление сервисом должно обеспечивать: - быстрый и надежный поиск сервисов; - доступность ресурсов для функционирования сервисов; - легкую регистрацию нового сервиса; - удобство контроля, коррекции, диспетчеризации сервисов. Для избежания трудностей, которые были описаны в пунктах 4, 5, 6 необходимо ис-

пользовать распределенные серверы, в которых содержатся сервисы. Эти серверы должны име-еть возможности управления сервисами и обеспечить их ресурсами для беспрепятственной ра-боты системы.

7. Маршрутизация сообщений между сервисами Неэффективная маршрутизация сообщений между сервисами системы увеличивает ин-

тервал ожидания ответа на запросы и поэтому снижает эфективность системы. Каждый объект в системе должен иметь уникальный адрес, по которому потребитель отправляет свой запрос. Для обеспечения надежности, стабильности и безопасности передачи сообщений между серви-сами необходимо зарезервировать для системы СОА сервисную шину. Сервисная шина при-сваивает сервисам адреса и обеспечивает маршрутизацию сообщений.

8. Безопасность СОА Построение механизма для обеспечения безопасности СОА является большой и труд-

ной задачей. Это обобщенное решение, которое зависит от всей инфраструктуры подразделе-ний, то есть от програмного и аппаратного обеспечения. Подход к безопасности СОА должен включать в себя три важных компонента:

- безопасность на уровне сообщений (защита сообщений в процессе их передачи); она основана на стандартах WS-Security, WS-Policy, WS-Trust, WS-Privacy, защищающих сообще-ния в процессе его передачи;

- создание системы безопасности, которую можно было бы интегрировать с уже имею-щимися на предприятии системами безопасности и управления;

- детализированную авторизацию, которая может не только обеспечить защиту доступа к сервисам, но и контролировать доступ к бизнес-функциям и данным, использующимся в сер-висе.

PROBLEMS OF BUILDING AN INTEGRATED SYSTEM BASED ON FUNDAMENTAL PRINCIPLES OF SERVICE-ORIENTED ARCHITECTURE

NGUYEN QUOC KHANH

Abstract

Service-oriented architecture (SOA), emphases main advantages of SOA exploiting and the basic principles of SOA is discussed. Problems of integrated system designing based on SOA princi-ples and suggested solutions to resolve them are discussed.

Литература 1. Артухов Л. // Инновации в технологиях и бизнесе. 2008. №1. С. 2. 2. OASIS // Эталонная модель сервис-ориентированной архитектуры. 2006, №1. С. 1–3. 3. Er Т. // The principles of service-orientation [Электронный ресурс] Режим доступа: http://searchsoa.techtarget.com/tip/The-principles-of-service-orientation-part-1-of-6-Introduction-to-service-orientation. 4. Erl Т. Service-Oriented Architecture: Concepts, Technology, and Design. Boston, 2005.

67


УДК 621.384.3

ОЦЕНОЧНАЯ МОДЕЛЬ ВЫХЛОПНОГО ФАКЕЛА БАЛЛИСТИЧЕСКОЙ РАКЕТЫ КАК ИСТОЧНИКА ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ

ОБНАРУЖЕНИИ ИЗ КОСМОСА

В.А. АПОРОВИЧ, А.И. МИНОВ, Е.А. ОБУХОВСКАЯ

Научно-исследовательское республиканское унитарное предприятие «НИИ средств автоматизации»

пр. Независимости, 117, 220600, Беларусь

Поступила в редакцию 14 октября 2010

Предложена оценочная модель выхлопного факела баллистической ракеты как источника инфракрасного излучения при ее обнаружении с помощью космического аппарата с ис-пользованием основных параметров двигателя. Приведены примеры использования предла-гаемой модели.

Ключевые слова: инфракрасное излучение, баллистическая ракета, выхлопной факел, лучи-стый поток, температура газовой струи, вероятность обнаружения.

Введение

В настоящее время в ряде стран создаются и совершенствуются различные варианты систем противоракетной обороны, предназначенные для защиты от баллистических ракет (БР). Важное место в этих системах занимают космические средства, способные обнаруживать БР сразу после их старта. Обнаружение старта БР осуществляется главным образом по оптическо-му излучению выхлопного факела (ВФ) ее двигательной установки, сосредоточенному пре-имущественно в инфракрасной (ИК) области спектра [1]. Поэтому создание модели обнаруже-ния БР по ИК-излучению их ВФ с борта космического аппарата является актуальной задачей.

Методика Для оценки потока ИК-излучения, наблюдаемого от ВФ БР, необходимо определить

размеры и температуру ВФ. Сделаем следующие предположения. Ввиду того, что за пределами тропосферы БР об-

наруживается по ВФ с высокой вероятностью [2], наибольший интерес представляют высоты, где работает первая ступень БР. Считаем, что достаточно определить линейные размеры факе-ла и его температуру. Мощность ИК-излучения все время работы первой ступени будем счи-тать постоянной.

В источнике [3] представлены данные о размерах ВФ различных авиационных реактив-ных двигателей. Оцифровка представленных графиков позволяет получить параметры, приве-денные в таблицах 1–5 (Р – тяга двигателя). В источнике [4] указывается, что в тропосфере ВФ ракетных и турбореактивных двигателей самолетов качественно не различаются. Это позволяет использовать данные таблиц 1-5 при дальнейшем анализе.

Анализ показывает, что аппроксимация зависимости длины ВФ (изотерм) от темпера-туры Т по всем пяти группам данных для температур больших 365 К, возможна функцией вида

20( ) / ( )L T A B T T , (1)

68

где А и В – параметры, определяемые для каждой группы данных; Т0 – характерное значение, не превосходящее температуры видимой границы ВФ – 240 К.

В источнике [5, с. 144] отмечается, со ссылкой на теоретические и экспериментальные данные ряда авторов, что размеры ВФ («характерный масштаб гиперзвуковой струи») пропор-циональны корню квадратному из тяги двигателя.

На основе данных табл. 1 и 3 для диапазона температур от 365 К и выше подобрана за-висимость длины ВФ (изотермы при заданной температуре) от тяги двигателя и температуры

2( , ) 0,956 137362 / ( 215)L L P T P P T . (2)

Таблица 1. Изотермы турбо-реактивного двигателя

(ТРД), Р=3,0 кН

Таблица 2. Изотермы ТРД, Б-707

Таблица 3. Изотермы ТРД, P=7,2 кН

Темпера-тура, К

Длина ВФ, м

Ширина ВФ, м

Темпе-ратура,

К

Длина ВФ, м



Длина ВФ, м

Шири-на ВФ,

м 670 1,7 0,16 900 4 1,97 645 5 1,95 470 4 0,34 700 5,1 2,00 535 7 2,13 370 7,8 0,70 600 7,2 2,16 420 12 2,77 350 12 1,04 480 10,7 2,54 365 21 3,65 320 16 1,62 420 14,5 3,06 240 33 5,11

370 25,3 4,30 340 39 6,00

Таблица 4. Изотермы ТРД с форсажем, Р=10 кН

Таблица 5. Изотермы ТВРД Б-707-320В, P=82 кН


Длина ВФ, м


Темпе-ратура,

К

Длина ВФ, м


810 11,5 2,25 785 4 1,00 700 13,5 2,75 590 6 1,40 590 21,5 3,75 480 9 1,60 480 33 4,65 425 13 1,94 420 48 6,75 365 21 3,00 365 83 11,05 240 33 4,20 240 130 17,05

Зависимость ширины ВФ от его длины близка к линейной и по совокупности данных источников [3, с. 137–138] и [6, с. 42] для тропосферы может быть выражена приближенной формулой

/ 8d L . (3)

Приняв форму ВФ цилиндрической с известными размерами, оценим наблюдаемую площадь излучения этого источника в зависимости от ракурса наблюдения. Если угол между вектором скорости БР (примем его за положение продольной оси ракеты и ВФ) и линией на-блюдения БР со спутника равен 2 (0≤ 2 ≤π), то наблюдаемая площадь излучения может быть оценена выражением

22 2sin( ) / 4 cos( )tS L d d . (4)

Температура ВФ может быть оценена по формуле ([4, p. 95-96], [3, с. 136]):

0,232 1/ВГT T p p , (5)

где ТВГ – температура выходных газов на срезе сопла; р1 – давление выходных газов на срезе сопла; р2 – давление выходных газов после расширения (сжатия) до давления окружающей ат-мосферы [7, с. 34]; n=р2/р1 – характерное отношение давлений, которое для двигателей самоле-тов обычно близко к 0,5, а для ракетных двигателей составляет 15÷100 [4, p. 95–96].

69

Температура газовой струи на выходе из сопла для нестратегических баллистических ракет изменяется в следующих пределах [8, с. 413]: ТВГ = 800÷1200 К – для двухосновных топ-лив и 1500÷2500 К – для высокоэнергетических смесевых топлив.

Теоретическая часть Оценим наблюдаемую на приемнике мощность ИК-излучения источника. В соответствии с законом Ламберта, элементарный лучистый поток dF'a, испускаемый

элементом dS излучающей поверхности St в направлении в малом телесном угле , опи-рающемся на объектив приемной системы, будет равен [9, с. 165], [3, с. 84]:

cos /dF dF , (6)

где dF' – элементарный лучистый поток, испускаемый элементом dS; – угол между норма-лью n к площадке dS и направлением угла ω (см. рис. 1).

