Быстро развивающимся направлением современных космических исследований является физика геокосмоса - верхней атмосферы, ионосферы и магнитосферы Земли. Специфика баз данных геокосмических спутниковых проектов определяется характером проводимых в космосе наблюдений - длительных сеансов регистрации параметров космической среды вдоль орбиты спутника (температуры, концентраций заряженных и нейтральных частиц, электрического и магнитного полей и т. д.; всего несколько десятков наименований параметров). Эти измерения привязываются к местоположению спутника, а поиск данных по запросам пользователей производится по условию пересечения орбитой спутника пространственно-временного окна, задаваемого пользователем. Отсюда вытекают специфические требования к структуре базы данных, к ее API и веб-интерфейсу. В Институте космических исследований НАН Украины и ГКА Украины ведутся работы по созданию центра сбора, обработки и распространения спутниковых данных, программно-аппаратный компонент которой получил наименование PROMIS. Центр создается в рамках подготовки миссий "Ионосат-Микро" и "Аэрозоль-UA", но его ресурсы также могут быть использованы для размещения данных других геокосмических миссий. Цель статьи - ознакомить экспертное сообщество с устройством информационной системы PROMIS (https://promis.ikd.kiev.ua) и получить отзывы об удобстве её использования и перспективах развития.

В работе обращается внимание научного сообщества на атмосферные гравитационные волны (ГВ) как наиболее вероятный механизм переноса энергии из приземных слоев атмосферы на космические высоты и описывается формируемый таким образом канал сейсмоионосферной связи. Обсуждены несколько основных механизмов воздействия на ионосферу снизу: распространение электромагнитных излучений; замыкание через ионосферу атмосферных токов; проникновение волн нейтральной атмосферы. Проанализированы теоретические и экспериментальные данные, касающиеся собственно ГВ. Приведены простые аналитические выражения для расчета параметров ГВ в конкретных экспериментальных условиях. Проанализирована специфика дисперсионных свойств ГВ и особенностей их распространения, исследованы процессы амплитудного усиления и диссипации ГВ с высотой, описан механизм генерации электромагнитных возмущений при пересечении ГВ динамо-слоя и определены количественные характеристики магнитодинамических возмущений ионосферы. В экспериментальной части проанализировано распределение ГВ на ионосферных высотах по данным спутника DE-2 и выполнен статистический анализ связи ГВ с землетрясениями. Результаты DE-2 подкреплены сравнением с ранее опубликованными данными миссии DEMETER.

Построена эвристическая модель для описания деформационных зависимостей полной интегральной интенсивности динамической дифракции в монокристаллах с микродефектами нескольких типов в случае преобладающего за счёт динамических эффектов и для дефектов первого класса по Кривоглазу вклада диффузной составляющей. В результате показана возможность существенного повышения структурной чувствительности и информативности развиваемого метода.

Построена эвристическая модель для описания деформационных зависимостей полной интегральной интенсивности динамической дифракции в монокристаллах с микродефектами нескольких типов в случае преобладающего за счёт динамических эффектов и для дефектов первого класса по Кривоглазу вклада диффузной составляющей. В результате показана возможность существенного повышения структурной чувствительности и информативности развиваемого метода.

Проведено экспериментальное изучение диагностических возможностей метода деформационных зависимостей (ДЗ) полной интегральной интенсивности динамической дифракции (ПИИДД) для монокристаллов с микродефектами в случае, когда диффузная составляющая ПИИДД может быть соизмеримой с ее когерентной составляющей или существенно превышать ее. Показано, что в этом случае ДЗ ПИИДД аномально чувствительны и уникально информативны при их использовании для определения характеристик микродефектов в многопараметрических монокристаллических системах.

С целью разработки подхода для диагностики несовершенств монокристаллов с помощью метода деформационной зависимости (ДЗ) полной интегральной интенсивности динамической дифракции (ПИИДД) предложена соответствующая эвристическая модель, справедливая в случаях, когда диффузная составляющая ПИИДД может быть соизмеримой с ее когерентной составляющей или существенно превышать ее. При этом измерения ДЗ ПИИДД при различных условиях дифракции и в разных областях деформации позволяют определять как параметры дефектной структуры, так и необходимые, изменяющиеся за счет дефектов характеристики ДЗ. В результате была создана упрощенная модель диагностики хаотически распределенных дефектов методом ДЗ ПИИДД при отсутствии сегодня строгой теоретической модели, необходимой для этого случая, но без использования при этом эталонных образцов.

