DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 2. 三维激光扫描技术 2.1. 三维激光扫描技术原理 三维激光扫描技术是通过激光发射器不断地发射激光束，经过目标物体反射，被传感器接收后经过分析计算出被测物体精确的点位信息。经过这样不断重复地数据采集和处理过程获取逼近被测物体表面的高密度的三维点云。它的测距方法主要有脉冲法、相位法、三角法。脉冲法主要是通过测量激光速在激光发射器与被测物体之间的传播时间来计算物体的位置信息。三角法是通过测量激光经过传播、反射后相位差来获取目标精确的点位，一般能够测量的最大距离小于脉冲法，但精度一般高于脉冲法。本实验使用的是三角法，它的原理是是激光发射点和CCD接收点位于长度为高精度基线的两端，并与目标反射点构成一个空间平面三角形，借助三角形几何关系，求得目标的位置信息[ 15 ] -[ 17 ] ，测量的有效距离最小，但精度最高。 如图1，通过激光扫描仪角度传感器可得到发射、入射光线与基线的夹角分别为γ、λ，激光扫描仪的轴向自旋转角度α，然后以激光发射点为坐标原点，基线方向为X轴正向，以平面内指向目标且垂直于X 轴的方向线为Y轴建立测站坐标系，通过计算可获得P点的坐标。 2.2. 三维激光扫描系统的组成及扫描过程 三维激光扫描系统主要由扫描仪、带有配套软件的工作站、供电系统组成(图2)。本试验使用加拿大CreaformHandyscanEXAscan 3D扫描仪，精度可达0.04 mm，扫描速度约50，000点/秒，最高分辨率为0.05 mm，景深为30 cm。配套的数据采集软件为VXelements，具有实时可视化和扫描结果增强的功能[ 18 ] 。后期处理软件为Geomagic Studio，它是一款点云处理能力强大的逆向软件，具有交互处理扫描数据，建立精密的三维模型，基本测量等功能。 图1. 三角法测量原理 图2. 三维激光扫描系统的组成 通过此系统对玉米植株扫描过程如下： 1) 通过数据线连接扫描仪与工作站，启动VXelements软件，扫描仪每一次发射激光速采集的点位信息都是在仪器自身坐标系下，一个位置很难扫描完整的植株，所以要围绕植株不断进行扫描。每个位置扫描的坐标系不同，需要通过控制点拼接起来。所以在扫描准备的时候要通过在植株周围固定位置粘贴反射片，仪器自动通过识别反射片完成拼接。 2) 仪器初次使用或者使用一段时间后要使用校正板进行校正。由于植物叶片柔弱易动，扫描数据容易分层，从扫描将要开始时要减少人员走动，以减少外界对叶片的扰动，来获取高质量的数据。 3) 扫描开始后，手持扫描议围绕植株不断采集数据，并注意计算机上实时显示的点云模型信息查漏补缺，防止数据缺失，并保证在每一测站至少有三个控制点可视。按照控制点的先后顺序扫描可分为两种方式。一种是全局控制法：先直接一次扫描全部控制点信息，建立全局坐标系，形成整体控制，然后再采集植株的位置信息，通过每一站扫描的控制点匹配到全局坐标系下面。另一种方式是直接先扫描植株，并且扫描这一测站范围内的控制点，两个相邻测站保持至少三个公共控制点，通过控制点，每一站的数据自动凭借到上一个坐标系下，直到扫描结束。 2.3. 扫描数据处理及形态特征参数的提取方法 2.3.1. 点处理阶段 手持扫描仪获取的原始数据是数万个离散点的位置坐标和反射强度值，在建立三维模型前需要对点云进行初步处理[ 19 ] 。将获得的植株点云数据以.igs格式导入Geomagic Studio中经着色后方便观察。在扫描时由于仪器本身和外界环境的原因，有多余项和噪音被同时采集，需要经过删除非连接项、去除孤点、减噪等前期处理获得目标点云(图3(a))，分离塑料盆和土壤后就提取到完整的玉米植株的点云数据。 2.3.2. 多边形阶段 多边形模型是以相邻的数据点为顶点建立不规则三角形，形成TIN网模型，对实体表面进行逼近。对2.3.1节中处理后的点云数据进行封装形成表现玉米植株形态的不规则三角网模型(TIN模型) (图3(b))。 1) 填充孔洞 扫描时会有部分数据缺失形成如图3(c)所示的不同类型的孔洞(孔1为边界孔，孔2为岛屿孔)，需要选择不同的“填充孔”命令进行填充，其实质就是利用孔洞周边数据分析变化趋势进而填补残缺部分的数据。 2) 转换坐标系 在扫描时，仪器会自动建立一个独立空间坐标系，Z轴与茎秆竖直方向不同向，需要运用旋转矩阵，将独立空间坐标系转换为以玉米最低端中心为坐标原点，茎杆中心为Z轴的空间坐标系。首先选取茎秆数据进行圆柱特征模拟，出现贯穿茎秆的中心线，然后运用“对齐”命令，以这条中心线为固定，以Z轴为参考进行坐标转换，就得到茎秆方向与Z轴一致的玉米模型(图3(d))。这时可以随意旋转模型从任何角度对植株进行观测。 2.3.3. 应用处理 对于建立完成的TIN模型，可以进一步通过探测曲率–构造曲面片–拟合轮廓–构造格栅–拟合曲面步骤，得到视觉效果较好的Nerbs曲面模型。通过对模型进行渲染或者匹配植株的数码图像，可以得到更加逼真的晕渲图和真彩模型。也可以通过兼容格式导入CAD、3Dmax等图形处理软件中处理得到的等值线图、断面图、投影图来进行光照模拟等研究。 图3. 点云数据的处理及形态指标的获取 2.3.4. 形态指标的获取 1) 株高冠幅的量测 在TIN模型打开时选择显示模型的边界框尺寸，出现最小的包围盒(图3(e))，同时显示包围盒的尺寸信息。则竖直方向的边框边界差值就是株高，水平方向的最大边界差值就是冠幅。 2) 面积的量测 直接应用“工具–测量”模块对选取的任意叶片进行面积测量(图3(f))，若是选取全部叶片可一次性计算叶片总面积。方法是：旋转模型到俯视视角(此时Z轴垂直屏幕向外)，在非贯穿模式下选择全部叶片测量出来的叶面积就是投影面积。 3) 茎秆横截面积和扁率的量测 在距根部5 cm高处建立垂直玉米茎秆的特征平面(图3(g))，“量测”模块中可量测此截面与玉米茎秆的横截面积。在曲线模块中创建以特征平面截取的茎秆的轮廓曲线(图3(h))，此时会显示一个紧紧包围轮廓曲线的矩形边框，这个边框表达着轮廓边界，此时显示的边框信息就是长短半轴直径。长短半轴的差与长轴的比值即为扁率。 4) 叶片形态参数的量测 曲线模块下按曲率提取曲线，得到与叶面密合的沿叶脉的空间曲线和叶片的边界轮廓曲线(图3(i))，进行参数交换导入到与Geomagic Studio相配套的Soliworks软件中，运用量测工具进行叶片长度和宽度的量测。利用“分析–点坐标”在植株的三维叶片上沿主叶脉拾取叶枕部位的点、叶片基部挺直的部分的点，以相应的点坐标信息计算出叶片的叶基角(叶片基部直挺部分中脉与茎秆上方间的夹角)。
