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关键词： 分子间作用力   拉伸性   自修复   稳定性   快速X射线成像  

摘要： X射线检测在医疗诊断、无损检测、安全检测、科学研究、环境监测等实际应用中发挥着极其重要的作用。目前,研究的重点主要集中在传统的无机半导体上,如非晶硒、晶体硅和纯锗。然而,这些典型的X射线探测材料或器件的制备通常需要高温或高真空环境,制造工艺复杂。此外,成像设备目前使用的X射线剂量很大,对人类健康构成很大的安全风险。考虑到这些问题,研制新一代高灵敏度、稳定的X射线探测器,从而降低X射线在使用中对人体健康造成的危害具有重大研究意义。金属卤化物材料具有较高的X射线衰减系数、可调谐的带隙和较大的载流子迁移寿命(μτ)乘积,已被证明是有前途的X射线探测材料,能够解决传统X射线探测器的缺点。X射线探测器按照工作原理分为间接型X射线探测器和直接型X射线探测器。目前,基于闪烁体材料的间接型X射线探测器应用比较广泛,具有与成熟传感器阵列相结合的潜力,适用于动态扫描检测诊断,已广泛应用于普通平板X射线探测器中。在闪烁体材料的各种特性中,光产额是与探测器效率和分辨率关系最密切的参数之一。闪烁体的发光性能的高低对X射线的成像效果有直接影响,目前所报道的金属卤化物闪烁体材料的结构与发光性质之间的关系还处于起步阶段,如何通过调节金属卤化物的结构来调节闪烁体的发光性质,还需深入探究。另外,大部分金属卤化物闪烁体是刚性的薄膜具有较差的机械性能,在对弯曲物体进行X射线成像时不可避免会产生光渐晕的问题,导致成像分辨率的降低。更重要的是,刚性的闪烁体薄膜也不耐弯折,一旦损坏就失去使用价值。除此之外,大部分金属卤化物闪烁体还存在长余辉效应,需要较长时间曝光才能获得清晰的图像,这不利于实现快速地动态X射线成像。因此,亟需设计一些新型的金属卤化物闪烁体来有效地解决以上问题。本论文围绕金属卤化物闪烁体材料的结构、性能以及成像应用等方面来开展设计与研究。在结构上,设计溶剂分子参与金属卤化物闪烁体的晶体结构,通过构筑不同的分子间作用力来调控A位有机阳离子的构象排列,从而探究金属卤化物结构与发光性质之间的关系,进一步实现大面积X射线成像。在性能上,为了进一步拓展金属卤化物闪烁体的实际应用范围,通过设计分子间作用力将金属卤化物闪烁体嵌入到有机凝胶里赋予其柔性拉伸和自修复的性能,从而实现曲面、水中自修复以及可拉伸等X射线成像,为今后设计多功能性的可穿戴抗辐射衣物提供了思路。在成像应用上,将直接型金属卤化物半导体材料与间接型闪烁体材料结合在一起,设计能量转移的策略,从而缩短金属卤化物闪烁体的响应速度,避免长余辉效应实现快速X射线成像,这为新型金属卤化物X射线探测器的设计和研究指明了方向。本论文的主要研究内容如下:在第二章中,我们研究了溶剂分子与金属卤化物离子共组装策略,通过构筑分子间作用力,成功制备了两种零维(0D)金属卤化物闪烁体单晶。其中溶剂分子HO和CHCN分别与A位有机阳离子中的氨基(-NH)和羧基(-COOH)形成氢键,导致A位有机阳离子在两种0D晶体结构中呈现出不同的构象排列。相对于(DABA)Mn Br?CHCN晶体,(DABA)Mn Br?HO晶体中具有更强的超分子作用力,增强了晶体结构的刚性,因此能有效抑制非辐射跃迁,从而获得更高的荧光量子产率,比(DABA)Mn Br?CHCN晶体的荧光量子率高25倍。此外,在自然环境下无任何封装,两种溶剂共组装的单晶都表现出良好的稳定性,荧光强度保持一个月以上不变。大面积(DABA)Mn Br?HO压片在硬X射线成像方面也有潜在的应用前景,其空间分辨率可达5.0 lp mm。超分子溶剂共组装策略为设计新型高发光金属卤化物闪烁体提供了一条新的途径。尽管具备高荧光量子产率的金属卤化物闪烁体材料在X射线成像方面具有绝对优势,但制备的刚性闪烁体薄膜会导致弯曲物体在成像时出现光渐晕的现象,需要多次X射线曝光才能获得清晰的图像,这也对人体健康不利。另外,刚性闪烁体薄膜不耐弯折且机械性能很差,减少了使用寿命。为了进一步拓展金属卤化物闪烁体的实际应用,在第三章中,我们制备了一种新型的0D(CHP)Mn Br闪烁体/有机凝胶复合材料。由于在(CHP)Mn Br闪烁体中的锰离子与有机凝胶中的羰基形成的配位键可作为物理交联点,使(CHP)Mn Br闪烁体/有机凝胶复合材料在拉伸变形过程中能够有效地耗散能量,从而提高了拉伸性能,其断裂伸长率可达1300%。因此,它可以实现在0-500%可逆拉伸范围内的X射线成像,其电子元件内部的电路结构在拉伸过程中也依旧清晰可见。除了配位键外,(CHP)Mn Br闪烁体/有机凝胶复合材料中还存在氢键,这两种作用力使其具备自修复的性质。在进行传统X射线投影成像时,其成像分辨率可达14.0 lp mm。它还可以被塑造成各种形状,从而附着于弯曲物体上进行X射线成像,以解决刚性闪烁体薄膜对弯曲物体X射线成像时出现光渐晕的问题。

