代写优秀硕士论文范文5篇

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第一章 绪论

 

1.1 研究背景与意义

飞行器在临近空间高速飞行时与大气强烈摩擦，在飞行器前端形成弓形脱体激波，波后气体温度、压强急剧升高，导致空气和飞行器表面防热材料发生了高温离解、电离、腐蚀等物理化学反应，在飞行器周围形成包裹等离子体流场，即等离子鞘套[1][2]。飞行器发出的电磁信号与包裹等离子体相互作用，在等离子体鞘套内反射、折射，导致通信电磁波传输产生衰减，严重影响飞行器与外界之间的通信，甚至会出现完全中断，即“黑障”问题[3]。飞行器通信中断问题关系到飞行任务的成功与否，并且随着我国航空航天事业的飞速发展，飞行器通信中断问题显得越发重要。为研究等离子鞘套对通信系统的影响，首先使用流场仿真软件计算出飞行器高速飞行时产生的等离子鞘套，然后使用电磁波传播和天线辐射特性仿真软件进行仿真计算，完成在该等离子鞘套下电大尺寸载体上天线的端口驻波、谐振频率以及辐射方向图等电性能指标的计算，接着对仿真计算结果进行定量分析评估，得出等离子鞘套的特性分析以及对天线辐射特性的预测，最后形成相应的分析结果报告。等离子鞘套下飞行器通信问题的仿真计算涉到以上多个学科领域的知识，传统的方法必须由多个领域的研究人员使用不同类型的仿真软件平台共同完成等离子鞘套下通信仿真的工作，无法实现研究人员在一个平台下完成所有工作。因此必须建立等离子鞘套下综合通信仿真平台，在该平台下可以完成等离子鞘套下飞行器通信所有的仿真工作。等离子鞘套下综合通信仿真平台包含多种类型的仿真计算，并且每种仿真计算都需要大量的计算时间与计算机资源，使用一台计算机无法胜任平台的所有工作。因此，可以引入并行计算技术，将其应用于平台的仿真计算工作，达到缩短综合仿真整体仿真时间的目的。

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1.2 相关领域国内外研究现状

主要的技术理论研究包括网络通信技术、负载平衡和调度策略、并行编译、并行调试、故障恢复与容错等关键技术[5]。针对并行环境中动态负载平衡系统问题，孟庆洋等人提出了一个近似的线性时延模型，实验表明负载平衡增益值与通信时延和传输时延成反比，与系统规模成正比[6]。大多数任务调度的研究专注于处理器的分配，其实由于 I/O 也是资源分配的关键部分，处理器和 I/O 资源必须协调，才能使系统能够最有效的运作，为此 Abawajy, J.H.等人提出了一个高效的作业调度策略，并研究该策略在不同系统和工作负载下的性能表现，其性能优于静态空间-时间共享策略[7]。由于网络并行计算可以大幅度提高计算速率，因此在很多领域有应用研究。如科学和工程计算领域，通过基于工作站集群解决大坝的结构分析问题并给出了性能分析[8]；研究三维河谷场地长周期地震动响应时，利用 PC 集群并行求解技术有效提高大型有限元分析的计算效率[9]；在研究复杂的数学函数优化问题时，利用进化计算方法在搜索空间中找到全局最小值，在集群节点中进行PSO和GAs仿真，在主控端收集计算结果[10]。

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第二章 需求分析与总体设计

 

2.1 软件需求分析

等离子鞘套下综合通信仿真平台需要进行两种类型仿真计算，分别是流场仿真计算和等离子鞘套下天线辐射特性仿真计算，每种仿真计算进行一次仿真都需要大量的时间和计算机资源。使用网络并行技术用来缩短综合通信仿真整体仿真时间以及利用空闲计算机资源。首先需要搭建网络并行环境，由多台计算机形成集群，其中一台作为主控机，其他计算机作为节点机，通过网络由主控机将仿真任务分配到节点机上进行计算。在这个过程中，主控机中需要有相应的程序控制节点机资源，以及对所有仿真计算任务进行并行仿真管理；节点机中的程序需要接收任务，并仿真计算，以及将计算结果返回；在主控机与节点机之间需要建立通信机制，用于数据的传输。网络并行环境由计算机、网线、交换机等局域网设备组成，如图 2.1 所示，多台计算机通过网线连接到以太网上，每台机子被分配不同的 IP 地址。其中一台计算机作为主控机，运行等离子鞘套下综合通信仿真平台和并行计算控制程序；其他几台计算机作为节点机，运行节点端监控程序。主控机的并行控制程序需要从等离子鞘套下综合通信仿真平台获得需要仿真计算的任务，再根据节点机的资源情况，将仿真计算任务发放到合适仿真的节点机上进行仿真计算。这个过程需要在主控机上对节点机资源进行整理与控制及对并行计算任务进行分配管理，节点机上需要根据接收到的任务类型进行仿真计算，同时需要良好的通信机制保证主控端与节点端能够进行安全可靠的数据传输。

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2.2 软件结构设计

本文采用分层的系统结构，可以提高软件的伸缩性、可维护性、可扩展性、可重用性、可管理型。等离子鞘套下综合通信仿真并行部分的程序是建立在计算机网络上的，计算机网络的七层 OSI 模型包括物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层，而综合通信仿真并行程序是处在应用层的，该层以下的层需要的硬件环境可以通过组建局域网来实现，软件部分是已经有现成的函数库可以直接调用，不需要再进行设计实现。因此，本文中所要设计实现的部分是计算机网络中的应用层部分，通过从底层接收数据，进行数据解析后，进行业务逻辑的处理。根据需求分析将主控端程序与节点端程序进行对应的分层设计，主控端程序与节点端程序每层之间可以看成是直接调用的。

