题名:电动汽车用永磁同步电机设计方法及相关问题的研究
作者:吴世华
学位授予单位:哈尔滨工业大学
关键词:电动汽车;;永磁同步电机;;设计方法;;非稳态温升;;参数解析计算
摘要:由于能源与环境问题带来的影响,传统汽车产业正在向“电动”转变,世界各国和各大汽车厂商无不投入巨资进行电动汽车的研究。作为电动汽车核心驱动部件的电机系统,是这一方向的研究热点。然而,目前电动汽车Magnetic lifter 用电机的设计大多数还局限于传统工频供电电机的设计方法,即基于电机额定工况运行的稳态设计方法。但电动汽车用电机由于汽车的频繁启停、加减速等,它的运行工况非常复杂,采用这种传统的设计方法显然不能满足电动汽车的要求。因此,本文将从电动汽车对驱动电机的要求出发,以永磁同步电机为例,尝试从电动汽车角度进行驱动电机设计及相关问题的研究。
电动汽车驱动电机不仅关注传统的额定性能,更重视峰值性能、区域性能等特殊指标。本文针对电动汽车的特殊要求,建立了一套电动汽车用永磁同步电机设计方法。方法包括六个部分,分别是:(1)主要尺寸设计。(2)磁路设计、绕组设计和电路参数设计。(3)额定工作性能设计。(4)弱磁扩速比和过载倍数计算。(5)区域性能设计。(6)依据车辆循环工况的电机性能设计。设计方法始终与电机的控制策略相结合,不仅实现了弱磁扩速比、过载倍数和Map图的计算,而且计算结果更符合实际情况,准确度更高。依据循环工况的工作性能计算,使电机本体设计兼顾了电动汽车的行驶情况,让电机更好的满足驱动车辆的要求。
电机尺寸对于整车的布置非常重要。因此,在整车设计阶段如何根据整车的要求,快速、准确给出电机主要尺寸估算结果,而不需要大量的计算就很有意义。为此,本文研究了主要尺寸公式,根据电机尺寸的基本关系,结合电负荷等参数的表达式,推导出了电机定子内径和定子外径之间关系的解析表达式,解决了传统尺寸公式已知电机尺寸,预测电机功率能力不方便的问题。
电枢反应电抗计算是电动汽车用永磁同步电机设计的必要步骤,一般地,电枢反应电抗计算需要进行大量有限元计算。本文针对这一情况,修正了传统永磁同步电机直交轴电抗解析计算法,在提高解析计算精度的同时,大幅减少了有限元计算所占用的时间。以此为基础,又给出了基于直交轴电枢反应折合系数的转子磁路结构对比方法。方便了估算阶段的电机设计方案对比。
温升计算,尤其是暂态温升的计算,是电动汽车电机复杂工况分析的基础。本文首先分析了集总热容等效法误差产生的原因,在此基础上,给出了一个近似计算公式,使集总热容等效法的计算精度得到了提高。然后,将电机的暂态温升问题等效为一维复合无限长平板的导热问题,并采用格林函数法求得了求解区域内偏微分方程组的近似解析解。解函数不仅可以描述温度随时间的变化情况,而且能够反映温度在空间上的分布。最后,通过实验验证了公式的精度,误差在10%以内。
电动汽车驱动系统的结构决定了电动汽车驱动电机的类型。本文针对双电机加AMT混合动力轿车、单轴转矩并联混合动力客车、双电机加行星齿轮重型混合动力车和轮式驱动电动汽车,讨论了低速大转矩型、高速小转矩型和高功率大转矩型三种不同电动汽车驱动电机的设计特点,并给出了相应的设计建议。
本文给出的电动http://www.999magnet.com/products/131-magnetic-lifter汽车用永磁同步电机设计方法充分考虑了电动汽车驱动用电机的特点,并经过了较多工程实践的检验,为电动汽车驱动电机的研究奠定了一定基础。
课题获国家863电动汽车专项“红旗牌混合动力轿车电机及其控制系统”和“解放牌混合动力客车电机及其控制系统”、横向项目“高功率密度永磁同步电机的研究”和“电动轮的研制”资助。其中,混合动力轿车用永磁同步电机通过了国家863电动汽车专项的测试,测试结果验证了方法的有效性。
学位年度:2010
2011年8月31日星期三
几种磁性材料的辐照效应及结构演变研究
题名:几种磁性材料的辐照效应及结构演变研究
作者:杨丽
学位授予单位:哈尔滨工业大学
关键词:磁性材料;;辐照损伤;;磁性能;;精细结构
摘要:为实现航天器抗辐射加固设计,必须对空间环境中航天器关键材料的辐照效应进行深入研究。本论文选择了几种典型的航天器用磁性材料,分别研究质子、电子和中子辐照环境下材料的磁性能变化规律及损伤行为;并应用同步辐射实验技术等先进的结构分析测试手段,详细分析了不同粒子辐照环境对磁性材料的缺陷结构、组织结构、电子结构及磁畴结构的影响,定量表征了辐照后原子局域结构、原子磁矩和超精细场的变化特征,并综合辐照后材料的磁性能及精细结构的变化规律分析讨论了磁Magnetic lifter性材料的辐照损伤机制,同时对NdFeB稀土永磁体在质子辐照及温度退磁过程中的磁畴演化规律进行了细致的研究。
通过大量辐照试验得到了几种磁性材料在辐照环境下的性能变化规律:辐照使FeAl软磁合金技术磁性能改变,主要表现为矫顽力增加和磁导率的下降。辐照对FeCrCo、NdFeB永磁合金的影响主要表现为磁通损失的降低,而技术磁性能的变化并不明显;NdFeB永磁合金对辐照过程中的温度更为敏感。
辐照后FeAl合金中总的点缺陷数量增多,合金中存在的缺陷以单空位及小的空位团簇为主;电子辐照过程中极少出现由点缺陷的复合而形成的较大空位团。而在质子辐照过程中存在明显地单空位体的聚集及空位团的长大。
质子辐照导致了FeAl合金中Fe3Al有序相的析出,生成的Fe3Al有序相结构无序度较大。辐照并没有改变NdFeB和FeCrCo合金中主磁性相的晶体结构,但是对原子局域结构的影响较大。辐照主要引起了NdFeB合金中Fe原子周围约0.36nm范围内的局域环境的改变,辐照后Fe原子周围无序度增大,Fe-Nd配位数降低;电子辐照时FeCrCo合金中α1和α2两相之间发生了原子扩散,主要以Fe原子扩散为主。
M?ssbauer谱研究结果表明,辐照使永磁合金的超精细结构发生了改变,辐照后超精细磁场降低。质子辐照导致NdFeB永磁合金中磁性原子Fe的3d电子空态密度增加,同时Fe原子的键合环境发生了改变。X射线磁性圆二色试验结果表明,电子辐照改变了FeCrCo合金中磁性原子的轨道-自旋耦合作用,使原子磁矩发生了变化;辐照导致了Fe、Co原子3d电子空态密度的变化。
NdFeB磁体的磁畴结构观察结果表明,热退磁态以后的NdFeB磁体为多畴体,片状畴的平均宽度为2.1μm;剩磁态的NdFeB磁体中每个晶粒基本上都是饱和磁化的单畴体。质子辐照对NdFeB永磁体磁畴结构的影响主要表现为温度和应力的共同作用。温度的变化主要引起单畴体内磁化矢量的转动及反向畴http://www.999magnet.com/products/131-magnetic-lifter的形成,辐照时形成的内应力使磁体原有的磁化矢量方向发生偏转,导致了微细条状畴的形成。
对于软磁合金,辐照引入的应力,由于相转变造成的微区磁滞伸缩系数的改变是合金磁性能变化的主要原因;辐照产生的结构缺陷引起微区内磁晶各向异性的扰动,加速反磁化畴的形核过程,同时阻碍畴壁运动是永磁合金性能变化的主要原因。
学位年度:2010
作者:杨丽
学位授予单位:哈尔滨工业大学
关键词:磁性材料;;辐照损伤;;磁性能;;精细结构
摘要:为实现航天器抗辐射加固设计,必须对空间环境中航天器关键材料的辐照效应进行深入研究。本论文选择了几种典型的航天器用磁性材料,分别研究质子、电子和中子辐照环境下材料的磁性能变化规律及损伤行为;并应用同步辐射实验技术等先进的结构分析测试手段,详细分析了不同粒子辐照环境对磁性材料的缺陷结构、组织结构、电子结构及磁畴结构的影响,定量表征了辐照后原子局域结构、原子磁矩和超精细场的变化特征,并综合辐照后材料的磁性能及精细结构的变化规律分析讨论了磁Magnetic lifter性材料的辐照损伤机制,同时对NdFeB稀土永磁体在质子辐照及温度退磁过程中的磁畴演化规律进行了细致的研究。
通过大量辐照试验得到了几种磁性材料在辐照环境下的性能变化规律:辐照使FeAl软磁合金技术磁性能改变,主要表现为矫顽力增加和磁导率的下降。辐照对FeCrCo、NdFeB永磁合金的影响主要表现为磁通损失的降低,而技术磁性能的变化并不明显;NdFeB永磁合金对辐照过程中的温度更为敏感。
辐照后FeAl合金中总的点缺陷数量增多,合金中存在的缺陷以单空位及小的空位团簇为主;电子辐照过程中极少出现由点缺陷的复合而形成的较大空位团。而在质子辐照过程中存在明显地单空位体的聚集及空位团的长大。
质子辐照导致了FeAl合金中Fe3Al有序相的析出,生成的Fe3Al有序相结构无序度较大。辐照并没有改变NdFeB和FeCrCo合金中主磁性相的晶体结构,但是对原子局域结构的影响较大。辐照主要引起了NdFeB合金中Fe原子周围约0.36nm范围内的局域环境的改变,辐照后Fe原子周围无序度增大,Fe-Nd配位数降低;电子辐照时FeCrCo合金中α1和α2两相之间发生了原子扩散,主要以Fe原子扩散为主。
M?ssbauer谱研究结果表明,辐照使永磁合金的超精细结构发生了改变,辐照后超精细磁场降低。质子辐照导致NdFeB永磁合金中磁性原子Fe的3d电子空态密度增加,同时Fe原子的键合环境发生了改变。X射线磁性圆二色试验结果表明,电子辐照改变了FeCrCo合金中磁性原子的轨道-自旋耦合作用,使原子磁矩发生了变化;辐照导致了Fe、Co原子3d电子空态密度的变化。
NdFeB磁体的磁畴结构观察结果表明,热退磁态以后的NdFeB磁体为多畴体,片状畴的平均宽度为2.1μm;剩磁态的NdFeB磁体中每个晶粒基本上都是饱和磁化的单畴体。质子辐照对NdFeB永磁体磁畴结构的影响主要表现为温度和应力的共同作用。温度的变化主要引起单畴体内磁化矢量的转动及反向畴http://www.999magnet.com/products/131-magnetic-lifter的形成,辐照时形成的内应力使磁体原有的磁化矢量方向发生偏转,导致了微细条状畴的形成。
对于软磁合金,辐照引入的应力,由于相转变造成的微区磁滞伸缩系数的改变是合金磁性能变化的主要原因;辐照产生的结构缺陷引起微区内磁晶各向异性的扰动,加速反磁化畴的形核过程,同时阻碍畴壁运动是永磁合金性能变化的主要原因。
学位年度:2010
高速永磁同步电机的损耗分析与温度场计算
题名:高速永磁同步电机的损耗分析与温度场计算
作者:江善林
学位授予单位:哈尔滨工业大学
关键词:高速永磁同步电机;;趋肤效应;;邻近效应;;高频损耗;;无位置传感器;;暂态温度场
摘要:永磁同步电机效率高、结构简单、功率因数高、控制特性好,特别适合高速运行,已广泛应用于机械加工业、电动工具、飞轮储能、高速离心机、高速压缩机等领域。绕组交流损耗、定子铁心损耗以及转子涡流损耗的准确计算是高速永磁同步电机的关键问题,也是学术界研究的热点。本文针对高速永磁同步电机的高频损耗及温升问题进行了研究,包括:定子绕组高频铜耗、铁心损耗、转子涡流损Magnetic lifter 耗的解析分析和数值计算以及相关的实验研究;驱动方式和转子位置检测误差对电机损耗的影响分析以及高速永磁同步电机三次谐波无位置传感器控制实验平台的构建;高速永磁同步电机电磁场-温度场的双向耦合计算。
对高频电流引起的绕组趋肤效应、邻近效应进行了深入研究,分析了逆变器PWM谐波电流对高速永磁同步电机绕组交流损耗的影响,得出了电机绕组的交、直流损耗比随PWM载波比的变化规律。研究了绕组交流损耗随电机槽口宽度和槽口高度的变化规律,对槽内不同位置处的导体交流损耗进行了对比,指出离槽口最近的导体交流损耗最大。通过分析导体直径对导体交、直流损耗的影响,得出在电流频率和幅值一定时,导体总损耗随导体直径变化存在极小值的结论。对保持导体总面积相等,采用多股并绕减小高频交流损耗的方法进行了研究,指出保持导体总面积一定时,不同并绕根数的绕组有不同的临界频率。在临界频率以下,并绕时绕组的交流损耗小于不采用并绕的绕组;在临界频率以上,采用并绕方式的绕组交流损耗反而比不采用并绕的绕组交流损耗大。实验研究了逆变器PWM谐波以及多股并绕对绕组高频交流损耗的影响,证明了有限元计算结果的正确性。
高速电机频率较高,传统的铁耗计算模型需要测量硅钢片的高频损耗曲线或者根据经验系数进行估算,已经不能满足高速电机铁耗计算的要求,由此提出一种综合考虑电机旋转磁化和高频趋肤效应的变系数正交分解高频铁心损耗计算模型。该模型只需根据硅钢片厂家提供的交变磁化方式下测得的低频损耗曲线即可拟合出相关的损耗系数,因此特别适合高速电机的铁心损耗计算。实验证明该计算模型在高、低频时都有较高的计算精度。采用该计算模型分析了逆变器PWM谐波电流、永磁体充磁方向、磁钢斜边角以及温度对高速永磁同步电机定子铁心损耗的影响。
基于等效电流片原理建立了考虑气隙、保护套、涡流电枢反应以及电机有限长度影响的永磁同步电机转子涡流损耗的解析计算模型,采用该模型对定子谐波电流在转子中产生的涡流损耗进行了分析。采用时步有限元法研究了逆变器PWM谐波电流、定子槽口尺寸、气隙长度、保护套材料及厚度对电机转子涡流损耗的影响。通过损耗分离实验,证明了解析法和有限元法计算结果的正确性。
永磁同步电机可分为方波驱动永磁同步电机和正弦波驱动永磁同步电机,两种驱动方式电机的电流波形不同,因此电机的性能和损耗也有所不同。采用有限元法对不同驱动方式下的电机损耗进行了数值分析和实验研究。分析结果表明,方波驱动方式下的电机损耗比正弦波驱动时大,而且随着转速的升高差值变大。研究了转子检测误差对高速永磁同步电机损耗的影响,指出转子位置检测误差对高速永磁同步电机的损耗影响较大。针对方波无位置传感器控制永磁同步电机在高速时电机损耗较大,正弦波无位置传感器控制起动困难和低速性能差的缺点,基于三次谐波法构建了方波和正弦波两种驱动方式相结合的新型高速永磁同步电机无位置传感器控制实验平台。对三次谐波法转子位置估算误差进行了理论分析和实验研究,并采用一阶保持法提高了转子位置估算精度,改善了系统的动、静态性能。
对钕铁硼永磁材料的温http://www.999magnet.com/products/131-magnetic-lifter度敏感性进行了研究,分析了恒电流控制和恒转矩控制两种控制策略下,温度对电机绕组交流损耗、定子铁心损耗以及转子涡流损耗的影响,指出实现电机电磁场-温度场双向耦合计算,对准确计算电机性能和各部件温升的必要性。建立了高速永磁同步电机三维暂态温度场计算模型,采用迭代的方法实现了电磁场-温度场的双向耦合计算,分析了恒转矩控制策略下的高速电机各部件温升。实验结果表明,采用迭代法的双向耦合计算结果要比传统的单向耦合计算结果更接近实测值。
学位年度:2010
无传感器内嵌式永磁同步电机转子磁极位置检测技术研究
题名:无传感器内嵌式永磁同步电机转子磁极位置检测技术研究
作者:刘家曦
学位授予单位:哈尔滨工业大学
关键词:内嵌式永磁同步电机;;交叉耦合;;旋转高频注入;;扩展状态滑模观测器;;高阶滑模
摘要:无传感器内嵌式永磁同步电动机(IPMSM)系统具有低成本、高可靠性等优点,在家用电器、高速电机、航空航天等领域得到了广泛的应用。但是由于无传感技术在实现方法上的限制,很难保证IPMSM在宽调速范围Magnetic lifter内稳定运行。因此,研究适用于宽调速范围的IPMSM转子磁极位置检测技术,并提高位置预估精度,对IPMSM无传感技术的发展具有重要的理论意义和实用价值。论文以IPMSM为研究对象,对电机初始位置检测、低速以及高速范围内的转子磁极位置检测技术、不同转子磁极位置检测技术的复合检测方法等问题进行了深入地分析与研究。
论文首先在深入分析了传统IPMSM数学模型的基础上,建立了含有交叉耦合的IPMSM数学模型。采用有限元的方法分析交直轴增量自感和互感随交直轴电流和转子位置变化的关系,确定了电感参数的变化范围。并根据电感变化规律给出了IPMSM在恒转矩区域最大转矩/电流控制下的定子电流轨迹以及弱磁区域的转速范围。
其次,对采用旋转高频电压注入法预估转子位置的原理加以分析。建立考虑IPMSM磁场交叉耦合的高频电流响应数学模型,通过对定子电流信号解调,提取高频负序电流分量,并采用锁相环(PLL)的方法预估转子位置和速度。根据d轴磁链的饱和特性,通过构建磁链饱和模型来判断磁极极性。分析磁场交叉耦合以及定子电流信号解调过程对位置预估的影响,并对预估角度偏差加以补偿。
再次,在静止坐标系下建立基于线性磁链的IPMSM状态方程,并以此为基础建立扩展状态滑模观测器来预估转子位置。结合高阶滑模和非奇异终端滑模的优点,提出二阶非奇异终端滑模控制的方法提高收敛速度抑制滑模抖振,并利用李亚普诺夫(Lyapunov)定理证明了观测器的稳定性,得出滑模增益矩阵的自适应率。在恒转矩区域和弱磁区域定量分析定子电阻偏差、交轴电感偏差以及预估角速度偏差对观测器预估磁链幅值和相位的影响,通过对预估磁链采用PLL的方法获得转子位置和速度。
然后,将旋转高频电压注入法和扩展状态滑模观测器法相结合,在宽调速范围内实现复合方法检测磁极位置。在低速范围http://www.999magnet.com/products/131-magnetic-lifter内采用旋转高频电压注入法检测磁极位置,在高速范围内采用扩展状态滑模观测器法检测磁极位置,从而保证IPMSM能够在从静止到弱磁区域内都平稳运行。
最后,设计了无传感器IPMSMhttp://www.999magnet.com/products/131-magnetic-lifter全数字矢量控制系统的实验平台。完成了实验平台的硬件电路研制以及算法编程工作。给出了采用旋转电压注入法、扩展状态滑模观测器法以及宽调速范围复合方法的IPMSM磁极位置检测实验结果及分析,实验结果验证了本文提出算法的正确性和可行性。
学位年度:2010
作者:刘家曦
学位授予单位:哈尔滨工业大学
关键词:内嵌式永磁同步电机;;交叉耦合;;旋转高频注入;;扩展状态滑模观测器;;高阶滑模
摘要:无传感器内嵌式永磁同步电动机(IPMSM)系统具有低成本、高可靠性等优点,在家用电器、高速电机、航空航天等领域得到了广泛的应用。但是由于无传感技术在实现方法上的限制,很难保证IPMSM在宽调速范围Magnetic lifter内稳定运行。因此,研究适用于宽调速范围的IPMSM转子磁极位置检测技术,并提高位置预估精度,对IPMSM无传感技术的发展具有重要的理论意义和实用价值。论文以IPMSM为研究对象,对电机初始位置检测、低速以及高速范围内的转子磁极位置检测技术、不同转子磁极位置检测技术的复合检测方法等问题进行了深入地分析与研究。
论文首先在深入分析了传统IPMSM数学模型的基础上,建立了含有交叉耦合的IPMSM数学模型。采用有限元的方法分析交直轴增量自感和互感随交直轴电流和转子位置变化的关系,确定了电感参数的变化范围。并根据电感变化规律给出了IPMSM在恒转矩区域最大转矩/电流控制下的定子电流轨迹以及弱磁区域的转速范围。
其次,对采用旋转高频电压注入法预估转子位置的原理加以分析。建立考虑IPMSM磁场交叉耦合的高频电流响应数学模型,通过对定子电流信号解调,提取高频负序电流分量,并采用锁相环(PLL)的方法预估转子位置和速度。根据d轴磁链的饱和特性,通过构建磁链饱和模型来判断磁极极性。分析磁场交叉耦合以及定子电流信号解调过程对位置预估的影响,并对预估角度偏差加以补偿。
再次,在静止坐标系下建立基于线性磁链的IPMSM状态方程,并以此为基础建立扩展状态滑模观测器来预估转子位置。结合高阶滑模和非奇异终端滑模的优点,提出二阶非奇异终端滑模控制的方法提高收敛速度抑制滑模抖振,并利用李亚普诺夫(Lyapunov)定理证明了观测器的稳定性,得出滑模增益矩阵的自适应率。在恒转矩区域和弱磁区域定量分析定子电阻偏差、交轴电感偏差以及预估角速度偏差对观测器预估磁链幅值和相位的影响,通过对预估磁链采用PLL的方法获得转子位置和速度。
然后,将旋转高频电压注入法和扩展状态滑模观测器法相结合,在宽调速范围内实现复合方法检测磁极位置。在低速范围http://www.999magnet.com/products/131-magnetic-lifter内采用旋转高频电压注入法检测磁极位置,在高速范围内采用扩展状态滑模观测器法检测磁极位置,从而保证IPMSM能够在从静止到弱磁区域内都平稳运行。
最后,设计了无传感器IPMSMhttp://www.999magnet.com/products/131-magnetic-lifter全数字矢量控制系统的实验平台。完成了实验平台的硬件电路研制以及算法编程工作。给出了采用旋转电压注入法、扩展状态滑模观测器法以及宽调速范围复合方法的IPMSM磁极位置检测实验结果及分析,实验结果验证了本文提出算法的正确性和可行性。
学位年度:2010
永磁同步电机铁心损耗与暂态温度场研究
题名:永磁同步电机铁心损耗与暂态温度场研究
作者:张洪亮
学位授予单位:哈尔滨工业大学
关键词:永磁同步电机;;铁心损耗;;永磁体涡流损耗;;暂态温度场
摘要:永磁同步电机(PMSM)系统以其良好的转速转矩特性以及低噪音、高效率、宽范围调速等诸多优点,在工农业生产领域得到了广泛应用。随着PMSM技术的不断发展,其内部许多问题需要进一步研究,如PMSM定子铁心损耗问题、永磁体内涡流损耗问题、特定工况下瞬态温升问题、PMSM设计参数的合理选择Neodymium Magnets及损耗分配问题等等。这些问题的深入研究对PMSM的性能提高及优化设计具有重要的意义。
PMSM定子铁心损耗计算是否准确不仅直接影响着电机性能的准确分析,而且影响着其温升问题的进一步研究。PMSM的极槽配合关系对其铁心损耗有很大的影响。为了准确地计算PMSM定子铁心损耗,本文基于旋转磁场的正交等效分析,给出了一种综合考虑PMSM旋转与交变磁场的铁心损耗计算方法——椭圆法。该方法较传统的谐波平衡分析法计算铁心损耗更接近于铁耗实测值。采用椭圆法及谐波平衡分析法计算定子铁心损耗,不仅需要确定铁心各剖分单元磁密波形,而且需要傅立叶分析及复杂的后处理计算,不利于电机生产厂进行电机设计时的铁耗估算。因此,本文提出了场与传统公式相结合的PMSM铁心损耗计算方法,其计算值与铁耗实测值也较为接近。另外,以铁心损耗数值计算为基础,研究了PMSM负载电流及电流超前与滞后反电势控制方式对其定子铁心损耗的影响,为PMSM控制策略的选择提供了依据。
PMSM永磁体内的涡流损耗计算是PMSM设计中的一个关键性问题。永磁体涡流损耗会使永磁体温度升高,磁性能改变,从而影响电机的运行性能。虽然,现阶段对PMSM转子及其永磁体内的涡流损耗有所研究,但大多数只停留在高速电机的层面上。本文分析了PMSM永磁体内涡流损耗的产生机理,指出了低速空载运行条件下,采用近槽配合及槽开口较大的PMSM永磁体内也会产生较大的涡流损耗。采用有限元数值计算方法进一步计算了空载与负载工况下的PMSM永磁体内涡流损耗,并与实测结果进行了对比分析。说明了极槽配合、永磁体形状、定子槽口尺寸等结构参数对永磁体内的涡流损耗具有一定影响,但极槽配合与槽口尺寸是影响磁极内涡流损耗的主要因素。采用分块拼装式磁极结构可有效地抑制PMSM永磁体内的涡流损耗。
PMSM温度升高会影响电机的工作性能,也将直接影响到电机的使用寿命和运行的可靠性,所以对永磁电机的温度场计算十分重要。本文根据传热学与空气动力学理论,以热传导方式等效处理了电机定、转子与气隙之间复杂的对流散热过程,建立了PMSM电磁稳态运行条件下的定、转子全域三维暂态温度场计算模型,给出了求解域内的基本假设及相应的边界条件,解决了定转子温度场相关联问题。提出了绕组铜耗时变热源及定子铁耗热源空间离散加载方法。该方法更能真实地反映出电机工作时温升情况。PMSM定子铁心损耗及永磁体涡流损耗是引起电机发热的主要原因之一,是否考虑定子铁心损耗及其不均匀分布对电机定子温度场计算结果具有一定影响。定子槽口宽度变化所引起的永磁体涡流损耗变化对转子温度场的影响较大,因此,在实际计算中此部分损耗要尽可能计算准确。本文首次采用了序惯耦合法对电机的短时过载能力进行计算分析,能够http://www.everbeenmagnet.com/en/products/110-sintered-neodymium-magnets更好地指导电机设计,并为电机过载工作时的热状态预估提供了前提条件。
针对PMSM的运行特点,本文计算了PMSM长时间工作在堵转及低速爬行工况下的温度场分布情况。通过分析可知,对于PMSM工作在一定的堵转条件下,电机的铜耗与铁耗分配比例尤为重要。本文给出了考虑温升限度的PMSM结构尺寸以及铜铁耗分配的设计方法,推导出了电机温升简单估算公式,并对永磁体温度敏感性所引起的铜铁耗变化做了进一步研究。为优化永磁电机的设计提供了参考依据。
学位年度:2010
作者:张洪亮
学位授予单位:哈尔滨工业大学
关键词:永磁同步电机;;铁心损耗;;永磁体涡流损耗;;暂态温度场
摘要:永磁同步电机(PMSM)系统以其良好的转速转矩特性以及低噪音、高效率、宽范围调速等诸多优点,在工农业生产领域得到了广泛应用。随着PMSM技术的不断发展,其内部许多问题需要进一步研究,如PMSM定子铁心损耗问题、永磁体内涡流损耗问题、特定工况下瞬态温升问题、PMSM设计参数的合理选择Neodymium Magnets及损耗分配问题等等。这些问题的深入研究对PMSM的性能提高及优化设计具有重要的意义。
PMSM定子铁心损耗计算是否准确不仅直接影响着电机性能的准确分析,而且影响着其温升问题的进一步研究。PMSM的极槽配合关系对其铁心损耗有很大的影响。为了准确地计算PMSM定子铁心损耗,本文基于旋转磁场的正交等效分析,给出了一种综合考虑PMSM旋转与交变磁场的铁心损耗计算方法——椭圆法。该方法较传统的谐波平衡分析法计算铁心损耗更接近于铁耗实测值。采用椭圆法及谐波平衡分析法计算定子铁心损耗,不仅需要确定铁心各剖分单元磁密波形,而且需要傅立叶分析及复杂的后处理计算,不利于电机生产厂进行电机设计时的铁耗估算。因此,本文提出了场与传统公式相结合的PMSM铁心损耗计算方法,其计算值与铁耗实测值也较为接近。另外,以铁心损耗数值计算为基础,研究了PMSM负载电流及电流超前与滞后反电势控制方式对其定子铁心损耗的影响,为PMSM控制策略的选择提供了依据。
PMSM永磁体内的涡流损耗计算是PMSM设计中的一个关键性问题。永磁体涡流损耗会使永磁体温度升高,磁性能改变,从而影响电机的运行性能。虽然,现阶段对PMSM转子及其永磁体内的涡流损耗有所研究,但大多数只停留在高速电机的层面上。本文分析了PMSM永磁体内涡流损耗的产生机理,指出了低速空载运行条件下,采用近槽配合及槽开口较大的PMSM永磁体内也会产生较大的涡流损耗。采用有限元数值计算方法进一步计算了空载与负载工况下的PMSM永磁体内涡流损耗,并与实测结果进行了对比分析。说明了极槽配合、永磁体形状、定子槽口尺寸等结构参数对永磁体内的涡流损耗具有一定影响,但极槽配合与槽口尺寸是影响磁极内涡流损耗的主要因素。采用分块拼装式磁极结构可有效地抑制PMSM永磁体内的涡流损耗。
PMSM温度升高会影响电机的工作性能,也将直接影响到电机的使用寿命和运行的可靠性,所以对永磁电机的温度场计算十分重要。本文根据传热学与空气动力学理论,以热传导方式等效处理了电机定、转子与气隙之间复杂的对流散热过程,建立了PMSM电磁稳态运行条件下的定、转子全域三维暂态温度场计算模型,给出了求解域内的基本假设及相应的边界条件,解决了定转子温度场相关联问题。提出了绕组铜耗时变热源及定子铁耗热源空间离散加载方法。该方法更能真实地反映出电机工作时温升情况。PMSM定子铁心损耗及永磁体涡流损耗是引起电机发热的主要原因之一,是否考虑定子铁心损耗及其不均匀分布对电机定子温度场计算结果具有一定影响。定子槽口宽度变化所引起的永磁体涡流损耗变化对转子温度场的影响较大,因此,在实际计算中此部分损耗要尽可能计算准确。本文首次采用了序惯耦合法对电机的短时过载能力进行计算分析,能够http://www.everbeenmagnet.com/en/products/110-sintered-neodymium-magnets更好地指导电机设计,并为电机过载工作时的热状态预估提供了前提条件。
针对PMSM的运行特点,本文计算了PMSM长时间工作在堵转及低速爬行工况下的温度场分布情况。通过分析可知,对于PMSM工作在一定的堵转条件下,电机的铜耗与铁耗分配比例尤为重要。本文给出了考虑温升限度的PMSM结构尺寸以及铜铁耗分配的设计方法,推导出了电机温升简单估算公式,并对永磁体温度敏感性所引起的铜铁耗变化做了进一步研究。为优化永磁电机的设计提供了参考依据。
学位年度:2010
永磁同步电机参数辨识的研究
题名:永磁同步电机参数辨识的研究
作者:张侨
学位授予单位:华中科技大学
关键词:永磁同步电动机;;在线参数辨识;;有限元;;改进的;;EKF;;算法;;多参数辨识解耦;;逆变器非线性补偿
摘要:永磁同步电机(PMSM)因其具有高功率密度、高效率以及控制性能好等特点,在高性能伺服系统以及其他工业场合中得到大量应用。但功率密度和控制性能会受到电机温度上升以及磁饱和等引起的电机参数变化影响,因此,电机参数在线辨识成为了电机研究领域的热点。电机参数在线辨识方法主要有三大类,分别是基于扩展卡尔曼滤波(EKF)的参数辨识方法,基于神经网络(NN)的参数辨识算方法以及基于Neodymium Magnets模型参考自适应(MRAS)的参数辨识方法。目前永磁同步电机参数辨识主要存在的问题包括:实际应用中参数辨识结果不准确、辨识算法的形式过于复杂以及多参数同时辨识的相互耦合问题。本文针对同步电机参数在线辨识的几类基本辨识方法以及参数辨识中存在的主要的问题,进行了系统和深入的理论分析;对已有的辨识方法进行改进,在保证算法的有效性的前提下,减小了方法的计算量;此外对目前参数辨识中存在的问题给出了解决方案,并对它们进行了仿真研究和实验验证。
研究利用有限元方法进行电机参数辨识,从电机设计的角度辨识出电机参数。作为基于控制算法参数辨识的补充,通过有限元方法可以辨识出反电势、齿槽转矩、电机磁场分布以及电机的输出转矩等参数。
由于已有的EKF辨识方法形式复杂计算量大,提出一种改进的EKF辨识方法,对电机的定子电阻和转子磁链进行同时辨识。在保证辨识参数数目和效果都不变的前提条件下,将以前的四维矩阵运算拆分为二维矩阵运算,简少方法的运算量,有利于方法的实际应用。
设计了基于Lyapunov稳定理论和Popov超稳定性的模型参考自适应(MRAS)电机参数辨识方法,实现对定子电阻、转子磁链和绕组电感这三项电机参数的同时辨识。通过对比基于Lyapunov稳定理论和Popov超稳定性的自适应率设计过程和两种算法的辨识实验结果,发现基于Popov超稳定性的自适应规则设计规则化更高,不需要构造经验方程;而实验结果也表明,基于Popov超稳定性的辨识方法的表现更好。
通过短时间注入负值的d轴电流来实现多参数同时辨识的解耦,并以Adaline神经网络为载体,引入多参数解耦方法,设计了基于Adaline神经网络的辨识方法,实现对电机定子电阻、转子磁链和d-q轴电感的同时辨识。对解耦方法中产生的辨识误差进行详细的理论推导和分析,得出了辨识误差大小与注入的d轴电流取值之间的关系,为选取注入的d轴电流值提供了依据。
分析实际系统http://www.everbeenmagnet.com/en/products/110-sintered-neodymium-magnets中辨识误差产生的原因,提出在实际系统中进行参数辨识需要对逆变器的非线性因素进行补偿,消除其影响。逆变器非线性因素主要包括开关延时、开关死区时间以及开关器件的管压降等,补偿方法是基于逆变器死区补偿的方法,只需要依据本文推导的补偿量计算公式合理的选择补偿量大小。
学位年度:2010
作者:张侨
学位授予单位:华中科技大学
关键词:永磁同步电动机;;在线参数辨识;;有限元;;改进的;;EKF;;算法;;多参数辨识解耦;;逆变器非线性补偿
摘要:永磁同步电机(PMSM)因其具有高功率密度、高效率以及控制性能好等特点,在高性能伺服系统以及其他工业场合中得到大量应用。但功率密度和控制性能会受到电机温度上升以及磁饱和等引起的电机参数变化影响,因此,电机参数在线辨识成为了电机研究领域的热点。电机参数在线辨识方法主要有三大类,分别是基于扩展卡尔曼滤波(EKF)的参数辨识方法,基于神经网络(NN)的参数辨识算方法以及基于Neodymium Magnets模型参考自适应(MRAS)的参数辨识方法。目前永磁同步电机参数辨识主要存在的问题包括:实际应用中参数辨识结果不准确、辨识算法的形式过于复杂以及多参数同时辨识的相互耦合问题。本文针对同步电机参数在线辨识的几类基本辨识方法以及参数辨识中存在的主要的问题,进行了系统和深入的理论分析;对已有的辨识方法进行改进,在保证算法的有效性的前提下,减小了方法的计算量;此外对目前参数辨识中存在的问题给出了解决方案,并对它们进行了仿真研究和实验验证。
研究利用有限元方法进行电机参数辨识,从电机设计的角度辨识出电机参数。作为基于控制算法参数辨识的补充,通过有限元方法可以辨识出反电势、齿槽转矩、电机磁场分布以及电机的输出转矩等参数。
由于已有的EKF辨识方法形式复杂计算量大,提出一种改进的EKF辨识方法,对电机的定子电阻和转子磁链进行同时辨识。在保证辨识参数数目和效果都不变的前提条件下,将以前的四维矩阵运算拆分为二维矩阵运算,简少方法的运算量,有利于方法的实际应用。
设计了基于Lyapunov稳定理论和Popov超稳定性的模型参考自适应(MRAS)电机参数辨识方法,实现对定子电阻、转子磁链和绕组电感这三项电机参数的同时辨识。通过对比基于Lyapunov稳定理论和Popov超稳定性的自适应率设计过程和两种算法的辨识实验结果,发现基于Popov超稳定性的自适应规则设计规则化更高,不需要构造经验方程;而实验结果也表明,基于Popov超稳定性的辨识方法的表现更好。
通过短时间注入负值的d轴电流来实现多参数同时辨识的解耦,并以Adaline神经网络为载体,引入多参数解耦方法,设计了基于Adaline神经网络的辨识方法,实现对电机定子电阻、转子磁链和d-q轴电感的同时辨识。对解耦方法中产生的辨识误差进行详细的理论推导和分析,得出了辨识误差大小与注入的d轴电流取值之间的关系,为选取注入的d轴电流值提供了依据。
分析实际系统http://www.everbeenmagnet.com/en/products/110-sintered-neodymium-magnets中辨识误差产生的原因,提出在实际系统中进行参数辨识需要对逆变器的非线性因素进行补偿,消除其影响。逆变器非线性因素主要包括开关延时、开关死区时间以及开关器件的管压降等,补偿方法是基于逆变器死区补偿的方法,只需要依据本文推导的补偿量计算公式合理的选择补偿量大小。
学位年度:2010
新型磁通切换型磁阻电机系统的分析、设计与控制研究
题名:新型磁通切换型磁阻电机系统的分析、设计与控制研究
作者:王道涵
学位授予单位:山东大学
关键词:磁通切换型磁阻电机;;非线性仿真模型;;非线性变结构等效磁路模型;;改进的前进欧拉公式;;动态性能计算;;定位转矩;;混合励磁
摘要:磁通切换型磁阻电机(Flux Switching Motor, FSM)是一种新型的无刷结构双凸极电机,它具有与开关磁阻电机类似的双凸极结构,定转子上均无永磁体,避免了由于各种原因,如温升、振动、电枢反应等引起的永磁体去磁或磁性能不稳定而导致电机出力的下降,运行可靠性高。FSM电机本体结构和制造工艺简单,坚固耐用,成本低廉,适合高速运行,具有在高温等恶劣环境下工作的优势,整个运行过程中所有绕组全Neodymium Magnets周期通电,绕组利用率高。与开关磁阻电机等单边激励双凸极电机相比,FSM从根本上实现了励磁电流分量和电枢电流分量的分离,降低了功率变换器的伏安容量。FSM独特的运行方式降低了电机运行时的振动和噪声,适合应用于对振动和噪声要求较高的场合。由于励磁磁通可调,FSM作为发电机运行时调压方便且具有故障灭磁能力,适合用于车载航空等高速发电系统和起动发电系统。
与其他类型双凸极电机相比,FSM由于只需控制一套绕组的通断电,功率电路所需功率开关器件个数少,控制方式和控制策略简单,调速成本低,很大程度上降低了电机控制器的成本。FSM具有与直流电机相似的优异的调速性能,在整个调速范围内具有较高的效率,因此在家用电器、电动工具及轻工业制造等场合具有良好的应用前景。
FSM是一种复杂的机电一体化装置,与其他双凸极电机一样,具有显著的边缘效应和局部饱和效应,不仅如此,FSM依靠电枢绕组和励磁绕组之间的互感产生转矩,励磁绕组产生的直流磁场源和电枢绕组产生的交流磁场源相互强耦合,运行时所有绕组同时通电,边缘效应和局部饱和效应更为明显,这些都使得FSM系统呈现出独特的非线性、变结构和强耦合的复杂特性。
FSM由于提出时间不久,目前的研究从涉及问题的广度上和深度上都十分有限,各方面的研究不够深入全面,本文以这种新型的FSM电机系统为研究对象,对FSM的运行方式特点、数学模型、性能分析、磁场分析、电磁参数计算、动态性能仿真、电机设计及其控制系统的软件和硬件开发设计等一系列关键问题进行了较为全面和深入的研究分析,试制了FSM样机,开发了FSM的位置检测装置和专用控制电路,为该电机的进一步深入研究和开发应用奠定基础。
论文的研究内容主要有以下几个方面：
1、详细全面地对FSM工作原理、运行方式和电磁特性进行了研究,阐述了FSM非线性、变结构和强耦合的特点,采用有限元法全面详细地计算了FSM的磁场分布、电磁参数和静态特性,为深入了解FSM的电磁特性和工作方式打下基础；
2、由于FSM具有独特的非线性、变结构和强耦合的复杂特性,通常用于分析其他类型双凸极电机的非线性方法很难完整地描述其电磁特性和进行建模分析。为了解决FSM非线性建模仿真的难题,本文研究了基于电感最大值的FSM三维非线性仿真模型,采用混合建模思路,建立了包括FSM电机本体和控制电路在内的整个系统的仿真模型,在此基础上对FSM进行了较为全面的仿真研究和性能分析,并与时步有限元仿真结果进行了对比验证；
3、提出了FSM的非线性变结构等效磁路模型。紧贴FSM独特的非线性变结构特性,建立了一种具有多相耦合特性的适用于分析FSM的自适应非线性变结构集中参数等效磁路模型,详细推导了等效磁路中每部分磁导的计算方法,并在此过程中讨论了局部饱和的处理技术,基于该等效磁路模型,对FSM进行了电磁特性分析和参数计算,在此过程中对磁导计算中的收敛问题进行了详细研究,提出了收敛系数的自适应确定方法,提高了计算效率,为FSM提供了一种新的行之有效的电磁参数计算方法；
4、提出了一种适用于FSM的动态性能计算方法——基于改进的前进欧拉公式的动态性能计算方法。针对FSM动态性能计算中的微分反演困难,紧贴FSM非线性变结构的特点,利用矩阵变换重新构建了FSM的状态方程,采用了改进的前进欧拉公式数值求解FSM的变系数偏微分方程,克服了FSM由于非线性强耦合特性导致的性能计算困难和动态性能求解过程中由于微分系数较多而导致的求解过程复杂和耗时长的困难,在此基础上进行了FSM的动态性能计算,并与经典四阶龙格库塔法和时步有限元法的计算结果和计算速度进行对比验证,为FSM动态性能计算和设计提供了一条新的途径；
5、对FSM的起动性能进行了分析研究。FSM独特的定转子极数配合使得进行电机设计时必须对其起动问题特别考虑。本文研究了不同结构对FSM起动死区的影响,对各种改善FSM起动性能的结构和方http://www.everbeenmagnet.com/en/products/110-sintered-neodymium-magnets
法进行了综合比较，并综合各种因素给出了解决FSM起动问题的方案；
6、建立了FSM电机的通用输出功率尺寸方程,给出了FSM电机的定转子铁心长度和绕组匝数的确定方法和性能计算方法,设计了FSM的专用光电位置检测装置,并进行了样机设计和试制；设计开发了FSM的功率逆变电路和专用配套控制电路,在不同控制方式下对FSM进行了样机运行试验,通过试验研究了FSM样机的性能；
7、深入全面的研究了永磁型磁通切换型磁阻电机(Permanent Magnet Flux Switching Motor, PMFSM)的定位转矩问题。PMFSM电机的本体结构、工作原理到设计理念均与传统永磁电机有着根本不同,其定位转矩产生的机理、特点、变化规律以及相应的削弱措施都与传统永磁电机有很大差异,但目前尚没有对PMFSM定位转矩的任何相关研究。本文建立了一套适用于双凸极电机定位转矩的解析分析理论,推导了与电机结构参数直接相关的PMFSM定位转矩解析表达式,紧贴PMFSM的结构特点和运行特点,给出了具有实际工程指导意义的削弱PMFSM定位转矩的解决方案；
8、提出并研究了一种新型的磁通切换型磁阻电机——混合励磁磁通切换型磁阻电机。电励磁FSM运行时励磁电流较大,励磁绕组损耗较大,限制了效率的进一步提高,而PMFSM由于永磁磁动势不可调,电动运行时调速困难,发电运行时调压困难而且无法进行故障灭磁。针对现有的磁通切换型磁阻电机性能上存在的不足,提出了一种混合励磁磁通切换型磁阻电机,采用特殊的方式在定子上放置励磁绕组和永磁体,二者共同建立气隙磁场,可通过调节励磁电流拓宽调速范围,性能上兼有电励磁和永磁型两种类型的优点,克服了电励磁FSM励磁容量大和PMFSM调速范围窄的不足。
本课题采用理论分析、仿真计算和试验研究三条主线相结合的手段,研究内容涉及磁通切换型磁阻电机的理论分析、电磁参数计算、动态仿真、性能计算、电机设计和试验研究等各个方面,不仅涵盖了现有磁通切换型磁阻电机的所有类型,而且提出了一种新型的混合励磁磁通切换型磁阻电机,在一定程度上丰富了FSM的类型,为磁通切换型磁阻电机系统的研究开辟了一个新的方向。
学位年度:2010
作者:王道涵
学位授予单位:山东大学
关键词:磁通切换型磁阻电机;;非线性仿真模型;;非线性变结构等效磁路模型;;改进的前进欧拉公式;;动态性能计算;;定位转矩;;混合励磁
摘要:磁通切换型磁阻电机(Flux Switching Motor, FSM)是一种新型的无刷结构双凸极电机,它具有与开关磁阻电机类似的双凸极结构,定转子上均无永磁体,避免了由于各种原因,如温升、振动、电枢反应等引起的永磁体去磁或磁性能不稳定而导致电机出力的下降,运行可靠性高。FSM电机本体结构和制造工艺简单,坚固耐用,成本低廉,适合高速运行,具有在高温等恶劣环境下工作的优势,整个运行过程中所有绕组全Neodymium Magnets周期通电,绕组利用率高。与开关磁阻电机等单边激励双凸极电机相比,FSM从根本上实现了励磁电流分量和电枢电流分量的分离,降低了功率变换器的伏安容量。FSM独特的运行方式降低了电机运行时的振动和噪声,适合应用于对振动和噪声要求较高的场合。由于励磁磁通可调,FSM作为发电机运行时调压方便且具有故障灭磁能力,适合用于车载航空等高速发电系统和起动发电系统。
与其他类型双凸极电机相比,FSM由于只需控制一套绕组的通断电,功率电路所需功率开关器件个数少,控制方式和控制策略简单,调速成本低,很大程度上降低了电机控制器的成本。FSM具有与直流电机相似的优异的调速性能,在整个调速范围内具有较高的效率,因此在家用电器、电动工具及轻工业制造等场合具有良好的应用前景。
FSM是一种复杂的机电一体化装置,与其他双凸极电机一样,具有显著的边缘效应和局部饱和效应,不仅如此,FSM依靠电枢绕组和励磁绕组之间的互感产生转矩,励磁绕组产生的直流磁场源和电枢绕组产生的交流磁场源相互强耦合,运行时所有绕组同时通电,边缘效应和局部饱和效应更为明显,这些都使得FSM系统呈现出独特的非线性、变结构和强耦合的复杂特性。
FSM由于提出时间不久,目前的研究从涉及问题的广度上和深度上都十分有限,各方面的研究不够深入全面,本文以这种新型的FSM电机系统为研究对象,对FSM的运行方式特点、数学模型、性能分析、磁场分析、电磁参数计算、动态性能仿真、电机设计及其控制系统的软件和硬件开发设计等一系列关键问题进行了较为全面和深入的研究分析,试制了FSM样机,开发了FSM的位置检测装置和专用控制电路,为该电机的进一步深入研究和开发应用奠定基础。
论文的研究内容主要有以下几个方面：
1、详细全面地对FSM工作原理、运行方式和电磁特性进行了研究,阐述了FSM非线性、变结构和强耦合的特点,采用有限元法全面详细地计算了FSM的磁场分布、电磁参数和静态特性,为深入了解FSM的电磁特性和工作方式打下基础；
2、由于FSM具有独特的非线性、变结构和强耦合的复杂特性,通常用于分析其他类型双凸极电机的非线性方法很难完整地描述其电磁特性和进行建模分析。为了解决FSM非线性建模仿真的难题,本文研究了基于电感最大值的FSM三维非线性仿真模型,采用混合建模思路,建立了包括FSM电机本体和控制电路在内的整个系统的仿真模型,在此基础上对FSM进行了较为全面的仿真研究和性能分析,并与时步有限元仿真结果进行了对比验证；
3、提出了FSM的非线性变结构等效磁路模型。紧贴FSM独特的非线性变结构特性,建立了一种具有多相耦合特性的适用于分析FSM的自适应非线性变结构集中参数等效磁路模型,详细推导了等效磁路中每部分磁导的计算方法,并在此过程中讨论了局部饱和的处理技术,基于该等效磁路模型,对FSM进行了电磁特性分析和参数计算,在此过程中对磁导计算中的收敛问题进行了详细研究,提出了收敛系数的自适应确定方法,提高了计算效率,为FSM提供了一种新的行之有效的电磁参数计算方法；
4、提出了一种适用于FSM的动态性能计算方法——基于改进的前进欧拉公式的动态性能计算方法。针对FSM动态性能计算中的微分反演困难,紧贴FSM非线性变结构的特点,利用矩阵变换重新构建了FSM的状态方程,采用了改进的前进欧拉公式数值求解FSM的变系数偏微分方程,克服了FSM由于非线性强耦合特性导致的性能计算困难和动态性能求解过程中由于微分系数较多而导致的求解过程复杂和耗时长的困难,在此基础上进行了FSM的动态性能计算,并与经典四阶龙格库塔法和时步有限元法的计算结果和计算速度进行对比验证,为FSM动态性能计算和设计提供了一条新的途径；
5、对FSM的起动性能进行了分析研究。FSM独特的定转子极数配合使得进行电机设计时必须对其起动问题特别考虑。本文研究了不同结构对FSM起动死区的影响,对各种改善FSM起动性能的结构和方http://www.everbeenmagnet.com/en/products/110-sintered-neodymium-magnets
法进行了综合比较，并综合各种因素给出了解决FSM起动问题的方案；
6、建立了FSM电机的通用输出功率尺寸方程,给出了FSM电机的定转子铁心长度和绕组匝数的确定方法和性能计算方法,设计了FSM的专用光电位置检测装置,并进行了样机设计和试制；设计开发了FSM的功率逆变电路和专用配套控制电路,在不同控制方式下对FSM进行了样机运行试验,通过试验研究了FSM样机的性能；
7、深入全面的研究了永磁型磁通切换型磁阻电机(Permanent Magnet Flux Switching Motor, PMFSM)的定位转矩问题。PMFSM电机的本体结构、工作原理到设计理念均与传统永磁电机有着根本不同,其定位转矩产生的机理、特点、变化规律以及相应的削弱措施都与传统永磁电机有很大差异,但目前尚没有对PMFSM定位转矩的任何相关研究。本文建立了一套适用于双凸极电机定位转矩的解析分析理论,推导了与电机结构参数直接相关的PMFSM定位转矩解析表达式,紧贴PMFSM的结构特点和运行特点,给出了具有实际工程指导意义的削弱PMFSM定位转矩的解决方案；
8、提出并研究了一种新型的磁通切换型磁阻电机——混合励磁磁通切换型磁阻电机。电励磁FSM运行时励磁电流较大,励磁绕组损耗较大,限制了效率的进一步提高,而PMFSM由于永磁磁动势不可调,电动运行时调速困难,发电运行时调压困难而且无法进行故障灭磁。针对现有的磁通切换型磁阻电机性能上存在的不足,提出了一种混合励磁磁通切换型磁阻电机,采用特殊的方式在定子上放置励磁绕组和永磁体,二者共同建立气隙磁场,可通过调节励磁电流拓宽调速范围,性能上兼有电励磁和永磁型两种类型的优点,克服了电励磁FSM励磁容量大和PMFSM调速范围窄的不足。
本课题采用理论分析、仿真计算和试验研究三条主线相结合的手段,研究内容涉及磁通切换型磁阻电机的理论分析、电磁参数计算、动态仿真、性能计算、电机设计和试验研究等各个方面,不仅涵盖了现有磁通切换型磁阻电机的所有类型,而且提出了一种新型的混合励磁磁通切换型磁阻电机,在一定程度上丰富了FSM的类型,为磁通切换型磁阻电机系统的研究开辟了一个新的方向。
学位年度:2010
无刷直流电机无位置传感器控制关键技术研究
题名:无刷直流电机无位置传感器控制关键技术研究
作者:李自成
学位授予单位:华中科技大学
关键词:无刷直流电机;;无位置传感器;;反电动势过零;;脉宽调制;;线反电动势;;转矩脉动抑制;;预测控制
摘要:永磁无刷直流电机因具有结构简单、运行效率高、控制简单和维护方便等优点而得到了广泛应用。传统的无刷直流电机一般采用三相六状态120°导通方式,需要位置传感器在一个电周期内检测到六个关键的转子位置信号以便对三相绕组进行换相控制。然而,位置传感器增大了电机的成本和体积,易受外界信号Neodymium Magnets干扰,降低了系统的可靠性,因此对无位置传感器无刷直流电机控制技术的研究具有重要的理论意义和实用价值。本文以永磁无刷直流电机的无位置传感器控制为研究内容,针对在无位置传感器条件下的无刷直流电机控制的几个关键问题,即转子位置辨识方法、PWM控制策略、电机起动控制方法、转子位置辨识误差及其补偿分析、转矩脉动抑制策略等进行了较为系统和深入的理论分析、仿真和实验研究。
反电动势法因原理简单、方法可靠等优点而成为转子位置检测的主要方法。本文在分析传统的反电动势过零检测需要虚拟电机绕组中点方法的基础上,提出了改进的相反电动势转子位置辨识理论。该方法抛弃了传统的反电动势硬件检测原理,只通过检测无刷直流电机任意两路线电压,经软件实时计算后,就可以得到未导通相反电动势的过零点。该方法结构简单、不需要构造虚拟的电机中点和信号深度滤波电路,具有简易性和可靠性等优点。
在对无刷直流电机反电动势波形分析的基础上,提出了一种利用线反电动势过零原理来获得转子位置的新方法。该方法通过波形定性分析和傅立叶级数定量推导,均得出线反电动势的过零点就是对应的电子换相点这一结论。对于反电动势波形为任意平顶宽度的梯形波或正弦波,只要三相反电动势波形对称,该方法均适用于转子位置的估算。在此基础上,为减小对电机参数的依赖,提出了一种简化实用的线反电动势法来估算转子位置。该方法只依赖于电机定子电阻,并对定子电阻参数不敏感,无需30°相位延迟和上一次换相信息,具有理论和工程应用价值。
