Школа молодых ученых «Мониторинг природных и техногенных систем» 25-27 ноября 2019 г. Пермь

 

Важно: Опубликована Программа работы Школы 

 

Второе информационное сообщение

Пермский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук объявляет о проведении с 25 по 27 ноября 2019 года Школы молодых ученых «Мониторинг природных и техногенных систем», которая организуется при финансовой поддержке Российского научного фонда в рамках выполнения проекта № 19-77-30008.
Программа Школы, включающая лекции ведущих российских и зарубежных специалистов, размещена на сайте https://www.icmm.ru/nauka/konferentsii и в приложении к данному сообщению. Программа может быть дополнена.

Программа Школы молодых ученых включена в план Российского национального комитета по теоретической и прикладной механике, Технического комитета 17 (Неразрушающая оценка) Европейского общества структурной целостности (ESIS), Российского комитета ESIS и соответствует тематике Пермского научно-образовательного центра мирового уровня «Рациональное недропользование»

Заявка на участие
Регистрация участников обязательна, осуществляется в режиме on-line на сайте до 10 ноября 2019 г.
Организационный взнос для участников не предусмотрен.

Место проведения
Школа проводится в г. Перми на базе ПФИЦ УрО РАН по адресу: ул. Академика Королева, д. 3 с проживанием в гостиницах города, сведения о которых можно найти по электронному адресу http://hotel.perm.ru/. Онлайн-карта города доступна на сайте http://perm.2gis.ru/

Важные даты:
10 октября 2019 г. – третье информационное сообщение, содержащее программу работы Школы;
до 10 ноября 2019 г. – регистрация участников Школы.

Контакты:
ПФИЦ УрО РАН
ул. Академика Королева, д. 1
Ответственный секретарь
Юрлова Наталия Алексеевна
Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
тел. +7 (342) 237 83 20

 


Анонсы лекций
  Школы молодых ученых «Мониторинг природных и техногенных систем» 25-27 ноября 2019 г. Пермь

shkuratnik vlШкуратник Владимир Лазаревич

д.т.н., профессор. Один из ведущих специалистов в области горной геофизики и геоконтроля. Заслуженный деятель науки РФ, Почётный работник высшего профессионального образования РФ, Почётный строитель РФ, Лауреат Премии им. акад. Н.В. Мельникова РАН за работы по теории и методологии геоинформационного обеспечения комплексного освоения недр, а также Премии им. акад. А.А. Скочинского за разработку методов прогноза опасных динамических явлений в массиве горных пород. Член правления и председатель секции «Геоакустика» Российского акустического общества.

Эффекты памяти в горных породах и их использование для решения задач геоконтроля
«Память», как фундаментальное свойство горных пород и эффекты «памяти», как проявления этого свойства. Разновидности, особенности, физические механизмы и условия формирования и проявления эффектов «памяти» различной физической природы в горных породах. Акустико-эмиссионный эффект памяти (АЭЭП) и история его изучения. Особенности формирования и проявления АЭЭП в условиях сложного напряжённого состояния. Помеховые факторы, влияющие на формирование и проявления АЭЭП. Характеристика основных направлений практического использования эффектов памяти. Методические вопросы использования АЭЭП для оценки напряжённо-деформированного состояния горных пород в массиве и прогноза их нарушенности. О возможной взаимосвязи эффектов памяти горных пород и прогнозных признаков опасных динамических явлений в массиве. Основные направления дальнейшего развития методов геоконтроля на основе эффектов «памяти» горных пород.

 

 

 trampus peterProfessor Trampus Peter

Рresident of the Hungarian Association for Non-Destructive Testing (MAROVISZ), and professor emeritus of the University of Dunaujvaros Hungary

Contribution of Non-Destructive Evaluation to asset management
In recent decades, enormous efforts focus on increasing the performance of engineering structures and components. Assets of high value and of high risk such as power and process plants, offshore platforms, bridges are ageing but there is a significant need for their further use. Materials ageing leads to gradual reduction of the safety margins of these structures and components. At the same time the general understanding on safety has been changing. Risk being acceptable by the society is decreasing, and this forces governments to render the safety regulations progressively more serious. Non-Destructive Evaluation (NDE) delivers an essential input to structural integrity analysis and thus it plays an important role in assessing safety of structures and components.

In the first part of the presentation the major trends characterizing the changes, i.e. the challenges will be shown. Among others development in structural integrity analysis, fracture mechanics, also the appearance of life management as an independent discipline as well as consideration of risk in a broader sense will be discussed. After that those elements of the technical development will be presented, which respond to the challenges triggered by the changes. Almost all of these can be connected to the development of information technology and micro- and nanoelectronics, and contribute to the improvement in flaw detection, characterization and sizing. Among solutions however there are some whose goal is the reduction in cost and/or examination time.

Special attention will be paid to the digitalization and its impact on NDE. In this context specialization of procedures, real-time quality control, on-line in-service inspection, NDE modelling and simulation, 3D visualization, big data management, proactive management of materials degradation, structural health monitoring will be presented. The presentation will also deal with the NDE in light of the Industry 4.0.

Examples will be selected from literature and from own research.

 

lacidogna giuseppeProfessor Lacidogna Giuseppe

Confirmed Associate Professor DISEG Department of Structural, Geotechnical and Building Engineering Polytechnic University of Turin, Italy. Effective member of the College of Architecture, Effective member of the College of Engineering for the Environment and the Territory

Damage Monitoring in Civil and Monumental Masonry Buildings: An Acoustic Emission Analysis Approach
Historical masonry buildings often show diffused crack patterns due to different causes in relation to original function, construction technique and loading history. Non-destructive testing methods, and especially the Acoustic Emission (AE) technique, applied as in situ monitoring systems allow reliable evaluation of the state of conservation of these structures and its evolution in time. In this contribution different case studies are presented to show the AE technique capability on the assessment of damage evolution in ancient brick and stone artworks. All the analyzed structures belong to different historical periods of architecture, and represent remarkable sites of the Italian Architectural Heritage.

 

 

 

vavilov vpВавилов Владимир Платонович

д.т.н., профессор, заведующий лабораторией Института неразрушающего контроля Национального исследовательского Томского политехнического университета, член-корреспондент Международной инженерной академии инфракрасной термографии (1996г.). Владимир Платонович лауреат премии правительства России в области науки и техники 2004 года, он также является представителем стран СНГ в Европейской рабочей группе по инфракрасной термографии ЕВРОТЕРМ, вице-президентом Российского общества неразрушающего контроля и технической диагностики, членом Международной академии неразрушающего контроля. Награжден медалью ордена «За заслуги перед Отечеством» II степени за заслуги в развитии науки, образования, подготовке квалифицированных специалистов и многолетнюю плодотворную работу, медалью Общества космонавтики СССР им. С.П. Королева

Инфракрасная термография: базовые принципы, аппаратура и применения
Разработка физических принципов визуализации тепловых (температурных) полей в диапазоне оптического излучения с длинами волн 3-14 мкм явилась логическим следствием освоения человечеством широкого диапазона электромагнитного излучения, начиная с жесткого рентгена и заканчивая радиоволнами. Факт существования инфракрасного (ИК), или теплового, излучения был известен давно, однако практический прогресс в этой области связан с технологиями производства ИК детекторов. В течение нескольких десятилетий тепловидение было основано на применении одиночных ИК приемников и систем двухкоординатного сканирования. Последние три десятилетия прогресс в этой области обусловлен появлением и резким расширением номенклатуры матричных ИК детекторов, на базе которых созданы разнообразные модели так называемых FPA (Focal Plane Array) тепловизоров. Обобщающие технические характеристики лучших современных тепловизоров следующие: температурная чувствительность до 10 мК, количество чувствительных элементов в матрице более 1 миллиона (более 5 миллионов пикселей в термограмме с использованием специальных приемов), частота записи термограмм до 1 кГц (в режиме «окна» до нескольких десятков килогерц). Возрастающая востребованность таких приборов связана с тем фактом, что любой вид технической, а по некоторым предположениям, и ментальной, деятельности связан с процессами производства, передачи, трансформации и потребления энергии в различных формах. Эти процессы сопровождаются необратимыми потерями энергии, зачастую, тепловой, что позволяет отслеживать и оценивать вышеупомянутые процессы путем анализа тепловых полей.

В настоящей лекции описаны физические принципы тепловидения, современные тепловизоры, начиная от миниатюрных модулей и заканчивая системами элитного уровня для научных исследований, а также проиллюстрированы основные области применения ИК термографии:

  • военные и антитеррористические применения, в особенности, системы ночного видения;
  • энергетика;
  • строительство;
  • нефтехимия;
  • неразрушающий контроль, прежде всего, в авиакосмической технике;
  • научные исследования.

Кратко рассмотрена схема ИК термографирования с акцентом на методические погрешности измерений, наличие которых снижает метрологические показатели тепловизионного метода.

