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关键词： 镁合金   应变硬化   预制孪晶   多尺度测量   X射线衍射   力学性能  

摘要： 随着人们对环境保护要求的提高，许多绿色材料被广泛应用。其中，镁合金因为储量丰富、轻质进入了人们的视野，也因为其具有密度低、比强度高和比刚度高等优点，被广泛应用于电子、汽车、航空航天等领域。为了更好地应用镁合金，众多研究人员对影响镁合金应变硬化行为的因素进行了一系列研究，但目前微观晶格演化如何影响宏观力学性能的研究仍旧存在一定的空缺，且缺乏对微观尺度、细观尺度和宏观尺度同时测量并进行分析的研究，关于应变硬化行为与内在变形机理的联系仍待探究。本文主要利用原位同步辐射X射线相衬成像与衍射多尺度测量方法进行相关研究，在镁合金变形过程中，实现宏观应力-应变曲线、细观应变场和微观衍射图谱的实时同步采集。通过使用多尺度测量技术对镁合金在不同加载方向下以及预孪生下的应变硬化行为进行研究，不仅可以更深入地了解材料内部的变形机制，还可以为镁合金材料的广泛应用提供理论支持。本文的主要研究内容包括：　　（1）研究了 AZ31 镁合金在不同加载方向下的应变硬化行为。实验共设置了两个加载方向，加载轴（LA）平行于轧制面的法线方向（ND）和垂直于轧制面的法线方向（ND），分别称为LA∥ND拉伸/压缩和LA?ND拉伸/压缩。实验结果中，在LA∥ND拉伸和 LA?ND 压缩样品中发现了大量{10-12}拉伸孪晶。研究发现，拉伸诱导孪晶的生长速度低于压缩诱导孪晶，推测是因为在LA∥ND样品中锥面＜c+a＞滑移适应了沿c轴的部分变形。此外，拉伸和压缩诱导的变形孪晶均减缓了应变局部化过程，从而增加了塑性变形的应变硬化速率。借助塑性应变比描述 AZ31 的各向异性，该参数取决于应变集中和加载方向相对于基底织构的相对取向，拉伸时的塑性应变比相比压缩时的塑性应变比要大得多。　　（2）研究了不同预制孪晶含量 AZ31 镁合金的应变硬化行为。在不同应变下对AZ31 镁合金进行预压缩，引入{10-12}扩展孪晶，并在室温下进行准静态单轴压缩实验。结果表明，微观尺度上{10-12}扩展孪晶和{10-12}-{10-12}双孪晶可以提高镁合金宏观强度和中观尺度应变浓度。{10-12}扩展孪晶延缓应变局部化过程的效率低于{10-12}-{10-12}双孪晶。这种减缓应变局部化过程的效率在很大程度上取决于孪晶含量。