Рис. 1. К расчету потока излучения

Величина dF' может быть оценена выражением

,0

( , )T bbdF J T d dS

, (7)

где ,T – спектральный коэффициент излучения элемента dS; ( , )bbJ Т – распределение плот-ности излучения абсолютно черного тела (выражается законом Планка),

51 2( , ) / 1 / exp / 1bbJ Т С C T [Вт/м3], (8)

где константы C1 = 3,7415∙10-16 Вт∙м2, C2 = 1,4388∙10-2 м∙К; T – абсолютная температура источ-ника излучения, К; λ – длина волны излучения, м.

Величина малого телесного угла ω, опирающегося на объектив приемной системы, мо-жет быть оценена выражением

20 cos( ) /S D , (9)

где S0 – площадь объектива или зеркала приемной системы; γ – угол рассогласования оптиче-ской оси приемной системы m и линии наблюдения; D – расстояние между элементом dS и приемником.

Воспринимается приемной системой часть мощности dF оптического излучения (пото-ка излучения) dF' элемента dS, наблюдаемого на приемнике, ограниченная спектральным рабо-чим диапазоном (λ1, λ2),

2

1

2, 0( , ) cos( ) cos( ) /T bbdF J T d S D dS

, (10)

70

где – спектральный коэффициент пропускания излучения средой (атмосферой) на линии наблюдения.

Воспринимаемый приемником поток излучения, обеспечиваемый всей излучающей по-верхностью St , может быть оценен выражением

2

1

20 ,

( )

/ ( , ) cos( ) cos( ) /t

T bbS

F S J T d D dS

. (11)

Полагая температуру поверхности источника излучения постоянной (одинаковой для всех элементов dS источника St), учитывая, что элементарная площадь dS·cos ( ) представляет собой проекцию элемента dS на плоскость, перпендикулярную линии наблюдения, пренебрегая размерами источника излучения St в сравнении с дальностью D и зависимостью спектрального коэффициента излучения источника ε,Т от длины волны (полагая источник достаточно «се-рым» в заданном спектральном диапазоне), можем записать

2

1

20 cos( ) / ( , )t Т bbF S S D J T d

, (12)

где под St понимается «наблюдаемая» со спутника площадь источника излучения – проекция поверхности источника на плоскость, перпендикулярную линии наблюдения; εТ – коэффициент излучения источника.

Если приемник имеет несколько рабочих диапазонов (λ1, λ2), (λ3, λ4) и т.д., то

2 4

1 3

20 cos( ) / ( , ) ( , ) ..t Т bb bbF S S D J T d J T d

. (13)

Полученное соотношение (13) позволяет оценивать мощность ИК-излучения источника St, имеющего температуру Т, наблюдаемую на приемнике, удаленном на расстояние D, через среду, имеющую спектральный коэффициент пропускания .

Полагая спектральную чувствительность приемника лучистой энергии [9, с. 168] в ра-бочих диапазонах близкой к 1, будем использовать полученную величину в качестве оценки мощности входного сигнала приемника.

Наряду с соотношением (12) аналогичным образом могут быть получены оценки: - силы излучения I источника в спектральном диапазоне (λ1, λ2):

2

1

/ ( , )t Т bbI S J T d

; (14)

- энергетической освещенности Е приемника в спектральном диапазоне (λ1, λ2):

2

1

2cos( ) / ( , )t Т bbE S D J T d

; (15)

- интенсивности излучения i-источника в спектральном диапазоне (λ1, λ2):

2

1

2 1/ ( , )t Т bbi S J T d

. (16)

На основании полученных оценок энергетических показателей ВФ как источника ИК-излучения оценим вероятность РD обнаружения БР по формуле [10, с. 94]:

1/ 1 / NF ED FP P , (17)

71

где PD – вероятность правильного обнаружения; PF – вероятность ложной тревоги; F – мощ-ность полезного сигнала на входе приемника; EN – приведенная ко входу приемника мощность шумов.

Мощность шумов EN складывается, в общем случае, из мощности излучения фона, на котором наблюдается БР, и мощности собственных (тепловых) шумов приемника. Для ИК-приемника, имеющего рабочий диапазон в окнах непрозрачности атмосферы, например, для спутников DSP [11], влиянием светимости фона, на котором наблюдается БР, можно пренеб-речь.

Результаты

Адекватность предлагаемых достаточно общих подходов к оценке мощности ИК-излучения ВФ может быть проиллюстрирована на примере данных, приведенных в ряде источ-ников (см. табл. 6).

Таблица 6. Сравнительные результаты моделирования излучательной способности ВФ

Источники [11], крупная МБР Исходные параметры [7], мик-

родвига-тель

[11], БР Scud B R-9 R-16 Minute-

man 2 Δm, кг/с – секундный расход продуктов сгорания 4,56∙10 -3 - - - -

р1, атм – давление на срезе сопла 0,339 - - - - h , км – имитируемая в вакуумной камере высота

над уровнем моря 12,2 - - - -

р2, атм – давление окружающей среды 0,1855 - - - - T, К – температура на срезе сопла 2061 1000* 1000* 1000* 1500*

V, м/с – скорость истечения продуктов сгорания на срезе сопла

2285 - - - -

λ1, мкм – нижняя граница диапазона излучения 4,1 2,6 2,6 2,6 2,6 λ2, мкм – верхняя граница диапазона излучения 5,1 2,8 2,8 2,8 2,8

Р, кН – тяга двигателя Δm∙V 145 1378,5 [12]

2221,3 [12]

780 [12]

n=p2/p1 – отношение давлений в формуле (5) - 15* 20* 20* 20* D, км – высота (удаление) спутника, находящего-

ся на геосинхронной орбите - 36000

км - - -

Результаты IS, Вт/ср – сила излучения для отношения окисли-

тель/топливо «O/F=2,0», расчетные данные [7] 10,28 - - - -

I , Вт/ср – сила излучения по нашим расчетам 14,98 - - - - ES , Вт/см2 – энергетическая освещенность по дан-

ным источника [11] - 10 -14 - - -

E, Вт/см2 – энергетическая освещенность по на-шим расчетам

- 1,29∙ 10 -14

- - -

iS, МВт/(ср∙мкм) – интенсивность излучения по данным источника [11]

- - 10

i , MВт/(ср∙мкм) – интенсивность излучения по нашим расчетам

- - 9,52 15,34 13,98

* – принятые нами температуры выходных газов на срезе сопла двигателя и отношения давлений в формуле (5) для указанных типов БР.

Результаты, приведенные в табл. 6, рассчитаны по формулам (2)–(5), (14)–(16). При этом значения не указанных в таблице параметров были приняты следующими:

2 =π/2 – угол ракурса наблюдения ВФ; γ=0 – угол рассогласования оптической оси приемной системы и линии наблюдения; εТ =0,9 – коэффициент излучения ВФ (принятое нами значение в рассматриваемом диапазоне излучения); =1 – спектральный коэффициент пропус-кания излучения средой.

Приведенные в табл. 6 данные подтверждают удовлетворительную согласованность ре-зультатов, полученных с использованием описанных подходов, с данными других авторов.

В качестве примера приведем оценку вероятности обнаружения на активном участке полета БР Scud B спутником типа DSP при моделировании пуска из точки с координатами

72

B = 35° с.ш., L = 45° в.д. в направлении на запад. Расчеты проводились на основе формул (2)–(5), (13), (17) с параметрами активного участка БР из источника [11] и следующими прочими параметрами:

B=0° с.ш., L=65° в.д., H=36000 км – координаты положения спутника на геосинхрон-ной орбите, λ1=2,55 мкм, λ2=2,85 мкм и λ3=4,15 мкм, λ4=4,45 мкм – предполагаемые границы двух диапазонов обнаружения спутника, d1=1 м – диаметр объектива приемной системы спут-ника [2], EN=10-11 Вт – мощность шумов приемника ИК-излучения, РF=10-6 – вероятность лож-ного обнаружения, Р=145 кН – тяга двигателя БР Scud B [11], ТВГ=1000 К – температура вы-ходных газов на срезе сопла, n=p2/p1=15 – отношение давлений в формуле (5), D≈37675 км – удаление БР от спутника, 2 ≈70° – угол ракурса наблюдения ВФ БР со спутника, γ=0 – угол рассогласования оптической оси приемной системы и линии наблюдения, εТ=0,9 – коэффици-ент излучения ВФ.

Стоит отметить, что моделирование проводилось для среднестатистического состояния атмосферы, без учета влияния метеобразований и эффекта ослепления ИК-приемника солнцем, в предположении, что основные соотношения, указанные выше, выполняются до высоты по-рядка 30 км. Результаты моделирования сведены в табл. 7.

Таблица 7. Результаты моделирования обнаружения БР Scud B

Время полета БР, с

Высота траектории,

км

Эквивалентная тол-щина слоя осажден-

ной воды, мм, по [13]

Эквивалентная длина линии на-блюдения, км, по

[13]

Мощность сиг-нала на входе приемника, Вт

Вероят-ность обна-ружения БР

30 6,0 0,57 1,98 1,22∙10 -11 0,002 40 11,2 0,03 0,67 9,28∙10 -11 0,26 50 17,6 0,000001 0,18 1,25∙10 -10 0,36 60 26,0 0 0,03 1,66∙10 -10 0,456

61 (КАУ) 27,4 0 0,02 1,69∙10 -10 0,462 Здесь КАУ – конец активного участка. Как видно, только в верхних слоях тропосферы вероятность обнаружения такой БР ста-

новится значимой. На приведенных дальностях вероятность обнаружения достигает 0,46, что уже позволяет обнаруживать запуски таких БР. При наблюдении района запуска двумя спутни-ками вероятность обнаружения БР данного типа достигает приемлемой величины ~0,7, что близко к случаям обнаружения БР подобного типа во время войн в Ираке.

