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关键词： 工程电磁场课程   类比法   图示法   微课教学  

摘要： 针对工程电磁场课程逻辑性强、具有抽象性、难学难懂、理论性强的特点，文章采用类比法、图示法和微课教学三种教学方法，通过横向类比、纵向类比、课程框架、理论模型、照片视频、微课教学的方式实现，旨在增强学生对课程内容的理解与吸收，提高学习效率。

关键词： 微粒光散射   Lorenz-Mie理论   可视化软件   聚焦光束  

摘要： Mie理论在散射研究领域扮演着重要角色,主要用于解决均匀且各向同性的球形颗粒对线偏振平面波的散射问题。微粒光散射在物理学、化学、生物医学等众多领域中的重要性也日益凸显。为了更直观、深入地研究微粒光散射过程,开发一款高效、便捷的光散射可视化工具显得尤为重要。本课题在此背景下对Mie理论算法进行总结并进行结构性优化,最终集成为一款可视化软件工具包,此外,我们对于球形微粒在不同聚焦光场(聚焦平面波、一阶聚焦高斯光束、贝塞尔光束)中的电磁波散射也进行了可视化研究。主要工作内容如下: (1)基于Mie理论实现在平面波作用下,计算球形粒子的Mie散射相关系数;对于不同的Mie系数算法,如前向递推法、后向递推法、连分式法进行优劣和适用性分析;计算并表征近场参数和远场参数,其中近场参数包括入射电磁场、内部电磁场以及散射电磁场;远场参数包括效率和截面、散射光强等,其中效率和截面指的是消光效率、散射效率、后向散射效率、吸收效率、辐射压效率、不对称因子和相关截面系数;基于Mie理论进行数值仿真并进行程序验证。 (2)使用Matlab AppDesigner将球形粒子在平面波下的Mie散射计算过程集成为一款可视化软件工具包Mie Visual Calculator V1.0,并对软件设计和使用流程进行说明,在Mie Visual Calculator V1.0基础上研究了不同粒径和折射率的实部虚部对于极化光强的影响,并探究了金粒子和硅粒子在不同粒径、不同环境折射率下的Q效率变化和散射强度分布变化。 (3)基于广义Lorenz-Mie理论,以Barton提出的聚焦激光束照射球形颗粒的内部和近表面电磁场理论作为基础,在开源可视化程序基础上进行程序开发,针对聚焦平面波,一阶聚焦高斯光束,贝塞尔光束进行数值仿真,对聚焦光束的电磁场分布,聚焦光束下球形粒子金和硅的电磁散射场在x、y、z平面的强度分布、3D远场强度分布、归一化散射强度分布进行可视化仿真,以期为进一步深入研究提供理论和数据参考。 经仿真对比验证,本文可视化工具的正确性值得信任,拓展的Mie理论代码和可视化工具在纳米粒子光散射领域具有重要的可拓展性和应用性,同时仿真结果能够在参数的选择方面为实际的实验过程提供理论和数据支持。

关键词： 电磁阀   电磁场   电磁力设计  

摘要： 作为重要的高精度执行元件，电磁阀应用于汽车、航空航天、工程机械、农业机械、特种装备等领域，其性能直接影响控制品质。而电磁力的大小及形状是电磁阀重要的设计参数，直接决定了电磁阀的性能表现。本文对电磁阀的电磁力设计进行研究，从电磁阀磁场形成的基本原理出发，探讨了基于理想结构的理论电磁力，分析了影响电磁力的主要因素，给出了增大电磁力的基本措施，并结合开关阀和比例阀应用的电磁力形状需求给出了应用结构，为电磁阀电磁力的正向开发提供方向及建议。

