透射电镜表征晶体结构的程序设计原理

表征晶体结构是透射电镜(TEM)的常规分析工作.文章介绍了在透射电子衍射方法下任意单晶体结构与衍射花样之间的关系.为了简化仪器操作和透射电子衍射数据分析,根据前述晶体结构与衍射花样的关系运用Python计算机语言设计智能化采集单晶透射电子衍射数据的操作系统和衍射数据分析程序.介绍了分析程序的主要功能,软件根据输入实际的TEM衍射花样计算出晶体结构、晶胞参数及衍射晶面指数.另外,软件还可以计算出任意晶体在某一取向下的衍射花样特征,例如计算了立方、四方、正交、六方和菱方晶系单晶在基本晶带轴下衍射花样特征.结果为材料研究者表征单晶结构提供了参考或有用的工具.

乏燃料棒M5锆合金包壳的透射电镜分析

压水堆燃料元件的锆合金包壳,在服役期间会经受高中子注量辐照,其微观组织将发生很大变化,从而影响其宏观性能,因此锆合金包壳的中子辐照行为研究一直是核领域的研究重点。但由于材料经中子辐照后具有较强的放射性,相关的实验必须在热室内进行,因此针对辐照后燃料包壳微观组织的研究也一直是工作的难点。本文在中国原子能科学研究院热室设施上,通过透射电镜分析手段,研究了M5锆合金包壳材料中子辐照后的微观组织。样品来源于国内商业压水堆AFA3G型乏燃料棒,其燃耗分别为14 GW·d/tU和41 GW·d/tU。从燃料棒上截取长度约10 mm的包壳样品,在热室内完成去芯块与化学清洗,获得空包壳样品,然后通过机械制样方法,制备出?3 mm薄片状包壳基体样品,最后采用电解双喷减薄方法,制备出包壳透射电镜观察分析样品。另外,为对比锆包壳辐照后的组织变化,采用同样方法制备了相同材料的冷态观察分析样品。冷态样品与辐照样品的观察分析结果表明:冷态Zr合金包壳基体组织内部存在原生的第二相粒子,基体内部整体较为干净,纳米析出相稀少,未观察到明显的位错结构;辐照后,基体内原生的第二相粒子尺寸和分布与冷态样品差异不明显,但出现了明显的纳米析出相和高密度位错组织;随着燃耗的增加,纳米析出相尺寸有增加的现象;低燃耗与高燃耗样品位错组织具有相似性,表明在14 GW·d/tU燃耗下,锆合金包壳内由辐照产生的位错组织已基本趋于饱和状态;电子选取衍射结果表明,辐照后,基体内原生的第二相粒子虽存在一些非晶组织,但仍以bcc晶体结构为主,表明在41 GW·d/tU燃耗下,第二相粒子保持了一定的辐照稳定性;另外,第二相的EDS结果表明,随着燃耗的增加,Nb元素的含量有贫化趋势;分析认为,Zr合金经中子辐照,第二相粒子中的Nb原子扩展至Zr基体内,将促进Nb元素以纳米富Nb相形式在Zr基体中析出。

快速射电暴观测数据干扰缓解方法研究

从海量的天文观测数据中快速搜寻罕见的快速射电暴(Fast Radio Burst,FRB)事件,干扰缓解是其中一项关键而具有挑战的工作.射频干扰(Radio Frequency Interference,RFI)会淹没真实的天文事件,还会导致搜寻管线输出大量的假阳性候选体.由于干扰来源及其种类的复杂性,目前并没有一种通用的方法可以解决这个问题.为了降低干扰对FRB观测搜寻的影响,分析和研究了南山26m射电望远镜L波段观测数据中的干扰情况,针对主要的窄带干扰和宽带干扰建立了3层次的干扰缓解处理流程,从而有效缓解了观测数据的干扰污染情况.将该流程嵌入到FRB色散动态谱搜寻(Dispersed Dynamic Spectra Search,DDSS)管线中,实验结果表明,搜寻管线的检测率和检测精度得到了进一步的提高.该方法为FRB观测数据干扰缓解处理提供了有价值的参考.

