tap 78 - so 2 nam2011

5/11/2018 Tap 78 - So 2 nam2011 - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/tap-78-so-2-nam2011 1/109

HOG

NGHE

Ht THUIT

Tai lieu chia se tai: wWw.SinhHoc.edu.vn




a0 ctno DUC vA DAo rAo

DAI HQC THAI NGUYEN

T+p ehi KHOA HQC vn C6NG NGHE

Journal of Science and Technology

- tdng bi6n tAp:

- Ph6 tdng bi6n tAp Thrrdng tn/c:- Ph6 Tdng bi6n tAp:

- Trtt'&ng Ban bi6n tAp:

- Thtr ky Tda soan:

GS.TS. ru QUANG HrdN

PGS.TS. CHU HOANG MAU

PGS.TS. TRAN THI VIOT TRUNGaz(

THS. Ltr TIEN DUNG

THS. DOAN OTJC UAT

TOA SOAN: Dai hoc Thr4i NguyOn, phudng TAn Thinh, thdnh phd Th6i NguyOn'

Tel. 02 8 0. 3 8 402 8 8. Fax. 0280. 3852665 * E-mail: tapchikhcn.dhtn@ gmail'com'Gia,y ph6p Hoat dQng biio chi s6 1ZI)1GP-BTTTT, ngiry 261812010 cira BQ truong BQ Thong tin - Truyd-n^th0ng'

rn ioir .udn, iap zzior)nqdm 20rr taiNhh in eao ihat Nguyen. In xong vh nop luu chidu thi4ng 0V20ll.

Bin dien tir tham khio iai rrang Web cira Trung ram Hoc 1i0u Dai hoc Th6i Nguyon: http://www'lrc-tnu-edu.vn





THE LE GTII BAITap chi Khoa hgc vd C6ng nghQ Dai hoc Th6i Nguy6n thucrng xuyOn nhAn ddng

nhirng Ual Uao cua cdn bQ gidng d4y. can.bQ.nghien9YY

ud.6: illkhoa hQc'..trong vir

ngouiDui hoo Th6i Nguy6n nhdm cdng bd k€t qua nghidn ctlu, bhi t6ng quan hodc nhirng

thbng tin trao C6i ttruqc mgi linh vuc khoa hoc c6ng nghQ. Sau ddy ld the 1€ gui bdi cho Toa

soan:

1. T4p chi chi nhAn ddng nhirng bai b6o khoa hoc chua c6ng bd tr6n c6c b5o. t4p chi

khoa hgc trong nr.rcrc vd qudc t6.

2. Bai b6o khoa h'c co thti v_i€t bing titing ViQt ho4c ti6ng Anh. . .. i .,

3. Khi n6p cho roa so4n. m5i Uai b6o can duoc in thdnh hai b6n tr€n giAy A+. kem theo

dia CD.

4. CAu trirc bai b6o.

4.1. TOn bai b6o.

4.2. Ho tOn tac gid hoqc nhom ttrc gia, co quan cdng t6c.

4.3. M5i bdi bA; khdng ddi qu6 5 trang (khoang 3.000 tu). Trong bdi b6o, o nhirng nQi

dung tac gi6 da lhamkhdo hoAc su dpng_k*i*, n.elri€n .P lit,::. tdi liCu khoa hoc kh6c, cAn

danh dAl tang sd (dat trong m6c r.u6ng tl) - ld sd thu tg cua tdi liQu x€p trong danh mgc tdi liOu

tham khao

4.4. Torn tirt n6i dung bdi b6o: tOi tneu i50 tir bang ti6ng Vi€t va duoc dich sang tiOng

Anh (k€ ca ri€u AC Uai b6o;,,dtroi muc tom t6t ti6ng Vi€t co "Tir khoa"; duoi tom tdt ti6ng

Anh co "'Key words" (t6i thi6u 05 tu hodc cum tu).

4.5. TAi li6u tham kh6o:

- TLTK sip x€p theo vAn A,B,C, tdi liQu titlng nu6c ngodi kh6ng phiOn 6m, kh6ng

dich.

- DOi vcyi tdc gia la ngudi Viqt Nam x6p theo thir tg A, B, Ctheo

ftn(kh6ng dAo t6n

len trtroc ho).

- Ddi voi tac gia la ngtrdi nu6c ngodi x6p theo lhu tg A, B, C theo hp.,,

- D6i vcri nhirng tai liOu khdng co t6n tac giit xOp thu tU A, B, C cua tir dau ti6n lOn c<v

quan ban hanh tdi liQu (vi duiB0 Gi6o dgc vd Ddo t4o x6p vAn B)'

TLTK la s6ch. lufln 6:n cAn ghi ddy du cdc thong tin theo thu tu: t€n t6c gia hodc co quan ban

lrdnh. Nam xuAt ban). ftn sdch,Nhd xudt bdn. noi xudt ban.

TLTK ld bdi bao hoflc bai trong mQt cudn s6ch... cAn ghi dAy du c6c th6ng.tin.theo thfr

tu: T6n tac gia. (NAm cdng b6), "TOn biri b6o", TAn Mp chi hoQc sdch, Tdp, (56), c6c s6

trang (gach ngang giira2 chir s6).

5.Hinh thfrc trinh bay:- Ngoai.phAl tieu d6, t6c gia va tom tit bdi b6.o (dAu tr4ngl) vd Summary (cu6i bdi).

bdi b6o yeu .A,, phai trinh bdy tr6n kh6 ,A4 theo chidu doc. dugc chia 02 c6t v6i c6c th6ng

s6 Pagesetup cu th6 nhu sau:Top:3.1cm, Bottom: 3.1cm, Left: 3.0cm. Right: 2.8cm,

Header: 2.85cm, Footer: 2.85cm, With:7.25cm, Spacing:0.8cm. TOn bai b6o cO 12' chir in

d6m: 10i dung bai b6o cd I 1; Font chir Unicode; hinh v6, dd thi trinh bdy phu hqp voi dQ

ron-s cdt (7 .25 cn-r); c6c bdng bi€u qu6 l6n trinh bay tlreo trang ngang (Landscape)'

- D6i vcyi c6c bai b6o i.O frle" bdng cdc phAn mdm chuy6n dpng nhu Latex, ACD/Chem

Sketch hodc Science Helper for Word cfrng trinh bdy theo khudn dang n6u trOn.

6. Ndu bdi b6o kh6ng ducyc su dung. Ban biOn tap kh6ng tra l4i bAn th6o.

7. Titc gia hoac tac giachfnh trong nhom t6c giA cAn gni Aia chi, s6 di6n tho4i vdo cu6i

A^

BAN BIEN TAP





oµ soT T¹p chÝ Khoa häc vµ C«ng nghÖ

Chuyên

mục Mục lục Trang

KHOA

HỌC

TỰ

NHIÊN-

KỸ

THUẬT

PHAN QUANG THẾ, NGUYỄN ĐĂNG BÌNH, TRẦN MINH ĐỨC, LÝ VIỆT ANH - Ảnh

hưởng của thông số quá trình tới độ cứng tế vi của lớp mạ composite 3

ÔN NGŨ MINH - Sử dụng lý thuyết đại số giải một số bài toán trong hình học 8

NGUYỄN ĐĂNG BÌNH, PHAN QUANG THẾ, TRẦN MINH ĐỨC - Mạ composite Ni-Al2O3

giải pháp kỹ thuật nâng cao khả năng chống mòn của lớp mạ Ni12

BÙI CHÍNH MINH - Mô hình toán học phi tuyến hệ thống cán thép tấm 17

CHU ĐỨC TOÀN, ĐỖ XUÂN TIẾN, HOÀNG THỊ PHƯƠNG - Đồng tổng hợp kiến trúc lướ ithao tác cho lõi CPU risc

23

ĐỖ THỊ VÂN, ĐẶNG THỊ UYÊN VÀ PHẠM HỮU KIÊN - Mô phỏng vi cấu trúc và sự chuyển pha cấu trúccủa ôxit SiO2 lỏng

29

NGUYỄN VĂN HẢO, NGUYỄN THỊ XIÊM, NGUYỄN THỊ NHƯ HẢI, NGUYỄN TRỌNGNGHĨA - Laser rắn Nd3+: yag biến điệu thụ động được bơm dọc bằng các xung laser diode

35

NGUYỄN VĂN ĐĂNG, NGUYỄN KHẮC HÙNG, NGÔ THỊ LAN, VŨ ĐÌNH LÃM VÀ LÊVĂN HỒNG - Ảnh hưởng của sự thay thế Fe cho Ti lên cấu trúc và tính chất điện từ của BaTiO3

39

LÊ HỮU THIỀNG, NGÔ THỊ LAN ANH, ĐÀO HỒNG HẠNH, NGUYỄN THỊ THÚY - Nghiên cứu khả năng hấp phụ metylen xanh trong dung dịch nước của các vật liệu hấp phụ chế tạotừ bã mía

45

ĐẶNG QUỐC TRUNG, NGUYỄN ĐĂNG ĐỨC, NGUYỄN NHƯ LÂM, PHAN THANHPHƯƠNG - Xác định asen trong chè xanh ớ Thái Nguyên 51

MAI VĂN THUẬN - Tính ổn định hóa được dạng mũ cho hệ nơron thần kinh trên trạng thái vàđiều khiển

57

ĐẶNG THỊ OANH – Vectơ trọng số cho hàm poisson. 63

TRẦN VIẾT KHANH, LÊ MINH HẢI - Phân tích không gian phân vùng tuyển sinh các trườngTHPT tỉnh Thái Nguyên trên cơ sở tiếp cận hệ thống thông tin địa lí (GIS)

67

TRẦN THỊ PHẢ, NGUYỄN TIẾN THÀNH - Đánh giá hiện trạng môi trường nước hồ Thành

Công - quận Ba Đình - thành phố Hà Nội 73

NGUYỄN VŨ THANH THANH, CHU HOÀNG MẬU - Đặc điểm của gen Cystatin ở một sốgiống đậu xanh Việt Nam [Vigna radiata (L.) wilczek]79

ĐỖ KHẮC UẨN, MAI ANH KHOA - Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật vi sóng cho quá trình giải phóng photpho từ bùn thải

87

TRẦN THỊ PHẢ, HOÀNG THỊ MAI ANH, HÀ THỊ LAN - Đánh giá sự ô nhiễm kim loại nặngtrong môi trường đất sau khai thác khoáng sản tại khu vực mỏ sắt Trại Cau - huyện Đồng Hỷ - tỉnhThái Nguyên

93

NGUYỄN MẠNH ĐỨC - Một số tính toán và làm mịn với các thành phần. 97

HOÀNG QUANG TRUNG, VŨ ĐỨC HIỆP - Phẩm chất của hệ thống alamouti STBC-OFDM

trong môi trường fading đa đường. 105

Journal of Science and Technology 78 (02) N¨m 2011





oµ soT T¹p chÝ Khoa häc vµ C«ng nghÖ

Category Content Page

NATURALSCIENCE

-

TECHNOLOGY

PHAN QUANG THE, NGUYEN DANG BINH, TRAN MINH DUC, LY VIET ANH - Effects of process parameters on the micro-hardness of composite coatings

3

ON NGU MINH - General theory of using some problems in settlement of study 8

NGUYEN DANG BINH, PHAN QUANG THE, TRAN MINH DUC - Ni-Al2O3

composite coatings is a technical solution to enhance the wear resistance of the ni coating12

BUI CHINH MINH - Mathematical modeling of a metal sheet rolling system 17

CHU DUC TOAN, DO XUAN TIEN, HOANG THI PHUONG - Co-synthesize aarchitecture of the opration grid for CPU risc core

23

DO THI VAN, DANG THI UYEN, PHAM HUU KIEN - Simulation of the

microstructural and phase transition in SiO2 liquid29

NGUYEN VAN HAO, NGUYEN THI XIEM, NGUYEN THI NHU HAI, NGUYEN

TRONG NGHIA - The pulsed-diode end-pumped passively q-switched solid-state Nd3+

:

yag laser35

NGUYEN VAN DANG, NGUYEN KHAC HUNG, NGO THI LAN, VU DINH LAM,

LE VAN HONG - Studying the effect of substituing ti’s atom for fe and electromanagtic

properties of BaTiO3

39

LE HUU THIENG, NGO THI LAN ANH, DAO HONG HANH, NGUYEN THI

THUY - Investigating of the adsorption capacity of methylenne blue from aqueous

solution on chemically modified sugarcane bagasse

45

DANG QUOC TRUNG, NGUYEN DANG DUC, NGUYEN NHU LAM, PHAN

THANH PHUONG - Determination asenic contents in tea green in Thai Nguyen51

MAI VAN THUAN – Exponential stabilization of Neural Networks with mixed Time – Varying Delays in state and control

57

DANG THI OANH - RBF stencils for poisson equation 63

TRAN VIET KHANH, LE MINH HAI - Spatial analysis methods regional distribution

of school enrollment high Thai Nguyen based access geographic information system

(GIS)67

TRAN THI PHA, NGUYEN TIEN THANH - Assessement of water quality in Thanh

Cong lake, Ba Dinh district, Hanoi city73

NGUYEN VU THANH THANH, CHU HOANG MAU - Characteristics of the cystatin

gene in some Vietnamese mungbean cultivars (Vigna radiata (L.) willzek)79

DO KHAC UAN, MAI ANH KHOA - A study on application of microwave engineering

for phosphorus release from wasted sludge87

TRAN THI PHA, HOANG THI MAI ANH, HA THI LAN - Studying the pollution of

heavy metals in soil environment in the Trai Cau iron mining area - Dong Hy district -

Thai Nguyen province93

NGUYEN MANH DUC – Some the calculates and refinements with components 97

HOANG QUANG TRUNG, VU DUC HIEP - The performance of alamouti STBC-

OFDM system in a multipath fading environment105

Journal of Science and Technology

78 (02)

N¨m 2011





Phan Quang Thế và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 78(02): 3 - 7

3

ẢNH HƢỞNG CỦA THÔNG SỐ QUÁ TRÌNH TỚI ĐỘ CỨNG TẾ VICỦA LỚP MẠ COMPOSITE

Phan Quang Thế*, Nguyễn Đăng Bình, Trần Minh Đức, Lý Việt Anh Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đ H Thái Nguyên

TÓM TẮT Một trong những biện pháp để tăng khả năng chống mòn của lớp mạ composite trên nền Ni là thayđổi thông số quá trình để tăng độ cứng tế vi của lớp mạ. Kết quả nghiên cứu mạ composite Al 2O3 và TiO2 trên nền Ni chỉ ra rằng độ cứng tế vi của lớp mạ composite phụ thuộc đáng kể vào tốc độkhuấy, mật độ dòng điện và nhiệt độ của dung dịch điện phân. Thay đổi các thông số này trongquá trình mạ có thể tạo đƣợc lớp mạ composite có độ cứng tế vi gấp hơn 2 lần so với lớp độ cứngtế vi của lớp mạ Ni thông thƣờ ng.Từ khóa: Mạ composite; Ni-Al2O3; Thông số mạ composite; Vận tốc khuấy; Độ cứng tế vi

MỞ ĐẦU Mạ composite nhằm tạo ra lớp mạ trên nềnkim loại, hợp kim, chất dẻo. Lớp mạcomposite trên nền Ni có cơ tính đặc biệtnhằm tăng khả năng làm việc của chi tiết máytrong điều kiện mòn và ăn mòn. Nguyên lý vàcơ chế mạ composite đƣợc nêu rõ trong cáctài liệu tham khảo [1]. Các thông số quá trìnhmạ composite nhƣ mật độ dòng điện, chế độ

xung, tốc độ khuấy, nhiệt độ dung dịch điện phân, độ pH có ảnh hƣởng trực tiếp đến cấutrúc và cơ tính của lớp mạ composite [2].

Mật độ dòng điện đƣợc xác định theo côngthức sau: CE = 100.WAct /WTheo

- CE là mật độ dòng điện

- WAct là khối lƣợng thực của lớp mạ

- WTheo là khối lƣợng mạ lý tƣởng tính theođịnh luật Faraday

Mật độ dòng điện có thể là một thông số đƣợc

khảo sát rộng nhất. Mật độ dòng điện có ảnhhƣởng rất ít hoặc gần nhƣ không có ảnhhƣởng đến số các hạt bám vào lớp mạ. Đốivới hệ Ni-TiO2 ở tốc độ khuấy cao thì điểmcực đại của thành phần các hạt bám vào lớpmạ sẽ dịch chuyển về phía mật độ dòng điệncao. Tƣơng tự với hệ Cr -Al2O3 thì khi mật độcác hạt trung tính trong bể mạ tăng lên thì mộtđiểm cực tiểu đƣợc tạo nên về phía mật độdòng điện thấp [2].

Tel: 0912064824; Email: [email protected]

Ngoài việc vận chuyển các hạt, việc khuấycũng có tác dụng giữ các hạt lơ lửng và ổnđịnh sự lơ lửng của các hạt này. Cả việc khuấydung dịch điện phân và trộn hạt cứng với dungdịch điện phân đều có tác dụng làm tan các cụcdo các hạt trung tính vón lại. Để tạo nên sựđồng đều cho lớp mạ, dung dịch huyền phùcần chứa những hạt mịn phân tán [3,4]. Ảnh hƣởng của nhiệt độ dƣờng nhƣ khácnhau đối với các hệ mạ composite. Với hệ Ni-

Al2O3, ảnh hƣởng của nhiệt độ tới phần trămcác hạt tham gia vào lớp mạ là không đángkể. Tuy nhiên, thành phần graphite trong lớpmạ Cr tăng lên cùng nhiệt độ tới 50C. Trongkhi đó Cr - Al2O3 thì ngƣợc lại hoàn toànnghĩa là các hạt cứng tham gia vào lớp mạgiảm khi tăng nhiệt độ tới 50C. Trong cả haitrƣờng hợp tác dụng của nhiệt độ khi tăngtrên 50C có thể bỏ qua. Đối với hệ Ni-V2O5 thành phần hạt cứng tham gia vào lớp mạ làlớn nhất ở 50C. Phần trăm khối lƣợng cáchạt cứng tham gia vào lớp mạ Cu giảm liên

tục khi tăng nhiệt độ [3,5].Ảnh hƣởng của tốc độ khuấy, mật độ dòngđiện, nhiệt độ mạ đến độ cứng tế vi của lớpmạ composite Al2O3 và TiO2 trên nền Nitrong điều kiện phòng thí nghiệm tại trƣờngĐại học Kỹ thuật Công nghiệp đƣợc trình bày dƣới đây.

THÍ NGHIỆM

Thiết bị thí nghiệm

Thiết bị mạ composite trên nền Ni do nhómnghiên cứu tự thiết kế và chế tạo bao gồm bể

chứa dung dịch điện phân dung tích 60 lít, hệ



mailto:[email protected]






4

thống gia nhiệt tự động đóng ngắt điện có thểnâng và ổn định nhiệt độ của dung dịch tới80C, hệ thống điều khiển tự động cung cấp

dòng một chiều xung hoặc liên tục cho bể mạ,hệ thống khuấy cơ học có thể điều chỉnh vôcấp tốc độ khuấy từ 10 v/p đến 350 v/p.

Hóa chất

Các hóa chất sử dụng cho quá trình mạcomposite Ni liệt kê trong bảng 1.

Sodium dodecyl sulfate đƣợc sử dụng là chất phụ gia để tăng hoạt tính bề mặt của các hạttrung tính. Hạt trung tính sử dụng trong thínghiệm là Al2O3 với cỡ hạt 1 m, TiO2 với cỡ hạt 300 nm và có chung hàm lƣợng là 50g/l.

Chế độ và quá trình chuẩn bị

Quá trình mạ đƣợc thực hiện với độ pH củadung dịch trong khoảng từ 4 4,5 (độ pHđƣợc điều chỉnh bằng cách cho thêm NH3 hoặc axit HCl loãng); tần số xung sử dụngtrong thí nghiệm là 200 Hz; tỷ lệ xung thuận/nghịch là 80%.

a. Chế độ mạ Ni-Al2O3

- Thay đổi tốc độ khuấy từ 140 v/p đến 312 v/p

Nhiệt độ mạ 40C, mật độ dòng điện 5A/ dm2.

- Thay đổi mật độ dòng điện: 3A/dm2,5A/dm2, 7A/dm2

Nhiệt độ mạ 40C, tốc độ khuấy 210 v/p.

- Thay đổi nhiệt độ mạ: 35C, 40C, 45C, 50C

Mật độ dòng điện 5A/dm2, tốc độ khuấy 210 v/p.

b. Chế độ mạ Ni-TiO2

- Thay đổi tốc độ khuấy từ 140 v/p đến 245 v/p

Nhiệt độ mạ 40C, mật độ dòng điện 5A/ dm2.

- Thay đổi mật độ dòng điện: 3A/dm2,5A/dm2, 7A/dm2

Nhiệt độ mạ 40C, tốc độ khuấy 210 v/p.

- Thay đổi nhiệt độ mạ: 35C, 40C, 45C

Tốc độ khuấy 210 v/p, mật độ dòng điện5A/dm2.

Trƣớc khi mạ dung dịch huyền phù đƣợckhuấy bằng máy khuấy siêu âm SW3H củaThụy sỹ trong 30 phút, sau đó khuấy cơ họctrong bể mạ trong 6 giờ.

Mẫu mạ composite là thép 09CrSi, tôi đạt độcứng HRC = 58-60, dạng hình trụ kích thƣớcd = 26 mm, h = 10 mm đƣợc đánh bóng, sauđó làm sạch, rửa trong bể hỗn hợp axít loãngở nhiệt độ môi trƣờng trƣớc khi mạ. Trongquá trình mạ, dung dịch huyền phù đƣợckhuấy cơ học với tốc độ nêu trên trong thờigian 1,5 giờ. Sau khi mạ, mẫu đƣợc rửa trongnƣớc chảy, sau đó đƣợc rửa siêu âm trongnƣớc cất khoảng 10 phút.

KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

Chiều dày lớp mạ trên chi tiết đo trên kínhhiển vi quang học đạt đƣợc từ 50m 70 m.

Mẫu đƣợc mài trên giấy nháp cỡ 800, 1000,1200 sau đó đánh bóng trên máy đánh bóngkim loại học của Đài Loan bằng bột kimcƣơng 1 m sau đó tẩm thực trong dung dịch Nital 2% trong thời gian 1 phút. Độ cứng tế vicủa lớp mạ đƣợc đo trên máy đo độ cứng tế viFuture fm 700e của Nhật, tải trọng 10 gramcho kết quả trên bảng 2, 3, 4.

a. Lớp mạ composite Ni-Al2O3

Bảng 1. Các hóa chất sử dụng cho quá trình mạ composite Al2O3 – Ni và TiO2-Ni

Hóa chất NiSO4.6H2O

(g/l)NiCl2.6H2O

(g/l)H3BO3

(g/l)Sodium dodecyl

sulfate (g/l)Hàm lƣợng 300 50 40 0,1

Bảng 2. Độ cứng tế vi của lớp mạ Ni-Al2O3, khi thay đổi tốc độ khuấy từ 140 v/p đến 312 v/p, nhiệt độ mạ40C, mật độ dòng điện 5A/ dm2.

Lần đo NiNi-Al2O3

140 v/pNi-Al2O3

175 v/pNi-Al2O3

210 v/pNi-Al2O3

245 v/pNi-Al2O3

278 v/pNi-Al2O3

312 v/p1 154 225 280 280 300 300 2002 184 230 260 270 300 250 2103 170 200 290 270 310 220 310

Trung bình 170 218 273 273 303 256 240






5

Bảng 3. Độ cứng tế vi của lớp mạ Ni-Al2O3, khi thay đổi mật độ dòng điện: 3A/dm2, 5A/dm2, 7A/dm2,nhiệt độ mạ 40C, tốc độ khuấy 210 v/p.


3A/dm2 Ni-Al2O3

5A/dm2 Ni-Al2O3

7A/dm2 1 154 250 280 1702 184 210 270 2003 170 160 270 200

Trung bình 170 206 273 190

Bảng 4. Độ cứng tế vi của lớp mạ Ni-Al2O3, khi thay đổi nhiệt độ mạ 35C, 40C, 45C, 50C, mật độdòng điện 5A/dm2, tốc độ khuấy 210 v/p.


35CNi-Al2O3

40CNi-Al2O3

45CNi-Al2O3

50C1 154 300 280 420 2902 184 160 270 380 300

3 170 160 270 350 280Trung bình 170 206 273 383 290

Bảng 5. Độ cứng tế vi của lớp mạ composite Ni-TiO2 khi thay đổi tốc độ khuấy từ 140 v/p đến 245 v/p,nhiệt độ mạ 40C, mật độ dòng điện 5A/ dm2.

Lần đo NiNi-TiO2 140 v/p

Ni-TiO2 175 v/p

Ni-TiO2 210 v/p

Ni-TiO2 245 v/p

1 154 240 250 225 1602 184 235 230 240 2133 170 222 250 230 200

Trung bình 170 232 243 230 191

Bảng 6. Độ cứng tế vi của lớp mạ composite Ni-TiO2 khi thay đổi mật độ dòng điện: 2A/dm2, 3A/dm2,

5A/dm2, 7A/dm2 nhiệt độ mạ 40C, tốc độ khuấy 210 v/p.

Lần đo NiNi-TiO2 2A/dm2

Ni-TiO2 3A/dm2

Ni-TiO2 5A/dm2

Ni-TiO2 7A/dm2

1 154 270 300 225 2702 184 300 350 240 2603 170 290 300 230 290

Trung bình 170 286 316 230 273

Bảng 7. Độ cứng tế vi của lớp mạ composite Ni-TiO2 khi thay đổi nhiệt độ mạ: 35C, 40C, 45C, tốc độkhuấy 210 v/p, mật độ dòng điện 5A/dm2.

Lần đo NiNi-TiO2

30C

Ni-TiO2

35C

Ni-TiO2

40C

Ni-TiO2

45C1 154 270 330 225 3002 184 260 380 240 3503 170 250 330 230 300

Trung bình 170 260 346 230 316

b. Lớp mạ composite Ni-TiO2

Các kết quả đo độ cứng tế vi HV10 đối với lớpmạ composite Al2O3, TiO2 cho thấy tốc độkhuấy, mật độ dòng điện và nhiệt độ dungdịch mạ có ảnh hƣởng đáng kể tới độ cứng tế

vi của lớp mạ composite.

PHÂN TÍCH KẾT QUẢ

Từ các kết quả thí nghiệm cho thấy ảnhhƣởng của tốc độ khuấy đến độ cứng tế vi củalớp mạ composite là đáng kể tuy nhiên mứcđộ ảnh hƣởng là khác nhau.

Ảnh hƣởng của tốc khuấy, với lớp mạ Ni-

Al2O3, khi tăng tốc độ khuấy từ 140 v/p độ






6

cứng tăng dần từ HV10=218, đạt cực đại tạitốc độ 245 v/p với HV10= 303 sau đó giảmđến HV10=240 tại tốc độ khuấy 312 v/p. Với

lớp mạ Ni-TiO2, khi tăng tốc độ khuấy từ 140v/p độ cứng tăng từ HV10=232, đạt cực đại tạitốc độ 175 v/p với HV10=243 sau đó giảm đếnHV10=191 tại tốc độ khuấy 245 v/p (Hình 1).

Ảnh hƣởng của mật độ dòng điện, với lớp mạNi-Al2O3, khi tăng mật độ dòng điện từ3A/dm2 đến 7A/dm2 độ cứng tăng từHV10=206 đạt giá trị cực đại HV10=273 tại mậtđộ dòng điện 5A/dm2 sau đó giảm đến giá trịHV10=190. Với lớp mạ Ni-TiO2, độ cứng tế viđạt giá trị cực đại HV10=316 tại mật độ dòng

điện 3A/dm2 và giảm đến HV10=273 tại mật độdòng điện 7A/dm2 (Hình 2).

Về ảnh hƣởng của nhiệt độ, đối với lớp mạNi-Al2O3, trong dải nhiệt độ từ 35C đến50C, độ cứng tế vi đạt giá trị cực đạiHV10=383 tại nhiệt độ 45C. Tuy nhiên vớilớp mạ Ni-TiO2, độ cứng tế vi đạt giá trị cựcđại HV10=346 tại nhiệt độ 35C (Hình 3).

Các kết quả thí nghiệm cho thấy ảnh hƣởngcủa nhiệt độ mạ đến độ cứng tế vi là lớn nhất,thay đổi nhiệt độ trong khoảng nói trên có thểtăng độ cứng lên 125% đối với lớp mạ Ni -Al2O3 và 104% đối với lớp mạ Ni-TiO2. Đốivới lớp mạ Ni-Al2O3, ảnh hƣởng của tốc độkhuấy đến độ cứng tế vi lớn hơn của mật độdòng điện (78% và 43% với lớp mạ TiO2).Tuy nhiên, đối với lớp mạ Ni-TiO2, ảnhhƣởng của mật độ dòng điện đến độ cứng tếvi lớn hơn ảnh hƣởng của tốc độ khuấy (86%và 60% đối với lớp mạ Al2O3).

Độ cứng tế vi của lớp mạ composite tăng lênthể hiện sự tham gia nhiều hơn của các hạttrung tính vào lớp mạ. Do độ cứng tế vi củalớp mạ có liên hệ mật thiết với mật độ các hạttrung tính tham gia vào lớp mạ nên có thể sửdụng kết quả đo độ cứng tế vi của lớp mạ đểđánh giá mật độ các hạt trung tính tham giavào lớp mạ. Trong một số nghiên cứu trƣớcđây tốc độ khuấy là thông số ảnh hƣởng mạnhđến mật độ các hạt trung tính tham gia vào lớp

mạ do tác dụng duy trì các hạt trung tính vớimật độ cao lơ lửng sát bề mặt của cathode[2,3]. Mật độ dòng điện ít ảnh hƣởng tới mậtđộ các hạt tham gia vào lớp mạ hơn và sau đólà nhiệt độ, độ pH [4,5]. Các kết quả nghiêncứu cho thấy ảnh hƣởng của nhiệt độ tới độcứng tế vi của lớp mạ là lớn nhất (có thể tăngđộ cứng của lớp mạ Al2O3 lên tới 125%), sauđó đến mật độ dòng điện và nhiệt độ mạ. Tuynhiên ảnh hƣởng của các thông số nói trên đếnđộ cứng tế vi là khác nhau đối với các lớp mạ

composite khác nhau trên nền Ni (mức độ ảnh

Độ cứng tế vi lớp mạ composite phụ thuộcvào mật độ dòng điện

0

50

100

150

200

250

300

350

2A/dm2 3A/dm2 5A/dm2 7A/dm2

Mật độ dòng điện

Đ ộ c ứ n g t ế v i H V 1 0

Ni-Al2O3

Ni-TiO2

Hình 2. Mối quan hệ giữa độ cứng tế vi của lớp mạ composite và mật độ dòng điện

Độ cứng tế vi lớp mạ composite phụ thuộcvào nhiệt độ

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

30 độ C 35 độ C 40 độ C 45 độ C 50 độ C

Nhiệt độ

Đ ộ

c ứ n g

t ế v i H V 1 0

Ni-Al2O3

Ni-TiO2

Hình 3: Mối quan hệ giữa độ cứng tế vi

của lớp mạ composite và nhiệt độ mạ

Độ cứng tế vi lớp mạ composite phụ thuộctốc độ khuấy

0

50

100

150

200

250

300

350

140 v/p 175 v/p 210 v/p 245 v/p 278 v/p 312 v/p

Tốc độ khuấy

Đ ộ

c ứ n g

t ế v i H V 1 0

Ni-Al2O3

Ni-TiO2

Hình 1. M i quan hệ giữa độ cứng t vi củalớp mạ composite và tốc độ khuấy






7

hƣởng của cùng một thông số nhƣ mật độ dòngđiện có thể chênh lệch tới 34%). Sự khác nhaugiữa các kết quả nghiên cứu trƣớc đây về tính

chất của lớp mạ composite so với nghiên cứunày có thể là do sự khác nhau của từng hệ mạcomposite cụ thể. Ảnh hƣởng của độ pH đếnđộ cứng tế vi là không đáng kể nên độ pHđƣợc giữ bằng hằng số trong nghiên cứu này.

KẾT LUẬNĐể tăng khả năng chống mòn của bề mặt tiếpxúc làm việc trong môi trƣờng ăn mòn, tăngđộ cứng tế vi của lớp bề mặt là một giải pháphữu hiệu. Thay đổi các thông số của quá trìnhmạ nhƣ tốc độ khuấy, mật độ dòng điện, nhiệt

độ mạ dẫn đến những thay đổi đáng kể về độcứng tế vi của lớp mạ composite Ni-Al2O3 vàNi-TiO2. Nhiệt độ có ảnh hƣởng lớn nhất đếnđộ cứng tế vi của lớp mạ composite (có thểtăng độ cứng đến 125%) sau đó là tốc độkhuấy và mật độ dòng điện (có thể tăng độcứng đến 86%). Đây là những kết quả có ý

nghĩa to lớn trong việc nâng cao khả năngchống mòn của bề mặt tiếp xúc.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1].Indira Rajagopal., “Composite Coatings”,Surface Modification Technologies” MarcelDekker, Inc, New York, 1989.[2].Hovestad. A, Janssen. L.J.J., ElectrochemicalCo-deposition of Inert Particles in a MetallicMatrix, Journal of Applied Electrochemistry, Vol.25, pp. 519-527, (1995).[3]. R. C. Agarwala and Vijaya Agarwala;Electroless alloy/composite coatings: A review;Sadhana Vol. 28, Parts 3 & 4, pp.475-493,June/August 2003.[4].Gang Wu, Ning Li, Derui Zhou, Kurachi

Mitsuo; Electrodeposited Co-Ni-Al2O3 compositecoatings; Surface and Coatings Technology, 176,157-164, 2004.[5].Hovestad. A, Janssen. L.J.J., ElectrochemicalCodeposition of Inert Particles in a MetallicMatrix, Journal of Applied Electrochemistry, Vol.25, pp. 519-527, (1995).