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第三章 数据通信管理的设计与实现.......15

3.1 数据通信管理的功能概述....15

3.2 数据通信管理中类的设计....16

3.3 信息数据处理......22

3.3.1 信息数据格式.......22

3.3.2 信息数据解析.......23

3.4 传输控制与数据传输......24

3.5 本章小结........29

第四章 资源管理与任务管理的设计与实现.......31

4.1 资源管理与任务管理功能概述........31

4.2 资源管理与任务管理中类的设计....32

4.3 计算节点资源管理....38

4.4 任务并行与计算管理......40

4.5 本章小结........44

第五章 软件功能测试.......45

5.1 测试环境........45

5.2 测试流程........45

5.3 测试总结........49

5.4 本章小结........50

 

第五章 软件功能测试

 

5.1 测试环境

使用连接校园网的四台计算机进行测试，一台计算机作为主控机，另三台计算机作为节点机。进行仿真计算任务的创建计算，来测试等离子鞘套下综合通信仿真中的并行实现情况。首先作为主控端的计算机，运行等离子鞘套下综合通信仿真平台，选择并行计算模式进行仿真计算任务的计算，打开并行计算控制界面，控制界面选择开始监听，这时主控端开始监听节点端的链接请求。然后，三台作为节点端的计算机通过节点端管理界面，输入主控端 IP 地址，分别请求加入并行计算服务。在主控端的控制界面会显示有节点机加入的状态信息，同时在节点机列表中显示所有已连接的节点机的基本资源信息，包括节点机IP 地址、CPU 使用量、内存占有率，这部分内容会在节点机主动更新时，内容进行改变，或者可以主动点击刷新资源按钮进行所有资源信息的更新显示；在节点端的界面上会显示连接到主控端的状态信息。接着，在等离子鞘套下综合通信仿真平台的主界面上进行仿真任务创建，以及开始仿真计算，这时并行计算控制界面会显示新增的任务信息，通过内部的任务分配模块选择适合该仿真计算的节点机，将任务发送到该节点机上，控制界面会显示仿真计算任务的任务 id 号、仿真计算任务类型、所在仿真计算的节点机 IP号、仿真计算任务的当前仿真计算状态。节点端接到任务后，判断所有配置文件接收完全，创建仿真计算任务，进行解算，并向主控端发送计算开始后的资源信息，并在节点管理界面上显示正在仿真计算任务信息，在仿真计算每个过程都会将任务计算状态反馈到主控端，主控端和节点端会实时更新仿真计算任务状态。

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总结

 

等离子鞘套严重影响临近空间飞行器与外界之间的通信，进行该背景下的通信仿真时，传统上需要多个领域的仿真软件，而通过建立等离子鞘套下综合通信仿真平台就可以在一个平台下完成等离子鞘套下飞行器通信所有的工作。由于在综合仿真过程中需要进行大量的仿真计算，因此并行计算技术是缩短综合仿真计算时间的重要手段，本文围绕如何设计并实现“等离子鞘套下综合通信仿真并行”，进行了以下几个方面的工作：

1. 深入分析等离子鞘套下综合通信仿真中仿真计算部分的需求及所涉及的领域知识，并对基于集群网络的并行计算进行了深入的学习和研究。在此基础之上，提出了建立等离子鞘套下综合通信仿真并行的总体需求。

2. 通过对等离子鞘套下综合通信仿真并行计算进行功能分析，基于分层结构设计了系统结构，使用面向对象理论对于每一模块进行了对象的抽象，设计并给出了主控端与节点端程序的类关系图。

3. 在需求分析与总体设计的基础之上，完成了平台各个重要功能模块的具体设计与实现。首先对数据通信管理进行了设计与实现，设计了信息数据和数据传输两个数据准则以及数据通信管理中所涉及到的类，给出类视图以及重要接口，实现了信息数据处理部分的格式定义与解析，传输控制与数据传输中包含的通信连接与断开、数据的发送与接收部分。接着对节点资源管理与任务并行控制进行详细设计与实现，包括相关类的设计和具体功能模块的实现。

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参考文献（略）

 

 

第1章绪论

 

1.1研究对象和研究任务

本论文的研究对象为中国科学技术大学国家同步辐射实验室（NationalSynchrotron Radiation Laboratory,简称 NSRL)的合肥光源（Hefei Light Source，简称HLS)。HLS是一台专用的第二代同步福射光源，设计能量为SOOMeV，主要提供从远红外至软X射线波段的同步辐射光供各类用户进行材料科学、生物大分子、红外成像、原子光谱和燃烧中间产物等相关物理实验研究⑴[2]。如图1.1所示，HLS的机器主体主要包括电子直线加速器和电子储存环两部分，此外还有相应的光束线和实验站。首先，热阴极电子枪产生的低能电子经过预聚束和加速结构被直线加速器加速到200MeV,然后通过传输线再将电子注入到储存环中，最后由电子储存环中的高频系统将电子束加速到800MeV，并提供优良的同步辐射光供用户使用。HLS的一些重要设计参数如表1.1所示，电子储存环物理实验大厅如图1.2所示。屯子储存环中电子束流的能量是同步福射光源最基本的一个参数，它决定着同步福射光的光谱分布情况。图1.3给出了 HLS在流强为300mA时儿种能量情况下对应的同步福射光强度的谱分布情况。然而，在储存环的实际运行中，电子束能量肯定会或多或少的偏离设计值。作为光源的一个最基本也是最重要的参数，我们需要能够准确地测量它，或者更确切地说需要对它进行高精度的标定。在本论文中，我们将采用自旋共振退极化法(spin resonant depolarization method)对HLS电子束的能量进行标定。这要求首先要对储存环上的电子自旋轨道动力学有足够的了解。因此，本论文的主要研究任务为：为同步福射光源上面的自旋动力学研究与应用提供一套完整的程序，包括理论分析、数值模拟和实验应用技术。其中，理论分析和数值模拟两部分工作是成功地将自旋共振退极化法这项技术用于高精度标定电子束能量的前提。实验技术特别地应用于对HLS的储存电子束进行高精度的标定。这一整套分析和实验技术同样可以应用于其他同步辐射光源。