关键词： X射线能谱成像   安检透视成像   光子计数   YSO/SiPM   函数阈值MVT   闪烁脉冲  

摘要： 公共安全是国家安全和社会稳定的基石,提高公共安全保障能力是我国十四五规划与远景目标纲要的重要内容。随着电子商务的兴起,利用快递包裹进行毒品、爆炸物及违禁药品等危险物品的违法传播呈快速增长之势,已成为我国公共安全的严重威胁。现有透视安检机采用双能X射线探测器,因其有效原子序数的分辨率不高,对危险物品的识别主要依赖图像中物体的形态特征和密度信息,然而毒品、爆炸物及违禁药品等危险有机物的密度都较为接近且不具备一定的形态特征,对此类危险物品的筛查仍存在重重困难。为解决上述问题,急需发展光子计数X射线探测器提高能谱数据的获取精度,利用能谱成像技术实现危险有机物的识别。基于碲化镉/碲锌镉材料的半导体光子计数X射线探测器因其优异的能量性能已在医疗领域获得应用,但极化效应、电荷共享效应等物理缺陷会导致高计数下性能的退化和工作状态的不稳定,除此之外,该类材料量产还存在良品率低、生产工艺复杂的问题,虽经60余年的发展仍未在安检行业得到大规模应用。近年来,由于晶体材料和光电器件技术的快速发展,采用快闪烁晶体和硅光电倍增管(Silicon Photomultiplier,SiPM)的闪烁体光子计数X射线探测器在能谱成像方面具有巨大的发展潜力,优化设计闪烁体X射线传感器,发展高性能、低成本闪烁脉冲数字化采集与能量获取方法是开发这类探测器的关键。为此,本论文针对透视安检设备的能谱成像应用需求,围绕闪烁体光子计数X射线探测器核心部件的设计与关键技术、方法的研究展开工作。首先,通过分析SiPM工作电压、硅酸钇(Yttrium Orthosilicate,YSO)晶体尺寸等物理因素对能量分辨率性能的影响,优化设计了YSO/SiPM闪烁体X射线探测器,实现了59.4%@30 ke V、37.9%@59.5 ke V和37.3%@80.9 ke V的能量分辨率;通过对闪烁脉冲信号进行单阈值比较和计数的方法标定出所设计的YSO/SiPM闪烁体探测器用于光子计数X射线探测器的计数率性能,其线性计数率可达1.5 Mcps/pixel,最大饱和计数率达2.0 Mcps/pixel,初步验证了所设计的YSO/SiPM闪烁体探测器应用于透视安检设备的可行性。其次,针对光子计数X射线探测器中对闪烁脉冲进行低成本、高密度、高精度数字化采样和能量获取难题的解决,提出了采用函数阈值的多阈值电压(MultiVoltage Threshold,MVT)采样方法,即函数阈值MVT。该方法使用单个比较器将函数阈值信号(典型为正弦信号)和闪烁脉冲进行比较并记录闪烁脉冲越过阈值信号的时间实现数字化采样,脉冲信号的过阈值电压则通过所记录的时间与设置的函数阈值信号特征反演获得。这一方法具有成本低与低功耗的特点。围绕该数字化方法下能量信息获取精度的影响因素的研究建立了数字闪烁脉冲采样平台,通过模拟仿真研究了时间数字转换器的精度和函数阈值信号的频率、幅度、相位等因素对函数阈值MVT采样方法的能量获取精度的影响,随后依据上述研究结论展开了函数阈值MVT采样电路的设计、优化和性能标定。最后,在上述工作的基础上,利用所设计的YSO/SiPM闪烁体探测器和函数阈值MVT采样电路完成了闪烁体光子计数X射线探测器的集成开发,并在透视安检成像平台上进行了不同物质的假体图像以及能谱数据的获取和初步分析,结果表明采用闪烁体光子计数X射线探测器的透视安检设备可以实现酒精、水与糖水,面粉与洗衣粉等有机物的识别。本文通过上述研究工作完成了闪烁体光子计数X射线探测器的设计及其在透视安检成像设备中的应用验证,初步证明了采用闪烁体光子计数探测器的透视安检设备具备实现有机物的识别能力,所获得的研究成果有望为发展具备危险有机物识别能力的智慧安检设备提供关键技术和核心部件。

关键词： Associative algebra   Correlation functions   Fusion rules   Representation theory   Vertex operator algebras   Yang-Baxter equation  

摘要： We introduce the notion of space of correlation functions associated with three modules M1, M2, and M3 over a vertex operator algebra V. By studying the relations between the space of correlation functions with the space of intertwining operators and the bi-modules over Zhu’s algebra A(V), we prove a generalized version of the fusion rules theorem for vertex operator algebras. We also give the analog of Rota-Baxter operators for vertex operator algebras as a generalization of the Rota-Baxter operators for Lie algebras. We find some particular types of sub-algebras of the lattice vertex operator algebra VL to give examples of such operators. Using a general version of Rota-Baxter operators of vertex operator algebra, we find a tensor form of the Yang-Baxter equations for vertex operator algebras that generalizes the classical Yang-Baxter equation for Lie algebras.