В случае необходимости моделирования обнаружения гипотетической нестратегиче-ской БР, представляется возможным использовать оценочную зависимость тяги двигателя пер-вой ступени от максимальной дальности пуска БР.

Такие данные для 35 типов нестратегических БР с дальностью пуска от 120 до 4760 км [12], имеют достаточно большой разброс в зависимости от типа двигателя, количества ступе-ней, полезной нагрузки и других параметров. По совокупности имеющихся данных для оценки вероятности обнаружения БР неизвестного типа предлагается использовать аппроксимацию за-висимости величины тяги от дальности пуска линейной регрессией

max0,25 94P D [кН], (18)

где Dmax – максимальная дальность пуска БР, км.

Заключение Таким образом, подходы, изложенные в данной статье, позволяют оценивать качество

обнаружения БР по их ИК-излучению со спутника с учетом всех существенных факторов: - параметров ИК-аппаратуры спутника; - взаимного расположения БР и спутника; - технических данных БР, прежде всего максимальной дальности пуска.

73

ESTIMATION MODEL OF THE BALLISTIC MISSILE JET FRAME CONSIDERED AS A SOURCE OF INFRARED RADIATION DETECTED FROM SPACE

U.A. APAROVICH, А.I. MINAU, Y.A. ABUKHOUSKAYA

Abstract

Model of the ballistic missile jet flame considered as a source of infrared radiation for ballistic missile detection with the help of a space vehicle using the basic parameters of the engine is offered. Examples of application of the model are presented.

Литература 1. Мирошников М.М., Захаренков В.Ф., Мирзоева Л.А. и др. // Оптический журнал. 2007. Т. 74, №10. С. 7–12. 2. Zia Mian, Rajaraman R., Ramana M.V. // Science and Global Security. 2003. Vol. 11. P. 109–150. 3. Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. М., 1978. 4. Samuel Blackman, Robert Popoli. Design and analysis of modern tracking systems. Boston-London. 1999. 5. Draper J.S., Bien F., Huffman R.E. et al. // Ракетная техника и космонавтика. 1975. Т. 13, №6. С. 144–146. 6. Ким А.К., Лагуткин В.Н., Лукьянов А.П. и др. // Вопросы радиоэлектроники. 2007. Вып. 4, С. 30–44. 7. Андреев Е.П., Завелевич Ф.С., Макаров И.П. // Оптический журнал. 1998. Т 65, №11. С. 34–36. 8. Хемша М., Нилсена Дж. Аэродинамика ракет. Книга 2. Методы аэродинамического расчета. М., 1989. 9. Криксунов Л.З., Усольцев И.Ф. Инфракрасные устройства самонаводящихся управляемых снарядов. М., 1963. 10. Дулевича В.Е. Теоретические основы радиолокации. М., 1978. 11. Dean A. Wilkening. // Science and Global Security. 2004. Vol. 12, P. 1–67. 12. Encyclopedia Astronautica [Электронный ресурс] Режим доступа: http://www.astronautix.com. 13. Апорович В.А., Минов А.И. // Докл. БГУИР. 2011. №2(56). С. 109–114.

74


УДК 681.5

МОДЕЛИРОВАНИЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ РОБАСТНОЙ СИСТЕМЫ ПРИ ДЕТЕРМИНИРОВАННОМ ОБОБЩЕННОМ ВОЗМУЩЕНИИ

В.А. ГАНЭ, Н.Т. АХМЕД

Белорусский национальный технический университет пр. Независимости, 65, Минск, 220013, Беларусь


Математическое моделирование и анализ качества функционирования робастной системы при детерминированном обобщенном возмущении проведем на примере силовой следящей системы, состоящей из измерителя рассогласований, усилительно-преобразовательных элементов, исполнительного устройства и объекта управления. Представим передаточную функцию исполнительной части силовой системы в виде инерционного пропорционального интегрирующего регулятора (ПИ-регулятора)

Ключевые слова: математическое моделирование, робастная система, силовая следящая система.

Введение

Одной из основных фундаментальных проблем общей теории систем и управления яв-ляется проблема так называемой информационно-ресурсной неопределенности. Решение дан-ного вопроса, как в научном, так и в практическом отношении возможно в виде приближенных или прогнозных оценок границ изменений неопределенных условий и режимов функциониро-вания систем.

Теоретическими подходами для научного обоснования технического и организацион-ного построения систем, рационального выбора информационно-ресурсных управлений, обес-печивающих сохранение требуемого качества функционирования и работоспособности в усло-виях интервально-ограниченной неопределенности, являются:

- адаптивный подход, включающий принципы, процедуры и алгоритмы критериальной самоорганизации;

- подход, основанный на нечетких множествах и нечеткой логике; - интервально-робастный подход. Определено место робастного подхода в теории адаптации следящих систем в условиях

нестационарных изменений параметров и характеристик возмущений. В прикладном отноше-нии обоснованы и сформулированы постановки задач повышения робастности координатных систем слежения за воздушными объектами.

В стадии апробации находятся возможности повышения качества управления без орга-низации дополнительных измерительных каналов. Результат достигается включением в струк-туру штатной системы робастных обратных связей, компенсирующих обобщенное возмуще-ние. Приводятся примеры структур робастных следящих систем.

Теоретический анализ и результаты

Математическое моделирование и анализ качества функционирования робастной сис-темы при детерминированном обобщенном возмущении проведем на примере силовой следя-щей системы, состоящей из измерителя рассогласований, усилительно-преобразовательных элементов, исполнительного устройства и объекта управления. Представим передаточную

75

функцию исполнительной части силовой системы в виде инерционного пропорционального интегрирующего регулятора (ПИ-регулятора):

ичич

м

( )(1 )

KК pp T p

, (1)

где ичК – коэффициент преобразования исполнительной части силовой системы; мT – механи-ческая постоянная времени исполнительного двигателя.

Пересчитаем статический момент нагрузки двигателя к выходу исполнительной части системы. Структурная схема силовой следящей системы, составленной из функционально-необходимых элементов (ФНЭ), в линейном приближении предоставлена на рис. 1.

ич

м(1 )K

p T p иК

м(1 )vK

p T

ˆ( )e t( )e t( )y t

( )y t

( )y t

( )v t

Рис. 1. Структурная схема силовой следящей системы,

составленной из функционально-необходимых элементов

На рис. 1 через коэффициент vK обозначено 2

Д 01 ( ),vK F q

где ДF – жесткость исполнительного двигателя постоянного тока; 0q – оптимальное переда-точное число понижающего редуктора.

В качестве параметрического возмущения (пертурбаций) выберем нестационарное из-менение коэффициента преобразования исполнительной части ичК , а внешним возмущением v(t) выберем изменение момента нагрузки двигателя постоянного тока.

Перейдем от непрерывной модели к дискретной. Для этого необходимо проквантовать по времени задающее x(t), возмущающее v(t) воздействия, выходную переменную системы у(t), истинное рассогласование e(t) и его измеренное значение ˆ( )e t , а передаточные функции изме-рителя рассогласований иK и исполнительной части системы ич ( )К p заменить их дискретны-ми аналогами. При цифровом управлении учитываются особенности перехода от режима фильтрации к режиму экстраполяции. В режиме фильтрации выходная переменная формирует-ся по текущему значению сигнала рассогласования, а в режиме экстраполяции – по измеренно-му значению сигнала рассогласования на предыдущий момент дискретного времени. Режим экстраполяции учитывает особенности машинной обработки сигнала рассогласования, связан-ные с обменом информацией между арифметическим устройством, постоянной и оперативной памятью. С учетом этого структурная схема дискретной модели силовой следящей системы изображена на рис. 2.

иK 1 1м(1 )(1 (1 ))

vKz z

1 1м(1 )(1 (1 ))

vKz z

Рис. 2. Структурная схема дискретной модели силовой следящей системы,

составленной из функционально-необходимых элементов

76

Для обеспечения заданных динамических свойств силовых следящих систем в качестве желаемого закона управления выбирается пропорциональный интегродифференцирующий за-кон управления (ПИД-управление).

Этот закон реализуется в «штатных» силовых следящих системах путем охвата неста-ционарных элементов корректирующей и стабилизирующей обратными связями. Структурная схема дискретной модели «штатной» силовой следящей системы изображена на рис. 3.

( )х i

( )y i

( )e iиK 1z ич

1 1м(1 )(1 (1 ))

Kz z

1 1м(1 )(1 (1 ))

vKz z

1 2

1

(1 )(1 (1 ))

k

m

K zz

1( )ck z

( )y i

( )v i

Рис. 3. Структурная схема дискретной модели «штатной» силовой следящей системы

Для модели силовой следящей системы определим отклонения изменения коэффициен-та преобразования исполнительной части системы:

0ич ич ичК К К , (2)

механической постоянной времени исполнительного двигателя 0

м м м (3)

и коэффициента преобразования формирующего фильтра по внешнему возмущению

0v vК K (4)

Структурная схема робастной силовой следящей системы изображена на рис. 4. Коэф-фициент преобразования ичК и механическая постоянная времени м такой системы включают в свой состав номинальный коэффициент преобразования 0

ичК и номинальную механическую постоянную времени 0

м , на которые настраивается система, и м , ичК – отклонения механи-ческой постоянной времени и коэффициента преобразования от номинального значения в про-цессе эксплуатации системы. Кроме того, на силовую следящую систему воздействуют внеш-ние возмущения. Основными нестационарностями и внешними возмущениями силовой следя-щей системы являются следующие.

