Преобразователь тепловых сигналов

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Российская академия сельскохозяйственных наук

Сибирское отделение

ГНУ Сибирский физико-технический институт аграрных проблем

Центр информационно-вычислительного обеспечения

Преобразователь тепловых сигналов

А.Ф. Алейников,

Ю.А. Матасова,

Ю.В. Морозов

г. Новосибирск 2006

УДК 530. 17: 621.30

Алейников А. Ф., Матасова Ю.А., Морозов Ю.В. Преобразователь тепловых сигналов / РАСХН. Сиб. отд-ние. - Новосибирск, 2006. - 68 с.

В предлагаемой монографии показана возможность создания нового направления в микроэлектронике - теплотронике, работа элементов которых основана на преобразовании тепловых сигналов. Проведён аналитический обзор методов поиска новых технических решений и программного обеспечения для автоматизации поиска принципов действия преобразователей сигналов, неизвестных ранее. Рассмотрен принцип действия и описана конструкция преобразователя тепловых сигналов - аналога транзистора, способного работать в экстремальных условиях, например, при повышенной радиации и низких температурах в космическом пространстве.

Рецензент: д-р техн наук, профессор В.Я. Черепанов

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. Обзор программного обеспечения для поддержки решения задач поискового проектирования

2. Этапы проектирования нового технического средства

3. Обзор наиболее эффективных методов формирования новых технических решений

4. База данных физических эффектов как основа построения новых преобразователей сигналов

5. Использование иерархического описания системы физических эффектов для построения теплового преобразователя сигналов

ЛИТЕРАТУРА

Введение

Развитие космических исследований, появление новых сфер использования ядерной энергии, разработка систем противоядерной обороны требуют разработки и совершенствования электронной техники, надёжно работающей в экстремальных условиях. Под экстремальными условиями эксплуатации следует понимать повышенный радиационный фон, очень высокие и очень низкие температуры и т.д. Общеизвестно, что при взаимодействии излучения с полупроводниковыми кристаллами имеют место эффекты смещения и ионизации, приводящие к необратимым изменениям в полупроводниках и соответствующим радиационным дефектам в них [1]. Изменение температуры окружающей среды до очень высоких и очень низких значений также приводит необратимым изменениям полупроводниковых структур и невозможности правильного преобразования электрических сигналов. Использование современной микроэлектронной аппаратуры в таких условиях требует специальных мер защиты и сложной технологии её создания. Основой электронной аппаратуры, предназначенной для эксплуатации в экстремальных условиях, должны стать преобразователи сигналов различной физической природы, поскольку вид преобразования сигналов определяет устойчивость преобразователя к воздействиям окружающей среды.

Разработку преобразователя сигналов необходимо производить на базе некоторой совокупности физических эффектов. Разработка преобразователя как нового технического средства относится к проблеме синтеза новых решений, которая рассматривается в рамках методов поискового конструирования, принципов инженерного творчества, алгоритма изобретательских задач. Нередко задачи поискового проектирования и конструирования затруднительно или невозможно решить без использования вычислительной техники, например, при проектировании технических систем с новыми принципами действия, систем, которые сложны для мысленного моделирования. В нашей стране и за рубежом активно разрабатываются и используются программные продукты для поддержки решения задач поискового проектирования, поддержки творческой деятельности.

В настоящее время известно огромное множество физических эффектов, поэтому, прежде чем приступать к синтезу новых преобразователей сигналов, следует проанализировать варианты формализации описания и организации упорядоченных структур физических эффектов. Построение таких упорядоченных структур как базы данных позволяет применять принцип подобия и метод аналогии для получения новых форм преобразований сигналов, пригодных для тех или иных условий эксплуатации электронной аппаратуры.

Наиболее перспективными авторы считают преобразователи тепловых сигналов. Это обусловлено тем, что использование теплового сигнала как носителя информации должно позволить учитывать внешние тепловые воздействия в экстремальных условиях. Именно анализ вариантов построения тепловых преобразователей будет взят в качестве примера использования баз данных физических эффектов.

1. Обзор программного обеспечения для поддержки решения задач поискового проектирования

Разработка первых программных продуктов для поддержки творческой деятельности началась в конце 1970-х гг. В нашей стране основу для создания таких программ заложили известные работы Г.С. Альтшуллера, А.И. Половинкина, Г.Я. Буша, В.В. Митрофанова и других исследователей, разрабатывавших алгоритмы решения нестандартных задач, преимущественно на основе теории решения изобретательских задач (ТРИЗ) [2, 3, 4]. За рубежом программы, предназначенные для облегчения поиска нестандартных решений, генерации новых идей и активизации творческих способностей человека обозначаются специальным термином Creativity Software. В нашей стране терминология для обозначения соответствующего класса программного обеспечения пока еще не сложилась, в основном используется термин «системы поддержки творческих решений» (СПТР). Эти системы могут быть применимы везде, где требуется новое решение или новый способ использования привычных вещей. Разумеется, сами по себе СПТР не способны решать «творческие» задачи, они лишь помогают человеку в их решении. Широкое распространение СПТР получили в областях научно-технического творчества и изобретательства (более 10 лет СПТР используют инженеры и технологи крупнейших мировых компаний: Polaroid, General Electric, Procter & Gamble, Kodak и многие другие).

В отличие от отечественных разработок, построенных в основном на базе ТРИЗ и «рационализирующих» творческий процесс, зарубежные версии СПТР в целом более «иррациональны» и базируются на широком спектре методов решения творческих задач, используют принципы мозгового штурма, морфологического анализа, различные варианты синектических методов, методы случайного стимулирования ассоциаций и др. На зарубежном рынке ПО представлены, например, такие программные продукты, как Axon Idea Processor, Problem Solver, SeriousCreativity, Genius Handbook, BrainStormer, Brainstorming Toolbox, IdeaGenerator, Creativity Unleashed, Creativity Machine, Inspiration, MindMan, Idea Fisher и многие другие. Несмотря на относительную простоту и подчас «игровой» характер использования большинства названных программ, они, судя по опыту и оценкам специалистов, использующих такие программы на практике, достаточно эффективны.

