Recent Contributions to Physics

Физические основы гиперспектрального зондирования

2025-06-17T10:44:38+00:00

Гиперспектральные технологии объединяют спектрофотометрические методы и методы формирования изображений, что позволяет исследовать спектральный состав излучения, исходящего от объекта. Данные технологии широко используются в различных областях науки и техники. В последние годы особенно активно гиперспектральная визуализация используется в агрономии для диагностики заболеваний растений и выявления биологических аномалий. Данная работа посвящена сравнительному анализу основных типов гиперспектральных камер: дисперсионных, интерферометрических, а также и фильтрующих. Анализируются их характеристики, а также физические принципы, лежащие в основе получения гипреспектральных изображений. Выбор оптимального типа гиперспектральной камеры зависит от конкретных требований приложения. Дисперсионные камеры характеризуются высокой скоростью регистрации и широким спектральным охватом, однако требуют массивных оптических компонентов и значительных затрат. Интерферометрические системы обладают высокой спектральной чувствительностью, но их применение ограничивается зависимостью от стабильности освещения. Фильтрующие камеры обеспечивают гибкость настройки и потенциальную компактность, однако могут иметь механические и спектральные ограничения, обусловленные характеристиками фильтра. В данной работе представлен обзор основных типов гиперспектральных камер, их ключевых характеристик и областей практического применения.

Роль времени синтеза в формировании морфологии и структуры углеродных наностен

2025-07-01T07:42:03+00:00

Углеродные наностены (УНС), уникальный класс вертикально ориентированных наноструктур на основе графена, привлекли значительное внимание из-за их многообещающих применений в технологиях хранения энергии, электронике и сенсорных технологиях. Эти материалы сочетают в себе большую площадь поверхности, превосходную электропроводность и настраиваемую морфологию, что делает их идеальными для ряда функциональных устройств. Однако контроль их структурной эволюции во время синтеза остается критической проблемой. Целью данного исследования является систематическое изучение влияния продолжительности синтеза на морфологические, структурные и оптические свойства УНС, выращенных на кремниевых подложках с использованием емкостно-связанного плазменно-химического осаждения из паровой фазы (CCP-PECVD). Исследование сосредоточено на понимании того, как изменения во времени роста влияют на формирование УНС, плотность дефектов и характеристики поверхности, которые необходимы для адаптации характеристик материала. УНС были синтезированы в течение четырех различных продолжительностей — 30, 60, 90 и 120 минут — и охарактеризованы с помощью СЭМ, АСМ, КРС и анализа отражения в УФ-видимом диапазоне. Результаты демонстрируют четкую эволюцию морфологии и структуры УНС со временем: от редких и неупорядоченных особенностей через 30 минут до плотных, лепесткообразных графитовых стенок через 120 минут. Анализ Рамана показал увеличение плотности дефектов со временем, за которым следует частичная графитизация при более длительных длительностях. Оптические измерения выявили снижение отражательной способности с увеличением времени синтеза, что указывает на улучшение улавливания света и шероховатости поверхности.

Раскрытие сложности дорожных пробок: взгляд с точки зрения элементарных клеточных автоматов и статистической физики

2025-06-16T10:04:16+00:00

Модель Нагеля–Шреккенберга (NaSch) является фундаментальной клеточной автоматной моделью для описания динамики дорожного движения на автомагистралях. Несмотря на простоту, модель воспроизводит ключевые особенности реального трафика, включая спонтанное возникновение волн «стоп-и-го» и фантомных пробок. В данной работе исследуется критический переход от свободного движения к заторам при увеличении плотности транспортного потока. На основе обширных численных экспериментов на больших системах анализируются стационарные наблюдаемые величины, такие как средняя скорость, интенсивность движения, дисперсия скоростей и количество заторных кластеров. В обоих случаях — на микроскопическом и макроскопическом уровнях — наблюдается резкий переход, при этом флуктуации скорости достигают максимума вблизи критической плотности, указывая на начало формирования пробок. Для интерпретации этого поведения разработан теоретический среднеполевой подход, предсказывающий критическую точку перехода на основе взаимодействия транспортных средств и стохастического торможения. Теоретический прогноз хорошо совпадает с численным положением пика дисперсии скоростей. Кроме того, исследуется формирование и слияние заторов, при котором на более высоких плотностях наблюдается второй пик числа пробок, связанный с объединением малых кластеров в крупномасштабный застой. Эти результаты дают количественное понимание перехода к пробкам в транспортных потоках и подчеркивают значимость теории фазовых переходов в неравновесных системах для транспортных исследований. Таким образом, модель NaSch служит парадигматическим примером того, как простые локальные правила могут порождать коллективные явления и критическое поведение.