Определенное внимание уделено процедурам обработки длинных последовательностей ИК термограмм, что позволяет отслеживать динамику температурных полей и анализировать соответствующие физические феномены в области температурных амплитуд и времени (фаз).


maslennikov vvМасленников Валерий Владимирович

Доктор геолого-минералогических наук, профессор, член-корреспондент РАН, Заведующий лабораторией минералогии рудогенеза Института минералогии ФНЦ минералогии и геоэкологии УрО РАН, специалист в области металлогении, литологии, минералогии, геохимии и палеоэкологии колчеданных месторождений. Награжден Премией Правительства Российской Федерации в области науки и техники (в составе группы)— за создание научных основ развития рудной минерально-сырьевой базы Урала, лауреат международной награды Б. Скиннера общества Экономической геологии (SEG).

Высокотехнологичные и токсичные элементы как показатели рисков отработки древних и современных колчеданных месторождений
К настоящему времени отработана примерно половина известных золото-медно-цинковых и полиметаллических месторождений колчеданного семейства. В рифтовых системах и островодужных морях современных океанов такая отработка только начинается. На этом этапе важно провести прогнозирование экономических и экологических рисков отработки и переботки руд новых и имеющихся колчеданных месторождений. Современные колчеданоносные рудообразующие системы сопровождаются уникальными пригидротермальными оазисами жизни, представленными в основном эндемичными (единственными в своем роде) организмами. Огромная биопродуктивность сопровождает одни рудообразующие гидротермальные источники, хаотическое распределение пригидротермальной биоты или полное бесплодие наблюдается на других. Аналогичная картина установлена и для древних колчеданных месторождениях. Важно было понять причины различий в бипродуктивности различных рудно-формационных типов колчеданных месторождений. Методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой и лазерной абляцией установлены существенные различия в составе сульфидов биопродуктивных и бесплодных колчеданных месторождений. Показано, что первые, ассоциирующие с обильными базальтами или серпентинитами (восточно-тихоокеанский, атлантический, кипрский и уралский типы), обогащены Fe, Co, Se и Sn, сульфиды вторых, где среди рудовмещающих пород доминируют кислые вулканиты (западно-тихоокеанский, куроко, баймакский, алтайский и иберийский типы), содержат аномальные количества Tl, Pb, As, Sb, Cd, Ag, Au, Bi, Hg. Очевидно, в условиях гидротермальных выбросов и подводного выветривания сульфидных построек второго типа в окружающую среду поступают токсичные элементы, препятствующие развитию гидротермальных оазисов. Более того, при отработке таких современных колчеданных месторождений добывающими компаниями (например, Наутилус) планируется выброс «безрудных» дисульфидов железа обратно в море. Именно дисульфиды железа и, главным образом, их неустойчивые в морской воде колломорфные рановидности, являются носителями большинства токсичных элементов. Несомненно, окисление сульфидных “хвостов” приведет к техногенным экологическим катастрофам в океанах и морях (например, в море Бисмарка) с уничтожением не только хаотически распределенной пригидротермальной биоты, но и фоновых сообществ организмов, включая тех, которые потребляются человечеством. Аналогичны, но, очевидно, менее ощутимы риски отработки таких колчеданных месторождений на континентах. С другой стороны высокотоксичные колчеданные месторождения являются в большей степени поставщиками многих высокотехнологичных химических элементов. Горно-добывающим компаниям необходимо соблюсти баланс между экономической выгодой и экологическими рисками отработки различных типов колчеданных месторождений. В этом смысле необходим постоянный мониторинг вовлечения новых колчеданных месторождений в процессы отработки и переработки руд.

 

epshtein saЭпштейн Светлана Абрамовна

д.т.н., профессор кафедры физики Научно-исследовательского технологического института МИСИС, зав. научно-учебной испытательной лабораторией «Физико-химии углей». Ее работа сконцентрирована на изучение вещественного состава, физических, физико-химических и механических свойств углей.

Проблемы контроля качества и безопасности углей и отходов их добычи и переработки
Технологическая и энергетическая ценность углей определяется комплексом показателей, контроль которых осуществляется на этапах геологической разведки месторождений, добычи угля, его сортировки, обогащения, хранения и т.п. вплоть до конечной переработки (коксование, сжигание, брикетирование и т.д.). Немаловажным в настоящее время является, наряду с технологической и энергетической ценностью углей, контроль содержания в них макро- и микроэлементов, способных концентрироваться в отходах или выделяться в окружающую среду в количествах, превышающих установленные нормативы. В докладе будут продемонстрированы основные методы и средства контроля показателей качества и безопасности углей и отходов их добычи и переработки; представлен зарубежный опыт оценки потенциально опасных элементов в углях и отходах; приведены примеры оценки отходов добычи и переработки углей в части выявления их влияния на окружающую среду при разных технологиях утилизации. Кратко будут рассмотрены методические и нормативные документы, регламентирующие контроль качества и безопасности углей и отходов их добычи и переработки.

 

 

 

polyanskii vaПолянский Владимир Анатольевич

д.т.н., с 2019г. ВРИО директора Института проблем машиноведения РАН, с 2012г. директор НОЦ при СПб ГПУ, профессор кафедры системы и технологии управления СПб ГПУ.

Водородный мониторинг конструкционных материалов при их производстве и эксплуатации
Водород является самым опасным компонентом металлов и сплавов. Это обусловлено тем, что его соединения есть везде, а уровень предельно допустимых концентраций водорода (ПДК) в металлах составляет 0,0001%.

Такие ПДК лежат за пределами обнаружения для большинства современных аналитических методов определения состава веществ. Поэтому, очень часто хрупкость, растрескивание, разрушение поверхности, отслоение покрытий и другие индуцированные водородом виды разрушения рассматриваются как чисто механическое разрушение под нагрузкой.

Вместе с тем, устранение водорода или блокирование его внутренней диффузии приносит более быстрый и дешевый результат, чем введение дополнительных запасов по прочности или использование новых методов расчета на прочность.

Методам водородной диагностики металлов уже более ста лет, она началась с измерений концентрации водорода в стальных отливках, но влияние водорода на свойства материалов постоянно усиливается. За 20 век ПДК уменьшились примерно в 100 раз. Это ставит все время новые задачи перед производителями диагностического оборудования, перед теми, кто разрабатывает методы водородной диагностики и перед инженерами, которые должны на каждом витке технологий разрабатывать новые методы удаления водорода и расчета его влияния на механические свойства материалов.

В лекции дается обзор современных проблем, связанных с влиянием водорода на механические свойства материалов и методов их решения.

 

korotkii aiКороткий Александр Илларионович

д.ф.м.н., профессор, зав. Отделом прикладных задач Института математики и механики УрО РАН. Ученик академика Ю. С. Осипова. Области научных интересов – качественная теория дифференциальных уравнений с частными производными, управление системами с распределенными параметрами в условиях неопределенности или конфликта, конечномерная аппроксимация задач оптимального управления, исследование корректности задач управления, прямые и обратные задачи управляемых систем с распределенными параметрами, исследование моделей вязкой жидкости, прямые и обратные задачи динамики вязкой жидкости.

Математическое моделирование в науках о Земле
Математическое моделирование является одним из основных инструментов научного познания во многих науках, в том числе, в науках о Земле. Основная идея, которая лежит в основе математического моделирования в этой области, состоит в рассмотрении объекта исследований, как объекта сплошной среды (вязкой жидкости). Эта гипотеза позволяет привлекать для исследования задач математические модели и методы механики сплошной среды. Содержательные постановки задач приводят к соответствующим начально-краевым задачам для дифференциальных уравнений, которые могут представлять интерес не только для специалистов соответствующего профиля, но также и для математиков-теоретиков, вычислителей, специалистов по интерпретации и визуализации результатов вычислений.

Сформулируем несколько актуальных задач и соответствующих результатов, полученных по обсуждаемой тематике.

– Моделирование ряда прямых и обратных задач динамики высоковязкой жидкости с приложениями в геодинамике. Моделирование тепловой конвекции в земных недрах (эволюция мантийных плюмов, погружение литосферных плит в земной коре и мантии). Моделирование образования осадочных бассейнов и их эволюция. Моделирование соляной тектоники и эволюции соляных диапиров.

– Моделирование течений вулканической лавы с брекчиями (частичками корки) и без них. Получены различные формы течений и пространственного распределения брекчий в зависимости от условий на поверхности рельефа, препятствий на пути течения лавы, сценариев падения брекчий и их размеров. Разработаны методы и алгоритмы решения обратных задач по определению характеристик потока лавы во всей модельной области по измерениям температуры и теплового потока на дневной (наблюдаемой) поверхности.

 

makarov avМакаров Алексей Викторович

д.т.н., заведующий Отделом материаловедения Института физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения РАН. Область научных интересов – изучение структурных механизмов повышения износостойкости и упрочнения металлических сплавов за счет создания метастабильных и нанокристаллических состояний, разработка на этой основе эффективных способов термических, деформационных и комбинированных обработок, применение неразрушающих электромагнитных методов для аттестации износостойких и высокопрочных структур, для контроля износостойкости и механических свойств сталей и сплавов.