Можно обозначить следующие функции, выполняемые такими программами:

1. оценка творческих способностей (как правило, тесты на «нестандартность» мышления) и возможность проследить их развитие по мере использования СПТР;

2. стимулирование творческих способностей (задачи, развивающие «нестандартное» мышление);

3. разрушение привычных представлений, стереотипов (визуальные, текстовые и проч. «подсказки» -- стимулы, способствующие появлению у человека новых ассоциаций и генерированию новых идей);

4. составление «карт мышления» (mind mapping, concept mapping);

5. формирование (по задаваемым пользователем условиям) выборки решений из банка идей» для их последующего усовершенствования, адаптации и применения;

6. комбинирование идей для получения новых;

7. сортировка и оценка идей на основе задаваемых критериев и выбор наиболее подходящих;

8. организация и протоколирование процесса генерации новых идей и их отбора;

9. пополнение существующего «банка идей».

Большинство программ этого класса построено на идеях ТРИЗ, разработанной Г.С. Альтшуллером, например, «Изобретающая машина» [5], англоязычная разработка Invention Machine, «Машина открытий» В.В. Митрофанова (www.natm.ru/triz/news/mo_rekl.htm). Часто такие программы включают в себя дополнительные ресурсы, например, базы физико-технических эффектов, фонд решения изобретательских задач, тезаурусы, словари и т.п.

Из последних разработок российских ученых зарегистрированных в официальном бюллетене российского агентства по патентам и товарным знакам «Программы для ЭВМ. Базы данных. Топологии интегральных микросхем» следует отметить:

1. 2000 №1 990146 (22.10.1999)

Аврамчик Г.Н., Галочкин В.И., Смиренский Е.А., Соболев А.Н.

Марийский государственный технический университет.

База данных по физическим эффектам (БД ФЭ).

Предназначена для решения задач информационного поиска, структурного синтеза и физического анализа технических систем. Позволяет осуществлять синтез принципов действия технических систем различного назначения, на которых проявляются требуемые физические эффекты, прогнозирование направлений развития технических систем.

СУБД Foxpro 2.6, MS DOS 6.0 и выше.

2. 2000 №1 990760 (22.10.1999)

Галочкин В.И., Соболев А.Н.

Марийский государственный технический университет.

Комплекс программ поиска принципов действия технических объектов на основе фонда физических эффектов (система Принц).

Предназначен для решения задач синтеза принципов действия технических систем различного назначения. Позволяет решать задачи на стадии разработки технических приложений по прогнозированию развития технических систем.

СУБД Foxpro 2.6, MS DOS 6.0 и выше.

3. 2001 №2 2001620003 (15.01.2001)

Соболев А.Н., Аврамчик Г.Н., Бурмистрова Н.П., Галочкин В.И.

Марийский государственный технический университет.

База данных по физическим эффектам для нанотехнологий (БД ФЭ НАНО).

Позволяет осуществлять синтез принципов действия технических систем, оказывает информационную поддержку в научно-техническом прогнозировании и изобретательстве.

СУБД Foxpro 2.6, Win 95 и выше.

2. Этапы проектирования нового технического средства

В общем случае схема пpоектиpования состоит из четыpех этапов: постановка задачи создания нового технического сpедства, поисковое пpоектиpование, концептуальное пpоектиpование и инженеpное констpуиpование. Рассмотрим более подробно первые два этапа. На этапе постановки задачи создания нового технического сpедства на основе уяснения и углублённого анализа пpоблемы возникновения актуальной потpебности фоpмиpуется системная модель нового изделия, описывающая его связи и отношения с внешним окpужением (рис.1).

Рассмотрение этой модели позволяет осуществить постановку общей задачи создания нового технического сpедства - сфоpмулиpовать его служебное назначение, опpеделить огpаничения и гpаничные условия на pеализацию pабочей функции, кpитеpии оценки и т.п. Пpи анализе задачи на новизну и техническую осуществимость опpеделяются пути дальнейшего хода ее pешения: использование существующего технического pешения, констpуиpование нового технического сpедства или повтоpное pассмотpение пpоблемы с постановкой pеальных на сегодняшний день задач.

Данный этап должен ответить на вопpосы: нужно ли новое техническое сpедство и какие задачи оно должно pешать. Пpи положительном pешении этих вопpосов офоpмляется задание, в котоpом окончательно фоpмулиpуется постановка общей задачи создания нового изделия, котоpое является основой для выполнения этапов пpоектно-констpуктоpского пpоцесса.

Рисунок 1. Схема системного проектирования технических средств и систем (этап: постановка задачи)

Этап поискового пpоектиpования должен ответить на вопpос - каким должно быть будущее техническое сpедство (рис. 2). Для этого уточняется его служебное назначение, опpеделяются гpаницы системы и ее связи с внешним окpужением. Пpи анализе общей задачи четко фоpмулиpуется pабочая функция нового технического сpедства и опpеделяются компоненты задачи - паpаметpы, фактоpы pешения, цели и кpитеpии оценки, вpемя отводимое на выполнение пpоекта. Опpеделяется (выбиpается или изобpетается) пpинцип действия будущего технического объекта. Если на сегодняшний день задача создания нового технического сpедства окажется технически неосуществима, то необходимо веpнуться к постановке задачи его создания, уточнив или изменив его служебное назначение. Когда пpинцип действия ясен и pабочая схема создаваемого объекта известна, то следует опpеделить пpедельные pежимы функциониpования объекта пpоектиpования. Результатом данного этапа является офоpмленное техническое задание на пpоектиpование нового технического сpедства, котоpое должно содеpжать однозначное описание его служебного назначения, показателей качества и кpитеpии оценки пpоекта.