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1.2研究方法和课题背景

测量储存环中电子束能量的方法有很多种，这里简要叙述主要的几种方法。传统的方法是通过能谱仪来测量，这种方法通过准确测量电子在分析磁铁入口和出口处的位置，从而知道电子经过磁铁的偏转角，并根据磁铁积分磁场的精确信息，由下式所示关系得到电子的能量。目前广泛应用的、公认精度最高的一种能量测量方法为自旋共振退极化方法。本论文将采用这种方法对HLS储存电子束能量进行高精度标定。这种方法的精度可以达到10-5?10-4量级，甚至10-6量级。它的可行性在于储存环中的电子束可以通过Sokolov-Temov自旋反转同步福射作用而沿着导向磁场方向自发极化，且极化弛豫时间通常为几分钟至几个小时。能在储存环正常运行时间尺度内得到极化束，则可以通过在与导向磁场垂直的方向上加一个扰动射频场来人工引进自旋共振（基本原理见图1.5 )，从而使束流发生退极化并由共振频率来反推电子束的能量（详细介绍见第5章）。这种能量测量方法已经成功应用于很多储存环中，表1.2列出了一些加速器实验室应用自旋共振退极化法标定储存环中束流能量的结果。应用自旋共振退极化法标定束流能量还有个前提，就是要对束流可能达到的平衡极化度做详细的分析。因为储存环中通常还存在着许多自旋共振退极化因素，如果束流能量刚好运行在或者接近某个自旋共振条件上，则将可能得不到福射极化束。分析自旋共振需要对储存环中电子的自旋轨道动力学有足够的了解，这些知识也是正确应用自旋共振退极化技术必不可少的。这些内容都是本论文需要涉及的。

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第2章同步辐射与电子自旋极化

 

2.1经典同步福射

同步辖射(synchrotron radiation)自发现以来，在表面科学、生物化学、凝聚态物理、先进光刻技术、原子物理等研究领域得到了大量的应用[26][27][28],为现代科学发展做出了重大贡献。而在1964年，苏联科学家A. A. Sokolov和1. M. Temov预言储存环中的轻子束流会在自旋反转同步福射（spin-flip synchrotron radiation)的作用下自发地极化[2i],并且对于高能加速器这一极化过程的时间尺度通常在101 -102 min量级，这为很多需要用到极化束的物理实验提供了宝贵的天然极化源。极化束除了在高能物理实验上有着广泛的应用，它在同步辐射光源电子储存环上主要用于高精度标定束流能量。本章我们首先简要回顾经典同步辐射理论，然后再讨论它的两个量子修正：光子反冲和电子自旋。在自旋相关的同步辐射分量中，着重介绍由于两种自旋反转率的不对称性造成电子束的自发极化[29][3G]。最后，推导出福射自旋极化领域的两个重要公式，Sokolov-Temov公式和Derbenev-Kondrateko-Mane公式。论文中，我们只讨论非相干同步福射，计算过程中釆用高斯单位制。

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2.2同步福射的两个量子修正本章系统地讲解了同步福射的基本理论，主要阐述了储存环中轻子束的辐射自旋极化机制以及福射自旋扩散退极化作用，并推导出福射极化领域的两个重要公式：Sokolov-Temov公式和Derbenev-Kondrateko-Mane公式。在本章的最后面还简要介绍了极化束的主要用途，以及极化度测量的基本方法。本章先介绍一般的电子自旋共振理论，然后介绍了更为复杂的电子储存环中的各种自旋共振。特别地，人工激励自旋共振将是后面高精度标定束流能量需要用到的自旋共振技术。为了将自旋共振退极化法应用于电子束能量标定，首先要保证储存环中能够得到福射极化束。因此我们详细讲解了如何由Derbenev-Kondrateko-Mane公式来估算福射极化束的平衡极化度。利用自己开发的计算机程序ANPA通过直接跟踪方法，我们还对电子自旋在发生各种共振时的轨迹进行了研究。在对整个束团的所有电子自旋即束流的极化度进行跟踪时，通过引入泊松分布噪声来模拟随机光子发射过程，并研究了扫频激励自旋共振退极化现象。

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第3章储存环中电子的自旋轨道耦合运动......... 25

3.1 一般哈密顿形式......... 25

3.2加速器机器坐标系中的哈密顿形式......... 27

3.3数值积分（几何积分法）和正则保辛映射......... 28

3.4电子自旋矢量通过各种元件的映射......... 31

3.5 本章总结 .........39

第4章自旋共振 .........41

4.1电子自旋共振理论......... 41

4.2环形加速器中的电子自旋共振......... 42

4.3辐射极化束平衡极化度的估算 .........44

4.4 ANPA程序介绍....... 51

4.5 本章总结......... 60

第5章自旋共振退极化法标定电子束能量......... 63

5.1自旋共振退极化法标定束流能量的实验原理......... 63

5.2实验的相关准备......... 65

5.3扫频激励自旋共振退极化法高精度标定HLS束流能量......... 81

5.4本章总结 .........87

 

第5章自旋共振退极化法标定电子束能量

 

在第二章中曾详细介绍了高能环形加速器中的轻子束可以通过发射自旋反转同步福射而自发极化。第三章和第四章详细讨论了储存环中可能存在的各种退极化因素，并利用Derbenev-Kondrateko-Mane公式数值计算和自旋跟踪两种方法对自旋共振展开了系统的研究。基于前面的分析我们知道，在HLS正常运行的情况下，机器上的各种退极化因素很弱，电子束可以通过Sokolov-Temov福射极化机制获得高的极化度，并且这一过程的极化弛豫时间大概为4.3小时。因此，在HLS的常规运行中能够自然地得到福射极化束用于各种相关物理研究。福射极化束最重要的一项应用是用于对储存环中束流的平均能量进行高精度标定。当知道一台同步福射光源的束流能够自发极化并'获得足够高的极化度后，则可通过人为地引入自旋共振，故意地对束流进行退极化，并由自旋共振频率得到束流的平均能量。这项技术被称为“自旋共振退极化法（spin resonant depolarization method)”，它在很多同步福射光源（如ALS_，SLS[_，BESSYII_]，SOLEIL_，SPEAR3_)和高能对撞机储存环（如LEP[_，VEPP-4M[_)上得到成功的应用。目前，NSRL的HLS是国内唯一一家成功应用该项技术用于高精度标定束流能量的加速器实验室。本章以HLS为例，系统地介绍自旋共振退极化技术在高能电子储存环能量标定上的应用。

