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半导体缺陷的电子结构计算方法研究进展

物理学报 2024年第6期73卷 34-47页

作者：李晨慧张陈蔡雪芬张才鑫袁嘉怡邓惠雄中国科学院半导体研究所超晶格国家重点实验室北京100083 中国科学院大学材料科学与光电工程中心北京100049

半导体材料的掺杂与缺陷调控是实现其应用的重要前提.基于密度泛函理论的第一性原理缺陷计算为半导体的掺杂与缺陷调控提供了重要的理论指导.本文介绍了第一性原理半导体缺陷计算的基本理论方法的相关发展.首先,介绍半导体缺陷计算的基... 详细信息

半导体材料的掺杂与缺陷调控是实现其应用的重要前提.基于密度泛函理论的第一性原理缺陷计算为半导体的掺杂与缺陷调控提供了重要的理论指导.本文介绍了第一性原理半导体缺陷计算的基本理论方法的相关发展.首先,介绍半导体缺陷计算的基本理论方法,讨论带电缺陷计算中由周期性边界条件引入的有限超胞尺寸误差,并展示相应的修正方法发展.其次,聚焦于低维半导体中的带电缺陷计算,阐述凝胶模型下带电缺陷形成能随真空层厚度发散的问题,并介绍为解决这一问题所引入的相关理论模型.最后,简单介绍了缺陷计算中的带隙修正方法及光照非平衡条件下掺杂与缺陷调控理论模型.这些工作可以为半导体,特别是低维半导体,在平衡或非平衡条件下的缺陷计算提供指导,有助于后续半导体中的掺杂和缺陷调控工作的进一步发展.

关键词：半导体缺陷计算镜像电荷修正低维半导体缺陷物理非平衡掺杂

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炸药模拟裂纹宽度的CT检测与测量分析

无损检测 2024年第7期46卷 19-24页

作者：王慧戴斌陈华宫志桢吴松刘晨张才鑫中国工程物理研究院化工材料研究所绵阳621900

炸药作为武器系统的核心部件,其内部结构质量直接关系到武器系统的可靠性,目前CT技术已被用于炸药试件的内部质量检测与评价研究,特别用于炸药试件内部裂纹的定性与定量分析中。然而选择不同的检测工艺参数会造成CT图像质量的变化,直接... 详细信息

炸药作为武器系统的核心部件,其内部结构质量直接关系到武器系统的可靠性,目前CT技术已被用于炸药试件的内部质量检测与评价研究,特别用于炸药试件内部裂纹的定性与定量分析中。然而选择不同的检测工艺参数会造成CT图像质量的变化,直接影响到后续定量表征的精度。通过在炸药试件表面加工不同宽度的标准尺寸线槽,再将其与相同规格的炸药试件对粘,以实现在炸药试件内部预制标准尺寸裂纹的目的。然后,改变检测参数与工艺条件,得到不同检测参数对试件裂纹宽度测量精度的影响规律,分析讨论了CT测量炸药试件(如尺寸小于10 mm的始发药等)裂纹宽度的最佳检测工艺条件。

关键词： CT技术预制裂纹尺寸测量炸药

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造型颗粒统计特征参量CT量化表征方法

含能材料 2023年第12期31卷 1262-1268页

作者：张催张才鑫杨亚飞戴斌杜宇陈华张伟斌中国工程物理研究院化工材料研究所四川绵阳621999

为了量化表征造型颗粒结构统计特征参量,基于显微CT、图像处理与统计分析技术开展了造型颗粒统计特征参量表征方法研究,利用该方法对TATB基造型颗粒统计特征参量进行表征并用筛网筛分实验对表征结果进行了验证,对表征结果的稳定性和重... 详细信息

为了量化表征造型颗粒结构统计特征参量,基于显微CT、图像处理与统计分析技术开展了造型颗粒统计特征参量表征方法研究,利用该方法对TATB基造型颗粒统计特征参量进行表征并用筛网筛分实验对表征结果进行了验证,对表征结果的稳定性和重复性进行了评估。结果表明,该方法可实现对造型颗粒粒径、形貌、孔隙、密度、堆积特性的量化表征,TATB基造型颗粒的粒径与球形度分别近似服从指数高斯和韦伯分布,本征密度1.35 g·cm^(-3),可见孔隙率2.3%(空间分辨率14.3μm),体积分数0.69。评估实验表明该方法具有较好准确性,表征结果具有较好的稳定性和重复性,粒径表征结果与筛网筛分结果相符,主要统计特征参量在不同时间段的测量结果相对偏差小于1%,形貌和孔隙特性表征结果受样品堆积状态影响相对较大。

关键词：造型颗粒特征参量显微CT 图像处理高聚物粘接炸药(PBX)

基于光子计数能谱CT的含能材料等效原子序数测量方法

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光谱学与光谱分析 2022年第5期42卷 1400-1406页

作者：杨亚飞张才鑫陈华张伟斌田勇张定华黄魁东中国工程物理研究院化工材料研究所四川绵阳621999 西北工业大学航空发动机高性能制造工业和信息化部重点实验室陕西西安710072 西北工业大学航空发动机先进制造技术教育部工程研究中心陕西西安710072