ABSTRACTEFFECTS OF PROCESS PARAMETERSON THE MICRO-HARDNESS OF COMPOSITE COATINGS

Phan Quang The, Nguyen Dang Binh, Tran Minh Đuc, Ly Viet Anh

Thai Nguyen University of Technology - TNU

One of the solutions to enhance the wear resistance of the composite coatings layer based onNickel matrix. The research results of Ni-Al2O3and Ti-TiO2showed that the micro-hardness of thecomposite coating depends considerably on mixing velocity, current density and the temperatureof electrolyze. The variation of these parameters in electroplating process can produce thecomposite coating with the micro-hardness increasing more than 2 times compared with normal Nicoating layer.

Key words: Composite Coating; Ni-Al2O3; Composite process Parameters; Mixing velocity;

Micro-hardness









Ôn Ngũ Minh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 78(02): 8 - 11

8

SỬ DỤNG LÝ THUYẾT ĐẠI SỐ GIẢI MỘT SỐ BÀI TOÁN TRONG HÌNH HỌC

Ôn Ngũ Minh*

Trường Đại học K ỹ thuật Công nghiệp – ĐHTN

TÓM TẮT Lý thuyết về không gian véc tơ trong đại số tuyến tính có vai trò rất quan trọng. Bài báo này trình bày một số phép biến đổi affine dựa trên phép đổi cơ sở trong không gian véc tơ. Trong phần cuốicó đƣa ra một số ví dụ minh hoạ và mã nguồn đƣợc viết bằng ngôn ngữ C++. Từ khoá: Phép tịnh tiến song song, phép xoay quanh gốc toạ độ, toạ độ homogen

MỘT SỐ PHÉP BIẾN ĐỔI CƠ BẢN*

1. Phép tịnh tiến song song

Giả sử M(x, y) là điểm bất kỳ. Xác định toạ độ của M trong hệ O'x'y' với O' có toạ độ (x0, y0)và các trục toạ độ của hai hệ đồng phƣơ ngchiều.

Gọi (x', y') là toạ độ của M trong hệ trục O'x'y'.Khi đó

0

0

xx x '

yy y '

hay 0

0

xx ' x

yy ' y

(1)

Nhƣng để thực hiện đƣợc bởi phép nhân matrận, ta sử dụng toạ độ homogen, khi đó (1)đƣợc viết lại dƣới dạng:

0

0

x ' 1 0 x x

y' 0 1 y y

1 0 0 1 1

ta có0

0 1

x ' 1 0 x x x

y' 0 1 y y H y

1 0 0 1 1 1

2. Phép xoay hệ Oxy quanh gốc toạ độ Giả sử M(x, y) là điểm bất kỳ. Xác định toạ độ của M trong hệ Ox'y' nhận đƣợc từ hệ Oxysau khi xoay theo chiều dƣơng một góc .

Trong R2, xét hai cơ sở:

S = e1 = (1, 0), e2 = (0, 1) và

S' = e1' = (cos, sin), e2' = ( – sin, cos)

* Tel: 0913351286

Rõ ràng e1 và e2 tƣơng ứng là các véc tơ đơnvị của các trục Ox và Oy, còn e1' và e2' tƣơngứng là các véc tơ đơn vị của các trục Ox' vàOy'. Dễ thấy, ma trận của phép biến đổi từ cơ sở S sang cơ sở S' chính là

P =sin

sin

cos

cos

Vì là phép biến đổi trực giao nên P – 1 = P t, dođó sử dụng toạ độ homogen ta có:

2

x ' c sin 0 x x

y' sin c 0 y H y

1 0 0 1 1 1

os

os

3. Phép lấy đối xứng qua trục Ox Gọi M'(x', y') là điểm đối xứng của điểm M(x,y) qua trục Ox, dễ thấy x' = x, y' = – y. TrongR2, xét hai cơ sở:

S = e1 = (1, 0), e2 = (0, 1)

và S' = e1' = (1,0), e2' = (0, – 1)

Dễ thấy, ma trận của phép biến đổi từ cơ sở S'sang cơ sở S chính là:

P =

1 0

0 1

Viết theo toạ độ homogen ta có

3

x ' 1 0 0 x x

y' 0 1 0 y H y

1 0 0 1 1 1

.

MỘT SỐ ỨNG DỤNG 1. Xác định toạ độ của điểm N(xN, yN) là đốixứng của điểm M(x, y) qua đƣờng thẳng có phƣơng trình y = ax + b

Ta thực hiện 5 bƣớc sau:






9

a) Tịnh tiến song song Oxy thành O'x'y' vớiO' có toạ độ (0, b)

Toạ độ mới của M(x', y') đƣợc tính theo côngthức

x ' x

y ' A y

1 1

, với A =

1 0 0

0 1 b

0 0 1

b) Xoay hệ O'x'y' quanh gốc O' theo chiềudƣơng một góc = atan(a) thành hệ O'x"y"

Toạ độ mới của M(x", y") đƣợc tính theocông thức

2

x" x 'y" H y'

1 1

= 2

xH A y

1

c) Lấy đối xứng qua trục O'x"

Gọi (xN", yN") là toạ độ của N trong hệ trụcO'x"y", khi đó

N

N 3

x " x"

y " H y"

1 1

= 3 2

x

H H A y

1

d) Xoay hệ O'x"y" quanh gốc O' theo chiềuâm một góc thành hệ O'x'"y'"

Toạ độ của N trong hệ O'x'"y'" đƣợc tính theocông thức

N N

t

N 2 N

x '" x "

y '" H y "

1 1

= t

2 3 2

x

H H H A y

1

e) Tịnh tiến O' về O, nhận đƣợc hệ trục banđầu Oxy

Toạ độ của N trong hệ Oxy đƣợc tính theocông thức

N N

N N

x 1 0 0 x "'

y 0 1 b y "'

1 0 0 1 1

= t

4 2 3 2

x

H H H H A y

1

,

Dễ kiểm tra lại rằng H = H4H2tH3H2A =

=

cos 2 sin 2 bsin 2

sin 2 cos 2 b(1 cos 2 )

0 0 1

.

Vậy toạ độ của điểm N đối xứng với M(x, y)qua đƣờng thẳng y = ax + b là

N

N

x xc bsin 2

y xsin 2 yc b 1 c

os2 ysin2

os2 os2

hay

N

N

x x cos 2 y b sin 2

y x sin 2 y b cos 2 b

Đó chính là công thức chúng ta cần tìm.

2. Xác định toạ độ điểm N(xN, yN) nhận đƣợc bằng cách xoay điểm M(x, y) quanh điểm (x0,y0) một góc

Ta thực hiện 3 bƣớc sau:

a) Tịnh tiến song song Oxy thành O'x'y' vớiO' có toạ độ (x0, y0)

Toạ độ mới của M(x', y') đƣợc tính theo côngthức

1

x ' x

y ' H y

1 1

,

b) Xoay hệ O'x'y' quanh gốc O' theo chiềudƣơng một góc – thành hệ O'x"y"

Toạ độ mới của M(x", y") đƣợc tính theocông thức

t

2

x" x '

y" H y'

1 1

= t

2 1

x

H H y

1

c) Tịnh tiến O' về O, nhận đƣợc hệ trục banđầu Oxy

Toạ độ của N trong hệ Oxy đƣợc tính theocông thức

N 0 N

N 0 N

x 1 0 x x "

y 0 1 y y "

1 0 0 1 1

= t

5 2 1

x

H H H y

1

=

=0 0 0

0 0 0

c sin x c y sin x

sin c x sin y c y

0 0 1

os os

os os

x

y

1

Từ đó ta có






10

N 0 0 0

N 0 0 0

x x x c y y sin x

y x x sin y y cos y

os

MỘT SỐ VÍ DỤ

1. Xác định toạ độ điểm đối xứng qua đƣờng thẳng y = ax + b.

Xét điểm M(1,2).

a) Đƣờng thẳng d có phƣơng trình y = x: Khiđó = 45o nên cos2 = 0, sin2 = 1.

N

N

x 0 1 0 1 2

y 1 0 0 2 1

1 0 0 1 1 1

,

tức là N(2,1).

b) Đƣờng thẳng d có phƣơng trình y = x + 1: = 45o nên cos2 = 0, sin2 = 1.

N

N

x 0 1 1 1 1

y 1 0 1 2 2

1 0 0 1 1 1

,

tức là N M. Đúng vì M thuộc d.

c) Đƣờng thẳng d có phƣơng trình y = x – 1:

= 45o

nên cos2 = 0, sin2 = 1.N

N

x 0 1 1 1 3

y 1 0 1 2 0

1 0 0 1 1 1

,

tức là N(3, 0).

2. Xác định toạ độ của điểm M sau khi quayđi một góc quanh điểm P.

Xét điểm M(2,1) và P(1, 1).

a) Với =

2

: cos = 0, sin = 1

xN = 1, yN = 2.

b) Với =4

: cos = sin =

2

2

xN = yN =2

2+ 1

MÃ LỆNH TRONG NGÔN NGỮ C++

1. Xác định toạ độ điểm đối xứng qua đƣờng thẳng y = ax + b

Hàm point mirror(const point &p, double a,

double b) trả lại điểm đối xứng của điểm p.

#include <math.h>

#include <stdio.h>

struct point

double x, y;

point (double _x = 0, double _y = 0)

x = _x; y = _y;

;

point mirror(const point &p,

double a, double b)

double anpha = atan(a);

double _cos = cos(2*anpha),

_sin = sin(2*anpha);

return point(p.x*_cos + (p.y-b)*_sin,

p.x*_sin - (p.y-b)*_cos + b);

void main()

point p(1,2), q;

q = mirror(p, 1, 0);

printf("\nq(%lf, %lf)\n",q.x,q.y);q = mirror(p, 1, 1);

printf("\nq(%lf, %lf)\n",q.x,q.y);

q = mirror(p, 1, -1);


2. Xác định toạ độ của điểm M sau khi quayđi một góc quanh điểm P

Hàm point rotate(const point &p, double x0,double y0, double anpha) trả lại điểm là sự quay của điểm p quanh điểm có toạ độ (x0,y0) một góc anpha.

#include <math.h>

#include <stdio.h>

struct point

double x, y;

point (double _x = 0, double _y = 0)

x = _x; y = _y;

;






11

point rotate(const point &p, double x0,double y0, double anpha)

double _cos = cos(anpha);

double _sin = sin(anpha);

return

point((p.x-x0)*_cos - (p.y-y0)*_sin +x0,

(p.x-x0)*_sin + (p.y-y0)*_cos + y0);

void main()

point p(2,1), q;

double quarterPI = atan(1);

q = rotate(p, 1,1, 2*quarterPI);printf("\nq(%lf, %lf)\n",q.x,q.y);

q = rotate(p, 1,1, quarterPI);



[1]. Brown, William A. (1991), Matrices and

vector spaces, New York: M. Dekker,

[2].Weisstein, Eric W., Homogeneous Coordinates

SUMMARY

On Ngu Minh* Thai Nguyen University of Technology – TNU

The theory of vector spaces in linear algebra plays a very important role. This paper presents someaffine transformation based on the exchange of basis of vector space. In the last section give someexamples and source code written in C++ language.

*

Tel: 0913351286





Nguyễn Đăng Bình và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 78(02): 12 - 16

12

MẠ COMPOSITE Ni-Al2O3 GIẢI PHÁP KỸ THUẬTNÂNG CAO KHẢ NĂNG CHỐNG MN CỦA LỚP MẠ Ni

Nguyễn Đăng Bình, Phan Quang Thế*, Trần Minh Đức Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đ H Thái Nguyên

TÓM TẮT Mạ composite Al2O3 trên nền Ni là một giải pháp công nghệ bề mặt để nâng cao khả năng chịumài mòn của lớp mạ Ni khi làm việc trong môi trƣờng mòn và ăn mòn cao. Kết quả nghiên cứu mạcomposite Al2O3 trên nền Ni chỉ ra rằng mật độ hạt Al2O3 tham gia vào lớp mạ phụ thuộc đáng kểvào phƣơng pháp khuấy và tốc độ khuấy dung dịch huyền phù. Độ cứng tế vi của lớp mạcomposite tăng khoảng 1,8 lần so với lớp mạ Ni thông thƣờng. Mật độ dòng điện trong quá trìnhmạ là một thông số quan trọng ảnh hƣởng đáng kể đến chất lƣợng của lớp mạ .

Từ khóa: Mạ composite; Ni-Al2O3; Ứng dụng mạ composite; Vận tốc khuấy; Độ cứng tế vi

MỞ ĐẦU

Mạ điện là một phƣơng pháp để tạo ra lớp mạcomposite. Các hạt trung tính không tan trongdung dịch điện phân đƣợc giữ lơ lửng trongdung dịch và tham gia vào quá trình hìnhthành và phát triển lớp mạ kim loại. Việc đƣacác hạt trung tính tham gia vào lớp mạcomposite làm thay đổi đáng kể độ cứng, độ

bền của lớp mạ cũng nhƣ làm thay đổi đặctính tƣơng tác của lớp mạ với bề mặt đối tiếphoặc môi trƣờng xung quanh [1].

Quá trình mạ composite, cụ thể là mạ composite Al2O3 trên nền Ni đƣợ c thực hiệntrong bể mạ điện Ni thông thƣờ ng. Dung dịch

mạ đƣợc điều chế từ các hóa chất trong bảng1 trong dung môi nƣớ c cất. Các hạt trung tínhđƣợ c giữ lơ lửng trong dung dịch nhờ thiết bị khuấy theo sơ đồ nguyên lý trên Hình 1. Cỡ hạt trung tính thƣờng dƣới 20 µm cho đếnkích thƣớ c thang nano. Chiều dày lớ p mạ cóthể đạt từ vài µm đến vài trăm µm [1].

Nhóm nghiên cứu đã thiết kế, chế tạo thànhcông hệ thống mạ composite trên nền Ni tại

trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đạihọc Thái Nguyên. Các kết quả nghiên cứu vềquá trình mạ composite Al2O3 trên nền Ni vàtính chất cơ lý của lớp mạ đƣợc trình bàytrong bài báo này.

Hình 1. Sơ đồ nguyên lý mạ composite (a) khuấy nhờ bơm tƣớ i (b) khuấy cơ học










13

THÍ NGHIỆM

Thiết bị thí nghiệm

Thiết bị mạ composite trên nền Ni do nhómnghiên cứu tự thiết kế và chế tạo bao gồm bểchứa dung dịch điện phân dung tích 60 lít, hệthống gia nhiệt tự động đóng ngắt điện có thểnâng và ổn định nhiệt độ của dung dịch tới80C, hệ thống điều khiển tự động cung cấpdòng một chiều xung hoặc liên tục cho bể mạ,hệ thống khuấy cơ học có thể điều chỉnh vôcấp tốc độ khuấy từ 10 v/p đến 350 v/p.

Hóa chất

Các hóa chất sử dụng cho quá trình mạ

composite Ni liệt kê trong bảng 1. Sodium dodecyl sulfate đƣợc sử dụng là chất phụ gia để tăng hoạt tính bề mặt của các hạttrung tính. Hạt trung tính sử dụng trong thínghiệm là Al2O3 với cỡ hạt 1 m và hàmlƣợng Al2O3 là 50g/l. Các hạt có kích thƣớckhông đồng đều do tự vón kết với nhau thànhhạt lớn thể hiện trên ảnh SEM (Hình 2). Cácđỉnh Au trên phân tích EDX là kết quả của mạmàng Au trên mẫu hạt Al2O3.

Chế độ và quá trình chuẩn bị

Quá trình mạ đƣợc thực hiện với mật độ dòng

điện 5A/dm

2

. Độ pH của dung dịch trongkhoảng từ 4 4,5 (độ pH đƣợc điều chỉnh bằng cách cho thêm NH3 hoặc axit HClloãng); nhiệt độ giữ ổn định ở 40C 2C;tần số xung sử dụng trong thí nghiệm là 200Hz; tỷ lệ xung thuận/ nghịch là 80%.

Trƣớc khi mạ dung dịch huyền phù đƣợckhuấy bằng máy khuấy siêu âm SW3H củaThụy sỹ trong 30 phút, sau đó khuấy cơ họctrong bể mạ trong 6 giờ.

Mẫu mạ composite là thép 09CrSi, tôi đạt độcứng HRC = 58-60, dạng hình trụ kích thƣớcd = 26 mm, h = 10 mm đƣợc đánh bóng, sauđó làm sạch, rửa trong bể hỗn hợp axít loãngở nhiệt độ môi trƣờng trƣớc khi mạ. Trongquá trình mạ, dung dịch huyền phù đƣợckhuấy cơ học trong dải tốc độ 140, 175, 210,245 v/p trong thời gian 1,5 giờ. Sau khi mạ,mẫu đƣợc rửa trong nƣớc chảy, sau đó đƣợcrửa siêu âm trong nƣớc cất khoảng 10 phút.

Bảng 1. Các loại hóa chất sử dụng cho quá trình mạ composite Ni-Al2O3

Hóa chất NiSO4.6H2O(g/l)

NiCl2.6H2O(g/l)

H3BO3

(g/l)Sodium dodecylsulfate (g/l)

Hàm lƣợng 300 50 40 0,1

Hình 2. Ảnh SEM hạt trung tính Al2O3 sử dụng trong thí nghiệm và thành phần hóa học

qua phân tích EDX






14

KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Chiều dày lớp mạ trên chi tiết đo trên kínhhiển vi quang học đạt đƣợc từ 50m 70 m.Mẫu đƣợc mài trên giấy nháp cỡ 800, 1000,1200 sau đó đánh bóng trên máy đánh bóngkim loại học của Đài Loan bằng bột kimcƣơng 1 m sau đó tẩm thực trong dung dịch Nital 2% trong thời gian 1 phút. Độ cứng tế vicủa lớp mạ đƣợc đo trên máy đo độ cứng tế viFuture fm 700e của Nhật, tải trọng 10 gramcho kết quả trên bảng 2.Từ kết quả đo độ cứng tế vi có thể thấy rằngđộ cứng của lớp mạ composite Ni-Al2O3 phụthuộc vào mật độ hạt Al2O3 và mức độ phân bố đồng đều của các hạt này trong lớp mạ tứclà phụ thuộc vào tốc độ khuấy. Với tốc độkhuấy 140 v/p độ cứng tế vi của lớp mạ đạtthấp nhất (HV10=218). Độ cứng tế vi của lớpmạ composite Ni-Al2O3 tăng đến 273 HV10 ở tốc độ khuấy 175 v/p và 210 v/p sau đó tăngđến HV10=303khi tăng tốc độ khuấy đến 245v/p gấp 1,78 lần độ cứng lớp mạ Ni thôngthƣờng (HV10=170) tại tốc độ khuấy 175 v/p.Sự tham gia của các hạt trung tính Al2O3 vàolớp mạ Ni đƣợc xác định trên kính hiển viđiện tử quét (scanning electron microscopy)Jeol 5410 LV tại trƣờng Đại học Khoa học Tựnhiên Hà Nội. Có thể thấy rằng mật độ các hạt trung tínhAl2O3 tham gia vào lớp mạ Ni trở nên đồngđều hơn khi tăng tốc độ khuấy từ 140 v/p đến245 v/p (hình 3). Hiện tƣợng vón cục thƣờngxảy ra rõ nét ở tốc độ khuấy thấp. Đây là hiệntƣợng các hạt Al2O3 liên kết lại với nhau vàtạo thành những mảng cục bộ trong lớp mạ(Hình 3a). Tại những nơi xảy ra vón cục củacác hạt trung tính độ cứng tế vi giảm rõ rệt.Kết quả phân tích EDX bề mặt của các lớp mạsau khi đƣợc mài, đánh bóng và tẩm thựckhẳng định Al2O3 tham gia vào lớp mạ Ni chỉra trên Hình 4. Thành phần hóa học bề mặt chủyếu là Ni, Al2O3 và một hàm lƣợng nhỏ Fe.

PHÂN TÍCH KẾT QUẢCơ tính của lớp mạ composite phụ thuộc vàorất nhiều yếu tố trong quá trình mạ điện. Tuy

nhiên, các thông số về mật độ dòng điện,nhiệt độ dung dịch điện phân và độ pH nóichung ít ảnh hƣởng đến sự tham gia của cáchạt trung tính vào lớp mạ nên đƣợc giữ cố định trong nghiên cứu này.Mật độ dòng điện có thể là một thông số đƣợckhảo sát rộng nhất. Ảnh hƣởng của mật độdòng điện đến mật độ các hạt tham gia vàolớp mạ có thể khác nhau. Mật độ dòng điện cóảnh hƣởng rất ít hoặc gần nhƣ không có ảnhhƣởng đến số hạt bám vào lớp mạ [2]. Trongnghiên cứu này, mật độ khi tăng mật độ dòngđiện từ 5 A/dm2 tới 9 A/dm2 bề mặt của lớpmạ bị rạn nứt và phá hủy nghiêm trọng dohiệu ứng mũi nhọn trong quá trình mạ. Ảnhhƣởng của nhiệt độ dƣờng nhƣ khác nhau đốivới các hệ mạ composite. Với hệ Ni-Al2O3,ảnh hƣởng của nhiệt độ tới phần trăm các hạttham gia vào lớp mạ là không đáng kể [2]. Nhiệt độ dung dịch trong thí nghiệm đƣợc giữtƣơng đối ổn định tại 40C. Các nghiên cứuliên quan đến ảnh hƣởng của độ pH cho cáckết quả thống nhất, khi độ pH > 2 ảnh hƣởngcủa pH đến mật độ hạt cứng tham gia vào lớpmạ là không đáng kể, còn ở dƣới giá trị nàysố hạt cứng tham gia vào lớp mạ giảm đối vớihệ Ni-Al2O3 [4].Tốc độ khuấy là thông số đƣợc đặc biệt quantâm bởi vì đây là thông số có ảnh hƣởng trựctiếp đến mức độ tham gia của các hạt vào lớpmạ. Các hạt trung tính cần đến bề mặt củacathode để tham gia vào lớp mạ compositenên phải đƣợc dịch chuyển từ nguồn hạt tớicathode. Khuấy thúc đẩy sự dịch chuyển cáchạt và tăng khuấy sẽ làm cho nhiều hạt cứng

tham gia vào lớp mạ. Tuy nhiên, tốc độ khuấyquá cao sẽ giảm các hạt tham gia vào lớp mạ bởi vì các hạt này sẽ bị văng ra khỏi bề mặtcathode trƣớc khi chúng đƣợc giữ lại [2, 3].

Bảng 2. Độ cứng tế vi của lớp mạ phụ thuộc tốc độ khuấy.

Lần đo NiNi-Al2O3 140 v/p

Ni-Al2O3 175 v/p

Ni-Al2O3 210 v/p

Ni-Al2O3 245 v/p

1 154 225 280 280 3002 184 230 260 270 3003 170 200 290 270 310

Trung bình 170 218 273 273 303






15

Hình 3. Ảnh SEM thể hiện mức độ tham gia của các hạt Al2O3 vào lớp mạ khi khuấy với tốc độ (a) 140v/p; (b) 175 v/p; (c) 210 v/p; (d) 245 v/p

Hình 4. EDS phân tích bề mặt lớp mạ trên hình (b) và (d) cho thấy Ni, Al2O3 và Fe.

Đối với hệ Ni-TiO2 ở tốc độ khuấy cao thìđiểm cực đại của thành phần các hạt bám vàolớp mạ sẽ dịch chuyển về phía mật độ dòngđiện cao [2,3].

Khi thay đổi tốc độ khuấy từ 140 v/p đến 245v/p mật độ các hạt Al2O3 tham gia vào lớp mạ

tăng lên rõ rệt, hiện tƣợng vón cục giảm đi

đáng kể. Từ Hình 3a và 3b có thể thấy rõ hiệntƣợng vón cục xảy ra phổ biến ở tốc độ khuấy140 v/p và 175 v/p. Khi tăng tốc độ khuấyđến 175 v/p và 245 v/p hiện tƣợng này vẫncòn nhƣng mức độ giảm đi đáng kể (Hình 3cvà 3d). Khuấy với tốc độ cao là nguyên nhânlàm các hạt Al2O3 hạn chế hình thành các

mảng lớn trong dung dịch huyền phù.

(a) (b)

(c) (d)






16

Kết quả phân tích EDX trên Hình 4 cho thấysự tham gia của các hạt Al2O3 vào trong lớpmạ Ni rất rõ nét. Tuy nhiên, trên đồ thị phân

tích cũng xuất hiện nguyên tố Fe nhƣ một tạpchất bám vào lớp mạ. Đây là vấn đề cần khắc phục trong quá trình mạ composite Ni-Al2O3,đó là phải loại triệt để các ion Fe ra khỏi dungdịch điện phân.

Độ cứng tế vi của lớp mạ hiển nhiên phụthuộc vào mật độ hạt Al2O3 tham gia và mứcđộ phân bố đồng đều của hạt trong lớp mạ. Ởtốc độ khuấy thấp mức độ các hạt tham gia và phân bố đồng đều vào lớp mạ hạn chế hơn sovới khuấy ở tốc độ cao. Tuy nhiên, ở tốc độ

khuấy 140 v/p độ cứng tế vi của lớp mạ chỉ đạt HV10=218 so với HV10=273ở tốc độkhuấy 175 v/p và 210 v/p và HV10=303 tạitốc độ khuấy 245 v/p điều này đƣợc giải thíchlà do hiện tƣợng vón cục của các hạt Al2O3 ở tốc độ khuấy thấp làm giảm độ cứng tế vi củalớp mạ [2].

Từ các phân tích trên có thể thấy tốc độ khuấy245 v/p vừa cho mật độ các hạt trung tínhtrong lớp mạ cao vừa cho độ cứng tế vi củalớp mạ cao nhất. Đây là tốc độ khuấy nên lựa

chọn để tạo thành lớp mạ composite Ni-Al2O3 có khả năng chịu ăn mòn và mòn đồng thời.

KẾT LUẬN

Hệ thống mạ do trƣờng Đại học Kỹ thuậtCông nghiệp tự thiết kế và chế tạo cho phép

thực hiện thành công mạ composite Al2O3 trên nền Ni. Kết quả nghiên cứu ban đầu chothấy mật độ các hạt tham gia vào lớp mạ tăng

đáng kể và trở nên đồng đều hơn khi tăng tốcđộ khuấy từ 140 v/p đến 245 v/p. Độ cứng tếvi của lớp mạ cao gấp 1,8 lần so với độ cứngtế vi của lớp mạ Ni thông thƣờng tại tốc độkhuấy 235 v/p. Khi tăng vận tốc khuấy hiệntƣợng vón cục giảm đáng kể là nguyên nhânchính làm tăng độ cứng tế vi của lớp mạ. Mậtđộ dòng điện sử dụng không nên lớn hơn 5A/dm2 để giữ cho lớp mạ không bị rạn nứt.


1. Benea. L, Varsanyi. M. L, Maurin. G.,

“The Electrolytic Co-deposition of ZerconiumOxide Particles with Nikel”, the Annal of

University of Galaty, (2003).

2. Hovestad. A, Janssen. L.J.J.,“Electrochemical Co-deposition of InertParticles in a Metallic Matrix”, Journal of

Applied Electrochemistry, Vol. 25, pp. 519-527, (1995).

3. Shi. L, Sun. C, Gao. P., “MechanicalProperties and Wear and CorrosionResistance of Electrodeposited Ni-Co/SiC

Nanocomposite Coatings”, Applied Surface

Science, Vol. 252, pp.3591-3599, (2006).

4. Indira Rajagopal., “Composite Coatings”,Surface Modification Technologies” MarcelDekker, Inc, New York, 1989.

ABSTRACTNi-Al2O3 COMPOSITE COATINGS IS A TECHNICAL SOLUTIONTO ENHANCE THE WEAR RESISTANCE OF THE Ni COATING

Nguyen Dang Binh, Phan Quang The, Tran Minh ĐucThai Nguyen University of Technology - TNU

Al2O3 composite coatings is a surface advanced technology to enhance the wear resistance of Niplating coatings in the environment of high wear and corrosion. The studying result of the Ni-Al2O3 composite coatings was evident that the density of Al 2O3 particles in Ni matrix dependsconsiderably on the mixing method and the mixing velocity for the electrolyzing solution. Themicro-hardness of the coating layer is approximately 1,8 times higher than that of the Ni normalelectroplating layer. The current density is an important parameter effecting on the quality of thecoating layer.

Keyword: Composite Coating; Ni-Al2O3; Composite Application; Mixing velocity; Micro-

hardness









Bùi Chính Minh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 78(02): 17 - 21

17

MÔ HÌNH TOÁN HỌC PHI TUYẾN HỆ THỐNG CÁN THÉP TẤM

Bùi Chính Minh*

Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐH Thái Nguyên

TÓM TẮT Bài báo này phát triển mô hình toán học của hệ thống cán thép tấm dùng thuỷ lực để sử dụng trongviệc thiết kế các bộ điều khiển phi tuyến nhằm nâng cao chất lƣợng động cho hệ. Mô hình pháttriển này bao gồm cả các phần tử phi tuyến của hệ thống thuỷ lực, hệ thống giá cán, trục cán, vànhiễu. Hệ phƣơng trình vi phân phi tuyến của hệ thống đƣợc phát triển dƣới dạng thích hợp đểthiết kế các bộ điều khiển. Mô hình có đầu vào là cƣờng độ dòng điện đặt vào van thuỷ lực và đầura là chiều dày của thép cán. Kết quả xây dựng mô hình này đƣợc sử dụng làm mô hình toán choviệc thiết kế các bộ điều khiển bền vững, điều khiển thích nghi bền vững và điều khiển thích nghitối ƣu bền vững. Từ khóa: Mô hình toán học, phi tuyến thủy lực

ĐẶT VẤN ĐỀ*

Mô hình toán học của hệ thống cán thép tấmđƣợc nghiên cứu rộng rãi tại các cơ sở nghiêncứu và sản xuất. Các phƣơng pháp mô hìnhhoá hệ thống cán đƣợc xây dựng từ kinhnghiệm, thực nghiệm đến lý thuyết [1], [2],[3]. Các mô hình toán học này dựa vào sựthay đổi của chiều dày phụ thuộc vào lực cán.Các tác giả này không xét đến ảnh hƣởng phituyến của hệ thống thuỷ lực và do vậy các mô

hình này tƣơng đối đơn giản. Các phần tử phituyến đƣợc tuyến tính hoá và hệ là hệ một đầuvào - một đầu ra tuyến tính. Trong các ứngdụng không yêu cầu cao về độ chính xác vàvùng ổn định, các phƣơng pháp trên có thể sửdụng đƣợc. Trong phần tiếp theo, mô hìnhtoán học phát triển của hệ thống cán thép tấmđƣợc trình bày. Mô hình phát triển này baogồm cả các phần tử phi tuyến của hệ thốngthuỷ lực, hệ thống giá cán, trục cán, và nhiễu.Mô hình này có đầu vào là cƣờng độ dòng

điện đặt vào van thuỷ lực và đầu ra là chiềudày của thép cán.

MÔ TẢ HỆ THỐNG

Hệ thống cán có thể mô hình làm hai hệ thốngnhỏ: hệ thuỷ lực và hệ cán. Hệ cán gồmkhung, vít me, trục cán và phôi thép, xemHình 1. Hai hệ thuỷ lực đƣợc bố trí đối xứng.Do sự thay đổi chiều dày của đầu này ảnhhƣởng đến chiều dày của đầu kia, để điềukhiển chiều dày của thép (đầu ra), quá trình

* Tel: 0913.595.581

cán cần đƣợc mô hình là hệ có hai đầu vào vàhai đầu ra.

Hình 1. Sơ đồ hệ thống cán

Sơ đồ khối của hệ thống cán cho trong Hình2. Hệ thống phía bắc có cƣờng độ dòng điệnin (đầu vào) để điều khiển vị trí piston của hệthuỷ lực xn (đầu ra). Hệ thống phía nam cócác đầu vào và đầu ra tƣơng tự. Các chỉ số n và s chỉ các biến thuộc hệ phía nam và hệ phía bắc tƣơng ứng. Các biến hn ,hs là chiều

dày của thép tại đầu phía nam và đầu phía bắctƣơng ứng.

Hình 2. Sơ đồ khối của hệ thống cán

Phôi thép

Hệ phía bắc

Hệ phía nam

Trục cán 1

Trục cán 2

Khung

c1 b1 m1

Các vít me

x2

m2

F

F

b2

x1

c2

Fh

Chiếu đứng Chiếu cạnh

Hệ cán

Hệ phía bắc

Hệ phíanam

is

in

xs

xn

hs

hn






18

Do hệ phía nam và hệ phía bắc có cấu trúcgiống nhau, mô hình toán học của chúnggiống nhau. Trong các phần xây dựng mô

hình toán học sau, ta bỏ các chỉ số n và s đểđơn giản trong quá trình tính toán. Mục đíchcủa phần này là xây dựng các phƣơng trình vi phân mô tả mối quan hệ giữa đầu vào của vanthuỷ lực và vị trí của các trục cán (đầu ra) củahệ thống cán.

Theo Hình 1, các phƣơng trình vi phân sauthoả mãn.

1

.

1111

..

1 xb xcF xm (2.1) 2

.

2222

..

2 2 xb xcF F xm h (2.2)

Trong đó F là lực từ phôi cán lên trục cán, x1,

x2 ; m1 ,m2; b1 ,b2; c1 ,c2 là vị trí, khối lƣợng của phần cán, hệ số nhớt, hệ số đàn hồi của trụccán phía bắc và phía nam của hệ.

Ta giả thiết hệ thống cán là đối xứng, nghĩa là x1 = x2 := x. Sai khác giữa hai phần này sẽđƣợc bù bằng cách thêm vào mô hình toán họclƣợng phi tuyến khi thiết kế các bộ điều khiển.

Định nghĩa các biến sau:

)(

2

1),(

2

1),(

2

1212121 bbbcccmmm

Khi này các phƣơng trình (2.1) và (2.2) đƣợcviết lại dƣới dạng:

...

xbcxF F xm h (2.3)

Hệ tƣơng đƣơng kể cả hệ thuỷ lực nhƣ Hình 3.

Hình 3. Hệ tƣơng đƣơng

Trong hình này A1 ,A2 ,p1 ,p2 ,x ,m ,b và c làdiện tích cắt ngang của piston, cần đẩy, ápsuất trong xi lanh phía piston, phía cần đẩy, vịtrí của piston, khối lƣợng của phần cán dƣới,

hệ số nhớt, hệ số đàn hồi.