分析和比较了无刷直流电机两两导通控制的八种PWM调制方式。通过对各种PWM方式下非换相期间非导通相电流续流情况进行的理论推导,分别得到与上述转子位置辨识方法各自对应的PWM调制方式。
电机起动控制问题是无位置传感器控制技术的另一难点。本文基于定子铁心饱和法原理,提出了一种新的起动控制方法:即利用两两导通和三三导通得到的12个电压矢量脉冲施加到定子端,并通过检测各相定子电流峰值来判断定子电感的变化,进而得到转子初始位置所在的30°区间,再通过施加特定的电压矢量将转子精确地定位到换相位置。在此基础上,通过升压升频原理顺序起动电机,一旦检测到线反电动势过零,即可切换到无位置传感器控制方式。研究表明,这种方法电机起动可靠,易于工程实现。
详细分析了电机参数变化、电压电流采样误差、滤波电路相位延迟对转子位置辨识误差带来的影响。提出了一种利用最小二乘法原理来拟合线性函数的方法进行相位延迟开环补偿,并根据反电动势波形的对称性提出了一种转子位置误差闭环校正方法。仿真和实验结果表明了该方法的实用性。
转矩脉动是无刷直http://www.everbeenmagnet.com/en/products/110-sintered-neodymium-magnets流电机两两导通方式固有的缺点。在无位置传感器控制下,由于转子位置辨识的误差,转矩脉动有可能进一步增大。本文分析了相反电动势平顶宽度、转子位置估算误差和换相期间非换相相电流畸变等因素对转矩脉动的影响后,提出了采用定子电流预测控制方法来抑制无刷直流电机转矩脉动。
构建了以dsPIC30F6010为核心的系统实验平台,在此实验平台上进行了无刷直流电机无位置传感器控制系统性能实验,并与有位置传感器控制实验结果进行了对比,实验结果验证了本文提出的无位置传感器控制策略的正确性和可行性。
学位年度:2010
作者:李自成
学位授予单位:华中科技大学
关键词:无刷直流电机;;无位置传感器;;反电动势过零;;脉宽调制;;线反电动势;;转矩脉动抑制;;预测控制
摘要:永磁无刷直流电机因具有结构简单、运行效率高、控制简单和维护方便等优点而得到了广泛应用。传统的无刷直流电机一般采用三相六状态120°导通方式,需要位置传感器在一个电周期内检测到六个关键的转子位置信号以便对三相绕组进行换相控制。然而,位置传感器增大了电机的成本和体积,易受外界信号Neodymium Magnets干扰,降低了系统的可靠性,因此对无位置传感器无刷直流电机控制技术的研究具有重要的理论意义和实用价值。本文以永磁无刷直流电机的无位置传感器控制为研究内容,针对在无位置传感器条件下的无刷直流电机控制的几个关键问题,即转子位置辨识方法、PWM控制策略、电机起动控制方法、转子位置辨识误差及其补偿分析、转矩脉动抑制策略等进行了较为系统和深入的理论分析、仿真和实验研究。
反电动势法因原理简单、方法可靠等优点而成为转子位置检测的主要方法。本文在分析传统的反电动势过零检测需要虚拟电机绕组中点方法的基础上,提出了改进的相反电动势转子位置辨识理论。该方法抛弃了传统的反电动势硬件检测原理,只通过检测无刷直流电机任意两路线电压,经软件实时计算后,就可以得到未导通相反电动势的过零点。该方法结构简单、不需要构造虚拟的电机中点和信号深度滤波电路,具有简易性和可靠性等优点。
在对无刷直流电机反电动势波形分析的基础上,提出了一种利用线反电动势过零原理来获得转子位置的新方法。该方法通过波形定性分析和傅立叶级数定量推导,均得出线反电动势的过零点就是对应的电子换相点这一结论。对于反电动势波形为任意平顶宽度的梯形波或正弦波,只要三相反电动势波形对称,该方法均适用于转子位置的估算。在此基础上,为减小对电机参数的依赖,提出了一种简化实用的线反电动势法来估算转子位置。该方法只依赖于电机定子电阻,并对定子电阻参数不敏感,无需30°相位延迟和上一次换相信息,具有理论和工程应用价值。
分析和比较了无刷直流电机两两导通控制的八种PWM调制方式。通过对各种PWM方式下非换相期间非导通相电流续流情况进行的理论推导,分别得到与上述转子位置辨识方法各自对应的PWM调制方式。
电机起动控制问题是无位置传感器控制技术的另一难点。本文基于定子铁心饱和法原理,提出了一种新的起动控制方法:即利用两两导通和三三导通得到的12个电压矢量脉冲施加到定子端,并通过检测各相定子电流峰值来判断定子电感的变化,进而得到转子初始位置所在的30°区间,再通过施加特定的电压矢量将转子精确地定位到换相位置。在此基础上,通过升压升频原理顺序起动电机,一旦检测到线反电动势过零,即可切换到无位置传感器控制方式。研究表明,这种方法电机起动可靠,易于工程实现。
详细分析了电机参数变化、电压电流采样误差、滤波电路相位延迟对转子位置辨识误差带来的影响。提出了一种利用最小二乘法原理来拟合线性函数的方法进行相位延迟开环补偿,并根据反电动势波形的对称性提出了一种转子位置误差闭环校正方法。仿真和实验结果表明了该方法的实用性。
转矩脉动是无刷直http://www.everbeenmagnet.com/en/products/110-sintered-neodymium-magnets流电机两两导通方式固有的缺点。在无位置传感器控制下,由于转子位置辨识的误差,转矩脉动有可能进一步增大。本文分析了相反电动势平顶宽度、转子位置估算误差和换相期间非换相相电流畸变等因素对转矩脉动的影响后,提出了采用定子电流预测控制方法来抑制无刷直流电机转矩脉动。
构建了以dsPIC30F6010为核心的系统实验平台,在此实验平台上进行了无刷直流电机无位置传感器控制系统性能实验,并与有位置传感器控制实验结果进行了对比,实验结果验证了本文提出的无位置传感器控制策略的正确性和可行性。
学位年度:2010
洛仑兹平面电机的结构动态特性研究
题名:洛仑兹平面电机的结构动态特性研究
作者:雷金
学位授予单位:华中科技大学
关键词:洛仑兹平面电机;;参数辨识;;结构动态特性;;振动传递;;模态实验
摘要:洛仑兹平面电机是由三个洛仑兹直线电机(Y1、X和Y2)组合而成的新型永磁平面电机,可实现三自由度平面定位运动。任何来自于外部激励或自身内部的微小振动,都会对系统定位精度带来极大影响,所以应对洛仑兹平面电机结构动态特性及振动进行深入地研究。本文以洛仑兹平面电机为研究对象,以理论分析、数值计算和物理实验为研究方法,结合了结构动力学、弹性力学及电磁场等相关理论,辨识Neodymium Magnets了洛仑兹平面电机法向电磁动力学参数,建立了系统结构振动的有限元模型,计算了洛仑兹平面电机的实特性值、频率响应和瞬态响应等结构动态特性,分析了定、动子间法向振动传递机理及影响因素。其主要内容和成果包括：
采用等效面电流法推导了三维永磁体磁场及通电线圈产生的磁场,建立了空间位置、磁钢与线圈尺寸、面磁化电流密度与气隙磁场的函数关系式,并建立了洛仑兹平面电机的磁通链及驱动电路等数学模型；在水平运动方向上,对三个洛仑兹直线电机进行坐标转换及驱动力解耦,建立了电磁动力学模型,为系统运动控制建模打下基础；在法向振动方向上,建立了洛仑兹平面电机的定、动子振动方程,得到了定子挠度与法向电磁力、电流等的关系,分析了定、动子之间法向电磁力的传递过程,阐明了电流激励下定、动子间耦合振动传递机理。
运用三维电磁场有限元数值计算和模态实验来辨识法向电磁刚度,运用模态分析法、能量守恒原理及模态实验来辨识法向电磁阻尼。根据洛仑兹平面电机实际的连接和约束关系,采用手动六面体网格剖分,加载等效的法向电磁弹簧,建立洛仑兹平面电机的系统结构动力学有限元模型。基于该结构有限元模型,编写结构系统动态计算程序,计算得到了洛仑兹平面电机的实特性值、频率响应和瞬态响应等结构动态特性。
基于洛仑兹平面电机结构动态特性分析,进一步分析了激励电流、法向位移和运动速度等参数对系统动态特性及定、动子耦合振动传递的影响。其中,建立了载流线圈的拉格朗日方程和定子的耦合振动方程,理论分析了激励电流和法向位移对动力学特性的影响。运用有限元数值计算,得到了电流和法向位移与动子固有频率的关系。计算了在不同运动速度下,瞬态涡电流和瞬态电磁阻尼的大小。分析运动速度越大,形成的涡电流就越大,产生的电磁阻尼也就越大。这些研究结果为洛仑兹平面电机的结构优化及运动控制策略打下良好基础。
搭建了洛仑兹平面电机原理样机和实验测试系统,进行了气隙磁场和推力常数测试,得到实际气隙磁场大小及分布,并与电磁有限元模型仿真结果进行对比,验证了三维磁场有限元模型的合理性和计算的正确性；运用LMS系统进行了动力学振动测试,得到了系统的固有频率、振型、频域响应、时域响http://www.everbeenmagnet.com/en/products/110-sintered-neodymium-magnets应等结果,与结构动力学有限元模型计算结果进行对比,验证了法向电磁动力学参数辨识的正确性和系统结构有限元模型的合理性。
本文研究揭示了洛仑兹平面电机定、动子耦合振动传递产生的机理,提出了法向电磁动力学参数辨识方法,阐明了电流和法向位移等参数对系统动态特性及耦合振动传递的影响程度,为超精密平面定位系统的设计、制造和优化提供了理论依据。
学位年度:2010
作者:雷金
学位授予单位:华中科技大学
关键词:洛仑兹平面电机;;参数辨识;;结构动态特性;;振动传递;;模态实验
摘要:洛仑兹平面电机是由三个洛仑兹直线电机(Y1、X和Y2)组合而成的新型永磁平面电机,可实现三自由度平面定位运动。任何来自于外部激励或自身内部的微小振动,都会对系统定位精度带来极大影响,所以应对洛仑兹平面电机结构动态特性及振动进行深入地研究。本文以洛仑兹平面电机为研究对象,以理论分析、数值计算和物理实验为研究方法,结合了结构动力学、弹性力学及电磁场等相关理论,辨识Neodymium Magnets了洛仑兹平面电机法向电磁动力学参数,建立了系统结构振动的有限元模型,计算了洛仑兹平面电机的实特性值、频率响应和瞬态响应等结构动态特性,分析了定、动子间法向振动传递机理及影响因素。其主要内容和成果包括：
采用等效面电流法推导了三维永磁体磁场及通电线圈产生的磁场,建立了空间位置、磁钢与线圈尺寸、面磁化电流密度与气隙磁场的函数关系式,并建立了洛仑兹平面电机的磁通链及驱动电路等数学模型；在水平运动方向上,对三个洛仑兹直线电机进行坐标转换及驱动力解耦,建立了电磁动力学模型,为系统运动控制建模打下基础；在法向振动方向上,建立了洛仑兹平面电机的定、动子振动方程,得到了定子挠度与法向电磁力、电流等的关系,分析了定、动子之间法向电磁力的传递过程,阐明了电流激励下定、动子间耦合振动传递机理。
运用三维电磁场有限元数值计算和模态实验来辨识法向电磁刚度,运用模态分析法、能量守恒原理及模态实验来辨识法向电磁阻尼。根据洛仑兹平面电机实际的连接和约束关系,采用手动六面体网格剖分,加载等效的法向电磁弹簧,建立洛仑兹平面电机的系统结构动力学有限元模型。基于该结构有限元模型,编写结构系统动态计算程序,计算得到了洛仑兹平面电机的实特性值、频率响应和瞬态响应等结构动态特性。
基于洛仑兹平面电机结构动态特性分析,进一步分析了激励电流、法向位移和运动速度等参数对系统动态特性及定、动子耦合振动传递的影响。其中,建立了载流线圈的拉格朗日方程和定子的耦合振动方程,理论分析了激励电流和法向位移对动力学特性的影响。运用有限元数值计算,得到了电流和法向位移与动子固有频率的关系。计算了在不同运动速度下,瞬态涡电流和瞬态电磁阻尼的大小。分析运动速度越大,形成的涡电流就越大,产生的电磁阻尼也就越大。这些研究结果为洛仑兹平面电机的结构优化及运动控制策略打下良好基础。
搭建了洛仑兹平面电机原理样机和实验测试系统,进行了气隙磁场和推力常数测试,得到实际气隙磁场大小及分布,并与电磁有限元模型仿真结果进行对比,验证了三维磁场有限元模型的合理性和计算的正确性；运用LMS系统进行了动力学振动测试,得到了系统的固有频率、振型、频域响应、时域响http://www.everbeenmagnet.com/en/products/110-sintered-neodymium-magnets应等结果,与结构动力学有限元模型计算结果进行对比,验证了法向电磁动力学参数辨识的正确性和系统结构有限元模型的合理性。
本文研究揭示了洛仑兹平面电机定、动子耦合振动传递产生的机理,提出了法向电磁动力学参数辨识方法,阐明了电流和法向位移等参数对系统动态特性及耦合振动传递的影响程度,为超精密平面定位系统的设计、制造和优化提供了理论依据。
学位年度:2010
永磁球形电动机动力学解耦控制及通电策略研究
题名:永磁球形电动机动力学解耦控制及通电策略研究
作者:郭辰
学位授予单位:天津大学
关键词:永磁球形电动机;;解耦控制算法;;静态转矩模型;;通电策略;;逆运动学;;神经网络;;蚁群算法
摘要:针对一种新型永磁球形电动机,本文讨论了其主要结构特征,并对该电动机进行了动力学建模,分析了其模型误差及产生原因。根据动力学模型中存在大量非线性耦合项的特点,本文提出了一种基于模糊控制器的动力学解耦控制算法;随后,为消除动力学模型中的不确定性,进一步改善解耦控制效果,又提出了一Neodymium Magnets种基于神经网络辨识器和ANFIS的动力学解耦控制算法。这两种控制算法均采用计算力矩法的结构,能消除各欧拉角轴向之间的非线性交叉耦合,提高系统的动态和静态性能。仿真分析验证了提出算法的正确性。
本文提出了一种基于球面规划的定子绕组通电策略。首先,用有限元法得到了永磁球形电动机的静态转矩模型。然后,将定子球面上定子绕组覆盖区域进行球面规划,划分为四类子区域,用解析法对所有子区域进行描述,并根据相似三角形原理对各个定子绕组进行标号。最后,根据转子的位置,用特定的法则确定需要通电的定子绕组,并调用静态转矩模型,求解得到通电电流大小。采用该通电策略后,永磁球形电动机能在不同控制算法下实现复杂的轨迹跟踪运行。仿真分析验证了该通电策略的合理性。
对于永磁球形电动机逆运动学问题来说,解析求解较为复杂。针对此问题,本文提出了一种基于神经网络的逆运动学求解方法,用神经网络来逼近该电动机的逆运动学模型;根据神经网络采用L-M优化算法时的样本学习效果,确定了此神经网络的最优结构。随后,本文又提出了一种基于改进蚁群算法的逆运http://www.everbeenmagnet.com/en/products/110-sintered-neodymium-magnets动学求解方法,验证了该算法的优越性,并对其参数设置进行了研究。
本文搭建了基于DSP TMS320F2812的永磁球形电动机双闭环自转调速实验平台,并对硬件电路的各主要部分进行了讨论。通过对永磁球形电动机的转子位置和母线电流的检测,实现了其双闭环调速控制。从调速效果可以看出,永磁球形电动机能够实现较快的启动和平稳的运行。
学位年度:2010
作者:郭辰
学位授予单位:天津大学
关键词:永磁球形电动机;;解耦控制算法;;静态转矩模型;;通电策略;;逆运动学;;神经网络;;蚁群算法
摘要:针对一种新型永磁球形电动机,本文讨论了其主要结构特征,并对该电动机进行了动力学建模,分析了其模型误差及产生原因。根据动力学模型中存在大量非线性耦合项的特点,本文提出了一种基于模糊控制器的动力学解耦控制算法;随后,为消除动力学模型中的不确定性,进一步改善解耦控制效果,又提出了一Neodymium Magnets种基于神经网络辨识器和ANFIS的动力学解耦控制算法。这两种控制算法均采用计算力矩法的结构,能消除各欧拉角轴向之间的非线性交叉耦合,提高系统的动态和静态性能。仿真分析验证了提出算法的正确性。
本文提出了一种基于球面规划的定子绕组通电策略。首先,用有限元法得到了永磁球形电动机的静态转矩模型。然后,将定子球面上定子绕组覆盖区域进行球面规划,划分为四类子区域,用解析法对所有子区域进行描述,并根据相似三角形原理对各个定子绕组进行标号。最后,根据转子的位置,用特定的法则确定需要通电的定子绕组,并调用静态转矩模型,求解得到通电电流大小。采用该通电策略后,永磁球形电动机能在不同控制算法下实现复杂的轨迹跟踪运行。仿真分析验证了该通电策略的合理性。
对于永磁球形电动机逆运动学问题来说,解析求解较为复杂。针对此问题,本文提出了一种基于神经网络的逆运动学求解方法,用神经网络来逼近该电动机的逆运动学模型;根据神经网络采用L-M优化算法时的样本学习效果,确定了此神经网络的最优结构。随后,本文又提出了一种基于改进蚁群算法的逆运http://www.everbeenmagnet.com/en/products/110-sintered-neodymium-magnets动学求解方法,验证了该算法的优越性,并对其参数设置进行了研究。
本文搭建了基于DSP TMS320F2812的永磁球形电动机双闭环自转调速实验平台,并对硬件电路的各主要部分进行了讨论。通过对永磁球形电动机的转子位置和母线电流的检测,实现了其双闭环调速控制。从调速效果可以看出,永磁球形电动机能够实现较快的启动和平稳的运行。
学位年度:2010
PMSM直接转矩控制方法及实验研究
题名:PMSM直接转矩控制方法及实验研究
作者:刘英培
学位授予单位:天津大学
关键词:永磁同步电机;;直接转矩控制;;自抗扰控制;;无传感器运行;;定子磁链估计;;扩展卡尔曼滤波器;;电压空间矢量调制
摘要:永磁同步电动机(PMSM)具有体积小、功率密度大和效率高等优点,随着电力电子技术及现代控制理论的迅速发展,永磁同步电机得到了广泛地应用。PMSM直接转矩控制(DTC)动态性能好,系统鲁棒性强,已成为学术界研究热点。本文在PMSM传统DTC理论基础上,深入研究PMSM DTC速度环控制方法、定子Neodymium Magnets磁链估计以及无传感器运行转速估计方法,并进行相应地仿真分析和实验研究。
本文的主要内容和创新点:
1.设计了基于自抗扰控制(ADRC)PMSM DTC速度调节器。ADRC采用非线性控制方法,由跟踪-微分器(TD)、扩张状态观测器(ESO)、非线性状态误差反馈(NLSEF)和扰动补偿四部分组成,具有实时估计系统所受扰动并进行补偿的能力。为了抑制负载及摩擦力矩变化等外部扰动,以及电机参数变化等内部扰动对PMSM伺服系统产生的影响,将以上参数的变化视为系统所受扰动,利用TD对给定转速信号提取合适的过渡过程;根据实际转速信号利用ESO实时估计系统状态及系统所受扰动量;利用NLSEF得到电磁转矩初始控制量,在此基础上,将扰动估计值进行实时前馈补偿,得到电磁转矩最终控制量,提高系统对电磁转矩的控制能力。仿真和实验结果表明,从低速到高速运行范围内,该方案均有效地削弱了系统运行中所受扰动影响,抗干扰能力得到了较大程度地提高。
2.设计了基于扩展卡尔曼滤波器(EKF)PMSM定子磁链和转速估计方法。传统DTC系统一般采用电压积分法计算定子磁链,由于积分器存在误差累积和积分饱和等问题,定子磁链估计常常不准确;此外,机械速度传感器的使用带来电机体积增大、维护不便等问题。本文设计的磁链和转速估计观测器建立在两相静止坐标系下,将PMSM电压和电流作为EKF观测器的输入信号,以定子磁链、转速作为EKF观测器状态变量,能够同时进行磁链和转速估计。算法采用估计误差均方差最小原则,因而避免了传统方法的缺陷。仿真和实验结果表明,该方法有效地降低了磁链和转矩脉动,提高了PMSM DTC系统稳态运行性能,转速估计准确,实现了无传感器运行,同时保持了DTC固有的动态响应快的优点。
3.研究了基于EKF永磁同步电机SVM直接转矩控制。传统DTC采用滞环比较器和开关电压矢量选择表,是http://www.everbeenmagnet.com/en/products/110-sintered-neodymium-magnets产生磁链和转矩脉动的主要原因之一,同时导致逆变器开关频率不恒定。本文第五章分析电压空间矢量调制技术(SVM)两种实现方法,指出两种实现方法的区别,分析表明基于SVM第二种实现方法逆变器开关损耗更小。将EKF磁链和转速观测器与SVM DTC有效结合,取代传统DTC滞环比较器和开关电压矢量选择表,保证逆变器开关频率恒定,进一步减小磁链和转矩脉动。通过仿真和实验对该方法进行了验证。
学位年度:2010
作者:刘英培
学位授予单位:天津大学
关键词:永磁同步电机;;直接转矩控制;;自抗扰控制;;无传感器运行;;定子磁链估计;;扩展卡尔曼滤波器;;电压空间矢量调制
摘要:永磁同步电动机(PMSM)具有体积小、功率密度大和效率高等优点,随着电力电子技术及现代控制理论的迅速发展,永磁同步电机得到了广泛地应用。PMSM直接转矩控制(DTC)动态性能好,系统鲁棒性强,已成为学术界研究热点。本文在PMSM传统DTC理论基础上,深入研究PMSM DTC速度环控制方法、定子Neodymium Magnets磁链估计以及无传感器运行转速估计方法,并进行相应地仿真分析和实验研究。
本文的主要内容和创新点:
1.设计了基于自抗扰控制(ADRC)PMSM DTC速度调节器。ADRC采用非线性控制方法,由跟踪-微分器(TD)、扩张状态观测器(ESO)、非线性状态误差反馈(NLSEF)和扰动补偿四部分组成,具有实时估计系统所受扰动并进行补偿的能力。为了抑制负载及摩擦力矩变化等外部扰动,以及电机参数变化等内部扰动对PMSM伺服系统产生的影响,将以上参数的变化视为系统所受扰动,利用TD对给定转速信号提取合适的过渡过程;根据实际转速信号利用ESO实时估计系统状态及系统所受扰动量;利用NLSEF得到电磁转矩初始控制量,在此基础上,将扰动估计值进行实时前馈补偿,得到电磁转矩最终控制量,提高系统对电磁转矩的控制能力。仿真和实验结果表明,从低速到高速运行范围内,该方案均有效地削弱了系统运行中所受扰动影响,抗干扰能力得到了较大程度地提高。
2.设计了基于扩展卡尔曼滤波器(EKF)PMSM定子磁链和转速估计方法。传统DTC系统一般采用电压积分法计算定子磁链,由于积分器存在误差累积和积分饱和等问题,定子磁链估计常常不准确;此外,机械速度传感器的使用带来电机体积增大、维护不便等问题。本文设计的磁链和转速估计观测器建立在两相静止坐标系下,将PMSM电压和电流作为EKF观测器的输入信号,以定子磁链、转速作为EKF观测器状态变量,能够同时进行磁链和转速估计。算法采用估计误差均方差最小原则,因而避免了传统方法的缺陷。仿真和实验结果表明,该方法有效地降低了磁链和转矩脉动,提高了PMSM DTC系统稳态运行性能,转速估计准确,实现了无传感器运行,同时保持了DTC固有的动态响应快的优点。
3.研究了基于EKF永磁同步电机SVM直接转矩控制。传统DTC采用滞环比较器和开关电压矢量选择表,是http://www.everbeenmagnet.com/en/products/110-sintered-neodymium-magnets产生磁链和转矩脉动的主要原因之一,同时导致逆变器开关频率不恒定。本文第五章分析电压空间矢量调制技术(SVM)两种实现方法,指出两种实现方法的区别,分析表明基于SVM第二种实现方法逆变器开关损耗更小。将EKF磁链和转速观测器与SVM DTC有效结合,取代传统DTC滞环比较器和开关电压矢量选择表,保证逆变器开关频率恒定,进一步减小磁链和转矩脉动。通过仿真和实验对该方法进行了验证。
学位年度:2010
多相永磁电机的理论分析及其控制研究
题名:多相永磁电机的理论分析及其控制研究
作者:王晋
学位授予单位:华中科技大学
关键词:多相电机;;永磁电机;;磁动势;;谐波电流注入;;最优参考电流;;非正弦反电势;;矢量控制
摘要:多相永磁电机兼具多相电机和永磁电机的双重优点,在大功率电气传动领域的应用具有显著优势,应用前景良好。多相永磁电机及其调速系统是典型的学科交叉与融合的产物,已逐渐成为电机学科一个新的发展方向,受到国内外学术界广泛关注。深入研究多相永磁电机的基础理论和控制策略,对促进电机学科的Neodymium Magnets发展具有重要意义。本文主要以多相永磁电机为研究对象,对多相绕组的磁动势进行了谐波分析和比较,分析了不同反电势和相电流波形对多相永磁电机电磁转矩的影响,研究了齿槽转矩及其削弱方法,探讨了多相永磁电机的精确数学建模和仿真建模方法,并对多相永磁电机调速系统方案和新型控制策略进行了探索。
利用绕组函数法,推导出了对称和不对称多相绕组磁动势的解析表达式,详细计算分析了不同相数的多相电机定子绕组磁动势谐波波谱。提出了绕组磁动势谐波的品质因数和可利用率概念,并将其作为对多相电机绕组磁动势谐波进行分析比较的准则。从绕组磁动势谐波的角度看,九相永磁电机样机采用对称九相绕组,在谐波电流注入模式下,具有最优的转矩性能,与利用解析法对比分析各种反电势和相电流波形组合产生的电磁转矩的结论一致。
针对内置式多相永磁电机,提出了一种改进的不等宽磁极组合法,通过将转子沿轴向分成具有不等宽磁极的若干段,能够在保持转子结构对称的情况下,大幅削弱齿槽转矩,该方法便于加工,且受磁极宽度误差的影响较低。
将基于有限元分析的相变量数学建模方法应用于多相永磁电机,对比分析了基于S函数和基于电路模块的两种仿真建模方法的优缺点,提出了一种改进的基于电路模块的仿真建模方法,利用样条函数和样条插值对采用有限元分析获得的数据进行预处理,建立仿真所需参数的查找表,在保证仿真精度的同时提高了仿真效率。
结合九相永磁电机样机的特点,采用对称分布的三个星接三相绕组单元结构,不考虑各绕组单元之间的互感耦合,将九相永磁电机的控制简化为对三台独立的非正弦波三相永磁电机分别进行控制。针对三相永磁电机,提出了一种新的最优参考电流控制方法,并通过有限元仿真验证了其准确性。该方法以瞬时功率理论为基础,可以在电感和空载磁链等随转子位置变化的参数已知的情况下,根据电磁转矩给定值,直接计算出最优参考电流随转子位置变化的波形。理论上,采用最优参考电流驱动永磁电机,能够获得最大转矩电流比,并且无任何转矩波动。该方法主要是在参考电流发生器环节实现三相永磁电机的转矩优化控制,适用于包括凸极式或隐极式、正弦波或非正弦等在内的任意类型三相永磁电机。
传统基于Park变换的矢量控制策略,一般将同步旋转坐标系的d轴定向于转子直轴,采用d轴电流等于零的控制方式虽然可实现近似解耦控制,但只能对正弦基波电流实现无差跟踪,且未有效利用磁阻转矩。针对非正http://www.everbeenmagnet.com/en/products/110-sintered-neodymium-magnets弦波三相永磁电机,提出了一种基于广义同步旋转坐标变换的新型矢量控制策略。将广义同步旋转坐标系(简称D-Q坐标系)的Q轴定向在机电能量转换反电势矢量上,通过控制D轴电流恒为零,即可获得最大转矩电流比,’从而可以实现具有任意波形反电势的三相永磁电机的矢量控制。该方法可以涵盖传统正弦波永磁电机的矢量控制策略。精确仿真结果表明,新型矢量控制策略应用于非正弦波三相永磁电机,具有与传统矢量控制应用于正弦波永磁电机相媲美的控制性能。最后,将该新型矢量控制策略应用于九相永磁电机调速控制系统,通过仿真分析验证了其可行性。
学位年度:2010
作者:王晋
学位授予单位:华中科技大学
关键词:多相电机;;永磁电机;;磁动势;;谐波电流注入;;最优参考电流;;非正弦反电势;;矢量控制
摘要:多相永磁电机兼具多相电机和永磁电机的双重优点,在大功率电气传动领域的应用具有显著优势,应用前景良好。多相永磁电机及其调速系统是典型的学科交叉与融合的产物,已逐渐成为电机学科一个新的发展方向,受到国内外学术界广泛关注。深入研究多相永磁电机的基础理论和控制策略,对促进电机学科的Neodymium Magnets发展具有重要意义。本文主要以多相永磁电机为研究对象,对多相绕组的磁动势进行了谐波分析和比较,分析了不同反电势和相电流波形对多相永磁电机电磁转矩的影响,研究了齿槽转矩及其削弱方法,探讨了多相永磁电机的精确数学建模和仿真建模方法,并对多相永磁电机调速系统方案和新型控制策略进行了探索。
利用绕组函数法,推导出了对称和不对称多相绕组磁动势的解析表达式,详细计算分析了不同相数的多相电机定子绕组磁动势谐波波谱。提出了绕组磁动势谐波的品质因数和可利用率概念,并将其作为对多相电机绕组磁动势谐波进行分析比较的准则。从绕组磁动势谐波的角度看,九相永磁电机样机采用对称九相绕组,在谐波电流注入模式下,具有最优的转矩性能,与利用解析法对比分析各种反电势和相电流波形组合产生的电磁转矩的结论一致。
针对内置式多相永磁电机,提出了一种改进的不等宽磁极组合法,通过将转子沿轴向分成具有不等宽磁极的若干段,能够在保持转子结构对称的情况下,大幅削弱齿槽转矩,该方法便于加工,且受磁极宽度误差的影响较低。
将基于有限元分析的相变量数学建模方法应用于多相永磁电机,对比分析了基于S函数和基于电路模块的两种仿真建模方法的优缺点,提出了一种改进的基于电路模块的仿真建模方法,利用样条函数和样条插值对采用有限元分析获得的数据进行预处理,建立仿真所需参数的查找表,在保证仿真精度的同时提高了仿真效率。
结合九相永磁电机样机的特点,采用对称分布的三个星接三相绕组单元结构,不考虑各绕组单元之间的互感耦合,将九相永磁电机的控制简化为对三台独立的非正弦波三相永磁电机分别进行控制。针对三相永磁电机,提出了一种新的最优参考电流控制方法,并通过有限元仿真验证了其准确性。该方法以瞬时功率理论为基础,可以在电感和空载磁链等随转子位置变化的参数已知的情况下,根据电磁转矩给定值,直接计算出最优参考电流随转子位置变化的波形。理论上,采用最优参考电流驱动永磁电机,能够获得最大转矩电流比,并且无任何转矩波动。该方法主要是在参考电流发生器环节实现三相永磁电机的转矩优化控制,适用于包括凸极式或隐极式、正弦波或非正弦等在内的任意类型三相永磁电机。
传统基于Park变换的矢量控制策略,一般将同步旋转坐标系的d轴定向于转子直轴,采用d轴电流等于零的控制方式虽然可实现近似解耦控制,但只能对正弦基波电流实现无差跟踪,且未有效利用磁阻转矩。针对非正http://www.everbeenmagnet.com/en/products/110-sintered-neodymium-magnets弦波三相永磁电机,提出了一种基于广义同步旋转坐标变换的新型矢量控制策略。将广义同步旋转坐标系(简称D-Q坐标系)的Q轴定向在机电能量转换反电势矢量上,通过控制D轴电流恒为零,即可获得最大转矩电流比,’从而可以实现具有任意波形反电势的三相永磁电机的矢量控制。该方法可以涵盖传统正弦波永磁电机的矢量控制策略。精确仿真结果表明,新型矢量控制策略应用于非正弦波三相永磁电机,具有与传统矢量控制应用于正弦波永磁电机相媲美的控制性能。最后,将该新型矢量控制策略应用于九相永磁电机调速控制系统,通过仿真分析验证了其可行性。
学位年度:2010
面向电磁弹射器的永磁直线同步电机驱动系统研究
题名:面向电磁弹射器的永磁直线同步电机驱动系统研究
作者:刘吉柱
学位授予单位:哈尔滨工业大学
关键词:电磁弹射;;永磁直线同步电机;;位移传感器;;自律分散控制;;磁动势
摘要:
随着现代海洋军事的不断发展,迫切要求航空母舰的作战能力越来越强,从而对驱动舰载机弹射起飞的航母弹射器提出了极高的要求。然而,现役的蒸汽弹射装置已难以满足对大质量舰载机的弹射。电磁弹射装置相对于蒸汽弹射装置具有质量小,体积小,效率高,维修费用低,控制精度高等特点,成为最近几年各国研究Neodymium Magnets的热点。我国在电磁弹射领域的研究刚刚起步,随着我国军事力量的发展,航空母舰是我国海军必须配备的武器之一。因此,研究电磁弹射技术对于提高我国军事力量,打造尖端武器,打破国外技术封锁,缩短我国与军事强国的差距,促进国防事业的发展,维护世界和平都具有重大的意义。
本文密切结合航母弹射器的推力大,力波动小,运行速度高等性能要求,基于自律分散体系结构,设计了电磁弹射驱动系统方案,并对其驱动系统结构、位置检测、控制技术以及容错性能等方面进行了深入研究。在此基础上,搭建了自行研制的交流永磁直线同步电机、交流伺服低压控制器和直线位移传感器组成的电磁弹射驱动系统样机平台,并通过实验证明了本文针对电磁弹射性能要求所提出方法的有效性和准确性。
根据电磁弹射的技术要求,分析了影响电磁弹射驱动系统效率的因素,提出在低速段采用齿槽永磁直线同步电机而在高速段采用无齿槽永磁直线同步电机驱动的方法,提高了弹射过程中的系统效率。并基于模块化设计思想,设计了在三维空间采用定子模块组装的永磁直线同步电机驱动系统结构,从而提高了永磁直线同步电机的工艺性和模块故障的处理能力。为了降低驱动系统对供电电源的要求和提高控制的稳定性,提出了采用小功率模块电机组合代替大功率电机驱动的设计思想。采用有限元设计方法对永磁直线同步电机进行了深入研究,分析了极距对永磁直线同步电机功率密度的影响及结构参数对齿槽和无齿槽电机推力及推力波动的影响,为电磁弹射用永磁直线同步电机的设计提供了理论依据。
为实现对驱动系统的高速伺服控制,在位置检测单元中,基于霍尔效应原理,采用三相六元件的信号拾取方法,并通过差分处理消除了机械装配偏差和零点漂移带来的信号误差。同时,基于查表方式的信号处理算法,采用了查表列和编码列两排磁钢的排列方法,设计了磁栅直线位移传感器。通过实验表明,该传感器可以达到较高的分辨率,为实现绝对位移的精确测量和电机的高速控制奠定了基础。
针对传统集中式控制存在的缺点,提出自律分散控制方法,构建了自律分散系统的控制结构。推导了基于自律分散控制的永磁直线同步电机矢量控制电磁模型和电磁推力模型,为其实现提供了理论依据。在自律分散控制结构下的永磁直线同步电机控制中,为了提高电流响应特性,电流环采用引入反电动势补偿的方法,并通过仿真验证了该方法的有效性。同时,为提高速度检测精度并解决速度反馈延时导致的滞后问题,机械环采用引入状态观测器的方法,以获取实时的位置和速度反馈,提高永磁直线同步电机的速度响应频率和位置控制精度。
为提高电磁弹射驱动系统的冗余度,以8极12槽集中绕组永磁直线同步电机为主要研究对象,推导了定子模块单相、单模块、二模块和三相交叉模块故障时总磁动势计算数学模型。在此基础上,为了保持在故障时与非故障时总磁动势不变,建立不同故障时总磁动势不变的电流补偿数学模型,实现了http://www.everbeenmagnet.com/en/products/110-sintered-neodymium-magnets磁动势补偿,从而保证电机在故障前后的瞬时推力不变,进而提高电磁弹射驱动系统的可靠性及故障处理能力。
研制了低速段齿槽和高速段无齿槽原理样机实验系统,并通过对原理样机的性能进行测试,证明了低速段采用齿槽永磁直线同步电机高速段采用无齿槽永磁直线同步电机对提高整个系统的效率的有效性,同时验证了电磁弹射驱动系统不同模块故障时电流补偿模型的正确性。本文的研究工作为电磁弹射技术应用于航母弹射器,实现高精度、高能量的弹射奠定了基础。
学位年度:2010
作者:刘吉柱
学位授予单位:哈尔滨工业大学
关键词:电磁弹射;;永磁直线同步电机;;位移传感器;;自律分散控制;;磁动势
摘要:
随着现代海洋军事的不断发展,迫切要求航空母舰的作战能力越来越强,从而对驱动舰载机弹射起飞的航母弹射器提出了极高的要求。然而,现役的蒸汽弹射装置已难以满足对大质量舰载机的弹射。电磁弹射装置相对于蒸汽弹射装置具有质量小,体积小,效率高,维修费用低,控制精度高等特点,成为最近几年各国研究Neodymium Magnets的热点。我国在电磁弹射领域的研究刚刚起步,随着我国军事力量的发展,航空母舰是我国海军必须配备的武器之一。因此,研究电磁弹射技术对于提高我国军事力量,打造尖端武器,打破国外技术封锁,缩短我国与军事强国的差距,促进国防事业的发展,维护世界和平都具有重大的意义。
本文密切结合航母弹射器的推力大,力波动小,运行速度高等性能要求,基于自律分散体系结构,设计了电磁弹射驱动系统方案,并对其驱动系统结构、位置检测、控制技术以及容错性能等方面进行了深入研究。在此基础上,搭建了自行研制的交流永磁直线同步电机、交流伺服低压控制器和直线位移传感器组成的电磁弹射驱动系统样机平台,并通过实验证明了本文针对电磁弹射性能要求所提出方法的有效性和准确性。
根据电磁弹射的技术要求,分析了影响电磁弹射驱动系统效率的因素,提出在低速段采用齿槽永磁直线同步电机而在高速段采用无齿槽永磁直线同步电机驱动的方法,提高了弹射过程中的系统效率。并基于模块化设计思想,设计了在三维空间采用定子模块组装的永磁直线同步电机驱动系统结构,从而提高了永磁直线同步电机的工艺性和模块故障的处理能力。为了降低驱动系统对供电电源的要求和提高控制的稳定性,提出了采用小功率模块电机组合代替大功率电机驱动的设计思想。采用有限元设计方法对永磁直线同步电机进行了深入研究,分析了极距对永磁直线同步电机功率密度的影响及结构参数对齿槽和无齿槽电机推力及推力波动的影响,为电磁弹射用永磁直线同步电机的设计提供了理论依据。
为实现对驱动系统的高速伺服控制,在位置检测单元中,基于霍尔效应原理,采用三相六元件的信号拾取方法,并通过差分处理消除了机械装配偏差和零点漂移带来的信号误差。同时,基于查表方式的信号处理算法,采用了查表列和编码列两排磁钢的排列方法,设计了磁栅直线位移传感器。通过实验表明,该传感器可以达到较高的分辨率,为实现绝对位移的精确测量和电机的高速控制奠定了基础。
针对传统集中式控制存在的缺点,提出自律分散控制方法,构建了自律分散系统的控制结构。推导了基于自律分散控制的永磁直线同步电机矢量控制电磁模型和电磁推力模型,为其实现提供了理论依据。在自律分散控制结构下的永磁直线同步电机控制中,为了提高电流响应特性,电流环采用引入反电动势补偿的方法,并通过仿真验证了该方法的有效性。同时,为提高速度检测精度并解决速度反馈延时导致的滞后问题,机械环采用引入状态观测器的方法,以获取实时的位置和速度反馈,提高永磁直线同步电机的速度响应频率和位置控制精度。
为提高电磁弹射驱动系统的冗余度,以8极12槽集中绕组永磁直线同步电机为主要研究对象,推导了定子模块单相、单模块、二模块和三相交叉模块故障时总磁动势计算数学模型。在此基础上,为了保持在故障时与非故障时总磁动势不变,建立不同故障时总磁动势不变的电流补偿数学模型,实现了http://www.everbeenmagnet.com/en/products/110-sintered-neodymium-magnets磁动势补偿,从而保证电机在故障前后的瞬时推力不变,进而提高电磁弹射驱动系统的可靠性及故障处理能力。
研制了低速段齿槽和高速段无齿槽原理样机实验系统,并通过对原理样机的性能进行测试,证明了低速段采用齿槽永磁直线同步电机高速段采用无齿槽永磁直线同步电机对提高整个系统的效率的有效性,同时验证了电磁弹射驱动系统不同模块故障时电流补偿模型的正确性。本文的研究工作为电磁弹射技术应用于航母弹射器,实现高精度、高能量的弹射奠定了基础。
学位年度:2010
飞秒激光在探针传输中的频谱分裂、振幅和相位奇异的研究
题名:飞秒激光在探针传输中的频谱分裂、振幅和相位奇异的研究
作者:刘桂媛
学位授予单位:山东师范大学
关键词:时域有限差分法;;超快激光脉冲;;光纤探针;;频谱分裂;;相位奇异
摘要:
众所周知,飞秒激光脉冲用于近场光学显微镜是当前比较热门的研究。在近场光学显微镜中采用超快激光照明,使近场光学显微镜在空间和时间上达到超高和超快分辨,为我们研究光场在界面及其近场范围内的传播特性提供了新的手段。作为近场光学显微镜的关键部件之一,孔径为亚微米尺度的光纤探针决定了近Neodymium Magnets场光学显微镜的分辨率、灵敏度和传输效率。因此对飞秒激光在光纤探针中传输特性的研究不仅对于超快飞秒激光光场的建立,而且对于光场传播的动力学过程、探针结构的设计都有着重要的基础意义。
本文利用三维时域有限差分法(3D-FDTD),对飞秒激光在亚波长尺度的锥形镀膜光纤探针的近场光场分布进行了数值模拟计算和理论研究。首先研究了飞秒脉冲在探针中传输的时域、频谱和相位特性,并分析了探针的结构对这些特性的影响;接着在探针输出端平面内,通过对脉冲中光波振荡的一个周期内不同时刻的光场进行的计算、比较,获得了输出端平面内各空间点处光场的最大值和达到最大值时的时间,得到了探针近场的振幅和相位分布图象。首次获得了飞秒激光在光学探针中传输时光波近场的相位奇异。全文共分六章。
第一章主要介绍了课题的研究背景,简单概述了近场光学显微技术、飞秒激光脉冲及两者相结合的理论、应用及发展现状。
第二章介绍了时域有限差分法(FDTD)的基本原理及特点。时域差分法是从麦克斯韦方程出发,给出基本差分方程,并且讨论了时域有限差分法(FDTD)数值解的稳定性和时间步长与空间步长之间的关系,对其数值色散问题进行了分析。对时域有限差分法目前比较常用的完全匹配层(PML)吸收边界条件的原理做了详细介绍。通过在区域截断边界处设置一种特殊的介质层,即人为的设置具有一定电导率和磁损耗系数的介质,使得用有限的网格空间就可以模拟电磁波在无界空间中的传播。这样的吸收边界条件可以有效消除网格截断引起的反射影响。
第三章采用三维时域有限差分法对高斯型超快脉冲照明下锥形镀膜光纤探针内的光场进行了计算,研究了高斯型超快脉冲在锥形镀膜光纤探针中传输时的时域、频谱和相位特性,并计算了不同锥角和不同长度的探针对这些特性的影响。研究结果发现超快脉冲在探针中传输时出现了脉冲展宽、幅值振荡以及频谱分裂等现象,并且利用频谱和相位的变化特性初步解释了脉冲的展宽、振荡时间的持续增长以及脉冲振幅随时间发生了周期性变化等现象。
第四章基于三维时域有限差分法(3D-FDTD )对超快激光透过金属镀膜光纤探针的光场分布进行了计算。通过对脉冲中光波振荡一个周期内不同时刻的光场进行了计算、比较,获得了输出端平面内各空间点处光场的最大值,得到了探针近场的振幅分布图象。探针的振幅分布图像与瞬时的电场分布图像不同,其分布图像最大的特点是不受时间调制,能够真正反映空间各点光强的大小。通过结果我们发现输入时沿y方向偏振的高斯飞秒激光脉冲在输出端平面内得到的振幅分布是关于x轴和y轴均对称的蝴蝶形状,并且在振幅分布图上有两个对称分布的弓形零值线。通过对接近和在零值线上点的Ey光场随时间演化的分析,我们发现了在零振幅线所对应光波的一个振荡周期内,零振幅线上的点出现了波形畸变,并且畸变出现在两个波包刚开始叠加的位置。
第五章利用数值模拟的方法对飞秒激光脉冲中光波振荡一个周期内不同时刻的光场进行了计算、比较,获得了输出端平面内各空间点处光场的最大值及达到最大值时对应的时间,得到了探针近场的振幅和相位分布。在研究振幅分布的过程中发现了在探针输出端的有些区域振幅始终为零,即http://www.everbeenmagnet.com/en/products/110-sintered-neodymium-magnets在光波振荡的一个周期内这些区域的光强始终为零。光强零值点处的相位都不能确定,光强零值点称为相位奇异点,通过分析相位分布得到了相位奇异随时间的演化及相位奇异的特点。
第六章总结了本论文的主要内容,制定了后续工作计划。
学位年度:2010
作者:刘桂媛
学位授予单位:山东师范大学
关键词:时域有限差分法;;超快激光脉冲;;光纤探针;;频谱分裂;;相位奇异
摘要:
众所周知,飞秒激光脉冲用于近场光学显微镜是当前比较热门的研究。在近场光学显微镜中采用超快激光照明,使近场光学显微镜在空间和时间上达到超高和超快分辨,为我们研究光场在界面及其近场范围内的传播特性提供了新的手段。作为近场光学显微镜的关键部件之一,孔径为亚微米尺度的光纤探针决定了近Neodymium Magnets场光学显微镜的分辨率、灵敏度和传输效率。因此对飞秒激光在光纤探针中传输特性的研究不仅对于超快飞秒激光光场的建立,而且对于光场传播的动力学过程、探针结构的设计都有着重要的基础意义。
本文利用三维时域有限差分法(3D-FDTD),对飞秒激光在亚波长尺度的锥形镀膜光纤探针的近场光场分布进行了数值模拟计算和理论研究。首先研究了飞秒脉冲在探针中传输的时域、频谱和相位特性,并分析了探针的结构对这些特性的影响;接着在探针输出端平面内,通过对脉冲中光波振荡的一个周期内不同时刻的光场进行的计算、比较,获得了输出端平面内各空间点处光场的最大值和达到最大值时的时间,得到了探针近场的振幅和相位分布图象。首次获得了飞秒激光在光学探针中传输时光波近场的相位奇异。全文共分六章。
第一章主要介绍了课题的研究背景,简单概述了近场光学显微技术、飞秒激光脉冲及两者相结合的理论、应用及发展现状。
第二章介绍了时域有限差分法(FDTD)的基本原理及特点。时域差分法是从麦克斯韦方程出发,给出基本差分方程,并且讨论了时域有限差分法(FDTD)数值解的稳定性和时间步长与空间步长之间的关系,对其数值色散问题进行了分析。对时域有限差分法目前比较常用的完全匹配层(PML)吸收边界条件的原理做了详细介绍。通过在区域截断边界处设置一种特殊的介质层,即人为的设置具有一定电导率和磁损耗系数的介质,使得用有限的网格空间就可以模拟电磁波在无界空间中的传播。这样的吸收边界条件可以有效消除网格截断引起的反射影响。
第三章采用三维时域有限差分法对高斯型超快脉冲照明下锥形镀膜光纤探针内的光场进行了计算,研究了高斯型超快脉冲在锥形镀膜光纤探针中传输时的时域、频谱和相位特性,并计算了不同锥角和不同长度的探针对这些特性的影响。研究结果发现超快脉冲在探针中传输时出现了脉冲展宽、幅值振荡以及频谱分裂等现象,并且利用频谱和相位的变化特性初步解释了脉冲的展宽、振荡时间的持续增长以及脉冲振幅随时间发生了周期性变化等现象。
第四章基于三维时域有限差分法(3D-FDTD )对超快激光透过金属镀膜光纤探针的光场分布进行了计算。通过对脉冲中光波振荡一个周期内不同时刻的光场进行了计算、比较,获得了输出端平面内各空间点处光场的最大值,得到了探针近场的振幅分布图象。探针的振幅分布图像与瞬时的电场分布图像不同,其分布图像最大的特点是不受时间调制,能够真正反映空间各点光强的大小。通过结果我们发现输入时沿y方向偏振的高斯飞秒激光脉冲在输出端平面内得到的振幅分布是关于x轴和y轴均对称的蝴蝶形状,并且在振幅分布图上有两个对称分布的弓形零值线。通过对接近和在零值线上点的Ey光场随时间演化的分析,我们发现了在零振幅线所对应光波的一个振荡周期内,零振幅线上的点出现了波形畸变,并且畸变出现在两个波包刚开始叠加的位置。
第五章利用数值模拟的方法对飞秒激光脉冲中光波振荡一个周期内不同时刻的光场进行了计算、比较,获得了输出端平面内各空间点处光场的最大值及达到最大值时对应的时间,得到了探针近场的振幅和相位分布。在研究振幅分布的过程中发现了在探针输出端的有些区域振幅始终为零,即http://www.everbeenmagnet.com/en/products/110-sintered-neodymium-magnets在光波振荡的一个周期内这些区域的光强始终为零。光强零值点处的相位都不能确定,光强零值点称为相位奇异点,通过分析相位分布得到了相位奇异随时间的演化及相位奇异的特点。
第六章总结了本论文的主要内容,制定了后续工作计划。
学位年度:2010
可控混合电磁耦合滤波器理论与实现
题名:可控混合电磁耦合滤波器理论与实现
作者:王欢
学位授予单位:华南理工大学
关键词:混合电磁耦合滤波器;;准椭圆滤波器;;耦合矩阵;;开口环滤波器;;发夹梳滤波器;;同轴腔滤波器;;TE01δ模式介质谐振器滤波器;;超宽带滤波器;;双频滤波器
摘要:
现代通信系统对微波滤波器提出了极其严格的指标要求。集成多通信系统中的微波集成电路(MICs)和单片微波集成电路(MMICs)要求滤波器具有小型化、多频带、超宽带和高性能。卫星和无线基站通信系统则需要体积小、损耗低、功率容量大、造价低的滤波器和多工器。要满足这些要求就需要从滤波Neodymium Magnets器的设计理论和实现形式上有所创新。基于这一要求本论文致力于建立新的滤波器综合理论,提出新的分析和设计方法,创造新型的滤波器结构。
本论文主要的创新性在于:
1.本论文提出了电磁意义上的多耦合路径思想,跳出了物理结构上多耦合路径的局限,拓展了多耦合路径思想的范畴。本论文提出了可控混合电磁耦合准椭圆函数滤波器,减小了滤波器中谐振器的数目,提高了滤波器设计的灵活性,提高了滤波器的性能。本文所提出的混合电磁耦合滤波器即使没有交叉耦合路径也可以实现选择性高于传统交叉耦合滤波器的准椭圆函数滤波响应。本文所提出的可控混合电磁耦合滤波器可以实现所有谐振器沿直线排列的耦合拓扑,避免了输入和输出的干扰,非常适合卫星和无线基站中的多工器应用。本文所提出的混合电磁耦合准椭圆滤波器的所有传输零点都具有独立性,可以轻易实现非对称的滤波响应以满足信道间不同的隔离要求。本论文提出了新的混合电磁耦合系数的定义和量化方法,使电和磁两种耦合系数在混合电磁耦合结构中可以被分别独立地提取出来。基于这一定义,本论文提出了在低通原型下混合电磁耦合滤波器耦合矩阵的梯度优化综合技术,具有简单灵活的优点。
2.本论文提出了基于小型平面结构的可控混合电磁耦合准椭圆滤波器,包括开口环滤波器和发夹梳滤波器。由于电磁耦合的抵消效应,小型平面可控混合电磁耦合滤波器的谐振器耦合间距小于传统的平面滤波器,结构紧凑,性能高,非常适合集成通信系统应用和高温超导滤波器应用。
3.本论文提出了具有准椭圆函数响应的可控混合电磁耦合同轴腔滤波器,并给出了该滤波器从耦合矩阵综合到加工调试的全部设计过程。该滤波器具有直线阵耦合拓扑,特性优于阶数相同的交叉耦合滤波器,适用于无线基站和卫星通信应用。
4.本论文提出了可控电磁耦合TE01δ模介质谐振器滤波器。本论文还提出了一种全新的TE01δ模介质谐振器的耦合机制,即单个谐振器自身包含两条耦合通路。基于这个新的耦合机制,本论文提出了通过http://www.everbeenmagnet.com/en/products/110-sintered-neodymium-magnets控制馈电位置生成和控制传输零点的方法,设计了直线阵全膜片耦合准椭函数滤波器,大大简化了准椭圆函数介质谐振器滤波器的设计过程,具有重要的理论意义和工程价值。
上述创新点1属于滤波器综合理论上的创新;创新点2、3、4属于滤波器实现上的创新,是对创新点1的实践。对其它的研究议题和研究热点本论文也提出了新颖的见解,得到了创新性的成果,具体包括:双频滤波器、超宽带滤波器、超宽阻带带通滤波器。
学位年度:2010
作者:王欢