双能CT或能谱CT可以测量材料的等效原子序数,对含能材料的成分检测和生产工艺改进具有重要意义,但现有方法存在复杂度高、设备要求高等缺点。为提高等效原子序数的测量精度,并降低设备要求和算法复杂度,提出了一种基于新型CeTe光子计数... 详细信息

双能CT或能谱CT可以测量材料的等效原子序数,对含能材料的成分检测和生产工艺改进具有重要意义,但现有方法存在复杂度高、设备要求高等缺点。为提高等效原子序数的测量精度,并降低设备要求和算法复杂度,提出了一种基于新型CeTe光子计数探测器的等效原子序数测量方法。该方法利用材料的衰减特性,重新推导了两个能量区间线性衰减系数之比与等效原子序数的关系。该方法不依赖于双能CT或能谱CT的专业知识,只需利用光子计数探测器对三种已知材料进行能谱CT扫描与重建,即可得到等效原子序数的标定曲线,并对未知材料进行等效原子序数测量。在实际应用中,只需保证标定实验和测量实验在相同条件下进行,即可将重建误差、探测器响应误差、射束硬化效应和散射效应等影响因素纳入到标定曲线(相当于重新对NIST数据进行了特定扫描条件下的标定),并抑制上述因素对最终结果的影响。相较于其他方法,该方法鲁棒性和通用性较强,且大幅降低了设备要求和算法复杂度。同时,该方法允许相对较宽的能量区间,可以较充分的利用X射线源所发出的光子,使检测效率满足了工业检测和医学成像的需要,具有良好的商业应用前景。实验结果表明,在当前标定范围(等效原子序数6~13)和扫描条件下,该方法测量的等效原子序数相对误差小于2%,具有较高的可靠性。在实际含能材料生产检测中,该方法在不破坏含能材料的情况下对高衰减杂质成分进行了有效判断,指出了高衰减杂质是实际生产过程中混入的高原子序数杂质,而不是高密度的含能材料。这表明该方法能够有效解决含能材料生产中的成分检测难题,并有望促进含能材料生产工艺的改进,具有重要的工程意义。

关键词：光子计数能谱CT 含能材料等效原子序数杂质识别

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基于标定量具的快速锥束CT几何校准方法

仪器仪表学报 2019年第1期40卷 175-182页

作者：张才鑫黄魁东陈华中国工程物理研究院化工材料研究所绵阳621999 西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室西安710072

锥束CT的几何参数不准确会导致重建图像出现伪影,影响分析与判断。为快速可靠地获取锥束CT的几何参数,提出了一种基于标定量具的锥束CT几何参数校准方法。标定量具的基本结构为有机玻璃管内置金属细丝,外嵌金属球;通过获得量具一定幅数... 详细信息

锥束CT的几何参数不准确会导致重建图像出现伪影,影响分析与判断。为快速可靠地获取锥束CT的几何参数,提出了一种基于标定量具的锥束CT几何参数校准方法。标定量具的基本结构为有机玻璃管内置金属细丝,外嵌金属球;通过获得量具一定幅数的单圆轨迹扫描投影,并将得到的投影图像进行叠加,根据叠加图像的对称特性,进行对称轴拟合,所得对称轴即为旋转轴投影,通过金属球轨迹与旋转轴交点的比例关系求得射束中心的坐标;最后,利用量具平移一定距离后的投影,结合量具外轮廓直径和投影的几何关系,计算出源到旋转中心及探测器的距离。实验结果表明,该方法可以获得可靠的锥束CT几何参数,具有校准速度快、鲁棒性强的特点。

关键词：锥束CT 几何参数校准边缘检测

基于CT图像序列的围压TATB基PBX冲击损伤特性

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含能材料 2019年第3期27卷 196-201,I0003页

作者：刘本德陈华张伟斌张才鑫刘晨中国工程物理研究院化工材料研究所四川绵阳621999

为研究高聚物黏结炸药(PBX)在冲击载荷作用下损伤特性,以分离式霍普金森压杆(SHPB)对TATB基PBX进行了动态冲击实验,利用X射线显微层析成像(X?ray Micro?computed tomography,X?μCT)进行了损伤观测表征,基于CT图像序列并结合数字图像处... 详细信息

为研究高聚物黏结炸药(PBX)在冲击载荷作用下损伤特性,以分离式霍普金森压杆(SHPB)对TATB基PBX进行了动态冲击实验,利用X射线显微层析成像(X?ray Micro?computed tomography,X?μCT)进行了损伤观测表征,基于CT图像序列并结合数字图像处理算法,对损伤裂纹进行了提取与三维重构,并提出一种基于CT图像序列的缺陷体积占比的损伤变量评价方法,对不同子弹冲击速度作用下的损伤变量值进行了计算。结果表明,损伤裂纹沿着与端面约为60°方向由两端向中间延展,裂纹整体呈"沙漏"分布特征,且随着子弹冲击速度增加,裂纹延伸方向基本保持不变,由于炸药初始损伤的存在,损伤变量值并不一直增大,而是先减小再增大,后呈急剧增大趋势。