明安图射电频谱日像仪图像的强度定标方法

明安图射电频谱日像仪(Mingantu Spectral Radioheliograph,MUSER)能够在0.4–15 GHz超宽频带内实现高时间、高空间、高频率分辨率的太阳射电成像.而射电亮温度是描述太阳物理过程的一个重要的参数,在研究不同射电辐射机制、太阳磁场以及太阳爆发过程中非热粒子加速等问题上有着非常重要的作用,因此必须对MUSER观测的图像进行亮温度定标.将介绍一种适用于射电日像仪图像强度定标的方法.太阳射电图像中包含着太阳圆盘的结构信息,利用射电日像仪短基线的可视度函数拟合第一类贝塞尔函数,可以得到图像中宁静太阳圆盘的射电半径和强度,再利用瑞利-金斯定律和每天的太阳射电流量可以计算得到每天图像的定标因子Gc,从而实现对MUSER图像强度的定标.将该方法应用到MUSER的实际观测数据中,包括宁静太阳和有太阳射电爆发等不同的情况,Gc的误差基本不超过10%,得到的宁静太阳亮温度与其他宁静太阳的结果具有较高的相关性,表明了此方法的可行性和有效性.

我国高频射电天文和南极天文的开拓者——中国科学院紫金山天文台南极天文和射电天文研究部巡礼

中国科学院紫金山天文台南极天文和射电天文研究部目前由1个实验室(毫米波和亚毫米波技术实验室),1个野外观测站(青海观测站),1个研究中心(南极天文中心)和5个研究团组(分子云与恒星形成、银河系气体分布与性质、星系宇宙学和暗能量、大视场巡天科学和高能时域天文)组成,同时深度参与南极冰穹A昆仑站天文台、青海冷湖观测基地和雪山牧场观测基地的规划和建设。

子午工程二期宽波段太阳射电频谱监测

为实现太阳射电的全波段观测,子午工程二期太阳-行星际监测链分系统将建设4套太阳射电频谱仪,覆盖十米波-米波-分米波-厘米波波段,将为太阳物理和空间天气研究和业务提供可靠的数据支撑.文中介绍了全波段射电频谱仪的系统构成和主要技术参数,对数据产品和定标过程进行了描述.

射电望远镜基于座架温度的热致指向误差建模

温度是影响高频大型射电望远镜性能的关键因素之一。以天马望远镜(TMRT)为例,研究了座架节点温度与天线指向之间的关系,提出了基于节点温度的指向误差修正模型构建方法。将指向误差视为座架节点温度的线性组合,以节点的温度灵敏度作为特征条件优化自变量的个数,将北极附近源2344+8226的指向测试结果作为样本集,与自变量简化前后的温度模型的效果进行对比。同时,这两种温度模型也进行了有限元分析验证,模型计算和有限元分析结果都与样本集相吻合。为了验证模型的通用性,对比分析了模型简化前后在4个季度的表现,结果表明简化后的温度模型预测效果更佳。建立的基于节点温度的指向误差修正模型的快速计算结果,也为座架热致指向误差实时修正提供数据支持。

大型射电望远镜主反射面调整方法研究

随着毫米波天文学和空间通信的重要性日益提高,对天线性能提出了越来越高的要求,而天线性能往往受到其反射器表面精度的限制.微波全息技术是一种快速有效的检测反射面天线表面轮廓的测量技术.通过微波全息测量得到天线口径场,计算天马65m射电望远镜反射面与理想抛物面的偏差.天马65m射电望远镜的主反射面板是放射状的,有14圈.面板的每个角都固定在面板下方促动器的螺栓上进行上下移动,且相邻面板交点处的拐角共用一个促动器.采用平面拟合的方法可以计算各块面板拐角处的调整值,但是同一个促动器会得到4个不同的调整量.通过平面拟合,同时以天线照明函数为权重的平差计算方法得到相邻面板拐角的一个平差值,即天马65m射电望远镜1104个促动器的最佳调整值.通过多次调整和新算法的应用,天马65m射电望远镜反射面的面形精度逐渐提高到了0.24mm.