学位授予单位:华南理工大学
关键词:混合电磁耦合滤波器;;准椭圆滤波器;;耦合矩阵;;开口环滤波器;;发夹梳滤波器;;同轴腔滤波器;;TE01δ模式介质谐振器滤波器;;超宽带滤波器;;双频滤波器
摘要:
现代通信系统对微波滤波器提出了极其严格的指标要求。集成多通信系统中的微波集成电路(MICs)和单片微波集成电路(MMICs)要求滤波器具有小型化、多频带、超宽带和高性能。卫星和无线基站通信系统则需要体积小、损耗低、功率容量大、造价低的滤波器和多工器。要满足这些要求就需要从滤波Neodymium Magnets器的设计理论和实现形式上有所创新。基于这一要求本论文致力于建立新的滤波器综合理论,提出新的分析和设计方法,创造新型的滤波器结构。
本论文主要的创新性在于:
1.本论文提出了电磁意义上的多耦合路径思想,跳出了物理结构上多耦合路径的局限,拓展了多耦合路径思想的范畴。本论文提出了可控混合电磁耦合准椭圆函数滤波器,减小了滤波器中谐振器的数目,提高了滤波器设计的灵活性,提高了滤波器的性能。本文所提出的混合电磁耦合滤波器即使没有交叉耦合路径也可以实现选择性高于传统交叉耦合滤波器的准椭圆函数滤波响应。本文所提出的可控混合电磁耦合滤波器可以实现所有谐振器沿直线排列的耦合拓扑,避免了输入和输出的干扰,非常适合卫星和无线基站中的多工器应用。本文所提出的混合电磁耦合准椭圆滤波器的所有传输零点都具有独立性,可以轻易实现非对称的滤波响应以满足信道间不同的隔离要求。本论文提出了新的混合电磁耦合系数的定义和量化方法,使电和磁两种耦合系数在混合电磁耦合结构中可以被分别独立地提取出来。基于这一定义,本论文提出了在低通原型下混合电磁耦合滤波器耦合矩阵的梯度优化综合技术,具有简单灵活的优点。
2.本论文提出了基于小型平面结构的可控混合电磁耦合准椭圆滤波器,包括开口环滤波器和发夹梳滤波器。由于电磁耦合的抵消效应,小型平面可控混合电磁耦合滤波器的谐振器耦合间距小于传统的平面滤波器,结构紧凑,性能高,非常适合集成通信系统应用和高温超导滤波器应用。
3.本论文提出了具有准椭圆函数响应的可控混合电磁耦合同轴腔滤波器,并给出了该滤波器从耦合矩阵综合到加工调试的全部设计过程。该滤波器具有直线阵耦合拓扑,特性优于阶数相同的交叉耦合滤波器,适用于无线基站和卫星通信应用。
4.本论文提出了可控电磁耦合TE01δ模介质谐振器滤波器。本论文还提出了一种全新的TE01δ模介质谐振器的耦合机制,即单个谐振器自身包含两条耦合通路。基于这个新的耦合机制,本论文提出了通过http://www.everbeenmagnet.com/en/products/110-sintered-neodymium-magnets控制馈电位置生成和控制传输零点的方法,设计了直线阵全膜片耦合准椭函数滤波器,大大简化了准椭圆函数介质谐振器滤波器的设计过程,具有重要的理论意义和工程价值。
上述创新点1属于滤波器综合理论上的创新;创新点2、3、4属于滤波器实现上的创新,是对创新点1的实践。对其它的研究议题和研究热点本论文也提出了新颖的见解,得到了创新性的成果,具体包括:双频滤波器、超宽带滤波器、超宽阻带带通滤波器。
学位年度:2010
连续作业与睡眠剥夺对认知功能的影响及机制研究
题名:连续作业与睡眠剥夺对认知功能的影响及机制研究
作者:樊双义
学位授予单位:第三军医大学
关键词:睡眠剥夺;;连续体力作业;;认知功能;;学习记忆;;功能磁共振;;腺苷;;内嗅皮层;;膜片钳;;HCN通道;;Ih电流;;微小兴奋性突触后电流;;微小抑制性突触后电流;;电压门控Ca~(2+)通道
摘要:
当今社会,越来越多的人不得不面对长时间连续作业,甚至牺牲自然睡眠(即睡眠剥夺)连续作业,如连续军事作业,连续机动车(船)驾驶等。长时间连续作业往往导致脑疲劳。已有证据表明,脑疲劳对作业者认知功能和行为反应能力Neodymium Magnets有严重损害作用,而神经元活动代谢产物---腺苷对神经元活动的抑制在脑疲劳过程中,扮演着重要的角色。揭示连续作业与睡眠剥夺对认知功能影响的机制,将有助于对抗连续作业所致的疲劳,提高连续作业能力。
本实验在观察连续作业和睡眠剥夺对人认知功能影响的基础上,首先使用脑功能核磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)技术分析了睡眠剥夺前后数字记忆编码、维持和提取过程的相关激活脑区出现的激活变化规律,然后运用离体脑片膜片钳全细胞记录技术,在可视条件下研究了活动依赖的细胞代谢产物腺苷对内嗅皮层II层星形神经元的兴奋性调节作用及其离子通道机制和突触机制。主要结果如下:
1.连续体力作业和睡眠剥夺对人脑认知功能的影响
通过数字划销测试、数字搜索测试和数字符号转换测试三个量表,检测连续体力作业3天,30名作业人员,以及睡眠剥夺48小时,6名受试人员注意力和记忆力等脑认知功能的变化。
(1)连续体力作业对人脑认知功能的影响
数字划销测试结果显示,连续作业第1天划对数为7.73±2.41,第3天下降至4.36±1.92,净分从第1天的4.99±2.03,降至第3天2.42±2.32,差异显著(n=30, P<0.05)。连续体力作业第1天划错数是0.13±1.17、失误率是32.43±15.65%,第3天划错数为0.33±1.06,失误率达60.73±25.67%。数字搜索测试结果显示,失误率在连续作业第1天为37.54±25.90%,低于第3天(48.91±30.40%),差异显著(n=30, P<0.05)。连续体力作业第1天划对数为8.23±3.42、漏划数为6.77±3.42,第3天划对数为8.47±2.91、漏划数是6.53±2.91。第1天净分为6.6±3.83,第3天分值下降至5.27±4.17。上述两项测试结果显示,随着连续体力作业时间延长,作业人员的注意力和短期记忆力等脑认知功能均呈现显著的降低。
(2)睡眠剥夺对人脑认知功能的影响
数字划销测试结果显示,睡眠剥夺8小时后,剥夺组划对数(18.33±1.37)和净分(17.50±2.05)都低于对照组划对数(18.60±2.61)和净分(17.90±3.91)。剥夺16小时后,剥夺组划对数和净分分别是17.43±2.30、16.14±3.45,对照组划对数是18.50±0.58,净分为17.75±0.87。剥夺组的失误率8.38±2.02%,对照组4.09±1.69%。数字符号转换测试结果显示,睡眠剥夺8小时后,得分24.67±1.51,剥夺至32小时后下降至22.71±1.80,睡眠剥夺48小时后,降至最低20.14±1.21。同一时间段比较,睡眠剥夺组得分均低于对照组,睡眠剥夺16小时后,剥夺组得分23.43±7.93,对照组得分为24.00±1.83;剥夺40小时后,剥夺组得分20.00±2.23,对照组得分为23.71±1.97。以上结果提示,睡眠剥夺使受试者的注意力和记忆力受损,且随着剥夺时间增加,这种认知功能下降程度增加。
2.睡眠剥夺影响数字记忆编码、维持和提取的脑功能磁共振成像研究
睡眠剥夺受试者数字记忆测试中,错误率从剥夺前8.2±5.4上升到剥夺后13.7±10.1(n=6),反应时间增加,剥夺前738.0±82.1ms,剥夺后824.3±52.3(n=6, P<0.05)。SD状态下记忆编码阶段在睡眠剥夺前后差异的激活区为灰质区,左侧边缘叶海马旁回Brodmann 30,左侧颞叶颞上回42,左侧岛叶41,额叶回6;SD前后维持阶段差异的激活区为灰质区,左侧颞上回Brodmann 38,左侧颞中回21,左侧海马旁回及杏仁,左侧额中回47,左侧豆状核及丘脑,右侧豆状核,左边缘叶扣带后回30,右边缘叶扣带后回30,双侧扣带回24,双侧额中回、额内侧回6;睡眠剥夺前后工作记忆提取阶段机体为了维持清醒状态,大脑双侧海马、右侧杏仁核、右侧顶小叶、左侧楔前叶丘脑出现了过度激活状态,表现为睡眠剥夺前后工作记忆提取阶段阴性激活;睡眠剥夺前后工作记忆提取阶段阳性激活,激活区为左侧颞中回Brodmann 21,双侧扣带回24,左侧额下回47,左顶下小叶19,左侧额中回9。
3.稳态因子腺苷调节大鼠内嗅皮层II层星形神经元的离子通道机制和突触机制
(1)腺苷抑制星形神经元Ih电流
在电流钳模式下,给与100μM腺苷能够明显抑制跃阶超极化电流刺激(-350 ~ -150 pA,50 pA)诱发的电压sag值,给予腺苷,电压sag比值(电压峰改变值/电压稳定改变值)减小到对照时的66±9%(对照:13.0±5.9 mV;腺苷:8.8±4.2 mV;P < 0.001;n = 11)。加入腺苷后Ih电流幅度明显减小,差异显著。
(2)腺苷减少自发性谷氨酸释放到星形神经元
在灌流液中加入1μM河豚毒素阻断电压依赖的Na+通道和10μM荷包牡丹碱阻断离子通道型GABAA受体,分离出mEPSCs。给予100μM腺苷明显抑制mEPSCs频率(对照的55±9 %;n = 16;P < 0.001),却不影响mEPSCs的幅度(对照的98±6 %;n = 16;P = 0.33)。给予腺苷受体1拮抗剂DPCPX(3μM),腺苷对mEPSCs的抑制效应被阻断(n=10;P = 0.35),而腺苷受体2拮抗剂DMPX(10μM)无影响(n=6;P < 0.001)。提示,腺苷诱发的自发性谷氨酸释放减少是由突触前A1受体介导的。
(3)腺苷抑制自发性GABA释放到星形神经元
在灌流ACSF中加入1μM河豚毒素、10μM CNQX和50μM AP-V阻断离子通道型谷氨酸受体,分离出mIPSCs。100μM腺苷增加mIPSCs事件间的时间间隔,但不影响mIPSCs的幅度累积曲线,即频率降低到对照的51±6 % (n = 16;P < 0.001),平均幅度没有改变(对照的98±4 %,n = 16; P = 0.07)。给予3μM DPCPX,腺苷不影响mIPSCs活动(n = 6; P = 0.47)。但在10μM DMPX存在的情况下,腺苷降低mIPSCs的频率到53±11 % (n = 10; P < 0.001),提示,腺苷诱发的自发性GABA释放减少也是通过突触前A1受体介导的。
(4)电压门控Ca2+通道和胞外Ca2+介导腺苷抑制突触传递的效应
灌流液中加入电压门控钙通道(VDCCs)阻断剂Cd2+ (100μM),能明显降低所记录神经元的mEPSCs和mIPSCs的频率至对照的44±11 % (n = 8;P< 0.001)和56±11 % (n = 7;P < 0.001)。用Cd2+处理至少5 min后,给与100μM腺苷,不能降低mEPSCs (n = 8;P = 0.30)和mIPSCs (n = 7;P= 0.20)的频率。胞外无Ca2+也能明显降低基础mEPSCs和mIPSCs的频率至对照45±19 % (n = 8;P < 0.001)和51±15 % (n = 9;P < 0.001)。且,加入腺苷也不能明显改变mEPSCs (n = 8;P = 0.13)和mIPSCs (n = 9;P = 0.38)的频率。上述结果说明,腺苷A1受体介导的抑制自发性谷氨酸和GABA释放与胞外Ca2+通过VDCCs内流有关。
综上所述,本http://www.everbeenmagnet.com/en/products/110-sintered-neodymium-magnets研究结果表明,连续体力作业和睡眠剥夺可以使人脑认知功能下降。睡眠剥夺前后,数字记忆编码、维持和提取过程中脑区激活发生差异变化。内源性促睡眠因子--腺苷通过直接抑制HCN通道电流而降低内嗅皮层星形神经元兴奋性;或间接与突触前A1受体结合,抑制电压门控钙通道钙内流,降低兴奋性谷氨酸能和抑制性GABA能突触活动的传入。
学位年度:2010
作者:樊双义
学位授予单位:第三军医大学
关键词:睡眠剥夺;;连续体力作业;;认知功能;;学习记忆;;功能磁共振;;腺苷;;内嗅皮层;;膜片钳;;HCN通道;;Ih电流;;微小兴奋性突触后电流;;微小抑制性突触后电流;;电压门控Ca~(2+)通道
摘要:
当今社会,越来越多的人不得不面对长时间连续作业,甚至牺牲自然睡眠(即睡眠剥夺)连续作业,如连续军事作业,连续机动车(船)驾驶等。长时间连续作业往往导致脑疲劳。已有证据表明,脑疲劳对作业者认知功能和行为反应能力Neodymium Magnets有严重损害作用,而神经元活动代谢产物---腺苷对神经元活动的抑制在脑疲劳过程中,扮演着重要的角色。揭示连续作业与睡眠剥夺对认知功能影响的机制,将有助于对抗连续作业所致的疲劳,提高连续作业能力。
本实验在观察连续作业和睡眠剥夺对人认知功能影响的基础上,首先使用脑功能核磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)技术分析了睡眠剥夺前后数字记忆编码、维持和提取过程的相关激活脑区出现的激活变化规律,然后运用离体脑片膜片钳全细胞记录技术,在可视条件下研究了活动依赖的细胞代谢产物腺苷对内嗅皮层II层星形神经元的兴奋性调节作用及其离子通道机制和突触机制。主要结果如下:
1.连续体力作业和睡眠剥夺对人脑认知功能的影响
通过数字划销测试、数字搜索测试和数字符号转换测试三个量表,检测连续体力作业3天,30名作业人员,以及睡眠剥夺48小时,6名受试人员注意力和记忆力等脑认知功能的变化。
(1)连续体力作业对人脑认知功能的影响
数字划销测试结果显示,连续作业第1天划对数为7.73±2.41,第3天下降至4.36±1.92,净分从第1天的4.99±2.03,降至第3天2.42±2.32,差异显著(n=30, P<0.05)。连续体力作业第1天划错数是0.13±1.17、失误率是32.43±15.65%,第3天划错数为0.33±1.06,失误率达60.73±25.67%。数字搜索测试结果显示,失误率在连续作业第1天为37.54±25.90%,低于第3天(48.91±30.40%),差异显著(n=30, P<0.05)。连续体力作业第1天划对数为8.23±3.42、漏划数为6.77±3.42,第3天划对数为8.47±2.91、漏划数是6.53±2.91。第1天净分为6.6±3.83,第3天分值下降至5.27±4.17。上述两项测试结果显示,随着连续体力作业时间延长,作业人员的注意力和短期记忆力等脑认知功能均呈现显著的降低。
(2)睡眠剥夺对人脑认知功能的影响
数字划销测试结果显示,睡眠剥夺8小时后,剥夺组划对数(18.33±1.37)和净分(17.50±2.05)都低于对照组划对数(18.60±2.61)和净分(17.90±3.91)。剥夺16小时后,剥夺组划对数和净分分别是17.43±2.30、16.14±3.45,对照组划对数是18.50±0.58,净分为17.75±0.87。剥夺组的失误率8.38±2.02%,对照组4.09±1.69%。数字符号转换测试结果显示,睡眠剥夺8小时后,得分24.67±1.51,剥夺至32小时后下降至22.71±1.80,睡眠剥夺48小时后,降至最低20.14±1.21。同一时间段比较,睡眠剥夺组得分均低于对照组,睡眠剥夺16小时后,剥夺组得分23.43±7.93,对照组得分为24.00±1.83;剥夺40小时后,剥夺组得分20.00±2.23,对照组得分为23.71±1.97。以上结果提示,睡眠剥夺使受试者的注意力和记忆力受损,且随着剥夺时间增加,这种认知功能下降程度增加。
2.睡眠剥夺影响数字记忆编码、维持和提取的脑功能磁共振成像研究
睡眠剥夺受试者数字记忆测试中,错误率从剥夺前8.2±5.4上升到剥夺后13.7±10.1(n=6),反应时间增加,剥夺前738.0±82.1ms,剥夺后824.3±52.3(n=6, P<0.05)。SD状态下记忆编码阶段在睡眠剥夺前后差异的激活区为灰质区,左侧边缘叶海马旁回Brodmann 30,左侧颞叶颞上回42,左侧岛叶41,额叶回6;SD前后维持阶段差异的激活区为灰质区,左侧颞上回Brodmann 38,左侧颞中回21,左侧海马旁回及杏仁,左侧额中回47,左侧豆状核及丘脑,右侧豆状核,左边缘叶扣带后回30,右边缘叶扣带后回30,双侧扣带回24,双侧额中回、额内侧回6;睡眠剥夺前后工作记忆提取阶段机体为了维持清醒状态,大脑双侧海马、右侧杏仁核、右侧顶小叶、左侧楔前叶丘脑出现了过度激活状态,表现为睡眠剥夺前后工作记忆提取阶段阴性激活;睡眠剥夺前后工作记忆提取阶段阳性激活,激活区为左侧颞中回Brodmann 21,双侧扣带回24,左侧额下回47,左顶下小叶19,左侧额中回9。
3.稳态因子腺苷调节大鼠内嗅皮层II层星形神经元的离子通道机制和突触机制
(1)腺苷抑制星形神经元Ih电流
在电流钳模式下,给与100μM腺苷能够明显抑制跃阶超极化电流刺激(-350 ~ -150 pA,50 pA)诱发的电压sag值,给予腺苷,电压sag比值(电压峰改变值/电压稳定改变值)减小到对照时的66±9%(对照:13.0±5.9 mV;腺苷:8.8±4.2 mV;P < 0.001;n = 11)。加入腺苷后Ih电流幅度明显减小,差异显著。
(2)腺苷减少自发性谷氨酸释放到星形神经元
在灌流液中加入1μM河豚毒素阻断电压依赖的Na+通道和10μM荷包牡丹碱阻断离子通道型GABAA受体,分离出mEPSCs。给予100μM腺苷明显抑制mEPSCs频率(对照的55±9 %;n = 16;P < 0.001),却不影响mEPSCs的幅度(对照的98±6 %;n = 16;P = 0.33)。给予腺苷受体1拮抗剂DPCPX(3μM),腺苷对mEPSCs的抑制效应被阻断(n=10;P = 0.35),而腺苷受体2拮抗剂DMPX(10μM)无影响(n=6;P < 0.001)。提示,腺苷诱发的自发性谷氨酸释放减少是由突触前A1受体介导的。
(3)腺苷抑制自发性GABA释放到星形神经元
在灌流ACSF中加入1μM河豚毒素、10μM CNQX和50μM AP-V阻断离子通道型谷氨酸受体,分离出mIPSCs。100μM腺苷增加mIPSCs事件间的时间间隔,但不影响mIPSCs的幅度累积曲线,即频率降低到对照的51±6 % (n = 16;P < 0.001),平均幅度没有改变(对照的98±4 %,n = 16; P = 0.07)。给予3μM DPCPX,腺苷不影响mIPSCs活动(n = 6; P = 0.47)。但在10μM DMPX存在的情况下,腺苷降低mIPSCs的频率到53±11 % (n = 10; P < 0.001),提示,腺苷诱发的自发性GABA释放减少也是通过突触前A1受体介导的。
(4)电压门控Ca2+通道和胞外Ca2+介导腺苷抑制突触传递的效应
灌流液中加入电压门控钙通道(VDCCs)阻断剂Cd2+ (100μM),能明显降低所记录神经元的mEPSCs和mIPSCs的频率至对照的44±11 % (n = 8;P< 0.001)和56±11 % (n = 7;P < 0.001)。用Cd2+处理至少5 min后,给与100μM腺苷,不能降低mEPSCs (n = 8;P = 0.30)和mIPSCs (n = 7;P= 0.20)的频率。胞外无Ca2+也能明显降低基础mEPSCs和mIPSCs的频率至对照45±19 % (n = 8;P < 0.001)和51±15 % (n = 9;P < 0.001)。且,加入腺苷也不能明显改变mEPSCs (n = 8;P = 0.13)和mIPSCs (n = 9;P = 0.38)的频率。上述结果说明,腺苷A1受体介导的抑制自发性谷氨酸和GABA释放与胞外Ca2+通过VDCCs内流有关。
综上所述,本http://www.everbeenmagnet.com/en/products/110-sintered-neodymium-magnets研究结果表明,连续体力作业和睡眠剥夺可以使人脑认知功能下降。睡眠剥夺前后,数字记忆编码、维持和提取过程中脑区激活发生差异变化。内源性促睡眠因子--腺苷通过直接抑制HCN通道电流而降低内嗅皮层星形神经元兴奋性;或间接与突触前A1受体结合,抑制电压门控钙通道钙内流,降低兴奋性谷氨酸能和抑制性GABA能突触活动的传入。
学位年度:2010
阳离子配体修饰的纳米金用于细胞转运和微囊自组装研究
题名:阳离子配体修饰的纳米金用于细胞转运和微囊自组装研究
作者:杨小超
学位授予单位:重庆大学
关键词:纳米金;;微囊;;自组装;;细胞;;转运
摘要:
纳米金(AuNPs)具有独特的物理和化学性质,其物理性质主要表现为表面等离子体共振吸收、增强磁共振、表面增强拉曼散射以及荧光增强和淬Neodymium Magnets灭;其化学性质主要包括抗氧化性、生物惰性、低细胞毒性以及容易通过Au–S共价结合含有巯基的配体。用含有巯基的功能性配体对AuNPs进行表面修饰,可以整合AuNNeodymium MagnetsPs的物理和化学性质以及修饰配体的特殊功能,赋予AuNPs全新的化学和生物功能,使其能够应用于生物转运、生物传感、生物成像和疾病治疗等研究领域。本文设计并合成了多种含有巯基的阳离子配体,通过配体交换法用这些阳离子配体对AuNPs进行表面修饰,制备了多种表面带有正电荷且具有特殊化学和生物功能的AuNPs,利用这些AuNPs的化学和生物功能,将其分别应用于细胞转运和微囊自组装研究。
①阳离子多肽配体修饰的AuNPs用于基因转运研究。用多肽的固相合成法制备了四种阳离子短链多肽RRR、KKK、KRK和HKRK,将其连接到巯基化合物上后分别用于AuNPs的表面修饰,得到表面带有正电荷的RRR–AuNPs、KKK–AuNPs、KRK–AuNPs和HKRK–AuNPs,其中RRR–AuNPs在水溶液中分散性差,其它三种纳米粒子可以稳定的分散于水溶液中。将三种在水溶液中具有良好分散性的AuNPs作为基因转运载体,以β–半乳糖苷酶(β–gal)作为报告基因,293T细胞作为靶细胞进行基因转运研究。结果发现:三种AuNPs均能将质粒DNA转运至293T细胞内,并能使报告基因在细胞内成功表达,其基因转运效率依次为HKRK–AuNPs>KRK–AuNPs>KKK–AuNPs;细胞毒性分析实验结果显示,KKK–AuNPs具有微弱的细胞毒性,HKRK–AuNPs和KRK–AuNPs无明显细胞毒性;透射电镜(TEM)分析结果表明AuNPs转运载体进入细胞的通道为细胞内吞。
②阳离子多肽配体修饰的AuNPs用于酶的细胞转运研究。HKRK–AuNPs在基因转运中表现出了细胞转染率高和细胞毒性低的特点,为深入研究HKRK–AuNPs的细胞转运功能,将其作为蛋白酶β–gal的转运载体,以HeLa、COS–1、C2C12和MCF7四种细胞作为靶细胞进行酶的细胞转运研究。结果发现:HKRK–AuNPs可通过静电吸附同β–gal结合,两者结合后β–gal的二级结构不会发生明显改变;HKRK–AuNPs可通过细胞内吞的方式将β–gal转运至细胞内,并且该纳米粒子具有将β–gal从细胞内吞过程中形成的内涵体中释放到细胞内的功能,被转运的β–gal在细胞内能保持其原有的生物活性;阿尔马蓝细胞活性分析法、台盼蓝排除法和钙黄绿素细胞活性分析法所得实验结果均显示,HKRK–AuNPs在实验条件下无细胞毒性,是一种优良的细胞转运载体。
③阳离子季胺(TTMA)配体修饰的AuNPs辅助酶自组装催化微囊。将酶固定在比表面积大的球形载体上可提高酶的固定率和利用率,O/W乳滴是酶固定化的一种理想载体,但由于缺乏强烈的相互作用力,酶不能直接吸附在乳滴表面。用TTMA配体对AuNPs进行表面修饰,得到表面带有正电荷的TTMA–AuNPs,将其同带负电荷的β–gal通过静电吸附结合形成TTMA–AuNPs/β–gal复合物,用该复合物进行O/W乳滴界面的自组装研究。结果发现:单独的TTMA–AuNPs或β–gal不能在乳滴界面进行自组装,但TTMA–AuNPs/β–gal复合物却可以在乳滴界面自组装形成稳定的微囊;比较TTMA–AuNPs、β–gal和TTMA–AuNPs/β–gal复合物的表面电荷密度后发现,TTMA–AuNPs和β–gal的表面电荷密度远远高于TTMA–AuNPs/β–gal复合物,电荷密度降低是TTMA–AuNPs/β–gal复合物在乳滴界面发生自组装的主要驱动力;这种新型的自组装方法可将溶液中99%以上的β–gal固定到乳滴表面,并且β–gal固定到乳滴表面后其生物活性可保留76%。
④阳离子精氨酸(Arg)配体修饰的AuNPs用于载药纳囊自组装研究。以纳米粒子作为囊壁的微囊在药物转运研究领域有潜在应用价值,但目前的方法只能自组装粒径在1~50μm左右的微囊,较大的尺寸限制了该类型微囊在细胞转运中的应用。纳米级微囊(纳囊)自组装困难的主要原因是纳米粒子难以克服纳米级乳滴的界面能和拉普拉斯压力差,针对该技术难点,本文设计了一种全新的纳囊自组装方法:首先用阳离子Arg配体对AuNPs进行修饰,得到表面带有正电荷的Arg–AuNPs,并用亚油酸作为油相制备纳米级O/W乳滴模板;然后将两者在溶液中混合进行自组装,Arg–AuNPs表面http://www.everbeenmagnet.com/en/products/110-sintered-neodymium-magnets的精氨酸与亚油酸末端的羧基之间形成强烈的氢键相互作用,这种超分子作用使纳米粒子能够克服乳滴的界面能和拉普拉斯压力差,将纳米粒子组装到乳滴表面形成稳定的纳囊;最后用带负电荷的转铁蛋白对乳滴表面带正电荷的Arg–AuNPs进行交联,以进一步提高纳囊的稳定性。实验结果发现:Arg–AuNPs在亚油酸乳滴模板界面自组装释放出大量界面能,将纳米粒子牢固的吸附在乳滴表面;TEM和动态光散射(DLS)分析结果显示,这种基于超分子作用的方法可自组装粒径在~100 nm左右的纳囊;将自组装得到的纳囊用于抗癌药物紫杉醇在HeLa细胞中的转运研究,结果发现,在实验条件下纳囊自身无细胞毒性,但封装有紫杉醇的纳囊表现出强烈的细胞毒性,表明该纳囊是一种优良的药物转运载体。
学位年度:2010
作者:杨小超
学位授予单位:重庆大学
关键词:纳米金;;微囊;;自组装;;细胞;;转运
摘要:
纳米金(AuNPs)具有独特的物理和化学性质,其物理性质主要表现为表面等离子体共振吸收、增强磁共振、表面增强拉曼散射以及荧光增强和淬Neodymium Magnets灭;其化学性质主要包括抗氧化性、生物惰性、低细胞毒性以及容易通过Au–S共价结合含有巯基的配体。用含有巯基的功能性配体对AuNPs进行表面修饰,可以整合AuNNeodymium MagnetsPs的物理和化学性质以及修饰配体的特殊功能,赋予AuNPs全新的化学和生物功能,使其能够应用于生物转运、生物传感、生物成像和疾病治疗等研究领域。本文设计并合成了多种含有巯基的阳离子配体,通过配体交换法用这些阳离子配体对AuNPs进行表面修饰,制备了多种表面带有正电荷且具有特殊化学和生物功能的AuNPs,利用这些AuNPs的化学和生物功能,将其分别应用于细胞转运和微囊自组装研究。
①阳离子多肽配体修饰的AuNPs用于基因转运研究。用多肽的固相合成法制备了四种阳离子短链多肽RRR、KKK、KRK和HKRK,将其连接到巯基化合物上后分别用于AuNPs的表面修饰,得到表面带有正电荷的RRR–AuNPs、KKK–AuNPs、KRK–AuNPs和HKRK–AuNPs,其中RRR–AuNPs在水溶液中分散性差,其它三种纳米粒子可以稳定的分散于水溶液中。将三种在水溶液中具有良好分散性的AuNPs作为基因转运载体,以β–半乳糖苷酶(β–gal)作为报告基因,293T细胞作为靶细胞进行基因转运研究。结果发现:三种AuNPs均能将质粒DNA转运至293T细胞内,并能使报告基因在细胞内成功表达,其基因转运效率依次为HKRK–AuNPs>KRK–AuNPs>KKK–AuNPs;细胞毒性分析实验结果显示,KKK–AuNPs具有微弱的细胞毒性,HKRK–AuNPs和KRK–AuNPs无明显细胞毒性;透射电镜(TEM)分析结果表明AuNPs转运载体进入细胞的通道为细胞内吞。
②阳离子多肽配体修饰的AuNPs用于酶的细胞转运研究。HKRK–AuNPs在基因转运中表现出了细胞转染率高和细胞毒性低的特点,为深入研究HKRK–AuNPs的细胞转运功能,将其作为蛋白酶β–gal的转运载体,以HeLa、COS–1、C2C12和MCF7四种细胞作为靶细胞进行酶的细胞转运研究。结果发现:HKRK–AuNPs可通过静电吸附同β–gal结合,两者结合后β–gal的二级结构不会发生明显改变;HKRK–AuNPs可通过细胞内吞的方式将β–gal转运至细胞内,并且该纳米粒子具有将β–gal从细胞内吞过程中形成的内涵体中释放到细胞内的功能,被转运的β–gal在细胞内能保持其原有的生物活性;阿尔马蓝细胞活性分析法、台盼蓝排除法和钙黄绿素细胞活性分析法所得实验结果均显示,HKRK–AuNPs在实验条件下无细胞毒性,是一种优良的细胞转运载体。
③阳离子季胺(TTMA)配体修饰的AuNPs辅助酶自组装催化微囊。将酶固定在比表面积大的球形载体上可提高酶的固定率和利用率,O/W乳滴是酶固定化的一种理想载体,但由于缺乏强烈的相互作用力,酶不能直接吸附在乳滴表面。用TTMA配体对AuNPs进行表面修饰,得到表面带有正电荷的TTMA–AuNPs,将其同带负电荷的β–gal通过静电吸附结合形成TTMA–AuNPs/β–gal复合物,用该复合物进行O/W乳滴界面的自组装研究。结果发现:单独的TTMA–AuNPs或β–gal不能在乳滴界面进行自组装,但TTMA–AuNPs/β–gal复合物却可以在乳滴界面自组装形成稳定的微囊;比较TTMA–AuNPs、β–gal和TTMA–AuNPs/β–gal复合物的表面电荷密度后发现,TTMA–AuNPs和β–gal的表面电荷密度远远高于TTMA–AuNPs/β–gal复合物,电荷密度降低是TTMA–AuNPs/β–gal复合物在乳滴界面发生自组装的主要驱动力;这种新型的自组装方法可将溶液中99%以上的β–gal固定到乳滴表面,并且β–gal固定到乳滴表面后其生物活性可保留76%。
④阳离子精氨酸(Arg)配体修饰的AuNPs用于载药纳囊自组装研究。以纳米粒子作为囊壁的微囊在药物转运研究领域有潜在应用价值,但目前的方法只能自组装粒径在1~50μm左右的微囊,较大的尺寸限制了该类型微囊在细胞转运中的应用。纳米级微囊(纳囊)自组装困难的主要原因是纳米粒子难以克服纳米级乳滴的界面能和拉普拉斯压力差,针对该技术难点,本文设计了一种全新的纳囊自组装方法:首先用阳离子Arg配体对AuNPs进行修饰,得到表面带有正电荷的Arg–AuNPs,并用亚油酸作为油相制备纳米级O/W乳滴模板;然后将两者在溶液中混合进行自组装,Arg–AuNPs表面http://www.everbeenmagnet.com/en/products/110-sintered-neodymium-magnets的精氨酸与亚油酸末端的羧基之间形成强烈的氢键相互作用,这种超分子作用使纳米粒子能够克服乳滴的界面能和拉普拉斯压力差,将纳米粒子组装到乳滴表面形成稳定的纳囊;最后用带负电荷的转铁蛋白对乳滴表面带正电荷的Arg–AuNPs进行交联,以进一步提高纳囊的稳定性。实验结果发现:Arg–AuNPs在亚油酸乳滴模板界面自组装释放出大量界面能,将纳米粒子牢固的吸附在乳滴表面;TEM和动态光散射(DLS)分析结果显示,这种基于超分子作用的方法可自组装粒径在~100 nm左右的纳囊;将自组装得到的纳囊用于抗癌药物紫杉醇在HeLa细胞中的转运研究,结果发现,在实验条件下纳囊自身无细胞毒性,但封装有紫杉醇的纳囊表现出强烈的细胞毒性,表明该纳囊是一种优良的药物转运载体。
学位年度:2010
胚胎干细胞或胚胎样干细胞向血管细胞的分化及调控机制研究
题名:胚胎干细胞或胚胎样干细胞向血管细胞的分化及调控机制研究
作者:孙璇
学位授予单位:中南大学
关键词:内皮细胞;;平滑肌细胞;;胚胎干细胞;;iPS细胞;;分化;;转录因子;;锌指蛋白297B
摘要:
血管系统是人类最大,分布最广的系统。血管细胞主要包括内皮细胞和平滑肌细胞。血管细胞的功能异常可以导致动脉粥Neodymium Magnets样硬化,心肌梗塞,脑中风等血管疾病。
胚胎干细胞来源于囊胚内细胞团,是具有无限增殖能力和向各胚层细胞分化能力的全能干细胞。胚胎干细胞向内皮细胞或平滑肌细胞分化的研究对血管细胞的发育生物学,心血管药物的筛选,并可望为细胞移植治疗提供细胞来源。本研究论文主要进行小鼠和人类的胚胎干细胞(ESCs)及胚胎干细胞样细胞(iPS细胞)向内皮细胞(ECs)和平滑肌细胞(SMCs)分化的体系构建及相关机制研究,包括以下五个方面：1、小鼠骨髓内皮细胞条件培养液对小鼠胚胎干细胞向内皮细胞分化的诱导作用；2、人类胚胎干细胞来源的内皮样细胞与脐血来源的内皮祖细胞和脐静脉内皮细胞的比较；3、iPS细胞向内皮细胞及平滑肌细胞的分化；4、平滑肌细胞分化过程中促进分化的转录因子的筛选及调控机制的初步研究；5、锌指蛋白297B协同Myocardin调节平滑肌细胞的分化。
第一章小鼠骨髓内皮细胞条件培养液促进鼠胚胎干细胞向内皮细胞的诱导分化
目的：小鼠骨髓内皮细胞的条件培养液在以前的实验中被证明能促进造血细胞的增殖及分化,促进骨髓内皮细胞的生长。本实验研究内皮细胞条件培养基(mEC-CM)对小鼠胚胎干细胞向内皮细胞分化的促进作用及分化的内皮细胞的纯化。
方法：在这个研究中,我们用mEC-CM诱导mESCs向内皮细胞前体细胞Flkl+细胞分化,并将诱导分化的效率同细胞因子(VEGF,EGF,bFGF和IGF-1)诱导的效率相比较。我们还从分化的mESCs中机械挑选了吞噬DiI-Ac-LDL的鹅卵石样细胞,分析其生物学特性。
结果：mEC-CM能明显促进mESCs向Flkl+细胞的分化,其效率与细胞因子的诱导相似,mEC-CM与细胞因子组合没有协同诱导作用。mEC-CM的诱导结合机械挑选DiI-Ac-LDL标记阳性的鹅卵石样细胞的方法,能纯化分化的内皮样细胞,表达内皮细胞标志,结合UEA1,并能在体外形成血管样结构。
结论：mEC-CM能诱导mESCs向内皮细胞的分化。机械挑选DiI-Ac-LDL标记阳性的鹅卵石样细胞的方法能纯化mESCs分化的内皮样细胞。
第二章胚胎干细胞来源的内皮细胞的诱导分化及其与人脐静脉内皮细胞和脐血内皮祖细胞的比较
目的：从人类胚胎干细胞分化系统中分选出内皮前体细胞(KDR+细胞),研究其特性,并与脐血来源的内皮祖细胞和脐静脉内皮细胞进行比较。
方法：用本研究所建立的人类胚胎干细胞株chESC-1, chESC-3, chESC-8, chESC-20和chESC-22,自发分化成9天的拟胚体,磁珠分选出KDR+细胞,在内皮细胞培养基培养后,检测其内皮细胞标志的表达,生长特性,及其内皮细胞功能,并与脐血内皮祖细胞和脐静脉内皮细胞进行比较。
结果：从9天EBs中分选出KDR+细胞在内皮细胞培养基中培养后,与成体内皮细胞相比较,胚胎干细胞来源的KDR+细胞表达更多的内皮祖细胞标志如CD133,CD34,不表达成熟内皮细胞标志vWF,能结合UEA1,吞噬DiI-Ac-LDL,并能在matrigel上形成血管样结构。在体外培养过程中,KDR+细胞的祖细胞标志逐渐减少,出现成熟内皮细胞标志。
结论：人胚胎干细胞株能向内皮细胞分化,分选得到的KDR+细胞在内皮细胞培养条件下与成体内皮细胞比较显示其内皮祖细胞特性,并能在体外培养中向成熟内皮细胞分化。
第三章iPS细胞向内皮细胞和平滑肌细胞的诱导分化
目的：成纤维细胞转染Oct4, c-Myc, Sox2和Klf4四种因子得到的诱导的多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPS)是一种胚胎干细胞样细胞,能无限增殖并具有多向分化潜能,较之胚胎干细胞,iPS细胞避免了伦理问题,且能建立患者特异性的细胞株,具有很高的临床应用价值。本研究探讨小鼠iPS细胞向血管细胞(内皮细胞和平滑肌细胞)分化的能力。
方法：采用单层贴壁诱导及流式细胞术进行Flkl+细胞分化与分选,进而与OP9基质细胞共培养,并用VE-cadherin为标志纯化内皮细胞(09-EC)；用高剂量反式视黄酸(RA)诱导iPS向平滑肌细胞分化。检测分化细胞的基因表达,免疫标记和细胞功能,与普通小鼠胚胎干细胞的分化效率相比较。
结果：小鼠iPS细胞可以http://www.everbeenmagnet.com/en/products/110-sintered-neodymium-magnets向内皮细胞和平滑肌细胞分化,分化效率与普通小鼠胚胎干细胞相似。分化的内皮细胞能表达CD31,CD144等表面标志,吞噬DiI-Ac-LDL,并能在matrigel上形成血管。分化的平滑肌细胞能表达SMAa, SMMHC等标志,在碳酰胆碱刺激下有收缩功能。分化过程中内皮或平滑肌细胞特异性基因表达上调,而Oct4、Sox2、Klf4和c-Myc这四种诱导iPS细胞形成的转录因子的表达显著下调。
结论：小鼠iPS细胞能向内皮细胞和平滑肌细胞诱导分化,其分化潜能与小鼠胚胎干细胞相似。
第四章平滑肌细胞重要调节因子Myocardin的协同转录因子的筛选
目的：平滑肌细胞的增殖分化与血管内膜增生,冠状动脉狭窄等血管病理密切相关,Myocardin是平滑肌分化过程中不可缺少的一个协同转录因子,本实验希望通过筛选与Myocardin结合的蛋白,找到在平滑肌分化过程中新的重要的转录因子或协同转录因子,研究其在平滑肌分化过程中的功能及所属信号通路,进而更深入了解平滑肌分化的分子机制。
方法：用荧光素酶活性实验筛选1170个转录因子中能上调Myocardin表达的转录因子,并用免疫共沉淀等方法进一步确认候选因子与Myocardin蛋白水平的物理结合,通过生物信息学分析等方法筛选出候选因子,在小鼠胚胎干细胞向平滑肌细胞分化模型中确定其在平滑肌细胞分化中的调节作用。
结果：我们从1170个转录因子中筛选出ZNF297B,RAI14和MAGED1等转录因子,确定其在平滑肌中高表达,在平滑肌分化过程中上调,并能与Myocardin直接结合,其过表达能促进平滑肌分化基因的表达。
结论：ZNF297B,RAI14和MAGED1等转录因子可能是调节平滑肌分化的重要转录因子。
第五章锌指蛋白297B协同Myocardin调节平滑肌细胞的分化
目的：探讨锌指蛋白297B(ZNF297B)在平滑肌细胞分化过程中的表达及相关机制。
方法：用定量实时PCR检测ZNF297B在人,大鼠,小鼠平滑肌细胞中体内／体外的表达量及在平滑肌细胞体内和体外分化或增殖过程中的表达变化；构建ZNF297B-Myc表达质粒,免疫荧光检测ZNF297B-Myc在大鼠平滑肌细胞中的表达分布；用荧光素酶活性检测及免疫共沉淀实验检测ZNF297B与Myocardin的结合及相互作用。
结果：ZNF297B在平滑肌细胞中特异性高表达,在小鼠胚胎干细胞向平滑肌细胞分化过程中表达上调,在PDGFBB刺激的平滑肌细胞增殖过程中下调,在大鼠颈动脉球囊损伤内膜修复过程中表达先上调后下降。ZNF297B主要分布于细胞核及核周的细胞质。ZNF297B能与Myocardin蛋白结合,荧光素酶活性检测显示ZNF297B的表达受Myocardin的调控。
结论：ZNF297B可能在平滑肌细胞分化过程中起到重要正向调控作用,这一作用很可能是通过ZNF297B与Myocardin的协同作用来完成。
学位年度:2010
作者:孙璇
学位授予单位:中南大学
关键词:内皮细胞;;平滑肌细胞;;胚胎干细胞;;iPS细胞;;分化;;转录因子;;锌指蛋白297B
摘要:
血管系统是人类最大,分布最广的系统。血管细胞主要包括内皮细胞和平滑肌细胞。血管细胞的功能异常可以导致动脉粥Neodymium Magnets样硬化,心肌梗塞,脑中风等血管疾病。
胚胎干细胞来源于囊胚内细胞团,是具有无限增殖能力和向各胚层细胞分化能力的全能干细胞。胚胎干细胞向内皮细胞或平滑肌细胞分化的研究对血管细胞的发育生物学,心血管药物的筛选,并可望为细胞移植治疗提供细胞来源。本研究论文主要进行小鼠和人类的胚胎干细胞(ESCs)及胚胎干细胞样细胞(iPS细胞)向内皮细胞(ECs)和平滑肌细胞(SMCs)分化的体系构建及相关机制研究,包括以下五个方面：1、小鼠骨髓内皮细胞条件培养液对小鼠胚胎干细胞向内皮细胞分化的诱导作用；2、人类胚胎干细胞来源的内皮样细胞与脐血来源的内皮祖细胞和脐静脉内皮细胞的比较；3、iPS细胞向内皮细胞及平滑肌细胞的分化；4、平滑肌细胞分化过程中促进分化的转录因子的筛选及调控机制的初步研究；5、锌指蛋白297B协同Myocardin调节平滑肌细胞的分化。
第一章小鼠骨髓内皮细胞条件培养液促进鼠胚胎干细胞向内皮细胞的诱导分化
目的：小鼠骨髓内皮细胞的条件培养液在以前的实验中被证明能促进造血细胞的增殖及分化,促进骨髓内皮细胞的生长。本实验研究内皮细胞条件培养基(mEC-CM)对小鼠胚胎干细胞向内皮细胞分化的促进作用及分化的内皮细胞的纯化。
方法：在这个研究中,我们用mEC-CM诱导mESCs向内皮细胞前体细胞Flkl+细胞分化,并将诱导分化的效率同细胞因子(VEGF,EGF,bFGF和IGF-1)诱导的效率相比较。我们还从分化的mESCs中机械挑选了吞噬DiI-Ac-LDL的鹅卵石样细胞,分析其生物学特性。
结果：mEC-CM能明显促进mESCs向Flkl+细胞的分化,其效率与细胞因子的诱导相似,mEC-CM与细胞因子组合没有协同诱导作用。mEC-CM的诱导结合机械挑选DiI-Ac-LDL标记阳性的鹅卵石样细胞的方法,能纯化分化的内皮样细胞,表达内皮细胞标志,结合UEA1,并能在体外形成血管样结构。
结论：mEC-CM能诱导mESCs向内皮细胞的分化。机械挑选DiI-Ac-LDL标记阳性的鹅卵石样细胞的方法能纯化mESCs分化的内皮样细胞。
第二章胚胎干细胞来源的内皮细胞的诱导分化及其与人脐静脉内皮细胞和脐血内皮祖细胞的比较
目的：从人类胚胎干细胞分化系统中分选出内皮前体细胞(KDR+细胞),研究其特性,并与脐血来源的内皮祖细胞和脐静脉内皮细胞进行比较。
方法：用本研究所建立的人类胚胎干细胞株chESC-1, chESC-3, chESC-8, chESC-20和chESC-22,自发分化成9天的拟胚体,磁珠分选出KDR+细胞,在内皮细胞培养基培养后,检测其内皮细胞标志的表达,生长特性,及其内皮细胞功能,并与脐血内皮祖细胞和脐静脉内皮细胞进行比较。
结果：从9天EBs中分选出KDR+细胞在内皮细胞培养基中培养后,与成体内皮细胞相比较,胚胎干细胞来源的KDR+细胞表达更多的内皮祖细胞标志如CD133,CD34,不表达成熟内皮细胞标志vWF,能结合UEA1,吞噬DiI-Ac-LDL,并能在matrigel上形成血管样结构。在体外培养过程中,KDR+细胞的祖细胞标志逐渐减少,出现成熟内皮细胞标志。
结论：人胚胎干细胞株能向内皮细胞分化,分选得到的KDR+细胞在内皮细胞培养条件下与成体内皮细胞比较显示其内皮祖细胞特性,并能在体外培养中向成熟内皮细胞分化。
第三章iPS细胞向内皮细胞和平滑肌细胞的诱导分化
目的：成纤维细胞转染Oct4, c-Myc, Sox2和Klf4四种因子得到的诱导的多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPS)是一种胚胎干细胞样细胞,能无限增殖并具有多向分化潜能,较之胚胎干细胞,iPS细胞避免了伦理问题,且能建立患者特异性的细胞株,具有很高的临床应用价值。本研究探讨小鼠iPS细胞向血管细胞(内皮细胞和平滑肌细胞)分化的能力。
方法：采用单层贴壁诱导及流式细胞术进行Flkl+细胞分化与分选,进而与OP9基质细胞共培养,并用VE-cadherin为标志纯化内皮细胞(09-EC)；用高剂量反式视黄酸(RA)诱导iPS向平滑肌细胞分化。检测分化细胞的基因表达,免疫标记和细胞功能,与普通小鼠胚胎干细胞的分化效率相比较。
结果：小鼠iPS细胞可以http://www.everbeenmagnet.com/en/products/110-sintered-neodymium-magnets向内皮细胞和平滑肌细胞分化,分化效率与普通小鼠胚胎干细胞相似。分化的内皮细胞能表达CD31,CD144等表面标志,吞噬DiI-Ac-LDL,并能在matrigel上形成血管。分化的平滑肌细胞能表达SMAa, SMMHC等标志,在碳酰胆碱刺激下有收缩功能。分化过程中内皮或平滑肌细胞特异性基因表达上调,而Oct4、Sox2、Klf4和c-Myc这四种诱导iPS细胞形成的转录因子的表达显著下调。
结论：小鼠iPS细胞能向内皮细胞和平滑肌细胞诱导分化,其分化潜能与小鼠胚胎干细胞相似。
第四章平滑肌细胞重要调节因子Myocardin的协同转录因子的筛选
目的：平滑肌细胞的增殖分化与血管内膜增生,冠状动脉狭窄等血管病理密切相关,Myocardin是平滑肌分化过程中不可缺少的一个协同转录因子,本实验希望通过筛选与Myocardin结合的蛋白,找到在平滑肌分化过程中新的重要的转录因子或协同转录因子,研究其在平滑肌分化过程中的功能及所属信号通路,进而更深入了解平滑肌分化的分子机制。
方法：用荧光素酶活性实验筛选1170个转录因子中能上调Myocardin表达的转录因子,并用免疫共沉淀等方法进一步确认候选因子与Myocardin蛋白水平的物理结合,通过生物信息学分析等方法筛选出候选因子,在小鼠胚胎干细胞向平滑肌细胞分化模型中确定其在平滑肌细胞分化中的调节作用。
结果：我们从1170个转录因子中筛选出ZNF297B,RAI14和MAGED1等转录因子,确定其在平滑肌中高表达,在平滑肌分化过程中上调,并能与Myocardin直接结合,其过表达能促进平滑肌分化基因的表达。
结论：ZNF297B,RAI14和MAGED1等转录因子可能是调节平滑肌分化的重要转录因子。
第五章锌指蛋白297B协同Myocardin调节平滑肌细胞的分化
目的：探讨锌指蛋白297B(ZNF297B)在平滑肌细胞分化过程中的表达及相关机制。
方法：用定量实时PCR检测ZNF297B在人,大鼠,小鼠平滑肌细胞中体内／体外的表达量及在平滑肌细胞体内和体外分化或增殖过程中的表达变化；构建ZNF297B-Myc表达质粒,免疫荧光检测ZNF297B-Myc在大鼠平滑肌细胞中的表达分布；用荧光素酶活性检测及免疫共沉淀实验检测ZNF297B与Myocardin的结合及相互作用。
结果：ZNF297B在平滑肌细胞中特异性高表达,在小鼠胚胎干细胞向平滑肌细胞分化过程中表达上调,在PDGFBB刺激的平滑肌细胞增殖过程中下调,在大鼠颈动脉球囊损伤内膜修复过程中表达先上调后下降。ZNF297B主要分布于细胞核及核周的细胞质。ZNF297B能与Myocardin蛋白结合,荧光素酶活性检测显示ZNF297B的表达受Myocardin的调控。
结论：ZNF297B可能在平滑肌细胞分化过程中起到重要正向调控作用,这一作用很可能是通过ZNF297B与Myocardin的协同作用来完成。
学位年度:2010
人脐血源基质细胞对MHC半相合造血干细胞移植小鼠GVHD调节作用的研究
题名:人脐血源基质细胞对MHC半相合造血干细胞移植小鼠GVHD调节作用的研究
作者:郝磊
学位授予单位:第三军医大学
关键词:脐带血;;基质细胞;;HLA半相合造血干细胞移植;;移植物抗宿主病;;免疫调节
摘要:
异基因造血干细胞移植(Allogeneic Hematopoietic Stem Cell Transplantation,Allo-HSCT)是目前治疗恶性血液病的有效方法。HLA(Human Leucocyte Antigen)相合的亲缘相关或无关供者是Allo-HSCT最合适的供者。然而仅有25%～30%的患者能找到HLA相合的亲缘供者;在无亲缘关系人群中找到HLA相合供者的概率是1/5万~1/10万,甚至更低。90%以上的患者能够找到HLA半相合的亲属(父母、子女、兄弟姐妹或堂表亲)供者neodymium magnets,若能顺利跨越HLA限制,可为更多需接受移植治疗而无相合供者的患者获得治愈的机会。然而HLA半相合移植患者发生移植物抗宿主病(Graft Versus Host Disease,GVHD)的几率大约为80%左右(1),GVHD是Allo-HSCT的主要并发症之一,是导致移植失败的重要原因。寻求安全有效的防治Allo-HSCT后GVHD的新措施成为临床关注的焦点。骨髓来源多能间充质基质细胞(multipotent mesenchymal stromal cells, MSC)主要生物学功能包括支持造血细胞的增殖、分化和成熟,同时也具有对免疫细胞的调节作用。大量动物模型和临床研究证实MSC对GVHD有一定的防治作用。但由于骨髓收集方法相对困难、MSC的多向分化潜能等均限制了其在临床的应用。本室采用CD34+细胞分选,结合Dexter培养分离出脐带血中另外一群非造血细胞:人脐血源基质细胞(hUCB-derived stromal cells,hUCBDSC),且已经证实其具备体外支持造血的能力(3)。推测hUCBDSC可能具有和MSC相似的对免疫细胞调节作用的特性。本研究在构建MHC(Major Histocompability Complex)半相合移植小鼠GVHD模型基础上,着眼于启动GVHD异源反应的两个重要因素T细胞和DC细胞,从体外和体内探讨hUCBDSC的免疫调节作用以及可能机制。
一、主要方法
(一)体外实验
1.采用6%明胶和1.077 g/L percoll分离液分离脐带血中的单个核细胞,磁珠分选CD34+细胞,含12.5%HS、12.5%FBS、10-6mol/L氢化可的松、10ng/mlSCF、10ng/ml bFGF的DMEM培养液培养hUCBDSC,37℃、5%CO2、饱和湿度恒温箱孵育。48h后全量换液,以后每周半量换液;待细胞融合度达到80%左右时,进行传代培养;
2.采用流式细胞仪检测原代分离培养和冻存复苏后hUCBDSC细胞表面免疫分子HLA-Ⅰ、Ⅱ类分子,CD80,CD86,CD40和CD40L的表达率;
3.采用70%percoll分离液和R&D systems公司的Mouse T cell Enrichment Columns进行小鼠脾脏T细胞的分选;
4.分离小鼠骨髓单个核细胞后,rmGM-CSF和LPS诱导BM-DC的分化和成熟;
5.将PHA或DC刺激的小鼠脾脏T细胞和不同浓度的hUCBDSC共培养, CCK-8检测细胞增殖情况;