Далее этап концептуального пpоектиpования pешает вопpос о технической pеализации замысла будущей констpукции. Результатом этапа концептуального пpектиpования должно быть офоpмленное техническое пpедложение, котоpое должно опpеделить концепцию констpукции будущего технического сpедства и технико-экономическую целесообpазность его создания.

Рисунок 2. Схема системного проектирования технических средств и систем: (этап: поисковое проектирование)

На этапе инженеpного констpуиpования pазpабатываются ваpианты важнейших элементов технического сpедства, котоpые анализиpуются и уточняются. Затем выполняется технико-pабочее пpоектиpование, котоpое дает полное и окончательное пpедставление об устpойстве и функциониpовании будущего изделия, пpедусматpивает детализацию констpукции путем pазpаботки чеpтежей на каждый изготовляемый элемент.

На схемах показаны и элементы необходимой инфоpмационной поддеpжки пpоектно-констpуктоpского пpоцесса. Они пpедставляют собой каталоги известных технических pешений технических сpедств и их элементов (К.01), спpавочники по физическим эффектам, методам и способам пpеобpазования вещества, энеpгии и инфоpмации (К.02 и К.03).

Этапы постановки общей задачи создания новых технических объектов, их поискового и концептуального пpоектиpования остаются в основном этапами твоpческими. Пpедлагаемые некотоpыми автоpами методы их автоматизации сводятся к pекомендациям по созданию pазвитых инфоpмационных и экспеpтных систем.

Для детального анализа математических методов поискового конструирования и методов выбора технических объектов с позиций автоматизации процесса проектирования рассмотрим основные методы, используемые при автоматизации начальных этапов проектирования, известные в отечественной и зарубежной практике.

Анализ известных методов формирования технических решений (ТР) показал, что наиболее эффективными, а потому широко используемыми на практике, являются: ТРИЗ, метод эвристических приемов, обобщенный эвристический метод, метод гирлянд ассоциаций и метафор, морфологические методы анализа и синтеза такие, как метод "матриц открытия", метод десятичных матриц поиска и другие, направленные на исследование самого объекта проектирования, а не психологических особенностей человека. Кроме того, указанные методы могут быть в значительной мере формализованы, что немаловажно с позиций поставленных задач.

Разработки более эффективных методов, чем известные, интенсивно продолжаются, при этом прослеживаются три основных направления разработок:

- создание принципиально новых методов;

- создание новых методов на основе комбинации известных;

- увеличение эффективности известных методов.

3. Обзор наиболее эффективных методов формирования новых технических решений

Суть метода эвристических приемов при проектировании новой конструкции, используемого в алгоритмах, можно представить, как преобразование известных прототипов с помощью определенного набора эвристических приемов, и получение множества новых конструктивных решений, отвечающих заданным условиям, среди которых ведется затем поиск оптимального варианта. Библиотека для этих приемов преобразования прототипов для несложных механических систем содержит 16 приемов, которые подразделены на 16 групп. Из 86 составленных эвристических приемов для 65 имеются рекомендации по их формальному описанию, открывающие возможность их программирования на ЭВМ, остальные пока не удалось формально описать.

Суть метода гирлянд ассоциаций и метафор, являющегося одним из эвристических методов поискового конструирования, заключается в определении гирлянд синонимов и гирлянд случайных объектов с последующим составлением комбинаций из этих случайных гирлянд. Конечным результатом является выбор рационального варианта технического объекта и отбор наилучшего из рациональных, как правило, методом экспертных оценок.

На основе взаимосвязи показателей технических объектов и эвристических приемов разработан метод десятичных матриц поиска (ДМП). Все основные показатели технических объектов разделены на 10 групп, что дало возможность построить особую десятичную систему матричных таблиц, в строках которых записаны меняющиеся характеристики технического объекта, а в столбцах - группы эвристических приемов их изменения. Каждая клетка на пересечении ряда и столбца соответствует определенному ТР, краткое описание которого может сопровождаться графическим описанием. В зависимости от содержащейся информации ДМП могут носить общетехнический, отраслевой или предметный характер. При построении ДМП должна использоваться патентно-техническая литература. Значение взаимосвязей показателей технических объектов и групп эвристических приемов, а также конкретных требований решаемой задачи предопределяет целенаправленный выбор пути ее решения.

Более простую модель предложил Ф. Цвикки. Ситуация выбора в ней оказывается конструктором при создании новых ТР - морфологический ящик. Свободу выбора при конструировании Ф. Цвикки трактует, как возможность работать с альтернативами, т.е. выбирать одни варианты выполнения блоков и отвергать другие. Выделяя в каждом столбце таблицы альтернативу и соединяя их отрезками линий, получают многозвенную линию, которая символизирует описание признаков некоторой конструкции. Выбор предпочтительной конструкции инженер делает интуитивно, по очереди перебирая комбинации альтернатив. Технический объект исследуют, выделяя ряд характерных признаков. Затем для признаков находят различные варианты исполнения, реализующие эти признаки. Столбцы в таблице соответствуют необходимым признакам, а отдельная позиция в столбце - варианту его функциональной реализации.

Другая форма - комбинирование признаков, характеризующих различные системы (организующие понятия). При комбинировании двух организующих понятий, рекомендуется табличная форма, в столбцах которой записаны признаки одного организующего понятия, а в строках признаки другого организующего понятия. В каждой клетке таблицы находится рабочий принцип из комбинации двух элементов решения. При комбинировании более чем двух организующих понятий пользуются матричной формой записи.

