基于镂空阵列探头的反射式光声/热声双模态组织成像

光声和热声成像技术除激发源不同外,可共用一套数据采集和处理系统,具有天然的融合优势.本文提出了一种基于镂空阵列的反射式光声/热声双模态成像技术,该技术利用光纤与天线,通过镂空阵列的开孔进行光声/热声信号激发,使得激发光、微波和接收超声信号共轴,构成明场光声/热声双模态成像模式.通过对探头镂空部分晶元相位和幅值的补偿校准,成功实现了3 mm直径塑料管、人体手臂、手背和脚背的双模态成像.实验结果表明:系统空间分辨率为0.33 mm,双模态成像技术可同时提供组织的光学和微波吸收分布,有助于肿瘤、糖尿病足等疾病的精准检测,具有极广泛的临床应用前景.     

超宽带微波检测早期乳腺肿瘤三维仿真

超宽带微波成像技术可作为有效的方法用于乳房早期乳腺肿瘤的检测. 该方法基于乳房组织和肿瘤之间较大的电学特性差异的特点进行成像, 能提供足够的分辨率以及足够的穿透深度. 本文采用时域有限差分方法建立超宽带微波信号在三维乳房组织中传播的模型, 并采用单极德拜模型完成了生物组织色散特性的模拟. 利用8发9收的天线阵列实现微波肿瘤探测, 利用共焦成像算法对乳房组织进行图像重构并进行肿瘤定位. 仿真结果显示共焦成像算法能够实现最小直径3 mm的肿瘤的检测, 同时证实了超宽带微波成像技术应用于早期乳腺肿瘤检测的有效性. 关键词： 微波成像 肿瘤检测 时域有限差分 共焦成像算法     

S波段微波热致超声成像系统研究

微波热致超声成像技术通过向物体发射微波脉冲, 导致物体吸收电磁波温度迅速升高, 产生瞬时压力波, 从而激发产生超声波信号, 通过传感器对产生的超声波信号进行采集并成像, 最终还原了反映物体吸收电磁波能量特性的图像, 由于此方法兼具了微波成像的高对比性和超声成像的高分辨率特点, 理论上验证了热声成像技术对早期乳腺肿瘤检测的可行性. 本实验兼顾系统成像深度和分辨率, 采用S波段的微波脉冲信号源对物体进行辐射, 利用圆形扫描方式对待测物体进行检测, 同时为了更好的验证成像性能, 本实验同时使用了肿瘤仿体及实际生物组织进行成像实验. 通过实验分析, 验证了该系统对肿瘤仿体和生物组织检测的有效性, 以及系统的高分辨率和高对比度特性, 为早期乳房肿瘤检测提供了进一步的理论支撑.     

乳腺癌检测的三维微波热声成像技术

提出了三维微波热声成像技术检测早期乳腺肿瘤,成像同时具有高对比度和高分辨率的特点.该技术利用自适应的鲁棒Capon波束成形(RCB)算法进行信号处理和图像重建.基于电磁学和声学时域有限差分(FDTD)法,进行微波热声成像仿真,算例结果证实了该技术用于诊断早期乳腺肿瘤的可行性. 关键词： 乳腺癌检测 微波热声成像 鲁棒的Capon波束成形 时域有限差分     

强脉冲离子束辐照薄金属靶的热力学过程研究

在回顾和总结现有强脉冲离子束诊断技术和能量沉积模型的基础上, 结合红外成像诊断分析, 基于能量平衡, 提出了强脉冲离子束在固体靶中功率密度分布模型, 并采用蒙特卡罗方法对其进行计算. 以该功率密度模型作为源项, 使用有限元分析方法模拟强脉冲离子束入射100 μm不锈钢靶后内部温度场在毫秒时间范围内的分布和演化. 结果显示, 在微秒时间范围内, 热场以存在于近表面区域数倍于离子射程范围内的冲击热场为主要特征; 而在毫秒时间范围内, 靶的前后表面(纵向)已达到温度平衡, 且靶后表面温度场和入射前表面的离子束横截面能量密度具有空间分布的相似性. 这证明了, 在采用具有毫秒响应速度的红外拍摄系统的情况下, 背面红外诊断技术可以实现以较高的精度对强脉冲离子束横截面的能量分布进行诊断和分析.     

