Цели. Активная цифровизация российской экономики вызывает дефицит ИТ-кадров и, в первую очередь, дефицит разработчиков программного обеспечения. Для российского университетского образования актуальной является задача массовой профессиональной подготовки таких специалистов. Цель работы – повышение качества массовой профессиональной подготовки программистов путем создания, внедрения и развития функциональности компьютерной системы «Цифровой ассистент преподавателя» (ЦАП). Эта система позволяет преподавателю в условиях массового обучения сконцентрироваться на функциях, требующих творческого подхода – составлении и обсуждении нетривиальных задач по программированию.

Методы. Использованы педагогические методы персонификации учебного процесса. Общий подход основан на удовлетворении ограничениям для создания генераторов задач по программированию. При генерации задач применены методы порождения случайных программ и данных на основе вероятностных контекстно-зависимых грамматик, а также методы трансляции с использованием дерева абстрактного синтаксиса. Для декларативного представления генератора задач применены методы функционального программирования, позволяющие создать предметно-ориентированный язык с помощью комбинаторов. Для проверки решений использованы методы автоматического тестирования.

Результаты. Разработана структура системы ЦАП. Рассмотрена автоматическая генерация задач по программированию, выделены классы практических задач, отражающие современную специфику разработки программного обеспечения, приведены примеры их генерации. Приведена схема генератора задач по программированию. Описана процедура автоматической проверки решения задач, осуществляемая с помощью набора программных тестов, сформированного генератором задач. Приведена процедура комплексной оценки решения обучающегося, включающая проверку корректности результата и проверку на плагиат решений в случае задач, созданных преподавателем вручную; соответствие стандарту стиля написания программы, метрикам оценки сложности программы и т.д. Рассмотрены ведение статистики успеваемости обучающихся и интерфейс взаимодействия обучающихся и преподавателей.

Выводы. Опыт внедрения ЦАП в учебный процесс курса «Программирование на языке Python» подтвердил возможность обеспечения персонификации учебного процесса для обучающихся в виде индивидуальных образовательных траекторий.

Цели. Развитие элементной базы программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) качественно меняет требования к маршруту проектирования электронных средств вследствие роста логической емкости этих микросхем и тенденции к повышению степени интеграции подсистем. Преимущественным направлением применения данной платформы является концепция системы на кристалле (СнК), направленная на совмещение в одном кристалле подсистем приема, обработки и обмена данными, а также на реализацию управляющих, диагностических и других вспомогательных подсистем. Цель работы – разработка методики применения софт-процессоров, т.е. процессоров, создаваемых на базе конфигурируемых логических ресурсов, для реализации функций управления в составе СнК на базе ПЛИС.

Методы. Использованы методы проектирования цифровых систем.

Результаты. Для софт-процессоров рассмотрен унифицированный маршрут проектирования, основанный на выборе архитектурных параметров, качественно соответствующих задачам управления. В частности, такие параметры, как адресность системы команд, количество тактов конвейера, конфигурация арифметико-логического устройства, являются регулируемыми на этапе проектирования, что позволяет проводить оптимизацию софт-процессора в дискретном пространстве параметров. Рассмотрен также подход к быстрому прототипированию ассемблера на основе стекового языка программирования с регулярной грамматикой. Перспективным направлением применения софт-процессоров является управление аппаратными компонентами цифровой обработки сигналов в составе СнК. В статье рассмотрен пример реализации СнК на базе ПЛИС Xilinx Virtex-7, в составе которого применены несколько процессорных ядер, разработанных по предложенной методике.

Выводы. Рассмотренные подходы к проектированию софт-процессоров позволяют проводить быстрое прототипирование управляющего процессорного ядра для работы в составе СнК на базе ПЛИС.

Цели. Использование синхротронного излучения позволяет решать фундаментальные метрологические задачи воспроизведения и передачи единиц спектрорадиометрии, разрабатывать методы и средства метрологического обеспечения современных технологий, таких как нанофотолитография в электронной промышленности. Развитие твердотельных источников и приемников излучения формирует новые актуальные задачи исследования метрологических характеристик светодиодов, многоэлементных матричных приемников, ПЗС-камер и телескопов, успешное решение которых зависит от использования свойств эталонного источника синхротронного излучения. Целью работы является развитие методов спектрорадиометрии для метрологических каналов электронного накопительного кольца при контроле характеристик компонентов в электронной промышленности, при исследованиях и калибровках радиометров, фотометров, излучателей в видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра.