В общем, метод морфологического анализа и синтеза состоит в изучении всех возможных комбинаций параметров, форм, отдельных элементов для решения поставленной задачи. Значения параметров, типы форм и элементов образуют таблицу (матрицу). Различные сочетания перечисленных характеристик рождают альтернативные идеи или рекомендуемые решения задачи. Морфологический анализ применяется для решения задач поиска рациональных структур, схем и компоновок. При возможности синтеза большого множества новых ТР в этом методе практически не решена проблема выбора наилучшего решения из числа синтезируемых.

С математической точки зрения суть метода многоуровневых морфологических таблиц состоит в том, что информацию о прототипах или известных ТР определенного назначения представляют и записывают в виде И-ИЛИ-дерева (И-ИЛИ-графа). Варьируя на этом дереве конструктивными элементами и признаками, можно получить как известные, так и неизвестные ТР. И-ИЛИ-дерево - это многоуровневая иерархическая морфологическая таблица. Метод синтеза ТР на И-ИЛИ-графе отличается от метода морфологического анализа и синтеза тем, что человек выполняет только работу по составлению усложненной морфологической таблицы с предварительной оценкой некоторых показателей качества ТР и их элементов. ЭВМ выбирает в этой таблице по заданному списку требования, подходящие ТР, и формирует их иерархическое описание.

В связи с этим метод синтеза на И-ИЛИ-дереве ТР имеет следующие преимущества по сравнению с традиционным методом морфологического синтеза:

- позволяет описывать ТР с любой степенью детализации;

- обеспечивает в большой мере автоматическую оценку и сравнение вариантов ТР, т.е. устраняет самый значительный недостаток морфологических методов;

- автоматизирует описание синтезированных ТР на естественном языке в виде графического эскиза.

Наиболее эффективно применение метода к классам технических объектов (ТО), удовлетворяющих следующим условиям.

1. Класс ТО должен иметь довольно большое трудно обозримое для специалистов число различных ТР, которое продолжает расти, причем большинство ТР не в сильной степени отличается друг от друга по функциональным структурам, и принципам действия и могут быть объединены в общее И-ИЛИ-дерево.

2. ТО должны состоять из элементов, имеющих небольшое число взаимных функциональных и конструктивных связей и решающих жестких конструктивных ограничений, исключающих или весьма затрудняющих замену элементов другими альтернативными элементами.

Метод конструирования Р. Коллера - метод систематизированного поиска принципиально новых технических решений. Применяется при поисковом конструировании [6]. Другие названия: "Теория конструирования на основе преобразования потоков".

В основе метода лежат три составляющих:

1. анализ функций технических систем (ТС) и их элементов;

2. систематизированный фонд физических эффектов;

3. программа поиска новых физических принципов действия объекта и реализующих их технических решений.

Исходя из того, что любая ТС характеризуется наличием в ней организованных потоков энергии, вещества или информации, все эти системы Коллер условно делит на три класса: машины, осуществляющие преобразование энергии; аппараты, осуществляющие преобразование веществ; приборы, осуществляющие преобразование (переработку) информации. Разработка новых ТС (по Коллеру) предусматривает три стадии.

1. Постановка задачи, включающей формулирование цели, условий и ограничений, и построение функциональной структуры ТС (что соответствует составлению технического задания).

Описав цель разработки и создания ТС, формулируют общую (главную) функцию разрабатываемой системы, которая должна содержать указание "входа" и "выхода" в системе, т. е. описание преобразования входных физических величин в выходные физические величины, благодаря чему происходит реализация поставленной цели. Затем составляется список основных требований к ТС с учетом пожеланий потребителей.

После этого приступают к построению структуры элементарных функций, соответствующих основным операциям. В любой сложной системе можно выделить функциональные узлы, в соответствии с чем общая функция может быть разделена на подфункции 1-го уровня. Аналогично найденные подфункции 1-го уровня могут быть разбиты на подфункции 2-го уровня и т. д. Разбивка функций на подфункции более низкого уровня осуществляется до тех пор, пока они не будут соответствовать элементарным (неделимым) функциям, каждая из которых должна соответствует какой-либо основной операции, для чего полученные функции сопоставляются со списком основных операций.

Введение понятия "основная операция" (под которой понимается сам процесс преобразования в отрыве от параметров на входе и выходе, т.е. от того, что преобразуется) представляет собой более высокий уровень абстрагирования и обобщения по сравнению с понятием "функция". Коллер утверждает, что все функциональное многообразие ТС сводится к 12 парам противоположных основных операций.

При построении структуры элементарных функций анализируются несколько ТС с наиболее близкими общими функциями, поэтому может быть получено несколько вариантов структур элементарных функций. Путем перестановки основных операций, используя известные алгебраические (сложение, вычитание, умножение, деление и т. д.) и логические ("и", "или", "не") действия, получают альтернативные структуры, отсеивая недопустимые структуры, противоречащие основным законам природы. Далее отбирают те структуры, которые существенно отличаются друг от друга.

2. Выбор физических эффектов (ФЭ) для реализации каждой функции и принципиальных технических решений (качественное конструирование).

После разработки структуры элементарных функций осуществляется ее реализация с помощью подбора одного или нескольких ФЭ, у которых наименования физических величин совпадают с наименованиями физических величин на входе и выходе элементарной функции соответственно, и их носителей.

