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关键词： 先进天基太阳天文台   硬X射线成像仪   傅立叶调制成像   准直器   数学模型   X射线束流实验  

摘要： 太阳的高能活动主要表现为受磁场驱动的太阳耀斑与日冕物质抛射,在过程中会产生大量的高能辐射与高能粒子流。这些事件是研究高能物理的天然实验室,但也随时可能威胁到地球的空间环境的安全。由于地球大气层与磁层的阻挡,它们很难在地面上进行观测。为了更好地开展对太阳高能活动的研究和空间天气的预报,紫金山天文台在第25个太阳活动周期的高峰期到来之际,领衔开展了我国首颗综合性太阳观测卫星——先进天基太阳天文台(“夸父一号”/ASO-S)的研制。ASO-S于2022年10月9日成功发射入轨,到目前为止已经正常运行一年有余。其搭载了三大科学载荷,实现了对太阳活动的“一磁两暴”,即对全日面矢量磁场、太阳耀斑和日冕物质抛射的同步观测。 作为ASO-S的三大载荷之一,硬X射线成像仪(HXI)承担了对太阳X射线辐射的观测任务,其实现了从15到284 keV(千电子伏特)能段的高时间、空间分辨率的成像观测。由于在硬X波段上无法像可见光波段上一样直接聚焦成像,HXI采用了傅立叶空间调制的方式对耀斑进行间接成像。HXI的主体结构包括准直器与量能器,其中准直器是本文主要的研究对象,其由91对子准直器组成,它们共同完成了对源的调制。量能器则记录下对应的调制结果,并在地面完成图像重建来得到源的位置信息。 目前常用的图像重建方法主要分为“基于计数”与“基于可见度”两大类,但它们都是根据每个子准直器的透过率函数(或称调制函数)来进行数学反演。因此,对子准直器调制函数的准确的测量与计算是进行图像重建的根本所在,直接关系到重建后图像的准确性。本文主要对HXI准直器的调制能力展开研究,完成了对调制函数的解析分析,制定了一套完善的调制能力测试方案,并开展了对HXI鉴定件及飞行件调制能力的测试。具体而言: 论文的第一章结合国际相关探测器的工作,介绍太阳X射线观测的相关背景;然后介绍了先进天基太阳天文台ASO-S的总体情况及HXI的结构。 第二章首先介绍HXI所使用的硬X射线空间光栅傅立叶调制成像技术的原理,然后给出目前主流的各种图像重建方法。并由此引出了 HXI成像质量与子准直器调制函数准确性的关系,介绍了本工作的重要性;最后,结合HXI所采用的调制成像原理,对HXI各子准直器在物理空间及频率空间的排布方案进行介绍。 第三章是对双光栅子准直器调制函数的数学解析建模。文章首先从近理想的光栅开始,采用类几何光学方法计算子准直器的透过率函数；然后考虑HXI的实际工作状态,将各种复杂条件逐步纳入考虑,得到了一套可用的数学模型。该模型在经过合理的简化后,可以得到适用于各种不同情形的解析结果;并且通过蒙特卡罗仿真模拟的方法确认了数学模型的准确性。 为了对HXI开展实验验证,第四章将束流实验下的光源条件纳入考虑,计算出了子准直器调制函数在实验条件下的表现形式,并据此设计了一系列的验证性实验以检验计算结果的准确性。在此基础上,初步设计出一套测试HXI准直器调制能力的方案,并在HXI的鉴定件上验证了方案的可靠性。 第五章则展示了该方案的基础上,对HXI的飞行件成功开展了全尺度端到端束流实验。通过束流实验验证了 HXI全部的91对子准直器的调制能力,并获得了大量可用于在轨定标的有效数据。基于实验结果的HXI初步定标及其效果在本章的最后展示。 第六章对本文内容进行了总结,并展望了未来新探测器的研究与测试工作,给出了进一步优化束流实验方案的一些思路。