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user: 3. 传统量测方法及其与三维激光扫描法优劣对比分析 传统的测量株高冠幅的方法主要是通过卷尺量取，在确认最高点和水平最大伸展长度的时候人为因素较大。而通过三维激光扫描获取植株模型后，可以自动客观地获取株高冠幅信息。 在叶面积测量上，传统主要有方格纸法、长宽系数，称重法等，工作量大且需要离体采集、对植株生长扰动较大等缺点，特别是当叶片卷曲时测量精度难以保证[ 20 ] 。对于投影面积的测量，传统方法是先把植株投影到地面，然后计算投影面积，不仅繁琐而且误差较大，有时甚至无法实现。三维激光扫描技术可以一键式地很方便地实现面积的量测。并且当叶片卷曲时，通过三维激光扫描技术建立模型后，沿着光照方向的视角非贯通模式下选择目标叶片可以进行有效光合面积的测量，这是传统方法难以实现的。 在许多研究中茎干的粗壮程度常用直径来表示，但是玉米的茎杆的横截面并不严格地呈圆状，而是类似椭圆状，它有一定的扁率，且不同生长时期的扁率有所不同。用手工量测不同植株茎杆直径时较难在最大直径(长轴)和最小直径(短轴)间把握同一个量测尺度标准，而茎杆的截面积不受茎杆截面形状的影响，能比直径更准确地表示出玉米茎杆的粗壮程度。传统方法很难直接进行横截面积的测量，而三维激光扫描技术通过建立垂直茎秆的特征平面很轻易获取横截面积，同时获得横截面轮廓，方便后期对数字植物进行深入研究。
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user: 4. 结果与分析 4.1. 两种方法获取的试验数据及其回归分析 为了验证两种量测方法的准确性，取12株生长状况不同的玉米盆栽植株，在自然状态下分别用卷尺和量角器人工量取株高和12片叶片的叶基角，用游标卡尺量取茎杆直径，以圆面积的计算公式计算出茎杆横截面积S 2 ，并用三维激光扫描方法测量的株高、相同叶片的叶基角和茎杆的长短直径以及横截面积S 1 ，结果如表1和表2所示。 由对比结果可知，株高的平均相对误差为4.18%，最大相对误差为8.1%。叶基角的平均相对误差为4.82%，最大相对误差为8.8%，可见株高和叶基角的相对误差较小。而横截面积相对误差较大，平均为18.98%，甚至有4个达到30% 以上，这也印证了茎秆的横截面不是严格的圆形状。在茎秆直径的比较中发现，茎秆横截面都有一定的扁率，人工测量直径介于长短轴之间，并且与长短轴没有明显的数量关系，所以在人工测量直径时很难把握同一个量测尺度标准，主观误差较大。 以人工测量数据为自变量x，以激光扫描数据为因变量y，分别对株高测量数据、叶基角和横截面积测量数据画出散点图(图4~6)，进行线性拟合得出回归方程。由图4和图5的回归方程得到，株高的决定系数R 2 达到0.9906，叶基角的R 2 达到0.9559，置信度为95%，说明人工测量数据和三维激光扫描数据 Table 1 Result of plant height and angle 编号 株高(cm) 叶基角(˚) 人工测量 激光扫描 相对误差 人工测量 激光扫描 相对误差 1 68.7 65.09 5.30% 32.9 32.29 1.90% 2 71.3 69.15 3.00% 40.6 38.12 6.10% 3 49.0 51.36 4.80% 38.6 40.07 3.80% 4 58.5 55.24 5.60% 35.5 34.60 2.50% 5 55.9 52.28 6.50% 17.2 17.56 2.10% 6 46.8 45.11 3.70% 30.0 31.57 5.20% 7 50.6 48.10 5.00% 28.5 26.49 7.10% 8 30.9 31.67 2.50% 45.3 47.82 5.60% 9 26.6 28.72 8.10% 18.0 17.72 1.60% 10 36.5 36.48 0.10% 33.0 31.12 5.70% 11 25.1 24.93 0.70% 41.8 38.14 8.80% 12 71.1 67.68 4.80% 46.5 43.06 7.40% 平均值 4.18% 4.82% 表1. 株高和叶基角的测量结果 Table 2 Results of stem flattening and cross-sectional are 编号 茎杆直径(cm) 横截面积(mm 2 ) 短轴 长轴 扁率 人工测量直径 激光扫描面积S1 人工测量面积S2 相对误差 1 7.8 12.5 0.376 10.3 75.41 83.32 10.50% 2 11.7 15.3 0.234 14.7 130.11 169.72 30.40% 3 7.8 10.6 0.264 9.0 55.63 63.62 14.40% 4 16.5 17.2 0.041 17.2 210.22 232.35 10.60% 5 14.0 17.5 0.200 14.6 189.45 167.42 11.70% 6 13.5 16.6 0.187 13.9 171.40 151.75 11.50% 7 12.9 17.0 0.241 15.3 170.75 183.85 7.70% 8 9.0 14.7 0.388 12.4 106.27 120.76 13.90% 9 9.2 12.2 0.246 12.1 88.36 114.99 30.40% 10 7.6 9.8 0.229 9.8 53.79 75.43 40.20% 11 9.7 13.0 0.254 11.8 95.12 109.36 14.90% 12 9.1 12.8 0.289 11.9 84.96 111.22 31.50% 平均值 18.98% 表2. 茎杆扁率和横截面积的测量结果 图4. 株高散点图 图5. 叶基角散点图 图6. 横截面积散点图 密切相关。说明使用三维激光扫描方法完全可以替代人工测量。由图6可见横截面积人工测量值和扫描方法的R 2 仅为0.8879。再次说明以圆形面积来计算茎杆的横截面积与三维激光扫描获得的真实值有一定的差距，传统方法测得的直径不能准确完全地表达茎秆水平生长方向的信息。 4.2. 稳定性比较 为了比较不同方法的稳定性，相同条件下对同一植株的株高、横截面积和同一叶片的叶基角分别进行8次重复量测，结果如表3所示。 Table 3 The comparison of stability of plant height， angels and cross-sectional area data with different method 编号 株高(cm) 叶基角(˚) 横截面积(mm 2 ) 人工测量 激光扫描 人工测量 激光扫描 人工测量 激光扫描 1 46.5 45.56 35.6 34.71 206.49 177.36 2 45 45.61 32.8 33.97 194.82 175.85 3 44.8 45.34 31.8 34.22 133.03 175.77 4 45.6 45.47 33.5 34.9 165.47 177.72 5 45.2 45.29 32.7 34.73 134.52 171.3 6 47.7 45.56 35.3 34.54 134.26 172.78 7 46.8 45.73 35.5 34.2 188.95 177.42 8 46 45.33 32.6 34.64 172.59 175.75 平均值 45.95 45.486 33.725 34.488 166.266 175.493 标准差 0.935 0.145 1.417 0.301 27.672 2.16 变异系数 2% 0.3% 4.2% 0.9% 16.6% 1.2% 表3. 不同量测方法对株高、叶基角和横截面积的稳定性对比 三维激光扫描测量出的株高和叶基角均值与人工方法接近，截面积的差别相对较大，这与茎杆的非圆形有关。而三维激光扫描方法对于三个指标的变异系数分别为0.3%、0.9%、1.2%，远低于人工测量的2%、4.2%、16.6%，说明三维激光扫描测量结果稳定，重复性好，受人为因素影响更小。 4.3. 效率比较 试验中使用传统方法测量上述的12植株的株高、冠幅、茎杆直径，每株取4片叶共48个叶长、叶宽、叶面积(长宽系数法)和48个叶基角并填写在记录本上共耗时41 min。把三株植株同时扫描在一个坐标系中对同样的12个植株进行扫描，并处理获取相同指标数值，共耗时95 min。三维激光扫描方法比传统方法耗时较长主要体现在扫描前期准备上，而数据采集后在一键式测定使测定的指标量越多，时间差距越小。此外总用时在与处理时使用的计算机硬件配置也有很大关系。