Регистрация волновых процессов в атмосфере/ионосфере сталкивается с трудностью распознавания волновых возмущений на фоне мощных низкочастотных трендов атмосферных/ионосферных параметров. Общепринятым подходом к выделению волновых возмущений в таких условиях является исключение тренда из исходного ряда данных. Но различные методы аппроксимации тренда, используемые разными группами иследователей, порождают на выходе различные профили волн. Особенно заметно различия проявляются в спектральной области, в которой, в зависимости от метода вписывания тренда, усиливаются или подавляются различные частотные составляющие волнового процесса. Цель работы - построение корректного метода декомпозиции сигнала на тренд и волновой процесс для случая, когда тренд и волна разделены между собой в частотной области (что характерно, в частности, для акустических и гравитационных типов волн в термосфере Земли). Методы исследования - цифровая обработка сигналов и спектральный анализ. В работе развиты физические подходы и математический аппарат обработки данных. Верификация метода произведена на модельных наборах данных. Впервые поставлена и решена задача оценки погрешности, которую процедура декомпозиции сигнала вносит в характеристику волны. С этой целью анализ погрешности перенесен из пространственно-временной в спектральную область. В области масштабов атмосферных акустических и гравитационных волн погрешность разрешения спектра волн составляет 1 - 5 %. Указанная погрешность возникает из первых принципов (оценка частоты на конечном интервале накопления данных) и не может быть устранена за счет "более тщательной" обработки данных. Выяснена природа трудности декомпозиции сигнала на тренд и волну, которая обусловлена растеканием спектра тренда - артефактом цифровой обработки сигнала. Ключом к выделению волновых возмущений является двойная фильтрация данных. На первом этапе производится грубое исключение тренда, ставящее целью устранение перекрытия спектра тренда и волны при условии невнесения искажений в диапазон частот полезного сигнала. На втором этапе остаточный ряд данных пропускается через идеальный фильтр, настроенный на полосу частот волнового процесса. После соответствующей адаптации метод обработки данных, развитый в работе, может быть применен к анализу дистанционных наблюдений ионосферы и к анализу данных других областей исследований.

С использованием космических аппаратов (КА) "YuzhSat" предлагается реализовать научный проект в области исследования земной ионосферы - проект "КластерИон". Проект задуман как ответ на вызовы, поставленные современным развитием знаний о космической погоде и об откликах ионосферы на приземные источники энерговыделения. Наряду с этим проект "КластерИон" выступает продолжением предшествующих ионосферных спутниковых миссий, таких как "Dynamics Explorer 2" (1982 - 1984 гг.), "Freja" (1992 - 1993 гг.), DEMETER (2004 - 2010 гг.) и ныне готовящийся эксперимент "Ионосат-Микро" на спутнике "Микросат-М". Стержневой идеей проекта "КластерИон" является создание на высотах 400 - 600 км кластера из нескольких (целесообразно трех) КА, оснащенных комплексами научной аппаратуры для диагностики газоплазменных и электродинамических параметров космической среды. С этой целью предлагается адаптировать платформу "YuzhSat", по своим характеристикам оптимальную для проведения подобных измерений. Комплекс научной аппаратуры, идентичный для всех аппаратов в кластере, включает: ионный дрейфометр ID, обеспечивающий регистрацию концентрации, температуры и трех составляющих скорости дрейфа ионного компонента плазмы; зонд температуры и концентрации электронного компонента плазмы ЕТР; магнитно-волновой комплекс MWCe составе трехкомпонентного феррозондового магнитометра FM, трехкомпонентного индукционного магнитометра IM и двух зондов электрического потенциала плазмы ЕР для регистрации одного компонента электрического поля.

Індекс рубрикатора НБУВ: Д244.61

Рубрики:

Іоносфера

Шифр НБУВ: Ж14846 Пошук видання у каталогах НБУВ 

Построена обобщенная теоретическая модель формирования трехосевым способом фазоконтрастных изображений неоднородных некристаллических объектов произвольной формы. В модели самосогласованно учтены аналитически эффекты полной многократности рассеяния ентгеновских лучей как на периодических или постоянных (однородных в среднем), так и впервые на флуктуационных составляющих восприимчивости объектов. При этом учтена полная многократность и в монокристаллах монохроматора и анализатора, и в исследуемом объекте. Использование модели и разработанных на ее основе фазовариационных принципов формирования и интерпретации изображений позволяет аналитически описать наблюдаемое экспериментально повышение на несколько порядков чувствительности и обеспечивает возможность решения обратной задачи и при этом проблемы информативности неразрушающей многопараметрической диагностики.