面向新疆奇台110 m射电望远镜宽带双极化Vivaldi馈源设计

射电望远镜一般要在宽频段内进行连续观测,但传统相控阵天线设计方法难以兼顾宽频带和大角度扫描特性.紧耦合天线的设计方法为宽带大角度扫描天线提供了新的设计思路,基于此设计了一款宽带双极化Vivaldi相控阵馈源.首先结合Wheeler提出的连续电流片概念及等效电路对紧耦合原理进行理论分析,然后针对Vivaldi天线分析了阵元间的强耦合能够有效拓展天线的工作带宽.在此基础上设计了一款宽带Vivaldi相控阵馈源.馈源阵列由8×9 Vivaldi天线阵元组成,该阵列的工作带宽为2-8GHz,并且能够在E面和H面均实现±45∘的扫描特性.最后对该馈源阵列进行了样机加工和测试,测试结果与仿真结果具有较好的一致性.

金属诱导晶化(MIC)模式非晶晶化的原位透射电子显微学研究

非晶晶化作为一种制备晶体材料的有效方法已得到广泛应用,近年来,采用金属诱导晶化(metal induced crystallization,MIC)法显著降低材料的晶化温度引起了研究者们的兴趣。为探究MIC模式下温度对金属催化剂扩散行为及晶化过程中材料结构变化的本征影响,本研究以金属Pt诱导非晶硅晶化为例,采用透射电镜结合原位热学研究方法,在原子尺度上直接观察MIC模式下非晶硅的晶化过程。结果显示在550℃下Pt/Si界面处产生了硅化物Pt_(2)Si等化合物,使得材料界面处出现明显的结构变化。而当温度升高至650℃时,Pt会以颗粒移动的形式发生扩散,且扩散过程中会发生明显的几何结构变化。Pt与非晶硅不同的扩散速度会导致界面处出现柯肯达尔孔洞而阻碍界面处两种材料的进一步扩散。当温度升高至700℃时,非晶硅发生晶化,且在此过程中Pt对非晶硅的晶化起了促进作用。

大型射电望远镜日照热误差及其补偿的仿真研究

射电望远镜广泛应用于射电天文、测控导航等领域,随着其工作频率的升高、口径的增大,日照引起的结构热变形对其性能的影响愈发严重;本文针对待建的新疆110 m口径射电望远镜,建立了其日照热力耦合模型,分析了天线在不同时刻、风速及姿态下的温度、变形情况,总结了结构日照温度场、变形场的时空分布特征,最后采用最佳吻合抛物面方法对反射面精度进行了评价,并通过副反射面位置补偿量的变化趋势揭示了天线热变形的共性规律及机理。结果表明:对于日照引起的天线热变形误差,风速越大,结构温度分布越均匀,其越接近等温膨胀变形,反射面形状精度越高;温差引起的结构不均匀变形是反射面精度下降的主要原因,温差越大结构的不均匀变形越大,反射面的形状精度越低;同一姿态不同风速下反射面热误差空间分布具有相似性,该分布与太阳直射点位置直接相关,且会跟随直射点位置发生变化,但由于日照强度、风速等因素的不同,其变形幅度不同。各种姿态下反射面精度变化规律相似,与风速的相关性均为反射面精度随风速上升而提高;采用副反射面位置补偿技术可明显缓解日照热误差影响。本文的分析方法与结论对大口径全可动射电望远镜的设计建造及其热误差控制具有一定参考价值。

太阳高能粒子强度与日冕物质抛射及其Ⅱ型射电暴的关系

本文选取了第24太阳活动周2010年1月至2014年9月期间的快速、大角宽日冕物质抛射(CME)事件,结合不同约束条件下Richardson(2014)太阳高能粒子(SEP)强度经验模型输出结果,分析了CME属性、先行CME(pre-CME)、Ⅱ型射电暴等观测特征对SEP强度的影响,探讨了SEP事件的产生及其强度与这些特征的关系.主要结论如下:1)快速CME前13 h内是否存在pre-CME对模型预测效果和快速CME是否产生SEP事件有明显影响,但pre-CME的数量对模型输出结果没有明显改善.2)相比于无Ⅱ型射电暴伴随的快速CME而言,伴随Ⅱ型射电暴的CME爆发产生SEP事件的误报占比明显更低(42%),以此为约束条件,可更加突显大SEP事件(如峰值≥0.01 pfu/Me V)的模型预测值与观测值的关联;如果考虑射电增强,则SEP事件的误报占比可进一步下降至29.4%,模型预测效果显著提升.3)Ⅱ型射电暴的起始频率和结束频率对误报占比的影响不大,以此作为条件约束对模型预测效果提升不明显.4)如考虑Ⅱ型射电暴的细分类型作为模型约束条件,伴随多波段Ⅱ型射电暴的CME比单一波段事件具有更好的模型预测效果,如m-DH-kmⅡ型射电暴事件,具有较低的误报占比(35.4%),准确率较高.研究结果显示,除了CME的速度和角宽参数外,pre-CME、Ⅱ型射电暴及其增强、多波段类型等特征作为CME产生SEP事件的约束条件,SEP预测强度与观测强度具有较好的一致性,可以获得较优的模型预测效果.这也进一步表明了伴随有pre-CME、多波段Ⅱ型射电暴及其增强的快速大角宽CME更容易产生SEP事件,这些特征可作为SEP-rich类CME的辨别信号.

