авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 |

«ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМЕНИ А.Ф. ИОФФЕ ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ТЕХНОЛОГИИ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ И ОСОБОЧИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ ИНСТИТУТ КРИСТАЛЛОГРАФИИ ИМ. А.В. ...»

-- [ Страница 5 ] --

го уровня декомпозиции. 3. При реконструкции контраста на уровне матриц проводится «сшивание» трех изображе ний и выбор оптимального уровня декомпози ции (рис. 4,д).

4. Для устранения явления элайзинга можно применить для контраста, полученного после «сшивания», два последних этапа второй методики, (рис. 4,е).

Рис.4. Вейвлет-обработка поляризационно оптического контраста монокристалла 6H-SiC по третьей методике: а – исходный;

б и в – исходный с коррекцией контрастности;

г – вейвлет-обработка контраста для полосы про Рис.3. Результат вейвлет-обработки поляриза- пускания, ограниченной снизу 6 уровнем деком ционно-оптического изображения монокри- позиции;

д – результат «сшивание» трех кон сталла 6H-SiC по первой и второй методикам трастов, представленных на рис. г ;

е – кон для различных уровней декомпозиции траст после подавления явления элайзинга Суть данной методики заключается в сле- лю. Можно отфильтровать каждое НЧ изобра дующем. ВЧ детали передаются на верхних жение (матрицу), исключив из него значения уровнях большими значениями детальных ко- коэффициентов, принадлежащих зерну, и со эффициентов. Амплитуда коэффициентов НЧ хранив значения коэффициентов, содержащих деталей на этих уровнях несопоставимо меньше. детали розеток. Коэффициенты, которые равны В результате чего можно совмещать в области или меньше данных порогов, передают фоно детальных коэффициентов различные участки вую зернистость и приравниваются к среднему изображений, предварительно усилив в них ВЧ для коэффициентов каждой НЧ матрицы значе контраст. В дальнейшем объединяются деталь- нию, а коэффициенты выше порога остаются ные коэффициенты исходного и усиленного без изменений, так как содержат в себе детали участков, в ходе которого большие по амплитуде розеток. Для подобной фильтрации необходимо коэффициенты заменяют меньшие по амплиту- знать, какие значения коэффициентов принад де. Таким образом, происходит замена прежних лежат зерну, а какие – дефектам. Для этого на НЧ деталей участка новым усиленным ВЧ кон- исходном изображении выделяем область, кото трастом. На конечном этапе обработки происхо- рая содержит только фоновую зернистость. В дит ВЧ фильтрация объединённых коэффициен- дальнейшем эта область используется как от тов. дельное входное изображение, являющееся Анализируя качество поляризационно- опорным для последующей фильтрации.

Для оптического контраста, видно, что вейвлет- каждой полученной НЧ матрицы вычисляются анализ дает более качественные изображения максимальное положительное и максимальное дефектов структуры и лучшую детализацию их отрицательное значения вейвлет НЧ особенностей, чем цифровая обработка, ос- коэффициентов. Данные величины используют нованная на анализе яркостных характеристик. ся в дальнейшем как пороги нелинейной фильт Устранение зернистости топографического рации. Выделяемая область не должна содер контраста является более сложной задачей. Экс- жать очевидные или предполагаемые лепестки периментально установлено, что при обработке розеток или участки фоновой неоднородности, обзорных топограмм контраст от зерна преоб- поскольку после НЧ-фильтрации подобные уча ладает на 1–6 уровнях, а детали розеток – на 7–9 стки опорного изображения передаются коэф уровнях, хотя отдельные детали прослеживают- фициентами большей величины, сопоставимой с ся вплоть до 3–4 уровня, т.е. контраст дефектов коэффициентами самих дефектов, следователь имеет широкую частотную полосу от макси- но, после нелинейной фильтрации вместе с де мально низких частот до средних частот. На талями зерна могут быть удалены и полезные низких частотах лежат слабоинтенсивные про- составляющие розеток.

тяжённые детали розеток, позволяющие опреде- Эффективность устранения зернистости лить границы полей деформаций от дефектов. зависит от правильного выбора вейвлет-базиса и На средних и в некоторых случаях высоких час- масштаба представления изображений дефек тотах находятся высокоинтенсивные централь- тов. Оптимальными оказались вейвлет-базисы с ные детали дефектов, формирующие ядро розе- максимальной гладкостью функции и длиной ток. Поэтому для сохранения полной картины КИХ-фильтра, т.к. они обладают наилучшим изображения дефектов необходимо при НЧ пространственным разрешением на низких час фильтрации учесть все занимаемые полосы на тотах. Результаты обработки для трёх вейвлетов разных конечных уровнях разложения. Для это- – Коифлета, Добеши и Мейера при различных го необходимо варьировать частотную характе- масштабах контраста приведены на рис. 5. В ристику фильтра не только сверху, изменяя вы- случае более крупного масштаба представления шестоящий уровень, ограничивающий полосу дефектов выявляется ряд дополнительных их фильтрации, но и снизу, изменяя конечный уро- деталей, не выявляемых в случае обработки вень разложения. Это расширяет возможности полной топограммы, это повышает в целом на выявления дополнительных особенностей кон- дёжность идентификации.

траста. Далее объединяем результаты НЧ Более полное выделение особенностей фильтрации для разных полос пропускания в контраста, формируемого дефектами, возможно единую картину фильтрации. Для всех исполь- при получении и последующей вейвлет зуемых передаточных характеристик фильтров обработке изображений с расширенным дина яркость розеток превосходит яркость зерна. На мическим диапазоном (High Dynamic Range, уровне вейвлет-коэффициентов это означает, HDR) [30]. Суть метода состоит в получении что значения коэффициентов, передающих де- серии фотографий с различными временами тали розеток, превосходят по абсолютной вели- экспозиции для захвата освещённости из всего чине значения коэффициентов, содержащих динамического диапазона реальной сцены.

детали зернистости, т. е. на всех рассматривае- Большинство специализированных графических мых полосах пропускания доминируют частоты, форматов представления изображений поддер принадлежащие деталям дефектов. На частотах живает хранение HDR-изображений с точно выше данных полос пропускания преобладают стью 32 бита на один цветовой канал, что соот детали фоновой зернистости, и коэффициенты, ветствует суммарной разрядности 96 бит с учё передающие контраст от розеток, близки к ну- том трёх каналов в модели представления RGB.

На рис. 6 представлен результат вейвлет обработки топограммы монокристалла 6H-SiC, содержащего скопление краевых дислокаций, и отдельного дефекта для двух форматов – 16 битного и 32-битного. Эффективность вейвлет обработки зависит от правильного выбора об ласти опорного изображения. Для обзорных топограмм существенным является не площадь опорного изображения, а яркостные характери стики опорной области. Для фрагментов или при вейвлет-обработке отдельного дефекта кри тичным является выбор площади области опор ного изображения. Изображение отдельного дефекта – краевой дислокации имеет частотную структуру, отличную от спектра целого снимка.

С точки зрения используемого алгоритма вейв лет-обработки размер входного изображения уменьшился, а значит, уменьшилась длина двухмерных конечных сигналов на их основе. В случае обработки отдельного дефекта диапазон яркости зернистости достаточно узок, что по зволило отдельно проанализировать влияние размеров опорной матрицы на результаты вейв лет-фильтрации. Уменьшение области опорного изображения не приводило к значительному изменению яркостных характеристик зерна в её пределах, а, следовательно, и порогов фильтра Рис.5. Устранение зернистости топографиче- ции. Оптимальные результаты фильтрации были ского контраста монокристалла 6H-SiC получены для полосы пропускания фильтра, ограниченной 4 уровнем сверху и 7 уровнем Такая точность позволяет многократно снизу для различных областей опорного изо расширить динамический диапазон цифровых бражения, рис.6. Ограничение полосы снизу 8 и снимков и увеличить полезную информацию, 9 уровнями приводит к усилению фоновой не хранимую ими. В целях совместимости с суще- однородности.

ствующим программным обеспечением необхо димо конвертировать 32-битные HDR изображения в изображения 16- или 8-битного формата. Для получения HDR-изображений ис пользовался программный пакет «Photoshop CS и технология «Merge to HDR», в основе которой лежит использование нескольких снимков (от двух до семи) c разной экспозицией (брекетинг), которые затем автоматически совмещаются в один файл с разрешением 32 бит/канал. В рент геновской топографии возможно получение HDR-изображений двумя способами. Первый заключается в извлечении максимально полной информации из единственной рентгеновской топограммы. При этом одно и то же место на топограмме многократно переснимается цифро вым фотоаппаратом с ручной установкой раз личных значений экспозиции. Снимки отлича ются друг от друга вариацией только экспози ции, но не апертуры, изменение которой влияет на глубину фокуса. Настройки остальных пара метров (баланс белого, резкость) оставались одинаковыми. Другой подход заключается в сложении информации о контрасте, которую несут топограммы одной и той же области кри сталла, полученные при различном времени ре гистрации изображений на ядерные фотопла стинки. В данной работе применялся второй Рис.6. Пример вейвлет-обработки исходного и способ. HDR-изображений монокристалла SiC Не всегда при цифровой обработке удаётся 7,5) r, где r – радиус микродефекта, а для моно надежно определить угол, под которым дисло- кристалла Bi+Sb это расстояние составляет 3,5 r.

кации расположены в кристалле или глубину залегания микродефекта. Эту информацию можно получить решением обратной задачи.

При моделировании по модифицированным уравнениям Инденбома-Чамрова теоретическо го контраста задаются основные параметры де фектов, включая и их расположение в объёме монокристалла [1, 2]. Моделируя основные за шумляющие факторы – зернистость и фоновую неоднородность изображений и накладывая их на теоретический, можно получить контраст, визуально максимально приближенный к экспе риментальному. Если последующая цифровая обработка дает одинаковый результат, то, зная заложенные при моделировании параметры, можно надёжно идентифицировать дефекты, включая и определение их расположения в объ ёме монокристалла. В противном случае повто ряются все этапы моделирования и цифровой обработки.