关键词： 图像分类   神经网络   特征融合   X射线  

摘要： 肺炎通常是由病原微生物感染、物理化学因素刺激、免疫功能受损以及过敏和药物因素引起的。在这些因素中,细菌性和病毒性肺炎是最常见的类型,对儿童和老年人的健康构成了严重威胁。2019年12月以来,由SARS-Co V-2病毒株引起的新型冠状病毒(COVID-19)已在全球广泛传播,同时也成为了一个严重的全球公共卫生问题。作为一种无痛、无创、适合人群广泛、费用相对较低的检查方法,肺部X射线是最常用的放射性筛查和诊断肺部疾病的方法之一。既往研究表明,肺部X射线图像在普通型肺炎和COVID-19的影像学表现上有特定的差异。所以本研究基于神经网络与特征融合对肺部X射线图像进行分类方法研究。主要研究工作分为如下几个部分:(1)基于卷积与长短时记忆网络的肺部X射线分类。该方法使用Xception神经网络和长期短期记忆(LSTM)相结合的深度学习技术,可以实现对X射线图像中患有肺炎的患者自动诊断。传统的交叉熵损失函数在训练集样本中无法平衡不匹配的类别分布。为了解决这个问题,可以借鉴皮尔逊的特征选择思想,将两个损失函数的相关性融合在一起,并优化这个问题。(2)基于Dense Net和VGG特征融合的X射线图像分类。该方法提出了一种基于Dense Net与VGG特征融合的肺部X射线图像分类。在模型特征融合的基础上添加了两个注意力机制提取深度特征。运用Resnet网络分割有效图像信息,去除无用背景信息,组成一个新数据集。所提出的组合模型在实验工作中有着不错的结果,因此运用深度学习、特征融合技术在肺部X射线图像分类方面,也将会成为临床以及影像科医生的重要辅助工具。(3)基于截断轻量级卷积神经网络的肺部X射线图像分类。该方法运用了截断轻量级卷积网络,基于初始Inception-Resnet-V2网络的轻量型网络模型。这项工作冻结了一个预先训练过的卷积神经网络,Inception-Resnet-V2模型。并选择将Jaccard与传统交叉熵进行结合的损失函数,计算真实值和预测值之间的差异,识别样本集之间的相似性与差异性,可以帮助模型有效判断错误信息。将该模型与优化后的损失函数相结合,经过实验评价后,获得了更快的训练时间,同时保持了丰富的相关特征提取。通过提高模型运行时间效率,获得肺炎图像的高精度。