Современные лазерные, деформационные и комбинированные способы модифицирования поверхности металлических сплавов
Рассмотрено использование лазерного излучения в современных технологиях обработки поверхности металлических изделий (закалка, легирование, наплавка) и аддитивных технологиях получения изделий и покрытий. Предложен новый подход к получению теплостойких и износостойких хромоникелевых покрытий комбинированной лазерно-термической обработкой, включающей лазерную наплавку и высокотемпературный отжиг, формирующий в покрытии высокопрочный каркас из крупных карбидов и боридов. Представлены современные способы поверхностного деформационного наноструктурирования металлических сплавов. Особое внимание уделено применению наноструктурирующей фрикционной обработки скользящими инденторами для упрочнения, повышения теплостойкости и трибологических свойств сталей различных классов и лазерных наплавок. Предложен новый способ ультразвуковой ударно-фрикционной обработки. Рассмотрено формирование сжимающих напряжений в поверхностном слое перлитной стали при фрикционной обработке и ее влияние на стойкость поверхности в условиях циклического контактного нагружения. Показан высокий потенциал промышленного использования наноструктурирующей фрикционной обработки в современном машиностроительном производстве. Предложены комбинированные наноструктурирующие обработки (фрикционная обработка + отжиг) сталей с мартенситными и аустенитными структурами. Показана возможность за счет проведения предварительной наноструктурирующей фрикционной обработки активизировать насыщение аустенитной Cr-Ni стали азотом и углеродом при последующих низкотемпературных (при 350-400 °С) плазменных обработках. Продемонстрированы преимущества применения электромагнитного вихретокового метода для неразрушающего контроля поверхностно модифицированных металлических сплавов и покрытий.

 

lyubimova tpЛюбимова Татьяна Петровна

Д.ф.м.н., профессор, зав. лабораторией Вычислительной гидродинамики Института механики сплошных сред УрО РАН филиала Пермского федерального исследовательского центра УрО РАН. Заслуженный деятель науки Российской Федерации. Член Рабочей группы Европейского космического агентства по диффузии в неметаллических смесях, в которую входят входят учёные Бельгии, Франции, Германии, Испании, России, Японии и Канады. Группа занимается реализацией проекта «DCMIX», в рамках которого осуществляются подготовка и проведение экспериментов на Международной космической станции по измерению коэффициентов диффузии и термодиффузии в трехкомпонентных смесях

Моделирование природных объектов
Лекция посвящена математическому моделированию гидродинамических режимов природных объектов. Обсуждаются методы и результаты моделирования процессов разбавления и переноса загрязняющих примесей в крупных водных объектах, гидродинамических процессов, происходящих при слиянии рек, процессов вымывания поллютантов из загрязненных водных объектов при прохождении паводков.

В настоящее время одним из наиболее распространенных подходов к утилизации избыточных рассолов калийной промышленности является их отведение в поверхностные водные объекты с целью обеспечения снижения содержания в них загрязняющих веществ до приемлемого уровня вследствие процессов разбавления. Большинство действующих методов разбавления основаны на оценке рассмотрении рассолов как сред с нейтральной плавучестью. Однако, поведение высокоминерализованных рассолов, характеризующихся повышенной плотностью, кардинально от отличается от поведения сред с нейтральной плавучестью, поэтому традиционные методы расчета процессов разбавления оказываются некорректными. В докладе обсуждается принципиально новый подход к описанию рассматриваемых процессов, основанный на построении гидродинамических моделей в полной трехмерной постановке в негидростатическом приближении.

Наблюдения показывают, что в некоторых случаях при слиянии рек имеет место очень интенсивное смешивание вод, а в других случаях воды сливающихся рек сохраняют свои свойства на протяжении десятков километров от места слияния. Математическое моделирование слияния рек с близкими свойствами вод в рамках полного трехмерного подхода в негидростатическом приближении показало, что причиной ослабления поперечного смешения может быть формирование вторичных вихрей в поперечном сечении. Трехмерное численное моделирование для случая сливающихся рек с сильно различающимися свойствами, находящимися в зоне подпора, показало формирование значительной вертикальной неоднородности плотности и крупномасштабного вихря солености и возникающей вследствие этого устойчивой слоистой структуры. Эти результаты имеют принципиальное значение для обеспечения устойчивого питьевого водоснабжения г. Перми, поскольку основной питьевой водозабор г. Перми расположен непосредственно ниже места слияния рек Чусовая и Сылва, характеризующихся значительно различающимися гидрохимическими характеристиками.

В настоящее время все более актуальным становится анализ возможных последствий от прохождения экстремально высоких паводков. Математическое моделирование с использованием принципиально нового, комбинированного подхода, сочетающего модели в одно- двух- и полном трехмерном негидростатическом приближении, показало, что расположенные в зоне затопления водных объектов пруды-отстойники, шламохранилища и загрязненные озера, совершенно безопасные при малых и средних расходах, при их попадании в зону затопления могут стать источником интенсивного загрязнения, существенно лимитирующим режим водопользования.

 

belyaev akБеляев Александр Константинович

Д.ф.м.н., профессор, Институт проблем машиноведения РАН, Санкт-Петербург. Член Международного союза по теоретической и прикладной механике (IUTAM), член совета Европейского сообщества механиков (EUROMECH), иностранный член Австрийской Академии наук, почетный доктор Университета Иоганна Кеплера, г. Линц, Австрия

Динамика и устойчивость конструкций в высокочастотной области
Тема доклада инспирирована тем, что методы традиционной теории колебаний конструкций не могут быть автоматически распространены на сколь угодно высокие частоты. Проводится критический анализ с целью создания адекватных подходов к проблеме динамического состояния конструкций. Предлагается подход, содержащий высокочастотную предельную модель динамики деформируемого твердого тела и низкочастотную модель термодинамики. Для феноменологического описания динамики применимы как методы механики сплошной среды, так и термодинамики. Более того, одновременный учет механических и термодинамических свойств объектов является непременным условием адекватного моделирования.

Предлагаются два подхода. В рамках первого подхода из граничной задачи механики сплошной среды получена граничная задача высокочастотной динамики. Показано, что существует критическая частота, величина которой определяется плотностью спектра собственных частот и конструкционным демпфированием. На частотах выше критической конструкция проявляет свойства механической системы со сплошным спектром собственных частот. Дано сравнение свойств высоко- и низкочастотной вибрации и указаны три основные причины уменьшения амплитуды распространяющейся высокочастотной вибрации в конструкциях: резонансное взаимодействие элементов, дисперсионное рассеяние и нелинейное внутреннее трение. Гибридные методы позволяют комбинировать аналитические и численные методы динамики сплошных сред для описания локальной вибрации в подструктурах с методами высокочастотной динамики. На примере показано, как комбинировать метод конечных элементов для описания низкочастотной вибрации и предлагаемый метод для высокочастотной части спектра.

Второй подход сводится к выводу термодинамической модели, допускающий как дискретную, так и континуальную постановки. В рамках дискретного описания указано на прямую аналогию распространения тепла и высокочастотной вибрации. Обобщение дискретной схемы на континуальные системы позволяется получить граничную задачу вибропроводности. Будут приведены примеры решения задачи вибропроводности.

 

shelemba isШелемба Иван Сергеевич

Первый заместитель Генерального директора -Главный конструктор ООО «Инверсия-Сенсор». ООО "Инверсия-Сенсор" является одним из лидеров отрасли волоконно-оптических систем мониторинга в России.

Волоконно-оптические датчики и системы мониторинга
В лекции приводятся базовые физические принципы работы волоконно-оптических датчиков и систем мониторинга на их основе. Описывается история развития датчиков в РФ и мире. Рассматривается применение систем в различных отраслях промышленности, а также перспективы разработки новых типов датчиков и их применений.

 

 

 

Проект РФФИ № 18-31-00339 мол_а, рук. Мамыкин А.Д., исп. Лосев Г.Л.

На первом этапе проекта была проведена серия краткосрочных экспериментов длительностью от 1 до 10 часов. На втором этапе была проведена дополнительная модернизация установки, направленная на улучшение равномерности и стационарности граничных условий и проведена серия долговременных замеров длительностью от 1 до 7 дней. Число Релея варьировалось в диапазоне (5 – 25) * 10^6, а средняя температура в экспериментальной ячейке от 125 до 160 °С. Для восстановления картины течения применялись кросскорреляционный и спектральный виды анализа, а также вейвлет-преобразования. По полученным эволюциям температуры на установленных в конвективной ячейке 28 термопарах были обнаружены (впервые для жидких металлов) слошинг крупномасштабной циркуляции (КМЦ) – плоскопараллельное периодическое смещение плоскости КМЦ от оси цилиндра и торсионные колебания. Было показано, что период колебаний слошинга согласуется с периодом обращения КМЦ и зависит от числа Релея.