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user: 5. 结论 1) 三维激光扫描技术引入植株形态量测中具有重要意义，通过相关分析和稳定性分析可知它可以高精度测量玉米形态，替代人工测量。此外，三维激光扫描的方法可以获得曲率半径、茎秆横截面积等常规方法难以获取的形态指标，为更细微深入地研究植物的三维形态结构提供一条新思路。 2) 三维激光扫描法获取的结果是数值化的三维图像，方便保存和随时查看，是植物数字化的一条重要途径。由室内盆栽拓展到野外大田，由单株监测拓展到大范围监测是进一步研究的方向。 3) 三维激光扫描技术在采集植物形态监测的应用时也存在一些不足，比如边缘效应造成测量偏差、受风吹扰动影响较大、叶片遮挡使数据获取不完整等，但是它可以对植株形态无损量测，减少人为影响，方便实现对植株的原位动态的监测。三维激光扫描技术在植物形态监测及生态修复效应方面将会形成一个新的应用领域与方向。
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user: 会切磁瓶探析
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user: 摘 要 会切磁瓶是由布置在正多面体各顶点的磁体，构成的磁约束装置。其内部的磁场位形，是底部磁感应强度为零的理想磁阱，已达到了阱深定义的极限值。磁感应强度变化曲线显示，在相同容积下，正12面体会切磁瓶的磁感应强度落差，是垒球缝线圈的磁感应强度落差的20多倍，且会切磁瓶还有着极大的可扩展性。会切磁瓶对等离子体的约束原理是依靠磁阱，磁约束理论表明，只有磁阱位形磁场，才能真正做到等离子体的稳定约束。而Tokamak或磁镜，是依靠磁力线对电粒子的粘连，理论和实践都表明，其存在着各种宏观和微观不稳定性。而在会切磁瓶中，这些不稳定性都将不复存在。从会切磁瓶的构成看，无论是材料、运行、扩展性等方面，会切磁瓶都有着传统磁约束装置不可比拟优势。 关键词 :会切磁瓶，磁阱，会切场，磁约束
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user: 1. 引言 石油、煤等化石能源的日渐枯竭和其所带来的环境污染，严重危及着人类未来的发展与生存。目前认为，实现可控核聚变，是最终解决该危机的唯一选择。实际上，它的重大意义远不止此，它可使得世界各国为更多掌控有限的石油资源而引发的战争隐患，不复存在；它可为全人类的和平统一，提供可靠的物质保障；从而为人类制造具备完整生物链的巨大飞船，以牺牲几代甚至几十代人的时间代价，走向广袤的宇宙深空，提供巨大的财力和动力保障。 实现可控核聚变的关键，就是对等离子体的稳定约束。磁约束可控核聚变经历了几十年的发展历史，形成目前的开端系统和闭合系统两大类聚变装置。随着各种新技术的应用，新困难和新解决办法不断提出[ 1 ] -[ 3 ] ，但从实验至工业应用的整个进程看，几十年来并没有实质上的突破性进展，仍停滞在实验探索阶段。究其原因，等离子体的长期稳定约束，仍是制约整个聚变工程的最大瓶颈，这也是长期以来，国际聚变界追求的目标和挑战极大的前沿课题。 磁约束的理论基础是电粒子绕磁力线的回旋运动，如同电粒子粘连在磁力线上，从而达到约束等离子体的目的。但理论和实验都表明，磁场中的等离子体会由强场区推向弱场区(漂移和槽纹不稳定性皆源于此理)。其实均匀磁场(如螺线管)中的等离子体，也会在其内部压强作用下，形成横越磁力线的扩散[ 4 ] 。这也是各种磁约束实验装置，能量增益始终小于1的一个根本原因[ 5 ] 。可见，强磁场或闭合磁力线，只能起到延缓等离子体扩散速度的作用，并不能达到等离子体的长期稳定约束。 理论表明，理想的磁约束位形，既不是单纯的追求高强度磁场，也不是追求闭合磁力线，而是使磁场与等离子体之间有一个明确的分界面，即等离子体中没有磁场，磁场中也没有等离子体，从而形成指向等离子体内部的磁压力，使等离子体保持稳定的压强。目前的主流观点认为，这样的理想磁场位形在自然界和实验室中不可能严格形成[ 4 ] 。 磁阱是中心弱而周围强的磁场位形，理论表明，只要能够建立起具有一定容积、且深度足够的大磁阱，再依据等离子的排磁性，上述理想的磁约束位形是可以实现的。可见，磁约束装置的关键，并不是寄期望于磁力线对电粒子的粘连，而是大磁阱位形的建立。目前深度最大的磁阱–阴阳线圈，因容积小而只能用做磁镜的端塞，不能安置聚变堆。所以说，设计和制造这种大磁阱的磁约束装置，是对现存磁约束装置的一次变革，也是实现可控核聚变的最可行方案。
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user: 2. 磁场位形回顾 2.1. 传统的磁约束装置 对于闭合系统的代表Tokamak装置，虽然采取了各种措施，如螺旋结构磁场位形等，但其内强外弱(指靠近和远离圆环中心)的磁场位形是不能改变的，漂移和气球模不稳定性总体上依然存在。目前最先进的超导Tokamak装置实验，其等离子体约束时间仍处于秒数量级。可见，无论理论和实验，依靠闭合磁力线对等离子体进行稳定约束，是不能成立的。 开端系统的代表磁镜，其等离子体压强主要是靠其排磁性维持，电粒子将会在其压强作用下，产生横越磁力线的扩散，所以也不能长期维持稳定性。约飞磁场是单导线电流磁场形成的极小B磁场位形，即磁阱，由于导线电流极限的存在(含超导体)，理论上难以做到大的磁阱深度，其只能对温等离子体的槽纹不稳定性起到抑制或改善作用[ 4 ] ，其实验效果还不如Tokamak装置。 场反向位形，是依靠旋转等离子体来获得与外磁场方向相反的闭合磁场。因其磁阱位形及阱深较大(比较传统磁阱)而被普遍看好，被喻为磁约束装置的理想候选方案。但修正后的相对论指出，等离子电流的箍缩效应(就是由等离子电流形成的磁阱，所产生的作用效果)，并不能增加等离子体的内部压力[ 6 ] ，即不能对聚变反应起到促进作用，再加上实验中的反场形成时间很短，技术复杂，实验效果更不理想[ 7 ] 。 可控核聚变的几十年发展过程中，科学技术发生了换代式的进步。近些年，新崛起的中国，采用了当今最为先进的技术，几乎重复了早前国际上已做过的各种类型的磁约束实验，也未能取实质上的进展。由此可见，目前的磁约束聚变装置只是尽量延长等离子体的约束时间，皆属于准稳态装置。