Проведен детальный анализ физической природы и разработаны методические основы диагностики с использованием обнаруженного авторами эффекта асимметрии азимутальной зависимости полной интегральной интенсивности динамической дифракции рентгеновских лучей, нормированной на азимутальную зависимость интегральной интенсивности динамической дифракции идеального кристалла. С учетом того, что эта асимметрия появляется за счет интерференции лучей, дифрагированных в кинематически и динамически рассеивающих слоях, и растет с увеличением толщины кинематически рассеивающего слоя, созданы и реализованы практически основы неразрушающего метода экспериментального определения толщин таких слоев.

Разработан и реализован практически на основе использования обнаруженных эффектов асимметрии азимутальной зависимости полной интегральной интенсивности динамической дифракции подход для неразрушающей диагностики профиля неоднородного распределения микродефектов в монокристаллах. В частности, впервые получен профиль распределения микродефектов (преципитатов и дислокационных петель без ограничений на их размеры) по глубине динамически рассеивающего слоя монокристалла, а также показана принципиальная возможность и фактически определена кинетика изменения его сложной структуры после обработки высокоэнергетическими электронами.

Обсуждены результаты обнаружения и раскрытия физической природы нового эффекта асимметрии азимутальной зависимости полной интегральной интенсивности динамической дифракции (ПИИДД) рентгеновских лучей за счет не нарушенного поверхностного слоя (НПС), что описано авторами в предыдущей работе, а крупных дефектов (соизмеримых с длиной экстинкции рентгеновских лучей). Такой новый эффект асимметрии обусловлен уменьшением диффузной составляющей ПИИДД за счет полного в области брэгговского пика отражения этой составляющей, относительный вклад которого увеличивается с ростом размера дефектов. При этом такая асимметрия оказалась имеющей противоположный знак в сравнении с вызванной НПС, что принципиально улучшает диагностические функциональные возможности при совместном использовании этих эффектов. Обсуждены также результаты создания на основе обнаруженных двух эффектов асимметрии метода многопараметрической диагностики одновременно и толщины НПС, и характеристик дефектов без ограничений на их размеры и количество их типов.

Получены выражения для динамического фактора Кривоглаза - Дебая - Валлера с учетом дисперсионного механизма проявления дефектов в картине многократного рассеяния. Показано существенное отличие динамического и кинематического факторов, что важно учитывать при построении самосогласованной динамической теории рассеяния. Установлена зависимость динамического фактора от условий дифракции. Такая зависимость обуславливает дополнительное влияние условий дифракции на характер зависимости картины рассеяния от характеристик и типа дефектов в кристалле, и его учет впервые позволит количественно адекватно разделять их вклад в интенсивность и существенно повышать информативность и надежность диагностики.

Построена обобщенная модель дисперсионно чувствительной дифрактометрии неидеальных кристаллов, позволяющая проводить анализ дифференциальных и интегральных картин рассеяния для произвольных эффективных толщин кристалла. Введен параметр, характеризующий эффект аномального роста относительного вклада диффузного рассеяния. Предложенная теоретическая модель может обеспечить решение обратной многопараметрической задачи восстановления характеристик сложных дефектных структур в монокристаллах, применяемых в современных нанотехнологиях.

В предыдущей работе авторов обсуждалось открытое ими неизвестное ранее явление управляемого условиями дифракции дисперсионного усиления на несколько порядков величины (в сравнении с традиционным кинематическим случаем диагностики) проявления дефектов в статистической картине динамического (многократного) рассеяния. В данной работе обсуждены наиболее важные следствия из этого открытого явления, которые обеспечили возникновение эффектов чувствительности (и при этом уникальной) к несовершенствам кристаллов полной (брэгговской и диффузной) интегральной интенсивности динамической дифракции (ПИИДД) и аномального вклада ее диффузной составляющей, а также чувствительности к характеристикам дефектов появившихся сильных зависимостей ПИИДД от условий дифракции. Обсуждены новые возможности и примеры использования измерений ПИИДД, вклада ее диффузной составляющей и их зависимостей от различных условий динамической дифракции для неразрушающей экспрессной высокочувствительной и информативной диагностики несовершенств структуры многопараметрических систем.

