Математические методы и моделирование в приборостроении. Рубрика в журнале - Научное приборостроение
Статья научная
Развитие информационных технологий и математических методов по обработке данных играет существенную роль для установления различных особенностей в анализируемых нуклеиновых кислотах и тенденций их изменений. Важным этапом в технологии массового параллельного секвенирования нуклеиновых кислот является процесс построения последовательности нуклеотидов по измеренным интенсивностям сигналов флуоресценции. В работе рассматривается алгоритм генерации обучающей выборки, которая используется для построения последовательности буквенных кодов нуклеотидов ДНК по интенсивностям сигналов флуоресценции, полученным непосредственно по результатам обработки изображений. В такие сигналы не были внесены корректировки, связанные с физическими и химическими особенностями проведения процесса секвенирования. В алгоритме использованы метод главных компонент и классификатор, основанный на методе k-средних. С помощью такого классификатора данные после преобразования методом главных компонент разделяются на четыре независимых класса по числу буквенных кодов нуклеотидов ДНК. С помощью обучающей выборки определяется принадлежность вектора, содержащего данные сигналов флуоресценции, одному из классов, а значит, его буквенный код. Алгоритм апробирован на тестовой выборке и показал высокую достоверность результатов.
Бесплатно
АНАЛИЗ МНОГОМЕРНЫХ ДАННЫХ ПО СОСТАВУ ГАЗОВ, ВЫДЕЛЯЕМЫХ ИЗ РАЗЛОМОВ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Статья научная
Предлагается метод экспресс-прогноза состояния земной коры (в том числе прогноза землетрясений и извержений вулканов) по составу и интенсивности газов, регистрируемых в местах разломов земной поверхности. Метод основан на обучении без учителя с использованием большого объема предварительно собранных данных о составе и концентрации газов, выделяемых в зоне разломов земной коры. Состав и концентрация этих газов содержат информацию о процессах, происходящих в глубине Земли, что позволяет с некоторой вероятностью предсказать землетрясения или другие катастрофические события. Собранные данные служат для обучения системы распознавания вновь полученных данных путем формирования системы кластеров, каждый из которых является маркером того или иного процесса в земной коре. Близость в многомерном пространстве новых данных к ядру кластера является вероятностной мерой события, вызвавшего выброс газовой смеси, аналогичной кластеру.
Бесплатно
Статья научная
В статье рассматриваются аналитические выражения для потенциалов электрических полей, которые соответствуют транспортирующим каналам с периодической геометрической структурой электродов, и потенциалов, приложенных к электродам. Электроды транспортирующего канала представляют собой последовательность круговых диафрагм или имеют похожую структуру. Полученные выражения могут быть полезны для быстрого качественного моделирования радиочастотных устройств, предназначенных для транспортировки и фокусировки ионов.
Бесплатно
Акустика пористо-упругих насыщенных жидкостью сред (обзор теории Био)
Статья научная
В обзоре приведены основные элементы теории Био для акустики пористых насыщенных жидкостью сред. Теория справедлива и для собственно пористых, и для зернистых структур. Приведены связанные уравнения движения в частотно-пространственной области, позволяющие вычислять различные поля, описывающие динамику гармонических задач акустики пористых сред. Приведены все данные, позволяющие ставить и решать соответствующие краевые задачи. Проведен достаточно информативный библиографический обзор, позволяющий при необходимости самостоятельно добавить не освещенные в статье элементы теории Био. Изложенная теория позволяет решать в том числе разнообразные задачи научного приборостроения.
Бесплатно
Статья научная
В данной работе проведено описание алгоритмов обработки данных полупроводниковых сенсоров, входящих в состав аналитических комплексов для контроля паров ядовитых веществ в воздухе, жидкостях и твердых телах. Эти комплексы, в частности, востребованы для анализа компонент ракетных топлив (КРТ) как на наземных объектах космической инфраструктуры, так и в окружающей среде. Алгоритмы обработки данных предназначены для автоматического разделения образцов на чистые и на содержащие токсичные загрязнения, примеси или добавки (загрязненные образцы). В основе этих алгоритмов лежат методы, основанные на дискриминантном анализе многомерных данных.
Бесплатно
Статья научная
Электрические и магнитные поля, однородные по Эйлеру, являются удобным инструментом для разработки электронно- и ионно-оптических систем. Принцип подобия траекторий в таких полях, впервые примененный Ю.К. Голиковым, позволяет более осмысленно и целенаправленно синтезировать нужные исследователю оптические схемы при использовании полей, принадлежащих этому классу. Данная работа посвящена анализу общей формулы Уиттекера для трехмерных гармонических функций, однородных по Эйлеру. Она является продолжением цикла работ по исследованию свойств гармонических потенциалов, являющихся однородными по Эйлеру функциями, и их применению для синтеза эффективных электронно- и ионно-оптических систем.