Поиск ФЭ производится с помощью указателя ФЭ для соответствующей пары противоположных основных операций. При выборе физических эффектов Коллер рекомендует рассмотреть возможно большее число вариантов физических идей для реализации каждой элементарной функции и каждой основной операции. Особое внимание при этом следует обращать на реализацию двух или более элементарных функций одним ФЭ. Все возможные реализации структур элементарных функций с помощью различных ФЭ сводятся в структуры ФЭ. Затем на основании анализа принципов действия осуществляется выбор наиболее перспективных физических принципов действия для последующей проработки. Для этого рекомендуется использовать морфологический анализ.

3. Разработка конструкторской документации заключается в подготовке технического и рабочего проекта (количественное конструирование).

К достоинствам метода можно отнести удачную организацию фонда ФЭ, удобную для поиска нового принципа действия ТС. Однако отсутствие критериев для выбора наилучших вариантов среди множества возможных ведет к необходимости рассмотрения очень большего числа вариантов.

Таким образом, анализ методов поискового конструирования показывает, что большинство из них представляет собой комбинацию из нескольких известных методов или же являются производными какого-либо метода, но более эффективными. Наиболее простым и формализуемым методом, позволяющим генерировать большое множество вариантов ТР, является метод морфологического анализа и синтеза, но в нем не формализована процедура выбора наилучшего решения.

4. База данных физических эффектов как основа построения новых преобразователей сигналов

программный физический преобразователь тепловой сигнал

Основные идеи формализованного представления физических знаний изложены в работах [7-11]. В этих трудах физические явления предлагается описывать в форме баз данных физических эффектов. Каждый физический эффект представляется с помощью карты входного воздействия, карты результата воздействия, краткой сущности, математической модели, списка областей практического применения и списка литературы.

На сайте www.effects.ru описания физических эффектов сопровождаются перекрестными ссылками по различным признакам (раздел физики, агрегатное состояние и др.) и анимацией, наглядно демонстрирующей физические процессы. На основании таких формализованных описаний предложен ряд автоматизированных систем поиска и синтеза, например, САПФИТ, СОФИ и др. [7-8].

В работе [10] представлен алгоритм верификации автоматизированных баз данных по физическим эффектам. Данный алгоритм предназначен для проверки новых эффектов на наличие в существующем фонде и выявления «дублирующих» эффектов. Эти действия представляются необходимыми для предсказания новых физических эффектов.

Помимо баз данных широко используются электронные указатели физических эффектов. Указатели физических эффектов удобны для сужения области поиска нового физического эффекта. Например, при анализе возможности создания преобразователей тепловых сигналов целесообразно в первую очередь рассматривать физические эффекты в твердых телах, поскольку затруднительно удерживать жидкость или газ в замкнутом объеме в экстремальных условиях.

Э. Хартман [12] предлагает для описания всего многообразия физических эффектов в кристаллическом твердом теле использовать систему тензорных уравнений в частных производных. Правая часть системы представляет собой совокупность величин, являющихся результатами воздействий на твердое тело. За результаты воздействий приняты тензоры приращения электрической поляризации, магнитной поляризации, диэлектрической проницаемости и энтропии. В качестве входных воздействий приняты тензоры приращения механического напряжения, напряженности электрического поля, напряженности магнитного поля, температуры. В качестве коэффициентов связи между тензорами приращений воздействий и результатов воздействий приняты соответствующие частные производные. Каждая частная производная соответствует определенному физическому эффекту. Например, частная производная тензора энтропии по тензору температуры соответствует эффекту теплопередачи. Данный подход полезен для компьютерного моделирования физических процессов, в том числе и тепловых, в кристаллической решетке. Тензорные уравнения физических эффектов будут удачным дополнением базы данных.

В работах [13, 14] представлен метод частиц, который заключается в описании свойств и поведения кристаллической решетки различной размерности с помощью различных потенциалов: Ленарда-Джонса, Морзе, и др. на основе описания взаимодействующих частиц законами классической механики. Эти потенциалы являются математической основой моделирования динамических процессов в кристалле, где использование математического аппарата классической механики крайне затруднено. В то же время, развитие компьютерных технологий, позволяющих изучать микростуктуру вещества, позволило выявить эффекты, подтверждающие существенную роль внутренней структуры вещества в протекающих в нем физических процессах. Метод частиц позволяет получать качественно новые результаты за счет количественной сложности компьютерной модели. Метод молекулярной динамики позволяет исследовать объемы материала 1000х1000х1000 частиц при современном уровне развития компьютеров. Для описания больших объемов частицы должны представлять собой элементы более крупного масштаба, например, зерна.

Преимуществом метода частиц является то, что он требует меньше априорных предположений о свойствах вещества по сравнению с методами, основанными на концепции сплошной среды. Например, использование простейшего потенциала взаимодействия Леннарда-Джонса позволяет моделировать температурное изменение свойств вещества, что может быть интерпретировано как тепловой сигнал. Для описания такого эффекта для непрерывной среды требуется отдельная теория, для которой сложно составить формализованное описание. В тоже время, моделирование методом частиц дает возможность получить рассматриваемый физический эффект автоматически путем интегрирования уравнений движения частиц. Структура потенциала взаимодействия проще, чем у дифференциальных или операторных уравнений механики сплошной среды. Потенциал представляет собой скалярную функцию расстояния.

Любой физический эффект может быть представлен как совокупность энергетических и вещественных преобразований. Под энергетическими преобразованиями понималось последовательное многократное преобразование различных видов энергии (электрическая, магнитная, механическая, акустическая, тепловая, оптическая, радиационная и химическая энергия). Под “вещественными” же преобразованиями - изменение свойств, параметров материалов чувствительных элементов и других веществ, которые имеют место при измерениях. Совместное рассмотрение характерных особенностей “вещественных” и энергетических преобразований при формализации описания структуры преобразователя позволяет создать методику синтеза новых принципов действия и разработать алгоритмы, раскрывающие закономерности таких преобразований.

