Определен точный компьютерный алгоритм для восстановления изображения плазмы

Ученые обнаружили, что лучше всего изучать плазму — газ, состоящий из заряженных частиц, — можно с помощью компьютера. Они использовали особый алгоритм, который сочетает в себе два метода: один помогает точно представить трехмерные объекты на плоскости, а другой убирает помехи из данных.

Исследователи сравнили работу 14 разных алгоритмов и выяснили, какой из них лучше всего подходит для изучения плазмы. Это поможет точнее контролировать состояние плазмы, которая используется в производстве и лабораториях для создания новых соединений и обработки материалов.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy.

Плазма — это газ, в котором есть ионы. Она используется в разных областях:

  • В технике плазму применяют для обработки материалов.
  • В химии с ее помощью анализируют состав веществ и создают новые соединения и наноструктуры.
  • Физики исследуют с ее помощью грозовые разряды и другие явления.

Чтобы получить нужный результат, следует контролировать свойства плазмы: температуру, количество электронов и распределение частиц в пространстве. Проще всего это сделать, оценивая ее излучение. Ученые фотографируют плазму и регистрируют спектры ее излучения. Затем компьютерные алгоритмы восстанавливают пространственное распределение параметров в плазменном факеле. Но изначально изображения получаются двумерными (плоскими).

Ученые используют специальный математический инструмент, называемый обратным преобразованием Абеля, чтобы создать объемную структуру плазмы на основе плоских изображений. Но из-за ошибок, которые возникают при экспериментальных измерениях, модель может получиться неточной.

Исследователи из Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова изучили 14 алгоритмов, чтобы понять, какие из них лучше всего работают даже при неточных данных. Также авторы проверили комбинации алгоритмов с методами уменьшения ошибок: усреднением результатов, удалением ненужных значений и улучшением точности данных.

Фильтрация работает так: шум и полезная информация в данных имеют разные частоты. Поэтому можно убрать частоту, которая соответствует шуму, и оставить только полезные данные. Этот метод часто используют в электронных устройствах, например, в телефонах, для обработки аудио- и видеозаписей.

Регуляризация — это способ найти решение задачи, даже если она поставлена не совсем правильно. Идея в том, чтобы добавить к решению небольшое слагаемое (штраф), которое увеличивается, когда решение становится менее правильным. Часто таким свойством является «гладкость» функции. Получается, что чем больше шума и чем неправильнее функция, тем больше штраф. На этой идее основано использование регуляризации для борьбы с шумом.

Исследователи провели компьютерный эксперимент, используя разные алгоритмы для обработки данных о плазме. Они обработали данные, в которых была искаженная информация (шум).

Самым точным оказался алгоритм «Piessens-Verbaeten», потому что у него есть встроенные инструменты фильтрации.

Регуляризация — это метод, который помогает уменьшить искажения в данных. Когда исследователи использовали регуляризацию, различия между алгоритмами стали почти незаметными. Погрешность моделей с регуляризацией составила 8–12%, а без нее могла достигать 100%.

Получается, что регуляризация помогает точнее моделировать параметры плазмы, даже если данных мало и они искажены.

Плазменные источники используют не только в научных исследованиях, но и в разных областях производства. С их помощью обрабатывают материалы, наносят защитные покрытия, сваривают и разрезают лазером металлы. Также они нужны для изучения процессов горения.

Результаты исследования помогут улучшить эти технологии. Для них требуется плазма с определенными характеристиками. Разработанный алгоритм пригодится и для изучения плазмы от другого источника — тлеющего разряда, — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Тимур Лабутин, кандидат химических наук, доцент кафедры лазерной химии химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.

Ранее ученые исследовали химические особенности взаимодействия плазмы и жидкости.

Фото авторов статьи. Слева направо: м.н.с. Александр Закускин, аспирант Александр Рылов, доцент Тимур Лабутин. Источник: Тимур Лабутин.

10.01.2025


Подписаться в Telegram



Хайтек

Легкие и прочные: как Al-Sc сплавы покоряют промышленность
Легкие и прочные: как Al-Sc сплавы покоряют промышленность

3D-печать меняет правила игры: она дает б...

Световые качели: физики открыли новый способ управлять светом
Световые качели: физики открыли новый способ управлять светом

Физики научились управлять светом в кроше...

Тараканы-киборги — спасатели ближайшего будущего
Тараканы-киборги — спасатели ближайшего будущего

От зон стихийных бедствий до экстрем...

Томские ученые раскрыли секреты молекулярных взаимодействий
Томские ученые раскрыли секреты молекулярных взаимодействий

Ученые из Томского политехнического униве...

