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关键词： 磁控溅射靶   等离子体特性   磁场强度分布   薄膜技术   结构设计  

摘要： 磁控溅射是目前众多真空镀膜技术中具有显著优势的方法之一,与其他镀膜方式相比,这种技术在保证成膜质量的同时,可以有效提高沉积速度、降低工作温度,因此在学术科研和生产实践中被广泛关注。溅射靶源作为磁控溅射设备的核心,对溅射工艺参数、成品薄膜质量起到至关重要的作用。受限制于靶材加工工艺、真空室尺寸大小以及配套机械结构等因素,传统溅射靶源难以适配于长直型工件的表面涂敷,因此针对上述问题,本文以设计适应于管状工件外表面镀膜的溅射靶装置为目标,从研究靶内电场、磁场分布以及靶源总装结构出发,进行了圆筒式磁控溅射靶的开发研究。首先确定“靶内磁外”的向心溅射方式并扩展得到初始原理结构以供分析设计,具体研究内容如下:(1)圆筒式柱面磁控溅射靶内施放电过程的仿真验证:基于初始原理结构构建了靶反应腔内直流辉光放电的模拟环境,并运用COMSOL Multiphysics软件进行了低压氩气环境的直流辉光放电仿真分析。通过计算不同靶基距反应腔内的电场分布,结合实际镀膜要求确定装置腔体径向间距。仿真所得确定尺寸腔体内参与反应微粒的动态空间分布情况及其放电稳态下电场、电势的分布变化规律,以辉光放电理论为依据检验模型电场的合理性。(2)圆筒式柱面磁控溅射靶内磁场的仿真及设计:借助COMSOL Multiphysics软件模拟靶内磁场分布并进行深入分析,获得磁场均布且强度稳定的磁路排布方式和结构参数。利用单因素分析法,探究靶内磁体尺寸、磁轭形状以及排布结构对靶面磁场分布的影响规律,给出磁路优化思路。同时在考虑靶材的利用率、刻蚀的均匀性和整体溅射速率的基础上,提出了双磁环排布结构,对溅射靶的初始磁路结构进行优化设计,最终给出磁场分布均匀、大小满足溅射要求的磁感应强度且平行靶面均匀磁场区域达40%以上的磁路结构。(3)溅射靶源的结构设计:利用机械设计软件对圆筒式磁控溅射靶内各零部件和整体装配结构进行设计。结合电、磁场仿真的所得参数,配合水冷系统和其余功能装置进行溅射靶源的整体结构设计。整个结构不仅保证了装置运行的完整性,同时装配方式轻巧简单。本论文研究的圆筒式磁控溅射靶既结合了平面靶结构简易、通用性强、镀制膜层质量高的特点,同时借鉴了圆柱形靶结构紧凑、靶材利用率高的优点,对解决管状工件外表面的镀膜具有重要的应用价值。