1. Изменение коэффициента преобразования исполнительной части системы: - уменьшение скачком на определенный уровень при выходе из строя каскада усилите-

ля постоянного напряжения; - уменьшение по линейному закону при изменении степени компенсации электрома-

шинного усилителя за счет изменения сопротивления компенсационной обмотки при измене-нии ее температуры;

- уменьшение по квадратичному закону при уменьшении числа оборотов приводного двигателя электромашинного усилителя за счет увеличения скольжения при долговременной нагрузке.

2. Изменение механической постоянной времени приводного двигателя: - возрастание по линейному закону при изменении активного сопротивления якоря за

счет нагрева двигателя.

77

3. Изменения внешнего возмущения (момента нагрузки): - возрастание по линейному закону при увеличении вязкого трения за счет понижения

температуры окружающей среды; - возрастание по квадратичному закону за счет перемещения объекта управления в вер-

тикальной плоскости.

( )х i

( )y iиK

0ич

1K

( )u i 1ич

1 1м(1 )(1 (1 ))

z Kz z

1 0ичz K

0 ( )D z( )i

1 1м(1 )(1 (1 ))z z

( )y i

1 1м(1 )(1 (1 ))

vKz z

( )v i

Рис. 4. Структурная схема робастной силовой следящей системы

Для определения полиномов предсказания, осуществляющих поглощение параметриче-ских и внешних возмущений, опишем робастную силовую следящую систему следующей сис-темой уравнений:

1 1 1м ич

1и 0м0

ич1 1 1 0

м ич

(1 )(1 (1 )) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ),( ( ) ( )) ( ) ( )( ) (1 )) ( ),

( ) (1 )(1 (1 )) ( ) ( ).

vz z y z z K z u z K z v zx z y z K z D zu z z y z

Kz z z y z z K u z

(5)

Для определения полинома предсказания определенных параметрического и внешнего возмущений необходимо из системы уравнений (5) выразить ( ).z Однако выражение для на-вязки ( )z получается громоздким и зависит не только от изменяющихся параметрических и внешних возмущений, но и от задающего воздействия. При определении полинома предсказа-ния необходимо получить Z-преобразование от невязки на текущий и предыдущие моменты времени и разделить их между собой. Решить эту задачу достаточно сложно, а получить струк-туру полинома предсказания по полученному выражению зачастую вообще невозможно. Исхо-дя из этого, целесообразно синтезировать полином предсказания не по аналитическому выра-жению, а с использованием экспериментальных данных моделирования. В этом случае экспе-риментальным путем необходимо получить зависимости невязки при параметрических, внеш-них возмущениях и различных законах изменения задающего воздействия. Определив закон изменения невязки, необходимо выбрать синтезированный полином предсказания, настроен-ный на этот закон изменения невязки, и подставить его в робастную следящую систему. Таким образом, задача выбора полинома предсказания для робастной силовой следящей системы сво-дится к определению закона изменения невязки. При моделировании используем параметры непрерывной силовой следящей системы [1]:

иК = 500 [В/рад]; фчвК = 0,1; уK = 800; эмуK = 4,26;

ДK = 2,94 [рад/В с]; pK = 6,2 10-4 ; мT = 0,02 [с]. При этом коэффициент преобразования прямой цепи системы K = 310[c-1], а механиче-

ская постоянная времени Tм= 0,02 [с]. Выберем период повторения пT =0,01 с. В этом случае коэффициент преобразования прямой цепи системы п 3,1K T , а механическая постоянная времени м 2 .

78

Выбор закона изменения невязки производится при определенных параметрических, внешних возмущениях и законах изменения задающего воздействия, исходя из данных матема-тического моделирования. Невязка определяется в робастной силовой следящей системе при отсутствии в системе полинома предсказания.

Математическое моделирование робастной силовой следящей системы при постоянных параметрах модели и постоянном (не изменяющемся во времени) возмущающем воздействии показывает, что невязка в системе изменяется скачком на постоянную величину. Необходимый для поглощения такого обобщенного возмущения полином предсказания, согласно (4), равен

0 ( ) 1D z . Зависимости ошибок по возмущениям в силовых системах при постоянном возму-щающем воздействии представлены на рис. 5.

Рис. 5. Ошибки по возмущениям в силовых системах

при постоянном возмущающем воздействии

ФНЭ – ошибка в силовой следящей системе, состоящей из функционально-необходимых элементов, Ш – ошибка в «штатной» (скорректированной) силовой следящей системе и Р – ошибка в робастной силовой следящей системе.

Анализ ошибок по возмущениям в силовых системах показывает, что силовая система, состоящая из функционально-необходимых элементов, и «штатная» силовая система подвер-жены воздействиям внешних возмущений, которые ухудшают качество их работы. Использо-вание фильтров поглощений в робастной силовой системе позволяет производить компенса-цию внешних возмущений.

Заключение Анализ ошибок в силовых системах при детерминированных изменениях коэффициен-

та преобразования исполнительной части показывает, что ошибка установившегося режима меньше в робастной силовой системе, чем в «штатной» системе и системе из функционально-необходимых элементов. Однако длительность переходных процессов в робастной системе больше, чем в «штатной» системе и системе из функционально-необходимых элементов. Сило-вая следящая система, состоящая из функционально-необходимых элементов, наиболее чувст-вительна к изменениям коэффициента преобразования исполнительной части. За счет стабили-зирующей обратной связи ошибка в «штатной» силовой следящей системе менее чувствитель-на к изменениям коэффициента преобразования исполнительной части. Наилучшим качеством обладает робастная силовая следящая система, в которой за счет робастной обратной связи происходит полная компенсация вариаций преобразования при его скачкообразном изменении.

Проанализируем влияние изменений механической постоянной времени исполнитель-ного двигателя на процессы в рассматриваемых системах. Очевидно, что изменения механиче-ской постоянной времени исполнительного двигателя наибольшим образом сказываются на переходном режиме системы. Исходя из этого, целесообразно исследовать показатели качества переходного режима в рассматриваемых системах при различных значениях механической по-стоянной времени в отсутствии внешних возмущений и изменений коэффициента преобразо-вания исполнительной части систем. Результаты проведенного исследования сведены в табли-цы 1–3.

79

Таблица 1. Зависимость локальных показателей качества переходного режима от механиче-ской постоянной времени исполнительного двигателя в силовой системе, состоящей из функ-

ционально-необходимых элементов

Механическая постоянная времени, с Показатели качества 0,015 0,017 0,02 0,022 0,025 0,027 0,03

мH % 68,6 70,1 68,8 66,5 62 64 68,6

уt , c 2 2 2 2 2 3 3

pt , c 12 13 14 15 18 19 20

Таблица 2. Зависимость локальных показателей качества переходного режима от механиче-ской постоянной времени исполнительного двигателя в «штатной» силовой следящей системе


мH % 123,6 107 86,3 74,7 59,7 52,4 61,9

уt , c 1 1 1 1 1 2 2

pt , c 5 6 7 8 10 10 11

Таблица 3. Зависимость локальных показателей качества переходного режима от механиче-ской постоянной времени исполнительного двигателя в робастной силовой следящей системе


мH % 43,8 57,3 68,8 72,6 74,6 79,4 -

уt , c 2 2 2 2 2 3 -

pt , c 6 9 14 20 40 81 -

Анализ локальных показателей переходного режима показывает, что наилучшими по-казателями качества переходного режима обладает «штатная» силовая следящая система за счет цепи корректирующей обратной связи. При номинальном значении механической посто-янной времени (Tм=0,02 с), качество переходного режима в робастной системе и системе, со-стоящей из функционально-необходимых элементов, одинаково. При увеличении механиче-ской постоянной времени исполнительного двигателя качество переходного режима в робаст-ной силовой следящей системе ухудшается, а при (Tм=0,03 с) система становится неустойчи-вой.

Таким образом, качество функционирования робастной силовой следящей системы при параметрических и внешних возмущениях выше качества функционирования «штатной» сило-вой системы и системы, состоящей из функционально-необходимых элементов. Однако ло-кальные показатели качества переходного режима в робастной силовой следящей системе ху-же, нежели в «штатной» силовой системе и силовой системе, состоящей из функционально-необходимых элементов.

SIMULATION OF THE ROBUST SYSTEMS IN GENERALIZED DETERMINISTIC PERTURBATION

V.A. GANE, N.T AHMED

Abstract

Mathematical modeling and analysis of quality of robust systems for deterministic generalized perturbation for the example of the power tracking system consisting of a measuring device mis-matches, amplifying and converting elements, actuators and control object. The transfer function of

80

the executive power system in the form of inertia is proportional to the integrating controller (PI) is represented.

Литература 1. Ганэ В.А., Мацкевич А.Н. Аналитические методы повышения качества управления. Минск, 2003. 2. Никифоров В.О. Адаптивное и робастное управление с компенсацией возмущений. СПб., 2000. 3. Егупов Н.Д., Пупков К.А. Методы классической и современной теории автоматического управления. Синтез регуляторов систем автоматического управления. М., 2004.