Бесплатно
Аналитическое приборостроение в журналах Nature и Science за 2001-2017 гг. Вебометрический анализ
Статья научная
Проведен вебометрический анализ журналов Nature и Science за 2001-2017 гг. По каждому году выбраны 10 наиболее цитируемых статей. Число ссылок определялось по Web of Science и Google Scholar. Было установлено, что из 170 статей не менее 85 имеют прямое отношение к аналитическому приборостроению. Формальным критерием выбора было наличие в статье упоминания какого-либо аналитического прибора (например, секвенатора). Также была проанализирована динамика цитирования статей и предложена легко интерпретируемая математическая модель процесса цитирования.
Бесплатно
Базовые выражения, используемые в электрокинетике (обзор)
Статья обзорная
В работе дан обзор основных выражений, позволяющих проводить математическое моделирование сложных задач электрохимии вообще и электрокинетических задач в частности в условиях взаимозависимости различных присутствующих в них физических полей.
Бесплатно
ВОЗМОЖНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ
Статья
Современное определение позволяет трактовать технологический процесс как сложную систему во взаимодействии с компонентами окружающей среды, в результате которого образуется полезный эффект. С этой точки зрения изучение технологического процесса подчиняется общим законам теории управления, благодаря чему принципы и алгоритмы, используемые этой теорией, могут быть адаптированы и распространены на управление технологическими процессами. Отмечается, однако, что основным отличием технологического процесса от традиционных объектов управления является постоянное непреодолимое и деградационное изменение его характеристик по времени. В статье показана возможность перехода от управления процессами в статистическом смысле к управлению по фактическому состоянию, т.е. к управлению процессом в реальном масштабе времени. Вводится понятие функциональной управляемости технологическими процессами. Приводится анализ обобщенной структурной схемы системы управления технологическим процессом как технически сложной системой. Приведена формализация целей управления технологическим процессом, позволяющая в дальнейшем сформировать задачи управления и типовые схемы управления характерными технологическими операциями. Показано, что особое значение приведенные теоретические положения приобретают при наступившем в настоящее время переходе от аналогового управления технологическим процессом к цифровому
Бесплатно
Статья обзорная
В целях решения задачи выбора наиболее эффективного механизма для математического моделирования взаимосвязанных физических полей в сплошных средах рассматривается использование вариационных подходов. Кратко излагается существующая по этому вопросу теория, основанная на использовании вариационных принципов либо вариационных уравнений, приводится критерий их выбора, разбираются особенности метода, приводится конкретный пример. Во второй части работы будет проделан разбор случаев, когда вариационный подход является единственно возможным для составления математических моделей мультифизичных явлений. В приложении описана диссипативная функция (диссипативный потенциал) для случая однородной вязкой теплопроводной жидкости, играющая важную роль при моделировании необратимых процессов.
Бесплатно
Статья обзорная
Приведен ряд примеров как тривиальных, так и достаточно сложных, продемонстрировавших эффективность вариационных методов при математическом моделировании различных физических процессов. Некоторые из приведенных примеров могут моделироваться и с помощью альтернативных подходов, а такие как модель акустики пористых сред (теория Био), по всей вероятности, моделируются только с помощью вариационных методов. Основной упор в обзоре сделан на детализацию подробностей применения вариационных подходов, что не всегда делается в оригинальных работах, где эти методы используются для решения сложных задач. В приложении приведен ряд полезных сведений по вариационным методам, в том числе принцип симметрии кинетических коэффициентов Онзагера и обобщенный вариационный принцип.
Бесплатно
Взаимодействие света с обобщенным термо-акустическим полем
Статья научная
Рассмотрено влияние акустического поля и поля свободной конвекции, вызванное тепловым источником, на показатель преломления света в однородной сплошной среде. Приведены соответствующие выражения для обоих полей, позволяющие рассчитать возмущения плотности среды, а следовательно, возмущение показателя преломления света, вызванное возмущением плотности. Приведены конкретные порядки величины скорости жидкости при свободной конвекции, относительные величины изменения плотности, а также выражение для числа Грасгофа как параметра интенсивности течений при свободной конвекции.
Бесплатно
Виртуальный рентгенофлуоресцентный спектрометрический комплекс для обучения и исследований
Статья научная
Обозначены проблемы, возникающие при подготовке специалистов по сложным физическим методам анализа, которые могут быть решены созданием универсальных программных продуктов. Представляется описание схемы расчетов виртуального программно-моделирующего рентгеновского комплекса X-Energo, а также возможностей его использования в учебном процессе и исследованиях аналитических характеристик рентгенофлуоресцентного анализа на спектрометрах различного типа. Комплекс X-Energo предоставляет возможности детального адекватного воспроизведения особенностей работы различных узлов рентгенофлуоресцентного спектрометра, а также приемов сбора, обработки и интерпретации данных.