高分辨率快速数字化光声CT乳腺肿瘤成像

提出了一种基于聚焦线性阵列探测器的快速光声计算机断层成像技术（光声CT）.在光声二维图像重建中,根据阵列探测器机械扫描和电子扫描相结合的组合扫描模式,提出了改进的有限场滤波反投影重建算法.一方面该算法适合多元探测器旋转扫描模式,另一方面探测器的指向性函数作为反投影的权重因子提高了系统的横向分辨率.同时,该成像系统还利用柱面声透镜实现Z轴方向上的聚焦扫描以实现三维层析成像.实验中,这套成像系统空间分辨率达到0.2mm,Z轴方向分辨率为1.5mm,扫描一幅二维图像仅需150s,得到 关键词： 光声CT 有限场滤波反投影算法 声透镜聚焦 乳腺肿瘤检测     

基于声学扫描振镜的超声/光声双模态成像技术

超声/光声双模态成像技术因其同时兼具超声的高分辨率结构成像和光声的高对比度功能成像优势,极大地推动了光声成像技术的临床应用推广.传统超声/光声双模态成像技术多基于超声成像所用阵列探头同时收集光声信号,系统结构紧凑且无需图像配准,操作便捷.但该类设备使用阵列探头和多通道数据采集,使得其成本较高;且成像结果易受通道一致性差异影响.本文提出了一种基于声学扫描振镜的超声/光声双模态成像技术,该技术采用单个超声换能器结合一维声学扫描振镜进行快速声束扫描,实现超声/光声双模态成像,是一种小型化、低成本的双模态快速成像技术.本文开展了系列仿体和活体成像研究,实验结果表明:系统有效成像范围为15.6 mm,超声和光声成像B扫描速度分别为1.0 s^–1和0.1 s^–1 (光声成像速度主要受制于脉冲激光器重复频率).基于本文所提技术研究,有助于进一步推动超声/光声双模态成像技术的临床转化和普及;也为基于超声信号检测的多模态成像技术提供了一种低成本、小型化和快速声信号检测的参考方案.     

早期乳腺肿瘤的超宽带微波稳健波束形成成像检测系统

提出了一种基于自主设计小型超宽带天线的微波稳健波束形成(RCB)成像肿瘤检测系统.仿真结果表明,该检测系统对肿瘤反射信号有很高的敏感度.在简单平面模型和核磁共振成像图(MRI)导出模型中进行仿真检测实验,并将天线阵列接收信号用RCB算法进行成像处理.从乳房重构图像中能够得到正确的肿瘤位置及大小信息,实现了平面模型中最小直径3 mm和MRI导出模型中最小直径4 mm的肿瘤检测,证实了该检测系统用于早期乳腺肿瘤检测的可行性.     

基于声透镜成像系统的光声层析成像

光声成像是采用“光激发-超声波成像”的新型成像技术，它是检测强散射介质内部光吸收分布的一种有效医学影像技术.用短脉冲激光照射强散射介质(如生物组织)，强散射介质由于光声效应产生超声信号，使用具有成像能力的声透镜把声压分布成像于像面上，然后利用具有空间分辨能力的阵列光声传感器，把同一像面上的光声信号强度记录下来，最后根据光声信号强度的空间分布进行图像重组.根据成像系统物像共轭原理，同一物平面的光声信号到达像面的时延相等，而不同物面的光声信号到达同一个探测器平面的时延各不相同，因此，利用BOXCAR的门控积分 关键词： 光声层析成像 声透镜 光声信号     

基于随机场照射的最优微波成像

近年来,电磁计算成像的理论和技术得到了广泛的研究和发展,其中基于随机场照射的微波成像引起了诸多关注.与传统成像方法的连续波照射不同,基于随机场照射的成像方法以随机照射的方式获取多组非相关的目标散射测量值,经过反演计算就能提取散射目标体的轮廓和形状等信息.基于阵列天线理论,本文理论分析并实验验证了一种最优的二维微波成像系统,能够使用最少的天线单元实现随机照射,通过最少的测量次数完成矩阵求逆并得到重建图像.该系统主要有以下两个创新点:完全随机照射的获取和成像系统最优参数的选取.与基于超材料的成像系统相比,本文通过对1 bit相位调制器随机相位调制的方式获取随机场照射,使得每个天线单元都处于工作状态,因此整个系统的能量效率更高.此外,所述单频成像系统还具有频谱效率高、结构简单、成本低等优点,在安检、室内定位等不同场景中具有潜在的应用价值.     