100 миллионов за молекулярный прорыв: в Уфе запустили супер-спектрометр
100 миллионов за молекулярный прорыв: в Уфе запустили супер-спектрометр

В Уфимском федеральном исследовательском центр...

От идеи до Росатома: история успеха проекта RSP
От идеи до Росатома: история успеха проекта RSP

В НИЯУ МИФИ создали онлайн-сервис —...

CARMA II — автономный робот, который делает ядерные объекты безопаснее
CARMA II — автономный робот, который делает ядерные объекты безопаснее

Передовая роботизированная система CARMA II ус...

Нейросети будущего: поляритоны в СПбГУ бьют рекорды точности
Нейросети будущего: поляритоны в СПбГУ бьют рекорды точности

Ученые из Санкт-Петербургского государств...

MIT учит дронов избегать столкновений: новый метод GCBF+
MIT учит дронов избегать столкновений: новый метод GCBF+

Инженеры из MIT придумали, как сдела...

Фокус на будущее: киноформные линзы меняют правила игры
Фокус на будущее: киноформные линзы меняют правила игры

Сотрудники лаборатории 3D-печати функциональны...

Российский минерал совершил революцию в мире двумерных материалов
Российский минерал совершил революцию в мире двумерных материалов

Ученые Томского политехнического университета ...

Свет из земли: как глина превратилась в дисплей
Свет из земли: как глина превратилась в дисплей

Мир дисплеев скоро изменится благодаря новым м...

В МИФИ создан радиоизотопный прибор для отечественной металлургии
В МИФИ создан радиоизотопный прибор для отечественной металлургии

В Национальном исследовательском ядерном униве...

Преодоление физических барьеров: на пути к новым квантовым технологиям
Преодоление физических барьеров: на пути к новым квантовым технологиям

Комментирует профессор Майя Вергниори, которая...

Впервые в России: в Катайске начали выпуск уникальных насосов
Впервые в России: в Катайске начали выпуск уникальных насосов

Катайский насосный завод, который находится в&...

Ученые ТПУ продемонстрировали, как у капель появляются «пальцы»
Ученые ТПУ продемонстрировали, как у капель появляются «пальцы»

Исследователи из Томского политехническог...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Невидимые враги: как ароматизаторы превращают ваш дом в угрозу для здоровья
Невидимые враги: как ароматизаторы превращают ваш дом в угрозу для здоровья
Спасти жизнь за минуты сможет кетамин в борьбе с эпилептическим статусом
Спасти жизнь за минуты сможет кетамин в борьбе с эпилептическим статусом
Cell Reports: Голодание приносит пользу взрослым, но создает риск для подростков
Cell Reports: Голодание приносит пользу взрослым, но создает риск для подростков
69 ученых, которые меняют мир: история успеха из Нижнего Новгорода
69 ученых, которые меняют мир: история успеха из Нижнего Новгорода
Легкие и прочные: как Al-Sc сплавы покоряют промышленность
Легкие и прочные: как Al-Sc сплавы покоряют промышленность
Как взрываются звезды: открытия, которые меняют наше представление о Вселенной
Как взрываются звезды: открытия, которые меняют наше представление о Вселенной
Как получить инструмент будущих инженеров бесплатно, если ты студент
Как получить инструмент будущих инженеров бесплатно, если ты студент
От шахт до чистой энергии: путь австралийской горнодобывающей промышленности
От шахт до чистой энергии: путь австралийской горнодобывающей промышленности
Больничные раковины и невидимый враг, который в них живет
Больничные раковины и невидимый враг, который в них живет
Цикорий и кобальт: дуэт против рака, бьющий точно в цель
Цикорий и кобальт: дуэт против рака, бьющий точно в цель
Без капитана, но с комфортом: в Нижнем Новгороде строят судно без экипажа
Без капитана, но с комфортом: в Нижнем Новгороде строят судно без экипажа
Ученые объединили два прибора в один, чтобы лучше анализировать газы
Ученые объединили два прибора в один, чтобы лучше анализировать газы
Лазер, графен, полимер: как создают электронику, которую можно сгибать
Лазер, графен, полимер: как создают электронику, которую можно сгибать
Световые качели: физики открыли новый способ управлять светом
Световые качели: физики открыли новый способ управлять светом
Удаленка навсегда: как бизнес адаптируется к новым реалиям
Удаленка навсегда: как бизнес адаптируется к новым реалиям

Новости компаний, релизы

Более 200 нижегородцев посетили научные кинопоказы честь Дня российской науки
Школьников и студентов Хабаровского края приглашают написать всероссийский диктант «Наука во имя Победы»
На Фестивале «Москва — Точка старта» победили проекты из МИФИ
Молодых и заслуженных ученых наградили в Хабаровске
Калужан приглашают к участию в XIII сезоне Международного инженерного чемпионата CASE-IN