能做到长期稳定约束等离子体的，既不是依靠电粒子对磁力线的粘连，也不是依靠等离子体自身电流形成的磁阱，而是依靠独立于等离子体的外部装置所产生的磁阱[ 4 ] ，这已为理论和实验所共识。 2.2. 会切场位形 将两个线圈中的电流互相反向，便得到最简单的会切场的位形，其磁力线分布如图1，等离子体处于这种磁场位形中是稳定的。但一般认为，带电粒子将从会切面和线圈的两端逃出系统，所以不能充分约束高温等离子体[ 7 ] 。基于这种原因，目前极少有人对这种磁场位形进行深入研究。但上述结论只是针对两个磁极的简单会切场，更多磁极的复杂会切场则未见到过理论和实验上的报导。 阱深被定义为 ，其中比容U具有1/B的平均的意义[ 4 ] ，则阱深可整理为 。由于图1中心O处（磁阱底部）的 ，可知会切场的阱深始终为1，是阱深的最大极限值。说明阱深这一物理量，并不能表现会切场对等离子体的约束能力。磁阱边界上最弱的磁感应强度(在磁场的会切处)与磁阱底部的磁感应强度之差-磁阱落差 ，才是更好体现磁阱深度大小或对等离子体约束能力的物理量。 无论约飞线圈还是垒球缝线圈，抑或是阴阳线圈(近似两个垒球缝线圈的组合，是目前镜比最大的装置)，其磁场位形都存在对称分布的伸出磁约束装置的会切面(参看图4)，且与图1会切面的形成原理完全相同。实验表明，其确可很好地抑制磁镜咽喉区的电粒子逸出[ 4 ] 。也就是说，只要磁阱落差足够大，电粒子在会切处的逃逸问题是完全可以被抑制的。磁场会切面与电粒子的逃逸，不存在直接的因果关系。
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user: 3. 大磁阱落差的磁场位形建立 3.1. 会切磁瓶的理论基础 数学上已证明，球壳内各处的引力场均为零 [ 8 ] 。就是说，与距离平方成反比的质点引力场强，在球 壳内叠加后为零。而偶极子场在空间任意点的场强与距离立方成反比，则多个磁体的磁偶极子场在球壳内叠加后(同性磁极皆指向球壳中心)，必形成磁阱。这为大体积、大磁阱落差的磁场位形建立，提供了坚实的理论依据。 将图1中的线圈换成永磁体，其会切场位形的形成原理不变。将若干磁矩相同的磁体均匀同向地布置在球壳上，准确说是布置在正多面体(共5种，4，6，8，12，20)的各个顶点上，则构成了多磁极会切场装置(会切磁瓶)。在整个球壳内，将形成多处会切面和会切线，如图2中的磁力线会切。由正多面体空间分布的对称性可知，会切面处于正多面体各棱的中垂面上，其法向磁感应强度因相互抵消而为零，会切线处于正多面体各面的中心垂线上，其垂面上的磁感应强度亦为零。正多面体中心或外接圆的圆心，其磁感应强度为零。 根据场叠加原理，可以证明，在会切磁瓶中心O的等距离处，如图2，会切部位的磁场是最弱的，且会切线上的磁感应强度弱于会切面，中心O至磁极连线(磁矩线)上的磁场最强。所以只要计算出磁矩线和会切线上的磁感应强度B沿径向的变化规律，而不必考虑切向或其它处B的大小，就可判断出会切磁瓶内磁场的分布规律。从而避开了极复杂的、需要计算机才能计算的磁阱磁场[ 4 ] 。 3.2. 会切线和磁矩线上的磁感应强度分布规律 由于正多面体的对称性，使得正多面体内的磁矩线和会切线径向的磁感应强度计算变得简单了许多。应用场叠加原理，便可绘制出磁矩线和会切线上的磁感应强度B随半径r的B-r变化曲线，由此便可得到会切磁瓶的磁阱落差。 图1. 会切场位形 图2. 会切磁力线及磁感应强度求解 磁矩为M的磁体，在空间任意点产生的磁感应强度为： (1) 式(1)中：d、 为单位矢量， 为d与M两矢量(见图2)间的夹角。 由式(2)得，图2中磁体M的磁场沿任一径向(图中为x轴向)的磁感应强度为(因切向磁场约束能力大于径向磁场，且忽略)： (2) 利用三角形的边、角关系，式(2)整理为(见附录)： (3) 将磁体布置在正多面体的各顶点上，根据场叠加原理和式(3)，再结合各种正多面体的各部位之间所对应的顶角 (或称极角)，则可绘制出磁矩线和会切线上的B-r变化曲线。 图3为五种正多面体的B-r变化曲线(由于运算量大，曲线的绘制采用计算机编程)，其中虚线为各种多面体磁矩线上的B-r变化曲线，各曲线大致重合(曲线最陡的是正12面体)。实线S4、S6、S8、S12、S20分别对应正4、6、8、12、20多面体会切线上的B-r变化曲线。可见，磁矩线上的B与会切线上的B方向相反(参见图2)，磁阱落差随正多面体的顶点数增加而增加(正8面体除外)，正12面体(顶点数20，为最多)会切磁瓶的磁阱落差最大。 图3. 会切磁瓶内的B-r变化曲线
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user: 4. 会切磁瓶与传统磁约束装置的比较 4.1. 会切磁瓶与垒球缝线圈的比较 垒球缝线圈相当于4个磁体分别放置在正4面体的各顶点上，如图4。与正4面体会切磁瓶的区别是，会切磁瓶指向中心O的磁极都是相同的，而垒球缝线圈则是两个S磁极和两个N磁极指向中心O，如图4中线圈电流形成的磁极指向。伸出线圈的会切面垂直于两同性磁极间的棱，棱中垂线(x轴)上的B-r变化曲线如图5中曲线S (纵坐标为图3放大)。可见： 1) 在磁矩M和容积相同的情况下，垒球缝线圈的磁阱落差小于正4面体(图3中S4)会切磁瓶，较正12面体(图3中S12)会切磁瓶的磁阱落差相差近20倍之多。 2) 垒球缝线圈中的磁场存在两个磁感应强度B = 0的点(在±R/2处)，即存在两个反向的磁阱，如图4。阴阳线圈近似两个垒球缝线圈的组合，有些类似于6面体(8个顶点)，其磁阱落差的增加也是很有限的。还有约飞磁场，其磁阱落差更逊于由其演变而来的垒球缝线圈。 4.2. 磁力线方程与场叠加原理 目前的磁约束理论基础，基本上是建立在磁力线方程的基础上，主要研究磁力线管的空间变化性质。对于由多磁力线管构成的会切场位形，该理论已不能完全胜任。理由为： 1) 约飞磁场是在普通磁镜基础上，叠加n极导线电流磁场产生的。以磁力线方程为基础的表达式表明[ 4 ] ，极导线越多，磁阱越深。但实验结果却表明，四极场能产生比六极场更深的磁阱[ 9 ] 。 2) 以磁力线方程为算法的计算机程序，不能表现出垒球缝线圈的双磁阱结构。 3) 在会切磁瓶中，会切线和会切面上的磁感应强度变化，几乎无法用磁力线方程表述。 结合前文对会切磁瓶的论述，说明对于会切场的研究，必须使用理论上更为基础的场叠加原理。