Бесплатно
Статья научная
В работе создан виртуальный тепловой узел и проведено численное моделирование процесса выращивания кристалла, включающее решение задач индукционного нагрева, теплопередачи в твердом теле, жидкости и газе, радиационного теплообмена, гидродинамики расплава, газовой динамики, термоупругости. Исследовано влияние давления защитного газа в камере, конструкции радиационных экранов и геометрии рабочей поверхности формообразователя на распределение температуры и термических напряжений в сапфировой трубе и полусфере. Проведено сопряжение осесимметричной двумерной и трехмерной моделей для расчета распределения температуры в зоне кристаллизации при выращивании пакета сапфировых пластин. Полученные результаты согласуются с практически накопленной информацией и применяются для развития технологий выращивания профилированных кристаллов сапфира.
Бесплатно
Статья научная
С целью выявления факторов, которые могут существенно повлиять на разрешение ион-дрейфового спектрометра с затвором Бредбери-Нильсена, рассмотрено влияние ионно-молекулярных реакций на форму ионных пиков и их положение. Проведено моделирование процессов формирования ионных импульсов затвором Бредбери-Нильсена и их дрейфа с учетом реакций гидратации и диссоциации водных кластеров.
Бесплатно
Гармоническое интегрирование квазиполиномиальных потенциалов, однородных по Эйлеру
Статья научная
Квазиполиномиальные однородные потенциалы, удовлетворяющие уравнению Лапласа и заданные в аналитической форме, обеспечивают достаточно представительную, но не слишком полную выборку трехмерных потенциалов, однородных по Эйлеру. В работе показано, как с помощью гармонического интегрирования можно расширить класс потенциалов, удовлетворяющих уравнению Лапласа и однородных по Эйлеру, задаваемых в аналитическом виде.
Бесплатно
Статья
Электрические и магнитные поля, однородные по Эйлеру, являются удобным инструментом при синтезе электронно- и ионно-оптических систем со специальными свойствами. Известно, что скалярные потенциалы подобных полей представляют собой трехмерные скалярные гармонические функции, однородные по Эйлеру, с заданной степенью однородности. Вопрос о параметризации трехмерных однородных гармонических функций с целочисленными степенями однородности исчерпывающим образом решается с помощью формул Донкина для однородных гармонических функций со степенями однородности 0 и –1, теоремы о дифференцировании трехмерных однородных гармонических функций и формулы Томсона для однородных гармонических функций. Однако число аналитических формул, которые можно использовать для описания трехмерных скалярных гармонических функций при нецелочисленных степенях однородности, к сожалению, в настоящий момент не слишком велико, а вопрос об исчерпывающем описании таких функций весьма далек от своего окончательного решения. В то же время использование трехмерных однородных гармонических потенциалов с нецелочисленными степенями однородности значительно расширяет инструментарий разработчиков электронно- и ионно-оптических систем. Целью данной работы является построение гипергеометрического базиса, составленного из базовых однородных гармонических функций с нецелочисленными степенями однородности, с помощью которого любую трехмерную однородную гармоническую функцию, не имеющую сингулярных точек за исключением луча x = y = 0, z ≤ 0, можно представить в виде бесконечного ряда наподобие ряда Фурье. Полученный результат, по-видимому, отчасти решает проблему исчерпывающего описания трехмерных скалярных однородных гармонических функций при нецелочисленных степенях однородности.
Бесплатно
ДИНАМИКА ПУЧКА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В ТРАНСАКСИАЛЬНОМ ЗЕРКАЛЕ
Статья научная
Рассмотрено поведение пучка заряженных частиц, сформированного точечным источником, расположенным в средней плоскости зеркала. Расчет траекторий частиц в зеркале проводился путем численного интегрирования безразмерных уравнений Ньютона. Электростатическое поле трехэлектродного зеркала с хорошей точностью описывалось аналитическим выражением для потенциала. Показано, что в результате отражения в трехэлектродном трансаксиальном зеркале можно добиться одновременно пространственной и энергетической времяпролетной фокусировки. Рассмотрены два режима вертикальной фокусировки пучка.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрены инструментальные особенности преобразования и регистрации аналитических сигналов динамического поляризационно-оптического анализа. Найдены оптимальные экспериментальные условия исследования динамики слабых поляризационных откликов. Описан последовательный статистический анализ поляризационных магнитооптических откликов магнитных наножидкостей в широком, составляющем три порядка диапазоне концентраций. Получено количественное обоснование адекватности используемых физических моделей и следующих из них аналитических функций, описывающих ориентационную упорядоченность магнитных наночастиц во внешнем магнитном поле. Обнаруженные вариации ошибок прогноза параметров диагностики указывают на неслучайные особенности динамики поляризационных откликов и связанных с ними параметров (свойств) исследуемых магнитных наножидкостей.
Бесплатно
Детектирование пиков наномасштабных изображений в шумах
Статья научная
Предлагается новый помехоустойчивый алгоритм оценки положения и интенсивности пиков нанообъектов. Метод основан на обработке изображения по столбцам и строкам с использованием алгоритма поиска экстремумов по трем точкам в скользящем окне данных. Метод позволяет оценить положение и интенсивность пиков при отношении сигнал/шум до трех с вероятностью обнаружения до единицы, нулевой вероятностью пропуска пика и ложной тревоги.
Бесплатно