关键词： 电子俘获速率   容许跃迁   禁戒跃迁   天体环境  

摘要： 弱相互作用速率的计算对于原子核物理和核天体物理具有非常重要的作用。最近的研究发现由于核子-核子相互作用,N=40附近本应被泡利不相容原理阻止的伽莫夫-泰勒跃迁依旧可以发生,这一发现会对天体环境下原子核的电子俘获速率的研究产生重要影响。同时大量的研究表明禁戒跃迁在天体环境下的作用越来越重要。所以本文主要在壳模型的理论框架下,对Fe、Fe、Ni、Ni、Zn、Zn、Ge、Ge、Se和Se这十个偶偶核进行理论计算,研究了容许跃迁、一级禁戒跃迁的强度分布以及在不同天体环境下容许跃迁与一级禁戒跃迁对电子俘获速率的贡献和影响,同时讨论了唯一型一级禁戒跃迁与非唯一型禁戒跃迁在一级禁戒跃迁中的占比。首先,我们使用三种相互作用计算了Fe偶角动量能级,选择出与实验值最接近的***3相互作用,然后使用***3相互作用对N=40附近的十个原子核进行能级的计算,验证了该相互作用的有效性。其次,我们计算了N=40附近原子核在温度T=0～20 GK,密度ρYe=10、10 g/cm的电子俘获速率。发现在低温低密度的情况下容许伽莫夫-泰勒跃迁占主导地位,在高温高压下一级禁戒跃迁的影响变得越来越重要。最后,我们讨论了天体环境下唯一型一级禁戒跃迁与非唯一型一级禁戒跃迁的贡献。选取了在密度ρYe=10 g/cm下,一级禁戒跃迁占主导地位的六个原子核进行计算。结果发现非唯一型一级禁戒跃迁的贡献不能忽视。特别是Fe在天体环境中的电子俘获速率,其百分之八十的贡献都由非唯一型一级禁戒跃迁的贡献给出。