关键词： 钨矿检测   深度学习   图像分类   目标检测   样本扩充   X射线技术  

摘要： 黑钨矿石作为一种具有战略意义的有色金属,具有高密度、高熔点和耐腐蚀等诸多优点,在生活、工业和军事等方面有着非常重要的应用。矿山开采出原矿,需要经过一系列选矿工艺后才能成为我们所需的钨精矿,所以在原矿中分选出钨矿成为选矿中最重要的一步,矿石分选的准确率在根本上决定了矿石资源的回收率,随着现代数字化建设的脚步推进,矿山企业也慢慢地向数字化企业转型,但现在仍有许多矿山选厂使用人工手选的方式进行选矿,工人每天长时间对大处理量的原矿进行手选,易导致分选人员陷入视觉疲劳,且许多钨矿藏于矿石内部不易被工人发现,这些都易导致人工误检漏检,造成钨矿资源的浪费,因此对于钨矿石的自动检测方法研究在钨矿回收和自动化减人方面是具有重要意义的研究方向。本文基于X射线扫描技术和深度学习检测技术代替人工进行钨矿识别,针对钨矿石和废石在X射线照射后对比度差异大、低品位矿石不易识别、矿石形态差异大、矿石处理量大和干扰多等因素,建立了基于分类网络和基于目标检测网络的两种钨矿检测模型,并结合领域内的多种模型改进方案,对各网络模型进行改进,在保证分选速率的基础上提升模型分选准确率。主要研究工作由如下三点展开:1.由于当前研究领域中尚没有公开的X射线矿石图像分类和检测数据集,本文自建X射线钨矿石图像数据集,采集像素大小为1664*256的X射线矿石原图并对其进行处理后创建数据集。对于图像分类数据集,使用图像处理将原图中的小矿石进行切割,然后使用人工和模型分选相结合的方式建立了一个四分类和二分类的分类数据集。对于目标检测数据集,由于人工标注所耗费的人工各时间成本较长,所以首先只使用人工标注的方式创建少部分数据集,然后使用图像生成的方式自动生成矿石图像数据集,最后使用模型标注和人工确认的方式生成部分数据集。结合这三种方法,能以较快的速度创建一个所需的目标检测矿石图像数据集。2.基于深度学习中的分类网络X射线钨矿图像检测方案。根据实时性要求使用轻量级网络MobileNet V2网络作为主干网络,并使用改进方案对主干网络进行改进,提升模型的矿石检测性能。首先,通过调整扩展因子和宽度因子大幅减少模型参数量,实现模型轻量化的目的;其次,通过在部分倒残差模块和原模型分类器中嵌入高效通道注意力机制,并将剩余倒残差模块替换为含深度空洞卷积的并行特征提取网络,以增强模型特征信息提取能力,提升模型识别准确率;最后,使用迁移学习的训练方式初始化权重,加速模型训练。经过改进,该算法对于钨矿石的识别准确率提升至99.10%,对比经典的分类网络,改进后的MobileNet V2对于X射线钨矿图像的检测准确率和检测速率都具有较优表现,且部署于软件系统中满足矿石分选的检测稳定性与实时性要求。3.基于深度学习中的目标检测网络X射线钨石图像检测方案。根据矿石分选的识别准确率和识别速率前提,使用Yolov5s网络作为主干网络,嵌入注意力机制增加网络对于有效特征的提取能力,加入EIo U损失函数增加模型的收敛速度和对矿石目标的定位精度,改变训练策略来减少钨矿特征的信息丢失。通过这些改进提升检测模型对钨矿图像的整体检测性能,能够间接的增加钨矿回收率。实验表明,改进后的Yolov5s对于钨矿的检测准确率高达97.63%,召回率高达97.05%,且模型对矿石图像的检测速率高达每秒41.11帧。相比其他经典目标检测算法,改进后的Yolov5s算法具有更好的表现,且部署于软件系统中满足矿石分选的检测稳定性与实时性要求。