81


УДК 621.32 621.389

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РАСТВОРИТЕЛЕЙ СОПРЯЖЕННЫХ ПОЛИМЕРОВ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛАНАРНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР

ITO/PEDOT:PSS/PF/AL И ITO/PEDOT:PSS/MEH-PPV/AL

В.М. СОРОКИН, Ю.В КОЛОМЗАРОВ, М.А. МИНЯЙЛО, П.А. ТИТАРЕНКО, А.Г. ШКАВРО*

Институт физики полупроводников им. В.Е. Лашкарева НАН Украины пр. Науки, 41, Киев, 03028, Украина

*Киевский национальный университет им. Т.Г. Шевченко пр. Глушкова, 2, Киев, 03022, Украина


Разработана технология создания планарных органических светодиодных гетероструктур на основе производных полифлуорена и полифениленвинилена типа ITO/PEDOT:PSS/PF/Al и ITO/PEDOT:PSS/MEH-PPV/Al, способных генерировать свет соответственно синего и красного цветов. Технология базируется на нанесении функциональных слоев путем полива растворов сопряженных полимеров на вращающуюся подложку (“spin coating technique”). Измерены электрические и электрооптические характеристики планарных гетероструктур. Определено влияние различных органических растворителей сопряженных полимеров, ис-пользованных для создания электролюминесцентных слоев, на функциональные характери-стики светоизлучающих структур.

Ключевые слова: органические светоизлучающие диоды, сопряженные полимеры, планар-ные гетероструктуы, спектры излучения, вольт-амперные характеристики.

Введение

В настоящее время бурно развивается технология производства принципиально новых светоизлучающих устройств – органических светоизлучающих диодов. Наиболее простой яв-ляется тонкопленочная гетероструктура, состоящая из стеклянной подложки с нанесенным прозрачным анодом на основе ITO, органического электролюминофора и нанесенного на него катода. Однако такие простые структуры недостаточно согласованы по электрическим потен-циалам и имеют очень низкую эффективность. Для согласования различных слоев и для их фи-зического разделения с целью исключения взаимной электродиффузии в органический свето-излучающий слой в гетероструктуру вводятся дополнительные слои, улучшающие транспорт и инжекцию электронов и дырок. В представленной работе исследованы электрофизические свойства планарных гетероструктур типа ITO/PEDOT:PSS/СР/Al, в которых слой поли (3, 4-этилендиокситиофена), допированного полистиролсульфокислотой (PEDOT:PSS) служит для улучшения инжекции дырок в электролюминесцирующий сопряженный полимер (СР). В каче-стве СР использованы поли (2-метокси, 5-(2'-этил-гексилокси)-п-фениленвинилен) (МЕН-РРV) и поли(9,9-(2'-этил-гексил)флуорен) (PF), химическая структура которых обеспечивает генери-рование света соответственно красного и синего цветов.

Технология изготовления планарных гетероструктур ITO/PEDOT:PSS/MEH-PPV/Al и ITO/PEDOT:PSS/PF/Al

Изготовление планарных гетероструктур обоих типов проходило следующие этапы:

82

- изготовление топологического рисунка анода из прозрачного токопроводящего слоя окисла индия на стеклянных положках методом фотолитографии;

- химическая очистка подложек в растворе диметилформамида и моноэтаноламина при температуре 60°С;

- очистка подложек в ультразвуковой ванне при помощи последовательной обработки в ацетоне и в изопропиловом спирте по 15 мин;

- высушивание подложек потоком сухого азота; - нанесение транспортного слоя дырок из водного раствора PEDOT:PSS (Aldrich) путем

полива раствора полимера на вращающуюся подложку, используя Single Wafer Spin Processor WS-400E-6NPP-LITE SHOWN (Laurell Technologies Corporation) в перчаточном шкафу 850-NBB (Plus-Labs, Inc.) в атмосфере сухого азота;

- режим нанесения: 2500 об/мин – 20 мин, 4000 об/мин – 1 час; - сушка нанесенных пленок при температуре от 105 до 115°С в атмосфере сухого азота; - нанесение слоя светоизлучающего органического СР путем полива раствора полимера

на вращающуюся подложку в перчаточном шкафу в атмосфере сухого азота; - режим нанесения: 1500 об/мин – 20 мин, 3000 об/мин – 20 мин; - сушка в вакууме 10-2 мм рт. ст. при комнатной температуре в течение 12 ч; - нанесение металлического катода методом магнетронного распыления алюминиевой

мишени (чистота материала мишени 99,999%) в атмосфере аргона; режим нанесения: постоян-ное напряжение на магнетроне от 450 до 550 В, ток магнетрона от 100 до 200 мА, диаметр ми-шени магнетрона – 40 мм;

- нанесение защитного слоя политетрафторэтилена методом вакуумного термического испарения, толщина пленки от 200 до 500 нм.

После изготовления планарных гетероструктур были измерены их вольт-амперные ха-рактеристики и спектры излучения в видимой области спектра.

Исследование топологии транспортных слоев дырок на основе PEDOT:PSS методом атомно-силовой микроскопии

В современных приборах органической электроники широко используются электро-проводящие слои, обладающие дырочной проводимостью. Такие слои наносятся методами струйной печати или поливом на вращающуюся подложку. Одним из таких полимеров являет-ся PEDOT:PSS [1]. Структура получаемого после испарения воды полимера приведена на рис. 1.

Рис. 1. Строение полимера PEDOT:PSS

Один из компонентов этого полимера (PSS) имеет отрицательный заряд и служит до-пантом сопряженного полимера PEDOT, который несет положительный заряд. Вместе эти за-ряженные макромолекулы способны образовывать пленки, высокая проводимость (до 1000 См/см) и достаточно малое поглощение света которых позволяет использовать их как антиста-тическое покрытие или электропроводящее покрытие в различных оптоэлектронных устройст-вах.

Для изучения морфологии поверхности дырочный транспортный слой был нанесен по описанному выше технологическому режиму, а затем поверхность PEDOT:PSS была исследо-вана методом атомно-силовой микроскопии. Полученное изображение топологии представлено на рис. 2.

83

а б

в г д Рис. 2. Изображение участка поверхности PEDOT:PSS: плоское представление (а), трехмерное представ-

ление (б), численные характеристики сечения (в) с указанными значениями высот рельефа участка по-верхности PEDOT:PSS (г) и статистическое распределение высот рельефа (д)

Следует отметить, что слой PEDOT:PSS, нанесенный на покрытую ITO стеклянную подложку несомненно уменьшает шероховатость поверхности, на которую затем наносится слой СР.

Исследование влияния растворителя сопряженного полимера на характеристики планарных гетероструктур ITO/PEDOT:PSS/PF/Al и ITO/PEDOT:PSS/MEH-PPV/Al

Светоизлучающие слои MEH-PPV [2–5] и PF [6, 7] наносились из растворов полимеров с концентрацией 0,1 масс. % в следующих растворителях: тетрагидрофуран (ТГФ), хлороформ и толуол.

Зависимости плотности тока от напряжения, зависимости интенсивности излучения от приложенного напряжения и зависимости интенсивности излучения от плотности тока образ-цов на основе PF приведены на рис. 3.

84

ITO/PEDOT:PSS/PF(0,1% TGF)/Al

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00

Напряжение, В

Пло

тнос

ть т

ока,

мА

/см

2

ITO/PEDOT:PSS/PF(0,1% CHCl3)/Al

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00


Пло

тнос

ть т

ока,

мА

/см

2

ITO/PEDOT:PSS/PF(0,1% C6H5CH3)/Al

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,50 3,75 4,00 4,25 4,50 4,75 5,00


Пло

тнос

ть т

ока,

мА

/см

2

а б в


0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

3,0 3,3 3,5 3,8 4,0 4,3 4,5 4,8 5,0Напряжение, В

Инте

нсив

ност

ь из

луче

ния,

отн

. ед.


0

10

20

30

40

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0Напряжение, В

Инт

енси

внос

ть и

злуч

ения

, отн

.ед.

ITO/PEDOT:PSS/PFa(0,1% C6H5CH3)/Al

0

400

800

1200

1600

2000

2400

2800

3200

3,50 3,75 4,00 4,25 4,50 4,75 5,00Напряжение, В

Инт

енси

внос

ть и

злуч

ения

, отн

. ед.

г д е


0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0Плотность тока, мА/см2

Инте

нсив

ност

ь из

луче

ния,

отн

. ед.


0

10

20

30

40

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Плотность тока, мА/см2

Инт

енси

внос

ть и

злуч

ения

, отн

. ед.


0

400

800

1200

1600

2000

2400

2800

3200

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5Плотность тока, мА/см2

Инт

енси

внос

ть и

злуч

ения

, отн

. ед.

ж з и Рис. 3. Зависимости плотности тока от напряжения (а)–(в), зависимости интенсивности излучения от приложенного напряжения (г)–(е) и зависимости интенсивности излучения от плотности тока (ж)–(и)

планарных гетероструктур на основе PF, нанесенного из растворов с различными растворителями.

На рис. 4 приведены зависимости плотности тока от напряжения, зависимости интен-сивности излучения от приложенного напряжения и зависимости интенсивности излучения от плотности тока планарных гетероструктур на основе MEH-PPV.

85

ITO/PEDOT:PSS/MEH-PPV(0,1% CHCl3)/Al

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

3,00 3,25 3,50 3,75 4,00 4,25 4,50


Пло

тнос

ть т

ока,

мА

/см

2

ITO/PEDOT:PSS/MEH-PPV(0,1% TGF)/Al

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

3,0 3,5 4,0 4,5 5,0


Пло

тнос

ть т

ока,

мА

/см

2


0

400

800

1200

1600

2000

2400

2800

2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0


Инт

енси

внос

ть, о

тн. е

д.

а б в


0

400

800

1200

1600

2000

2400

3,0 3,5 4,0 4,5 5,0Напряжение, В

Инт

енси

внос

ть, о

тн. е

д.


0

400

800

1200

1600

2000

2400

2800

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5Плотность тока, мА/см2

Инте

нсив

ност

ь из

луче

ния,

отн

. ед.


