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关键词： 聚变装置   机械臂   主从遥操作   目标检测   力反馈辅助  

摘要： 聚变装置的定期检修和维护是确保其正常运行的关键。由于装置内部环境恶劣(真空、高辐射等),需要采用远程遥操作方式进行维护。目前,全自主远程遥操作受传感和控制技术的制约,短期内难以完全应用于维护中;传统主从远程遥操作使用“人在环中”的策略,维护中依赖操作人员的技能水平,存在安全性和效率低下的问题。因此,亟需更加智能、高效、稳定的聚变装置主从遥操作维护技术,作为传统主从到全自主维护的过渡。依托CMOR(中国聚变堆维护多功能重载机械臂系统),针对其末端FLMS(聚变装置轻型臂维护系统)在主从遥操作中存在的两大问题进行研究:一是非接触任务中目标接近效率低、安全性不足;二是接触任务中的装配反馈力临场感较差。为解决上述问题,论文开展了非接触任务中FLMS目标检测定位算法、主端力辅助控制策略、精确从端机械臂避障以及接触性任务中的高保真装配反馈力方法研究,主要研究内容如下: (1)为解决FLMS非接触性主从遥操作系统在操作中的目标检测定位问题,提出一种轻量化高精度的目标检测算法。该方法建立以YOLOv5s为基础的目标检测框架。针对遥操作维护系统对检测网络计算资源占用率低、检测精度高的要求,采用深度可分离卷积的轻量化C3Ghost模块代替原Neck层中的C3模块,完成了网络轻量化的改进;引入高效推理的Sim SPPF模块,提高模型前向传播速度;引入高宽比解耦的EIOU边框回归损失函数,提高目标定位精度。基于上述方法,完成轻量化高精度的目标检测定位算法GSE-YOLOv5 s构建。在测试集上进行验证表明,相较于原始YOLOv5s,GSE-YOLOv5网络参数量减少了13.8%,检测精度提升了1.4%。检测实验表明GSE-YOLOv5降低了目标漏检率和误检率。 (2)为解决FLMS非接触性主从遥操作主端无辅助的低效操作问题,提出了一种视觉力辅助策略,提高主端操作效率。该策略首先通过几何法和MDH法分别建立了主从端的运动学模型。随后,利用蒙特卡洛方法对主从端的可达空间进行分析,并据此设计了两种适应非接触性和接触性操作的异构主从遥操作控制方法。进一步地,采用了深度视觉检测与人工势场技术的结合,完成主端辅助力模型的构建了。在此基础上,遵循手眼一致性原则,结合张正友法和Tsai法,建立了从端辅助力到主端辅助力的映射规则。最后,构建了一套完整的主端视觉力辅助控制框架。为了验证该框架的稳定性,构建了李雅普诺夫函数,并证明了在主端视觉力辅助控制下,系统能够实现渐进稳定。 (3)为解决FLMS非接触性精确主从遥操作从端无自主避障的问题,开发了一种基于非线性模型预测控制(NMPC)的精确从端辅助避障控制器。首先,分析了从端系统在维护任务中的同时满足从端跟随主端指令的轨迹跟踪与避障的多任务特性,构建了一个包含自定义权重的目标函数。使用球与圆柱体包络从端对象,定义碰撞约束,并采用并行算法实现了避障问题的实时求解。为了增强从端被控系统的建模精度,建立了一个包含七个方程和七个未知数的双臂标定模型。然后,提出了一种结合Gr(?)bner基和Levenberg-Marquardt算法的双臂标定求解方法。通过Gr(?)bner基法筛选出平均标定误差最小的初始解,提高了非线性最小二乘法在求解双臂标定问题时的收敛速度和求解数值稳定性。最后,在精确的标定算法和智能NMPC控制器的协同作用下,从端系统能够自主避障,提升了从端系统的智能性和鲁棒性。 (4)为解决FLMS接触性主从遥操作装配中力反馈的临场感差问题,建立了一套高保真的主从力反馈装配模型框架。首先,基于最小二乘法,完成了真实反馈力耦合参数的辨识。基于辨识参数,完成了反馈力补偿算法的构建。然后,提出了一种非凸形状模块化网格构建方法,提高了虚拟场景中的非凸面体碰撞网格精度,为虚拟场景提供真实反馈力奠定基础。最后,以聚变维护中典型的轴孔装配任务为背景,完成了模拟主从虚拟装配系统的构建。实验结果表明:力反馈补偿算法的实时性和鲁棒性满足装配任务需求,模拟轴孔装配具有较好的临场感。 (5)为验证以上方法在FLMS主从遥操作系统中的应用效果。首先,构建了基于GSE-YOLOv5的实时定位检测系统,验证了在不同维护工况下,算法满足高精度与实时性检测需求。然后,搭建了视觉力辅助主从遥操作平台,进行了有/无力辅助情况下的主从遥操作指定目标接近实验,结果表明:相比无力辅助操作,视觉力辅助下的主端操作效率提高了近一倍。开展双臂标定实验,通过激光跟踪仪完成双臂末端位姿的采集,利用标定算法求解出双臂基座间相对位姿残差降小于1.5mm。基于标定结果搭建了从端系统模型。在主端辅助力操作下,进行了从端执行臂快速接近期望位置实验,整个过程,执行臂与辅助臂都能规划最优无碰撞轨迹。最后,搭建了实际轴孔装配平台,通过完成多组轴孔装配任务,验证了虚拟场景与实际场景