6.PHA刺激条件下小鼠T细胞和hUCBDSC共培养后,流式细胞仪检测T细胞的周期、凋亡、CD4+CD25+Foxp3+调节性T细胞(CD4+Treg)以及Th1/Th2亚群的变化。
7.小鼠BM-DC和hUCBDSC共培养后,扫描电镜和透射电镜观察BM-DC形态和结构,流式细胞仪检测表面免疫分子MHC-Ⅱ、CD80、CD86的表达,CCK-8检测试剂盒检测其刺激异源T细胞增殖反应的能力。
(二)体内实验
1.受鼠C57BL/6×BALB/c F1接受750 cGy 60Coγ射线照射后4小时内经尾静脉注射供鼠C57BL/6来源的骨髓细胞BMC(1×107/只)、脾脏细胞SP(1×107/只),建立MHC半相合造血干细胞移植小鼠急性GVHD模型;
2.受鼠移植BMC和SP的同时或1w后输注hUCBDSC(1×107/只),观察小鼠生存时间、GVHD临床表现和靶器官组织病理变化;
3.细胞移植后1w、2w、3w和4w,流式细胞仪检测受鼠脾脏T细胞CD4+Treg、Th1/Th2亚群的比例和DC表面免疫分子MHC-II、CD80和CD86的表达。
二、主要结果
(一)体外实验
1.hUCBDSC组成性高表达HLA-Ⅰ(84.1±2.9%),几乎不表达HLA-Ⅱ(1.6±0.3%)类分子,共刺激分子CD80(0.8±0.1%),CD86(0.8±0.1%),CD40(0.6±0.1%)和CD40L(0.5±0.1%)。细胞冻存复苏不影响上述分子的表达;
2.hUCBDSC并不会引起小http://www.chinamagnets.biz/Neodymium/Ball-Neodymium-Magnets.php鼠T细胞的增殖,相反,以剂量依赖性方式抑制PHA或DC刺激的小鼠T细胞增殖;
3.在PHA刺激72h后,处于G1期的T细胞占62.1±3.7%,S期占35.6±2.7%。而当与hUCBDSC共培养时, 84.3±3.6%T细胞处于G1期,12.3±1.5%T细胞处于S期。两者比较有显著统计学意义(p<0.01);
4.PHA刺激单独培养的T细胞和与hUCBDSC共培养的T细胞中早期凋亡细胞的比例无明显差别(p>0.05);
5.和单独培养的T细胞比较,与hUCBDSC共培养的T细胞中CD4+Treg亚群所占的比例显著增高(1.2±0.3% vs 12.1±1.4%,p<0.01);
6.在PHA刺激时,T细胞单独培养或与hUCBDSC共培养5天后, Th1/Th2的比例分别为1.4±0.1%和0.7±0.1%,两者之间比较具有显著统计学意义(p<0.01);
7.当BM-DC和hUCBDSC共培养时,电镜观察其表面突起显著减少,细胞器也不丰富。表面免疫分子MHC-II、CD80和CD86的表达显著降低,且其刺激异源T细胞增殖的能力也显著降低。
(二)体内实验
1.受鼠C57BL/6×BALB/c F1接受750 cGy TBI后输注供鼠C57BL/6来源的BMC和SP后,通过对生存期、临床表现和组织病理的观察,证实成功构建了MHC半相合HSCT小鼠GVHD模型;
2.细胞移植后4h内或1w后输注hUCBDSC,小鼠长期生存率从20%分别提高到60%和40%,显著降低了小鼠GVHD临床评分和组织病理评分;
3.细胞移植后各时相点流式细胞仪分析受鼠脾脏T细胞亚群和DC的变化,输注hUCBDSC的受鼠脾脏CD4+Treg比例增高、Th1/Th2亚群比值降低、DC表面免疫分子MHC-II、CD80和CD86的表达降低。
三、结论
1.hUCBDSC体外具有低免疫源性的特点,可以抑制PHA或DC刺激的小鼠T淋巴细胞的增殖。可能的作用机制包括阻止T细胞从G1期进入S期,诱导CD4+Treg的产生,降低Th1/Th2亚群的比例和对BM-DC成熟的影响。
2.hUCBDSC可以延长MHC半相合造血干细胞移植后小鼠的生存期,减轻GVHD临床表现和靶器官组织病理变化,这可能与体内CD4+Treg的增多、Th1/Th2极化,以及不成熟DC的产生有关。
学位年度:2010neodymium magnets
作者:郝磊
学位授予单位:第三军医大学
关键词:脐带血;;基质细胞;;HLA半相合造血干细胞移植;;移植物抗宿主病;;免疫调节
摘要:
异基因造血干细胞移植(Allogeneic Hematopoietic Stem Cell Transplantation,Allo-HSCT)是目前治疗恶性血液病的有效方法。HLA(Human Leucocyte Antigen)相合的亲缘相关或无关供者是Allo-HSCT最合适的供者。然而仅有25%～30%的患者能找到HLA相合的亲缘供者;在无亲缘关系人群中找到HLA相合供者的概率是1/5万~1/10万,甚至更低。90%以上的患者能够找到HLA半相合的亲属(父母、子女、兄弟姐妹或堂表亲)供者neodymium magnets,若能顺利跨越HLA限制,可为更多需接受移植治疗而无相合供者的患者获得治愈的机会。然而HLA半相合移植患者发生移植物抗宿主病(Graft Versus Host Disease,GVHD)的几率大约为80%左右(1),GVHD是Allo-HSCT的主要并发症之一,是导致移植失败的重要原因。寻求安全有效的防治Allo-HSCT后GVHD的新措施成为临床关注的焦点。骨髓来源多能间充质基质细胞(multipotent mesenchymal stromal cells, MSC)主要生物学功能包括支持造血细胞的增殖、分化和成熟,同时也具有对免疫细胞的调节作用。大量动物模型和临床研究证实MSC对GVHD有一定的防治作用。但由于骨髓收集方法相对困难、MSC的多向分化潜能等均限制了其在临床的应用。本室采用CD34+细胞分选,结合Dexter培养分离出脐带血中另外一群非造血细胞:人脐血源基质细胞(hUCB-derived stromal cells,hUCBDSC),且已经证实其具备体外支持造血的能力(3)。推测hUCBDSC可能具有和MSC相似的对免疫细胞调节作用的特性。本研究在构建MHC(Major Histocompability Complex)半相合移植小鼠GVHD模型基础上,着眼于启动GVHD异源反应的两个重要因素T细胞和DC细胞,从体外和体内探讨hUCBDSC的免疫调节作用以及可能机制。
一、主要方法
(一)体外实验
1.采用6%明胶和1.077 g/L percoll分离液分离脐带血中的单个核细胞,磁珠分选CD34+细胞,含12.5%HS、12.5%FBS、10-6mol/L氢化可的松、10ng/mlSCF、10ng/ml bFGF的DMEM培养液培养hUCBDSC,37℃、5%CO2、饱和湿度恒温箱孵育。48h后全量换液,以后每周半量换液;待细胞融合度达到80%左右时,进行传代培养;
2.采用流式细胞仪检测原代分离培养和冻存复苏后hUCBDSC细胞表面免疫分子HLA-Ⅰ、Ⅱ类分子,CD80,CD86,CD40和CD40L的表达率;
3.采用70%percoll分离液和R&D systems公司的Mouse T cell Enrichment Columns进行小鼠脾脏T细胞的分选;
4.分离小鼠骨髓单个核细胞后,rmGM-CSF和LPS诱导BM-DC的分化和成熟;
5.将PHA或DC刺激的小鼠脾脏T细胞和不同浓度的hUCBDSC共培养, CCK-8检测细胞增殖情况;
6.PHA刺激条件下小鼠T细胞和hUCBDSC共培养后,流式细胞仪检测T细胞的周期、凋亡、CD4+CD25+Foxp3+调节性T细胞(CD4+Treg)以及Th1/Th2亚群的变化。
7.小鼠BM-DC和hUCBDSC共培养后,扫描电镜和透射电镜观察BM-DC形态和结构,流式细胞仪检测表面免疫分子MHC-Ⅱ、CD80、CD86的表达,CCK-8检测试剂盒检测其刺激异源T细胞增殖反应的能力。
(二)体内实验
1.受鼠C57BL/6×BALB/c F1接受750 cGy 60Coγ射线照射后4小时内经尾静脉注射供鼠C57BL/6来源的骨髓细胞BMC(1×107/只)、脾脏细胞SP(1×107/只),建立MHC半相合造血干细胞移植小鼠急性GVHD模型;
2.受鼠移植BMC和SP的同时或1w后输注hUCBDSC(1×107/只),观察小鼠生存时间、GVHD临床表现和靶器官组织病理变化;
3.细胞移植后1w、2w、3w和4w,流式细胞仪检测受鼠脾脏T细胞CD4+Treg、Th1/Th2亚群的比例和DC表面免疫分子MHC-II、CD80和CD86的表达。
二、主要结果
(一)体外实验
1.hUCBDSC组成性高表达HLA-Ⅰ(84.1±2.9%),几乎不表达HLA-Ⅱ(1.6±0.3%)类分子,共刺激分子CD80(0.8±0.1%),CD86(0.8±0.1%),CD40(0.6±0.1%)和CD40L(0.5±0.1%)。细胞冻存复苏不影响上述分子的表达;
2.hUCBDSC并不会引起小http://www.chinamagnets.biz/Neodymium/Ball-Neodymium-Magnets.php鼠T细胞的增殖,相反,以剂量依赖性方式抑制PHA或DC刺激的小鼠T细胞增殖;
3.在PHA刺激72h后,处于G1期的T细胞占62.1±3.7%,S期占35.6±2.7%。而当与hUCBDSC共培养时, 84.3±3.6%T细胞处于G1期,12.3±1.5%T细胞处于S期。两者比较有显著统计学意义(p<0.01);
4.PHA刺激单独培养的T细胞和与hUCBDSC共培养的T细胞中早期凋亡细胞的比例无明显差别(p>0.05);
5.和单独培养的T细胞比较,与hUCBDSC共培养的T细胞中CD4+Treg亚群所占的比例显著增高(1.2±0.3% vs 12.1±1.4%,p<0.01);
6.在PHA刺激时,T细胞单独培养或与hUCBDSC共培养5天后, Th1/Th2的比例分别为1.4±0.1%和0.7±0.1%,两者之间比较具有显著统计学意义(p<0.01);
7.当BM-DC和hUCBDSC共培养时,电镜观察其表面突起显著减少,细胞器也不丰富。表面免疫分子MHC-II、CD80和CD86的表达显著降低,且其刺激异源T细胞增殖的能力也显著降低。
(二)体内实验
1.受鼠C57BL/6×BALB/c F1接受750 cGy TBI后输注供鼠C57BL/6来源的BMC和SP后,通过对生存期、临床表现和组织病理的观察,证实成功构建了MHC半相合HSCT小鼠GVHD模型;
2.细胞移植后4h内或1w后输注hUCBDSC,小鼠长期生存率从20%分别提高到60%和40%,显著降低了小鼠GVHD临床评分和组织病理评分;
3.细胞移植后各时相点流式细胞仪分析受鼠脾脏T细胞亚群和DC的变化,输注hUCBDSC的受鼠脾脏CD4+Treg比例增高、Th1/Th2亚群比值降低、DC表面免疫分子MHC-II、CD80和CD86的表达降低。
三、结论
1.hUCBDSC体外具有低免疫源性的特点,可以抑制PHA或DC刺激的小鼠T淋巴细胞的增殖。可能的作用机制包括阻止T细胞从G1期进入S期,诱导CD4+Treg的产生,降低Th1/Th2亚群的比例和对BM-DC成熟的影响。
2.hUCBDSC可以延长MHC半相合造血干细胞移植后小鼠的生存期,减轻GVHD临床表现和靶器官组织病理变化,这可能与体内CD4+Treg的增多、Th1/Th2极化,以及不成熟DC的产生有关。
学位年度:2010neodymium magnets
64层CT阴性法胆胰管成像技术在婴儿胆道闭锁诊断中的应用研究
题名:64层CT阴性法胆胰管成像技术在婴儿胆道闭锁诊断中的应用研究
作者:刘鸿圣
学位授予单位:南方医科大学
关键词:胰胆管造影术;;体层摄影术;;X线计算机;;磁共振胆管成像;;婴儿;;胆道闭锁
摘要:
研究背景
胆道闭锁(biliary atresia,BA)是一种新生儿及婴儿期的少见畸形,是新生儿阻塞性黄疸最常见的病因,也是造成婴幼儿死亡的主要肝脏疾病。BA的治疗主要是早期手术,重建胆道,恢复胆流,促进预后,手术最佳时间为40～60天,60天内neodymium magnets手术生存率可达75%,而90天后接受治疗者生存率仅10%,未接受手术者,患者存活时间一般不超过一年,故早期诊断早期治疗关系到患儿的生存质量,意义重大。
如何早期准确诊断BA一直是广大儿科医生普遍关注和研究的课题,目前临床诊断BA的方法虽多,但均存在明显不足。主要包括：(1)B超：其诊断BA特异性尚可,敏感性不足。(2)经皮肝穿刺胆管造影或内镜下逆行胰胆管造影：要求苛刻,成功率低,临床已很少应用。(3)腹腔镜检查：虽能明确诊断但为创伤性手段。(4)肝穿刺病理组织学检查,创伤性检查对BA的早期鉴别诊断有一定意义。(5)动态持续十二指肠液检查,受引流技术限制。(6)单光子发射计算机断层扫描检查,特异性差,假阳性率高。(7)磁共振胆胰管成像显示婴幼儿胆道系能力弱,且婴幼儿难以配合检查,应用受限。(8)多层螺旋CT胰胆管成像包括胆道对比剂的CT胆道造影和非胆道对比剂的阴性法CT胰胆管成像(negative CT cholangiopancreatography,N-CTCP)。随着多层螺旋CT及64层CT的广泛应用,N-CTCP整体显示胆系能力强,图像质量达到甚至超过MRCP水平。
迄今为止,国内外尚未见采用N-CTCP诊断婴儿胆道闭锁的报道。本研究采用东芝64层螺旋CT对胆道闭锁婴儿行N-CTCP成像,充分发挥64层CT扫描速度极快、大范围的高分辨率各向同性成像及强大后处理等优势,并采用胆道容积重建(volume render, VR)、多平面重建(multiplanar reconstruction,MPR)及最小密度投影(minimum intension prejection,MinIP)等图像后处理,总结分析胆道闭锁的N-CTCP影像特点,N-CTCP诊断胆道闭锁的敏感性、特异性和准确性,探讨N-CTCP在胆道闭锁诊断中的应用价值。
第一部分64层CT阴性法胆胰管成像技术参数研究研究目的
优化婴儿采用Toshiba Aquilion 64层螺旋CT行N-CTCP检查,在合理使用低剂量的原则下获取优质图像的合理化技术参数。
材料与方法
1.研究对象
全部对象来自2008年11月至2009年3月来广州市妇女儿童医疗中心门诊或住院就诊者,包括临床确诊为非肝、胆疾病者、胆道扩张及疑诊胆道闭锁者共40例。对象随机分为2组,第1组为高清组,其中男13例,女7例,平均年龄63.84±36.053天；第2组为标准组,其中男9例,女11例,平均年龄64.30±32.916天。
2.仪器设备
采用Toshiba Aquilion 64层螺旋CT,东芝公司提供的vitrea2.0图像工作站。3.检查方法及参数
所有检查者检查前空腹3～4小时,检查前15～30min饮用约250ml清水,扫描前口服水合氯醛(0.5ml/kg体重)镇静。
采用自动管电流调节技术(ATCM),第一组采用Sure Exp 3D中"High Quality"(高清组)档次像质曝光成像,第二组采用Sure Exp 3D中"Standard"(标准组)档次像质曝光成像。两组扫描主要技术参数统一,扫描范围肝上缘至髂前上棘。所有对象行腹部CT平扫及动脉期、门脉期、平衡期增强扫描。4.后处理及分析
CT平扫及增强扫描各期容积数据传入vitrea2.0工作站后行多平面重建(MPR)。
3位资深放射医师根据盲法采用优劣3级评分法分别评价平扫与各期增强容积数据所生成MPR图像的质量。优为图像层次、对比度优良,胆管壁轮廓光滑、胆管假性缺损或狭窄少,1级分支之间辨认清晰；合格为图像层次、对比度合格,胆管壁轮廓光整,胆管假性缺损或狭窄较多,1级分支之间可分辨；劣为缺乏层次和对比度,胆管壁轮廓毛糙,假性缺损、狭窄明显,1级分支之间分辨不清。5.统计学处理：
所有统计学处理均采用SPSS 13.0软件完成,所有计量资料用均数±标准差表示,P<0.05认为有统计学意义。
运用卡方检验比较高清组及标准组研究对象的性别及疾病分布,运用Kruskal-Wallis H检验比较两组对象平扫及各期增强的图像质量,运用独立样本t检验比较两组对象的年龄及放射剂量。
结果
1、高清组和标准组病例间样本性别差异χ2=1.616,P>0.05,差异无统计学意义；二者疾病分布比较χ2=3.582,P=0.167>0.05,差异亦无统计学意义。
2、高清组扫描及标准扫描图像质量差别Z=-0.548,P=0.584>0.05,无统计学意义。高清组及标准组间各个扫描期图像质量有统计学差异(高清组χ2=61.297,P=0.000；标准组：χ2=40.497,P=0.000),高清组和标准组各期图像质量结果显示,门脉期图像质量优于其他各期。
3、高清组和标准组方差齐性条件下二者扫描剂量结果行两独立样本t检验,t=14.310,P=0.000<0.05,差异有统计学意义,标准组剂量低于高清组。
结论
1.按照Sure Exp 3D中"High Quality"(高清组)档次像质曝光成像组扫描与按照Sure Exp 3D中"Standard"(标准组)档次像质曝光成像组扫描图像质量无差别。
2.高清组和标准组各期图像质量结果显示,门脉期图像质量优于平扫、动脉期及平衡期。
3.高清组扫描放射剂量高于标准组,二者差异具有统计学意义。
4.婴儿N-CTCP检查采用自动管电流调节技术ACTM标准组扫描条件于门脉期扫描即可获取满意质量的图像。
第二部分正常婴儿64层CT的N-CTCP表现及正常值研究
研究目的：
采用合理化参数N-CTCP成像,评价正常婴儿的N-CTCP表现及其胆系显示能力,分别测量胆囊宽径、胆总管及左右肝管直径。
材料与方法：
1.研究对象
全部对象来自2009年4月至2009年12月来广州市妇女儿童医疗中心门诊或住院就诊,行腹部增强CT检查者,临床无阻塞性黄疸、无胆道梗阻、非胆道疾病或体检者共30例。
2.仪器设备
采用Toshiba Aquilion 64层螺旋CT,东芝公司提供的vitrea2.0图像工作站。
3.检查方法及参数
对象准备同第一部分,扫描参数采用自动管电流调节技术,Sure Exp3D"Standard"档次象质曝光成像,行CT平扫后于门脉期增强扫描。
4.后处理及分析
CT平扫及增强扫描各期容积数据传入vitrea2.0工作站后行MPR、VR及MinIP重建,评价正常婴儿的N-CTCP表现,分别测量胆囊宽径、左、右肝管及胆总管内径。
5.统计学处理：
所有统计学处理均采用SPSS 13.0软件完成,所有计量资料用均数±标准差表示,P<0.05认为有统计学意义。
采用VR、MINIP、MPR各种重建方法重建左右肝管及胆总管,采用卡方检验比较比较胆总管、左右肝管的显示率差异；采用单向方差分析比较左、右肝管及胆总管内径的差别。
结果：
30例正常婴儿全部肝脏大小正常,胆囊可见,宽径约为8.875±2.238mm,肝门区结构清晰,未见异常密度,门脉间隙未见增宽。部分婴儿肝外胆管及左、右肝管显示,主干边缘光整,无一例可见肝内胆管分支。左肝管内径、右肝管内径及胆总管内径分别为1.61±0.40mm、1.59±0.38mm及1.73±0.44mm。胆总管及左右肝管显示率比较,χ2=2.102,v=2,P=0.350,差异无统计学意义。
结论：
1.正常婴儿肝外胆管可不显示,显示者胆管主干连续,边缘光滑；
2.正常婴儿肝内胆管分支在各种(VR、MPR、MINIP)重建方法中均无法显示。
3.正常婴儿左、右肝管显示率与胆总管显示率无差别。
4.左右肝管、胆总管内径在N-CTCP上差异无统计学意义。
第三部分胆道闭锁婴儿64层CT阴性法胰胆管成像研究
研究目的：
评价胆道闭锁婴儿的N-CTCP影像表现,探讨其诊断价值。
材料与方法
1.研究对象
选择2009年4月至2009年12月来广州市妇女儿童医疗中心门诊或住院就诊,临床疑诊为胆道闭锁行腹部增强CT检查者共52例,其中男30例,女23例,平均年龄63.34±29.18天。其中32例经手术病理证http://www.chinamagnets.biz/Neodymium/Ball-Neodymium-Magnets.php实为胆道闭锁,20例临床确诊为婴儿肝炎综合征。
2.仪器设备
同第一部分。
3.检查方法及参数
对象准备及扫描方法、扫描参数同第二部分。
4.后处理及分析
CT平扫及增强扫描各期容积数据传入vitrea2.0工作站后分别行MinIP、VR、MPR重建。
5.统计学分析
所有统计学处理均采用SPSS 13.0软件完成,所有计量资料用均数±标准差表示,P<0.05认为有统计学意义。
采用One-Way ANOVA及LSD法比较BA组、IHS组及正常婴儿组的胆囊宽径大小,进一步绘制ROC曲线,确定阳性事件(BA)的胆囊宽径的最佳界点。采用卡方检验比较BA组及IHS组N-CTCP各种影像征象阳性率差异。比较胆道闭锁所见各种征象的敏感性、特异性及准确性。采用Mann-Whistney U检验比较胆道闭锁三角征、小胆囊、双边征三种征象在MPR、MinIP及VR三种重建方法中的显示率差异。
结果：
1.52例临床疑诊BA患儿,病理确诊32例为BA,临床确诊20例为婴儿肝炎综合征(IHS),其N-CTCP诊断结果与病理手术结果比较,κ=0.718,提示N-CTCP诊断结果与病理学结果吻合度好。
2.胆道闭锁的N-CTCP影像征象包括：1)无或小胆囊(胆囊宽径小于6.3为小胆囊)；2)肝门区出现三角形低密度区(“三角征”)；3)门静脉主干及分支间隙增宽,可见“双边征”；4)胆总管未见显示,左、右肝管无显示(5)肝、脾肿大。小胆囊(χ2=10.833,P=0.001<0.05)、三角征(χ2=14.444,P=0.000<0.05)及门静脉间隙增宽(χ2=11.123,P=0.001<0.05)在BA及IHS患儿中差别有统计学意义,而左右肝管、胆总管无显示(χ2=0.075,P=0.784>0.05；χ2=0.328,P=0.068>0.05)、肝脾肿大(χ2=0.033,P=0.857>0.05)两者差别无统计学意义。
3.“三角征”、小胆囊、双边征在MINIP及VR的显示率比较χ2=7.082,P=0.029<0.05,差异有统计学意义,其中MINIP重建法阳性征象显示率高于VR及MPR。
4.“三角征”特异性高达100%,但敏感性低(50%)；小胆囊(包括无胆囊)敏感性(90.3%)、特异性(85.0%)及准确性(86.5%)均较高；双边征特异性(90.0%)亦较高,但敏感性(56.3%)及准确性(69.2%)较低。胆总管、左右肝管未见显示及肝脾大诊断的特异性及准确性均较低；三角征、小胆囊、双边征这三种影像征象对鉴别诊断有意义。
结论：
1.N-CTCP诊断结果与病理手术结果比较,两种诊断方法的吻合度较强。
2.肝门区三角形低密度影(三角征)、小胆囊、门静脉间隙增宽出现“双边征”是诊断BA的重要征象。
3.胆道闭锁的三角征、小胆囊、双边征三种阳性征象在MINIP中的显示率高于VR及MPR。
学位年度:2010
作者:刘鸿圣
学位授予单位:南方医科大学
关键词:胰胆管造影术;;体层摄影术;;X线计算机;;磁共振胆管成像;;婴儿;;胆道闭锁
摘要:
研究背景
胆道闭锁(biliary atresia,BA)是一种新生儿及婴儿期的少见畸形,是新生儿阻塞性黄疸最常见的病因,也是造成婴幼儿死亡的主要肝脏疾病。BA的治疗主要是早期手术,重建胆道,恢复胆流,促进预后,手术最佳时间为40～60天,60天内neodymium magnets手术生存率可达75%,而90天后接受治疗者生存率仅10%,未接受手术者,患者存活时间一般不超过一年,故早期诊断早期治疗关系到患儿的生存质量,意义重大。
如何早期准确诊断BA一直是广大儿科医生普遍关注和研究的课题,目前临床诊断BA的方法虽多,但均存在明显不足。主要包括：(1)B超：其诊断BA特异性尚可,敏感性不足。(2)经皮肝穿刺胆管造影或内镜下逆行胰胆管造影：要求苛刻,成功率低,临床已很少应用。(3)腹腔镜检查：虽能明确诊断但为创伤性手段。(4)肝穿刺病理组织学检查,创伤性检查对BA的早期鉴别诊断有一定意义。(5)动态持续十二指肠液检查,受引流技术限制。(6)单光子发射计算机断层扫描检查,特异性差,假阳性率高。(7)磁共振胆胰管成像显示婴幼儿胆道系能力弱,且婴幼儿难以配合检查,应用受限。(8)多层螺旋CT胰胆管成像包括胆道对比剂的CT胆道造影和非胆道对比剂的阴性法CT胰胆管成像(negative CT cholangiopancreatography,N-CTCP)。随着多层螺旋CT及64层CT的广泛应用,N-CTCP整体显示胆系能力强,图像质量达到甚至超过MRCP水平。
迄今为止,国内外尚未见采用N-CTCP诊断婴儿胆道闭锁的报道。本研究采用东芝64层螺旋CT对胆道闭锁婴儿行N-CTCP成像,充分发挥64层CT扫描速度极快、大范围的高分辨率各向同性成像及强大后处理等优势,并采用胆道容积重建(volume render, VR)、多平面重建(multiplanar reconstruction,MPR)及最小密度投影(minimum intension prejection,MinIP)等图像后处理,总结分析胆道闭锁的N-CTCP影像特点,N-CTCP诊断胆道闭锁的敏感性、特异性和准确性,探讨N-CTCP在胆道闭锁诊断中的应用价值。
第一部分64层CT阴性法胆胰管成像技术参数研究研究目的
优化婴儿采用Toshiba Aquilion 64层螺旋CT行N-CTCP检查,在合理使用低剂量的原则下获取优质图像的合理化技术参数。
材料与方法
1.研究对象
全部对象来自2008年11月至2009年3月来广州市妇女儿童医疗中心门诊或住院就诊者,包括临床确诊为非肝、胆疾病者、胆道扩张及疑诊胆道闭锁者共40例。对象随机分为2组,第1组为高清组,其中男13例,女7例,平均年龄63.84±36.053天；第2组为标准组,其中男9例,女11例,平均年龄64.30±32.916天。
2.仪器设备
采用Toshiba Aquilion 64层螺旋CT,东芝公司提供的vitrea2.0图像工作站。3.检查方法及参数
所有检查者检查前空腹3～4小时,检查前15～30min饮用约250ml清水,扫描前口服水合氯醛(0.5ml/kg体重)镇静。
采用自动管电流调节技术(ATCM),第一组采用Sure Exp 3D中"High Quality"(高清组)档次像质曝光成像,第二组采用Sure Exp 3D中"Standard"(标准组)档次像质曝光成像。两组扫描主要技术参数统一,扫描范围肝上缘至髂前上棘。所有对象行腹部CT平扫及动脉期、门脉期、平衡期增强扫描。4.后处理及分析
CT平扫及增强扫描各期容积数据传入vitrea2.0工作站后行多平面重建(MPR)。
3位资深放射医师根据盲法采用优劣3级评分法分别评价平扫与各期增强容积数据所生成MPR图像的质量。优为图像层次、对比度优良,胆管壁轮廓光滑、胆管假性缺损或狭窄少,1级分支之间辨认清晰；合格为图像层次、对比度合格,胆管壁轮廓光整,胆管假性缺损或狭窄较多,1级分支之间可分辨；劣为缺乏层次和对比度,胆管壁轮廓毛糙,假性缺损、狭窄明显,1级分支之间分辨不清。5.统计学处理：
所有统计学处理均采用SPSS 13.0软件完成,所有计量资料用均数±标准差表示,P<0.05认为有统计学意义。
运用卡方检验比较高清组及标准组研究对象的性别及疾病分布,运用Kruskal-Wallis H检验比较两组对象平扫及各期增强的图像质量,运用独立样本t检验比较两组对象的年龄及放射剂量。
结果
1、高清组和标准组病例间样本性别差异χ2=1.616,P>0.05,差异无统计学意义；二者疾病分布比较χ2=3.582,P=0.167>0.05,差异亦无统计学意义。
2、高清组扫描及标准扫描图像质量差别Z=-0.548,P=0.584>0.05,无统计学意义。高清组及标准组间各个扫描期图像质量有统计学差异(高清组χ2=61.297,P=0.000；标准组：χ2=40.497,P=0.000),高清组和标准组各期图像质量结果显示,门脉期图像质量优于其他各期。
3、高清组和标准组方差齐性条件下二者扫描剂量结果行两独立样本t检验,t=14.310,P=0.000<0.05,差异有统计学意义,标准组剂量低于高清组。
结论
1.按照Sure Exp 3D中"High Quality"(高清组)档次像质曝光成像组扫描与按照Sure Exp 3D中"Standard"(标准组)档次像质曝光成像组扫描图像质量无差别。
2.高清组和标准组各期图像质量结果显示,门脉期图像质量优于平扫、动脉期及平衡期。
3.高清组扫描放射剂量高于标准组,二者差异具有统计学意义。
4.婴儿N-CTCP检查采用自动管电流调节技术ACTM标准组扫描条件于门脉期扫描即可获取满意质量的图像。
第二部分正常婴儿64层CT的N-CTCP表现及正常值研究
研究目的：
采用合理化参数N-CTCP成像,评价正常婴儿的N-CTCP表现及其胆系显示能力,分别测量胆囊宽径、胆总管及左右肝管直径。
材料与方法：
1.研究对象
全部对象来自2009年4月至2009年12月来广州市妇女儿童医疗中心门诊或住院就诊,行腹部增强CT检查者,临床无阻塞性黄疸、无胆道梗阻、非胆道疾病或体检者共30例。
2.仪器设备
采用Toshiba Aquilion 64层螺旋CT,东芝公司提供的vitrea2.0图像工作站。
3.检查方法及参数
对象准备同第一部分,扫描参数采用自动管电流调节技术,Sure Exp3D"Standard"档次象质曝光成像,行CT平扫后于门脉期增强扫描。
4.后处理及分析
CT平扫及增强扫描各期容积数据传入vitrea2.0工作站后行MPR、VR及MinIP重建,评价正常婴儿的N-CTCP表现,分别测量胆囊宽径、左、右肝管及胆总管内径。
5.统计学处理：
所有统计学处理均采用SPSS 13.0软件完成,所有计量资料用均数±标准差表示,P<0.05认为有统计学意义。
采用VR、MINIP、MPR各种重建方法重建左右肝管及胆总管,采用卡方检验比较比较胆总管、左右肝管的显示率差异；采用单向方差分析比较左、右肝管及胆总管内径的差别。
结果：
30例正常婴儿全部肝脏大小正常,胆囊可见,宽径约为8.875±2.238mm,肝门区结构清晰,未见异常密度,门脉间隙未见增宽。部分婴儿肝外胆管及左、右肝管显示,主干边缘光整,无一例可见肝内胆管分支。左肝管内径、右肝管内径及胆总管内径分别为1.61±0.40mm、1.59±0.38mm及1.73±0.44mm。胆总管及左右肝管显示率比较,χ2=2.102,v=2,P=0.350,差异无统计学意义。
结论：
1.正常婴儿肝外胆管可不显示,显示者胆管主干连续,边缘光滑；
2.正常婴儿肝内胆管分支在各种(VR、MPR、MINIP)重建方法中均无法显示。
3.正常婴儿左、右肝管显示率与胆总管显示率无差别。
4.左右肝管、胆总管内径在N-CTCP上差异无统计学意义。
第三部分胆道闭锁婴儿64层CT阴性法胰胆管成像研究
研究目的：
评价胆道闭锁婴儿的N-CTCP影像表现,探讨其诊断价值。
材料与方法
1.研究对象
选择2009年4月至2009年12月来广州市妇女儿童医疗中心门诊或住院就诊,临床疑诊为胆道闭锁行腹部增强CT检查者共52例,其中男30例,女23例,平均年龄63.34±29.18天。其中32例经手术病理证http://www.chinamagnets.biz/Neodymium/Ball-Neodymium-Magnets.php实为胆道闭锁,20例临床确诊为婴儿肝炎综合征。
2.仪器设备
同第一部分。
3.检查方法及参数
对象准备及扫描方法、扫描参数同第二部分。
4.后处理及分析
CT平扫及增强扫描各期容积数据传入vitrea2.0工作站后分别行MinIP、VR、MPR重建。
5.统计学分析
所有统计学处理均采用SPSS 13.0软件完成,所有计量资料用均数±标准差表示,P<0.05认为有统计学意义。
采用One-Way ANOVA及LSD法比较BA组、IHS组及正常婴儿组的胆囊宽径大小,进一步绘制ROC曲线,确定阳性事件(BA)的胆囊宽径的最佳界点。采用卡方检验比较BA组及IHS组N-CTCP各种影像征象阳性率差异。比较胆道闭锁所见各种征象的敏感性、特异性及准确性。采用Mann-Whistney U检验比较胆道闭锁三角征、小胆囊、双边征三种征象在MPR、MinIP及VR三种重建方法中的显示率差异。
结果：
1.52例临床疑诊BA患儿,病理确诊32例为BA,临床确诊20例为婴儿肝炎综合征(IHS),其N-CTCP诊断结果与病理手术结果比较,κ=0.718,提示N-CTCP诊断结果与病理学结果吻合度好。
2.胆道闭锁的N-CTCP影像征象包括：1)无或小胆囊(胆囊宽径小于6.3为小胆囊)；2)肝门区出现三角形低密度区(“三角征”)；3)门静脉主干及分支间隙增宽,可见“双边征”；4)胆总管未见显示,左、右肝管无显示(5)肝、脾肿大。小胆囊(χ2=10.833,P=0.001<0.05)、三角征(χ2=14.444,P=0.000<0.05)及门静脉间隙增宽(χ2=11.123,P=0.001<0.05)在BA及IHS患儿中差别有统计学意义,而左右肝管、胆总管无显示(χ2=0.075,P=0.784>0.05；χ2=0.328,P=0.068>0.05)、肝脾肿大(χ2=0.033,P=0.857>0.05)两者差别无统计学意义。
3.“三角征”、小胆囊、双边征在MINIP及VR的显示率比较χ2=7.082,P=0.029<0.05,差异有统计学意义,其中MINIP重建法阳性征象显示率高于VR及MPR。
4.“三角征”特异性高达100%,但敏感性低(50%)；小胆囊(包括无胆囊)敏感性(90.3%)、特异性(85.0%)及准确性(86.5%)均较高；双边征特异性(90.0%)亦较高,但敏感性(56.3%)及准确性(69.2%)较低。胆总管、左右肝管未见显示及肝脾大诊断的特异性及准确性均较低；三角征、小胆囊、双边征这三种影像征象对鉴别诊断有意义。
结论：
1.N-CTCP诊断结果与病理手术结果比较,两种诊断方法的吻合度较强。
2.肝门区三角形低密度影(三角征)、小胆囊、门静脉间隙增宽出现“双边征”是诊断BA的重要征象。
3.胆道闭锁的三角征、小胆囊、双边征三种阳性征象在MINIP中的显示率高于VR及MPR。
学位年度:2010
健康人和多发性硬化（MS）脑铁代谢的磁敏感加权成像（SWI）研究
题名:健康人和多发性硬化（MS）脑铁代谢的磁敏感加权成像（SWI）研究
作者:苗延巍
学位授予单位:天津医科大学
关键词:多发性硬化;;铁;;磁共振;;磁敏感加权成像;;灰质核团;;斑块;;正常表现白质
摘要:
目的：
对大样本健康志愿者脑内结构的相位(phase)值进行测量,初步确立国人脑铁浓度随年龄、性别及侧别变化规律；定量测量MS患者脑neodymium magnets灰质核团、白质斑块以及周围“正常表现白质”(normal-appearance white matter, NAWM)脑铁浓度,动态观察病灶内微循环变化与铁沉积的关系,探讨脑铁对病情演变评估能力。
材料与方法：
1.对100例健康志愿者(20-69岁)行SWI检查,分别测量双侧尾状核头(head of caudate nucleus, HCN)、苍白球(globus pallidus,GP)、壳核(putamen, PUT)、丘脑(thalamus, THA)、丘脑枕部(pulvinar thalamus, PT)、黑质(substantia nigra,SN)、红核(red nucleus, RN)以及额叶白质(frontal white matter, FWM)、顶叶白质(parietal white matter, PWM)、枕叶白质(occipital white matter, OWM)的整体phase值(PHt)、高铁区(RⅡ区,PHRⅡ) phase值以及RⅡ区面积(ARⅡ)；将所测数值与年龄、性别以及侧别分别行相关和对照分析。
2.对照分析MS患者(31例)及年龄、性别相匹配的健康对照组(30例)双侧HCN、GP、PUT、SN、RN、THA及PT的PHt、PHRⅡ、以及ARⅡ并分析每一结构的PHt、PHRⅡ、以及ARⅡ与发病时间、扩展型残疾状态评分(Expanded Disability Status Scale, EDSS)的相关性。
3.动态观察、分析MS斑块的SWI特征,评估其phase值和灌注参数(rCBF和rCBV)的演变规律；测量并分析斑块周围NAWM的phase值改变,并分析其与发病时间、EDSS评分的关联度。
结果：
1.正常脑铁代谢规律：脑内灰质核团的[Fe]t、[Fe]RⅡ及与ARⅡ与年龄具有明显相关性(P<0.05);HCN和PUT的脑铁浓度变化呈二项式分布,40岁是其拐点；双侧额叶白质的铁浓度低于顶叶与枕叶,但无显著性差异(P>0.05),双侧顶叶及枕叶的铁浓度与年龄呈显著线性相关(P<0.05);HCN和RN铁浓度具有明显左右差别(P<0.05),其他结构则无显著差别(p>0.05)。
2.与年龄匹配的对照组相比,MS患者的双侧GP、PUT、HCN、RN、SN、THA和PT的PHt、PHRⅡ普遍下降,且在双侧RN和SN有显著性差异(P<0.05)；MS组灰质核团内ARⅡ较对照组增加,且在双侧SN、RN以及PT尤为明显(P<0.05)。SP-MS组的双侧SN的PHRⅡ较RR-.MS组明显降低(P<0.05)。所有核团的PHf、PHRⅡ以及ARⅡ与发病时间均无明显相关性(P>0.05)；而双侧SN、GP和PT的PHRⅡ、ARⅡ与EDSS评分明显弱相关(P<0.05)。
3.MS斑块在“滤过后”相位图(filtered phase image,FPI)多呈有或无小静脉穿行的低信号灶;在21例随诊病例中,6例(28.57%,随诊时间平均为7.0月)发现有脱髓鞘斑块从仅表现为异常血管区演变到出现明确的低信号灶,其phase值的变化与rCBF-rCBV相一致。
4.MS患者NAWM的phase值显著低于对照组(P<0.05)；而双顶叶phase值与EDSS有显著中度相关(右侧：r2=0.36,P=0.03；左侧：r2=0.48,P=0.02)；双额、顶叶的phase值与其rCBF值也存在明显相关(P<0.05)。
结论：
1.正常成人脑灰质核团以及白质的铁生理性沉积具有年龄依赖性,40岁可以视为脑铁变化的拐点。
2.每个灰质核团内铁分布是不均匀的,高铁区(RⅡ区)的phase值及面积定量测量对脑铁代谢的评估更有意义。3.MS患者脑深部灰质核团的铁沉积比对照组增多,尤其在双侧黑质(SN)、红核(RN)和丘脑枕核(PT)；不同MS亚型之间灰质核团的铁沉积明显不同。
4.MS患者灰质核团内RⅡ区的phase值、面积与神经功能状态(EDSS评分)明显相关,可以定量评估MS患者病情变化。
5.SWI相位图(FPI)上低信号伴有小静脉穿行是MS脱髓鞘斑块的特征性表现,
而
仅有小静脉异常预http://www.chinamagnets.biz/Neodymium/Ball-Neodymium-Magnets.php示早期改变,随着血流灌注下降,斑块内铁的沉积加剧,并有向不可逆损伤发展的趋势。
6.MS患者NAWM的phase值显著低于正常人,与微循环血流改变具有一致性；NAWM的phase值与EDSS具有相关性,可以预测病情演变。
学位年度:2010
作者:苗延巍
学位授予单位:天津医科大学
关键词:多发性硬化;;铁;;磁共振;;磁敏感加权成像;;灰质核团;;斑块;;正常表现白质
摘要:
目的：
对大样本健康志愿者脑内结构的相位(phase)值进行测量,初步确立国人脑铁浓度随年龄、性别及侧别变化规律；定量测量MS患者脑neodymium magnets灰质核团、白质斑块以及周围“正常表现白质”(normal-appearance white matter, NAWM)脑铁浓度,动态观察病灶内微循环变化与铁沉积的关系,探讨脑铁对病情演变评估能力。
材料与方法：
1.对100例健康志愿者(20-69岁)行SWI检查,分别测量双侧尾状核头(head of caudate nucleus, HCN)、苍白球(globus pallidus,GP)、壳核(putamen, PUT)、丘脑(thalamus, THA)、丘脑枕部(pulvinar thalamus, PT)、黑质(substantia nigra,SN)、红核(red nucleus, RN)以及额叶白质(frontal white matter, FWM)、顶叶白质(parietal white matter, PWM)、枕叶白质(occipital white matter, OWM)的整体phase值(PHt)、高铁区(RⅡ区,PHRⅡ) phase值以及RⅡ区面积(ARⅡ)；将所测数值与年龄、性别以及侧别分别行相关和对照分析。
2.对照分析MS患者(31例)及年龄、性别相匹配的健康对照组(30例)双侧HCN、GP、PUT、SN、RN、THA及PT的PHt、PHRⅡ、以及ARⅡ并分析每一结构的PHt、PHRⅡ、以及ARⅡ与发病时间、扩展型残疾状态评分(Expanded Disability Status Scale, EDSS)的相关性。
3.动态观察、分析MS斑块的SWI特征,评估其phase值和灌注参数(rCBF和rCBV)的演变规律；测量并分析斑块周围NAWM的phase值改变,并分析其与发病时间、EDSS评分的关联度。
结果：
1.正常脑铁代谢规律：脑内灰质核团的[Fe]t、[Fe]RⅡ及与ARⅡ与年龄具有明显相关性(P<0.05);HCN和PUT的脑铁浓度变化呈二项式分布,40岁是其拐点；双侧额叶白质的铁浓度低于顶叶与枕叶,但无显著性差异(P>0.05),双侧顶叶及枕叶的铁浓度与年龄呈显著线性相关(P<0.05);HCN和RN铁浓度具有明显左右差别(P<0.05),其他结构则无显著差别(p>0.05)。
2.与年龄匹配的对照组相比,MS患者的双侧GP、PUT、HCN、RN、SN、THA和PT的PHt、PHRⅡ普遍下降,且在双侧RN和SN有显著性差异(P<0.05)；MS组灰质核团内ARⅡ较对照组增加,且在双侧SN、RN以及PT尤为明显(P<0.05)。SP-MS组的双侧SN的PHRⅡ较RR-.MS组明显降低(P<0.05)。所有核团的PHf、PHRⅡ以及ARⅡ与发病时间均无明显相关性(P>0.05)；而双侧SN、GP和PT的PHRⅡ、ARⅡ与EDSS评分明显弱相关(P<0.05)。
3.MS斑块在“滤过后”相位图(filtered phase image,FPI)多呈有或无小静脉穿行的低信号灶;在21例随诊病例中,6例(28.57%,随诊时间平均为7.0月)发现有脱髓鞘斑块从仅表现为异常血管区演变到出现明确的低信号灶,其phase值的变化与rCBF-rCBV相一致。
4.MS患者NAWM的phase值显著低于对照组(P<0.05)；而双顶叶phase值与EDSS有显著中度相关(右侧：r2=0.36,P=0.03；左侧：r2=0.48,P=0.02)；双额、顶叶的phase值与其rCBF值也存在明显相关(P<0.05)。
结论：
1.正常成人脑灰质核团以及白质的铁生理性沉积具有年龄依赖性,40岁可以视为脑铁变化的拐点。
2.每个灰质核团内铁分布是不均匀的,高铁区(RⅡ区)的phase值及面积定量测量对脑铁代谢的评估更有意义。3.MS患者脑深部灰质核团的铁沉积比对照组增多,尤其在双侧黑质(SN)、红核(RN)和丘脑枕核(PT)；不同MS亚型之间灰质核团的铁沉积明显不同。
4.MS患者灰质核团内RⅡ区的phase值、面积与神经功能状态(EDSS评分)明显相关,可以定量评估MS患者病情变化。
5.SWI相位图(FPI)上低信号伴有小静脉穿行是MS脱髓鞘斑块的特征性表现,
而
仅有小静脉异常预http://www.chinamagnets.biz/Neodymium/Ball-Neodymium-Magnets.php示早期改变,随着血流灌注下降,斑块内铁的沉积加剧,并有向不可逆损伤发展的趋势。
6.MS患者NAWM的phase值显著低于正常人,与微循环血流改变具有一致性；NAWM的phase值与EDSS具有相关性,可以预测病情演变。
学位年度:2010
Caveolin-1在LPS诱导AT-1细胞和小鼠肺部急性损伤中的作用及机制研究
题名:Caveolin-1在LPS诱导AT-1细胞和小鼠肺部急性损伤中的作用及机制研究
作者:吕学军
学位授予单位:第三军医大学
关键词:小窝蛋白-1;;磷脂酶A2;;内毒素;;核转录因子κB;; p38丝裂原活化蛋白激酶
摘要:
急性肺损伤(acute lung injury, ALI)/急性呼吸窘迫综合征(acute respiratory distress syndrome, ARDS)为临床常见的危重症,主要表现为急性呼吸窘迫、顽固性低氧血症和非心源性肺水肿。ALI/ARDS可发生于任何年龄段的患者,通常由严重感染、创伤、休克等因素诱发。但迄今为止其发病机制尚未完全阐明。近neodymium magnets年来,病理研究结果显示,ALI/ARDS发生时受损伤最明显的结构是肺泡上皮,尤其是肺泡Ⅰ型上皮细胞(AT-1)对损伤更敏感,而且这种损伤常常发生在ALI/ARDS的早期阶段。
小窝蛋白(Caveolin, Cln)是一个相对分子质量为21-24kD的膜蛋白,高度富集于蛋白小窝膜(Caveolea, Cle),是Cle的标志性蛋白,具有多种潜在功能,在维持Cle形态、结构、功能中起重要作用。目前发现,哺乳动物中至少存在3种Cln基因家族产物,即Cln-1,Cln-2及Cln-3。其中Cln-1广泛存在于肺泡Ⅰ型上皮细胞膜,并有证据表明Cln-1/Cle在肺泡上皮屏障功能变化中扮演重要角色。
本研究应用pRNAi-u2.6-Cln-1慢病毒载体转染原代培养肺泡Ⅰ型上皮细胞(AT-1)和c57BL6小鼠,并观察Caveolin-1基因对LPS致炎AT-1细胞和小鼠的影响及作用机制,为临床防治ALI/ARDS提供新的思路。
研究内容和方法:
1.小鼠Cln-1基因的克隆及载体构建:PCR法扩增Cln-1 cDNA全长基因序列,将其克隆至慢病毒表达载体pRNAi-u2.6上并进行慢病毒包装。
2.肺泡Ⅰ型上皮细胞分离、培养:PE标记的AT-1细胞特异性抗体RTI40标记细胞,采用抗PE的免疫磁珠阳性筛选AT-1细胞,流式细胞仪测定纯度。
3.慢病毒载体pRNAi-u2.6-Cln-1转染AT-1及鉴定:慢病毒载体pRNAi-u2.6-Cln-1病毒上清转染AT-1细胞,转染后在倒置荧光显微镜下观察绿色荧光,流式细胞仪测定转染效率,用Western-blotting法鉴定转染AT-1细胞中目的蛋白表达情况。
4. Cln-1基因对LPS致炎AT-1细胞的影响及作用机制:
(1) LPS致炎AT-1细胞模型:AT-1细胞分为转染目的基因的实验组及转染空载体的对照组,均给予LPS刺激,浓度10μg/ml,分2hr和4hr两个时相点。
(2) ELISA法测定LPS致炎细胞上清液的炎性因子TNF-α、IL-6表达水平。
(3)荧光定量PCR法检测LPS致炎AT-1细胞cPLA2和p38 MAPK mRNA表达变化。
(4) Western blotting法检测LPS致炎AT-1细胞cPLA2、p38 MAPK蛋白表达变化。
(5) EMSA法检测LPS致炎AT-1细胞核蛋白NF-κB表达变化。
(6)特异性阻断cPLA2、p38 MAPK、NF-κB后,细胞上清液TNF-α、IL-6表达水平变化及相互作用。
5.观察Cln-1基因对LPS致炎小鼠的影响及作用机制:
(1)慢病毒载体pRNAi-u2.6-Cln-1转染c57BL6小鼠及LPS致炎小鼠模型:c57BL6小鼠分为转染目的基因的实验组及转染空载体的对照组,经尾静脉注入caveolin-1慢病毒载体,1月后给予腹腔注射LPS,2mg/kg,分2hr和4hr两个时相点。
(2) ELISA法测定LPS致炎小鼠血清的TNF-α、IL-6表达水平。
(3) Western blotting法检测LPS致炎小鼠肺组织cPLA2、p38 MAPK蛋白表达变化。
(4)病理形态学观察LPS致炎小鼠肺组织HE染色切片。
结果:
1. PCR法成功扩增出Cln-1 cDNA全长序列,并将其克隆至慢病毒表达载体pRNAi-u2.6,病毒包装后得pRNAi-u2.6-Cln-1慢病毒。
2.获得原代培养的肺泡Ⅰ型上皮细胞,纯度可达85%~98%,细胞总量为3-5×10~6。
3.慢病毒载体转染肺泡Ⅰ型上皮细胞后,在倒置荧光显微镜下可观察到绿色荧光,细胞转染效率>95%。Western blotting法可检测到相应目的蛋白的表达,24hr后Cln-1表达开始升高,36hr的表达量比转染前表达量显著升高,72hr达到峰值。
4. LPS干预AT-1细胞后,在2hr及4hr时相点,高表达Cln-1实验组细胞上清液TNF-α、IL-6的表达水平均显著高于对照组,P<0.05。实验组AT-1细胞cPLA2和p38 MAPK mRNA的表达均显著高于对照组,P<0.05;Western blotting结果显示,cPLA2和p38 MAPK总蛋白及磷酸化蛋白水平也同步升高,P<0.05。EMSA法测定核蛋白的表达结果显示:实验组NF-κB的表达均显著高于对照组,P<0.05。阻断cPLA2/p38 MAPK及下游转录因子NF-κB均可引起炎症因子(TNF-α、IL-6)显著下降,p<0.05。cPLA2抑制剂可以下调磷酸化的p38 MAPK及NF-κB的表达,p<0.05;p38 MAPK抑制剂能够降低磷酸化的cPLA2及NF-κB的表达,p<0.05,而NF-κB的抑制剂对磷酸化的cPLA2和p38 MAPK表达无明显影响,p>0.05。
5. LPS干预c57BL6小鼠后,在2hr及4hr时相点,高表达Cln- 1实验组小鼠血清TNF-α、IL-6的表达均显著高于对照组,P<0.05。实验组小鼠肺组织cPLA2和p38 MAPK蛋白表达水平均显著高于对照组,P<0.05。小鼠肺组织病理切片显示实验组小鼠肺部渗出、水肿更明显,损伤更严重。
结论:
1.成功构建Cln-1基因http://www.chinamagnets.biz/Neodymium/Ball-Neodymium-Magnets.php高表达的肺泡Ⅰ型上皮细胞模型。