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user: 5. 会切磁瓶的进一步分析 5.1. 会切磁瓶内等离子体的稳定性 抑制和控制MHD (磁流体力学)不稳定性，一直是磁约束聚变领域急待解决的问题[ 10 ] [ 11 ] 。虽然磁阱实验在这方面是没有不成功的[ 9 ] ，但由于标准磁镜的磁阱落差小，其只能适用于等离子体温度不高时，即温等离子体。并不是说只要存在磁阱，MHD不稳定性就可完全消除了。 图4. 垒球缝线圈内的磁场分布 图5. 垒球缝线圈内的B-r变化曲线S 微观不稳定性的产生原因多种多样，种类繁多，但基本上是由于磁场的分布不均，捕获电粒子的速度分布偏离麦克斯韦分布，通过波和粒子之间的相互作用而激发。在引起宏观不稳定性的同时，都有可能产生各种模式的微观不稳定性。要针对性地分别解决这些不稳定性，将是个极复杂、也是极难实现技术问题。 由于在会切磁瓶内，磁力线曲率皆为好或正曲率，且曲率很大(见图2)，电粒子极易被捕获。等离子体的电粒子在正曲率磁场的作用下，不断地被挤向中心，从而将磁力线向外排挤，最终使等离子体内不再存在磁场，等离子体的排磁性得以充分发挥，等离子体的电粒子速率分布完全符合麦克斯韦分布，即自然分布。可见，会切磁瓶在约束等离子体的过程中，是向着理想的磁场位形接近的。被约束的等离子体，不应存在目前所发现的各种不稳定性，这必将大大降低磁约束装置的技术难度和复杂性。 5.2. 会切磁瓶的进一步调整 在正多面体上建立起的会切磁瓶，其磁场分布绝对的对称。但各部位对等离子体的约束能力，并不均匀，尤其是会切线，磁场最弱，且平直，是等离子体约束的最薄弱部位。为了进一步提高磁约束效率，在实际应用中，需要改变会切线或会切面的这种平直特性。 由图2可判断出，若使组成会切磁瓶的各个磁体在外接球壳上均匀偏转某一角度(使磁矩线偏离中心)，则会切线或会切面将会变得弯曲，如此便可更大效率约束等离子体，使 值更加接近稳定约束的极限值1。 其实，根据微观粒子的波动性本质，既使电粒子在初始时，平行于会切线向外运动，也会形成绕磁力线的旋转，并在内弱外强的磁场作用下使电粒子返回。等离子体容易从磁镜两端的逃逸，是因为磁镜z轴上磁阱落差很小，而在磁镜两端安置垒球缝或阴阳线圈后，磁阱落差加大，这才是抑制等离子体逃逸的根本原因或绝热不变量的形成原因。 一般Tokamak 值(远小于1)和磁镜的 值(可达2)，都是在非稳态情况下所测得的暂稳态值或峰值，应是由等离子体的排磁性形成，与会切磁瓶的稳态 值几乎没有可比性。 由于磁场的计算极其复杂，具体调整细节还需在实践中摸索。 5.3. 会切磁瓶的扩展 由于正多面体只有5种，或许满足不了未来聚变发电规模的需求。在正多面体各面、棱的中心再添加磁体，则根据场叠加原理，可获得更大的磁阱落差(可适当调整至中心的距离，或者使磁体极性反向)。还可以采用正五边形和正六边形构建的不完全正32面体(60个顶点)的会切磁瓶，如足球或C60分子结构。可见，会切磁瓶的扩展空间极大，且技术难度的增加却很小。 由场叠加原理和图3可知，会切磁瓶的磁阱落差随着磁体数量的增加而增加。所以会切磁瓶完全可以舍弃超导线圈，而采用永磁体(目前永磁体B可高达2T)进行构建，这将会大大降低聚变装置的建设和运行成本。可见，会切磁瓶是种极具潜力磁约束装置。 5.4. 会切磁瓶中的聚变堆包层第一壁 聚变装置面临的另一难题，就是聚变堆包层第一壁的材料选择，目前几乎没有理想的解决思路。由于会切磁瓶可稳定约束等离子体，不存在等离子体和器壁的隔离问题，所以可采用液体材料做为反应堆的第一壁。 采用液态金属做为第一壁，不但可大大减轻中子对反应室壁的破坏，还可将各种光辐射最大限度地反射回聚变堆，以保持聚变堆温度，从而降低聚变堆的初期加热功率。这也是实现会切磁瓶与环流器组合的前提(用环流器加热聚变堆，可实现温度的精确控制[ 6 ] )，也可将环流器设计成燃料添加和废料排放的接口。
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user: 6. 总结 通过对传统磁约束装置的回顾，指出这些装置的可行性非常渺茫。由此提出了构建可稳定约束等离子体的全新磁约束装置–会切磁瓶。 会切磁瓶是多磁体磁约束装置，是由磁场的多处会切而形成的大型磁阱。对等离子体的约束原理，不同于传统的依靠电粒子对磁力线的粘连，而是靠正曲率磁力线将电粒子推向磁阱底部，而达到等离子体的长期稳定约束。 由于中心磁感应强度为零的会切场位形，其镜比、阱深已达极限值，这样的物理量已不宜继续使用。所以文中采用了更能表现磁阱约束能力的物理量-磁阱落差，进行各种磁阱的对比。其结果是，会切磁瓶的磁阱落差远远大于其它传统装置。 由于被会切磁瓶约束的等离子体内部几乎不存在磁场，理论上稳态 值接近极限1，目前所认识到的各种宏观和微观上的不稳定性将不复存在。单从会切磁瓶的构成看，无论其材料、运行、结构、灵活性，扩展性等方面，会切磁瓶也都远优于传统的磁约束装置。 会切磁瓶突破了传统磁约束装置框架，初次提出便已显示出了它的巨大优越性。在今后的不断完善过程中，虽然不可避免地会遇到些新问题，但随着理论的深入和实践探索，会切磁瓶必会改变目前聚变界的现状，为早日实现聚变能的工业应用目标，发挥出巨大作用。
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user: 摘 要 本文基于微扰理论推到得到了热中子反应堆 对少群宏观截面参数的灵敏度的计算公式，基于此开发了灵敏度计算程序PETMUS。此程序可耦合堆芯扩散程序以计算堆芯 对不同宏观截面参数的灵敏度。本文采用直接拟合方法验证堆芯 对两群宏观辐射俘获截面、中子产出截面、散射截面以及扩散系数的灵敏度。数值结果表明，本文研究的方法是正确的，可用于后期开展全堆芯物理计算不确定性分析。 关键词 :有效增值因子，敏感性，微扰理论，直接拟合法
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user: 1. 引言 通常一个堆物理计算主要包括三方面条件：模型建立、核数据和计算程序[ 1 ] 。理论上这三个方面所引入的计算不确定性使得最终计算结果存在一定的不确定度。但是随着计算机技术和计算方法的迅猛发展，计算程序和模型对计算结果精确度的影响已逐渐减小，而核数据自身不确定度对堆芯物理参数计算不确定性的贡献越来越不可忽视[ 2 ] 。本文基于微扰理论及扩散理论，开展堆芯有效增殖因子对少群宏观截面的敏感性分析。与传统分析中是研究有效增殖因子对微观截面不同反应道的敏感性所不同，本文着重考虑不确定性的传播，即核数据自身不确定性从微观截面传递到宏观截面后，对于积分参数的影响。基于敏感性分析，后期与宏观截面参数协方差矩阵相积便得到堆芯少群宏观参数对堆芯积分参数计算不确定性的贡献。
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user: 2. 理论模型 2.1. 基于微扰理论的k eff 灵敏度计算 稳态的中子输运方程或者是扩散方程都可以写成[ 3 ] ： (1) 上述方程的共轭形式为： (2) 这里， 是共轭通量，A*和B*分别是A和B的共轭算符。对系统进行微扰，则为： (3) 定义了 ， ， 均为A，B，λ的微扰形式： ， ， 。公式(3)两边乘以共轭通量，并对整个空间积分，再将上面的微扰形式带入，可以得到： (4) (5) 得到： (6) 忽略二级小量 ，得到： (7) 相对于宏观截面灵敏度为： (8) 因为： (9) 得到： (10) 最终得到： (11) 基于此，得到了求解有效增殖因子对少群宏观截面参数的灵敏度的公式。 2.2. 基于扩散方程的k eff 灵敏度计算 本文采用核反应堆堆芯分析程序CITATION计算方程中所需的参数，该程序是在扩散方程的基础上进行的计算，所以本文也是应用了扩散方程来进行方程离散，然后对离散后的灵敏度进行数值计算。 (12) 基于上一节的公式(11)已经得到了灵敏度公式，对于不同截面化简得到灵敏度公式： 对于辐射俘获截面： (13) 对于中子产出截面： (14) 对于散射截面： (15) 对于扩散系数 [ 4 ] ： (16) 对于散射灵敏度来说，对于某一能群的灵敏度为这一能群散射到其他能群的灵敏度的加和，即： (17) 灵敏度计算流程图如图1所示，在进行了公式推导与公式离散公式以后，接下来要考虑如何获取所需参数的值。首先用SCALE6.1 [ 5 ] 建立组件模型以求出组件截面；再将少群宏观截面导入到CITATION [ 6 ] 程序中计算所需参量，最终通过自主开发的敏感性分析程序PETMUS计算得到有效增殖因子对各个组件少群宏观截面参数的灵敏度以及全堆芯的灵敏度函数