关键词： 闪烁体   水热法   表面活性剂   XEOL  

摘要： 随着中国经济和工业化的不断发展,人民的生活质量得到了显著提高,但同时也带来了一个不容忽视的问题——癌症发病率的持续上升。2020年,中国癌症发病率与死亡率占全球的23.7%和30%,均位居世界第一。在癌症检查领域,以X射线计算机断层成像（X-ray computed tomography,X-CT）为代表的医学影像设备对癌症的诊断起着关键的作用。然而,我国的高端医学影像设备及关键零部件目前主要依赖进口,是被“卡脖子”的35项技术之一。闪烁体作为医学影像设备中间接型X射线探测器的核心元件,其性能直接决定了探测器的灵敏度与影像设备的成像质量。因此,制备高性能的闪烁体对实现医学影像设备的国产化至关重要。高性能意味着闪烁体需具备高的X射线激发光学发光（X-ray excited optical luminescence,XEOL）强度,这对闪烁体材料的研发提出了巨大的挑战。在众多的闪烁体材料中,镧系离子掺杂的氟化物以其声子能量低、发光效率高、毒性小等特点而被广泛的关注,相关研究表明其具有优异的XEOL性能,是一种理想的闪烁体材料。 本研究采用水热法制备了Ba Lu F5:Pr、Cs Lu2F7:Pr和β-Na Lu F4:Pr三种氟化物闪烁体材料。探究了水热反应温度和时间、表面活性剂种类及其摩尔量对所合成晶体颗粒形貌的影响;研究发现,调节十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）的摩尔量可改变其在反应溶液中所生成胶束的形状,从而使Cs Lu2F7:Pr晶体从六边形板转变为多面体;在X射线激发下,三种闪烁体均因Pr3+离子的4f-4f能级跃迁而产生XEOL发射;关闭X射线后,闪烁体均出现微弱的余辉发射;进一步对闪烁体的XEOL光谱进行了调控,确定了使闪烁体XEOL强度达到最佳时的反应温度、反应时间、表面活性剂种类及其摩尔量以及Pr3+离子的掺杂浓度;分别对三种闪烁体进行了稳定性测试以表征其正磁滞效应以及抗辐射损伤性能。此外,还将上述三种闪烁体的XEOL光谱与商用闪烁体Bi4Ge3O12（BGO）进行了对比,对比结果显示:Cs Lu2F7:Pr和β-Na Lu F4:Pr的XEOL强度分别约为BGO晶体的1.29和6.1倍,有望在X-CT成像领域得到应用。