关键词： 多模式   宇称-时间对称电路   光机械系统   光磁系统   光学混沌  

摘要： 随着近年来数字经济的发展,人们对于人工智能技术的使用更加普及,这也导致了对于算力需求的提升。与此同时,随着集成电路器件尺寸不断减小、集成度提高,使得摩尔定律的发展也逐渐逼近了设计极限。 针对现阶段电子器件和集成光学器件发展趋势进行分析,研究中发现在器件设计过程中的物理性质对于其信息处理功能的实现至关重要。因此,本文在深入研究多模式电磁系统动力学过程建模的基础上,重点研究了多模式耦合的电磁系统中的非线性效应和调控机理,解决了多模场中电磁场性能的表征和精确调控问题;重点以多模式耦合的光学微纳系统和电路系统作为研究对象,围绕多模同频,多模异频的场特性,研究了诸如双稳态、宇称-时间对称、频率梳、混沌等典型的非线性效应的产生过程,解决了如何在多模电磁场系统中实现多模异频场的调控问题。 论文的主要创新点如下: 1.提出了基于耦合电路系统的宇称-时间对称的任意恢复方案。通过构建增益-耗散准对称的耦合电路,以耦合强度和耦合相位作为基本调节参数,分析了电路中本征模式的频率特征;进一步发展了一种调整耦合系统耗散的方法,通过改变电路放大参数,可以调控系统的宇称-时间对称性质,实现了系统从宇称-时间任意准对称到宇称-时间对称的相变过程。该方法利用可调相位实现精确的宇称-时间对称,而没有增益/损失平衡的要求,降低了实验设计难度。 2.研究了光磁微谐振腔中光机械诱导的射频信号混沌效应的产生和有效调控方法。研究工作基于光磁谐振腔系统,发展了一种多时间尺度射频信号动力学分析方法,获得了光学模式、磁学模式和机械模式共存的系统中微波频段的频率梳产生和混沌效应;通过调整系统的泵浦光强度,实现了射频信号在谐波、频率梳和混沌效应之间的过渡;进一步研究还提出了一个不同谐振腔之间的射频信号同步的实现方案。研究工作为光信号处理、混沌信息加密和混沌辅助安全通信提供了一种理论分析方法和系统设计思路。 3.研究了光机械系统中耗散辅助的微波波段频率梳产生和混沌效应。利用色散和耗散耦合的光机械系统,利用微扰方法分析了系统中机械模式的非线性性质;研究了系统中机械模式信号的频谱特性,获得了泵浦强度调制下的射频波段的频梳产生和混沌效应。该方法为多模式系统非线性效应的预测和调制方法提供了理论依据。

关键词： 偶极磁场装置   Boris方法   极向电场   高能粒子   极向磁扰动  

摘要： 悬浮偶极场位形具有高比压、不破裂等非常好的等离子体约束特性。在实验室磁偶极场约束装置中,能否稳定约束高能α粒子对于有效的加热等离子体和DD-3He催化核反应产物约束研究具有非常重要的研究意义。因此本文基于天环一号（CAT-1）悬浮偶极场高能α粒子约束问题,采用单粒子方法,研究和讨论了径向电场分布、粒子与磁场线共振产生的极向磁扰动及TSR（Tilt-Slider-Rotate）姿态控制线圈运行产生的磁场等多种因素对于高能α粒子约束的影响: 1.推导规则环电流产生磁场模型,且通过一种线段近似方法对不规则姿态控制线圈建立磁场模型。利用龙格库塔和Boris两种数值方法求解电磁运动方程,并对比两者的数值精度,发现龙格库塔方法虽然具有很高空间精度,但是会不断累计粒子能量误差,因此选择保持粒子能量守恒的Boris方法计算粒子轨迹。 2.研究了径向电场对高能粒子约束的影响,设置电场方向转换层半径和层内外电场比值为研究变量,前者由等离子体峰值位置确定,后者由等离子体分布确定。计算表明,径向电场对投掷点位于转换层上的高能粒子的约束特性要好于投掷点位于两侧的粒子约束,增加径向电场数量级会提高约束粒子份额,且当转换层外侧电场与内侧电场比值增加时,粒子约束份额会增加。同时发现转换层位置Re在电场强度较小时不会显著影响约束粒子份额,随着电场强度增加,更大的转换层半径可获得更高约束粒子份额。 3.研究了姿态控制（TSR）线圈磁场对于高能粒子约束的影响,首先使用分段泰勒级数方法构建TSR线圈的参数曲线,并且使用线段近似法求解TSR线圈偏移和倾斜模式下对应产生的磁场。分析了双线圈和四线圈情况下两种TSR线圈运行模式和TSR线圈电流大小对高能粒子约束的影响。发现在不同TSR线圈运行模式下,高能粒子投掷点位置对约束粒子至关重要,且大TSR线圈电流在一段时间内提高α粒子约束份额。双线圈与四线圈运行模式造成粒子损失份额相近,通过对TSR线圈与偶极场线圈受力分析发现,采用多线圈耦合控制偶极场线圈姿态时,线圈恢复到初始位置的过程具有力学上的內禀稳定性。 4.研究了高能粒子引起的径向磁场扰动对粒子约束的影响,使用直导线与环电流耦合磁场模拟极向磁场扰动模式,并使用偏置导线与环电流中心方法构造磁场混沌。仿真计算结果表明n=0模数对应的极向扰动磁场约束的粒子份额高于n=1时的份额,且n=0和n=1时的粒子约束份额均趋于固定值。

