各项异性扩散由来及原理
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超强自由电子激光的各向异性扩散研究自由电子激光技术一直以来都是材料科学领域的热点研究课题,特别是在表面改性、材料加工和催化反应等方面都有广泛的应用。
然而,激光在物质内部的行为仍然存有许多不确定的问题,因此需要对其深入研究,并寻找一些有助于解脱这些瓶颈的研究手段。
最近,科学家通过开发超强自由电子激光,成功破除了之前困扰自由电子激光性能的各向同性扩散问题,为自由电子激光技术的进一步应用提供了新的途径。
那么,这种新的自由电子激光技术的各向异性扩散机制是如何实现的呢?它的实现主要是基于激光与物质之间相互作用的非线性效应。
在过去的研究中发现,自由电子激光在物质中传播时往往会出现各向同性的扩散现象,但虽然简单,但缺乏文化多样性,通常不适于应用于大尺度的物质处理。
而在这项新的研究中,科学家通过增加激光的功率和改变空间的分布方式,成功地观察到了超强自由电子激光在物质内部出现了一种有规律的各向异性扩散现象。
为了研究这种各向异性扩散现象的机理,科学家采用了高分辨的光学显微镜技术,并通过对金属表面进行各向异性刻蚀,对这种现象进行定点研究。
首先,科学家在金属表面施加了均质的激光,这时激光在金属材料中的扩散呈现出各向同性分布,即激光能量会均匀地扩散到每一个方向。
但是,当研究者调整了激光照射模式,使其成为一个比较狭长的椭圆形时,他们发现激光在金属内部的扩散方式发生了巨大变化,而这种变化正好与椭圆的轴向方向一致。
具体来说,激光在材料内部会优先向物质的长轴方向扩散,而在其它方向则会受到严重压制,这种形态与普通激光有着极大的不同。
研究人员分析这种变化主要是由于激光与物质之间发生了激烈的相互作用而导致的。
当激光光束向物质中传播时,其强度和光学相位会受到物质中电子密度分布、介电函数和激光入射方向等因素的影响而发生变化,这就会引起光束在物质中传播时发生相位差。
而当光束进入高密度电子区域时,则会被电子弹性散射所束缚,并向高密度区域扩散,导致其扩散方向与物质轴向发生了一定的关联。
影响金属材料固态扩散的因素与控制摘要:由扩散第一定律可知,在浓度梯度一定时,原子扩散仅取决于扩散系数D。
对于典型的原子扩散过程,D符合Arrhenius公式,。
因此,D仅取决于D0、Q和T,凡是能改变这三个参数的因素都将影响扩散过程。
关键词:温度,因素,扩散,组元,系数一,温度由扩散系数表达式看出,温度越高,原子动能越大,扩散系数呈指数增加。
以C 在γ-Fe中扩散为例,已知D0=2.0×10-5m2/s,Q=140×103J/mol,计算出927℃和1027℃时C的扩散系数分别为1.76×10-11m2/s,5.15×10-11m2/s。
温度升高100℃,扩散系数增加三倍多。
这说明对于在高温下发生的与扩散有关的过程,温度是最重要的影响因素。
应该注意,有些材料在不同温度范围内的扩散机制可能不同,那么每种机制对应的D和Q不同,D便不同。
在这种情况下,~并不是一条直线,而是由若干条直线组成的折线。
例如,许多卤化物和氧化物等离子化合物的扩散系数在某一温度会发生突变,反映了在这一温度以上和以下受到两种不同的机制控制。
图3.15表示出Na+离子在NaCl晶体中扩散系数的实验值。
其中,高温区发生的是以点缺陷扩散为主的本征扩散,低温区发生的是以夹杂产生或控制的缺陷扩散为主的非本征扩散。
二,成分1,组元性质原子在晶体结构中跳动时必须要挣脱其周围原子对它的束缚才能实现跃迁,这就要部分地破坏原子结合键,因此扩散激活能Q和扩散系数D必然与表征原子结合键大小的宏观或者微观参量有关。
无论是在纯金属还是在合金中,原子结合键越弱,Q越小,D越大。
合金中的情况也一样。
考虑A、B组成的二元合金,若B组元的加入能使合金的熔点降低,则合金的互扩散系数增加;反之,若能使合金的熔点升高,则合金的互扩散系数减小,在微观参量上,凡是能使固溶体溶解度减小的因素,都会降低溶质原子的扩散激活能,扩散系数增大。
DWI原理和应用一、DWI的概念 1.定义:弥散又称扩散,是指分子从周围环境的热能中获取运动能量而使分子发生的一连串的、小的、随机的位移现象并相互碰撞,也称分子的热运动或布朗运动。
2. DWI技术就是检测扩散运动的方法之一,由于一般人体MR成像的对象是质子,主要是水分子中的质子,因此DWI 技术实际上是通过检测人体组织中水分子扩散运动受限制的方向和程度等信息间接反映组织微观结构的变化。
3. 生物组织内的水分子的扩散分为三大类:细胞外扩散,细胞内扩散,跨膜扩散,且扩散运动受到组织结构、细胞内细胞器和组织大分子的影响。
4. 影响水分子弥散的因素:膜结构的阻挡,大分子蛋白物质的吸附,微血管内流动血液的影响(?)。
5. DWI中的水分子:1)无创探测活体组织中水分子扩散的唯一方法 2)信号来源于组织中的自由水 3)结合水尽管运动受限,但仍不能产生信号 4)不同组织对自由水扩散限制程度不同 5)产生DWI对比 6)检测组织中自由水限制性扩散的程度 6. 常规DWI,主要对细胞外自由水运动敏感 T2WI基础上,施加扩散梯度,组织信号衰减 1)自由水扩散越自由=信号丢失多,DWI信号越低 2)自由水扩散越受限=信号丢失少,DWI信号越高 7. 在均匀介质中,任何方向的弥散系数都相等,这种弥散称为各向同性扩散(eg.脑脊液);在非均匀介质中,各方向的弥散系数不等,这种弥散称为各向异性扩散(eg.脑白质纤维素)。
各向异性扩散在人体组织中是普遍存在的,其中最典型的是脑白质神经纤维束。
