ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. ФИЗИКА

Данное исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации, Соглашение № 075-15-2021-1026 от 15.11.2021.

Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации по теме № FWRM-2021-0007.

Предложен метод вычисления коронарного кровотока в стенозированных участках артерии с учетом влияния вязкости крови на показатели фракционного резерва кровотока на основе анализа данных мультиспектральной компьютерной томографии. В основу метода заложен ряд принципиальных положений, определяющих особенности гемодинамики в стенозированных сосудах. Представлены результаты 2D-моделирования кровотока на стенозированном участке коронарной артерии. Компьютерное моделирование основано на уравнении Навье - Стокса. Вычислительные эксперименты проводились с использованием программного обеспечения Comsol Multiphysics® 4.2. Результаты моделирования показывают, что в артерии со стенозом распределение скорости кровотока является неоднородным, а давление за стенозом зависит от вязкости крови, что необходимо учитывать как при математическом моделировании, так и при инвазивном определении фракционного резерва кровотока. Результаты исследования имеют значение для оперативной диагностики пациентов с подозрением на заболевание коронарной артерии.

Разработаны нанокомпозиты на основе ПММА и квантовых точек СdSe, CdSe/CdS. Квантовые точки (КТ) CdSe, CdSe/CdS были получены методом осаждения в различных средах с размерами от 2.0 до 4.0 нм. Диапазон фотолюминесценции для полученных КТ составил от 480 до 628 нм. Результаты исследования показывают, что фотолюминесцентные свойства квантовых точек CdSe, CdSe/CdS, введенных в матрицу ПММА, сохраняются. Полученные нанокомпозиты могут использоваться для создания твердотельных лазерных активных сред.

Проведено исследование образования дислокаций в процессе диффузии примесей в GaAs. Изучено образование дислокаций в диффузионных слоях GaAs, легированных разными примесями (элементами II, IV, VI групп и переходными элементами), в зависимости от условий проведения диффузии. Показано, что в процессе диффузии примесей в диффузионных слоях GaAs происходит образование дислокаций, плотность которых в слоях, легированных до предельных поверхностных концентраций, может достигать 108 см-2. По мере уменьшения поверхностной концентрации диффундирующей примеси происходит уменьшение плотности дислокаций. Определены условия проведения диффузии, при которых дополнительные дислокации не образуются. На основании сопоставления полученных экспериментальных данных и результатов проведенного расчета сделан вывод о том, что образование дислокаций при диффузии примесей в GaAs обусловлено градиентом концентрации примеси.

Теоретически исследуется переходный процесс установления электронного тока в вакуумном диоде, при котором кинетические энергии электронов могут превосходить амплитудную величину приложенного напряжения (умноженного на элементарный заряд). Теоретически показано, что при подаче на планарный вакуумный диод импульса высокого напряжения с коротким передним фронтом первый пик релаксационных колебаний тока обеспечивается пучком электронов «аномально» высоких энергий. Отмечается, что степень «аномальности» энергий электронов пучка существенно зависит от плотности тока эмиссии с катода и в некоторых гипотетических случаях может превышать приложенное напряжение в несколько раз.

Теоретически исследуется рентгеновское излучение лазеров на свободных электронах (ЛСЭ) с ондуляторами с изменяемым параметром дипольности ондуляторов k с выделенным группирователем электронов (банчером) и усилителем излучения гармоник. Анализируется эволюция мощности ЛСЭ по его длине в режиме усиления самозатравочного лазерного излучения гармоник HLSS и проводится сравнение с режимом самоусиления спонтанного излучения SASE. Используются точные аналитические выражения для коэффициентов Бесселя в реальных пучках и ондуляторах и аналитическое описание эволюции мощности в ЛСЭ. Рассматриваются новейшие ЛСЭ с изменяемым параметром дипольности k : FLASH 2, European XFEL, SACLA и SwissFEL. Проводится сравнительный анализ работы этих ЛСЭ в режимах SASE и HLSS. Результаты аналитического моделирования спектральных характеристик ЛСЭ хорошо согласуются с экспериментами. Выяснено, что в ЛСЭ с изменяемым параметром дипольности ондуляторов рост мощности в режиме HLSS происходит быстрее, чем в ЛСЭ SASE на той же длине волны. Результаты исследования сверены с экспериментом на установке FLASH2. Для ЛСЭ SACLA теоретически установлено, что имеющийся там пучок электронов с большим начальным разбросом энергий не позволяет применять каскадное усиление гармоник. Показано, что на ЛСЭ SwissFEL малые разброс энергий и эмиттанс пучка позволяют эффективно группировать электроны на длине волны второй гармоники в банчере; это позволяет достигнуть мощности насыщения в ЛСЭ HLSS на 10 м раньше, чем в ЛСЭ SASE; мощность и длина волны излучения при этом не меняются. По нашим расчетам, возможно эффективное усиление гармоник также на European XFEL.