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结论

 

本论文阐述了同步辐射光源储存环中电子束的福射极化机制和福射量子自旋扩散机制，详细推导了电子在储存环中的自旋轨道稱合运动方程，并给出了电子经过各类储存环元件的具体轨道和自旋映射。在系统研究了自旋轨道动力学后，我们还幵发了一套用于计算电子束平衡极化度和动力学数值跟踪的计算机程序。该程序的输入文件格式界面友好、可操作性强，可作为MAD程序在自旋物理方面的扩展程序。程序采用全稱合本征模式，可计算任意lattice结构，比如可包含轨道畸变信息，用于模拟实际运行中的各种磁铁安装误差并计算轨道闭轨和自旋闭轨。此外，程序还可以模拟随机光子发射和射频场扰动，这样可以方便地进行单粒子或多粒子跟踪，并对各类共振问题和束流退极化进行研究。通过直接跟踪方法和解析-数值模拟相结合方法，我们对各类自旋共振进行了详细分析，并估算了国家同步福射实验室合肥光源正常运行时束流可能达到的平衡极化度。

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参考文献（略）

 

 

第1章 前言

 

1.1 分子聚集体研究概述

分子聚集体是通过超分子方法构成的重要的有机材料，在 20 世纪 30 年代被发现，在染料化学中是最具代表性的里程碑之一，也是超分子化学的发展萌芽。J 聚集体独具一格的光物理特性（特别是相对于单体非常窄的红移吸收带及它们的激子离域和迁移能力），与其应用前景已经使得越来越多的科学家们参与到这一领域的研究中。二十世纪三十年代Scheibe[6]和Jelley[7]分别观察到PIC染料分子（也被称为1,1-diethyl-2,2-cyaninechloride, PIC chloride, 图1.1a所示）在溶液中吸收光谱不同寻常的一种行为，即对比这种菁染料分子在极稀溶液中的吸收光谱有明显的窄化和红移现象，并且吸收峰强度随着溶液浓度增加而不断增强，如图1.1b所示。这种窄化红移吸收带称之为J带，而这种分子称之为Scheibe聚集体或J聚集体（J来自于Jelley），现在多称为J聚集体。相对而言，吸收峰相对于单体分子吸收峰蓝移的分子聚集体称之为H聚集体（H表示hypsochromic），通常情况下H聚集体展现出很低的甚至没有荧光的现象。

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1.2 二维电子光谱概述

1981 年第一束飞秒脉冲激光成功获得，从此激光技术发展开始进入飞秒激光时代，直至今日飞秒激光技术十分成熟的用于物理，化学，生物等领域的研究，已成为科研重要手段。二维光谱正是利用多束超快相干激光脉冲在红外或紫外可见频率范围内，研究蛋白质结构和动力学，如氢键动力学，飞秒溶剂化动力学，捕光复合物中激发迁移过程，电子耦合生色团之间的激发传输过程。这种超快非线性光谱学技术得到了广泛的应用。二维光谱区别于大多数传统的线性光谱的最大特点就是具有两个光频率轴，显示出不同峰值强度的等高线图，传统的光谱是以波长或波数为横轴，以某种光学特征参数为纵轴，反映出如吸收，发射光强度或透过率等特征的光谱。在实际体系中通常都是多种因素，如温度，压力或浓度等同时影响体系特性，或是这些因素之间存在着相关性，此时传统的一维光谱对体系光学特性分析就显示出局限性。加之研究物质体系越来越复杂化，如捕光复合物，量子点体系，染料分子或纳米管聚合物等，所以更需要发展二维光谱技术分析体系光特性。二维光谱对比传统光谱来说有更好的分辨率，可直接观测到分子中激子态或不同振动模式之间的相互作用过程，从而分析出能量、电子转移及物质结构等信息。二维飞秒光谱模拟计算中，最重要的问题就在于确定所研究物质系统的三阶非线性响应函数。对于这一问题 Mukamel、Cho 和 Abramavicius等人对非线性响应函数的计算方法的理论研究已进行了详尽系统的讨论[33,34,35]，其中 Mukamel 是非线性光谱学中重要的领军人物。而在实验上 Fleming 及 Schos研究小组分别在常温及低温情况下发现光合捕光复合物中量子相干传输现象，对二维飞秒光谱的科学研究领域做出了巨大贡献。

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第2章 理论计算基础与方法

 

2.1 刘维尔空间密度算符

非线性光谱学中的四波混频技术广泛应用于分子聚集体系统研究中，如探测分子间、分子内的相互作用，激发能量，振动弛豫，电荷转移路径等动力学过程[77,78,79,80]。常用的非线性光谱有泵浦探测光谱，瞬态光栅光谱，光子回波及时间分辨荧光光谱，这些光谱一般用于激发态动力学研究中。光脉冲序列被设计用于解析相干非线性光谱特征。多维光谱技术在实验和理论上对分子聚集体，捕光复合物及半导体量子阱[81,82]等体系的研究中，已经证实[83,84]了可以更直观的研究激子的动力学行为。本论文中提到的多维技术是使用四束飞秒激光脉冲实现的，如图 2.1 所示，控制脉冲之间的时间间隔分别为 T1，T2，T3，并且通过对所需信号相应时间变量做傅里叶变换获得的。不同的刘维尔空间路径对应不同的相位匹配方向，而这些相位匹配方向会得到不同类型的二维电子光谱[85,86,87]。通过对入射光时间顺序和信号波矢的控制可以使光谱信息更加丰富，从而得到更多有用的激子动力学信息。本论文通过准粒子方法进行计算，给出系统与场的微扰相互作用，信号的光响应函数，最终获得了不同种类的二维光谱。

