Задачи к первым трём лекциям
← Курс · Установка и практика LightHit
В каждом наборе есть аналитическая часть и вычислительная работа с LightHit. Условия приведены без решений.
Задача 1.1. Что измеряет приёмник?
В курсе \(\Phi=\int I\,d\Omega=v_g\rho\) и \(F=\int\Phi\,dt\).
- Укажите размерности \(I\), \(\rho\), \(\Phi\), \(F\) и вектора потока \(\mathbf J\).
- Выразите число оставшихся фотонов через \(\rho\) и через \(\Phi\).
- Для двух встречных пучков одинаковой интенсивности найдите \(\Phi\) и \(\mathbf J\). Почему флюенс нельзя заменить потоком через одну плоскую площадку?
Задача 1.2. Вероятности на малом отрезке
Поглощение и рассеяние независимы, их коэффициенты равны \(\mu_a\) и \(\mu_s\).
- Выведите вероятность пролёта длины \(L\) без единого взаимодействия.
- Найдите вероятность выжить без поглощения, разрешая любое число рассеяний.
- Найдите распределение числа рассеяний при фиксированном времени \(t\) во всём пространстве.
- Объясните, почему отбор фотонов, дошедших до заданного приёмника, меняет это распределение.
Задача 1.3. Глобальный баланс
Проинтегрируйте RTE по направлениям и неподвижному объёму \(V\).
- Выразите изменение числа фотонов через поток по границе \(\partial V\), источник и поглощение.
- Покажите сокращение ухода и прихода при рассеянии для нормированной \(p\).
- Для вспышки \(N\) фотонов в бесконечной однородной среде найдите \(N(t)\) и \(\int\Phi\,d^3x\).
- Проверьте множитель \(v_g\) в источнике уравнения для \(\rho\) и для \(\Phi\).
Задача 1.4. Поглощение как множитель
Пусть \(I_0\) решает задачу без поглощения для мгновенной вспышки.
- Подстановкой в RTE проверьте \(I=e^{-v_g\mu_at}I_0\) при постоянных \(v_g,\mu_a\).
- Как поглощение меняет нормированные пространственные моменты выживших фотонов при фиксированном \(t\)?
- Почему это рассуждение нельзя непосредственно перенести на распределение траекторий при заданном \(r\), интегрированное по времени?
Задача 1.5. Память о направлении
Для HG используйте \(g_\ell=g^\ell\) и начальное направление \(\hat{\mathbf n}\).
- Выведите уравнения для \(\langle\hat{\mathbf s}\rangle\) и \(\langle\mathbf x\rangle\).
- Найдите предел центра облака и объясните, почему остановка центра не означает остановку фотонов.
- Сравните скорости затухания гармоник \(\ell=1\) и \(\ell=2\).
- Объясните различие между вторым моментом и ковариацией облака.
Задача 1.6. Первое знакомство с LightHit
Установите пакет по инструкции и запустите пример 1. На 450 нм используйте \(\mu_a=0.076\), \(\mu_s=0.019\) м\(^{-1}\), \(n_g=1.371323724\); для HG задайте \(g=0.9\).
- Независимо вычислите \(v_g\), \(\ell_a\), \(\ell_s\), \(\ell_*\) и сравните с
summary.json. - Найдите вероятность не поглотиться на пути 100 м. Отдельно найдите вероятность дойти без единого взаимодействия — прямой свет.
- По
moments.csvпроверьте предел центра направленной вспышки. - Объясните, какие параметры относятся к оптической модели, а какие — к выбранному приближению индикатрисы.
Задача 2.1. Замыкание \(P_1\)
Используйте приближение \(f(\hat{\mathbf s})=A+\mathbf B\cdot\hat{\mathbf s}\), где \(f=I/v_g\).
- Выразите \(A,\mathbf B\) через \(\rho\) и \(\mathbf J\).
- Проинтегрируйте \(\hat s_i\hat s_j f\) и получите тензор второго углового момента.
- Какие угловые распределения уже нельзя описать этой формой?
- Объясните, почему сохранение только первых двух моментов само по себе ещё не даёт уравнения диффузии.
Задача 2.2. Телеграфное уравнение со вспышкой
Положите \(\alpha=v_g\mu_a\), \(\mu_s'=\mu_s(1-g)\). Исходите из балансов плотности и потока после \(P_1\)-замыкания.
- Исключите \(\mathbf J\), сохранив его производную по времени.
- Сохраните источник \(q_0\) при исключении: какие производные источника появляются?
- Найдите дисперсионное соотношение и скорость быстрого фронта.
- Сравните фронты RTE, телеграфного и диффузионного уравнений.
Задача 2.3. Диффузионная вспышка
Решите \(\partial_t\rho=D\nabla^2\rho-\alpha\rho\) с начальным условием \(\rho(\mathbf x,0)=N\delta^{(3)}(\mathbf x)\).
- Найдите пространственный образ Фурье и обратное преобразование.
- Проверьте нормировку и второй пространственный момент.
- Вычислите скорость флюенса в точке \(r>0\).