2. Caveolin-1加重LPS引起的肺泡I型上皮细胞和小鼠肺部损伤。
3. Caveolin-1上调cPLA2及其信号通路下游分子p38 MAPK、NF-κB,是LPS引起的肺泡I型上皮细胞和小鼠肺部损伤的可能机制。
4.特异性阻断cPLA2、p38 MAPK及NF-κB可以减轻LPS引起的细胞炎性反应。
学位年度:2010
作者:吕学军
学位授予单位:第三军医大学
关键词:小窝蛋白-1;;磷脂酶A2;;内毒素;;核转录因子κB;; p38丝裂原活化蛋白激酶
摘要:
急性肺损伤(acute lung injury, ALI)/急性呼吸窘迫综合征(acute respiratory distress syndrome, ARDS)为临床常见的危重症,主要表现为急性呼吸窘迫、顽固性低氧血症和非心源性肺水肿。ALI/ARDS可发生于任何年龄段的患者,通常由严重感染、创伤、休克等因素诱发。但迄今为止其发病机制尚未完全阐明。近neodymium magnets年来,病理研究结果显示,ALI/ARDS发生时受损伤最明显的结构是肺泡上皮,尤其是肺泡Ⅰ型上皮细胞(AT-1)对损伤更敏感,而且这种损伤常常发生在ALI/ARDS的早期阶段。
小窝蛋白(Caveolin, Cln)是一个相对分子质量为21-24kD的膜蛋白,高度富集于蛋白小窝膜(Caveolea, Cle),是Cle的标志性蛋白,具有多种潜在功能,在维持Cle形态、结构、功能中起重要作用。目前发现,哺乳动物中至少存在3种Cln基因家族产物,即Cln-1,Cln-2及Cln-3。其中Cln-1广泛存在于肺泡Ⅰ型上皮细胞膜,并有证据表明Cln-1/Cle在肺泡上皮屏障功能变化中扮演重要角色。
本研究应用pRNAi-u2.6-Cln-1慢病毒载体转染原代培养肺泡Ⅰ型上皮细胞(AT-1)和c57BL6小鼠,并观察Caveolin-1基因对LPS致炎AT-1细胞和小鼠的影响及作用机制,为临床防治ALI/ARDS提供新的思路。
研究内容和方法:
1.小鼠Cln-1基因的克隆及载体构建:PCR法扩增Cln-1 cDNA全长基因序列,将其克隆至慢病毒表达载体pRNAi-u2.6上并进行慢病毒包装。
2.肺泡Ⅰ型上皮细胞分离、培养:PE标记的AT-1细胞特异性抗体RTI40标记细胞,采用抗PE的免疫磁珠阳性筛选AT-1细胞,流式细胞仪测定纯度。
3.慢病毒载体pRNAi-u2.6-Cln-1转染AT-1及鉴定:慢病毒载体pRNAi-u2.6-Cln-1病毒上清转染AT-1细胞,转染后在倒置荧光显微镜下观察绿色荧光,流式细胞仪测定转染效率,用Western-blotting法鉴定转染AT-1细胞中目的蛋白表达情况。
4. Cln-1基因对LPS致炎AT-1细胞的影响及作用机制:
(1) LPS致炎AT-1细胞模型:AT-1细胞分为转染目的基因的实验组及转染空载体的对照组,均给予LPS刺激,浓度10μg/ml,分2hr和4hr两个时相点。
(2) ELISA法测定LPS致炎细胞上清液的炎性因子TNF-α、IL-6表达水平。
(3)荧光定量PCR法检测LPS致炎AT-1细胞cPLA2和p38 MAPK mRNA表达变化。
(4) Western blotting法检测LPS致炎AT-1细胞cPLA2、p38 MAPK蛋白表达变化。
(5) EMSA法检测LPS致炎AT-1细胞核蛋白NF-κB表达变化。
(6)特异性阻断cPLA2、p38 MAPK、NF-κB后,细胞上清液TNF-α、IL-6表达水平变化及相互作用。
5.观察Cln-1基因对LPS致炎小鼠的影响及作用机制:
(1)慢病毒载体pRNAi-u2.6-Cln-1转染c57BL6小鼠及LPS致炎小鼠模型:c57BL6小鼠分为转染目的基因的实验组及转染空载体的对照组,经尾静脉注入caveolin-1慢病毒载体,1月后给予腹腔注射LPS,2mg/kg,分2hr和4hr两个时相点。
(2) ELISA法测定LPS致炎小鼠血清的TNF-α、IL-6表达水平。
(3) Western blotting法检测LPS致炎小鼠肺组织cPLA2、p38 MAPK蛋白表达变化。
(4)病理形态学观察LPS致炎小鼠肺组织HE染色切片。
结果:
1. PCR法成功扩增出Cln-1 cDNA全长序列,并将其克隆至慢病毒表达载体pRNAi-u2.6,病毒包装后得pRNAi-u2.6-Cln-1慢病毒。
2.获得原代培养的肺泡Ⅰ型上皮细胞,纯度可达85%~98%,细胞总量为3-5×10~6。
3.慢病毒载体转染肺泡Ⅰ型上皮细胞后,在倒置荧光显微镜下可观察到绿色荧光,细胞转染效率>95%。Western blotting法可检测到相应目的蛋白的表达,24hr后Cln-1表达开始升高,36hr的表达量比转染前表达量显著升高,72hr达到峰值。
4. LPS干预AT-1细胞后,在2hr及4hr时相点,高表达Cln-1实验组细胞上清液TNF-α、IL-6的表达水平均显著高于对照组,P<0.05。实验组AT-1细胞cPLA2和p38 MAPK mRNA的表达均显著高于对照组,P<0.05;Western blotting结果显示,cPLA2和p38 MAPK总蛋白及磷酸化蛋白水平也同步升高,P<0.05。EMSA法测定核蛋白的表达结果显示:实验组NF-κB的表达均显著高于对照组,P<0.05。阻断cPLA2/p38 MAPK及下游转录因子NF-κB均可引起炎症因子(TNF-α、IL-6)显著下降,p<0.05。cPLA2抑制剂可以下调磷酸化的p38 MAPK及NF-κB的表达,p<0.05;p38 MAPK抑制剂能够降低磷酸化的cPLA2及NF-κB的表达,p<0.05,而NF-κB的抑制剂对磷酸化的cPLA2和p38 MAPK表达无明显影响,p>0.05。
5. LPS干预c57BL6小鼠后,在2hr及4hr时相点,高表达Cln- 1实验组小鼠血清TNF-α、IL-6的表达均显著高于对照组,P<0.05。实验组小鼠肺组织cPLA2和p38 MAPK蛋白表达水平均显著高于对照组,P<0.05。小鼠肺组织病理切片显示实验组小鼠肺部渗出、水肿更明显,损伤更严重。
结论:
1.成功构建Cln-1基因http://www.chinamagnets.biz/Neodymium/Ball-Neodymium-Magnets.php高表达的肺泡Ⅰ型上皮细胞模型。
2. Caveolin-1加重LPS引起的肺泡I型上皮细胞和小鼠肺部损伤。
3. Caveolin-1上调cPLA2及其信号通路下游分子p38 MAPK、NF-κB,是LPS引起的肺泡I型上皮细胞和小鼠肺部损伤的可能机制。
4.特异性阻断cPLA2、p38 MAPK及NF-κB可以减轻LPS引起的细胞炎性反应。
学位年度:2010
Ⅱ型胶原/透明质酸/6-硫酸软骨素组织工程髓核支架材料的体内外生物学性能研究
题名:Ⅱ型胶原/透明质酸/6-硫酸软骨素组织工程髓核支架材料的体内外生物学性能研究
作者:黄博
学位授予单位:第三军医大学
关键词:椎间盘退变性疾病;;Ⅱ型胶原;;透明质酸;;6-硫酸软骨素;;支架材料;;再生;;组织工程;;髓核
摘要:
腰痛是发病率仅次于上呼吸道感染的一种常见病。此外,腰痛也是致残的主要原因之一。椎间盘退变性疾病通常被认为是导致腰痛的主要原因。异常的应力负荷,遗传易感,降低的细胞活力或者以上三个原因的组合导致neodymium magnets椎间盘内细胞外基质成分的改变,进而加速椎间盘生物力学特性的恶化,最终促成椎间盘退变性疾病的发生。
目前治疗椎间盘退变性疾病的方法包括保守治疗和手术治疗。其中保守治疗包括卧床休息,止痛、肌松类药物治疗,局部封闭以及按摩等,然而所有这些治疗方式主要为姑息治疗。常规的髓核摘除和脊柱融合术等手术治疗虽然通过摘除病变的椎间盘组织或者牺牲脊柱局部节段的活动度来换取症状的解除,然而从根本上并没有修复退变的椎间盘组织和恢复椎间盘的生理功能。近年来的人工椎间盘置换虽然展现出良好的应用前景,然而与该技术相关的许多并发症和缺陷依然需要克服。
目前没有任何一种外科治疗手段旨在从根本上解决椎间盘退变所带来的生物学功能丢失。因此,具有生理椎间盘或髓核组织结构和功能的生物学植入物被认为可能是重建退变椎间盘和治疗椎间盘退变性疾病的一种理想替代品。近些年来组织工程学的迅速发展使得应用组织工程化椎间盘治疗椎间盘退变性疾病成为可能。椎间盘组织工程就是通过生物学手段,体外培养构建功能性的椎间盘组织单位并植入体内,进而替代重建原有退变椎间盘的生物功能。在椎间盘的三个解剖组分中(纤维环,髓核,终板),髓核是由随机排列的胶原蛋白纤维,放射状排列的弹性纤维以及蛋白聚糖组成的高度水化的凝胶样组织。其中蛋白聚糖成分可以结合水分子,维持髓核组织的渗透压,因此其在椎间盘承载压力载荷的功能中发挥着重要的作用。此外椎间盘退变性疾病被认为起源于髓核组织中蛋白聚糖和含水量的逐渐丢失,因此目前绝大多数的组织工程椎间盘研究集中在对退变髓核的治疗上。
在组织工程的三个主要组分中(种子细胞,支架材料,信号分子),支架材料扮演着载体的角色,在所植入的体内不利环境中,为种子细胞提供一个临时性的庇护所。此外支架材料必须能够促进种子细胞的粘附,增殖,相关基因的表达以及新的功能性的细胞外基质的合成。目前虽然大量研究探索了应用于髓核组织工程的支架材料,然而几乎没有文献涉及到能够模拟天然髓核内环境的支架材料。由于组织工程支架材料的主要功能是尽量模仿所植入部位的生物学环境,因此用于组织工程髓核的支架材料应该同时包括天然髓核组织的三种主要组分—Ⅱ型胶原,透明质酸和6-硫酸软骨素。根据此原则我们构建了由Ⅱ型胶原,透明质酸和6-硫酸软骨素组成的支架材料,培养兔髓核细胞并接种到该支架材料上,通过体外检测所接种细胞的活性/增殖特性,组织特异性基因的表达和细胞外基质的分泌来评估该支架材料的体外生物活性。此外将体外培养的兔髓核细胞和Ⅱ型胶原/透明质酸-6-硫酸软骨素支架材料复合物植入到兔椎间盘髓核摘除模型中,通过影像学手段(磁共振和X线)分析手术节段椎间隙信号强度和高度的变化,以及对所植细胞材料复合物进行组织学和细胞活力检测来评估Ⅱ型胶原/透明质酸-6-硫酸软骨素支架材料的体内生物学功能。
我们的结果如下:体外实验中,细胞支架材料复合物在培养28天以后,种子细胞仍然能够保持良好的活力和增殖活性,复合物内硫酸化氨基葡聚糖含量显著增加。此外,与单层培养的兔髓核细胞相比,同http://www.chinamagnets.biz/Neodymium/Ball-Neodymium-Magnets.php材料复合培养的种子细胞的Ⅱ型胶原蛋白和蛋白聚糖基因表达水平显著升高,Ⅰ胶原蛋白基因表达水平显著降低。组织学和扫描电镜结果进一步证实了细胞材料复合物内新分泌的细胞外基质的沉积。在体实验结果表明,细胞材料复合物植入体内24周后,同种异体移植的种子细胞仍然存活且有细胞外基质的分泌,从而使得细胞材料复合物植入组的椎间隙高度和信号强度得以维持。总而言之,由于髓核细胞和Ⅱ型胶原/透明质酸-6-硫酸软骨素支架材料复合物令人满意的体外生物学活性和体内再生作用,因而可以考虑将其作为髓核摘除术后退变髓核组织的有效替代物。
学位年度:2010
作者:黄博
学位授予单位:第三军医大学
关键词:椎间盘退变性疾病;;Ⅱ型胶原;;透明质酸;;6-硫酸软骨素;;支架材料;;再生;;组织工程;;髓核
摘要:
腰痛是发病率仅次于上呼吸道感染的一种常见病。此外,腰痛也是致残的主要原因之一。椎间盘退变性疾病通常被认为是导致腰痛的主要原因。异常的应力负荷,遗传易感,降低的细胞活力或者以上三个原因的组合导致neodymium magnets椎间盘内细胞外基质成分的改变,进而加速椎间盘生物力学特性的恶化,最终促成椎间盘退变性疾病的发生。
目前治疗椎间盘退变性疾病的方法包括保守治疗和手术治疗。其中保守治疗包括卧床休息,止痛、肌松类药物治疗,局部封闭以及按摩等,然而所有这些治疗方式主要为姑息治疗。常规的髓核摘除和脊柱融合术等手术治疗虽然通过摘除病变的椎间盘组织或者牺牲脊柱局部节段的活动度来换取症状的解除,然而从根本上并没有修复退变的椎间盘组织和恢复椎间盘的生理功能。近年来的人工椎间盘置换虽然展现出良好的应用前景,然而与该技术相关的许多并发症和缺陷依然需要克服。
目前没有任何一种外科治疗手段旨在从根本上解决椎间盘退变所带来的生物学功能丢失。因此,具有生理椎间盘或髓核组织结构和功能的生物学植入物被认为可能是重建退变椎间盘和治疗椎间盘退变性疾病的一种理想替代品。近些年来组织工程学的迅速发展使得应用组织工程化椎间盘治疗椎间盘退变性疾病成为可能。椎间盘组织工程就是通过生物学手段,体外培养构建功能性的椎间盘组织单位并植入体内,进而替代重建原有退变椎间盘的生物功能。在椎间盘的三个解剖组分中(纤维环,髓核,终板),髓核是由随机排列的胶原蛋白纤维,放射状排列的弹性纤维以及蛋白聚糖组成的高度水化的凝胶样组织。其中蛋白聚糖成分可以结合水分子,维持髓核组织的渗透压,因此其在椎间盘承载压力载荷的功能中发挥着重要的作用。此外椎间盘退变性疾病被认为起源于髓核组织中蛋白聚糖和含水量的逐渐丢失,因此目前绝大多数的组织工程椎间盘研究集中在对退变髓核的治疗上。
在组织工程的三个主要组分中(种子细胞,支架材料,信号分子),支架材料扮演着载体的角色,在所植入的体内不利环境中,为种子细胞提供一个临时性的庇护所。此外支架材料必须能够促进种子细胞的粘附,增殖,相关基因的表达以及新的功能性的细胞外基质的合成。目前虽然大量研究探索了应用于髓核组织工程的支架材料,然而几乎没有文献涉及到能够模拟天然髓核内环境的支架材料。由于组织工程支架材料的主要功能是尽量模仿所植入部位的生物学环境,因此用于组织工程髓核的支架材料应该同时包括天然髓核组织的三种主要组分—Ⅱ型胶原,透明质酸和6-硫酸软骨素。根据此原则我们构建了由Ⅱ型胶原,透明质酸和6-硫酸软骨素组成的支架材料,培养兔髓核细胞并接种到该支架材料上,通过体外检测所接种细胞的活性/增殖特性,组织特异性基因的表达和细胞外基质的分泌来评估该支架材料的体外生物活性。此外将体外培养的兔髓核细胞和Ⅱ型胶原/透明质酸-6-硫酸软骨素支架材料复合物植入到兔椎间盘髓核摘除模型中,通过影像学手段(磁共振和X线)分析手术节段椎间隙信号强度和高度的变化,以及对所植细胞材料复合物进行组织学和细胞活力检测来评估Ⅱ型胶原/透明质酸-6-硫酸软骨素支架材料的体内生物学功能。
我们的结果如下:体外实验中,细胞支架材料复合物在培养28天以后,种子细胞仍然能够保持良好的活力和增殖活性,复合物内硫酸化氨基葡聚糖含量显著增加。此外,与单层培养的兔髓核细胞相比,同http://www.chinamagnets.biz/Neodymium/Ball-Neodymium-Magnets.php材料复合培养的种子细胞的Ⅱ型胶原蛋白和蛋白聚糖基因表达水平显著升高,Ⅰ胶原蛋白基因表达水平显著降低。组织学和扫描电镜结果进一步证实了细胞材料复合物内新分泌的细胞外基质的沉积。在体实验结果表明,细胞材料复合物植入体内24周后,同种异体移植的种子细胞仍然存活且有细胞外基质的分泌,从而使得细胞材料复合物植入组的椎间隙高度和信号强度得以维持。总而言之,由于髓核细胞和Ⅱ型胶原/透明质酸-6-硫酸软骨素支架材料复合物令人满意的体外生物学活性和体内再生作用,因而可以考虑将其作为髓核摘除术后退变髓核组织的有效替代物。
学位年度:2010
2011年8月24日星期三
四氮杂卟啉的量子化学计算和光谱研究
题名:四氮杂卟啉的量子化学计算和光谱研究
作者:卢同同
学位授予单位:中国科学技术大学
关键词:四氮杂卟啉;;密度泛函理论;;拉曼光谱;;质子化;;氢化卟啉;;NSIOC-M
摘要:
卟啉类化合物因涉及众多生命过程得到广泛研究。卟啉的四个中位次甲基被氮杂原子取代形成四氮杂卟啉。四氮杂卟啉衍生物有广泛的技术应用,开展四氮杂卟啉的光谱和量子化学计算研究,有助于深入理解其结构与性能关系,为其在各领域的应用提供理论基础。本论文中,我们采用密度泛函理论计算结合光谱Magnetic lifter实验研究了四苯并四氮杂卟啉(酞菁)质子化产物的基态结构及其电子激发态性质,四叔丁基氮杂金属卟啉化合物的振动光谱,以及金属四氮杂氢化卟啉的基态结构、电荷分布和电子光谱等性质。本论文的另一部分内容是关于核自旋诱导的磁光效应的理论研究,我们理论推导了具有预极化核磁矩的分子的核自旋诱导的光学Cotton-Mouton效应(NSIOC-M)的表达式,将其与分子的结构信息联系起来。全文共分五章。
论文第一章简述了量子化学计算基本原理、拉曼散射和分子极化率的基本知识,概述了金属四氮杂卟啉结构和分子光谱的研究现状,介绍了本论文的研究背景及主要研究内容。
人们对酞菁在各种酸性环境下的质子化反应进行了许多实验研究,但关于质子化的位置和程度一直没有得到明确的结论。论文第二章用密度泛函方法在B3LYP/6-31G(d)理论水平上对自由碱酞菁(H2Pc)22种可能的N-质子化产物的结构和相对能量进行了系统的计算。结果表明：在酞菁环内部异吲哚N(Isoindole-N)位置质子化,会因为与内部其余H质子的互相排斥和空间位阻等原因,导致分子大环内部空间拥挤而使酞菁分子大环由平面向非平面变形；质子化在环外中位N原子则不会有非平面变形发生。从能量角度来看,外部meso-N位的质子化比内部Isoindole-N的质子化能量更低,更易稳定存在。计算结果表明,外部meso-N全部质子化的H6Pc4+(IS1)产物能量最低,最可能稳定存在。在优化构型基础上,本论文用TDDFT方法对H2Pc和质子化产物H4Pc4+(IS4)、H6Pc4+(IS1)进行了吸收光谱计算,计算结果与吸收光谱和烧孔实验结果一致。本章的理论计算结果有助于解决关于酞菁质子化问题的长期争论。
论文第三章测量了四-(叔丁基)-四氮杂卟啉金属配合物(MT(tBu)TAP, M=Cu, Co, Ni, Zn)的拉曼和红外光谱。在B3LYP理论水平上计算了其基态结构和振动光谱,基于计算结果和与普通卟啉进行比较对观察到的拉曼谱带和红外谱带进行了详细的指认。考察了拉曼和红外谱带频率变化与四氮杂卟啉环结构的关系。研究表明：随着环内核尺寸(金属与吡咯氮原子间的距离)的减小,CβCβ’伸缩振动(Ag),CαNm不对称伸缩振动(Ag),以及CαNm对称伸缩振动(Bg)的频率线性地增加,其中后两者对环内核尺寸的变化更为敏感。有关结果揭示了四氮杂卟啉的振动光谱与分子结构的联系,为其进一步应用奠定基础。
论文第四章理论研究了四氮杂二氢卟啉、四氮杂四氢卟啉的Co、Ni、Cu、Zn配合物的基态结构和电子光谱,并与二氢卟啉、四氢卟啉的相应配合物进行了对比。在所研究的16种配合物中,有7种具有非平面褶曲变形的大环结构。研究发现,四氮杂取代倾向于减小非平面变形,而Cβ=Cβ键氢化倾向于增加非平面变形。产生非平面褶曲变形的原因,被认为是由于配体的配位空腔与金属离子的尺寸不匹配。用TDDFT计算了Ni和Zn的配合物的电子光谱,结果表明：四氮杂取代和Cβ=Cβ双键http://www.999magnet.com/products/131-magnetic-lifter氢化程度的增加,均倾向于使配合物的Q红移、B蓝移,同时增加Q带的吸收强度。氢化卟啉是重要的第二代光动力学治疗药物,对四氮杂卟啉的氧化衍生物开展理论研究有助于深入了解这些化合物的结构-性能关系。
最近,Savukov等人发展了一个研究液体NMR的新方法：核诱导的光学法拉第旋转(NSOR)。本论文第五章在理论上探讨了液体中核自旋诱导的Faraday效应及Cotton-Mouton效应检测到的光学NMR信号跟核自旋-自旋耦合张量之间的关系。推导了具有预极化核磁矩的分子的核自旋诱导的光学Cotton-Mouton效应(NSIOC-M)的表达式。该表达式分成两个部分,与温度无关的部分取决于核磁矩诱导的分子极化率变化(分子的超磁化极化率)。与温度有关的部分,跟核自旋-自旋耦合张量和分子极化率的各向异性的乘积成正比。估计了这种新效应的数量级,表明对于有大的极化率各向异性分了(例如共轭分子)NSIOC-M效应是可以检测的。与NSOR不同,NSIOC-M效应能够给出液体中分子的键长和键角等参数,从而为研究分子结构提供了一个新的光谱工具。
学位年度:2010
作者:卢同同
学位授予单位:中国科学技术大学
关键词:四氮杂卟啉;;密度泛函理论;;拉曼光谱;;质子化;;氢化卟啉;;NSIOC-M
摘要:
卟啉类化合物因涉及众多生命过程得到广泛研究。卟啉的四个中位次甲基被氮杂原子取代形成四氮杂卟啉。四氮杂卟啉衍生物有广泛的技术应用,开展四氮杂卟啉的光谱和量子化学计算研究,有助于深入理解其结构与性能关系,为其在各领域的应用提供理论基础。本论文中,我们采用密度泛函理论计算结合光谱Magnetic lifter实验研究了四苯并四氮杂卟啉(酞菁)质子化产物的基态结构及其电子激发态性质,四叔丁基氮杂金属卟啉化合物的振动光谱,以及金属四氮杂氢化卟啉的基态结构、电荷分布和电子光谱等性质。本论文的另一部分内容是关于核自旋诱导的磁光效应的理论研究,我们理论推导了具有预极化核磁矩的分子的核自旋诱导的光学Cotton-Mouton效应(NSIOC-M)的表达式,将其与分子的结构信息联系起来。全文共分五章。
论文第一章简述了量子化学计算基本原理、拉曼散射和分子极化率的基本知识,概述了金属四氮杂卟啉结构和分子光谱的研究现状,介绍了本论文的研究背景及主要研究内容。
人们对酞菁在各种酸性环境下的质子化反应进行了许多实验研究,但关于质子化的位置和程度一直没有得到明确的结论。论文第二章用密度泛函方法在B3LYP/6-31G(d)理论水平上对自由碱酞菁(H2Pc)22种可能的N-质子化产物的结构和相对能量进行了系统的计算。结果表明：在酞菁环内部异吲哚N(Isoindole-N)位置质子化,会因为与内部其余H质子的互相排斥和空间位阻等原因,导致分子大环内部空间拥挤而使酞菁分子大环由平面向非平面变形；质子化在环外中位N原子则不会有非平面变形发生。从能量角度来看,外部meso-N位的质子化比内部Isoindole-N的质子化能量更低,更易稳定存在。计算结果表明,外部meso-N全部质子化的H6Pc4+(IS1)产物能量最低,最可能稳定存在。在优化构型基础上,本论文用TDDFT方法对H2Pc和质子化产物H4Pc4+(IS4)、H6Pc4+(IS1)进行了吸收光谱计算,计算结果与吸收光谱和烧孔实验结果一致。本章的理论计算结果有助于解决关于酞菁质子化问题的长期争论。
论文第三章测量了四-(叔丁基)-四氮杂卟啉金属配合物(MT(tBu)TAP, M=Cu, Co, Ni, Zn)的拉曼和红外光谱。在B3LYP理论水平上计算了其基态结构和振动光谱,基于计算结果和与普通卟啉进行比较对观察到的拉曼谱带和红外谱带进行了详细的指认。考察了拉曼和红外谱带频率变化与四氮杂卟啉环结构的关系。研究表明：随着环内核尺寸(金属与吡咯氮原子间的距离)的减小,CβCβ’伸缩振动(Ag),CαNm不对称伸缩振动(Ag),以及CαNm对称伸缩振动(Bg)的频率线性地增加,其中后两者对环内核尺寸的变化更为敏感。有关结果揭示了四氮杂卟啉的振动光谱与分子结构的联系,为其进一步应用奠定基础。
论文第四章理论研究了四氮杂二氢卟啉、四氮杂四氢卟啉的Co、Ni、Cu、Zn配合物的基态结构和电子光谱,并与二氢卟啉、四氢卟啉的相应配合物进行了对比。在所研究的16种配合物中,有7种具有非平面褶曲变形的大环结构。研究发现,四氮杂取代倾向于减小非平面变形,而Cβ=Cβ键氢化倾向于增加非平面变形。产生非平面褶曲变形的原因,被认为是由于配体的配位空腔与金属离子的尺寸不匹配。用TDDFT计算了Ni和Zn的配合物的电子光谱,结果表明：四氮杂取代和Cβ=Cβ双键http://www.999magnet.com/products/131-magnetic-lifter氢化程度的增加,均倾向于使配合物的Q红移、B蓝移,同时增加Q带的吸收强度。氢化卟啉是重要的第二代光动力学治疗药物,对四氮杂卟啉的氧化衍生物开展理论研究有助于深入了解这些化合物的结构-性能关系。
最近,Savukov等人发展了一个研究液体NMR的新方法：核诱导的光学法拉第旋转(NSOR)。本论文第五章在理论上探讨了液体中核自旋诱导的Faraday效应及Cotton-Mouton效应检测到的光学NMR信号跟核自旋-自旋耦合张量之间的关系。推导了具有预极化核磁矩的分子的核自旋诱导的光学Cotton-Mouton效应(NSIOC-M)的表达式。该表达式分成两个部分,与温度无关的部分取决于核磁矩诱导的分子极化率变化(分子的超磁化极化率)。与温度有关的部分,跟核自旋-自旋耦合张量和分子极化率的各向异性的乘积成正比。估计了这种新效应的数量级,表明对于有大的极化率各向异性分了(例如共轭分子)NSIOC-M效应是可以检测的。与NSOR不同,NSIOC-M效应能够给出液体中分子的键长和键角等参数,从而为研究分子结构提供了一个新的光谱工具。
学位年度:2010
铁氧化物与普鲁士蓝类化合物的形貌可控合成与非经典结晶机理研究
题名:铁氧化物与普鲁士蓝类化合物的形貌可控合成与非经典结晶机理研究
作者:胡鸣
学位授予单位:华东师范大学
关键词:水热法;;形貌可控合成;;氧化铁;;普鲁士蓝类化合物;;介晶;;非经典结晶;;表面活性剂;;磁性材料;;穆斯堡尔谱;;热分解法;;多孔材料
摘要:
随着材料科学的持续发展,新材料的开发与材料性能的提高成为研究热点。已有研究表明,通过对材料的形貌可控合成,可提高材料性能,并可望以形貌均一的材料为筑块,构成多功能复合材料。由于材料的形貌可控合成涉及到材料学、材料化学、材料物理、结晶学以及仿生学等诸多领域,已成为一个跨学科的基础性研Magnetic lifter究课题。随着材料形貌可控合成研究的深入开展,已取得了丰富的研究成果,但仍有一些重要问题有待解决。如：开发通用的形貌可控乃至成分可控的简易液相合成方法；合成结构有序的分级材料,并对其组装方式和原因进行深入探讨；研究非经典结晶现象,并推动非经典结晶理论的完善等。
为开发较具普适性的无机物形貌可控合成方法,合成结构有序的分级无机材料以及研究形貌可控合成过程中的经典与非经典结晶现象,厘清其机理。本文以水热法、固相热分解法和离心助界面沉淀法等进行无机材料的形貌可控合成；采用X射线衍射分析(XRD)、穆斯堡尔谱、选区电子衍射(SAED)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、红外可见光谱(FT-IR)、振动样品磁强计(VSM)及全自动比表面积及微孔物理吸附分析仪等多种分析测试手段,对合成产物的结构、成分、形貌、分级结构的组装方式、磁学性能及多孔材料的比表面积与孔径分布等进行了表征和分析。通过研究,得出了如下主要结果：
1.以亚铁氰化钾为单源母体,以水热法为合成方法,通过调节各项反应参数,制备成份与形貌可控的铁氧化物与普鲁士蓝类化合物。
(1)当NaOH浓度为0.1mol/L时,产物为片状四氧化三铁。这种四氧化三铁面积大,其边长约为数十微米。通过对产物形貌随时间变化的研究表明,片状四氧化三铁由纳米颗粒定向组装而成,表现出单晶体的衍射特征。当NaOH浓度为1mol/L时,产物为类八面体状四氧化三铁,SAED表明其为单晶结构。通过对产物形貌随时间变化的研究表明,类八面体状四氧化三铁由片状四氧化三铁溶解后再结晶形成。
(2)在中性环境中,制得了普鲁士白微晶。穆斯堡尔图谱分析表明,这是首次成功合成能在空气中稳定存在的普鲁士白产物。SEM表明产物为立方状普鲁士白微米颗粒,边长约为2-5微米,且部分晶体内部含立方状大孔。分析表明,普鲁士白立方体由层层组装缓慢生长形成,其中大孔的形成是受溶解作用的影响。
(3)在酸性环境中,制得了普鲁士蓝介晶。研究表明,当盐酸浓度超过1mol/L时,可获得八面体状介晶。此八面体介晶的长轴长度约为7微米左右,由数百纳米的颗粒组装构成。SAED表明其表现出单晶的衍射行为特征,说明产物为有序分级组装体。研究表明,由于在酸性条件下,普鲁士蓝易被腐蚀,当对普鲁士蓝的腐蚀http://www.999magnet.com/products/131-magnetic-lifter作用使纳米粒子达到一个适中的浓度时,形成普鲁士蓝介晶。
(4)在酸性环境中,在添加聚乙二醇(PEG)的前提下,制得了普鲁士蓝介晶。产物为赝截角立方体,两端距离约为5-6微米。由纳米颗粒与亚微米立方体组装而成。
(5)在酸性环境中,在添加CTAB的前提下,制得了突出立方体状普鲁士蓝微晶。研究表明,CTAB可抑制普鲁士蓝的成核,使产物尺寸均一性提高,并可吸附在普鲁士蓝晶体的表面,引发盐酸对其普鲁士蓝立方体边、角的选择性侵蚀,使普鲁士蓝立方体转化为突出立方体。
2.以铁氰化钾为单源母体,以水热法为合成方法,在碱性环境中,利用水合肼的还原作用,通过添加表面活性剂,制得了四氧化三铁微晶。当表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)时,CTA+可在晶体表面发生选择性吸附,从而诱导晶体进行缓慢的择优取向生长,形成树枝状四氧化三铁。SAED表明产物为单晶结构。当表面活性剂为柠檬酸钠与CTAB的混合物时,产物为球形颗粒组装而成的四氧化三铁链。
3.以突出立方体状普鲁士蓝微晶为前驱体,通过固相热分解,使其转化为突出立方体状氧化铁。研究表明,此氧化铁为β-Fe2O3与γ-Fe2O3的混合物。同时,由于普鲁士蓝前驱体中C、N元素均被氧化,以气体形式释放,氧化铁晶体中形成了大量的孔隙,构成突出立方状介孔氧化铁。
4.在油相(正己烷与无水乙醇)与水相界面,通过沉淀反应生成普鲁士蓝。利用离心可辅助控制普鲁士蓝的结晶过程。当离心速度较高(5400转/分钟)时,得到无定形纳米颗粒,其粒径小于5nm。当离心速度较低时(3600转/分钟)时,得到结晶纳米立方体,其粒径约为10-30nm。不同离心速度所得产物可被视作普鲁士蓝结晶不同阶段的产物。
5.发现了普鲁士蓝介晶不同的组装方式：在不加入表面活性剂的酸性环境中,由尺寸接近的普鲁士蓝纳米立方体可有序组装形成八面体介晶；在PEG的帮助下,为减小表面积,具有不同尺度的普鲁士蓝纳米颗粒和亚微米立方体可有序组装在一起形成赝截角立方体介晶。
6.利用离心辅助结晶法,研究了无定形普鲁士蓝转化为结晶普鲁士蓝的过程。结果表明,无定形普鲁士蓝颗粒通过聚集、结晶、结晶取向调整的途径形成晶体,而不由传统的溶解-再结晶途径转化为结晶态颗粒。在转化过程中还可观察到“结晶态@无定形态”的核壳结构纳米颗粒,这可被视为无定形纳米颗粒由非经典结晶过程转化为晶体的重要标志。
学位年度:2010
作者:胡鸣
学位授予单位:华东师范大学
关键词:水热法;;形貌可控合成;;氧化铁;;普鲁士蓝类化合物;;介晶;;非经典结晶;;表面活性剂;;磁性材料;;穆斯堡尔谱;;热分解法;;多孔材料
摘要:
随着材料科学的持续发展,新材料的开发与材料性能的提高成为研究热点。已有研究表明,通过对材料的形貌可控合成,可提高材料性能,并可望以形貌均一的材料为筑块,构成多功能复合材料。由于材料的形貌可控合成涉及到材料学、材料化学、材料物理、结晶学以及仿生学等诸多领域,已成为一个跨学科的基础性研Magnetic lifter究课题。随着材料形貌可控合成研究的深入开展,已取得了丰富的研究成果,但仍有一些重要问题有待解决。如：开发通用的形貌可控乃至成分可控的简易液相合成方法；合成结构有序的分级材料,并对其组装方式和原因进行深入探讨；研究非经典结晶现象,并推动非经典结晶理论的完善等。
为开发较具普适性的无机物形貌可控合成方法,合成结构有序的分级无机材料以及研究形貌可控合成过程中的经典与非经典结晶现象,厘清其机理。本文以水热法、固相热分解法和离心助界面沉淀法等进行无机材料的形貌可控合成；采用X射线衍射分析(XRD)、穆斯堡尔谱、选区电子衍射(SAED)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、红外可见光谱(FT-IR)、振动样品磁强计(VSM)及全自动比表面积及微孔物理吸附分析仪等多种分析测试手段,对合成产物的结构、成分、形貌、分级结构的组装方式、磁学性能及多孔材料的比表面积与孔径分布等进行了表征和分析。通过研究,得出了如下主要结果：
1.以亚铁氰化钾为单源母体,以水热法为合成方法,通过调节各项反应参数,制备成份与形貌可控的铁氧化物与普鲁士蓝类化合物。
(1)当NaOH浓度为0.1mol/L时,产物为片状四氧化三铁。这种四氧化三铁面积大,其边长约为数十微米。通过对产物形貌随时间变化的研究表明,片状四氧化三铁由纳米颗粒定向组装而成,表现出单晶体的衍射特征。当NaOH浓度为1mol/L时,产物为类八面体状四氧化三铁,SAED表明其为单晶结构。通过对产物形貌随时间变化的研究表明,类八面体状四氧化三铁由片状四氧化三铁溶解后再结晶形成。
(2)在中性环境中,制得了普鲁士白微晶。穆斯堡尔图谱分析表明,这是首次成功合成能在空气中稳定存在的普鲁士白产物。SEM表明产物为立方状普鲁士白微米颗粒,边长约为2-5微米,且部分晶体内部含立方状大孔。分析表明,普鲁士白立方体由层层组装缓慢生长形成,其中大孔的形成是受溶解作用的影响。
(3)在酸性环境中,制得了普鲁士蓝介晶。研究表明,当盐酸浓度超过1mol/L时,可获得八面体状介晶。此八面体介晶的长轴长度约为7微米左右,由数百纳米的颗粒组装构成。SAED表明其表现出单晶的衍射行为特征,说明产物为有序分级组装体。研究表明,由于在酸性条件下,普鲁士蓝易被腐蚀,当对普鲁士蓝的腐蚀http://www.999magnet.com/products/131-magnetic-lifter作用使纳米粒子达到一个适中的浓度时,形成普鲁士蓝介晶。
(4)在酸性环境中,在添加聚乙二醇(PEG)的前提下,制得了普鲁士蓝介晶。产物为赝截角立方体,两端距离约为5-6微米。由纳米颗粒与亚微米立方体组装而成。
(5)在酸性环境中,在添加CTAB的前提下,制得了突出立方体状普鲁士蓝微晶。研究表明,CTAB可抑制普鲁士蓝的成核,使产物尺寸均一性提高,并可吸附在普鲁士蓝晶体的表面,引发盐酸对其普鲁士蓝立方体边、角的选择性侵蚀,使普鲁士蓝立方体转化为突出立方体。
2.以铁氰化钾为单源母体,以水热法为合成方法,在碱性环境中,利用水合肼的还原作用,通过添加表面活性剂,制得了四氧化三铁微晶。当表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)时,CTA+可在晶体表面发生选择性吸附,从而诱导晶体进行缓慢的择优取向生长,形成树枝状四氧化三铁。SAED表明产物为单晶结构。当表面活性剂为柠檬酸钠与CTAB的混合物时,产物为球形颗粒组装而成的四氧化三铁链。
3.以突出立方体状普鲁士蓝微晶为前驱体,通过固相热分解,使其转化为突出立方体状氧化铁。研究表明,此氧化铁为β-Fe2O3与γ-Fe2O3的混合物。同时,由于普鲁士蓝前驱体中C、N元素均被氧化,以气体形式释放,氧化铁晶体中形成了大量的孔隙,构成突出立方状介孔氧化铁。
4.在油相(正己烷与无水乙醇)与水相界面,通过沉淀反应生成普鲁士蓝。利用离心可辅助控制普鲁士蓝的结晶过程。当离心速度较高(5400转/分钟)时,得到无定形纳米颗粒,其粒径小于5nm。当离心速度较低时(3600转/分钟)时,得到结晶纳米立方体,其粒径约为10-30nm。不同离心速度所得产物可被视作普鲁士蓝结晶不同阶段的产物。
5.发现了普鲁士蓝介晶不同的组装方式：在不加入表面活性剂的酸性环境中,由尺寸接近的普鲁士蓝纳米立方体可有序组装形成八面体介晶；在PEG的帮助下,为减小表面积,具有不同尺度的普鲁士蓝纳米颗粒和亚微米立方体可有序组装在一起形成赝截角立方体介晶。
6.利用离心辅助结晶法,研究了无定形普鲁士蓝转化为结晶普鲁士蓝的过程。结果表明,无定形普鲁士蓝颗粒通过聚集、结晶、结晶取向调整的途径形成晶体,而不由传统的溶解-再结晶途径转化为结晶态颗粒。在转化过程中还可观察到“结晶态@无定形态”的核壳结构纳米颗粒,这可被视为无定形纳米颗粒由非经典结晶过程转化为晶体的重要标志。
学位年度:2010
硫化物半导体纳米材料的制备及特性研究
题名:硫化物半导体纳米材料的制备及特性研究
作者:侯士丽
学位授予单位:华东师范大学
关键词:硫化物;;纳米晶;;掺杂;;光致发光特性;;铁磁特性
摘要:
作为宽带隙半导体纳米材料,硫化物半导体纳米材料具有优异的光、电、磁等性质,十几年来一直受到科研工作者的广泛关注。在本论文中,主要研究了ZnS和CdS两种非常重要的硫化物半导体纳米材料,分别采用溶胶-凝胶法和低温水相化学浴沉积法制备了掺杂ZnS纳米晶、水相CdS量子点和CdS薄膜,系统地研究和讨Magnetic lifter论了它们的光学性质,尤其是稀土Eu3+和过渡金属Cu2+、Mn2+掺杂的ZnS纳米晶的光学和磁学特性,并对ZnS:Eu3+纳米晶的晶体场进行了理论分析和计算。为了获得均匀、有序的纳米硫化物阵列体系材料,初步制备了纳米量级的多孔氧化铝模板。
(1)采用溶胶-凝胶法分别制备了ZnS和ZnS:Eu3+纳米晶。利用X射线衍射(XRD)、高分辨透射电镜(HRTEM)、吸收光谱、光致发光光谱及综合物性测试仪等手段对样品的结构、光学及磁学特性进行了表征和探讨。利用变温发光光谱详细分析了在ZnS纳米晶体系中晶体场对Eu3+离子发光性质的影响。研究结果表明：所制备的ZnS纳米晶具有立方闪锌矿结构,且表现出显著的量子尺寸效应。首次在ZnS纳米晶基质中观测到全部的Eu3+离子5D0→7FJ(J=0,1,2,3,4,5,6)能级跃迁发射峰。通过对Eu3+离子5D0→7F1跃迁发射的变温发光特性的研究和晶体场理论分析,证实在立方对称的纳米ZnS晶体中Eu3+离子的7F1多重态并不受晶体场的影响。首次利用5D0→7F2和5D0→7F4跃迁的变温发http://www.999magnet.com/products/131-magnetic-lifter光光谱估算出了ZnS：Eu3+纳米晶的晶体场参数B04和B06的值分别为-59.8 meV和41.6 meV。在300 K和5K时,低掺杂浓度的ZnS:Eu3+纳米晶均呈现出明显的铁磁特性,并且随着外加磁场强度的增大,磁化强度发生饱和。
(2)采用溶胶-凝胶法分别制备了ZnS:Cu2+纳米晶、ZnS:Mn2+纳米晶和共掺杂的ZnS:Cu2+, Mn2+纳米晶,利用高分辨透射电镜(HRTEM)、X射线光电子能谱(XPS)、吸收光谱及光致发光光谱等手段对样品的形貌、化学成分、光学及磁学特性进行了表征和研究。研究结果证实：对于ZnS:Cu2+纳米晶的水-醇胶液样品,当S/Zn=1：2时,发光峰以与Cu2+离子t2能级有关的绿光发射为主；S/Zn=1：1时以跟Zn空位有关的蓝光发射为主。对于ZnS:Cu2+纳米晶薄膜样品,光学性质不受S/Zn比值的影响,所有样品均以绿光发射为主,且有一个较弱的蓝光边翼。但是与胶液中的样品相比,ZnS:Cu2+纳米晶薄膜的绿光和蓝光发射中心均发生一定程度的蓝移。XPS结果显示,在ZnS:Cu2+纳米晶中Cu的3d能级发生了分裂。对于ZnS:Mn2+纳米晶,随着温度的升高,Mn2+离子的特征发光峰发生一定程度的蓝移。在300 K时低掺杂浓度的ZnS:Mn2+纳米晶呈现出明显的铁磁特性。ZnS:Cu2+, Mn2+纳米晶的平均粒径为2.5 nm,当Cu2+和Mn2+的摩尔浓度分别为0.1%和0.5%时,其发光范围几乎可以完全覆盖整个可见光区域。另外,在高掺杂浓度时,晶格中会形成大量的掺杂离子对,可以提高非辐射复合的几率,导致掺杂离子的特征发光峰和ZnS基质的缺陷发光峰均发生淬灭。
(3)采用低温化学浴沉积法制备了水相CdS量子点和CdS纳米膜。研究结果表明：在水相CdS量子点中引入CdCl2溶液进行表面修饰后,可以有效地减少非辐射复合的几率,从而提高CdS量子点的带边发光效率。通过对水相CdS量子点激发光谱的分析,发现在水相CdS量子点的发光过程中存在从硫脲向CdS量子点的能量转移机制。CdS纳米膜呈六方纤锌矿结构,经400℃高温退火后,结晶度提高,而且CdS发射峰的峰位呈现显著红移。
(4)采用恒压阳极氧化法制备了不同孔径的多孔氧化铝模板。
总之,硫化物半导体纳米材料因具有优异的光学和磁学特性而成为研究热点,我们的重点工作包括ZnS纳米晶、水相CdS量子点及CdS纳米薄膜的制备及其光学性质的研究,并且通过掺杂得到性能优异的新型低维发光材料,探讨了掺杂ZnS纳米晶的发光、铁磁性质和发光机理,分析计算了ZnS:Eu3+纳米晶的晶体场。
学位年度:2010
作者:侯士丽
学位授予单位:华东师范大学
关键词:硫化物;;纳米晶;;掺杂;;光致发光特性;;铁磁特性
摘要:
作为宽带隙半导体纳米材料,硫化物半导体纳米材料具有优异的光、电、磁等性质,十几年来一直受到科研工作者的广泛关注。在本论文中,主要研究了ZnS和CdS两种非常重要的硫化物半导体纳米材料,分别采用溶胶-凝胶法和低温水相化学浴沉积法制备了掺杂ZnS纳米晶、水相CdS量子点和CdS薄膜,系统地研究和讨Magnetic lifter论了它们的光学性质,尤其是稀土Eu3+和过渡金属Cu2+、Mn2+掺杂的ZnS纳米晶的光学和磁学特性,并对ZnS:Eu3+纳米晶的晶体场进行了理论分析和计算。为了获得均匀、有序的纳米硫化物阵列体系材料,初步制备了纳米量级的多孔氧化铝模板。
(1)采用溶胶-凝胶法分别制备了ZnS和ZnS:Eu3+纳米晶。利用X射线衍射(XRD)、高分辨透射电镜(HRTEM)、吸收光谱、光致发光光谱及综合物性测试仪等手段对样品的结构、光学及磁学特性进行了表征和探讨。利用变温发光光谱详细分析了在ZnS纳米晶体系中晶体场对Eu3+离子发光性质的影响。研究结果表明：所制备的ZnS纳米晶具有立方闪锌矿结构,且表现出显著的量子尺寸效应。首次在ZnS纳米晶基质中观测到全部的Eu3+离子5D0→7FJ(J=0,1,2,3,4,5,6)能级跃迁发射峰。通过对Eu3+离子5D0→7F1跃迁发射的变温发光特性的研究和晶体场理论分析,证实在立方对称的纳米ZnS晶体中Eu3+离子的7F1多重态并不受晶体场的影响。首次利用5D0→7F2和5D0→7F4跃迁的变温发http://www.999magnet.com/products/131-magnetic-lifter光光谱估算出了ZnS：Eu3+纳米晶的晶体场参数B04和B06的值分别为-59.8 meV和41.6 meV。在300 K和5K时,低掺杂浓度的ZnS:Eu3+纳米晶均呈现出明显的铁磁特性,并且随着外加磁场强度的增大,磁化强度发生饱和。
(2)采用溶胶-凝胶法分别制备了ZnS:Cu2+纳米晶、ZnS:Mn2+纳米晶和共掺杂的ZnS:Cu2+, Mn2+纳米晶,利用高分辨透射电镜(HRTEM)、X射线光电子能谱(XPS)、吸收光谱及光致发光光谱等手段对样品的形貌、化学成分、光学及磁学特性进行了表征和研究。研究结果证实：对于ZnS:Cu2+纳米晶的水-醇胶液样品,当S/Zn=1：2时,发光峰以与Cu2+离子t2能级有关的绿光发射为主；S/Zn=1：1时以跟Zn空位有关的蓝光发射为主。对于ZnS:Cu2+纳米晶薄膜样品,光学性质不受S/Zn比值的影响,所有样品均以绿光发射为主,且有一个较弱的蓝光边翼。但是与胶液中的样品相比,ZnS:Cu2+纳米晶薄膜的绿光和蓝光发射中心均发生一定程度的蓝移。XPS结果显示,在ZnS:Cu2+纳米晶中Cu的3d能级发生了分裂。对于ZnS:Mn2+纳米晶,随着温度的升高,Mn2+离子的特征发光峰发生一定程度的蓝移。在300 K时低掺杂浓度的ZnS:Mn2+纳米晶呈现出明显的铁磁特性。ZnS:Cu2+, Mn2+纳米晶的平均粒径为2.5 nm,当Cu2+和Mn2+的摩尔浓度分别为0.1%和0.5%时,其发光范围几乎可以完全覆盖整个可见光区域。另外,在高掺杂浓度时,晶格中会形成大量的掺杂离子对,可以提高非辐射复合的几率,导致掺杂离子的特征发光峰和ZnS基质的缺陷发光峰均发生淬灭。
(3)采用低温化学浴沉积法制备了水相CdS量子点和CdS纳米膜。研究结果表明：在水相CdS量子点中引入CdCl2溶液进行表面修饰后,可以有效地减少非辐射复合的几率,从而提高CdS量子点的带边发光效率。通过对水相CdS量子点激发光谱的分析,发现在水相CdS量子点的发光过程中存在从硫脲向CdS量子点的能量转移机制。CdS纳米膜呈六方纤锌矿结构,经400℃高温退火后,结晶度提高,而且CdS发射峰的峰位呈现显著红移。
(4)采用恒压阳极氧化法制备了不同孔径的多孔氧化铝模板。
总之,硫化物半导体纳米材料因具有优异的光学和磁学特性而成为研究热点,我们的重点工作包括ZnS纳米晶、水相CdS量子点及CdS纳米薄膜的制备及其光学性质的研究,并且通过掺杂得到性能优异的新型低维发光材料,探讨了掺杂ZnS纳米晶的发光、铁磁性质和发光机理,分析计算了ZnS:Eu3+纳米晶的晶体场。
学位年度:2010
层状双氢氧化物及碳纳米管/聚合物纳米复合材料的制备、结构与性能研究
题名:层状双氢氧化物及碳纳米管/聚合物纳米复合材料的制备、结构与性能研究
作者:彭红丹
学位授予单位:复旦大学
关键词:层状双氢氧化物;;碳纳米管;;纳米复合材料;;尼龙6;;聚己内酯
摘要:
聚合物/无机纳米复合材料不仅具有独特的纳米级分散形态,而且将其组分的优点在纳米尺度上完美地结合起来,因此表现出不同于常规微观复合材料的力学、热学、电、磁和光学等性能。不仅如此,它还可能具有单一的原组Magnetic lifter分所不具备的特殊性能或功能,因此为设计和制备高性能、多功能新型复合材料提供了新的机遇和挑战。
本论文工作主要在聚合物/层状双氢氧化物(LDH)纳米复合材料和聚合物/碳纳米管(CNT)复合材料领域内展开。一方面,本论文探讨了聚合物/LDH纳米复合材料的制备方法,并对其结构/形态和性能进行了表征。采用原位聚合和溶液共混两种方法制备了尼龙6/CoAl-LDH、聚己内酯/CoAl-LDH剥离型纳米复合材料。同时还利用LDH和CNT各自独特的几何特征和物理性能制备了性能优异的尼龙6/CoAl-LDH/CNT三元纳米复合材料。另一方面,本论文还探讨了1,3-偶极环加成反应和Curtius重排反应组合修饰CNT的改性方法在尼龙6功能化CNT中的应用。
1.制备了CoAl-LDH纳米颗粒并对其进行了插层改性,然后采用原位聚合方法获得了力学性能优异的新型CoAl-LDH/PA6二元纳米复合材料。当仅加入1 wt% LDH时,尼龙6纳米复合材料的弹性模量、屈服强度和硬度比纯尼龙6分别提高了100%、75%和25%。此外,均匀分散的LDH纳米片层使尼龙6复合材料的热分解温度显著提高。
2.采用简单溶液共混方法制备了完全层离型CoAl-LDH/聚己内酯(PCL)纳米复合材料。将热重分析、动态红外光谱与二维红外光谱技术联合起来,分析和探讨了复合材料热稳定降低的原因,即材料的热降解机理,结果表明：尽管剥离的CoAl-LDH片层的阻隔效果能在一定程度上提高复合材料的热稳定性,但在高温时也同时能催化PCL分子链的分解,从而降低复合材料的热稳定性。DSC研究结果表明剥离的LDH片层起异相成核剂的作用,从而加速PCL的熔体结晶过程。
3.通过DSC方法研究了PCL及其CoAl-LDH纳米复合材料的非等温结晶动力学行为以及CoAl-LDH含量变化对复合材料结晶行为和结晶形态的影响。结果表明,Avrami方法和Ozawa方法在分析该类纳米复合材料的非等温熔体结晶过程时均存在一定的局限性,而将二者联合的Liu-Mo方法则能成功处理PCL及其复合材料的非等温熔体结晶动力学行为。结果表明,在复合材料的非等温熔体结晶过程中,由于纳米颗粒的异相成核作用,少量LDH的加入即能加快PCL的结晶速度。偏光显微镜照片也证实了这个结果。此外,还应用Kissinger, Takhor和Augis-Bennett三种模型对非等温熔体结晶活化能进行了估算。
4.通过1,3-偶极环加成反应和Curtius重排反应得到了己内酰胺功能化的碳纳米管,其合成路线包括：(1)原始SWNT在微波辅助条件下,与3,4-二羟基苯甲醛、肌胺酸发生1,3-偶极环加成反应,得到表面带有酚羟基的碳纳米管；(2)常温搅拌时与4-羧基邻苯二甲酸酐反应得到表面带有芳香羧基的碳纳米管；(3)通过Curtius重排反应原位形成异氰酸酯功能化的碳纳米管,但并不分离中间体,直接一锅反应得到己内酰胺功能化的碳纳米管。在此基础上,用阴离子聚合方法得到了表面接枝尼龙6分子链的碳纳米管。TGA结果表明尼龙6在碳纳米管表面上的接枝率可达45%以上。
5.通过原位聚合方法制备了PA6/CNT、PA6/LDH、PA6/LDH/CNT三种纳米复合材料,并比较了它们的力学性能。当同时加入0.5 wt% CNT和1 wt% LDH时,复合材料的力学性能最优。与纯尼龙6相比,该三元纳米复合材料的弹性模量和拉伸强度分别提高了230%和128%,并同时保持了适当的断裂伸长率,因此明显表现出LDH和CNT的协同增强效应。这可能是因为碳纳米管能够插层进入LDH的层间,形成了一定程度的相互穿插和咬合,然后以不同的方式分散在尼龙6基体中,并在基体内部分别http://www.999magnet.com/products/131-magnetic-lifter与聚合物分子链相互作用、贯穿、缠结,最后形成了彼此接触的空间立体网络结构。材料的流变学行为研究表明在复合材料中确实存在着由CNT、LDH以及尼龙6分子链构成的网络结构。此外,对尼龙6复合材料断面形貌的研究表明,LDH和CNT同时均匀分散在尼龙6基体中,并与聚合物之间有着良好的界面相互作用。
学位年度:2010
作者:彭红丹
学位授予单位:复旦大学
关键词:层状双氢氧化物;;碳纳米管;;纳米复合材料;;尼龙6;;聚己内酯
摘要:
聚合物/无机纳米复合材料不仅具有独特的纳米级分散形态,而且将其组分的优点在纳米尺度上完美地结合起来,因此表现出不同于常规微观复合材料的力学、热学、电、磁和光学等性能。不仅如此,它还可能具有单一的原组Magnetic lifter分所不具备的特殊性能或功能,因此为设计和制备高性能、多功能新型复合材料提供了新的机遇和挑战。