Hệ thống thuỷ lực Giả thiết bỏ qua quan hệ động lực học giữacƣòng độ dòng điện vào van thuỷ lực và

chuyển động của trục van, mối quan hệ giữalƣợng dầu ở phía trái và phía phải với cƣờngđộ dòng điện đƣợc cho bởi [4]

1 2 1 1

1 1 1

( ) sgn( )

( ) sgn( )

f u s s

f u e e

Q Z k i i p p p p

Z k i i p p p p

(2.4)

2 2 2 2

1 2 2

( ) sgn( )

( ) sgn( )

f u e e

f u s s

Q Z k i i p p p p

Z k i i p p p p

(2.5)Trong đó Q1 ,Q2 ,k f ,pe ,iu tƣơng ứng là lƣợngdầu chảy ở phía trái và phải của xi lanh, hệ sốquan hệ giữa cƣờng độ dòng điện và dòngchảy, áp suất rò, cƣờng độ dòng điện để giữvan ở vị trí cân bằng khi không có tải, với

2 1

1

0 1 0

1

u

u

i Z Z i i

Z i i

(2.6)

Và

1 2

2

0 1 0

1

u

u

i Z Z i i

Z i i

(2.7)

Các biến chuyển Z1, Z2 cần thiết để mô hìnhhoá trong quá trình piston đảo chiều. Mối quan hệ giữa tính nén của dầu và áp suấtđƣợc cho bởi [4]

.

11

.

11 p x AV

x AQ h

(2.8).

22

.

22

)( p

xl AV x AQ h

(2.9)Trong đó l,V h , β tƣơng ứng là chiều dài hànhtrình làm việc của piston, thể tích dầu giữavan và xi lanh, và modun đàn hồi của dầu. Lực của hệ thống thuỷ lực đƣợc tính nhƣ sau:

2211 A p A pF h (2.10)Lực F Lực này bao gồm lực cán, lực sinh ra do lệchtâm, và các loại lực ma sát. Ta có thể giả thiếtlực này đƣợc tính nhƣ sau:

r

kF F (2.11)

P1 , Q1 , A1 P2 ,

Q2 , A2

i

Ps

b

c

x

m

F Fh






19

Trong đó F r là lực cán, k là hệ số không biếttrƣớc kể tới ảnh hƣởng của lực gây ra bởi độlệch tâm và các lực ma sát khác. Giả thiết hệ

số này là hệ số thay đổi theo thời gian.Để xác định biểu thức dang tƣờng của lựccán, giả thiết rằng áp suất phân bố tuyến tính,xem Hình 4.Với giả thiết này, áp suất phụ thuộc vàokhoảng cách dọc theo tấm thép, y, có thể xácđịnh nhƣ sau:

( ) ( )n d d d d n

n d

p p p y y y p y y y

y y

(2.12)

( ) ( )e nn n n e

e n

p p p y y y p y y y y y

(2.13)

Hình 4. Phân bổ áp suất

Lực cán ở khu vực dƣới các đƣờng này đƣợctính nhƣ sau:

( , , , , , )

1( )( ) ( )( )

2

r d n e d e n

d n n d e n e n

F p p p y y y

p p y y p p y y

(2.14)Để tính toán các biến y,yn ,yd ,ye ta giả thiếtchiều dày của tấm thép phân bố theo hàm bậchai sau:

R

yh yh c

2

)( (2.15)

Trong đó hc ,h tƣơng ứng là chiều dày tại mặttâm của trục cán và tại điểm bất kỳ từ đƣờngtâm của trục cán. Do rung động trong quátrình cán, lƣợng kim loại trong khu vực cánthay đổi. Lƣợng kim loại thay đổi này làm

thay đổi tốc độ tấm thép và chiều dài của

cung tiếp xúc. Lƣợng kim loại này có thể tínhnhƣ sau:

ceee

h y yhvvh.

)( (2.16)

Trong đó v,ve tƣơng ứng là tốc độ thép trongcung tiếp xúc và tại điểm thoát.

Từ phƣơng trình (2.15), ta có:

)( cee hh R y (2.17)

Kết hợp các phƣơng trình (2.15) và (2.16),nhận đƣợc

và R

y

h

h y yhvv

c

ceee

2

.

)(

(2.18)

R

yh

h y yhvvv

n

c

cenee

r n 2

.

)(

(2.19)

Trong đó vn ,vr tƣơng ứng là tốc độ thép tạimặt lý thuyết và tốc độ cán.

Từ phƣơng trình (2.19), có:

r

ec

r cr er ccc

nv

yhvhvvvh Rh Rh R

y2

4.

2

2.2

.

(2.20)

Bằng cách tính toán tƣơng tự, nhận đƣợc

c

cceeceeece

d

h

Rhhhvh yhvh y

y.

2.2

..

2

4422

(2.21)

Do yd << ye , phƣơng trình trên có thể lấy gầnđúng nhƣ sau:

)(2.

.

ceee

cc

d

h yhv

h Rh y

(2.22)

Lực cán có thể tính toán từ các phƣơng trình(2.14), (2.17), (2.20) và (2.22). Do độ phứctạp của biểu thức để tính toán lực cán, ta cóthể dùng xấp xỉ sau:

)(),,,,,( d ened end r hh R y y y p p pQF

(2.23)

p(y) pn

pd

p

(2.12) (2.13)

yd yn ye y






20

Kết hợp với (2.11), nhận đƣợc:

)(:)( d ed e hh RK hh RkQF

(2.24)

Trong đó K là hệ số không biết, có thể thayđổi theo thời gian và, tất nhiên, có giới hạn.

Theo định nghĩa của biến x trong Phần 2.1, tacó mối quan hệ:

s xh (2.25)

Trong đó s là khoảng cách giữa hai trục cánkhi không tải.

Do vậy (2.24) có thể viết nhƣ sau:

)( xsh RK F e (2.26) Kết hợp các phƣơng trình (2.3), (2.4), (2.5),(2.8), (2.9), (2.10) và (2.26), nhận đƣợc môhình toán học sau:

. .

1 22 1 1 2 2 3 3

.

3 4 1 1 2 1 4 2 1 2 1 5 3 1

;

( , , ) ( , , ) ( )

x x x a x a x x a F

x a uF p p x a F p p x a F x

(2.27)

Trong đó: .

1 2 3 1 1 2 2

1 2 3

4 5

1, ; , ; ( ),

, , , ,

1 1, f

x x x x x p A p Am

c b K u i a a a

m m m

a k am m

1 2 1 1 11 11 1 12

1 1

2 2 2 2 1 22

2 1

( sgn( ) sgn( ))

( , , )

( sgn( ) sgn( ))

( )

f f A Z k p p p p Z k p p p p

s s e eF p p x

V A xh

A Z k p p p p Z k p p p p f e e f s s

V A l xh

1 2 1 1 1 11

2 1 121 1

2 2 2 1 22 2

2 1

( sgn( ) sgn( ))

( , , )

( sgn( ) sgn( ))

( )

f f

f f

h

A i Z k p p p p Z k p p p pu s s e e

F p p xV A x

h

A i Z k p p p p Z k p p p pu e e s s

V A l x

)()(

12

2

2

11

2

113

xl AV

A

x AV

A xF

hh

Mô hình toán học trên chỉ có thể sử dụngđƣợc khi tất cả các tham số của mô hình: A1,

A2 ,l ,V h ,k β , β, K,m cần phải biết trƣớc khi thiết

kế các bộ điều khiển. Trong thực tế các thamsố này rất khó đo đƣợc chính xác. Do vậy ta sửdụng giá trị danh nghĩa của chúng và đƣa vào

một số lƣợng nhiễu để bù cho sự sai khác giữagiá trị danh nghĩa và giá trị thực.

. .

1 22 3 2 1 2

.

3 3

; ( , )

( ) ( )

T

T

x x x x x x

x x u x

(2.28)

Trong đó

1435243

1322112

,000

,00)(

F aF aF a

xsh Ra xa xa

T

T

e

(2.29)và là (51) vector của các nhiễu có giới hạnvà không biết trƣớc.

Mô hình toán học (2.28) khá phức tạp và chứacác phần tử phi tuyến cao, nó thuộc lớp hệ phituyến chỉ có trạng thái liên hệ ngƣợc.

KẾT LUẬN

Mục tiêu điều khiển là thiết kế luật điều khiểncho tín hiệu đầu vào u sao cho x1 , với càng nhỏ, càng nhanh càng tốt và giữ các

trạng thái khác của hệ thống cán có giới hạnkhi có mặt của nhiễu .

Để chuẩn bị cho quá trình thiết kế bộ điềukhiển thích nghi bền vững, viết lại mô hìnhtoán học (2.28) nhƣ sau:

)()()()(

),()(),()(

33

.

21221232

.

21

.

xt u x f t x

x xt d x xt x x

x x

T T

T

(2.30)

Trong đó

54421

1

323

1212

)(

,00000

,0000

,000)(

aaaQaat

F f

F F

xsh R x x

T

T

T

e

(2.31)

và d(t) là tham số nhiễu không biết trƣớc, cógiới hạn và thay đổi theo thời gian. Tham sốnày phản ánh ảnh hƣởng của lực lệch tâm và

các loại lực ma sát.






21

Ta chọn

)( 12 xsh R e (2.32)

Chọn này phù hợp cho việc thiết kế các bộđiều khiển phi tuyến. Tác giả xin đƣợc cảm ơn GS.TS. Đỗ KhắcĐức đã đọc và đóng góp ý kiến cho kết quảnghiên cứu này.


[1]. Andreas K., W. haas, and K. Schlacher,“Active Compensation of Roll Eccentricity inRolling Mills”, Proceedings of the 1998 IEEE

International Conference on Control Application,pp. 2199-2206, 1998.

ABSTRACTMATHEMATICAL MODELING OF A METAL SHEET ROLLING SYSTEM

Bui Chinh Minh* Thai Nguyen University of Technology - TNU

This paper develops a mathematical model of a single-stand cold rolling mill to be used indesigning nonlinear control systems to improve performance of the rolling system. Themathematical model describes the relationship between the input to the servovalve of the hydraulicsystem and the strip thickness. Due to various friction forces, system stiffness, force caused byeccentricity and characteristics of the hydraulic system, the model is highly nonlinear and containsuncertainties. The derived mathematical model is a set of differential equations, which can be usedfor developing nonlinear robust controllers and robust adaptive optimal controllers for rollingsystems.Keyword: mathematic model, hydro-nonlinear

* Tel: 0913.595.581






22





Chu Đức Toàn và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 78(02): 23 - 28

23

ĐỒNG TỔNG HỢP KIẾN TRÖC LƢỚI THAO TÁC CHO LÕI CPU RISC

Chu Đức Toàn1*, Đỗ Xuân Tiến2, Hoàng Thị Phƣơng3 1 Đại học Điện lực Hà Nội , 2 Học viện Kỹ thuật Quân sự

3 Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định

TÓM TẮT Bài báo trình bày phƣơng pháp đồng tổng hợp kiến trúc khối tính toán và xử lý trên lƣới thao táccủa lõi CPU RISC cho các hệ xử lý chức năng bằng cách tổ hợp hóa cấu trúc ô lƣới thao tác, sửdụng lƣới phụ và tái cấu hình lƣới bằng phần mềm không những giúp tiết kiệm tài nguyên phầncứng mà vẫn bảo đảm chức năng xử lý cơ sử dữ liệu có kích thƣớc khác nhau.Từ khóa: Đồng tổng hợp, lõi CPU RISC

KIẾN TRÚC LƢỚI THAO TÁC CỦA CPU

RISCTình huống hay gặp trong lõi CPU RISC làkhi phát động hai hoặc ba lệnh song song, khiđó khối thực hiện lệnh EU sẽ kiểm tra dữ liệuxem có thể chia xẻ hay phụ thuộc [3,4]. Khốiđiều khiển sẽ thực hiện phân luồng và khẳngđịnh sau bao nhiêu nhịp clock sẽ thực hiện bao nhiêu tiến trình song song thật sự. Lƣớithao tác lõi CPU RISC có dạng nhƣ hình 1avà 1b. Hình 1a mô tả các thành phần của lõi,

bao gồm khối chứa hệ số H, khối lƣới thao tác

kích thƣớc mn, thanh chứa Acc và 2 luồng dữ

liệu vào X, Y.Các ô lƣới của thao tác chính là các khối tínhtoán logic/số học. Thí dụ cộng 2 số dấu phẩyđộng bằng hệ pipeline tuyến tính [2] với 2 sốdấu phẩy động: A = a x 2p và B = b x 2q ,cầntính C = A+B = c x 2r =d x zs với r =max(p,q); 0,5 d < 1. Thuật toán cơ bản đểthực hiện phép cộng này:

(i) So sánh p, g theo max(p, g) = t =|p g|.

(ii) Dịch phải số có số mũ nhỏ đi t bƣớc.

(iii) Cộng phần định trị của hai số.

*

* Tel: 0982917093; Email: [email protected]

Hmn

* *

Y1 Ym

X1

H11

* *

Xn

H1n

Z1 Zm

Hm1

b)

H

Y

BUS

Acc

XLƣới mn

a)

Hình 1. Cấu trúc khối thao tác lƣới của lõi CPU RISC a, b.









24

Hình 2. Tính cộng 2 số dấu phẩy động trên hệ pipeline tuyến tính Nhận xét: Cấu trúc pipeline hình 2 có 4 tầng(số tầng sẽ khác nhau cho các cấu trúc tínhkhác nhau), tức là sau 4 chu kỳ clock khốinày mới hoạt động thực sự song song. Nếuchỉ một lần tính thì không có vấn đề về điềukhiển, nhƣng nếu phải tính cho một chuỗi dữliệu thì vấn đề điều khiển sẽ phức tạp do phảiđồng bộ các thành phần tham gia vào quátrình xử lý nhƣ bộ điều khiển luồng, bộ đếmđộ giữ chậm của các khâu, bộ điều khiển quayvòng...Nhiều khi độ phức tạp quá mức của cơ cấu điều khiển có thể dẫn tới những nguyhiểm tiềm tàng: mất đồng bộ, trễ do phải chờ tập kết đủ yếu tố.

Trong các hệ xử lý chức năng, khi nhiệm vụlà cụ thể và hạn chế trong một lớp bài toánnào đấy thì việc loại trừ ảnh hƣởng trên cónhiều giải pháp. Một trong những giải phápđó là chúng ta có thể tổ chức phần cứng củalƣới thao tác bằng hệ tổ hợp thuần túy. Căn cứvào [1,5] các cấu trúc các chức năng cơ bảncủa hệ tổ hợp là rõ ràng nhƣ bộ cộng, trừ nhị phân, BCD có dấu. Còn các cơ cấu nhân chiata sẽ sử dụng phép dịch phải (chia 2), dịch trái(nhân 2), phần dƣ và phần carry sẽ sử dụngmột cấu trúc riêng. Một cấu trúc điển hình của phép nhân/chia bằng hệ tổ hợp đƣợc thể hiệntrên hình 3.

Hình 3. Cấu trúc bộ nhân/chia của ô lƣới thao tác bằng cấu trúc NOT, AND, OR và MUX

trõ |p-q|

TG dÞch ph¶i

TG dÞchBé ®Õm

B = b x 2q A = a x 2p

L0

L1

L2

L3

L4

dS C = d . 2s = A+B

chän ®Þnh trÞ

t ®Þnh trÞ

+ sè mò

I1

O1

Số nhân/chia

dn d0

MUX

Im

O2m

BUS

BUS

MUX

Dn I1 Im

O1 O2m

MUX

D1 I1 Im

O1 O2m

MUX

I1 Im

O1 O2m






25

Thừa số thứ nhất Dn-D1 đƣa vào đầu data củaMUX, thừa số thứ hai các bit điều khiển ghépkênh. Khi đó ta có bảng 1.

Với cách dich trên, phép nhân chỉ nhân thừasố thứ hai với các số 2n, với n=1,2,3…Khicần nhân với số bất kỳ, ta chỉ cần kết hợp mộtsố cấu trúc trên để có kết quả đúng.

Thực chất chỉ cần sử dụng 2 tầng hệ tổ hợp làta có kết quả với mọi giá trị thừa số trong phép lấy tích (thƣơng). Nhƣ vậy trên nguyênlý tập đủ [5], kết hợp với các công nghệđƣơng đại nhƣ công nghệ PLA, FPGA có thểtổng hợp đƣợc một lƣới thao tác với các phép

tính cần thiết mà không gặp trở ngại lớn nào.Điều quan trọng là những cấu trúc đó chỉ cầnmột nhịp clock là chúng đã thực hiện xongthao tác của mình (về lý thuyết nhịp clock cóthể có tần số bất kỳ). ĐỒNG TỔNG HỢP LƢỚI THAO TÁC CHOCPU RISC

Bây giờ ta xét sâu vào phân tích hoạt độngcủa lõi CPU RISC cho trƣờng hợp dữ liệuvectơ, khi luồng dữ liệu đi vào lƣới thao tác

với tốc độ lớn do chỉ cẩn quản lý thứ tự phầntử. Khi đó nếu luồng X và luồng Y đủ sốlƣợng n, m phần tử và các hệ số H đã điềnđầy lƣới thì cần 1 nhịp clock sẽ cho kết quả Z.Với Z đƣợc tính bằng:

n

j

Zi1

XiHijYi ; (i= m,1 ; j= n,1 )

Tuy nhiên khi dung lƣợng dữ liệu cần xử lýlớn hơn khả năng xử lý một lần của cấu trúcnày thì cần phải tổ chức lƣới thao tác phứctạp hơn thì mới bảo đảm hiệu năng cao.

Lƣới thao tác đƣợc tổ chức nhƣ hình 4b. Bộđệm lƣới có cấu trúc giống nhau và có đƣờngdẫn pipeline tƣơng ứng cho từng ô lƣới. Chỉcần một nhịp clock (có thể nhịp clock này lớnhơn nhịp clock hệ thống) là copy toàn bộ nộidung bộ đệm lƣới sang lƣới thao tác.

Bảng 1. Phép nhân với các số 2n

Thừa số thứ nhất

1 2 4 8 16

Thừa số thứ hai Im-I1

0..00 0..01 0..10 0..11 0..100

Bƣớc dịch trái 0 1 2 3 4

Tích=thừa số thứ nhất

=2 lần thừa sốthứ nhất

=4 lần thừa số thứ nhất

=8 lần thừa sốthứ nhất

=16 lần thừa số thứ nhất

Bảng 2. Phép nhân với các số bất kỳ

Thừa sốthứ nhất

1 2 3 4 5 6 7 8

TíchCấutrúcnhân1

Cấutrúcnhân2

Cấu trúcnhân2 +Cấu trúcnhân1

Cấutrúcnhân4



Cấu trúc nhân4 +Cấu trúc nhân2 +Cấu trúc nhân1

Cấu trúcnhân8

Hình 4. Cấu trúc khối thao tác lƣới của lõi CPU RISC khi kích thƣớc ô nhớ trong FIFO x (m,n)

hfifo

Accfifo

Lƣới mn

XY

BUSb

Copy trong 1

nhịp clocka

Lƣới

nm

Bộđệm

B ộ đ ệ m






26

Cấu trúc này bảm đảm là hệ số H đƣợc nạpvào ô lƣới trƣớc khi dữ liệu cần xử lý tới ôlƣới. Bộ đệm chứa hệ số H và Acc có cơ cấuFIFO giúp tăng dung lƣợng xử lý. Nếu kíchthƣớc ô nhớ trong FIFO x (m,n) và dunglƣợng dữ liệu cần xử lý bằng x*X thì chỉ cần=x+1 chu kỳ nhịp clock sẽ hoàn tất thao tác.

Trƣờng hợp dữ liệu khác nhau về kích thƣớc(kích thƣớc phần tử có thể là 8 bit, 16 bit, 32 bit...) thì thay vì sử dụng nhiều lƣới thao tác,có thể tổng hợp một cấu trúc kết hợp cả khâutổ chức phần cứng và khâu xây dựng lệnhnhằm tái cấu hình lƣới thao tác theo kích

thƣớc dữ liệu. Làm đƣợc điều này giúp giảmthiểu tài nguyên phần cứng của hệ thống đirất nhiều. Cơ cấu điều khiển chia lƣới theo phƣơng án này bao gồm thanh ghi điều khiểnchia lƣới thành m cột n hàng và đƣợc dùngnhƣ một lệnh mà khối EU của CPU thực hiệnnhƣ những lệnh khác. Điều này giúp mềm hóacấu hình của lƣới thao tác. Số lƣợng cột sẽnằm trong khoảng 1 M m max còn sốlƣợng hàng trong khoảng 1 N n max .

Đây chính là phhƣơng pháp tổng hợp cả phầncứng và cả phần mềm trên cùng trên một bƣớc :

Phần cứng là tổ chức lƣới thao tác trên công

nghệ FPGA, nơi mỗi ô lƣới là một hệ tổ hợp phức tạp gồm các cấu trúc tính toán cùng cácmạch phụ trợ NOT AND OR và MUX saocho đầu vào là tập hợp bit địa chỉ có số lƣợnglà k (2k M max ) cho chia cột và có sốlƣợng q (2q N max )cho chia hàng.

Cú pháp của lệnh chia cột và hàng có thể thiếtkế nhƣ: lệnh MOV Colreg, DivX hoặc MOVRowreg, DivX với X=1 đến maxM (maxN) sẽthực hiện gán số chia lƣới thành các phần.Lập tức các thanh ghi điều khiển sẽ ánh xạ

vào phần cứng của lƣới để tái tổ chức lại cấuhình lƣới thao tác theo yêu cầu. NếumaxM=maxN=64 bit thì lệnh chia cột (hàng)đƣợc thể hiện trên bảng 3. Nếu dung lƣợng dữ liệu cần xử lý vƣợt dunglƣợng các bộ đệm FIFO thì cần cơ cấu lặp đểvẫn sử dụng thuật toán cũ. Khi đó cần cơ cấuđiều khiển vòng lặp. Bằng cách này ta có thuậttoán lặp mà phần thực hiện chính lại bằng phầncứng nên tốc độ sẽ vƣợt trội so với thuật toánlặp thuần túy bằng phần mềm (hình 5).

Bảng 3. Phân chia lƣới thao tác Số chia Div1 Div2 Div3 Div4 Div5 ------- Div64Số lƣợng bit/ô lƣớithao tác (bit/ô) 64 32 21 16 12 ------ 1

Số dƣ (bit) 0 0 1 0 2 ------ 0

Hình 5. Cấu trúc khối thao tác lƣới của lõi CPU RISC khi kích thƣớc ô nhớ trong fifo x (m,n)

B ộ đ ệ m l ƣ

ớ i

Y

BUS

Xhfifo

Accfifo

B ộ đ i ề u k h i ể n d ị c h v ò n g

Lƣới mn






27

Toàn bộ cấu trúc đƣợc tổng hợp nhƣ trên cho phép phát động các tiến trình song song ngaytrong lõi CPU RISC bằng 1 dòng lệnh. Nếu

đƣa dòng lệnh dạng:repeat 16 hfifo = [r0++], fth, hth

vào cấu trúc phần cứng đƣợc tổ chức nhƣ tr ênta có vế trái repeat 16 hfifo = [r0++] là tiếntrình lặp 16 vòng, mỗi vòng là một lần tảidata từ bộ nhớ hệ thống vào bộ đệm hfifo cònvế phải là 2 tiến trình: (i) fth là tiến trình copyhệ số từ hfifo vào ô lƣới thao tác phụ; (ii) hthlà tiến trình copy hệ số từ ô lƣới thao tác phụvào ô lƣới thao tác chính. Phân tích quá trìnhthực hiện lệnh trên bằng đồ thị thời gian dễ

dàng nhận thấy chúng là 3 tiến trình songsong do các bƣớc thực hiện đƣợc xếp chồngvề mặt thời gian (hình 6).

Nhƣ vậy, trừ 2 nhịp clock đầu tiên là t0 và t1thì từ t2 trở đi 3 tiến trình hfifo = [r0++]; fth;hth là thực hiện song song thật sự giúp tăngtốc độ tính toán đáng kể (trƣờng hợp cực đạisẽ là 3 lần).

KẾT LUẬN

Nếu cấu trúc ô lƣới thao tác đƣợc tổ chức

dƣới dạng hệ tổ hợp thì thời gian thực hiện

tính toán toàn bộ n hàng của lƣới chỉ tiêu tốnđúng 1 chu kỳ clock.

Nếu sử dụng công nghệ FPGA thì tính khả thicủa thiết kế ô lƣới thao tác, nhất là đối với hệchức năng, khi mà các phép tính là hạn chếtrong một lớp bài toán cụ thể.

Đồng tổng hợp giúp bổ xung vào tập lệnhnhững lệnh mới nhằm đạt hiệu năng cao nhấtmà không phá vỡ kiến trúc Harvart của CPURISC.


[1]. Lê Xuân Bằng.Kỹ thuật số.Nxb Khoa học kỹthuật, 2009, Tr131-148.[2]. Đỗ Xuân Tiến. Kỹ thuật vi xử lý và lập trình

Assembly cho hệ vi xử lý. Nxb Khoa học kỹ thuật,2009.[3]. Kai Hwang, Faye A.Briggs. Computer

architecture and parallel processing. McGraw-Hill Book Company[4]. Richard Cloutier, Synthesis of Pipelined

Instruction Set Processors, Ph.D. dissertation,Dept. of Electrical and Computer Engineering,Carnegie Mellon University, 1993. Alsoavailableas a Research Report No. CMUCAD-93-03.

[5]. Raymond E.Miller.Swiching theory

. JohnWiley & Sons, Inc.

Hình 6. Hoạt động của lƣới thao tác gồm 3 tiến trình song song (hệ số H có giá trị từ h11 đến hnm)

H1 H2 H3 H4

H1 H2 H3

H1 H2

H5

H4

H3

hfifo

ô lƣới phụ

ô lƣớichính

t0 t1 t2 t3 t4

pipeline pipeline pipeline pipeline

Nhịpclock






28

SUMMARYCO-SYNTHESIZE A ARCHITECTURE OF THE OPRATION GRID FOR CPURISC CORE

Chu Duc Toan1*, Do Xuan Tien2, Hoang Thi Phuong3 1 Electric Power University, 2 Academy of Technology and Military,,

3 Nam Dinh University of Technology Education

This paper presents a co-synthesis method of the architecture of culculating and processing blockon operation grid of CPU RISC core for functional microprocessor systems by combinationalcircuits. Using a slave grid and reconfiguration master grid by software, not only helps toeconomize hardware resources but still guarantees the functional processability for database withdiffrent sizes.Key words: Co-synthesize a architecture, CPU RISC core

*









Đỗ Thị Vân và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 78(02): 29 - 33

29

MÔ PHỎNG VI CẤU TR ÚC VÀ SỰ CHUYỂN PHA CẤU TR ÚCCỦA ÔXIT SIO2 LỎNG

Đỗ Thị Vân*, Đặng Thị Uyên và Phạm Hữu Kiên Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên

TÓM TẮT Mô phỏng động lực học phân tử (ĐLHPT) đã đƣợc sử dụng để nghiên cứu mô hình vật liệu ôxítSiO2 chứa 1998 (666 Si và 1332 O) nguyên tử trong hộp lập phƣơng với điều kiện biên tuần hoàn,ở nhiệt độ 3200 K. Các đặc trƣng cấu trúc của mô hình vật liệu xây dựng, đƣợc phân tích thôngqua hàm phân bố xuyên tâm (HPBXT) thành phần, phân bố số phối trí (SPT), phân bố góc liên kết.Kết quả mô phỏng cho thấy, cấu trúc của SiO 2 đƣợc tạo nên bởi các đơn vị cấu trúc cơ bản SiO4,SiO5 và SiO6, các đơn vị cấu trúc này liên kết với nhau bởi 1, 2 và 3 cầu nối oxy. Khi áp suất môhình tăng, số lƣợng đơn vị SiO4 giảm, SiO6 tăng còn SiO5 đạt cực đại trong khoảng áp suất 12-15

GPa, đây chính là áp suất chuyển pha cấu trúc trong SiO2 lỏng nhƣ đã đƣợc phát hiện trong nghiêncứu thực nghiệm. Từ khoá: Động lực học phân tử; Vi cấu trúc; Chuyển pha cấu trúc; Biên tuần hoàn

GIỚI THIỆU*

Các hệ ôxít hai nguyên nhƣ Al2O3, SiO2 vàGeO2 là những đối tƣợng đƣợc quan tâm và lànhững đề tài mang tính thời sự thu hút sựnghiên cứu của nhiều nhà khoa học trongnhiều thập niên gần đây [1-10]. Trong đó, ôxítsilic (SiO2) là một trong những đối tƣợng

đƣợc nhiều nhà khoa học nghiên cứu vật liệumới quan tâm nhất [8-12]. Bởi vì, SiO2 cóứng dụng rộng rãi trong việc chế tạo nhiềuloại linh kiện và vật liệu. Gần đây đã có nhiềucông trình nghiên cứu vi cấu trúc và tính toáncác tính chất vật lý của hệ SiO2 bằng cách sửdụng các phƣơng pháp khác nhau trong đó có phƣơng pháp mô phỏng ĐLHPT. Chuyển phacấu trúc đƣợc phát hiện trong SiO2 theo sựthay đổi của áp suất và nhiệt độ [1,2]. Ở nhiệt

độ thấp sự chuyển pha cấu trúc trong SiO2 làrất chậm. Kết quả cho thấy tồn tại hai pha(pha có cấu trúc tứ diện và bát diện) ở điềukiện áp suất khác nhau là rất thú vị. Với cùngmột dải nhiệt độ, pha thứ nhất bền vững ở ápsuất thấp, trái lại pha thứ hai bền vững ở ápsuất cao. Vùng áp suất xảy ra chuyển pha đãđƣợc nhiều công trình đề cập đến và giá trịnày nằm trong khoảng 12-15GPa [7-12].

*Tel: 01689931371, Email: [email protected]

Cho tới nay đã có một lƣợng lớn công trìnhnghiên cứu về sự chuyển pha cấu trúc củaSiO2 [1-12]. Tuy nhiên, sự hiểu biết đầy đủ vềhiện tƣợng này vẫn chƣa thoả đáng và cònnhiều vấn đề đang đƣợc thảo luận. Đặc biệt,sự thay đổi cấu trúc ở nhiệt độ 3200 K trongmột dải áp suất vẫn đang là đề tài nóng (vì

đây là nhiệt độ trong lòng Trái đất nơi tồn tạiSiO2). Vì vậy, trong nghiên cứu này chúng tôimuốn cung cấp thêm một vài thông tin về vicấu trúc cũng nhƣ sự chuyển pha cấu trúctrong vật liệu SiO2 lỏng khi nén mô hình.

PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN

Sự chuyển pha cấu trúc trong SiO2 lỏng ở đâyđƣợc nghiên cứu bằng phƣơng pháp ĐLHPT,sử dụng thế tƣơng tác BKS và điều kiện biêntuần hoàn. Thế BKS đƣợc phát triển bởi Van

Beest, Kramer và Van Sansten, bằng phƣơng pháp tính toán ab initio, nó có dạng [1-5,6]:

2

6( ) exp( )i j

ij ij ij ij ij ij

ij

q q eU r A B r C r

r

(1)

trong đó: qi , q j là điện tích của các ion i, j đốivới ion Si, qSi = +2.4e và đối với ion O, qo = -1.2e (e là điện tích nguyên tố); r ij là khoảngcách tƣơng tác giữa một ion loại i và một ionloại j; Aij, Bij, Cij là các hằng số đƣợc tính

bằng phƣơng pháp ab initio. Các số hạng






30

trong biểu thức này tƣơng ứng cho các tƣơngtác Coulomb, tƣơng tác đẩy và tƣơng tácVander Waal. Chúng tôi sử dụng thuật toánVerlet với bƣớc thời gian mô phỏng là 4x10-14s để xác định tích phân phƣơng trình chuyển động. Số phối trí trung bình Z đƣợc xácđịnh bằng biểu thức tích phân đỉnh thứ nhấtHPBXT [1-5]:

2

0

4 ( )

R

j Z g r r dr (2)

R là bán kính ngắt, thƣờng đƣợc chọn là vị trícực tiểu sau đỉnh thứ nhất của HPBXT gαβ (r).HPBXT đƣợc dùng để xác định đặc trƣng trậttự gần. HPBXT có thể xác định bằng phéptích phân Fourier từ thừa số cấu trúc nhậnđƣợc ở đƣờng cong nhiễu xạ tia X và cho phép xác định số lƣợng trung bình các nguyêntử ở khoảng cách bất kì tính từ nguyên tửđang xét. HPBXT thành phần gαβ (r) đƣợc xácđịnh nhƣ sau [1-5]:

βα

NN

, αβ ij

i j

0

αβ

0 α β

( ) N δ(r -r) α, β Si, O

α=β( 1)

NN

α β ρ N N

g r

N N N

ở đây, N là tổng số nguyên tử trong mô hình, N và N lần lƣợt là số nguyên tử loại vàloại ; 0 là mật độ nguyên tử trung bìnhtrong thể tích V.

Trong nghiên cứu này, 6 mẫu vật liệu có ápsuất khác nhau đã đƣợc xây dựng, mỗi vật

liệu là một mô hình chứa 1998 (666 Si và1332 O) nguyên tử đƣợc gieo ngẫu nhiêntrong một khối lập phƣơng kích thƣớc cỡ 23.7×23.7×23.7 Å3

với điều kiện biên tuầnhoàn. Mô hình ban đầu đƣợc làm nóng 5000K và giữ ở nhiệt độ này sau 50 000 bƣớc lặp(để phá vỡ trạng thái nhớ ban đầu). Sau đó,mô hình đƣợc làm lạnh xuống 3200 K và duytrì ở nhiệt độ này với 50 000 bƣớc lặp. Sáumẫu vật liệu có áp suất khác nhau: 0, 5, 10,15, 20 và 25 GPa đƣợc dựng lên tại nhiệt độ

3200 K sau khi mỗi mẫu đƣợc hồi phục sau

50 000 bƣớc lặp. Sáu mẫu vật liệu thu đƣợcdùng để phân tích vi cấu trúc và sự chuyển pha cấu trúc.