Методы. Методы передачи единиц спектрорадиометрии на электронном накопительном кольце основаны на использовании классической теории Ю. Швингера, описывающей электромагнитное излучение релятивистского электрона, для расчета спектральных энергетических характеристик синхротронного излучения с учетом поляризационных компонентов.

Результаты. Рассмотрены возможности развития методов передачи единиц спектрорадиометрии с использованием синхротронного излучения и создания испытательной установки. Эта установка включает в себя компаратор на основе монохроматора, телескопа с ПЗС-матрицей, спектрорадиометра, радиометра, фотометра, гониометра и интегрирующей сферы, позволяющих проводить измерения полного набора спектрорадиометрических и фотометрических характеристик источников и приемников излучения – от наиболее дифференциального распределения спектральной плотности энергетической яркости по излучающей области до интегрального потока излучения с прослеживаемостью к эталонному источнику синхротронного излучения.

Выводы. Определение метрологических характеристик светодиодных излучателей, многоэлементных матричных приемников, ПЗС-камер и телескопов с использованием синхротронного излучения представляется наиболее перспективным направлением с учетом малых размеров излучающей области синхротронного излучения, Гауссова распределения энергетической яркости по излучающей области электронного сгустка синхротрона, широкого динамического диапазона перестройки спектра за счет изменения энергии и числа ускоренных электронов.

Цели. Квантово-каскадные лазеры терагерцового диапазона (ТГц ККЛ) являются компактными твердотельными приборами с инжекционной накачкой, которые позволяют генерировать излучение в диапазоне от 1.2 до 5.4 ТГц. В полосе рабочих частот ТГц ККЛ находятся линии поглощения для ряда веществ, актуальных для медико-биологических и экологических приложений. Для широкого применения ТГц ККЛ в данных приложениях необходимо увеличивать рабочую температуру лазеров, что позволит уменьшить размеры и стоимость ТГц ККЛ, а также упростит использование данных ТГц-источников.

Методы. В работе для расчета электронного транспорта в ТГц ККЛ использовалась система балансных уравнений на основе базиса волновых функций с уменьшенными дипольными моментами туннельно-связанных состояний.

Результаты. В результате расчетов предложен оригинальный зонный дизайн с периодом на основе трех GaAs/Al_0.18Ga_0.82As квантовых ям (КЯ) и максимумом усиления около 3.3 ТГц. На основе разработанного дизайна был экспериментально изготовлен ТГц ККЛ, что включало рост лазерной структуры методом молекулярно-лучевой эпитаксии, постростовой процессинг для формирования полосковых лазеров с двойным металлическим волноводом и сборку лазеров на теплоотводе. Изготовленные ТГц ККЛ продемонстрировали генерацию вплоть до температуры 125 К, что согласуется с проведенными расчетами. Также в работе проведено исследование зонных дизайнов на основе двух GaAs/Al_xGa_1–xAs КЯ с различным содержанием алюминия в барьерных слоях (x = 0.20, 0.25 и 0.30).

Выводы. Рассчитанные температурные зависимости пикового усиления для двух-КЯ дизайнов с x > 0.2 подтверждают возможность создания ТГц ККЛ, работающих при температурах свыше 200 К. Таким образом, в работе предложены двух-КЯ зонные дизайны, которые превосходят по максимальной рабочей температуре существующие рекордные высокотемпературные дизайны ТГц ККЛ.

Цели. Благодаря наличию прямозонного перехода с шириной запрещенной зоны, соответствующей видимой и ближней инфракрасной областям спектра, двумерные дихалькогениды переходных металлов (ДПМ) находят применение в различных оптических приложениях. Однако ограниченный набор существующих ДПМ делает область используемого спектрального диапазона дискретной. Наиболее эффективным способом решения этой проблемы является использование двумерных пленок ДПМ на основе многокомпонентных твердых растворов, в состав которых входят три и более различных химических элемента (в то время, как ДПМ состоят из двух). Варьируя их морфологический состав, можно управлять значением ширины запрещенной зоны, и, таким образом, их оптическим спектром поглощения. Так как ширина запрещенной зоны в таких структурах сильно нелинейна по отношению к их химическому составу, это затрудняет подбор необходимой концентрации для достижения равномерного поглощения. В связи с этим целью данной работы является теоретическое определение зависимости ширины запрещенной зоны четырехкомпонентных двумерных твердых растворов Mo_xW_1−xS_2ySe_2(1−y) от их морфологического состава.