本论文工作主要在聚合物/层状双氢氧化物(LDH)纳米复合材料和聚合物/碳纳米管(CNT)复合材料领域内展开。一方面,本论文探讨了聚合物/LDH纳米复合材料的制备方法,并对其结构/形态和性能进行了表征。采用原位聚合和溶液共混两种方法制备了尼龙6/CoAl-LDH、聚己内酯/CoAl-LDH剥离型纳米复合材料。同时还利用LDH和CNT各自独特的几何特征和物理性能制备了性能优异的尼龙6/CoAl-LDH/CNT三元纳米复合材料。另一方面,本论文还探讨了1,3-偶极环加成反应和Curtius重排反应组合修饰CNT的改性方法在尼龙6功能化CNT中的应用。
1.制备了CoAl-LDH纳米颗粒并对其进行了插层改性,然后采用原位聚合方法获得了力学性能优异的新型CoAl-LDH/PA6二元纳米复合材料。当仅加入1 wt% LDH时,尼龙6纳米复合材料的弹性模量、屈服强度和硬度比纯尼龙6分别提高了100%、75%和25%。此外,均匀分散的LDH纳米片层使尼龙6复合材料的热分解温度显著提高。
2.采用简单溶液共混方法制备了完全层离型CoAl-LDH/聚己内酯(PCL)纳米复合材料。将热重分析、动态红外光谱与二维红外光谱技术联合起来,分析和探讨了复合材料热稳定降低的原因,即材料的热降解机理,结果表明：尽管剥离的CoAl-LDH片层的阻隔效果能在一定程度上提高复合材料的热稳定性,但在高温时也同时能催化PCL分子链的分解,从而降低复合材料的热稳定性。DSC研究结果表明剥离的LDH片层起异相成核剂的作用,从而加速PCL的熔体结晶过程。
3.通过DSC方法研究了PCL及其CoAl-LDH纳米复合材料的非等温结晶动力学行为以及CoAl-LDH含量变化对复合材料结晶行为和结晶形态的影响。结果表明,Avrami方法和Ozawa方法在分析该类纳米复合材料的非等温熔体结晶过程时均存在一定的局限性,而将二者联合的Liu-Mo方法则能成功处理PCL及其复合材料的非等温熔体结晶动力学行为。结果表明,在复合材料的非等温熔体结晶过程中,由于纳米颗粒的异相成核作用,少量LDH的加入即能加快PCL的结晶速度。偏光显微镜照片也证实了这个结果。此外,还应用Kissinger, Takhor和Augis-Bennett三种模型对非等温熔体结晶活化能进行了估算。
4.通过1,3-偶极环加成反应和Curtius重排反应得到了己内酰胺功能化的碳纳米管,其合成路线包括：(1)原始SWNT在微波辅助条件下,与3,4-二羟基苯甲醛、肌胺酸发生1,3-偶极环加成反应,得到表面带有酚羟基的碳纳米管；(2)常温搅拌时与4-羧基邻苯二甲酸酐反应得到表面带有芳香羧基的碳纳米管；(3)通过Curtius重排反应原位形成异氰酸酯功能化的碳纳米管,但并不分离中间体,直接一锅反应得到己内酰胺功能化的碳纳米管。在此基础上,用阴离子聚合方法得到了表面接枝尼龙6分子链的碳纳米管。TGA结果表明尼龙6在碳纳米管表面上的接枝率可达45%以上。
5.通过原位聚合方法制备了PA6/CNT、PA6/LDH、PA6/LDH/CNT三种纳米复合材料,并比较了它们的力学性能。当同时加入0.5 wt% CNT和1 wt% LDH时,复合材料的力学性能最优。与纯尼龙6相比,该三元纳米复合材料的弹性模量和拉伸强度分别提高了230%和128%,并同时保持了适当的断裂伸长率,因此明显表现出LDH和CNT的协同增强效应。这可能是因为碳纳米管能够插层进入LDH的层间,形成了一定程度的相互穿插和咬合,然后以不同的方式分散在尼龙6基体中,并在基体内部分别http://www.999magnet.com/products/131-magnetic-lifter与聚合物分子链相互作用、贯穿、缠结,最后形成了彼此接触的空间立体网络结构。材料的流变学行为研究表明在复合材料中确实存在着由CNT、LDH以及尼龙6分子链构成的网络结构。此外,对尼龙6复合材料断面形貌的研究表明,LDH和CNT同时均匀分散在尼龙6基体中,并与聚合物之间有着良好的界面相互作用。
学位年度:2010
陕西省煎茶岭金镍矿田构造特征及其控岩控矿作用
题名:陕西省煎茶岭金镍矿田构造特征及其控岩控矿作用
作者:聂江涛
学位授予单位:长安大学
关键词:矿田构造;;金镍矿;;韧性剪切带;;控岩控矿;;煎茶岭
摘要:
煎茶岭金镍矿田位于扬子板块和秦岭造山带的结合部位,大地构造位置独特。只有弹丸之地的煎茶岭矿田聚集着金矿、镍矿、铁矿、石棉矿、菱镁矿、蛇纹石纳米管材料等多种金属和非金属矿产。目前,煎茶岭镍矿床已进入开采阶段,金矿也进行外围找矿。研究该区的构造变形不仅可以为恢复扬子板块和秦岭造Magnetic lifter山带区域构造演化规律提供最直接和最基本的地质素材,而且还可以分析矿田内金镍矿的控矿规律,指导今后找矿工作,因此,煎茶岭金镍矿田构造研究具有重大的理论和实际意义。
本文采用构造解析的方法,以煎茶岭金镍矿田构造特征为研究中心,将区内控岩控矿作用作为研究重点,并以区域构造、构造地质学、构造岩石学、地球化学、同位素年代学和矿床学等学科理论为基础,系统研究矿田构造特征与演化规律、金镍矿的控矿构造特征和控岩控矿作用,进而探讨了研究区内找矿方向。取得的主要成果和认识可概括为以下几点：
(1)分析了变质基底中元古界接官亭多期褶皱变形：中元古代初期,中基性火山岩、酸性火山岩以及火山凝灰岩生成之后,接官亭组沉积了少量碎屑岩和炭质泥岩；中元古代末期,接官亭组发生第一期褶皱,褶皱的北翼为正常翼,南翼为倒转翼,轴面产状S1≈216°∠45°,形成的重斜褶皱枢纽产状为β1≈215°∠50°,晚期褶皱叠加在早期重斜褶皱之上,致使早期轴面发生弯曲,形成背斜,其轴面产状165°∠75°,枢纽产状β2≈70°∠20°。加里东早期,盖层在构造运动作用下形成了一系列轴面近东西向褶皱,主要有：断头崖向斜、九道拐向斜、官地梁向斜、西渠沟背斜等,其中,九道拐向斜和断头崖向斜为似箱状褶皱,枢纽向东倾伏,倾伏角20°-30°；西渠沟背斜为线性褶皱,两者轴面走向115°-120°；官地梁向斜为短轴褶皱。本区地层受多期褶皱控制。
(2)在煎茶岭金镍矿田厘定了两条区域韧性剪切带：北西西向区域韧性剪切带和北东向区域韧性剪切带(以下简称北西西向韧性剪切带和北东向韧性剪切带)。通过野外调研和室内定向薄片鉴定以及透射电子显微镜观察,对其运动学、动力学特征进行了系统总结。研究还发现,这两组共轭韧性剪切带的形成与演化不仅对煎茶岭超基性岩、花岗斑岩及钠长斑岩具有严格的控制作用,而且还是重要的控矿因素。
矿田内新厘定两条韧性剪切带特征表现为：北西西向韧性剪切带和北东向韧性剪切带呈共轭产出,经历了三期活动。中元古代晚期,北西西向脆韧性剪切带为压扭性右行剪切,北东向脆韧性剪切带为压扭性左行剪切,σ1≈282°∠24°,古应力值约59.1MPa,动力变质作用达高绿片岩亚相,两者均为平面型应变；加里东期,北西西向脆韧性剪切带为张扭性右行剪切,北东向脆韧性剪切带为张扭性左行剪切,σ1≈344°∠78°,古应力值约86.5MPa,动力变质作用为中绿片岩亚相；印支期,随着脆性程度进一http://www.999magnet.com/products/131-magnetic-lifter步增加,北西西向韧脆性剪切带经历了压扭性左行剪切,北东向韧脆性剪切带经历了压扭性右行剪切,σ1≈120°∠20°,古应力值约116.3MPa,动力变质作用为低绿片岩亚相,两者为压扁型应变特征。北西西向韧性剪切带总拉伸量为0.259%,第一、二期右行位移量为0.98km,第三期左行位移量为1.65km,二者相差0.67km。
(3)对煎茶岭超基性岩和花岗斑岩的岩体构造进行了初步研究,提出了煎茶岭超基性岩体和花岗斑岩岩体的就位机制：北西西向和北东向韧性剪切带中期活动过程中,超基性岩体以岩墙扩展式侵入到韧性剪切带内后经历了剪切作用的改造生成蛇纹质糜棱岩、滑镁质糜棱岩和糜棱岩化菱镁岩等动力变质岩；两韧性剪切带第三期活动时,花岗斑岩体以气球膨胀式侵位。根据岩体与围岩的接触关系,对超基性岩形成的地质时代提出了新的认识。由于岩体与震旦纪白云岩和炭质片岩存在穿插关系,而且在超基性岩内多处发现它们的捕虏体,因此认为超基性岩形成的地质时代应晚于震旦纪。结合韧性剪切带活动期次,超基性岩形成于加里东期。
(4)通过控矿因素和矿床地质特征的研究,针对煎茶岭金、镍矿床,提出了韧性剪切带-超基性岩-酸性岩体(脉)三位一体的成矿机制。认为煎茶岭金、镍矿床具有相同的控矿因素和相似的成矿作用,它们是在统一的成矿系统中不同的物理化学条件下,在同一地质时期形成的。
(5)煎茶岭花岗斑岩体结晶时代确定为216±4Ma,其代表时代为三叠纪(印支期),通过综合研究,认为花岗斑岩与金、镍矿床和韧性剪切带具有密切的时间、空间和成因联系。说明煎茶岭金镍矿的成矿时代是印支期,同时限定了第三期韧脆性剪切活动发生在印支期。
(6)总结了煎茶岭金镍矿田内控矿韧脆性剪切带特征和控矿规律。金矿控矿构造位于构造蚀变超基性岩体与白云质糜棱岩接触带附近的韧脆性剪切带之中,总体倾向100°-50°,局部东倾,倾角变化于50°-85°之间,无论沿走向还是顺倾向均呈舒缓波状；发育的动力变质岩主要以韧脆性变形为主；利用透射电镜观察,与金矿有关的脉石英形成大量的位错弓弯、位错环、位错列、位错壁、位错网、亚晶粒构造等；金矿体绕超基性岩分布,形成“金项链”控金格局。镍矿控矿构造位于以花岗斑岩为核的“σ”型“旋转碎斑系”拖尾内韧脆性剪切带之中,即花岗斑岩体西北和东南方位拖尾部位；控矿构造产状为170°-200°∠56°-80°,无论沿走向还是顺倾向均呈舒缓波状；发育的动力变质岩以韧脆性变形为主,构造岩中可见S-C面理、旋转碎斑系、亚颗粒、膝折带等；目前,发现的绝大部分镍矿体位于“旋转碎斑系”的北西向“拖尾”中,东南“拖尾”中也发现很好的镍矿化,具有极好的成矿条件。
(7)根据本论文研究成果,笔者认为煎茶岭金镍矿田构造演化时序可能是：①晚太古代末期,鱼洞子群经历了强烈变形变质作用的改造,生成花岗质片麻岩、浅粒岩、变粒岩、磁铁石英岩等,同时发育褶皱,变质作用达(低)角闪岩相。随后,该区处于隆起剥蚀阶段。②中元古代末期,在接官亭组地层形成并发生多期变形之后,区内发生了韧性剪切变形,形成北西西向和北东向两条共轭韧性剪切带。随后地层挤压褶皱隆升,在接官亭组产生了一系列褶曲,同时在鱼洞子群,该期褶皱叠加在早期等斜、同斜及重斜褶皱之上。③晚元古代晚期,研究区随扬子板块一同进入稳定的被动大陆边缘演化阶段,广泛沉积了下震旦统断头崖组和九道拐组,断头崖组与中元古界接官亭组呈明显的角度不整合接触。④加里东期,研究区发生一期强烈挤压褶皱和推覆构造之后,再次发生韧性剪切活动,北西西向和北东向张扭性韧性剪切带交汇部位变形相对较强烈,形成薄弱地带,且向下有较大延伸,提供了超基性岩浆侵入的有利通道,形成了煎茶岭超基性岩,随着剪切活动的持续进行,岩体也随之发生了强烈的塑性变形。由于地壳上隆,区内缺失寒武纪-泥盆纪地层。⑤印支期,区内构造再次活动,引起北西西向和北东向韧性剪切带发生第三期活动,随之带内有花岗斑岩和钠长斑岩脉侵入。⑥印支运动之后(燕山-喜山期),三角区和扬子板块向秦岭俯冲碰撞造山,导致研究区内南北地层不同程度的剥蚀,F18以北九道拐组和略阳组地层大部分被剥蚀,其程度明显大于南部。
(8)根据“韧性剪切带-超基性岩-酸性岩体(脉)三位一体”的原则,笔者圈出四个金、镍矿的成矿远景区：构造蚀变超基性岩体东南部金矿成矿远景区、花岗斑岩东南和西北部镍矿成矿远景区、九道拐金镍矿成矿远景区。
本文创新点有如下两点：
①笔者在煎茶岭金镍矿田新厘定了两条区域韧性剪切带：北西西向区域韧性剪切带和北东向区域韧性剪切带,详细研究了它们的几何学、运动学、动力学以及两韧性剪切带相互关系、变质相、变形期次和构造应力场等特征,进而探讨了它们对矿田内超基性岩体、花岗斑岩体、钠长斑岩脉以及金镍等矿产的控制作用。
②总结了煎茶岭金镍矿田内控矿韧脆性剪切带特征和控矿规律。控金构造是蚀变超基性岩体与白云质糜棱岩接触带附近的韧脆性剪切带,金矿体绕超基性岩分布,形成“金项链”控金格局；镍矿控矿构造是以花岗斑岩为核的“σ”型“旋转碎斑系”拖尾内韧脆性剪切带。目前,发现的绝大部分镍矿体位于“旋转碎斑系”的北西向“拖尾”中,东南“拖尾”中也发现很好的镍矿化,具有极好的成矿条件。
学位年度:2010
作者:聂江涛
学位授予单位:长安大学
关键词:矿田构造;;金镍矿;;韧性剪切带;;控岩控矿;;煎茶岭
摘要:
煎茶岭金镍矿田位于扬子板块和秦岭造山带的结合部位,大地构造位置独特。只有弹丸之地的煎茶岭矿田聚集着金矿、镍矿、铁矿、石棉矿、菱镁矿、蛇纹石纳米管材料等多种金属和非金属矿产。目前,煎茶岭镍矿床已进入开采阶段,金矿也进行外围找矿。研究该区的构造变形不仅可以为恢复扬子板块和秦岭造Magnetic lifter山带区域构造演化规律提供最直接和最基本的地质素材,而且还可以分析矿田内金镍矿的控矿规律,指导今后找矿工作,因此,煎茶岭金镍矿田构造研究具有重大的理论和实际意义。
本文采用构造解析的方法,以煎茶岭金镍矿田构造特征为研究中心,将区内控岩控矿作用作为研究重点,并以区域构造、构造地质学、构造岩石学、地球化学、同位素年代学和矿床学等学科理论为基础,系统研究矿田构造特征与演化规律、金镍矿的控矿构造特征和控岩控矿作用,进而探讨了研究区内找矿方向。取得的主要成果和认识可概括为以下几点：
(1)分析了变质基底中元古界接官亭多期褶皱变形：中元古代初期,中基性火山岩、酸性火山岩以及火山凝灰岩生成之后,接官亭组沉积了少量碎屑岩和炭质泥岩；中元古代末期,接官亭组发生第一期褶皱,褶皱的北翼为正常翼,南翼为倒转翼,轴面产状S1≈216°∠45°,形成的重斜褶皱枢纽产状为β1≈215°∠50°,晚期褶皱叠加在早期重斜褶皱之上,致使早期轴面发生弯曲,形成背斜,其轴面产状165°∠75°,枢纽产状β2≈70°∠20°。加里东早期,盖层在构造运动作用下形成了一系列轴面近东西向褶皱,主要有：断头崖向斜、九道拐向斜、官地梁向斜、西渠沟背斜等,其中,九道拐向斜和断头崖向斜为似箱状褶皱,枢纽向东倾伏,倾伏角20°-30°；西渠沟背斜为线性褶皱,两者轴面走向115°-120°；官地梁向斜为短轴褶皱。本区地层受多期褶皱控制。
(2)在煎茶岭金镍矿田厘定了两条区域韧性剪切带：北西西向区域韧性剪切带和北东向区域韧性剪切带(以下简称北西西向韧性剪切带和北东向韧性剪切带)。通过野外调研和室内定向薄片鉴定以及透射电子显微镜观察,对其运动学、动力学特征进行了系统总结。研究还发现,这两组共轭韧性剪切带的形成与演化不仅对煎茶岭超基性岩、花岗斑岩及钠长斑岩具有严格的控制作用,而且还是重要的控矿因素。
矿田内新厘定两条韧性剪切带特征表现为：北西西向韧性剪切带和北东向韧性剪切带呈共轭产出,经历了三期活动。中元古代晚期,北西西向脆韧性剪切带为压扭性右行剪切,北东向脆韧性剪切带为压扭性左行剪切,σ1≈282°∠24°,古应力值约59.1MPa,动力变质作用达高绿片岩亚相,两者均为平面型应变；加里东期,北西西向脆韧性剪切带为张扭性右行剪切,北东向脆韧性剪切带为张扭性左行剪切,σ1≈344°∠78°,古应力值约86.5MPa,动力变质作用为中绿片岩亚相；印支期,随着脆性程度进一http://www.999magnet.com/products/131-magnetic-lifter步增加,北西西向韧脆性剪切带经历了压扭性左行剪切,北东向韧脆性剪切带经历了压扭性右行剪切,σ1≈120°∠20°,古应力值约116.3MPa,动力变质作用为低绿片岩亚相,两者为压扁型应变特征。北西西向韧性剪切带总拉伸量为0.259%,第一、二期右行位移量为0.98km,第三期左行位移量为1.65km,二者相差0.67km。
(3)对煎茶岭超基性岩和花岗斑岩的岩体构造进行了初步研究,提出了煎茶岭超基性岩体和花岗斑岩岩体的就位机制：北西西向和北东向韧性剪切带中期活动过程中,超基性岩体以岩墙扩展式侵入到韧性剪切带内后经历了剪切作用的改造生成蛇纹质糜棱岩、滑镁质糜棱岩和糜棱岩化菱镁岩等动力变质岩；两韧性剪切带第三期活动时,花岗斑岩体以气球膨胀式侵位。根据岩体与围岩的接触关系,对超基性岩形成的地质时代提出了新的认识。由于岩体与震旦纪白云岩和炭质片岩存在穿插关系,而且在超基性岩内多处发现它们的捕虏体,因此认为超基性岩形成的地质时代应晚于震旦纪。结合韧性剪切带活动期次,超基性岩形成于加里东期。
(4)通过控矿因素和矿床地质特征的研究,针对煎茶岭金、镍矿床,提出了韧性剪切带-超基性岩-酸性岩体(脉)三位一体的成矿机制。认为煎茶岭金、镍矿床具有相同的控矿因素和相似的成矿作用,它们是在统一的成矿系统中不同的物理化学条件下,在同一地质时期形成的。
(5)煎茶岭花岗斑岩体结晶时代确定为216±4Ma,其代表时代为三叠纪(印支期),通过综合研究,认为花岗斑岩与金、镍矿床和韧性剪切带具有密切的时间、空间和成因联系。说明煎茶岭金镍矿的成矿时代是印支期,同时限定了第三期韧脆性剪切活动发生在印支期。
(6)总结了煎茶岭金镍矿田内控矿韧脆性剪切带特征和控矿规律。金矿控矿构造位于构造蚀变超基性岩体与白云质糜棱岩接触带附近的韧脆性剪切带之中,总体倾向100°-50°,局部东倾,倾角变化于50°-85°之间,无论沿走向还是顺倾向均呈舒缓波状；发育的动力变质岩主要以韧脆性变形为主；利用透射电镜观察,与金矿有关的脉石英形成大量的位错弓弯、位错环、位错列、位错壁、位错网、亚晶粒构造等；金矿体绕超基性岩分布,形成“金项链”控金格局。镍矿控矿构造位于以花岗斑岩为核的“σ”型“旋转碎斑系”拖尾内韧脆性剪切带之中,即花岗斑岩体西北和东南方位拖尾部位；控矿构造产状为170°-200°∠56°-80°,无论沿走向还是顺倾向均呈舒缓波状；发育的动力变质岩以韧脆性变形为主,构造岩中可见S-C面理、旋转碎斑系、亚颗粒、膝折带等；目前,发现的绝大部分镍矿体位于“旋转碎斑系”的北西向“拖尾”中,东南“拖尾”中也发现很好的镍矿化,具有极好的成矿条件。
(7)根据本论文研究成果,笔者认为煎茶岭金镍矿田构造演化时序可能是：①晚太古代末期,鱼洞子群经历了强烈变形变质作用的改造,生成花岗质片麻岩、浅粒岩、变粒岩、磁铁石英岩等,同时发育褶皱,变质作用达(低)角闪岩相。随后,该区处于隆起剥蚀阶段。②中元古代末期,在接官亭组地层形成并发生多期变形之后,区内发生了韧性剪切变形,形成北西西向和北东向两条共轭韧性剪切带。随后地层挤压褶皱隆升,在接官亭组产生了一系列褶曲,同时在鱼洞子群,该期褶皱叠加在早期等斜、同斜及重斜褶皱之上。③晚元古代晚期,研究区随扬子板块一同进入稳定的被动大陆边缘演化阶段,广泛沉积了下震旦统断头崖组和九道拐组,断头崖组与中元古界接官亭组呈明显的角度不整合接触。④加里东期,研究区发生一期强烈挤压褶皱和推覆构造之后,再次发生韧性剪切活动,北西西向和北东向张扭性韧性剪切带交汇部位变形相对较强烈,形成薄弱地带,且向下有较大延伸,提供了超基性岩浆侵入的有利通道,形成了煎茶岭超基性岩,随着剪切活动的持续进行,岩体也随之发生了强烈的塑性变形。由于地壳上隆,区内缺失寒武纪-泥盆纪地层。⑤印支期,区内构造再次活动,引起北西西向和北东向韧性剪切带发生第三期活动,随之带内有花岗斑岩和钠长斑岩脉侵入。⑥印支运动之后(燕山-喜山期),三角区和扬子板块向秦岭俯冲碰撞造山,导致研究区内南北地层不同程度的剥蚀,F18以北九道拐组和略阳组地层大部分被剥蚀,其程度明显大于南部。
(8)根据“韧性剪切带-超基性岩-酸性岩体(脉)三位一体”的原则,笔者圈出四个金、镍矿的成矿远景区：构造蚀变超基性岩体东南部金矿成矿远景区、花岗斑岩东南和西北部镍矿成矿远景区、九道拐金镍矿成矿远景区。
本文创新点有如下两点：
①笔者在煎茶岭金镍矿田新厘定了两条区域韧性剪切带：北西西向区域韧性剪切带和北东向区域韧性剪切带,详细研究了它们的几何学、运动学、动力学以及两韧性剪切带相互关系、变质相、变形期次和构造应力场等特征,进而探讨了它们对矿田内超基性岩体、花岗斑岩体、钠长斑岩脉以及金镍等矿产的控制作用。
②总结了煎茶岭金镍矿田内控矿韧脆性剪切带特征和控矿规律。控金构造是蚀变超基性岩体与白云质糜棱岩接触带附近的韧脆性剪切带,金矿体绕超基性岩分布,形成“金项链”控金格局；镍矿控矿构造是以花岗斑岩为核的“σ”型“旋转碎斑系”拖尾内韧脆性剪切带。目前,发现的绝大部分镍矿体位于“旋转碎斑系”的北西向“拖尾”中,东南“拖尾”中也发现很好的镍矿化,具有极好的成矿条件。
学位年度:2010
新疆喀拉通克铜镍硫化物矿床成矿作用与成矿潜力研究
题名:新疆喀拉通克铜镍硫化物矿床成矿作用与成矿潜力研究
作者:王建中
学位授予单位:长安大学
关键词:成矿作用;;深部过程;;成矿潜力;;铜镍硫化物矿床;;喀拉通克;;新疆
摘要:
中亚造山带是世界上重要的成矿带,也是铜镍岩浆硫化物矿床发育的成矿带之一。其中,喀拉通克铜镍硫化物矿床是该成矿带的典型矿床。该矿床成矿岩体小,岩体基性程度相对低,矿床规模大,工业矿体分布较为集中,矿石品位高,从而为研究该类矿床的成因提供了有利条件。论文选择喀拉通克铜镍硫化物矿床为对象,通过岩Magnetic lifter石学、矿物学、PGE地球化学以及Nd、Sr、Pb、Os同位素等的分析测试,对喀拉通克矿床的成矿作用和成矿过程进行研究,探讨了硫化物熔离机制、铂族元素的赋存规律、铂族矿物成因和同位素体系间“脱耦”等问题,建立了成岩成矿模式。并通过研究喀拉通克矿床的铂族元素、铜、镍的特征和分布规律,综合对比喀拉通克、金川、黄山东、白马寨和Voisey'sBay铜镍硫化物矿床的铂族元素特征,对喀拉通克矿床的成矿潜力进行分析,取得的主要进展如下：
(1)利用ICP-MS分析测试了岩石、矿石的PGE含量,并对铂族矿物(PGM)进行了电子探针分析,分析数据丰富了喀拉通克铜镍矿床的研究资料。
(2)研究了铂族矿物的粒径、寄主矿物等微观特征,并通过质量平衡计算、相图分析探讨了该矿床铂族矿物的成因和形成过程,不仅为铂族元素选冶提供了第一手资料,而且为成矿作用和铂族元素富集规律研究提供了矿物学依据。
(3)相似的铂族元素配分曲线和大多数硫化物Co/Ni比值小于1,表明该矿床Y1-Y9岩体群和G21岩体来自同一岩浆系统,为同源岩浆演化的产物,这与岩石主量元素提供的成因信息一致。
(4)区域构造、岩石组合、年代学及岩石地球化学研究表明,喀拉通克矿床形成于早二叠世后碰撞伸展阶段的拉张环境,岩浆源区由被消减板片交代的地幔楔物质和软流圈地幔物质组成,且以软流圈地幔物质为主。岩石圈伸展减薄,软流圈物质上涌并发生减压部分熔融,在软流圈物质加热下地幔楔发生14%的部分熔融,产生铂族元素不亏损的初始岩浆。
(5)PGE特征显示喀拉通克成矿母岩浆为高镁拉斑玄武质岩浆,组成类似于金川母岩浆,为携带大量硫化物熔体和橄榄石等矿物的“晶粥”。在深部岩浆房,初始岩浆局部混染少量地壳物质,橄榄石、辉石和铬铁矿等矿物发生分离结晶作用,使得岩浆中硫化物达到饱和而熔离,少量硫化物预先熔离伴随橄榄石等的丢失,导致成矿母岩浆亏损铂族元素。
(6)选择性混染导致岩浆中Os的含量和初始Os同位素组成增高,而对Sr、Nd、O同位素体系的影响较弱,造成Os、Sr、Nd、O同位素问发生“脱耦”。
(7)喀拉通克矿床铂族矿物以Pt、Pd、Ni的碲化物、铋化物固溶体系列矿物为主,分布不均一,主要分布在磁黄铁矿、镍黄铁矿等硫化物中。粒径多在3-5um。矿物组合、质量平衡计算和相图分析显示,铂族元素主要以铂族矿物的形式存在,多数铂族矿物为岩浆熔离成因,个别矿物颗粒可能为热液叠加作用的产物。
(8)喀拉通克矿床浸染状矿石宏观上具有最先成矿的特点,相似的Pd/Ir、Pt/Pd、Cu/Pd比值及IPGE与PPGE之间分异不明显,说明浸染状矿石是含矿岩浆较快速度冷凝与就地结晶分异的产物。而致密块状矿石宏观上晚于浸染状矿石侵位,具有岩浆通道贯入成矿的特征,IPGE比PPGE更加亏损,且IPGE与PPGE之间分异显著,这意味着硫化物熔体在深部岩浆房与更多的橄榄石、铬铁矿等矿物反应,http://www.999magnet.com/products/131-magnetic-lifter而后贯入到构造破碎带,经历单硫化物固溶体分离结晶后形成块状矿石。
(9)在考虑矿床成岩成矿大陆动力学背景的基础上,以成矿作用和深部成矿过程为核心,建立了喀拉通克铜镍矿床的成岩成矿模式。
(10)喀拉通克、金川、白马寨、黄山东和Voisey's Bay铜镍矿床均经历了深部硫化物熔离作用,硫化物熔离导致母岩浆亏损PGE,但对Ni和Cu而言可能起到预富集作用。因此,在目前的勘查深度内喀拉通克铜镍矿床的PGE成矿潜力有限,而铜、镍的成矿潜力较大。
学位年度:2010
作者:王建中
学位授予单位:长安大学
关键词:成矿作用;;深部过程;;成矿潜力;;铜镍硫化物矿床;;喀拉通克;;新疆
摘要:
中亚造山带是世界上重要的成矿带,也是铜镍岩浆硫化物矿床发育的成矿带之一。其中,喀拉通克铜镍硫化物矿床是该成矿带的典型矿床。该矿床成矿岩体小,岩体基性程度相对低,矿床规模大,工业矿体分布较为集中,矿石品位高,从而为研究该类矿床的成因提供了有利条件。论文选择喀拉通克铜镍硫化物矿床为对象,通过岩Magnetic lifter石学、矿物学、PGE地球化学以及Nd、Sr、Pb、Os同位素等的分析测试,对喀拉通克矿床的成矿作用和成矿过程进行研究,探讨了硫化物熔离机制、铂族元素的赋存规律、铂族矿物成因和同位素体系间“脱耦”等问题,建立了成岩成矿模式。并通过研究喀拉通克矿床的铂族元素、铜、镍的特征和分布规律,综合对比喀拉通克、金川、黄山东、白马寨和Voisey'sBay铜镍硫化物矿床的铂族元素特征,对喀拉通克矿床的成矿潜力进行分析,取得的主要进展如下：
(1)利用ICP-MS分析测试了岩石、矿石的PGE含量,并对铂族矿物(PGM)进行了电子探针分析,分析数据丰富了喀拉通克铜镍矿床的研究资料。
(2)研究了铂族矿物的粒径、寄主矿物等微观特征,并通过质量平衡计算、相图分析探讨了该矿床铂族矿物的成因和形成过程,不仅为铂族元素选冶提供了第一手资料,而且为成矿作用和铂族元素富集规律研究提供了矿物学依据。
(3)相似的铂族元素配分曲线和大多数硫化物Co/Ni比值小于1,表明该矿床Y1-Y9岩体群和G21岩体来自同一岩浆系统,为同源岩浆演化的产物,这与岩石主量元素提供的成因信息一致。
(4)区域构造、岩石组合、年代学及岩石地球化学研究表明,喀拉通克矿床形成于早二叠世后碰撞伸展阶段的拉张环境,岩浆源区由被消减板片交代的地幔楔物质和软流圈地幔物质组成,且以软流圈地幔物质为主。岩石圈伸展减薄,软流圈物质上涌并发生减压部分熔融,在软流圈物质加热下地幔楔发生14%的部分熔融,产生铂族元素不亏损的初始岩浆。
(5)PGE特征显示喀拉通克成矿母岩浆为高镁拉斑玄武质岩浆,组成类似于金川母岩浆,为携带大量硫化物熔体和橄榄石等矿物的“晶粥”。在深部岩浆房,初始岩浆局部混染少量地壳物质,橄榄石、辉石和铬铁矿等矿物发生分离结晶作用,使得岩浆中硫化物达到饱和而熔离,少量硫化物预先熔离伴随橄榄石等的丢失,导致成矿母岩浆亏损铂族元素。
(6)选择性混染导致岩浆中Os的含量和初始Os同位素组成增高,而对Sr、Nd、O同位素体系的影响较弱,造成Os、Sr、Nd、O同位素问发生“脱耦”。
(7)喀拉通克矿床铂族矿物以Pt、Pd、Ni的碲化物、铋化物固溶体系列矿物为主,分布不均一,主要分布在磁黄铁矿、镍黄铁矿等硫化物中。粒径多在3-5um。矿物组合、质量平衡计算和相图分析显示,铂族元素主要以铂族矿物的形式存在,多数铂族矿物为岩浆熔离成因,个别矿物颗粒可能为热液叠加作用的产物。
(8)喀拉通克矿床浸染状矿石宏观上具有最先成矿的特点,相似的Pd/Ir、Pt/Pd、Cu/Pd比值及IPGE与PPGE之间分异不明显,说明浸染状矿石是含矿岩浆较快速度冷凝与就地结晶分异的产物。而致密块状矿石宏观上晚于浸染状矿石侵位,具有岩浆通道贯入成矿的特征,IPGE比PPGE更加亏损,且IPGE与PPGE之间分异显著,这意味着硫化物熔体在深部岩浆房与更多的橄榄石、铬铁矿等矿物反应,http://www.999magnet.com/products/131-magnetic-lifter而后贯入到构造破碎带,经历单硫化物固溶体分离结晶后形成块状矿石。
(9)在考虑矿床成岩成矿大陆动力学背景的基础上,以成矿作用和深部成矿过程为核心,建立了喀拉通克铜镍矿床的成岩成矿模式。
(10)喀拉通克、金川、白马寨、黄山东和Voisey's Bay铜镍矿床均经历了深部硫化物熔离作用,硫化物熔离导致母岩浆亏损PGE,但对Ni和Cu而言可能起到预富集作用。因此,在目前的勘查深度内喀拉通克铜镍矿床的PGE成矿潜力有限,而铜、镍的成矿潜力较大。
学位年度:2010
超冷极性分子的产生与动力学特性
题名:超冷极性分子的产生与动力学特性
作者:钱静
学位授予单位:华东师范大学
关键词:超冷极性分子;;光缔合技术;;受激拉曼绝热通道
摘要:
玻色-爱因斯坦凝聚是指玻色子在临近绝对零温时,所有的粒子失去了个体特征而相干凝聚到同一量子态的现象。1995年,美国科罗拉多大学的E.A.Cornell和C. E. Wieman小组首次在87Rb原子中观察到了玻色凝聚的现象,而不久后的W. Ketterle及R. G. Hulet小组也分别在23Na及7Li原子中观察到同样的凝聚现象。在超冷原Magnetic lifter子玻色凝聚的研究不断发展和深入的同时,超冷分子物理也悄然出现。从目前学科的发展趋势我们可以大胆地预见,在今后相当长时间内,超冷原子分子物理将一直是物理学最前沿与最有活力的研究领域之一。从1997年到2001年短短五年时间,该领域就因原子的激光冷却(1997年)和玻色-爱因斯坦凝聚(2001年)连续两次摘取诺贝尔物理学奖的桂冠。如此骄人的成就足以奠定这个新兴领域在物理学发展史上的重要地位。
目前用于实现超冷分子有两个途径：一是基于直接减速与冷却化学稳定分子的“直接冷却”技术。这种方法适用的分子样品种类很广,但典型的冷却温度只有几个mK。二是通过磁Feshbach共振或者光缔合,将超冷原子成对地耦合成超冷分子的“间接冷却”技术。该方案能够将分子冷却至几百个nK(尚未到临界温度以下),对应分子的相空间密度达1012cm-3。最近,绝大多数的实验小组都采用磁场Feshbach共振的原理研究如何将分子制备在基态能量最低的量子态上,但是否能够进一步地压缩分子气体来提高相空间密度同时使其冷却至临界温度以下仍然是一个倍受争议的问题。在本论文的工作中,我们致力于思考和研究另一种技术——光缔合产生基态分子的利弊。在光缔合过程中,运用一束泵浦激光可以将自由散射态的原子转换成激发态的分子,但由于该跃迁过程的偶极矩阵元太小,故对泵浦激光功率的要求很高。解决这一问题目前最常用的方法就是另施加可调谐的磁场,人们发现在磁场Feshbach共振附近光缔合的速率可以增大几个数量级。但磁场的引入随之会带来新的问题,即大量粒子由于碰撞驰豫而丢失。基于上述研究进展和存在的问题,我们小组首次提出基于受激拉曼绝热通道原理的全光型原子分子转换模型来克服光缔合技术的缺陷。我们设计了两种新的方案——链式模型和R型系统,利用附加的光场来辅助缔http://www.999magnet.com/products/131-magnetic-lifter合过程的泵浦激光,从而实现降低泵浦光自身功率的目的。附加的光场作用在分子束缚态能级之间,所以跃迁的Franck-Condon (FC)系数要远远大于原子自由态和分子束缚态间的FC系数。我们的理论设想不依赖于分子的内禀属性,具有非常普适的意义。这些新方案有可能会启发更多的物理学家去思考分子玻色-爱因斯坦凝聚的实验可行性问题,并推动冷分子物理发展成为原子物理、光物理和凝聚态物理学界共同追逐的一个崭新的研究亮点以及科学研究的重要前沿。
学位年度:2010
作者:钱静
学位授予单位:华东师范大学
关键词:超冷极性分子;;光缔合技术;;受激拉曼绝热通道
摘要:
玻色-爱因斯坦凝聚是指玻色子在临近绝对零温时,所有的粒子失去了个体特征而相干凝聚到同一量子态的现象。1995年,美国科罗拉多大学的E.A.Cornell和C. E. Wieman小组首次在87Rb原子中观察到了玻色凝聚的现象,而不久后的W. Ketterle及R. G. Hulet小组也分别在23Na及7Li原子中观察到同样的凝聚现象。在超冷原Magnetic lifter子玻色凝聚的研究不断发展和深入的同时,超冷分子物理也悄然出现。从目前学科的发展趋势我们可以大胆地预见,在今后相当长时间内,超冷原子分子物理将一直是物理学最前沿与最有活力的研究领域之一。从1997年到2001年短短五年时间,该领域就因原子的激光冷却(1997年)和玻色-爱因斯坦凝聚(2001年)连续两次摘取诺贝尔物理学奖的桂冠。如此骄人的成就足以奠定这个新兴领域在物理学发展史上的重要地位。
目前用于实现超冷分子有两个途径：一是基于直接减速与冷却化学稳定分子的“直接冷却”技术。这种方法适用的分子样品种类很广,但典型的冷却温度只有几个mK。二是通过磁Feshbach共振或者光缔合,将超冷原子成对地耦合成超冷分子的“间接冷却”技术。该方案能够将分子冷却至几百个nK(尚未到临界温度以下),对应分子的相空间密度达1012cm-3。最近,绝大多数的实验小组都采用磁场Feshbach共振的原理研究如何将分子制备在基态能量最低的量子态上,但是否能够进一步地压缩分子气体来提高相空间密度同时使其冷却至临界温度以下仍然是一个倍受争议的问题。在本论文的工作中,我们致力于思考和研究另一种技术——光缔合产生基态分子的利弊。在光缔合过程中,运用一束泵浦激光可以将自由散射态的原子转换成激发态的分子,但由于该跃迁过程的偶极矩阵元太小,故对泵浦激光功率的要求很高。解决这一问题目前最常用的方法就是另施加可调谐的磁场,人们发现在磁场Feshbach共振附近光缔合的速率可以增大几个数量级。但磁场的引入随之会带来新的问题,即大量粒子由于碰撞驰豫而丢失。基于上述研究进展和存在的问题,我们小组首次提出基于受激拉曼绝热通道原理的全光型原子分子转换模型来克服光缔合技术的缺陷。我们设计了两种新的方案——链式模型和R型系统,利用附加的光场来辅助缔http://www.999magnet.com/products/131-magnetic-lifter合过程的泵浦激光,从而实现降低泵浦光自身功率的目的。附加的光场作用在分子束缚态能级之间,所以跃迁的Franck-Condon (FC)系数要远远大于原子自由态和分子束缚态间的FC系数。我们的理论设想不依赖于分子的内禀属性,具有非常普适的意义。这些新方案有可能会启发更多的物理学家去思考分子玻色-爱因斯坦凝聚的实验可行性问题,并推动冷分子物理发展成为原子物理、光物理和凝聚态物理学界共同追逐的一个崭新的研究亮点以及科学研究的重要前沿。
学位年度:2010
光学腔量子电动力学中的单原子探测及控制
题名:光学腔量子电动力学中的单原子探测及控制
作者:张玉驰
学位授予单位:山西大学
关键词:单原子穿越;;强耦合;;腔量子电动力学;;光学频率链
摘要:
腔量子电动力学不仅是研究开放量子系统的典范,也是实现量子信息处理的重要途径之一。强耦合腔量子电动力学中的光与原子之间能量交换速率远大于系统损耗引起的退相干速率,保证了量子信息能够在飞行比特与静止比特之间可靠而且可逆地转换。借助于受激拉曼绝热过程,强耦合于光学腔中的单原子又是产生Magnetic lifter 理想的确定性单光子源的重要手段。高精细度光学腔中的单原子探测与控制则是保证腔量子电动力学能够实现上述目标的核心问题,是腔量子电动力学实验的基础。
针对腔量子电动力学中单原子的探测与控制问题,本论文中完成了以下工作：1)利用超高反射率的腔镜搭建了长度为86.8μm,精细度达3.3×105的光学微腔,实现了腔量子电动力学强耦合的基本条件；2)基于低温度漂移的传导腔(Transfer Cavity),设计搭建了用于腔量子电动力学失谐控制的光学频率链系统,实现了原子-腔失谐与探测光失谐的精密控制,并成功应用于单原子的实时探测实验；3)以激光冷却过程得到的磁光阱中的冷原子作为腔量子电动力学的原子源,实现了自由释放的冷原子与光学微腔的强耦合。在空腔平均光子数约为1的条件下,利用单光子探测技术实时捕获了单原子在光学微腔中的穿越信号,并得到了平均120μs的单原子腔内驻留时间,为腔量子电动力学中的单原子控制提供了触发信号；4)结合现有实验系统,提出了结合腔内原子冷却技术与腔内远失谐光学偶极阱http://www.999magnet.com/products/131-magnetic-lifter技术实现单光子源的方案建议,为下一步完成高质量可控单光子源的制备奠定了基础。
学位年度:2010
作者:张玉驰
学位授予单位:山西大学
关键词:单原子穿越;;强耦合;;腔量子电动力学;;光学频率链
摘要:
腔量子电动力学不仅是研究开放量子系统的典范,也是实现量子信息处理的重要途径之一。强耦合腔量子电动力学中的光与原子之间能量交换速率远大于系统损耗引起的退相干速率,保证了量子信息能够在飞行比特与静止比特之间可靠而且可逆地转换。借助于受激拉曼绝热过程,强耦合于光学腔中的单原子又是产生Magnetic lifter 理想的确定性单光子源的重要手段。高精细度光学腔中的单原子探测与控制则是保证腔量子电动力学能够实现上述目标的核心问题,是腔量子电动力学实验的基础。
针对腔量子电动力学中单原子的探测与控制问题,本论文中完成了以下工作：1)利用超高反射率的腔镜搭建了长度为86.8μm,精细度达3.3×105的光学微腔,实现了腔量子电动力学强耦合的基本条件；2)基于低温度漂移的传导腔(Transfer Cavity),设计搭建了用于腔量子电动力学失谐控制的光学频率链系统,实现了原子-腔失谐与探测光失谐的精密控制,并成功应用于单原子的实时探测实验；3)以激光冷却过程得到的磁光阱中的冷原子作为腔量子电动力学的原子源,实现了自由释放的冷原子与光学微腔的强耦合。在空腔平均光子数约为1的条件下,利用单光子探测技术实时捕获了单原子在光学微腔中的穿越信号,并得到了平均120μs的单原子腔内驻留时间,为腔量子电动力学中的单原子控制提供了触发信号；4)结合现有实验系统,提出了结合腔内原子冷却技术与腔内远失谐光学偶极阱http://www.999magnet.com/products/131-magnetic-lifter技术实现单光子源的方案建议,为下一步完成高质量可控单光子源的制备奠定了基础。
学位年度:2010
量子计算和量子关联在约瑟夫森结系统中的研究
题名:量子计算和量子关联在约瑟夫森结系统中的研究
作者:尹志
学位授予单位:浙江大学
关键词:量子计算;;量子关联;;约瑟夫森系统;;拓扑保护;;量子discord
摘要:
本论文分析讨论了在约瑟夫森系统中量子计算的实现和量子关联性质的研究。主要讨论集中在以下几方面的工作。
我们首先对量子计算领域做了一个简单的介绍。量子计算目前是一个非常庞大的学科,发展十分迅速。利用量子力学的基本原理,量子Magnetic lifter计算机的计算能力大大地超越了现有的经典计算机。利用量子计算的方式,我们可以解决类似大数因子化这样在经典计算框架中难以解决的任务。接着我们又介绍了约瑟夫森系统在量子计算中的应用与现状,包括两种最基本的约瑟夫森量子比特的实现。
我们详细描述了一个基于拓扑保护的约瑟夫森结阵列系统,在此系统之上建立整套量子计算处理的方案。用于量子计算的逻辑量子比特被编码在具有穿孔的阵列中。整个系统的量子比特的数量由孔洞的数量决定。通过调节沿着特定路径的磁通,系统的拓扑简并便可进行细微的改变。作为一套完整的量子计算的方案,我们展示了量子计算的基本元件—量子比特在该系统中的构成,以及最基本的单量子比特逻辑门和控制非量子逻辑门的实现。
我们研究了作为量子关联度量的一种方式—量子discord在带有DM相互作用参数的双量子比特海森堡XXZ模型中的性质。我们将该系统中的热量子discord与热纠缠做了比较。我们发现随着温度的增加,纠缠在临界温度时变为零值,而量子discord却渐进地逼近零值,但不会消失。与纠缠类似,作为一种可以利用的量子资源,量子discord在这个现象中体现出来的健壮性值得我进一步的利用。而对于DM参量,热量子discord约改变与热纠缠的改变趋势相反,这个特点为我们增强某系统的纠缠提供了一种可行的途径。另外,我们在研究中还发现,对于带有不同DM参数的该模型,带有Dx参量的情况比带有Dz参量的情况对控制量子discord更加有效。
最后,我们研究了具有以上特性的量子discord在一个真实约瑟夫森系统中的行为。我们发现,作为这样一个可在实验室中实现的系统,系统的量子discord和温度以及约瑟夫森耦合能EJ联系紧密。减小EJ或者降低温度,都可以增大系统的量子discord。并且,采用两个相同的约瑟夫森结来构建的系统和采用两个不同的约瑟夫森结来构建的系统,系统的量子discord在行为趋势上基本没有区别。为了调控系统的量子discord,我们发现,当温度较小,并且EJ也较小时,我们可以得到更高的量子discord,并且在这样的http://www.999magnet.com/products/131-magnetic-lifter区域调控的作用也更加敏感。另外,相对于两个不同的约瑟夫森结情况,两个相同的约瑟夫森结情况在其它条件相同时,可以得到更高的系统量子discord,使这样一种量子资源能够更有机会得以利用。
学位年度:2010
作者:尹志
学位授予单位:浙江大学
关键词:量子计算;;量子关联;;约瑟夫森系统;;拓扑保护;;量子discord
摘要:
本论文分析讨论了在约瑟夫森系统中量子计算的实现和量子关联性质的研究。主要讨论集中在以下几方面的工作。
我们首先对量子计算领域做了一个简单的介绍。量子计算目前是一个非常庞大的学科,发展十分迅速。利用量子力学的基本原理,量子Magnetic lifter计算机的计算能力大大地超越了现有的经典计算机。利用量子计算的方式,我们可以解决类似大数因子化这样在经典计算框架中难以解决的任务。接着我们又介绍了约瑟夫森系统在量子计算中的应用与现状,包括两种最基本的约瑟夫森量子比特的实现。
我们详细描述了一个基于拓扑保护的约瑟夫森结阵列系统,在此系统之上建立整套量子计算处理的方案。用于量子计算的逻辑量子比特被编码在具有穿孔的阵列中。整个系统的量子比特的数量由孔洞的数量决定。通过调节沿着特定路径的磁通,系统的拓扑简并便可进行细微的改变。作为一套完整的量子计算的方案,我们展示了量子计算的基本元件—量子比特在该系统中的构成,以及最基本的单量子比特逻辑门和控制非量子逻辑门的实现。
我们研究了作为量子关联度量的一种方式—量子discord在带有DM相互作用参数的双量子比特海森堡XXZ模型中的性质。我们将该系统中的热量子discord与热纠缠做了比较。我们发现随着温度的增加,纠缠在临界温度时变为零值,而量子discord却渐进地逼近零值,但不会消失。与纠缠类似,作为一种可以利用的量子资源,量子discord在这个现象中体现出来的健壮性值得我进一步的利用。而对于DM参量,热量子discord约改变与热纠缠的改变趋势相反,这个特点为我们增强某系统的纠缠提供了一种可行的途径。另外,我们在研究中还发现,对于带有不同DM参数的该模型,带有Dx参量的情况比带有Dz参量的情况对控制量子discord更加有效。
最后,我们研究了具有以上特性的量子discord在一个真实约瑟夫森系统中的行为。我们发现,作为这样一个可在实验室中实现的系统,系统的量子discord和温度以及约瑟夫森耦合能EJ联系紧密。减小EJ或者降低温度,都可以增大系统的量子discord。并且,采用两个相同的约瑟夫森结来构建的系统和采用两个不同的约瑟夫森结来构建的系统,系统的量子discord在行为趋势上基本没有区别。为了调控系统的量子discord,我们发现,当温度较小,并且EJ也较小时,我们可以得到更高的量子discord,并且在这样的http://www.999magnet.com/products/131-magnetic-lifter区域调控的作用也更加敏感。另外,相对于两个不同的约瑟夫森结情况,两个相同的约瑟夫森结情况在其它条件相同时,可以得到更高的系统量子discord,使这样一种量子资源能够更有机会得以利用。
学位年度:2010
太阳过渡区爆发事件的紫外谱线学研究
题名:太阳过渡区爆发事件的紫外谱线学研究
作者:章敏
学位授予单位:中国科学技术大学
关键词:太阳过渡区;;爆发事件;;紫外谱线
摘要:
太阳过渡区爆发事件是过渡区重要的小尺度现象之一,普遍认为其产生机制为小尺度快速磁重联,对其系统、全面地研究始于SOHO时代。SOHO/SUMER具有高时空和谱分辨率、宽的谱线覆盖,其观测的光谱数据为探究过渡区小尺度事件提供了有力的光谱学诊断工具。爆发事件及其它过渡区小尺度现象的形Magnetic lifter成机制以及它们之间的相互联系(例如,与EUV针状体和闪烁物的联系)一直是太阳物理学家讨论的问题。对这些重要现象及其相互关系的研究有利于我们了解过渡区结构,建立清晰准确的过渡区模型。过渡区小尺度事件的研究对日冕加热、太阳风起源和过渡区能量输运等问题的探究也有很大的推动作用。Lyβ谱线是氢原子Lyman系列谱线中重要的一支谱线。由于辐射转移效应,Lyβ谱线与其它过渡区发射谱线的形状差异很大,普遍呈现非高斯形状(中心反转、两翼形成两峰)。Lyβ谱形受到宁静区与冕洞的不透明性和过渡区流场(稳定的流场和瞬时流动)的影响。对Lyβ谱线形状的研究有利于我们了解太阳大气各区域的结构和流动,深入理解谱线的产生和吸收机制。
本文以分析紫外谱线资料为主并结合理论分析,对爆发事件及Lyβ谱形进行了详细的研究,主要结果如下：
过去对爆发事件的研究主要基于日面宁静区的观测,冕洞区极少涉及。本文系统研究了极区冕洞内爆发事件及其在低日冕的速度特性。通过极区冕洞内观测的爆发事件的统计分析,得到冕洞内爆发事件的出现率约10-21～10-20cm-2 s-1,爆发事件寿命约2min,与日面爆发事件基本一致。但是,极区冕洞内观测的爆发事件的空间尺度普遍较大(沿狭缝方向尺寸约4″),同时,靠近日面边缘可观测的爆发事件很少,这两个新的发现说明爆发事件的喷流速度主要沿垂直日面方向,所以在视向上不易产生谱线展宽且由于投影效应使其在极区的尺度变大。同时,低温谱线N IV观测的爆发事件在高温谱线Ne VIII相应位置均有响应,表现为蓝移增大或谱线增宽。对爆发事件谱线进行三高斯拟合的结果表明,高温谱线Ne VIII得到的蓝翼平均速度高于低温谱线N IV,表明在这一过程中等离子体既得到加热又得到加速。本文对冕洞区爆发事件的系统分析,是对前人研究的一个重要的补充。
日面观测的小尺度事件与太阳边缘观测到的小尺度事件之间的联系一直被探讨,但不够深入。本文通过宁静区和极区冕洞观测到的OⅣ、NⅣ和Ne VIII谱线的速度图,研究了两区域小尺度速度跃变事件的强度、宽度等参数的变化规律。跃变事件的蓝移、红移速度可达每秒几十千米。跃变事件的尺寸、寿命与常见的日面边缘EUV针状体大致相符。速度跃变事件初始时,一般在一些强的蓝移点处产生爆发事件,谱线呈现非高斯形状,寿命约几分钟,有的光谱可见明显的双向喷流,且均能被高温谱线NeⅧ所观测。有的爆发事件产生时谱线强度急剧增加,导致局地亮度突然增强,类似于闪烁物增亮事件。冕洞内可观测到准周期约16分钟的小尺度速度跃变事件,其强度振荡变化可判断出闪烁物事件。因此,我们可以推断,本文在极区冕洞内观测的速度跃变事件与爆发事件、闪烁物和EUV针状体有着紧密的联系。
Lyβ谱线形状受到区域大气不透明性与流动的影响。我们统计研究了宁静区、赤道和极区冕洞各区域Lyβ的谱形。通过分析冕洞和宁静区按强度分类得出的Lyβ谱形,我们发现：冕洞区Lyβ谱线强度越大,谱线中心反转越强；反之越弱,最弱的谱线有的无反转。宁静区Lyβ谱线红峰高于蓝峰,赤道冕洞的Lyβ谱线红峰与蓝峰强弱相当,极区冕洞的Lyβ谱线蓝峰却高于红峰。各区域谱线形状随强度渐进性变化。同时对Lyβ谱形与CⅡ和OⅥ谱线的速度关系的统计分析表明,CⅡ谱线的多普勒速度越大,Lyp谱线的不对称性越明显。赤道冕洞的Lyβ谱线的反转中心与OⅥ谱线线心位置有较明显一致性。我们发现宁静区Lyβ谱线的强度仅与OⅥ速度大小相关,随着OⅥ视向速率变小Lyβ谱线的强度也变小。Lyβ谱形的这种复杂变化现象可能说明该谱线包含了丰富的关于太阳色球层和过渡区的动力学过程的信息。
太阳动态的过渡区存在各种瞬变现象产生的瞬变流场可能导致Lyβ谱线形状的变化,我们首次研究了过渡区爆发事件喷流对Lyβ谱线形状的影响。通过赤道冕洞和宁静区CⅡ、OⅥ谱线的爆发事件诊断,得出了CⅡ事件和OⅥ事件对应的OⅥ、Lyβ和CⅡ谱线的平均谱形。不论宁静区还是冕洞,爆发事件的Lyβ平均谱线的中心反转强且有明显的两峰。这种趋势在CⅡ事件的Lyβ谱线上更明显。相关性分析表明,爆发事件发生时CⅡ和OⅥ谱线的两翼和Lyβ两峰的辐射强度均有正相关性http://www.999magnet.com/products/131-magnetic-lifter,且两者的相关性在CⅡ谱线的两翼和OⅥ的红翼较好,但在OⅥ的蓝翼较弱。本文研究证明,瞬变的过渡区流场可以明显改变Lyβ的谱形。因此,在分析Lyβ等赖曼谱线的谱形所反映的物理过程时,既要考虑谱线的源函数、不透明度,也要考虑过渡区和日冕中的流场,包括准稳定的流场和瞬变的流场。本文对于Lyβ谱形研究也将推动Lyα谱线对动态现象响应的研究,其谱形对动态现象(小到过渡区爆发事件,大到耀斑和CMEs)的响应将是研究太阳爆发的一个新思路。
学位年度:2010
作者:章敏
学位授予单位:中国科学技术大学
关键词:太阳过渡区;;爆发事件;;紫外谱线
摘要:
太阳过渡区爆发事件是过渡区重要的小尺度现象之一,普遍认为其产生机制为小尺度快速磁重联,对其系统、全面地研究始于SOHO时代。SOHO/SUMER具有高时空和谱分辨率、宽的谱线覆盖,其观测的光谱数据为探究过渡区小尺度事件提供了有力的光谱学诊断工具。爆发事件及其它过渡区小尺度现象的形Magnetic lifter成机制以及它们之间的相互联系(例如,与EUV针状体和闪烁物的联系)一直是太阳物理学家讨论的问题。对这些重要现象及其相互关系的研究有利于我们了解过渡区结构,建立清晰准确的过渡区模型。过渡区小尺度事件的研究对日冕加热、太阳风起源和过渡区能量输运等问题的探究也有很大的推动作用。Lyβ谱线是氢原子Lyman系列谱线中重要的一支谱线。由于辐射转移效应,Lyβ谱线与其它过渡区发射谱线的形状差异很大,普遍呈现非高斯形状(中心反转、两翼形成两峰)。Lyβ谱形受到宁静区与冕洞的不透明性和过渡区流场(稳定的流场和瞬时流动)的影响。对Lyβ谱线形状的研究有利于我们了解太阳大气各区域的结构和流动,深入理解谱线的产生和吸收机制。