关键词： EDTA滴定法   原子吸收光谱法(AAS)   镉团   锌   铅   镉   返滴定-置换滴定法  

摘要： 湿法炼锌产生的副产品镉团含有较高含量的锌、铅、铜等杂质，对滴定法测定镉产生干扰；即使分离杂质后再直接滴定，其终点突跃也不明显；而使用返滴定-置换滴定法时，碘化钾置换镉后溶液的pH值难以控制，且需要预先分离铅，步骤繁琐。为了建立一种适合测定镉团中镉含量的方法，实验首先采用酸分解样品，再使用EDTA滴定法结合原子吸收光谱法(AAS)测定镉团中锌、铅、镉。在pH 5.5～6.2的六次甲基四胺缓冲溶液中，以硫脲掩蔽Cu2+的干扰，用过量的EDTA标准溶液络合锌、铅、镉；以二甲酚橙为指示剂，用锌标准溶液返滴定，测得结果为锌、铅、镉合量(以锌记)。再使用原子吸收光谱法(AAS)分别测定锌、铅的含量，以锌、铅、镉合量扣除锌、铅的量即为镉量。实验发现，对于镉团化学成分分析，大称样量才能保证样品的代表性；使用AAS测定锌、铅含量时不受体系中共存离子的干扰。方法用于测定镉团中锌、铅、镉，结果的相对标准偏差(RSD,n=11)分别为0.69%～1.2%、0.65%～1.6%和0.11%～0.12%;结果和电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)及返滴定-置换滴定法的结果一致。

关键词： 国际热核聚变实验堆   等离子体诊断   X射线相机   硅光电二极管阵列   低压电离室  

摘要： 国际热核聚变实验堆（International Thermonuclear Experimental Reactor,ITER）是世界上首个在建的反应堆级的磁约束核聚变实验装置,将通过氘氚（DT）核反应产生500 MW的聚变功率,并在装置周围产生强烈的核辐照,这要求诊断系统在设计时必须考虑抗辐照。径向X射线相机是ITER的重要诊断系统之一,通过测量等离子体极向X射线分布,研究各种磁流体力学不稳定性（如锯齿、破裂先兆和边界局域模等）,同时联合其它诊断系统进行等离子体位形、逃逸电子等物理研究,这些诊断功能的实现对相机的空间分辨率、时间分辨率和信噪比等提出了很高的要求。探测器是相机的核心部件,研制满足相机性能要求（空间分辨率、时间分辨率和信噪比）且具有抗辐照性的探测器是相机研究的重要课题。目前国内外对于用于聚变堆装置的X射线相机探测器的研制仍处于起步阶段,技术尚不成熟,但用于普通托卡马克装置的探测器有很多技术和经验可借鉴。ITER装置的运行分为非核阶段和核阶段,为确保相机在两个阶段都有探测器可用,需同时研制适用于ITER的非抗辐射探测器（称作基础探测器）和抗辐射探测器（称作先进探测器）,并探索基础探测器用于较弱核环境（如位于窗口法兰后的外部相机）的可行性。 本文根据相机的性能要求和探测器需求,研制了分别用于相机非核阶段与核阶段的硅光电二极管阵列和低压电离室（Low voltage ionization chamber,LVIC）。 基于相机的结构、观测区域、可用空间和性能要求,设计了硅光电二极管阵列的整体布局（阵列的数量、布置和光路）、通道数和单通道灵敏面积。基于半导体物理设计了阵列的内部结构,采用理论方法研究了其材料参数、耗尽层厚度和基底厚度与响应率、响应时间和电学特性的关系。基于上述内容,提出设计方案并通过模拟计算验证了其合理性,委托英国Centronic公司制造了硅光电二极管阵列。研制出的硅光电二极管阵列在电学特性上满足相机要求,其响应在一致性、线性关系和串扰上都展现出良好性能,可准确探测高频等离子体现象。各项研究和测试证明研制的硅光电二极管阵列可作为相机非核阶段的探测器。 为探索硅光电二极管阵列用于外部相机核阶段的可行性和研究其辐照效应,在加速器和反应堆开展了中子辐照实验,累积中子注量分别为2.4 × 1012 n·cm-2和9.89 × 1013 n·cm-2。研究表明中子辐照形成的大量缺陷会导致阵列在X射线能段的灵敏度大幅下降,暗电流也有量级上的增大。因外部相机D-T阶段的累积中子注量可达1016 n·cm-2量级,由此推测硅光电二极管阵列无法在外部相机的整个D-T阶段存活,说明外部相机在核阶段也要使用先进探测器。 根据LVIC的结构、相机的性能要求和可用空间,对LVIC进行了初步设计,包括通道数、灵敏体积的结构和尺寸等,理论计算和分析了探测介质和结构对LVIC性能的影响,讨论了拓展LVIC探测功能以用于杂质监测的可能性。通过模拟计算验证了设计的合理性。用MCNP模拟计算了 LVIC所处位置的背景辐射（中子和γ射线）强度及其沉积能量,计算了各位置LVIC使用不同气体时的背景辐射电流（属于噪声）并用于优化LVIC在核阶段的信噪比。用Geant4模拟计算了磁场存在时X射线及其产生的带电粒子在LVIC内的沉积能量（决定LVIC的输出电流）,从而研究磁场对输出电流的影响,验证了所设计的LVIC能抗磁场干扰。 基于初步设计制造了多通道LVIC原型机,以上海光源和钨靶X射线管为光源,研究了 LVIC的能量响应、饱和特性以及气体种类和气压对LVIC性能的影响。研究表明,用氙气的LVIC的输出电流比用氩气时大,但也需要更高的工作电压;LVIC的工作电压可根据饱和特性研究所发现的规律来推测。1 bar的氩气适合作为LVIC在核阶段的工作气体。 本文设计、研制了满足ITER非核阶段不同运行条件要求的硅光电二极管阵列;研制了首个用于聚变堆装置的多通道LVIC原型机,并对其性能及工作气体、运行环境等因素的影响进行了研究,为研发最终可用于ITER核阶段的LVIC提供了技术基础。

