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关键词： 金刚石氮-空位色心   量子精密测量   扫描探针显微镜   磁场成像   射频测量  

摘要： 对电场、磁场等物理量的测量和高分辨率成像技术推动了前沿学科的发展,使得人们能够观测到样品中更细微的结构,为理解其背后的客观规律提供了必需的研究手段。近年来,基于量子精密测量的高灵敏度、高分辨率电磁场成像技术不断发展。金刚石中氮-空位缺陷(NV色心)电子自旋作为一种纳米尺度电磁场量子传感器,它可以在低温真空到室温大气的环境中工作,允许电子自旋与待测样品间的距离小到几个纳米,可测量的电磁场频率范围覆盖了直流到微波波段。此外,作为NV色心的载体,金刚石可以在真空、大气甚至溶液等复杂环境下保持化学惰性,同时保持其中NV色心的量子相干性。基于NV色心的量子传感提供了适用于众多学科中电磁信号的纳米尺度测量手段。本论文旨在研究基于NV色心的纳米尺度电磁场成像的方法、技术和应用。本论文发展了适用于NV色心的射频电场测量方法,自主搭建了快速扫描NV色心显微镜(Scanning NV center microscope,SNVM),并且在自主搭建的 SNVM上开展了凝聚态物理和地学中磁性测量相关的跨学科应用研究。论文具体内容如下:1.提出并实验演示了基于NV色心的射频电场测量方法。射频电场可以驱动NV色心基态电子自旋|ms=±1>能级间的拉比振荡,本论文利用电场驱动拉比振荡的频率测量了射频电场幅值,达到了 265 V·cm-1·Hz-1/2的电场测量灵敏度。随后,本论文利用电场驱动在|ms=±1>叠加态的相位积累实现了射频电场的相位测量,在本论文的实验中最小相位测量标准差为0.2°。本论文的方法将NV色心的电场测量频率范围提升到了GHz,并且实验演示了从13.85 MHz到2.02 GHz的电场测量。另外,本工作演示了电容器件产生的射频场电分量和磁分量分别测量,为纳米尺度射频电磁场成像打下理论基础。2.研制了快速扫描NV色心显微镜。本论文采用全硬件触发扫描序列,在自主搭建的SNVM平台上实现了最快16 ms·pixel-1的扫描速度。本论文的快速扫描技术不仅提升了实验效率,还可以提升成像质量。对于扫描探针显微镜,热漂会使得探针和样品间出现相对位移,导致成像分辨率降低,甚至出现失真的图像。本论文的快速SNVM缩短了成像需要的时间,减弱了成像时探针样品之间热漂带来的负面效应。快速扫描技术使得SNVM未来有望用于动态过程观测。3.在自主研制的SNVM装置上,围绕磁学和地学相关前沿科学问题,开展了跨学科应用探索。(a)在磁学研究中,为了探索磁晶各向异性方向与表面磁畴的关系,本论文获得了 MnNiGa块材多晶磁体表面磁畴的杂散场分布图像。在磁体的不同区域,本论文发现了两种宽度的条纹畴和奈尔帽结构。成像结果与不同易磁化轴方向的微磁仿真结果可以相互印证,为磁畴调控提供了新的思路。(b)在地学研究中,本论文演示了对嫦娥五号月壤样品单个纳米颗粒杂散场成像。单畴颗粒是地学中最为稳定的古地磁场记录者,但目前缺少合适的手段对地学样品中单个纳米颗粒进行磁矩测量。本论文测得单个纳米颗粒最小磁矩为5 × 10-18 A·m2。该工作将有助于地外稀有样品的磁性测量。4.展望了 SNVM装置在技术和应用方面的未来发展方向。在技术上,扫描速度可以通过优化测量序列等手段继续提升。在应用方面,SNVM电磁场成像技术未来有望应用于凝聚态物理学和生命科学等广阔领域。