关键词： 磁共振   密度矩阵   原子自旋极化与弛豫   动力学仿真  

摘要： 近年来,随着磁共振技术的丰富和虚拟仿真技术的不断发展,基于量子力学对磁共振系统进行动力学仿真的研究也逐渐深入,使实验操作更加简单便捷,极大的拓展了实验的可操作性,对于研究原子微观结构信息有重要意义,并广泛应用于各个研究领域。本文的主要工作是基于三能级原子系统模型,在光泵磁共振实验结果的基础之上,设计开发了一套光泵磁共振仿真软件,该软件可以模拟实验操作,还原实验环境,得到的仿真结果与实验结果保持一致,具有很强的科研价值和教学意义。 本文的研究围绕以下几个方面展开: 1.首先,理论上研究了磁共振中的原子自旋极化与弛豫过程,并构建三能级原子系统理论模型,还原了光泵磁共振实验中探测场与射频场对原子塞曼子能级的相互作用。同时搭建光泵磁共振实验平台,介绍每个设备在实验中的作用,通过透射光信号的变化分析了碱金属原子在恒定磁场与射频磁场的共同作用下的自旋极化与弛豫的过程。 2.然后,基于Simulink和App Designer软件开发了磁共振系统中自旋极化和弛豫过程动力学仿真软件,该软件包括平衡地磁场、信号发生器、探测光功率、图形显示等模块,并对各个模块与真实设备仪器进行了对比,此外还对软件开发、子系统功能、三能级密度矩阵模型的建立等进行了介绍。 3.最后,软件重点模拟铷原子在达到光抽运稳态之后,射频开关打开时的透射光信号,与真实实验得到的图像进行对比拟合程度较高,基本可以还原和解释实验,体现了仿真软件的可行性和合理性。 总之,本文搭建了光泵磁共振实验系统,实现了铷原子在磁共振系统中自旋极化和弛豫过程的动力学演化实验以及仿真软件的开发,对于理解磁共振原理和展示射频操控下的共振状态的原子的能级跃迁有一定参考价值,在科研教学中也有广泛的应用前景。

关键词： 中国聚变工程实验堆   包层维护机器人设计   模型优化   运动控制   同步控制  

摘要： 中国聚变工程实验堆(China Fusion Engineering Test Reactor,CFETR)是由中国设计和建造的托卡马克型聚变反应堆,旨在缩小国际热核聚变实验堆和核聚变示范堆之间的差距。在核聚变反应堆停堆后,CFETR真空室中的包层需要通过包层遥操作维护系统运送到热室进行下一步的维护工作。在CFETR中,单个包层模块重60 t,高7.6 m,是高重心的狭长、重载部件。现有的国内外包层维护机器人(Blanket Maintenance Robot,BMR)尚未有成熟的设计制造方案,难以满足CFETR包层的维护需求。在维护过程中,包层的特殊结构需要双BMR协同维护包层,然而如此大的负载会严重影响双BMR的同步运动精度。因此,为实现未来CFETR包层的稳定和高精度转运,论文开展BMR设计、精确建模、高精度运动控制和同步控制等关键问题的深入研究。 针对包层维护需求,基于毛毛虫通过身体弯曲-伸展产生推进力和头尾与地面分时固定以实现高效爬行的运动原理,提出了一种用于CFETR包层维护的仿生双BMR设计。双BMR由上、下BMR构成,在每个BMR中设计有锁紧模块和顶升模块分别模拟毛毛虫的头部和尾部,其中,锁紧模块设计有BMR与地面轨道的固定装置,顶升模块集成有固定装置和包层顶升装置。同时为满足机器人在重载下的维护效率,采用液压系统提供机器人在执行移动、举升等动作时的推进力。通过理论计算和仿真验证了 BMR的设计可行性,为后续的高精度建模奠定基础。 为解决BMR高度非线性非对称液压系统的高精度建模问题,提出了改进的自适应粒子群-模拟退火优化算法,辨识了系统关键参数。该算法融合自适应变异和模拟退火思想,调整粒子位置、模拟退火过程,提高了粒子跳出局部最优点的概率。根据所提速度、聚集度指数和粒子适应度等信息,自适应更新惯性权重和学习因子等算法参数,提高了算法的辨识精度。最终将参数误差下降90.5%,获得了系统关键参数的最优解,提高了数学模型精度。 为提高BMR的运动控制精度,提出了带有模糊参数调节器和深度神经网络前馈非线性模型预测控制器的设计方法。利用权重矩阵对模型预测类控制算法滚动优化过程有重要影响的特点,设计了模糊参数调节器(Fuzzy Regulator,FR)。该算法根据系统误差反馈和设计的模糊控制规则,实时自适应地调整控制器中的权重矩阵,获得了最佳控制量输出。利用深度神经网络强大的非线性建模能力,设计了系统深度神经网络前馈(Deep Neural Network Feedforward,DNNF)。该算法根据真实系统与理想系统的反馈和系统深度神经网络结构的逆模型提供抵消干扰的控制量,增强了控制器的抗干扰能力,提升了控制效果。FR和DNNF分别使系统输出的均方根误差由4.8 mm下降33.1%到3.2 mm,由2.9 mm下降48.9%到1.5 mm,显著提升了 BMR的运动控制精度。 为提高双BMR协同运动的同步控制精度,提出了带有模糊参数调节器和深度神经网络前馈非线性模型预测-交叉耦合同步控制器的设计方法。该控制器基于前述非线性模型预测控制(Nonlinear Model Predictive Control,NMPC)理论、FR和DNNF,提高了双BMR协同运动的抗干扰能力。通过融合NMPC与交叉耦合控制,引入并实时地滚动优化双BMR的交叉耦合位移误差,提高了同步精度。双BMR的最大同步误差绝对值为0.47mm,满足相关技术要求。 本研究基于毛毛虫运动的仿生原理提出了 BMR的全新设计,基于所提改进粒子群优化算法提高了机器人数学模型精度,通过改进预测控制算法和其与交叉耦合算法的融合实现了机器人的高精度运动控制和同步控制。为未来包层安全、稳定、高效的维护和转运提供了理论和应用基础,对未来CFETR实现安全、稳定运行具有重要意义。

