Математические методы и моделирование в приборостроении. Рубрика в журнале - Научное приборостроение
Статья научная
На основе признанных вероятностных моделей распределения времен первого отказа технических устройств дана оценка вероятности получения ошибочного результата генетического анализа при реализации полимеразной цепной реакции в реальном времени. Использованы модели плотности распределения вероятности времен первого отказа из множества распределений Вейбулла с различными параметрами. Большая часть временных оценок построена, исходя из распределения Вейбулла с параметром 1, что совпадает с наиболее признанным экспоненциальным законом распределения времен отказа. Исследованы случаи малых времен непрерывной работы прибора (от 100 до 1200 ч). Используя понятие "слабого звена" как наиболее вероятно отказывающего блока, а также элемента в соответствующем блоке, подтверждено, что в рассматриваемых условиях более, чем в 65% случаев, отказ прибора вызван отказом именно соответствующего элемента. При этом часто применяемая гипотеза отказа единственного элемента, например, при построении таблицы функций неисправностей, недостаточно обоснована даже при малых временах непрерывной работы прибора. Полученные оценки могут быть ориентиром при прогнозировании времен безотказной работы в условиях, когда замена элементов (блоков) практически невыполнима. В случае использования вероятностной модели – распределения Вейбулла с параметрами 1.5 и 2, что предполагает возрастание вероятностей отказа на больших временах, оценочные значения вероятности отказа для времен непрерывной работы до 700 ч уменьшаются примерно вдвое по сравнению с экспоненциальным законом.
Бесплатно
Статья научная
В работе вычислялся телесный угол, стартовав в пределах которого электроны попадают на детектор цилиндрического зеркала. Радиус наибольшего отклонения электронов от внутреннего цилиндра получен в виде ряда, который обеспечивает хорошую точность для углов до 20°. Решение уравнения движения электронов в цилиндрическом зеркале, полученное в виде ряда Тэйлора, показало хорошее совпадение с результатами прямого интегрирования модифицированного уравнения движения.
Бесплатно
Статья научная
Анализируется новая концепция эффективного потенциала, предложенная М.Ю. Судаковым и М.В. Апацкой. Указанная концепция разработана на основе огибающих стробоскопических выборок координат и скоростей ионов в радиочастотном квадрупольном поле и представляется весьма интересной. Однако предлагаемые формулы не вполне корректны и требуют некоторого уточнения.
Бесплатно
Статья научная
Публикация продолжает исследование новой концепции эффективного потенциала, которая была предложена М.Ю. Судаковым и М.В. Апацкой. Рассматриваются способы восстановления математической корректности рассуждений авторов, приводятся уточненные формулы.
Бесплатно
Статья научная
Рассматриваются некоторые математические модели, описывающие процесс транспорта дисперсных смесей и одиночных частиц в потоке жидкости. Применительно к движению одиночных частиц приведены условия, когда смещением их траектории относительно основного потока жидкости можно пренебречь. Отмечена относительная простота и полезность теории массопереноса примесей в разбавленных растворах.
Бесплатно
Оптимизация параметров линейного сглаживания хроматографических пиков
Статья научная
В настоящей работе представлен анализ погрешностей интегрирования хроматографических пиков в случае применения линейных методов сглаживания сигнала с неотрицательными весами в случае аддитивного некоррелированного шума. Показано, что существует оптимальный линейный фильтр, при котором минимизируется относительная погрешность высоты и площади пика. В случае гауссова пика и гауссова фильтра оптимальные результаты сглаживания получаются в случае, когда ширина гауссианы фильтра равна ширине гауссианы исходного пика вне зависимости от величины шума.
Бесплатно
Оптимизация режима работы трехсеточного затвора ион-дрейфового спектрометра
Статья научная
Влияние характеристик трехсеточного затвора и режимов его работы было рассмотрено с целью получить на выходе короткий ионный импульс с максимально возможной амплитудой для повышения разрешающей способности ион-дрейфового спектрометра. В результате проведенного моделирования было показано, что существует оптимальная для рассматриваемых условий длительность открытия затвора, которой отвечает узкий выходной ионный пик максимальной амплитуды. Показано, что существует оптимальное для рассматриваемых условий значение величины выталкивающего потенциала. Ширина ионного импульса уменьшается с уменьшением разности потенциалов между второй и третьей сетками, при этом высота узкого пика будет максимальной, если время дрейфа иона между сетками 2–3 будет примерно равно длительности открытия затвора.