本文以分析紫外谱线资料为主并结合理论分析,对爆发事件及Lyβ谱形进行了详细的研究,主要结果如下：
过去对爆发事件的研究主要基于日面宁静区的观测,冕洞区极少涉及。本文系统研究了极区冕洞内爆发事件及其在低日冕的速度特性。通过极区冕洞内观测的爆发事件的统计分析,得到冕洞内爆发事件的出现率约10-21～10-20cm-2 s-1,爆发事件寿命约2min,与日面爆发事件基本一致。但是,极区冕洞内观测的爆发事件的空间尺度普遍较大(沿狭缝方向尺寸约4″),同时,靠近日面边缘可观测的爆发事件很少,这两个新的发现说明爆发事件的喷流速度主要沿垂直日面方向,所以在视向上不易产生谱线展宽且由于投影效应使其在极区的尺度变大。同时,低温谱线N IV观测的爆发事件在高温谱线Ne VIII相应位置均有响应,表现为蓝移增大或谱线增宽。对爆发事件谱线进行三高斯拟合的结果表明,高温谱线Ne VIII得到的蓝翼平均速度高于低温谱线N IV,表明在这一过程中等离子体既得到加热又得到加速。本文对冕洞区爆发事件的系统分析,是对前人研究的一个重要的补充。
日面观测的小尺度事件与太阳边缘观测到的小尺度事件之间的联系一直被探讨,但不够深入。本文通过宁静区和极区冕洞观测到的OⅣ、NⅣ和Ne VIII谱线的速度图,研究了两区域小尺度速度跃变事件的强度、宽度等参数的变化规律。跃变事件的蓝移、红移速度可达每秒几十千米。跃变事件的尺寸、寿命与常见的日面边缘EUV针状体大致相符。速度跃变事件初始时,一般在一些强的蓝移点处产生爆发事件,谱线呈现非高斯形状,寿命约几分钟,有的光谱可见明显的双向喷流,且均能被高温谱线NeⅧ所观测。有的爆发事件产生时谱线强度急剧增加,导致局地亮度突然增强,类似于闪烁物增亮事件。冕洞内可观测到准周期约16分钟的小尺度速度跃变事件,其强度振荡变化可判断出闪烁物事件。因此,我们可以推断,本文在极区冕洞内观测的速度跃变事件与爆发事件、闪烁物和EUV针状体有着紧密的联系。
Lyβ谱线形状受到区域大气不透明性与流动的影响。我们统计研究了宁静区、赤道和极区冕洞各区域Lyβ的谱形。通过分析冕洞和宁静区按强度分类得出的Lyβ谱形,我们发现：冕洞区Lyβ谱线强度越大,谱线中心反转越强；反之越弱,最弱的谱线有的无反转。宁静区Lyβ谱线红峰高于蓝峰,赤道冕洞的Lyβ谱线红峰与蓝峰强弱相当,极区冕洞的Lyβ谱线蓝峰却高于红峰。各区域谱线形状随强度渐进性变化。同时对Lyβ谱形与CⅡ和OⅥ谱线的速度关系的统计分析表明,CⅡ谱线的多普勒速度越大,Lyp谱线的不对称性越明显。赤道冕洞的Lyβ谱线的反转中心与OⅥ谱线线心位置有较明显一致性。我们发现宁静区Lyβ谱线的强度仅与OⅥ速度大小相关,随着OⅥ视向速率变小Lyβ谱线的强度也变小。Lyβ谱形的这种复杂变化现象可能说明该谱线包含了丰富的关于太阳色球层和过渡区的动力学过程的信息。
太阳动态的过渡区存在各种瞬变现象产生的瞬变流场可能导致Lyβ谱线形状的变化,我们首次研究了过渡区爆发事件喷流对Lyβ谱线形状的影响。通过赤道冕洞和宁静区CⅡ、OⅥ谱线的爆发事件诊断,得出了CⅡ事件和OⅥ事件对应的OⅥ、Lyβ和CⅡ谱线的平均谱形。不论宁静区还是冕洞,爆发事件的Lyβ平均谱线的中心反转强且有明显的两峰。这种趋势在CⅡ事件的Lyβ谱线上更明显。相关性分析表明,爆发事件发生时CⅡ和OⅥ谱线的两翼和Lyβ两峰的辐射强度均有正相关性http://www.999magnet.com/products/131-magnetic-lifter,且两者的相关性在CⅡ谱线的两翼和OⅥ的红翼较好,但在OⅥ的蓝翼较弱。本文研究证明,瞬变的过渡区流场可以明显改变Lyβ的谱形。因此,在分析Lyβ等赖曼谱线的谱形所反映的物理过程时,既要考虑谱线的源函数、不透明度,也要考虑过渡区和日冕中的流场,包括准稳定的流场和瞬变的流场。本文对于Lyβ谱形研究也将推动Lyα谱线对动态现象响应的研究,其谱形对动态现象(小到过渡区爆发事件,大到耀斑和CMEs)的响应将是研究太阳爆发的一个新思路。
学位年度:2010
2011年8月22日星期一
ZnO薄膜和纳米结构的制备及其特性研究
题名:ZnO薄膜和纳米结构的制备及其特性研究
作者:高世勇
学位授予单位:吉林大学
关键词:ZnO薄膜;;ZnO纳米结构;;金刚石;;水热法;;射频磁控溅射;;光电特性
摘要:
本文采用射频磁控溅射的方法,在Magnetic lifter抛光的自支撑金刚石膜生长面生长ZnO薄膜。通过优化生长条件,成功地制备了高c轴取向、低应力的ZnO薄膜,系统研究了低温ZnO过渡层厚度对制备ZnO薄膜的影响。
通过在硼掺杂金刚石上面溅射低温ZnO薄膜作为籽晶层,利用水热法在其表面生长了ZnO纳米棒阵列。沿c轴生长的ZnO单晶纳米棒垂直于金刚石晶粒的晶面。制备了n型ZnO纳米棒/p型金刚石异质结,电流?电压测试表明,该器件具有很好的整流特性,并在紫外光照射下,光电流增大。
利用阳极氧化法,将溅射有高纯铝膜的Si衬底表面进行刻蚀,制备出纳米凹坑阵列,通过水热法,在其上面制备出ZnO纳米棒/片复合结构,并研究了其生长机理。对其光致发光性质研究表明,经过退火处理,可显著提高ZnO纳米棒/片的紫http://www.999magnet.com/products/131-magnetic-lifter外发射,同时抑制了绿光发射。
学位年度:2010
作者:高世勇
学位授予单位:吉林大学
关键词:ZnO薄膜;;ZnO纳米结构;;金刚石;;水热法;;射频磁控溅射;;光电特性
摘要:
本文采用射频磁控溅射的方法,在Magnetic lifter抛光的自支撑金刚石膜生长面生长ZnO薄膜。通过优化生长条件,成功地制备了高c轴取向、低应力的ZnO薄膜,系统研究了低温ZnO过渡层厚度对制备ZnO薄膜的影响。
通过在硼掺杂金刚石上面溅射低温ZnO薄膜作为籽晶层,利用水热法在其表面生长了ZnO纳米棒阵列。沿c轴生长的ZnO单晶纳米棒垂直于金刚石晶粒的晶面。制备了n型ZnO纳米棒/p型金刚石异质结,电流?电压测试表明,该器件具有很好的整流特性,并在紫外光照射下,光电流增大。
利用阳极氧化法,将溅射有高纯铝膜的Si衬底表面进行刻蚀,制备出纳米凹坑阵列,通过水热法,在其上面制备出ZnO纳米棒/片复合结构,并研究了其生长机理。对其光致发光性质研究表明,经过退火处理,可显著提高ZnO纳米棒/片的紫http://www.999magnet.com/products/131-magnetic-lifter外发射,同时抑制了绿光发射。
学位年度:2010
机电集成超环面传动研究
题名:机电集成超环面传动研究
作者:郑大周
学位授予单位:燕山大学
关键词:机电集成;;超环面传动;;定子加工;;环面蜗杆加工;;曲线梁;;最小能量法;;效率
摘要:
本文研究了一种新型的广义复合传动系统——机电集成超环面传动系统。该传动系统集传动、电机和控制于一体,具有结构紧凑、输出力矩大、转速可控、响应速度快等优点,具有广阔的应用前景。因此,对系统设计理论和加工制造技术的研究具有重要的理论意义与实用价值。本文在蜗杆线圈设计、定子齿位移分析、效率分析以及关键件的加工制造技术等方面对该传动系统进行了深入系统的研究。主要包含以下内Magnetic lifter 容:
给出了机电集成超环面传动的驱动原理,推导了定子及蜗杆齿的空间轨迹方程。讨论了系统的传动比和参数选择。分析了系统在不同啮合条件下,电枢线圈的分布方案以及线圈螺旋角同主要参数的关系。给出了行星轮安装的位置分布,推导了系统输出力矩公式,分析了系统参数及线圈分布对输出力矩的影响规律。
应用空间坐标变换原理推导了定子齿在局部坐标系下的位移与总体坐标系下的位移之间的相互关系。以定子齿的截面能量为积分单元给出了定子齿的势能计算公式,通过最小能量原理求得定子齿的位移表达式,分析了定子齿在不同啮合位置的位移分布规律。分析了系统参数对定子齿位移的影响规律,得到了定子齿截面上的位移分布。并用ANSYS软件对定子齿的位移分布进行了模拟,证明了理论分析的正确性。
用Pro/E软件进行了系统建模,对整个系统进行了有限元分析,得到了在不同啮合位置机构各部件的应力分布规律,发现行星轮齿及行星轮齿与行星轮体的接合位置是系统在力学性能上的薄弱环节。
利用拉格朗日状态函数推导出传动系统的数学模型和运动方程,分析了系统的能量分布。研究了环面蜗杆的表面磁势分布,利用分解磁感应强度的方法,把空间问题化解成平面问题,求解了系统各相的自感和互感,给出了两者的变化规律。推导出在变频器恒转矩控制下的端口电压方程,推导了系统的电枢损耗、铁芯损耗以及机械损耗的计算公式,推导出系统的效率表达式,研究了系统效率的影响因素及影响规律。
设计并研制出行星架固定式机电集成http://www.999magnet.com/products/131-magnetic-lifter超环面传动系统样机。给出了传动系统的加工方案,研究了传动系统的关键制造技术。分析了加工中产生误差的原因,并对产生的加工误差进行了理论分析。进行了样机的传动比实验。验证了传动原理的正确性。
学位年度:2010
作者:郑大周
学位授予单位:燕山大学
关键词:机电集成;;超环面传动;;定子加工;;环面蜗杆加工;;曲线梁;;最小能量法;;效率
摘要:
本文研究了一种新型的广义复合传动系统——机电集成超环面传动系统。该传动系统集传动、电机和控制于一体,具有结构紧凑、输出力矩大、转速可控、响应速度快等优点,具有广阔的应用前景。因此,对系统设计理论和加工制造技术的研究具有重要的理论意义与实用价值。本文在蜗杆线圈设计、定子齿位移分析、效率分析以及关键件的加工制造技术等方面对该传动系统进行了深入系统的研究。主要包含以下内Magnetic lifter 容:
给出了机电集成超环面传动的驱动原理,推导了定子及蜗杆齿的空间轨迹方程。讨论了系统的传动比和参数选择。分析了系统在不同啮合条件下,电枢线圈的分布方案以及线圈螺旋角同主要参数的关系。给出了行星轮安装的位置分布,推导了系统输出力矩公式,分析了系统参数及线圈分布对输出力矩的影响规律。
应用空间坐标变换原理推导了定子齿在局部坐标系下的位移与总体坐标系下的位移之间的相互关系。以定子齿的截面能量为积分单元给出了定子齿的势能计算公式,通过最小能量原理求得定子齿的位移表达式,分析了定子齿在不同啮合位置的位移分布规律。分析了系统参数对定子齿位移的影响规律,得到了定子齿截面上的位移分布。并用ANSYS软件对定子齿的位移分布进行了模拟,证明了理论分析的正确性。
用Pro/E软件进行了系统建模,对整个系统进行了有限元分析,得到了在不同啮合位置机构各部件的应力分布规律,发现行星轮齿及行星轮齿与行星轮体的接合位置是系统在力学性能上的薄弱环节。
利用拉格朗日状态函数推导出传动系统的数学模型和运动方程,分析了系统的能量分布。研究了环面蜗杆的表面磁势分布,利用分解磁感应强度的方法,把空间问题化解成平面问题,求解了系统各相的自感和互感,给出了两者的变化规律。推导出在变频器恒转矩控制下的端口电压方程,推导了系统的电枢损耗、铁芯损耗以及机械损耗的计算公式,推导出系统的效率表达式,研究了系统效率的影响因素及影响规律。
设计并研制出行星架固定式机电集成http://www.999magnet.com/products/131-magnetic-lifter超环面传动系统样机。给出了传动系统的加工方案,研究了传动系统的关键制造技术。分析了加工中产生误差的原因,并对产生的加工误差进行了理论分析。进行了样机的传动比实验。验证了传动原理的正确性。
学位年度:2010
掺杂的钙钛矿型锰酸盐的水热合成与性质表征
题名:掺杂的钙钛矿型锰酸盐的水热合成与性质表征
作者:杨铭
学位授予单位:吉林大学
关键词:水热合成;;钙钛矿;;混合价态锰酸盐
摘要:
本论文在水热体系下,对钙钛矿型锰酸盐进行A位,B位掺杂,并对系列产物进行了性质表征,并且在水热体系下,合成了BaMnO_3单晶样品。本文中对锰酸钕,锰酸钐进行了A位碱土金属以及B位铁离子的掺杂,从中系统地摸索体系的合成条件。进而对系列产物的磁学性质、电学性质进行了部分研究。对BaMnO_3单晶进行合成后,对样品进行了磁学性质的测试。
在第一章绪论中,对钙钛矿型锰Magnetic lifter基化合物的掺杂化学进行了系统地介绍,对A位与B位掺杂的钙钛矿锰酸盐的最新研究成果进行了总结;在第二章中,水热合成了五个A位掺杂的钙钛矿锰酸盐,其中四个为A位掺杂的锰酸钕,一个为A位掺杂的锰酸钐。我们介绍了这些化合物的形貌,结构,介绍了化合物热学稳定性,系统地比较了其电学性质与磁电阻效应,得到了一些规律性的结果,为进一步深入研究钙钛矿的掺杂化学奠定了基础;第三章在第二章的基础上合成了两个对A位与B位同时进行掺杂的锰酸钕、锰酸钐。介绍了这两个化合物的形貌,结构以及性质等,对B位掺杂对性质的影响进行了初步探索;在第四章首次在低于300℃温度下,用水热合成的方法成功合成了钙钛矿锰酸盐9R-BaMnO_3,介绍了其合成条件,形貌,得到了样http://www.999magnet.com/products/131-magnetic-lifter品的单晶数据,对磁学性质进行了初步研究。
学位年度:2010
作者:杨铭
学位授予单位:吉林大学
关键词:水热合成;;钙钛矿;;混合价态锰酸盐
摘要:
本论文在水热体系下,对钙钛矿型锰酸盐进行A位,B位掺杂,并对系列产物进行了性质表征,并且在水热体系下,合成了BaMnO_3单晶样品。本文中对锰酸钕,锰酸钐进行了A位碱土金属以及B位铁离子的掺杂,从中系统地摸索体系的合成条件。进而对系列产物的磁学性质、电学性质进行了部分研究。对BaMnO_3单晶进行合成后,对样品进行了磁学性质的测试。
在第一章绪论中,对钙钛矿型锰Magnetic lifter基化合物的掺杂化学进行了系统地介绍,对A位与B位掺杂的钙钛矿锰酸盐的最新研究成果进行了总结;在第二章中,水热合成了五个A位掺杂的钙钛矿锰酸盐,其中四个为A位掺杂的锰酸钕,一个为A位掺杂的锰酸钐。我们介绍了这些化合物的形貌,结构,介绍了化合物热学稳定性,系统地比较了其电学性质与磁电阻效应,得到了一些规律性的结果,为进一步深入研究钙钛矿的掺杂化学奠定了基础;第三章在第二章的基础上合成了两个对A位与B位同时进行掺杂的锰酸钕、锰酸钐。介绍了这两个化合物的形貌,结构以及性质等,对B位掺杂对性质的影响进行了初步探索;在第四章首次在低于300℃温度下,用水热合成的方法成功合成了钙钛矿锰酸盐9R-BaMnO_3,介绍了其合成条件,形貌,得到了样http://www.999magnet.com/products/131-magnetic-lifter品的单晶数据,对磁学性质进行了初步研究。
学位年度:2010
新型低对称BaTeMo_2O_9单晶电学、电光性能研究及压电器件的设计与表征
题名:新型低对称BaTeMo_2O_9单晶电学、电光性能研究及压电器件的设计与表征
作者:高泽亮
学位授予单位:山东大学
关键词:BaTeMo_2O_9晶体;;压电性能;;电光性能;;压电器件;;低对称性讨论
摘要:
由于晶体材料具有独特的物理特性,可以实现电、光、声、热、磁、力等不同形式能量的相互作用和转换,因此是光电技术、激光技术和微电子技术的物质基础。晶体功能的多样化和稳定的性能,使其应用已经遍布当今社会的各个领域。从军用到民用,从科学研究到实际应用,从日常生活到国计民生,晶体已经成为我们生活当中不可Rare earth magnets缺少、至关重要的基础材料。随着科技发展,人们对晶体材料的要求越来越高,使得新晶体材料的研究成为当前的一个热点领域。
近年来,在二阶姜—泰勒效应(SOJT)理论指导下,一系列既含有d0过渡金属离子又含有孤对电子阳离子的化合物引起了人们的关注和重视。在这类化合物中,阳离子由于SOJT的影响使得配位多面体发生畸变,离子偏离中心,从而使得该类化合物具有非中心对称性,为该类化合物具有某些特定的宏观物理性能提供了结构上的前提。P.ShivHalasyamani、Alex Norquist、Jiang-Gao Mao和J. Gopalakrishnan等研究小组在这一研究领域做了大量的工作。其中P. Shiv Halasyamani等人合成了一系列表现出良好的铁电性和压电性的钨青铜型化合物；Alex Norquist则主要利用畸变较大的Mo6+,合成一系列零维至三维的多氧钼酸盐；而Mao则主要利用含有非成键孤对电子的阳离子,合成了大量具有非中心对称结构的化合物。在这一系列化合物中,BaTeMo2O9因其结构特点引起了我们浓厚的研究兴趣：此化合物中既含有d0过渡金属中畸变最大的Mo元素,又含有含孤对电子的Te元素。目前已经报道的文献也显示BaTeMo2O9粉末具有很强的倍频效应。但关于此化合物的研究目前还仅仅局限于化合物的单晶结构和多晶粉末的基础物理性质,其主要的晶体物理性能还未有报道。我们课题组在该化合物的大尺寸单晶生长领域已经取得了重大的突破,在国际上首次生长`了该化合物的大尺寸单晶(30x23x18mm3)。本论文在生长高质量大尺寸BaTeMo2O9单晶的基础上,对该晶体的压电、介电、弹性、电光、热释电等性能进行了系统的研http://www.chinamagnets.biz/究,制作了一种压电器件并研究了其性能。依据对此晶体低对称性的分析,从张量出发研究了低对称性晶体的一些性能特征,并根据这些特点定义了低对称性晶体的范围。本论文的主要内容包括：
1：概述了晶体的定义及其特征。按照功能对现有的晶体进行了简单的分类,并且概述了发展现状。介绍了SOJT及其在新功能材料中的应用和意义,并在SOJT理论的指导下,挑选出BaTeMo2O9作为研究对象,阐述了其研究意义与发展历程。
2：BaTeMo2O9晶体生长
晶体结构分析表明,BaTeMo2O9晶体具有畸变较大的八面体和四面体结构,结合对配位多面体内的键长和键角变化的分析,我们推测该晶体极有可能是一种新型多功能单晶。根据本实验室已经成熟的多晶合成和单晶生长工艺,合成了多晶BaTeMo2O9,进行了(010)籽晶定向生长,得到了质量较好的大块单晶。高质量的晶体为以后进行的物理性能研究奠定了坚实的基础。
3：BaTeMo2O9晶体介电、压电和弹性性能研究
压电晶体有两个重要的研究方向：大的压电系数和弹性系数零温度系数。通过对BaTeMo2O9晶体对称性的分析,利用坐标旋转的方法设计了测试晶体介电、压电和弹性性能的样品切型,并利用谐振法和传输法详细研究了室温下其全部介电、压电和弹性性能,以及介电常数和介电损耗随温度、频率的变化。设计并搭建了测量晶体弹性系数温度效应的实验装置,并利用此装置测得了BaTeMo2O9晶体弹性系数随温度的变化。从晶体结构出发,我们分析解释了BaTeMo2O9晶体具有优秀压电性能的起源。最后,依据所得数据对晶体压电性能进行了综合评价。
4：BaTeMo2O9晶体电光性能研究
确定了晶体的电光坐标系,利用坐标旋转方法设计了测试BaTeMo2O9晶体电光性能所需的样品切型,用干涉法测得了其电光系数,并在测试过程中排除了BaTeMo2O9晶体逆压电效应的影响,得到了可靠的实验数据。以介电隔离张量为参数,得到了BaTeMo2O9晶体施加电场后的折射率椭球,并对其做了分析研究。结合所得数据的分析和优秀电光晶体的要求,对BaTeMo2O9晶体的电光性能作了综合评价。
5：BaTeMo2O9晶体热释电性能研究
通过电荷积分的方法获得了BaTeMo2O9晶体在30℃—260℃范围内的热释电系数,分析了和热释电性能相关的参数,并从温度对电阻率和自发极化影响的角度对热释电系数的变化规律做了分析与解释。最后与常见的热释电晶体各参数做了比较,对BaTeMo2O9晶体的热释电性能进行了综合评价。
6：BaTeMo2O9晶体压电器件的设计和表征
由于BaTeMo2O9晶体的低对称性,其晶体介电、压电和弹性系数矩阵元较多,器件中难免会引入交叉系数的影响,这些交叉系数对器件的信号会起到干扰作用。我们通过坐标旋转法成功的消除了这些不利影响,设计了两种振动模式的压电谐振器,并对器件相关参数谐振频率、机电耦合系数、机械品质因子、频率漂移以及温度漂移与室温谐振频率比值等进行了全面的表征。该研究是对低对称性晶体走向实用的一个有益探索,在低对称性晶体的应用领域具有重要的启发意义。
7：以BaTeMo2O9为代表的低对称性晶体的三阶张量和四阶张量研究
低对称性晶体对称要素较少,空间不同象限内参数无法全部根据对称要素外推得到。我们通过对BaTeMo2O9晶体三阶张量压电系数、电光系数、二阶非线性光学系数以及四阶张量弹性系数的分析,研究了晶体在三维坐标系下各分量在相邻http://www.chinamagnets.biz/象限内符号的变化,以及这些变化对测试、器件特征和有效值计算的影响。通过和对称性较高晶系(正交晶系)三阶张量的对比,从张量的意义出发定义了低对称性晶体的范围。
学位年度:2010
作者:高泽亮
学位授予单位:山东大学
关键词:BaTeMo_2O_9晶体;;压电性能;;电光性能;;压电器件;;低对称性讨论
摘要:
由于晶体材料具有独特的物理特性,可以实现电、光、声、热、磁、力等不同形式能量的相互作用和转换,因此是光电技术、激光技术和微电子技术的物质基础。晶体功能的多样化和稳定的性能,使其应用已经遍布当今社会的各个领域。从军用到民用,从科学研究到实际应用,从日常生活到国计民生,晶体已经成为我们生活当中不可Rare earth magnets缺少、至关重要的基础材料。随着科技发展,人们对晶体材料的要求越来越高,使得新晶体材料的研究成为当前的一个热点领域。
近年来,在二阶姜—泰勒效应(SOJT)理论指导下,一系列既含有d0过渡金属离子又含有孤对电子阳离子的化合物引起了人们的关注和重视。在这类化合物中,阳离子由于SOJT的影响使得配位多面体发生畸变,离子偏离中心,从而使得该类化合物具有非中心对称性,为该类化合物具有某些特定的宏观物理性能提供了结构上的前提。P.ShivHalasyamani、Alex Norquist、Jiang-Gao Mao和J. Gopalakrishnan等研究小组在这一研究领域做了大量的工作。其中P. Shiv Halasyamani等人合成了一系列表现出良好的铁电性和压电性的钨青铜型化合物；Alex Norquist则主要利用畸变较大的Mo6+,合成一系列零维至三维的多氧钼酸盐；而Mao则主要利用含有非成键孤对电子的阳离子,合成了大量具有非中心对称结构的化合物。在这一系列化合物中,BaTeMo2O9因其结构特点引起了我们浓厚的研究兴趣：此化合物中既含有d0过渡金属中畸变最大的Mo元素,又含有含孤对电子的Te元素。目前已经报道的文献也显示BaTeMo2O9粉末具有很强的倍频效应。但关于此化合物的研究目前还仅仅局限于化合物的单晶结构和多晶粉末的基础物理性质,其主要的晶体物理性能还未有报道。我们课题组在该化合物的大尺寸单晶生长领域已经取得了重大的突破,在国际上首次生长`了该化合物的大尺寸单晶(30x23x18mm3)。本论文在生长高质量大尺寸BaTeMo2O9单晶的基础上,对该晶体的压电、介电、弹性、电光、热释电等性能进行了系统的研http://www.chinamagnets.biz/究,制作了一种压电器件并研究了其性能。依据对此晶体低对称性的分析,从张量出发研究了低对称性晶体的一些性能特征,并根据这些特点定义了低对称性晶体的范围。本论文的主要内容包括：
1：概述了晶体的定义及其特征。按照功能对现有的晶体进行了简单的分类,并且概述了发展现状。介绍了SOJT及其在新功能材料中的应用和意义,并在SOJT理论的指导下,挑选出BaTeMo2O9作为研究对象,阐述了其研究意义与发展历程。
2：BaTeMo2O9晶体生长
晶体结构分析表明,BaTeMo2O9晶体具有畸变较大的八面体和四面体结构,结合对配位多面体内的键长和键角变化的分析,我们推测该晶体极有可能是一种新型多功能单晶。根据本实验室已经成熟的多晶合成和单晶生长工艺,合成了多晶BaTeMo2O9,进行了(010)籽晶定向生长,得到了质量较好的大块单晶。高质量的晶体为以后进行的物理性能研究奠定了坚实的基础。
3：BaTeMo2O9晶体介电、压电和弹性性能研究
压电晶体有两个重要的研究方向：大的压电系数和弹性系数零温度系数。通过对BaTeMo2O9晶体对称性的分析,利用坐标旋转的方法设计了测试晶体介电、压电和弹性性能的样品切型,并利用谐振法和传输法详细研究了室温下其全部介电、压电和弹性性能,以及介电常数和介电损耗随温度、频率的变化。设计并搭建了测量晶体弹性系数温度效应的实验装置,并利用此装置测得了BaTeMo2O9晶体弹性系数随温度的变化。从晶体结构出发,我们分析解释了BaTeMo2O9晶体具有优秀压电性能的起源。最后,依据所得数据对晶体压电性能进行了综合评价。
4：BaTeMo2O9晶体电光性能研究
确定了晶体的电光坐标系,利用坐标旋转方法设计了测试BaTeMo2O9晶体电光性能所需的样品切型,用干涉法测得了其电光系数,并在测试过程中排除了BaTeMo2O9晶体逆压电效应的影响,得到了可靠的实验数据。以介电隔离张量为参数,得到了BaTeMo2O9晶体施加电场后的折射率椭球,并对其做了分析研究。结合所得数据的分析和优秀电光晶体的要求,对BaTeMo2O9晶体的电光性能作了综合评价。
5：BaTeMo2O9晶体热释电性能研究
通过电荷积分的方法获得了BaTeMo2O9晶体在30℃—260℃范围内的热释电系数,分析了和热释电性能相关的参数,并从温度对电阻率和自发极化影响的角度对热释电系数的变化规律做了分析与解释。最后与常见的热释电晶体各参数做了比较,对BaTeMo2O9晶体的热释电性能进行了综合评价。
6：BaTeMo2O9晶体压电器件的设计和表征
由于BaTeMo2O9晶体的低对称性,其晶体介电、压电和弹性系数矩阵元较多,器件中难免会引入交叉系数的影响,这些交叉系数对器件的信号会起到干扰作用。我们通过坐标旋转法成功的消除了这些不利影响,设计了两种振动模式的压电谐振器,并对器件相关参数谐振频率、机电耦合系数、机械品质因子、频率漂移以及温度漂移与室温谐振频率比值等进行了全面的表征。该研究是对低对称性晶体走向实用的一个有益探索,在低对称性晶体的应用领域具有重要的启发意义。
7：以BaTeMo2O9为代表的低对称性晶体的三阶张量和四阶张量研究
低对称性晶体对称要素较少,空间不同象限内参数无法全部根据对称要素外推得到。我们通过对BaTeMo2O9晶体三阶张量压电系数、电光系数、二阶非线性光学系数以及四阶张量弹性系数的分析,研究了晶体在三维坐标系下各分量在相邻http://www.chinamagnets.biz/象限内符号的变化,以及这些变化对测试、器件特征和有效值计算的影响。通过和对称性较高晶系(正交晶系)三阶张量的对比,从张量的意义出发定义了低对称性晶体的范围。
学位年度:2010
含硫配体有机钌化合物的合成、结构及性质研究
题名:含硫配体有机钌化合物的合成、结构及性质研究
作者:吴芳辉
学位授予单位:南京理工大学
关键词:金属有机钌化合物;;富电子硫配体;;合成;;表征;;晶体结构;;性质
摘要:
富电子硫配位环境下的金属钌配合物因为与生物和工业催化过程有关而引起了广泛的研究兴趣,因此本论文设计与制备了一系列不同构型和特征的双齿或多齿硫配体,对结构新型且具有潜在催化性能的有机钌化合物进行合成与表征,并Rare earth magnets研究了它们的反应特性、晶体结构以及光电化学性能。
采用溶液法合成了11种新型的二硫代羧酸配位环境下的单核有机钌化合物(1-11)并归纳总结了合成历程和机理。用单晶X射线衍射仪测定了部分化合物的晶体结构,结果表明,这些化合物中钌原子都采取准八面体构型,而且二硫代羧酸配体均以小咬角与中心钌原子配位。为了进一步探讨二价钌金属中心的反应活性,采用动力学电子吸收光谱研究了强氧化剂(NH_3)_4Ce(NO_3)_6氧化化合物(4)的反应过程。不同化合物的电化学性质研究表明三价态的钌中心原子与σ给体的磷配体以及富电子的含硫配体结合得较紧密。
设计合成了五种含多(巯基咪唑)硼配体的具有潜在生物活性和催化性能的有机钌化合物(12-16),并通过红外光谱、核磁共振氢谱以及元素分析等手段对它们进行了表征。分析化合物(12、13和15)的晶体结构表明,配体与钌配位时有两种配位模式,而采取双齿或三齿配位方式主要决定于钌化合物原料中其它共配体的特征。化合物(12、13和15)中都形成了含悬挂氢的B-H…Ru键,并且总体上为扭曲的八面体构型,表明多(巯基咪唑)硼配体具有较高的反应活性。最后用密度泛函B3LYP方法研究了其中两个化合物(12和13)的优化几何构型、原子电荷分布以及振动频率,并与相应的实验结果进行了比对。
采用二茂铁基Lawesson试剂([FcP(S)(μ-S)]_2)与不同的钌化合物原料在THF溶剂中反应获得三种新型的化合物(17·CH_2Cl_2,18和19·CH_2Cl_2·~3/_4C_6H_(14))并进行了系统的表征。荧光测试结果表明这些化合物具有较弱的荧光性质,而电化学性质的实验则验证了这些化合物的循环伏安曲线与其它含二茂铁基二硫代膦酸根配体的化合物相http://www.chinamagnets.biz/似。此外还首次报道了一种二异丙基二硫代膦酸钌化合物(20)的晶体结构特征。MoO_2(S_2CNMe_2)_2与RuCl_3·xH_2O在丙酮溶液中加热回流生成一种含二硫代氨基羧酸基团和多钼酸根阴离子的双核钌化合物(21·2CH_3COCH_3),其中阳离子部分[Ru_2(S_2CNMe_2)_3(μ_3-S_2CNMe_2)_2]~+基团可以看作是[Ru(S_2CNMe_2)_3]与cis-[Ru(S_2CNMe_2)_2]~+结合而成,而Lindqvist型阴离[Mo_6O_(19)]~(2-)恰好位于两个阳离子的倒转中心处。结合红外光谱、磁矩实验和元素分析对化合物(21)加以表征,并研究了其电化学性质。另外还报道了一个新型的含芳香环的单核钌化合物(22)的合成与结构。由[Cp*Ir{N(Ph_2PS)_2}C1]与NaN3在丙酮溶液中反应很容易将活性氯原子取代而得到化合物(23),采用单晶X-射线衍射仪分析了该化合物的晶体结构并进行了必要的表征。
学位年度:2010
作者:吴芳辉
学位授予单位:南京理工大学
关键词:金属有机钌化合物;;富电子硫配体;;合成;;表征;;晶体结构;;性质
摘要:
富电子硫配位环境下的金属钌配合物因为与生物和工业催化过程有关而引起了广泛的研究兴趣,因此本论文设计与制备了一系列不同构型和特征的双齿或多齿硫配体,对结构新型且具有潜在催化性能的有机钌化合物进行合成与表征,并Rare earth magnets研究了它们的反应特性、晶体结构以及光电化学性能。
采用溶液法合成了11种新型的二硫代羧酸配位环境下的单核有机钌化合物(1-11)并归纳总结了合成历程和机理。用单晶X射线衍射仪测定了部分化合物的晶体结构,结果表明,这些化合物中钌原子都采取准八面体构型,而且二硫代羧酸配体均以小咬角与中心钌原子配位。为了进一步探讨二价钌金属中心的反应活性,采用动力学电子吸收光谱研究了强氧化剂(NH_3)_4Ce(NO_3)_6氧化化合物(4)的反应过程。不同化合物的电化学性质研究表明三价态的钌中心原子与σ给体的磷配体以及富电子的含硫配体结合得较紧密。
设计合成了五种含多(巯基咪唑)硼配体的具有潜在生物活性和催化性能的有机钌化合物(12-16),并通过红外光谱、核磁共振氢谱以及元素分析等手段对它们进行了表征。分析化合物(12、13和15)的晶体结构表明,配体与钌配位时有两种配位模式,而采取双齿或三齿配位方式主要决定于钌化合物原料中其它共配体的特征。化合物(12、13和15)中都形成了含悬挂氢的B-H…Ru键,并且总体上为扭曲的八面体构型,表明多(巯基咪唑)硼配体具有较高的反应活性。最后用密度泛函B3LYP方法研究了其中两个化合物(12和13)的优化几何构型、原子电荷分布以及振动频率,并与相应的实验结果进行了比对。
采用二茂铁基Lawesson试剂([FcP(S)(μ-S)]_2)与不同的钌化合物原料在THF溶剂中反应获得三种新型的化合物(17·CH_2Cl_2,18和19·CH_2Cl_2·~3/_4C_6H_(14))并进行了系统的表征。荧光测试结果表明这些化合物具有较弱的荧光性质,而电化学性质的实验则验证了这些化合物的循环伏安曲线与其它含二茂铁基二硫代膦酸根配体的化合物相http://www.chinamagnets.biz/似。此外还首次报道了一种二异丙基二硫代膦酸钌化合物(20)的晶体结构特征。MoO_2(S_2CNMe_2)_2与RuCl_3·xH_2O在丙酮溶液中加热回流生成一种含二硫代氨基羧酸基团和多钼酸根阴离子的双核钌化合物(21·2CH_3COCH_3),其中阳离子部分[Ru_2(S_2CNMe_2)_3(μ_3-S_2CNMe_2)_2]~+基团可以看作是[Ru(S_2CNMe_2)_3]与cis-[Ru(S_2CNMe_2)_2]~+结合而成,而Lindqvist型阴离[Mo_6O_(19)]~(2-)恰好位于两个阳离子的倒转中心处。结合红外光谱、磁矩实验和元素分析对化合物(21)加以表征,并研究了其电化学性质。另外还报道了一个新型的含芳香环的单核钌化合物(22)的合成与结构。由[Cp*Ir{N(Ph_2PS)_2}C1]与NaN3在丙酮溶液中反应很容易将活性氯原子取代而得到化合物(23),采用单晶X-射线衍射仪分析了该化合物的晶体结构并进行了必要的表征。
学位年度:2010
利用阳极氧化铝模板制备表面增强拉曼散射活性基底
题名:利用阳极氧化铝模板制备表面增强拉曼散射活性基底
作者:纪南
学位授予单位:吉林大学
关键词:表面增强拉曼散射;;阳极氧化铝;;SERS基底;;氧化锌/银复合物
摘要:
本论文针对目前表面增强拉曼散射(SERS)技术在应用中所面临的主要问题,即缺乏高活性、高稳定性和均匀性的SERS活性基底,利用高度有序的多孔阳极氧化铝膜(AAO)作为模板,制备具有优异性能的SERS活性基底;另外,在我们课题组关于半导体纳米材料SERS效应的研究基础上,合成氧化锌/银纳米复合物,研究半导体材料的复合对银的SERS效应的影响,取得了一些创新性成果,具体内容如下:
(1)采用两步阳极氧化法制备了具有规则结构的多孔阳极氧化铝模板,对电化学抛光过程以及阳极氧化过程进行了电流随时间变化的监Rare earth magnets测,优化抛光条件,研究了阳极氧化过程。对制备的阳极氧化铝模板的细微结构进行详细研究,SEM表征发现这种方法所制备的模板表面呈现规则的凸起结构。
(2)利用多孔氧化铝模板制备过程中得到的铝模板,采用磁控溅射方法,将铝模板的结构复制到溅射的银膜表面,得到超稳定性、具有极高抗氧化能力的SERS基底,对其结构进行了详细研究。研究吸附分子对这种有序结构的局域表面等离子体共振(LSPR)最大吸收峰的影响,SERS测试表明这种基底具有巨大的应用前景。
(3)利用制备的多孔氧化铝模板,采用交流电化学沉积方法,将银纳米粒子填充到模板的孔道当中,得到具有三维结构的基底。SERS测试表明该基底具有较高的SERS增强能力,同时具有良好的均匀性、重复性以及稳定性;紫外-可见反射光谱可用来测定AAO膜的厚度,在沉积银之后的AAO模板的反射光谱中出现了干涉增强现象,这是由于银的LSPR所引起的。
(4)制备了氧化锌/银纳米复合物,分析其形成机理;详细对比了单纯氧化锌与氧化锌/银纳米复合物的紫外-可见吸收光谱、荧光光谱和SERS光谱的变http://www.chinamagnets.biz/化,认为这些变化是由于银纳米粒子与氧化锌之间的电子转移引起的。
学位年度:2010
作者:纪南
学位授予单位:吉林大学
关键词:表面增强拉曼散射;;阳极氧化铝;;SERS基底;;氧化锌/银复合物
摘要:
本论文针对目前表面增强拉曼散射(SERS)技术在应用中所面临的主要问题,即缺乏高活性、高稳定性和均匀性的SERS活性基底,利用高度有序的多孔阳极氧化铝膜(AAO)作为模板,制备具有优异性能的SERS活性基底;另外,在我们课题组关于半导体纳米材料SERS效应的研究基础上,合成氧化锌/银纳米复合物,研究半导体材料的复合对银的SERS效应的影响,取得了一些创新性成果,具体内容如下:
(1)采用两步阳极氧化法制备了具有规则结构的多孔阳极氧化铝模板,对电化学抛光过程以及阳极氧化过程进行了电流随时间变化的监Rare earth magnets测,优化抛光条件,研究了阳极氧化过程。对制备的阳极氧化铝模板的细微结构进行详细研究,SEM表征发现这种方法所制备的模板表面呈现规则的凸起结构。
(2)利用多孔氧化铝模板制备过程中得到的铝模板,采用磁控溅射方法,将铝模板的结构复制到溅射的银膜表面,得到超稳定性、具有极高抗氧化能力的SERS基底,对其结构进行了详细研究。研究吸附分子对这种有序结构的局域表面等离子体共振(LSPR)最大吸收峰的影响,SERS测试表明这种基底具有巨大的应用前景。
(3)利用制备的多孔氧化铝模板,采用交流电化学沉积方法,将银纳米粒子填充到模板的孔道当中,得到具有三维结构的基底。SERS测试表明该基底具有较高的SERS增强能力,同时具有良好的均匀性、重复性以及稳定性;紫外-可见反射光谱可用来测定AAO膜的厚度,在沉积银之后的AAO模板的反射光谱中出现了干涉增强现象,这是由于银的LSPR所引起的。
(4)制备了氧化锌/银纳米复合物,分析其形成机理;详细对比了单纯氧化锌与氧化锌/银纳米复合物的紫外-可见吸收光谱、荧光光谱和SERS光谱的变http://www.chinamagnets.biz/化,认为这些变化是由于银纳米粒子与氧化锌之间的电子转移引起的。
学位年度:2010
PbTe/Pb准一维纳米结构材料的制备及性质研究
题名:PbTe/Pb准一维纳米结构材料的制备及性质研究
作者:宗兆存
学位授予单位:吉林大学
关键词:准一维纳米结构:6953,PbTe/Pb:6272,纳米:3473,阵列:237,电沉积:206,前端的:185,半导体纳米颗粒:167,表征:115,沉积过程:111,分叉现象:98,金属纳米线:90,单根:82,生长机理:79,离子输运:76,分叉点:63,形貌变化:60,电场矢量:52,电子平均自由程:50,materials:49,晶粒尺寸:47
摘要:
本文研究了准二维电沉积过程中离子输运的滞后效应,沉积出周期性的纳米材料,分析了沉积物形貌特殊性的原因和生长机理。
通过方波电位电沉积出了大面Rare earth magnets积周期性的PbTe/Pb准一维纳米结构材料,对纳米结构材料进行了形貌和结构表征,在PbTe/Pb准一维纳米结构材料中发现了一种独特的微纳米结构,解释了内部微结构的形成原因。利用计算机模拟了制备出的平行纳米结构阵列前端的电场矢量分布和电势分布,解释了由于电沉积电位变化而导致形貌变化的原因。发现了电沉积过程中存在的三种纳米线分叉现象,分别建立起相应的生长模型,利用计算机模拟分析了这几种生长条件下的纳米线阵列前端的电场矢量分布和电势分布情况,解释了这几种不同分叉现象产生的根本原因。
测量了单根PbTe/Pb准一维纳米结构材料的电学性能,比较了不同电解液浓度下制备的材料电阻率的变化。通过原位测量比较了退火前后材料电阻率的变化。首次采用四探针法这一新手段对纳米分叉现象进行了研究,研究了单根PbTe/Pb准一维纳米结构材料在光激发条件下的电导的变化,解释了这种结构材料的光电导机理。
提出了一种新型的光电纳米结构材料阵列模型。设计了一套新的可控界面合成半导体纳米颗粒的方法,合成出了Zn1-xMnxS稀磁半导体纳米颗粒,研究了不同Mn离子掺杂含量的Zn1-xMnxS半导体纳米颗粒的高压相变,最后构建出了http://www.chinamagnets.biz/微纳米光电器件并测量了这种微纳米器件的光电性能。
学位年度:2010
作者:宗兆存
学位授予单位:吉林大学
关键词:准一维纳米结构:6953,PbTe/Pb:6272,纳米:3473,阵列:237,电沉积:206,前端的:185,半导体纳米颗粒:167,表征:115,沉积过程:111,分叉现象:98,金属纳米线:90,单根:82,生长机理:79,离子输运:76,分叉点:63,形貌变化:60,电场矢量:52,电子平均自由程:50,materials:49,晶粒尺寸:47
摘要:
本文研究了准二维电沉积过程中离子输运的滞后效应,沉积出周期性的纳米材料,分析了沉积物形貌特殊性的原因和生长机理。
通过方波电位电沉积出了大面Rare earth magnets积周期性的PbTe/Pb准一维纳米结构材料,对纳米结构材料进行了形貌和结构表征,在PbTe/Pb准一维纳米结构材料中发现了一种独特的微纳米结构,解释了内部微结构的形成原因。利用计算机模拟了制备出的平行纳米结构阵列前端的电场矢量分布和电势分布,解释了由于电沉积电位变化而导致形貌变化的原因。发现了电沉积过程中存在的三种纳米线分叉现象,分别建立起相应的生长模型,利用计算机模拟分析了这几种生长条件下的纳米线阵列前端的电场矢量分布和电势分布情况,解释了这几种不同分叉现象产生的根本原因。
测量了单根PbTe/Pb准一维纳米结构材料的电学性能,比较了不同电解液浓度下制备的材料电阻率的变化。通过原位测量比较了退火前后材料电阻率的变化。首次采用四探针法这一新手段对纳米分叉现象进行了研究,研究了单根PbTe/Pb准一维纳米结构材料在光激发条件下的电导的变化,解释了这种结构材料的光电导机理。
提出了一种新型的光电纳米结构材料阵列模型。设计了一套新的可控界面合成半导体纳米颗粒的方法,合成出了Zn1-xMnxS稀磁半导体纳米颗粒,研究了不同Mn离子掺杂含量的Zn1-xMnxS半导体纳米颗粒的高压相变,最后构建出了http://www.chinamagnets.biz/微纳米光电器件并测量了这种微纳米器件的光电性能。
学位年度:2010
Ru（phen）_3~（2+）掺杂二氧化硅纳米粒子的可控制备及性质研究
题名:Ru（phen）_3~（2+）掺杂二氧化硅纳米粒子的可控制备及性质研究
作者:张大巍
学位授予单位:吉林大学
关键词:钌配合物;;二氧化硅纳米粒子;;可控掺杂
摘要:
作为细胞标记和免疫检测领域一类重要的荧光标记材料,染料掺杂二氧化硅纳米粒子在过
去的二十年中被广泛研究。如何理解掺杂状态与china magnets suppliers发光性质之间的内在关系,实现染料的可控掺杂是
本领域急需解决的关键问题之一。本论文从St?ber反应体系出发,选择带正电的Ru(phen)32+掺杂
二氧化硅纳米粒子的制备为模型体系,以St?ber过程中硅物种与Ru(phen)32+的相互作用为主线,对
染料在二氧化硅纳米粒子中的掺杂过程进行了系统研究。首先,对不同氨水浓度下Ru(phen)32+在
二氧化硅纳米粒子中的掺杂过程进行了系统研究,发现粒子成核生长过程对染料分子聚集程度有明
显的影响,并在此基础上建立了在不同氨水浓度下进行成核和生长的染料掺杂二氧化硅纳米粒子的
制备方法,实现了对粒子单分散性和发光性质的有效调控。其次,研究了St?ber体系中不同阶段硅
物种对染料聚集程度和发光性质的影响,发现二级粒子的形成可以有效的抑制Ru(phen)32+的聚集,
通过改变染料的加入时间可以对粒子发光性质进行有效的调控。最后,建立了首先将Ru(phen)32+
吸附在二氧化硅载体粒子表面然后再进行壳层生长的吸附掺杂法。并以香豆素掺杂的PS@SiO2纳米http://www.chinamagnets.biz/
粒子和Fe3O4@ SiO2纳米粒子为载体,制备了双色掺杂和磁光复合的纳米粒子。
学位年度:2010
作者:张大巍
学位授予单位:吉林大学
关键词:钌配合物;;二氧化硅纳米粒子;;可控掺杂
摘要:
作为细胞标记和免疫检测领域一类重要的荧光标记材料,染料掺杂二氧化硅纳米粒子在过
去的二十年中被广泛研究。如何理解掺杂状态与china magnets suppliers发光性质之间的内在关系,实现染料的可控掺杂是
本领域急需解决的关键问题之一。本论文从St?ber反应体系出发,选择带正电的Ru(phen)32+掺杂
二氧化硅纳米粒子的制备为模型体系,以St?ber过程中硅物种与Ru(phen)32+的相互作用为主线,对
染料在二氧化硅纳米粒子中的掺杂过程进行了系统研究。首先,对不同氨水浓度下Ru(phen)32+在
二氧化硅纳米粒子中的掺杂过程进行了系统研究,发现粒子成核生长过程对染料分子聚集程度有明
显的影响,并在此基础上建立了在不同氨水浓度下进行成核和生长的染料掺杂二氧化硅纳米粒子的
制备方法,实现了对粒子单分散性和发光性质的有效调控。其次,研究了St?ber体系中不同阶段硅
物种对染料聚集程度和发光性质的影响,发现二级粒子的形成可以有效的抑制Ru(phen)32+的聚集,
通过改变染料的加入时间可以对粒子发光性质进行有效的调控。最后,建立了首先将Ru(phen)32+
吸附在二氧化硅载体粒子表面然后再进行壳层生长的吸附掺杂法。并以香豆素掺杂的PS@SiO2纳米http://www.chinamagnets.biz/
粒子和Fe3O4@ SiO2纳米粒子为载体,制备了双色掺杂和磁光复合的纳米粒子。
学位年度:2010
2011年8月18日星期四
氧化铁与铁多级纳米结构粒子的可控合成研究
题名:氧化铁与铁多级纳米结构粒子的可控合成研究
作者:宋发辉
学位授予单位:武汉理工大学
关键词:氧化铁;;铁;;多级结构;;合成;;机理
摘要:多级纳米结构材料由于其结构独特而有可能孕育着奇异的物理化学性能,在光电子器件、药物输运、活性物质封装、离子嵌插、表面官能化、纳米反应器、催化剂载体及尺寸选择性反应等方面具有很大的应用潜力。其Fridge magnets合成方法包括传统的模板法和新发展起来的一些基于Ostwald熟化、Kirkendall效应、定向聚集等机理的合成方法。为此,本论文着力通过软模板法、纳米粒子自组装、Ostwald熟化、定向聚集等过程来合成氧化铁和铁的多级纳米结构粒子,并对它们进行了结构表征和性质研究。
在分散剂CTAB的存在下,以FeSO4和尿素为原料用沉淀-氧化法合成了单晶α-Fe2O3星状阵列粒子。尿素用量、反应温度等因素对α-Fe2O3粒子的形貌结构有重要影响,其形成机理中包含了一个定向聚集和一个外延生长过程。典型条件下所得单晶α-Fe2O3星状阵列粒子表现出弱铁磁性,室温下其矫顽力和剩磁分别为156.08 Oe和0.569 emu/g。
以阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化钱(CTAB)为软模板,分别以络合阴离子[FeF6]3-, [Fe(C2O4)3]3为铁源,合成了介孔β-FeOOH和α-Fe2O3粒子。氮气吸附／脱附分析表明介孔β-FeOOH和α-Fe2O3粒子均在3-4 nm和20 nm出现两个孔径分布峰值,比表面积分别为164.4和102.0 m2/g。
在高浓度Fe2+离子与过量NaBH4的快速还原反应制备铁的体系中,加入可作为有机碱和螫合剂的乙二胺(EDA),可对反应速率进行适当调节从而控制最终产物的形貌结构。通过该动力学控制过程,得到了由尺寸约9 nm的一次铁纳米粒子组装的介孔铁亚微米球(300-1000 nm)。所得典型样品具有较大的比表面积(11.4 m2·g-1)和超顺磁性,孔径约4.2 nm。由所测该样品的电磁参数模拟得到的微波反射损失曲线显示,其在11.84 GHz出现反射峰值-11.79 dB,反射损失小于-8 dB的频宽约7 GHz。在中性pH下,该样品作为超声-Fenton反应的铁试剂在60分钟内对罗丹明B (RhB)的降解率达77%。
用高浓度Fe2+离子、过量NaBH4及高浓度EDA的水溶液50℃下密闭反应制备了枝化纳米纤维空心铁微球。研究表明,由于EDA的强碱性和螫合作用,还原反应较慢而首先生成一次铁纳米粒子的紧密自组装微球。在反应后期存在一个络合剂辅助的Ostwald熟化过程,EDA通过它铁之间存在络合电离平衡,将铁从球心转移到表面,最终形成了枝化纳米纤维空心铁微球。在中性pH下,典型枝化纳米纤维空心铁微球作为超声-Fenton反应的铁试剂在60分钟内对罗丹明B (RhB)的降解率为55%。
以Fe2+离子和EDA形成的络离子[Fe(EDA)3]2+作铁源,在水-乙醇混合溶剂中与过量NaBH4进行还原反应。NaBH4除作还原剂外,其未溶固体表面还成为铁多相形核与组装的基底,在水洗除去NaBH4后得到铁微米半球。在高EDA/FeⅡ摩尔比和未溶NaBH4存在下,由于多相形核及EDA辅助的Ostwald熟化,形http://www.chinamagnets.biz/about.php成了枝化纳米纤维阵列铁微米半球。在高EDA/FeⅡ摩尔比和NaBH4完全溶解的情况下,则形成枝化纳米纤维铁微米粒子。将这些样品作为铁试剂用于pH中性条件下的超声-Fenton反应,枝化纳米纤维阵列铁微米半球表现出最好的降解RhB活性,可在60分钟内降解82%的RhB。
学位年度:2010
作者:宋发辉
学位授予单位:武汉理工大学
关键词:氧化铁;;铁;;多级结构;;合成;;机理
摘要:多级纳米结构材料由于其结构独特而有可能孕育着奇异的物理化学性能,在光电子器件、药物输运、活性物质封装、离子嵌插、表面官能化、纳米反应器、催化剂载体及尺寸选择性反应等方面具有很大的应用潜力。其Fridge magnets合成方法包括传统的模板法和新发展起来的一些基于Ostwald熟化、Kirkendall效应、定向聚集等机理的合成方法。为此,本论文着力通过软模板法、纳米粒子自组装、Ostwald熟化、定向聚集等过程来合成氧化铁和铁的多级纳米结构粒子,并对它们进行了结构表征和性质研究。
在分散剂CTAB的存在下,以FeSO4和尿素为原料用沉淀-氧化法合成了单晶α-Fe2O3星状阵列粒子。尿素用量、反应温度等因素对α-Fe2O3粒子的形貌结构有重要影响,其形成机理中包含了一个定向聚集和一个外延生长过程。典型条件下所得单晶α-Fe2O3星状阵列粒子表现出弱铁磁性,室温下其矫顽力和剩磁分别为156.08 Oe和0.569 emu/g。
以阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化钱(CTAB)为软模板,分别以络合阴离子[FeF6]3-, [Fe(C2O4)3]3为铁源,合成了介孔β-FeOOH和α-Fe2O3粒子。氮气吸附／脱附分析表明介孔β-FeOOH和α-Fe2O3粒子均在3-4 nm和20 nm出现两个孔径分布峰值,比表面积分别为164.4和102.0 m2/g。