关键词： 里德堡原子   电磁诱导透明   非局域非线性光学效应、矢量光子弹、光学自组织结构  

摘要： 近年来,超冷里德堡原子的研究引起了人们的极大兴趣。所谓里德堡原子,是指外层价电子被激发到主量子数n很大的高激发态原子。里德堡原子具有许多诱人的物理特性,如轨道半径大、寿命长、电偶极矩大、对外加电磁场十分敏感;另外,里德堡原子之间具有很强的相互作用,且可在10多个数量级范围内主动可调。这些特性使得里德堡原子的研究在精密光谱与精密测量、量子计算与量子信息、量子多体模拟、非线性与量子光学等诸多领域中具有重要的应用。电磁诱导透明(electromagnetically induced transparency,简称 EIT)是一种典型的量子干涉效应。其基本原理是通过控制激光场的引入在原子的量子态之间产生相消干涉效应,可有效地抑制探测激光场的共振吸收。特别是,利用EIT可实现原子介质非线性光学效应的显著增强,有关研究开创了弱光非线性光学新领域。里德堡原子中的EIT(Rydberg-EIT)现象具有十分诱人的特征。利用Rydberg-EIT可使原子介质的非线性光学效应进一步增强(其克尔非线性光学极化率比通常原子EIT介质高几个数量级)。基于Rydberg-EIT,已在实验上实现了确定性的单光子源,高质量的单光子开关和三极管、单光子相位门、光子分子等。这些重要的发现和进展开创了里德堡非线性与量子光学研究的新方向。本学位论文的主要内容是基于双Rydberg-EIT的非局域非线性光学效应及其应用研究。主要研究思路是:基于超出平均场理论的约化密度矩阵展开方法(RDME),求解倒Y型四能级原子系综和具有两个偏振分量的探测激光场所满足的Maxwell-Bloch方程组,证明利用双Rydberg-EIT可增强体系的自克尔和交叉克尔非线性光学效应,且可在弱磁场作用下使探测激光场的偏振面产生显著的磁光旋转;基于双Rydberg-EIT,可在体系中产生稳定的高维矢量光子弹和涡旋,且利用弱梯度磁场可使这些光子弹和涡旋的运动轨迹发生显著的斯特恩-盖拉赫效应。另外,证明基于Rydberg-EIT可实现高维矢量光子弹的存储与读取,且利用原子两个底能级之间的初始相干可在体系中产生若干新型光学自组织结构。本文的主要研究结果为以下几个方面:1.基于双里德堡电磁诱导透明实现非局域非线性光学效应和非线性磁光旋转增强。首先,提出具有倒Y型四能级原子结构的双Rydberg-EIT理论模型,推导里德堡原子系综与探测和控制激光场耦合的体系哈密顿量与运动方程,进而导出旋转波近似下的Maxwell-Bloch方程组。其次,利用超出平均场理论和基态近似的RDME方法处理原子之间的多体关联,详细计算体系的非局域自克尔与交叉克尔非线性光学极化率。研究结果表明,利用双Rydberg-EIT,不仅可大大抑制探测场的吸收,而且可使体系的克尔非线性光学效应大为增强,所得自克尔与交叉克尔非线性光学极化率可达10-8 m2V-2量级,与近期报道的实验结果十分相近。然后,利用所得的克尔非线性光学效应增强,证明在弱磁场作用下探测激光场的偏振面可产生显著的磁光旋转。该研究结果有助于深入了解里德堡原子的物理特性,并可应用于微弱磁场的测量和光信息的处理与传输。2.基于双里德堡电磁诱导透明实现高维矢量光子弹和涡旋及其斯特恩-盖拉赫效应。基于双Rydberg-EIT激发方式下体系中原子与外加激光场耦合的Maxwell-Bloch方程组,利用多重尺度法导出探测场两个偏振分量所满足的、具有非局域自克尔与交叉克尔非线性、衍射和色散效应的(3+1)维包络方程组(非局域非线性薛定谔方程组)。研究表明,基于体系自克尔和交叉克尔非线性的非局域特征,可通过调节系统参数使克尔非线性效应、色散和衍射效应达到相互平衡,从而可形成稳定的(3+1)维矢量(即具有两个偏振分量)光子弹和光涡旋。研究还表明,通过给体系施加微弱梯度磁场可使矢量光子弹和光涡旋产生明显的斯特恩-盖拉赫偏转,并可对其实现主动操控(包括使分离的光子弹和光涡旋轨迹重新汇合等)。该研究结果不仅有助于了解里德堡原子的非局域非线性光学特性,而且可应用于微弱梯度磁场的测量。3.基于双里德堡电磁诱导透明实现光子弹的存取与光学自组织结构的形成。基于双Rydberg-EIT方案和通过求解探测场两个偏振分量所满足的非局域非线性薛定谔方程组所得的高维光子弹解,证明可通过绝热地关闭和开启控制激光场实现对(3+1)维矢量光子弹的存储与读取(即先关闭控制激光场使探测激光场的光子弹信息转换为原子相干且存储在原子介质中,然后开启控制激光场将探测激光场的光子弹信息转换为原子信息并读出)。另外,在稳态近似下对平面波光场开展了调制不稳定性分析。研究表明,若在原子的两个底能级之间制备初始量子相干,基于体系的非局域克尔非线性可在体系中产生若干新型光学自组织结构(光学斑图),并可出现相分离现象。该研究结果不仅有助于产