Бесплатно
Статья научная
Предполагается, что на этапе эксплуатации существует возможность производить измерение изотропного фона. Выполняя сортировку измеренных значений в группе однотипных датчиков, в случае одинаковости их чувствительности получаем для каждого датчика равномерную картину распределения по позициям сортированного списка. В случае дрейфа чувствительности одного датчика возникает дисбаланс: измеренные значения от этого датчика оказываются в одной половине чаще, чем в другой. Представлены формулы и результаты вычислений, устанавливающие зависимость дисбаланса от величины дрейфа одного датчика в качестве основы для динамической корректировки коэффициентов чувствительности однотипных датчиков. В качестве примера рассмотрено косинусное распределение измеряемой случайной величины. Сделан выбор параметров этого распределения по некоторым критериям сходства с нормальным распределением.
Бесплатно
Особенности моделирования микрофлюидных процессов. Учет поверхностных сил
Статья научная
Рассматриваются особенности учета сил поверхностного натяжения в микрофлюидике. Выписываются с учетом поверхностного давления краевые условия на границах раздела фаз между несмешивающимися жидкостями; жидкостями и твердыми телами. Рассматривается также эффект переноса вещества вдоль границы раздела двух сред, возникающий вследствие наличия градиента поверхностного натяжения (эффект Марангони), учитывается влияние температуры на силы поверхностного натяжения. Предлагается алгоритм, позволяющий оценивать коэффициент поверхностного натяжения на границе твердое тело-жидкость с учетом изменения температуры. Рассмотрен вопрос о капиллярной неустойчивости Рэлея-Плато. Подчеркивается важность этих аспектов при создании реальных микрофлюидных моделей с помощью вычислительных пакетов, а также физических моделей в интересах научного приборостроения.
Бесплатно
Особенности численного расчета траекторий заряженных частиц в импульсных электрических полях
Статья научная
Рассматривается проблема численного моделирования траекторий заряженных частиц в электрических полях, которые меняются во времени, как импульсные функции. Поскольку типовые рецепты интегрирования уравнений движения не рассчитаны на разрывный характер функций в правой части уравнений (они предполагают, что эта функция не просто непрерывная, но еще и дифференцируема необходимое число раз), такое поведение электрических полей может приводить к серьезным численным неточностям. В работе исследуется реальная погрешность интегрирования траекторий в импульсных электрических полях при использовании "гладких" рецептов численного интегрирования уравнений движения, анализируются возникающие при этом артефакты численного счета. Также предлагаются простые способы модификации алгоритма численного интегрирования траекторий, позволяющие избавиться от указанного недостатка.
Бесплатно
Статья научная
В данной работе представлен метод определения коэффициента теплопроводности зеркальных материалов космических аппаратов, функционирующих на орбитальном участке полета. Данная задача решается как задача поиска глобального экстремума параметризированного коэффициента теплопроводности в ходе минимизации среднеквадратичного функционала невязки между теоретическим и экспериментальным полями температур в местах установки датчиков температур. Обратные задачи считаются некорректными из-за "зашумленных" входных данных, для преодоления этого необходимо применить регуляризацию. В данной работе используется метод итерационной регуляризации, где в качестве регуляризируемого параметра выступает номер итерации. В качестве алгоритма оптимизации выбран метод сопряженных градиентов как наиболее точный метод сходимости первого порядка.
Бесплатно
Статья научная
В настоящей работе представлено программное обеспечение, позволяющее создавать новые данные для обучения и проверять уже имеющиеся алгоритмы в режиме симуляции. Разработанная программа позволяет производить наборы связанных данных, в том числе совместные наборы данных видимого и инфракрасного диапазонов, полученных с помощью одной камеры или стереопары, дополнительной информации в виде лидарных данных или карты глубины, сегментационной картины, данных о расположении интересующих объектов на фото или видеоизображении. Структура разработанного программного обеспечения позволяет осуществлять дальнейшее усовершенствование подходов и возможностей доработки получившегося конвейера под разные цели и задачи.
Бесплатно
Статья научная
При моделировании движения заряженных частиц в электрических полях иногда встречаются ситуации, когда траектория заряженной частицы пересекает линию скачка электрического или магнитного поля. В этом случае необходимо правильно пересчитывать координаты и скорости заряженной частицы, чтобы не порождать дополнительных артефактов численного счета наподобие нарушения закона сохранения энергии. В данной работе рассматривается и математически строго обосновывается принцип преломления траектории заряженной частицы на границе со скачком электрического потенциала. А именно изменению должна подвергаться только нормальная компонента скорости частицы, причем таким образом, чтобы обеспечить выполнение закона сохранения энергии, тогда как остальные компоненты скорости и все координаты частицы сохраняют те же значения, которые были перед пересечением границы.