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2.2 非线性光学

应用刘维尔空间双边费曼图有助于理解响应函数中各项的贡献和最终得到的非线性极化强度。图中箭头表示光与物质的相互作用（即偶极算符作用在密度算符左右矢上），反映在双边费曼图上就是箭头作用在图中左右边，也就是说双边费曼图表示密度算符随时间演化过程。箭头指向密度算符 ρ 的右矢或左矢上表示吸收过程，背向左右矢表示受激发射过程。每次相互作用增加了一个偶极矩阵元 μij，它描述了相互作用振幅和方向作用[2]，对于最终态偶极算符作用必须返回到对角元上。同时最终态（最后一次作用）规定必须从右矢辐射出光场。最后一次相互作用意义也与之前相互作用意义不同，最后一次源于求迹运算，前几次表示对密度矩阵的微扰。同时每次相互作用对于极化强度也贡献了一个输入电场项，可用于描述辐射信号的频率和波矢。用表 2.1 进一步解释图中的相互作用，其中图像表示中使用两种类型图表示光与物质相互作用，一个是以上提到的双边费曼图，另一个称之为梯形图。

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第 3 章 无序 J 聚集体的激子离域与交换变窄.........47

3.1 引言.........47

3.2 计算方法.........48

3.3 结果与讨论 .........54

3.4 本章小结.........63

参考文献.........65

第 4 章 J 聚集体的光谱的非谐振性特征.........69

4.1 引言.........69

4.2 非谐振子模型体系二维光谱计算方法 .........71

4.3 光谱相似性特征结果与讨论.........74

4.4 本章小结.........78

参考文献.........79

第 5 章 喹吖啶酮衍生物二聚体光谱模拟与构型分析.........83

5.1 引言.........83

5.2 二聚体耦合强度计算方法.........84

5.3 二聚体构型及耦合强度.........88

5.4 喹吖啶酮衍生物二聚体的二维光子回波光谱.........92

5.5 小结.........95

 

第5章 喹吖啶酮衍生物二聚体光谱模拟与构型分析

 

5.1 引言

近些年来越来越多的时间和频率分辨的非线性光谱应用于不同体系的研究中，获取研究体系的动力学和结构等多方面信息。基于超短激光脉冲的实验技术层出不穷。在实验上，双色的三脉冲光子回波光谱被引入并且适用于探测在相关光谱中的溶剂动力学问题，确定一个激子系统中耦合情况。通过时间积分可以得到一个完整的信息，并且探测所产生的非线性电场也得到实现，从而对所研究系统进行深入理解。为了能够更好的解释实验观测结果，如时间和频率分辨光谱，反应出的系统中的基本物理过程，对理论方面的需求越来越高，理论计算模型及方法也不断的更新和优化，有很多计算方法来处理激光脉冲作用后，系统的响应函数问题。

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结论

 

本论文主要应用二维电子光谱方法研究分子聚集体体系的激子动力学特性和光谱特征：第一部分：基于对 J 聚集体不同类型的二维电子光谱的模拟，展开了分子聚集体中激子离域长度和交换变窄问题的研究。在相位重构 2D 光谱中，在较大的激子离域的范围内正负峰最大强度比值并不随激子的失相参数变化而改变，仅随激子的离域长度的增加而单调的减小。因此我们可以应用二维相位重构光谱中正负峰的最大强度比值直接确定平均激子离域长度，同时这一方法也可以应用在和J 聚集体有相同光谱特性的体系的研究中。在非相位重构的 2D 光谱中，光谱线型受均匀加宽与交换变窄等多方面因素的影响，这是一个很复杂的过程，不能直接的反应激子离域长度。而在双量子相干光谱中，很清晰地给出对角切面的线型与激子离域的变化并不存在任何规律性的特征。然而，光谱中蓝色负峰却很强的依赖于耦合强度的数值变化。总之，在这三种 2D 光谱中，我们发现激子离域与交换变窄很强的影响着峰的线型特征，并且通过光谱的截面图具体分析了这些参数的影响。同时首次提出了 2D 相位重构光谱测定激子离域的新方法。

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参考文献（略）

 

 

第一章立体织造技术概述

 

1.1三维机织物的分类及特点

纤维增强复合材料板材被广泛应用于建筑、航空、航天、汽车等领域。由此，各种新的立体编织技术及其编织物便应运而生，这些新的编织技术中的一部分是传统纺织技术的延伸，另一部分则是吸收了其它技术并几乎脱离了传统纺织范畴的薪新技术，或者兼而有之。以三维立体机织物作为预制件的复合材料具有如下特点：具有良好的整体性，是理想的结构复合材料。其抗层间剪切强度、抗冲击性、损伤容限、断裂初性、可靠性等综合力学性能均优于传统的层合复合材料。三维机织物增强复合材料可以采用多种成型工艺。这是由于其结构紧密、整体性好、纤维不易因基体注入时的流动压力而变位。设计灵活。三维机织物结构组织形式多样，其截面形状多种多样，易于设计，易于采用机下变形制造异型件，易于实现计算机的辅助设计，如“1”形梁、"L"形梁⑴、蜂窝状织物[2]、箱状织物、管状织物[3-5]、中空双层壁织物等均可织造。三维织造技术是一种新型纺织技术，它使纤维在三维空间中沿着多个方向分布并相互交织在一起形成不分层的整体结构，由它作为增强体制成的复合材料制件具有高强度、不分层、基体损伤不易扩展、高抗冲击性能和综合力学性能好的优点。釆用三维织造技术可以直接织造出各种形状、不同尺寸的整体异型预制体，用这些预制体制成的复合材料制件不需再加工，这就避免了由于加工所造成的纤维损伤。然而，三维机织物的织造技术难度大，现有三维织物织机造价高、效率低，而且还不能满足加工大尺寸和多种结构的需要。