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user: 3. 模型与结果 3.1. AP1000堆芯模型介绍 本文的研究对象为AP1000反应堆堆芯。AP1000传统型反应堆径向上采用三种富集度的九种不同组件，如表1所示。 传统的第一循环堆芯装载，对于首炉堆芯，传统装载方式的每个燃料组件各自的所有燃料棒都有相同的、沿轴向单一的U-235富集度。堆芯布局见图2。 但是燃料棒轴向的分区使得组件种类增多，传统第一循环IFBA棒由三个区段组成，轴向两端20.32 cm长的环状区的U-235富集度与棒主体部分相同，未涂覆ZrB 2 。不含ZrB 2 涂层的燃料棒沿轴向是全长均匀的，两端没有低富集度区。Pyrex毒物棒在顶端和底端分别有38.10 cm和20.32 cm的不锈钢定位件，中间段主体部分含重量百分比12.5 w/o的B 2 O 3 。轴向分区情况见图3。 3.2. 敏感性数值验证结果 正如上一节离散的分群分区的灵敏度公式所示，采用Fortran语言进行编程，开发了相应的程序PETMUS，得到了灵敏度计算结果。为了得知结果是否可信，我们采用直接拟合方法来验证程序计算得到的辐射俘获截面、中子产出截面、散射截面以及扩散系数的灵敏度。两群的能群能量上限和下限的分界点为0.625 ev。 由图4可以看出，扩散系数灵敏度相对于其他截面灵敏度来说是很小的，在全堆芯与其他截面信息 Table 1 AP1000 traditional core component type 组件类型 组件数 平均富集度，w/0 U-235 组件，kgU 组件可燃毒物棒数(IFBA/Pyrex) A1-000 49 2.3500 541.16 0/0 A1-028 4 2.3500 539.93 28/0 B1-028 12 3.4000 539.93 28/24 B1-044 8 3.4000 539.22 44/24 B1-088 32 3.4000 537.29 88/24 C1-072 8 4.4500 537.99 72/24 C1-088-09 8 4.4500 537.29 88/9 C1-088-012 4 4.4500 537.29 88/12 C1-112 32 4.4500 536.24 112/0 表1. AP1000传统型堆芯组件种类 图1. 灵敏度计算流程图 图2. AP1000堆芯布局 的灵敏度相比中是很不敏感的。 为了验证程序计算的灵敏度是否正确，采用直接拟合法进行验证 [ 7 ] ，结果如表2所示。可以看到相对误差除扩散系数项均在1%以内，可以验证程序所计算出的灵敏度的正确性。之所以扩散系数的灵敏度误差很大主要是由于在计算过程中的净中子流处理的不是很理想，但是由于其敏感性较小，所以对整体影响不大，后期研究过程中会加入不连续因子深入研究。其次，有效增殖因子的截断误差引起的直接拟合结果误差较大。由于扩散系数的敏感性较小，那么在直接拟合过程中扩散系数的改变对于堆芯有效增殖因子的影响也是很小的，在程序计算结果中有效增殖因子有效数字只有五位，所以截断误差导致的该项的直接拟合结果误差较大。综合上面两点原因，导致扩散系数敏感性的程序计算结果和直接拟合结果相对误差较大。 上面的结果为堆芯总体的灵敏度结果，可以看到吸收截面的灵敏度为负值，说明吸收截面的变化与堆芯总体的有效增殖因子值是负相关的，其中2群的绝对值是0.758974，说明2群吸收截面的变化对于有效增殖因子的变化影响是很显著的。中子产出截面的灵敏度均为正值，2群灵敏度为0.765921，明显大于1群的灵敏度，说明相比较而言2群的中子产出截面的变化对于堆芯的有效增殖因子有很强的正相关性。 该程序可以计算得到各个组件的灵敏度，这样可以看出堆芯内部灵敏度的分布情况，以便于日后的详细的研究。图5到图8为轴向某一层的1群的吸收灵敏度、中子产出灵敏度、散射灵敏度、扩散系数灵敏度。从图5和图8看出，堆芯各个组件的吸收截面灵敏度和扩散系数灵敏度均为负值，且中心部分绝对值较大，这是由于中心部分通量与共轭通量的值较大，对于灵敏度的影响较为明显；边缘部分灵敏度绝对值较小，这是由于边缘处通量与共轭通量的值较小，所以得到的灵敏度的绝对值也较小。图6和图7所示的各个组件的中子产出截面灵敏度和散射截面灵敏度均为正值，且中间部分灵敏度数值较大，边缘处灵敏度数值较小，这也是由于通量和中子价值的共同影响造成的，中心处中子价值高，通量值也高，所以得到的灵敏度值也较大，边缘处则相反。 Table 2 Results validatio 少群宏观截面参数 计算灵敏度结果 直接拟合灵敏度结果 相对误差(%) Σa 1 −0.3430853 −0.3417979 0.37525 Σa 2 −0.758974 −0.7514822 0.98710 νΣ f 1 0.234084 0.2341053 0.00911 νΣ f 2 0.765921 0.7654709 0.05877 Σs 1-2 0.190133 0.1887448 0.73010 D 1 −0.049672 −0.0524023 5.49770 D 2 −0.004440 −0.0052898 19.12965 表2. 结果验证 图3. AP1000轴向分区情况示意图 图4. 灵敏度计算结果 图5. 1能群吸收截面灵敏度 图6. 1能群中子产出截面灵敏度
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user: 4. 结论 本文基于微扰理论推到得到了有效增殖因子对少群宏观截面参数的灵敏度的计算公式。基于此开发了灵敏度计算程序PETMUS，该程序可耦合堆芯扩散程序CITATION以计算堆芯有效增殖因子对不同宏观截面参数的灵敏度。同时采用直接拟合方法验证本文方法与程序的正确性。基于自主开发程序重点研究了堆芯有效增殖因子对两群宏观辐射俘获截面、中子产出截面、散射截面以及扩散系数的灵敏度。由 图7. 1能群散射截面灵敏度 图8. 1能群扩散系数灵敏度 于中子流计算精度问题，目前研究中有效增殖因子对扩散系数的灵敏度误差较大。后期将应用不连续因子理论，以得到更加光滑的中子流分布以减少灵敏度分析误差。