热声发动机的格子气模拟

在传统的9-bit格子气模型中引入了温度区的概念,并应用于热声发动机的模拟研究.利用改进后的格子气模型,模拟了热声谐振管中的自激振荡和二维温度场的分布及温度随时间的演化过程,同时,对热声板叠的长度和在声场中的位置对声幅的影响也进行了数值研究,所得结果对板叠的优化设计是有价值的.通过对模拟和实验结果的比较,验证了热声机格子气模型的有效性,表明格子气方法适用于热声模拟.     

热声热机声场的格子气分析

从格子气自动机演化方程恢复了宏观热声方程,采用D2Q9热格子气模型模拟热声热机系统的压力场、温度场和速度场,获得压力驻波的传播和反射过程。模拟结果显示,在所给模拟条件下压力波具有非线性的特征,变截面附近的流场区域会产生引起非线性耗散的涡流。本文也分析了谐振管几何尺寸及格子气粒子密度对系统频率和压力的影响,验证了热声热机格子气模型的有效性。     

热声热机中的能量模拟与分析

文中主要对回热器中的能流及其能流分量进行了模拟 ,并在此基础上分析了能流及其分量对热声热机的影响 ,为更深地理解热声热机中所发生的能量转换现象 ,更好地设计热声热机提供有价值的依据和参考。     

100 MeV电子直线加速器的物理设计

 能量为100 MeV左右的高性能电子直线加速器是第三代同步辐射光源注入器和自由电子激光注入器的重要组成部分,采用热阴极栅控电子枪、聚束系统和4根SLAC型加速管作为加速器主体结构,一套45 MW的速调管调制器系统和波导系统作为微波功率源系统。设计中,使用了国际通用的模拟软件对加速器的动力学特性进行了数值模拟和参数优化,电子束能量达到100 MeV以上,能散小于1%,归一化发射度小于30 mm·mrad。     

基于原子的微波场测量

本文分别综述了基于热原子、冷原子体系的微波场测量的研究进展,以及基于纠缠原子的高灵敏微波电场测量的最新结果。文中详细介绍了基于原子的微波场测量与实验进展,内容主要包括:热原子样品中,利用里德堡原子的电磁感应透明效应和Autler-Townes效应,实现微波电场的场强测量和微波电场空间分布特征的亚波长空间高分辨率成像。冷原子样品中,介绍了相邻里德堡态与微波的相干耦合强度受微波功率的影响,以及通过铷原子基态超精细能级与微波相干耦合振荡,实现基于原子的新型微波功率标准的研究。此外,利用冷原子探针实现微米级空间分辨率的二维微波场场强分布测量。最后我们对采用原子的量子纠缠态提高微波场强探测灵敏度的技术方案进行了讨论,量子纠缠的引入将有望使微波探测的灵敏度突破标准量子极限,获得优于传统雷达探测灵敏度的测量结果。     

Investigation on influencing factors of acoustic streaming in thermoacoustic waveguides with slowly varying cross-section

The influencing factors of acoustic streaming in thermoacoustic waveguides with slowly varying cross-section are analyzed based on theoretical analysis and numerical simulation. The distribution curves of acoustic streaming velocity in waveguides with different characteristic scales are presented in several specific cases.The results show that appropriate forms of varying cross-section can strengthen or weaken acoustic streaming for specific acoustic fields and the thermophysical parameters have no effect on this part.In addition,the influence of time-average temperature distribution on acoustic streaming is substantial in tubes with a width of the order of the thermal penetration depth.Without time-average temperature distribution,the effect of heat conduction on acoustic streaming is great in tubes whose width is an order of about 10 to 20 times the viscous penetration depth.     