Долговременные замеры позволили обнаружить блуждание плоскости основной моды КМЦ с помощью разработанного алгоритма фильтрации экспериментальных данных. Процесс блуждания имеет непериодический характер и заключается в нерегулярных поворотах КМЦ как целого преимущественно на углы порядка 40 – 50° на временных масштабах от единиц до десятков минут, и, редко, на углы порядка 90° и даже на 180° на больших временных масштабах. Такие редкие события удалось зафиксировать на вейвлет-диаграммах в виде всплесков спектральной плотности энергии.
Результаты экспериментальных исследований были использованы для верификации численного счёта (LES-подход), а также прямого численного моделирования.

  • A.D. Mamykin, I. V. Kolesnichenko, A. M. Pavlinov and R. I. Khalilov Large scale circulation in turbulent Rayleigh-Benard convection of liquid sodium in cylindrical cell // Journal of Physics: Conf. Series. 2018. Vol. 1128. Pp. 012019. doi :10.1088/1742-6596/1128/1/012019
  • Мамыкин А. Д., Лосев Г. Л., Мандрыкин С. Д. Анализ мод крупномасштабной циркуляции жидкого натрия в эксперименте по турбулентной конвекции Релея-Бенара // Вестник Пермского университета. Физика. (статья принята в печать)

rffi 18 31 00339 мол а img2 1

Экспериментальная установка: проведённая на втором этапе модификация

На втором этапе была произведена дополнительная модернизация экспериментальной установки, цель которой состояла в улучшении стационарности и равномерности граничных условий.

rffi 18 31 00339 мол а img2 2  В первую очередь были установлены патронные нагреватели внутрь холодного теплообменника. В ходе длительных экспериментов были выявлены колебания средней температуры ХТО обусловленные разной уличной температурой в течение дня (охлаждение радиатора холодного теплообменника осуществляется продувом уличного воздуха). Установка дополнительных патронных нагревателей непосредственно внутрь объема с натрием и управление их нагревом устройством «Термодат 12к5» с ПИД регулированием позволили обеспечить стационарные граничные условия на границе конвективная ячейка – ХТО в течение долговременных замеров длительностью в несколько дней. 
 rffi 18 31 00339 мол а img2 3  Далее было принято решение заменить медные перегородки толщиной 1 мм разделяющие объемы конвективной ячейки и теплообменников на перегородки из нержавеющей стали толщиной 0.5 мм. Несмотря на то что теплопроводность меди (401 Вт/м·К) во много раз больше теплопроводности стали (16 Вт/м·К), тепловой контакт меди и натрия в эксперименте оказывается хуже из-за образования оксидной пленки на поверхности меди, а так же плохой смачиваемости меди натрием. Как было показано в ходе дополнительных экспериментов, при должной обработке и очистке поверхности нержавеющей стали можно обеспечить хороший электрический, а, следовательно, и тепловой контакт с жидким натрием. Новые пластины были тщательно отшлифованы до состояния «зеркала» (финишная шлифовальная бумага P1500) и залужены оловом.

Эксперимент, визуализация слошинга

rffi 18 31 00339 мол а img2 4

Пространственно временная карта температуры в трёх сечениях цилиндра.
Время осреднения – 1 секунда. Ra = 1.96·107
Позиции локальных максимумов и минимумов меняются периодически со временем с периодом около 0.1 Гц во всех сечениях согласованно. Это является доказательством наличия у КМЦ моды слошинга, когда её плоскость отклоняется периодически от центральной оси цилиндра.

  • A.D. Mamykin, I. V. Kolesnichenko, A. M. Pavlinov and R. I. Khalilov Large scale circulation in turbulent Rayleigh-Benard convection of liquid sodium in cylindrical cell // Journal of Physics: Conf. Series. 2018. Vol. 1128. Pp. 012019. 2019

 

Эксперимент, скорость КМЦ

rffi 18 31 00339 мол а img2 5

Термопары также использовались для измерения средней аксиальной компоненты скорости КМЦ в области между соседними термопарами. Эта скорость оценивается по положению максимума функции кросскорреляции, рассчитанной для каждой пары сигналов от соседних датчиков (маленькие графики на рис. слева). Дополнительные пики слева и справа от основного соответствуют колебаниям слошинга с периодом около 10 секунд. Чтобы охарактеризовать среднюю интенсивность КМЦ, вычислялась средняя скорость Ucc, усредненная по абсолютным значениям скоростей, измеренных в восьми тройках термопар A1-A3-A5, B1-B2-B3, C1-C2-C3, D1-D2-D3, E1-E3-E5, F1-F2-F3, G1-G2-G3 и H1-H2-H3.

На основном графике слева показан профиль относительной температуры в среднем сечении цилиндра.

 rffi 18 31 00339 мол а img2 6 Другими источниками информации для определения характерного времени осцилляции основной моды КМЦ (или другой моды, например, слошинга) является спектры мощности пульсаций температуры. В спектрах температурных сигналов со всех термопар внутри цилиндра наблюдаются выраженные пики. На рис. слева показаны спектры температурных колебаний термопары А3 для различных чисел Релея. Основные пики соответствуют частоте колебаний fp КМЦ, fp = U / X (U – усредненная по времени скорость движения потока, X - характерный размер).

 Эксперимент, характеристики КМЦ

rffi 18 31 00339 мол а img2 7 rffi 18 31 00339 мол а img2 8 rffi 18 31 00339 мол а img2 9
 

Частота ωp = 2πfp, нормированная на χ / D2, показана на рисунке сверху в зависимости от числа Рэлея. Линейная аппроксимация дает (ωp D2) / χ ~ Ra0.43 ± 0.01. Этот результат близок к зависимости (ωp D2) / χ = 0.47 Ra0.424, полученной Cioni et al. для ртути [*].

 Число Рейнольдса может быть рассчитано двумя способами: через функции кросскорреляции Recc = Ucc D / ν и через спектры Ref = X D fp / ν. Полагая сначала X = 4D, получим Ref = 4 D2 fp / ν. На рисунке сверху показана зависимость Ref и Recc от числа Грассгофа Gr = Ra / Pr. Зависимости имеют близкий наклон, но сдвинуты относительно друг друга.  Полагая теперь Ref = Recc, получим значение X. На рисунке сверху показана зависимость величины X / π D от числа Грассгофа.

Положение плоскости крупномасштабной циркуляции

rffi 18 31 00339 мол а img2 10

Вейвлет анализ мод крупномасштабной циркуляции

rffi 18 31 00339 мол а img2 11

Характерные частоты 0.082 Гц и 0.19 Гц.

Блуждание крупномасштабной циркуляции

rffi 18 31 00339 мол а img2 12

Эволюция КМЦ имеет сложную временную структуру: она как целое поворачивается вокруг главной оси цилиндра на различные углы. При этом данный процесс нельзя назвать прецессией из-за того, что, он носит непериодический характер. В зарубежной литературе такое поведение КМЦ называется «блужданием». Для изучения блуждания крупномасштабной циркуляции был разработан алгоритм обработки данных, позволяющий исключить из рассмотрения высокие моды и наблюдать только за основной.

Вейвлет анализ блуждания крупномасштабной циркуляции

rffi 18 31 00339 мол а img2 13  Для частотного анализа долговременных блужданий основной моды КМЦ был применён вейвлет анализ. Как и прежде, в качестве анализирующего вейвлета был выбран вейвлет Морле. Во всех рассмотренных режимах выраженных долгоживущих частот не наблюдается, что ещё раз свидетельствует о непериодическом характере колебаний плоскости основной моды КМЦ. Пики на вейвлет диаграммах позволяют локализовать во времени повороты КМЦ на большие углы (≥ 80°). Помимо сильно выраженных пиков на вейвлет диаграммах также присутствуют области повышенной спектральной плотности энергии свидетельствующие о наличии короткоживущих квазипериодических процессов (с плавающей частотой). С осторожностью можно назвать такие процессы прецессией плоскости основной моды КМЦ. Можно также отметить, что с ростом числа Релея спектральная энергия падает. 

Основные результаты

  • Обнаружены (впервые для жидких металлов) слошинг крупномасштабной циркуляции (КМЦ) – плоскопараллельное периодическое смещение плоскости КМЦ от оси цилиндра и торсионные колебания. Было показано, что период колебаний слошинга согласуется с периодом обращения КМЦ и зависит от числа Релея.
  • Долговременные замеры позволили обнаружить блуждание плоскости основной моды КМЦ с помощью разработанного алгоритма фильтрации экспериментальных данных. Процесс блуждания имеет непериодический характер и заключается в нерегулярных поворотах КМЦ как целого преимущественно на углы порядка 40 – 50° на временных масштабах от единиц до десятков минут, и, редко, на углы порядка 90° и даже на 180° на больших временных масштабах. Такие редкие события удалось зафиксировать на вейвлет-диаграммах в виде всплесков спектральной плотности энергии.
  • Разработаны методы анализа поведения мод крупномасштабной циркуляции (КМЦ).
  • Проведён сравнительный анализ эффективности различных методов определения плоскости КМЦ по параметрам точности и затрат машинного времени.
  • Найдены характерные частоты торсионной и слошинговой мод колебаний КМЦ.
  • Результаты экспериментальных исследований были использованы для верификации численного счёта (LES-подход), а также прямого численного моделирования.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 18-31-00339.
Ресурсозатратные расчеты выполнены на суперкомпьютере "Тритон" (ИМСС УрО РАН, г. Пермь).