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user: 摘 要 设计并制作了一种集成有四个重复结构单元的微流控化学发光(chemiluminescence， CL)芯片，以实现中药材厚朴提取物的分子水平的抗氧化活性分析。芯片结构单元包含蛇形通道、高效环形混合通道和椭圆形检测区。微流控CL芯片系统一次可完成单一样本多浓度的检测。采用luminol-H 2 O 2 -Cu 2+ 化学发光体系对厚朴酚、和厚朴酚标品进行CL测试以验证该芯片可靠性，并得出最佳测试条件为：Luninol浓度为0.50 mmol∙L −1 ，H 2 O 2 浓度为1.00 mmol∙L −1 ，Cu 2+ 浓度为0.50 mmol∙L −1 ，流速10.0 µL∙min −1 。进而对厚朴药材五种醇提物进行CL测试，结果表明，五种提取物对H 2 O 2 均有一定的清除作用，且1.00 g∙ml −1 的五种提取物的当量抗氧化活性强弱顺序为：80%乙醇提取物 > 60%乙醇提取物 > 40%乙醇提取物 > 20%乙醇提取物 > 水提取物。 关键词 :厚朴，抗氧化性，化学发光，微流控芯片
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user: 1. 引言 厚朴(Magnolia officinalis cortex)为木兰科植物厚朴或凹叶厚朴的干燥干皮、根皮及枝皮[ 1 ] ，属重庆道地药材。在《神农本草经》中被列为中品，可见其药用价值颇高。据《本草纲目》记载，厚朴味苦辛、性温，具有行气化湿、温中止痛、降逆平喘的功效，主治湿滞伤中、脘痞吐泻、食积气滞、痰饮喘咳。近年来，在现代中药研究中，人们不断发现厚朴的新功效，如抗菌[ 2 ] 、抗炎[ 3 ] 、抗肿瘤[ 4 ] 、抗氧化[ 5 ] -[ 8 ] 等药理作用，其应用广泛。现代研究表明厚朴的主要化学成分包含木脂素类、挥发油类、生物碱类、多糖类、微量元素等多种生理活性物质，不同成分具有各自特有的生物活性，但同时彼此之间也可能存在协同或拮抗作用，而抗氧化活性又在不同程度上影响着其他生物活性如抗炎、心血管保护作用、大脑缺血性损伤修复等。因此，厚朴抗氧化活性有效组分成为我们重点关注的研究对象。 微流控芯片技术以其微型化、集成化的独有优势在天然产物活性成分研究中备受瞩目，将其与灵敏度高、检测快速的化学发光光分析法相结合，成为天然产物活性成分检测的有效手段。Maliwan [ 9 ] 等通过在聚二甲基硅氧烷(PDMS)上构建通道来制作单通道微流控芯片，采用9，10-二(苯乙炔基)蒽(BPEA)为荧光探针进行标记，以过氧草酸酯-H 2 O 2 为化学发光体系对生育酚、槲皮素和胡萝卜素三种天然产物活性成分进行抗氧化性测试，结果表明胡萝卜素对H 2 O 2 清除效果最好(SAHP值为3.27 × 10 − 3 μmol∙L − 1 )。Wang [ 10 ] 等构建了一种用于检测天然产物活性成分抗氧化活性的微流控装置，实验采用过氧草酸酯类化合物为化学发光剂，待测组分抗氧化能力与通入待测组分后体系化学发光减小值成正比，通过计算样本IC 50 评价样本抗氧化能力，但相关研究仍处于探索阶段，在微流控芯片的流路设计、在线检测模式、测试效率和测试稳定性等方面尚需深入研究，尤其是将微流控芯片分析技术应用于中药活性成分的检测和筛选，仍有较大的研究空间，而采用微流控化学发光芯片对厚朴药材中抗氧化活性组分测试尚未见报道。 本文将基于微流控芯片分析技术，结合化学发光检测技术的高灵敏度特性，针对厚朴药材中抗氧化活性组分的测试需求，设计一种用于在分子水平上针对厚朴药材的抗氧化活性检测的微流控CL芯片，并构建微流控芯片-CL检测系统。采用Luminol-H 2 O 2 -Cu 2+ 化学发光体系，对厚朴酚、和厚朴酚标品和系列厚朴提取物进行CL检测，并对系列厚朴提取物的抗氧化活性进行比较和评价。所建立的基于微流控化学发光芯片分析方法具有高灵敏度、低背景信号和良好稳定性等特性，可望为中药活性成分的检测和筛选提供技术途径。
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user: 2. 实验方法 2.1. 试剂与药品 所有试剂均为分析纯，实验用水均为去离子水。Luminol (AR， ≥97%)购买于sigma公司；无水乙醇、二甲基亚砜、氢氧化钠、无水碳酸钠、碳酸氢钠、H 2 O 2 (30%)、五水硫酸铜均购买于成都科龙化工试剂厂。所有实验器皿使用之前用无水乙醇和去离子水超声洗净并干燥。 溶液配制如下： Luminol储备液(0.10 mmol∙L −1 )：称取Luminol粉末0.0886 g，用0.10 mol∙L −1 NaOH溶液溶解并定容于50 mL容量瓶中，避光冷藏24 h后使用。 Luminol溶液(0.50 mmol∙L −1 )：用移液枪取250 μL 10.00 mol∙L −1 Luminol储备液，用pH = 10.47碳酸盐缓冲液稀释定容至50 mL。 H 2 O 2 储备液(0.10 mol∙L −1 )：用移液管准确量取30%H 2 O 2 1.25 mL置于100 mL容量瓶中并定容。 H 2 O 2 溶液(1.00 mmol∙L −1 )：用移液枪取0.50 mL 0.100 mmo l∙L −1 H 2 O 2 储备液，用去离子水稀释至定容至50 mL Cu 2+ 溶液(0.50 mmol∙L −1 )：称取0.125 g五水硫酸铜，并用去离子水定容至1000 mL。 厚朴药材购买于重庆武隆药材种植基地，40℃烘干48 h后粉碎，过40目筛。 厚朴酚、和厚朴酚标准品(C 18 H 18 O 2 ，AR，≥98%购买于四川维克奇生物技术有限公司。 2.2. 仪器和设备 MPI-A型多功能化学发光检测仪西安瑞迈电子科技有限公司 MCDR-A型多功能化学分析数据处理系统西安瑞迈电子科技有限公司 TG328B型光电分析天平上海精密仪器仪表公司 PB10型pH酸度计德国赛多利斯科学仪器有限公司 流动注射泵美国HARWARD公司 CKQ-50E型超声波清洗器昆山市超声仪器有限公司 RE-2000A型旋转蒸发仪上海嘉鹏科技有限公司 TS-NS型多功能提取罐上海顺仪实验设备有限公司 76-1型恒温水浴搅拌锅常州国华电器有限公司 2.3. 微流控CL芯片的加工制作 微流控CL芯片采用光刻和湿法化学蚀刻技术在钠钙玻璃上制作腔体和微管道，所用的掩膜采用CorelDRAW16.0软件设计，用高分辨率激光照排机在照相底片上制得光刻掩膜，用光刻机将掩膜上的图形转移到SG2506铬板基片的光胶层后，用0.50%NaOH除去铬层，在40℃恒温水浴锅中，用玻璃刻蚀液刻出微通道，用丙酮除净表面所有光胶，用铬液将所有的铬层完全除去，依次用去离子水、氢氧化钠和超纯水将玻璃基片测底洗净、待用。将PDMS预聚体与固化剂(质量比为10:1)混合均匀，脱气后浇注于载玻片上，放置在烘箱中加热固化形成PDMS盖片。基片与盖片采用自然封接方法进行封接。用去离子水和无水乙醇对玻璃基片和PDMS盖片反复清洗，在洁净室内用吹风机进行干燥，并趁热键合。将微流控CL芯片放入烘箱中在75℃条件下放置10 min。基于物理作用基片与盖片实现可逆键合，该芯片结合较为牢固，在较高流速下不会漏液。具体制作过程如图1所示。 2.4. 微流控CL芯片对厚朴酚及和厚朴酚CL的检测 2.4.1. 微流控芯片-CL检测系统操作过程及测试条件优化 微流控化学发光芯片分析检测单元如图2(b)所示。所有溶液均有精密注射泵从芯片溶液进口注入。发光试剂进口B、E分别通入H 2 O 2 和Luminol溶液，A、C为样本和缓冲液进样口。