光子与相对论麦克斯韦分布电子散射的能谱角度谱研究

光子与相对论麦克斯韦分布电子散射的描述及能谱角度谱计算非常复杂且费时.本文提出了一种光子与相对论麦克斯韦速度分布电子散射的蒙特卡罗(MC)模拟方法,该方法能够细致模拟高温等离子体中任意能量光子与任意温度电子的Compton和逆Compton散射问题.对于散射后光子的能谱和角度谱参数,可以根据电子温度抽样若干不同状态的电子,分别模拟其与光子发生散射,可以得到各次散射后的光子能量和偏转角度,取统计平均后的结果即可获得该光子与该温度电子散射的能谱和角度谱分布.根据该方法编写了光子与相对论电子散射MC模拟程序,开展了高温全电离等离子体中光子与相对论电子散射的能谱角度谱计算和分析,分析结果显示:热运动电子将展宽出射光子能谱,且低能光子与高温电子散射后的蓝移现象明显;出射光子的角度谱很复杂,其决定于入射光子能量、出射光子能量及电子温度.基于该方法计算并以数表形式给出的光子-相对论电子散射能谱角度谱数据,可以供辐射输运数值模拟程序使用.     

光子与相对论麦克斯韦分布电子散射截面的蒙特卡罗计算方法

高温全电离等离子体的辐射输运问题中,光子与电子的Compton散射与逆Compton散射是其中重要的特性,光子与相对论麦克斯韦电子散射的描述及截面的计算非常复杂且费时.本文提出了一种用于模拟计算光子与相对论麦克斯韦速度分布电子散射截面的蒙特卡罗计算方法.给出了各步骤的具体实现办法,推导了对应的计算公式,研究了相对论电子速率抽样方法,编写了光子与相对论电子散射的微观截面的蒙特卡罗计算程序.开展了高温全电离等离子体中,不同能量光子与不同温度电子散射的微观散射截面计算和分析.模拟计算结果显示,在电子温度低于25 keV情况下,本文方法与多重数值积分方法的计算结果非常接近;但随着电子温度继续升高,二者差异逐渐增大并较明显,经分析,可能是本文方法目前的电子速率抽样偏差所致,希望将来能够找到更好的相对论电子速率抽样方法以克服此缺陷.     

局部Klein-Nishina分布抽样

局部Klein-Nishina分布是指，光子与物质发生非相干散射后对散射方向的抽样限定在局部范围内。近一些年来，一种通过确定对探测器所张立体角计算探测器通量的方法被提了出来，并受到了普遍重视，局部Klein-Nishina分布抽样问题就是由此产生的。较全面地研究了局部Klein-Nishina分布抽样问题，给出了一些可行的抽样方法，并在计算机上进行了模拟抽样比较。     

局部Klein-Nishina分布抽样

局部Ｋｌｅｉｎ－Ｎｉｓｈｉｎａ分布是指，光子与物质发生非相干散射后对散射方向的抽样限定在局部范围内。近一年来，一种通过确定对探测器所张立体角计算探测器通量的方法被提了出来，并受到了普遍重视，局部Ｋｌｅｉｎ－Ｎｉｓｈｉｎａ分布抽样问题就是由此产生的。较全面地研究了局部Ｋｌｅｉｎ－Ｎｉｓｈｉｎａ分布抽样问题，给出了一些可行的抽样方法，并在计算机上进行了模拟抽样比较。     

基于能量密度分布的辐射源粒子空间抽样方法研究

利用隐式蒙特卡罗方法模拟热辐射光子在物质中的输运过程时,物质辐射源粒子是需要细致处理的物理量.传统的物质辐射源粒子抽样方法是体平均抽样方法,对于大多数问题,这样处理不会带来大的偏差.但是对于一些辐射吸收截面大、单一网格内温差显著的问题,体平均抽样方法的计算结果偏差较大.分析了产生偏差原因,提出一种基于辐射能量密度分布的辐射源粒子空间位置抽样方法,并推导了相应的抽样公式以解决此类问题.数值实验表明,新方法计算结果明显优于原方法且与解析结果基本一致.     

光衍射数值模拟中不同抽样方法的适用性分析

基于标量衍射理论和快速傅里叶变换,分析了光衍射的数值模拟时可以采用的不同抽样方法及其适用性。理论分析表明,按照抽样对象的不同,存在三种适用范围不同的算法:传递函数抽样法、点扩展函数抽样法和加权函数抽样法。其适用范围分别为衍射距离小于、大于和等于特征距离的情况。在Matlab软件环境下给出了三种算法的模拟计算实例,并与相应的实验结果进行了比较,证明了理论分析的正确性。最后还给出了一种无需改变抽样点数和抽样间隔就可计算任意距离衍射过程的自适应抽样算法及其在数字全息再现中的应用实例。     