关键词： 化妆品   禁用原料   抗生素检测   三维荧光光谱法   支持向量机  

摘要： 随着智能产业、数字经济的蓬勃发展，化妆品的销售渠道日益多样化，针对不同皮肤问题的化妆品种类日益丰富，给化妆品质量监管带来了挑战。在化妆品种类和功效增加的同时，化妆品质量安全问题也引起了广泛关注。抗生素作为《化妆品安全技术规范》内的禁用添加物质，长期使用轻则皮肤敏感红肿，严重时会导致人体耐药性增加，影响身体健康。本文采用三维荧光光谱法结合优化支持向量机对化妆品中的几种禁用抗生素原料进行了定性、定量分析。　　本文主要研究内容如下：　　（1）研究了荧光产生的机制和特性，介绍了三维荧光光谱技术原理，通过分析恩诺沙星(ENR)、环丙沙星(CIP)和氧氟沙星(OFLX)三种抗生素的结构特点，确认三种抗生素可以采取三维荧光光谱法进行检测;采用FLS1000光谱仪对ENR、CIP和OFLX三种抗生素进行检测，为后续工作做好铺垫。　　（2）设计了单组份与多组分抗生素荧光光谱实验，并分析荧光光谱特性。采用Delaunay三角形内插值法和Savitzky-Golay多项式曲面平滑法去除散射和噪声对三种抗生素光谱数据的影响，减小后续数据处理的误差。　　（3）为实现混合组分抗生素的准确识别，分别采用鸡群优化算法(CSO)和鸟群算法(BSA)优化支持向量机完成对混合组分抗生素荧光光谱数据的分析，结果证明CSO-SVM算法更适用于混合组分抗生素的定性检测。　　（4）设计三组化妆品分别加标恩诺沙星、环丙沙星和氧氟沙星三种抗生素，分析光谱特性，对化妆品中的抗生素进行定量分析。首先采用人工蜂群算法(ABC)、鸡群优化算法(CSO)和差分优化算法(DE)优化支持向量机对双组分和三组分混合溶液中的恩诺沙星进行定量检测，证明ABC-SVM算法的优越性。使用ABC-SVM、CSO-SVM以及DE-SVM对三组化妆品背景中的抗生素进行定量检测，实验结果表明，即使在化妆品背景干扰下，三维荧光光谱技术结合ABC-SVM算法仍能够实现对抗生素的准确定量检测。