环境透射电镜中电子束活化气体在材料表面改性方面的机理及应用研究

随着原位透射电子显微技术的不断发展与成熟,在近使役环境中对材料进行高空间与高时间分辨率下的研究得以广泛开展。而环境透射电镜(Environmental transmission electron microscope,E⁃TEM)与材料真实服役环境的一个重要区别在于所引入的环境气氛和样品材料本身都不可避免地受到电子束辐照的影响,因此多数研究都聚焦在如何降低或消除电子束辐照对研究结果的负面干扰。但实际上E⁃TEM中高能电子束可以起到较强的“催化”作用,从而激发出一些原本只有在苛刻条件下才能出现的现象或反应,助力材料改性、新材料合成及相应的微观反应机理的原位研究。本文以近几年作者所在研究团队及合作者利用E⁃TEM中电子束活化CO_(2)和H2气体分子在提升活泼金属耐蚀性、稳定性、辅助陶瓷的室温焊接及样品表面原位清洁等方面的具体应用为例,对电子束促进气固反应、改性材料表面及相关机理进行了介绍,并结合相关实验研究提出了固体表面吸附对电子束诱导气体活化过程的关键作用,更新了之前人们对电子束是通过提高游离态气体反应活性影响气-固间相互作用的认知。

基于容器化的快速射电暴搜寻GPU并行优化

【应用背景】快速射电暴(Fast Radio Burst,FRB)搜寻是500米口径球面射电望远镜(FAST)的重要科学目标之一,其计算复杂度高,数据量大,当前算法GPU利用率偏低,数据处理需较多的人工介入操作。【目的】在不修改算法实现的前提下,实现进程级GPU并行优化,提高GPU整体资源利用率,简化算法运行调度,支持利用自动化脚本驱动计算过程。【方法】利用容器化封装FRB搜寻算法,结合GPU聚合技术实现多个FRB搜寻计算容器的多进程并行,支持GPU闲时复用。通过容器化封装屏蔽了GPU调用、依赖库管理等技术细节,减少人工介入操作。【结果】算法实验结果表明,在不修改原始算法、不增加GPU资源的前提下,将单GPU绑定6个计算进程,并行优化可实现FRB搜寻算法的加速比达到5.3,并行效率达到0.88,取得良好的并行效果。【结论】基于容器化封装及进程级GPU聚合的并行优化,可实现GPU利用率及计算效率的提升,有效支持自动化处理。该方法还具有良好的通用性,可适用于类似应用的并行优化。

透射电镜在本科实验教学中的应用

透射电镜是一种电子光学仪器,用来观察生物组织、细胞以及细胞器的超微结构,具有高分辨率、高放大倍数和直观性等特点,适用于生物、化学、材料等很多领域。以玉米“登海605”为实验材料,在本科生实验教学中利用透射电镜观察玉米叶片细胞中叶绿体的超微结构,要求学生掌握透射电镜的原理、样品制备及使用方法,更好地了解透射电镜在生物、材料等学科中的应用,培养学生理论知识与实际应用相结合的能力。

JEM-2100透射电镜像散调整经验总结

JEM-2100透射电镜拍摄清晰的照片需要对像散认真调整,像散是由光束经透镜折射后,光束不能聚焦于一点而形成的。由于像散是难以消除的,只能尽量减少,而且像散调节需要按照一定的步骤和要求进行,本文对像散调节的基本方法和要求进行了总结。