Наложение шума основано на использова- Рис.7. Примеры моделирования зашумляющих нии функции генерирования чисел случайным факторов на теоретическом контрасте для образом и его суммирования с исходным, теоре- монокристалле 6H-SiC: а – теоретический тически рассчитанным изображением. Приме- контраст краевой дислокации для разных углов няя далее небольшое гаусс-размытие (радиус наклона к поверхности и результат их опти размытия 1–3 пикселя), приближаем полученное мального зашумления при различных направле изображение к экспериментальному. Математи- ниях вектора дифракции ;

б – теоретический, r ческая модель шума (зернистости и фоновой теоретический с моделированным шумом и то g неоднородности) выглядит следующим образом: пографический контрасты винтовой дислока ции (верхний ряд) и микродефекта (нижний ряд) s2 := s1 + ((Random(10)/10) - (5/10)), где s1– исходное изображение без шумов, s2 – исходное изображение с шумами, (Random(10)/10)–(5/10) – функция генерирова ния шума, в которой (Random(10)/10) – функция генерирования чисел в диапазоне от 0 до 10 и поделённая на 10, а (5/10) – слагаемое, позво ляющее сместить сгенерированный шум в отри цательную область для симметричного наложе ния шума. Сгенерированный со случайным рас пределением шум симметрично добавляется к изображению в положительную и в отрицатель ную области, т.е. в сторону затемнения и освет Рис.8. Теоретические изображения двух ления изображения. Подбирая параметры гене близкорасположенных микродефектов типа рирования шума (Random(10)/10) и (5/10) мож «внедрения» в монокристалле 6H-SiC при раз но получать разную степень зашумлённости личном расстоянии между ними: верхний ряд – r рис. 7. Возможно моделирование практически = 2 мкм, z =1·r;

нижний ряд – r = 10 мкм, z = любого уровня экспозиции, включая слабую 0,2·r;

здесь r – радиус микродефекта, z – глубина контрастность и сильную фоновую неоднород залегания микродефекта в объеме монокри ность (переэкспозицию) [21, 25].

сталла Моделирование зашумляющих факторов позволило оценить минимальные расстояния между дефектами для их надежного разделения На практике эффективность цифровой об и идентификации, рис. 8. Расстояние, на кото- работки оценивается визуально. Анализируя ром разрешаются два близкорасположенных один и тот же обработанный контраст, специа микродефекта, зависит от параметров модели листы часто по-разному оценивают результат дефекта и шума, свойств материала (экстинкци- цифровой обработки, оптимальность выбора той онной длины, длины вектора дифракции, тан- или иной методики или вейвлет-базиса. Для большей объективности надо ввести количест генса угла Брэгга tg ) и глубины расположения венные критерии. В качестве тестового объекта включений. Так для монокристалла 6H-SiC два возьмем теоретический контраст дефектов микродефекта разрешаются на расстоянии (6– структуры. Покажем на примере теоретического лен на рис. 10.

контраста винтовой дислокации суть предлагае мой методики.

Проведем цифровую обработку зашумлен ного контраста вейвлет-базисами – sym 8 и dmey, рис. 9. Получаем визуально неразличимый друг от друга обработанный контраст. Трудно отдать предпочтение одному из вейвлетов. Про фили интенсивности (ПИ) не несут большой информации, что не скажешь про яркостные характеристики (ЯХ). Для ЯХ по оси абсцисс отложена интенсивность (I) в градациях серого цвета (0 – 255), а по оси ординат – количество пикселей (N), имеющих определенную интен сивность. Для ПИ по оси ординат отложена ин тенсивность (I) в градациях серого цвета (0 – 255), а по оси абсцисс – расстояние в пикселях.

Сравнение максимумов ЯХ исходного и обрабо танных контрастов показывает: для исходного – 600000, для sym 8 – 450000 и dmey – 200000.

Значение максимума ЯХ для вейвлета sym оказывается ближе к исходному, он и является наиболее оптимальным. Чем ближе зашумлен ное изображение, обработанное различными вейвлет-базисами, к исходному теоретическому, тем выше качество цифровой обработки. Отме тим, что визуально при вейвлет-обработке не Рис.9. Теоретический контраст винтовой дис вносится видимых искажений, и обработанный локации монокристалла 6H-SiC и результат его контраст хорошо соответствует исходному. По- цифровой обработки: а – обработка вейвлет строим разностный контраст между обработан- базисами sym 8 и dmey;

б – РК;

в – ЯХ;

г – ПИ.

ными и исходным изображениями, рис. 9, б. Стрелкой показано направление снятия ПИ Если после вейвлет-обработки зашумленный контраст идеально соответствует теоретическо му, то разностный контраст (РК) представляет собой нулевой РК, однородный по всей площади изображения. РК для «sym 8 – исходное», «dmey – исходное» и «sym 8 – dmey» не является нуле вым. Для ЯХ имеет место резкое различие: для «sym 8 – исходное» – 400000 и «dmey – исход ное» – 200000. РК для «sym 8 – dmey», несмотря на визуальную схожесть, не является нулевым, максимум ЯХ имеет значение около 300000, т.е., результат обработки sym 8 и dmey различен.

При таком представлении анализируемого кон траста оптимальным снова является вейвлет sym 8. Нулевые РК, ЯХ и ПИ для контрастов «dmey – dmey», «sym 8 – sym 8» и «исходное – исход ное» имеют одинаковый вид. Максимум ЯХ для всех случаев имеет одинаковое значение – 900000. Чем ближе значение максимума ЯХ для РК к максимуму ЯХ нулевого РК, тем выше эф фективность и качество цифровой обработки. И снова значение ЯХ выше для вейвлета sym 8, следовательно, он и является наиболее опти мальным. Таким образом, количественным кри- Рис.10. Пример количественной оценки эффек терием эффективности можно использовать их тивности цифровой обработки различными ЯХ. вейвлетами топографического контраста мо Проверим результат, полученный на тесто- нокристалла 6H-SiC, содержащего скопление вом объекте – теоретическом контрасте, на экс- краевых дислокаций периментальном изображении – топограмме монокристалла 6H-SiC, содержащей скопление Для экспериментального контраста был краевых дислокаций. Результат цифровой обра- получен такой же результат. Максимум ЯХ в ботки по методике, описанной выше, представ- случае обработки вейвлетом sym 8 выше, чем для вейвлета dmey: 700000 и 640000. РК «sym 8 ний краевых дислокаций в монокристаллах 6H – dmey» не является нулевым. Для эксперимен- SiC // Поверхность. Рентгеновские, синхротрон тального контраста мы получили результат, ана- ные и нейтронные исследования. 2004. № 1. С.

логичный тестовым изображениям [21, 24]. Дан- 32–38.

ная методика успешно апробирована на поляри- 9. Дроздов Ю.А., Ткаль В.А., Окунев А.О., Да зационно-оптических изображениях, при срав- нильчук Л.Н. Устранение фоновой неоднород нении эффективности различных методик циф- ности и влияния зернистости фотоматериалов ровой обработки, для обработки изображений, на топографические и поляризационно полученных сканирующей электронной и тун- оптические изображения дефектов структуры нельной микроскопией [29]. монокристаллов // Заводская лаборатория. Ди Представленный в данной статье материал агностика материалов. 2004. Т. 70, № 7. С. 25– свидетельствует о высокой эффективности при- 34.

менения цифровой обработки для расшифровки 10. Окунев А.О., Ткаль В.А., Дроздов Ю.А., Да экспериментального контраста и идентификации нильчук Л.Н. Топографический контраст винто дефектов структуры монокристаллов, выявления вых дислокаций в монокристаллах 6H-SiC и его информации, скрытой при визуальном анализе компьютерная обработка // Поверхность. Рент контраста. геновские, синхротронные и нейтронные иссле дования. 2004. № 9. С. 58–63.

11. Ткаль В.А., Окунев А.О., Дроздов Ю.А., Да Литература 1. Данильчук Л.Н., Дроздов Ю.А., Окунев А.О., нильчук Л.Н. Применение цифровой обработки Ткаль В.А., Шульпина И.Л. Рентгеновская топо- для выявления топографических изображений графия дефектов структуры монокристалличе- микродефектов и дефектов фотоэмульсии // За ских полупроводников на основе эффекта Бор- водская лаборатория. Диагностика материалов.

мана (обзор) // Заводская лаборатория. Диагно- 2004. Т 70, № 11. С. 23–28.

стика материалов. 2002. Т. 68, № 11. С. 24–33. 12. Данильчук Л.Н., Окунев А.О., Ткаль В.А., 2. Данильчук Л.Н., Окунев А.О., Ткаль В.А. Дроздов Ю.А. Экспериментальное определение Рентгеновская дифракционная топография де- физической природы ростовых микродефектов в фектов структуры в кристаллах на основе эф- бездислокационном кремнии, выращенном ме фекта Бормана. Великий Новгород: НовГУ им. тодом Чохральского // Поверхность. Рентгенов Ярослава Мудрого, 2006. 493 с. ские, синхротронные и нейтронные исследова 3. Данильчук Л.Н., Ткаль В.А., Окунев А.О., ния. 2005. № 7. С. 13–22.

Дроздов Ю.А. Цифровая обработка топографи- 13. Ткаль В.А., Окунев А.О., Белехов Я.С., Пет ческих и поляризационно-оптических изобра- ров М.Н., Данильчук Л.Н. Применение вейвлет жений дефектов структуры монокристаллов. анализа для устранения фоновой неоднородно Великий Новгород: НовГУ им. Ярослава Муд- сти поляризационно-оптических изображений рого, 2004. 227 с. дефектов структуры монокристаллов // Заво 4. Ткаль В.А., Окунев А.О., Емельянов Г.М., дская лаборатория. Диагностика материалов.

Петров М.Н., Данильчук Л.Н. Вейвлет-анализ 2006. Т. 72, № 7. С. 22–29.

топографических и поляризационно-оптических 14. Ткаль В.А., Окунев А.О., Белехов Я.С., Пет изображений дефектов структуры монокристал- ров М.Н., Данильчук Л.Н. Устранение зерни лов. Великий Новгород: НовГУ им. Ярослава стости топографических изображений дефектов Мудрого, 2006. 397 с. структуры монокристаллов с помощью вейвлет 5. Дроздов Ю.А., Окунев А.О., Ткаль В.А. Ком- анализа // Заводская лаборатория. Диагностика пьютерная обработка топографических изобра- материалов. 2006. Т. 72, № 8. С. 27–32.