关键词： 阻尼绕组   贯流式水轮发电机   电磁场   断条故障   空载电压波形  

摘要： 阻尼绕组是贯流式水轮发电机的重要组成部分,对于提高电力系统运行稳定性、改善发电机电能质量、稳定输出电压起着重要的作用。在目前水流落差较大的地区,高水头大型水电站开发基本完成,而在河流地势相对平坦的低水头地区,贯流式水轮发电机凭借运转效率较高等优势,得到较为广泛的应用。随着贯流式水轮发电机的广泛应用,阻尼绕组断条故障屡有发生,而定转子磁极间气隙狭小,内部空间狭长,磁场谐波较大,这给发电机造成了极为不利的影响。为了保障机组与电网安全稳定运行,有必要加强预防阻尼绕组断条故障的发生,因此本文以电气参数之中较易测取的空载电压为研究对象,来研究阻尼绕组断条故障对其的影响。以求通过断条故障对空载电压影响的规律来为阻尼绕组断条故障的监测提供较有价值的参考依据。本文工作为以下四个方面。（1）基于电磁场与电路理论及贯流式水轮发电机结构,建立了空载电压波形场路耦合计算模型,为发电机空载电压波形分析,提供了必要的理论模型基础。（2）选择较为典型的每极每相槽数q=1（1/2）的分数槽机组和q=2的整数槽机组,针对不同的阻尼条根数、定子斜槽程度、磁极偏移0.2槽等结构方案,对正常情况下和阻尼绕组断条情况下的空载电压波形进行了分析计算,并对结果数据进行了统计分析。（3）统计分析后发现:分数槽机组q=1（1/2）在适当槽距比下,即使阻尼条根数不同,阻尼绕组断条故障对空载电压的一阶齿谐波的影响仍最为明显,而对二阶齿谐波影响相对较小,一阶齿谐波成为影响空载电压波形畸变率Ku和电话谐波系数λTHF的关键因素。定子斜槽时,阻尼绕组断条和不断条对空载电压波形的影响甚小;整数槽机组q=2在适当槽距比下,不同阻尼条根数下的断条根数对一阶及二阶齿谐波影响都较大,阻尼绕组断条根数的增加对空载电压波形的影响较为明显。定子斜槽及磁极偏移程度为0.2槽时,阻尼绕组断条和不断条都对空载电压波形的影响相对较小。（4）因此得出了当定子不斜槽且磁极无偏移时,发电机槽距比设在适当范围内,空载电压波形畸变率Ku、电话谐波系数λTHF,以及一阶及二阶齿谐波都有望为阻尼绕组断条故障检测提供较有价值的研判依据,而在定子斜槽和磁极偏移（整数槽数机组）的情况下,上述参数难以为阻尼绕组断条故障检测提供较有价值的依据。

关键词： 协作通信   中继节点部署   能量收集   无线传感器网络   能量效率   可靠性  

摘要： 随着智能电网技术的更新迭代,通过构建无线传感器网络来实现对智能电网环境中线路或设备等进行感知测量、实时监控和数据信息传递。同时,也随着电磁能量收集技术的发展,常常通过部署具有电磁能量收集的传感器节点以满足清洁、绿色和可持续的科技发展需求。但是,在电磁能量收集无线传感器网络中,常常存在通信时信道质量较差造成的能量消耗大、部署环境所造成的节点电磁能量收集功率低或大功率电磁能量收集装置难以部署等问题。为了解决上述问题,并提高网络中节点的能量效率和改善节点间的通信可靠性。经过研究证实通过部署中继节点来提升网络性能是一种可行的方法。针对电磁能量收集网络的协作通信系统的能量效率问题,本文进行了深入研究,提出了基于能效的中继部署策略研究,以提高系统传输的吞吐量和延长网络运行时长。在此基础上,针对双层通信网络中存在的通信可靠性和运行持续性的问题,提出了基于多目标元启发式算法的中继节点部署策略研究。本文主要工作如下:1.与其他能量收集无线传感器网络不同,本文在电磁能量采集环境下,考虑每个传感器节点的能量采集功率是否与消耗的功率相匹配。针对这种功率不匹配情况,本文提出了能量消耗率的概念,并使用它来定义一个新的能量效率模型。接着,本文使用协作通信技术与新提出的能效模型相结合,提出了最优化能效的中继节点部署方案,并以此来延长网络生命周期和提升系统吞吐量。最后,通过改进遗传粒子群算法来得到最优的中继节点位置信息。通过仿真对比,验证了该部署策略可以有效提高网络的能效、延长网络生命周期和提升系统吞吐量。2.对于双层架构的能量收集无线传感器网络,为了同时优化网络可靠性和持续性。首先,针对传感节点不均匀分布网络的通信可靠性,本文描述了中继节点紧密度的概念,通过改善中继节点紧密度来提高网络通信可靠性。其次,根据节点能量消耗率,提出优化网络能量消耗率来实现系统运行时间的延长。接着,本文提出基于多目标优化的中继节点部署方案,以此实现网络可靠性和持续性这两个目标的均衡优化。最后,通过改进多目标优化算法来得到最优中继节点的部署位置。通过仿真对比,验证了该部署方案可以有效延长网络生命周期和提高通信可靠性。