Высокая мощность линейно-поляризованного света длиной волны 1064 нм с высокой степенью поляризации была достигнута за счет использования компактного прямого резонатора. Для этого был тщательно разработан резонатор Nd:YAG-лазера с диодной накачкой с переключением добротности и двумя лазерными модулями. При использовании линейно-поляризованной системы генерации и компенсации наибольшая полученная линейно-поляризованная выходная мощность составила 250 Вт с частотой повторения 10 кГц и шириной импульса 60 нс, что даже выше полностью нелинейно-поляризованной выходной генерируемой без этой системы мощности. Коэффициент экстинкции линейно-поляризованного света длиной волны 1064 нм превышает 2500:1.

Рассмотрены физические процессы, протекающие в атмосфере при создании лазерным излучением каналов слабой ионизации. Предложена схема передачи электромагнитной энергии и рассчитаны параметры, необходимые для ее технической реализации. Исследован вариант передачи электромагнитной энергии с использованием «плазменного зеркала» в атмосфере. Оценены частоты, длительности и энергии лазерных импульсов, при которых формируется канал слабой ионизации в атмосфере и ионосфере.

Проведено теоретическое моделирование методом TDDFT изменения вибронных спектров поглощения и флуоресценции в молекулах двух красителей тиазинового ряда - метиленового синего и метиленового зеленого, при переходе из кислотной среды в щелочную. Показано, что введение NO2-группы приводит к более разрешенным вибронным спектрам в случае низких значений pH и к противоположному эффекту при высоких значениях pH. Объяснить этот эффект можно внутримолекулярным взаимодействием функциональных групп, входящих в состав соответствующих молекул.

Экспериментально продемонстрировано, что совместное действие СВЧ- и ОВЧ-модуляции тока инжекции диодного лазера с внешним резонатором приводит к многочастотному режиму, когда интервал между соответствующими компонентами структуры на боковых полосах спектра определяется частотой СВЧ-модуляции. Обнаружено также влияние мощности ОВЧ-модуляции на оптическую частоту излучения лазера.

Проведено компьютерное моделирование профилей спектральных линий атома неона в переменном циркулярно поляризованном электрическом поле. Расчеты произведены в рамках унифицированного теоретического подхода, основанного на численном решении нестационарного уравнения Шредингера. Результаты моделирования позволили установить ряд закономерностей в поведении профилей спектральных линий неона при изменении параметров электрического поля, также рассмотрена зависимость профилей линий от плотности электронов в плазме и от температуры атомов неона.

Представлены результаты расчета функции пропускания излучения ансамблем частиц, типичных для кристаллических облаков, в зависимости от волнового числа. Демонстрируется анализ пропускания на интервале длин волн от 0.5 до 15 мкм для хаотически и преимущественно ориентированных ансамблей частиц при различных формах, спектре размеров и фактора формы. Наиболее яркое проявление особенностей спектрального хода функции пропускания при вариации физико-химических параметров частиц отмечается для крупных горизонтально ориентированных пластинок. Оценено влияние на прозрачность среды различных размеров кристаллов и их концентрации.

Описан метод коллокаций для численного решения краевых задач математической физики. Особым образом расположив узлы коллокации в области решения задачи, удается значительно повысить точность численного решения за счет улучшения качества системы линейных алгебраических уравнений, к которой приводит решаемая краевая задача. Анализируются различные системы базисных функций. Предложенный метод позволяет получать приближенное решение краевых задач для широкого круга линейных и нелинейных эллиптических, параболических и волновых уравнений в аналитическом виде. Для подтверждения эффективности исследуемых численных методов решались двумерные и трехмерные краевые задачи для линейных и нелинейных уравнений различного типа с известными решениями. Получены зависимости погрешности численного решения от числа линейных уравнений в результирующей системе. Показано, что даже при небольшом числе уравнений в системе достигается точность решения, превышающая точность, полученную альтернативными численными методами. Исследуемый численный метод позволяет резко расширить область применения традиционных численных методов при решении прикладных задач по моделированию полей различной физической природы, описываемых линейными и нелинейными уравнениями математической физики. Разрабатываемый метод использован при решении квантово-механической задачи для иона молекулы водорода. Найденное при минимальном количестве узлов коллокаций значение энергии основного состояния иона отличается от экспериментально полученного значения на 13%, что показывает высокие потенциальные возможности метода полной коллокации, основанные на универсальности метода и высокой точности численных решений.