Методы. Расчеты выполнены в рамках теории функционала плотности с использованием программного пакета Quantum Espresso. Двумерные кристаллиты твердых растворов ДПМ были изготовлены из объемных кристаллов ДПМ методикой механической эксфолиации на подложку Si/SiO₂. Экспериментальное исследование фотолюминесцентных характеристик было проведено при помощи фотолюминесцентной микроскопии- спектроскопии.

Результаты. В работе была определена зависимость ширины запрещенной зоны от морфологического состава двумерных твердых растворов Mo_xW_1−xS_2ySe_2(1−y). Установлено, что при варьировании состава твердых растворов ДПМ ширина запрещенной зоны изменяется от 1.43 до 1.83 эВ. Показано, что полученные теоретические результаты качественно совпадают с экспериментальными данными.

Выводы. Минимальной шириной запрещенной зоны обладают твердые растворы, близкие по своему составу к MoSe₂, в то время как максимальной – структуры, близкие по своему составу к WS₂.

Цели. Актуальной задачей при создании магнитоэлектрических (МЭ) устройств на основе композитных гетероструктур ферромагнетик-пьезоэлектрик является уменьшение их размеров, что позволит повысить рабочие частоты устройств и интегрировать их в современную электронику. Цель работы – исследование влияния размеров на характеристики МЭ эффектов в полосковых и периодических гетероструктурах никель – цирконат-титанат свинца, изготовленных методом электролитического осаждения.

Методы. Для изготовления образцов использовали диски цирконата-титаната свинца с Ag-электродами. На одну поверхность диска электролитически наносили слой Ni. Исследовали резонансную частоту МЭ эффекта, коэффициент МЭ преобразования на этой частоте и величину оптимального магнитного поля смещения для полученных образцов.

Результаты. Показано, что уменьшение размера в плоскости полосковых структур до ~1 мм приводит к росту частоты резонансного МЭ эффекта до ~1 МГц и одновременно к снижению эффективности МЭ преобразования. МЭ коэффициент для периодических гетероструктур с шириной Ni-полосок ~100 мкм и расстоянием между ними 20–100 мкм составляет ~1 В/(Э · см). Показано, что при увеличении угла φ между направлением постоянного поля H и осью Ni-полосок от 0° до 90° величина оптимального поля H_m возрастает в ~2.5 раза, а максимальная амплитуда напряжения u_max(H_m) падает в 4 раза.

Выводы. В периодических структурах частота резонансного МЭ эффекта определяется размером подложки и может составлять единицы кГц, а эффективность преобразования полей зависит от ширины Ni-полосок и расстояния между ними. Обнаружена и объяснена анизотропия характеристик МЭ эффектов в исследованных гетероструктурах, возникающая из-за эффектов размагничивания. Анизотропия МЭ эффекта в периодических гетероструктурах может быть использована для создания датчиков постоянных магнитных полей, чувствительных к ориентации поля.

Цели. Химический состав и молекулярная структура органических соединений обладают высокой чувствительностью к терагерцовому излучению. Поэтому терагерцовая спектроскопия во временно́й области в настоящее время является перспективным методом исследования в области фармакологии и медицины. Однако из-за того, что многие биомолекулы обладают хиральностью, их анализ проводится путем облучения ТГц-излучением с круговым дихроизмом. В частности, круговой дихроизм ТГц-излучения позволяет исследовать «мягкие» колебательные движения биомолекул с различной закрученностью. Точный контроль параметров этого излучения очень важен при исследовании биологических материалов. Цель работы – описать метод, позволяющий охарактеризовать поляризацию ТГц-излучения на примере использования черного фосфора в качестве источника.