在高浓度Fe2+离子与过量NaBH4的快速还原反应制备铁的体系中,加入可作为有机碱和螫合剂的乙二胺(EDA),可对反应速率进行适当调节从而控制最终产物的形貌结构。通过该动力学控制过程,得到了由尺寸约9 nm的一次铁纳米粒子组装的介孔铁亚微米球(300-1000 nm)。所得典型样品具有较大的比表面积(11.4 m2·g-1)和超顺磁性,孔径约4.2 nm。由所测该样品的电磁参数模拟得到的微波反射损失曲线显示,其在11.84 GHz出现反射峰值-11.79 dB,反射损失小于-8 dB的频宽约7 GHz。在中性pH下,该样品作为超声-Fenton反应的铁试剂在60分钟内对罗丹明B (RhB)的降解率达77%。
用高浓度Fe2+离子、过量NaBH4及高浓度EDA的水溶液50℃下密闭反应制备了枝化纳米纤维空心铁微球。研究表明,由于EDA的强碱性和螫合作用,还原反应较慢而首先生成一次铁纳米粒子的紧密自组装微球。在反应后期存在一个络合剂辅助的Ostwald熟化过程,EDA通过它铁之间存在络合电离平衡,将铁从球心转移到表面,最终形成了枝化纳米纤维空心铁微球。在中性pH下,典型枝化纳米纤维空心铁微球作为超声-Fenton反应的铁试剂在60分钟内对罗丹明B (RhB)的降解率为55%。
以Fe2+离子和EDA形成的络离子[Fe(EDA)3]2+作铁源,在水-乙醇混合溶剂中与过量NaBH4进行还原反应。NaBH4除作还原剂外,其未溶固体表面还成为铁多相形核与组装的基底,在水洗除去NaBH4后得到铁微米半球。在高EDA/FeⅡ摩尔比和未溶NaBH4存在下,由于多相形核及EDA辅助的Ostwald熟化,形http://www.chinamagnets.biz/about.php成了枝化纳米纤维阵列铁微米半球。在高EDA/FeⅡ摩尔比和NaBH4完全溶解的情况下,则形成枝化纳米纤维铁微米粒子。将这些样品作为铁试剂用于pH中性条件下的超声-Fenton反应,枝化纳米纤维阵列铁微米半球表现出最好的降解RhB活性,可在60分钟内降解82%的RhB。
学位年度:2010
肿瘤肽特异性的同种CD4~+ T细胞的诱导及其对荷瘤裸鼠抗瘤作用的研究
题名:肿瘤肽特异性的同种CD4~+ T细胞的诱导及其对荷瘤裸鼠抗瘤作用的研究
作者:宋银宏
学位授予单位:华中科技大学
关键词:HLA-DR15/IgG1-Fc;;同种CD4~+ T细胞;;pMHC限制性;;单核细胞;;Fc受体;;GVTR
摘要:T细胞在同种移植物排斥反应和移植物抗宿主病中起主要作用,CD4~+和CD8~+ T细胞都参与了这些反应。T细胞TCR识别的配体是抗原肽和MHC I或MHC II分子形成的复合物(pMHC),分别被CD8~+和CD4~+ T细胞识别。急性排斥反应中T细胞对同种抗原的直接识别起主要作用。研究表明T细胞识别抗原肽/同种MHC复合物和抗原肽/自身MHC复合物一样通常也是pMHC特异性的,并且TCR和同种MHC分子的相互作用方式与传统的自身MHC分子提呈抗原肽给TCR识别是一样的。抗原肽特异性的的同种反应性T细胞被称为同种限制性T细胞。已有研究证实是CD4~+而非CD8~+ T细胞在同种Fridge magnets排斥反应中起本质作用:一方面CD4~+ T可以辅助其他淋巴细胞参加免疫反应,另一方面它本身也是移植物排斥反应的效应细胞。同时,临床资料显示移植物抗白血病反应(GVLR)使白血病病人的病情得以缓解,并且移植物抗肿瘤反应(GVTR)在许多实体瘤的病例中也得到证实,这是由于供者T淋巴细胞对宿主的白血病细胞及肿瘤细胞发生了免疫反应。尽管许多研究都集中于CD8~+ T细胞在GVLR或者GVTR中的作用并且发现CD8~+ T细胞在其中发挥效应作用,但实际上在GVLR中需要CD4~+ T和CD8~+ T细胞两者共同参与。由于CD4~+ T细胞在普通免疫反应和同种反应中均发挥重要作用,我们认为同种反应性CD4~+ T细胞尤其是同种限制性CD4~+ T细胞可能在GVLR或者GVTR中起重要作用。本研究目的是要建立一个诱生同种限制性CD4~+ T细胞的方法并且观察这种CD4~+ T细胞的肿瘤排斥效应。
本研究先制备出肿瘤抗原肽/HLA-DR15/IgG1-Fc二聚体,再将结合了此二聚体的HLA-DR15阴性的单核细胞和自体的外周血淋巴细胞(PBL)共培养诱导出肿瘤肽特异性的同种CD4~+ T细胞,并将此细胞过继到荷瘤裸鼠体内,发现其可以明显抑制荷瘤裸鼠体内的肿瘤生长,延长其生存期。论文共分为三部分,其主要内容与结果如下:
一、制备HLA-DR15/IgG1-Fc二聚体,并且该二聚体能有效结合到HLA-DR15
阴性(DR15-ve)个体的单核细胞表面采用RT-PCR方法从人宫颈癌细胞系SiHa (为HLA-DR15基因型)中扩增DRα链和DRβ链的信号肽及胞外序列以及转录因子Fos和Jun的亮氨酸拉链序列,将扩增的DRα段和DRβ段分别和转录因子Fos和Jun的亮氨酸拉链区连接形成DRα-Fos和DRβ-Jun,再将DRα-Fos和人IgG1的Fc段相连,构建出重组载体pFastBacTMDual+[DR15/IgG1-Fc]。将此载体转化大肠杆菌DH10BacTM,得到重组的穿梭质粒Bacmid+[DR15/IgG1-Fc],将此穿梭质粒转入昆虫细胞Sf9中,收获上清得到成熟病毒颗粒,再用此病毒颗粒大量感染Sf9细胞,收集病毒感染的Sf9细胞培养上清,通过葡萄球菌蛋白A(SPA)柱纯化得到可溶性DR15/IgG1-Fc二聚体融合蛋白(简称DR15二聚体)。ELISA和Western-blotting检测均证实DR15二聚体产物由两部分组成:二聚化的DR15的胞外段提供有http://www.chinamagnets.biz/about.php效的TCR反应部分,IgG1-Fc段能与单核细胞表面高亲和力受体FcγRI结合。将纯化的DR15二聚体与DR15-ve个体的单核细胞孵育,用流式细胞术检测具有HLA-DR15阳性表型的单核细胞百分数以确定二聚体与DR15-ve单核细胞的结合能力。流式分析结果显示DR15-ve单核细胞结合DR15二聚体后大多数具有HLA-DR15阳性表型,说明DR15二聚体可以有效结合到DR15-ve单核细胞表面。
二、结合了抗原肽/HLA-DR15/IgG1-Fc二聚体的单核细胞诱导肽特异性的同种CD4~+ T细胞的产生
为诱导抗原肽特异性的同种CD4~+ T细胞,本研究建立了一个共培养体系:纯化的DR15二聚体加载其限制性肽后结合到酸洗过的DR15-ve个体的单核细胞表面,形成共培养体系中的刺激细胞;同一个体来源的外周血淋巴细胞(PBLs)作为共培养体系中的效应细胞。共培养7 d后,通过CFSE稀释法由流式细胞仪检测到共培养体系中的CD4~+ T细胞发生了明显的增殖。再次用同样方法进行二次刺激,7 d后,该体系中淋巴细胞的特异性肽/DR15二聚体染色阳性细胞数显著高于对照,且诱导出的特异性肽/DR15二聚体阳性的CD4~+ T细胞能特异性的分泌细胞因子IFN-γ,这些实验证实本研究所诱导的同种CD4~+ T细胞具有pMHC特异性。
三、肿瘤肽特异性的同种CD4~+ T细胞能有效抑制荷瘤裸鼠的肿瘤生长
人宫颈鳞癌细胞SiHa是HLA-DR15基因型且高表达E7蛋白,可以作为本研究诱导的E7肽特异性的同种CD4~+ T的靶细胞。将经过二次刺激的淋巴细胞通过磁珠阴性分选得到较纯的肽特异的同种CD4~+ T细胞,再将其过继到荷SiHa瘤细胞的裸鼠体内,发现过继肿瘤抗原肽特异性的同种CD4~+ T细胞的裸鼠体内的肿瘤生长受到抑制,其生存期与对照组相比显著延长。免疫组织化学检测发现在特异性组有明显的人CD4~+细胞浸润,而对照组不明显。
总之,本研究通过将DR15-ve的淋巴细胞和结合了肽/DR15二聚体的自身单核细胞共培养诱导产生了肿瘤肽特异性的同种CD4~+ T细胞,这种CD4~+ T细胞在体外具有特异性的生物学功能,在体内可以明显地浸润到肿瘤组织局部,具有抑制肿瘤生长的作用,证实了同种CD4~+ T细胞也参与了GVTR(graft versus tumor reaction)并起重要作用。这不仅为诱导同种pMHC限制性CD4~+ T细胞提供了新的思路,也为肿瘤的过继免疫治疗提供了一种新的策略。
本研究的创新点和意义:
1.本研究将加载抗原肽的HLA-DR15/ IgG1-Fc二聚体(DR15二聚体)结合到DR15-ve单核细胞表面,使之能够对自身PBLs“提呈”单一的同种pMHC,这种“提呈”单一pMHC的单核细胞和自身PBLs在体外共培养,能有效刺激自体PBLs产生同种限制性的CD4~+ T细胞。
2.将针对肿瘤抗原的同种限制性CD4~+ T细胞过继输入到荷瘤裸鼠体内,可以有效抑制肿瘤生长;在肿瘤生长部位,发现有明显的CD4~+ T细胞浸润,从而证实了同种pMHC限制性CD4~+ T细胞参与了GVTR。这不仅为诱导同种pMHC限制性CD4~+ T细胞提供了新的思路,也为肿瘤的过继免疫治疗提供了一种新的策略。
学位年度:2010
作者:宋银宏
学位授予单位:华中科技大学
关键词:HLA-DR15/IgG1-Fc;;同种CD4~+ T细胞;;pMHC限制性;;单核细胞;;Fc受体;;GVTR
摘要:T细胞在同种移植物排斥反应和移植物抗宿主病中起主要作用,CD4~+和CD8~+ T细胞都参与了这些反应。T细胞TCR识别的配体是抗原肽和MHC I或MHC II分子形成的复合物(pMHC),分别被CD8~+和CD4~+ T细胞识别。急性排斥反应中T细胞对同种抗原的直接识别起主要作用。研究表明T细胞识别抗原肽/同种MHC复合物和抗原肽/自身MHC复合物一样通常也是pMHC特异性的,并且TCR和同种MHC分子的相互作用方式与传统的自身MHC分子提呈抗原肽给TCR识别是一样的。抗原肽特异性的的同种反应性T细胞被称为同种限制性T细胞。已有研究证实是CD4~+而非CD8~+ T细胞在同种Fridge magnets排斥反应中起本质作用:一方面CD4~+ T可以辅助其他淋巴细胞参加免疫反应,另一方面它本身也是移植物排斥反应的效应细胞。同时,临床资料显示移植物抗白血病反应(GVLR)使白血病病人的病情得以缓解,并且移植物抗肿瘤反应(GVTR)在许多实体瘤的病例中也得到证实,这是由于供者T淋巴细胞对宿主的白血病细胞及肿瘤细胞发生了免疫反应。尽管许多研究都集中于CD8~+ T细胞在GVLR或者GVTR中的作用并且发现CD8~+ T细胞在其中发挥效应作用,但实际上在GVLR中需要CD4~+ T和CD8~+ T细胞两者共同参与。由于CD4~+ T细胞在普通免疫反应和同种反应中均发挥重要作用,我们认为同种反应性CD4~+ T细胞尤其是同种限制性CD4~+ T细胞可能在GVLR或者GVTR中起重要作用。本研究目的是要建立一个诱生同种限制性CD4~+ T细胞的方法并且观察这种CD4~+ T细胞的肿瘤排斥效应。
本研究先制备出肿瘤抗原肽/HLA-DR15/IgG1-Fc二聚体,再将结合了此二聚体的HLA-DR15阴性的单核细胞和自体的外周血淋巴细胞(PBL)共培养诱导出肿瘤肽特异性的同种CD4~+ T细胞,并将此细胞过继到荷瘤裸鼠体内,发现其可以明显抑制荷瘤裸鼠体内的肿瘤生长,延长其生存期。论文共分为三部分,其主要内容与结果如下:
一、制备HLA-DR15/IgG1-Fc二聚体,并且该二聚体能有效结合到HLA-DR15
阴性(DR15-ve)个体的单核细胞表面采用RT-PCR方法从人宫颈癌细胞系SiHa (为HLA-DR15基因型)中扩增DRα链和DRβ链的信号肽及胞外序列以及转录因子Fos和Jun的亮氨酸拉链序列,将扩增的DRα段和DRβ段分别和转录因子Fos和Jun的亮氨酸拉链区连接形成DRα-Fos和DRβ-Jun,再将DRα-Fos和人IgG1的Fc段相连,构建出重组载体pFastBacTMDual+[DR15/IgG1-Fc]。将此载体转化大肠杆菌DH10BacTM,得到重组的穿梭质粒Bacmid+[DR15/IgG1-Fc],将此穿梭质粒转入昆虫细胞Sf9中,收获上清得到成熟病毒颗粒,再用此病毒颗粒大量感染Sf9细胞,收集病毒感染的Sf9细胞培养上清,通过葡萄球菌蛋白A(SPA)柱纯化得到可溶性DR15/IgG1-Fc二聚体融合蛋白(简称DR15二聚体)。ELISA和Western-blotting检测均证实DR15二聚体产物由两部分组成:二聚化的DR15的胞外段提供有http://www.chinamagnets.biz/about.php效的TCR反应部分,IgG1-Fc段能与单核细胞表面高亲和力受体FcγRI结合。将纯化的DR15二聚体与DR15-ve个体的单核细胞孵育,用流式细胞术检测具有HLA-DR15阳性表型的单核细胞百分数以确定二聚体与DR15-ve单核细胞的结合能力。流式分析结果显示DR15-ve单核细胞结合DR15二聚体后大多数具有HLA-DR15阳性表型,说明DR15二聚体可以有效结合到DR15-ve单核细胞表面。
二、结合了抗原肽/HLA-DR15/IgG1-Fc二聚体的单核细胞诱导肽特异性的同种CD4~+ T细胞的产生
为诱导抗原肽特异性的同种CD4~+ T细胞,本研究建立了一个共培养体系:纯化的DR15二聚体加载其限制性肽后结合到酸洗过的DR15-ve个体的单核细胞表面,形成共培养体系中的刺激细胞;同一个体来源的外周血淋巴细胞(PBLs)作为共培养体系中的效应细胞。共培养7 d后,通过CFSE稀释法由流式细胞仪检测到共培养体系中的CD4~+ T细胞发生了明显的增殖。再次用同样方法进行二次刺激,7 d后,该体系中淋巴细胞的特异性肽/DR15二聚体染色阳性细胞数显著高于对照,且诱导出的特异性肽/DR15二聚体阳性的CD4~+ T细胞能特异性的分泌细胞因子IFN-γ,这些实验证实本研究所诱导的同种CD4~+ T细胞具有pMHC特异性。
三、肿瘤肽特异性的同种CD4~+ T细胞能有效抑制荷瘤裸鼠的肿瘤生长
人宫颈鳞癌细胞SiHa是HLA-DR15基因型且高表达E7蛋白,可以作为本研究诱导的E7肽特异性的同种CD4~+ T的靶细胞。将经过二次刺激的淋巴细胞通过磁珠阴性分选得到较纯的肽特异的同种CD4~+ T细胞,再将其过继到荷SiHa瘤细胞的裸鼠体内,发现过继肿瘤抗原肽特异性的同种CD4~+ T细胞的裸鼠体内的肿瘤生长受到抑制,其生存期与对照组相比显著延长。免疫组织化学检测发现在特异性组有明显的人CD4~+细胞浸润,而对照组不明显。
总之,本研究通过将DR15-ve的淋巴细胞和结合了肽/DR15二聚体的自身单核细胞共培养诱导产生了肿瘤肽特异性的同种CD4~+ T细胞,这种CD4~+ T细胞在体外具有特异性的生物学功能,在体内可以明显地浸润到肿瘤组织局部,具有抑制肿瘤生长的作用,证实了同种CD4~+ T细胞也参与了GVTR(graft versus tumor reaction)并起重要作用。这不仅为诱导同种pMHC限制性CD4~+ T细胞提供了新的思路,也为肿瘤的过继免疫治疗提供了一种新的策略。
本研究的创新点和意义:
1.本研究将加载抗原肽的HLA-DR15/ IgG1-Fc二聚体(DR15二聚体)结合到DR15-ve单核细胞表面,使之能够对自身PBLs“提呈”单一的同种pMHC,这种“提呈”单一pMHC的单核细胞和自身PBLs在体外共培养,能有效刺激自体PBLs产生同种限制性的CD4~+ T细胞。
2.将针对肿瘤抗原的同种限制性CD4~+ T细胞过继输入到荷瘤裸鼠体内,可以有效抑制肿瘤生长;在肿瘤生长部位,发现有明显的CD4~+ T细胞浸润,从而证实了同种pMHC限制性CD4~+ T细胞参与了GVTR。这不仅为诱导同种pMHC限制性CD4~+ T细胞提供了新的思路,也为肿瘤的过继免疫治疗提供了一种新的策略。
学位年度:2010
沂沭断裂带构造演化与金矿成矿作用研究
题名:沂沭断裂带构造演化与金矿成矿作用研究
作者:李洪奎
学位授予单位:山东科技大学
关键词:沂沐断裂带;;构造演化;;金矿;;物质来源;;成矿作用
摘要:论文针对沂沭断裂带的研究现状和金矿勘查取得的成果,应用大陆动力学研究方法与成矿理论,采用野外调查与资料研究相结合、重点金矿区解剖与重要样品测试相结合的方法,从解析构造研究的基础入手,对沂沭断裂带的控矿规律进行了探讨,对成矿物质来源和成矿作用提出了新的认识。
沂沭断裂带是由四条主干断裂组成的具“二堑夹一垒”构造样式的组合型断裂。航磁△T异常图显示为一系列北北东-北Fridge magnets东向线状和串珠状异常带,在布格重力异常图上表现为北北东走向的重力梯度带。带内结晶基底的构造线方向与带两侧基底岩系具完全不同的构造特征,并控制着地层的展布和岩浆岩的发育程度。
通过详细的构造剖面研究,沂沭断裂带活动方式于不同时期不同区段表现出明显的多样性,造成兼具韧性与脆性、挤压与引张、左旋与右旋等性质复杂的构造变形特征。结合地球物理探测资料,沂沭断裂带既具有深大断裂的切幔特征,又表现为浅层次的铲式断裂,在经历了漫长而多期的构造运动后,使之构造形态变得极为复杂。
沂沭断裂带形成始于新元古代,当时具有古沂沭裂谷的性质,晋宁运动使古沂沭裂谷闭合,形成鲁东、鲁西统一的古陆。断裂带两侧地壳产生差异运动,鲁东地区长期隆起,以剥蚀为主,仅局部有些海相沉积。海西-印支期运动之后,原东西向构造线改变为北东向、北北东向的构造型式。中生代时期,中国东部开始了由中亚-特提斯构造域向滨太平洋构造域转化阶段,中生代是我国滨太平洋构造体系强烈活动阶段,致使中国东部发生地幔置换作用与中生代岩石圈减薄。同时华北板块与扬子板块夹持下的秦-祁-昆洋盆消亡碰撞造山,使沂沭断裂带发生强烈的构造活化并发生大规模的左行平移,以及其后的推覆、右行平移及张裂作用。在这一大的构造背景下,沂沭断裂对该地区的构造格局、沉积作用、岩浆活动以及矿产的形成与分布等产生了重要影响。由于太平洋板块不断俯冲,沂沭断裂带处在大陆活动边缘裂谷中。上地幔深熔岩浆不断由该带涌出,为成矿送来矿源和热源。而在它的东侧由于板块热作用,地壳物质重熔形成大量的多期次的花岗质岩石,成为胶东金矿成矿的重要母体。’沂沭断裂带在古近纪时以左行平移为主伴有张裂,后期演化成裂谷；新近纪为左行平移,伴有强烈的火山活动。第四纪则表现为差异性升降运动。
沂沭断裂带强烈活动的大陆动力学环境起源于中亚—特提斯构造域向滨太平洋构造域转化、太平洋板块的俯冲。在三大板块即华北板块与扬子板块碰撞造山、太平洋板块向NWW俯冲的大背景下,导致了沂沭断裂带的活化并发生左行平移,其最大平移距离超过300Km。新生代则以拉张、挤压(兼扭动)交替进行为特征,形成具裂谷特征的构造格架。
沂沭断裂带内金矿按成因可分为岩浆期后热液破碎带蚀变岩型、岩浆期后热液裂隙充填石英脉型、接触交代矽http://www.chinamagnets.biz/about.php卡岩型、潜火山热液爆发角砾岩型和沉积型五种类型。蚀变岩型金矿主要分布于沂水-汤头断裂带内,矿(化)体多赋存于糜棱岩化花岗岩、花岗质碎裂岩和绿泥片岩中,矿与非矿界线不清,矿体的圈定由样品分析结果确定,矿体形态多受断裂构造及韧性剪切带控制。石英脉型金矿产于基底岩系或中生代岩体内的断裂裂隙中,矿体与围岩界线清晰,矿体为含金黄铁矿化石英脉。接触交代型金矿床成矿的母岩为中生代燕山期多阶段侵入的复杂岩体,为中偏基性或中偏酸性-酸性偏碱性组分的岩浆岩,成矿围岩主要为寒武-奥陶纪灰岩,矿体产在燕山期岩浆岩与碳酸盐岩的接触带内,矿体形态复杂多变,主要为似层状和透镜状,其次有扁豆状、囊状等。潜火山热液型金矿床分布于胶莱盆地与沂沭断裂带的交汇处,矿体主要产于青山群次火山岩、火山岩中,少量产于侵入岩中,矿化围岩为石英闪长玢岩-花岗闪长斑岩、闪长岩、闪长玢岩、安山凝灰质角砾岩、安山岩等,矿体产出于隐爆角砾岩筒中,与次火山杂岩体关系密切,次火山杂岩体是重要的导矿、容矿地质体。铜、铅锌矿主要为中低温热液裂隙充填型,多分布于区域性深大断裂旁侧次级断裂构造中,形成于燕山晚期；蓝宝石矿产于沂沭断裂带内,多位于新近纪玄武质岩浆喷发中心部位。从成矿时序上,不同成因的矿床产出的构造部位、地质环境及成矿时间不同,总体上由老到新表现为金、铜、铅锌和蓝宝石的成矿序列。
不同时期的构造-岩浆作用形成了不同的矿床类型,燕山期是区内重要的金矿成矿期,它形成了山东独具特色的金矿类型和成矿系列。按照成矿作用特征,可划分为3个矿床成矿系列组合和15个矿床成矿系列。
沂沭断裂带内金矿床主要产于沂水-汤头断裂主裂面下盘的糜棱岩化碎裂岩和花岗质碎裂岩中。主要地质体中以泰山岩群与燕山期花岗岩金含量为高,其标准离差和变异系数较大,是区内金矿主要的成矿母岩,尤其是燕山期岩浆活动,是导致区内金矿成矿的重要因素。黄铁矿化、硅化、绢英岩化与金矿关系密切。载金矿物主要为黄铁矿和脉石英,其中早期黄铁矿为金矿物的主载矿物。金有自然金、银金矿两种,以角粒状为主,次长角粒状、树枝状、枝叉状及线状等,.金矿物的成色平均为816。
通过对蚀变岩型和石英脉型金矿中方解石、石英包裹体的研究表明：包裹体有单一液相包裹体、气液两相包裹体和富气相包裹体3种类型。其冰点温度变化于-2～-8.6℃之间,盐度在3.39wt%～12.39wt%之间,即中等盐度的岩浆流体(或深源流体)和低盐度的深循环的大气水流体；方解石中流体的盐度相对较低,推测为岩浆流体与大气水混合的结果。包裹体均一温度变化范围较宽,在107℃～550℃之间,可分为125℃～160℃、177℃～230℃和260℃～330℃三个温度峰值集中区,分别反映了早期以中温石英为代表的早期成矿阶段(260℃～330℃),以中低温石英和方解石为代表的中期成矿阶段(177℃～260℃)和以低温方解石为代表的晚期成矿阶段(125℃～160℃)。
对区内典型金矿床硫、氢、氧、碳和铅等稳定同位素的研究资料表明：黄铁矿的δ34S值的变化为+2.7～+4.4‰,δ180H20值为-1.78～4.07‰,δD(SMOW)值为-74～77‰,δ13C平均值为-4.18～-5.1‰,铅同位素具有正常铅的特点,说明区内金矿的成矿物质来源于地下深处,成矿流体以岩浆水为主,大气降水为辅。
蚀变矿物石英和长石的稀土元素特征具有一些相似的特点,二者均为向右倾斜的平滑曲线,属轻稀土元素富集型。但二者的差别也是明显的,长石中稀土元素的总量高,轻稀土元素富集更为明显,且表现为Eu的负异常；石英的稀土总量低,轻稀土元素富集不够明显,且表现为Eu的正异常。
对南小尧金矿矿石中的锆石进行U-Pb同位素年龄测定,上交点2438±13Ma基本代表了岩体的形成年龄,下交点116±20Ma可能代表了区域成矿的大致时限。对龙泉站金矿、南小尧金矿和牛家小河金矿石中的钾长石矿物进行K-Ar法测定,其年龄值分别为141.92±2.06 Ma、94.29±1.38 Ma、95.92±1.40 Ma,本区金矿的形成应在早白垩世中-晚期。沂南铜井地区测定的20件全岩及单矿物K-Ar测年数据,年龄值在110-126Ma间,另外有一组Rb-Sr等时线测年数据为113.4Ma。这些资料反映了金矿成矿时代应为白垩纪。
通过对区内金矿成矿规律进行了概略总结,认为基底富含金质的矿源岩、晋宁期强烈的韧性剪切作用、燕山期大规模的火山-岩浆热事件是导致区内金矿成矿的因素。根据地质基础资料和对成矿物质来源的研究,建立了区内金矿的成矿模式。
学位年度:2010
作者:李洪奎
学位授予单位:山东科技大学
关键词:沂沐断裂带;;构造演化;;金矿;;物质来源;;成矿作用
摘要:论文针对沂沭断裂带的研究现状和金矿勘查取得的成果,应用大陆动力学研究方法与成矿理论,采用野外调查与资料研究相结合、重点金矿区解剖与重要样品测试相结合的方法,从解析构造研究的基础入手,对沂沭断裂带的控矿规律进行了探讨,对成矿物质来源和成矿作用提出了新的认识。
沂沭断裂带是由四条主干断裂组成的具“二堑夹一垒”构造样式的组合型断裂。航磁△T异常图显示为一系列北北东-北Fridge magnets东向线状和串珠状异常带,在布格重力异常图上表现为北北东走向的重力梯度带。带内结晶基底的构造线方向与带两侧基底岩系具完全不同的构造特征,并控制着地层的展布和岩浆岩的发育程度。
通过详细的构造剖面研究,沂沭断裂带活动方式于不同时期不同区段表现出明显的多样性,造成兼具韧性与脆性、挤压与引张、左旋与右旋等性质复杂的构造变形特征。结合地球物理探测资料,沂沭断裂带既具有深大断裂的切幔特征,又表现为浅层次的铲式断裂,在经历了漫长而多期的构造运动后,使之构造形态变得极为复杂。
沂沭断裂带形成始于新元古代,当时具有古沂沭裂谷的性质,晋宁运动使古沂沭裂谷闭合,形成鲁东、鲁西统一的古陆。断裂带两侧地壳产生差异运动,鲁东地区长期隆起,以剥蚀为主,仅局部有些海相沉积。海西-印支期运动之后,原东西向构造线改变为北东向、北北东向的构造型式。中生代时期,中国东部开始了由中亚-特提斯构造域向滨太平洋构造域转化阶段,中生代是我国滨太平洋构造体系强烈活动阶段,致使中国东部发生地幔置换作用与中生代岩石圈减薄。同时华北板块与扬子板块夹持下的秦-祁-昆洋盆消亡碰撞造山,使沂沭断裂带发生强烈的构造活化并发生大规模的左行平移,以及其后的推覆、右行平移及张裂作用。在这一大的构造背景下,沂沭断裂对该地区的构造格局、沉积作用、岩浆活动以及矿产的形成与分布等产生了重要影响。由于太平洋板块不断俯冲,沂沭断裂带处在大陆活动边缘裂谷中。上地幔深熔岩浆不断由该带涌出,为成矿送来矿源和热源。而在它的东侧由于板块热作用,地壳物质重熔形成大量的多期次的花岗质岩石,成为胶东金矿成矿的重要母体。’沂沭断裂带在古近纪时以左行平移为主伴有张裂,后期演化成裂谷；新近纪为左行平移,伴有强烈的火山活动。第四纪则表现为差异性升降运动。
沂沭断裂带强烈活动的大陆动力学环境起源于中亚—特提斯构造域向滨太平洋构造域转化、太平洋板块的俯冲。在三大板块即华北板块与扬子板块碰撞造山、太平洋板块向NWW俯冲的大背景下,导致了沂沭断裂带的活化并发生左行平移,其最大平移距离超过300Km。新生代则以拉张、挤压(兼扭动)交替进行为特征,形成具裂谷特征的构造格架。
沂沭断裂带内金矿按成因可分为岩浆期后热液破碎带蚀变岩型、岩浆期后热液裂隙充填石英脉型、接触交代矽http://www.chinamagnets.biz/about.php卡岩型、潜火山热液爆发角砾岩型和沉积型五种类型。蚀变岩型金矿主要分布于沂水-汤头断裂带内,矿(化)体多赋存于糜棱岩化花岗岩、花岗质碎裂岩和绿泥片岩中,矿与非矿界线不清,矿体的圈定由样品分析结果确定,矿体形态多受断裂构造及韧性剪切带控制。石英脉型金矿产于基底岩系或中生代岩体内的断裂裂隙中,矿体与围岩界线清晰,矿体为含金黄铁矿化石英脉。接触交代型金矿床成矿的母岩为中生代燕山期多阶段侵入的复杂岩体,为中偏基性或中偏酸性-酸性偏碱性组分的岩浆岩,成矿围岩主要为寒武-奥陶纪灰岩,矿体产在燕山期岩浆岩与碳酸盐岩的接触带内,矿体形态复杂多变,主要为似层状和透镜状,其次有扁豆状、囊状等。潜火山热液型金矿床分布于胶莱盆地与沂沭断裂带的交汇处,矿体主要产于青山群次火山岩、火山岩中,少量产于侵入岩中,矿化围岩为石英闪长玢岩-花岗闪长斑岩、闪长岩、闪长玢岩、安山凝灰质角砾岩、安山岩等,矿体产出于隐爆角砾岩筒中,与次火山杂岩体关系密切,次火山杂岩体是重要的导矿、容矿地质体。铜、铅锌矿主要为中低温热液裂隙充填型,多分布于区域性深大断裂旁侧次级断裂构造中,形成于燕山晚期；蓝宝石矿产于沂沭断裂带内,多位于新近纪玄武质岩浆喷发中心部位。从成矿时序上,不同成因的矿床产出的构造部位、地质环境及成矿时间不同,总体上由老到新表现为金、铜、铅锌和蓝宝石的成矿序列。
不同时期的构造-岩浆作用形成了不同的矿床类型,燕山期是区内重要的金矿成矿期,它形成了山东独具特色的金矿类型和成矿系列。按照成矿作用特征,可划分为3个矿床成矿系列组合和15个矿床成矿系列。
沂沭断裂带内金矿床主要产于沂水-汤头断裂主裂面下盘的糜棱岩化碎裂岩和花岗质碎裂岩中。主要地质体中以泰山岩群与燕山期花岗岩金含量为高,其标准离差和变异系数较大,是区内金矿主要的成矿母岩,尤其是燕山期岩浆活动,是导致区内金矿成矿的重要因素。黄铁矿化、硅化、绢英岩化与金矿关系密切。载金矿物主要为黄铁矿和脉石英,其中早期黄铁矿为金矿物的主载矿物。金有自然金、银金矿两种,以角粒状为主,次长角粒状、树枝状、枝叉状及线状等,.金矿物的成色平均为816。
通过对蚀变岩型和石英脉型金矿中方解石、石英包裹体的研究表明：包裹体有单一液相包裹体、气液两相包裹体和富气相包裹体3种类型。其冰点温度变化于-2～-8.6℃之间,盐度在3.39wt%～12.39wt%之间,即中等盐度的岩浆流体(或深源流体)和低盐度的深循环的大气水流体；方解石中流体的盐度相对较低,推测为岩浆流体与大气水混合的结果。包裹体均一温度变化范围较宽,在107℃～550℃之间,可分为125℃～160℃、177℃～230℃和260℃～330℃三个温度峰值集中区,分别反映了早期以中温石英为代表的早期成矿阶段(260℃～330℃),以中低温石英和方解石为代表的中期成矿阶段(177℃～260℃)和以低温方解石为代表的晚期成矿阶段(125℃～160℃)。
对区内典型金矿床硫、氢、氧、碳和铅等稳定同位素的研究资料表明：黄铁矿的δ34S值的变化为+2.7～+4.4‰,δ180H20值为-1.78～4.07‰,δD(SMOW)值为-74～77‰,δ13C平均值为-4.18～-5.1‰,铅同位素具有正常铅的特点,说明区内金矿的成矿物质来源于地下深处,成矿流体以岩浆水为主,大气降水为辅。
蚀变矿物石英和长石的稀土元素特征具有一些相似的特点,二者均为向右倾斜的平滑曲线,属轻稀土元素富集型。但二者的差别也是明显的,长石中稀土元素的总量高,轻稀土元素富集更为明显,且表现为Eu的负异常；石英的稀土总量低,轻稀土元素富集不够明显,且表现为Eu的正异常。
对南小尧金矿矿石中的锆石进行U-Pb同位素年龄测定,上交点2438±13Ma基本代表了岩体的形成年龄,下交点116±20Ma可能代表了区域成矿的大致时限。对龙泉站金矿、南小尧金矿和牛家小河金矿石中的钾长石矿物进行K-Ar法测定,其年龄值分别为141.92±2.06 Ma、94.29±1.38 Ma、95.92±1.40 Ma,本区金矿的形成应在早白垩世中-晚期。沂南铜井地区测定的20件全岩及单矿物K-Ar测年数据,年龄值在110-126Ma间,另外有一组Rb-Sr等时线测年数据为113.4Ma。这些资料反映了金矿成矿时代应为白垩纪。
通过对区内金矿成矿规律进行了概略总结,认为基底富含金质的矿源岩、晋宁期强烈的韧性剪切作用、燕山期大规模的火山-岩浆热事件是导致区内金矿成矿的因素。根据地质基础资料和对成矿物质来源的研究,建立了区内金矿的成矿模式。
学位年度:2010
高磷铁矿生物降磷反应器的制作及性能研究
题名:高磷铁矿生物降磷反应器的制作及性能研究
作者:皮科武
学位授予单位:武汉理工大学
关键词:嗜酸氧化硫硫杆菌;;生物反应器;;高磷铁矿;;两步法生物降磷
摘要:随着铁矿资源的进一步减少和社会对钢铁需求量的进一步扩大,以往无法冶炼的高磷铁矿逐渐成为研究和开发的热点,越来越受到学术界和工程界的重视。本文以湖北某高磷铁矿为研究对象,以降低其磷含量为主要目的,系统地开展了从生物降磷反应器的设计与复氧性能测试、反应器曝气复氧数学模型的建立和两步法生物降磷浸矿实验,到两步法生物降磷工艺的设计与经济分析的理论与实验研究,提出一种可解决微生物浸矿时矿浆浓度过低,细菌产酸与浸矿过程无法独立进行的两步浸矿新Fridge magnets方法。该方法将嗜酸氧化硫硫杆菌(At.t菌)产酸过程与其所产酸用于浸矿除磷分开进行,在产酸阶段为At.t菌提供温和的生存环境,减少外界对At.t菌生长过程的破坏；在浸矿阶段则利用产酸段产生的酸性菌液以较高的机械混合方式将矿石与菌液混合,达到使矿石分散悬浮于菌液中的目的,减少矿石在反应器底部的沉积,从而提高矿石中磷的去除率。本论文主要研究内容及取得的成果包括以下几个方面：
1.生物反应器制作以5L玻璃烧杯为反应器主体,在其外部设置保温与加热装置,安置pH值测定仪,DO测定仪和温度自动设定与控制装置,采用内循环气动搅拌方式为主,通过空气泵向反应器曝气以提供微生物生长所需的氧气。反应器直径Dn=18cm,内部流体深度H=22cm,内置循环曝气筒直径dn在6.5cm-9.5cm内可调,高度h可调范围为10cm-20cm,内置循环曝气筒与反应器内壁间可用载体(如木屑、活性炭等)进行填充,载体填充高度用ht表示,以形成内置载体的内循环生物反应器。
2.反应器复氧性能测试At.t菌的生长需消耗溶解氧,生物反应器能否为At.t菌提供充足的溶解氧是评价反应器性能好坏的重要指标,因此提高反应器对氧的利用率是降低反应器能耗的主要措施。当反应器内无生物载体时,研究了h/H, ht/H, dn/Dn的变化及曝气量QN对反应器复氧性能的影响。实验发现,当反应器内流体体积为4.0 L,实验温度T在11.5-17.2℃,曝气量QN=6.67×10-5m3/s,内置循环曝气筒的高度h从10cm逐渐增加到20cm,直径dn由6.5cm逐渐增加到9.5cm时,在344s-497s内均能使反应器内溶解氧达到稳定且接近饱和,溶入流体中的溶解氧的量为31.97mg-43.83mg,反应器在此时段内的平均复氧速率为22.01mg/m3.s-22.27mg/m3.s,复氧速率相对稳定,反应器不同层面上DO为10.5-11.3mg/L。对h=17.5cm、dn=9.5cm的内置曝气筒,随QN增大,反应器内最高溶解氧出现的时间明显缩短,但溶解氧总量不一定增加。当QN从1NL/min(1.66×10-5m3/s)增加到6NL/min(10×10-5m3/s)时(每次增加1NL/min),反应器的复氧速率分别为6.82mg/m3.s、16.42mg/m3.s、25.99 mg/m3.s、31.33mg/m3.s、31.57 mg/m3.s和35.76 mg/m3.s,QN在3-5 NL/min时反应器复氧速率相对理想。当反应器内填充木屑时,进一步研究了木屑填充高度ht对反应器复氧性能的影响,当ht分别为7cm、12cm和17cm,控制QN=4NL/min,温度从10.5～C上升到29.6℃时,反应器复氧速率由42.27mg/m3.s下降到31.82mg/m3.s,显然反应器内温度的上升不利于氧的吸收。当反应器内填充颗粒活性炭时,就反应器液面下2cm和10cm处的溶解氧进行了测定,结果表明当ht从7cm增加到17cm时,反应器的平均复氧速率由25.75 mg/m3.s增加至30.47 mg/m3.s,但反应器内溶解氧总量从38.68mg下降到34.56mg。ht为7cm及以下有利于氧的吸收,但反应器内填料过少不利于向At.t菌提供栖息的载体,也不利于At.t菌的产酸。
3.反应器复氧数学模型的建http://www.chinamagnets.biz/about.php立以Fick扩散定律,双膜理论和渗透理论为基础,通过四点基本假设,在实验结果的基础上,建立反应器的氧瞬时传质速率模型为：应用该数学模型就反应器对氧的利用效率进行了验证和计算。当反应器内无载体,QN=3NL/min,h=17.5cm和H=22cm时,反应器对氧的利用效率逐渐增加到1.62%,然后下降。加大曝气量反应器对氧的利用效率首先增加,然后减小,当QN=1NL/min时,反应器对氧的利用效率相对较低,基本维持在0.47%-0.59%。当QN在2NL/min至6NL/min时,反应器对氧利用效率的变化趋势基本相同,首先增加,然后随曝气时间延长逐渐减小,到后期基本趋于稳定。当QN=3NL/min, dn=9.5cm,h/H=0.80,温度为10.5℃时,反应器对氧的利用率可达2.5%,当实验温度上升到29.4℃时,反应器对氧的利用率下降为0.52%。反应器内添加木屑后,反应器对氧的利用效率变化不大,当ht/H从0.33上升到0.77时,反应器对氧的利用效率在1.55%-1.88%,但内设置木屑可为微生物的生长与栖息创造良好的条件,增加反应器内微生物密度。实验温度对氧传质速率模型有一定的影响,对反应器复氧数学模型进行温度影响的修正后,其模型的表达式为：氧的利用效率更加接近于反应器对氧的实际利用效率。经过温度修正后,反应器对氧的实际利用效率基本在1.0%-1.6%,而氧传质模型计算的氧理论利用效率为1.25%-1.88%,产生两者差距的主要原因是反应器内水深不够。当反应器水深达1.5m时,反应器对氧的利用效率可达10.23%,完全可达到目前空气扩散装置的氧转移效率6%-12%的水平。
4.反应器产酸效果实验确定采用内置载体的内循环方式反应器进行产酸反应,产酸反应器基本物理参数为：内径Dn=18cm,液面高度H=22cm,内置曝气循环曝气筒h=17.5cm、内径dn=9.5cm,反应温度控制在29-30℃,当QN=4NL/min时,反应器复氧速率可达27.31 mg/m3.S。当At.t菌接种量由5%增加到20%时,在培养时间内反应器的平均产酸速率为从1.51mmol/L.d增加到5.81mmol/L.d,当ht/H从0逐渐增加到0.77,反应器产酸速率从1.57 mmol/L.d增加到4.23 mmol/L.d,但当ht/H大于0.55后,反应器产酸速率增加不很明显。曝气量QN从1NL/min增加6NL/min,反应器的产酸速率可从0.36 mmol/L.d增加到5.51 mmol/L.d,但在QN大于4NL/min后,反应器产酸速率增加幅度不明显。同时考察了菌液水力停留时间(HRT)对At.t菌产酸速率的影响,HRT为14d时,At.t菌产酸速率相对理想,在5.81-16.59mmol/L.d之间,但变化幅度较大。
5.浸矿效果研究选取pH值为1.0左右的菌液,分别对原矿及精矿进行了浸矿实验。采用原矿作为实验矿石,当浸矿时间达到12h后,矿石中磷的含量为0.17%,铁的品位为44.64%,浸矿最佳效果出现在浸矿时间达到18h时,再继续延长浸矿时间,滤渣中磷的含量有上升的趋势。采用精矿作为实验矿石,当矿浆浓度从1%增加到4%时,铁的品位从58.41%下降了2.63%,浸矿渣中磷的含量从0.1%上升到0.35%；但当矿浆浓度低于3%时,滤渣中磷的含量最高为0.24%,低于0.25%。菌液中是否存在At.t菌对提高铁的品位和降低矿石中磷的含量影响不大,当矿浆浓度为2%,以原矿为对象用含At.t菌的菌液浸矿12h后,铁的品位为44.64%,浸矿渣中磷含量为0.17%,用不含At.t菌的菌液进行浸矿12h后,铁的品位为44.58%,浸矿渣中磷含量为0.18%。同时对硫粉及矿石进行XRD和SEM分析,硫粉通过At.t菌作用前后变化不大,这说明At.t菌只利用硫粉作为能源物质产生硫酸,而没有将硫粉转变为其它固体物质。SEM分析发现,通过At.t菌作用后硫粉的表面变得粗糙,10000倍SEM图片显示其表面有明显的浸蚀坑,类似于杆菌作用的效果。矿石XRD和SEM分析表明,磁选精矿的主要成份为磁铁矿、磁性赤铁矿(γ-Fe2O3)和石英,通过At.t菌作用后也未发现铁钒类沉淀产生,其主要成分仍然为磁铁矿、磁性赤铁矿和石英；原矿通过At.t菌作用后其成分仍然为赤铁矿和石英,未发现铁钒类沉淀产生。SEM分析结果表明,At.t菌作用精矿(原矿)除磷后出现了成片聚集成鱼鳞状,其原因可能是矿石中磷及其它杂质被At.t菌作用后含量下降,矿石品位上升后产生聚积所致。
6.两步法生物降磷工艺按日产300L(pH=1.0)菌液计算,菌液中所含H2S04的量为15 mol,则每摩尔硫酸生产成本为1.64元。将lkg含磷量为1.1%的铁矿石中的磷降低到0.15%的成本为2.14元,成本相对较高,主要原因是矿浆浓度过低(4%)。若设计只将P降低至0.3%,则矿浆浓度可达8%,每日可浸出铁矿石为22.84kg,每浸出lkg矿石成本为1.07元,显然如何进一步提高生物选矿中矿浆浓度对降低生产成本至关重要。本文创新之处在于：
A、利用At.t菌具有以低价态硫作为能源物质产生硫酸,然后利用硫酸将铁矿石中磷溶解浸出,提出两步法生物作用降低高磷铁矿石中磷的思路；
B、设计了合理、高复氧速率的内循环生物反应器,对反应器内部结构与性能进行测试与评价,重点研究了复氧速率与反应器结构的关系,建立了反应器氧瞬时传质速率数学模型；
C、反应器所产生的酸性菌液对铁矿石除磷效率达75%,精矿粉中残余磷含量最低可达0.1%,铁品位为58.41%,就反应过程及实验结论,设计了两步法生物降磷的清洁生产工艺,构建了相应的在线监控系统,为浸矿生物的生长过程提供了最佳的条件。
学位年度:2010
作者:皮科武
学位授予单位:武汉理工大学
关键词:嗜酸氧化硫硫杆菌;;生物反应器;;高磷铁矿;;两步法生物降磷
摘要:随着铁矿资源的进一步减少和社会对钢铁需求量的进一步扩大,以往无法冶炼的高磷铁矿逐渐成为研究和开发的热点,越来越受到学术界和工程界的重视。本文以湖北某高磷铁矿为研究对象,以降低其磷含量为主要目的,系统地开展了从生物降磷反应器的设计与复氧性能测试、反应器曝气复氧数学模型的建立和两步法生物降磷浸矿实验,到两步法生物降磷工艺的设计与经济分析的理论与实验研究,提出一种可解决微生物浸矿时矿浆浓度过低,细菌产酸与浸矿过程无法独立进行的两步浸矿新Fridge magnets方法。该方法将嗜酸氧化硫硫杆菌(At.t菌)产酸过程与其所产酸用于浸矿除磷分开进行,在产酸阶段为At.t菌提供温和的生存环境,减少外界对At.t菌生长过程的破坏；在浸矿阶段则利用产酸段产生的酸性菌液以较高的机械混合方式将矿石与菌液混合,达到使矿石分散悬浮于菌液中的目的,减少矿石在反应器底部的沉积,从而提高矿石中磷的去除率。本论文主要研究内容及取得的成果包括以下几个方面：
1.生物反应器制作以5L玻璃烧杯为反应器主体,在其外部设置保温与加热装置,安置pH值测定仪,DO测定仪和温度自动设定与控制装置,采用内循环气动搅拌方式为主,通过空气泵向反应器曝气以提供微生物生长所需的氧气。反应器直径Dn=18cm,内部流体深度H=22cm,内置循环曝气筒直径dn在6.5cm-9.5cm内可调,高度h可调范围为10cm-20cm,内置循环曝气筒与反应器内壁间可用载体(如木屑、活性炭等)进行填充,载体填充高度用ht表示,以形成内置载体的内循环生物反应器。
2.反应器复氧性能测试At.t菌的生长需消耗溶解氧,生物反应器能否为At.t菌提供充足的溶解氧是评价反应器性能好坏的重要指标,因此提高反应器对氧的利用率是降低反应器能耗的主要措施。当反应器内无生物载体时,研究了h/H, ht/H, dn/Dn的变化及曝气量QN对反应器复氧性能的影响。实验发现,当反应器内流体体积为4.0 L,实验温度T在11.5-17.2℃,曝气量QN=6.67×10-5m3/s,内置循环曝气筒的高度h从10cm逐渐增加到20cm,直径dn由6.5cm逐渐增加到9.5cm时,在344s-497s内均能使反应器内溶解氧达到稳定且接近饱和,溶入流体中的溶解氧的量为31.97mg-43.83mg,反应器在此时段内的平均复氧速率为22.01mg/m3.s-22.27mg/m3.s,复氧速率相对稳定,反应器不同层面上DO为10.5-11.3mg/L。对h=17.5cm、dn=9.5cm的内置曝气筒,随QN增大,反应器内最高溶解氧出现的时间明显缩短,但溶解氧总量不一定增加。当QN从1NL/min(1.66×10-5m3/s)增加到6NL/min(10×10-5m3/s)时(每次增加1NL/min),反应器的复氧速率分别为6.82mg/m3.s、16.42mg/m3.s、25.99 mg/m3.s、31.33mg/m3.s、31.57 mg/m3.s和35.76 mg/m3.s,QN在3-5 NL/min时反应器复氧速率相对理想。当反应器内填充木屑时,进一步研究了木屑填充高度ht对反应器复氧性能的影响,当ht分别为7cm、12cm和17cm,控制QN=4NL/min,温度从10.5～C上升到29.6℃时,反应器复氧速率由42.27mg/m3.s下降到31.82mg/m3.s,显然反应器内温度的上升不利于氧的吸收。当反应器内填充颗粒活性炭时,就反应器液面下2cm和10cm处的溶解氧进行了测定,结果表明当ht从7cm增加到17cm时,反应器的平均复氧速率由25.75 mg/m3.s增加至30.47 mg/m3.s,但反应器内溶解氧总量从38.68mg下降到34.56mg。ht为7cm及以下有利于氧的吸收,但反应器内填料过少不利于向At.t菌提供栖息的载体,也不利于At.t菌的产酸。
3.反应器复氧数学模型的建http://www.chinamagnets.biz/about.php立以Fick扩散定律,双膜理论和渗透理论为基础,通过四点基本假设,在实验结果的基础上,建立反应器的氧瞬时传质速率模型为：应用该数学模型就反应器对氧的利用效率进行了验证和计算。当反应器内无载体,QN=3NL/min,h=17.5cm和H=22cm时,反应器对氧的利用效率逐渐增加到1.62%,然后下降。加大曝气量反应器对氧的利用效率首先增加,然后减小,当QN=1NL/min时,反应器对氧的利用效率相对较低,基本维持在0.47%-0.59%。当QN在2NL/min至6NL/min时,反应器对氧利用效率的变化趋势基本相同,首先增加,然后随曝气时间延长逐渐减小,到后期基本趋于稳定。当QN=3NL/min, dn=9.5cm,h/H=0.80,温度为10.5℃时,反应器对氧的利用率可达2.5%,当实验温度上升到29.4℃时,反应器对氧的利用率下降为0.52%。反应器内添加木屑后,反应器对氧的利用效率变化不大,当ht/H从0.33上升到0.77时,反应器对氧的利用效率在1.55%-1.88%,但内设置木屑可为微生物的生长与栖息创造良好的条件,增加反应器内微生物密度。实验温度对氧传质速率模型有一定的影响,对反应器复氧数学模型进行温度影响的修正后,其模型的表达式为：氧的利用效率更加接近于反应器对氧的实际利用效率。经过温度修正后,反应器对氧的实际利用效率基本在1.0%-1.6%,而氧传质模型计算的氧理论利用效率为1.25%-1.88%,产生两者差距的主要原因是反应器内水深不够。当反应器水深达1.5m时,反应器对氧的利用效率可达10.23%,完全可达到目前空气扩散装置的氧转移效率6%-12%的水平。
4.反应器产酸效果实验确定采用内置载体的内循环方式反应器进行产酸反应,产酸反应器基本物理参数为：内径Dn=18cm,液面高度H=22cm,内置曝气循环曝气筒h=17.5cm、内径dn=9.5cm,反应温度控制在29-30℃,当QN=4NL/min时,反应器复氧速率可达27.31 mg/m3.S。当At.t菌接种量由5%增加到20%时,在培养时间内反应器的平均产酸速率为从1.51mmol/L.d增加到5.81mmol/L.d,当ht/H从0逐渐增加到0.77,反应器产酸速率从1.57 mmol/L.d增加到4.23 mmol/L.d,但当ht/H大于0.55后,反应器产酸速率增加不很明显。曝气量QN从1NL/min增加6NL/min,反应器的产酸速率可从0.36 mmol/L.d增加到5.51 mmol/L.d,但在QN大于4NL/min后,反应器产酸速率增加幅度不明显。同时考察了菌液水力停留时间(HRT)对At.t菌产酸速率的影响,HRT为14d时,At.t菌产酸速率相对理想,在5.81-16.59mmol/L.d之间,但变化幅度较大。
5.浸矿效果研究选取pH值为1.0左右的菌液,分别对原矿及精矿进行了浸矿实验。采用原矿作为实验矿石,当浸矿时间达到12h后,矿石中磷的含量为0.17%,铁的品位为44.64%,浸矿最佳效果出现在浸矿时间达到18h时,再继续延长浸矿时间,滤渣中磷的含量有上升的趋势。采用精矿作为实验矿石,当矿浆浓度从1%增加到4%时,铁的品位从58.41%下降了2.63%,浸矿渣中磷的含量从0.1%上升到0.35%；但当矿浆浓度低于3%时,滤渣中磷的含量最高为0.24%,低于0.25%。菌液中是否存在At.t菌对提高铁的品位和降低矿石中磷的含量影响不大,当矿浆浓度为2%,以原矿为对象用含At.t菌的菌液浸矿12h后,铁的品位为44.64%,浸矿渣中磷含量为0.17%,用不含At.t菌的菌液进行浸矿12h后,铁的品位为44.58%,浸矿渣中磷含量为0.18%。同时对硫粉及矿石进行XRD和SEM分析,硫粉通过At.t菌作用前后变化不大,这说明At.t菌只利用硫粉作为能源物质产生硫酸,而没有将硫粉转变为其它固体物质。SEM分析发现,通过At.t菌作用后硫粉的表面变得粗糙,10000倍SEM图片显示其表面有明显的浸蚀坑,类似于杆菌作用的效果。矿石XRD和SEM分析表明,磁选精矿的主要成份为磁铁矿、磁性赤铁矿(γ-Fe2O3)和石英,通过At.t菌作用后也未发现铁钒类沉淀产生,其主要成分仍然为磁铁矿、磁性赤铁矿和石英；原矿通过At.t菌作用后其成分仍然为赤铁矿和石英,未发现铁钒类沉淀产生。SEM分析结果表明,At.t菌作用精矿(原矿)除磷后出现了成片聚集成鱼鳞状,其原因可能是矿石中磷及其它杂质被At.t菌作用后含量下降,矿石品位上升后产生聚积所致。
6.两步法生物降磷工艺按日产300L(pH=1.0)菌液计算,菌液中所含H2S04的量为15 mol,则每摩尔硫酸生产成本为1.64元。将lkg含磷量为1.1%的铁矿石中的磷降低到0.15%的成本为2.14元,成本相对较高,主要原因是矿浆浓度过低(4%)。若设计只将P降低至0.3%,则矿浆浓度可达8%,每日可浸出铁矿石为22.84kg,每浸出lkg矿石成本为1.07元,显然如何进一步提高生物选矿中矿浆浓度对降低生产成本至关重要。本文创新之处在于：
A、利用At.t菌具有以低价态硫作为能源物质产生硫酸,然后利用硫酸将铁矿石中磷溶解浸出,提出两步法生物作用降低高磷铁矿石中磷的思路；
B、设计了合理、高复氧速率的内循环生物反应器,对反应器内部结构与性能进行测试与评价,重点研究了复氧速率与反应器结构的关系,建立了反应器氧瞬时传质速率数学模型；
C、反应器所产生的酸性菌液对铁矿石除磷效率达75%,精矿粉中残余磷含量最低可达0.1%,铁品位为58.41%,就反应过程及实验结论,设计了两步法生物降磷的清洁生产工艺,构建了相应的在线监控系统,为浸矿生物的生长过程提供了最佳的条件。
学位年度:2010
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