Том 23, № 2 (2023)

Обложка

Весь выпуск

Статьи

Моделирование рассеивающих свойств блочных метаповерхностей в диапазоне 16–25 ГГц и сравнение с экспериментальными результатами

Мазинов А.С., Падалинский М.М., Болдырев Н.А., Старосек А.В.

Аннотация

Метаповерхности – это поверхности, состоящие из элементарных резонаторов, переизлучающих падающие волны СВЧ-диапазона. Изменяя параметры и размещение этих резонаторов, можно настраивать электрические свойства метаповерхностей в целом. Это позволяет получить ряд практически важных характеристик, труднодостижимых при использовании обычных ослабляющих покрытий, и потому перспективных в задачах экранирования электронных устройств и ослабления отражённого сигнала. Поскольку возможных конфигураций резонаторов много, для эффективного сравнительного анализа необходимы численные эксперименты. Объектом данного исследования являются метаповерхности, состоящие из полосковых прямоугольных резонаторов, расположенных на диэлектрической подложке в шахматном порядке в двух конфигурациях. Задачей исследования было получение диаграмм рассеяния в численных экспериментах и сравнение их с реальными структурами. В работе проводится компьютерное моделирование взаимодействия метаповерхностей с СВЧ полем, с последующим сравнением с результатами эксперимента с реальными структурами. Для моделирования использовался пакет CST Studio с использованием time domain solver. Расчёты проводились для нескольких частот в диапазоне 16–25 ГГц. Полученные результаты показывают, что величина нормальной составляющей отраженной электромагнитной волны падает при приближении частоты падающего излучения к резонансной. Также наблюдаются боковые лепестки, величина которых зависит от частоты. Диаграммы рассеяния, полученные на реальных образцах, показывают те же характерные особенности, а имеющиеся различия объясняются физическими особенностями приемной антенны, а также наличием дифракционных явлений. Обе рассмотренные структуры продемонстрировали высокие показатели рассеяния падающей волны, что наглядно демонстрирует перераспределение центрального лепестка на диаграммах. Сравнение показало, что промоделированные метаструктуры имеют схожие тенденции с экспериментальными диаграммами.
Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2023;23(2):102-111
pages 102-111 views

Фазочувствительное усиление оптического сигнала в боковых полосах модуляционной неустойчивости при одночастотной накачке

Конюхов А.И., Мельников Л.А.

Аннотация

Модуляционная неустойчивость является распространенным явлением в физике нелинейных волн. Данный эффект проявляется в виде экспоненциального роста малых гармонических возмущений вокруг несущей частоты волнового пакета. Для возникновения модуляционной неустойчивости необходимо наличие кубической нелинейности и аномальной дисперсии групповой скорости. В оптических волокнах с периодическим изменением дисперсии модуляционная неустойчивость может возникать как в режиме аномальной, так и нормальной дисперсии. В статье рассмотрен процесс модуляционной неустойчивости при взаимодействии сигнальной волны, холостой волны и мощной волны накачки. Модуляция дисперсии приводит к возникновению резонансных полос усиления. Их положение определяется периодом модуляции дисперсии. На основе численного решения укороченных волновых уравнений авторами статьи показано, что фазочувствительное усиление может наблюдаться в боковых полосах модуляционной неустойчивости. Параметрический коэффициент усиления зависит как от фаз взаимодействующих волн, так и от фазы модуляции дисперсии. В зависимости от соотношения между фазами реализуется либо режим усиления, либо режим ослабления сигнальной волны. Такой эффект позволяет управлять положением частотных полос ослабления сигнала в пределах одной полосы модуляционной неустойчивости. Показано, что использование оптических волокон со сложным профилем модуляции дисперсии позволяет формировать широкую полосу усиления. В качестве примера рассмотрено волокно с модуляцией диаметра, определяемой суперпозицией трех синусоид с различной амплитудой, фазой и периодом модуляции. Показано, что в пределах одной полосы усиления возможно возникновение нескольких узких полос ослабления сигнала. Положение полос ослабления сигнала определяется фазами взаимодействующих волн.
Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2023;23(2):112-119
pages 112-119 views

Ex vivo исследование кинетики оптических свойств тканей яичников под действием 40%-глюкозы

Cелифонов А.А., Рыхлов А.С., Тучин В.В.