Численное моделирование задачи Кеплера в Wolfram Mathematica

2025-08-29T09:47:57+00:00

В данной работе мы рассматриваем классическую задачу Кеплера, подчеркивая её фундаментальные особенности, следствия и широкие приложения в небесной механике и астрофизике. Задача Кеплера, описывающая движение тел под действием закона всемирного тяготения Ньютона, остаётся краеугольным камнем классической механики и продолжает играть важную роль в современной космической науке. В педагогических и иллюстративных целях мы используем Wolfram Mathematica для визуализации различных примеров движения планет в Солнечной системе. Такой вычислительный подход позволяет подчеркнуть связь между теорией и численным моделированием, предоставляя учащимся и исследователям наглядный инструмент для изучения орбитальной динамики. Задача Кеплера формулируется и решается численно, и мы показываем, как изменения начальных условий - таких как положение и скорость пробных тел - приводят к различным траекториям движения. В качестве наглядных примеров рассматривается движение Земли и отдельных искусственных спутников в гравитационном поле Солнца, что демонстрирует практическую значимость этих моделей для проектирования миссий и предсказания орбит. Кроме того, подробно анализируются эллиптические орбиты и численно подтверждается сохранение орбитального момента и полной механической энергии. Мы также проверяем все три закона Кеплера в рамках численного моделирования, показывая их согласованность с траекториями, вытекающими из ньютоновской теории тяготения. Полученные результаты могут применяться на разных уровнях образования. Они полезны как для углубленных школьных программ по физике и астрономии, так и для университетских курсов и лабораторных занятий по физике, астрономии, математике и инженерным дисциплинам. Помимо педагогической ценности, представленная методология служит простым, но эффективным инструментом для начала исследовательской деятельности. В целом данное исследование объединяет классическую теорию, вычислительные методы и современные приложения в космической науке.

Использование эффективных потенциалов взаимодействия для исследования горячей тепловой релаксации, индуцированной ионной и электронной температурой горячей плазмы DT, D3He и P11B

2025-05-19T13:16:45+00:00

В данной работе бинарная модель и подход эффективных потенциалов взаимодействия используются для исследования горячей тепловой релаксации, индуцированной температурой плотной плазмы. Эта модель важна для термоядерного горения, особенно для неизотермических плотных плазменно-горячих топлив, таких как DT (нейтронный генератор). Поэтому мы впервые использовали разработку этой модели для физического описания двух безнейтронных топлив D³He и P¹¹B. В данном исследовании мы рассматриваем температуры электронов (Te) и ионов (Ti) по отдельности, поскольку температура внутри электронной и ионной подсистем достигает равновесия гораздо быстрее, чем температура между электронами и ионами. Это явление возникает из-за разницы в массах ионов и электронов. Поскольку моделирование и расчёты для термоядерного синтеза в условиях удержания чрезвычайно сложны из-за множества различных физических процессов, которые происходят, и для выполнения этих расчётов требуется значительное время, мы впервые применили в данном исследовании метод эффективных потенциалов взаимодействия, поскольку этот метод может обеспечить точные и быстрые расчёты для плотной плазмы. Эффективные потенциалы взаимодействия состоят из двух компонентов: а) эффектов перекрытия зарядов на больших расстояниях и б) квантовых эффектов на более коротких расстояниях. Мы вычисляем тормозную способность, время замедления, коэффициенты переноса, поглощение энергии и температурную релаксацию, связанные с неизотермической плотной горячей плазмой топлив DT, D³He и P¹¹B, и определяем их оптимальные значения.

Слабое гравитационное линзирование черных дыр в обобщенных космологических моделях с к-эссенцией

2025-05-27T11:31:23+00:00

В этой статье рассматривается расширение общей теории относительности путем введения дополнительных геометрических инвариантов в действие, что приводит к модифицированной метрике черной дыры. На основе модели с метрико-аффинным подходом проведен аналитический анализ гравитационного линзирования и формирования тени черной дыры в плазменной среде. Исследуется влияние слабого гравитационного линзирования черных дыр в рамках космологических моделей, расширенных за счет скалярных полей -эссенции. Модели -эссенцией, нелинейной кинетической динамикой, являются привлекательными кандидатами для объяснения ускоренного расширения Вселенной без введения космологической постоянной. Приведены подробные формулы, описывающие структуру горизонта, сферу фотонов, угол отклонения света и обладающие равнения линзирования. В рамках таких моделей была проанализирована деформация изображения источников света, проходящего в близи черных дыр, с учетом изменения эффективной метрики. Рассмотрены модификации угла отклонения и распределения сдвигов возникающих из-за слабого линзирования. Полученные результаты показывают, что -эссенциальных полей может приводить к наблюдаемым поправкам к стандартным видам общей теории относительности, это открывает новые перспективы в использовании гравитационного линзирования как инструмента для тестирования фундаментальных свойств темной энергии и модиффицированной гравитации в астрофизических наблюдениях.