利用一维Vlasov和Maxwell方程模拟激光等离子体相互作用

应用一维Vlasov和Maxwell耦合程序详细研究了激光等离子体相互作用中的基本问题——受激拉曼散射(SRS). 通过研究发现, SRS的产生与电子速度分布函数在相空间中的结构密切相关, 当电子速度分布函数形成相空间涡旋时,背向SRS光大幅增加,而当电子等离子体波相速度附近的电子速度分布函数曲线变平坦后, 背向SRS光基本停止发生. 在模拟中观测到了SRS的爆发、电子速度分布函数形成相空间涡旋、电子俘获等清晰的物理图像. 关键词： Vlasov-Maxwell模拟 受激拉曼散射     

X射线光子在固体中空间密度分布的蒙特卡罗模拟计算软件

基于作者发展的物理模型和计算方法,编制了计算固体中X射线光子的空间密度分布的软件。该程序可模拟keV能量的电子束在固体中的散射过程和X射线光子的激发,定量给出X光光子的空间密度分布和包含不同比例光子数的空间范围。这对电子显微学的定量研究是很有意义的。     

未被俘获电子对多光子非线性Compton散射能量转换效率的影响

 应用单粒子理论和电子与光子非弹性碰撞模型，研究了未被俘获电子对多光子非线性Compton散射能量转换效率的影响。结果表明，未被俘获电子使该散射的频谱展宽随入射电子速度和与电子同时作用的光子数的增大而增大，随电子与光子非弹性碰撞成分的增大而减小，从而使能量转换效率近乎与电子入射速度正比降低。用低能电子入射，能有效地减小这种损失。     

基于光子散射的功能成像技术

阐述了基于光子散射模型下的功能成像技术.运用蒙特卡罗方法对光子在介质中的散射路径进行了模拟和分析,从而引入光子散射的概念.通过对光子散射方程的解释引入了散射光子密度波的概念.通过无限大模型下光子密度波的波方程,引出光子密度波的异质模型.建立了基于消元的奇异值弱化重建算法,完成了对病态方程的求解,实现了对内嵌于均匀介质中异质的吸收系数分布图像的重建.在基于光散射成像技术所开发的成像系统平台下实现了异质小球的成像实验,对多个不同浓度的物体完成了成像,探测到介质中由于微小浓度改变而引起的吸收系数变化.     

Calculation method for particle mean diameter and particle size distribution function under dependent model algorithm

In total light scattering particle sizing technique, the relationship among Sauter mean diameter D32, mean extinction efficiency Q, and particle size distribution function is studied in order to inverse the mean diameter and particle size distribution simply. We propose a method which utilizes the mean extinction efficiency ratio at only two selected wavelengths to solve D32 and then to inverse the particle size distribution associated with (Q) and D32. Numerical simulation results show that the particle size distribution is inversed accurately with this method, and the number of wavelengths used is reduced to the greatest extent in the measurement range. The calculation method has the advantages of simplicity and rapidness.     

动态光散射测量粒径分布的格雷码编码遗传算法反演运算

采用格雷码编码的遗传算法对动态光散射测量的粒径分布进行反演运算,数字测试结果表明,对于无噪声的分布,算法能精确的反演出各种粒子分布图像;对于加了一定噪声的分布,算法显示出较好的稳定性,能反演出主峰的分布图像.聚苯乙烯乳球的实验结果表明,该算法能反演双分布的粒径分布图像.与标准遗传算法和反演蒙特卡罗算法相比,该算法具有较高的搜索效率,能够用较少的计算时间快速搜索到最优解.格雷码编码遗传算法是一种更有效的随机反演算法.     

基于光传播Monte Carlo模拟的三维模型特征提取方法

在现代工业设计、人工智能、软件设计等领域,三维模型正展现强劲需求与活力,传统三维模型特征提取方法仅能提取模型表面特征,难以满足复杂模型特征提取需求,为提高三维模型的特征提取精度,基于光谱分析以及可见光传播特性,提出一种具有高区分度的三维模型特征提取方法。首先利用光散射系数、吸收系数、各向异性等光学特性参数,量化分析光在不同介质中透射、散射、反射概率,并确定最佳光谱模拟波段;其次采用Monte-Carlo法模拟光子束在三维模型中的传播历程,获得光子束传播轨迹的角度、距离、能量等多种统计量,计算不同统计量权重,经过统计分析后完成特征提取;然后在ESB国际通用三维模型库中,测试不同光子束数量、约束空间形状对特征提取效果影响,从而确定最佳模拟参数;最后使用多种特征提取方法与光传播模拟法进行特征提取效果比较,并采用查准率、查全率以及E测度评价指标对特征提取效果进行定量测试。实验结果表明,三维模型特征提取准确度对光传播约束空间形态较为敏感,光子传播的最佳约束空间为球体;三维特征提取效率随着光子束数量升高而降低,在保证特征提取精度的前提下,10000~25000区间是光子束模拟数量的最佳取值范围;基于光传播模拟的特征提取准确度高于小波变换、距离夹角以及D2分布方法,能够满足三维模型检索需求,更适合复杂三维模型的离线特征提取与应用。结合光谱分析与可见光传播特性的模型特征提取法拓宽了光谱分析的应用范围,能够提取出融合三维模型表面特性与内部形态的有效特征,为高精度特征提取技术研究注入新动力。     