На основе построенной в первой части работы обобщенной модели дисперсионночувствительной дифрактометрии неидеальных кристаллов произвольной толщины проведен анализ дифференциальных и интегральных картин рассеяния для широкого интервала эффективных толщин кристалла. Установлены дисперсионная природа и количественные особенности управляемого условиями дифракции изменения относительного вклада диффузного рассеяния, в частности, в зависимости от эффективной толщины динамически рассеивающего неидеального монокристалла, а также продемонстрированы возможности существенного повышения за счет увеличения этого вклада информативности и чувствительности динамической дифрактометрии дефектов. Показано, что максимальные информативность и чувствительность к дефектам за счет роста этого вклада наблюдаются в области промежуточных значений эффективной толщины кристалла. Даны практические рекомендации по выбору оптимальных комбинаций условий динамической дифракции и различных методик (интегральных и дифференциальных), обеспечивающих решение обратной многопараметрической задачи восстановления параметров сложных дефектных структур в монокристаллических изделиях современных нанотехнологий.

Проведен квантово-механический количественный анализ возможностей повышения чувствительности и информативности картины многократного рассеяния к несовершенствам структуры кристаллов за счет использования дисперсионных эффектов колоссального усиления структурно чувтвительных зависимостей дифракционной картины от различных условий дифракции. Установлено появление за счет дисперсионного механизма эффектов взаимосвязанности указанных зависимостей картины от различных условий между собой и с зависимостями от характеристик дефектов и в результате изменения избирательности чувствительности этих зависимостей к дефектам какого-либо типа при вариации условий дифракции. Это существенно расширило возможности применения целенаправленно комбинированной обработки дифрактометрических данных в различных условиях дифракции для повышения информативности многопараметрической диагностики.

Індекс рубрикатора НБУВ: К291.063.3

Шифр НБУВ: Ж14161 Пошук видання у каталогах НБУВ 

Проведено обсуждение открытого авторами неизвестного ранее явления усиления на несколько порядков величины проявления дефектов в статистической картине многократного рассеяния, возможностей использования этого явления, а также установленной авторами его дисперсионной природы. Отмечено, что в отличие от статистической кинематической теории (приближение однократного рассеяния), в которой дефекты проявляют свое влияние только на амплитуды рассеянных волн (амплитуды рассеяния), при многократном (динамическом) рассеянии дополнительно формируется принципиально новый механизм влияния искажений не на амплитуды, а на волновые вектора рассеянных волн. Обнаруженный механизм экспоненциально более эффективный за счет влияния дефектов непосредственно на показатель экспоненты (на фазу волновой функции), а характер этого влияния дефектов оказывается управляемым условиями дифракции (длина волны, толщина объекта, геометрия и углы дифракции и др.). В случае наиболее простой и экспрессной интегральной дифрактометрии обсуждаются установленные ранее авторами два закона сохранения (т.е. независимости от характеристик искажений кристаллов) первого параметра кинематической теории интегральных интенсивностей, а именно, полной (брэгговской и диффузной) интегральной интенсивности рассеяния, и сохранения (т.е. независимость от условий дифракции) второго параметра кинематической теории интегральных интенсивностей, а именно, вклада диффузной составляющей в полную интегральную интенсивность. Демонстрируется, что эти законы оказываются справедливыми в случае кинематического рассеяния и существенно ограничивают чувствительность и информативность кинематической картины рассеяния. В то же время обнаруженный дисперсионный механизм влияния дефектов на картину многократного рассеяния приводит к ориентационо-интерференционным эффектам в отражательной и поглощательной способностях кристаллов, что обусловливает нарушение этих законов сохранения при переходе к случаям многократного рассеяния и обеспечивает этим уникальные показатели чувствительности и информативности диагностики на основе измерений полной интегральной интенсивности динамической дифракции и ее диффузной составляющей, а также их зависимостей от дифракционных условий. В результате открытое явление и целый ряд являющихся следствием из него эффектов, а также их дисперсионная природа позволили существенно расширить функциональные возможности диагностики и создать целый ряд методов нового поколения, которые не только на несколько порядков величины повысили чувствительность, но и позволили решить проблему однозначной диагностики многопараметрических систем путем комбинирования измерений картины многократного рассеяния в различных условиях дифракции.