水分子在神经纤维长轴方向上扩散运动相对自由,而在垂直于神经纤维长轴的方向上,水分子的扩散运动将明显受到细胞膜和髓鞘的限制。
二、 DWI的原理 1.以SE-EPI序列来介绍DWI的基本原理。
射频脉冲使体素内质子的相位一致,射频脉冲关闭后,由于组织的T2弛豫和主磁场不均匀将造成质子逐渐失相位,从而造成宏观横向磁化矢量的衰减。
除了上述两种因素以外,我们在某个方向上施加一个扩散梯度场,人为在该方向上制造磁场不均匀,造成体素内质子群失相位,然后在施加一个强度与持续时间完全相同的反向扩散梯度场,则会出现两种情况:在该方向上没有位移的质子不会受两次梯度场强的影响而失相位,而移动的质子因两次梯度场引起的相位变化不能相互抵消,而失相位信号衰减。
各向异性扩散滤波各向异性扩散滤波(Anisotropic Diffusion Filter)是一种在图像处理中常用的非线性滤波算法,用于去噪和边缘增强。
与其他线性滤波算法相比,各向异性扩散滤波能够更好地保持图像的边缘细节,因此被广泛应用于图像增强、图像分割等领域。
该算法的核心思想是根据像素的梯度大小来控制邻域像素的扩散程度。
梯度大小可以反映像素间的强度变化,因此边缘处的梯度较大,说明在该区域内像素的变化较剧烈。
而对于相似的区域,像素值的变化较小,导致梯度较低。
因此,为了保持边缘细节,各向异性扩散滤波根据梯度大小调整每个像素的更新强度。
具体而言,各向异性扩散滤波的更新模型可以表示为:\[\frac{{\partial I}}{{\partial t}} = c(\,\nabla I\,)\nabla^2 I\]其中,\(\frac{{\partial I}}{{\partial t}}\)表示图像强度在时间上的变化率,\(\nabla I\)表示图像梯度,\(\nabla^2 I\)表示图像的二阶导数,负责传播强度变化。
函数\(c(\,\nabla I\,)\)表示更新强度,它是梯度的函数,用于控制不同梯度大小下的扩散程度。
常用的更新强度函数有多种,其中一种常用的形式是:\[c(\,\nabla I\,) = \exp(-\frac{{\,\nabla I\,^2}}{{k^2}})\]其中,\(\,\nabla I\,\)表示梯度的大小,可以使用Sobel算子等计算得到。
参数\(k\)用于控制扩散强度,较小的\(k\)值可以增强边缘,而较大的\(k\)值则会更强化平滑效果。
\[I^{n+1}(x,y) = I^n(x,y) + \lambda \nabla \cdot (c(\,\nabla I^n(x,y)\,) \nabla I^n(x,y))\]其中,\(I^{n+1}(x,y)\)表示第\(n+1\)次迭代后,像素点\((x,y)\)的数值;\(I^n(x,y)\)表示第\(n\)次迭代的像素点\((x,y)\)的数值;\(\nabla\)表示梯度算子;\(\lambda\)表示时间步长,用于控制每次迭代更新的强度。
生物界内遗传各向异性和纵向各向同性的变化机制随着科技的进步,生物界内的遗传现象已经逐渐成为科学研究的热点之一。
其中,遗传各向异性和纵向各向同性的变化机制备受关注。
本文将详细介绍这两种遗传现象,并探讨它们的机制原理。
一、遗传各向异性1. 定义与形成机制遗传各向异性是指不同基因型在不同环境条件下,表现出的性状差异。
换言之,就是同一基因型在不同环境因素的影响下,表现出不同的表型。
这种遗传现象的产生是由于基因与环境的相互作用所导致的。
2. 遗传各向异性的实例在自然界中,许多生物在不同环境因素的影响下出现了遗传各向异性现象。
比如,同一群体中有些个体能够适应高温环境,而有些个体却适应不了。
这是因为高温环境下,这些个体所表现的遗传特征不同;再比如,在高海拔环境中,一些动物具有更大的肺部和心脏,以便更好地适应缺氧的环境。
3. 遗传各向异性的意义遗传各向异性的产生与生物的适应性有直接关系。
不同的环境因素能够促使遗传各向异性的产生,从而增强生物的适应能力,提高其生存成功率。
二、纵向各向同性1. 定义与形成机制纵向各向同性是指同一基因型在不同生长阶段表现出不同的表型。
也就是说,同一基因型在不同时期的表现一致。
这种遗传现象的形成是由于个体的生长、发育过程中,细胞分裂和基因表达等变化所导致的。
2. 纵向各向同性的实例纵向各向同性在生物界中也是很常见的。
比如,许多动物在幼年期和成年期表现出显著的差异,但是在同一生长阶段,它们就表现出相似的遗传特征。
3. 纵向各向同性的意义纵向各向同性与个体的生长、发育过程有直接关系。
通过纵向各向同性的产生,个体能够更好地适应环境变化和生理需求的变化。
同时,也能够降低基因变异度,增加种群的遗传稳定性。
三、遗传各向异性和纵向各向同性的联系从理论上来说,遗传各向异性和纵向各向同性是不同的遗传现象。
但是,它们之间也存在一定的联系。
首先,遗传各向异性和纵向各向同性都与基因型和表型之间的关系有关。
其次,它们都与环境因素的影响密切相关。
高中生物扩散原理教案课件一、教学目标:1. 了解扩散的定义和原理;2. 了解生物体内扩散的作用和意义;3. 掌握扩散的因素和影响。
二、教学重点:1. 扩散的定义和原理;2. 生物体内扩散的作用;3. 扩散的因素和影响。
三、教学内容:1. 扩散的定义和原理- 定义:扩散是指物质由高浓度向低浓度的方向传播的过程;- 原理:分子间的热运动导致高浓度区域的分子向低浓度区域移动,直到达到平衡状态。
2. 生物体内扩散的作用- 生物体内的氧气、二氧化碳、水和各种营养物质的分子都是通过扩散实现在细胞间和环境间的传递;- 扩散是细胞间物质交换的基础,保证了细胞内外环境的平衡。