求解光学CT图象重建问题的广义脉冲谱技术研究

间接法是目前实现医学诊断用近红外光三维成象(光CT)的最有潜力的手段之一.该方法基于以下假设,即给定分别对应于不同点激励源作用下成象组织体表面各点的传输光测量.在组织体内存在着与上述检测量相对应的、唯一的光学参数三维分布.由此,图象重建变成了特定光子传输模型的逆问题.本文提出采用广义脉冲谱技术(Generalized Pulse Spectrum Technique,GPST)进行光学CT图象重建逆问题的求解.给出了GPST在扩散方程光子传输模型逆问题求解中的具体实现,数值实验结果表明,通过选择合适的复频率点,采用GPST算法的图象重建结果优于其它现有算法,且响应时间合理.最后,本文还初步讨论了吸收和散射系数重建中复频率点选择的一些基本原则。     

Charged black rings from inverse scattering

The inverse scattering method of Belinsky and Zakharov is a powerful method to construct solutions of vacuum Einstein equations. In particular, in five dimensions this method has been successfully applied to construct a large variety of black hole solutions. Recent applications of this method to Einstein–Maxwell-dilaton (EMd) theory, for the special case of Kaluza–Klein dilaton coupling, has led to the construction of the most general black ring in this theory. In this contribution, we review the inverse scattering method and its application to the EMd theory. We illustrate the efficiency of these methods with a detailed construction of an electrically charged black ring.     

基于蒙特卡罗模拟的散射介质中后向光散射模型及分析应用

构建了内光源模型探讨散射介质中的光散射现象,利用蒙特卡罗方法研究了逃逸出组织的后向散射光子数随光子在组织内部发生的散射次数的分布关系,探讨了光源照明方式、辐射强度、接收方式、调制等参数的变化对后向散射的影响,结果表明后向散射光子的数量随散射次数的分布并非简单的单调递增或递减,而是一条先增大后减小出现峰值的曲线. 峰值位置、峰值大小及曲线形状与光源、探测方式、组织光学特性参数等有关. 关键词： 医用光学与生物技术 散射介质 后向散射 蒙特卡罗模拟     

Numerical solution of inverse scattering for near-field optics

A novel regularized recursive linearization method is developed for a two-dimensional inverse medium scattering problem that arises in near-field optics, which reconstructs the scatterer of an inhomogeneous medium located on a substrate from data accessible through photon scanning tunneling microscopy experiments. Based on multiple frequency scattering data, the method starts from the Born approximation corresponding to weak scattering at a low frequency, and each update is obtained by continuation on the wavenumber from solutions of one forward problem and one adjoint problem of the Helmholtz equation.     

蒙特卡罗法计算无序激光器的阈值

提出了计算无序激光器阈值增益的模型,提出了已知平均自由程和散射强度分布得到分布函数及相应的随机变量的方法.对各向同性的光散射,导出了各分布函数,并在每次散射中得到相应的随机变量.运用蒙特卡罗法模拟光子在无序介质中的随机行走,得到了无序激光器的阈值.讨论了阈值增益与光子平均自由程、增益区半径、增益区深度、非增益区光吸收系数的关系,提出了降低阈值的方法.理论结果与实验数据是符合的. 关键词： 激光物理 阈值 蒙特卡罗 散射     

Jacobian transformed and detailed balance approximations for photon induced scattering

Photon emission and scattering are enhanced by the number of photons in the final state, and the photon transport equation reflects this in scattering–emission kernels and source terms. This is often a complication in both theoretical and numerical analyzes, requiring approximations and assumptions about background and material temperatures, incident and exiting photon energies, local thermodynamic equilibrium, plus other related aspects of photon scattering and emission. We review earlier schemes parameterizing photon scattering–emission processes, and suggest two alternative schemes. One links the product of photon and electron distributions in the final state to the product in the initial state by Jacobian transformation of kinematical variables (energy and angle), and the other links integrands of scattering kernels in a detailed balance requirement for overall (integrated) induced effects. Compton and inverse Compton differential scattering cross sections are detailed in appropriate limits, numerical integrations are performed over the induced scattering kernel, and for tabulation induced scattering terms are incorporated into effective cross sections for comparisons and numerical estimates. Relativistic electron distributions are assumed for calculations. Both Wien and Planckian distributions are contrasted for impact on induced scattering as LTE limit points. We find that both transformed and balanced approximations suggest larger induced scattering effects at high photon energies and low electron temperatures, and smaller effects in the opposite limits, compared to previous analyzes, with 10–20% increases in effective cross sections. We also note that both approximations can be simply implemented within existing transport modules or opacity processors as an additional term in the effective scattering cross section. Applications and comparisons include effective cross sections, kernel approximations, and impacts on radiative transport solutions in 1D geometry. The additional computing time for processing opacities (cross sections) within these approximations is negligible as induced terms are merely added (multipliers) to cross sections at the end of the processing cycle.