Номер Проекта 17-41-590059-р_а
Название Проекта «Турбулентность и магнитные поля в замкнутом потоке жидкого натрия»
Руководитель: Фрик Петр Готлобович
Аннотация

Проект направлен на исследование процессов формирования турбулентного потока в криволинейном канале и процессов переноса магнитного поля в турбулентных потоках жидкого металла при больших числах Рейнольдса Re и умеренных магнитных числах Рейнольдса Rem. Основную часть проекта составляют экспериментальные исследования характеристик импульсных турбулентных потоков жидкого натрия - металла, обладающего высокой электропроводностью, малой плотностью, малой вязкостью и низкой температурой плавления. Проведены измерения характеристик поля скорости импульсного турбулентного течения натрия за решеткой, установленной в кольцевом канале (решетки обеспечивают инжекцию кинетической энергии непосредственно в малые масштабы). Показано, что динамика импульсного турбулентного потока существенно отличается от наблюдаемой в свободном канале, где турбулентность развивается на масштабах сечения канала, Рис.1.

rffi ural 17 41 590059 р а img1

Рис.1 Тороидальная полоидальная скорости в канале с решетками (верхняя панель) и в свободном канале (нижняя панель).

Измерения характеристик пульсаций скорости и магнитного поля показали, что индукционные эффекты в нестационарном импульсном потоке успевают проявиться в полной мере. Измерен эффективный коэффициент магнитной диффузии, который  за счет турбулентных пульсаций возрастает на 3%, Рис.2.

rffi ural 17 41 590059 р а img2

Рис.2 Измерение коэффициента магнитной диффузии (метод сдвига фаз). Сдвиг фаз в потоке решеточной турбулентности (верхняя панель) и калибровочный сдвиг фаз при отвердевании   жидкого натрия в канале (частоты наложенного магнитного поля 23, 53 и 97гц).

 

Выполнено численное моделирование процесса генерации мелкомасштабных пульсаций магнитного поля в нестационарном потоке. Расчеты выполнены с помощью каскадной модели турбулентности. Исследовано влияние характеристик возбуждаемого мелкомасштабного магнитного поля от параметров течения и магнитного числа Прандтля.

The project is aimed to study the characteristics of turbulent pulse flow in a curvilinear channel and the induction processes in turbulent nonstationary flows of a liquid metal under large Reynolds numbers and moderate magnetic Reynolds numbers. The main part of the project consists of experimental studies of the characteristics of turbulent spin-down flow of liquid sodium - a metal with high electrical conductivity, low density, low viscosity and low melting point. Measurements were made of the characteristics of the velocity field of a pulsed turbulent sodium flow behind grids installed in a toroidal channel. Grids provide injection of kinetic energy directly into small scales. It is shown that the dynamics of grid induced pulsed turbulent flow is significantly different from that observed in a free channel, where turbulence develops on the scale of the channel cross section. Measurements of the characteristics of the velocity and  magnetic field fluctuations showed that induction effects in this non-stationary pulsed flow have time to manifest themselves in full. The effective coefficient of magnetic diffusion is measured, which due to turbulent pulsations increased by 3%. Numerical modeling of the generation of small-scale magnetic field in the non-stationary flow has been performed. The calculations were performed using a shell model of turbulence. The influence of the characteristics of the excited small-scale magnetic field on the flow parameters and the magnetic Prandtl number is investigated.

 

Участие в научных мероприятиях по тематике Проекта за период, на который предоставлен грант (каждое мероприятие с новой строки, указать названия мероприятий и тип доклада)
ХX Зимняя Школа по механике сплошных сред, Пермь, 13-16 февраля 2017 г. - все участникиX Зимняя Школа по механике сплошных сред, Пермь, 13-16 февраля 2017 г. - все участники
проекта, устные доклады.
16th European Turbulence Conference (ETC16), 21-24 August 2017, Stockholm, Sweden. Фрик П.Г., устный доклад.
Всероссийская научная конференция "Теплофизика и физическая гидродинамика", Ялта, Республика Крым, 11-17 сентября 2017г., Фрик П.Г. Приглашенная лекция.

Адреса (полностью) ресурсов в Интернете, подготовленных авторами по данному проекту, например, http://www.somewhere.ru/mypub.html:
https://www.researchgate.net/project/Turbulence-and-magnetic-fields-in-closed-flow-of-liquidsodium?_esc=profileContributions
Библиографический список всех публикаций по Проекту, опубликованных за период, на который предоставлен грант, в порядке значимости: монографии, статьи в научных изданиях, тезисы докладов и материалы съездов, конференций и т.д.:
Stepanov R., Frick P., Noskov V., Pavlinov A., Denisov S. Magnetic field in decaying grid turbulence of liquid sodium // Magnetohydrodynamics. 2019. V.55. N.
Frick P., Mizeva I. MHD turbulence in spin-down flows of liquid metals // Magnetohydrodynamics. 2019. V.55. N.
Frick P., Mizeva I. MHD turbulence in spin-down flows of liquid metals // Russian Conference on Magnetohydrodynamics, June 18 – 21, 2018, Perm, Russia. Book of Abstracts. P.40.
Pavlinov A., Denisov S., Noskov V., Stepanov R., Frick P. Pulsed flows of liquid sodium in a toroidal channel: grid-induced turbulence // Russian Conference on Magnetohydrodynamics, June 18 – 21, 2018, Perm, Russia. Book of Abstracts. P.99.
Frick P., Mizeva I. MHD turbulence in spin-down flows of liquid metals // MHD Days and GdRI Dynamo Meeting, November 26 - 28, 2018, Dresden, Germany, Book of abstracts

 

Этап №3 (заключительный) Разработка методик диагностики. Обобщение и оценка результатов выполнения проекта

Cоглашение № 075-15-2019-061 (внутренний номер соглашения 14.607.21.0202)

Номер гос. регистрации АААА-А18-118121090018-8

Уникальный идентификатор проекта RFMEFI60718X0202

Приоритетное направление: Науки о жизни

Критическая технология: Технологии снижения потерь от социально значимых заболеваний

Период выполнения: 31 мая 2018 г. – 31 декабря 2020 г.

Получатель субсидии: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Пермский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук (ПФИЦ УрО РАН)

Индустриальный партнер: Акционерное общество «Производственное объединение «Уральский оптико-механический завод им. Э.С. Яламова» (АО «ПО «УОМЗ»)

Ключевые слова: РАННЯЯ ДИАГНОСТИКА, ПРОТИВООПУХОЛЕВЫЕ ПРЕПАРАТЫ, ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРЕПАРАТОВ,
КЛЕТОЧНЫЙ АНАЛИЗ, РАКОВЫЕ КЛЕТКИ, ЗЛОКАЧЕСТВЕННЫЕ ОПУХОЛИ, КОМПЬЮТЕРНАЯ ОБРАБОТКА,
ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ, ЛАЗЕРНАЯ МИКРОСКОПИЯ, ИНФРАКРАСНАЯ ТЕРМОГРАФИЯ,
ФЛЮОРЕСЦЕНТНАЯ МИКРОСКОПИЯ, НАНОПОРИСТЫЕ И МИКРОПОРИСТЫЕ НОСИТЕЛИ ПРОТИВООПУХОЛЕВЫХ
ПРЕПАРАТОВ, ПРОЛОНГИРОВАННОЕ ВЫСВОБОЖДЕНИЕ ЛЕКАРСТВЕННЫХ СРЕДСТВ

1 Цель проекта

Реализация проекта направлена на решение социально-значимой проблемы создания отечественных программно-аппаратных средств и методик для высокоинформативной и достоверной ранней диагностики злокачественных новообразований, обеспечивающих импортонезависимость российского здравоохранения и имеющих экспортный потенциал.

Целью реализуемого проекта является создание обладающего экспортным потенциалом отечественного программно-аппаратного комплекса на базе лазерного модуляционного интерференционного микроскопа, оригинальных методик флюоресцентного и термографического анализа для ранней диагностики злокачественных опухолей, оценки эффективности противоопухолевых препаратов с целью обеспечения импортонезависимости.