介质窗横向电磁场分布下的次级电子倍增效应

本文利用自编P3D3V PIC程序, 数值研究了BJ32矩波导传输TE₁₀模式高功率微波在介质窗内、 外表面引发的次级电子倍增过程, 给出了次级电子3维空间位置分布特征、介质窗表面法向静电场分布规律以及电子数密度分布特性. 模拟结果表明: 对于介质窗内侧, 微波强场区域率先进入次级电子倍增过程; 而对于介质窗外侧, 则是微波弱场区域优先进入次级电子倍增过程. 形成机理可以解释为: 微波坡印廷矢量方向与介质窗外表面法向相同而与内表面法向相反, 内侧漂移运动导致强场区域电子易于被推回表面, 有利于次级电子倍增优先形成; 外侧漂移运动导致强场区域电子易于被推离表面, 不利于次级电子倍增形成. 准3维模型相对1维模型: 介质窗内侧次级电子倍增过程中, 次级电子倍增进入饱和时间长、饱和次级电子数目少、平均电子能量高、 入射微波功率低、沉积功率低; 介质窗外侧次级电子倍增过程中, 次级电子倍增进入饱和时间短、饱和次级电子数目少、平均电子能量低、 入射微波功率低、沉积功率低. 沉积功率与入射微波功率比值与微波模式、强度及介质窗内外侧表面关系不大, 准3维和1维模型计算结果均在1%–2%左右水平. 关键词： 高功率微波 介质表面次级电子倍增 粒子模拟 横向电磁场分布     

一种新型的液闪阵列成像屏空间分辨特性

针对低强度射线成像,自主研制了一种像元为0.1 mm高探测效率的液闪阵列屏.为此,基于倾斜刀口边缘响应的测量原理,建立了理论模拟方法和实验研究方法,对该液闪阵列屏开展了空间分辨性能研究.通过理论模拟,给出了液闪阵列屏在14 MeV中子和1.25 MeV伽马射线激发下的调制传递函数,并与像元为0.1,0.3和0.5 mm的闪烁纤维阵列屏进行了理论对比.在60Co伽马射线源上,对液闪阵列屏和像元为0.3和0.5 mm的两种国产闪烁纤维阵列屏进行了调制传递函数实测研究.理论模拟和实验结果一致,均表明液闪阵列的空间特性优于闪烁纤维阵列屏,而且具有更好的均匀性,对1.25 MeV伽马,空间分辨接近0.9 lp/mm,而其他两种纤维阵列屏仅达到0.5 lp/mm,对于14 MeV中子,液闪阵列屏的空间分辨可达到1.8 lp/mm.     

渐变截面热声波导管内的声流影响因素分析

通过理论分析和数值仿真,对渐变截面热声波导管内声流各影响因素进行了具体的分析,并给出了不同情形下波导管内的声流速度分布特性曲线。研究表明,热物理参数对渐变截面导致的声流变化无影响,针对具体的声场设计合适的截面变化形式可以使得管内声流在整体上得到一定程度的抑制或加强。此外,当波导管截面尺度与热穿透深度同数量级时,轴向时均温度分布对声流的影响十分显著。当不存在非零时均温度梯度时,热传导效应对声流的影响在管截面尺度为黏性穿透深度约10至20倍量级时最大。      

基于原子的射频识别标签近场散射场矢量测量

基于原子的时间/频率、长度以及磁场、微波电场等方面的量子精密测量近年来引起广泛关注。里德堡原子作为微波精密测量工具,具有可溯源性好、空间分辨率高以及探测灵敏度高等优势。通过室温铯里德堡原子的电磁诱导透明光谱特征分析实现了微波电场矢量空间高分辨测量。利用铯原子蒸气池中共线的耦合光和探测光形成了6S_1/2-6P_3/2-51D_5/2的阶梯型三能级系统,5.365 GHz微波电场将诱导相邻里德堡态51D_5/2-52P_3/2的共振跃迁,导致阶梯型三能级系统的电磁诱导透明光谱发生Autler-Townes分裂。通过计算光谱的分裂间隔可得到可溯源至普朗克常数的微波电场强度,微波电场测量的空间分辨率达到1/31被测微波波长。特别是提出一种新的微波电场极化方向测量方法,解决了基于里德堡原子进行微波电场极化方向测量时无法分辨互补角的问题。通过对射频识别标签的近场散射场进行矢量测量,实现了标签角度的有效识别,角度分辨率达到1.64°,测量结果与有限元分析方法仿真结果吻合地很好。该研究对于微波电场空间高分辨成像、射频识别标签的设计和识别以及电磁兼容测试等方面具有重要价值。