Форбуш-эффект 1-10 июня 2025 года: комплексный анализ по данным нейтронного монитора и космических наблюдений

2025-10-31T12:18:31+00:00

В работе представлен анализ события, зарегистрированного 1-10 июня 2025 г. нейтронным монитором AATB (Алматы, Казахстан, 3340 м над уровнем моря, жесткость геомагнитного обрезания R = 5.9 ГВ). Амплитуда понижения интенсивности космических лучей, зарегистрированной нейтронным монитором, составила около 12 %, что позволяет отнести событие к числу больших Форбуш-эффектов. Источником возмущений явилась активная область AR 14100, в которой произошла серия вспышек классов M3.4 и M8.1 (30–31 мая 2025 г.), сопровождавшихся быстрыми гало-CME корональными выбросами масс (КВМ) типа гало со скоростями до 1700 км/с. Сопоставление данных нейтронного монитора с межпланетными параметрами показало классическую структуру межпланетного КВМ, включающую межпланетную ударную волну 1 июня, 05:45 UT, область возмущенной сжатой плазмы и область коронального выброса до 2 июня, 01:10 UT. Событие сопровождалось развитием сильной геомагнитной бурей, пик которой пришёлся на 2 июня. Результаты демонстрируют тесную взаимосвязь между солнечной активностью, динамикой межпланетного КВМ и модуляцией потоков галактических космических лучей ГКЛ, подчёркивая значимость комплексного подхода к диагностике и прогнозированию космической погоды.

Моделирование строу трекера в эксперименте NA64 на мюонном пучке M2 SPS в программной среде GEANT4

2025-05-17T15:24:08+00:00

Эксперимент NA64 направлен на поиск темных секторов, реализующих мюонный пучок с энергией 160 ГэВ и электронный пучок с энергией 100 ГэВ. Основная цель эксперимента — обнаружение частиц Легкой Темной Материи (ЛТМ) с массами менее 1 ГэВ. В эксперименте используется метод недостающей энергии/импульса, например, для мюонного режима энергия мюонов в конечном состоянии, как ожидается, составит 80 ГэВ. Эксперимент NA64 имеет довольно обширную систему детекторов, включающую несколько типов детекторов. Строу трекеры используются как в мюонном, так и в электронном режимах эксперимента. Одним из важнейших компонентов системы регистрации треков вдоль линии пучка является строу трекер. Строу трекеры позволяют реконструировать треки первичных и вторичных частиц и впоследствии оценить их импульс на основе кривизны трека. В данной статье представлена модель строу трекера, созданная с использованием программного пакета GEANT4. Вторичные частицы также были включены в отклики строу трубок. Основная цель этой работы — построить и проанализировать модель строу трекера с использованием инструментария GEANT4. Методология исследования основана на использовании метода Монте-Карло, лежащего в основе работы GEANT4. Результаты исследования имеют практическое значение, заключающееся в использовании моделей для оптимизации технических и конструктивных параметров строу.

Исследование влияния содержания платины на характеристики мембранно-электродных блоков топливного элемента с твердо-полимерным электролитом

2024-12-23T07:21:42+00:00

В данной работе представлен анализ влияния ключевых параметров, таких как содержание платины, температура и концентрация кислорода, на характеристики мембранно-электродных блоков (МЭБ), используемых в топливных элементах. Основной целью исследования является разработка рекомендаций по оптимизации состава катализаторов для достижения баланса между производительностью и экономичностью. Моделирование выполнено для трёх типов катализаторов: чистой платины (Pt), платины с добавлением никеля (Pt-Ni) и платины с добавлением кобальта (Pt-Co). Исследованы зависимости напряжения, мощности и эффективности от плотности тока с учётом активационных, омических и массовых потерь. Для оценки стабильности работы катализаторов использовался параметр изменения напряжения (ΔV) в диапазоне рабочих нагрузок. Результаты исследования демонстрируют, что содержание платины оказывает наиболее значительное влияние на производительность МЭБ. Оптимальное содержание платины составляет 1.0 усл. ед., при котором достигаются максимальные значения мощности и эффективности. Однако легированные катализаторы (Pt-Ni и Pt-Co) проявляют стабильность при меньших затратах, что делает их перспективными для применения. Также выявлена зависимость характеристик от температуры и концентрации кислорода, что подчёркивает важность контроля условий эксплуатации.