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Đặc trƣng cấu trúc của các mô hình SiO2 nhiệt độ 3200 K và các áp suất k hác nhauđƣợc thống kê trong Bảng 1.Nhƣ có thể thấy,ở nhiệt độ 3200 K, áp suất -0.01GPa vị tríđỉnh cực đại thứ nhất trong các HPBXT thành phần Si-Si, Si-O và O-O lần lƣợt là 3.08, 1.6,2.6 Å. Hình 1 cho thấy HPBXT thành phầncủa SiO2 lỏng ở các áp suất khác nhau và T =3200 K. Nhƣ có thể thấy, các HPBXT thành phần giống nhau về cả hình dạng và vị trí cácđỉnh. Vị trí cực đại thứ nhất dịch sang trái vàđộ cao các đỉnh giảm theo sự tăng áp suất . Ngoài ra, SPT trung bình thay đổi rất mạnhtheo áp suất, cụ thể, các cặp Si-Si, Si-O, O-Sivà O-O lần lƣợt tăng từ 4.49-8.98, 4.07-5.50,2.03-2.75 và 8.17-15.20 khi áp suất tăng từ -0.01 đến 25.20 GPa.

Hình 1. Hàm phân bố xuyên tâm thành phần củaSiO2 lỏng ở các áp suất khác nhau và T=3200K

Hình 2 cho thấy sự phụ thuộc của mật độvào áp suất của hệ SiO2 lỏng ở nhiệt độ3200K. Nhƣ có thể thấy, khi tăng áp suất đểnén mẫu thì mật độ nguyên tử tăng lên.Trên đƣờng cong, ở áp suất trong khoảng11-14 GPa độ dốc giảm mạnh. Đây là mộtthông tin quan trọng về sự chuyển pha cấu

trúc khi thay đổi áp suất.

0 2 4 6 8 10 12

0 3 6 9 2 4 6 8 10 0 3 6 9

O-O

r( )

Si-O g ij (r)

2 4 6 8 10 0

3 6 9

Si-Si

P=-0,10 GPa P= 4,87 GPa P=25,20 GPa

r






31

Bảng 1. Các đặc tính cấu trúc của SiO2 lỏng ở 3200 K; r ij , gij là vị trí và độ cao đỉnh thứ nhất củaHPBXT thành phần; Z ij là số phối trí trung bình. Ở đây, 1-1 cho cặp Si-Si, 1-2 cho cặp Si-O, 2-1 cho cặp

O-Si và 2-2 cho cặp O-O

Áp suất,GPa rij( ) gij Zij

1-1 1-2 2-2 1-1 1-2 2-2 1-1 1-2 2-1 2-2-0.10 3.10 1.60 2.60 2.89 9.1 2.75 4.49 4.07 2.03 8.174.87 3.08 1.60 2.56 2.57 7.22 2.48 5.71 4.40 2.2 11.139.83 3.08 1.60 2.50 2.42 6.14 2.40 6.90 4.78 2.39 12.95

15.73 3.08 1.62 2.50 2.38 5.67 2.41 7.96 5.08 2.54 13.9120.15 3.08 1.62 2.46 2.36 5.42 2.43 8.42 5.31 2.65 14.6125.20 3.08 1.64 2.44 2.35 5.29 2.46 8.98 5.50 2.75 15.20

Hình 2. Sự phụ thuộc của mật độ vào áp suấtcủa hệ SiO2 lỏng ở nhiệt độ 3200K Hình 3. Sự phụ thuộc của tỷ lệ các đơn vị cấu trúc SiO4,SiO5 và SiO6 vào áp suất của hệ SiO2 ở nhiệt độ 3200K Hơn nữa, nhƣ thấy trên Hình 3 về sự phụthuộc số lƣợng đa diện SiOx ( x = 4, 5, 6) vàoáp suất. Khi áp suất mô hình tăng, chúng tôithấy xuất hiện sự thay đổi đột ngột tỷ lệ sốlƣợng các đa diện SiOx trong mẫu vật liệu.Cụ thể, tỷ lệ số đa diện SiO4 giảm nhanh, tỉlệ số đa diện SiO6 tăng nhanh và tỉ lệ số đadiện SiO5 đạt giá trị cực đại trong vùng 11 -16 GPa. Trong khi, tâm điểm xảy ra chuyển

pha vào khoảng 12-13 GPa đã đƣợc quan sáttrong thực nghiệm. Ở vùng áp suất cao hơn12-13 GPa, số đa diện SiO4 và SiO5 tiếp tụcgiảm và số đa diện SiO6 tăng. Có nghĩa,trong SiO2 lỏng ở 3200 K và áp suất khácnhau tồn tại tính đa cấu trúc.

Một thông tin cũng khá quan trọng là phân bố góc liên kết O-Si-O trong các đơn vị cấu trúc SiO4, SiO5 và SiO6; góc liên kết Si-O-Sigiữa các đơn vị cấu trúc. Trên Hình 4(a) góc

liên kết O-Si-O có giá trị khoảng 1020

và

hầu nhƣ không thay đổi theo áp suất. Do đó,cấu trúc của ôxít SiO2 là các tứ diện SiO4 (ở đó, một nguyên tử Si ở giữa và bốn nguyêntử O bao xung quanh).

Hình 4. Phân bố góc liên kết O-Si-O trong cácđơn vị cấu trúc SiO4 (a), SiO5 (b), SiO6 (c) và

góc Si-O-Si giữa các đơn vị cấu trúc (d)






32

Bảng 2. Phân bố liên kết cầu O giữa hai đơn vị cấu trúc SiOx với m là số nguyên tử O tham gia liên kếtcầu giữa hai đơn vị cấu trúc SiOx lân cận. Các cột tiếp theo chỉ ra tỷ lệ phần trăm liên kết cầu tƣơng ứng

với m. Ví dụ, 8,430% số liên kết giữa hai đơn vị cấu trúc lân cận có hai nguyên tử O tham gia cầu liên kết

ở áp suất nén 4,87 GPa m

Áp suất (GPa) -0.10 4.87 9.83 15.73 20.15 25.20

1 97.88 91.17 82.52 80.04 77.46 76.782 2.05 8.43 16.20 18.01 20.57 21.513 0.07 0.40 1.27 1.95 1.96 1.71

Các góc liên kết O-Si-O trong các đa diệnSiOx ( x = 5, 6) thay đổi rất nhỏ theo áp suất(xem trên Hình 4(b), (c)). Tuy nhiên, góc liênkết Si-O-Si giữa các đa diện SiOx ( x = 4, 5, 6)thay đổi rất mạnh theo áp suất. Nhƣ thấy trênHình 4(d), ở áp suất cao (>9 GPa) trong phân

bố góc Si-O-Si xuất hiện hai cực đại: cực đạithứ nhất nằm ở vị trí khoảng 910, và 1410 chocực đại thứ hai, đây chính là hai góc gần vớihai góc trong cấu trúc bát diện hoàn hảo.

Trong vật liệu ôxit silic tồn tại các đơn vị cấutrúc SiOx ( x = 4, 5 và 6), chúng liên kết vớinhau bằng các nguyên tử ôxi và đƣợc gọi làliên kết cầu ôxi. Nhƣ thấy trong Bảng 2, tỷ lệcác liên kết giữa các đa diện bằng cầu 1, 2 và3 nguyên tử O có sự thay đổi mạnh theo ápsuất. Cụ thể, khi áp suất tăng từ -0.10 GPađến 9.83 GPa thì tỷ lệ số liên kết giữa các đadiện với nhau bằng 1 nguyên tử ôxi chiếm đasố và liên kết bằng 2, 3 nguyên tử O chỉchiếm vài %. Tuy nhiên, từ áp suất 9.83 GPatrở lên, số liên kết bằng 2, 3 nguyên tử O tănglên rõ rệt, cụ thể, lần lƣợt tăng từ 16.2 -21.51% và từ 1.27 - 1.96%.

Qua phân tích các số liệu thu đƣợc trên đây,chúng tôi có những thảo luận sau: Đối vớiSiO2 lỏng ở nhiệt độ 3200 K, khi thay đổi ápsuất từ -0.01 đến 25.20 GPa thì có sự chuyển pha cấu trúc từ cấu trúc tứ diện (đơn vị cấu

trúc SiO4 chiếm ƣu thế) sang cấu trúc bát diện(đơn vị cấu trúc SiO6 chiếm một lƣợng đángkể). Áp suất ở đó xảy ra sự chuyển pha cấutrúc đƣợc tìm thấy nằm trong khảng 12-15GPa, giá trị này phù hợp tốt với quan sát thựcnghiệm (12-13 GPa) [2,12-16]. Điều thú vị ở đây là có sự tƣơng ứng giữa sự biến đổi củacác đa diện SiOx và các liên kết cầu ôxi. SiO4 có cấu trúc tứ diện nhƣng khi chuyển sangSiO6 chúng có cấu trúc bát diện, đây là sự

biến đổi quan trọng cần xét đến khi nghiêncứu về chuyển pha của chất lỏng SiO2.

KẾT LUẬN

Cấu trúc của SiO2 lỏng đƣợc nghiên cứu bằng phƣơng pháp mô phỏng ĐLHPT, dùng thếtƣơng tác cặp BKS và điều kiện biên tuầnhoàn. Đặc trƣng cấu trúc của mô hình xâydựng đƣợc phân tích thông qua HPBXT, phân bố SPT, phân bố góc liên kết. Kết quả chỉ rarằng, cấu trúc SiO2 lỏng đƣợc tạo bởi các đơnvị SiO4, SiO5 và SiO6 thông qua các cầu oxy1, 2 và 3. Khi tăng áp suất từ 0-25GPa thì cósự chuyển pha cấu trúc tứ diện sang cấu trúc bát diện trong khoảng áp suất 12-15GPa. Cácđặc trƣng cấu trúc nhƣ phân bố tỷ lệ số đadiện SiOx, phân bố tỷ lệ liên kết cầu oxy và sự phụ thuộc của mật độ vào áp suất thể hiện rõ

quá trình chuyển pha cấu trúc. TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. N.T. Nhan, V.V. Hung, P.H. Kien, T.V. Mung andP.K. Hung., Journal of Science of HNUE. Natural Sci.,2008, V.53, No 1, pp.74-79.[2]. P.H. Kien, P.K. Hung and V.V. Hung, Tạp chíKhoa học và Công nghệ, Đại học Thái Nguyên Tập 68,Số 06, 2010, tr. 50-55.[3]. Mai Thị Lan, Phạm Hữu Kiên và Phạm Khắc Hùng,Hội nghị Vật lý chất rắn và Khoa học vật liệu toàn quốclần thứ 6 (SPMS-2009) - Đà Nẵng 2009, tr. 841-845.[4]. A.Takada, P.Richet, C.R.A Catlow and G.D.Price.J.Non-Cryst.Solids, 2004. 345 và 346, 224.[5]. Liping Huang, L.Duffrene and J.Kieffer. J.Non-Cryst.Solids, 2004. Phys. Rev. B 69, 224203.[6]. J. Daniel, Lacks, Phys. Rev. Lett. 84 (2000) 4629.[7]. James Badro et al., Phys. Rev. B, 56 (1997) 5797.[8]. N. Kuzuu, H. yoshi, Y. Tamai and C. Wang, J. Non-Cryst. Solids 349 (2004) 319.[9]. M. Scott Shell et al, Phys. Rev. E, 66 (2002)011202.[10]. R. James. Rustad and A. David. Yuen, Phys. Rev.Lett. 54 (1990) 1995.[11]. A. Polian and M. Grimsditch, Phys. Rev. B,41(1990) 6086.[12]. B.W.H. van Beest, G.L. Kramer, R.A. Van Santen,Phys. Rev. Lett. 54 (1990) 1995.






33

SUMMARYSIMULATION OF THE MICROSTRUCTURAL AND PHASE TRANSITION

IN SIO2 LIQUID

Do Thi Van*, Dang Thi Uyen and Pham Huu KienCollege of Education - TNU

The molecular dynamic simulation has been used to study of microstructural and phase transitionin SiO2 liquid containing 1998 (666 Si and 1332 O) atoms in cubic box with periodic boundaryconditions, at 3200 K. Structure characteristics of considred model is analysised through the partialradial distribution function, coordination number and bond-angle distribution. The simulationresult reveals that SiO2 liquid is composed of the species SiO4, SiO5 and SiO6 units, they are linkedby 1, 2 and 3 O bridge. As pressure increases, the fraction of SiO4 decreases, SiO6 increases andSiO5 appears a maximum lied in range 12-15GPa and this is pressure range to occurs phasetransition in SiO2 liquid, it likes observed experimental.Keywords: Molecular dynamic simulation; Microstructural; Phase transition; Periodic boundary

* Tel: 01689931371, Email: [email protected]






34





Nguyễn Văn Hảo và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 78(02): 35 - 38

35

THE PULSED-DIODE END-PUMPED PASSIVELY Q-SWITCHEDSOLID-STATE Nd3+: YAG LASER

Nguyen Van Hao1*, Nguyen Thi Xiem1,Nguyen Thi Nhu Hai1, Nguyen Trong Nghia2

1 College of Science, Thai Nguyen University, Vietnam2 Center for Quantum Electronics, Institute of Physics, VAST, Vietnam

ABSTRACTThe pulsed diode end-pumped passively Q-switched solid-state Nd:YAG lasers are investigatedexperimentally. A high power laser diode (pulse repetition rate adjustable from 1 Hz to 10 kHz,pulse duration of 600 s) is used as a pumping laser. The obtained results show that the pulseddiode end-pumped passively Q-switched solid state Nd- doped lasers have the advantages incontrolling pulse repetition rate, improving nanosecond solid-state laser pulse power and stability(low jitter) in comparison with the use of CW diode end-pumping.

Keywords: Nd: YAG crystal, diode-pumped laser, passive Q-switching, controlled repetition rate

INTRODUCTION*

High energy laser pulses of short durationsmay be obtained by Q-switching techniquesof laser cavity. Compared with active Q-switching, passive Q-switching is moreeconomical and practical because of themodest requirement of optical elements insidethe laser cavity. Therefore, these techniqueshave attracted much research anddevelopment both in experiment and theory[1-17]. In the passively Q-switched Nd3+ doped solid-state lasers, Cr4+: YAG crystal iswidely used. It has been allowed to create all-solid-state compact, simple, and pulsed lasers,providing laser pulses ranging from several totens of nanoseconds. Pulse repetition rate of solid-state laser can reach a few hundred kHz[5-7], however, a fix characteristic of CWpumped passively Q-switched solid-state laseris low time stability (high jitter). Thus, it hasprevented many applications of these lasers.

In this paper, we report the experimentalresults in research and development of pulsed-diode end-pumped Nd3+: YAG laser at1064 nm in passive Q-switching laseroperations using two-mirror folded resonatorconfigurations of different output couplers.The obtained results show that the pulseddiode end-pumped passively Q-switched solid

* E-mail: [email protected]

state Nd3+-doped lasers have the advantage incontrolling pulse repetition rate, improvingnanosecond solid-state laser pulse power andtime stability (low jitter) in comparison withthe use of CW diode end-pumping.

EXPERIMENTAL

We consider a stable two-mirror cavityconfiguration (Fig. 1) consisting of a flat

mirror M2 (output coupler) and a concavemirror M1. As previously discussed [5, 6], itis a semi-concentric laser resonator; its intra-cavity beam waist is nearly located on theoutput mirror plane (M2) and its beamdiameter is smallest and approximately sometens micrometer.

Fig. 1. Experimental setup for the two-mirrorcavity passively Q-switched Nd3+: YAG laser

Laser diode (ATC-Semiconductor Devices)emitted at the wavelength of around 808 nmwith a maximal CW laser power of 2 W. Itsactive cooling and temperature stabilization ata suitable temperature were provided by abuilt-in Peltier cooling device (LDD-10,

ATC-Semiconductor Devices) maintaining its

Laser1064

Nd3+: YAGLaserdiode Lens

M1

M2

Cr4+:YAG









36

output laser diode wavelength matched to theabsorption peak of the Nd3+:YAG lasercrystal. The polarization of the laser diode

emission is horizontal. The diode has a built-in cylindrical micro-lens for its fast axiscollimation. This allows us to use simplepump optics as a single lens of 25 mm focuslength to couple and focus the laser diodelight into the laser crystal. The two-mirrorlaser folded resonator consisted of theconcave mirror M1 with high reflectioncoating at 1064 nm and anti-reflection coatingat 808 nm at both sides, its focal length is 20mm and the output flat mirror M2 of 6 %

transmission. The laser crystal were used tobe a 1% doped Nd3+:YAG crystal (3 mm -diameter, 3 mm - long) that were AR coatedon both sides at 1064 nm and mounted onsuitable passive copper heat sinks. The Nd3+:YAG laser crystal was oriented for themaximum absorption at 808 nm. All opticalcomponent and crystal were provided fromCasix [19].

A longitudinal and end-pumpingconfiguration was used, as shown in Fig. 1.The pump source is a diode laser (ATC-Semiconductor Devices) emitted at thewavelength of around 808 nm with amaximum CW power of 2 W. The diode laseris supplied by the LDD-10 driver (ATC-SD)designed for the diode laser operation incontinuous wave and pulse modes withstabilized and controlled current. In the modepulse, the adjustable range of diode laserduration is from 0.1 ms to 0.998 s, theadjustable range of diode laser pulse

repetition rate is from 1 Hz to 10 kHz. Thisdriver stabilizes and controls the laser diodetemperature [18]. Nd:YAG laser crystalcooling and temperature stabilization at 25 oCis provided by a built-in Peltier coolingdevice (LDD-10) in order to maintain itsoutput laser wavelength exactly matched theabsorption peak of Nd: YAG crystal.

Laser wavelength and spectra were measuredwith a grating spectrometer (DFS-8, 3 Å/mm,Russia) equipped with a linear diode array

(BP-2048, USA). A fast photodiode (rise time

< 0.3 ns) connected with a digitaloscilloscope (TD 7154B; 1.5 GHz, Tektronix,USA) was used to record the duration of laser

pulses. The laser energy was measured by theJoule meter (13 PME 001, Melles Griot,USA).

The Cr4+: YAG crystal (Casix) having theinitial small-signal transmissions of 80 % at1064 nm was used as an intra-cavity saturableabsorber. We used the stable two-mirrorresonator configuration (Fig. 1), as previouslydiscussed, it is a semi concentric laserresonator. Its beam waist is nearly located onthe output mirror plane (M2) and therefore,

the Cr4+

: YAG crystal used as an intra-cavitysaturable absorber is put as adjacent aspossible to the output mirror plane M2.

RESULTS AND DISCUSSION

Figures 2 and 3 shows the pulse peak powerof passively Q-switched Nd3+: YAG laseroperations (with the Cr4+: YAG of T0 = 80%)versus pump power where Fig. 2 correspondsto the laser pulse pump (600 s, 20 Hz) andFig. 3 corresponds to the continuously wave(CW) pump by diode laser. The results

showed that the pumping by the stabilitydiode laser pulse has the capacity to achievehigher pulse peak power (nearly 2 times)compared with CW pump method using laserdiode (Fig. 3). This is achieved due to tworeasons: reduced the thermal effects of solid-state gain medium due to pump by diodepulses with low pulse repetitive rate andpulse-width of Q-switched solid-state laser isshorter.

Fig. 2. Pulse peak power versus pump power of

pulsed diode pumped Nd: YAG laser.

144 146 148 150 152 154 156 158 160 162 4.60 4.65 4.70 4.75 4.80 4.85 4.90 4.95 5.00

5.05

Pulse peak power (kW)

Pump pulse peak power (W)

Pulse peak power versus pump power (*) Linear Fit of Data *






37

Figure 4 shows the pulse width of diode end-pumped passively Q-switched solid stateNd3+:YAG laser. The result also showed that,pulse width of pulsed-diode end-pumpedpassively Q-switched solid state Nd3+: YAGlaser achieve shorter when it is pumped by thediode laser pulse (~ 7.5 ns) compared to whenit is CW pumped by diode laser (~ 11 ns) asshown in figure 5.

Figure 6 shows the time stability of diode

pumped Nd: YAG laser passively Q-switched

with a Cr4+: YAG crystal. The results alsoshowed that, for time stability (jitter) of pulsed-diode pumped Nd: YAG laser is 4

times better than when it was pumped by CWdiode laser (Fig. 7 - at the same scale). This isachieved also by two reasons: greatly reducedthe thermal effects of solid-state gain mediumdue to pumped by diode pulses with low pulserepetition rate and very high stability of theintensity and duration of the pump pulse of laser diode.

CONCLUSION

We have investigated the output lasercharacteristics at 1064 nm of pulsed diode -

pumped Nd3+

: YAG laser in passively Q-switched operations with the Cr4+: YAGcrystal as a saturable absorber intra cavity.This study is based on the comparison of operational characteristics in two pulse andCW pumping regimes. Thank to avoidthermal effects for solid-state laser medium,pulsed diode - pumped passively Q-switchedsolid-state Nd3+: YAG laser not only hasadvantages in controlling the pulse repetitionrate, but also to improve its capacity pulse

peak power (pulse peak power can be

1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000

3.008

3.010

3.012

3.014

3.016

3.018

3.020

3.022

3.024

3.026

P u l s e p e a k p o w e r ( k W )

Pump power (mW)

Pulse peak power versus pump power (**)

Linear Fit of Data **

Fig. 3. Pulse peak power versus pump powerof CW diode pumped Nd: YAG laser

Fig. 5. Pulse width of 11 ns and pulse repetitionrate of 4.83 kHz of CW diode pumped passively

Q-switched Nd: YAG laser with output

coupling of 6 %

Fig. 4. Pulse width of 7.5 ns passively Q-switched Nd: YAG laser pumped by pulses of 600 s and pulse repetition rate of 20 Hz with

output coupling of 6 %

Fig. 6. Jitter on time of pulsed diode pumpedNd: YAG laser passively Q-switched by a Cr4+:

YAG crystal with output coupling of 6 %

Fig. 7. Jitter on time of CW diode end-pumpedNd: YAG laser passively Q-switched by a

Cr4+:YAG crystal with output coupling of 6 %






38

achieved 5 kW - higher than 1.7 timescompare to CW pumping method), shorterpulse-width (~ 7.5 ns - 1.4 times shortercompared to CW pumping method),concurrently having a better time stability(jitter less than 4 times). Therefore, pulsed-diode end-pumped passively Q-switchedsolid-state Nd3+: YAG crystal laser may be acoherent light source capable of using widelyavailable.

Acknowledgments. The authors would liketo thank for the financial supports fromVietnam NAFOSTED (Physics, Project N0.103.06.89.09) and the Laser Program of Vietnam Academy of Science andTechnology.

REFERENCES

[1].J. Miller, A. J. Alcock, J. E. Bernard,Advanced Solid State Lasers, OSA Proc, Wash

DC 13, (1992), p. 322[2].K. Spariosu, W. Chen, R. Stultz, M. Birnbaum,A.Shestakov, Dual Q switching and laser action at1.06 and 1.44 µm in a Nd3+:YAG-Cr4+:YAGoscillator at 300 K , Opt. Lett . 18, (1993), p. 814[3].H. Eilers, W. Dennis, W. Yen, S. Kuck, K.

Peterman, G. Huber, IEEE J. Q-E 29, (1993), p.2508.[4].S. H. Yim, D.R. Lee, B.K. Rhee, D. Kim,

Appl. Phys. Lett. 30, (1998), p. 3193

[5].N. T. Nghia, L. T. Nga et al. Advances in

Natural Sciences (VAST) 7, No. 3-4 (2006), p.181.

[6].N. T. Nghia, Do Q. Khanh, T. D. Huy et al., ASEAN Journal of Science and Technology for

Development , 24, 1-2 (2007), p.139.[7].N. T. Nghia, Do Q. Khanh et al. Comm. in

Phys. (VAST), 19, SI (2009), p.145.[8].Zagumennyi, V. G. Ostroumov, I. A.Shcherbakov, T. Jensen, J. P. Meyen, G. Huber,Sov. J. Q- E 22 (1992), p. 1071[9].Wyss, W. Luthy, H. Weber, V. Vlasov, et al.,

Appl. Phys. B 68, (1999), p. 659[10]. J. Liu, Z. Shao, X. Meng, H. Zhang, L. Zhu,M. Jiang, Opt. Commun. 164, (1999), p. 199

[11]. J. Liu, C. Wang, C. Du, L. Zhu, H. Zhang etal., Opt. Commun. 188, (2001), 155.[12]. H. Zhang, J. Liu, J. Wang, C. Wang, L. Zhuet al., J. Opt. Soc. Am. B 19, (2002), 18.[13]. Li, J. Song, D. Shen, N. Kim, J. Lu, K. Ueda, Appl. Phys. B 70, (2000), p. 471[14]. J. Liu, B. Ozygus, S.Yang, J. Erhard, U.Seelig et al., J. Opt. Soc. Am. B 20, (2003), p. 652.[15]. S. P. Ng, D. Y. Tang, L. J. Qin, X. L. Meng,Opt. Commun. 229 (2004), p. 331.[16]. G. D. Boldwin, IEEE J. Q-E 7, (1971), p.220.

[17]. H. T. Powell, G. J. Wolga , IEEE. J. Q-E 7,(1971), p.213.[18]. http://www.atcsd.ru/faq.php[19]. http://www.CASIX.com

TÓM TẮT LASER RĂN Nd3+: YAG BIÊN ĐIÊU THU ĐÔNG ĐƢƠC BƠM DOCBĂNG CAC XUNG LASER DIODE

Nguyễn Văn Hảo1*, Nguyễn Thị Xiêm1, Nguyễn Thị Nhƣ Hải1, Nguyễn Trọng Ngh ĩ a2

1 Trương Đai hoc Khoa hoc - Đ H Thái Nguyên 2 Trung tâm Điên tư hoc Lương tư , Viên Vât ly , Viên KH và CN Viêt Nam

Các laser rắn Nd: YAG đƣơc bơm dọc băng cac xung laser diode và đƣợc biên điêu thu đông độ phẩm chất buồng cộng hƣởng đa đƣơc nghiên cƣu thƣc nghiêm . Môt laser diode công suât cao (tânsô xung co thê điêu khiên tƣ 1 Hz đên 10 kHz, đô rông xung 600 s ở bƣớc sóng 808 nm) đã đƣơcsƣ dung nhƣ môt nguôn bơm quang hoc cho laser rắn . Các kết quả thu đƣợc đã chứng tỏ các laser răn này co nhƣng ƣu điểm trong viêc điêu khiên tân sô xung , cải thiện công suất đỉnh xung và ổnđinh thời gian ( jitter thâp hơn) so vơi khi đƣợc bơm liên tục bằng laser diode.Tƣ khoa : Tinh thê Nd :YAG, laser bơm băng laser diode , biên điêu đô phâm chât thu đông , điêukhiên tân sô lăp lai .

* E-mail: [email protected]



http://www.atcsd.ru/faq.php


http://www.casix.com/









Nguyễn Văn Đăng và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 78(02): 39 - 44

39

ẢNH HƢỞNG CỦA SỰ THAY THẾ Fe CHO Ti LÊN CẤU TRÖC VÀ TÍNH CHẤT ĐIỆN TỪ CỦA BaTiO3

Nguyễn Văn Đăng1*, Nguyễn Khắc Hùng1,Ngô Thị Lan1, Vũ Đình Lãm2 và Lê Văn Hồng2

1Trường Đại học Khoa học, ĐH Thái Nguyên 2Viện Khoa học vật liệu, Viện KH&CN Việt Nam

TÓM TẮT Hệ vật liệu BaTi1-xFexO3 (x = 0,0 ÷ 0,03) đã đƣợc tổng hợp bằng phƣơng pháp phản ứng pha rắn.Mặc dù Fe đƣợc thay thế một phần rất nhỏ cho Ti trong cấu trúc BaTiO3 nhƣng đã ảnh hƣởngmạnh lên cấu trúc tinh thể, phổ tán xạ Raman và các tính chất điện, từ của hợp chất này. Kết quảcho thấy cấu trúc tinh thể của hệ chuyển từ tứ giác sang lục giác ngay ở nhiệt độ phòng. Phổ tán xạRaman của hệ thay đổi và xuất hiện một đỉnh mới gần 640 cm-1 khi hàm lƣợng Fe thay thế khoảng

2% cho Ti. Hàm lƣợng Fe3+ tăng làm cho bề rộng dải cấm giảm còn độ dẫn và từ tính của hệ tăng.Mối liên hệ giữa cấu trúc, tính chất quang, điện và từ cũng đƣợc thảo luận trong báo cáo này.Từ khoá: BaTi1-xFe xO3 , sắt điện, sắt từ, nhiễu xạ tia X, phổ Raman, phổ hấp thụ, multiferroic

MỞ ĐẦU

Với cấu trúc perovskite đặc trƣng (ABO3), vậtliệu BaTiO3 chứa đựng nhiều tính chất lý thúvề tính sắt điện (điện môi, áp điện...) và đãđƣợc đƣa vào ứng dụng trong một số thiết bịcủa nhiều ngành kỹ thuật [1-3,10]. Gần đây,có nhiều công trình nghiên cứu xét tới việc

pha tạp các nguyên tố vào vị trí của Ba hoặcTi, làm cho tính chất của vật liệu đa dạng vàthú vị hơn rất nhiều. Khi pha tạp các nguyêntố có từ tính nhƣ Fe, Mn, Ni…vào vị trí củaTi khi đó trong vật liệu đồng tồn tại hai phâncực điện và phân cực từ, nghĩa là vật liệuđồng biểu hiện cả tính chất sắt từ và sắt điện[3,11,12]. Đây là một hƣớng nghiên cứu hiệnthu hút sự chú ý của các nhà khoa học cảtrong nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng trongcác thiết bị hiện đại nhƣ: khả năng thu nhỏ

linh kiện, tăng mật độ linh kiện, tăng tốc độhoạt động và mở ra khả năng chế tạo các linhkiện tổ hợp nhiều chức năng trên cùng mộtchip. Trong báo cáo này, chúng tôi trình bàyảnh hƣởng của sự pha tạp Fe lên sự chuyển pha cấu trúc tinh thể và tính chất điện từ củavật liệu BaTiO3.

THỰC NGHIỆM*

Các mẫu gốm Ba(Ti1-xFex)O3 (0 ≤ x ≤ 0.03)đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp phản ứng pha

* Email: [email protected]

rắn với nhiệt độ nung thiêu kết là 1300oCtrong 5 giờ. Độ sạch pha và cấu trúc tinh thểcủa mẫu đƣợc kiểm tra bằng phƣơng phápnhiễu xạ tia X trên nhiễu xạ kế SIEMENSD5000. Các phép đo tán xạ Raman đƣợc thựchiện trên hệ Micro Raman LABRAM 1B vớiđầu thu CCD trong vùng 100 ÷ 1000 cm-1 ở

nhiệt độ phòng. Tính chất quang đƣợc khảosát thông qua phép đo phổ hấp thụ trong vùng bƣớc sóng từ 200 đến 1200 nm trên hệ Jasco670 UV. Phần thực của hằng số điện môiđƣợc đo ở nhiệt độ phòng trong khoảng tần sốtừ 10 Hz đến 1.3 MHz trên hệ HP4192A.Đƣờng từ trễ đƣợc đo theo nguyên lý từ kếmẫu rung (VSM) trong từ trƣờng 1 Tesla trênhệ PPMS-6000 của hãng Quantum Design.

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu đƣợc

trình bày trên hình 1. Kết quả cho thấy cácmẫu hoàn toàn sạch pha và có cấu trúc đa tinhthể. Với hàm lƣợng Fe thay thế x = 0.00 ÷0.01 vật liệu có cấu trúc tứ giác (tetragonal),còn các mẫu với x = 0.02 và 0.03 biểu hiện sựđồng tồn tại cả hai loại cấu trúc tứ giác và lụcgiác (hexagonal). Mẫu có x = 0.02 cấu trúclục giác đã bắt đầu hình thành nhƣng chiếm tỷlệ nhỏ, cấu trúc tứ giác vẫn chiếm tỷ lệ rấtlớn. Sự chuyển cấu trúc của hệ đƣợc thể hiệnrất rõ trên phổ nhiễu xạ tia X, các vạch nhiễu

xạ chính của các mẫu với x = 0.00 ÷ 0.01 tại






40

các vị trí góc 2 bằng 31.50; 38.80…là cácvạch đơn trong khi các vạch ở vị trí tƣơngứng đối với các mẫu có x = 0.02 ÷ 0.03 lại là

các vạch kép. Đồng thời tại x = 0.02 bắt đầuxuất hiện các vạch đặc trƣng của cấu trúc lụcgiác tại các vị trí góc 2 bằng 26.20; 41.20;49.10 …

Hình 1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫuBa(Ti1-xFex)O3 (0 ≤ x ≤ 0.03)

Quan sát trên giản đồ nhiễu xạ tia X còn chothấy khi nồng độ Fe tăng các đỉnh phổ có xuhƣớng dịch chuyển về phía góc 2 nhỏ, nghĩalà có sự tăng kích thƣớc ô cơ sở. Điều đóchứng tỏ việc pha tạp Fe đã vào trong mạngtinh thể. Để đánh giá một cách định lƣợnghơn sự chuyển pha cấu trúc từ tứ giác sanglục giác của vật liệu chúng tôi sử dụngchƣơng trình profile phân tích tỷ lệ diện tíchvạch nhiễu xạ trong vùng góc 2 thay đổi từ26 ÷ 350 và thu đƣợc kết quả nhƣ trên bảng 1. Bảng 1. T ỷ lệ giữa hai pha cấu trúc trong vật liệu

khi nồng độ pha tạp Fe tăng

x 0.00 0.005 0.01 0.02 0.03

Tứ giác (%)

100 100 100 96.16 76.59

Lục giác (%)

0 0 0 3.84 23.41

Hình 2 là phổ tán xạ Raman của tất cả cácmẫu. Khi x = 0 và pha tạp với nồng độ rấtnhỏ, mẫu có các vạch mạnh đặc trƣng của cấutrúc tứ giác ở vị trí 180 (peak 1), 260 (peak2), 305 (peak 3), 519 (peak 4) và 716 cm-1

(peak 6). Kết quả này trùng với các công bố

[1,5-8,10,12,], ở đó nguyên nhân của cácmode dao động đã đƣợc giải thích chi tiết. Cụthể là: Peak 1: ở khoảng 180 cm-1

[E(TO),

E(LO)]. Peak 2: ở khoảng 260 cm-1 [A1(TO)],mode này do dao động của bát diện oxy [17]nên nó rất nhạy với ứng suất trong mẫu, khiứng suất tăng thì cƣờng độ đỉnh này giảmmạnh [18]. Peak 3: ở khoảng 305 cm-1 [B1,E(TO3+LO3)]. Peak 4: ở khoảng 519 cm-1 [E(TO4), A1(TO4)], đây là một đỉnh có cƣờngđộ mạnh và rộng (mode E(TO4) đƣợc coi làmode giãn do sự thay đổi chiều dài liên kếtTi-O). Peak 6: ở khoảng 719 cm-1(E(LO4),A1(LO4)).