关键词： 阵列感应测井   数字孪生   Json数据交互   响应机理   电磁场  

摘要： 在传统测井平台的数据分析基础上进一步扩展了物理实体测井在虚拟空间中的真实三维可视化效果。通过建立数字孪生系统模型,采用Matlab平台实时采集处理数据,精准接收仪器信号,驱动孪生模型运动,实现虚实交互,突破了传统技术局限,提高了可视化和智能化水平。本文使用Matlab软件,通过读取Json中孪生体参数,建立阵列感应测井数字孪生模拟仿真系统,研究仪器孪生体参数和测井环境孪生体参数对测井响应的影响。现将主要研究成果总结归纳如下: 第一部分构建阵列感应测井孪生体。提出数字地层的表征方法,确定该数字地层由井眼,地层层和地层带构成,通过在***环境孪生体中修改地层参数,建立了六种数字地层孪生体模型;根据阵列感应测井仪器MIT7530的基本结构和线圈系参数,通过Comsol有限元软件,建立MIT7530阵列感应测井仪器孪生体。 第二部分研究均匀地层响应特性。通过计算孪生体在不同地层电导率下的视电导率,验证阵列感应测井孪生体的准确性和适用性,结果表明,仿真数据与解析数据两者误差最大为0.3%,满足实际孪生体响应计算要求。 第三部分进行数字孪生模拟仿真系统分析。登录该数字孪生系统,研究MIT7530仪器的典型地层响应特性。结果表明,短阵列对倾角变化不敏感,而长阵列受影响较大,倾角大于75°时,测井响应曲线出现明显异常。泥浆电导率和井眼半径对短阵列影响较大,但对长阵列影响较小。在低阻围岩模型中,不同侵入条件导致测井响应的显著变化,特别是高电导率侵入使曲线变形。高阻围岩模型中,侵入对短阵列影响显著,长阵列呈现特定形态。 第四部分研究影响机理。使用Comsol软件的后处理功能和二次开发功能,在数字孪生平台中考察线圈系聚焦状态下,各个子阵列在三层地层中一维、二维和三维电场、磁场和电流分布。一维曲线图显示,仪器孪生体在不同发射线圈下磁场、电场和电流密度均不相同;二维分布图显示了发射线圈周围场的变化规律,揭示了阵列感应测井仪器MIT7530出现负响应的原因;三维流线图展示了电场、磁场和电流的空间分布特性。 综上所述,数字孪生模拟仿真系统计算结果准确可靠,研究成果有助于提高测井过程的可视化程度和数据处理能力,为感应测井技术的发展和应用提供了新的思路和方法。

关键词： GIS变电站   开关操作   空间电磁场   全波仿真   数值预测  

摘要： GIS变电站(gas insulated substation,GIS)内电磁环境复杂,而开关操作是站内的重要干扰源。隔离开关分合闸操作过程中产生的辐射到外部环境中的空间电磁场,会使得就地化布置的二次设备面临强烈的电磁骚扰,而掌握变电站内电磁场的空间耦合特性及分布规律是抑制电磁骚扰和提高二次设备电磁兼容性的关键。 目前,在采用传统的数值预测方法进行电磁骚扰问题研究时,通常需要建立复杂的仿真模型来模拟实际的操作工况,其往往计算量庞大,且只能对变电站的相关结构做一些简单的处理,适用性较差。由于变电站电磁骚扰问题多以电磁场强度的形式呈现,若采用智能学习算法,以数据驱动的方式提取空间电磁场数据变化规律进行预测研究,能够降低变电站结构对仿真复杂的影响,提高模型的适用性。因此,本文将基于智能学习算法对GIS变电站开关操作空间电磁场预测方法开展研究,具体研究工作如下: (1)GIS变电站开关操作空间电磁场现场测量。针对某座220kV GIS变电站隔离开关分合闸的瞬态过程进行了空间电磁场的实测研究,分别在汇控柜及隔离开关对应外壳附近等位置布设了测量探头,统计并分析了布设点电磁场波形特性。 (2)GIS变电站开关操作空间电磁场全波仿真。在(1)的研究基础上,调研并分析了该GIS变电站的物理特性和几何参数等信息,基于GIS设备的结构简化及场强的误差分析,采用CST电磁仿真软件来搭建并完善该变电站开关操作空间电磁场的全波仿真模型,在与现场实测对应的位置设置了测量探头,利用模型仿真可以计算出对应位置的电磁场的波形和频谱参数,基于仿真计算与实测数值的对比分析,验证了仿真模型和计算方法的准确性。 (3)GIS变电站开关操作空间电磁场预测。基于(1)和(2)对GIS变电站空间电磁场的产生及辐射特性研究,提出了一种基于AOS-GCN-LSTM(Atomic Orbital Search-Graph Convolutional Neural-Long Short Term Memory,AOS-GCN-LSTM)模型的变电站开关操作空间电磁场预测方法,通过分析空间电磁场数据的空间相关性,基于数据驱动的方式实现站内不同位置的电磁场强度预测。以(2)得到空间电磁场的仿真数据为例开展研究,预测结果显示,基于AOS-GCN-LSTM模型的电磁场强度预测误差较小,预测速度较仿真模型有极大的提升,预测性能良好。同时,采用该方法对在网运行的GIS变电站开关操作在不同位置耦合的空间电磁场进行预测,其研究成果可以为二次设备的布设和电磁防护设计提供参考。