Бесплатно
Статья научная
В данной части (II) работы аккуратно исследуются правила пересчета координат и скоростей заряженной частицы при пересечении бесконечно тонкой границы со скачком электрического и магнитного полей со слабой сингулярностью.
Бесплатно
Переход от проблемно-ориентированного языка к автоматному при проектировании аналитических приборов
Статья научная
В статье рассматриваются основные положения автоматного программирования и обосновываются преимущества его использования при разработке программного обеспечения. Описывается методология построения проблемно-ориентированного языка на основе поведенческих, функциональных, информационных и структурных моделей, выполненных на стадии эскизного проекта при разработке аналитических приборов, и приводятся примеры успешного применения предлагаемого подхода на практике.
Бесплатно
Статья научная
Исследуется вклад различных наноразмерных кластеров в поглощение волн микроволнового спектрального диапазона аморфным углеродом, модифицированным кобальтом. С этой целью анализируется модификация отжигом пары наноразмерных фрагментов графеновых плоскостей, между которыми находятся атомы кобальта (интеркаляция). Исследование проведено методом молекулярной динамики Кара-Парринелло. Обнаружено, что с ростом температуры атомы кобальта группируются в каплю, а фрагменты графеновых плоскостей образуют капсулу, обволакивающую кобальтовое ядро. Выполнена оценка поглощающей способности таких кластеров и показано, что металлические наночастицы двух типов могут быть ответственны за поглощение электромагнитного излучения актуального диапазона в аморфном углероде, модифицированном кобальтом - плоские диски и иглы.
Бесплатно
Преобразование Гильберта и его обобщение
Статья научная
В настоящей статье рассмотрено обобщение преобразования Гильберта, определяемое как взвешенное преобразование Гильберта, и которое возникает при описании физического распространения сигнала и отражении его от границ. Изучены свойства этого преобразования. Адаптировано понятие аналитического сигнала к взвешенному преобразованию Гильберта. Классическое преобразование Гильберта представляется как частный случай этого преобразования. Найдена взаимосвязь коэффициентов обобщенного преобразования Гильберта со свойствами среды.
Бесплатно
Приближенный метод решения задач множественного рассеяния в полупространстве
Статья научная
Рассматриваются вопросы приближенного учета множественного рассеяния в условиях влияния границ волновода. Задача решается применительно к шарообразному излучателю, находящемуся в полупространстве у плоской границы. Представлены выражения для прямого, а также однократно рассеянного самим излучателем поля, вызванного наличием отраженных от границы волн. Задача решается в нулевом приближении с помощью полученной ранее техники, вытекающей из того факта, что амплитуда рассеяния удовлетворяет уравнению Гельмгольца по переменным местоположения рассеивателя.
Бесплатно
Призменный масс-спектрограф с конусовидной ахроматичной призмой и трансаксиальными линзами
Статья научная
Рассмотрен призменный масс-анализатор с тройной фокусировкой пучка ионов, в котором используется конусовидная ахроматичная призма (КАП), а также трехэлектродные трансаксиальные коллиматорная и фокусирующая линзы. КАП обладает рекордной угловой дисперсией по массе, равной примерно 50 рад на 100 % изменения массы, что позволяет на небольшом приборе с линейными размерами менее метра получить разрешение в несколько миллионов. Методом Монте-Карло рассчитаны характеристики призменного масс-анализатора в зависимости от параметров ионного источника. Показано, что такой масс-анализатор по разрешению и параметру "качество" в несколько раз превосходит лучшие известные статические приборы. При использовании позиционного детектора, расположенного в фокальной плоскости фокусирующей линзы, прибор может использоваться и как масс-спектрограф.
Бесплатно
Статья научная
Для описания движения физиологических жидкостей в организме в ряде случаев можно использовать модель струйного течения, например, для перемещения крови из капилляра в вену или артерию. Геометрическая схема движения представляет собой объединение канала малого сечения с камерой, существенно бóльших размеров. В работе рассматривается применимость модели затопленной струи. Результаты расчета скоростей движения, основанные на моделях, допускающих аналитическое решение, а именно первое и второе приближения струйного течения, сопоставляются с результатами численного решения уравнения Навье-Стокса методом конечных элементов с использованием пакета программ COMSOL MULTIPHYSICS. Обсуждается идея корректировки параметра струи с учетом дополнительно составляющей потока импульса.
Бесплатно