Hình 2. Phổ tán xạ Raman của của các mẫuBa(Ti1-xFex)O3 (0 ≤ x ≤ 0.03)

Tuy nhiên khi pha tạp Fe với x = 0.01 trở đicác đỉnh phổ đặc trƣng của cấu trúc tứ giác yếu đi và xuất hiện sự mở rộng vạch phổ.Đồng thời với sự suy giảm cƣờng độ của cácđỉnh trên là sự xuất hiện thêm vạch tán xạ ở gần vị trí 640 cm-1 (peak 5). Nguyên nhânxuất hiện vạch tán xạ tại 640 cm-1 cũng đãđƣợc một số tác giả đề cập tới nhƣng chƣathống nhất [1,7]. Theo Qin-yu Hea và cộngsự, khi tổng hợp BaTiO3 từ hỗn hợp BaO -TiO2 với nhiệt độ thiêu kết dƣới 1050°C, hệtồn tại hợp thức Ba4TiO13O30 và trên phổRaman xuất hiện vạch gần 644 cm-1. Do đóvạch gần 640 cm-1 đƣợc cho là đóng góp củaBa4TiO13O30. Tuy nhiên, theo các tác giả[12,7] thì đỉnh gần 640 cm-1 là vạch đặc trƣngcủa BaTiO3 có cấu trúc lục giác và là mode

E(LO). Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X của

24 32 40 48 56 64 72

0.0

0.005

0.01

0.02

0.03

40 42 44 46 48 50

0.0

0.005

0.01

0.02

0.03

Góc 2

C ƣ ờ n g đ ộ

( đ . v . t . y )

: Hexagonal

C ƣ ờ n g đ ộ

( đ . v . t . y )

Số sóng (cm-1)

200 400 600 800 1000

0.0

0.005

0.01

0.03

0.02






41

chúng tôi cho thấy các mẫu hoàn toàn sạch pha, do đó vạch gần 640 cm-1 theo chúng tôichính là đỉnh đặc trƣng cho cấu trúc lục giác.

Việc xuất hiện đỉnh tán xạ gần 640 cm -1[E(LO)] có thể là do tán xạ mạnh từ pha lụcgiác ở nhiệt độ cao của BaTiO3. Đây là mộtđiểm lạ vì pha lục giác của BaTiO3 thƣờngchỉ tồn tại ở nhiệt độ cao rất cao (trên 16000C). Tuy nhiên sự tồn tại của pha lục giáctrong hệ mẫu đã đƣợc khẳng định trên cơ sở giản đồ nhiễu xạ tia X. Kết quả thu đƣợc trên phổ tán xạ Raman một lần nữa củng cố thêmkết luận từ giản đồ nhiễu xạ tia X đã thuđƣợc.

Để thu đƣợc các kết quả định lƣợng hơn,chúng tôi đã tiến hành phân tích từng đỉnh phổ Raman một cách chi tiết. Đối với từng phổ Raman, chúng tôi sử dụng phần mềm đểtách riêng từng đỉnh, từ đó thu đƣợc: vị trí, bán độ rộng và cƣờng độ tích phân của từngđỉnh phổ. Hình 3 minh họa phép tách đỉnh từmột đỉnh phổ. Trƣớc hết số liệu đƣợc làmkhớp theo phƣơng pháp làm khớp nhiều đỉnh phổ. Hàm đƣợc sử dụng để làm khớp là hàmLorentz có dạng nhƣ sau:

Trong đó:

A: cƣờng độ tích phân của đỉnh.

w: độ rộng ở nửa cực đại của đỉnh

xc: vị trí đỉnh.

yo: cƣờng độ phổ nền.

Kết quả cho thấy vị trí của đỉnh 3 ở khoảng300 cm-1 [B1, E(TO3+LO3)] hầu nhƣ khôngthay đổi. Trong khi các đỉnh 4, 5, 6 đều có xuhƣớng dịch về vectơ sóng nhỏ hơn khi tăngnồng độ pha tạp. Sự dịch đỉnh này có thể giảithích là do khi Fe đƣợc đƣa vào mạng tinh thểcủa BaTiO3 để thay thế cho Ti, nó sẽ làm giãnmạng vì bán kính của ion Fe3+ (0.7 Å) lớn hơn so với bán kính của ion Ti4+ (0.6 Å). Càngtăng nồng độ pha tạp sẽ càng làm cho mạng bịgiãn và các đỉnh Raman sẽ dịch dần về phía

số sóng nhỏ hơn [16].

Hình 3. Tỷ lệ cƣờng độ giữa hai đỉnh tán xạ ở vịtrí gần 519 cm-1 và 640 cm-1

Nếu ta xét đỉnh 4 tƣơng ứng mode E(TO4),A1(TO4) ở khoảng 519 cm-1 và đỉnh 5 tƣơngứng mode E(LO) ở khoảng 640 cm-1 đây là 2đỉnh có cƣờng độ mạnh nhất và đặc trƣng cho2 pha tứ giác và lục giác. Trên hình 3 là đồ thịcƣờng độ tỉ đối của 2 mode này. Cƣờng độ tỉđối giảm khi tăng nồng độ pha tạp, điều nàyđồng nghĩa với tỉ lệ pha tứ giác trong mẫu đã

giảm so với pha lục giác. Ta có thể thấy rõđiều này từ sự biến đổi của phổ Raman theonồng độ pha tạp. Khi tăng nồng độ pha tạp,các đỉnh đặc trƣng cho pha tứ giác giảmcƣờng độ trong khi các đỉnh đặc trƣng cho pha lục giác có cƣờng độ tăng dần. Đặc biệtvới nồng độ pha tạp nhỏ (x = 0.005 0.02),cƣờng độ tỉ đối giảm mạnh, tỉ phần cấu trúctứ giác trong mẫu giảm mạnh, thay thế bằngcấu trúc lục giác. Khi nồng độ pha tạp nằmtrong khoảng 0.02 ≤ x ≤ 0.03, cƣờng độ tỉ đối

thay đổi ít cho thấy tỉ phần pha tứ giác/phalục giác trong mẫu thay đổi không đáng kể.Theo kết quả phân tích từ phổ nhiễu xạ tia Xthì cấu trúc tứ giác giảm mạnh khi 0.02 ≤ x ≤0.03 nhƣng phân tích từ phổ raman cho thấy pha tứ giác giảm mạnh khi nồng độ pha tạprất nhỏ x = 0.005 0.02, hai kết quả này làhoàn toàn phù hợp với nhau vì phép phântích raman có sai số đến 5% trong khi phép phân tích từ giản đồ nhiễu xạ tia X sai số có

thể lớn hơn.

22

0

0)(4

2

w x x

w A y y

C ƣ ờ n g đ ộ

t ỷ

đ ố i ( p e a k 4 / p e a k 5

)

Nồng độ pha tạp (x)

0

1

2

3

4

5

6

0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03






42

Hình 4 trình bày kết quả đo phần thực củahằng số điện môi ở nhiệt độ phòng trongkhoảng tần số từ 10 Hz đến 13 MHz ở trạngthái mẫu chƣa phân cực. Ở vùng tần số thấp(dƣới 500 KHz) hằng số điện môi của tất cảcác mẫu đều giảm dần khi tần số tăng. Vùngtần số cao (trên 1000 KHz), các mẫu có x =0.00 ÷ 0.02 có hiện tƣợng cộng hƣởng điệnmôi ở trong khoảng tần số từ 600 đến 1000KHz. Khi nồng độ pha tạp Fe tăng thì hằng sốđiện môi của vật liệu giảm và tính dẫn của vậtliệu tăng. Khi nồng độ pha tạp tăng vùng cộnghƣởng có vẻ sẽ xảy ra ở vùng tần số cao.

Hình 4. Phần thực của hằng số điện môi phụ thuộcvào tần số và nồng độ pha tạp Fe

Phổ hấp thụ của các mẫu đƣợc chỉ ra trênhình 5. Kết quả cho thấy bờ hấp thụ dịch về phía sóng dài và vùng hấp thụ mở rộng khităng nồng độ Fe. Kết quả tính toán cho thấy bề rộng dải cấm của mẫu khi chƣa pha tạp Fe(x = 0,0) là 3,23 eV. Bờ hấp thụ của mẫu

BaTiO3 thu đƣợc ứng với sự dịch chuyển giữatrạng thái 2p của oxy và trạng thái 3d củatitan [14,15]. Bờ hấp thụ dịch về phía sóngdài thì độ rộng vùng cấm giảm. Sự giảm bềrộng dải cấm có thể là do có sự xuất hiện cácmức tạp chất trong dải cấm của BaTiO3. Feđóng vai trò nhƣ tạp chất đono và tạo nênmức năng lƣợng tạp chất làm cho bề rộng dảicấm giảm. Điều này một lần nữa khẳng địnhsự pha tạp Fe đã vào mạng tinh thể. Còn sựmở rộng vùng hấp thụ có thể là do những hấp

thụ nội trong các nguyên tử tạp chất.

Hình 5. Phổ hấp thụ của hệ mẫu

Với mục đích kiểm tra sự đồng tồn tại của pha sắt từ cùng pha sắt điện, đƣờng từ trễ củacác mẫu đƣợc đo trong từ trƣờng 1 Tesla ở nhiệt độ phòng. Kết quả cho thấy trong vùngtừ trƣờng thấp (dƣới 1000 Oe) tất cả các mẫuđều thể hiện tính sắt từ. Khi H > 1000 Oe mẫucó x = 0.0 thể hiện tính nghịch từ, các mẫu

pha tạp thể hiện tính thuận từ (hình 4). Theomột số tài liệu [13] vật liệu khối BaTiO3 thểhiện tính nghịch từ ở nhiệt độ phòng. Ở đây,kết quả đo từ cho thấy mẫu BaTiO3 vừa tồntại tính nghịch từ và sắt từ. Chúng tôi chorằng nguồn gốc từ tính xuất hiện trongBaTiO3 là do sự khuyết thiếu oxy trong mẫu.

Về hoá trị của sắt trong các mẫu pha tạp là bao nhiêu, hiện vẫn còn nhiều tranh cãi nênđóng góp vào từ tính của vật liệu có thể cónhiều nguyên nhân. Nhƣ trên đã nói, sự xuấthiện các nút khuyết oxy ảnh hƣởng lên tínhchất, đặc biệt là tính chất từ của vật liệu. Hìnhnhỏ của hình 4 là đƣờng từ trễ của mẫu có x=0.0 và 0.005 cho thấy đƣờng từ trễ của mẫu x= 0.0 là tổng hợp của hai pha sắt từ và nghịchtừ. Kết quả cho thấy, dù pha tạp Fe với mộtlƣợng vô cùng bé (0.5%) nhƣng tính sắt từtăng mạnh chứng tỏ nguồn gốc từ tính xuấthiện trong mẫu phần lớn là do sự khuyết thiếuoxy trong mẫu. Vì nếu coi nguồn gốc từ tính

của các mẫu có chứa Fe3+

là do tƣơng tác siêu

200 400 600 800 1000 120

x = 0.00

x = 0.005

x = 0.01

x = 0.02

x = 0.03

Đ ộ h ấ p

t h ụ ( đ . v . t . y )

Bƣớ c sóng (nm)

0

4000

8000

1.2 104

1.6 104

2 104

2.4 104

0 2000 4000 6000 8000 1 104

1.2 104

x = 0.0

x = 0.005

x = 0.01

x = 0.02

x = 0.03

'

f (KHz)






43

trao đổi giữa các ion từ tính Fe3+ thông qua sự phủ nhau với hàm sóng điện tử của ion khôngtừ tính O2- thì với hàm lƣợng Fe thay thế nhỏnhƣ vậy chƣa thể đóng góp đáng kêt vào tínhsắt từ của mẫu. Mặt khác, khi thay thế Fe choTi do sự khác nhau giữa trạng thái hoá trịgiữa Fe và Ti nên để cân bằng về hóa trị,trong mẫu phải xuất hiện sự khuyết thiếu oxy.

Hình 6. Đƣờng từ trễ của của các mẫu đo

ở nhiệt độ phòng Chúng tôi đã chế tạo đƣợc hệ mẫu Ba(Ti1-

xFex)O3 (0 ≤ x ≤ 0.03) hoàn toàn sạch pha bằng phƣơng pháp phản ứng pha rắn. Ion Fe3+ đã thế vào vị trí Ti4+ và làm cho vật liệuchuyển pha cấu trúc từ tứ giác sang lục giác ở ngay nhiệt độ phòng. Vạch tán xạ Raman gần640 cm-1 chính là đỉnh đặc trƣng cho cấu trúclục giác của vật liệu. Kết quả phổ hấp thụcho thấy Fe3+ đóng vai trò nhƣ tạp chấtđono làm giảm bề rộng dải cấm, giảm hằngsố điện môi, tăng độ dẫn của vật liệu. Phépđo đƣờng cong từ hoá cho thấy vật đồng tồntại hai pha sắt điện và sắt từ ở nhiệt độphòng. Nguyên nhân gây ra từ tính trongvật liệu có thể liên quan tới sự xuất hiện cácnút khuyết oxy trong vật liệu.

Lời cảm ơn. Công trình này đƣợc thực hiệnvới sự hỗ trợ về kinh phí của đề tài cấp Bộ mãsố B2010-TN06-02.


[1]. Qin-yu Hea, Xin-gui Tang, J.X. Zhang andMing-mei Wu, NanoStructured Materials 11,287(1999).[2]. R. Maier, J.L. Cohn, J.J. Neumeier, L.A.Bendersky, Appl. Phys. Lett. 78, 2536 (2001).[3]. T. A. Vanderah, J. M. Loezos, and R. S.Roth, J. Solid State Chem. 121, 38 (1996).[4]. A. Pinczuk, W. T. Taylor, E. Burstein, and I.Lefkowitz, Solid State Commun. 5, 429 (1967)[5]. M. DiDomenico, Jr.S. H. Wemple, S. P. S.

Porto, and R. P. Bauman, Phys. Rev. 174, 522(1968).[6]. G. Burns and B.A. Scott, Solid State

Commun. 9, 813 (1971).[7]. Y. Shiratori, C. Oithan, J. Dornseiffer and R.Waser, J. Raman Spectrosc. 38, 1288 (2007)[8]. Fangting Lin, Dongmei Jiang, Xueming Ma,Wangzhou Shi, J. Magn.Magn.Mater.320, 691(2008).[9]. A. Rajamani, G. F. Dionne, D. Bono, and C.A. Ross, J. Appl. Phys. 98, 063907 (2005)[10]. E. Mashkina, C. McCammon and F.

Seifertb, J. Solid State Chem. 177, 262 (2004).[11]. Ning Zhang, Jianjin Wei, J. Magn. Magn.Mater. 320, 2387 (2008).[12]. Z. Lazarevíc, N. Romčevíc, M. Vijatovíc,Proceedings of the Tenth Annual Conference of

the Materials Research Society of Serbia,September 2008.[13]. T.Wolfram, R.Hurst and F.J.Morin, Phys.

Rev. B 15 , 1151 (1977).[14]. Garima Gupta, Tashi Nautiyal, and SushilAuluck, Physical Review B 69, 052101 (2004).[15]. Manuel Cardona, Physical Review 140, 1133(1965).

[16]. N. K. Karan, R. S. Katiyar, T. Maiti, R. Guoband A. S. Bhallab, Journal of Raman Spectroscop y

40(4), 370 (2009).

[17]. H. T. Evans; Acta. Crystal. 4, 377 (1951).

[18]. H. Yamaguchi, H. Uwe, T. Sakudo, E.Sawaguchi, J. Phys. Soc. Japan 57 (1),147 (1987).

-0.03

-0.02

-0.01

0

0.01

0.02

0.03

-1 104

-5000 0 5000

x = 0.0x = 0.0x = 0.01x = 0.0x = 0.0

M ( e

m u / g

)

H (Oe)

-0.006

-0.004

-0.002

0

0.002

0.004

0.006

-1 104 -5000 0 5000 1 104

x =0.00

x =0.005

M ( e

m u / g )

H(Oe)



http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/jrs.v40:4/issuetoc











44

ABSTRACTSTUDYING THE EFFECT OF SUBSTITUING TI’S ATOM FOR FE AND

ELECTROMANAGTIC PROPERTIES OF BATIO3

Nguyen Van Dang1*, Nguyen Khac Hung1,Ngo Thi Lan1, Vu Dinh Lam2 and Le Van Hong2

1College of Sciences - Thai Nguyen University2 Institute of Material Science - Vietnam Academy of Science and Technology

Samples of multiferroic BaTi1- xFe xO3 material (0.0 ≤ x ≤ 0.03) were synthesized by using thesolid-state reaction method. The influence of Fe substitution for Ti on the crystalline structure andthe magnetic property of BaTi1- xFe xO3 samples were investigated. The obtained X-ray diffractionpatterns showed that the structure of the material sensitively depends on Fe dopant content, x, andtransforms gradually from the tetragonal phase to the hexagonal one with increasing x. All of thesamples exhibit both ferroelectricity and ferromagnetism at room temperature. The substitution of

Fe into Ti sites also changes the conductivity of the material and impurity (acceptor) levels in theband gap, which can be evident from the absorption spectra, electric impedance…measured atroom temperature.Keywords: BaTi1-xFe xO3 , XRD, Raman spectra, UV - visible spectra, magnetization,

Multiferroics

*

Email: [email protected]





Lê Hữu Thiềng và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 78(02): 45 - 50

45

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ METYLEN XANH TRONG DUNG DỊCHNƢỚC CỦA CÁC VẬT LIỆU HẤP PHỤ CHẾ TẠO TỪ BÃ MÍA

Lê Hữu Thiềng*, Ngô Thị Lan Anh, Đào Hồng Hạnh, Nguyễn Thị Thúy Trường Đại học Sư phạm - ĐH Thái Nguyên

TÓM TẮT Bài báo này thông báo kết quả nghiên cứu sử dụng bã mía xử lí bằng fomandehit (vật liệu hấp phụ1) và axit sunfuric (vật liệu hấp phụ 2) để tách loại metylen xanh trong dung dịch nƣớc. Các thínghiệm đƣợc tiến hành ở nhiệt độ phòng (26±10C). Các thông số hấp phụ đƣợc xác định theo môhình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir. Các kết quả thực nghiệm cho thấy: với lƣợng các vật liệu hấp phụ là 0,4 gam; nồng độ đầu của metylen xanh là 99,23 mg/l, độ pH bằng 7,0, thời gian đạt cân bằng hấp phụ của vật liệu hấp phụ 1 là 60 phút, của vật liệu hấp phụ 2 là 90 phút. Các vật liệu hấp phụ có khả năng hấp phụ tốt hơn so với nguyên liệu. Hiệu suất hấp phụ của vật liệu hấp phụ 1 là

87,38%, vật liệu hấp phụ 2 là 90%. Từ khóa: Hấp phụ, bã mía, fomandehit, axit sunfuric, metylen xanh

MỞ ĐẦU* Thuốc nhuộm đƣợc sử dụng rộng rãi trong cácngành công nghiệp nhƣ dệt may, cao su, giấy,nhựa… Do tính tan cao, các thuốc nhuộm làmột trong những nguồn ô nhiễm nƣớc của nƣớcthải công nghiệp. Việc thải nƣớc thải chứathuốc nhuộm chƣa qua xử lý vào các nguồnnƣớc tự nhiên nhƣ sông, suối,… sẽ làm nhiễmđộc các sinh vật sống trong nƣớc và phá hủy

cảnh quan môi trƣờng tự nhiên. Trong số nhiều phƣơng pháp xử lý nguồn nƣớc bị nhiễm thuốcnhuộm, phƣơng pháp hấp phụ đƣợc lựa chọn vàđã mang lại hiệu quả tốt nhất. Trên thế giới,trong những năm gần đây việc tận dụng các phụ phẩm nông nghiệp, công nghiệp sẵn có, rẻ tiềnchế tạo các vật liệu hấp phụ (VLHP) để táchloại các chất gây ô nhiểm nói chung, thuốcnhuộm nói riêng trong các nguồn nƣớc đangđƣợc chú ý [2,5,6].

Ở Việt Nam, hàng năm các nhà máy sản xuấtđƣờng từ mía, tạo ra một lƣợng rất lớn bã mía.Bã mía khô chứa khoảng 34,5% xenlulozo,24% hemixenlulozo và 22÷25% lignin. Các polime sinh học này có chứa nhóm chứchydroxyl hoặc phenolic, sau khi biến đổi hóahọc có thể tạo ra các vật liệu có nhiều hoạt tínhmới [3,4]. Trong bài báo này, chúng tôi trình bày một số kết quả nghiên cứu khả năng hấp phụ metylen xanh (loại thuốc nhuộm bazơ)trong nƣớc của bã mía qua xử lý bằngfomandehit và axit sunfuric.

* Tel:0982859002

THỰC NGHIỆM

1.Thiết bị và hóa chất

a. Hóa chất

- Dung dịch fomanđehit 1%.

- Axit sunfuric đặc, dung dịch NaHCO3 1%

- Dung dịch metylen xanh nồng độ 500 mg/l

- Cồn 600, dung dịch NaOH 0,01 N; dung

dịch HCl 0,01 N. b. Thiết bị, dụng cụ

- Máy đo pH Presisa 600 (Thụy sỹ)

- Máy quang phổ hấp thụ phân tử UV mini1240 (Shimadzu – Nhật Bản)

- Máy khuấy IKA Labortechnik.

- Tủ sấy Jero Tech (Hàn Quốc)

2. Chế tạo vật liệu hấp phụ từ bã mía

a. Chuẩn bị nguyên liệu

Bã mía sau khi thu về tách lấy phần lõi, rửa bằng nƣớc máy nhiều lần rồi rửa lại bằngnƣớc cất. Bã mía đƣợc xử lý sơ bộ bằng cáchđun sôi trong nƣớc cất khoảng 3040 phút đểloại bỏ đƣờng hòa tan, cắt nhỏ, sấy khô ở 80oC. Bã mía khô đƣợc nghiền nhỏ bằng máynghiền thông dụng, rây để thu đƣợc nguyênliệu [1].

b. Chế tạo vật liệu hấp phụ

* VLHP 1: Cân một lƣợng xác định nguyênliệu, trộn đều với dung dịch fomanđehit 1%

theo tỉ lệ 1:5 (nguyên liệu:fomanđehit; khối






46

lƣợng (g):thể tích (ml)), sau đó đem sấy ở 50oC trong 4 giờ. Lọc thu lấy nguyên liệu,rửa sạch bằng nƣớc cất hai lần để loại bỏ

fomanđêhit dƣ và sấy ở 80oC cho đến khô,đem nghiền nhỏ, rây thu đƣợc VLHP 1 cókích thƣớc hạt cỡ từ <0,02 mm; 0,02÷0,05mm; 0,06÷0,1 mm [1].

* VLHP 2: Cân một lƣợng xác định nguyênliệu, trộn đều với H2SO4 đặc theo tỉ lệ 1:1(nguyên liệu:axit sunfuric; khối lƣợng (g):thểtích (ml)), các hóa chất dùng cho quá trình thínghiệm đều có độ tinh khiết PA.

Sau đó đem sấy ở 150oC trong 24 giờ. Nguyên liệu sau khi sấy đƣợc rửa sạch bằng

nƣớc cất hai lần và ngâm trong dung dịchNaHCO3 1% trong 24 giờ để loại bỏ axit dƣ.Lọc lấy bã rắn và tiếp tục sấy ở 150oC chođến khô rồi đem nghiền nhỏ và rây thu đƣợcVLHP 2 có kích thƣớc hạt các cỡ <0,02 mm;0,02÷0,05 mm; 0,06÷0,1 mm [1].

3. Phƣơng pháp thực nghiệm và các thínghiệm nghiên cứu

a.Phương pháp thực nghiệm

Trong mỗi thí nghiệm hấp phụ:

- Thể tích dung dịch metylen xanh: 100mlvới nồng độ và pH xác định.

- Lƣợng các VLHP 0,4g.

- Thí nghiệm tiến hành ở nhiệt độ phòng, hỗnhợp hấp phụ đƣợc trộn bằng máy khuấy vớitốc độ 160 vòng/ phút.

- pH đƣợc điều chỉnh bằng dung dịch HCl vàNaOH loãng.

b. Các thí nghiệm nghiên cứu

+ Khảo sát đặc trƣng cấu trúc của các VLHP.

+ Khảo sát khả năng hấp phụ metylen xanhcủa nguyên liệu và các VLHP.

+ Khảo sát các điều kiện tối ƣu để hấp phụmetylen xanh của các VLHP :

- Độ pH

- Thời gian hấp phụ

- Khối lƣợng các VLHP

- Kích thƣớc các VLHP

- Nồng độ metylen xanh ban đầu

Nồng độ của các dung dịch metylen xanh

trƣớc và sau khi hấp phụ đƣợc xác định

bằng phƣơng pháp đo quang ở bƣớc sóng554nm, cuvet dày 1cm.

Hiệu suất và dung lƣợng hấp phụ của cácVLHP tính theo công thức:

o cb

o

C -CH= .100 (1)

C

o cbC -C

q= V (2)m

Trong đó:

- H: hiệu suất hấp phụ (%).

- Co, Ccb: nồng độ đầu và nồng độ tại thờiđiểm cân bằng tƣơng ứng của dung dịchmetylen xanh (mg/l).

- q: dung lƣợng hấp phụ (mg/g)

- V: thể tích dung dịch (l)

- m: khối lƣợng VLHP (g)


1. Khảo sát đặc trƣng cấu trúc của các VLHPthông qua phổ hồng ngoại (IR)

Nguyên liệu bã mía sau khi xử lý bằngfomanđehit thu đƣợc VLHP 1, bằng axitsunfuric thu đƣợc VLHP 2. Kết quả của cácquá trình xử lý đƣợc thể hiện trên phổ IR .

Hình 1. Phô IR cua nguyên liêu

Hình 2. Phô IR cua VLHP






47

Hình 3. Phô IR cua VLHP 2Trên phổ IR của VLHP1 dải hấp thụ củanhóm cacbonyl C=O dịch chuyển về vùng cósố sóng cao hơ n 1741,53 cm-1 (hình 2) so vớivị trí của nó trong nguyên liệu 1734,80 cm-1

(hình 1). Trên phổ IR của VLHP2 (hình 3)các dải hấp thụ từ số sóng 2865,02 đến2935,52 cm-1 tƣơng ứng với các dải hấp thụcủa nhóm CH2, CH3 đối xứng và bất đốixứng. Các dải hấp thụ từ 1032,77 đến 1105,63cm-1 có liên quan đến sự phân huỷ lignin. Nóichung các dải phổ của các nhóm này đều cónguồn gốc từ nhóm OH trong cấu trúc của

nguyên liệu, làm tăng các vị trí hấp phụ củaVLHP [1]. Kết quả nghiên cứu phổ IR củacác VLHP chứng tỏ việc xử lý nguyên liệu đãcó hiệu quả.

2. Khảo sát khả năng hấp phụ của nguyên liệuvà các VLHP

Các thí nghiệm đƣợc tiến hành với nồng độ ban đầu của metylen xanh là 99,23 mg/l,nhiệt độ phòng (26±1oC), thời gian khuấy 120 phút, tốc độ khuấy 160 vòng/phút, pH của cácdung dịch là 7. Kết quả đƣợc chỉ ra trong

bảng 1.Bảng 1. Các thông số hấp phụ của nguyên liệu

và VLHP

Kết quả ở bảng 1 cho thấy cả nguyên liệu vàhai loại VLHP đều có khả năng hấp phụ

metylen xanh. Tuy nhiên, so sánh dung lƣợng

hấp phụ, hiệu suất hấp phụ giữa hai loạiVLHP và nguyên liệu đối với metylen xanhchúng tôi nhận thấy khả năng hấp phụ của hai

loại VLHP tốt hơn nguyên liệu. Cụ thể: Hiệusuất hấp phụ và dung lƣợng hấp phụ củaVLHP 2 cao hơn của VLHP 1, của VLHP 2cao hơn gần 3 lần so với nguyên liệu

3. Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến khảnăng hấp phụ của VLHP

a. Ảnh hưởng của pH

Các thí nghiệm đƣợc tiến hành với nồng độđầu của metylen xanh là 100 mg/l, khốilƣợng VLHP (0,4g/100ml), kích thƣớc <0,02mm, nhiệt độ phòng(26±10C), thời giankhuấy 120 phút, tốc độ khuấy 160 vòng/phút, pH của các dung dịch khác nhau (2, 3, 4, 5, 6,7 ,8, 9). Kết quả đƣợc chỉ ra ở bảng 2, hình 4. Bảng 2. Ảnh hƣởng của pH đến hiệu suất hấp phụ

của các VLHP

Hình 4. Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ vào pH

Từ kết quả ở bảng 2 và hình 4 cho thấy: Khi pH tăng hiệu suất hấp phụ của VLHP 1 vàVLHP 2 đều tăng. Trong khoảng pH từ 2÷7hiệu suất hấp phụ của VLHP 1 tăng nhanh,hiệu suất hấp phụ của VLHP 2 tăng khôngđáng kể. Ở pH từ 7÷9 hiệu suất hấp phụ củacả hai VLHP là tƣơng đối ổn định. Do đóchúng tôi chọn pH của các dung dịch là 7 để

tiến hành các thí nghiệm tiếp theo.






48

b. Ảnh hưởng của thời gian

Tiến hành sự hấp phụ với nồng độ dung dịchmetylen xanh là 99,23 mg/l, khối lƣợngVLHP là 0,4g/100ml, pH = 7, ở nhiệt độphòng (26 ±10C), thời gian khuấy khác nhau(15, 30, 45, 60, 90 và 120 phút). Kết quảđƣợc chỉ ra ở bảng 3, hình 5.

Từ kết quả thu đƣợc cho thấy trong khoảngthời gian khảo sát (từ 15÷120 phút) khi tăngthời trở đi. Do đó, chúng tôi chọn thời gianđạt cân bằng hấp phụ của VLHP 1, VLHP 2lần lƣợt là 60 và 90 phút. gian khuấy thì hiệusuất hấp phụ của cả hai VLHP đều tăng. Đốivới VLHP 1 từ 60 phút trở đi hiệu suất hấp

phụ là cao nhất và tƣơng đối ổn định còn đốivới VLHP 2 là từ 90 phút

Nhƣ vậy, thời gian đạt cân bằng hấp phụ củaVLHP 1 và VLHP 2 không nhƣ nhau có thểlà do cấu trúc bề mặt của chúng khác nhau.

Bảng 3. Ảnh hƣởng của thời gian đến hiệu suấthấp phụ của các VLHP

Hình 5. Sự phụ thuộc hiệu suất hấp phụ củacác VLHP vào thời gian

c. Ảnh hưởng của khối lượng các VLHP

Tiến hành các thí nghiệm hấp phụ metylenxanh của các VLHP với những khối lƣợngkhác nhau (0,2; 0,4; 0,6; 0,8 và 1,0g cácVLHP/100ml dung dịch metylen xanh nồngđộ 99,23 mg/l) nhiệt độ phòng (26 ± 10C), pH= 7, thời gian khuấy là thời gian đạt cân bằnghấp phụ đối với mỗi VLHP. Kết quả đƣợc

trình bày ở bảng 4 và hình 6.

Các kết quả thực nghiệm thu đƣợc cho thấykhi khối lƣợng các VLHP tăng từ0,2÷1,0g/100ml dung dịch hiệu suất hấp phụ

của cả hai VLHP đều tăng. Với VLHP 1,hiệu suất tăng từ 53,11÷85,73%; VLHP 2tăng từ 56,90÷94,20%. Sự hấp phụ tăng lêncùng khối lƣợng các VLHP có thể giải thíchlà do sự tăng lên cả về diện tích bề mặt riêngvà các vị trí hấp phụ của các VLHP. Chúngtôi đã chọn khối lƣợng các VLHP là 0,4 gcho các thí nghiệm khác.

Bảng 4. Ảnh hƣởng của khối lƣợng các VLHPđến hiệu suất hấp phụ

Hình 6. Sự phụ thuộc hiệu suất hấp phụ của cácVLHP vào khối lƣợng

d. Ảnh hưởng của kích thước các VLHP

Tiến hành các thí nghiệm hấp phụ metylenxanh của các VLHP với 100 ml dung dịch metylen xanh nồng độ 99,23 mg/l, pH = 7 vàlƣợng các VLHP là 0,4 g (với các kích thƣớckhác nhau <0,02 mm; 0,02÷0,05 mm;0,06÷0.1 mm).

Bảng 5. Ảnh hƣởng của kích thƣớc các VLHPđến hiệu suất và dung lƣợng hấp phụ của chúng






49

Kết quả ở bảng 5 cho thấy: Kích thƣớc củacác VLHP có ảnh hƣởng rõ rệt đến dunglƣợng cũng nhƣ hiệu suất hấp phụ. Kích

thƣớc của các VLHP càng nhỏ thì dung lƣợngvà hiệu suất hấp phụ càng cao. Chúng tôi đãchọn các VLHP có kích thƣớc <0,02 mm chocác thí nghiệm khác. e. Ảnh hưởng của nồng độ metylen xanh banđầu

Tiến hành sự hấp phụ với lƣợng các VLHP(0,4g/100ml), ở nhiệt độ phòng (26 ± 10C), pH=7, thời gian khuấy là thời gian đạt cân bằng đối với mỗi VLHP, nồng độ ban đầucác dung dịch metylen xanh khác nhau(49,17; 99,23; 148,50; 197,88 và248,65mg/l). Kết quả đƣợc trình bày ở bảng6 và hình 7.