Рассмотрен аксиально-векторный формфактор нуклона в моделях жесткой и мягкой стенок. Построен график зависимости аксиально-векторного формфактора нуклона от квадрата передаваемого импульса в обеих моделях. Численно проанализирована зависимость аксиального векторного формфактора от импульса-квадрата.

Построена гамильтонова теория для коллективных кварк-антикварковых возбуждений с абнормальным отношением киральности и спиральности в высокотемпературной кварк-глюонной плазме (КГП). Для этого применялся общий формализм построения теории волн в нелинейных средах с дисперсией, развитый В.Е. Захаровым. На основе данного подхода получены в явном виде специальные канонические преобразования, включающие одновременно как бозонную, так и фермионную степени свободы коллективных возбуждений в КГП. Найден явный вид эффективного гамильтониана четвертого порядка по степеням операторов рождения и уничтожения плазмонов и плазминов, описывающего процессы упругого рассеяния плазминов на плазминах и плазминов на плазмонах. Развитый подход использован далее для построения кинетического уравнения больцмановского типа, которое описывает процесс упругого рассеяния плазминов на плазминах в кварк-глюонной плазме и эффект так называемого нелинейного затухания Ландау для мягких ферми-возбуждений. Проведено сравнение эффективной амплитуды плазмин-плазминного взаимодействия, найденной в рамках классической гамильтоновой теории, с соответствующим матричным элементом, вычисленным в рамках высокотемпературной квантовой хромодинамики, в приближении так называемых жестких температурных петель. Это позволило определить явный вид вершинных и коэффициентных функций в эффективных амплитудах и в канонических преобразованиях.

В рамках модифицированной потенциальной кластерной модели с запрещенными состояниями рассмотрен радиационный p 6Li-захват и рассчитан S -фактор при энергиях от 10 кэВ до 5 МэВ с учетом первого резонанса при энергии возбуждения 7.2 или 1.6 МэВ выше порога p 6Li-канала. Показано, что на основе потенциалов, которые согласованы с энергиями связанных состояний и величиной асимптотических констант удается правильно передать имеющиеся экспериментальные данные для астрофизического S -фактора. На основе полученных сечений от 1 кэВ до 5 МэВ выполнен расчет скорости реакции p 6Li-захвата при температурах от 0.01 до 10 T 9. Результаты для скорости аппроксимируются простыми выражениями, что упрощает их использование в других работах.

Представлены результаты моделирования параметров распространения ряда волноводных мод в круглом волноводе со слоями из материалов с положительным и отрицательным показателями преломления («правой» - RHM (Right-Handed-Medium) и «левой» - LHM (Left-Handed-Medium), среды Веселаго). Модельные эксперименты позволяют сделать вывод о существовании множества магнитных мод с существенным замедлением фазовой скорости.

Исследовано влияние высокотемпературной термомеханической обработки (ВТМО) с деформацией в аустенитной области в сравнении с традиционной термической обработкой (ТТО) на закономерности низкотемпературного охрупчивания малоактивируемой 12%-й хромистой ферритно-мартенситной стали ЭК-181 при динамических испытаниях на ударную вязкость и статических испытаниях на одноосное растяжение в интервале от -196 до 20 °С. Установлено, что ВТМО приводит как к повышению прочностных свойств стали на растяжение, так и к увеличению ударной вязкости. При этом температура ее вязко-хрупкого перехода практически не изменяется относительно ТТО. Особенности микроструктуры стали после ВТМО, формирование расщеплений при разрушении образцов типа Шарпи (в плоскостях, параллельных плоскости горячей прокатки) оказывают благоприятное влияние на ее ударную вязкость.

Проведено исследование закономерностей формирования многослойных покрытий на основе систем ZrTiN и ZrTiAlSiN. Максимальная твердость полученных покрытий составляет 28 и 29 ГПа соответственно. Результатом снижения скорости вращения от 3 до 1 об/мин является увеличение твердости покрытий систем ZrTiN и ZrTiAlSiN на 30 и 50% соответственно. Добавление Al и Si в покрытие приводит к наноструктуризации многокомпонентных покрытий ZrTiAlSiN и повышению его жаростойкости.

Представлены результаты исследований по трещинообразованию в Cr-Zr-поверхностном сплаве, сформированном низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком. Исследована морфология и элементный состав поверхностного сплава в местах образования трещин. Показано, что трещины распространяются по поверхности вне зависимости от расположения ямок и бороздок, что свидетельствует о зависимости трещинообразования от внутренних напряжений и, в меньшей степени, от шероховатости или других структурных особенностей. Установлено, что на трещинообразование поверхностного сплава влияет распределение элементов: элементный состав в местах образования трещин близок к эквиатомному.