关键词： 深度计算器(DCU)   时域有限积分   时域有限差分   电磁场   并行计算  

摘要： 时域有限积分方法(TDFIT)已经成为电磁场仿真分析的重要计算方法。近些年来,计算大规模电磁问题或者复杂电磁问题不仅消耗大量的计算资源,还需要大量计算的时间。时域有限积分方法(TDFIT)具有天然的可并行优势,所以采取并行计算技术是提高该算法计算效率的有效途径。面对非国产GPU硬件掣肘的国际形势,基于国产DCU研究时域有限积分并行算法,为时域有限积分算法提供并行计算方案,使其成为一种低成本、高效的算法是非常有必要的。国产加速器DCU(Deep Computing Unit)将数据的流并行处理概念融入科学计算中,可以更加高效的处理大量数据。由于计算机技术高速发展,国产DCU与CPU的价格相差不大,但其运算能力却高出CPU几十倍甚至几百倍。HIP并行编程模型是为实现以DCU为硬件基础,进行并行编程而提供的一种技术。时域有限积分方法空间上的大量数据计算采用DCU进行加速,可提升程序性能可达几十倍甚至上百倍。本文主要通过硬件映射、软件体系、存储体系、线程层次以及主机与设备之间的关系等方面介绍HIP的编程模型及组织架构。使用HIP编程模型对二维时域有限差分方法进行单DCU加速、多DCU加速,对三维时域有限积分方法进行单DCU加速,并基于多计算节点模拟了大模型分块异构计算。本文将具体展示其算法流程与实现加速的部分相关代码。通过模型的数值仿真结果得到运行时间、加速比等,证明了,在较大规模下,采用DCU加速二维时域有限差分算法及三维时域有限积分算法,相比于串行算法,其计算速度普遍达到了20倍以上。二维时域有限差分方法仿真了传输线,三维时域有限积分方法仿真了偶极子天线及Mur吸收边界,通过单DCU与多DCU仿真速度的对比,可以选择性价比更高的方式进行仿真。

关键词： 电磁冶金   复合电磁场   粒子弥散   材料制备  

摘要： 电磁冶金是对当前钢铁冶金与复合材料制备领域极具影响力的一门学科。现代电磁冶金包括各种电磁场在冶金和材料制备过程中的应用,通过电磁场产生的电、磁、热和力的作用强化冶金反应过程和控制过程。在金属材料处理过程中,电磁场施加的电磁力会影响表面形貌、内部流动、组织结构等。此外随着人类社会对材料性能要求的提高,新材料的研发以及利用纳米微观粒子增强原始材料性能的研究得到进一步的重视,因此探究如何使作为增强基的粒子更好的在材料中的散布便显得尤为重要。本文利用模拟与实验相结合的方法来探究复合电磁场对液态金属流动状态,流动速度,粒子的散布影响以及对合金凝固组织的作用。以锡铋合金为研究对象,通过自制的圆环电极来向液态的锡铋合金施加电场,同时向锡铋合金施加静磁场从而组成复合电磁场。具体的研究内容如下:(1)模拟仅施加电场的情况下对模型内液态金属流动状态的影响,改变电流大小,分析液态金属流动速度的变化,研究模型内电磁力的分布影响范围,加入粒子后粒子在湍流的带动下在液态金属内的运动状态,最终散布。研究发现施加10A,15A,20A等较小电流时,液态金属流动速度也较小,且粒子在湍流作用下的弥散距离与范围也极其有限。(2)模拟施加电场与静磁场组成的复合电磁外场对液态金属流动轨迹的改变,分析液态金属速度变化,内部电磁力大小及分布变化,以及粒子被在电磁力驱动下湍动的液态金属所裹挟后的运动状态。研究发现,复合电磁外场引起液态金属流动状态发生显著改变,且液态金属的速度大小也比仅施加电场时提升了2-3个数量级,X轴横轴向施加的静磁场与电场所组成的复合场其内部金属液速度,电磁力分布明显不如Y轴纵轴向施加静磁场与电场组成的复合场下来的均匀,且电流增大至40A,50A时对粒子弥散的影响效果较为明显。而粒子自模型底部加入后在模型内的散布效果明显优于自顶部加入。(3)根据模拟的情况制定具体的实验方案。实验室利用电流及磁场对合金凝固过程进行控制。利用超景深金相显微镜以及电子显微镜来观察锡铋合金试样组织,元素成分等,对比分析不同电磁场参数对合金凝固组织、晶粒尺寸以及粒子分布状况的影响。实验结果发现电场及复合场对减少树枝状晶产生,细化晶粒组织尺寸有积极作用,而粒子弥散结果也与模拟结果基本相符。