Аннотация

Предыстория и цели. Репродуктивная система женщин является предметом разнообразных междисциплинарных исследований во всем мире – это онкологические заболевания, бесплодие неуточненной природы, криоконсервация яичников для сохранения фертильности, совершенствование ранней диагностики заболеваний и др. Выяснение механизмов диффузии тканевой воды и гиперосмотических агентов в тканях лютеиновой фазы яичников, контролируемых ангиогенными факторами роста, может приблизить нас к пониманию биофизических процессов в целом. Материалы и методы. В работе использовались спектроскопия диффузного отражения, модель свободной диффузии и модифицированный закон Бугера–Ламберта–Бера. Результаты. Определены коэффициент диффузии 40%-ной глюкозы/тканевая вода в ткань яичника лютеиновой фазы D и время диффузии τ, которое составило D = (8.6 ± 1.4)×107 см2 /с и τ = 50.4 ± 1.7 мин при толщине образца (0.8 ± 0.1) мм. Определена эффективность оптического просветления тканей яичников кошки при иммерсии 40%-ной глюкозы. Выводы. Исследования показали, что 40%-ная глюкоза является эффективным оптическим просветляющим агентом для местного применения при дифференциации нормальных и патологических тканей яичников и в клинических применениях.

Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2023;23(2):120-127
pages 120-127 views

Оценка пространственно-временной неоднородности двухмерных изображений на примере фотоплетизмографической визуализации гемодинамики

Сагайдачный А.А., Волков И.Ю., Цой М.О., Фомин А.В., Майсков Д.И., Антонов А.В., Залетов И.С., Скрипаль А.В.

Аннотация

В процессе обработки серии двухмерных изображений в пространственно-временной и частотно-временной областях возникает проблема отображения многомерных результатов на двухмерной плоскости. При реализации частотно-временного анализа каждую точку объекта характеризует функция двух аргументов, поэтому для визуализации результатов на двухмерной плоскости необходимо уменьшение размерности данных. В настоящей работе описан метод цветового картирования корреляции спектральных характеристик в каждой точке двухмерного динамического изображения. Новизна предложенного метода состоит в использовании функции вейвлет-корреляции сигнала опорной (референсной) зоны с сигналами во всех других зонах интереса объекта. При этом значение корреляции кодируется цветом и формирует корреляционную карту в каждом из анализируемых частотных диапазонов. Это позволяет выделить зоны, имеющие похожие частотно-временные спектры исследуемой характеристики объекта. Применение предложенного метода рассмотрено на примере анализа микрогемодинамики кисти здорового человека с помощью фотоплетизмографической визуализации. Анализ проведен в диапазоне частот (0.005–2 Гц), охватывающем как сердечные (пульсовые), так и более низкочастотные гемодинамические колебания дыхательного, миогенного, нейрогенного и эндотелиального диапазонов. В целом отмечается тенденция к уменьшению корреляции спектров при удалении от референсной зоны и при уменьшении анализируемой частоты сигнала. Показано, что фотоплетизмографические сигналы, регистрируемые в области дистальной фаланги пальца, репрезентативны преимущественно в отношении пульсовых колебаний микрогемодинамики других зон кисти (корреляция около 0.7) и в значительно меньшей степени в отношении эндотелиальных, нейрогенных, миогенных и дыхательных колебаний (корреляция около 0.4). Вследствие установленной высокой пространственной неоднородности спектральных характеристик рекомендуется при использовании контактных фотоплетизмографических измерений использовать несколько опорных зон. Рассмотренный способ визуализации пространственной корреляции спектральных характеристик может найти практическое применение также в области анализа гемодинамики методами лазерной допплеровской, лазерной спекл-контрастной, термографической или гиперспектральной визуализации.
Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2023;23(2):128-140
pages 128-140 views

Конкурентные двунаправленные пути регуляции тонуса сосудов воздействием метаболитов арахидоновой кислоты

Вервейко Д.В., Верисокин А.Ю., Лагоша С.В., Браже А.Р.