Рассмотренные “вещественные” и энергетические преобразования измерительных сигналов могут быть использованы при построении любых преобразователей сигналов [15].

Например, схематично и упрощённо структура “вещественных” и энергетических преобразований полупроводникового преобразователя сигналов транзистора, выполненного из двух р-n переходов основана на алгоритме:

(1)

где - энергия источника постоянного напряжения;

- энергия входного переменного электрического сигнала малого размера;

- изменение энергии выходного усиленного сигнала;

- нелинейный элемент, состоящий из композиции двух веществ - р-n переходов;

- знак связи при описании последовательности преобразований.

На основе алгоритма (1) могут быть построены преобразователи сигналов любой физической природы, неизвестные ранее с использованием формализованных описаний физических эффектов, организованных определенным образом. Совокупность известных физических эффектов может быть организована в виде базы данных, дополненной формализованными описаниями взаимосвязей физических эффектов с помощью тензорных уравнений в частных производных и потенциалов, используемых при интегрировании уравнений движения частиц.

В [16] предлагается более подробная классификация физических эффектов по характеру проявления: проводники, модификаторы, преобразователи энергии, преобразователи физических объектов. Последние две группы физических эффектов соответствуют энергетическим и вещественным преобразованиям.

Физические эффекты-проводники связаны с проводимостью определенного вида энергии, например, электропроводимостью, звукопроводимостью и т.д. Эффекты проводимости используются совместно с эффектами-преобразователями энергии для описания взаимосвязей между эффектами-преобразователями. Эффекты проводимости с дополнительными воздействиями используются для управления проявлением физических эффектов и для усиления преобразуемых воздействий (рис. 3). Модель физического эффекта-проводника с усилением входного воздействия за счет воздействия постоянного источника энергии учитывает, что усиление происходит за счет воздействия на поток энергии, переносимый путем проводимости.

Рисунок 3. Физический эффект-проводник с усилением входного воздействия

Физические эффекты-модификаторы представляют собой изменение результата воздействия без переноса энергии или преобразования одного вида энергии в другой. Эти физические эффекты служат для согласования результата воздействия одного эффекта с входным воздействием другого эффекта.

На основании выявленных закономерностей проявления физических эффектов и классификации по характеру проявления строится иерархическая система физических эффектов. Вся система физических эффектов делится на ряд подсистем, каждая из которых соответствует определенному виду энергии. В каждую подсистему входит четыре вышеупомянутых подгруппы по характеру проявления. В каждую подгруппу входят физические эффекты, соответствующие различным уровням иерархии. Связь между подсистемами физических эффектов осуществляется посредством преобразователей энергии, воздействий и физических объектов (веществ).

Иерархическая структура физических эффектов позволяет применять принцип подобия по отношению к подсистемам физических эффектов, соответствующим определенным видам энергии. В какой-либо паре таких подсистем могут оказаться подобными физические эффекты проводники, взаимосвязи между физическими эффектами, результаты воздействия, агрегатные состояния физических объектов и т.д.

В настоящей работе нас в первую очередь интересует подобие эффектов-проводников, поскольку к ним относятся физические эффекты, в которых имеет место усиление воздействия за счет постоянного источника энергии. Наиболее полно исследованы физические эффекты-проводники для электрической и механической энергии. Возникает задача поиска подобных эффектов для других видов энергии: магнитной, тепловой и т.д.

В настоящей работе исследуется возможность создания усилителя тепловых сигналов на основе подобия эффектов-проводников, усиливающих входное воздействие.

5. Использование иерархического описания системы физических эффектов для построения теплового преобразователя сигналов

Иерархическое описание системы физических эффектов позволяет строить неизвестные ранее преобразователи сигналов любой физической природы. Также оно позволяет проследить эволюцию развития интересующего нас преобразователя сигнала. Например, открытию полупроводникового транзистора предшествовало открытие полупроводникового диода. В свою очередь принцип действия полупроводникового диода основан на свойствах носителей заряда в p-n переходе.

Анализ известных изобретений и открытий в области преобразователей сигналов на основе эффектов проводников показывает, что по аналогии с полупроводниковым диодом разработано несколько разновидностей теплового диода. Различают твердотельные и жидкостные тепловые диоды.

Работа теплового диода основана на принципе теплового расширения. Твердотельный тепловой диод выполнен из двух веществ с большим и малым коэффициентом линейного расширения [16]. В качестве материалов для изготовления теплового диода могут, например, использоваться медь и инвар.

Жидкостный тепловой диод строится на основе тепловой трубы [17]. Жидкостный диод состоит из испарителя и конденсатора. Испаритель связан с резервуаром. Если диод открыт, испаряющаяся жидкость поступает в конденсатор. Если диод закрыт, испаряющаяся жидкость захватывается резервуаром.

Результаты исследований теплофизических свойств кристаллических решеток твердых тел привели к появлению математических моделей твердотельного теплового диода и теплового транзистора в лабораториях Национального университета Сингапура [18 -20]. Эти математические модели построены для одномерной кристаллической решетки из конечного числа атомов на основе потенциала Морзе. Для модели теплового диода решетка разбивается на две области с разными коэффициентами диффузии. Между концами решетки поддерживается определенная разность температур. Показано, что при изменении знака разности температур значительно уменьшается теплопроводность решетки. Модель теплового транзистора построена по аналогии с моделью электронного транзистора на базе модели теплового диода, к которой добавлен управляющий тепловой контакт.

Нами предложена модель теплового транзистора на основании алгоритма (1), полученного путем прямой аналогии с алгоритмом работы полупроводникового транзистора.