- Объясните, почему начальная дельта-функция восстанавливается в смысле распределений.
Задача 2.4. Постоянный источник и флюенс вспышки
- Проинтегрируйте диффузионную вспышку по времени и найдите \(F(r)\).
- Решите стационарное уравнение для источника \(\dot N\) фотонов в единицу времени.
- Сопоставьте решения, проверив единицы \(N\), \(\dot N\), \(\rho\) и \(F\).
- Проверьте поток через малую сферу вокруг источника.
Задача 2.5. Сдвинутая вспышка
В точном решении направленной вспышки центр стремится к \(\ell_*\hat{\mathbf n}\).
- Постройте позднее диффузионное приближение с учётом этого сдвига.
- Сравните его первый момент с точным при малом и большом \(t/\tau_*\).
- Почему корректный предел центра ещё не гарантирует корректное описание раннего фронта?
Задача 2.6. Работает ли диффузия для воды телескопа?
Запустите пример 2, затем повторите его с --refine.
- На 450 нм вычислите \(\mu_a/\mu_s'\) и сравните с условием стационарной диффузии.
- По
fluence.csvнайдите отношение диффузионного флюенса к решению RTE при каждом \(r\). - Отдельно оцените изменение RTE при уточнении численного расчёта и отличие диффузионного приближения.
- Объясните, почему хорошая сходимость численного решения не делает диффузионное приближение применимым.
Задача 3.1. Трёхдиагональная цепочка
Разложите изотропный источник и интенсивность по полиномам Лежандра в системе с осью вдоль \(\mathbf k\).
- Выведите коэффициенты связи соседних гармоник из рекурсии для \(\mu P_\ell\).
- Явно запишите уравнения для \(\ell=0,1,2\).
- Проверьте нормировку правой части и равенство \(a_0=\tilde\Phi\).
- Объясните, чем номер гармоники \(\ell\) отличается от числа рассеяний \(n\).
Задача 3.2. Цепная дробь и два разных обрыва
- Введите \(a_\ell/a_{\ell-1}\) и исключите высшие гармоники.
- Объясните знак и квадраты \(1,4,9,\ldots\) в числителях дроби.
- Сравните обрыв всей цепочки после \(a_1\) и обрыв только моментов индикатрисы \(g_\ell\) при сохранении свободного хвоста.
- Для \(k=0\) восстановите зависимость \(\int\Phi\,d^3x\) от времени.
Задача 3.3. Порядки рассеяния
Пусть \(A_\ell=\tfrac12\int_{-1}^{1}P_\ell(\mu)/(d_0+ik\mu)\,d\mu\).
- Вычислите \(A_0\) и найдите предел при \(k\to0\).
- Выведите образ порядка 1. Почему в нём \(A_\ell^2\), а не \(|A_\ell|^2\)?
- При изотропном рассеянии просуммируйте ряд по числу столкновений.
- Проверьте предел исчезающего рассеяния и область сходимости геометрического ряда при \(\mu_a>0\).
Задача 3.4. Эллипсоид и угол рассеяния
Приёмник расположен в \(\mathbf r\), точка рассеяния — \(\mathbf y\), \(s=v_gt\).
- Покажите, что фиксированное время задаёт эллипсоид \(\rho_1+\rho_2=s\).
- Введите \(\xi=(\rho_1+\rho_2)/r\), \(\eta=(\rho_1-\rho_2)/r\) и вычислите якобиан.
- Выведите \(\cos\theta\) через \(\xi,\eta\), различая угол отклонения и внутренний угол треугольника.
- Выполните интегрирование дельта-функции по \(\xi\), сохранив размерный множитель.
Задача 3.5. Первый порядок в координатах
- При \(p=1/(4\pi)\) вычислите оставшийся интеграл и получите выражение с логарифмом.
- Исследуйте пределы \(s\to r^+\) и \(s\gg r\).
- Проверьте интегрируемость особенности на фронте во времени.
- Сравните поздний хвост при изотропной и HG-индикатрисе, используя \(p(-1)\).
Задача 3.6. Полюс и приближения
Для изотропного рассеяния используйте \(A=\arctan(k/d_0)/k\).
- Найдите полюс полного образа и его область существования на физической ветви.
- Разложите его положение по \(k\) до члена \(k^4\).
- Найдите такое же разложение медленной ветви \(P_1\). Совпадают ли члены \(k^4\)?
- Объясните, почему вклад одной моды не восстанавливает весь причинный фронт.
Задача 3.7. Вспышка в LightHit
Запустите пример 3 с обычными и уточнёнными настройками.
- Проверьте время прямого фронта и интеграл прямого света по бинам.
- Сопоставьте флюенс на единицу площади с ожидаемым числом фотоэлектронов учебного приёмника.
- Сравните сумму в конечном временном окне с зарядом по всем временам.
- Оцените численную массу до фронта и изменение при
--refine. Почему её нельзя молча обнулять? - Объясните, какие дополнительные данные понадобятся для настоящего ОМ Baikal-GVD.