жений дефектов структуры монокристаллов // 15. Ткаль В.А., Окунев А.О., Белехов Я.С., Пет Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и ров М.Н., Данильчук Л.Н. Выявление особенно нейтронные исследования. 2002. № 8. С. 6–11. стей экспериментального контраста при пере 6. Дроздов Ю.А., Окунев А.О., Ткаль В.А., масштабировании изображений на основе вейв Шульпина И.Л. Применение компьютерной об- лет-анализа // Заводская лаборатория. Диагно работки рентгенотопографических изображений стика материалов. 2006. Т. 72, № 9. С. 25–33.

для идентификации дефектов структуры моно- 16. Ткаль В.А., Окунев А.О., Белехов Я.С., Пет кристаллов // Заводская лаборатория. Диагно- ров М.Н., Данильчук Л.Н. Устранение зернисто стика материалов. 2002. Т. 68, № 12. С. 30–36. сти топографических изображений дефектов 7. Данильчук Л.Н., Дроздов Ю.А., Окунев А.О., структуры монокристаллов различными вейв Ткаль В.А., Шульпина И.Л. Диагностика моно- лет-базисами // Заводская лаборатория. Диагно кристаллов применением компьютерной обра- стика материалов. 2006. Т. 72, № 10. С. 23–30.

ботки дифракционных и поляризационно- 17. Ткаль В.А., Окунев А.О., Белехов Я.С., Пет оптических изображений дефектов структуры. // ров М.Н., Данильчук Л.Н. Сопоставление ре Заводская лаборатория. Диагностика материа- зультатов цифровой обработки топографическо лов. 2003. Т. 69, № 11. С. 26–32. го контраста на основе вейвлет-анализа и нели 8. Ткаль В.А., Окунев А.О., Дроздов Ю.А., нейной фильтрации с рекурсивным накоплени Шульпина И.Л., Данильчук Л.Н. Компьютерная ем // Заводская лаборатория. Диагностика мате обработка и анализ топографических изображе- риалов. 2007. Т. 73, № 2. С. 36–45.

18. Ткаль В.А., Окунев А.О., Белехов Я.С., Пет- бражений дефектов структуры монокристаллов.

ров М.Н., Данильчук Л.Н. Устранение фоновой Тезисы докладов НКРК-2010 (Четырнадцатая неоднородности изображений дефектов струк- Национальная конференция по росту кристал туры монокристаллов различными вейвлетами // лов и IV Международная конференция «Кри Заводская лаборатория. Диагностика материа- сталлофизика XXI века», том 2, Москва. 2010 г.

лов. 2007. Т. 73, № 3. С. 28–37. с. 329–330.

19. Ткаль В.А., Окунев А.О., Петров М.Н., Да- 28. Ткаль В.А., Петров М.Н., Воронин Н.А., нильчук Л.Н. Вейвлет-обработка топографиче- Дзюба И.В. Устранение фоновой неоднородно ских изображений с расширенным динамиче- сти экспериментального контраста дефектов ским диапазоном // Поверхность. Рентгенов- структуры монокристаллов. Поверхность. Рент ские, синхротронные и нейтронные исследова- геновские, синхротронные и нейтронные иссле ния. 2007. № 5. С. 1–11. дования. 2010. № 1. С. 30–37.

20. В.А. Ткаль, Петров М.Н., Воронин Н.А. 29. Ткаль В.А., Соловьёв В. Г., Алексеева Н. О., Вейвлет-обработка и устранение фоновой неод- Панькова С. В., Яников М.В. Вейвлет-обработка нородности поляризационно-оптического кон- изображений, нанокомпозитов, полученных траста дефектов структуры монокристаллов. сканирующими туннельным и электронным Заводская лаборатория. Диагностика материа- микроскопами. Заводская лаборатория. Диагно лов. 2009. Т. 75, № 12. С. 24–32. стика материалов. 2009. Т. 75, № 6. С. 37–39.

21. Ткаль В.А., Данильчук Л.Н., Дзюба И.В. 30. Paul E. Debevec and Jitendra Malik. Recover Моделирование теоретического контраста де- ing High Dynamic Range Radiance Maps from фектов структуры различного типа с «зашум- Photographs, Proceedings of SIGGRAPH 97, ляющими» факторами. Поверхность. Рентгенов- Computer Graphics Proceedings, Annual Confer ские, синхротронные и нейтронные исследова- ence Series, pp. 369–378 (August 1997, Los Ange ния. 2009. № 10. С. 59–65. les, California). Addison Wesley. Edited by Turner 22. Ткаль В.А. Количественный критерий оцен- Whitted. ISBN 0-89791-896-7.

ки эффективности цифровой обработки изобра жений дефектов структуры монокристаллов.

Материалы совещания «Рентгеновская оптика – 2010», 2010 г. с. 37–39.

23. Ткаль В.А. Повышение быстродействия вейвлет-обработки при устранении фоновой неоднородности поляризационно-оптических и топографических изображений дефектов струк туры монокристаллов. Материалы совещания «Рентгеновская оптика – 2010, 2010 г. с. 60–62.

24. Ткаль В.А., Петров М.Н., Воронин Н.А. Ко личественная оценка эффективности цифровой обработки изображений дефектов структуры монокристаллов. Тезисы докладов НКРК- (Четырнадцатая Национальная конференция по росту кристаллов и IV Международная конфе ренция «Кристаллофизика XXI века», том 2, Москва, 6–10 декабря 2010 года, с. 340–341.

25. Ткаль В.А. Моделирование основных за шумляющих факторов изображений и повыше ние надежности идентификации дефектов структуры монокристаллов. Тезисы докладов НКРК-2010 (Четырнадцатая Национальная кон ференция по росту кристаллов и IV Междуна родная конференция «Кристаллофизика XXI века», том 1, Москва. 2010 г. с. 26–27.

26. Ткаль В.А. Петров М.Н., Воронин Н.А. Уст ранение фоновой неоднородности на изображе ниях дефектов структуры монокристаллов с использованием вейвлет-анализа. Тезисы док ладов НКРК-2010 (Четырнадцатая Националь ная конференция по росту кристаллов и IV Ме ждународная конференция «Кристаллофизика XXI века», том 2, Москва. 2010 г. с. 327–328.

27. Ткаль В.А. Петров М.Н., Воронин Н.А.

Применение вейвлет-анализа для устранения зернистости топографического контраста и ре гистрация низкочастотных особенностей изо КОМПЬЮТЕРНАЯ ЭКСПРЕСС-ДИАГНОСТИКА, ОСНОВАННАЯ НА РЕГИСТРАЦИИ ИЗМЕНЕНИЙ ЦВЕТОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЕЩЕСТВ РАЗЛИЧНОЙ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ В.А. Ткаль, А.В. Шараева, И.А. Жуковская Новгородский филиал Санкт-Петербургского государственного университет сервиса и экономики 172025, Великий Новгород, ул. Кочетова, д. 29, корп. 3, Россия E-mail: Valery.Tkal@novsu.ru В своей научной и практической деятельно- EPSON PERFECTION 4870 PHOTO и EPSON сти мы постоянно сталкиваемся с необходимо- PERFECTION V750 PRO. Сканирование прово стью экспресс-диагностики материалов и ве- дилось в ручном режиме при установках, кото ществ различной физико-химической природы, рые не изменялись в процессе исследования.

для которых можно выделить ряд параметров и Для оцифровки воды и пива применялся цифро характеристик, сильно зависящих от внешних вой аппарат «Olympus Camedia 5060» со специ воздействий. К таким характеристикам в целом ально оптической насадкой, изготовленной под ряде случаев можно отнести цвет. Несмотря на микроскоп МИН-8.

высокую чувствительность человеческого глаза, Для полученных изображений с помощью визуальная регистрация изменений носит субъ- одной из перечисленных выше программ строи ективный характер и зависит от остроты зрения лись области равного контраста (ОРК), разност и опыта исследователей, которые часто по- ный контраст (РК), яркостные характеристики разному оценивают изменение цвета. Встает (ЯХ) и по выбранным направлениям профили задача в разработке чувствительных, универ- интенсивности (ПИ). Разностный контраст по сальных и простых методов экспресс- лучался путём вычитания одного изображения диагностики объектов различной физико- из другого. Если исследуемые изображения химической природы. имеют даже не воспринимаемые глазом цвето Регистрацию изменений цветовых характе- вые отличия, то ОРК, РК, ЯХ и ПИ отражают ристик исследуемых образцов можно реализо- факт их наличия. При отсутствии изменений вать, используя современные компьютерные получаем нулевой РК, представляющий собой технологии, оргтехнику и специализированное однородный фон, а при наличии изменений – не для этих целей программное обеспечение. Для нулевой РК и соответствующую ему фоновую оцифровки изображений можно использовать неоднородность. Регистрация изменений ОРК, профессиональные и полупрофессиональные РК, ЯХ и ПИ позволила получить не только ка сканеры, цифровые аппараты и камеры, имею- чественную, но и количественную оценку изме щие высокое разрешение – до 6400 dpi, боль- нений в исследуемых объектах. При обработке шую глубину резкости и динамический диапа- цветных изображений ЯХ и ПИ строятся для зон 4 D. Коррекция и последующая обработка трёх компонент цвета – синей, зелёной и крас оцифрованных изображений может проводиться ной. Для анализа берется та цветовая компонен с использованием встроенного в сканер про- та, для которой наблюдаются наибольшие изме граммного обеспечения, с помощью различных нения. На практике обработку изображений программных пакетов, например, «Matlab», можно проводить как в цветном, так и черно «Mathcad», «Image-Pro-Plus», а также с помо- белом форматах.

щью авторских специально разработанных про- ОРК строятся при соответствующем выборе грамм [1,2]. количества градаций цвета. Для ЯХ по оси абс Повышение надежности интерпретации экс- цисс откладывается интенсивность в градациях периментальных результатов достигается отхо- серого цвета (для 8-битного изображения дом от субъективной визуальной оценки зареги- градаций), по оси ординат – количество точек, стрированных изменений цветовых характери- имеющих данную интенсивность. Для ПИ по стик и введением объективных количественных оси ординат – интенсивность в градациях серого критериев. Практически очень сложно регист- цвета, а по оси абсцисс – размер изображения в рировать изменение цвета для различных био- пикселях. В данной работе ЯХ, ПИ и РК строи логических объектов, жидких сред (вода, соки, лись в программе «Image-Pro-Plus», ОРК в паке молоко, вино, пиво и т.д.). В работах [2–4] на тах «Matlab» или «Mathcad» [2]. Примеры при примере регистрации изменения цветовых ха- менения методик представлены ниже.