关键词： 高速磁浮   直线同步电机   电磁场   场路耦合   运行性能  

摘要： 高速磁悬浮系统因其速度上限高、加减速性能优良及爬坡能力强等突出优点,在轨道交通方式中的地位日益上升。磁悬浮与地面轨道无接触,由多个直线电机组成其驱动与悬浮系统,目前较为成熟的高速磁悬浮技术主要有德国的TR系列常导电磁式磁悬浮与日本的ML系列超导电动式磁悬浮。常导直线同步电机定、动子侧均采用铁心结构,可产生较大的励磁磁场从而保证较大的电磁力输出,但存在铁心饱和现象。本文以常导直线同步电机作为设计基础,采用高温超导绕组替代铝线绕组并去除动子侧铁心结构,由超导线圈中的大电流提供强磁场驱动高温超导直线同步电机的运行。全文的研究内容如下:建立了常导直线同步电机的有限元模型,并与试验样车运行数据进行对比,验证了仿真模型的准确性。介绍了高温超导带材的材料特性并进行了跑道型高温超导线圈电磁场的解析计算。在常导直线电机基础上将励磁线圈改为高温超导线圈,建立了高温超导直线同步电机模型,进行了常导、超导直线同步电机在电磁性能上的对比分析。研究了定子侧有、无铁心对电磁场及牵引力、悬浮力的影响,结果表明:在相同励磁条件下,铁心结构能够明显提高气隙磁密及电磁性能。其次,分别研究了定动子横向耦合长度以及气隙长度对超导直线电机性能的影响。最后计算并分析了动子侧磁极数量与极距对输出性能的影响。分析了高温超导直线电机运行参数对输出特性的影响,对不同电枢电流、励磁电流、功角以及运行速度下的电磁力和电参数进行了研究,在此基础之上,对常导直线电机与超导直线电机随运行参数变化具有明显差异之处进行了对比分析。建立了基于逆变器的场路耦合模型,针对牵引力、悬浮力波动较大的问题,引入滤波电路对超导直线同步电机进行电磁力波动的改善。

关键词： 翻转课堂   教学模式   电磁场理论与微波技术  

摘要： 信息化正在改变着人们的学习方式和认知方式，也在推动大家探寻新的教学模式，以翻转课堂和慕课等为代表的新型教学模式也就应运而生了。在邵阳学院通信工程专业电磁场理论与微波技术课程教学中某班级的部分课中采用了翻转课堂的形式，为了对比，在另一个班级相应内容的教学中采用传统的教学方式。在翻转课堂中，首先采用“Think-PairShare”方式来设计翻转教学，通过课前主动学习、课中的小组结对合作、小组间的交流及每节课结束前的测试来检验学习效果，组成一个较完整的翻转课堂。教学数据对比表明：翻转课堂在电磁场理论与微波技术教学中，在某些知识点的教学上是明显有效的。整体上翻转课堂教学效果依赖于学生的基础和知识点的设置。以翻转课堂教学在数学理论性要求高的电磁场理论与微波技术课程教学中的探索为经验，为该类课程的教学改革提供一个较有益的参考。

