Приборы, методы и среды регистрации и обработки информации на основе бистабильных и промежуточных состояний

Разработка научной аппаратуры и приборов, новых методов физического эксперимента и обработки экспериментальных данных имеет большое теоретическое и практическое значение. Для решения этих проблем актуальным представляется изучение особенностей и взаимосвязи стимулированных внешним воздействием процессов в модельных и реальных регистрирующих средах на основе бистабильных и промежуточных состояний, создание имитационных моделей и их последующее использование в экспериментальной физике.

Важнейшим этапом документальной записи информации является регистрация результатов внешнего воздействия на элемент приемной (записывающей) среды. Традиционно для этих целей используют аналоговую запись с использованием линейных записывающих сред, изменение физических характеристик которых, как правило, является линейной функцией-отображением уровня входного сигнала. Передаточная функция большинства «линейных» средств записи информации не является идеальной, а представляет собой некоторое приближение к идеалу. Динамический диапазон линейной передачи ограничен весьма узкими рамками, преодолеть которые принципиально невозможно.

В последнее время большое значение приобретают цифровые формы записи и представления информации. Запись/считывание информации происходит в бинарном режиме (да/нет). За счет последующих преобразований исходный аналоговый сигнал может быть восстановлен по его цифровому образу с любой разумно обоснованной степенью приближения.

В плане создания новых средств и способов документальной записи информации нами изучены линейные и нелинейные физические и химические регистрирующие системы и среды, их электрические аналоги и модели.

1. Неустойчивые физические и химические системы записи информации.

Принцип регистрирующего действия таких сред основан на создании условий, при которых регистрирующая среда, составляющие ее элементы, находятся в состоянии неустойчивого равновесия. Любая флуктуация параметров окружающей среды, обусловленная воздействием надпороговой интенсивности приводит к лавинообразному переходу элемента регистрирующей системы из одного устойчивого состояния в другое. Подобные регистрирующие среды являются, как правило, неселективными приемниками излучений и могут быть использованы в качестве регистрирующих средств универсального назначения.

1.1. Физический вариант реализации записи информации заключается в создании сверхкритического электрического поля над исследуемой поверхностью (копируемым материалом — оригиналом) и последующем контроле пространственно-ременной картины распределения электрических разрядов. Альтернативный физический метод регистрации информации включает в себя конденсацию пересыщенного пара на подложку, причем избирательный характер этой конденсации обусловлен либо индивидуальными особенностями поверхности материала подложки, либо задан лучевой или иной обработкой поверхности материала подложки в соответствии с изображением.

1.2. Химический вариант реализации цифровой записи информации предусматривает использование в качестве регистрирующей среды неустойчивых в химическом понимании систем, например, пересыщенных растворов кристаллизующихся соединений.

1.3. Комбинированный физико-химический (электроразрядно-кристаллиза-ционный) метод — как метод, вобравший в себя оптимальную совокупность достоинств изложенных выше методов.

2. Электронные аналоги и модели неустойчивых физических и химических средств регистрации информации позволяют без привлечения дорогостоящей экспериментальной техники моделировать реальные ситуации, проигрывать сценарии развития картины взаимодействия излучения с веществом или регистрирующей средой, прогнозировать поведение объектов.

Для электронного моделирования физических и химических процессов наилучшим образом отвечают электронные устройства, имеющие на вольтампер-ной характеристике (ВАХ) участок отрицательного динамического сопротивления (динисторы, тиристоры, лавинные транзисторы, газонаполненные приборы, лямбда-диоды, туннельные диоды, однопереходные транзисторы, инжекцион-но-полевые транзисторы и их аналоги).

3. Программно-виртуальное моделирование процессов регистрации информации с проигрыванием в динамике реальных ситуаций взаимодействия излучения с веществом на ПЭВМ.