0

400

800

1200

1600

2000

2400

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0Плотность тока, мА/см2

Инт

енси

внос

ть и

злуч

ения

, отн

. ед

.

г д е Рис. 4. Зависимости плотности тока от напряжения (а), (б), зависимости интенсивности излучения от

приложенного напряжения (в),(г) и зависимости интенсивности излучения от плотности тока (д), (е) пла-нарных гетероструктур на основе MEH-PPV, нанесенного из растворов с различными растворителями.

На рис. 5 приведены спектры излучения планарных гетероструктур на основе PF и MEH-PPV.


0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

375 400 425 450 475 500 525 550 575 600 625

Длина волны, нм

Инт

енси

внос

ть, о

тн. е

д.


0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

500 525 550 575 600 625 650 675 700Длина волны, нм

Инт

енси

внос

ть и

злуч

ения

, отн

. ед.

а б Рис. 5. Спектры излучения планарных гетеро структур: на основе PF (а), на основе MEH-PPV (б)

Приведенные данные для планарных гетероструктур на основе PF показывают, что наихудшие характеристики имеют планарные гетероструктуры, нанесенные из раствора в хло-роформе – такие структуры имеют сниженное напряжение, малую интенсивность излучения и

86

низкую стабильность. Наилучшие характеристики имеют планарные гетероструктуры на осно-ве PF, нанесенного из раствора в толуоле – напряжение начала свечения 3,5 В, самая высокая интенсивность свечения.

Приведенные данные для планарных гетероструктур на основе MEH-PPV показывают, что, наоборот, наилучшие характеристики имеют планарные гетероструктуры, нанесенные из раствора в хлороформе – такие структуры имеют меньшее рабочее напряжение, а интенсив-ность излучения и стабильность при применении в качестве растворителя ТГФ у них практиче-ски одинаковые.

Выводы

Анализ поверхности транспортного слоя дырок, нанесенного из водного раствора PEDOT:PSS, методом микроскопии атомных сил, показал, что этот слой имеет высокую пло-скостность и может играть роль не только транспортного слоя дырок, но и планаризирующего слоя. Исходная подложка характеризовалась наличием высот до 6 нм, а после нанесения слоя PEDOT:PSS эта величина уменьшилась до 3 нм.

Планарные гетероструктуры типа ITO/PEDOT:PSS/MEH-PPV/Al имели начало свече-ния при напряжении от 3 до 3,5 В и плотности тока от 0,05 до 0,075 мА/см2 в зависимости от растворителя, максимум интенсивности излучения отвечает длине волны от 610 до 620 нм, спектральная ширина излучения – 100 нм.

Планарные гетероструктуры типа ITO/PEDOT:PSS/PF/Al имели начало свечения при напряжении от 3 до 3,5 В и плотности тока от 0,5 до 1 мА в зависимости от растворителя и ус-ловий нанесения, максимум интенсивности излучения отвечает длине волны от 415 до 425 нм, спектральная ширина излучения – 60 нм.

INVESTIGATION OF THE SOLVENT INFLUENCE ON THE CHARACTERIATICS OF THE PLANAR ITO/PEDOT:PSS/PF/AL AND ITO/PEDOT:PSS/MEH-PPV/AL

HETHEROSTRUCTURES

V.M. SOROKIN, Y.V. KOLOMZAROV, M.A. MINYAJLO, P.A. TYTARENKO, A.G. SHKAVRO

Abstract

Technology for creation of planar organic light-emitting heterostructures on the base of poly(p-phenylene-vinylene) and polyfluorene derivatives was created. Such structures can radiate light of red and blue colors. Technology was based on the deposition of the functional layers by spin coat-ing technique. Electrical and electrooptical characteristics of the created planar heterostructures were measured. The influence of the different organic solvents used for conjugated polymers dissolving on the characteristics of the planar heterostructures was determined.

Литература 1. Kim Y.H., Sachse C., Machala M.L. et al. // Adv. Funct. Mater. 2011. 2. Farinola G.M., Cardone A., Babudri F. et al. // Materials. 2010. 3(5). P. 3077–3091. 3. Craciun N.I., Zhang Y., Palmaerts A. et al. // J. Appl. Phys. 2010. 4. Buelt A.A., Colberg A.J., Dennis A.E. et al. // Macromolecular Rapid Communication. 2010, Vol. 31, P. 752–757. 5. Kamonsawas J., Sirivat A., Niamlang S. et al. // Sensors. 2010. №10, P. 5590–5603. 6. Qiushu Zhang // Polymer light emitting diodes based on polyfluorenes. LAMBERT, 2010, 164 p. 7. Wang M., Tong H., Cheng Y. et al. // J. of Polymer Science, Part A: Polymer Chemistry. 2010. Vol 48. P. 990–1999.

87


УДК 62-236

ОПТИМИЗАЦИЯ ПОЛОСЫ ПРОЗРАЧНОСТИ РЕЖЕКТОРНОГО ФИЛЬТРА ДЛЯ ЗАМКНУТЫХ КОНТУРОВ

АРЕБИ МАЖЕД АЛИ



Решена двухкритериальная задача оптимизации полосы прозрачности режекторного фильт-ра, с помощью которого формируется усеченный спектр контура. Полученное решение яв-ляется единственным, Парето-оптимальным.

Ключевые слова: оптимизация полосы прозрачности, режекторный фильтр, замкнутый кон-тур.

Введение Обычно изображения, сформированные различными информационными системами,

искажаются действием помех. Это затрудняет как их визуальный анализ человеком-оператором, так и автоматическую обработку в ЭВМ. При решении некоторых задач обработки изображений в роли помех могут выступать те или иные компоненты самого изображения.

Ослабление действия помех достигается фильтрацией. При фильтрации яркость (сиг-нал) каждой точки исходного изображения (контура), искаженного помехой, заменяется неко-торым другим значением яркости, которое признается в наименьшей степени искаженным по-мехой.

Задача заключается в том, чтобы найти такую рациональную вычислительную проце-дуру, которая позволяла бы достигать наилучших результатов. Общепринято при решении этой задачи опираться на использование вероятностных моделей изображения и помехи, а также на применение статистических критериев оптимальности.

Идея режекторной фильтрации замкнутых контуров, обеспечивающая не только со-кращение объема обрабатываемых данных, но и инвариантность ряда классифицирующих при-знаков к числу точек в описании контура, основана на особом свойстве спектров замкнутых контуров: норма контура в основном определяется несколькими боковыми составляющими спектра, вклад в величину нормы центральных составляющих мал.

В статье предложена двухэтапная процедура распознавания дефектов односвязных контуров планарных объектов с принятием решений по принципу максимальной корреляции в пространстве признаков. На первом этапе осуществляется распознавание класса предъявленно-го объекта с использованием в качестве классифицирующего признака вектора составляющих нормированного усеченного спектра. На втором реализуется распознавание типа дефекта в вы-явленном классе. Выбор признаков здесь зависит от принятого на первом этапе решения о классе объекта. Определены признаки, с использованием которых принимается однозначное решение о типе дефекта в каждом классе.

Оптимизация полосы прозрачности режекторного фильтра

Покажем сначала, что сама идея режекторной фильтрации замкнутых контуров, обес-печивающая не только сокращение объема обрабатываемых данных, но и инвариантность ряда

88

классифицирующих признаков к числу точек в описании контура, основана на особом свойстве спектров замкнутых контуров: норма контура в основном определяется несколькими боковыми составляющими спектра, вклад в величину нормы центральных составляющих мал.

1 1H N K N , (1)

имеет полосу режекции шириной К–2N пикселов, или две полосы прозрачности, разделенные зоной режекции, каждая шириной N пикселов. При этом величина полосы прозрачности во всех случаях формирования признаков и распознавания дефектов принималась одинаковой и равной 10 пикселам. В этом параграфе решается задача оптимизации полосы прозрачности ре-жекторного фильтра (1).

Пусть d1k – исходный массив, описывающий некоторый дефектный контур, включаю-щий K точек; s1ν – спектр этого контура, ν = 1,2,…,К-1; спектр на выходе режекторного фильтра SH(ν, N) = H(ν, N) s1ν.

Определим: - квадрат нормы контура в полосе прозрачности фильтра

1 22

1

11 ( ) , ;K

W N SH NK

(2)

- квадрат нормы контура в полосе режекции фильтра

1

22

1

12 ( ) 1 , 1 .K

W N H N sK

(3)

Рис. 1. К обоснованию режекторной фильтрации

График распределения относительной доли (в процентах) квадрата нормы (3) к квадра-ту нормы (2) для дефектного контура d1 (центральный выступ)

2

2

100 21W N

NW N

, (4)

рассчитанный с применением кубической сплайн-интерполяции, представлен на рис. 1. Из ри-сунка следует, что при N≥10 составляющие спектра в полосе режекции составляют не более 0,1% в квадрате нормы контура.

Оптимизацию полосы прозрачности фильтра осуществим по критерию минимизации ошибки восстановления контура по данным с выхода режекторного фильтра. Чтобы обеспе-чить единообразный подход к заданию сравниваемых данных, исходный контур с центральным расположением определим через обратное преобразование Фурье от его спектра

1

1

1 21 1 expK

kD s i kK K

. (5)

Контур после режекторного фильтра определяется соотношением:

89

1

1

1 22 , , expK

kD k N SH N i k

K K

. (6)

Среднеквадратическая ошибка представления исходного контура (5) сглаженным кон-туром (6) имеет следующий вид:

1 2

1

1 1 2 ,1

K

kk

N D D k NK

(7)

График, рассчитанный по этой формуле с последующей кубической сплайн-интерполяцией, представлен на рис. 2. Согласно графику, при N≥10 среднеквадратическая ошибка сглаживания практически не зависит от N.