关键词： 场线耦合   平面波   传输线方程   BLT方程   网络张量分析方法  

摘要： 随着科技的不断发展与进步,越来越多的电子设备出现在人们生活中,由于各种电子设备在工作时会向外辐射能量,导致空间的电磁环境变的愈发复杂。为了避免外部的电磁波影响到自身系统的稳定性,在电子设备量产之前需要进行电磁干扰测试,测试本身会花费大量的金钱,一旦测试不通过,也会影响产品的上市时间,因此在测试之前要通过商业仿真软件对该电子设备的抗扰能力进行验证。然而随着电子设备的复杂度逐渐提升,通过商业软件进行仿真也会浪费大量时间。传输线结构广泛存在于各电子系统中,平面波是复杂电磁波的基本组成成分,本文主要从“路”的角度对平面波激励PCB板上的传输线结构的快速计算进行研究。工作内容归纳如下:(1)采用BLT方程并结合Agrawal模型对平面波激励双层PCB板的终端电压进行分析和计算,在分析过程中详细推导了 Agrawal模型所需电场分量。在得到终端电压的解析表达式后对其进行适当化简,分析终端电压与频率之间的关系。在Matlab中编程并与CSTMWS仿真得到的结果进行对比验证计算公式的准确性,与CST MWS全波仿真相比,该方法速度提升近10倍,然而该方法无法分析平面波激励多层PCB板结构。(2)采用网络张量方法对PCB互连的电压、Z/S参数和电磁敏感度进行分析,在Matlab中编程并与ADS仿真结果进行对比验证计算的准确性,与ADS仿真相比,该方法速度提升近6倍。基于传输线上电压波和电流波的反射原理可得到传输线的KB模型,以该模型为基础提出一种新的差分线模型,即差分线的KB模型,通过与ADS仿真对比验证了该模型的准确度,并推广得到多传输线的KB模型,采用该模型可快速分析多传输线之间的耦合问题。(3)提出一种快速分析和计算外部电磁场激励PCB上传输线的方法:将网络张量方法与Taylor模型相结合,该方法适用于快速分析外场激励复杂的PCB互连结构,采用该方法分析并计算了平面波激励不同的PCB互连结构,包括双层PCB板、四层PCB板以及差分线结构,在分析过程中推导了 Taylor模型所需电场分量和磁场分量,得到终端电压的解析表达式后在Matlab中编程并与CST MWS仿真结果进行对比验证计算公式的准确性,与CSTMWS全波仿真相比,该方法速度提升近100倍。本文还利用该方法分析了平面波对正常工作的差分线终端电压产生的影响。在实际工程中,该方法可用于前期的快速预测。

关键词： 电工装备   有限元计算   卷积神经网络   改进U-net模型  

摘要： 现代电工装备的电磁综合性能分析与优化成为一个亟待解决的计算难度大、多时空尺度、强耦合和非线性问题,使得现代电工装备及其系统的高效仿真分析和服役安全性面临重大科学挑战。目前,电工装备的磁场分析主要通过有限元计算进行仿真,对于一个结构稍微复杂的电机或变压器模型来说,有限元仿真时间可能需要数十个小时,甚至是上百个小时,严重时导致计算机系统崩溃。有时为了提高计算结果的精度,需对模型的空间进行网格精细划分,占用的计算机内存将成几何级数增长,若在几何结构尺寸或材料特性上稍有变化,必须重新进行数值求解。因此,找到一个既准确建立起结构和性能之间映射关系,又不需要庞大计算成本的性能分析方法成为了一个重要的研究课题。本文通过有限元仿真软件获得样本数据去训练深度卷积神经网络,利用深度学习直接学习到数据中的有效特征,无需人为干预的优势,实现电工装备磁场的精准预测。本文的研究内容包括以下几个方面:首先,介绍了卷积神经网络的基本结构,包括卷积层、池化层、激活函数和全连接层。研究了图像特征提取中的多尺度特征提取和特征融合方法,进一步介绍了基于编码-解码结构的卷积神经网络、全卷积神经网络和生成对抗网络的工作原理。其次,通过有限元分析软件分别建立变压器和电机的物理模型,通过改变其几何结构参数、材料和激励条件得到相应的磁场分布云图作为深度神经网络的样本数据集。训练了三种不同网络模型,分别是基于编码-解码结构的CNN、FCN和GAN,三种模型由于网络深度较浅,对图像深层特征信息提取不够全面,未能准确提取到磁场云图数据集之间的映射关系,预测效果相对较差。最后,针对上述三种模型对预测精度的不足,做出进一步改进,提出了改进U-net模型预测磁场云图方法。将基于编码-解码结构的CNN、FCN、GAN、U-net和改进U-net模型分别对变压器和电机数据集进行训练,对比分析几种网络的磁场云图预测精度,改进U-net模型能够很好地学习到磁场云图数据集之间的映射关系,生成高分辨率的图像,并将其与有限元计算结果进行对比,在预测精度和时间效率上均优于有限元计算,在一定程度上可以替代有限元仿真计算的图像映射过程,为现代电工装备的设计与优化提供了极大的实际参考意义。

关键词： 电动汽车   梯度光滑技术   光滑有限元法   电磁辐射   节点积分方法  

摘要： 电动汽车车内电子设备众多,电磁环境复杂。干扰电磁场不仅会使设备之间相互干涉影响行车安全,还会对司乘人员健康构成威胁,精确高效地预测干扰电磁场分布是电动汽车电磁屏蔽设计的关键。目前的研究方法分为实验测量法与数值仿真法两类,为寻求成本与精度的平衡,专家学者更倾向于数值仿真来模拟电磁场。然而,传统有限元法(FEM)在使用低阶单元预测电动汽车电磁场时存在求解精度低、计算效率差等缺陷,传统节点积分算法(NS-FEM)因时域不稳定性不能直接用于电磁场仿真。因此,为更好地解决上述问题,本文从梯度光滑技术和弱弱形式出发,以3节点三角形与4节点四面体单元为背景网格,针对电动汽车上的电子器件微带线、驱动电机、电缆线等具体电磁场问题,开发了一系列电磁数值仿真方法,并对方法精度、高效性进行了检验。主要研究成果如下:(1)针对FEM研究微带线静电场时存在的计算精度差、效率低等缺陷,构造了微带线静电场模拟的光滑有限元模型(S-FEM)。基于3节点三角形背景网格的边、节点构建光滑域,依托梯度光滑技术(GST)对光滑域内电势梯度进行光滑处理,最后根据广义光滑Galerkin弱形式得到静电场系统离散方程。为解决传统节点积分算法计算微带线静电场的时域不稳定性问题,基于近似积分与泰勒展开,构造了微带线静电场模拟的稳定节点积分算法(SNS-FEM)。应用构造方法对不同类型微带线横截面静电场进行了预测,结果表明:相比传统FEM,S-FEM具有更高的效率、精度与收敛性,验证了该方法在解决电动汽车电磁场问题时的正确性与可靠性。(2)为提高FEM分析电动汽车驱动电机电磁场时的精度与效率,从电机静磁场双旋度方程出发,给出了电机电磁场仿真的光滑有限元解决方案。以4节点四面体单元的点、线、面构造光滑域,在重构光滑域内对磁感应强度进行光滑处理,最后基于广义光滑Galerkin弱形式建立双旋度方程系统离散形式。此外,由体积等效原则并借助于泰勒展开定理构造积分增强项,提出了驱动电机电磁场模拟的稳定节点积分算法。基于所提方法,分析了驱动电机在车内的电磁场及人体感应场分布,研究了永磁同步电机不同时刻的定子磁通密度分布,结果显示:S-FEM能够有效提升电机电磁场数值仿真的精度与效率,为汽车电机电磁场研究提供有力的技术支撑。(3)针对电动汽车动力电缆线电磁辐射问题,构造了电缆线对人体辐射问题仿真的稳定节点积分数值模型。基于4节点四面体网格节点构造点光滑域,依托梯度光滑技术对磁感应强度与电势梯度进行光滑处理,借助泰勒中值定理补充稳定项,最终获得低频电磁场系统离散方程。基于所构造的方法分析了电缆线低频电磁辐射环境下真实人体感应电流密度的分布,采用双旋度方程的SNS-FEM方案研究了稳态直流静磁辐射环境下的真实人体磁感应强度分布。数值算例表明:SNS-FEM在电动汽车电缆线电磁辐射仿真中,表现优异。相比FEM,能够提供更加精确、高效的人体感应场仿真结果,对复杂模型适应性良好,在复杂工程问题分析中具有实际应用价值。

关键词： 电磁波-高等学校-教材-电磁场-高等学校-教材  

ISBN: (纸本)9787030718693

摘要： 本书逻辑严密，推理清晰；作者为西安电子科技大学资深教授，该专业为国家一流本科专业。

关键词： 高能核物理实验   相对论重离子对撞   极强电磁场   双轻子   真空双折射  

摘要： 格点量子色动力学(Lattice Quantum ChromoDynamics,Lattice QCD)预言夸克和胶子在极高的温度或重子密度下能从强子中解禁闭,形成一种被称为夸克胶子等离子体(quark-gluon plasma,QGP)的新物质状态。QGP被认为存在于宇宙大爆炸之后不久的早期宇宙中,在实验室中可以通过相对论重离子对撞来达到生成QGP的极端条件。对QGP性质的研究是高能核物理领域的前沿方向。位于布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机(The Relativistic Heavy Ion Collider,RHIC)就是专门用来寻找并研究QGP性质的实验装置。在相对论重离子对撞过程中,被加速到接近光速的原子核会激发出极强电磁场,产生的磁感应强度可以达到1014特斯拉的量级。这是目前宇宙中已知的最强的电磁场。该电磁场可以在QED(Quantum ElectroDynamics)和QCD中引起各种有趣的现象,例如手征磁效应(Chiral Magnetic Effect,CME)、各向异性粲夸克偶素的产生以及末态强子的极化现象等。这些现象对理解QGP的特性具有重要意义。极强电磁场下QGP的新奇现象已经成为相对论重离子碰撞领域的研究热点,吸引了许多实验和理论的关注。然而,实验上对初始极强电磁场本身的性质研究还很匮乏。对这一随着时间极速衰减的初始电磁场能否存续到QGP阶段,实验上还没有找到证据,也缺少相应的实验手段。双轻子可以通过接近光速运动的重离子生成的强电磁场的碰撞产生。由于不参与强相互作用,它被认为是研究极强电磁场的理想探针。高速运动的重离子可以产生与运动方向垂直的横向电磁场。由于它的电场和磁场也相互垂直,并且具有几乎相同的幅度,这种性质非常类似于光子的电磁场,该横向电磁场可以量子化为一束准实光子,即等效光子近似(Equivalent Photon Approximation,EPA)。当两个接近光速运动的原子核相互碰撞时,两个原子核发出的准实光子可以相互作用产生双轻子对,称为Breit-Wheeler过程。由于光子基本沿着束流方向,这个过程产生的双轻子对的横动量(pT)很小。这是它们与其他来源产生的双轻子的主要区别,使得相干光子-光子作用过程产生的双轻子能够在实验中被分辨出来,用以研究电磁场性质。此外,处于极强电磁场中的真空由于极化会表现出双折射的光学特性,从而引起双轻子的方位角调制。因此,相干光子-光子过程生成的双轻子还可以用于寻找真空双折射现象,研究极强电磁场下的QED特性。本论文通过分析RHIC上的螺旋径迹探测器(the Solenoidal Tracker At RHIC,STAR)在2011年和2014年采集的200 GeV金核-金核对撞产生的数据,测量了偏心碰撞中相干光子-光子作用过程产生的双缪子。这是实验上首次测量相对论重离子偏心对撞中相干光子-光子相互作用过程产生的低不变质量区间的双缪子谱。测量的双缪子不变质量谱(0.440.1 GeV/c时与强子衰变贡献的产额相当。将总的双缪子对产额减去强子衰变贡献的产额,可以得到增强的产额。理论模型EPA-QED计算可以很好的描述增强产额及其pT依赖。实验结果与理论模型的一致表明这一增强的产额确实来自于极强电磁场诱导的相干光子-光子相互作用过程。本论文还测量了 60-80%中心度下双轻子的pT2谱,并计算了双轻子谱的横动量展宽((?))。双轻子谱的横动量展宽具有碰撞参数依赖性。如果QGP通过电磁感应等效应束缚了部分原初极强电磁场,光致产生的双轻子在穿过QGP时可能会与其相互作用而获得额外的横动量展宽。本论文的实验结果可以被考虑了碰撞参数依赖性的理论模型EPA-QED很好描述,并没有发现额外的展宽。未来还需要提高实验精度来寻找QGP中强电磁场存在的证据。此外,本论文还首次测量了相干光子-光子相互作用过程产生的双缪子的Δφ的角度调制,这个分布和真空双折射效应有关。实验测得的cos(4Δφ)的调制幅度具有3.5σ的信号显著度。我们同时观测到了显著度为2.3σ的cos(2Δφ)的调制。这两种调制幅度都与理论模型EPA-QED的预言相符。这为真空双折射现象的存在提供了很强的证据。上述实验结果及其与理论模型的比较可以帮助人们理解相对论重离子对撞产生的原初极强电磁场的强度与空间分布等特征,为极强电磁场下的QCD新奇现象研究提供了重要的参考,也为极强电磁场下QED的性质研究提供了重要的实验数据。