高能物理实验中的数据与计算技术

高能物理也称作粒子物理,是研究物质微观结构与相互作用、宇宙起源的重要基础科学前沿分支.高能物理实验装置非常复杂,产生的实验数据规模巨大,从20世纪后期的实验每年产生TB级发展到现在最新的实验每年产生近百PB.过去数十年来高能物理一直对数据与计算技术提出挑战,同时也充当数据与计算技术发展的推动者.高能物理实验一方面在利用最新计算机技术实现对数据及计算的支撑,同时也在推动计算机技术发展与突破.本文首先介绍高能物理实验数据与计算的基本模式,列举典型的高能物理实验说明数据规模及数据处理的挑战.在此基础上介绍高能物理计算技术的发展过程,特别就当前主流的网格计算、云计算技术及数据共享进行了讨论.     

CCD及其在物理实验中的应用

CCD技术为现代光电子学和测试技术中最活跃、最富有成果的研究之一，在物理实验中发挥着积极的作用，有着十分广阔的发展前景。本文介绍CCD的几个主要性能及参数；简述CCD测量系统的组成及工作原理；列举CCD在物理实验中的应用。     

制冷剂在水平蒸发管内换热关系式的分析比较

本文对目前11个可用于制冷剂在水平蒸发管内换热计算的关系式进行了系统分析,并将这些关系式与作者及其他研究者的实验数据进行了比较:其次。将作者的实验结果与几个典型的换热关系式进行了详细对比,结果表明.Kandlikar(1990)的关系式不仅计算精度较高,而且物理概念清晰、通用性较强、计算简单,可供工程实际应用.     

CCD图像传感器在外压容器失稳实验的应用

利用多个CCD摄像头代替实验者"眼睛"观察和记录实验的全过程,具有实验过程现象能重复查看、关键时间节点事件与仪表数据同屏同步显示等特点。文中将CCD图像传感技术和视频存储技术应用到外压容器失稳传统实验教学中,阐述了实验系统的构建,并表明对实验结果的精确判定与分析具有独到的效果。     

数字图像处理技术在干涉仪中的应用

利用CCD(charge-coupled device)对立式接触式干涉仪进行改装研制,变目视观察与判读读数为光电探测、自动瞄准、测量,把显微镜下的干涉条纹图像利用CCD采集后传输到计算机.结合数字图像处理技术,利用波长定度方法实现自动定度,双边直线拟合法自动确定0级干涉条纹中心的准确位置,并根据量块形成的0级干涉条纹中心偏移像素值计算量块长度.实验测试结果表明利用数字图像处理技术消除了人为判读差错的可能性,提高了工作效率,稳定可靠.     

基于牛顿环-曲率半径计算的CCD数字图像测量软件设计及应用

根据CCD数字图像处理技术,利用Delphi6设计出一种实用的数字图像测量软件,将此测量软件应用在等厚干涉-牛顿环实验中,通过CCD成像可以获取清晰的等厚干涉条纹—牛顿环图像,将此测量软件经过长度定标后,可以方便快捷的测量出第n级(或第m级)干涉条纹的直径D(或半径r),通过计算机测量计算的牛顿环曲率半径R误差远小于传统测量方法。     

核燃料循环系统临界事故源项计算程序GETAC-2.0开发

针对核燃料循环系统中不同物理形态的核燃料,建立相应的中子动力学—热工水力耦合模型,开发了用于固体、溶液、粉末、核燃料系统临界事故源项计算的程序GETAC-2.0.利用国际上公开的基准实验数据对程序进行了验证,程序对功率(裂变率)峰值的计算结果与基准实验数据的相对误差在12%以内,验证了GETAC-2.0程序的准确性.     