关键词： 电磁场   间充质干细胞   细胞迁移   细胞骨架   SOCE   Piezol  

摘要： 目的: 细胞迁移是细胞主要功能之一,涉及细胞骨架的重组和调节分子的不对称分布。在创面愈合、毛囊再生等过程中,细胞迁移是复杂的,前期研究证实作为物理刺激因子之一的低频电磁场(Electromagnetic field,EMF)可以促进创面愈合、毛囊再生等,但EMF如何改变细胞骨架促进细胞迁移特别是方向性迁移值得深入研究;而Ca2+是一种多效性第二信使,可以受到环境、生化、物理等刺激影响细胞迁移,探讨EMF如何调控间充质干细胞(Mesenchymal stem cells,MSCs)胞内Ca2+可以帮助理解EMF对细胞迁移作用。 方法: 1.培养鼠来源的MSCs,经EMF(50Hz,5mT)干预3h后,用Transwell实验、划痕实验等检测细胞的迁移能力;免疫荧光技术观察在平面和创缘MSCs中β-COP、γ-tubulin的定位、观察Flutax1在MSCs中的分布。 2.分别使用 Taxol、Nocodaloze、Cytochalasin D 和 Phalloidin 等细胞骨架稳定或解聚剂处理MSCs并EMF干预后,免疫荧光方法检测α-Tubulin和F-actin,探讨EMF对微管-肌动蛋白相互作用的影响。 ***干预后,RNA-seq获取差异性表达基因并KEGG分析信号富集情况,流式细胞术检测Ca2+浓度;然后,检测EMF干预后MSCs细胞储存操作Ca2+进入(Store-Operated Ca2+Entry,SOCE)激活情况,并分析 SOCE 介导 Ca2+内流在EMF对α-Tubulin乙酰化和F-actin影响中的作用;Western Blot检测GEFH1-ROCK信号轴中关键蛋白表达。 ***1选择阻断Piezol通道并经EMF干预,检测SOCE激活情况,Western Blot和免疫荧光方法检测Piezol、SOCE关键组件Orai1和STIM1的表达和分布,Duolink?原位PLA技术检测F-actin和Orail的相互作用;分析Piezol通道在EMF增强SOCE过程中细胞骨架改变适应Ca2+内流产生促细胞迁移效应中的作用。 结果: 1.当EMF干预MSCs 3h后,细胞的迁移能力明显增强;在这过程中,EMF促进β-COP在胞内不对称分布,增强了 MSCs的极性,增强了创缘MSCs能动性和β-COP、γ-tubulin极性分布。 ***能预防MSCs微管解聚,增强α-Tubulin在核周聚集,促进F-actin细胞前缘聚合;EMF可以部分逆转Taxol对MSCs内F-actin聚合抑制作用。 ***-seq数据分析提示EMF的生物学效应与Ca2+密切相关,EMF增强SOCE介导Ca2+内流。当MSCs处于无钙环境中,EMF可以增强胞内ROCK1/2和GEFH1表达;而EMF通过SOCE介导的Ca2+内流增加会抑制ROCK1/2和GEFH1的表达,同时促进乙酰化α-Tubulin和Orail在核周聚集。 ***促进Piezol表达和膜周分布,DOOKU1可降低Orail核周分布和表达,减弱EMF干预后SOCE介导的Ca2+内流;同时,DOOKU1改变了 F-actin的聚合。与对照相比较,EMF干预明显增多了 F-actin和Orail相互作用形成的Duolink点,而DOOKU1降低了 Duolink点的形成。 结论: EMF调控SOCE和Piezol通道介导的Ca2+水平和差异性分布,改变细胞极性促进MSCs方向性迁移;在该过程中,EMF增强SOCE介导核周Ca2+升高促进微管稳定,同时抑制GEFH1-ROCK信号轴促进F-actin聚合;而Piezol通道激活可提高细胞质Ca2+梯度参与EMF增强SOCE介导Ca2+内流过程。