рактеристик рассматриваются возможности экспресс-диагностики качества биологических Диагностика мясного сырья и мясопро объектов (мясное сырье и колбасные изделия дуктов. Одним из условий получения продук различных производителей), технологического тов высокого качества является организация на процесса (посол мяса), а также воды и пива. Для мясоперерабатывающем предприятии контроля оцифровки объектов использовались сканеры поступающего мясного сырья. Мясо различных производителей может заметно отличаться по проникновения посолочной смеси и её компо своему качеству, что определяется породой жи- нентов. Для устранения этого при построении вотных, кормовой базой, условиями и временем ОРК, ПИ и более точного определения глубины хранения, транспортировки и т.д. После оценки посола исходные изображения подвергались качества мясного сырья специалистами прини- гаусс-размытию в программе «Adobe Photoshop»

мается решение по выпуску на его основе той (оптимальный радиус размытия 5–10 пикселей).

или иной продукции. Применяемые в настоящее В мясе скорости посола смесью и её отдельны время методы контроля качества сырья и гото- ми компонентами зависят от способа посола и вой продукции имеют ряд недостатков: для ди- будут отличны друг от друга по различным на агностики требуются дорогостоящие химиче- правлениям, поэтому анализируемый контраст ские реагенты, оборудование и приборы, значи- должен отражать эти обстоятельства.

тельные затраты времени, высококвалифициро- Для визуализации посола мяса и определе ванные специалисты. Часто предприятия выну- ния глубины проникновения компонентов смеси ждены запускать мясное сырье в производство использовались 4 различные методики: 1 – ос прямо с колес. нована на анализе областей равного контраста и Анализируя данные, приведенные на рис.1 профилей интенсивности;

2 – основана на раз можно утверждать следующее: ложении изображения по цветовым каналам – мясо говядины трёх различных производи- (красный, зелёный, синий);

3 – основана на ре телей (условно 1, 2 и 3) отличается по цвету, о гистрации разностного контраста;

4 – комбини чем свидетельствуют различные максимальные рованная.

значения ЯХ, рис. 1,а;

На рис. 2 представлен используемый подход к – мясо свинины, взятое из тазобедренной визуализации процесса посола и определению части туши и подвергнутое последовательно его количественных характеристик, римскими двум заморозкам, отличается по цвету от исход- цифрами показаны четыре направления, по ко ного, рис. 1,б;

торым снимались ПИ, в том числе вдоль воло – мясо при хранении также меняет свой цвет, кон мышечной ткани и перпендикулярно им. В рис. 1, в. идеальном случае для данного изображения мя Подобные зависимости ЯХ можно предста- са ПИ имеют вид, представленный на рисунке 2, вить для колбасных изделий одного и того же в: 1 – исходный, 2 – 4 – для различного времени наименования и сорта, изготовленных по одно- посола t, причём t1 t2 t3 и l1 l2 l3, где l – му ГОСТ, для разных производителей и условий глубина посола. Увеличение времени посола хранения. Визуальная оценка мяса не позволяла приводит к изменению контраста и ПИ. Сопос надежно зафиксировать отличие цвета [3]. тавляя изображения ОРК, полученные для раз ных уровней гаусс-размытия, с построенными ПИ, и зная размеры образца мяса и пикселя, Компьютерная визуализация процесса по удаётся достаточно надёжно определить глуби сола мяса цыпленка-бройлера многокомпо нентными смесями соль-перец-чеснок. Про- ну проникновения посолочной смеси и оценить изводство деликатесных видов мясных изделий глубину проникновения ее компонентов. При является сложным технологическим процессом, построении ОРК необходимо выбрать опти требующим постоянного контроля качества ис- мальное число градаций цвета. До посола ана пользуемого сырья и самого процесса. Посол лизируемый контраст обусловлен в основном мяса многокомпонентными смесями требует не мясом и соединительной тканью, т.е. имеем только определения оптимальных режимов и двухцветное изображение (две градации цвета).

условий его проведения, но и организации эф- В процессе посола добавляется контраст, фективной диагностики, определения скорости создаваемый компонентами посолочной смеси, процесса, глубины проникновения компонентов условно, А, В и С. В этом случае ОРК состоят посолочной смеси в мясо и т.д. При посоле про- из 5 разноцветных областей (рис.2, г). Контраст исходит изменение цвета мяса, фиксация кото- в 1 области создается компонентами А, В и С, рого человеческим глазом затруднена, особенно во 2 – компонентами В и С, в 3 – компонентой на начальном этапе. Сканирование и последую- С, имеющей наибольший коэффициент диффу щая цифровая обработка позволяют выявить зии по сравнению с компонентами А и В. Коэф даже незначительные изменения цвета, но про- фициент диффузии компоненты В выше, чем у вести чёткую границу между пропитанными и компоненты А. Области 4 и 5 соответствуют непропитанными областями не представляется мясу и соединительной ткани. Таким образом, в возможным. Определение глубины проникнове- идеальном случае анализируемое изображение ния смеси и её компонентов оценивали по сня- представляет собой ОРК, состоящие из пяти тым профилям интенсивности (ПИ) и областям разноцветных или чёрно-белых областей (5 гра равного контраста (ОРК). Из-за влияния границ даций цвета). Линии, разделяющие эти области, между волокнами мышечной ткани профили ин- можно связать с глубиной проникновения смеси тенсивности, построенные для исходных изо- и её компонентов. Увеличение числа градаций бражений, имели сильную флуктуацию интен- цвета позволяет более детально оценить изме сивности, что затрудняло интерпретацию экспе- нение контраста в каждой области. По измене риментальных данных, и определение глубины нию контраста и по снятым профилям интен сивности можно судить об изменении концен- Рис.1. Изменения максимальных значений трации смеси и её компонентов по глубине, оп- ЯХ изображений мяса говядины для трех произ ределить скорости их проникновения и коэффи- водителей (а);

изменение максимальных значе циенты диффузии, а также получить аналитиче- ний ЯХ изображений мяса свинины после пер ские выражения, описывающие данный процесс вой и второй заморозки (б) (1 – исходное, 2 – посола. первая заморозка, 3 – вторая заморозка);

изме Реальный контраст, как правило, имеет более нение максимальных значений ЯХ для изобра сложный вид, и его расшифровка требует навы- жений мяса говядины при хранении (в) (1 – ка, но рассмотренные выше закономерности в парное мясо, 2 –после хранения в течение целом сохраняются. На рис. 3 представлены часов при температуре 4–6 С и относительной ОРК и ПИ для одной из примененных цифровых влажности воздуха 75 %).

методик.

Исследования воды, поступающей из очи стительных сооружений в жилые дома, различ ные организации и промышленные предприятия показали, что методики, основанные на регист рации изменений цветовых характеристик, яв ляются чувствительными к наличию большого количества примесей и загрязнений и могут быть эффективно использованы при экспресс диагностики качества воды [4].

Цифровые методики показали свою перспек тивность при диагностике качества пива и про цесса его старения, регистрации частиц, нахо дящихся в пиве, а также для диагностики мо лочных продуктов, детского питания, соков, вина и других жидких сред.

а б Рис. 2. Схема визуализации процесса посо ла мяса смесью из трех компонент А, В и С: а – исходное изображение, римскими цифрами по казаны направления снятия ПИ;

б – после посо ла в течение некоторого времени;

в – ПИ (1 – исходный, 2-4 – после посола в течение времени t1 t2 t3, l1, l2, l3 – глубина посола);

г – измене в ние контраста при пяти градациях цвета.

б б Рис. 3. Сухой способ посола мяса цыплёнка-бройлера смесью соль-перец-чеснок: а – ОРК для 5 градаций цвета, построенные для изображений разностного контраста;

б – ПИ, построенные по направлению (диагональ с верхнего левого угла в нижний правый). Цифрами указано время посола в минутах.

Литература 1. Ткаль В.А., Окунев А.О., Емельянов Г.М., Петров М.Н., Данильчук Л.Н. Вейвлет-анализ топографиче ских и поляризационно-оптических изображений дефектов структуры монокристаллов. – Великий Нов город: НовГУ им. Ярослава Мудрого, 2006.– 397 с.

2. Ткаль В.А., Окунев А.О., Шараева А.В. Цифровые методы экспресс-диагностики качества пищевых продуктов и визуализации процесса посола мяса. – Великий Новгород: НовГУ им. Ярослава Мудрого, 2008. – 316 с.

3. Ткаль В.А., Окунев А.О., Глущенко Л.Ф., Шараева А.В. Контроль качества мясного сырья по цвето вым характеристикам // Мясная индустрия. – № 6 – 2007. – С. 61 – 64.

4. Ткаль В.А., Окунев А.О., Шараева А.В. Экспресс-диагностика, основанная на регистрации цветовых характеристик исследуемого вещества // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. – 2008. – Т. 74, № 11. – С. 32– ЭКСПРЕСС-ДИАГНОСТИКА ВОДЫ, ОСНОВАННАЯ НА РЕГИСТРАЦИИ ИЗМЕНЕНИЙ ЦВЕТОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК В.А. Ткаль, А.В. Шараева, И.А. Жуковская Новгородский филиал Санкт-Петербургского государственного университет сервиса и экономики 172025, Великий Новгород, ул. Кочетова, д. 29, корп. 3, Россия E-mail: Valery.Tkal@novsu.ru Под воздействием различных внешних товление ядерных фотопластинок, толщиной факторов у веществ различной физико- мм. Для учета влияние стекла на результат об химической природы изменяются их параметры работки проводится съёмка кюветы без жидко и характеристики. Для контроля этих изменений сти. Далее на центральную область кюветы на используется большое количество методов, от- носится фиксируемое количество исследуемого личающихся друг от друга принципами и вре- жидкого вещества, и снова проводится съёмка.