Методы. Анализ параметров поляризации ТГц-излучения, экспериментально полученных методом спектроскопии временно́го разрешения, а также с использованием терагерцовых поляризаторов, проводился путем математического моделирования взаимодействия ТГц-излучения и кристалла ZnTe в качестве детектора.

Результаты. В работе подробно рассмотрены две схемы терагерцовой спектроскопии с кристаллом ZnTe в качестве детектора. Определение параметров поляризации выполнено с использованием одного или двух решетчатых ТГц-поляризаторов. Выведено выражение для аппроксимации зависимостей размаха амплитуды ТГц-излучения от угла поворота решетчатого ТГц-поляризатора для этих случаев. Рассмотрено влияние величины напряженности электрического поля терагерцового излучения на форму поляризационных зависимостей. Определен угол поворота эллипса поляризации ТГц-излучения, испускаемого поверхностью объемного слоистого кристалла черного фосфора при воздействии на него фемтосекундных лазерных импульсов.

Выводы. Амплитуда напряженности электрического поля ТГц-излучения начинает влиять на форму поляризационных зависимостей, когда ее величина становится сравнимой или превышает 40 кВ/см.

Цели. Разработка композитных структур, в которых наблюдается сильно анизотропный магнитоэлектрический (МЭ) эффект, актуальна для создания датчиков, чувствительных к направлению магнитного поля. Такой МЭ эффект может быть обусловлен анизотропией как магнитного, так и пьезоэлектрического слоя. Авторами изготовлен новый анизотропный материал – магнитострикционный волоконный композит (МВК), представляющий собой набор никелевых проволок, расположенных вплотную параллельно друг к другу в один слой и погруженных в полимерную матрицу. Цель работы – исследование линейного МЭ эффекта в композитных структурах со слоями из МВК и керамики цирконата титаната свинца (ЦТС-19).

Методы. Магнитострикция МВК была измерена тензометрическим методом, МЭ эффект – методом низкочастотной модуляции магнитного поля.

Результаты. Были изготовлены структуры с диаметрами никелевых проволок 100, 150 и 200 мкм. Измерены полевые зависимости магнитострикции МВК, а также частотные, полевые и амплитудные зависимости МЭ напряжения для случая линейного МЭ эффекта при различной величине угла между направлением магнитного поля и проволоками. Показано, что все образцы обладают сильной анизотропией относительно направления магнитного поля. МЭ напряжение уменьшается от максимального значения до нуля при изменении направления магнитного поля с параллельного до перпендикулярного относительно волокон никеля.

Выводы. Наибольшим по величине МЭ коэффициентом, составляющим 1.71 В/(Э · см), обладает структура, изготовленная на основе МВК с диаметром проволоки 150 мкм. Частота резонанса растет от 3.5 кГц до 6.5 кГц с увеличением диаметра проволок. Величина магнитострикции МВК сопоставима по величине с магнитострикцией пластины никеля такой же толщины.

Цели. Процессы накипеобразования и коррозии являются серьезной проблемой для оборудования теплоэнергетического комплекса. Их активное развитие может полностью заблокировать работу системы, ускорить коррозию и привести к закупориванию, местным перегревам, прогарам и разрывам котлов и труб. Это, в свою очередь, может привести к катастрофическим последствиям и масштабным экологическим проблемам. Важной задачей является защита поверхностей от накипеобразования и коррозии. Перспективными методами предотвращения развития нежелательных последствий являются модификация состава полимерных покрытий за счет введения микрокапсулированных ингибиторов коррозии, а также поверхностная модификация, а именно, гидрофобизация поверхности полимерного покрытия. Целью работы являлся анализ методов снижения накипеобразования и скорости коррозионных процессов, а также исследование эффективности модификации лакокрасочных покрытий (ЛКП) посредством введения в их состав микрокапсулированных ингибиторов коррозии.

Методы. В работе использовались методы ускоренных коррозионных испытаний.

Результаты. Проанализированы существующие методы снижения накипеобразования и скорости коррозии на поверхностях теплоэнергетического оборудования. Исследована эффективность модифицирования защитных полимерных материалов за счет введения в их состав микрокапсул, содержащих активную фосфонатную добавку, а также их поверхностное модифицирование.