关键词： 相位偏折术   X射线薄箔镜   面形检测   立体匹配  

摘要： X射线薄箔镜作为嵌套型X射线掠入射望远镜的核心元件,其面形精度直接决定了光学系统的成像分辨率或能量集中度。虽然X射线薄箔镜的面形通常为旋转对称的二次曲面,但在光轴方向面形梯度大,传统的干涉检测方法难以获得高精度的测量结果;且镜片结构轻薄易变形,装配时光学表面成为镜头结构的内表面,受此影响,接触式的和非接触式的轮廓测量方式都不适用于薄箔镜的面形检测。因此有必要提出一种X射线薄箔镜的有效检测方法。本文提出了一种基于立体相位偏折术的检测方法,具有测量角度大、非接触、精度高、速度快等特点,理论分析、光学仿真和实验测量结果表明该方法对于X射线薄箔镜的面形检测具有一定的可行性。论文介绍了立体相位偏折术的检测原理,并对该方案涉及的相移技术、相位展开算法、系统标定方法、立体匹配方案以及基于梯度数据的面形重构算法等技术构成进行了深入的研究。分析了相移算法的步长对系统非线性响应误差的抑制作用;比对了各类相位展开算法的优缺点,使用改进的中值滤波算法来消除相位展开时的跳变误差;介绍了相机成像模型、镜头畸变模型以及双目标定技术,并开发了双目相机图像采集系统;由于相机采集的是屏幕经平面镜反射的虚像,为获取相机与屏幕之间的位姿关系,采用基于正交约束的镜面标定法求解两者之间的旋转矩阵和平移向量;利用梯度数据积分进行面形重构,研究了直接积分法、离散傅里叶变换积分法、区域波前重构法以及模式重构法的数学原理,并仿真比对了各算法的重构速度和精度。针对光滑待测表面的立体匹配精度和速度问题,本文提出了基于多项式拟合的多步长搜索算法,通过细分初始位置附近的搜索步长获得匹配数据,进行多项式拟合并求导计算极值点对应的矢高值作为待测点的精确空间坐标,提高匹配精度和效率。为验证该方法的有效性,以Zygo干涉仪的检测结果(PV0.245μm,RMS0.026μm)为参考比较测量了一个球面镜,传统匹配方法的测量结果为PV 0.391μm,RMS 0.0596μm,耗时163.51s,而采用多项式拟合的多步长搜索算法解算的面形精度为PV 0.317μm,RMS 0.0403μm,耗时54.86s。比对结果表明本文提出的匹配算法速度更快、精度更高,具有更好的应用价值。基于光路仿真结果,搭建实验平台,对X射线薄箔镜的面形进行了实验测量。首先在ZEMAX软件中建立测量光路模型,根据优化的结构参数搭建了实验装置,完成了系统标定和图像采集;然后利用十二步相移算法和三频外差法实现了绝对相位解算,并通过改进的中值滤波算法去除相位“拉线”噪声,采用本文提出的基于多项式拟合的多步长搜索算法进行立体匹配,计算得到梯度数据后使用模式重构法恢复了待测镜的三维面形。与镜片的设计参数进行比较,实测的面形残差为PV 10.9μm,RMS 1.4μm,实验结果表明基于多项式拟合多步长搜索算法的立体相位偏折术对于X射线薄箔镜的面形检测具有一定的可行性和应用价值。