Рис. 2. Среднеквадратическая ошибка сглаживания контура

При оптимизации полосы прозрачности помимо минимизации η(N), достигаемой за счет выбора N, необходимо одновременно минимизировать и саму полосу N. Таким образом, в данном случае имеем двухкритериальную (векторную) задачу оптимизации с формальной по-становкой вида:

min ,( ) min ,

x

x

xx x

(8)

где варьируемая переменная x отождествляется с полосой прозрачности N и в соответствии с рис. 1 и 2 промежуток изменения этой переменной (область варьирования) [1–3], с этим про-межутком совпадает, как это следует из второго соотношения системы (8), и промежуток изме-нения второй целевой функции задачи. Промежуток изменения первой целевой функции нахо-дим по графику на рис. 2: [0,5; 0,25]. Как видим, диапазоны изменения обеих целевых функций η и ξ, существенно различаются. Различно и смысловое содержание целевых функций, несмот-ря на то, что обе они формально являются безразмерными. Для корректного решения задачи оптимизации необходимо нормализовать целевые функции. Нормализацию, следуя [2], осуще-ствим по правилам:

1 1 1,x c x f (9)

1 2 ( ) 2,x c x f (10)

11 , 1c f

, (11)

12 , 2c f

, (12)

причем

90

η+=max η, η-=min η, (13)

ξ+=max ξ, ξ-=min ξ. (14)

На рис. 3 приведены графики нормированных целевых функций.

Рис. 3. Графики изменения целевых функций

Точка пересечения кривых на рисунке определяет решение x*, не улучшаемое одновре-менно по обоим критериям, или решение, оптимальное по Парето [2]. Действительно, при по-пытке уменьшить η1 по сравнению с η1(x*) получаем увеличение ξ1 по сравнению с ξ1(x*). На-оборот, при уменьшении ξ1 получаем увеличение η1 по сравнению с η1(x*).

Таким образом, решение x* определяет полосу прозрачности N*=x* режекторного фильтра, оптимальную по обоим критериям (8). Расчеты показали, что ближайшее целое число к оптимальному решению x* равно 11. Этот оптимум характерен для рассматриваемого класса (напомним, для центрального выступа). Для дефектов других классов величина x* несколько отличается от значения, найденного для дефекта указанного класса, и, как правило, в меньшую сторону. Поэтому с целью обеспечить единообразный подход к распознаванию дефектных объектов с небольшими вариациями их размеров и характера выбрано значение полосы про-зрачности режекторного фильтра, близкое к указанному оптимуму: N=10.

Заключения

Представлено решение задачи оптимального формирования усеченного спектра конту-ра и оптимизации полосы прозрачности режекторного фильтра. В качестве целевых функций были использованы среднеквадратическая ошибка представления исходного контура сглажен-ной моделью и полоса прозрачности режекторного фильтра. Показано, что для контуров, рас-сматриваемых в статье, оптимальная полоса прозрачности режекторного фильтра составляет,

10 12optN и она практически не зависит от класса и типа дефекта.

91

OPTIMIZATION BAND TRANSPARENCY REJECTING FILTER FOR CLOSED CIRCUIT CONTOUR

AREBI MAJED ALI

Abstract

Double criterion task of band transparency rejecting filter optimization with help of which is transformed reduced spectrum contour was solved. Decision presents like unique, Pareto-optimal, are received.

Литература 1. Батищев Д.И. Методы оптимального проектирования. М., 1984. 2. Фурман Я.А. Введение в контурный анализ. Приложения к обработке изображений и сигналов. М., 2003. 3. Фурман А.Я. Распознавание Радиотехника и электроника. 2010. Т.55, №6.

92


УДК 621.315.592

ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ И СПЕКТРОСКОПИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ В СТРУКТУРАХ, СФОРМИРОВАННЫХ НА ОСНОВЕ ПОРИСТОГО АНОДНОГО ОКСИДА

АЛЮМИНИЯ

И.А. НИКОЛАЕНКО, Т.И. ОРЕХОВСКАЯ, Л.C. СТЕПАНОВА, М.В. РУДЕНКО, К.В. АРТЕМЬЕВА, А.М. АШАРИФ, Н.В. ГАПОНЕНКО, А.В. МУДРЫЙ*


*Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению П. Бровки, 19, Минск, 220072, Беларусь


Приведены результаты синтеза и анализа структур, люминесцирующих в зеленом диапазо-не, на основе пористого анодного оксида алюминия. Люминофоры, представляющие собой ксерогели оксида титана, легированные стронцием и тербием, оксида алюминия, легиро-ванные тербием, и виллемит, легированный марганцем, формировались методом центрифу-гирования с последующей термообработкой. Анализируются спектры люминесценции и возбуждения люминесценции сформированных структур и проведен их морфологический анализ. Проведено сравнение люминесценции структур, содержащих ксерогель, с пленками пористого анодного оксида алюминия, содержащих тербий, осажденный из раствора нитра-та тербия.

Ключевые слова: тербий, виллемит, оксид титана, пористый анодный оксид алюминия, лю-минесценция.

Введение

Известно, что ксерогели различного состава, легированные тербием, европием или эр-бием, синтезированные в пористом анодном оксиде алюминия, демонстрируют интенсивную фотолюминесценцию (ФЛ) лантаноидов [1]. Люминесценция тербия и европия видна невоору-женным глазом при комнатной температуре при возбуждении ксеноновой лампой и лазерными источниками в ультрафиолетовом диапазоне, что представляет практический интерес. При этом степень заполнения пор ксерогелем и морфология структуры ксерогель/пористый анод-ный оксид алюминия зависят от состава золя. В зависимости от выбора длины волны возбуж-дения интенсивность фотолюминесценции тербия и европия в структуре ксерогель оксида ти-тана/пористый анодный оксид алюминия может возрастать с толщиной используемого порис-того анодного оксида алюминия. Легированные тербием ксерогели в пористом анодном оксиде алюминия демонстрируют радиолюминесценцию при возбуждении рентгеновским излучением с энергией около 40 кВ [2]. Ксерогели виллемита, легированного Mn (Zn2SiO4: Mn), сформиро-ванные в виде таблеток, демонстрируют фото-, рентгено- и катодолюминесценцию [3]. Синтез титаната стронция, легированного тербием, в пористом анодном оксиде алюминия, на наш взгляд, может представлять интерес для сенсибилизации радиолюминесценции тербия за счет поглощения рентгеновского излучения стронцием, и использования структур для наноразмер-ных матричных преобразователей рентгеновского излучения.

В данной работе представлены результаты синтеза и люминесценции ксерогелей окси-да титана, легированных стронцием и тербием, оксида алюминия, легированных тербием, и виллемита, легированного марганцем, в пористом анодном оксиде алюминия, и проведено

93

сравнение ФЛ-структур, сформированных золь-гель методом, с пленками ПАОА, содержащи-ми тербий, осажденный из раствора нитрата тербия.

Методика приготовления образцов

Для формирования пленочных структур, люминесцирующих в зеленом диапазоне, бы-ли приготовлены три серии образцов.

Пленки ПАОА первой серии были синтезированы двухстадийным анодированием элек-трохимически полированной алюминиевой фольги в растворе 1,2М ортофосфорной кислоты в потенциостатическом режиме при напряжении 130 В и плотности тока не более 1 мА/см2. Уве-личение диаметра пор проводилось травлением в растворе ортофосфорной кислоты (1:1) при комнатной температуре в течение 30 мин, скорость травления по данным проведенных ранее исследований составляла порядка 1 нм/мин. В полученные пленочные структуры осаждались ионы тербия методом погружения ПАОА в раствор азотнокислого тербия с концентрацией 30 мг/мл. После сушки при температуре 60°С в течение 10 мин образцы отжигались при темпера-туре 200°С в течение 30 мин. Затем на один из образцов методом центрифугирования со скоро-стью 3000 об/мин наносилась пленка ксерогеля 30% Tb2O3–70% Al2O3 (масс.%), состоящая из пяти слоев. Золь для формирования ксерогеля оксида алюминия готовился из изопропоксида алюминия по методике [2]. После нанесения каждого слоя золя центрифугированием произво-дилась сушка образца при 200 оС в течение 10 мин, затем производилось центрифугирование последующего слоя. Окончательная термообработка образца, содержащего пятислойную плен-ку, проводилась при температуре 200оС в течение 30 мин.

Образцы второй партии включали ксерогели оксида титана, легированные стронцием и тербием. Для формирования ксерогелей были использованы тетраэтоксититан (Ti(OC2H5)4), нитрат стронция (Sr(NO3)2), нитрат пентагидрат тербия ((Tb(NO3)6 5H2O). Золь оксида титана получали путем растворения тетраэтоксититана в этиловом спирте. Выпавший осадок Ti(OH)4 растворяли добавлением концентрированной азотной кислоты и доведением pH раствора до 1. Для приготовления раствора стронция соль азотнокислого стронция растворяли в смеси спирт:вода в соотношении 4:1, после чего pH раствора довели до 1 добавлением концентриро-ванной азотной кислоты. Затем оба раствора смешали. В полученный раствор добавили нитрат пентагидрат тербия, после чего окончательный раствор тщательно перемешали. Таким образом были приготовлены золи со следующим соотношением компонентов в пересчете на оксидную фазу ксерогеля (масс.%): 50% (TiO2 : 0,4 SrO) / 50% Tb2O3, 70% (TiO2 : 0,6 SrO) / 30% Tb2O3, 50% (TiO2 : 0,6 SrO) / 50% Tb2O3. При синтезе этой партии золей было обнаружено, что исполь-зование уксуснокислого стронция вместо азотнокислого приводит к образованию осадка, что делает золь непригодным для последующего синтеза люминесцентных структур.