关键词： 轻介子   质量谱   衰变行为   3P0模型  

摘要： 近几十年,随着各种大型粒子对撞机实验仪器精度越来越高,能量也越来越高,人们发现了一些新的强子态。比如BESIII实验组在ee→ωππ过程中发现的X(2222),ee→ωππ过程中发现的X(2200)和X(2232)等。这些新粒子的结构、衰变行为等成为了亟待解决的问题。目前,实验上对ω和ρ介子的研究数据较少,理论上还未构建出完整的ω和ρ介子家族的谱系和衰变情况,因此对于ω和ρ介子家族的研究也迫在眉睫。Regge轨迹理论经过多年的发展与演化,可以很好地反映粒子能量与主量子数或角动量之间的关系,而MGI模型也可以用来研究介子的谱学,两种方法不仅可以相互借鉴也可以相互验证。本文利用Regge轨迹理论得到了ω,ρ,ω,ρ介子家族的Regge轨迹。接着利用MGI模型得到了ω,ρ,ω和ρ介子家族的质量谱。并对实验上还未发现的ω(2D),ω(4D),ρ(4D),ω(1G),ρ(1G),ω(2G),ρ(2G),ω(3G)和ρ(3G)介子的质量进行预言。得到它们的质量分别为2047.6 MeV,2628.8 MeV,2628.8 MeV,2254.8 MeV,2254.8 MeV,2522.3MeV,2522.3 MeV,2748.5 MeV和2748.5 MeV。介子Okubo-Zweig-Iizuka(OZI)规则允许的两体强衰变可以用夸克对产生模型来计算,MGI模型计算过程中得到的介子的波函数也可以作为夸克对产生模型的输入,继而计算出ω,ρ,ω和ρ介子家族的衰变分宽度和衰变总宽度。得到的宽度跟实验值符合较好,对于实验上还未发现的介子,也预言了其衰变宽度。本项工作系统地研究了ω,ρ,ω和ρ介子家族的质量谱与衰变行为,结合2022年的实验新发现,对X(2232),X(2200),X(2220)进行研究分析,得到这三个新粒子均为ω(3D)态。对于构建ω和ρ介子家族有重要意义,同时,对实验上探索上述介子也有指导意义。

关键词： 不确定性   熵   熵不确定关系   Riesz-Thorin定理  

摘要： 量子力学与经典力学之间最为深刻的差别是前者具有内禀的随机性或不确定性,它通常只能对观测现象做出概率性而不是确定性的预言。因而如何定量刻画这种不确定的程度对量子力学无疑是十分重要的。传统的量子力学中采用可观察量的测量结果的标准偏差来描述这种不确定性。但通过对一些具体例子的深入分析可以发现,标准偏差并不是定量刻画不确定性的最合适的量。近年来的研究结果表明,描述不确定性的一种更为合适的方式是用可观察量的概率分布的熵,进而传统的用标准偏差所表示的不确定关系也被改进成用可观察量的熵所表示的不确定关系。这种熵不确定关系关注的是出现各种不同观测结果的概率而与可观测量的本征值无关,它要求系统在不同基下的概率分布的总熵大于一个不依赖于具体量子态的正数值。本文首先从可观察量多次出现重复的测量结果的重复概率出发,统一地导出了两种常用的刻画可观察量不确定性的熵,即Rényi熵和Shannon熵。然后给出了利用可观察量的熵所表示的不确定关系的完整证明。并讨论了熵不确定关系在几个具体例子中的表现形式以及它们在这些例子中所反映出的物理意义。本文的具体安排如下:第一章简要回顾了通常量子力学教科书中给出的传统的不确定关系的最初起源、演化以及理论证明的历史。并讨论了历史上这些从物理观念、表述形式和论证方式上都略有不同的几种不确定关系之间的区别和联系。第二章首先分析了采用观测结果的标准偏差表示其不确定性这种定量描述方法中存在的问题,以及基于标准偏差的不确定关系存在的缺陷。然后讨论了可以用熵来刻画不确定性的依据,给出熵不确定关系的详细证明。并讨论了用熵表示不确定性时存在的一些问题。第三章讨论了熵不确定关系在几个具体例子中的应用。第一个例子考虑了当分别测量一种自旋1/2的粒子的两个不同自旋分量时,由熵不确定关系给出的测量结果的最小总熵与所测量的两个自旋分量的方向间的关系。另一个例子则是考虑两个自旋为1/2粒子组成的系统,当测量它们分别处在两种不同的自旋极化组态的概率时,测量结果的最小熵和两种两组自旋极化方向间的关系;以及当测量两个粒子处在自旋的最大纠缠态和处在特定的自旋极化态的概率时,得到的最小总熵和两个自旋分量与处于最大纠缠的自旋分量间的相对取向间的关系。第四章总结了本文的主要结论和意义,并展望了熵不确定关系方面的进展对量子力学基础理论可能产生的深远影响、及其在量子信息技术方面的可能应用。