2 Основные результаты проекта

Выполненный патентный и аналитический обзор более 100 научно-информационных литературных источника за 2013–2017 гг. в технической области методов диагностики злокачественных новообразований и оценки эффективности действия противоопухолевых препаратов с использованием лазерной микроскопии, термографического анализа, флуоресцентного анализа позволил сформулировать направления исследований и возможные варианты технических решений. В результате исследований разработаны методы: термографической съемки молочной железы с использованием блока термографической диагностики (ТГД ПАК) и предварительной обработки тепловых изображений молочной железы. Предложен критерий классификации нормальной и раковой ткани молочной железы. Определен критерий дифференциации раковых и нормальных эпителиальных клеток, выделенных из одного источника (ткани, органа), базирующийся на оценке морфометрических параметров фазовых изображений клеток, полученных с помощью метода лазерной интерференционной микроскопии (ЛИМ ПАК). Создана методика анализа динамики изображений лазерной интерференционной микроскопии и дифференциации нормальных и опухолевых клеток. Предложен критерий дифференциации нормальных и опухолевых клеток, устанавливающий соответствие опухолевой эпителиальной клетки человека значениям показателя Хёрста, превышающим значение 0,45 при нулевой ширине мультифрактального спектра. В противном случае клетка считается нормальной. С использованием разработанных в проекте компьютерных моделей поровой структуры созданы методики получения носителей лекарственных препаратов на основе пористых кремния и кальций-фосфатного покрытия для экспресс-оценки эффективности противоопухолевых препаратов. Разработана эскизная документация и изготовлен лабораторный стенд для оценки эффективности действия противоопухолевых препаратов методом ЛИМ ФПВК.941416.001. Разработаны макеты модуля флуоресцентного канала и револьверной головки блока ЛИМ ПАК, подготовлена эскизная конструкторская документация модулей, проведены их исследовательские испытания, подготовлены технические рекомендации для максимального интегрирования данных компонентов в систему ЛИМ ПАК.

Анализ измерений тестовых объектов показал, что, по сравнению со сканирующим интерференционным профилометром ZYGO NewView 5010, ЛИМ ПАК удовлетворяет требованиям техзадания по техническим характеристикам: обеспечивает лучшую разрешающую способность в плоскости (X, Y) и точность измерения высоты объектов с размером менее 1,5 мкм. Разработаны и испытаны программные модули обработки данных ПАК: инфракрасной термографии; флюоресцентного анализа клеток, динамики их изображений и морфометрии. Программные модули позволяют: загружать и сохранять оптическое изображение клетки; выделять, загружать и фильтровать флюоресцентный образ клеток; загружать, восстанавливать фазовые сдвиги, удалять наклон, выделять контур фазового изображения, анализировать морфометрические показатели и флуктуации оптической толщины клеток. Методом ЛИМ с использованием пористых носителей препаратов разработана лабораторная методика оценки эффективности действия противоопухолевых препаратов, основанная на том, что эффективность действия препарата способствует повышению уровня апоптотических изменений в клетке и, как следствие, увеличению степени волнистости профиля ее фазовых изображений. Разработаны и изготовлены экспериментальные образцы, ЭКД модулей флюоресцентного анализа и револьверной головки блока ЛИМ ПАК, испытания которых подтвердили: стабильность работы системы переключения между увеличениями и разницу в положении фокусировки для различных объективов, а также наблюдаемость объекта калибровки - проточного цитометра диаметром 6 мкм. Схема осветителя образца с применением светодиода GNL-50113UBC и плосковыпуклой линзы с ФР 40 мм позволила повысить уровень засветки в 2 раза и снизить мощность питания. Методика транспортировки и хранения клеток образцов тканей человека для исследований методом ЛИМ обеспечивает поддержание 60-70%-ой жизнеспособности клеток. Методика пробоподготовки клеток включает обработку и получение из ткани методом биопсии суспензии жизнеспособных (не менее 60%) клеток. Дисперсия флуктуаций оптической толщины клеток (данные ЛИМ) позволяет выявить живые и мертвые клетки. Разработаны и протестированы компьютерные модели поровой структуры нано- и микропористых материалов носителей лекарственных препаратов и проведено компьютерное моделирование переноса противоопухолевых антибиотиков в поровом пространстве нано- и микропористых материалов.

Разработана и верифицирована методика ранней диагностики рака молочной железы с использованием ПАК. Разработаны рекомендации по применению методики ранней диагностики рака молочной железы с использованием ПАК в клинической практике. Разработан лабораторный технологический регламент изготовления носителей лекарственных препаратов для оценки эффективности действия противоопухолевых препаратов методом лазерной интерференционной микроскопии. Изготовлены и проведены исследовательские испытания экспериментальных образцов носителей лекарственных препаратов. Проведены экспериментальные исследования методики оценки эффективности действия противоопухолевых препаратов методом лазерной интерференционной микроскопии. Изготовлен и проведены исследовательские испытания экспериментального образца ПАК. Разработаны рекомендации и предложения Индустриальному партнеру по использованию результатов выполнения проекта при организации производства продукции проекта. Разработан проект технического задания на проведение ОКР «Разработка флюоресцентного лазерного интерференционного микроскопа для программно-аппаратных комплексов ранней диагностики злокачественных опухолей и анализа эффективности действия противоопухолевых препаратов». Разработана методика оценки апоптоза опухолевых клеток под действием противоопухолевых препаратов. Разработана и проведены исследовательские испытания программного модуля хранения и протоколирования данных ПАК. Проведены исследовательские испытания программного обеспечения ПАК. Разработан и проведены отладка и тестирование программного модуля управления ПАК. Разработана эксплуатационная документация ПАК. Проведены мероприятия по популяризации и демонстрации результатов выполнения проекта. Выполнено материально-техническое обеспечение работ этапа. Разработана методика оценки функционального состояния опухолевых клеток образцов тканей человека методом лазерной интерференционной микроскопии.

Выполнены патентный и аналитический обзоры современной научно-технической, нормативной и методической литературы в технической области методов диагностики опухолевых новообразований и оценки эффективности действия противоопухолевых препаратов с использованием лазерной микроскопии, термографического анализа, флуоресцентного анализа, включая более 100 научно-информационных источника за период 2013–2017. На основании аналитического обзора сделан выбор направлений исследований и возможных вариантов технических решений, которые включают: разработку аппаратуры и программного обеспечения для получения комплекса экспериментальных данных, необходимых для выявления закономерностей развития онкологических заболеваний с целью разработки методов ранней диагностики рака и последующего выбора стратегии лечения; выявление основных признаков патологических изменений морфометрических параметров клеток для ранней диагностики онкологических заболеваний с использованием методов лазерной интерференционной микроскопии (ЛИМ) и инфракрасной термографии; создание научно-методического подхода по оценке эффективности вновь разрабатываемых противоопухолевых препаратов с использованием нано- и микропористых носителей лекарственных средств методом лазерной интерференционной микроскопии. Выполненный анализ научной и патентной литературы по тематике проекта, а также результаты собственных исследований авторов проекта позволяют прогнозировать получение новых технических решений в результате разработки и исследовательских испытаний с использованием новых программных комплексов блока термографической диагностики программно-аппаратного комплекса для ранней диагностики злокачественных опухолей и анализа эффективности действия противоопухолевых препаратов методами лазерной интерференционной микроскопии и инфракрасной термографии (ПАК), а также модуля револьверной головки блока лазерной интерференционной микроскопии, совмещенного с модулем флуоресцентного анализа для исследования морфологии и динамики флуктуаций клеточных структур. В свою очередь, определение оптимальных параметров применительно к технологии изготовления платформ с пористым носителем, обеспечивающих формирование заданных характеристики пористой структуры, обеспечит получение носителей лекарственных средств для разработки лабораторной методики оценки эффективности действия противоопухолевых препаратов методом ЛИМ.

В результате экспериментальных исследований разработаны и апробированы методы термографической съемки молочной железы с использованием блока ТГД ПАК, предварительной обработки тепловых изображений молочной железы, построения мультифрактального спектра и фазового портрета. Для получения критерия классификации нормальной и раковой ткани молочной железы применялся статистический анализ на основе двухвыборочного непараметрического критерия Уилкоксона-Манна-Уитни и проводился корреляционный анализ методом Спирмена. Разработан программный модуль (в виде отдельных компонентов (классов) на высокоуровневом языке программирования MATLAB), который позволяет загружать, фильтровать (по пространству и времени в определенном частотном диапазоне), анализировать флуктуации поверхностной температуры молочных желез человека. Сохранение всех результатов производится в формате xls (файл Excel). Разработанная методика диагностики рака молочной железы с использованием блока ТГД ПАК была апробирована и проведено сравнение с клинико-лабораторными исследованиями.

Созданы методики анализа динамики изображений ЛИМ и дифференциации нормальных и опухолевых клеток. Предложен критерий дифференциации нормальных и опухолевых клеток, устанавливающий, что эпителиальная клетка человека считается опухолевой, если значение показателя Хёрста превышает значение 0,45 и ширина мультифрактального спектра равна 0. В противном случае клетка считается нормальной.