越王剑的质子X荧光非真空分析

在复旦大学的静电加速器上,利用质子X荧光非真空分析技术,对1965年湖北江陵望山出土的越王剑进行了分析.本文介绍了这一工作的物理原理、实验技术,并用迭代法对实验数据作了计算,给出了越王剑不同部位各元素的百分含量.用标准样品同化学分析法的结果相比较,证实迭代法计算的结果是可信的.     

基于VB的密立根油滴实验数据分析与处理

密立根油滴实验是近代物理学发展史上一个十分重要的实验,其实验原理至今仍在当代物理科学研究的前沿发挥着作用,但该实验涉及到比较多的非整数数据且计算过程相当繁琐.该文利用VB语言设计并实现了密立根油滴实验静态测量法的数据处理程序,简化了计算过程,提高了计算结果的准确性,同时能够以图形方式形象显示实验数据与理论数据的误差.通过教学实践,该系统能极大地提高实验的效率和质量,对该实验教学起到了很好的促进作用.     

CCD在夫琅禾费实验数据处理中的应用研究

基于CCD技术在光学图像信息采集上的应用,结合计算机强大的信息处理功能,以光学实验中的夫琅禾费实验为例,应用CCD技术对实验中被测图像进行信息的采集、存储及数据处理.结果表明,该实验方法与传统的实验方法相比,可获得较高的测量精度,实现了光电一体化设计,并对CCD在其它光学实验数据处理上的应用提供参考.     

利用数据处理总结经验公式

物理学本身是一门实验科学,利用实验数据,经过各种数学方法的处理、计算,可以总结出一定的物理规律.文章介绍了总结弹簧振子经验公式的方法.     

光栅条纹最小偏向角的研究

在光栅方程的基础上,利用矢量法和标量法证明了只有入射角与同侧某一级明条纹的衍射角相等时,该级条纹的偏向角为最小偏向角。通过实验数据计算波长,比较结果可知,实验中入射角与衍射角虽然不完全相等,但在相差不超过1°的前提下,可以认为满足最小偏向角的条件。通过对光栅条纹最小偏向角的研究,可以大幅度提高光波波长测量精度,避免了调节垂直入射这一复杂的步骤,将物理实验化繁为简,使实验结果变得更加清晰明朗。     

基于CCD的实时成像与微小尺寸测量系统的设计

设计了一种基于CCD的实时成像与微小尺寸测量系统,该系统由CCD摄像头、视频解码芯片、FPGA、USB芯片和上位机组成.用FPGA控制视频解码芯片获取CCD摄像头采集的光学信号,通过USB传给上位机,利用多线程技术实现控制命令的发送、图像数据的接收、处理和显示,以及微小尺寸的测量.结果表明:经过多次测量实验得到系统误差不超过3μm,满足测量精度要求;通过选用不同分辨率的CCD,可以实现不同精度的微小尺寸测量.此外还对双棱镜干涉实验所形成的干涉条纹间距进行了测量,验证了系统的功能.     

X射线衍射强度公式的修正

X射线衍射技术在物相分析、点阵参数测量以及微应力的测定等方面被广泛应用,为了更精确地确定物理参数,X射线衍射强度的精确计算是十分重要的.目前单晶X射线衍射的强度公式的理论计算结果与实验数据有较大偏差.对衍射强度公式进行合理修正,使计算结果得到较大改善,并与实验测量的数据符合得更好.     

高速CCD相机图像卡接口电路的设计

针对多通道CCD相机,提出了一种图像数据实时采集和图像显示的方法,CCD的数据采集和图像显示由图像卡完成.CCD相机与图像卡的数据传输的硬件接口按标准RS-422串行接口设计,这种差分方式传递信号方法能有效抑制共模信号,提高数据在传输中抗噪声能力.利用高速硬盘解决了大容量、高速度、多通道的图像数据的实时采集和存储问题,通过多线程处理来从软件上弥补硬盘读写速度不足的缺陷.将采集到的CCD相机数据转换成标准BMP文件来显示图像.     