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1.2立体织造技术的现状

有关三维机织技术的研究主要集中在对正交立体结构的实现上，各国对织造技术及其相应织机的研究也各有差异，并形成了各自的专利。七十年代初，美国航天工业研制出的一种有趣的三维织物成形工艺，鉴于该工艺的基本原理与机织、针织、编织及非织造布技术有本质上的不同，这种织制过程并不具备常规意义的上的“织造原理”，故而被Rkhokar称为"Noobing”加工技术。用Noobing设备生产出來的织物即Noobed织物，即无交织，垂直取向，接结织物。该织物可以分为两大类，单轴向型和多轴向型。在取轴向型中.承重纱的取向只朝向织物的长度方向，在织物宽度与厚度方向上纱线一般呈接结状态。在多轴向型中，主要增强纱取向于织物长度方向和宽度方向，通常在织物的两个斜度方向，在织物的厚度方向上纱线则里接结状。由日本开发的环形三维织机生产的织物可进行三维形变，从而在不使组成纱线的取向角产生特殊变化时形成曲面形状。在其所生产的三维结构中，大量的斜向纱线从织物中心沿半径方向向外延伸，环形纱线在这些纱线间进行球状交织，斜向纱线间互相交错。环形纱线就是讳纱，是由球状引进的，斜向纱线间的交角可以保持在60° 士 30°。在生产过程的幵始要决定纱线的密度，为了使环形纱线的密度一致，随着与织物中心半径方向距离的增大，环形纱线的张力要增大。据发明人称，如果斜向纱线和环形纱线的线密度保持在10%以内，就可生产出具有一致密度和性能的织物。

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第二章立体织机的总体设计

 

2.1立体织机的组成

立体织机与传统的织机一样，一般由幵口系统、引讳系统、打讳系统、送经系统和卷送系统五大运动系统组成。本课题提出的各系统的设计方案如下：根据织物组织结构的需要选装不同的综框，既可以都是多眼综丝，又可以都是单眼综丝，也可以二者混合使用。为了满足织造复杂三维织物的需要，综框运动采用伺服电动机的控制方式，每个综框都由一个伺服电动机通过一定的机构实现升降高度的精确控制，以丰富织造的组织结构。主控制方案如图2-2所示。首先通过人机界面输入要执行的工艺动作，然后通过MOD-BUS等通讯协议把执行动作数据信息传递给PLC，PLC根据所得到的数据执行相关程序，输出脉冲，使伺服控制器对伺服电机转速精准的控制。伺服电机在自动控制系统中用作执行元件，它将接收到的控制信号转换为轴的角位移或角速度输出。并通过测量反馈元件传递实时数据给控制器，通过比较得到位置误差，控制电机并给予误差补偿。综框初始极限位置信号也会通过传感器反馈到PLC。这样提高了系统控制的可靠性和精确度。

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2.2立体织机旳关键技术

目前，二维织造技术发展的比较成熟，相比而言三维立体织造和相关织机的开发却还处在成长时期。与传统二维织造工艺相比，三维立体织造主要存在以下一些难点和关键技术：多梭口的形成和梭口清晰度的矛盾关系。对三维立体织物来说，由于综框数目增加，经纱（包括垂纱）的开口幅度加大，梭口的清晰度降低，这些问题给引讳带来很多困难。纱线间磨损问题。由于综眼数目增多，综框往复运动，纱线之间摩擦增加，复合材料的纤维层间损伤甚至破坏、抗冲击性能的问题也凸显出来。如何减少纱线和纱线间，纱线和综丝综眼间的摩擦都是比较棘手的问题。不同的开口幅度与经纱张力补偿问题。经纱开口幅度的剧增、经纱之间的不同幵口幅度、高性能纤维的高强度和高模量等特点，使得在立体织造过程中面临不少难题：如张力波动大，综丝和剑头对纱线的摩擦和冲击导致机器振动加剧，纱线受力不均匀，环境噪声大等突出的问题，这不但大大缩短了织机配件的寿命，阻碍织造效率的提高，而且降低了织物强度和品质。高性能特种纤维的不易织造性，对经纱系统的动态张力补偿和控制提出了全新的要求。

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第三章立体织机电子开口系统的设计......... 18

3.1伺服控制的电子幵口系统的总体设计......... 18

3.1.1吊绳式电子开口机构的原理......... 19

3.1.2吊绳式综框定位......... 21

3.1.3开口综框的运动规律 .........22

3.2伺服控制的电子幵口系统的硬件设计......... 28

3.3基于PLC的开口伺服控制系统.........33

3.4伺服控制的电子幵口系统的控制软件设计......... 39

第四章立体织机电子引纬系统的设计......... 41

4.1剑杆引纬机构的运动规律分析......... 41

4.2立体织机引纬系统的设计......... 45

第五章立体织机控制系统的人机界面及......... 53

5.1基于VB的立体织机控制系统人机界面......... 53

5.2 PC上位机与PLC的通讯.........55

5.3串口通信方案 .........58

 

第五章立体织机控制系统的人机界面及其串行通讯

 

5.1基于VB的立体织机控制系统人机界面

本课题采用MODBUS协议作为上位机与PLC的通讯协议。MODBUS协议是用于工业现场的总线协议，为一通用工业标准。MODBUS协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。此协议定义控制器能识别使用的消息结构，描述了控制器请求访问、回应请求，侦测错误并记录的过程，制定了消息域格局和内容的公共格式。MODBUS协议是幵放性系统，可支持多种电气接口，如RS-232，RS-485等；MODBUS的巾贞格式是最简单、最紧凑的协议，简单高效、通俗易懂。MODBUS协议将通信参与者规定为主站和从站，主站可向从站发送通信请求，每个从站都有自己的地址编号，数量最多可达247个。它通过多达24种的总线命令实现主站和从站之间的信息交换。MODBUS协议有两种传输方式：ASCII和RTU 远程终端单元。

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结论

 