менем регистрации, сложностью, точностью, Оцифровка изображений проводится при одних чувствительностью, разрешением и другими и тех же условиях и параметрах съёмки, при отличительными особенностями. Для текущего контролируемом внешнем освещении и при и оперативного контроля наиболее предпочти- подсветке микроскопа. Оцифровка одного и тельны методы, обладающие простотой, высо- того же участка изображения проводится не кой информативностью и экспрессностью. сколько раз, чтобы убедиться в отсутствии раз Для многих веществ цвет относится к ха- броса цветовых характеристик исследуемого рактеристикам, чувствительным к внешним воз- вещества. Оцифрованные изображения далее действиям, и напрямую связан с изменением их подвергаются обработке в программных пакетах физико-химических параметров и характери- «Image-Pro Plus 6.0», «Matlab» и «Mathcad» [1].

стик, поэтому регистрация невидимого глазом Анализируемые изображения должны иметь его изменений может быть положена в основу одинаковые размеры и формат. Оригиналы изо экспресс-методик контроля и диагностики. бражений для избегания потери качества лучше Для реализации цифровых методик необ- хранить в форматах без сжатия.

ходимо провести оцифровку и последующую Изменение цвета исследуемого вещества математическую обработку изображения иссле- можно зафиксировать построением для оцифро дуемого вещества, выбрать объективные крите- ванных изображений разностного контраста рии оценки изменений цвета. Оцифровку изо- (РК), яркостных характеристик (ЯХ) и профилей бражений лучше проводить с помощью профес- интенсивности (ПИ).

сионального планшетного сканера, например, Разностный контраст получается вычи «Epson Perfection V 750 Pro», имеющего разре- танием одного изображения из другого, напри шение 6400 dpi, динамический диапазон 4,0 D и мер: изображения вещества после и до какого высокую глубину резкости. В качестве оцифро- либо внешнего воздействия;

изображений раз вывающего устройства может также использо- личных образцов, если требуется выявить отли ваться цифровой фотоаппарат или камера. чие их цветовых характеристик;

изображений Профессиональные программы обработки кюветы с веществом и без него, если требуется изображений предоставляют большие возмож- исключить влияние стекла кюветы на результат ности, чем программное обеспечение сканеров, оцифровки.

то целесообразно сканировать изображения «как Яркостные характеристики показывают есть», установив максимально возможные аппа- распределение точек изображения по интенсив ратные характеристики по разрешению и коли- ности. По оси абсцисс откладывается интен честву уровней квантования, а все дальнейшие сивность в градациях серого цвета (для 8 преобразования возложить на специализирован- битного изображения 255 градаций, для 16 ные программы по обработке изображений. битного изображения 65535), по оси ординат – В данной работе для демонстрации воз- количество точек, имеющих данную интенсив можности цифровых экспресс-методик приво- ность.

дятся результаты цифровой обработки изобра- Профили интенсивности показывают, жений воды, полученные оцифровкой цифро- как меняется интенсивность в выбранном для вым аппаратом «Olympus Camedia C-5060», построения направлении. По оси ординат откла снабжённым оптической насадкой со встроен- дывается интенсивность в градациях серого ным дополнительным объективом и установ- цвета, а по оси абсцисс – размер изображения в ленным на оптический микроскоп. Микроскоп пикселях.

позволяет проводить оцифровку интересующих Если имеются даже незначительные цвето нас областей при необходимом увеличении. вые отличия, то построенные РК и ЯХ надёжно При исследовании жидких веществ ис- отражают этот факт. Если изменений нет, полу пользуется кювета из стекла, идущего на изго- чается нулевой РК, представляющий собой од нородный фон, а при наличии изменений имеем Для оценки экспериментальной погрешно ненулевой РК с соответствующей фоновой не- сти определения характеристик изображений однородностью. Профили интенсивности, по- один и тот же образец оцифровывался несколь строенные для нулевого РК, имеют вид прямых ко раз, для каждого изображения строились ЯХ горизонтальных линий, а ЯХ – узких вертикаль- и определялись значения X и Y: X – интенсив ных. ПИ являются менее информативными по ность в градациях серого цвета (0–255), соответ сравнению с РК и ЯХ, но в некоторых случаях ствующая максимальному значению Y – числу позволяют расширить полезную информацию точек, имеющих данное значение интенсивно об исследуемом объекте, получаемую при циф- сти в градациях серого цвета. Погрешность, оп ровой обработке. ределённая по стандартной методике, не пре Для устранения влияния на результат циф- вышала 1–2 %, и была обусловлена в основном ровой обработки особенностей эксперименталь- изменением освещённости анализируемого ве ного контраста изображений различных веществ щества при оцифровке.

целесообразно сравнивать ЯХ и ПИ не исход- На рис. 4 нанесены точки максимальных ных оцифрованных изображений, а полученные значений ЯХ для всех цветовых каналов изо для нулевого РК. бражений очищенной воды. Можно выделить Продемонстрируем результат применения прямоугольные области, соответствуют требо данной экспресс-методики на примере оценки ваниям СанПиН [5], тогда точки, не попадаю качества питьевой воды, прошедшей очистку на щие в эти области, не удовлетворяют по каким водоочистительных сооружениях. Прежде чем либо причинам этим требованиям. Такая вода поступить к конечным потребителям, вода про- требует дополнительной очистки и контроля.

ходит сложную и многоступенчатую очистку. Для речной воды и воды, используемой в раз Выбор воды в качестве примера обусловлен тем, личных производствах, можно выделить анало что имелась хорошая возможность связать из- гичные прямоугольные области и проводить менение цветовых характеристик с большим экспресс-контроль качества воды по цветовым количеством физико-химических показателей её характеристикам. При необходимости можно качества, полученных по гостированным мето- принять дополнительные меры по очистке в том дикам. случае, если экспериментальные значения мак В программном пакете «Image-Pro Plus симума ЯХ не попадают в выделенные области.

6.0» ЯХ и ПИ строятся для трёх цветовых кана- Данный подход можно применить и для других лов – синего, зелёного и красного. Опыт приме- исследуемых веществ.

нения цифровой экспресс-методики показал, что Полное время, необходимое для экспресс изменения цветовых характеристик различных оценки качества воды составляет 5–10 минут и веществ для разных цветовых каналов могут включает в себя оцифровку воды, построение отличаться [2–4]. В некоторых случаях можно РК, ЯХ, ПИ и сопоставление с водой, соответст цветное изображение преобразовать в чёрно- вующей СанПиН.

белый формат, для которого ЯХ и ПИ также Для установления связи между физико надёжно отражают изменения цвета анализи- химическими параметрами воды и её цветовыми руемого вещества [6]. характеристиками в качестве примера возьмем На рис. 1 приводятся [2–4] ЯХ и ПИ для следующие показатели: цветность, мутность, рН одной из проб речной и очищенной воды, а на и щёлочность, которые за всё время проведения рис. 2 – ЯХ и ПИ для их нулевого РК. Взятые эксперимента очень сильно изменялись. Цвет пробы воды визуально по цвету не отличаются ность и мутность оказывают наиболее сильное друг от друга, но, вычитая изображения очи- влияние на изменение цветовых характеристик щенной воды из речной, получаем ненулевой воды, в том числе на её ЯХ. Выбранные пара РК и отличные от нулевого РК яркостные ха- метры сильно изменялись и для проб, взятых в рактеристики и профили (рис. 3). Видно, что различных местах водоёма и реках. Проведём цифровая обработка позволяет надёжно зареги- расчёт коэффициента корреляции между неко стрировать отличия между очищенной и неочи- торыми физико-химическими параметрами и щенной (речной) водой. цветовыми характеристиками воды [6].

Максимальные значения ЯХ для речной Между варьирующими признаками суще воды, взятой в разные дни, имеют разброс от ствует определённая взаимосвязь: значение пробы к пробе для всех трёх цветовых каналов. средней величины одного признака изменяется Это подтверждается данными физико- при изменении другого признака. При этом оп химического анализа по гостированным мето- ределённому значению одного признака в силу дикам проб речной воды, отобранных в течение влияния различных условий обычно соответст месяца (таблица 1), а также данными, представ- вует ряд значений другого. Можно говорить ленными на рис. 4 для очищенной воды. лишь о наиболее вероятном среднем значении К воде, прошедшей многоступенчатую одного признака, соответствующем определён систему очистки, предъявляются гораздо более ному значению другого. Взаимосвязь между жёсткие требования, и её физико-химические варьирующими признаками есть линейная или показатели колеблются в более узких пределах, криволинейная корреляция. Линейная корреля чем для речной воды. ция имеет место, когда с увеличением признака х соответственно увеличивается (или уменьша- Мутность воды имеет наибольшую и прямую ется) признак у. При криволинейной корреляции корреляцию со значениями ЯХ для синего и значения х и у изменяются сначала в одном на- красного каналов по Y. Показатель рН воды правлении, а затем в противоположном. В слу- наиболее сильно коррелирует со значениями ЯХ чае, когда связь между признаками близка к для зелёного канала по Y, а щёлочность – со прямолинейной, для характеристики этой связи значениями для зелёного канала по Y и красно используется коэффициент корреляции r, при- го по Х. Таким образом физико-химические по нимающий значения от 0 до 1, и, чем ближе r к казатели качества воды имеют хорошую корре единице, тем теснее связь между признаками. ляцию с максимальными значениями ЯХ для По направлению корреляция может быть каждого из трёх цветовых каналов, и выбор прямой или обратной. При прямой корреляции с критерием оценки качества воды ЯХ является увеличением значения признака х увеличивается обоснованным и объективным.

значение признака y. При обратной корреляции Методика может быть применена для ис с увеличением значения признака х значение следования и контроля широкого круга веществ, признака у уменьшается. При этом перед коэф- для которых при хранении и различных внеш фициентом корреляции знак (+) показывает них воздействиях имеет место изменение их прямую связь, знак (–) – обратную. цветовых характеристик.

Коэффициент корреляции вычислялся по формулам (1–3): Литература x y 1. Ткаль В.А., Окунев А.О., Шараева А.В.


x y Цифровые методы экспресс-диагностики каче n, (1) r= ства пищевых продуктов и визуализации про Cx C y цесса посола мяса. – Великий Новгород: НовГУ им. Ярослава Мудрого, 2008. – 316 с.