关键词： H型钢   感应加热   数值模拟   温度场   电磁场  

摘要： 随着钢结构行业的发展,H型钢的需求量日益增加。目前,H型钢的生产主要通过热轧成型及焊接的方式。类比焊管领域上的发展,感应加热是一种绿色高效并且可以避免电极消耗和电极烧伤焊缝表面的生产方式,但是感应加热技术在H型钢生产领域上的研究尚且不足,对于加热过程中磁场和温度场的分布规律也还不甚了解。为此,本文首先通过对电磁感应加热的理论性研究,制定了H型钢感应加热模拟方案,建立了H型钢感应加热的数值模拟模型。其次,利用ANSYS软件实现了对H型钢感应加热过程的静态数值模拟,发现了由于电弧跨越现象引起的最佳焊接区域前移的现象。研究了主要生产参数对温度场分布均匀性的影响规律,结果表明,焊接V形角主要影响最佳焊接区域分布的位置;电流密度基本不会影响翼板上的温度分布,但是腹板上的温度会随电流密度的增大而减小;导磁体角度主要影响翼板和腹板的升温速度;频率的选择则会对最高温度区域的分布产生直接的影响。以上研究为感应焊接H型钢工艺参数的确定提供了参考依据。然后,考虑H型钢实际生产过程中的运动情况,提出“动态指针赋值”法等效H型钢的运动,得到H型钢动态感应加热数值模拟温度场整体分布情况,以及沿焊缝路径和焊接V形角上的温度分布规律,分析了焊接速度对感应加热过程的影响,结果表明,当焊接速度过快时容易产生“冷焊”缺陷,而当焊接速度过低时容易产生“过烧”缺陷。最后,设计并搭建H型钢感应加热实验平台,确定采用热电偶对H型钢关键点进行测温的实验方案,针对动态测温的困难性确定了H型钢的等效测温点,并将测得的等效测温点的实验数据与模拟数据进行对比,得到了实验与模拟误差,验证了H型钢感应加热技术的可行性。

关键词： Zn-2.75%Cu包晶合金   BFe10-1-1白铜合金   旋转磁场   脉冲磁场   SiC  

摘要： 锌及锌合金作为重要的有色金属材料,在工业领域应用广泛,Zn-Cu合金进行的包晶反应对材料的组织和性能有着重要的影响,因此对Zn-Cu包晶合金进行研究尤为重要。Cu-Ni合金俗称白铜,因其具有突出的抗海水侵蚀性,在海洋领域应用广泛。本文研究了电磁场耦合SiC粉体对Zn-2.75%Cu包晶合金和BFe10-1-1白铜合金凝固组织、力学性能、腐蚀性能的影响,得出如下结论: 当SiC加入量一定,随着旋转磁场电压强度的增加（0V、60V、80V和100V）,Zn-2.75%Cu包晶合金ε相明显细化,由粗大的树枝晶向细小的蔷薇状、球状晶转变,力学性能不断提高。当旋转磁场电压强度一定,随着SiC加入量的增加（0%、0.03%、0.05%和0.1%）,Zn-2.75%Cu包晶合金树枝状ε相数量明显减少,粗大的一次枝晶主轴断裂,蔷薇晶及等轴晶出现,力学性能不断提高。当100V电压耦合0.05%SiC作用时,效果最好,树枝晶消失,等轴晶比例由55.82%增至90.2%,ε相尺寸由32.07μm减小至13.39μm,抗拉强度和延伸率提高了42.0%和63.0%,η-Zn相硬度提高了17.5%。脉冲磁场作用下凝固的Zn-2.75%Cu合金组织中ε相粗大树枝晶被细化,等轴晶比例为64.94%,尺寸约为22.02μm。η-Zn相TEM衍射图案呈现不连续的衍射环,经过处理后的合金,ε-Cu Zn5相环中的衍射点数量增多,表明在旋转磁场、脉冲磁场和SiC的作用下固溶在η-Zn相的ε-Cu Zn5相数量增多。 当SiC加入量一定,随着旋转磁场电流强度增大（0A、60A、105A和120A）,BFe10-1-1宏观晶粒尺寸显著减小,微观组织由树枝晶和柱状晶的混合转变为无明显方向性的细小树枝晶,细小等轴晶和蔷薇晶的混合,力学性能不断提高。当电流强度一定,随着SiC加入量增加（0%、0.03%、0.05%和0.1%）,BFe10-1-1宏观晶粒尺寸显著减小,微观组织出现均匀细小的蔷薇晶和等轴晶,力学性能不断提高。其中当120A电流耦合0.05%SiC时效果最好,宏观晶粒尺寸由954μm减小为309.5μm,心部枝晶长度由142.1μm减小为66.5μm,冲击功提高了38.8%,硬度提高的最大值为19.15%。 随着旋转磁场电流强度和SiC加入量的增加,BFe10-1-1合金腐蚀速率呈整体下降趋势,耐腐蚀性能提高。耦合作用下腐蚀速率下降的最大值为62.73%,腐蚀试样的腐蚀坑数量变少、面积减小,最深处深度由297.6μm变浅为162.2μm。耦合作用下的试样表面腐蚀产物结构致密,缝隙较小,部分连续,产物尺寸变小,内层膜表面被覆盖完全。