Для дифференциации выделенных из одного источника (ткани, органа) раковых и нормальных эпителиальных клеток определен критерий, базирующийся на оценке морфометрических параметров фазовых изображений, полученных с помощью метода ЛИМ.

Разработанная методика получения носителей лекарственных препаратов на основе кальций-фосфатных соединений позволяет получать методом микродугового оксидирования кальций-фосфатные покрытия на подложках из титанового сплава ВТ1-0 с пористой структурой, состоящей из нижнего оксидного подслоя и основного пористого кальций-фосфатного слоя, содержащего на поверхности сфероидальные структурные элементы с открытыми проницаемыми порами. Общая пористость составляет 30–40 %, средний размер пор составляет 1–15 мкм.

Разработанная методика получения носителей лекарственных препаратов на основе кремния позволяет получать методами химического и электрохимического травления образцы с пористой структурой. Общая пористость составляет 50–80 %, поперечный диаметр пор находится в диапазоне 10–50 нм.

Разработана эскизная документация и изготовлен лабораторный стенд для оценки эффективности действия противоопухолевых препаратов методом лазерной интерференционной микроскопии ФПВК.941416.001.

Разработаны макеты модуля флуоресцентного канала и револьверной головки блока ЛИМ ПАК, подготовлена эскизная конструкторская документация модулей и проведены исследовательские испытания модулей. На основе данных исследовательских испытаний разработанных макетов модулей блока ЛИМ ПАК, подготовлены технические рекомендации для максимального интегрирования данных компонентов в систему ЛИМ ПАК.

Разработаны компьютерные модели поровой структуры нано- и микропористых материалов носителей лекарственных препаратов. Данные модели могут быть использованы для получения параметров поровой структуры носителей лекарственных препаратов для корректного анализа эффективности их действия.

Сравнительный анализ результатов измерений тестовых объектов показал, что, по сравнению со сканирующим интерференционным профилометром ZYGO NewView 5010, блок ЛИМ ПАК удовлетворяет требованиям технического задания по техническим характеристикам:точность позиционирования в плоскости (X, Y) не хуже 300 нм; разрешающая способность в плоскости (X, Y) не хуже 100 нм; разрешающая способность в направлении Z не хуже 0,2 нм; частота кадров не менее 20 Гц; диапазон сканирования (по оси Z) не менее 10 мкм; размер кадра не менее 740х480 пикселей; потребляемая мощность не более 2 кВт, демонстрируя лучшую разрешающую способность в плоскости (X, Y) и позволяя точнее измерять высоту объектов с характерным размером 1,5 мкм и менее.

Разработаны и испытаны программные модули обработки данных флюоресцентного анализа клеток ПАК, а также анализа динамики их изображений и морфометрических данных для ранней диагностики злокачественных опухолей и анализа эффективности действия противоопухолевых препаратов методами ЛИМ и инфракрасной термографии. Описанные алгоритмы реализованы в программном модуле в виде отдельных компонентов (классов) на высокоуровневом языке программирования MATLAB. Программные модули позволяют загружать оптическое изображение клетки (*.bmp, *.jpg, *.tiff), выделять и загружать, фильтровать (по времени в определенном частотном диапазоне) флюоресцентный образ клеток молочных желез человека, а также загружать, восстанавливать фазовые сдвиги, удалять наклон, выделять контур фазового изображения и анализировать морфометрические показатели и флуктуации оптической толщины клеток. Сохранение всех результатов производится в формате xls (файл Excel).

Разработана лабораторная методика оценки эффективности действия противоопухолевых препаратов с использованием метода ЛИМ и разработанных пористых носителей препаратов на основе кремния и кальций-фосфатных соединений. Методика базируется на анализе волнистости профиля фазовых изображений клеток с помощь программного обеспечения Gwyddion. Анализ данных позволяет связать величину волнистости профиля клетки с уровнем апоптических изменений исследуемых клеток, коррелирующих с эффективностью противоопухолевого препарата.

Разработаны и изготовлены экспериментальные образцы модуля флюоресцентного анализа и модуля револьверной головки блока ЛИМ ПАК, включая эскизную конструкторскую документацию. Исследовательские испытания функционирования экспериментального образца модуля револьверной головки блока ЛИМ ПАК подтвердили стабильность работы системы переключения между увеличениями, а также разницу в положении фокусировки для различных объективов. Исследовательские испытания экспериментального образца модуля флюоресцентного анализа блока ЛИМ ПАК подтвердили наблюдаемость объекта в условиях использования в качестве объекта калибровки проточного цитометра диаметром 6 мкм. При этом техническое решение реализации схемы осветителя экспериментального образца с применением светодиода GNL-50113UBC совместно с плосковыпуклой линзой с фокусным расстоянием 40 мм позволило повысить уровень засветки в два раза с одновременным уменьшением требуемой мощности питания.

Разработанная методика транспортировки и хранения клеток образцов тканей человека позволяет сохранить жизнеспособные клетки исследуемого биоматериала в процессе подготовки к транспортировке, собственно транспортировки с доставкой в научно-исследовательскую лабораторию и первичной обработки образцов. При соблюдении условий разработанной методики, включая среду для транспортировки и температурный режим, определен оптимальный временной интервал (не более 2 часов после операционного вмешательства), в течение которого образцы ткани молочной железы сохраняют жизнеспособность (не менее 60-70%) и могут быть использованы для подготовки клеточных препаратов для исследования методом ЛИМ. Кроме того, установлены условия хранения образцов в виде клеточных проб в условиях криоконсервации (−196°C, 8 часов), позволяющие сохранить жизнеспособность клеток на уровне 60%, что удовлетворяет требованиям для исследования методом ЛИМ.

Установлено, что метод механической дезагрегации образцов тканей молочной железы человека (биопсия) с получением единичных (обособленных) клеток с уровнем жизнеспособности более 60% из образцов тканей молочной железы человека, представленных как плотными, так и мягкими структурами, позволяет осуществить оптимальную пробоподготовку клеточных образцов для анализа с помощью ЛИМ ПАК.

В результате сравнительного анализа живых и мертвых клеток на основе данных ЛИМ ПАК выбран параметр оценки состояния клетки (значение дисперсии флуктуаций оптической толщины клеток) и определено его критическое значение (7 нм2), позволяющие идентифицировать живые / мертвые клетки без специальной фиксации и окраски клеточных образцов.

Разработаны компьютерные модели поровой структуры носителей лекарственных препаратов и на примере противоопухолевых антибиотиков доксорубицина и бензилпенициллина проведено компьютерное моделирование диффузии лекарственных препаратов из пор носителей на основе кремния и кальций-фосфатных соединений, получены оценочные значения коэффициента диффузии. Показано, что с увеличением размера поры величина коэффициента диффузии нелинейно возрастает и выходит на насыщение при размерах пор, превышающих 0,3–0,4 мкм.

Разработана методика ранней диагностики рака молочной железы человека с использованием ПАК, направленная на решение важной социально-медицинской проблемы, а именно проблемы раннего выявления злокачественных новообразований молочной железы. В качестве целевой группы для скрининга определены женщины в возрасте до 40 лет. Обязательные ежегодный скрининг РМЖ данной группы включают использование неинвазивного метода УЗИ, который не позволяет однозначно дифференцировать доброкачественные и злокачественные новообразования. Применение разработанной схемы скрининга также актуально для беременных женщин и женщин в период лактации (независимо от возрастной категории), поскольку предложенный алгоритм диагностики исключает применение инвазивных инструментальных методов исследования. Согласно разработанной методике, блок ТГД ПАК может быть использован в схеме ранней диагностики РМЖ для уточняющей неинвазивной функциональной дифференциации патологического процесса, а блок ЛИМ ПАК − для дифференциации патологически измененных клеток биоптата и объективной оценки результатов цитодиагностики.

Проведена верификация методики ранней диагностики рака молочной железы с использованием клинических данных маммографии. В ходе верификации проведено сравнение результатов, полученных при реализации методики ранней диагностики рака молочной железы с использованием метода ТГД, с данными маммографии пациентов, с диагностированным раком молочной железы.

Разработаны рекомендации по применению методики ранней диагностики рака молочной железы с использованием ПАК в клинической практике. Показано, что разработанная методика применима как для ранней диагностики рака молочной железы, так и для оценки эффективности терапевтического лечения.

Проведены экспериментальные исследования разработанной методики оценки эффективности действия противоопухолевых препаратов методом лазерной интерференционной микроскопии и сопоставление полученных результатов с оценкой эффективности действия противоопухолевого препарата стандартными методами (МТТ-тест, метод прямого подсчета клеток в оптическом микроскопе, метод измерения флуоресценции клеток, метод проточной цитометрии) на примере оценки определения жизнеспособности раковых клеткок линии аденокарциномы молочной железы человека MCF-7 под действием доксорубицина. Результаты исследований с использованием методики ЛИМ обеспечивают статистически сопоставимые результаты со стандартными методами оценки жизнеспособности нормальных и опухолевых клеток, предоставляя возможность количественного определения морфологических характеристик в прижизненном цикле клеток без воздействия (например, окрашивания при флуоресцентном анализе).