где Сх, Сy – дисперсии каждого признака, x – 2. Ткаль В.А., Окунев А.О., Глущенко один признак, y – второй признак.

Л.Ф., Шараева А.В. Цифровые методы визуали ( x) 2 зации процесса посола мяса. Хранение и пере Сx = x2 ;

(2) работка сельхозсырья, 2005, № 10. с. 19–24.

n ( y ) 2 3. Ткаль В.А., Окунев А.О., Глущенко Cy = y2. (3) Л.Ф., Шараева А.В. Контроль качества мясного n сырья по цветовым характеристикам. Мясная Считается, что, если 0 r, то связь индустрия, 2007, № 6, с. 61–64.

слабая, если r – средняя, если r 1 – 4. Ткаль В.А., Окунев А.О., Шараева А.В.

сильная. Для независимых случайных величин Применение компьютерных технологий для коэффициент корреляции равен нулю, и случай исследования изменений цвета колбасных изде ные величины являются некоррелированными.

лий. Мясная индустрия, 2007, № 9, с. 34–37.

В табл. 2 представлены результаты расчёта 5. СанПиН 2.1.4.1074-01 Питьевая вода.

коэффициентов корреляции между физико Гигиенические требования к качеству воды цен химическими показателями воды и максималь трализованных систем питьевого водоснабже ными значениями ЯХ для трёх цветовых кана ния. Контроль качества. Санитарно лов.

эпидемиологические правила и нормы.

Цветность воды наиболее сильно коррели 6. Ткаль В.А., Окунев А.О., Шараева А.В.

рует со значениями ЯХ для зелёного канала по Экспресс-диагностика, основанная на регистра Y и красного канала по Х, причём зависимость ции цветовых характеристик исследуемого ве является прямой, т.е. с увеличением цветности щества // Заводская лаборатория. Диагностика воды возрастают и указанные максимальные материалов. – 2008. – Т. 74, № 11. – С. 32–37.

значения ЯХ для зелёного и красного каналов.

Таблица 1. Физико-химические показатели проб воды Дата Мутность, мг/л Цветность, град рН Щёлочность Норма по СанПиН 1,5 20 6,0–9,0 1, Проба реч- очи- речная очи- речная очи- речная очи воды ная щен- щен- щен- щен ная ная ная ная 17.10.2007 6 0,45 77 11 7,54 6,35 1,4 0, 25.10.2007 23,8 0,24 70 10 7,36 6,25 1,45 0, 02.11.2007 6,1 0,7 105 10 7,5 6,45 1,4 0, 13.11.2007 7,2 0,95 117 7 7,15 6,15 1,15 0, Таблица 2. Коэффициенты корреляции между физико-химическими показателями воды и яркостными характеристиками оцифрованных изображений Коэффициент корреляции Показатель Синий канал Зелёный канал Красный канал X Y X Y X Y Цветность –0,496 –0,234 0,583 0,989 0,882 –0, Мутность –0,378 0,989 –0,505 0,012 –0,455 0, рН –0,755 –0,179 –0,222 0,961 –0,452 0, Щёлочность –0,790 –0, 317 0,105 0,969 0,908 0, З З С С К К а б К К З З С С в г Рис. 1. Результат цифровой обработки изображений одной из проб речной воды до (а, в) и после очистки (б, г): а, б – яркостные характеристики, в, г – профили интенсивности;

С, З и К – синий, зелёный и крас ный цветовые каналы.

З З К С С К а б б К К З С З С в г Рис. 2. Нулевые разностные контрасты для проб воды, представленных на рис. 1: а, б – яркостные харак теристики, в, г – профили интенсивности;

С, З и К – синий, зелёный и красный цветовые каналы.

С З З К С К Рис. 3. Разностный контраст, полученный вычитанием изображений воды после очистки и речной: а – изображение разностного контраста, б – яркостные характеристики, в – профили интенсивности, С, З и К – синий, зелёный и красный цветовые каналы.

Рис. 4. Допустимые области нахождения максимальных значений ЯХ для очищенной воды, соответст вующей нормам СанПиН: С, З и К – синий, зелёный и красный цветовые каналы. Чёрными точками по казаны результаты диагностики воды, взятой на одном из пищевых предприятий ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ СТОЙКОСТИ ОРГАНИЧЕСКИХ ПЛЕНОК ЛЕНГМЮРА-БЛОДЖЕТТ МЕТОДОМ РЕНТГЕНОВСКОЙ РЕФЛЕКТОМЕТРИИ М.А. Чембелеева, Ю.А. Дьякова, А.Ю. Серегин, Т.В. Букреева, Е.Ю. Терещенко Институт кристаллографии имени А.В. Шубникова РАН, 119333, Москва, Ленинский пр-т, Введение Материалы и методы Пленки Ленгмюра-Блоджетт (ЛБ-пленки) Изготовление образцов для данной работы находят разнообразное практическое применение проводилось на автоматизированной установке в различных областях науки и техники. Поэтому Ленгмюра-Блоджетт KSV5000 LB (Финляндия).

становится важным исследование изменений их Для формирования монослоев стеарата свинца на структуры при нагревании – изучение термиче- поверхность жидкой субфазы наносили раствор ской стабильности пленок. стеариновой кислоты в хлороформе с концен В данной работе проводили изучение тер- трацией с=0,98 мг/мл. В качестве субфазы ис мической стойкости многослойных органических пользовали раствор нитрата свинца в тридистил лированной воде (10-4M). Предполагалось, что пленок Ленгмюра-Блоджетт методом рентгенов ионы Pb2+, находящиеся в субфазе, связываются ской рефлектометрии [1].

Для формирования пленок Ленгмюра- засчет кулоновского взаимодействия с двумя ионами CH3(CH2)16COO- [2]. Таким образом на Блоджетт использовали достаточно изученные жирные кислоты и их сополимеры. Для изучения поверхности субфазы образуется монослой стеа пленок Ленгмюра-Блоджетт методом рентгенов- рата свинца. Это подтверждается полученными ской рефлектометрии требовалось получение изотермами сжатия монослоев стеариновой ки пленок с высоким контрастом электронной слоты на поверхности тридистиллированной во ды и субфазы – 10-4 M растворе Pb(NO3)2 (рис. 1).

плотности, что возможно достичь путем связы вания используемых органических соединений с Для того, чтобы осуществить перенос мо тяжелыми атомами (ионами различных метал- нослоев стеарата свинца на кремниевую подлож лов). В качестве изучаемых образцов ку, проводили ее силанизацию – обрабатывали в была выбрана соль стеариновой кислоты 5% растворе диметилдихлорсилана в гексане в (CH3(CH2)16COO)2Pb. После изготовления пле- течение 20 мин, после чего подложку последова нок стеарата свинца на ряд образцов были нане- тельно отмывали в гексане и ацетоне по сены слои сополимера, чтобы выяснить, влияет 20 мин [3]. Перенос монослоев стеарата свинца ли его присутствие на температуру заметного осуществлялся при поверхностном натяжении изменения структуры пленок. 25мН/м со скоростью 3 мм/мин. Далее на ряд образцов методом Ленгмюра-Блоджетт перено сили монослои сополимера при поверхностном полученных пленках (рис. 2). Размер ячейки ре натяжении 25мН/м со скоростью 3 мм/мин. шетки в направлении, перпендикулярном под ложке, составляет d=(50,3± 0,5), соответст вующий толщине бислоя стеарата свинца [3].

Рис. 1. Изотермы сжатия монослоев стеари новой кислоты: 1 – на поверхности тридистилли рованной воды, 2 – на поверхности Рис. 2. а) Кривые рентгеновской рефлекто - 10 M Pb(NO3)2. метрии от пленки стеарата свинца;

б) рассчитан ный профиль электронной плотности для данной Исследования методом рентгеновской реф структуры.

лектометрии проводились на многофункцио нальном рентгеновском дифрактометреSmartLab Определен диапазон температур, в котором (Rigaku), источник – рентгеновская трубка с заметно уменьшается амплитуда брегговских вращающимся Cu анодом (8кэВ) мощностью 9 пиков, отвечающих периодичной структуре – кВт. Для монохроматизации и коллимации пучка (105 – 110)° C, что свидетельствует о размытии использовалось зеркало Гёбеля и щели Соллера. межслоевых границ в пленке (рис. 3). В даль Запись угловых зависимостей проводилась с ша- нейшем исследования проводились в указанном гом =0.01, время t=1 сек в точке. интервале температур.

Регистрировались угловые зависимости зеркальной компоненты рентгеновского отраже ния от полученных пленок после их нагревания до различных температур. Нагрев образцов про водился в сушильном шкафу, одновременно всей серии.В течение 15 мин они выдерживались при постоянной температуре. Далее образцы остыва ли при комнатной температуре в течение10 мин, после чего проводились рентгеновские исследо вания.

Рис. 3. Угловые зависимости зеркальной компо Результаты и обсуждения ненты рентгеновского отражения от пленки PbSt Проведенные исследования структуры пле- при различных температурах.

нок стеарата свинца методом рентгеновской ре- Изучено влияние наличия дополнительных флектометрии позволили восстановить профили слоев сополимера на температуру разрушения распределения электронной плотности, которые пленки стеарата свинца. Пленки PbSt2 и PbSt2 + показали наличие периодической структуры в CoPolPb одновременно нагревались в диапазоне нагревании структур не изменяется, что говорит температур (105 – 111)° C с шагом в 2°C по тем- о сохранении периода d полученных структур, пературе, после чего регистрировались угловые межслоевые границы становятся более размы зависимости зеркальной компоненты рентгенов- тыми, структура пленок ухудшается.

ского отражения от образцов. Кривые угловой Сравнение графиков зависимости нормиро зависимости зеркальной компоненты рентгенов- ванной интенсивности для брегговских макси ского отражения для пленки стеарата свинца, мумов от пленок стеарата свинца и пленок стеа покрытых сополимером и без него представлены рата свинца с дополнительными слоями сополи на рис. 4-5. мера, показало, что в указанном интервале тем ператур интенсивность брегговских максимумов от образца, покрытого сополимером, выше чем от образца, не покрытого сополимером.