采用伺服电机控制开口，配合多眼综丝，大大简化了开口机构，实现开口机构的数字化控制。织机每开口一次可形成多个梭口，满足多个剑头控制多根纬纱同时引入，实现三维机织物的一次成型。这种方案可以大大减少综片数，有效降低了综丝对经纱的磨损；首次将伺服电机驱动装置引入开口机构，替代常规的气动或液压系统，可以对综框的运动进行高速化和数字化控制，从而大大扩展织物的品种类型和规格。由于伺服电机具有节省能源、系统构成简单、维护成本低、控制性能优良和可靠性高等优点，为整机的髙速化、自动化和数字化控制奠定良好基础。将伺服电机引入引纬机构，采用伺服电机控制系统控制剑杆的运动，不仅简化了引纬机构，引纬动作还可以由计算机根据立体织物的不同结构进行调节，从而解决了立体织机的品种适应性和规格多样性问题。由伺服电动缸控制的引纬系统可以实现变动程引纬，为异形截面立体织物的织造提供了全新的引纬方法。

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参考文献（略）

 

 

第1章绪论

 

1.1引言

印制电子(Printed Electronics)的诞生是为了解决传统的电子制造工艺中所遇到的问题。在如今的日常生活中常见的各类电子产品，比如：电子标签、平板显示、发光器件和太阳能光伏电池等。它们的需求量非常大，无时无刻不在影响着我们的生活质量和水平。在人们要求它们物美价廉的迫切希望下，印制电子便应运而生。物美价廉，生产工艺简单是印制电子的两个基本特点。可是，到现在为止的电子工艺是以桂为基材的无机半导体和以铜为导体，简称PCB技术，通常也被称作桂铜电子。PCB技术是基于光学形成图形的光刻技术。这半个世纪的电子业的发展只关注与微电子集成电路等的制造，能够象征性的描述这一现象的是半导体器件的穆尔(Moor)法则。现在的大部分电子产品都是釆用桂工艺制造的，传统的烛刻减法工艺流程复杂、生产周期长，材料浪费大，生产成本高，现如今一块集成度低的芯片价格的下降空间基本上达到了极限。此外，传统的制造工艺也难以实现电子产品的多功能化，特别是需求越来越大的柔性电子和大面积电子。因此，人们不得不去探寻一种更经济、更有效的生产工艺，来解决电子产品遇到的这些瓶颈问题。近10年来根据“More than Moore”的理念，国际集成电路界(IC)一方面向电子产品的多功能化方向发展，另一方面向大面积、低成本和柔性基材的电子产品的制造工艺的开发方向发展。而印制电子是一种非摩尔定律的应用范畴，对桂基电子起到了互补和补充的作用，并解决桂基电子难以实现的很多新领域。国际上Siemens、Motorola、Intel、Toshiba、Samsung、Sony、Phillips、Honeywell、GEHP、及BASF、Bayer、DuPont、Merck等从事电子电气、化学化工等行业的知名公司目前均进入了印制电子这一薪新的领域，纷纷斥巨资投入研发。欧盟早在第5、第6框架计划(FP5、FP6)和最近的第7框架计划(FP7)下就连续的投入了十几亿欧元来资助印制电子及相关产品的研发。美国、日本、韩国等电子工业发达国家也是投入巨大。目前，世界上大约有2200多家公司从事印制电子研发，其规模更是每18个月翻一倍，增长规律跟Moore定律非常相像。它们研发了具有不同功能的印制电子产品，应用于汽车、照明、显示，广告、包装、物流、保健、医疗、军事和一次性电子用品等，通过满足人们日常生活的基本需求来占领新兴的电子市场，综上所述，印制电子前景光明，市场商机无限。

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1.2印制技术

喷墨打印技术是印制电子中最主要的无版数字印制技术，它是一种非击打、点阵式打印技术，是本文中实验所采用的电子器件制作方法之一。其基本的工作原理是按照计算机设定好程序的指令(即需要打印的图案)，将功能油墨从细小的喷头中直接喷射到基材承印物上的指定位置，从而形成我们所需要的图案⑴。因为，打印成本比较低廉，而且便于使用，印刷速度较快，喷墨打印技术在全世界范围内得到了飞速发展。成为了人们日常生活学习中所必须的部分，给人们提供了非常大的便利。油墨从喷嘴中以微小的墨滴形式喷射到基材的表面，凝固，烧结成膜。这就是喷墨打印。喷墨打印的最大的优点是无须印刷制版。首先，由计算机扫描所需打印图片中的像素点信息，然后将这些信息提交给相应的驱动器，指示打印机完成相关的打印工作，期间，没有油墨以外的物质接触基材表面，因此是完全的“非接触印刷”。因为，无须制作印刷制版的时间，所以在要求少批量生产，实验生产，短生产周期的情况下喷墨打印可以充分的发挥其优点。喷墨打印的另一大优点是可以形成印制薄膜。一般情况下，印制晶体管或者印制显示等可印刷电子器件中半导体材料或者发光材料的厚度在100nm以下，通过降低喷墨打印中墨水中溶质的浓度等，可以制作非常薄的印刷薄膜。迄今为止，能形成商业应用的薄膜的印制技术只有喷墨打印，如三星新一代LCD显示器生产线中的彩色滤光片己实现喷墨打印化。现有的喷墨打印按工艺可以分为连续喷墨和按需喷墨两大类。⑷连续喷墨顾名思义是指打印过程中不间断的连续的喷出墨滴，通过充电偏转装置对不需要打印的部分的墨滴进行偏转回收；而按需喷墨则是只在需要打印的地方才喷出墨滴，相比于连续喷墨，按需喷墨打印系统不需要偏转和回收装置，简化了器件，降低了使用条件，因此其应用更加的广泛。

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第2章喷墨打印工艺

 