Предположим по аналогии, что существует структура преобразователя, у которого на входе и на выходе используется не электрическая, а тепловая энергия. В качестве нелинейного элемента используем диэлектрик. В диэлектриках свободных электронов практически нет. Теплота передается путем раскачки узлов кристаллической решетки по цепочкам связанных узлов - атомов. Чем выше температура внутри некоторой микрообласти, тем больше в ней амплитуда тепловых колебаний. Через квазиупругие связи эти колебания передаются соседним узлам (микрообластям) и т. д. В результате по кристаллу со звуковой скоростью распространяются тепловые (фононные) волны. Минимальная длина полуволны при этом равна расстоянию между соседними узлами, максимальная - наибольшему линейному размеру образца. Набор возможных длин волн или связанные с ними частоты образуют фононный спектр. Энергия одного фонона равна:

(2)

где - круговая частота колебаний узлов;

h - атомная постоянная.

Фононы можно рассматривать, как своеобразный квантовый газ, "молекулы" которого вида h имеют статистическое распределение по энергии и импульсам. В области низких температур (ниже характеристической температуры Дебая) фононный газ подчиняется статистике Бозе - Эйнштейна, в области высоких температур - классической статистике Максвелла - Больцмана [21]. На дефектах внутренней структуры, на границах раздела отдельных кристаллических зерен и химических примесях фононы рассеиваются, отражаются и интерферируют друг с другом. Поэтому средняя длина свободного пробега в диэлектриках не превышает 50 А и решеточная компонента теплопроводности в диэлектриках на 2 порядка ниже электронной компоненты теплопроводности металлов.

В области очень низких температур тепловое сопротивление диэлектрика при нагревании сначала резко убывает по линейному закону (от 0 до 20 K), затем постепенно возрастает по закону обратной пропорциональности [21]. Использование этой линейной зависимости теплового сопротивления от температуры в низкотемпературной области позволит наряду с другими элементами преобразователя создать логические элементы, где в качестве информационных сигналов используются тепловые волны - фононы.

Рассмотрим работу такого преобразователя, вспоминая принцип действия усилителя сигналов на полупроводниковом транзисторе и используя принятую при его описании терминологию (рис 4).

Преобразователь состоит (рис. 4) из двух источников 1,2 и приемника 3 теплового поля, источника теплового “смещения” 4, теплового диода 5, теплопроводов 6-9, слоя материала 10 с температурной зависимостью теплового сопротивления (нелинейный элемент) и теплоизолятора 11.

Работа теплового преобразователя подобна работе усилителя на полупроводниковом транзисторе. При этом носителями информации являются тепловые сигналы. В данном случае по аналогии: источник входных сигналов - источник 1 (); источник питающего напряжения - источник 2 (); источник смещения - источник 4 () и т. п. Работа теплового диода основана на принципе теплового расширения. При расположении “теплотронной” аппаратуры на борту космического корабля в качестве образцового теплового “смещения” низкой температуры может быть использована естественная температура Космоса, так как наша Вселенная представляет собой термостат, в котором поддерживается температура, равная 2,7 K [22]. Источником теплового поля может быть использован естественный или искусственный источник со стабильной температурой.

Рисунок 4. Преобразователь тепловых сигналов

Эта температура должна быть значительно выше, чем температура источника . Теплопровод 7 выполнен в виде “делителя” теплового потока (аналог делителя напряжения на резисторах) [23]. С его помощью достигается необходимое значение температуры в месте теплового контакта теплопровода 7 и слоя нелинейного элемента. Материал теплопроводов 6-9 имеет стабильный во времени коэффициент теплопроводности (во всем интервале температур применения преобразователя тепловых сигналов). В принципе, отдельные части теплопровода - “делителя” теплового потока могут состоять из нескольких материалов, находящихся даже в различных агрегатных состояниях. Материал теплоизолятора выбирается из условий, чтобы количество тепла, уходящего через теплоизоляцию, было на несколько порядков меньше количества тепла, проходящего через теплопроводы. Тепловоспринимающая поверхность теплопроводов обеспечивает малую разность температур между поверхностью их торцов и соответствующими приемниками или источниками теплового поля. Кроме того, материал теплопроводов должен быть теплостоек и химически инертен. Теплопроводы можно выполнить из золота. Габаритные размеры элементов преобразователя тепловых сигналов могут малыми при изготовлении его методами интегральной технологии.

С помощью источника 2,4 и системы теплопроводов 7-9 происходит процесс изменения температуры в слое 10 (выбор "рабочей" точки преобразователя в режиме "закрыт"). Тепловой диод в этом режиме исключает тепловой поток от “источника питания” к “базе” теплового транзистора . Этот кондуктивный теплообмен происходит во втором "плече" теплопровода 7. Выбором же значений температур источников 2,4, коэффициента деления теплового потока в плечах - “резисторах” теплопровода 7, материалов теплопроводов и их сечений (с целью обеспечения необходимых тепловых сопротивлений теплопроводов 6 - 9) при проектировании тепловых преобразователей достигается стабилизация "рабочей" точки. Температура же во втором "плече" теплопровода 7 по мере пространственного приближения от слоя нелинейного элемента к источнику повышается. Конечно, если теплопроводность теплопроводов была бы идеальна, то температура приёмника (выход “коллектора”) была бы соизмерима с температурой теплового контакта теплопроводов 7,8. Но она отличается от температуры слоя 10, так как теплопроводы имеют различные тепловые сопротивления. Поэтому тепловой поток от источника разветвляется. С одной стороны, он участвует в процессе регулирования температуры слоя нелинейного элемента, с другой - происходит кондуктивный теплообмен от источника к приёмнику , так как он, как и источник “смещения”, имеет более низкую температуру. Регулирование же температуры слоя нелинейного элемента производится с учётом оттока тепла к приёмнику . Тепловое сопротивление теплопровода 8 в данном режиме меньше теплового сопротивления участка, состоящего из второго "плеча" теплопровода 7, слоя нелинейного элемента и теплопровода 9. Поэтому поступает значительная часть энергии от источника к приёмнику, его температура при этом повышается. Таким образом, в преобразователе устанавливается стационарный "режим" и суммарный теплоотвод в точности уравновешивает выделяемую мощность от источника .