Разработаны образцы носителей противоопухолевых препаратов на основе кремния и кальций-фосфатных соединений с нанопористой структурой и методика оценки эффектив-ности противоопухолевых препаратов в прижизненном цикле нормальных и раковых клеток с использованием лазерной интерференционной микроскопии.

Показано, что результаты исследований с использованием разработанной методики ЛИМ обеспечивают сравнимые характеристики со стандартными методами, обеспечивая возможность определения морфологических характеристик в прижизненном цикле раковых клеток, без окрашивания и других воздействий, проводимых при пробоподготовке. Разработанная методика ЛИМ позволяет проводить визуальный скриннинг стадий клеточного апоптоза, что даёт дополнительную информацию о воздействии лекарственных препаратов на раковые клетки. Разработанная методика ЛИМ позволяет реализовать в экспериментах in vitro постепенное дозированное и пролонгированное взаимодействие исследуемого лекарственного препарата с раковыми клетками, что позволяет реализовать условия эксперимента наиболее приближенные к процессам, протекающим в живом организме. Разработанная методика с использованием лазерной интерференционной микроскопии может быть использована при разработке новых противоопухолевых препаратов для оценки их эффективности in vitro.

Изготовлен и проведены исследовательские испытания экспериментального образца ПАК. Экспериментальный образец ПАК представляет собой два независимых блока: лазерный интерференционный микроскоп, работающий в проходящем свете с инвертированной оптической схемой, оснащенный дополнительным каналом флуоресцентного анализа и блока ТГД. Блок ТГД предназначен для скрининговой неинвазивной ранней диагностики. Лазерный интерференционный микроскоп, работающий в проходящем свете с инвертированной оптической схемой, оснащенный дополнительным каналом флуоресцентного анализа предназначен для ранней диагностики злокачественных опухолей, оценки эффективности противоопухолевых препаратов. Блок ТГД состоит из следующих основных структурных блоков: тепловизора и специального бокса для проведения тепловизионной съёмки. Лазерный интерференционный микроскоп состоит из следующих основных структурных блоков: блок оптический предназначен для формирования изображения и представляет собой модификацию интерферометра Линника с объектным плечом; модуль флуоресцентного анализа предназначен для получения флуоресцентного изображения исследуемого микрообъекта, совмещенного с измерительным каналом; модуль регистрации служит для оцифровки полученных изображений и выполняется в виде камер, расположенных в плоскостях изображений измерительного и флуоресцентного каналов; блок оптико-механический, который обеспечивает перемещение оптических элементов для настройки и управления модулем ЛИМ ПАК. Сборка и настройка блока ЛИМ ПАК выполнены с учетом его функционального назначения и требований технического задания.

Разработаны рекомендации и предложения Индустриальному партнеру по использованию результатов выполнения проекта. Показано, что ПАК является перспективным для медико-биологических исследований. Также разработан проект технического задания на проведение ОКР «Разработка флюоресцентного лазерного интерференционного микроскопа для программно-аппаратных комплексов ранней диагностики злокачественных опухолей и анализа эффективности действия противоопухолевых препаратов»

Разработана методика оценки апоптоза опухолевых клеток под действием противоопухолевых препаратов с использованием лазерной интерференционной микроскопии. Проведенные исследования показали, что разработанная методика не противоречит общепринятым методам исследования процесса апоптоза и может быть использована как для оценки апоптоза, так и для поиска новых индукторов апоптоза.

Разработан программный модуль хранения и протоколирования данных программно-аппаратного комплекса для ранней диагностики злокачественных опухолей и анализа эффективности действия противоопухолевых препаратов методами лазерной интерференционной микроскопии и инфракрасной термографии. Описанные алгоритмы были реализованы в программном модуле в виде отдельных функций на высокоуровневом языке программирования MATLAB. Программный модуль позволяет загружать, редактировать и сохранять данные в формате XML (расширяемый язык разметки). Проведены исследовательские испытания программного модуля хранения и протоколирования данных с целью проверки соответствия загрузки входных данных, их обработки и выгрузки выходных данных.

Разработано программное обеспечение программно-аппаратного комплекса для ранней диагностики злокачественных опухолей и анализа эффективности действия противоопухолевых препаратов методами лазерной интерференционной микроскопии и инфракрасной термографии. Выполнены исследовательские испытания программного обеспечения ПАК с целью проверки соответствия загрузки входных данных, их обработки и выгрузки выходных данных.

Разработан программный модуль управления ПАК, проведены его отладка и тестирование. Программный модуль управления ПАК предназначен для управления оптической системой блока ЛИМ ПАК, позволяет использовать любые аппаратные и программные настройки узлов оптической системы блока ЛИМ ПАК для работы в различных режимах, а также получать и сохранять исследовательские данные и настройки всех узлов оптической системы блока ЛИМ ПАК. Протестированы режимы работы оптической системы блока ЛИМ ПАК.

Подготовлена эксплуатационная документация ПАК, состоящая из паспорта, руководства оператора и руководства программиста.

Разработана методика оценки функционального состояния опухолевых клеток образцов тканей человека методом лазерной интерференционной микроскопии. Разработанная методика включает оценку жизнеспособности клеток и последующую дифференциацию живых клеток на раковые и нераковые методом лазерной интерференционной микроскопии.

В связи с получением результатов интеллектуальной деятельности, способных к правовой охране, были выполнены дополнительные патентные исследования, которые показали, что известные источники информации не нарушают новизну и охраноспособность сведений о результатах интеллектуальной деятельности, полученных в рамках настоящего ПНИЭР.

Работы выполнены на высоком научно-техническом уровне, полученные результаты соответствуют техническому заданию и плану-графику исполнения обязательств.

3 Охраноспособные результаты интеллектуальной деятельности (РИД), полученные в рамках проекта

На отчетном этапе зарегистрированы охраноспособные РИД, включающие «Программу для оценки жизнеспособности клеток» (программа для ЭВМ; свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2020619888; заявка № 2020618535; дата поступления заявки 03 августа 2020г.; дата государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ 25 августа 2020 г.) и «Программу для оценки фрактальной размерности контура фазовых изображений клеток» (программа для ЭВМ; свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2020664645; заявка № 2020619628; дата поступления заявки 27 августа 2020г.; дата государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ 16 нобяря 2020 г.), а также подана заявка в Евразийское патентное ведомство «Способ определения жизнеспособности клеток эукариот методом лазерной интерференционной микроскопии» (изобретение; Евразийская заявка № 202000269; дата поступления заявки 02 сентября 2020г.).

4 Назначение и область применения результатов проекта

Результаты проекта по разработке отечественных инновационных программно-аппаратных средств для ранней диагностики онкологических заболеваний и оценки эффективности противоопухолевых средств вносят значимый вклад в реализацию приоритетов Стратегии научно-технологического развития России в части перехода к персонализированной медицине, высокотехнологичному здравоохранению и технологиям здоровьесбережения.

5 Эффекты от внедрения результатов проекта

Организация производства и выпуск программно-аппаратных комплексов на территории РФ позволит повысить эффективность неинвазивной диагностики и терапевтических методов лечения рака молочной железы, сократить сроки лечения и снизить затраты медицинских учреждений на закупку лекарственных препаратов импортного производства, обеспечит импортонезависимость отечественного здравоохранения от поставок дорогостоящего оборудования и препаратов, а также позволит увеличить объемы экспорта российской высокотехнологичной продукции.

6 Формы и объемы коммерциализации результатов проекта

Коммерциализация результатов проекта позволит создать высокотехнологичный наукоемкий продукт – программно-аппаратный комплекс (ПАК), востребованный в здравоохранении и в области биомедицинских исследований для ранней диагностики злокачественных опухолей и анализа действия противоопухолевых препаратов. Создание производства на базе Индустриального партнера позволит увеличить долю российской продукции на отечественном рынке в части оборудования лазерной интерференционной микроскопии и сопутствующего оборудования к 2024 г. до 2,5 % (в настоящий момент около 1 %). По данным агентства BCC Research, объем мирового рынка микроскопии и сопутствующего оборудования для биомедицинских приложений в 2018 году превысил $7,0 млрд, а в 2019 – $7,1 млрд (доля российского рынка менее 0,1%). Техническо-экономические характеристики планируемой к производству продукции проекта обеспечивают ее конкурентные преимущества перед импортными аналогами. Прогнозируемая стоимость ПАК на 30 % ниже импортных аналогов, что обеспечивает конкурентоспособность продукта на внутреннем и на внешних рынках. Вывод на рынок создаваемых на основе результатов проекта программно-аппаратных комплексов планируется осуществить в 2021 г.

7 Наличие соисполнителей

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, этап 3, январь-ноябрь 2020 г.

Федеральные целевые программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы»

Здесь планируется размещать Веб-версии сборников статей