Рассмотренные выше способы и среды регистрации информации перспективны для исследования пространственного распределения полей излучения точечных (удаленных) или объемно-поверхностных (ближняя зона регистрации) источников (реальных объектов — поверхности материалов и изделий, в том числе поверхности кристаллов, полупроводниковых диэлектрических и иных пластин). Методы и среды могут быть использованы для диагностики и контроля собственных и наведенных извне дефектов и повреждений, контроля неоднородности энерговыделения по поверхности. На основе электрических аналогов и моделей неустойчивых физических и химических систем созданы оригинальные, зачастую не имеющие аналогов, радиоэлектронные устройства широкого круга применения.

Актуальность темы

Общеизвестно, что наиболее активно процесс научного познания развивается на стыках наук, когда научные и эмпирические сведения и представления, далеко продвинутые в одной из областей знания, оказывают значительное влияние и придают дополнительный ускоряющий импульс к развитию научных направлений в других областях естествознания. В результате такого синтетического подхода можно ожидать возникновения но8 вых направлений в развитии науки и техники, появления нового научного продукта, объем которого по законам синергетики зачастую оказывается сверхаддитивен вложенным в него затратам.

Очевидно, что:

1. Все системы в той или иной мере неустойчивы и со временем обратимо или необратимо переходят из одного устойчивого состояние в другое. Насколько быстро протекает этот процесс — определяет фактор времени, временные масштабы.

2. Любой природный процесс, характеризующий изменение во времени состояние объекта, можно представить или описать в виде плавной кривой или набора микроступенек.

3. Любой сколь угодно сложный объект можно представить в виде суммы' его слагающих элементов.

4. Существует общность и единство законов природы, позволяющая описывать подобные процессы или системы подобным, использовать для описания схожих явлений или систем методы масштабирования, аналогий, подобия, корреляции, прямого и обратного переноса ситуаций, транспонирования, экстраполяции, интерполяции и т. д.

Несмотря на прогрессирующий прирост объема научных знаний, до настоящего времени остается относительно малоизученными переходные области между смежными дисциплинами, перекрытие круга научных представлений в которых присутствует фрагментарно и не всегда теоретически и практически обоснованно.

К таковым сферам научного познания, относящимся, например, к области физики, химии, а также ряда иных наук, в том числе производных от перечисленных, можно уверенно отнести вопросы, касающиеся изучения неустойчивых систем, систем регистрации информации. Неполнота научных представлений в области изучения неустойчивых систем обусловлена относительной сложностью постановки исследований, отсутствием до последнего времени производительной вычислительной техники и программного обеспечения, программ виртуального моделирования физических, химических, электрических и иных процессов и явлений.

Цель работы.

На основе изучения процессов, протекающих в неустойчивых системах регистрации информации, а также в их электрических аналогах и моделях, установить общие закономерности этих процессов, математически формализовать их описание, использовать теоретические и практические наработки для создания новых приборов и методов для экспериментальных исследований в различных областях физики.

Основные задачи исследований.

1. Исследовать физические процессы, протекающие в неустойчивых средах регистрации информации (на примере галогенидов тяжелых металлов), а также в их электрических аналогах и моделях.

2. На основе установленных общих закономерностей для процессов и явлений, протекающих в неустойчивых физических средах регистрации информации, экстраполировать полученные закономерности на физику неустойчивых систем, их электрические аналоги и модели.

3. Сформировать подход к описанию процессов, происходящих в неустойчивых физических системах и средах регистрации информации, а также их электрических аналогах и моделях, с позиций представления их в виде дискретно-непрерывных функций и бистабильных состояний.

4. На основе экспериментальных и теоретических наработок предложить новые методы математической обработки и описания экспериментального материала, разработать новые приборы и методы экспериментальной физики, среды и способы регистрации информации.

Личный вклад автора.

В основу работы положены экспериментальные и теоретические результаты, полученные автором лично, либо при его непосредственном участии. В работах, опубликованных в соавторстве, вклад автора состоял в постановке целей и задач исследований, разработке методик, анализе и интерпретации результатов исследований.