关键词：高聚物粘结炸药(PBX) 冲击损伤 X射线显微层析成像(X-μCT) 损伤变量

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TATB造型粉颗粒单轴压缩力学性能

含能材料 2020年第10期28卷 960-968页

作者：马寅翔刘晨王慧张才鑫陈华张伟斌中国工程物理研究院化工材料研究所四川绵阳621999

为掌握三氨基三硝基苯(TATB)造型粉颗粒力学性能,设计了一种适用于X射线微层析成像系统的原位微米力学加载装置,利用X射线微层析成像技术对颗粒细观结构特征进行了无损表征,采用Hertz法向接触模型对单个造型粉颗粒力-位移关系进行了研究... 详细信息

为掌握三氨基三硝基苯(TATB)造型粉颗粒力学性能,设计了一种适用于X射线微层析成像系统的原位微米力学加载装置,利用X射线微层析成像技术对颗粒细观结构特征进行了无损表征,采用Hertz法向接触模型对单个造型粉颗粒力-位移关系进行了研究,获得了单个TATB造型粉颗粒的杨氏模量、屈服点、接触刚度、破坏荷载等力学参数与颗粒外形、孔隙形态、孔隙分布等结构特征。结果表明,单个TATB造型粉颗粒准静态法向压缩过程表现出弹性变形、弹-塑性变形与破坏崩塌三个阶段,颗粒内部尺寸小且空间结构分散的孔隙在颗粒变形过程中基本不发生变化,颗粒内部尺寸大且平行于加载方向的片状孔隙显著降低颗粒破坏强度,颗粒内部结构的差异对其压缩力学性能影响较大。

关键词：三氨基三硝基苯(TATB) 造型粉颗粒 CT原位试验单轴压缩力学性能

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PBX稀疏CT投影PICCS图像重建算法

含能材料 2020年第5期28卷 464-469页

作者：张建伟张才鑫陈华张韬刘晨刘丰林中国工程物理研究院化工材料研究所四川绵阳621999 重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室重庆400044 重庆大学工业CT无损检测教育部工程研究中心重庆400044 哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院黑龙江哈尔滨150001

为了解决CT检测高聚物粘结炸药时,传统的滤波反投影重建算法(FBP)需要采集大量投影导致检测效率低以及从不完备投影重建图像噪声大、伪影严重、细节模糊等问题,选取稀疏投影CT扫描方式提高检测效率,采用先验图像约束的压缩感知重建算法(... 详细信息

为了解决CT检测高聚物粘结炸药时,传统的滤波反投影重建算法(FBP)需要采集大量投影导致检测效率低以及从不完备投影重建图像噪声大、伪影严重、细节模糊等问题,选取稀疏投影CT扫描方式提高检测效率,采用先验图像约束的压缩感知重建算法(PICCS)抑制噪声,减少伪影,利用准静态单轴压缩三氨基三硝基苯(TATB)基高聚物黏结炸药(PBX)的损伤试件验证采用的CT扫描方式和重建算法,并将完备投影集FBP重建结果与稀疏投影集联合代数重建算法(SART)、PICCS两种算法重建结果进行主观和客观的对比评价。实验结果表明,PICCS用1/3稀疏投影集重建结果与完备投影集FBP重建结果相近,在满足对检测物体缺陷和内部结构观察、判断的前提下可以提高2倍左右检测效率,而且与SART重建图像相比,PICCS重建的图像伪影少,噪声小,细节清晰。

关键词：高聚物黏结炸药(PBX) CT重建滤波反投影重建算法(FBP) 不完备投影 PICCS算法

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基于椭球包围盒的锥束CT三维加权重建算法

仪器仪表学报 2016年第11期37卷 2563-2571页

作者：杨亚飞张定华黄魁东时稳龙张才鑫西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室西安710072

提高锥束CT大锥角圆轨道扫描下的重建图像质量一直是CT成像技术的重要研究方向。分析了圆轨道扫描下Radon空间的Z向数据缺失特点和FDK算法的灰度下降规律,提出了一种基于椭球包围盒的锥束CT三维加权重建算法。该算法无需重排,只需利用... 详细信息

提高锥束CT大锥角圆轨道扫描下的重建图像质量一直是CT成像技术的重要研究方向。分析了圆轨道扫描下Radon空间的Z向数据缺失特点和FDK算法的灰度下降规律,提出了一种基于椭球包围盒的锥束CT三维加权重建算法。该算法无需重排,只需利用投影数据获取重建物体的最小包围盒,并根据其内接椭球的大小和空间位置自动生成三维加权函数,在反投影阶段加入该加权函数即可实现。该算法不会引入其他伪影,计算量增加很小,并且在中心层与FDK算法等价。仿真扫描实验表明,该算法显著提高了FDK算法的准确性,减小了锥角伪影。

关键词： FDK算法数据缺失灰度下降椭球包围盒