Выводы Обнаружено, что при нагревании до темпе ратуры близкой к температуре разрушения об разцы стеарата свинца приобретают более упо рядоченную периодическую структуру. Это объ ясняется тем, что при нагревании (введении до Рис. 4. Угловые зависимости зеркальной компо- полнительного тепла в систему) происходит са ненты рентгеновского отражения от пленки PbSt2 моорганизация и упорядочение молекул в бисло на кремниевой подложке вблизи температуры ях за счет межмолекулярного взаимодействия.


разрушения. Температура, при которой происходит заметное ухудшение периодической структуры пленок стеарата свинца, ниже, чем для пленок стеарата свинца с дополнительными слоями сополимера.

Список литературы 1. Andrew J. Musser Le-Thu T. Nguyen, Eltjo J. Vorenkamp, Evgeny Polushkin, Gerrit ten Brinke, Arend J. Schoute, Annealing-Induced Changes in Double-Brush Langmuir-Blodgett Films of a-Helical Diblock Copolypeptides. Langmuir, 2010. 26(17): p.

14073-14080.

Рис. 5. Угловые зависимости зеркальной 2. Л.А. Фейгин В.В. Клечковская, компоненты рентгеновского отражения от плен- Кристаллография, 1998. 41(6): p. 975-982.

ки PbSt2+CoPolPb на кремниевой подложке вбли- 3. L. A. Feigin I. V. Turkatenko, T. V.

зи температуры разрушения. Bukreeva, I. V. Myagkov, E. G. Novoselova, I. S.

Smirnov, On the structure of Langmuir–Blodgett Для образцов PbSt2 и PbSt2 + CoPolPb ин superlattices of yttrium and lead stearate alternative тенсивность брегговских пиков начинает умень bilayers. Physica B, 2005. 357: p. 130–135.

шаться при нагреве от 105° С и от 107° C соот ветственно, однако их угловое положение при АНАЛИЗ СИГНАЛОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ВСПЛЕСК ПРЕОБРАЗОВАНИЯ М.В. Чукалина Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН, 142432, Московская обл., Черноголовка, ул. Институтская, д.6.

chukalinamarina@gmail.com например – функция Коши, функция Морле, Всплеск–преобразование, как Добеши и т.д. В докладе продемонстрировано, инструмент частотно-временного анализа, как выбор всплеска влияет на интерпретацию применяется во многих областях науки и результата, упрощая [2] или затрудняя [11] ее, техники. В некоторых случаях использование поскольку карта рассчитанных всплеск преобразования помогает уточнить (или коэффициентов содержит в себе всю подтвердить предложенную) физическую модель информацию о структуре образца.

формирования сигнала [1], вычислить параметры Второй вариант предполагает математической модели [2], подтвердить или использование модельного сигнала в качестве опровергнуть гипотезу о структуре/составе всплеска. В контексте доклада всплеск есть исследуемого объекта [3]. В докладе детально результат расчета модельного спектра EXAFS, рассмотрены несколько таких применений, например, с использованием программы FEFF сравниваются два метода частотно-временного [9], от некоторой идеальной структуры, анализа – с применением преобразования Фурье содержащей 2 атома: 1-ый атом – источник с окном и всплеск-преобразования, оценивается фотоэлектронной волны, 2-ой атом – их пространственное разрешение, для функции рассеиватель. Таким образом, результат расчета Морле проиллюстрировано влияние выбора ее всплеск-преобразования есть лишь ответ на параметров на пространственное разрешение. вопрос, является ли истинной гипотеза о Последним рассматривается вопрос наличии в структуре рассеивающего центра использования Wavelet Toolbox из пакета указанного вида в указанной геометрии. В MathLab для анализа сигналов и изображений. докладе рассмотрен алгоритм анализа В качестве примера для анализа рассчитанной карты всплеск-коэффициентов.

используется протяженная тонкая структура Поскольку динамика поведения образца, рентгеновского спектра поглощения, которая помещенного в разные условия, может дать формируется в результате интерференции дополнительную информацию о нем, в докладе фотоэлектронных волн, рассеянных разбирается пример анализа с применением “однократно” точечными рассеивателями всплеск-преобразования серии магнито (атомами) [4]. Задача состоит в том, чтобы после туннельных спектров, зарегистрированных при проведения анализа измеренного спектра разных температурах.

получить структурную информацию об исследуемом объекте, т.е. решить обратную [1] М.В. Чукалина, Х.Функе, Ю.В. Дубровский, задачу. Следует отметить, что интегральное Физ. Низк. Темп., том 30, N 11, 1235(2004).

выражение, которое связывает измеренные [2] H. Funke, A.C. Scheinost, and M. Chukalina, данные со структурной информацией, хорошо Phys. Rev., B 9, Vol. 71, 094110(2005).

известно [5-8]. Пакеты программ для расчета [3] Funke H., M. Chukalina, A. C. Scheinost, прямой задачи продолжают совершенствоваться Journal of Synchr. Rad., 14, 426(2006).

[9]. Однако, при анализе твердых тел в [4] Бабанов Ю.А., EXAFS спектроскопия - метод аморфном состоянии, субмикронных частиц или исследования локальной атомной структуры наногетероструктур метод подгонки часто не перспективных материалов, дает однозначного ответа о структуре, также как ИФМ УроРАН. http://www.imp.uran.ru/ru/dostizh/.

не дает однозначного ответа применение метода [5] Sayers D. E. & Stern E. A., Phys. Rev. Lett, 27, Фурье. В докладе рассматривается, в каких 1204(1971).

случаях перестает работать метод Фурье. [6] Stern E. A., Phys. Rev. B, 10, 3027(1974).

Алгоритм, применяющий метод Фурье с окном [7] Lytle F. W., Sayers D. E. & Stern E. A., Phys.

[10], представлен наряду с анализом ситуаций, в Rev. B, 11, 4825(1975).

которых применение алгоритма обосновано. [8] Stern E. A., Sayers D. E. & Lytle F. W.,Phys.

Два варианта применения всплеск- Rev. B, 10, 4836(1975).

преобразования разбираются в деталях. В [9] Ankudinov A. L., Ravel B., Rehr J. J. & первом варианте предлагается использовать в Conradson S. D., Phys. Rev. B, 58, 7565(1998).

качестве всплеска одну из библиотечных [10] Павлов В., М. Чукалина, Поверхность, 12, функций. Под библиотекой здесь понимаетеся 13(2009).

набор функций, используемых сегодня для [11] Muoz M., Argoul P., & Farges F., Am.

многих приложений всплеск-преобразования, Mineral. 88, 694(2003).

СТРУКТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ В КОСМИЧЕСКОМ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИИ И. Л. Шульпина2, В. И. Стрелов1, Ю. А. Серебряков1, И. А. Прохоров Филиал Института кристаллографии РАН НИЦ “Космическое материаловедение”, 248640, Калуга, ул. Академическая, д. 8, НИЦ КМ ФИК РАН Физико-технический институт имени А.Ф. Иоффе РАН, 194021, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 26, ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН e-mail: iren.shulpina@mail.ioffe.ru В 2011 г. исполняется 50 лет полету риментах «Скайлэб» методом направленной кри Ю.А. Гагарина. Это особая дата, отмечаемая во сталлизации на боковой поверхности слитков всем мире. Полет Гагарина – это поворотный наблюдались гребни, контактирующие со стен пункт в истории цивилизации. С этого времени ками ампулы, в то время как пространство между проводится углубленное, очень активное и раз- гребнями соответствовало бесконтактной кри ностороннее изучение космоса. Для человечества сталлизации. В выращенных в невесомости кри космос – новая среда со своими специфическими сталлах не было полос роста, наблюдалось луч свойствами, пока еще недостаточно изученными. шее, чем на Земле распределение примеси и бы На Земле из-за высокой гравитации велики ло меньше структурных дефектов. Была прове силы выталкивания, препятствующие получению дена бесконтактная кристаллизация InSb мето материалов, однородных по распределению ком- дом бестигельной зонной плавки, которая тоже понентов и фаз. Это проявляется в ликвации по подтвердила возможность получения кристаллов весу, что ограничивает получение композицион- с лучшей структурой, чем на Земле.

ных материалов из-за плохой смешиваемости Скорость массопереноса при получении компонентов. Термогравитационная конвекция твердых растворов GeSeTe, GeSSe, GeS из газо вызывает нестабильность параметров роста кри- вой фазы оказалась выше, и при анализе этих сталлов. данных был сделан вывод о том, что в полетных Управляемые и автоматические космиче- условиях отсутствовала гравитационная конвек ские аппараты позволяют осуществлять условия ция, но имели место другие типы конвекции, длительной невесомости, когда ускорение силы которые предстояло изучить.

тяжести g ~ (10–4 – 10–5)g0, где g0 – ускорение си- В целом первые полученные результаты лы тяжести на Земле. В этих условиях значи- обнадеживали, показав, что получение в услови тельно уменьшаются силы выталкивания и сни- ях невесомости более совершенных кристаллов маются или сильно снижаются вышеуказанные принципиально возможно. Однако у кристаллов ограничения. Поэтому интерес к космосу как твердых растворов Ge с 1 at % Si и 0,001 at % Sb, технологической среде очень велик. Не удиви- полученных направленной кристаллизацией на тельно, что вслед за полетом Гагарина на борту космическом комплексе «Аполлон-Союз» струк космических аппаратов начали проводиться тех- тура оказалась менее совершенной, чем у земных нологические эксперименты. Важность пробле- аналогов. Более того, в них была обнаружена мы получения кристаллов, особенно полупро- макронеоднородность в поперечном направле водников с высокой макро- и микрооднородно- нии и выявлено аномально несимметричное рас стью структуры и свойств стимулировала интен- пределение компонентов и микроструктуры от сивное исследование процессов, ответственных носительно продольной оси слитков. Микроне за формирование в них концентрационной неод- однородность тоже была больше [5,6]. Это тре нородности, ставшего важной частью экспери- бовало объяснения, тем более что в последую ментов по росту кристаллов в невесомости [1]. щих экспериментах, в том числе при выращива Целью первых технологических экспери- нии кристаллов методом бестигельной зонной ментов было исследование влияния невесомости плавки тоже наблюдалась поперечная неодно на процессы плавления и кристаллизации полу- родность в распределении примеси. Технологи проводников для получения фундаментальных ческие эксперименты на космических аппаратах данных о процессах, происходящих при кристал- продолжались. Благодаря им удалось найти при лизации и росте кристаллов в условиях малой чины и механизмы возникновения концентраци гравитации, чтобы на основании анализа этих онных макро- и микронеоднородностей в кри данных дать рекомендации по использованию сталлах. Было установлено, что эти неоднород космоса для получения материалов с лучшими ности обусловлены гидродинамическими эффек свойствами, чем на Земле [2–4]. тами в расплавах при направленной кристалли Первые исследования носили поисковый зации и связаны с действием малых сил гравита характер. Было обнаружено несколько новых ционной и инерциальной природы.