Методы исследованиядостоверность экспериментальных исследований, основных положений, выводов и рекомендаций.

Работа выполнена на основе современных общепринятых теоретических положений физики твердого тела, физики диэлектриков и полупроводников, электроники. Для исследований свойств материалов (фотолиза, термолиза, фотопроводимости, электропроводности, измерения амплитудно-частотных характеристик в С5?-диапазоне) использованы установки, приборы и оборудование кафедры технологии неорганических веществ, кафедры минералогии и петрографии, кафедры физических методов и приборов контроля качества ТПУ. Для обработки экспериментальных материалов применялись современные на момент выполнения работы ПЭВМ и программное обеспечение.

Достоверность основных положений, выводов и рекомендаций гарантирована использованием общепринятых взаимодополняющих методик на проведение исследований диэлектрических и полупроводниковых материалов, необходимым объемом выборки экспериментальной информацииустойчивой воспроизводимостью эмпирических результатов, использованием сертифицированного лабораторного оборудования и подтверждением результатов более поздними экспериментами, проведенными исследователями из других научных учреждений и Томского политехнического университета.

Научная новизна:

Впервые с позиций единства зависимых от времени процессов установлена и проанализирована общность и динамика процессов, протекающих в неустойчивых средах регистрации информации, их электронных аналогах и моделях.

Для изучения неустойчивых сред и определения эффективности взаимодействия излучения с веществом предложен метод полного разложения. На основе этого метода получен вывод уравнения, корректно описывающего кинетику твердотельных процессов вплоть до глубоких стадий превращения и позволяющего учесть неравномерность скорости протекания реакции во времени и пространстве. Частными случаями уравнения при ряде последовательных приближений и упрощений являются уравнения, традиционно используемые для описания кинетики реакций в твердом теле.

Представлены в виде аналитических выражений основополагающие закономерности процессов, протекающих в твердых неорганических веществах при актиничном воздействии (частные и общие формулировки). Установлена взаимосвязь ключевых параметров регистрирующих сред.

Сформулировано уравнение изоопаки, позволяющее в широких пределах изменения интенсивности и времени облучения материала прогнозировать отклик регистрирующей среды.

Определены предельные возможности регистрации фотои терморегистри-рующих сред на основе твердых неорганических веществ, в том числе с сухой усиливающей обработкой.

Обоснованы модели реализации термографической записи на слоях галоге-нидов тяжелых металлов (ГТМ), сложных систем па их основе и предложены механизмы осуществления процессов сухой усиливающей обработки в слоях ГТМ (оптическое и термическое проявление).

Произведен анализ электрических эмуляторов и имитаторов регистрирующих сред. Созданы и изучены модели процессов, происходящих в реальных системах регистрации информации с использованием бистабильных и промежуточных квазистабильных состояний.

Показана эффективность междисциплинарного взаимопереноса научных знаний и представлений, в частности, возможность генерации новых и перспективных направлений в создании и совершенствовании методов и технического обеспечения физического эксперимента.

Практическая новизна и значимость.

Развиты и систематизированы научные и технические задачи регистрации и обработки информации на примере неустойчивых физических систем, их электрических аналогов и моделей.

Методы. Для определения квантового выхода фотолиза экспериментально апробирован и оптимизирован для практического использования при спектро-фотометрическом, масс-спектрометрическом, гравиметрическом и других методах анализа метод полного разложения', предложен и апробирован дифференциально-кинетический метод исследования топохимических реакций. Для определения и описания вида кинетической кривой произвольной формы и установления давности события предложен метод трех точек. Показана возможность использования полученных формулировок, математических выражений и графических зависимостей для описания кинетики превращений в модельных и реальных средах и системах, а также их применимости для описания физических, химических, геологических, электрических и иных явлений и процессов.

