论文题目：基于网格化电子轨迹模拟的岩石微观结构表征方法研究
摘要：基于扫描电镜电子轨迹蒙特卡洛模拟的材料三维微观结构表征方法引发多个研究领域的广泛关注。与传统表征方法相比,该方法通过模拟电子在微观结构中的轨迹解析扫描电镜电子散射信号中材料微观结构信息,具有成像精度高、成像速度快、样品无损和成本低廉的优势。然而,由于传统电子轨迹蒙特卡洛模拟在处理岩石复杂非均质微观结构时有明显短板,该方法仍无法用于岩石微观结构表征。为了揭示扫描电镜电子散射信号与岩石微观结构间的复杂关系,推动该方法在岩石微观结构表征领域的应用,本文开发网格化电子轨迹蒙特卡洛模拟程序,并利用该程序研究岩石常见非均质微观结构对扫描电镜电子散射信号和表征效果的影响,为进一步开发基于电子轨迹模拟岩石微观结构表征技术奠定基础。（1）将网格概念引入传统电子轨迹蒙特卡洛模拟理论,开发了在图形处理单元上高效并行运算的网格化电子轨迹蒙特卡洛模拟程序。该程序可以模拟电子在岩石复杂非均质微观结构中的运动,用高维笛卡尔样品网格描述岩石非均质微观结构在空间中的连续变化,用自由程网格描述电子在岩石微观结构中的运动。与传统电子轨迹模拟软件CASINO的模拟结果进行对比,表明该程序的理论和编程实现是正确的。（2）构岩矿物中电子相互作用体积大小和散射信号强度是定量解释岩石扫描电镜表征信号的重要基础。通过模拟电子在均质微观结构中的轨迹,研究常见沉积岩构岩矿物中电子相互作用体积大小及背散射电子采样深度,揭示电子最大侵入深度与电子束加速电压间的非线性关系;发现背散射电子在构岩矿物中具有较大的采样深度,适用于岩石内部微观结构表征。（3）通过模拟电子在非均质微观结构中的轨迹,研究岩石常见非均质微观结构对电子相互作用体积以及电子背散射信号强度的影响,发现岩石矿物界面扩散区和复杂微观孔隙结构均能使电子相互作用体积横向扩容并改变背散射信号强度,而传统的电子轨迹蒙特卡洛模拟无法研究这些非均质特征对表征效果的影响。（4）基于不同砂岩微观结构的数值模型,利用电子轨迹模拟揭示砂岩微观孔隙结构与背散射信号间复杂的耦合关系,建立描述该耦合关系的概率模型,并基于该模型进行砂岩模型孔隙率表征和单轴抗压强度预测。对比均质化等效多孔砂岩模型与非均质多孔砂岩模型的孔隙率表征结果,发现传统均质化等效模型由于无法考虑孔隙结构空间形貌等非均质特征,与非均质模型给出的孔隙率期望值差别较大。该论文有图45幅,表18个,参考文献134篇。
关键词：岩石微观结构表征;电子轨迹模拟;构岩矿物;电子-固体相互作用
学科专业：建筑与土木工程（专业学位）
致谢
摘要
abstract
变量注释表
1 绪论
1.1 问题的提出及研究意义
1.2 国内外研究现状
1.3 研究内容及技术路线
2 岩石微观结构中电子轨迹模拟程序开发及验证
2.1 电子轨迹蒙特卡洛模拟基本原理
2.2 网格化电子轨迹蒙特卡洛模拟理论
2.3 网格化电子轨迹蒙特卡洛模拟在图形处理单元上的编程实现
2.4 网格化电子轨迹蒙特卡洛模拟验证
2.5 本章小结
3 均质构岩矿物微观结构中电子轨迹模拟
3.1 构岩矿物微观结构数值建模
3.2 电子轨迹蒙特卡洛模拟收敛性研究
3.3 构岩矿物中入射电子轨迹模拟
3.4 构岩矿物中背散射电子轨迹模拟
3.5 本章小结
4 非均质岩石微观结构中电子轨迹模拟
4.1 岩石矿物界面扩散区数值建模
4.2 岩石微观孔隙结构数值建模
4.3 岩石矿物界面扩散区中电子轨迹模拟
4.4 岩石微观孔隙结构中电子轨迹模拟
4.5 本章小结
5 基于电子轨迹模拟的砂岩孔隙率表征及强度预测
5.1 砂岩微观孔隙结构建模及电子轨迹蒙特卡洛模拟
5.2 砂岩微观孔隙结构与背散射电子信号的耦合关系
5.3 基于不同砂岩模型的孔隙率表征及强度预测结果对比
5.4 本章小结
6 结论与展望
6.1 主要结论
6.2 展望
参考文献
作者简历