явлений. Так, при получении монокристаллов Физическая причина происхождения неод Ge(Ga), а также InSb(Te) в американских экспе- нородностей в методе направленной кристалли зации была установлена в результате исследова- водится в движущемся с постоянной скоростью ний конвективного тепломассопереноса в рас- осевом температурном поле без перемещения плаве путем численного моделирования. Было кристалла и нагревателя. Таким образом, устра показано, что в типичных условиях полета КА в няются неуправляемые вибрации от механизмов расплаве вследствие тепловой гравитационной перемещения. Была создана экспериментальная конвекции возникает концентрационное и тем- автоматизированная ростовая установка на базе пературное расслоение [5]. полетной печи «Зона-03» для выращивания кри Величина поперечных концентрационных и сталлов вертикальным методом Бриджмена с температурных неоднородностей определяется возможностью целенаправленно осуществлять интенсивностью конвективных течений и может вибрационные и другие воздействия на расплав в быть рассчитана. В настоящее время численное широком амплитудно-частотном диапазоне [7,8].

моделирование гидродинамических процессов Эксперименты проводились на сильнолеги получило интенсивное развитие. Теперь экспе- рованных кристаллах Ge(Ga). Для исследования рименты в космосе заранее просчитываются [6]. выращенных кристаллов привлекался комплекс В целом более чем 30-летний опыт прове- высокочувствительных и высокоразрешающих дения экспериментов по получению кристаллов в рентгеновских методов, включая плосковолно невесомости убедительно продемонстрировал вую топографию в сочетании с электрофизиче потенциальную возможность выращивания в скими и металлографическими методами.

космосе кристаллов с уникальными по микроод- Было показано заметное влияние на одно нородности характеристиками. В то же время родность кристаллов торсионных вибраций оп выход в космос не обеспечил автоматически по- ределенного диапазона частот и амплитуд, а лучение совершенных кристаллов. Многочис- также изменения ориентации оси выращивания ленные специфические факторы орбитального кристаллов относительно вектора силы тяжести.

полета (остаточные микроускорения, конвекция Оно проявляется в формировании полос роста, Марангони, вибрации, сложный характер изме- в генерации полос скольжения и малоугловых нения малых массовых сил и т.п.) оказывают границ, а также микровключений и характерного заметное влияние на ход процесса кристаллиза- неравномерного распределения дислокаций ции, значительно усложняя возможность полу- [9,10].

чения однородных и совершенных кристаллов. Выполненные исследования показали вы Концентрационные и структурные неодно- сокую эффективность физического моделирова родности отражают особенности тепломассопе- ния условий микрогравитации в наземной обста реноса вблизи фронта кристаллизации и являют- новке. Условия проведения наземных экспери ся в настоящее время основным источником ин- ментов при ослабленной термогравитационной формации, как об особенностях процесса кри- конвекции хотя и не обеспечивают полного по сталлизации, так и о возмущающих эффектах добия их условиям микрогравитации, но позво различных внешних факторов. Исследованию ляют сблизить структуру и интенсивность кон неоднородностей уделяется особое внимание, вективных процессов. В ряде случаев это дает поскольку служит основой совершенствования возможность не только прогнозировать результа технологий получения кристаллов с заданной ты экспериментов в космосе на основании пред структурой и свойствами. В результате прове- варительных расчетов, но и значительно при денных экспериментов стало ясно, что космос – этом экономить материальные затраты [11].

гораздо более сложная среда, чем ранее пред- Можно с уверенностью сказать, что под ставлялось. Получение кристаллов в нем с новы- тверждаются предположения и надежда, выска ми, недостижимыми в земных условиях свойст- занная учеными в начале технологических экс вами возможно, но требует высочайшего кон- периментов по выращиванию кристаллов на бор троля и управления многими параметрами. Не- ту космических аппаратов о том, что результаты обходимы дальнейшие исследования, которые космических эксперименты будут способство обходятся очень дорого. В 90-ые годы появилась вать не только получению новых фундаменталь идея физического моделирования условий малой ных знаний, но и совершенствованию земных гравитации на Земле. технологий.

При отработке наземных экспериментов для определения влияния вибрационных и дру гих динамических воздействий на расплав при [1] Мильвидский М.Г., Верезуб Н.А., Кар направленной кристаллизации было показано, тавых А.В., Копелиович Э.С., Простомоло что в наземных условиях возможна реализация тов А.И., Раков В.В. Выращивание монокристал ослабленной термогравитационной конвекции. лов полупроводников в космосе: результаты, На практике это достигается за счет преимуще- проблемы, перспективы. // Кристаллография. – ственно осевого подвода тепла к расплаву сверху 1997. – Т.42, № 5. – С. 913–923.

при создании малых радиальных температурных градиентов. Одновременно рост кристаллов про [2] Eyer A., Leiste H. Striation-free silicon [10] Прохоров И.А., Захаров Б.Г., Стре crystal by float-zoning with surface-coated melt. J. лов В.И., Ратников В.В., Шульпина И.Л. Концен Cryst. Growth, 71, (1985), pp. 249–252. трационные и структурные неоднородности [3] Иванов А.И., Земсков И.С., Куба- в монокристаллах Ge(Ga), выращенных сов В.Н. и др. Плавление, кристаллизация и фор- в условиях, моделирующих возмущающие фак мообразование в невесомости. Эксперимент торы микрогравитации // Поверхность. 2005. – “Универсальная печь” по программе “Союз” – № 6. – С.23–27.

“Аполлон”. М.: Наука. – 1979. – 256 с. [11] Захаров Б.Г., Волков П.К., Серебря [4] Catos H.C., Witt A.F., Lichtensteiger M., ков Ю.А., Стрелов В.И., Осипьян Ю.А. Пробле Hermann C.J. Interface marking in crystals. Experi- мы и перспективы получения в условиях микро ment MA-060 // Apollo – Soyuz Test Project, Sum- гравитации монокристаллов полупроводников с mary Science Report. V. 1. Washington. NASA. – высокой микрооднородностью свойств // По 1977. – P. 429–447. верхность. 2001. – № 9. – С.48–55.

[5] Полежаев В.И., Федюшкин Ф.И. Гидро динамические эффекты концентрационного рас слоения в замкнутых объемах // Изв. АН СССР.

Механика жидкости и газа. – 1980. – № 3. – С.11–18.

[6] Земсков В.С Новые научные представ ления о процессах, сопровождающих направлен ную кристаллизацию расплавов, – итог экспери ментов по выращиванию кристаллов полупро водников на космических аппаратах // Сборник трудов VII Российского симпозиума "Механика невесомости. Итоги и перспективы фундамен тальных исследований гравитационно чувствительных систем". 11–14 апреля 2000 г.

Москва. – C. 34–51.

[7] Сидоров В.С., Захаров Б.Г., Серебря- Автоматический космический аппарат «Фотон».

ков Ю.А., Стрелов В.И. Модернизированная ус тановка “Зона – 03” для роста кристаллов с мо делированием условий кристаллизации, харак терных для микрогравитации // Приборы и тех ника эксперимента. 1999. № 2. – С.148–152.

[8] Стрелов В.И., Захаров Б.Г., Сидо ров В.С., Безбах И.Ж., Артемьев В.К. Математи ческое моделирование и экспериментальные ис следования влияния вибраций и конвекции Ма рангони на микрооднородность кристаллов по лупроводников // Поверхность. 2005. № 10. – С.80–87.

[9] Prokhorov I.A., Shul'pina I.L., Strelov V.I., Zakharov B.G., Ratnikov V.V. Structural features of Ge(Ga) single crystals grown under conditions simu Международная космическая станция (МКС).

lating the microgravity perturbation factors. Phys.

stat. sol. (c), 2005, v. 2, №6, 1902–1906.

«Союз»–«Аполлон».

ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕСТВА ВОГНУТЫХ СФЕРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ СКОЛЬЗЯЩИМ ПУЧКОМ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И.В. Якимчук1, А.В. Бузмаков1, А.В. Андреев2, В.Е. Асадчиков Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН, 119333, Российская Федерация, г. Москва, Ленинский пр., дом 59.

Физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991, Российская Федерация, г. Москва, ул. Ленинские горы, д. 1., стр. e-mail: yaivan@list.ru Данная работа посвящена возможности отметить, что при таком повороте, зеркало исследования больших вогнутых поверхностей. постоянно остается в условиях возникновения Рассматриваемый в работе способ изучения эффекта шепчущей галереи.

таких поверхностей основан на эффекте шепчущей галереи. Этот эффект состоит в том, x 1. что акустическая или электромагнитная волна, падающая по касательной на вогнутую 1. поверхность, скользит вдоль неё за счет последовательных отражений. 1. Теоретическое описание эффекта 1. шепчущей галереи в рентгеновском диапазоне длин волн дано в работах [1-4]. Результаты экспериментальных исследований эффекта идеальная представлены в [5-11]. Идея использовать 0.8 поверхность эффект шепчущей галереи для исследования проекция (60°) шероховатости вогнутых поверхностей 0. предложена в [12-14]. Однако в этих работах для проекция (62°) 0. упрощения рассматривались лишь 0 2 4 6 8 10 цилиндрические поверхности. В [15] было показано, что с экспериментальной точки зрения Рис. 1. Теневые проекции для идеальной работать с вогнутой осе-симметричной поверхности (модель) и реальной поверхности поверхностью даже проще. Важным требованием (эксперимент) в разных угловых положениях с при этом является наличие широкого углового разницей в 2.



Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.