Для выбора условий определения концентрационно-компонентного состава вещества разработан и использован метод корреляционной оптимизации. В целях сопоставления серии экспериментальных кривых, внешне мало отличимых друг от друга, предложено использовать коэффициент корреляционного подобия, определяемого на основании статистической обработки массива экспериментальных данных, получения усредненного значения классифицируемых по определенному признаку распределения данных и нахождении коэффициентов корреляции между усредненным и индивидуальным (анализируемым) распределением. Продемонстрирована возможность использования метода корреляционного подобия для компьютеризированной идентификации геологических объектов по их СВЧ-спектрам, установления их возраста.

Предложены метод цветодинамических квазимостовых измерений и устройства, его реализующие. Для определения энергетических параметров источников излучения предложен градиентный метод, основанный на контроле скорости изменения наблюдаемого оклика системы (например, оптической плотности регистрирующего материала).

Устройства. Базируясь на теоретически обоснованном представлении вида кинетических кривых переходных процессов из одного устойчивого состояния в другое и с учетом наличия промежуточных квазистабильных состояний и обратимости процессов, синтезированы новые электронные устройства широкого круга применения.

Разработаны принципиально новые технические устройства, в том числе преобразователи и индикаторы на элементах с Sили N-образной В АХ, прямос-мещенных полупроводниковых датчиковбарьерно-резистивные элементыградиентные релеэлементы бесприоритетной логикиквазифильтры клапанного типамостовые цветодинамические измерительные приборы и другие устройства.

Регистрирующие среды. Разработаны и защищены авторскими свидетельствами на изобретения и исследованы новые фотои терморегистрирующие среды, способы их усиливающей обработки. Созданы первые в мире термографические материалы на неорганической основе, позволяющие контактным методом осуществлять копирование оригинала с сохранением масштаба изображения.

Установлена возможность использования разработанных материалов и методов в физическом эксперименте: в дефектоскопии, актинометрии и дозиметриидля создании фотоэлектрических преобразователей, гигро-, газои меха-ночувствительных датчиков и материалов.

Определена возможность применения регистрирующих сред на основе ГТМ для решения ряда специальных задач.

Исследованы конденсационные, кристаллизационные и электроразрядные процессы формирования изображений, регистрации излучений и полей точечных и пространственно распределенных излучателей.

Созданы электрические аналоги и модели реальных систем регистрации информации.

Апробация работы.

Апробация работы и ее основных положений проводилась на III Всес. со-вещ. по фотохимии, Ростов-на-Дону, 1977; VII Всес. совещ. по кинетике и механизму реакций в твердом теле, Черноголовка, 1978; IV, V Всес. совещ. по радиационной физике и химии ионных кристаллов (Саласпилс, Рига, 1978, 1983) — на II, III, V, VI Международной (Всесоюзной) конф. «Воздействие ионизирующих излучений на гетерогенные системы» (Кемерово, 1979, 1982, 1990, 1995) — III, V Всес. научно-технич. конф. «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение», Москва, 1979, 1984; Всес. научн. конф. «Регистрирующие среды, методы и аппаратура голографии», Кишинев, 1980; III Всес. конф. по бессеребряным и необычным фотографическим процессам, Вильнюс, 1980; Всес. конф. «Процессы усиления в фотографических системах регистрации информации», Минск, 1981; IV Всес. совещ. по фотохимии, Ленинград, 1981; II Всес. семинаредискуссии «Химия и физика кластерных и полиядерных соединений», Шушенское, 1981; VIII Всес. совещ. по кинетике и механизму реакций в твердом теле, Черноголовка, 1982; IV Всес. конф. «Бессеребряные и необычные фотографические процессы», Суздаль, 1984; X Республ. конф. молодых ученых по актуальным проблемам прикладной физики, Ташкент, 1985; I, 11, III Международных (Всесоюзных) междисциплин, научно-технич. школах-семинарах «Непериодические быстропротекающие явления в окружающей среде», Томск, 1988,. 1990, 1992; Всес. научно-технич. конф. «Человеко-машинные системы и комплексы принятия решений», Таганрог, 1989; I, II Междунар. конф. «Датчики электрических и неэлектрических величин (Датчик-93, 95)», Барнаул, 1993, 1995; IV Все-росс. конф. по модификации свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц, Томск, 1996; II, VI, VII, VIII и IX Всеросс. научно-технич. конф. «Энергетика: экология, надежность, безопасность», Томск, 1996, 2000,. 2001, 2002, 2003; Conference on Precision Electromagnetic Measurement, Germany, Braunschweig, 1996; Intern. Conf. on Actual problem of measuring technique («Measurement-98»), Ukraine, Kyiv, 1998; 4th Intern. Conf. «Actual Problems of Electronic Instrument Engineering Proceeding (APEIE-98)», Novosibirsk, 1998; Междунар. конф. «Физико-химические процессы в неорганических материалах», Кемерово, 1998; III Всеросс. научно-техи. конф. «Методы и средства измерений физических величин», Нижний Новгород, 1998; Всероссийских научно-гехн. конференциях «Методы и средства измерений», «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве», Нижний Новгород, 2000; II Междунар. научно-практ. конф. «Геотехнологии: проблемы и перспективы», Тула, 2001, I Всеросс. научно-практ. конф. «Теория и практика газоразрядной фотографии», Краснодар, 2003, а также на 40 других Международных, Всесоюзных, региональных научно-технических семинарах, конференциях и симпозиумах.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано свыше 440 работ, из которых 10 монографий, 16 авторских свидетельств и патентов на изобретения, 216 статей в центральных реферируемых технических журналах России, ближнего и дальнего зарубежья (в том числе 41 статья в журналах по списку ВАК, 24 статьи в журналах Германии, Великобритании и Польши), 36 статей в сборниках, 36 информационных листков Томского ЦНТИ и др. работы.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы. Работа содержит 283 страницы текста, 12 таблиц, 116 рисунков.