Рассмотрен метод формирования пленки высокоэнтропийных сплавов (ВЭС), заключающийся в ее осаждении на подложку в вакууме из многокомпонентной газо-металлической плазмы, созданной одновременным независимым вакуумно-дуговым испарением катодов выбранных элементов в режиме с плазменным ассистированием. Показано, что варьирование тока разряда электродуговых испарителей позволяет в широких пределах изменять элементный состав пленок ВЭС. Установлено, что сформированные пленки являются однофазными материалами, имеющими объемноцентрированную кристаллическую решетку, параметр которой изменяется в пределах от 0.31661 до 0.31959 нм и закономерным образом зависит от концентрации элементов в сплаве. Формируемые пленки ВЭС имеют нанокристаллическую структуру, области когерентного рассеивания которой изменяются в пределах от 15.1 до 25.2 нм. Микротвердость пленок зависит от концентрации химических элементов и изменяется в пределах от 13.0 до 15.0 ГПа.

Показано, что физическим механизмом неупругой деформации в металлических стеклах при низких температурах является квантовое туннелирование некоторых атомов в двухъямном потенциале или атомных групп.

Проведены исследования особенностей развития сверхпластической деформации и эволюции структурно-фазового состояния ультрамелкозернистых сплавов ВТ22 и ВТ35 при растяжении в интервале температур 823-973 К и скорости деформации 6.9×10-3 с-1. Показано, что для сплава ВТ35 эволюция структурно-фазового состояния в условиях растяжения при температурах 873 и 973 К имеет качественно различный характер. После деформации при 873 К в сплаве формируется стабильная микродуплексная α-β-структура со средним размером зеренно-субзеренной структуры около 0.2 мкм. При этом основным механизмом деформации в рассматриваемых условиях является зернограничное проскальзывание. В то же время после деформации сплава ВТ35 при 973 К происходят существенный рост размера зерен с ростом степени деформации и увеличение объемной доли β-фазы до 95%. При этом α-фаза наблюдается, в основном, в виде отдельных частиц по границам зерен β-фазы. Установлено, что эволюция структурного состояния сплава ВТ22 при температуре деформации 973 К качественно подобна эволюции структурного состояния сплава ВТ35 при 873 К. На основании сравнительного анализа эволюции структурно-фазового состояния в процессе деформации сплавов ВТ22 и ВТ35 при 973 К предполагается, что относительно низкая пластичность образцов сплава ВТ35 в рассматриваемых условиях обусловлена быстрым ростом зерен, переходом сплава в практически однофазное состояние и, как следствие, затрудненным развитием зернограничного проскальзывания.

Методами канавки и рентгеноструктурного анализа исследовано напряженное состояние в наплавленных прокатных валках с высокой твердостью поверхностного слоя из сплава типа Р2М9, сформированного плазменной наплавкой в среде азота. Установлено, что для работоспособности валков более благоприятно напряженное состояние в наплавленных валках, чем в валках, изготовленных по традиционной технологии. Для распределения напряжений по сечению наплавленного валка характерен плавный переход от сжимающих напряжений (600 МПа) в наплавленном слое к растягивающим напряжениям в основе валка (200 МПа). Повышение износостойкости наплавленных валков можно объяснить наличием в структуре твердого раствора α-Fe и мелкодисперсных карбонитридов на основе железа, вольфрама, хрома, молибдена и алюминия и созданием благоприятного напряженного состояния в поверхностном слое за счет реализации термического цикла плазменной наплавки в среде азота с низкотемпературным подогревом с последующим высокотемпературным отпуском.

Представлены принцип работы и конструкция планарного магнетрона для нанесения покрытий из чистого бора. Особенностью устройства является использование термоизолированного катода-мишени из чистого кристаллического бора, нагреваемого вспомогательным слаботочным разрядом для обеспечения стабильного функционирования магнетронного разряда. Это позволяет реализовать в магнетроне как непрерывный режим работы, так и импульсный режим самораспыления, при котором в плазме разряда ионы бора превалируют над ионами рабочего газа. Другой особенностью магнетрона является использование щелевого анода специальной конструкции, обеспечивающего стабильную и длительную работу устройства при осаждении на поверхность анода неэлектропроводной пленки бора. При использовании импульсного разряда с амплитудой тока 40 А при длительности импульсов 400 мкс и частоте их повторения 25 Гц скорость нанесения покрытий из чистого бора на подложку, установленную на расстоянии 10 см от катода, была сравнима со скоростью нанесения покрытий в магнетронном разряде с постоянным током 300 мА и составляла 20-30 нм/мин.