关键词： 真空钎焊   真空扩散焊   钨/钢连接   纯Cu中间层  

摘要： 第一壁钨与低活化铁素体/马氏体钢之间可靠的连接技术是氚增殖包层模块加工的关键。但由于钨/钢的熔点、线膨胀系数等物理属性差异巨大,直接连接会在焊缝处产生较高的残余应力以及可能生成脆性相,而使接头弱化、甚至开裂。本文通过添加高纯无氧铜中间层来缓释界面的残余应力以及隔绝界面反应,分别采用真空钎焊和真空扩散焊的方法实现钨/钢的间接连接。 首先,为探索和优化钎焊工艺参数,以T91/Cu/T91钎焊接头作为前期研究对象。通过统计接头界面缺陷率,测试低缺陷率接头连接强度,分析界面缺陷形成机制,讨论液态钎料的过度流动、T91基体的溶解以及钎料合金元素迁移等界面反应的强度,分别研究了钎料类型、钎焊温度、钎料厚度以及钢基体表面处理等钎焊参数对接头质量和性能的影响。在解决钎料过度流动和界面缺陷的基础上,筛选出优化后的钎焊参数为:1 mm Cu Mn Ni钎料和975℃钎焊温度。采用优化后的钎焊参数成功连接W/Cu片与T91钢,制备了剪切强度为235 MPa的W/Cu/T91小尺寸模块。并在焊后通过回火处理尝试恢复T91钢的组织和硬度。 其次,为降低连接部件的活化水平,将纯Cu层由1 mm减薄至0.1 mm或0.2mm,T91钢替换为RAFM钢。采用优化后的钎焊参数制备了界面连接良好的RAFM/Cu/RAFM钎焊接头,并系统分析了接头界面结构和力学性能。当纯Cu中间层减薄后,界面附近熔体合金层的存在和钎料合金的强大约束是接头强度显著提高的原因。在此研究基础上,将W/Cu片(0.1 mm Cu)与RAFM钢成功连接,制备了剪切强度为321 MPa的W/Cu/RAFM小尺寸模块。焊后通过回火处理尝试恢复RAFM钢组织和硬度,并证实了焊后炉冷钢材中存在对性能不利的铁素体相。 最后,采用真空扩散焊的方法实现W/Cu片与RAFM钢的可靠连接。扩散焊界面未发现裂纹、孔洞等缺陷,且在界面附近存在“不对称扩散”现象。接头力学性能分析表明:铜基固溶体对纯Cu产生的固溶强化效应使得靠近界面附近的纯Cu硬度显著提高;W/Cu/RAFM扩散焊接头剪切强度为235 MPa,且接头剪切破坏方式为纯剪切(滑断)和微孔聚集性断裂的混合断裂。焊后热处理实验表明:通过焊后正火和回火的二次热处理可以使RAFM钢组织和硬度恢复至初始状态,但在回火阶段释放的大量残余应力会使接头部分界面出现微小裂纹。 综上,本文以包层第一壁钨/钢连接的工程需求为导向,系统探索和优化了真空钎焊工艺,并利用技术上成熟的真空扩散焊实现钨与RAFM钢的可靠连接。

关键词： B介子衰变   准两体衰变   衰变分支比   微扰QCD因子化方法  

摘要： 当前,高能物理实验研究和国际粒子物理理论研究正处于蓬勃发展的黄金阶段。标准模型依旧熠熠发光,奇特强子态初露锋芒,“新物理”迹象潜流涌动,诸多热门的研究课题吸引着国内外粒子物理研究者的目光。随着重味物理研究的显著进展,特别是在B介子工厂和其他相关实验合作组的推动下,B介子相关课题已成为粒子物理领域中备受关注的研究课题。深入研究B介子衰变利于探索弱相互作用的本质,揭示CP破坏现象的奥秘,验证粒子物理标准模型。近年来的实验探测积累了大量B介子三体衰变的数据,为探究强子的内部结构及相关QCD动力学提供了有力支持。 B介子三体衰变是强、弱相互作用性质的优质研究场所,可同时存在共振态贡献与非共振态贡献、末态相互作用以及其他复杂的相互作用,通常比两体衰变过程更为复杂。借助Isobar模型,通常忽略末态粒子三体效应和再散射的影响,从总衰变振幅中提取出共振态的贡献,在准两体框架内探讨B介子三体衰变的问题。在本论文中,我们将采用微扰QCD(PQCD)因子化方法研究B介子的一些准两体非轻衰变过程。本论文的第一、二章首先阐述了粒子物理的基础知识和B介子物理的相关理论。在论文的重点部分(第三、四章),我们对B→D(*)ρ(770,1450)→D(*)ωπ和B→DK*(892,1410,1680)→DKh衰变过程做了系统地研究,计算了相关衰变道的分支比,给出必要的唯象分析,得到如下结果: (1)结合类时形状因子Fωπ(s)的参数gρωπ和A1,我们在理论上首次预言与B→ D(*)ρ(770,1450)→D(*)ωπ相关的12个衰变道的分支比和纵向极化分数,衰变分支比的数量级为10-3,LHCb和Belle-Ⅱ实验组能够探测到相关的衰变过程。 (2)在衰变过程Bs0—→Ds*-ρ(770)+中,纵向极化分数ΓL/Γ会随着ωπ+系统的不变质量(?)的增加而下降。通过测量ГL/Γ随(?)的变化,能够验证因子化假设的有效性,进一步揭示衰变过程的本质。 (3)由于ωπ+介子对的阈值和共振态相空间的限制,ρ(770)+在强衰变过程ρ(770)+→ωπ+中无法完全展示特性,对相应B介子三体衰变道的总分支比呈现出虚贡献,通过研究其衰变产物ωπ系统的衰变行为可以确定相关共振态的量子数。 (4)相空间效应和η-η'介子混合效应对三体衰变B→DKh(h=π,η,η')产生显著影响,强衰变过程K*(892,1410)→Kη与相应的B→DK*→DKη'衰变过程相比,其分比例明显小于1/102,与B→DK*→DKπ过程相比也不超过1/103。 (5)共振态K*(892)在衰变过程B→DK*(892)→DKη(')中也呈现为虚束缚态,虽然K*(892)的性质在衰变过程中无法充分展现,但可以通过考察衰变产物的量子数来确定共振态的信息。以Kη为例,可以通过研究CKM矩阵元和强耦合常数等物理量,揭晓共振态K*(892)的特性。类似的分析也适用于衰变过程K*(1410)→Kη'。 在第五章中,我们简要回顾了全文的主要内容,并对B介子物理和PQCD方法未来的发展进行了展望。随着实验探测和理论方法的不断创新与突破,B介子物理领域将保持弦歌不辍、赓续千载的发展势头,让我们拭目以待,共同见证。