关键词： 本征正交分解   电磁场   降阶模型   瞬态问题   数字孪生  

摘要： 有限元法广泛应用于现代电工设备的性能分析和优化设计。场的时变性、材料的非线性等因素使得电机、变压器等电工装备的有限元分析过程非常耗时。昂贵的有限元计算成本使得电工装备的优化设计以及需要实时性能分析的数字孪生技术等应用受到限制。以此为背景,本文基于本征正交分解(Proper Orthogonal Decomposition,POD)的模型降阶方法和传统的有限元分析方法,研究准确、快速的电磁场瞬态问题求解方法。课题的主要工作内容如下: 首先,对几种常用的模型降阶方法进行介绍。在分析常用的模型降阶方法特点的基础上,通过公式推导详细研究POD的实现过程,并进一步研究基于POD降阶方法在瞬态磁场有限元问题中的应用,为接下来利用该方法对瞬态磁场问题进行降阶计算打下理论基础。 其次,介绍了国产FELAC(Finite Element Language And it’s Compiler)有限元分析软件的特色,研究该软件生成二维有限元计算程序的详细过程,基于FELAC软件生成有限元计算基础程序包。结合POD模型降阶方法和传统有限元法实现了瞬态电磁场问题的模型降阶。以电磁场标准测试问题TEAM24为案例,选取不同特征点,将商用有限元软件计算结果与本文开发的有限元降阶算法的计算结果进行对比,并进行误差分析,通过讨论分解后奇异值能量占比与误差的关系确定截断位置的选取原则。 最后,本文以一台单相自耦电力变压器的二维电磁瞬态场问题为例,研究快照矩阵输入项的选取位置对瞬态降阶模型误差的影响。针对该变压器模型,采用不同的快照矩阵输入项选取原则进行选取,并在此基础上增加快照矩阵的选取数量;分析并总结快照矩阵选取位置和数量对降阶模型单一时间步结果及整体时间步结果误差的变化规律,确定最优快照矩阵输入项选取原则。结合前面的研究结果,提出一种自适应确定快照矩阵输入项数量的选取方法,将基于自适应快照输入选取方法的降阶模型与商用有限元软件结果进行对比,在保证计算精度的基础上平衡了计算效率。本文研究旨在推进低频电磁CAE软件和数字孪生技术的国产化进程。

关键词： 轴频电磁场   海底分布特性   可探测范围  

摘要： 随着我国对海洋国防的不断重视，传统声学探测水下目标技术问题的难度加大，水下目标电磁探测技术近年来取得长足进步。轴频电磁场是水下目标电磁探测技术的重要研究内容，目前相关仿真研究仍多基于测线分析，而针对测网观测的轴频电磁场空间分布特性和可探测范围的相关研究仍较为匮乏。分析了前人研究存在的问题，并以时谐水平电偶极子作为等效场源，基于积分方程法模拟讨论探测装置位于海底情形下轴频电磁场分布特性；对基于海底观测网的轴频电场和轴频磁场的可探测范围进行了对比分析；讨论了目标行进方位对轴频电磁场分布的影响；对轴频电磁场未来研究思路进行了展望。