关键词： 快速路合流区   亚稳态交通流   交通冲突   KKW模型  

摘要： 快速路在城市道路交通系统中具有重要地位,承载着城市日益增长的机动车交通量,与之对应的,拥堵问题也愈发严重。在快速路系统中,合流区在高峰期存在常发性拥堵问题,自入口匝道驶入的车辆与主线上游车辆之间产生的交通干扰是造成这种拥堵的关键因素。故深入研究快速路入口匝道合流区交通流,对揭示快速路亚稳态交通流拥堵特性、制定亚稳态管控方法具有重要意义。本文以轨迹数据为基础,对此类路段区域的宏观特征与微观车辆行为进行研究,全文主要内容如下:本文选择符合研究要求的快速路合流区,利用目标识别跟踪算法获取的无人机视频中的车辆轨迹数据。结合分区观测模型,划分数据采集位置,利用LSD多重比较、独立t检验、单因素方差分析等方法,针对交通量、车速、换道特性等合流区亚稳态交通流宏观特征进行计算分析。研究表明,车辆的合流方向对于合流区的换道具有显著影响,不同合流方向之间存在显著差异性。合流区累计交通量在接近合流区饱和时随着减速波的产生和传播而降低,在下降到一定程度后开始回升,将会逐渐趋于合流区饱和,循环反复。本文基于Time-to-Collision(TTC)参数,构建亚稳态交通流下交通冲突的时空分布特征,比较减速波和加速波中车辆跟驰行为,结合Newell跟驰模型的思想,研究跟驰行为对交通冲突形成的影响;基于Post Encroachment Time(PET)参数,比较冲突与非冲突车辆的行为差异,定量分析换道行为对于侧向冲突变化的特征,实现对交通冲突形成的多方面探究。本文认为,宏观上,合流的需求加剧了车辆冲突,产生了拥堵,并向上游蔓延。同时,交通运行状态从紧邻交织区的下游逐渐平滑,反映为越靠近下游,潜在冲突风险持续时间越小的渐变现象。微观上,发现车辆与遵循Newell模型的轨迹间,执行减速或加速决策时存在差异,提高交通冲突发生的风险。本文根据执行减速或加速决策时的差异改进Kerner-Klenov-Wolf(KKW)模型,修正模型更新过程中的速度自适应,细化慢化概率,利用实测数据和交通冲突分析计算结果,搭建仿真环境,通过交通流和交通冲突的一致性检验,与原模型进行对比,证明改进模型的鲁棒性。基于上文对于侧向冲突变化特征的研究,提出了针对潜在冲突的合流区管控方法,并通过仿真验证了控制方法对交通冲突和交通流的影响,表明本文提出有效的方法来减少交通冲突。

关键词： X射线双星   脉冲星   进动   吸积盘  

摘要： X射线脉冲双星是可以观测到X射线脉冲的X射线源,研究X射线脉冲双星的自转频率演化可以获得丰富的物理信息。在X射线脉冲双星中可以观测到自转频率减慢、扭矩反转等现象,其中一些现象通过现有的理论模型并不能很好地解释,如长时间间隔的扭矩反转。本文认为这些现象可能源于吸积盘的进动效应,因为吸积盘的进动会产生额外的时间残差,这些残差在X射线双星系统中没有合适的计时模型可以消除,常被归算到脉冲频率的变化中。本文在计算吸积盘进动产生的时间残差的基础上,将吸积盘半径变化与光变相结合,对三颗X射线双星进行了模拟计算与拟合。计算结果表明,吸积盘进动模型可以解释XTE J1946+274宁静态的自转减慢,以及4U 1538-52的三次扭矩反转事件。对于A 0535+26,吸积盘进动模型可以同时解释宁静态的自转减慢和长周期的自转频率变化趋势,同时模型的拟合结果要求吸积盘半径在暴发发生后增大。研究结果发现,吸积盘进动引起的计时残差在X射线脉冲双星中是不可忽略的,X射线双星的计时模型中需要考虑这一时间延迟项,以提高X射线双星的计时精度。本文第一章介绍X射线双星及其脉冲频率的观测特征。第二章分析了以往研究中被提出的,会影响双星系统中的中子星自转的物理机制。第三章介绍我们为解释观测现象提出的吸积盘进动模型。第四章为计算结果和对计算结果的讨论。第五章对工作做出总结以及对相关问题提出展望。附录部分给出了部分计算数据。