2.1喷墨打印墨水材料

喷墨打印所适用的油墨材料范围很广泛，理论上只要油墨的物理系性质如黏度、表面张力、颗粒大小等在规定的范围内即可采用喷墨打印技术。随着传统电子行业在制造上遇到的一些问题，比如印刷电路板时的材料利用率不高、污染环境严重，新型产品的出现需要在大面积或者非固体材料上面加工等问题的出现，使人们想到把日常生活中的打印机应用到这上面来。而新技术新材料新理论的出现使这一设想成为了可能，并在电子制造、陶瓷制品、生物工程及制药、薄膜晶体材料器件等薪露头角，成为21世纪最热门的技术之一。喷墨打印的关键部分是墨水的配制。在印刷电子领域将电子功能材料配成墨水的方法众多，主要包括胶状纳米材料的悬浮液、溶液中有机金属的混合物及导电聚合物等。理想的功能墨水应该是仅含有上述成分的高纯度的分散体系。然而，在印刷成膜时这种高纯度的墨水的黏度、挥发性等物理性质却往往不适合印制或者印制的产品所需的电学性能很差，往往需要添加诸如表面活性剂、稳定剂、粘结剂等成分加以改进。在加入上述添加剂后的确能得到漂亮的膜或者电子元件，但是这总是以电学等方面性能的下降为代价的。因此需要在改良适印性能和电学性能之间做一个权衡。除此之外，油墨在印刷及后期的处理过程的各种运动都会带来电子功能层的微观结构变化，使性能产生巨大差异。在多层结构的电子器件的印刷时还要确保各层之间的相互作用得到精确的控制，这些都是确保印制成功的关键因素之一。因此可以说，印制电子制造的核心关键不仅仅是设备，更多的是在于材料的选择、油墨的配制及印前后处理等方面。

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2.2喷墨打印成膜过程

喷墨打印包括设备、材料等。设备如连续喷墨打印和按需喷墨打印在上文中均己描述；材料如金属纳米颗粒、有机金属溶液也己经介绍过。在上面准备工作结束后将介绍喷墨打印成膜过程及墨滴的运动行为等。压电材料受信号作用形变使墨滴从墨盒中喷出，喷出的液滴在重力和空气阻力的作用下下落，直到撞到基板上，在运动时活的动量作用下展开，在表面张力作用下沿着表面流动，随着溶剂的蒸发，液滴变干。为实现高效、高分辨率和高可靠打印，需要研究精确操控掺杂大量固体粒子、非牛顿液体射流或液滴的复杂物理过程。按需喷墨中打印时，这个过程包括喷射液滴与基材与墨滴的相互作用及后期的处理等。其中喷射液滴包括液滴的产生与飞行；基材与液滴的相互作用包括微滴的碰撞与展开、凝固；后期处理主要是烧结退火处理等。

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第3章印制法制备高性能银网格透明电极....... 18

3.1引言 .......18

3.2理论设计....... 19

3.3银网格透明电极的制作方法....... 20

3.4应用前景及展望....... 23

3.5 本章小结....... 24

第4章喷墨打印制备聚偏氟乙烯-三氟乙烯铁.........25

4.1引言 .......25

4.2 P(VDF-TrFE)极化产生的原理....... 25

4.3 实验方法....... 29

4.4 实验结果与讨论 .......32

4.5 本章小结....... 43

第5章印制电子的应用现状及前景 .......45

5.1 印制晶体管(transistor) ....... 45

5.2 射频识别（RFID) ....... 46

5.3有机发光二级管（0LED) ....... 47

5.4有机太阳能电池（0PV) ....... 49

 

第5章印制电子的应用现状及前景

 

5.1印制晶体管（transistor)

印制电子(PE, Printed Electronics)是可以实现从数十纳米的极微小面积到数米级的大面积印刷，超大型柔性和大量生产等迄今没有的电子器件制造的最优魅力的技术。印制电子技术实现的产品众多，除了本文第三章和第四章中所研究的银网格透明电极和铁电P(VDF-TrFE；)存储器件之外，还能应用在太阳能电池、晶体管（transistor)、照明、电子纸(Epaper)、发光二级管（OLED)、一次二次电池、RFID等，有希望形成庞大的市场。大型轻量廉价柔性电子产品渗透到曰常生活的各个方面。这种市场规模预计在今后的20年间将会成长为5千亿美元规模的新生产业。欧洲各国在K)年前就开始了大型投资致力于印制电予技术的开发，台湾和韩国也开始组织开发，我们国家也要抓住这一良机。半导体器件中最重要的是晶体管，晶体管是构成集成电路的基础元件之一。晶体管有各种类型，其中之一是广泛应用于有源矩阵型的显示控制等用的薄膜晶体管(TFT，Thin Film Transistor)。印制工艺容易适用于TFT的构成。图5.1表示了采用印制工艺形成TFT晶体管示意图。尽管如此，绝缘层或者有机半导体层还是必须控制在l00nm以下的厚度。这是通常的丝网印刷或者喷墨打印中所不能达到的范围。实际上在制造TFT器件的例子中，它是使用专用的特殊喷墨打印机。

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结论

 

本文以印制电子这一新兴的电子制造技术为研究对象，展开了有关印制电子具体的工艺过程、特点、参数以及基于印制电子工艺的有机电子器件的性能的研究。论文首先介绍了印制电子所包含的内容（喷墨打印、丝网印刷、柔印、凹印及移印等），并讨论了这几种印刷技术的特点及应用范围。其次，本文以印刷技术中具有代表性的喷墨打印为例，详细讨论了可进行了喷墨打印的材料：金属纳米材料墨水（纳米银、纳米铜等），有机金属墨水（可溶于有机溶液中的金属材料、金属氧化物及其他金属结构等），导电聚合物墨水(PEDOT、聚吡咯、聚苯胺等聚合物)，其他类型的导电墨水(石墨烯、碳纳米管等)。并讨论了各种墨水在喷墨打印中的优缺点。基于全印刷法制备的高性能银网格透明电极，相比于传统的透明电极。如：ITO。全印刷法制备的银网格透明电极，制作工艺简单，生产成本小，没有毒性，环保安全，还能满足大规模卷对卷的生产需要。从理论上，要想得到想要的透光率与方块电阻银网格透明电极只需根据公式（3-2)进行调节银网格的线宽、线间距和银的厚度即可，这对现有的印刷工艺来说很容易实现。而传统的ITO电极的透光率与方块电阻却很难控制。然而这种印刷发制作的银网格电极也有一些缺陷，如：较低的附着力等，会降低器件的使用寿命。此种印刷法制作的银网格电极也被国际学者与研究人员采用，并在太阳能电池、OLED等上得到了应用，具有很大的潜力来代替传统的ITO电极。

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参考文献（略）