Аннотация

Предпосылки и цели: Процессы, происходящие в каждом элементе нейроглиоваскулярной единицы, будут иметь последствия для всей структурной единицы. Астроциты продуцируют арахидоновую кислоту, и её метаболиты играют ключевую роль в нейроглиоваскулярной динамике благодаря возможности двунаправленного контроля, в частности EETs и PGE2 оказывают сосудорасширяющее действие, а 20-HETE действует как вазоконстриктор. Для учёта влияние метаболитов арахидоновой кислоты на радиус кровеносных сосудов разработана минималистическая модель нейроглиоваскулярной единицы, определяющая кровоток и активность элементов. Материалы и методы: Для проверки модели используются два сценария ее поведения, включая внешнее воздействие, приводящее к увеличению нейронального калия, и внешнее воздействие на EETs. Результаты: Предложена новая математическая модель нейроглиоваскулярной единицы, включающая в себя уравнения, описывающие IP3-зависимую кальциевую динамику в астроците, нейронную активность, васкулярную динамику с учётом синтеза арахидоновой кислоты и её производных. Проведена численная проверка работоспособности модели, показавшая, что она успешно воспроизводит известные пути регуляции активности элементов нейроглиоваскулярной единицы, связанные с влиянием метаболитов арахидоновой кислоты на тонус сосудов и опосредованно на синаптическую активность. Модель может быть использована для дальнейших теоретических исследований функционирования нервной ткани головного мозга и, в частности, механизмов перфузии.

Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2023;23(2):141-149
pages 141-149 views

Флуоресцентные наноразмерные дендримеры ПАМАМ: одностадийное образование ярко-синего флуорофора на концевых группах и его оптические свойства

Мордовина Е.А., Берденкова В.А., Бакал А.А., Цюпка Д.В., Кокорина А.А., Подколодная Ю.А., Горячева О.А., Горячева И.Ю.

Аннотация

Полиамидоаминовые дендримеры (ПАМАМ) представляют собой наноразмерные монодисперсные соединения с многофункциональной концевой поверхностью. Структурные особенности ПАМАМ, такие как наноразмерность высокой однородности, сильно развитая концевая поверхность и полости в структуре, открывают широкие возможности для их применения. Наиболее интересным является использование ПАМАМ в биомедицинских целях, в частности для адресной доставки лекарственных препаратов (например, противоопухолевых). Взаимодействие ПАМАМ с клетками-мишенями можно оценить с помощью флуоресцентной визуализации. Это предполагает предварительную модификацию ПАМАМ различными флуоресцентными молекулами или разработку подходов для увеличения собственной флуоресценции ПАМАМ. В данной работе предложена и реализована одностадийная модификация ПАМАМ ярко-синим флуорофором (1,2,3,5-тетрагидро-5-оксо-имидазо[1,2-а] пиридин-7-карбоновая кислота, ИПКК), который образуется в результате реакции двойной циклизации концевых групп ПАМАМ и лимонной кислоты. Показано, что в результате модификации гидродинамический радиус ПАМАМ не изменяется, значительно увеличивается интенсивность флуоресценции (квантовый выход увеличивается с <1 до 28 %), ζ-потенциал изменяется с 42 ± 5 до −24 ± 4 мВ.

Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2023;23(2):150-156
pages 150-156 views

Систематика параметров кулоновских барьеров, вычисленных с использованием М3Y нуклон-нуклонных сил, в реакциях с тяжёлыми ионами

Гончар И.И., Чушнякова М.В., Хмырова Н.А.