При поступлении входного сигнала от источника первая часть теплового диода расширяется и обеспечивает тепловой контакт с нелинейным элементом слоя 10. Таким образом, его тепловое сопротивление уменьшается. Следовательно, и уменьшается тепловое сопротивление участка, состоящего из второго "плеча" теплопровода 7, слоя 10 и теплопровода 9. При этом тепловое сопротивление теплопровода 9 значительно меньше теплового сопротивления теплопровода 8 и процесс теплопередачи осуществляется от источника преимущественно через теплопроводы 7, 9 (“коллектор” - “эмиттер”). Температура приёмника понижается. Несмотря на то, что приемник 3 также помещен в область низких температур, его тепловая связь (через участок теплопровод 8 - второе "плечо" теплопровода 7) незначительно влияет на процесс теплообмена через слой 10. Она является "влияющей величиной" в процессе установления рабочего режима преобразователя. Безусловно, по аналогии с работой транзистора в тепловом преобразователе имеются соответствующие "утечки" тепловых сигналов. Таким образом, достигается своеобразное "усиление" и преобразование теплового сигнала. При этом тепловые потоки от источника перераспределяются и большая часть тепловой энергии уже "течет" к источнику смещения. Как и в обыкновенном транзисторе управляемая мощность источника превышает управляющую мощность источника усиливающих тепловых колебаний .

Следует заметить, что "нулевые" уровни тепловых сигналов у источника смещения и приемника могут быть различны, так как часть тепловой энергии даже в режиме преобразователя "открыт" поступает к приемнику.

Процесс преобразования тепловых сигналов в предложенном преобразователе по сравнению с электронным является более длительным по времени. При изменении входного сигнала до "нулевого" значения потребуется определенное время, в течение которого преобразователь придет в исходное состояние. Такие преобразователи могут быть использованы в низкотемпературных зонах, где обычные электронные полупроводниковые элементы работают неэффективно. Они незначительно будут реагировать на радиоактивное излучение. На базе таких тепловых преобразователей могут быть созданы различные автоматические и логические устройства, работающие в экстремальных условиях, например, в космическом пространстве и т.п. Источником тепловой энергии может быть химический источник. Тепловые преобразователи можно также применять при выполнении логических и автоматических операций в условиях, где не требуется высокого быстродействия. Однако уменьшая габариты теплопроводов (изготавливая их, например, методами интегральной технологии), обеспечивая хороший тепловой контакт с источниками и приемниками тепловых сигналов, снижая потери сигналов, можно обеспечить создание миниатюрных тепловых микросхем с разнообразным набором логических функций и необходимым быстродействием. Такие тепловые микросхемы будут работоспособны в условиях низких температур с повышенной радиацией, они могут быть выполнены совместно с исполнительными механизмами, принцип действия которых основан на тепловом расширении веществ. Преобразователи могут контролировать различные процессы и осуществлять аварийное отключение каких-либо устройств. Тепловой преобразователь потребует малых энергетических затрат, так как в качестве источников постоянного теплового поля и смещения (с низкой температурой) могут быть использованы естественные источники. Например, источником постоянного теплового поля может быть двигатель летательного аппарата. Для “теплотронной” аппаратуры не потребуется специальных мер защиты от воздействия экстремальных факторов окружающей среды, что существенно снизит затраты на ее производство.

Конечно, рассмотренные материалы имеют теоретический описательный характер. Экспериментальную работу по изготовлению “теплового транзистора” авторы не проводили из-за отсутствия аналитического оборудования и экспериментальной базы. Но если существуют электронные, магнитные, оптические, хемотронные [16] усилители и преобразователи, разве тепловые преобразователи не имеют права на жизнь? Как показывает опыт - “ сын ошибок...” теория аналогий универсальный научный аппарат. Для убедительности - следующий шуточный пример. По аналогии знаменитая фраза Александра Сергеевича не для опыта, а для науки (как его условной противоположности), легко трансформируется в новое крылатое выражение: “наука - дочь решений легких, дурак обыденному враг”. Один из авторов убёжден, что в не далеком будущем возникнет наука “микротеплотроника”, которая составит конкуренцию микроэлектроники, работающей в экстремальных условиях.

ЛИТЕРАТУРА

1. Коршунов Ф.П., Гатальский Г.В., Иванов Г.М. Радиационные эффекты в полупроводниковых приборах. - М.: Наука и техника, 1978. - 150 с.

2. Альтшуллер Г.С. Найти идею: Введение в теорию решения изобретательских задач / Отв. ред. А.К Дюнин. - Новосибирск: Наука. Сиб отд., 1986. - 240 c.

3. Половинкин А.И., Бобков Н.К., Буш Г.Я. Автоматизация поискового конструирования (искусственный интеллект в машинном проектировании) / Под ред. А.И. Половинкина. М.: Радио и связь, 1981. - 344с.

4. Буш Г.Я. Методы технического творчества. - Рига: Лиесма, 1972. - 264 с.

5. Пиняев А.М. Изобретающая машина: на пути к компьютеризации творчества // Бизнес и творчество: Материалы семинара. СПб,1992. С. 48-56.

6. Кузьмина Е.А., Кузьмин А.М. Методы поиска новых идей и решений: Конкурентоспособность продукции // Методы менеджмента качества. - 2003. - №1. - С. 22-27.