Bảng 6: Ảnh hƣởng của nồng độ đầumetylen xanhđến hiệu suất hấp phụ

của các VLHP

Hình 7: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụvào nồng độ metyl en xanh ban đầu

Từ kết quả thu đƣợc ở bảng 6 và hình 7 chothấy, trong khoảng nồng độ khảo sát, khi tăngnồng độ metylen xanh thì hiệu suất hấp phụcủa VLHP giảm.

KẾT LUẬN Bã mía là nguyên liệu thông dụng dễ kiếm vàrẻ tiền. Sự hấp phụ metylen xanh trong dungdịch nƣớc bằng bã mía qua xử lí bằngfomanđehit (VLHP1) và axit sunfuric

(VLHP2) đã đƣợc nghiên cứu đồng loạt dƣới

các điều kiện thí nghiệm khác nhau. Kết quảthu đƣợc: - Đã xác định đặc điểm bề mặt của hai loại

VLHP bằng phổ IR. Kết quả nhận đƣợc chothấy các VLHP chế tạo đƣợc có nhiều vị tríhấp phụ,- Nghiên cứu khả năng hấp phụ metylen xanhtrong dung dịch nƣớc của hai loại VLHP. Kếtquả thu đƣợc cho thấy: + pH tốt nhất cho sự hấp phụ là 7,0. + Thời gian đạt cân bằng của VLHP 1 là 60phút, VLHP 2 là 90 phút.+ Khi khối lƣợng các VLHP tăng thì hiệusuất hấp phụ tăng (trong khoảng 0,2-1,0g/100ml hiệu suất cao nhất là 94,4%). + Khi tăng kích thƣớc các VLHP và nồng độdung dịch metylen xanh hiệu suất hấp phụgiảm (kích thƣớc tốt: 0,02 mm và nồng độ tốiƣu là 9,9 mg/l).

Kết quả này mở ra khả năng lựa chọn bã míađể xử lí nguồn nƣớc nhiễm metylen xanh.


[1]. A.G.Liew Abdullah, MA, Mohd Salled,M.K.Siti Mazlina, M.J Megat Mohd Noor, M.R

Osman, R.Wagiran, and S.Sobri, (2005). Azo dyeremoval by adsorption using waste biomass:

Sugarcane bagasse. International Journal of Engineering and Technogy, vol.2, No.1, pp.8-13. [2]. Jain, A. K., Gupta, V. K., Bhatnagar, A.,Suhas, (2003). Utilization of industrial waster

products as absorbents for the removal of dyes.Journal of Hazardous Material B101: 31 – 42.[3]. Mas Rosemal H.Mas Haris and KathiresanSathasivam, (2009). The removal of methyl red

from aqueous solutions using banana Pseu dostem

Fibers, American Journal of applied sciences 6(9):1690-1700, ISSN 1546-9237.

[4]. S.Saiful Azhar, A.Ghaniey Liew, D.Suhardy,K.Farizul Hafiz, M.D Irfan Hatim, (2005). Dye

removal from aqueous solution by using

adsorption on treated sugarcane bagasse,American Journal of applied sciences 2(11): 1499-1503, ISSN 1546-9239.[5]. Garg, V.K., Amita, M. Kumar, R., Gupta, R.,(2004). Basic dye (methylene blue) removal from

Simulated wastewater by adsorption using Indian

Rosewood Sandust: a timber industry. Dyes andPignents, 63: 343-250.[6]. Ho, Y.S., McKay, G., (2003). Sorption of

dyes and coppen ions outo biosorbents. Process

Biochemistry 38: 1047 - 1061.






50

SUMMARYINVESTIGATING OF THE ADSORPTION CAPACITY OF METHYLENNE BLUE

FROM AQUEOUS SOLUTION ON CHEMICALLY MODIFIED SUGARCANEBAGASSE

Le Huu Thieng*, Ngo Thi Lan Anh, Dao Hong Hanh, Nguyen Thi ThuyCollege of Education, Thai Nguyen University

This study investigates the potential use of sugarcane bagasse, pretreated with formandehyde(aborbing material 1) and sulphuric acid (aborbing material 2), for the removal of methylenneblue in the water solution. The experiments were carried at room temperature (26±10C).Aborption coefficients are investigated according to langmuir adsorption isothermal model.Experiments are carried out in accordance with the following parameters: aborption materials:0,4g; concentration: 99,23 mg/l; pH=7; stiring duration for absorption materials 1: 60 minutes;stiring duration for absorption materials 2: 90 minutes. The results of exeperiments indicate thatthe capability of aborption materials is much better than materials. Productivity of absorptionmaterials 1 is 87,38 percent and absorption materials is 90 percent.Key words: Adsorption, Sugarcane bagasse, Formandehyde, Sulphuric acid, Methylenne blue

* Tel: 0982859002





Đặng Quốc Trung và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 78(02): 51 - 55

51

XÁC ĐỊNH ASEN TRONG CHÈ XANH Ớ THÁI NGUYÊN

Đặng Quốc Trung, Nguyễn Đăng Đức*, Nguyễn Nhƣ Lâm, Phan Thanh Phƣơng Trường Đại học Khoa học - Đ H Thái Nguyên

TÓM TẮT Hiện nay việc xác định hàm lƣợng các ion kim loại nặng trong chè xanh ở Thái Nguyên còn ítđƣợc nghiên cứu. Nhu cầu kiểm tra mức độ ô nhiễm chè xanh bởi các kim loại nặng là rất cầnthiết. Vì vậy, việc nghiên cứu xác định hàm lƣợng Asen trong chè xanh ở Thái Nguyên đã đƣợctiến hành. Từ kết quả thực nghiệm chúng tôi thấy mức độ ô nhiễm Asen ở huyện Phú Lƣơng caohơn các vùng khác, và hàm lƣợng Asen trong các mẫu thấp hơn tiêu chuẩn Việt Nam. Từ khoá: Asen, xác định, kim loại nặng, tiêu chuẩn Việt Nam

ĐẶT VẤN ĐỀ*

Hiện nay môi trƣờng nông nghiệp nói riêngđang chịu ảnh hƣởng nghiêm trọng bởi sự giatăng phế thải. Phần lớn nguồn phế thải chƣađƣợc xử lí đều đổ vào môi trƣờng đất, nƣớc,làm cho môi trƣờng ngày càng bị ô nhiễm.Phế thải công nghiệp, phế thải sinh hoạt, phếthải các mỏ khai thác khoáng sản, hoá chấtnông nghiệp tồn dƣ đi vào nƣớc, vào khôngkhí rồi tích tụ trong đất, làm cho đất bị thoáihoá, làm giảm năng suất, chất lƣợng sản phẩm, đặc biệt là sản phẩm nông nghiệp sản

xuất trên khu vực đất bị ô nhiễm có thể trở thành độc hại cho ngƣời sử dụng.

Thái Nguyên là khu vực có nhiều mỏ khoángsản đang khai thác, các khu công nghiệp đồngthời cũng là vùng sản xuất chè đặc sản. Đất,nƣớc sản xuất nông nghiệp ở khu vực khai tháckhoáng sản, công nghiệp thƣờng bị ô nhiễmtrong đó có kim loại nặng. Chè có thể bị nhiễmmột số kim loại nặng từ đất, nƣớc, và khôngkhí. Vì vậy chúng ta cần phải quan tâm nghiêncứu và kiểm tra khống chế các chất có hại, đặc

biệt là các kim loại nặng ảnh hƣởng trực tiếpđến sức khoẻ con ngƣời. Trong bài báo nàychúng tôi giới thiệu các kết quả phân tíchnghiên cứu xác định Asen trong chè xanh thuộc23 xã của 7 khu vực ở tỉnh Thái Nguyên. THỰC NGHIỆM 1. Hoá chất và thiết bị a. Hoá chất - Các dung dịch chuẩn As3+, Fe2+, Cu2+, Cd2+,Mn2+, Zn2+, Pb2+, Ni2+ (1000ppm, Mecrk);


- Các dung dịch axit HNO3 67%, HCl đặc,

H2O2 30% (Mecrk);- Nƣớc cất hai lần, các muối tinh khiết loạiPA và không phát hiện Asen bằng phƣơngpháp GF – AAS.b. Thiết bị - Máy xay, tủ sấy…máy quang phổ hấp thụnguyên tử ZIMADU - 6300 Nhật Bản;- Cốc thuỷ tinh loại 50, 100, 150, 500 ml;- Bình định mức 10, 25, 50, 100, 1000 ml (Mecrk);- Các loại Pipet 0.5, 1, 2, 5, 10 ml;- Bình ken đan 50 ml, lọ đựng mẫu.

2. Chuẩn bị mẫu phân tích Cân chính xác 2,000 gam mẫu chè khô đã xaynhỏ cho vào bình Kendan đậy bình bằng phễulọc có đuôi dài, thêm 15ml HNO3 đặc đun sôinhẹ để phân huỷ mẫu trong vòng hai giờ.Thêm tiếp 10 ml HNO3 đặc và 5ml H2O2 30%và đun sôi hai giờ nữa. Sau đó thêm H2O2 30% để đuổi HNO3 dƣ, thêm từ từ 15 ml nƣớccất hai lần và đun sôi cho đến khi dung dịchtrong suốt, Chuyển toàn bộ dung dịch vào cốc50ml, thêm 15 ml nƣớc cất hai lần đun nóng

bay hơi đến còn muối ẩm. Chuyển vào bìnhđịnh mức 25ml và định mức bằng HNO3 2%.Sau đó đem đo phổ hấp thụ nguyên tử của Asở các bƣớc sóng 193.7 nm. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 1. Tóm tắt các điều kiện xác định As trongchè xanh bằng phƣơng pháp quang phổ hấpthụ nguyên tử GF – AAS.Từ kết quả nghiên cứu các thông số máy, điềukiện nguyên tử hoá mẫu, các điều kiện đo, cácyếu tố ảnh hƣởng, các điều kiện thực nghiệm phù hợp để xác định Asen trong mẫu chè

xanh, đƣợc dẫn ra ở bảng 1 đến bảng 8.






52

Bảng 1.Tổng hợ p các điều kiện đo phổ GF-AAS của As

Các yếu tố và nguyên tố As Các yếu tố và nguyên tố As

Thôngsố

máy

Vạch phổ hấp thụ(nm)

193.7 Giới hạn phát hiện (ppb) 0.23

Khe đo (nm) 0.5 Giới hạn định lƣợng (ppb) 0.76Cƣờng độ dòng đèn

(mA) 10 (70% Imax) Vùng tuyến tính (ppb) 2 -60

Khí môi trƣờng Argon Chƣơng trình nguyên tử hoá mẫu T(oC) t(s)

Chiều cao burner Auto 1. Sấy mẫu 120250

209

Thành phầnmẫu

Nồng độ HNO3 (%) 2 2. Tro hoá có RAMP 6003010

Nền mẫu Ni(NO3)20.01% 3.Nguyên tử hoá đo phổ 2200 3

Lƣợng mẫu nạp vào (µl) 20 4. Làm sạch cuvet 2300 2

Hình 1. Đƣờng chuẩn xác định nguyên tố Asen

Bảng 2. Kết quả khảo sát sơ bộ thành phần mẫu

Nguyên tốvà mẫu Hồng Thái-Tân Cƣơng Nam Thái-Tân Cƣơng Nam Tân-Tân Cƣơng

As(ppb) 2.901 1.221 4.780Cu(ppb) 119.637 160.231 123.673Cd(ppb) 0.718 5.147 0.922Co(ppb) 2.642 2.680 0.827Cr(ppb) 6.480 139.996 167.592Fe(ppb) 1819.934 9167.755 1475.406Hg(ppb) 0.217 2.804 0.579Mn(ppb) 8282.198 2665.601 3161.782Ni(ppb) 69.400 64.223 68.789Zn(ppb) 250.173 1367.339 245.977Pb(ppb) 15.137 56.722 20.401






53

Bảng 3. Ảnh hƣởng của kim loại kiềm đến phép đo phổ hấp thụ của Asen

Mẫu 0 1 2 3 4 5

K+(ppb) 0 200 400 600 800 1000

Na+(ppb) 0 100 200 300 400 500Asb - As 0.1120 0.1117 0.1117 0.1119 0.1118 0.1119

Bảng 4. Ảnh hƣởng của kim loại kiềm thổ đến phép đo phổ hấp thụ của Asen

Mẫu 0 1 2 3 4 5Ca2+(ppb) 0 200 400 600 800 1000Mg2+(ppb) 0 200 400 600 800 1000Ba2+(ppb) 0 100 200 300 400 500Asb - As 0.1119 0.1121 0.1121 0.1120 0.1120 0.1121

Bảng 5. Ảnh hƣởng của kim loại nhóm III đến phép đo phổ hấp thụ của Asen

Mẫu 0 1 2 3 4 5

Al3+ 0 50 100 150 200 250Sn2+ 0 20 40 60 80 100Asb - As 0.1118 0.1121 0.1121 0.1120 0.1120 0.1121

Bảng 6. Ảnh hƣởng của nhóm kim loại nặng đến phép đo phổ hấp thụ của Asen

Mẫu 0 1 2 3 4 5Fe3+(ppb) 0 20 40 60 80 100Co2+(ppb) 0 20 40 60 80 100Ni2+(ppb) 0 20 40 60 80 100Cr3+(ppb) 0 20 40 60 80 100Mn2+(ppb) 0 20 40 60 80 100Asb - As 0.1121 0.1120 0.1119 0.1119 0.1120 0.1118

Bảng 7. Ảnh hƣởng của nhóm kim loại màu đến phép đo phổ hấp thụ của Asen

Mẫu 0 1 2 3 4 5Cu2+(ppb) 0 20 40 60 80 100Pb2+(ppb) 0 20 40 6 80 100Zn2+(ppb) 0 20 40 60 80 100Asb - As 0.1121 0.1119 0.1119 0.1120 0.1120 0.1120

Bảng 8. Ảnh hƣởng của nhóm anion đến phép đo phổ hấp thụ của Asen

Mẫu 0 1 2 3 4 5NO3

-(ppb) 0 200 400 600 800 1000

Cl-(ppb) 0 200 400 600 800 1000SiO3

2-(ppb) 0 20 40 60 80 100Asb - As 0.1119 0.1119 0.1120 0.1121 0.1121 0.1121

Trong chè ngoài Asen còn có nhiều cácnguyên tố khác tồn tại dƣới dạng cation vàanion. Vì vậy việc khảo sát sơ bộ thành phầnmẫu rất có ý nghĩa, từ đó định lƣợng khảo sátảnh hƣởng của các nguyên tố khác đến cƣờngđộ vạch phổ hấp thụ của Asen để có những biện pháp loại trừ. Trong bài báo này chúng

tôi lấy 3 mẫu đại diện, cân chính xác mỗi mẫu

2 gam xử lý mẫu, định mức 25ml, khảo sát sơ bộ thành phần mẫu với 11 nguyên tố.

Từ kết quả thực nghiệm tử bảng 2 đến bảng 8cho thấy các cation và anion không gây ảnh hƣởng đến phổ hấp thụ của Asen.

2. Đánh giá mức độ ô nhiễm

Để đánh giá mức độ ô nhiễm kim loại As cho

từng đối tƣợng nghiên cứu theo






54

QĐ46/2007/BYT (Quy định giới hạn tối đa ônhiễm sinh học và hóa học trong thực phẩm).Dựa trên việc đối chiếu kết quả phân tích

(bảng 10) với tiêu chuẩn Asen trong chè xanh,mức độ nhiễm kim loại Asen trong các đốitƣợng nghiên cứu đƣợc chia thành 2 mức: ônhiễm (khi kết quả phân tích bằng hay vƣợtngƣỡng quy định); chƣa bị ô nhiễm (khi kếtquả phân tích thấp hơn ngƣỡng quy định). Kếtquả đƣợc thể hiện ở bảng 10. 3. Kết quả phân tích mẫu Sau khi xử lý mẫu chè xanh của 23 xã thuộc 7khu vực, các vị trí lấy mẫu và kết quả đo phổhấp thụ nguyên tử (bảng 9) cho thấy:

-Với As: Trong 23 mẫu phân tích đều có hàmlƣợng Asen thấp.Tuy nhiên hàm lƣợng Asen ở khu vực huyện Phú Lƣơng là cao hơn so vớitất cả các vùng khác, có thể do vùng này cónhiều khu khai thác khoáng sản. Để có thể kếtluận chính xác còn cần phải khảo sát thêm.

- Tính kết quả từ bảng 9 đổi ra đơn vị mg/kg đểso sánh với QĐ46/2007/BYT về hàm lƣợngkim loại nặng trong chè xanh theo công thức:

dm.

M.1000

xC V m (mg/kg)

Trong đó: m là khối lƣợng kim loại (mg/kg)

Cx là nồng độ mẫu đo trên máytƣơng ứng ở bảng 3

Vdm thể tích định mức mẫu (25ml) M khối lƣợng mẫu phân tích

Từ kết quả ở bảng 10 ta đem so sánh vớiQĐ46/2007/BYT (giới hạn tối đa ô nhiễmAsen trong chè xanh 1mg/kg) ta thấy hàm

lƣợng Asen đều dƣới giới hạn cho phép. Nhƣng nhiều xã ở huyện Phú Lƣơng có hàmlƣợng Asen cao hơn so với các khu vực kháctrong tỉnh. Điều này cũng phù hợp với thực tếdo ở huyện Phú lƣơng có nhiều mỏ khoángsản đang khai thác.

Bảng 9. Kết quả đo phổ hấp thụ nguyên tử của As trong 25ml mẫu

Địa điểm lấy mẫu Nồng độ As (ppb) Địa điểm lấy mẫu Nồng độ As (ppb) Hồng Thái-Tân Cƣơng 0.7586 Trung Lƣơng-Định Hoá 0.9733Nam Thái-Tân Cƣơng 0.4723 Sơn Phú-Định Hoá 1.3025

Nam Tân-Tân Cƣơng 1.4314 Bình Thành-Định Hoá 0.1861Phúc Trìu-TPTN 0.6871 Mỹ Yên-Đại Từ 0.7443Vịnh Sơn-Sông Công 0.9733 Ký Phú-Đại Từ 0.7014Bình Sơn-Sông Công 0.5439 La Hiên-Võ Nhai 0.3722Minh Đức-Phổ Yên 0.4867 Phú Thƣợng-Võ Nhai 0.6226

Thành Công-Phổ Yên 2.4906 Thƣợng Nhung-Võ Nhai 1.4886Hồng Tiến-Phổ Yên 0.0573 Phú Đô-Phú Lƣơng 1.0664Minh Lập-Đồng Hỷ 0.4008 Phấn Mễ-Phú Lƣơng 1.7606

Hoá Thƣợng-Đồng Hỷ 0.4008 Ôn Lƣơng-Phú Lƣơng 0.9161Trại Cài-Đồng Hỷ 0.7586

Bảng 10. Hàm lƣợng kim loại As tính theo mg/kg

Địa điểm lấy mẫu Hàm lƣợng As (mg/kg) Địa điểm lấy mẫu Hàm lƣợng As (mg/kg)

Hồng Thái-Tân Cƣơng 0.009 Trung Lƣơng-Định Hoá 0.012Nam Thái-Tân Cƣơng 0.006 Sơn Phú-Định Hoá 0.016Nam Tân-Tân Cƣơng 0.018 Bình Thành-Định Hoá 0.002Phúc Trìu-TPTN 0.009 Mỹ Yên-Đại Từ 0.009Vịnh Sơn-Sông Công 0.012 Ký Phú-Đại Từ 0.063Bình Sơn-Sông Công 0.007 La Hiên-Võ Nhai 0.005Minh Đức-Phổ Yên 0.006 Phú Thƣợng-Võ Nhai 0.008Thành Công-Phổ Yên 0.031 Thƣợng Nhung-Võ Nhai 0.019Hồng Tiến-Phổ Yên 0.001 Phú Đô-Phú Lƣơng 0.013Minh Lập-Đồng Hỷ 0.005 Phấn Mễ-Phú Lƣơng 0.022Hoá Thƣợng-Đồng Hỷ 0.005 Ôn Lƣơng-Phú Lƣơng 0.011

Trại Cài-Đồng Hỷ 0.009






55

KẾT LUẬN

Trên cơ sở nghiên cứu phƣơng pháp xác định

Asen trong chè xanh bằng phƣơng pháp phổhấp thụ nguyên tử, chúng tôi đã đạt đƣợc mộtsố kết quả sau:

- Chọn đƣợc các điều kiện phù hợp để đo phổhấp thụ nguyên tử của Asen bằng phƣơngpháp GF-AAS và dựng đƣờng chuẩn.

- Khảo sát ảnh hƣởng của các cation, anionđến tín hiệu phổ của Asen và đi đến kết luậnvới nồng độ khảo sát chúng không gây ảnhhƣởng đến phép đo.

- Khảo sát tìm đƣợc vùng tuyến tính, đánh giá

độ lặp lại, sai số, giới hạn phát hiện, giới hạnđịnh lƣợng của phƣơng pháp.

- Ứng dụng xác định Asen trong 23 mẫu chèxanh thuộc 7 khu vực của tỉnh Thái Nguyên.Từ kểt quả ở bảng 10 so sánh vớiQĐ46/2007/BYT cho thấy hàm lƣợng các

nguyên tố đều dƣới giới hạn cho phép1mg/kg. Hàm lƣợng Asen ở khu vực cókhai thác khoáng sản cao hơn so với các

vùng khác. Những kết quả nghiên cứu xác định Asentrong chè xanh ở trên chỉ là những thông tin ban đầu. Kết quả nghiên cứu tiếp theo sẽ đƣợcthông báo sau.


[1]. Phạm Luận (2006), Phương pháp phân tích phổ hấp thụ nguyên tử , Nxb Đại học Quốc giaHà Nội,[2]. M. Slavin – , Atomic absorption Spectrometry,Chaper 6 – Application, 1978[3]. W.J.Price, S pectrochemical analysic by

atomic absorption, Heyden & Son – Ltd _Nettherlands, 1997[4]. D.J.Halls, Atomic Spectrometry update, Trace

metals unit , Department of biochemistry _UK_Vol1,2,3, 1988

SUMMARYDETERMINATION ASENIC CONTENTS IN TEA GREEN IN THAI NGUYEN

Dang Quoc Trung, Nguyen Dang Duc*,Nguyen Nhu Lam, Phan Thanh Phuong

College of Sciences - Thai Nguyen University

At present, the identification of heavy metal ions content in green tea in Thai Nguyen has not beenstudied much. The demand for checking pollution level made by above metals in green tea is verynecessary. Therefore, we carried out an research to determinate contents of Asen in green tea inThai Nguyen. From the result of experiment, the pollution level of Asen in Phu Luong district ingreen Tea is higher than other regions, compared with Vietnam Standards, Asen content in thesample is lower than Vietnam Standards.Key words: Asenic, identification, heavy metal, pollution, Vietnam Standards






E x p o n e n t i a l s t a b i l i z a t i o n o f N e u r a l N e t w o r k s w i t h

m i x e d T i m e - V a r y i n g D e l a y s i n s t a t e a n d c o n t r o l

M A I V . T H U A N

1,∗, N . T . T . H U Y E N

1a n d N . T . M . N G O C

2

1,∗C o l l e g e o f S c i e n c e s , T h a i n g u y e n u n i v e r s i t y , T h a i n g u y e n , V i e t n a m

2T h a i n g u y e n u n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , T h a i n g u y e n , V i e t n a m

∗C o r r e s p o n d i n g a u t h o r : m a i t h u a n k 1 @ g m a i l . c o m

A b s t r a c t . T h i s p a p e r p r e s e n t s s o m e r e s u l t s o n t h e

g l o b a l e x p o n e n t i a l s t a b i l i z a t i o n f o r c e l l u l a r n e t w o r k s

w i t h v a r i o u s a c t i v a t i o n f u n c t i o n s a n d m i x e d t i m e -

v a r y i n g d e l a y s i n s t a t e a n d c o n t r o l . B a s e d o n a u g -

m e n t e d t i m e - v a r y i n g L y a p u n o v K r a s o v s k i i f u n c t i o n a l s ,

n e w d e l a y - d e p e n d e n t c o n d i t i o n s f o r t h e g l o b a l e x p o -

n e n t i a l s t a b i l i z a t i o n a r e o b t a i n e d i n t e r m s o f l i n e a r

m a t r i x i n e q u a l i t i e s . N u m e r i c a l e x a m p l e s a r e g i v e n t o

i l l u s t r a t e t h e f e a s i b l e n e s s o f o u r r e s u l t s .

K e y w o r d s . C e l l u l a r n e u t r a l n e t w o r k s , s t a b i l i z a t i o n ,

n e u r a l n e t w o r k s , m i x e d d e l a y , L y a p u n o v f u n c t i o n , L i n -

e a r m a t r i x i n e q u a l i t i e s .

1 I n t r o d u c t i o n

I n t h e a r e a o f c o n t r o l , s i g n a l p r o c e s s i n g , p a t t e r n

r e c o g n i t i o n , i m a g e p r o c e s s i n g , a n d a s s o c i a t i o n , d e l a y e d

c e l l u l a r n e u r a l n e t w o r k s h a v e m a n y u s e d f u l a p p l i c a -

t i o n s . S o m e o f t h e s e a p p l i c a t i o n s r e q u i r e t h a t t h e e q u i -

l i b r i u m p o i n t s o f t h e d e s i g n e d n e t w o r k b e s t a b l e . I n

b o t h b i o l o g i c a l a n d a r t i f i c i a l n e u r a l s y s t e m s , t i m e d e -

l a y s d u e t o i n t e g r a t i o n a n d c o m m u n i c a t i o n a r e u b i q u i -

t o u s , a n d o f t e n b e c o m e a s o u r c e o f i n s t a b i l i t y . T h e t i m e

d e l a y s i n e l e c t r o n i c n e u r a l n e t w o r k s a r e u s u a l l y t i m e -

v a r y i n g , a n d s o m e t i m e s v a r y v i o l e n t l y w i t h r e s p e c t t o

t i m e d u e t o t h e f i n i t e s w i t c h i n g s p e e d o f a m p l i f i e r s

a n d f a u l t s i n t h e e l e c t r i c a l c i r c u i t r y . T h e r e f o r , s t a b i l -

i t y a n a l y s i s o f d e l a y e d c e l l u l a r n e u r a l n e t w o r k i s a v e r y

i m p o r t a n t i s s u e , a n d m a n y s t a b i l i t y c r i t e r i a h a v e b e e n

d e v e l o p e d i n t h e l i t e r a t u r e [ 2 , 5 , 8 ] a n d t h e r e f e r e n c e s

c i t e d t h e r e i n .

R e c e n t l y , t h e s t a b i l i z a t i o n i s s u e h a s b e e n a n i m -

p o r t a n t f o c u s o f r e s e a r c h i n t h e c o n t r o l s o c i e t y , a n d

s e v e r a l f e e d b a c k s t a b i l i z i n g c o n t r o l d e s i g n a p p r o a c h e s

h a v e b e e n p r o p o s e d i n [ 3 , 4 ] . R e g a r d i n g s t a b i l i z a t i o n o f

n e u r a l n e t w o k s , t o t h e b e s t o f o u r k n o w l e d g e , o n l y a

f e w r e s u l t s a r e p u b l i s h e d . T h e p a p e r s [ 1 , 6 , 7 ] p r e s e n t

s o m e s t a b i l i z a t i o n c r i t e r i a f o r d e l a y e d n e u r a l n e t w o r k s .

H o w e v e r , t h e r e s u l t s r e p o r t e d t h e r e i n n o t o n l y r e q u i r e

t h e o n l y a c t i v a t i o n f u n c t i o n , b u t t h e s y s t e m m a t r i c e s

a r e a l s o s t r i c t l y c o n s t r a i n e d .

I n t h i s p a p e r , w e c o n s i d e r a s t a b i l i z a t i o n s c h e m e

f o r a g e n e r a l c l a s s o f d e l a y e d n e u r a l n e t w o r k s . T h e

n o v e l f e a t u r e s h e r e a r e t h a t t h e n e u r a l n e t w o r k s i n c o n -

s i d e r a t i o n a r e t i m e - v a r y i n g w i t h m i x e d d e l a y i n s t a t e

a n d c o n t r o l a n d w i t h v a r i o u s a c t i v a t i o n f u n c t i o n . W e

e x t e n d t h e r e s u l t s o f [ 1 , 2 , 6 , 7 , 9 ] t o e x p o n e n t i a l s t a -

b i l i z a t i o n o f n e u r a l n e t w o r k s v a r i o u s a c t i v a t i o n f u n c i -

t o n s a n d m i x e d t i m e - v a r y i n g d e l a y i n s t a t e a n d c o n -

t r o l . U s i n g t h e L y a p u n o v s t a b i l i t y t h e o r y a n d l i n e a r

m a t r i x i n e q u a l i t y ( L M I ) t e c h n i q u e s , a c o n t r o l l a w w i t h

a n a p p r o p r i a t e g a i n c o n t r o l m a t r i x i s d e r i v e d t o a c h i e v e

s t a b i l i z a t i o n o f t h e n e u r a l n e t w o r k s w i t h m i x e d t i m e -

v a r y i n g d e l a y e d i n s t a t e a n d c o n t r o l . T h e s t a b i l i z a t i o n

c r i t e r i a a r e o b t a i n e d i n t e r m s o f L M I s a n d h e n c e t h e

g a i n c o n t r o l m a t r i x i s e a s i l y d e t e r m i n e d b y n u m e r i c a l

M a t l a b ' s C o n t r o l T o o l b o x .

2 P r e l i m i n a r i e s

T h e f o l l o w i n g n o t a t i o n w i l l b e u s e d i n t h i s p a p e r :

R+d e n o t e s t h e s e t o f a l l r e a l n o n - n e g a t i v e n u m b e r s ;

Rn d e n o t e s t h e n−d i m e n s i o n a l s p a c e w i t h t h e s c a l a r

p r o d u c t ., . a n d t h e v e c t o r n o r m . ; M n×r d e n o t e s

t h e s p a c e o f a l l m a t r i c e s o f (n × r)−d i m e n s i o n s .

AT d e n o t e s t h e t r a n s p o s e o f m a t r i x A; A i s s y m m e t -

r i c i f A = AT ; I d e n o t e s t h e i d e n t i t y m a t r i x ; λ(A)

d e n o t e s t h e s e t o f a l l e i g e n v a l u e s o f A; λm a x

(A) =m a x R e λ; λ ∈ λ(A).

xt := x(t + s) : s ∈ [−h, 0], xt = s u p s∈[−h,0] x(t+s) ; C ([0, t], Rn) d e n o t e s t h e s e t o f a l l R

n−v a l u e d

c o n t i n u o u s f u n c t i o n s o n [0, t];

L2([0, t], Rm) d e n o t e s t h e

1





s e t o f a l l t h e Rm−v a l u e d s q u a r e i n t e g r a b l e f u n c t i o n s o n

[0, t] ;

M a t r i x A i s c a l l e d s e m i - p o s i t i v e d e f i n i t e (A ≥ 0)i f Ax,x ≥ 0, f o r a l l x ∈ Rn; A i s p o s i t i v e d e f i n i t e

(A > 0) i f Ax,x > 0 f o r a l l x = 0; A > B m e a n s

A − B > 0 . T h e n o t a t i o n d i a g . . . s t a n d s f o r a b l o c k -

d i a g o n a l m a t r i x . T h e s y m m e t r i c t e r m i n a m a t r i x i s

d e n o t e d b y ∗.

C o n s i d e r t h e f o l l o w i n g c e l l u l a r n e u r a l n e t w o r k s w i t h

m i x e d t i m e - v a r y i n g d e l a y s i n s t a t e a n d c o n t r o l o f t h e

f o r m

x(t) = −Ax(t) + W 0f (x(t)) + W 1g(x(t − τ 1(t)))

+ W 2

tt−τ 2(t)

h(x(s)) ds + B0u(t) + B1u(t − τ 3(t))

+ B2 tt−τ 4(t)

u(s) ds

x(t) = φ(t), t ∈ [−d, 0], d = m a x τ 1, τ 2, τ 3, τ 4,

( 2 . 1 )

w h e r e x(t) = [x1(t), x2(t), . . . , xn(t)]T ∈ Rn

i s

t h e s t a t e v e c t o r o f t h e n e u r a l n e t w o r k s ; u(t) ∈L2([0, s], Rm), ∀s > 0,

i s t h e c o n t r o l i n p u t v e c t o r o f

t h e n e u r a l n e t w o r k s ;

ni s t h e n u m b e r o f n e u r a l s , a n d

f (x(t)) = [f 1(x1(t)), f 2(x2(t)), . . . , f n(xn(t))]T ,

g(x(t)) = [g1(x1(t)), g2(x2(t)), . . . , gn(xn(t))]T ,

h(x(t)) = [h1(x1(t)), h2(x2(t)), . . . , hn(xn(t))]T

a r e t h e n e u r a l a c t i v a t i o n f u n c t i o n s .

T h e d i a g o n a l m a t r i x

A = d i a g (a1, a2, . . . , an) r e p r e -

s e n t s t h e s e l f - f e e d b a c k t e r m a n d W 0, W 1,

W 2, B0, B1, B2 a r e g i v e n r e a l c o n s t a n t m a t r i c e s w i t h

a p p r o p r i a t e d i m e n s i o n s . T h e t i m e - v a r y i n g d e l a y f u n c -

t i o n s τ 1(t), τ 2(t), τ 3(t), τ 4(t) s a t i s f y t h e c o n d i t i o n

0 ≤ τ 1(t) ≤ τ 1, τ 1(t) ≤ δ1 < 1, 0 ≤ τ 2(t) ≤ τ 2,

0 ≤ τ 3(t) ≤ τ 3, τ 3(t) ≤ δ2 < 1, 0 ≤ τ 4(t) ≤ τ 4.