3. 扩散的因素和影响- 扩散速率受温度、浓度梯度和分子大小的影响;- 温度越高,扩散速率越快;- 浓度梯度越大,扩散速率越快;- 分子越小,扩散速率越快。
四、教学过程:1. 知识导入:提问学生什么是扩散?为什么我们要学习扩散原理?2. 理论讲解:介绍扩散的定义和原理,生物体内扩散的作用,以及扩散的因素和影响。
3. 实验演示:通过实验展示扩散速率受温度、浓度梯度和分子大小的影响。
4. 实践操作:让学生在实验中自行调节温度、浓度梯度和分子大小,观察扩散速率的变化。
5. 讨论总结:让学生总结扩散的原理和影响因素,以及在生物体内扩散的作用。
五、课堂作业:1. 阅读相关资料,了解扩散在人体内的应用;2. 思考生活中或实验中扩散的应用情况,并写一篇小论文。
六、教学反馈:1. 对学生的观察实验结果进行评价;2. 回答学生提出的问题,帮助学生理解和掌握扩散原理。
以上就是本次课程的教案,希望能够帮助学生更好地理解和掌握扩散原理。
如有任何疑问或建议,请随时提出。
谢谢!。
扩散原理及技术介绍扩散原理及技术介绍袁泽锐2011.01.17主要内容扩散的微观规律扩散的宏观规律扩散对电性能的影响扩散对晶体缺陷的影响2⼀、扩散的微观规律扩散和布朗运动扩散机制晶体中的扩散晶格原⼦的扩散影响扩散系数的因素31.1 扩散和布朗运动布朗运动⼜称热运动,不仅在⽓体和液体中有,在固体中也同样存在;在固体中原⼦不断地从⼀个平衡位置跃迁到另⼀个平衡位置。
例如,1223K时碳原⼦在γ-Fe中每秒钟要跃迁1010次。
在晶格中原⼦每次跃迁的距离就是该⽅向上的原⼦间距a。
⼀个原⼦经过多次跃迁才出现⼀个净位移,如下图所⽰。
但单位时间内原⼦跃迁的次数愈多造成较⼤净位移的可能性愈⼤,或者说回到原来位置的可能性愈⼩。
所以可以认为单位时间内的净位移愈⼤,表征布朗运动愈强烈。
这种净位移的⼤⼩与浓度梯度的存在与否⽆关。
没有浓度梯度时原⼦的布朗运动照样存在,只是不出现定向扩散流。
45平均平⽅位移各原⼦净位移,从统计观点看,由于有正有负,加起来为零。
为了表征布朗运动的强弱,特引⼊平均平⽅位移。
平均平⽅位移的计算⽅法为:把每个杂质原⼦净位移的平⽅加起来再除以杂质原⼦总数。
表⽰如下:222212NX X X X N每个杂质原⼦平⽅位移和每次跃迁的关系式为:()1222121112nn nin j j kj j k j X s s s s s s===+=+++=+∑∑∑ 上式中,不可能为零,所以n 愈⼤,愈⼤,即的⼤⼩反映了布朗运动的强弱。
2js2iX 2X6设有个原⼦具有X1的位移量,个原⼦具有X2的位移量,……则平均平⽅位移为:1φ2φ2221122212j NjX X X X φφφφφφ+++=+++ 设,表⽰单位⾯积表⾯层原有的杂质总量。
扩散之后全部杂质在沿整个x 轴的分布是:012j φφφφ=+++ 0φ(),?∞+∞()204,2x DtC x t eDtφπ?=(正态分布)7其分布曲线如右图所⽰,假设在dx 的⼩间隔中各杂质的净位移相同,于是有:()()()222112,,,i iC x t dxX C x t dxX C x t dxXX φ+++=式中若间隔趋向⽆穷⼩,求和变成积分形式,同时在半⽆限的情况下扩散总量是,所以有:()11,;Cx t dx φ=()()22,;;,i i C x t dx C x t dx φφ== 。
8 Anisotropic diffusion filteringImages contain of the image itself and noiseNoise: random, little disturbances of the imageTo improve the segmentation: the noise should be reduced Condition:•Remove noise•But: keep the imageinformation unchangedDiffusionPhysical process for balancing concentration changes Now:•the image intensity can be seen as a “concentration”•The noise can be modelled as little concentrationinhomogeneitiesThese inhomogeneities could be smoothed by diffusion Diffusion should only be perpendicular e.g. to edgesPhysical background of diffusionGiven: a concentration distribution u Fick’s law:Concentration gradient causes a flux j j aims to compensate the gradientD : diffusion tensor, in general a positive definite, symmetric matrixu∇⋅−=D jPhysical background of diffusion (2) Diffusion is mass transport without destroying mass or creating new massContinuity equationt denotes the time, t u the deviation