关键词： 电小尺寸   开孔屏蔽体   电磁场分布   精细化  

摘要： 屏蔽防护是电工、电力、无线电技术中经常遇到的问题,电磁环境日益复杂,现代工业对电磁屏蔽的要求也日益增高,尤其是对紧凑化的要求。使用屏蔽体对敏感对象进行屏蔽防护时,通常,出于布线和通风的需要,屏蔽体上会进行开孔。开孔处附近的屏蔽效果较差,工程上,为保证有效的屏蔽效果,多根据经验确定敏感对象和开孔之间的距离,容易造成裕度过剩,不能适应现代工业对紧凑化的要求。合理选取敏感对象在屏蔽体内与开孔之间的距离,需要建立在对开孔屏蔽体内电磁场的精细化分布的认知基础上,而现有的相关研究大多围绕个别场点和高频段,对低频段范围屏蔽体内的场的分布的研究相对缺乏。本文针对电小尺寸开孔屏蔽球壳的电磁场分布进行研究,首先基于叠加原理提出了任意方向的外加电磁场作用下开孔导体球内部的电磁场计算的模型。对叠加子模型的电磁场计算解析公式进行了详细的推导,得出了位和场强两种形式的计算公式,并用有限元仿真软件对其有效性进行了验证。接着搭建了电小尺寸开孔电磁场分布规律探究的有限元仿真模型,分析了不同开孔情况下的电磁场的分布规律。外施电磁场的方向考虑垂直于开孔面和平行于开孔面两种情况。结果表明:本文的仿真模型的计算和理论计算的相对误差在5%以内。电小尺寸屏蔽球开单孔时,等dB线距离开孔的距离与球半径的比值与开孔圆心角近似成正比关系,且衰减倍数越大,正比关系的斜率越大。电小尺寸屏蔽球开双孔时,从场域的角度来说,整个屏蔽球壳内部均满足叠加原理;随着双孔的逼近,在计算电场时,在两开孔之间无面积交叉的情况下子模型的结果和总模型的结果的相对误差在10%以内,在精度要求不是很高的场合下满足叠加原理,在计算磁场时在双孔逼近的过程中的多数情况下不满足叠加原理。

关键词： 骨组织工程   基因治疗   磁转染   电磁场   椎间融合  

摘要： 目的:优化电磁场参数(磁场频率、磁感应强度和暴磁时间)与磁性氧化纳米颗粒浓度的组合,从而使其发挥最佳的促磁转染效应,构建具有微血管结构的组织工程化骨以促进椎间融合。 方法:本研究首先利用电磁场和聚乙烯亚胺包被的磁性氧化纳米颗粒将micro RNA-21分别转染进骨髓间充质干细胞和人脐静脉内皮细胞中。在体外,本研究采用蛋白质印记法、聚合酶链式反应、细胞免疫荧光染色、碱性磷酸酶染色和茜素红染色来评估成骨相关基因的表达;同时,本研究进行了细胞伤口愈合实验、Transwell实验、管形成实验和细胞免疫荧光染色来评估血管生成效果。本研究继而将工程化的骨髓间充质干细胞和人脐静脉内皮细胞接种到聚己内酯和羟基磷灰石混合支架上。随后,本研究构建大鼠椎间融合模型以评估植入混合支架的种子细胞的体内成骨能力。使用X射线、micro-CT和组织化学染色来观察椎间融合情况。 结果:在体外,电磁场和聚乙烯亚胺包被的磁性氧化纳米颗粒的共同刺激可以显著提高磁转染效率。将mi R-21转染进骨髓间充质干细胞和人脐静脉内皮细胞中,可引导其细胞行为以促进成骨和血管生成。在体内,上述基因编辑过的种子细胞种植在聚己内酯和羟基磷灰石混合支架上,可发展成理想化的工程化骨以实现椎间融合。 结论:本研究表明,用于将mi R-21递送至骨髓间充质干细胞和人脐静脉内皮细胞的磁转染系统可以在体内和体外显著促进成骨和血管生成,且电磁场和聚乙烯亚胺包被的磁性氧化纳米颗粒的共同刺激可以显著提高磁转染效率。而上述磁转染系统有望成为治疗各种骨科疾病的有效方法。