三维机器视觉中摄像机内外方位元素的确定

采用TSAI算法对立体视觉系统进行校准。该算法利用径向投影的平行原则 ,能够快速、方便地计算出摄像机的几何光学参量及其在某一物体参考系中的方位元素。论文针对 75 2× 5 82的CCD摄像器件在点共面和不共面等情况下进行了内、外方位元素的计算 ,获得了 4组实验数据 ,误差结果也一一给出。从实验获得的数据可以看出利用TSAI方法可以获得很好的校准结果。     

原子第二宇宙速度与电离能普遍公式的推导、实验验证和理论预言

提出了“原子第二宇宙速度”这一新概念,并根据此概念推导出了单电子原子和离子的原子第二宇宙速度和电离能的普遍公式。根据这些公式计算出了100余种单电子原子和离子电离能的具体数值,计算数据与实验数据符合得很好,从而使这一新的理论和计算获得了成功。因现今实验技术的局限性,有些单电子离子的电离能实验值尚未被科学界测出,我们的理论计算值就作为理论预言列出,已获得的成功使我们有理由相信它们将会获得实验验证。本文的概念和计算显然涉及到经典物理与量子物理的关系等原则问题,其物理本质将在后面两篇文章中论述。     

不同评价核数据库对堆芯物理计算结果有效增殖系数的影响与分析

核数据的准确性影响着反应堆安全,在反应堆堆芯物理计算过程中具有重要意义。为了研究不同核数据库对临界计算结果keff的影响,本文基于核数据处理程序NJOY21,对国际上最新的五个评价核数据库ENDF/B-Ⅷ.0、JENDL5、JEFF3.3、BROND3.1、CENDL3.2进行制作,选取专门用于核数据检验的119道临界基准模型,利用MCNP6.1开展临界计算。通过统计分析不同核数据库计算结果与基准实验结果的偏差与基准实验不确定性的比值及其三个特征量来判断核数据库对临界计算的影响。结果表明采用ENDF/B-VIII.0核数据库的临界计算结果准确性更高,其中BROND3.1和CENDL3.2核数据库在临界计算过程中出现了较大误差,通过数据分析发现其主要原因是BROND3.1和CENDL3.2核数据库缺乏热中子散射截面数据S(α,β)。将ENDF/B-VIII.0核数据库中的热中子散射截面数据S(α,β)导入BROND3.1、CENDL3.2核数据库中进行临界模拟,计算结果发生了明显改善,建议在今后的核数据评价工作中尽快完善热中子散射截面数据S(α,β),以提高核数据库在反应堆物理计算过程中的准确性。     

理论分析和数值计算在霍尔效应实验中的应用

阐述了理论分析和数值计算在霍尔效应实验中的应用.对螺线管轴线磁场大小进行了推导和计算,利用ANSYS软件对螺线管轴向磁场分布进行了数值计算,对理论计算值、模拟计算值和实验测量值进行了比较,找到了实验测量值有较大误差的原因.将理论分析和数值计算法引入传统物理实验中,开拓了物理实验教学的新模式,加强了学生对物理知识的理解,提高了学生应用三大方法解决实际问题的能力.     

连续铸造稳态温度场非物理边界条件的确定

建立了描述连续铸造过程的温度场模型,用外推法得出凝固金属在结晶器出口侧的非物理边界条件模型,使稳态温度场的计算精确高效.利用该温度场模型及非物理边界条件模型计算了Al-Cu合金在半连续铸造过程中的稳态温度场,并以此确定的介观温度场作为液固相变模拟的条件,用多尺度计算技术模拟了Al-10%Cu合金在不同浇注温度时的凝固组织,得到了晶粒形貌和分布合理的微观组织.对ZL201合金的近液相线铸造组织的模拟结果与实验吻合.研究表明:该温度场模型及非物理边界条件模型适于稳态连续铸造过程的模拟,并可为金属凝固组织的多尺度模拟提供正确的温度场数据.