Для нанесения золей, содержащих тербий и стронций, использовались пленки пористо-го анодного оксида алюминия толщиной 1 мкм с диаметром пор 150 нм, выращенные на крем-нии. На каждый из образцов центрифугированием со скоростью 2700 об/мин длительностью 30 с наносился один слой золя, затем образцы подвергались сушке при температуре 200°С в тече-ние 10 мин и окончательному отжигу при температуре 1000°С в течение 30 мин.

Третья партия образцов представляла собой ксерогель виллемита, синтезированный в пористом анодном оксиде алюминия с размером пор 180–200 нм на кремнии. Синтез золя вил-лемита осуществлялся из тетраэтоксисилана, нитрата цинка, ацетата марганца и мочевины [4]. После центрифугирования в указанных выше режимах и сушки проводилась окончательная термообработка ксерогелей при температуре 1000°С в течение 30 мин.

Спектры фотолюминесценции регистрировались при λвозб=330 нм, время регистрации 1 мс. Спектры возбуждения регистрировались на длине волны 542 нм. Все измерения проводи-лись при комнатной температуре.

94


В спектрах ФЛ-структур, содержащих тербий, осажденный из раствора нитрата тербия, после сушки при температуре 200°С обнаружены четкие полосы, соответствующие оптическим переходам трехвалентных ионов тербия (рис. 1, график 1): 490 нм (переход 5D4 → 7F6), 543 нм (переход 5D4 → 7F5), 592 нм (переход 5D4 → 7F4), 628 нм (переход 5D4 → 7F3).

Дальнейшее увеличение интенсивности ФЛ для пленочных структур на основе порис-того анодного оксида алюминия, содержащих тербий, осажденный из раствора нитрата тербия, было достигнуто при последующем заполнении пор такой структуры ксерогелем Al2O3, леги-рованным тербием. На рис. 1 (график 2) показано увеличение интенсивности ФЛ тербия, осаж-денного из раствора нитрата тербия, с поcледующим заполнением ксерогелем оксида алюми-ния, легированным тербием. Как видно из данных рисунка, нанесение нескольких слоев ксеро-геля приводит к четырехкратному увеличению интенсивности ФЛ-тербия по сравнению с ис-ходным образцом, пропитанным нитратом тербия.

Рис. 1. Спектры ФЛ-тербия в пористом анодном оксиде алюминия толщиной 10 мкм, измеренные при

λвозб=330 нм, время регистрации 1мс: 1 – осаждение пропиткой спиртового раствора нитрата тербия в те-чение 24 ч, термообработка при 200°С в течение 10 мин, затем при 200°С в течение 30 мин; 2 – осажде-ние пропиткой спиртового раствора нитрата тербия в течение 24 ч, термообработка при 200°С в течение 10 мин, нанесение 5 слоев ксерогеля состава 30% Tb2O3–70%Al2O3 центрифугированием; отжиг: 200°С,

30 мин

Для синтезированных образцов исследованы спектры возбуждения люминесценции (рис. 2). Оба образца имеют наиболее интенсивную полосу в спектре возбуждения ФЛ при 310…330 нм. Для образцов, не содержащих ксерогель оксида алюминия, в спектре возбужде-ния люминесценции присутствуют дополнительные менее интенсивные полосы при 274, 364, 382, 440 нм.

95

Рис. 2. Нормированные спектры возбуждения люминесценции, зарегистрированные на длине волны

λдет=542 нм для пленочных структур ПАОА с осажденными ионами тербия, сформированных в 1,2 М растворе Н3РО4: 1 – при напряжении U=130 V, 2 – с 5-слойной пленкой 30% Tb2O3 – 70% Al2O3

На рис. 3 приведены данные спектроскопии возбуждения и люминесценции сформиро-ванного в пористом анодном оксиде алюминия ксерогеля, легированного тербием и стронцием. В спектрах наблюдаются полосы, соответствующие оптическим переходам трехвалентных ио-нов тербия: 490 нм (переход 5D4 → 7F6), 542 нм (переход 5D4 → 7F5), 592 нм (переход 5D4 → 7F4), 628 нм (переход 5D4 → 7F3). Все три типа ксерогелей демонстрируют ФЛ тербия при комнатной температуре с полосами в диапазоне 450–650 нм, соответствующим указанным выше термам ионов Tb3+: 5D4 → 7Fj , j=3,4,5,6.

200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 4000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Инт

енси

внос

ть л

юм

инес

ценц

ии, о

тн. е

д.

Длина волны, нм 400 450 500 550 600 650 700

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Инт

енси

внос

ть л

юми

несц

енци

и, о

тн. е

д.

Длина волны, нм

а б Рис. 3. Спектры люминесценции и возбуждения люминесценции легированных тербием ксерогелей ти-таната стронция, сформированных в пористом анодном оксиде алюминия на подложках кремния: для

ксерогеля состава 50% (TiO2 :0,4 SrO) / 50% Tb2O3: а – спектры возбуждения ФЛ для длины волны излу-чения 543 нм, б – спектры ФЛ для длины волны возбуждения 290 нм

Как видно из рис. 4,а формирование одного слоя ксерогеля виллемита сохраняет устья пор открытыми, а основной объем пор незаполненным, тогда как увеличение до семи слоев (рис. 4,б,в) приводит к формированию сплошного покрытия на поверхности пленки пористого анодного оксида алюминия. При этом основной объем пор по-прежнему остается незаполнен-ным ксерогелем.

96

а б в

Рис. 4. Микрофотографии поверхности и скола пленок ПАОА на кремнии; средний диаметр пор 180 – 200 нм; люминофор: Zn2SiO4:Mn: a – 1 слой, б – 3 слоя, в – 7 слоев

Типичные спектры ФЛ и возбуждения ФЛ, полученные для термообработки длительно-стью 30 мин, приведены на рис. 5. Увеличение длительности термообработки до 5 ч не приво-дит к увеличению интенсивности люминесценции. В дальнейшем предстоит выяснить, усили-вает ли катодо- и рентгенолюминесценцию виллемит, находящийся в виде отдельных класте-ров в каналах пор, и можно ли, изменяя синтез золя и режимы нанесения, добиться наибольше-го заполнения каналов пор анодного оксида алюминия виллемитом и другими рентгенолюми-нофорами.

400 450 500 550 600 650 7000,00

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

инте

нсив

ност

ь ︵

отн.

ед.

︶

длина волны ︵нм︶ 200 250 300 350 400

0,00

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

инте

нсив

ност

ь ︵

отн.

ед.

︶

длина волны ︵нм︶ а б

Рис. 5. Спектры фотолюминесценции для длины волны возбуждения 270 нм (а), спектры возбуждения фотолюминесценции для длины волны излучения 530 нм (б) образца Zn2(1-x)MnxSiO4 (x=3 mol %) люми-нофора после отжига при температуре 1000°С – трехслойные пленки на пористом анодном оксиде алю-

миния

Заключение Таким образом, все синтезированные в данной работе структуры на основе ПАОА де-

монстрируют ФЛ в зеленом диапазоне с эффективным возбуждением УФ-излучением в облас-ти 300 нм. Наряду с синтезированными ранее структурами, содержащими легированные терби-ем ксерогели оксидов титана, алюминия, кремния, в пористом анодном оксиде алюминия, ин-тенсивную ФЛ демонстрируют ксерогели оксида титана, легированные стронцием и тербием. Люминесценция тербия наиболее эффективно возбуждается на длине волны 300 нм. Для уве-личения степени заполнения пор виллемитом требуется оптимизация золь-гель технологии.

97

LUMINESCENCE AND EXCITATION SPECTROSCOPY IN THE STRUCTURES ON THE BASIS OF POROUS ANODIC ALUMINA

I.A. NIKOLAENKO, T.I. OREKHOVSKAYA, L.S. STEPANOVA, M.V. RUDENKO, К.V. ARTEMYEVA, A.M. АSHARIF, N.V. GAPONENKO, A.V. MUDRYI

Abstract

The results of synthesis and analysis of the structures, luminescent in the green range, on the basis of porous anodic alumina are presened. The xerogels of titanium oxide doped with strontium and terbium, aluminum oxide doped with terbium and willemite doped with manganese were formed by spin-on method with subsequent heat treatment. The luminescence spectra and luminescence excita-tion spectra of the fabricated structures are analyzed and the morphological analysis of these spectra is shown. Comparison of the luminescence structures containing xerogel with films of porous anodic alumina containing terbium deposited from solution of terbium nitrate is produced.

Литература 1. Гапоненко Н.В. Пленки, сформированные золь-гель методом на полупроводниках и в мезопористых матрицах. Минск, 2003. 2. Гапоненко Н.В., Кортов В.С., Ореховская Т.И. и др. // Физика и техника полупроводников. 2011. T 45, Вып. 7. С 980–983. 3. Гапоненко Н.В., Николаенко И.А., Степанова Е.А. и др. // Крымико 2010, 20 Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». Севастополь, 2010. С. 797–798. 4. Степанова Е.А., Ореховская Т.И., Николаенко И.А. и др. // Докл. БГУИР. 2010. № 2. С. 49–53.

Выходит два раза в квартал · 2011-12-26 · Шунгит является...

Documents