of u with respect to t∂∂+∂∂−=−=∂y x u t j j j divPhysical background of diffusion (3) diffusion equationApplication in many physical transport process, e.g. for heat transfer it is called heat-transfer-equation Image processing:Identify the concentration with the grey value at a certain location()u u t ∇⋅=∂D divPhysical background of diffusion(4)Diffusion tensor:•Constant over the whole image: homogeneous (orlinear) diffusion•Often it is a function of the structure of the image itself: nonlinear diffusion•Isotropic: j and the concentration gradient are parallel•Anisotropic: otherwiseLinear isotropic diffusionMostly used for smoothing images The image I itself is the initial starting for the diffusion processWe use D = 1 since D only influences the speed of the diffusion),()0,,(div y x I y x u uu t ==∂Linear isotropic diffusion(2)t=4t=8t=12t=20t=16t=24t=40t=0Linear isotropic diffusion(3)Advantages:•Continuously simplifying of the image•Reducing the noise in the imageDisadvantages:•Linear isotropic diffusion does not only reduce noise •It also blues important features like edges•No a-priori knowledge is taken into account•Result: it makes edges harder to identify8.3 Nonlinear diffusionNonlinear diffusionImprovement:•Preservation of the edges, only smooting between edges •Need to assign a position specific diffusivityAdapting the diffusivity g to the gradient in the actualimage u(x,y,t)We obtain the equation()u()∂2div gu=∇u∇tu for 1u for0→∇→∞→∇→g g Nonlinear diffusion (2)Conditions for gPerona & Malik:()22211λu u g ∇+=∇Nonlinear diffusion (3)t=4t=8t=12t=20t=16t=24t=40t=0Nonlinear diffusion (4)t=4t=20t=40t=40t=20t=4LineardiffusionNonlineardiffusionNonlinear diffusion(5)Advantages•Steering of the diffusion at each point of the image is possible•So diffusion can be reduced on edges•The result: edge-preserving image smoothing•But: the smoothing of the edges cannot be completely circumventedNext: anisotropic approachesNonlinear anisotropic diffusionUntil now: determination of the amount of diffusion depending on local features (here: the gradient).Other features could be possibleIdea: we could define the diffusion tensor so that the diffusion goes around some structuresHere: diffusion should preserve edges•On edges: no diffusion over edges, but diffusion parallel to edges should be enabledNonlinear anisotropic diffusion(2)Combination of two