关键词： 非饱和土体   Van Genuchten模型   降水分析   群井降水优化  

摘要： 群井降水是地下工程中常用的降水方式,对群井降水进行分析及优化在工程中尤为重要。目前,群井降水的计算通常忽略土体的非饱和性,计算结果往往与实际工程有一定差异。本文依托北京市某地铁车站的群井降水施工项目,深入研究考虑土体非饱和性的降水机理,提出一种降水过程中考虑土体非饱和性的计算方法,并验证了该方法在实际应用时的准确性。主要研究成果如下: (1)基于三维有限元模拟,对不同土体的降水规律进行分析。结果表明,降水过程中是否考虑土体非饱和性的计算结果有一定差异。考虑土体非饱和性计算的水位降深较大。控制单井抽水速率相同的条件下,不同土体降水引起的水头变化和地层沉降存在显著差异。考虑土体非饱和性时,基质吸力较大的土体,降水后的水位降深较小。 (2)基于正交试验和三维有限元模拟,对考虑土体非饱和性时水位降深的参数敏感度进行分析。结果表明,考虑土体非饱和性时水位降深的参数敏感度大小顺序为:水力传导率k>土壤水分特征曲线的形状系数n>尺度参数α。 (3)基于三维有限元模拟,对地铁区间群井降水不同计算方法的准确性进行研究。结果表明,由于实际降水过程中存在非饱和土体,因此考虑土体非饱和性所得到的水位降深以及地表沉降的模拟结果与实测数据更为吻合。相较于忽略土体非饱和性的计算方法,考虑土体非饱和性的计算方法能够提高计算的精确性。 (4)基于三维有限元模拟,对群井降水引起邻近建筑的不均匀沉降进行研究。结果表明,随着建筑物与降水井距离增大,建筑的不均匀沉降减小;降水井的抽水流量与建筑的最大不均匀沉降量呈线性关系;随着降水井的井间距增大,最大水位降深减小,建筑的最大不均匀沉降量减小,但井间距与建筑的最大不均匀沉降量无线性关系。 (5)基于目标函数法,以总抽水量最小为目标,以联络通道中心线的水位降深为约束条件,对地铁区间降水工程中的降水井布置优化方案进行研究。结果表明,采用优化方案进行优化后,能够在保证水位降深满足工程要求的条件下减少15口降水井,且邻近建筑的不均匀沉降量减小。