废液出口处W利用硅胶管连接并将废液导出暗盒之外。芯片放入暗盒之前放在无水乙醇中超声清洗并干燥，盖上PDMS盖片，用玻璃压紧，每个进口均与内径1 mm外径2 mm的硅胶管的一端相连，硅胶管另一端与1 mm注射器相连，芯片安装好之后将其放在暗盒中，在PMT窗口上固定有黑色挡板，上面设置有3 mm × 2 mm大小的空隙窗口，将其与芯片检测区域对准。关闭暗盒，将注射器中注入相应试剂或样本，并安装在注射泵中，然后开启流动注射泵，启动软件程序，记录发光强度曲线直至发光曲线趋于平稳。 具体样本测试过程中，缓冲液通入15 s后停止通入，并取而代之立即通入样本溶液10 s，之后停止通入样本溶液并再次通入缓冲溶液5 s，单个样本测试总时间为30 s。当测定完一个样本后立即移动芯片使另一个结构单元的检测窗口对准PMT进行平行检测。 微流控CL测试条件的优化：实验采用单一因素变量法对试剂流速、试剂浓度进行优化。测试步骤如上述。 2.4.2. 厚朴酚及和厚朴酚清除H 2 O 2 能力的标准曲线制作 实验采用Origin8.5Version软件绘制化学发光曲线图，将化学发光曲线的基线强度记为I 0 ，加入不同浓度的厚朴酚及和厚朴酚后才产生的发光峰(倒峰)的峰值记为发I。根据公式1计算H 2 O 2 的抑制率。所 图1. 微流控CL芯片制作过程 图2. (a)芯片结构示意图(单位：mm)，芯片总尺寸为长56.64 mm、宽30.86 mm；(b) 芯片单元结构示意图，A、B、C、E为样本或试剂进口，直径均为0.80 mm；W为废液出口，直径为1.00 mm；D为椭圆型检测池，长轴2.00 mm、短轴1.20 mm；(c) 混合结构放大图，大圆直径为0.68 mm、小圆直径为0.28 mm；(d)混合结构显微实物图 有试验均重复3次。 (1) 式中： I 0 ——空白基线发光强度； I——通入抗氧化剂后最小发光强度(峰值)； 测量条件：T: 16℃，Hi-V：-800 V。 以不同浓度样本对H 2 O 2 的抑制率(%)为纵坐标，样本浓度C (mg·mL −1 )为横坐标，做出发光抑制率标准曲线，采用SPSS19.0统计软件计算出对自由基抑制率为50%时的待测样本的浓度IC 50 值。 2.5. 厚朴系列提取物对H 2 O 2 清除能力的微流控CL芯片测试 将实验制备得到的系列提取物浸膏分别溶解到100 mL容量瓶中，用50%乙醇–去离子水溶液溶解进行定容，记浓度均为1.00 g∙ml −1 ，将样本溶液配制成一系列浓度，按2.4.1所述方法进行化学发光测试(实验前依次用0.10 mol∙L −1 NaOH、无水乙醇、去离子水清洗微流控芯片，以保证实验结果的重复性和稳定性，所有溶液进入微流控CL芯片前均用0.22 μm微孔滤膜进行过滤以防堵塞微流控通道，实验过程中定期用无水乙醇清洗微流控CL芯片，每个样本重复测试三次，记录其化学发光图谱，并记录峰高I。
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user: 4. 结论 本文设计并制作了集进样、反应和CL检测等功能结合于一体的微流控CL芯片，用以进行中药厚朴中抗氧化剂的测试研究。实验中，将芯片与CL测试方法相结合，利用实验室自行搭建的微流控分析测试平台，优化并建立了测试中药材厚朴中厚朴酚与和厚朴酚对H 2 O 2 的清除能力的方法，其线性范围分别为0.004~0.500 mg∙mL −1 、0.001~0.100 mg∙mL −1 ，相关系数R 2 分别为0.984、0.973，该微流控CL芯片上可同时完成单一样本的多浓度测试，且测试所需时间为30 s，消耗样本仅为1.67 μL，大大提高了测试效率和通量，表明所构建的用于天然产物的抗氧化活性评价的微流控化学发光芯片分析系统具有很好的可行性。进而采用该芯片对五种厚朴提取物进行了活性评价，结果显示80%乙醇提取物所含当量抗氧化物最高，为82.4 mg和厚朴酚/g wt，可作为中成药作进一步研究应用。加标实验平均回收率均大于百分之九十，表明设计的微流控CL芯片在实际样本的测试中具有良好的实用性，因此有望为中药活性成分的检测和筛选提供技术途径。
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user: 摘 要 小区路灯照明系统是楼宇智能的一部分，但受制于布线、成本等的问题，难以得以实施。随着计算机技术的迅猛发展，无线网络技术越来越成熟，ZigBee无线网络成本低、功耗低、传输距离远等的特点，非常适合在无线路灯控制的应用。本文在介绍了小区路灯照明系统的特点，结合ZigBee组网技术，设计了一套ZigBee无线网络技术的小区路灯照明系统的应用，通过实验证明了该技术在小区路灯监控的可行性，具有一定的实用价值。 关键词 :小区路灯照明，智能楼宇，ZigBee，Z-Stack
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user: 1. 引言 小区路灯照明系统是相对封闭的电力系统，它与街道、公路照明系统不同，由小区内部的电力系统控制。现代小区智能楼宇控制应当包含有小区路灯照明系统，使得小区照明更节能环保、更人性化、个性化，照明系统由小区的电气控制中心统一调控。为了实现照明系统的统一控制，需要在照明路灯上加装控制模块与通信功能，导致了成本的增加，使得远程统一控制得不到广泛的应用。ZigBee是一种基于2.4 G频段的无线网络技术，它具有低功耗、传输距离远、网络性强、成本低等的特点，非常适合于数据量不大、节点数多的网络控制，被广泛应用于物联网领域。本文设计一种基于无线传感器技术的小区照明控制系统，在无需进行网络布线的前提下，低成本实现集中统一控制小区内的路灯，使得小区的照明系统的智能化得以实现。
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user: 2. 小区路灯照明系统 小区路灯照明是小区建设非常重要的一个部分，虽然同是照明系统，它与公共照明(如街道、广场、公路等照明)不同，小区路灯照明属于小区自主控制，消耗的电费也由小区业主承担，因此小区照明需要考虑到个性化控制、节能、安防等因素。另外，随着人们生活水平的提高，人们对居住环境的要求也越来越高居住的环境也成为了一种重要的休闲、放松、享受生活的重要场所，小区照明由以前的单纯照明演变成为一种景观系统工程，人们追求的不仅仅是亮度上的主观感受，更重要的是视觉、身心的一种享受[ 1 ] 。由此可见，小区照明系统并不能简单地照搬普通的照明系统，个性化、节能环保是现代小区设计的重要一环。 随着信息行业和计算机产业的高速发展，智能楼宇技术迅速发展，楼宇自动化、通信自动化、办公自动化、家庭自动化等各种自动化系统不断出现，现代小区使用最多最普遍的是安防系统、门禁系统、停车场系统等，小区内的照明系统却应用的不多，原因主要是：小区的路灯照明系统接入智能楼宇系统的通信介质大部分采用总线型与电力线载波，总线型需要铺设网络通信线路，分布广泛、布线复杂，成本很高，若采用电力载波方式接入，虽然不用另外铺设网络线路，但需要昂贵的调制解调设备，成本也难以降低[ 2 ] 。因此如何低成本地将小区的路灯照明系统加入到小区的智能楼宇控制系统中是解决矛盾的关键。