features•Non-linearity-The diffusion at border is much less than thediffusion elsewhere•Anisotropy-Diffusion should be perpendicular to edge-No diffusion over edgesNonlinear anisotropic diffusion(3)How to define the diffusion tensor D?Remember: D is a positive definite symmetric matrix •It has two different eigenvalues and two eigenvectors•Therewith the eigenvectors are perpendicular•The eigenvectors gives the main diffusion direction•The corresponding eigenvalues the strength of diffusion in the direction of the eigenvectors.Definition of the eigenvectorsWe want to stop the diffusion over the edge. Therewith we need as one eigenvector the direction of the gradient. The second is perpendicular and can be seen as thetangential vector to the edge [][]−=∇∇=x y v v v u u v 1121Nonlinear anisotropic diffusion (4)u v uv ∇⊥∇21||Definition of the eigenvaluesFirst: We want to stop the diffusion over the edge (direction v1). We use the non-linearity and definePerpendicular to the edge the diffusion should not bestopped ()21ug ∇=λNonlinear anisotropic diffusion (5)12=λNow, we obtain D asResult is an edge-enhancing anisotropic diffusionT⋅⋅ =||||00||||212121v v v v D λλNonlinear anisotropic diffusion (6)Nonlinear anisotropic diffusion (7)t=4t=8t=12t=20t=16t=24t=40t=0Nonlinear anisotropic diffusion (8)t=4t=20t=40t=40t=20t=4NonlineardiffusionNonlinearanisotropicdiffusionNumerical implementationWe haveLooking for a solution u(x,y,t)Either for a specific t = t 0Or for tProblem: the equation cannot be analytically solved Numerical solution is necessary),()0,,(y x I y x u =1. step: discretizing the time axis•Determination of a time step-depends on the numerical stability •only the timesare taken into accountWe obtain u(x,y,t i )Numerical implementation (2)τ∆⋅==i t t i2. step: finding an approximation for the derivative with respect to tThe Taylor serie for u(x,y,t) leads toNeglecting the remain and transform the equation leads to ()ζττR t y x u tt y x u t y x u +∂∂⋅∆+=∆+),,(),,(),,(Numerical implementation (3)),,(),,(),,(1i i i t y x u tt y x u t y x u ∂∂⋅∆+=+τConditions to the step size:Dimensions: m , grid width: hCosts per iteration: very lowEfficiency: low (many iterations needed to get a result)mh 22<∆τNumerical implementation (4)Until now we used the so-called explicit scheme Other notationwith •I : identity matrix•u i values of u(x,y,t i )stacked in