射电望远镜跟踪系统的研究

大型射电望远镜在选址、安装和校正方面要求比较高,随着天文爱好者越来越多,市场上需求越来越多的是小型的家用射电望远镜。大部分射电望远镜跟踪装置采用伺服电机驱动,然而伺服电机价格昂贵,因此,在实验室射电频谱仪的基础上,为了降低成本,选用价格相对便宜的改进直流电机驱动射电望远镜进行方位和俯仰转动,选用设计简单、运行可靠的MSP430F169单片机实现对射电望远镜的转动控制和数据信息采集。经过实验室大量实验调试,该系统工作稳定,可以达到设计目标。

奇台低频射电阵列在18~50 MHz首次探测到Ⅱ型射电暴

Ⅱ型射电暴是日冕物质抛射(Coronal Mass Ejections, CME)的最佳示踪器,当日冕物质抛射的速度超过本地阿尔芬速度时,会产生日冕激波或行星际激波,并对地球的磁层产生十分剧烈的影响,在射电波段观测到Ⅱ型射电暴也就意味着观测到了日冕激波,预测激波到达地球的时间,是空间天气预报的重要内容之一。2021年9月28日06:20 UT左右,奇台低频射电阵列(Qitai Low-Frequency Radio Array, Qitai LFRA)首次探测到一次Ⅱ型射电暴爆发事件,频率覆盖范围为18~50 MHz,持续时间10多分钟。由于在极低频(<40 MHz)频段还没有进行过具有有效空间分辨率的观测,未来在这个频段发现未知现象的可能性极大。观测结果表明,奇台低频射电阵列性能良好(增益典型值6 dBi)、灵敏度高(-78 dBm/125 kHz,动态范围72 dB),可以在25周太阳活动峰年发挥独特作用。

10~50MHz地基低频射电天文数字接收机及上位机软件研制

低频段(<50 MHz)射电观测,是研究射电爆发、恒星形成、宇宙初期状态的重要手段,而我国对该频段相关仪器研究较少.本文从关键器件选型、仿真与设计、接口和通讯、功能模块等方面,对组成地基低频射电观测系统的核心部件——数字接收机与上位机软件进行论述.数字接收机由采集卡和工控机构成,采集卡配置包含AD9265芯片和K7系列现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA).数字接收机探测频率覆盖1~62.5 MHz,接收功率范围-78~-6 dBm,拥有先进的频率分辨率(15.3 kHz)和时间分辨率(0.5~32 ms).为满足射电观测显示与存储需求,研发了具有针对性的上位机软件解决方案.软件支持高速串行计算机扩展总线标准(Peripheral Component Interconnect express, PCIe)数据传输协议,支持实时频谱显示、数据存储和交互操作,具有全频带内强度图显示与图像自动保存功能.自主研制的数字接收机与上位机软件已成功应用于新疆奇台观测站低频(10~50 MHz)射电观测设备,该设备自2021年6月投入运行,捕获多次太阳射电暴事件.将观测结果与澳大利亚Learmonth观测设备对比分析,结果表明,新疆奇台站低频射电观测系统探测精度更为精细、探测频率更低,性能指标位于国际前列.系统后期可开展星-地协同观测,推动我国低频段射电研究.

太阳射电爆发干扰导航通信机理及影响表征分析

太阳射电爆发是一种潜在的导航系统干扰因素。通过导航信号模型推导,分析了其干扰导航信号的机理,提出太阳射电爆发干扰导航通信的影响方程与太阳射电爆发流量、接收机性能以及太阳–天线高度角有关,其中太阳射电流量总功率与信号的信噪比下降呈正相关;同时受到太阳–天线高度角和有效面积的制约,又与接收机环路滤波器响应函数呈卷积关系。通过对2003年10月28日、2006年12月6日和2015年11月4日事件中GPS失锁情况分析,发现同一次事件中同一站点不同接收机的失锁率不同;同一次事件中不同纬度的接收机失锁率不同,以及在同一次事件中L波段(1~2 GHz)太阳射电爆发频谱不均匀的条件下,L1和L2频段信号的信噪比下降情况也不同。从上述三个事件的观测表征验证了上述影响方程的分析正确性。