T h e i n i t i a l f u n c t i o n s φ(t) ∈ C ([−d, 0], Rn), d =m a x τ 1, τ 2, τ 3, τ 4, w i t h t h e u n i f o r m n o r m φ =m a x t∈[−d,0] φ(t) . W e a s s u m e t h a t t h e a c t i v a t i o n

f u n c t i o n s f (x), g(x), h(x) a r e L i p s c h i t z w i t h t h e L i p s -

c h i t z c o n s t a i n s f i, gi, hi > 0 :

| f i(ξ1) − f i(ξ2) |≤ f i | ξ1 − ξ2 |,

| gi(ξ1) − gi(ξ2) |≤ gi | ξ1 − ξ2 |,

| hi(ξ1) − hi(ξ2) |≤ hi | ξ1 − ξ2 |,

∀i = 1, 2, . . . , n , ∀ξ1, ξ2 ∈ R.

( 2 . 2 )

D e f i n i t i o n 2 . 1 [ 9 ] G i v e n α > 0. T h e s y s t e m (2.1) i s

α−e x p o n e n t i a l l y s t a b l e i f t h e r e e x i s t a p o s i t i v e n u m b e r

N > 0 s u c h t h a t e v e r y s o l u t i o n x(t, φ) s a t i s f i e s t h e

f o l l o w i n g c o n d i t i o n :

x(t, φ) ≤ N e−αt φ , ∀t ≥ 0.

D e f i n i t i o n 2 . 2 [ 9 ] G i v e n α > 0. T h e s y s t e m (2.1)i s g l o b a l l y α−e x p o n e n t i a l l y s t a b i l i z a b l e i f t h e r e i s a

f e e d b a c k c o n t r o l u(t) = Kx(t), s u c h t h a t t h e c l o s e d -

l o o p t i m e - d e l a y s y s t e m

x(t) = −[A0 − B0K ]x(t) + W 0f (x(t)) + W 1g(x(t − τ 1(t)))

+ B1Kx(t − τ 3(t)) + W 2

tt−τ 2(t)

h(x(s)) ds

+ B2

t

t−τ 4(t)

Kx(s) ds

x(t) = φ(t), t ∈ [−d, 0], d = m a x τ 1, τ 2, τ 3, τ 4

( 2 . 3 )

i s

α− e x p o n e n t i a l l y s t a b l e .

W e i n t r o d u c e t h e f o l l o w i n g t e c h n i c a l w e l l - k n o w n

p r o p o s i t i o n s , w h i c h w i l l b e u s e d i n t h e p r o o f o f o u r

r e s u l t s .

P r o p o s i t i o n 2 . 1 [ 9 ] L e t P, Q b e m a t r i c e s o f a p p r o -

p r i a t e d i m e n s i o n s a n d Q i s s y m m e t r i c p o s i t i v e d e f i n i t e .

T h e n

2P y , x − Qy,y ≤ P Q−1P T x, x, ∀(x, y).

P r o p o s i t i o n 2 . 2 [ 9 ] F o r a n y s y m m e t r i c p o s i t i v e d e f -

i n i t e m a t r i x M > 0 , s c a l a r γ > 0 a n d v e c t o r f u n c t i o n

ω : [0, γ ] → Rns u c h t h a t t h e i n t e g r a t i o n s c o n c e r n e d

a r e w e l l d e f i n e d , t h e f o l l o w i n g i n e q u a l i t y h o l d s

γ0

ω(s) dsT

M γ

0ω(s) ds

≤ γ

γ0

ωT

(s)M ω(s) ds

P r o p o s i t i o n 2 . 3 ( S c h u r c o m p l e m e n t l e m m a ) [ 8 ]

G i v e n c o n s t a n t s y m m e t r i c m a t r i c e s X , Y , Z w i t h a p -

p r o p r i a t e d i m e n s i o n s s a t i s f y i n g X = X T , Y = Y T > 0.

T h e n X + Z T Y −1Z < 0 i f a n d o n l y i f

X Z T

Z −Y

< 0 o r

−Y Z

Z T X

< 0.

2





3 M a i n r e s u l t

L e t u s d e n o t e

Σ = − AP − P AT − (B0Y + Y T BT 0 ) + 2αP

+ W 0D0W T 0 + (1 − δ1)−1e2ατ 1W 1D1W T 1

+ (1 − δ2)−1e2ατ 3B1BT 1 + τ 2e2ατ 2W 2D2W T 2

+ τ 4e2ατ 4B2BT 2 ,

G = diaggi, i = 1, 2, . . . , n,

H = diaghi, i = 1, 2, . . . , n,

F = diagf i, i = 1, 2, . . . , n,

g2 = m a x g2i , i = 1, 2, . . . , n,

h2 = m a x h2i , i = 1, 2, . . . , n, K = −Y P −1,

θ = 1 + τ 4,

λ1 = λm i n

(P −1),

λ2 = λm a x

(P −1) + λm a x

(D−11 )g2τ 1 + λ

m a x

(D−12 )h2τ 22

+ (τ 3 +1

2τ 24 )λ

m a x

(K T K ).

T h e o r e m 3 . 1 . G i v e n

α > 0.S y s t e m (2.1) i s

α−e x p o n e n t i a l l y s t a b i l i z a b l e i f t h e r e e x i s t a s y m m e t -

r i c p o s i t i v e d e f i n i t e m a t r i x P ∈ Rn×n, t h r e e d i a g o n a l

p o s i t i v e m a t r i c e s Di, i = 0, 1, 2 a n d a m a t r i x Y w i t h a p -

p r o p r i a t e d i m e n s i o n s u c h t h a t t h e f o l l o w i n g L M I h o l d s :

Ξ =

Σ P F P G τ 2P H θY T

F P −D0 0 0 0GP 0 −D1 0 0

τ 2HP 0 0 −τ 2D2 0θY 0 0 0 −θI m

< 0.

( 3 . 1 )

T h e s t a b i l i z i n g f e e d b a c k c o n t r o l i s g i v e n b y

u(t) = −Y P −1x(t),

a n d t h e s o l u t i o n x(t, φ) o f t h e s y s t e m s a t i s f i e s

x(t, φ) ≤

λ2

λ1e−αt φ , ∀t ≥ 0.

p r o o f . L e t u s d e n o t e X = P −1, K = −Y P −1. W i t h

t h e f e e d b a c k c o n t r o l u(t) = −Y P −1x(t), w e c o n s i d e r

t h e L y a p u n o v - K r a s o v s k i i f u n c t i o n a l f o r c l o s e d - l o o p s y s -

t e m (2.3)

V (t, xt) =

5i=1

V i(t, xt),

w h e r e

V 1 = xT (t)Xx(t),

V 2

= tt−τ 1(t)

e2α(s−t)gT (x(s))D−1

1g(x(s)) ds,

V 3 =

0−τ 2

tt+s

e2α(θ−t)hT (x(θ))D−12 h(x(θ)) dθ ds,

V 4 =

tt−τ 3(t)

e2α(s−t)xT (s)K T Kx(s) ds,

V 5 =

0−τ 4

tt+s

e2α(θ−t)xT (θ)K T Kx(θ) dθ ds.

I t e a s y t o c h e c k t h a t

λ1 x(t) 2≤ V (t, xt) ≤ λ2 xt 2, t ∈ R+. ( 3 . 2 )

T a k i n g d e r i v a t i v e o f V 1 a l o n g s o l u t i o n s o f t h e c l o s e d -

l o o p s y s t e m (2.3), w e g e t

V 1 =xT (t)[−XA − AT X − X (B0Y + Y T BT 0 )X ]x(t)

+ 2xT (t)XW 0f (x(t)) + 2xT (t)XW 1g(x(t − τ 1(t)))

+ 2xT (t)XB1u(t − τ 3(t))

+ 2xT (t)XW 2

tt−τ 2(t)

h(x(s)) ds

+ 2xT (t)XB2 t

t−τ 4(t)

u(s) ds

A p p l y i n g P r o p o s i t i o n 2 . 1 a n d 2 . 2 g i v e s

2xT (t)XW 0f (x(t))

≤ xT (t)XW 0D0W T 0 Xx(t) + f T (x(t))D−10 f (x(t));

2xT (t)XW 1g(x(t − τ 1(t))

≤ (1 − δ1)−1e2ατ 1xT (t)XW 1D1W T 1 Xx(t)

+ (1 − δ1)e−2ατ 1gT (x(t − τ 1(t))D−11 g(x(t − τ 1(t)));

2xT (t)XB1u(t − τ 3(t))

≤ (1 − δ2)−1e2ατ 3xT (t)XB1BT 1 Xx(t)

+ (1 − δ2)e−2ατ 3

u(t − τ 3(t)) 2

;

2xT (t)XW 2

tt−τ 2(t)

h(x(s)) ds

≤ τ 2e2ατ 2xT (t)XW 2D2W T 2 Xx(t)

+1

τ 2e−2ατ 2

tt−τ 2(t)

h(x(s)) ds

T

D−12

tt−τ 2(t)

h(x(s)) ds

≤ τ 2e2ατ 2xT (t)XW 2D2W T 2 Xx(t)

+ e−2ατ 2 tt−τ 2

hT (x(s))D−12 h(x(s)) ds;

3





2xT (t)XB2

tt−τ 4(t)

u(s) ds

≤ τ 4e2ατ 4xT (t)XB2BT 2 Xx(t)

+1

τ 4 e−2ατ 4 t

t−τ 4(t)u(s) ds

T tt−τ 4(t)

u(s) ds

≤ τ 4e2ατ 4xT (t)XB2BT 2 Xx(t)

+ e−2ατ 4 tt−τ 4

u(s) 2 ds.

T h e r e f o r

V 1(t, xt)

≤ xT (t)[−XA − AT X − X (B0Y + Y T BT 0 )X ]x(t)

+ xT X (t)

W 0D0W T 0 + (1 − δ1)−1e2ατ 1W 1D1W T 1

+ (1 − δ2)−1

e2ατ 3

B1BT 1 + τ 2e

2ατ 2

W 2D2W T 2

+ τ 4e2ατ 4B2BT 2

Xx(t)

+ f T (x(t))D−10 f (x(t))

+ (1 − δ1)e−2ατ 1gT (x(t − τ 1(t)))D−11 g(x(t − τ 1(t)))

+ (1 − δ2)e−2ατ 3 u(t − τ 3(t)) 2

+ e−2ατ 2 tt−τ 2

hT (x(s))D−12 h(x(s)) ds

+ e−2ατ 4 tt−τ 4

u(s) 2 ds

( 3 . 3 )

N e x t , t h e d e r i v a t i v e s o f V k, k = 2, . . . , 5 g i v e

V 2(t, xt)

≤ −2αV 2 + (g(x(t)))T D−11 (g(x(t)))

− (1 − δ1)e−2ατ 1gT (x(t − τ 1(t)))D−11 gT (x(t − τ 1(t)));

V 3(t, xt)

≤ −2αV 3 + τ 2hT (x(t))D−12 h(x(t))

− e−2ατ 2 t

t−τ 2

hT (x(s))D−12 h(x(s)) ds;

V 4(t, xt)

≤ −2αV 4(t, xt) + xT (t)XY T Y Xx(t)

− (1 − δ2)e−2ατ 3 u(t − τ 3(t)) 2;

V 5(t, xt)

≤ −2αV 5(t, X t) + τ 4xT (t)XY T Y Xx(t)

− e−2ατ 4 tt−τ 4

u(s) 2 ds.

( 3 . 4 )

F r o m (3.3) − (3.4), w e o b t a i n

V + 2αV

≤ xT (t)− XA − AT X − X (B0Y + Y T BT 0 )X

+ 2αX + XW 0D0W T 0 X + (1 − δ1)−1e2ατ 1XW 1D1W T 1 X

+ (1 − δ2)−1e2ατ 3XB1BT 1 X + τ 2e2ατ 2XW 2D2W T 2 X

+ τ 4e2ατ 4XB2BT 2 X + (1 + τ 4)XY T Y X

x(t)

+ f T (x(t))D−10 f (x(t)) + gT (x(t))D−1

1 g(x(t))

+ τ 2hT (x(t))D−12 h(x(t)).

( 3 . 5 )

U s i n g t h e c o n d i t i o n (2.2) a n d s i n c e t h e m a t r i c e s

Di >

0, i = 0, 1, 2 a r e d i a g o n a l , w e h a v e

f

T

(x(t))D

−1

0 f (x(t)) ≤ x

T

(t)F D

−1

0 F x(t),gT (x(t))D−1

1 g(x(t)) ≤ xT GD−11 Gx(t),

τ 2hT (x(t))D−12 h(x(t)) ≤ τ 2xT (t)HD−1

2 Hx(t).

( 3 . 6 )

S i n c e (3.5) a n d (3.6), w e o b t a i n

V + 2αV ≤ xT (t)Ωx(t),

w h e r e

Ω = − XA − AT X − X (B0Y + Y T BT 0 )X + 2αX

+ XW 0D0W T 0 X + (1 − δ1)−1e2ατ 1XW 1D1W T 1 X

+ (1 − δ2)−1e2ατ 3XB1BT 1 X + τ 2e2ατ 2XW 2D2W T 2 X

+ τ 4e2ατ 4XB2BT 2 X + (1 + τ 4)XY T Y X

+ F D−10 F + GD−1

1 G + τ 2HD−12 H.

W e h a v e , Ω < 0 i f a n d o n l y i f P ΩP < 0. A n d b y S c h u r

c o m p l e m e n t l e m m a , P ΩP < 0 i f a n d o n l y i f Ξ < 0.

T h u s

V (t, xt) + 2αV (t, xt) ≤ 0

a n d h e n c e

V (xt) ≤ V (φ)e−2αt ≤ λ2 φ 2 e−2αt, t ≥ 0.

T a k i n g (3.2) i n t o a c c o u n t w e o b t a i n

x(t, φ) ≤ λ2

λ1

e−αt φ , t ≥ 0,

w h i c h c o m p l e t e s t h e p r o o f .

4 N u m e r i c a l e x a m p l e

L e t u s c o n s i d e r s y s t e m (2.1) w i t h τ 1(t) =s i n

20.5t, τ 3(t) = s i n

20.6t, a n d τ 2(t) = 0.8sin2 t if t ∈ I = ∪k≥0[2kπ, (2k + 1)π]

τ 2(t) = 0 if t ∈ R+ \ I ,

4





τ 4(t) = 0.5cos2 t if t ∈ I = ∪k≥0[2kπ, (2k + 1)π]

τ 4(t) = 0 if t ∈ R+ \ I ,

A = 32 0

0 21 , W 0 = 1 0.15

1 2 , W 1 = 0 1

1 0 ,

W 2 =

0.1 0.40.5 0.2

, B0 =

03

, B1 =

23

, B2 =

12

,

F =

0.1 00 0.4

, G =

0.5 00 0.8

, H =

0.1 00 0.6

.

W e s e e t h a t t h e t i m e d e l a y f u n c t i o n

τ 2(t), τ 4(t) a r e

b o u n d e d b u t n o n - d i f f e r e n t i a b l e a n d

τ 1 = 1, τ 2 =0.8, τ 3 = 1, τ 4 = 0.5, δ1 = 0.5, δ2 = 0.6. F o r α = 0.5, u s -

i n g M A T L A B s L M I T o o l b o x , t h e L M I (3.1) i s f e a s i b l e

w i t h t h e f o l l o w i n g m a t r i c e s :

P =6.4893 2.2340

2.2340 15.5236

, D0 =47.8388 0

0 47.6199

,

D1 =

47.6449 0

0 49.2631

, D2 =

52.2809 0

0 52.3712

,

Y =

0.1316 −0.0040

,

a n d a c c o r d i n g l y t h e f e e d b a c k c o n t r o l i s u(t) =−0.0214 0.0033

x(t).

T h e s o l u t i o n o f t h e c l o s e d - l o o p

s y s t e m s a t i s f y

x(t, φ) ≤ 2.9851 φ e−0.5t, ∀t ≥ 0.

5 C o n c l u s i o n s

I n t h i s p a p e r , t h e p r o b l e m o f d e s i g n i n g a f e e d b a c k

c o n t r o l l a w t o e x p o n e n t i a l l y s t a b i l i z a t i o n a c l a s s n e u -

r a l n e t w o r k s w i t h v a r i o u s a c t i v a t i o n a n d m i x e d t i m e -

v a r y i n g d e l a y i n s t a t e a n d c o n t r o l h a s b e e n s t u d i e d .

B y u s i n g a u g m e n t e d L y a p u n o v - K r a s o v s k i i f u n c t i o n a l s ,

a n e w d e l a y - d e p e n d e n t c o n d i t i o n f o r t h e g l o b a l e x p o -

n e n t i a l l y s t a b i l i z a t i o n h a v e b e e n e s t a b l i s h e d i n t e r m s

o f l i n e a r m a t r i x i n e q u a l i t i e s w h i c h a l l o w s t o c o m p u t e

s i m u l t a n e o u s l y t h e t w o b o u n d s t h a t c h a r a c t e r i z e t h e

e x p o n e n t i a l s t a b i l i t y o f t h e s o l u t i o n . A n u m e r i c a l e x -

a m p l e i s g i v e n t o s h o w t h e e f f e c t i v e n e s s o f t h e o b t a i n e d

r e s u l t s .

T ½ n h ê n à n h h o ¡ ÷ ñ c d ¤ n g m ô c h o h »

n ì r o n t h ¦ n k i n h c â t r ¹ t r ¶ n t r ¤ n g t h ¡ i v i · u

k h i º n

T â m t - t . T r o n g b i b ¡ o n y , c h ó n g t æ i ÷ a r a m ë t

k ¸ t q u £ n g h i ¶ n c ù u m î i c h o t ½ n h ê n à n h h o ¡ ÷ ñ c d ¤ n g

m ô c h o l î p h » n ì r o n t h ¦ n k i n h v î i c ¡ c h m k ½ n h h o ¤ t

k h ¡ c n h a u v c â t r ¹ t r ¶ n t r ¤ n g t h ¡ i v i · u k h i º n . B ¬ n g

v i » c s û d ö n g h m L y a p u n o v - K r a s o v s k i i c £ i t i ¸ n , c h ó n g

t æ i ¢ ÷ a r a ÷ ñ c m ë t i · u k i » n õ m î i c h o t ½ n h ê n

à n h h o ¡ ÷ ñ c d ¤ n g m ô c h o l î p h » ÷ ñ c n â i ¸ n ð t r ¶ n .

i · u k i » n õ c õ a c h ó n g t æ i ÷ ñ c b i º u d i ¹ n d ÷ î i d ¤ n g

c ¡ c b § t ¯ n g t h ù c m a t r ª n t u y ¸ n t ½ n h c h o p h ² p x ¡ c

à n h ÷ ñ c c ¡ c c h ¿ s è ê n à n h m ô v c æ n g t h ù c i · u

k h i º n n g ÷ ñ c . C u è i c ò n g , v ½ d ö s è ÷ ñ c ÷ a r a º m i n h

h o ¤ c h o t ½ n h h i » u q u £ c h o k ¸ t q u £ c õ a c h ó n g t æ i .

T i l i » u

[ 1 ] J . C a o , S . Z h o n g , a n d Y . W u , " G l o b a l s t a b i l i t y

a n a l y s i s f o r a c l a s s o f n e u r a l n e t w o r k s w i t h v a r y i n g

d e l a y s a n d c o n t r o l i n p u t " , A p p l i e d M a t h C o m p u t .

, v o l . 1 8 9 , p p . 1 4 8 0 - 1 4 9 0 , 2 0 0 7 .

[ 2 ] B . C h e n a n d J . W a n g , " G l o b a l e x p o n e n t i a l p e r i -

o d i c i t y a n d g l o b a l e x p o n e n t i a l s t a b i l i t y o f a c l a s s

o f r e c u r r e n t n e u r a l n e t w o r k s w i t h v a r i o u s a c t i v a -

t i o n f u n c t i o n s a n d t i m e - v a r y i n g d e l a y s " , N e u r a l

N e t w . , v o l . 2 0 , n o . 1 0 , p p . 1 0 6 7 - 1 0 8 0 , 2 0 0 7 .

[ 3 ] K . J . H u n t , D . S b a r b a r o , R . Z b i k o w s k i a n d P . J .

G a w t h r o p , " N e u r a l n e t w o r k s f o r c o n t r o l s y s t e m s :

a s u r v e y " , A u t o m a t i c a , v o l . 2 8 , n o . 6 , p p . 1 0 8 3 -

1 1 1 2 , 1 9 9 2 .

[ 4 ] C . H u a a n d X . G u a n , " O u t p u t f e e d b a c k s t a b i l i z a -

t i o n f o r t i m e - d e l a y n o n l i n e a r i n t e r c o n n e c t e d s y s -

t e m s u s i n g n e u r a l n e t w o r k s " , I E E E T r a n s . N e u r a l

N e t w . , v o l . 1 9 , n o . 4 , p p . 6 7 3 - 6 8 8 , A p r . 2 0 0 8 .

[ 5 ] X . L i a o a n d J . Y u , " R o b u s t s t a b i l i t y f o r i n t e r v a l

H o p f i e l d n e u r a l n e t w o r k s " , I E E E T r a n s . N e u r a l

N e t w o r k s , v o l . 9 , p p . 1 0 4 2 - 1 0 4 6 , 1 9 9 8 .

[ 6 ] M . L i u , " D e l a y e d s t a n d a r d n e u r a l n e t w o r k m o d -

e l s f o r c o n t r o l s y s t e m s " , I E E E T r a n s . N e u r a l N e t -

w o r k s , v o l . 1 8 , p p . 1 3 7 6 - 1 3 9 1 , 2 0 0 7 .

[ 7 ] X . L o u a n d B . C u i , " O n r o b u s t s t a b i l i z a t i o n o f

a c l a s s o f n e u r a l n e t w o r k s w i t h t i m e - v a r y i n g d e -

l a y , " I n : P r o c . o f I E E E I n t . C o n f . C o m p u t . I n t e l -

l i g e n t a n d S e c u r i t y , p p . 4 3 7 - 4 4 0 , N o v . 2 0 0 6 .

[ 8 ] J . H . P a r k , " A n a n a l y s i s o f g l o b a l r o b u s t s t a -

b i l i t y o f u n c e r t a i n c e l l u l a r n e u r a l n e t w o r k s w i t h

d i s c r e t e a n d d i s t r i b u t e d d e l a y s , " C h a o s , S o l u t i o n s

a n d F r a c t a l , v o l . 3 2 , p p . 8 0 0 - 8 0 7 , 2 0 0 7 .

[ 9 ] V . N . P h a t a n d H . T r i n h , " E x p o n e n t i a l s t a b i -

l i z a t i o n o f n e u r a l n e t w o k s w i t h v a r i o u s a c t i v a t i o n

f u n c t i o n s a n d m i x e d t i m e - v a r y i n g d e l a y s " I E E E

T r a n s a c t i o n s o n n e u r a l n e t w o r k s , v o l . 2 1 , n o . 7 ,

p p . 1 1 8 0 - 1 1 8 4 , J u l y 2 0 1 0 .

5





Đặng Thị Oanh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 78(02): 63 - 66

63

RBF STENCILS FOR POISSON EQUATION

Dang Thi Oanh*

Faculty of Information Technology - TNU

ABSTRACTIn the paper we present a method for finding the weight vector called stencil with the help of RBFinterpolation. This stencil is the foundation for constructing meshless finite difference scheme forboundary value problems. The results of numerical experiments show that the numerical solutionobtained by RBF-FD with the stencils generated by Gauss RBF interpolation is much moreaccurate then the solution obtained by FEM.Keyword: Radial Basis Function (RBF), meshless method, shape parameter, stencil

INTRODUCTION

*

Because of the difficulties to create, maintainand update complex meshes needed for thestandard finite difference, finite element orfinite volume discretisations of the partialdifferential equations, meshless methodsattract growing attention. In particular, strongform methods such as collocation orgeneralised finite differences are attractivebecause they avoid costly numericalintegration of the non-polynomial shapefunctions on non-standard domains oftenencountered in those meshless methods thatare based on the weak formulation of PDE.Thanks to their excellent local approximationpower, radial basis functions are an ideal toolto produce numerical differentiation stencilsfor the Laplacian and other partial differentialoperators on irregular centres, without anyneed for a mesh. This leads to exceptionallypromising RBF based generalised finitedifference method.

The essense of the method is to find a weightvector called stencil corresponding a row of stiffness matrix in FEM. In this paper we giveformulas for finding the stencil based onRBF, and then we use them for discretisingthe Poisson equation on a nonuniform set of centres. In [1], [2] for the above purpose weused RBF interpolation with additionalpolynomial term and performed manynumerical examples in complicated geometrydomains with several RBF. In this paper we


concentrate on RBF interpolation withoutadditional polynomial term and test thePoisson equation on the disk domain withRBF-Gaussian. The results of numericalexperiments show that the numerical solutionobtained by RBF-FD with the stencilgenerated by Gauss RBF interpolation ismuch more accurate then the solutionobtained by FEM.

The paper is organised as follows. In Section2 we describe stencils from RBF

interpolation. Section 3 is devoted RBF-FDdiscretisation of Poisson equation and finallySection 4 we provide the results of thenumerical tests with the near-optimal shapeparameter on the disk domain.

STENCILS FROM RBF INTERPOLATION

Definition 1 (stencil) Let D be a lineardifferential operator, and n

ii x X 1

a fixedirregular set of centres in Rd. A linearnumerical differentiation formula for theoperator D,

n

i

ii xu xw x Du1

)()()( , (1)

is determined by the weights iw = )( xwi .The vector T

nwww ,,1 is called stencil.

Definition 2 (positive definite function) Acontinuous function : d R R is calledpositive semi-definite if, for all N n , allsets of pairwise distinct centers

d

n R x x X ,,1 , and all c = (c1, c2,

…, cn) Rn

, the quadratic form






64

k j

n

k

k j

n

j

x xcc 11

(2)

is nonnegative. Function is called positive

definite if the quadratic form is positive for all 0 \ n Rc .

Definition 3 (conditionally positive definitefunction) A continuous function

: d R R is said to be conditionallypositive semi-definite of order m (i.e. to haveconditional positive definiteness of order m)if, for all N n , all sets of pairwise distinctcenters d

n R x x X ,,1 , and alln Rc satisfying

n

j

j j x pc1

0)(

for all real-valued polynomials ( ) p x of degree less than m, the quadratic form

n

k j

k jk j x xcc1,

)(

is nonnegative, is said to be conditionallypositive definite of order m if the quadraticform is positive, unless c is zero.

Definition 4 (Radial Basis Function (RBF)) In the Euclidean space d R setting, an RBF isa function of the form

2

1

n

j j j

x c x x

, (3)

where n x x ,,1 are some scattered points,

and x - x 2 denotes the Euclidean

distance between x and 1; , , j n x c c are

some constants, and is a univariatefunction

.,0: R (4)

Proposition 1 Assume D be a lineardifferential operator. Let R R : is a possitive definite function, set of pairwise

distinct centers d

n R x x X ,,1 and a

function R Ru d : , the RBF interpolations is sought in the form

,)(1

n

j

j j x xa xs x x :)( (5)

Then, the stencil w for the numericaldifferentiation at x is given by

X X

x Dw |)(|1

, (6)Where

X

nn

ji ji X x D x x |)(,)(|,

1,

T

n x x D x x D )(,),( 1

Proof Since

n

j

j j x xa xs1

)( isinterpolation function of function u, we have

,,,1),()( ni xu xs ii

that is

ni xu x xa i ji

n

j

j ,,1),()(1

,( 7)

which can be written in matrix form as thelinear equation

X X ua || ,

with a symmetric positive definite matrix,where

,)(|1,

n

ji ji X x x

T

n X xu xuu )(,),(| 1 , T

naaa ,,1 .

Since the function u is sufficiently smoothand the set of points d

n R x x ,,1 issufficiently dense in a neighbourhood of x RBF interpolant s(x) provides a goodapproximation of u(x) [3]. Moreover, thederivatives of s are good approximations of the derivatives of u if is sufficientlysmooth [3]. Therefore, an approximation of Du(x), where D is a linear differentialoperator annihilating constants, may beconsidered in the form

n

j

n

i

ii j j xuw x x Da x Ds x Du1 1

)()()()(

(8)

where the weights iw (depending on x) existbecause the coefficients ja of theinterpolation function s defined by (5)-(7)depend linearly on the data ni xu i ,,1),( . These weights can be found by solving thesymmetric positive definite linear system

| ( ) | X X w D x , (9)

that is






65

X X x Dw |)(|1

Proposition 2. Assume D be a linear

differential operator. Let R R : is apositive definite or conditionally positivedefinite function order 1l , set of pairwisedistinct centers d

n R x x X ,,1 and afunction R Ru d : , the RBF interpolations is sought in the form

),(~)(1

x p x xa xsn

j

j j

x x :)( ,

where p~ is a polynomial of degree l . Then,the stencil w can be found by solving the

symmetric positive definite linear system

0

|)(

01

1| X

T

X x D

v

w,

where

X

nn

ji ji X x D x x |)(,)(|,

1,

T T

n x x D x x D ]11[:1,,)(,),( 1

Proposition 3 Assume D be a differentialoperator of order k . Let R R : is a positive definite and k 2 times continuouslydifferentiable function. Let

d

n R x x X ,,1 and d

m R y yY ,,1 are two point sets ind R (which may coincide or overlap), and

give a function R Ru d : . Consider theRBF interpolation s is sought in the form

,)(~

)(11

m

j

j j

n

j

j j H y x Db x xa xs

x x :)( ,

where the operator D

~

is defined by theformula RD D ~ , where R is defined by)()( xu x Ru . Then, the stencil ,w for

the numerical differentiation at x can befound from the linear system

n

j

m

j

i ji j ji j x x D x x D x xw1 1

)()(~

)(

,,1 ni

n

j

m

j

ji j ji j y y D D x y Dw

1 1

)(~

)(

.,1),(~

mi y x D D i

RBF-FD DISCRETISATION OF POISSON

EQUATIONIn the finite difference method stencils areused for the discretisation of partialdifferential equations. Consider the Dirichletproblem for the Poisson equation in abounded domain d R : given a function f

defined on , and a function g defined on find u such that

f u on (10)

.| gu (11)

This problem can be discretised with the helpof differentiation formulae (1) as follows. Let

be a finite set discretisation centres, : and \ int . Assume

that for each int a set is

chosen such that and

int

(12)

For each int , choose a linear numerical

differentiation formula for Laplace operator ,

),()( ,

uwu

(13)

with stencil ,w , and replace (10)-

(11) by the system of linear equations

int, ),()(ˆ

f uw (14)

),()(ˆ gu (15)If (14)-(15) is nonsingular, then its solution

Ru :ˆ can be compared with the vector )(| uu of the discretised exact

solution of (10)-(11).

A standard finite difference method isobtained from the above if we take d R to be a square domain, a uniformly spacedgrid, and (13) the classical 5-pointdifferentiation formula for the Laplacian.

NUMERICAL EXAMPLE

In the numerical results of this paper we

restrict our attention to the Gaussian RBF






66

2)()( r er

, which is positive definite forany value of the shape parameter . Fordefiniteness we take 24.1 , which is near-

optimal parameter (see [2]). RBF-FDmeshless method for solving Possion equationas following: For each int , stencil

,w is found by solving the symmetricpositive definite linear system (6), and replace(10)-(11) and we have (14)-(15).

Test Problem Consider Dirichlet problem(10)-(11) with boundary conditions definedby the restriction of the test function on theboundary, where the domain is disk withcentre (0, 0), and radius 1r , the right hand

side is defined by)sin()sin(2),( 2 y x y x f . The exact

solution is )sin()sin(),( y x y xu .

Numerical experiments To assess the qualityof a discrete solution u of the Dirichletproblem defined on a set of discretisationcentres , we consider the root mean square(rms) error against the values of the exactsolution u on int ,

2 / 12

int

.)()(ˆ

#

1:

uurms (16)

Apart from the RBF-FD solutions, thisformula applies to the standard linear finiteelement method with midpoint quadraturerule on the corresponding triangulation. Wewill use rms of the finite element method asreference.

In Figure 1, FEM corresponds to finiteelement method, Gauss-FD corresponds toRBF-FD method (formulas (14)-(15)) with

stencil w defined by (6) in Proposition 1 forRBF Gaussian.

The results of experiments show that the errorin the case of using RBF-FD method basedon the stencil obtained by RBF is much betterin comparison with FEM.

Figure 1. RBF solution with Gaussian on thequasi-uniform FEM centres using FEM stencil

support

REFERENCES

[1]. O. Davydov and D. T. Oanh. Adaptivemeshless centres and RBF stencil for Poissionequation. J. Comput. Phys., (230) 287-304, 2011.[2]. O. Davydov and D. T. Oanh. On optimalshape parameter for Gaussian RBF-FDapproximation for Poission equation. TechnicalReport 2011- 01. University of Strathclyde,Department of Mathematics and Statistics. Jan.2011,http://www.mathstat.strath.ac.uk/research/reports/ 2011.[3]. H. Wendland. Scattered Data Approximation.Cambridge University Press, 2005.