关键词： 透明导电材料   电子结构   带边位置   电离能   广域空间扩展   各向同性轨道  

摘要： 透明导电材料（TransparentConductingMaterials, TCMs）是一类特殊的光电材料，在可见光范围内能够表现出出色的光学透射率，并且在室温下具有较高的导电性。随着现代社会不断往信息化、智能化方向发展，TCMs的应用领域也随之拓宽，逐渐成为集成电路中举足轻重的关键材料。根据导电类型，可将TCMs分为p型和n型两大类。其中，n型TCMs因其优越的光学透明度与导电能力而备受工业市场的青睐。相比之下， p 型 TCMs 的导电率远低于 n 型，导致其应用相形见绌。从微观电子结构出发，p 型TCMs导电能力差的原因可以归结于价带在空间上呈现出色散程度低、局域化严重等特点。为削弱局域化效应，提高p型TCMs导电性能，本文提出了一种高性能p型TCMs的设计思路：将具有广域空间扩展特性的开/闭壳层电子组态dn轨道与具有各向同性的长周期ns2轨道相结合，得到d+s杂化的化合物，并通过第一性原理计算方法分析各化合物的物理性质（电子、光学和力学性质等），以期望它们展现出良好的光学透明度与导电性能。　　首先，本文对由短周期轨道构成的二元化合物B6Ch（Ch=O, S, Se和Te）展开了研究。结果表明，除 B6Te 是金属外，其余化合物均为半导体材料。其中，B6O、B6S和B6Se都具有较为理想的轻空穴有效质量，说明B6Ch在空穴输运上具有较好的特性。带边位置以及电离能判据表明，B6Se展现出了p型导电性，但其因光吸收系数太高，无法在可见光范围内呈现出良好的透光性。对B6Ch的研究表明，仅由短周期ns2轨道构成的化合物呈现出潜在的 p 型导电性，但缺乏兼顾导电性与透明性的能力，因此可能不是高性能p型TCMs的最佳选择。　　其次，本文研究了含有Nb-4d和Bi-6s的三元化合物BiNbO4，对其具有的两个相α-BiNbO4和β-BiNbO4进行了物理性质上的横向对比。从有效质量和载流子迁移率的计算结果来看，两者均存在载流子输运上的各向异性，且α相比β相具有更高的载流子迁移率（在[010]方向上的空穴迁移率为35.55 cm2V-1s-1）以及更小的光学吸收系数，这表明α-BiNbO4有望成为优秀的p型TCM。分支点能量方法（Branch-point Energy, BPE）以及电离能判据也证实了 α-BiNbO4是本征的p 型 TCM，具有良好的导电性与光学透明度。　　最后，本文研究了含有Zn-3d和In-5s的二维化合物ZnIn2S4，分别构建了3×3×1和6×6×1的超胞进行N、Mg掺杂，形成二维的ZnIn2S3.89N0.11和ZnIn1.97S4Mg0.03。结果表明，掺杂 N 后的二维 ZnIn2S4 具有最轻的空穴有效质量和最高的可见光透射率（T＞90%），而掺杂Mg后的二维ZnIn1.97S4Mg0.03有效质量最大，且在可见光范围内的透光率不足70%。本文推测是由于短周期轨道Mg-3s替换了长周期轨道In-5s，从而削弱了长周期s轨道在成键时调制电子结构的作用所导致的。此外，使用BPE方法所计算的带边位置也表明二维ZnIn2S3.89N0.11具有良好的p型导电性。