Аннотация

В литературе сечения слияния (захвата в орбитальное движение) для сложных сферических ядер часто вычисляются с помощью характеристик барьера, соответствующего лобовому столкновению: высоты барьера, его радиуса и жёсткости. В настоящей работе мы рассчитываем эти величины систематически в рамках модели двойной свёртки. В качестве эффективного нуклон-нуклонного (NN) взаимодействия используется парижское M3Y взаимодействие с нулевым радиусом обменной части. Её амплитуда варьируется так, чтобы воспроизводить высоту барьера, полученного при использовании обменной части с конечным радиусом взаимодействия и плотностной зависимостью NN-взаимодействия. Для нуклонных плотностей использовано два варианта. Первый (V-опция) основан на экспериментальных зарядовых плотностях. Второй (C-опция) – это протонные и нейтронные плотности, вычисленные с помощью подхода Хартри–Фока–Боголюбова и опубликованные МАГАТЭ. Для обеих опций нами построены аналитические аппроксимации высоты барьера, его радиуса и жёсткости. Точность этой аппроксимации составляет около 3% для высоты барьера и около 10% для жёсткости. Предложенные аппроксимации могут быть полезны всем для быстрой оценки сечений захвата с помощью модели параболического барьера.

Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2023;23(2):157-166
pages 157-166 views

Корреляционные соотношения для графена и его тепловое излучение

Давидович М.В., Глухова О.Е.

Аннотация

Рассмотрено тепловое излучение листа графена, а также поглощаемая указанным листом мощность на единицу поверхности в термодинамическом равновесии с вакуумным излучением. Из сравнения этих величин установлены корреляционные соотношения для флуктуаций поверхностной плотности тока в графене и в аналогичном ему 2D проводящем листе, описываемым поверхностной проводимостью. Указанные соотношения следует использовать в теории дисперсионного взаимодействия структур с графеном, используя метод Рытова–Левина и Лифшица введения флуктуационных источников в уравнения Максвелла. Также рассмотрен радиационный теплообмен листов графена при разных температурах. 
Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2023;23(2):167-178
pages 167-178 views

Исследование процесса перекристаллизации микрочастиц карбоната кальция, выращенных на волокнах поликапролактона, с помощью сканирующей электронной микроскопии и рентгеновской дифракции

Короневский Н.В., Иноземцева О.А., Сергеева Б.В., Ушаков А.В., Сергеев С.А.

Аннотация

Представлен метод минерализации нановолокон поликапролактона микрочастицами карбоната кальция (ватерита). Предложенный композитный материал может быть использован в качестве тканеинженерного каркаса и средства доставки лекарственных веществ для регенеративной медицины. С помощью сканирующей электронной микроскопии и рентгеновской дифракции исследован процесс перекристаллизации микрочастиц ватерита, сформированных на волокнах поликапролактона, в кальцит. Проведено сравнение зависимостей массовых и количественных долей микрочастиц ватерита/кальцита от продолжительности эксперимента. Полное время перекристаллизации микрочастиц ватерита со средним диаметром 1.2 ± 0.4 мкм составляет 24 часа, а эффективное время их использования в качестве контейнера для адресной доставки лекарственных средств ограничено 18 часами. 
Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2023;23(2):179-187
pages 179-187 views

Необратимость времени и обратимость движения в динамических уравнениях физики

Цой В.И.

Аннотация

Уравнения непрерывной динамики частиц и волн допускают решения с обратным следованием частиц по траекториям и волновых фронтов при инверсии времени. В связи с этим принято говорить, что эти уравнения обратимы и в них нет различия между прошлым и будущим. Однако возможна другая интерпретация, согласно которой инверсия времени служит только теоретическим методом, формально прорисовывающим реальные обратные движения. Согласно такой интерпретации физические законы непрерывного движения содержат в себе необратимость времени. Как прямое, так и обратное движение по конфигурациям в пространстве происходят с течением времени только в будущее.
Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2023;23(2):188-194
pages 188-194 views

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах