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关键词： 微波辐射   电磁场   2.65/0.8GHz微波辐射   焦虑情绪   认知功能  

摘要： 微波技术的飞速发展极大地便利了人们的日常生活,随着5G时代的到来,环境中电磁场日益复杂多变,800-1800 MHz、2.52-2.68 GHz、4.80-4.90 GHz等多种频段纵横交错,长时间微波辐射是否危害身心健康也成为电磁生物学领域关注的科学问题(刘虎,宁宇,&侯旭剑,2017;王俊璇,朱文赫,&吕士杰,2020)。脑是微波辐射敏感的靶器官(彭瑞云,2011),微波对神经系统的影响众说纷纭,其背后的神经机制尚不明确,亟需建立严格的动物模型、细化的评价指标,以全面评估微波辐射对神经系统的影响,探究可能的神经机制。因此本研究对以上问题进行探究:实验1至实验3利用电磁混响室分别建立了2.65 GHz、0.8 GHz单一频率以及2.65/0.8 GHz双频率交替的长期微波辐射模型并探究长期微波辐射的行为效应,实验4与实验5针对长期微波辐射后小鼠产生焦虑样行为的神经分子机制进行探究。实验1随机将20只C57/6J小鼠均分为辐射组与假辐射组,利用电磁混响室建立2.65GHz单一频率长期微波辐射动物模型,辐射时间4 h/d,为期5周。采用旷场、高架十字迷宫、悬尾实验评估小鼠焦虑及抑郁样行为;采用Y迷宫、Morris水迷宫及条件恐惧实验评估工作记忆、学习记忆等认知功能的变化。结果显示,2.65 GHz长期微波辐射小鼠与假辐射组相比具有产生焦虑样行为的倾向性,但未出现明显的统计学差异,认知功能未显示明显损伤。实验2随机将20只C57/6J小鼠均分为辐射组与假辐射组,通过电磁混响室建立0.8GHz单一频率长期微波辐射动物模型并进行与实验1相同的行为学检测。结果显示,0.8GHz长期微波辐射对小鼠情绪行为及认知功能未产生明显影响。实验3随机将20只C57/6J小鼠均分为辐射组与假辐射组,以电磁混响室建立2.65/0.8 GHz双频率交替长期微波辐射动物模型并进行与实验1相同的行为学检测。结果显示,2.65/0.8 GHz长期微波辐射小鼠出现明显的焦虑样行为,表现为在旷场实验中,中央区运动距离及时间的显著减少,高架十字迷宫实验中,开放臂进入次数、进入时间及距离显著降低;而在认知功能相关的行为学检测中,两组小鼠未见显著差异。实验4利用2.65/0.8 GHz双频率交替长期微波辐射动物模型探究长期微波辐射对情绪及认知功能影响的神经分子机制,采用ELISA试剂盒检测小鼠血清及脑组织中应激相关的CRF、NE、CORT激素含量;通过免疫荧光染色检测海马DG区神经发生情况;利用Western Blot技术检测内源性大麻素系统CB1受体及水解酶FAAH、MGL蛋白表达情况。结果显示,辐射组小鼠与假辐射组小鼠相比,血清中应激激素CRF含量显著升高,NE含量具有升高趋势,呈边缘显著,CORT含量没有显著差异;脑组织中,皮层CRF含量具有升高趋势,NE激素含量未有显著差异。检测海马DG区神经发生数目,结果未见显著差异。大脑皮层中CB1受体表达量显著降低,提示微波辐射致内源性大麻素系统异常。实验5随机将30只C57/6J小鼠均分为假辐射溶剂处理组、辐射溶剂处理组及辐射WIN55处理组,进行3周的2.65/0.8 GHz微波辐射,并在最后一周给予连续一周CB1受体激动剂WIN55处理后进行旷场、高架十字迷宫以及Y迷宫检测,以探究WIN55对微波辐射神经行为效应的影响。结果显示,给予WIN55处理后的辐射组小鼠的焦虑样行为得到明显改善,具体表现为旷场中央区运动距离与时间显著增高,高架十字迷宫开放臂的停留时间及运动距离明显增多,进入次数具有增高趋势,而认知相关的Y迷宫成绩没有显著差异。综上,本研究采用电磁混响室建立了不同频率条件的微波辐射动物模型,发现与单一频率2.65 GHz和0.8 GHz相比,双频2.65/0.8 GHz电磁场交替曝露,可使动物产生焦虑样行为,并提示频率变化的微波辐射更易诱发负性情绪。同时,长期微波辐射可引发小鼠应激反应,脑中大麻素信号通路下调,而给予WIN55可显著改善辐射组小鼠的焦虑样行为,提示内源性大麻素通路参与了微波辐射诱导的焦虑样行为。

关键词： 非线性薛定谔方程   电磁场   集中束缚态   有限维约化  

摘要： 本文主要研究一类带磁场的非线性薛定谔方程其中i是虚数单位,h是普朗克常数,A(x)=(A1(x),…,AN(x))表示向量函数,Aj(x)j=1,2,…,N是一个实函数,V(x)是一个有界正实值函数,当N ≥ 3时 11),当h足够小时,方程总存在一族解,它们在V的一个非退化的极大值点处会形成K个尖峰.同时我们也证明了在V的非退化的极小值点处方程不存在这样的解.

关键词： 电磁侧封   电磁场   铝合金铸轧   电压调节侧封力   扫频锁相  

摘要： 随着我国在钢铁等金属领域的高质量发展,传统金属冶炼和铸造方式已无法满足科研需求。双辊薄带金属铸轧技术可提高金属薄带行业生产效率,降低其生产成本。由于侧封系统是制约这项技术发展的关键因素,本文根据重庆某企业需求对双辊薄带金属铸轧电磁侧封原理样机进行研究。主要研究内容如下:首先,本文根据不同侧封方式对应的优缺点,选择固体挡板侧封+电磁侧封的组合式侧封技术,研究了一套双辊铝合金薄带铸轧电磁侧封原理样机。结合电磁流体力学理论知识、MAXWELL基本方程等电磁学方程推导出电磁力、磁感应强度和磁动势表达式。ANSYS有限元分析软件对电磁侧封装置进行三维建模,分析了电磁侧封各参数分别对磁场和侧封力的影响情况,并根据磁场和电场方向利用洛伦兹力定则验证了装置设计的可行性。其次,设计了电磁侧封激励电源为侧封装置供电,使磁场发生器产生交变磁场,MATLAB建模验证了激励电源电路设计的可靠性,根据实际课题需要计算器件参数并进行了硬件设计。为确保最大输出侧封力,实现输出功率最大化,设计了DSP数字锁相方法,完成频率自适应跟踪。设计了BUCK电路调节输出电压实现侧封力的控制。此外,设计完成电磁侧封装置的检测和控制电路。设计了DSP主控板电路原理图,包括电源电路、信号调理电路、ADC检测电路、ECAP信号捕捉电路、EPWM控制信号输出电路等。最后,完成电磁侧封实验。完成硬件电路检测和电磁侧封等效实验,验证电磁侧封装置侧封力的输出,以及不同距离对磁场和电磁力的影响;完成频率的自适应跟踪实验;完成侧封力控制实验,验证了逆变端BUCK电路输出电压调节,实现了侧封力的恒值控制。

关键词： 脉冲电磁场   褪黑素   骨质疏松症   miRNA  

摘要： 目的: 脉冲电磁场(PEMF,Pulse electromagnetic field)和褪黑素(MEL,Melatonin)均被报道在绝经后骨质疏松症(PMOP,Postmenopausal osteoporosis)治疗中具有良好的应用前景,PEMF可促进成骨分化,MEL可发挥抗成骨细胞凋亡等的作用。两者在骨形成过程中存在生物学效应互补性,故联合治疗可能成为更有效的治疗方案。本研究旨在比较PEMF、MEL和PEMF+MEL联合治疗对去势小鼠骨质疏松模型的疗效,并探究其影响骨形成的潜在分子机制。 材料和方法: 首先,利用体外实验对MEL、PEMF和PEMF+MEL的疗效进行研究。将小鼠颅顶前骨细胞系MC3T3-E1细胞分为5组:凋亡诱导(阴性对照)组、MEL组、PEMF组、PEMF+MEL组和正常细胞(阳性对照)组,前4组利用星孢菌素进行凋亡诱导,所有组均利用标准方案进行成骨诱导。PEMF组和PEMF+MEL 组予以 PEMF(75 Hz,1.6mT,1h/d)处理,MEL 组和PEMF+MEL组使用含有200μM MEL的培养基进行培养。利用Western Blot和qRT-PCR分别在蛋白和mRNA水平检测各组MC3T3-E1细胞中OPN、RUNX2、OSX(osteorix)等成骨标志物表达;利用茜素红染色和ALP染色分别检测各组细胞钙沉积能力和成骨活性;利用Western Blot检测各组细胞PARP(poly-ADP-ribose polymerase)和 BAX(Bcl-2 Associated X protein)等凋亡标志物表达;利用流式细胞术和细胞荧光染色检测各组细胞凋亡情况。 在体内与体外实验证实PEMF促进成骨分化、MEL抑制凋亡发生后,为探究PEMF促进受损的MC3T3-E1细胞成骨分化的潜在机制,我们将凋亡诱导组和PEMF组的细胞进行microRNA(miRNA)高通量测序分析,筛选出可能作用的miRNAs。基于此,利用每种miRNA相应的mimics或inhibitor在PEMF干预下进行反向验证,找到发挥确切作用的miRNA;将目标miRNA的mimics和inhibitor再次转染入细胞,利用Western Blot、qRT-PCR和ALP染色对细胞的成骨特性再次进行验证。为研究MEL抑制细胞凋亡的机制,对凋亡诱导组和MEL组的miRNAs进行检测,筛选出差异显著的miRNAs。在此基础上,利用每种miRNA相应的mimics或inhibitor在MEL干预下进行反向验证,明确发挥确切作用的miRNA;以目标miRNA的mimics和inhibitor再次转染细胞,使用Western Blot、细胞荧光染色和流式细胞术验证细胞的凋亡损伤程度。 为寻找PEMF和MEL目标miRNA的靶标因子,利用3种计算机算法(Pictar、TargetScan和Miranda)分别进行靶标预测,后以双荧光素酶报告实验进行佐证。基于此,利用这些靶标因子的siRNA或过表达质粒进行回补实验,再次验证其与成骨分化的关系。 接着,我们在小鼠体内探究PEMF、MEL和PEMF+MEL对骨质疏松的治疗效果,我们将50只12周龄雌性C57/BL小鼠随机等分为去势(OVX,Ovariectomy)组(阴性对照组)、PEMF组、MEL组、PEMF+MEL组和假手术(SHAM)组(阳性对照组)。前4组小鼠均行卵巢切除去势手术,后每周测量其体重变化,术后6周开始干预。PEMF组和PEMF+MEL组予以PEMF(75 Hz,1.6mT,1h/d),MEL 组和 PEMF+MEL 组予以 MEL 腹腔注射(50 mg/kg/d),OVX组和SHAM组不予特殊处理。持续干预12周后截取所有组小鼠双侧股骨,将其左侧股骨干垢端进行微型计算机断层扫描(micro-CT),后分析其目标区域中骨体积分数(BV/TV)、骨表面积/骨体积(BS/BV)、骨小梁厚度(***)、骨小梁分离度(***)和骨小梁数量(TN)。对小鼠左侧股骨进行苏木精和伊红(H&E)染色、抗酒石酸酸性磷酸酶(TRAP)染色和I型胶原(COL1)与骨形成蛋白2(BMP2)的免疫组化染色。利用实时逆转录聚合酶链反应(qRT-PCR)评估右侧股骨干垢端组织中COL1a、Runt相关转录因子 2(RUNX2,runt-related transcription factor 2)、骨桥蛋白(OPN,osteopontin)、BMP2 和碱性磷酸酶(ALP,Alkaline Phosphatase)的表达情况。 结果: 在探究MEL、PEMF和PEMF+MEL的疗效的体外实验中,正常细胞成骨相关蛋白OPN、RUNX2和OSX的表达较凋亡诱导组分别高出2.56倍、0

关键词： 贯流式水轮发电机   电磁场模型   温度场模型   有限元计算方法   阻尼绕组损耗发热  

摘要： 由于具备效率高、载流量大、尺寸小、投资省等优势,贯流式水轮发电机在我国已有广泛的应用。然而,近年来随着其单机容量的不断增大,在额定对称运行的工况下,国内外多个水电站的贯流式水轮发电机多次发生磁极过热烧蚀、阻尼条过热熔断的故障,严重影响了其自身与电力系统的安全稳定运行。并且由于其在自身结构上具有空间狭长、转速较低的特点,此类发电机运行时电磁场分布与变化规律相对复杂,阻尼绕组损耗温升对电磁场的变化有可能相对敏感,因此给阻尼绕组电磁场与温度场的建模分析带来了巨大挑战。选择合适的电磁场与温度场模型进行求解分析对于提升阻尼绕组电磁场-温度场综合计算精度、提高计算效率、节省计算资源上具有重大意义。但是截至目前,对于水轮发电机阻尼绕组损耗发热分析方面的相关研究尚较少有相关公开报道。特别是研究电磁场与温度场模型对于其计算分析结果影响的工作,尚待进一步开展。基于此,本文开展了以下工作:第一,根据电磁场与电路理论,构建了二维瞬态电磁场纯场模型、忽略定子齿槽二维瞬态电磁场-电路耦合模型、二维瞬态电磁场-电路耦合模型、二维时谐电磁场模型等四种七类电磁场研究模型,用于求解与分析阻尼绕组的损耗情况。同时,在传热学的基础上,充分考虑到发电机的通风散热结构以及各部件材料的导热传热特征,确定了导热系数、散热系数,进而建立了水轮发电机阻尼绕组损耗发热的三维与二维温度场分析模型,为实施阻尼绕组损耗发热的电磁场-温度场综合求解奠定了理论模型基础。第二,分别针对水轮发电机空载工况与额定对称负载工况,从计算效率、资源占用率、阻尼条损耗、定转子磁通密度分布、磁力线分布、气隙磁密等方面着手,研究了四种七类不同的电磁场模型对阻尼系统电磁分析的影响规律。第三,基于上述电磁场求解计算结果,实施了空载工况及额定对称负载工况下的二维及三维温度场计算分析与对比,深入分析了上述电磁场与温度场模型对于阻尼绕组损耗发热综合分析的适用性与合理性,并将温度计算结果与现场实测温度数据进行对比,部分验证了各模型计算结果的准确性与合理性。本文的研究工作,对于准确高效实施贯流式水轮发电机组阻尼绕组损耗发热分析设计,提供了直接的、有价值的理论方法支持与数据参考。

关键词： 高功率脉冲磁控溅射   管   双极性   Cr沉积   等离子体放电  

摘要： 随着国家生产制造升级和“十四五”智能制造规划的到来,国家对高精尖制造技术的需求提高,对薄膜材料的性能和制备技术要求不断提高。然而薄膜材料制备技术的研究多集中在平面件的表面制备或工件的外表面制备,而针对管筒内表面或复杂构件内腔的薄膜制备技术研究相对较少。随着产业的升级和特殊应用场景的出现,管腔或复杂构件内表面高质量薄膜制备或表面改性的需求在逐渐提高,如何有效提高管腔或复杂构件内腔深处的等离子体密度,是改善管腔或复杂构件内表面薄膜制备质量或表面改性效果的重要技术指标。在磁控溅射技术领域,高功率脉冲磁控溅射(High power impulse magnetron sputtering,HiPIMS)技术以其高金属离化率和高等离子体密度的优势被广泛关注。其中双极性高功率脉冲磁控溅射(Bipolar high power impulse magnetron sputtering,BP-HiPIMS)模式自2018年被提出以来,成为近些年来HiPIMS技术领域研究的热点,其技术是在传统HiPIMS基础上施加正向脉冲推动靶前离子加速,但存在正向脉冲对离子推动作用不足的问题。 针对管筒件内表面薄膜制备技术中存在的管腔内部深处等离子体密度低的问题,本文提出一种电磁场增强两段式双极性HiPIMS管内等离子体放电方法。两段式双极性 HiPIMS(Dual-pulse bipolar high power impulse magnetron sputtering,DBP-HiPIMS),主要解决传统BP-HiPIMS正向脉冲对离子的推动作用不足的问题。运用管外磁控靶进行DBP-HiPIMS放电,在管尾附近施加辅助阳极“牵引”和在靶后施加励磁线圈“推动”等离子体进入管内更深处,增强管内等离子体放电,有效提高管内深处的等离子体密度。并针对该方法进行管内等离子体放电特性、离子在管内的传输机制以及管内壁Cr薄膜沉积特性的研究。 对比了传统BP-HiPIMS和DBP-HiPIMS模式下管内各位置的基体偏流以及放电光谱特性,发现施加100 V正向脉冲电压条件下的DBP-HiPIMS相比BP-HiPIMS,在管内各位置处均具有更高的基体偏流积分值以及更高的Ar离子和Cr离子光谱强度,反映出DBP-HiPIMS能够使更多离子进入管内深处位置。 研究了 DBP-HiPIMS中正向脉冲参数变化对管内各位置处负向脉冲结束期间基体偏流积分值的影响规律。发现在管内各位置处,随着正向脉冲电压的增加,其负向脉冲结束期间的基体偏流积分值均呈增长趋势,且随着管内位置深度的增加,这种增长趋势更加明显。体现出正向脉冲推动更多离子到达管内深处的作用。 研究了管尾附近施加辅助阳极和靶后施加励磁线圈对管内等离子体放电特性的影响。发现直径80 mm的辅助阳极,距管尾35 mm条件下,辅助阳极电压大于15-25 V的阈值时,由于辅助阳极电场增强电子与中性气体粒子碰撞引起的离化增强作用,使管内深处等离子体密度明显增加。将管内各位置,由管口至管尾,按管内位置深度增加等距分为4个位置,分别定义为位置1、位置2、位置3和位置4。在靠近管尾的位置3处,基体偏流积分值可由辅助阳极电压0 V时的7.2×10-6 C增长至辅助阳极电压35 V时的65.7×10-6 C。在辅助阳极电压为35 V时,位置2、位置3和位置4处基体偏流积分值相对管口的位置1处占比可达66.7%、76.0%和62.1%。在施加辅助阳极电压提高管内各位置处离子数量的基础上,通过电磁场协同增强作用,靶后励磁线圈电流的增加能够进一步提高管内各位置处的离子数量,使管内各位置处的基体偏流积分值上升。 对比位置2处管内壁沉积的Cr薄膜结构和性能发现,随着DBP-HiPIMS正向脉冲电压增加,离子获得更高的能量,其薄膜表面粗糙度降低,晶格常数增加,晶粒尺寸减小,并在正向脉冲电压为80 V时具有最低的腐蚀电流密度。且正向脉冲电压同为100 V时,相比BP-HiPIMS,DBP-HiPIMS制备的薄膜表面粗糙度更低,晶格常数更大,晶粒尺寸更小,硬度更高以及耐腐蚀性能更好。在管尾施加的辅助阳极电压提高以及靶后施加的励磁线圈电流提高使膜层受到的离子轰击强度增加,并带来热量输入增加,进而影响所沉积Cr薄膜的结构和性能。 对比传统BP-HiPIMS模式、DBP-HiPIMS模式、DBP-HiPIMS+辅助阳极模式以及DBP-HiPIMS+辅助阳极+励磁线圈模式下管内壁沉积Cr薄膜的耐腐蚀性能发现,由于DBP-HiPIMS+辅助阳极+励磁线圈模式中,管内深处高的等离子体密度,产生离子轰击增强,使膜层致密化,导致该模式在管内深处沉积的Cr薄膜具有最低的腐蚀电流密度,显示为最好的耐腐蚀性能。

关键词： 海洋噪声   感应磁场   海洋磁测   Matlab GUI  

摘要： 随着对海洋资源的开发和海运与军事活动的日渐频繁,海洋科学逐渐成为人们所重视的一门学科。海水中存在各种物理运动,如海浪、海流、内波和潮汐等,这些物理运动相当于在地球磁场中运动的导体,都能产生相应的电磁场。研究海水的各种运动,并分析这些物理运动产生的感应电磁场,是海洋电磁学不可忽视的一个重要研究领域。 本文主要研究了海水运动中的典型运动——海浪运动对海洋磁场测量的影响,利用流体动力学方程,把海水视为无旋且不可压缩的理想流体,研究其波动规则。首先通过线性波动理论,分析了常速度、小振幅简单波动的运动规律,计算出在无限深和有限深海水中的势函数。随后分析了Weaver建立的海浪感应电磁场的数学理论,结合经典的数学理论推导,得到了海浪感应电磁场的数值解。接着在Weaver模型上加以改进,建立了有限深水域海浪感应电磁场的数学物理模型,从二维小振幅波的势函数出发,对有限深水域海浪产生的感应磁场进行求解,进而分析了感应磁场随波高、海洋深度、频率等参数的变化规律,得出了海浪感应电磁场与海浪各类参数紧密相关的结论。这对于海底大地电磁探测的数据处理,具有重要意义。 最后借助于非常实用的现代编程语言Matlab对图形化用户界面(Graphical User Interface,简称GUI)进行设计,在编写代码的基础上利用该软件的控件进行地磁场的计算,从而更简单地进行经纬度、高度等参数的调节。同时,我们在计算中将地磁场数据应用于海水运动感应电磁场的计算,并将平台界面封装打包成独立运行的exe程序,能够脱离Matlab环境独立运行,简化了对感应电磁场的研究复杂度。

关键词： 交流电磁场测量   阵列式ACFM探头   钢轨裂纹   簇状裂纹  

摘要： 服役钢轨长期与车轮滚动接触,表面易产生疲劳裂纹,疲劳裂纹的萌生与扩展不仅增加了铁路运营成本,严重时将会直接危害行车安全。研究钢轨裂纹的检测问题,开展钢轨表面裂纹的检测与评估,有利于指导现场钢轨维护作业(如钢轨打磨等),从而消除裂纹或减缓裂纹的扩展过程,对保障铁路系统安全运行具有重要意义。交流电磁场测量(ACFM)技术具有检测速度快、非接触式测量、可定量检测等优点,在钢轨裂纹检测方面具有明显优势。因此,本文采用有限元仿真与试验验证相结合的方法对基于ACFM的钢轨裂纹检测问题展开了研究。针对钢轨裂纹的检测问题,建立了基于ACFM的钢轨裂纹检测仿真模型;根据仿真分析结果,设计搭建了基于ACFM的钢轨裂纹检测装置;考虑到实际检测过程中信号容易受到多种因素的影响,结合特征值分析了不同系统参数和裂纹尺寸对ACFM信号的影响规律;利用基于ACFM的钢轨裂纹检测装置对不同类型的复杂裂纹和钢轨裂纹进行了检测试验,验证了基于ACFM的钢轨裂纹检测方法的有效性。论文研究的主要结论如下:(1)基于交流电磁场测量技术原理,利用ANSYS Maxwell软件,建立了基于ACFM的钢轨裂纹检测有限元仿真模型,分析了钢轨裂纹周围的电磁场分布规律和ACFM信号的畸变规律,并针对阵列式探头的传感器间距对ACFM信号的影响进行了仿真研究,得出了传感器间距的合理设计范围。(2)基于仿真分析结果,设计搭建了基于ACFM的钢轨裂纹检测装置。在传统单探头的基础上设计了阵列式探头,根据应用电路的特点设计了信号调理电路,开发了基于Lab VIEW的上位机软件,实现了基于时基扫描图、蝶形图和等值线彩色图的可视化检测方法。(3)利用基于ACFM的钢轨裂纹检测装置,结合特征值—幅值变化量和灵敏度,研究了激励信号的频率和幅值、裂纹的深度和长度、探头的扫描方式、探头的起落波动等实际检测过程中多种因素对ACFM信号的影响,为钢轨裂纹检测装置参数的优化和裂纹的定量检测问题提供了参考。(4)利用阵列式探头对不同类型的裂纹(矩形裂纹、簇状裂纹、Y型裂纹和W型裂纹)进行了检测试验,结合等值线彩色图分析了不同类型裂纹引起的磁场信号变化规律。利用单探头和阵列式探头对钢轨裂纹进行了检测试验,验证了基于ACFM的钢轨裂纹检测方法的有效性。

关键词： 电磁场赋形   天线阵列   电磁优化   特征模分析  

摘要： 空间电磁场是指分布于空间中且忽略时间因子后的稳态或准稳态电磁场。传统的空间电磁场分布调控侧重于远场区的波束方向图赋形。然而随着电磁理论与技术的不断发展,以局域微波热疗、近场成像、近场无线输能等为代表的应用场景,不再侧重对角度域波束进行控制,而是希望在任意给定目标区域内对电磁场的空间分布进行精细化调控,从而更为准确地实现能量传递或信息获取。尽管目前已经有诸如近场聚焦、平面波综合等专门类型的电磁场赋形技术,但关于通用的空间电磁场赋形调控方法的研究还较少,尤其是在通用解析赋形方法、复杂环境条件下赋形以及矢量电磁场赋形等方面还存在不足。面对现有研究存在的以上问题,本文对空间电磁场赋形调控的基础理论与关键技术展开了研究,主要工作与贡献如下:一、对空间电磁场赋形调控的基础理论进行了推导与总结。从基本电磁原理出发,分别建立了目标场信息模型与矢量辐射源信息模型。在此基础上,建立起电磁场赋形问题的一般求解模型,为由场到源的求解提供了理论支撑。同时,针对不同类型目标场建立了量化评价指标,从而便于不同赋形方法之间的比较和分析。二、提出一种基于角谱投影机制的电磁场赋形通用解析方法。从空间场变换和采样策略两个方面对角谱投影的基本原理进行说明,并提出一种基于单元远场角谱投影的阵列设计及其激励计算方法。分别设计出半圆环阵列与伞形阵列,并在一维和二维空间中成功产生了多种不同类型的赋形场。针对单元远场方法存在的投影误差和阵列口径大等问题,进一步提出一种基于周期阵列近场角谱重构与投影的电磁场赋形方法。该方法在一定程度上克服了单元远场投影方法的缺点,并具有良好的赋形精度和更为普遍的适用性。对该方法中周期阵列的设计准则进行了详细分析,给出了阵列单元位置、阵元间距、阵元数量等关键参数的解析条件,从而指导赋形阵列的构造。基于该方法成功实现了多种一维与二维赋形场的产生,包括具有复杂图案的赋形场。三、提出了基于中介目标优化的电磁场赋形方法和基于降维优化思想的赋形方法,解决了复杂环境条件下电磁场的高效优化赋形问题。首先对于中介目标优化方法,其基本思想是通过在目标场函数空间构造一组标准正交中介场来作为中间优化目标,并以该优化重构场为基本场,通过加权叠加来实现目标赋形场的生成。分别在自由空间、非均匀介质环境及复杂散射环境条件下实现了多种不同目标场的赋形。在此基础上,进一步将中介目标思想扩展至特定目标的优化自变量域,如低副瓣平顶型目标场、均匀平面波场等。通过构造具有少量参变量的中介函数,实现了优化自变量搜索空间的降维处理。然后分别以平顶均匀场和远场平顶波束为例,构造了具有低副瓣和低纹波系数的平滑参考模板来作为中介目标函数,并分别在均匀阵列和非均匀阵列条件下,实现了低副瓣和低纹波系数的电磁场赋形。同时,将该方法与传统凸优化方法进行了对比。结果表明,所提出的降维优化算法在不同阵元数量条件下均有着更高的计算效率,且有着良好的计算时间稳定性。总体来看,所提出的两种优化方法本质上均是通过对目标域的改造来实现大计算量过程与迭代过程的解耦,进而通过预优化和预计算来降低迭代优化过程中的计算负担。四、提出了一种基于表面电流分布优化的矢量电磁场赋形方法,实现了电磁场的多矢量独立赋形调控。该方法通过直接求解辐射源的最优表面电流分布,并基于等效电流的场积分方程来实现空间任一位置的电磁矢量控制。利用电流基函数对任意辐射体表面电流分布进行离散化表达,推导了基于凸优化的直接电流优化方法。在此基础上,进一步提出一种基于广义特征模理论的模式电流优化方法,该方法能够将原直接优化问题转变为对特征模式电流系数的优化问题,从而避免了超大规模的优化计算。通过对如二维理想导体(Perfect Electric Conductor,PEC)板、三维球形PEC表面等连续结构体的表面电流进行广义特征模优化,实现了不同矢量目标场的优化赋形。为了进一步降低模式电流数量,提出了基于离散结构体的表面电流优化方法,并基于周期PEC板阵列实现了一种复杂矢量目标电磁场的赋形。

关键词： Polycystin2   脉冲电磁场   成骨细胞   sAC/PKA/CREB信号通路   初级纤毛  

摘要： 骨质疏松症(Osteoporosis,OP)是当今社会的一个重大公共卫生问题,目前治疗骨质疏松的临床用药普遍存在副作用大和价格昂贵等问题,因此,人们一直在努力寻找毒副作用小且价格低廉的骨质疏松症替代疗法。脉冲电磁场(Pulsed electromagnetic field,PEMFs)治疗骨质疏松的显著疗效早已被发现,且具有使用方便、过程安全、不良反应少等优势,但该疗法至今仍存在疗效不确切、重复性不好等问题。究其原因,作用机制不明导致的治疗参数不统一是重要因素。课题组前期研究筛选出50 Hz 0.6 m T的PEMFs为促进骨形成的最优参数。该PEMFs可通过s AC/PKA/CREB信号途径在内的多种信号途径促进大鼠颅骨成骨细胞(Rat calvarial osteoblasts,ROBs)的分化成熟,且依赖于初级纤毛的存在,但负责接受PEMFs物理信号并将其转化为胞内化学信号的电磁场受体仍然未知。针对此问题,本文研究了PEMFs促进成骨细胞分化成熟作用是否与初级纤毛及定位于初级纤毛的Polycystin2(PC2)和s AC/PKA/CREB信号通路有关,以期为阐明PEMFs促进骨形成的作用机制奠定基础。本论文主要的实验方法如下:首先检测ROBs经50 Hz 0.6 m T PEMFs处理不同时间后PC2、s AC、PKA、CREB及其磷酸化蛋白的表达水平;然后用免疫荧光染色法检测上述蛋白与初级纤毛的共定位情况;接着用盐酸阿米洛利(Amiloride HCl,AMI)阻断PC2功能,检测s AC/PKA/CREB信号通路活性变化及ROBs分化成熟是否受到影响;再用RNA干扰法敲低PC2表达水平后做同上检查;最后用RNA干扰法抑制初级纤毛发生后检测PC2和s AC/PKA/CREB信号途径相关蛋白的表达情况以及ROBs分化成熟情况。本实验得到的结果如下:ROBs经PEMFs处理不同时间后,PC2、s AC、p-PKA和p-CREB表达水平均显著增加;PC2、s AC、p-PKA和p-CREB可被定位于整根初级纤毛或其根部,但PKA和CREB在初级纤毛内没有分布;PC2被AMI阻断后,PEMFs不再能提高PC2和s AC/PKA/CREB信号通路相关蛋白的表达量,也不再能提高碱性磷酸酶(alkline phosphatase,ALP)活性,PEMFs对成骨相关蛋白和基因表达的促进作用也被抵消,成骨细胞的分化成熟受阻;敲低PC2表达水平后结果与阻断PC2功能相似;干扰初级纤毛后,PEMFs处理不能提高PC2表达量,不能激活s AC/PKA/CREB信号通路,不再能提高ALP活性,也不再能促进成骨细胞分化成熟。结论:存在于成骨细胞初级纤毛表面的PC2可感知并传递PEMFs发出的物理信号,通过激活PC2/s AC/PKA/CREB信号途径促进成骨细胞的分化成熟。PEMFs促进ROBs成骨性分化依赖于PC2的存在。本研究为阐明脉冲电磁场促进骨形成及治疗骨质疏松的机制研究奠定了基础。