Список литературы

включает 354 наименования.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Созданы семейства новых радиоэлектронных устройств для использования в научной аппаратуре и приборах для физических исследований: преобразователи и индикаторы неэлектрических и электрических величин, приборы на их основекомпозитные аналоги сложных полупроводниковых структуризмерительные приборы и методыусилителифильтрыгенераторы электрических импульсовсредства связиэлементы схем источников вторичного электропитаниявысоковольтные генераторы для газоразрядной диагностики материаловкоммутаторы с широтно-импульсным управлениемкласс устройств на основе амплитудных мультиплексоровбарьерно-резистивные элементыквазифильтры клапанного типановый класс релейных схем — градиентных релеэлементы бесприоритетной логикицветодинамические мостовые измерительные приборыприборы и методы медицинского применения и т. д.

2. Разработаны новые методы исследования и математической обработки экспериментальных результатов: метод корреляционной оптимизации выбора условий определения концентрационно-компонентного состава веществаметод корреляционного подобия для объективного соотнесения объекта исследования к той или иной классифицированной выборкеметод трех точек для определения вида кинетической кривой, давности события и прогноза развития процессаградиентный метод контроля энергетических параметров источников излучения, метод цветодинамических квазимостовых измерений и др.

3. Для определения эффективности взаимодействия излучения с веществом предложен метод полного разложения, на основе которого получен вывод уравнения, позволяющего в широком интервале варьирования условий эксперимента корректно описывать кинетику топохимических превращений при неравномерной скорости протекания реакции по объему. Показана возможность применения этого уравнения в других областях науки и техники для описания эмпирических зависимостей. Уточнены и расширены формулировки законов для процессов, протекающих в материальных средах при облучении. Установлен предельный характер чувствительности сред регистрации информации.

4. Обоснован подход к описанию процессов, происходящих в неустойчивых системах и средах регистрации информации с позиций представления их в виде дискретно-непрерывных функций, что позволило перенести эти представления на их электронные аналоги и модели. С позиций бистабильных и промежуточных состояний рассмотрены процессы регистрации информации. Созданы устройства, способы и среды для визуализации физических полей и излучений в ближней (контактной) и дальней зонах.