摘要： 1945年8月，美国分别向日本广岛、长崎投掷了一颗原子弹。延安中共中央机关报《解放日报》对该事件也给予了极大关注，连续几日转发西方国家和国民党媒体渲染、夸大原子弹作用的消息。毛泽东对《解放日报》过分渲染原子弹的威力，是不以为然的，并批评了相关人员。在毛泽东看来，《解放日报》对原子弹的报道，看似对一个新式武器的报道，实则是对事件背后美国的地缘战略意图并没有一个清醒的认识。

关键词： 表面等离激元   吸收光谱   自发辐射   量子流体动力学模型   球形结构  

摘要： 金属微纳结构能将光场压缩在突破传统光学衍射极限的纳米尺度,可用来减小光学器件尺寸以及增强光与物质的相互作用等。当金属结构的尺寸减小到纳米或亚纳米尺度时,基于经典局域响应近似的模型(Local Response Approximation,LRA)可能失效,需要考虑非局域修正。硬壁流体动力学模型(Hard-wall Hydrodynamic Model,HDM)引入托马斯-费米压描述电子的非局域特性,而量子流体动力学模型(Quantum Hydrodynamic Model,QHDM)不仅能考虑量子压,还能处理电子溢出效应和朗道阻尼,是表面等离激元仿真领域的前沿方法。准正则模式(Quasi-normal Modes,QNMs)方法为微纳结构中的共振模式提供了简单清晰的物理图像。本文分别采用LRA、HDM和QHDM光响应模型,系统研究纳米球壳、双同心球壳和球形nanomatryoshkas等球形结构中的表面等离激元共振特性及其在调控自发辐射中的应用。 1.分别利用LRA、HDM和QHDM,研究厚度为0.5 nm的钠纳米球壳内外介质对其吸收光谱的影响。计算结果表明,随着壳内介电常数增加,表面等离激元共振模式红移,对低能量模式,振幅和量子效应对振幅的作用均逐渐减小,而对高能量模式,振幅和量子效应对振幅的作用都逐渐增大。随着壳外介电常数增加,表面等离激元共振模式也红移,对低能量模式,振幅和量子效应对振幅的作用逐渐增大,而对高能量模式,振幅和量子效应对振幅的作用都没有明显的变化。 2.利用QHDM,研究量子效应对双同心钠纳米球壳吸收光谱的影响,并将其与LRA和HDM进行对比。首先基于耦合模理论,研究了单壳层内外表面共振模式的耦合特性,结果表明壳层厚度和半径对共振能量有较大的影响。对双同心球壳结构,当层间距离较大时,有四个吸收峰,对两个高频吸收峰,相比于LRA,HDM急剧蓝移,而QHDM则急剧红移;当层间距离较小时,不同于LRA和HDM下的四个峰,QHDM仅有两个吸收峰,模式消失主要来源于电荷溢出导致的隧穿效应。此外,随着外壳厚度增加,LRA预测两个低能量模式蓝移,两个高能量模式红移。与LRA不同,QHDM预测最高能量模式蓝移,而HDM预测出现了更多的模式。 3.基于LRA、HDM和QHDM,系统研究金属球形nanomatryoshkas结构内外介质对其吸收光谱的影响。研究发现,金属球核的共振模式与金属外壳的两种共振模式相互作用产生新的共振模式。随着壳外介电常数增加,低能量模式与较高能量模式均红移,而最高能量模式则没有明显移动。随着壳内介电常数增加,三种能量模式均红移。 4.基于LRA、HDM和QHDM的QNMs方法,系统研究金球形nanomatryoshkas结构附近量子点的自发辐射增强特性以及整体尺寸缩放、核壳间距和壳厚度对自发辐射增强特性的影响,并关注成键偶极模式(Bonding Dipole Plasmon,BDP)变化。研究发现,金球形nanomatryoshkas结构的准正则模式是由金属核与金属壳的模式杂化而产生。LRA预测金球形nanomatryoshkas整体尺寸变化对BDP模式峰位影响很小,只影响其振幅,而HDM与QHDM预测BDP模式随着整体尺寸减小而蓝移。当核壳间距较小时,由于电子溢出,QHDM光谱中的BDP模式消失。LRA、HDM与QHDM预测随着核壳间距增大,BDP模式蓝移,共振波长变短;随着壳厚度减小,BDP模式红移,共振波长变长。