vector form•A l (u k )matrix version of the diffusion tensors Notation()i ml i l i u u A I u⋅ ⋅∆+= =+11τSemi-implicit schemeAdditive operator splitting()i ml i l i uu A I u ⋅ ⋅∆−=−=+ 111τImprovements()()i m l i l i m m u u A I u ⋅⋅∆⋅−=−=+ 1111τSemi-implicit scheme: We can write the derivative of u with respect to t asImplicit: because u i+1is usedSemi-implicit: operator A l (u i )is combined with u i+1 Transformation of the equation leads to ()111+=+⋅=∆− i ml i l i i A u u u u τSemi-implicit scheme()i m l i l i u u A I u⋅ ⋅∆−=−=+ 111τSemi-implicit scheme(2)Features:•Stable for < , but: convergence usually becomesslower for too large•Cost per iteratorion: high, because the matrix must bebuilt and inverted in each iteration, O(n2)•Efficiency: medium(better than the explicit schemebecause of the possible larger , but further improvement is possible)Question: How could the invertion of the matrix be more effective•Hint: each A l is a simple tri-diagonal matrixAdditive operator splitting(AOS)Objective: split the derivation operator for each spatial directionThen we get for each direction a simple tri-diagonal matrix Such matrices can be very efficiently invertedAdvantage:•Keep the unrestrictedness of•Make the calculation more effectiveOne can writeas()⋅∆− =ml i l 1u A I τAdditive operator splitting (2)()[]=⋅⋅∆−m l i m m 111u A I τFor the computation of the inverse matrix we use the approximationThenow occuring error is •onlyof second and higher order •This means: the first derivatives have no errors()111−−−+≈+B A B A Additive operator splitting (3)And we approximate the inverse matrix byTherewith we obtain the equation()()[]111111−=−= ⋅⋅∆−≈ ⋅∆−m l i m l i l m m u A I u A I ττAdditive operator splitting (4)()[]i m l i i m m u u A I u 11111−=+ ⋅⋅∆−=τAdditive operator splitting(5)Differences and improvements•A split in the operator for each spatial direction has been performed•The pixels can be arranged for each operator separately •As result each operator is tri-diagonal matrix and isinverted separately.•Such 3-diagonal matrices can be inverted in linear time O(n), not in O(n2)Additive operator splitting(6)Features•Stable for <•Cost per iteratorion: low, but a little higher than for the explicit schemeEfficiency: highhigh low <AOS medium high < Semi-implicitlow very low explicitefficiency Cost per iteration Stability SchemeConclusionm h 22<∆τ。