Выводы. Установлено, что модифицирование ЛКП за счет применения микрокапсулированных активных добавок позволяет существенно снизить скорость как накипеобразования, так и развития коррозионных процессов. Внедрение современных методов модифицирования полимерных покрытий позволяет получать составы нового поколения, эффективным образом препятствующие накипеобразованию, развитию коррозионных процессов, и дает возможность сохранять высокую производительность теплообменного оборудования.

Цели. В облучательных приборах, работающих в светотехнических установках с трубчатыми ультрафиолетовыми (УФ) лампами низкого давления, к электронным пускорегулирующим аппаратам (ЭПРА) предъявляются следующие требования: невысокая стоимость, обеспечение надежного зажигания разрядных ламп низкого давления в условиях пониженных температур и надежная работа ламп при повышенной энергетической эффективности. По сравнению с электромагнитными пускорегулирующими аппаратами, ЭПРА обеспечивают повышение светоотдачи разрядных ламп и коэффициента мощности, снижение расхода дефицитных материалов, уменьшение массы. Для повышения энергетической эффективности УФ ламп в комплекте с ними целесообразно использовать импульсные ЭПРА, обеспечивающие питание на частоте 22–50 кГц. Различные схемные решения ЭПРА включают в себя такие основные узлы как сетевой фильтр, выпрямитель, корректор коэффициента мощности, сглаживающий фильтр, высокочастотный (ВЧ) преобразователь, балласт и зажигающее устройство. Целью работы является разработка электронной полупроводниковой схемы включения и питания разрядной лампы повышенной энергетической эффективности с импульсным ЭПРА.

Методы. Использованы классические методы математического исследования с применением структурной схемой ЭПРА, его математическим описанием и адаптивной модели для определения потока резонансной линии ртути с длиной волны 254 нм.

Результаты. Для разных моментов времени представлены уравнения определения параметров импульсов, образованных огибающей в форме входного напряжения и тока промышленной частоты. Дано математическое описание для определения длительности импульсов и тока лампы в зависимости от значений номинального и рабочего напряжения и номинального тока. Представлены диаграмма мгновенных значений напряжения на входе ВЧ ключа и диаграмма формируемого импульсного тока. В работе проведен расчет параметров комплекта «УФ лампа – импульсный ЭПРА» при условии постоянства мощности лампы и использовании адаптивной модели для определения потока резонансной линии ртути длиной волны 254 нм.

Выводы. В результате расчетов были определены относительные значения лучистой отдачи резонансной линии ртути исследуемых УФ ламп. Теоретические исследования ЭПРА позволили разработать электронную полупроводниковую схему включения и питания разрядной лампы прямоугольными импульсами высокой частоты. В ходе работы для предложенного схемного решения импульсного ЭПРА проведен расчет параметров элементной базы с выбранными основными исходными характеристиками блокинг-генератора.

Цели. В статье представлено понятие юзабилити как основополагающей концепции многих направлений современного дизайна: промышленного, графического, цифрового и т.д. с учетом развития технологий. Целью статьи является формулирование концепции юзабилити в цифровом дизайне на основании эволюции юзабилити в промышленном дизайне.

Методы. Использование исторического метода исследования показало, что юзабилити применительно к взаимосвязи между человеком и объектом дизайна характеризуется унификацией формы. С помощью метода аналогии этот вывод был применен и по отношению к цифровому дизайну. В статье приведены основные принципы оценки юзабилити в дизайне, а также характер ее влияния на дальнейшее развитие дизайна. Требования к проектируемому продукту с точки зрения анализа юзабилити рекомендовано выполнять с учетом принципов универсальности, являющихся основой системы универсального дизайна.

Результаты. Принимая во внимание принципы проектирования в промышленном дизайне и современные требования в области графического, цифрового и веб-дизайна, авторами предложено формировать юзабилити цифрового продукта с точки зрения универсальности и искать наиболее рациональные визуальные образы при проектировании объектов UI/UХ дизайна. В статье приведены примеры разработок промышленного и цифрового дизайна, выполненных студентами с применением концепции универсального дизайна.

Выводы. Использование принципов универсальности как в промышленном, так и в UI/UХ дизайне, позволяет сформировать юзабилити проектируемого объекта дизайна.