TÓM TẮT VECTƠ TRỌNG SỐ CHO HÀM POISSON

Đặng Thị Oanh*

Khoa Công nghệ thông tin - ĐH Thái Nguyên

Trong bài báo này chúng tôi giới thiệu phƣơng pháp tìm các véc tơ trọng số stencil với sự trợ giúpcủa các hàm nội suy RBF. Các stencil này là cơ sở xây dựng lƣợc đồ không lƣới RBF -FD. Thửnghiệm cho thấy trên cùng một tập tâm, sai số của phƣơng pháp không lƣới RBF -FD bởi cácstencil RBF với tham số hình dạng gần tối ƣu tốt hơn đáng kể sai số của phƣơng pháp FEM. Từ khóa: Hàm cơ sở bán kính (RBF); phương pháp không lưới






Trần Viết Khanh và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 78(02): 67 - 71

67

PHÂN TÍCH KHÔNG GIAN PHÂN VÙNG TUYỂN SINH CÁC TRƢỜNG THPT TỈNH THÁI NGUYÊN TRÊN CƠ SỞ TIẾP CẬN HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÍ (GIS)

Trần Viết Khanh1*, Lê Minh Hải2 1 Đại học Thái Nguyên, 2Trường THPT Khánh Hoà, Thái Nguyên

TÓM TẮT Trong cấu trúc của hệ thống thông tin địa lí (GIS), ngoài các thành phần nhƣ: phần cứng, phầnmềm, cơ sở dữ liệu, yếu tố con ngƣời thì phƣơng pháp tiếp cận (approaches) hay các phƣơng pháp phân tích không gian sẽ quyết định hiệu quả ứng dụng của GIS. Phƣơng pháp phân tích không gianmang tính vừa mang tính đặc thù chuyên ngành vừa mang tính địa lí và cả yếu tố kinh nghiệm. Bài báo giới thiệu một số phƣơng pháp phân tích không gian trên cơ sở ứng dụng phần mềm MapInfotrong nghiên cứu phân vùng tuyển sinh cho các trƣờng THPT của tỉnh Thái Nguyên, từ đó khuyến

nghị ứng dụng mô hình nghiên cứu tƣơng tự trong nghiên cứu địa lí và trong nghiên cứu của cácchuyên ngành khác.Từ khoá: Địa lí, thông tin địa lí, GIS, phân tích, phân tích không gian, MapInfo

ĐẶT VẤN ĐỀ*

Phân tích không gian (spatial analysis) hay sốliệu thống kê không gian (spatial statistics) bao gồm các kỹ thuật nghiên cứu các thực thểtrong không gian trên cơ sở sử dụng dữ liệutôpô, hình học hay địa lý học. Thuật ngữ phântích không gian đề cập đến một loạt các kỹ

thuật, phƣơng pháp tiếp cận khác nhau và ápdụng trong các lĩnh vực nhƣ thiên văn học, vũ trụ, đo đạc, quy hoạch...Cụm từ thƣờng đƣợcsử dụng với một ý nghĩa giới hạn hơn để môtả các kỹ thuật áp dụng cho trong việc phântích dữ liệu địa lý, thậm chí đôi khi đƣợcdùng để chỉ một kỹ thuật cụ thể trong mộtnghiên cứu cho một khu vực lãnh thổ cụ thể.

Các hệ GIS hiện đại có nhiều phƣơng pháp phân tích hiệu quả, trong đó có hai hƣớng phân tích quan trọng đặc biệt là phân tích liềnkề và phân tích chồng xếp.

Phân tích liền kề là các phân tích theo chiềungang của không gian địa lí có liên quan đếnsự thay đổi về khoảng cách, thay đổi vị trí củađối tƣợng địa lí. Phân tích liền kề thôngthƣờng còn là phân tích chỉ ra sự khác biệt, sosánh giữa các đối tƣợng hoặc phân tích vùngđệm. Phân tích liền kề chủ yếu xử lí trên mộtlớp bản đồ.

* Tel:0912187118

Phân tích chồng xếp là sử dụng một số lớp bản đồ để sinh ra thông tin mới và các đốitƣợng mới. Trong nhiều trƣờng hợp, đốitƣợng địa lí sẽ đƣợc tạo lại. Phân tích chồngxếp khá tốn thời gian và phụ thuộc vào nhómcác ứng dụng có tính chất sâu, khi hệ thốngđƣợc khai thác sử dụng ở mức độ cao hơn là

đƣợc sử dụng cho từng vùng cụ thể. Phân tíchchồng xếp là quá trình tích hợp các lớp thôngtin khác nhau. Các thao tác phân tích đòi hỏimột hoặc nhiều lớp dữ liệu phải đƣợc liên kếtvới nhau.

Các phân tích không gian là đặc trƣng cơ bảncủa GIS. Trên cơ sở hiểu các chức năng phântích không gian có thể giúp chung ta đƣa ranhiều hƣớng nghiên cứu sự phát triển và phân bố của các hiện tƣợng địa lí khác nhau.

Ứng dụng GIS trong phân tích sự phát triển

mạng lƣới các trƣờng THPT tỉnh Thái Nguyên dƣới góc độ tiếp cận GIS đã mạng lạihiệu quả nhất định.

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀTHẢO LUẬN

Công tác tuyển sinh là một công việc thƣờngxuyên của các trƣờng THPT. Hiện nay việc phân vùng tuyển sinh ở Thái Nguyên đƣợc phân theo cấp huyện. Đối với các huyện(thành phố, thị xã) có nhiều trƣờng THPT thì

địa bàn tuyển do UBND cấp huyện quy định.






68

Đối với các trƣờng giáp ranh các huyện có thểtuyển ở địa bàn lân cận giữa các huyện.

Qua khảo sát thực tế và quy trình tuyển sinhđầu vào của các trƣờng THPT trên đại bàntỉnh Thái Nguyên có thể thấy rằng, cáctrƣờng THPT trên địa bàn chƣa có vùngtuyển sinh rõ ràng.

Khu vực thành phố Thái Nguyên với 11trƣờng, ngoài trƣờng THPT Chuyên, Dân tộcnội trú tỉnh, các trƣờng có lịch sử phát triểnvà đƣợc đầu tƣ từ lâu nhƣ các trƣờng THPTLƣơng Ngọc Quyến, Gang Thép, Chu VănAn đã có sức hút mạnh, chất lƣợng đầu vàocao, trƣờng còn lại dù có điều kiện cơ sở vậtchất đầy đủ, song số lƣợng và chất lƣợng họcsinh thấp hơn nhƣ trƣờng THPT Ngô Quyền,Dƣơng Tự Minh. Khu vực các huyện tìnhtrạng cũng tƣơng tự. Học sinh gần trƣờng màkhông học tại trƣờng mà lại đi học trƣờng xahơn. Đó là tình trạng của các trƣờng mớithành lập, dù có điều kiện xây dựng mới,song học sinh đăng ký học lại ít nên phảinhận lại hồ sơ của các trƣờng khác. Cáchuyện nhƣ Đại Từ, Phú Lƣơng hiện nay vẫncòn tình trạng học sinh phải di chuyển đến

trƣờng với khoảng cách tới 15km, nhiều họcsinh phải ở trọ.

Nguyên nhân chính của tình trạng trên là cáccấp quản lí thiếu một công cụ hoạch địnhvùng tuyển sinh dẫn đến tuyển sinh tự phát.Hầu hết các huyện không đƣa ra một phƣơngán phân vùng dù là phƣơng án định tính.

Sức hút tuyển sinh của các trƣờng THPT cóbề dày lịch sử phát triển ngày càng vƣơn xatheo các trục giao thông. Sự phát triển nhanhcủa mạng lƣới giao thông công cộng, đặc biệt

là mạng lƣới xe buýt đã rút ngắn khoảng cáchvà thời gian di chuyển đến trƣờng của họcsinh đã làm nảy sinh xu hƣớng học sinh chấpnhận đi học trƣờng xa.

Hậu quả dẫn đến nhiều trƣờng không đủ chỉ tiêu tuyển sinh và phải xét tuyển lại những học sinh bị loại của trƣờng khác, trong khi đó,nhiều học sinh ở khu vực các huyện có xuhƣớng thi tuyển sinh tại các trƣờng ở thành phố. Điều này đã phá vỡ không gian tuyển sinh của các trƣờng, dẫn đến mất cân bằng

quy mô và chất lƣợng đầu vào giữa các

trƣờng, mất công bằng giữa số học sinh bịloại giữa các trƣờng.

Để tạo điều kiện thuận lợi cho ngƣời học vàthuận lợi cho các nhà trƣờng có đầu vàotƣơng đối ổn định, chúng tôi áp dụng thử môhình phân vùng tuyển sinh với yêu cầu sinhthoả mãn một số điều kiện sau:

- Số học sinh dự tuyển phù hợp với năng lựctuyển sinh mới lớp 10 của từng trƣờng.

- Học sinh dự tuyển theo vùng tuyển gồm cácxã, phƣờng, sao cho thuận tiện về giao thông,cự li hợp lý khi đi đến trƣờng, không bị chicắt bởi địa hình.

- Các trƣờng THPT ở trong vùng giáp ranhgiữa các huyện tuyển sinh thuộc các địa bànlân cận.

Do đặc thù chung của các trƣờng chuyên biệtnhƣ THPT Chuyên, Nội trú tỉnh tuyển trên phạm vi toàn tỉnh và chủ trƣơng các trƣờngngoài công lập chủ yếu tuyển sinh nguyệnvọng 2 của các thí sinh nên việc phân vùng sẽkhông xét tới diện tuyển sinh của các trƣờngnày.

Để đáp ứng các điều kiện trên, cần xác định:

- Năng lực tuyển sinh của các trƣờng trên cơ sở chỉ tiêu tuyển của từng trƣờng xem đápứng bao nhiêu % tổng chỉ tiêu toàn tỉnh.

- Các trƣờng thuộc vùng giáp ranh là nhữngtrƣờng nào.

Ứng dụng phần mềm MapInfo, dùng phƣơ ngpháp phân tích Redistricts để sắp xếp các đốitƣợng đồ hoạ trên bản đồ thành các vùng khácnhau. Khi thực hiện chọn nhóm các đối tƣợngđồ hoạ thành các vùng theo một tiêu chí dữliệu, phần mềm sẽ tự động tính toán tổng dữ

liệu hoặc % dữ liệu cho các vùng do ngƣờidùng tạo ra. Khi thêm bớt đối tƣợng đồ họatrong vùng thì số liệu tổng hoặc số liệu % sẽthay đổi theo. Mỗi vùng đƣợc tạo ra sẽ tựđộng có màu nền để dễ phân biệt.

Áp dụng cụ thể trong phân vùng tuyển sinh làchọn các đối tƣợng vùng (các xã) trên bản đồthành các vùng tuyển sinh cho mỗi trƣờngTHPT dựa trên số học sinh lớp 9 của từng xãtrong vùng tuyển. Phần mềm tự động tínhtổng và % số học sinh lớp 9 dự tuyển trong

vùng tuyển sinh. Dữ liệu của mỗi vùng tuyển






69

sinh có giá trị tƣơng ứng với năng lực đào tạocủa trƣờng THPT đó.

Theo mô hình phân tích nhƣ hình 1, các bƣớc tiến hành cụ thể nhƣ sau: Mở đồng thời các lớp bản đồ nhƣ: Lớp hànhchính tỉnh (TN_Tinh.TAB); lớp hành chínhhuyện (TN_Huyen.TAB); lớp hành chính xã(TN_Xa.TAB); lớp địa hình(TN_Diahinhtopo.TAB); lớp giao thông(TN_Giaothong.TAB); lớp điểm trƣờng (TN_THPT.TAB)

Bƣớc 1: Xác định năng lực tuyển sinh của cáctrƣờng THPT

Bƣớc này sử dụng liên kết CSDL từ 2 lớp: - Lớp TN_Tinh.TAB: sử dụng dữ liệu tổngchỉ tiêu toàn tỉnh đƣợc cập nhật ở Fieldtongchitieutinh.

- Lớp TN_THPT: có CSDL của Fieldchitieuts có dữ liệu chỉ tiêu từng trƣờng.

Tính năng lực tuyển sinh từng trƣờng:Mở Browser bảng của lớp TN_THPT. Thêmtrong cấu trúc bảng một Field với tên: Nanglucts. Tính năng lực tuyển sinh bằnglệnh Update Colunm với giá trị của cột là %trong chỉ tiêu toàn tỉnh, hàm sử dụng là:(chitieuts)x100/(tongchitieutinh).

Bƣớc 2: Tạo Field Thitaitruong cho lớpTN_Xa.TAB

Mục đích của việc Field Thitaitruong nhằm

trả lời câu hỏi: Xã nào cùng một vùng tuyểnsinh? Field Thitaitruong là cơ sở phân vùngvà sẽ đƣợc phần mềm tự động gán dữ liệu khiphân vùng.

Hình 1. Mô hình phân vùng tuyển sinh bằng lệnh Redistricts






70

Bƣớc 3: Tiến hành phân vùng bằng lệnhRedistrictsChọn lệnh: Window \New Redistricts

Window. Xuất hiện cửa sổ, thực hiện khaibáo hình 2.

Hình 2. Khai báo lệnh phân vùng

Bƣớc 4: Phân vùng tuyển sinh cho cáctrƣờng. Chọn Redistrict \ Add district để nhập têntrƣờng cần tạo vùng tuyển sinh. Nhập tên trƣờng VD: Định Hoá. Dùng công cụ Select, giữ phím Shift và chọnlần lƣợt các xã trên bản đồ, quan sát sự thayđổi số liệu ở cột Pct(Hslop9). Khi số liệu đạtso với chỉ tiêu năng lực tuyển sinh, dừng chọn

thêm xã, chọn Redistrict \Assign SelectedObjects để tạo vùng. Vùng đƣợc thiết lập vàcó mầu sắc riêng.Tiến hành thao tác tƣơng tự cho các điểm trƣờng còn lại. Các vùng tuyển sinh đƣợc thiết lập và thể hiện nhƣ hình 3.

Để đảm bảo yêu cầu thuận tiện về giao thôngđi lại cho học sinh và có tính đến sự chia cắtđịa hình, khi chọn các xã thành một vùng cần

lƣu ý chọn các xã bám trong cùng một vùngtuyển sinh bám theo trục giao thông và không bị cách trở do địa hình.

Kết quả sau khi hiệu chỉnh mầu sắc và chúgiải, đƣợc bản đồ phân vùng đƣợc thể hiệnnhƣ hình 4. KẾT LUẬN Việc phân vùng tuyển sinh dựa trên cơ sở tiếpcận ứng dụng hệ thông thông tin địa lí (GIS)đã giải quyết đƣợc một bài toán thực tế.Phƣơng pháp phân vùng tuyển sinh đã dựatrên cơ sở định lƣợng đầu vào của các trƣờngcó tính đến sự tác động của các yếu tố địa líkhác. Phƣơng pháp phân tích không giantrong ví dụ phân vùng tuyển sinh là cơ sở đểcác nhà quản lí giáo dục căn cứ để ứng dụngtrong quy hoạch mạng lƣới điểm trƣờng họcvà đã phần nào khẳng định những ứng dụngmạnh mẽ của GIS trong việc giải các bài toántrong thực tế. Phƣơng pháp phân vùng trên cơ sở phân tíchkhông gian có hƣớng ứng dụng rộng rãi trongnhiều lĩnh vực nhƣ: nghiên cứu thị trƣờng để bố

trí các điểm siêu thị, chọn địa điểm đặt cửahàng, dự báo sức chứa của vùng, bố trí các điểmquan trắc, phân khu quản lí rừng... Kết quảnghiên cứu phƣơng pháp phân vùng trên cơ sở tiếp cận GIS bằng phần mềm MapInfo cần đƣợcsử dụng trong các phân tích của địa lí học.

Hình 3. Thực hiện phân vùng tuyển sinh bằng lệnh Redistrict






71

Hình 4. Bản đồ phân vùng tuyển sinh của các trƣờng THPT tỉnh Thái Nguyên


[1]. Nguyễn Đức Bình (2006), Hướng dẫn sử dụng MapInfo Professional 7.5, Đại học nông lâm TP.Hồ Chí Minh. [2]. Trần Viết Khanh (2008), Ứng dụng tin họctrong nghiên cứu và dạy học địa lí, NXB Giáodục, Hà Nội.

[3]. Huỳnh Lê Khoa (2005), Liên kết mô hình, hệthông tin địa lí và cơ sở dữ liệu để ứng dụng trong công tác quản lí tài nguyên nước dưới đất, Sở Tài Nguyên và Môi trƣờng TP Hồ Chí Minh.[4]. Lê Văn Trung, ThS. Nguyễn Văn Hiệp(2009), Ứng dụng hệ thống thông tin địa lí (GIS)

trong phân tích thông tin thị trường, Đặc san Viễnthám và Địa tin học, Trung tâm Viễn thám quốcgia, Bộ Tài Nguyên và Môi trƣờng.[5]. Sở Giáo dục và đào tạo Thái Nguyên, Báo cáo

tổng kết và phương hướng nhiệm vụ các năm học2005-2009, Quy hoạch mạng lưới các trường học

giai đoạn 2005-2010, Thái Nguyên.

Tài liệu tiếng Anh từ internet: [6]. YokoMakino, Seisuke Watanabe (2002), The

application of GIS to the school mapping in

Bangkok, http://www.gisdevelopment.net/application

SUMMARYSPATIAL ANALYSIS METHODS REGIONAL DISTRIBUTIONOF SCHOOL ENROLLMENT High THAI NGUYEN BASED ACCESSGEOGRAPHIC INFORMATION SYSTEM (GIS)

Tran Viet Khanh

1*

, Le Minh Hai

2

1Thai Nguyen University,

2Khanh Hoa High School, Thai Nguyen

In the structure of geographical information systems (GIS), external components such as hardware,software, databases, human factors, the approach (approaches) or the method of analysis does nottime will determine the effectiveness of GIS applications. Spatial analysis methods nature hasbrought major characteristics have both geographical factors and experience. This paper presents amethod of spatial analysis based on MapInfo software applications in the partition studyenrollment for high schools in the province of Thai Nguyen, which recommended the applicationmodel similar studies in the research geographical research and study of other subjectsKeywords: Geography, Information, GIS, Spatial analysis, MapInfo

* Tel: 0912187118






72





Trần Thị Phả và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 78(02): 73 - 77

73

ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG MÔI TRƢỜNG NƢỚC HỒ THÀNH CÔNG - QUẬN BA ĐÌNH - THÀNH PHỐ HÀ NỘI

Trần Thị Phả*, Nguyễn Tiến ThànhTrường Đại học Nông lâm – ĐH Thái Nguyên

TÓM TẮT Đánh giá hiện trạng môi trƣờng nƣớc Hồ Thành Công, quận Ba Đình, thành phố Hà Nội cho thấyhàm lƣợng các chất ô nhiễm nhìn chung đều không vƣợt quá tiêu chuẩn cho phép loại B1 - QCVN08: 2008/BTNMT về chất lƣợng nguồn nƣớc mặt, trừ một số chỉ tiêu nhƣ amoni (NH4

+) và nitrit(NO2

-). Trong đó hàm lƣợng pH và DO đạt loại B, BOD5 và COD đạt tiêu chuẩn cho phép loại B1,TSS đạt tiêu chuẩn loại A2. Ảnh hƣởng lớn nhất của việc xả thải nƣớc thải chƣa qua xử lý ra hồlàm cho hàm lƣợng amoni vƣợt giới hạn cho phép loại B2 là 1,53 lần và nitrit vƣợt giới hạn cho phép loại B1 là 12,75 lần.

Từ khóa: môi trường nướ c, ô nhiễm nướ c mặ t, hồ Thành Công

ĐẶT VẤN ĐỀ*

Phần lớ n các hồ Hà Nội có nguồn gốc từ cácvùng trũng hoặc từ các nhánh sông, trên nềnđất trẻ. Do các đô thị có địa hình tƣơng đốibằng phẳng nên mật độ ao hồ và kênh mƣơngthoát nƣớ c trong thành phố tƣơng đối cao,chiếm khoảng 10-15% diện tích đô thị. Cáchồ thƣờ ng kết hợ p vớ i nhau tạo thành hệ thống hồ đa chức năng: vui chơi giải trí, điều

hoà nƣớc mƣa, tiếp nhận và làm sạch nƣớ cthải, nuôi cá… Hệ thống hồ là khu sinh tháiđô thị, tạo cảnh quan cho thành phố. Tuynhiên việc xả nƣớ c thải không kiểm soát vàohồ cũng nhƣ còn nhiều bất cập trong quản lýnên chất lƣợ ng nƣớ c hồ bị giảm sút.

Hồ Thành Công thuộc địa bàn quận Ba Đình,TP Hà Nội, hồ nằm trong hệ thống hồ GiảngVõ - Ngọc Khánh - Thành Công - Đống Đa -sông Tô Lịch vớ i chức năng chính là điều hoànƣớc mƣa và làm sạch nƣớ c thải, chủ yếu là

nƣớ c thải sinh hoạt trong khu vực. Trongnhững năm gần đây do quá trình đô thị hoánhanh, việc xây dựng hệ thống thoát nƣớ ckhông theo kịp tốc độ đô thị hoá. Độ sâu củahồ giảm do nƣớc mƣa cuốn trôi bề mặt, dothải các loại chất thải rắn. Việc xả nƣớ c thảichƣa qua xử lý đã làm cho hồ bị nhiễm bẩngây ảnh hƣở ng tới đờ i sống, sản xuất và sinhhoạt của ngƣờ i dân khu vực phƣờ ng ThànhCông, quận Ba Đình, thành phố Hà Nội.

* Tel: 0982.091.200; Email: [email protected]

NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP

NGHIÊN CỨU

1. Nội dung nghiên cứu

- Đánh giá hiện trạng môi trƣờng nƣớc hồThành Công, quận Ba Đình, thành phố Hà Nội.

2. Phƣơng pháp nghiên cứu

a. Phương pháp kế thừa

- Thu thập và kế thừa các số liệu đã có trƣớ cđây liên quan đến khu vực nghiên cứu.

b. Phương pháp lấy mẫu nước hồ

- Lấy mẫu nƣớ c hồ theo quy định tại TCVN5994:1995 (ISO 5667-4:1987), và bảo quảntheo TCVN 5993:1995 (ISO 5667-3:1985).

Hình 1. Sơ đồ vị trí lấy mẫu tại hồ Thành Công

c. Phương pháp phân tích các chỉ tiêu trong phòng thí nghiệm

- pH - Xác định bằng máy đo pH (pH meter) theoTCVN 6492:1999.






74

- Hàm lƣợng oxy hòa tan (DO): Sử dụng máyđo oxy hòa tan điện cực màng theo TCVN5499:1995.

- Nhu cầu oxy hóa hóa học (COD): Oxy hóa bằng K 2Cr2O7 trong môi trƣờng axit theoTCVN 6491:1999.

- Nhu cầu oxy hóa sinh học (BOD5): Phƣơng pháp cấy và pha loãng theo TCVN 6001:1995(ISO 5815-1989).

- Amoni (NH4+): Xác định bằng phƣơng pháp

Indophenol xanh.

- Nitrit (NO2-) - Xác định bằng phƣơng pháp

trắc phổ hấp thụ nguyên tử theo TCVN

6178:1996. - Tổng chất rắn lơ lửng (TSS) - Phƣơng pháplọc qua cái lọc sợi thủy tinh theo TCVN6625:2000 (ISO 11923-1997).

d. Phương pháp so sánh đánh giá

- So sánh các kết quả phân tích đƣợc với Quychuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lƣợng nƣớcmặt Việt Nam - QCVN 08: 2008/BTNMT.

e. Phương pháp chuyên gia

- Hỏi ý kiến các chuyên gia và đƣa ra nhữngvấn đề quan tâm nhờ các chuyên gia thảo luận

cho ý kiến và kết luận chung.


1. Đánh giá chất lƣợng nƣớc hồ Thành Công

trong các tháng đầu năm 2010 Những tháng đầu năm 2010 do chƣa vào mùamƣa nên mực nƣớc trong hồ thấp, nƣớc hồkhông có sự lƣu thông, các chất hữu cơ, rácthải và nƣớc thải sinh hoạt tích lũy trong hồ.

Chất lƣợng nƣớc hồ Thành Công những thángđầu năm 2010 đƣợc thể hiện trong bảng 1.

- Ký hiệu: NM1,2,3,4...: nƣớc lấy mẫu tại vịtrí 1,2,3,4...

- Thời gian lấy mẫu: 8h - 10h

Với mục đích sử dụng của hồ Thành Công lànuôi trồng thủy sản và vui chơi giải trí trênmặt nƣớc, chất lƣợng nƣớc hồ Thành Công phải đạt chất lƣợng A2 hoặc phải đạt chấtlƣợng B1 của QCVN 08:2008/BTNMT. Tuynhiên quả kết quả phân tích cho thấy:

+ pH: giá trị pH dao động trong khoảng từ7,60 - 9,29, giá trị cao nhất pH = 9,29 đã vƣợtgiới hạn loại B QCVN 1,03 lần. Đối chiếu vớikhoảng pH cho phép của quy chuẩn kỹ thuật

thì nƣớc hồ chỉ đạt mức B1 và B2.Bảng 1. Kết quả phân tích chất lƣợng nƣớc hồ Thành Công năm 2010

Ngày lấy mẫu 1/2 1/3 2/3 4/3 5/3 10/3 11/3 12/3 17/3 18/3 QCVN 08: 2008/BTNMT

Thông số Đơn vị Kết quả

B1 B2NM1 NM2 NM3 NM4 NM5 NM6 NM7 NM8 NM9 NM10

pH - 7,6 8,89 8,98 9,29 9,26 7,72 8,40 8,97 8,27 8,46 5,5-9 5,5-9TSS (mg/l) 19 25 15 19 21 19 10 20 14 20 < 50 100DO (mg/l) 4,2 5,5 4,1 4,3 4,9 4,5 5,2 4,9 5,1 5,4

BOD5 (mg/l) 10,4 6,1 8,8 9,6 6,7 12,6 8,5 11,2 9,3 8,2 15 25COD (mg/l) 26 15 22 24 16 30 21 28 20 21 30 50

N-NH4+ (mg/l-N) 1,53 0,35 0,15 0,06 0,02 0,12 0,12 0,09 0,21 0,18 0,5 1

N-NO2- (mg/l-N) 0,272 0,109 0,51 0,173 0,154 0,201 0,194 0,185 0.28 0,266 0,04 0,05

Hình 2. Diễn biến kết quả phân tích chỉ tiêu pH tại 10 vị trí lấy mẫu

0

2

4

6

8

10

NM1 NM3 NM5 NM7 NM9 A1 B1

TCCP






75

+ TSS: dao động từ 10 - 25 mg/l: 70% giá trịTSS đo đƣợc có giá trị cao hơn 15 mg/l,nhƣng không có giá trị nào vƣợt quá 30 mg/l.

Nhƣ vậy TSS của nƣớc hồ Thành Công đạtchất lƣợng B1 của QCVN.

+ DO: Giá trị DO đạt đƣợc trong khoảng 4,1 -5,5 mg/l, chỉ có 40% giá trị đạt ≥5 mg/l; điềuđó có nghĩa là nƣớc hồ Thành Công chủ yếucó giá trị DO ≥ 4 mg/l và đạt chất lƣợng B1của QCVN.

+ COD: dao động trong khoảng 15 - 30 mgl/l,giá trị thấp nhất đạt 15 mg/l, giá trị cao nhất

đạt 30 mg/l; 80% giá trị đo đƣợc cao hơn 20mg/l; 10% giá trị đo đƣợc xấp xỉ 30mg/l; 10%giá trị đo đƣợc bằng 30 mg/l; không có giá trị

nào vƣợt quá 30 mg/l; Nhƣ vậy nƣớc hồ thànhCông đạt chất lƣợng B1 của QCVN.

+ BOD5: các giá trị dao động trong khoảng 6- 12 mg/l; giá trị đo đƣợc tại các vị trí đềuvƣợt tiêu chuẩn cho phép loại A và đạt tiêuchuẩn cho phép loại B1 của QCVN. Nhƣ vậyđối chiếu với khoảng BOD5 cho phép củaquy chuẩn kỹ thuật thì nƣớc hồ chỉ đạtmức B1 và B2.

Hình 3. Diễn biến kết quả phân tích chỉ tiêu TSS tại 10 vị trí lấy mẫu

Hình 4. Diễn biến kết quả phân tích chỉ tiêu DO tại 10 vị trí lấy mẫu

Hình 5. Diễn biến kết quả phân tích chỉ tiêu COD tại 10 vị trí lấy mẫu

Hình 6. Diễn biến kết quả phân tích chỉ tiêu BOD5 tại 10 vị trí lấy mẫu

0

20

40

60

80

100

NM1 NM2 NM3 NM4 NM5 NM6 NM7 NM8 NM9 NM10 A1 A2 B1 B2

0

1

2

3

4

5

6


0

1

2

3

4

5

6


0

5

10

15

20

25


TCCP

TCCP

TCCP

TCCP






76

Hình 7. Diễn biến kết quả phân tích chỉ tiêu NO2- tại 10 vị trí lấy mẫu

Hình 8. Diễn biến kết quả phân tích chỉ tiêu NH4+ tại 10 vị trí lấy mẫu

+ NO2-: các giá trị dao động trong khoảng

0,109 - 0,51 mg/l- N. Giá trị thấp nhất đạt0,109 mg/l- N đã vƣợt 2,73 lần giới hạn loạiB1; giá trị cao nhất vƣợt 12,75 giới hạn cho phép loại B1. Số liệu cho thấy 100% giá trị đo

đƣợc tại các vị trí lấy mẫu đều vƣợt giới hạncho phép loại B1 và B2 của QCVN; điều nàycho thấy nƣớc hồ Thành Công đã bị ô nhiễm Nitrit khá nặng, vì vậy sẽ gây độc hại lớn đếnhệ động thực vật trong nƣớc hồ.

Nguyên nhân của hiện tƣợng này là do nƣớctrong hồ không đƣợc lƣu thông và duy trìdòng chảy nhất là trong mùa khô, nƣớc hồ saukhi hòa trộn với nƣớc thải lại không đƣợcthay thế bằng nƣớc khác, cùng với nhiều bấtcập trong kỹ thuật cải tạo hồ, đáng lẽ hồ phải

đƣợ c kè theo chiều thẳng đứng và đào sâuhơn, để nƣớ c hồ vẫn tiếp xúc vớ i đất. Nhƣngbê tông lại đƣợc đổ ở khu vực kè làm cho hồ giống nhƣ “bát nƣớ c bẩn”, không thực hiệnđƣợ c chu trình tự nhiên của nó.

+ NH4+: các giá trị dao động trong khoảng

0,02 - 1,53 mg/l- N; giá trị cao nhất đạt 1,53mg/l- N vƣợt cả giới hạn cho phép loại B2 củaQCVN1,53 lần. Đây là vị trí lấy mẫu tại cốngxả nƣớc thải của tòa nhà Petrolimex - cốngnƣớc thải duy nhất vẫn còn chảy trực tiếp vào

hồ trong thời gian này, trong khi các cống

khác đều ngƣng chảy. Với nguồn nƣớc thảichƣa qua xử lý này dễ hiểu vì sao tại điểmnày giá trị amoni lại cao bất thƣờng so vớitiêu chuẩn cho phép loại B của QCVN; 70%giá trị đo cho thấy NH4

+- N thấp hơn 0,2 mg/l

đạt chất lƣợng loại A2; 20% giá trị đo đƣợc từ0,2 đến 0,5 mgl/l đạt tiêu chuẩn loại B1; 10%giá trị đo vƣợt tiêu chuẩn loại B2.

KẾT LUẬN

Qua các kết quả quan trắc đầu năm 2010 chothấy hàm lƣợng các chất ô nhiễm nhìn chungđều không vƣợt quá tiêu chuẩn cho phép loạiB1 - QCVN 08: 2008/BTNMT về chất lƣợngnguồn nƣớc mặt, trừ một số chỉ tiêu nhƣAmoni (NH4

+) và Nitrit (NO2-), cụ thể:

- Chỉ số pH: đạt tiêu chuẩn cho phép loại B

- Hàm lƣợng oxy hòa tan (DO): tại hầu hếtcác vị trí lấy mẫu trong hồ đều đạt tiêu chuẩncho phép loại B.

- Hàm lƣợng BOD5: giá trị đo đƣợc tại các vịtrí đều vƣợt tiêu chuẩn cho phép loại A và đạttiêu chuẩn cho phép loại B1.

- Hàm lƣợng COD: tại các vị trí đều cao hơnchất lƣợng loại A, tuy nhiên vẫn đạt chấtlƣợng loại B1; giá trị thấp nhất đạt 15 mg/l,giá trị cao nhất đạt 30 mg/l vƣợt 2 lần tiêu

chuẩn loại A2;

0

0.1

0.2

0.30.4

0.5

0.6


0

0.4

0.8

1.2

1.6


TCCP

TCCP






77

- Chất rắn lơ lửng (TSS): ở các điểm quantrắc đều đạt tiêu chuẩn loại A2. 70% giá trịTSS đo đƣợc có giá trị cao hơn 15 mg/l,

không có giá trị nào vƣợt quá 30 mg/l. - Hàm lƣợng NH4

+: tại hầu hết các điểm quantrắc đều vƣợt tiêu chuẩn cho phép loại A vàđạt tiêu chuẩn cho phép loại B; Giá trị thấpnhất đạt 0,02 mg/l- N tiêu chuẩn cho phép loạiA; giá trị cao nhất đạt 1,53 mg/l- N vƣợt 1,53lần giới hạn cho phép loại B2

Hàm lƣợng NO2-: tại tất cả các điểm quan trắc

đều vƣợt tiêu chuẩn cho phép loại B, Giá trịthấp nhất đạt 0,109 mg/l- N đã vƣợt 2,73 lầngiới hạn loại B1; giá trị cao nhất đạt 0,51

mg/l- N vƣợt 12,75 giới hạn cho phép loại B1.


[1]. Cục Bảo vệ Môi trƣờng (2003), “ Diễn biến

môi trường nước Việt Nam”, Báo cáo chất lượng môi trường , Hà Nội.

[2]. Trần Đức Hạ, Nguyễn Hữu Hòa, Mai Thị LiênHƣơng (2005), '' Hiện trạng môi trường nước và

một số giải pháp cải thiện chất lượng nước hồ đô

thị Hà Nội'' , Hà Nội.

[3]. Trung tâm phân tích và môi trƣờng (2008),'' Báo cáo hiện trạng môi trường hà Nội năm2008'' , Hà Nội.

[4]. Trung tâm phân tích và môi trƣờng (2008),''Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng

nước'' , Hà Nội.

SUMMARYASSESSEMENT OF WATER QUALITY IN THANH CONG LAKE, BA DINHDISTRICT, HANOI CITY

Tran Thi Pha*, Nguyen Tien ThanhCollege of Agriculture and Forestry - Thai Nguyen University

Assessement of water quality in Thanh Cong Lake, Ba Dinh district, Hanoi city showed thatpollutants generally do not exceed the permitted standard of surface water quality in type B1 -QCVN 08: 2008/BTNMT, excepted for some indicators, such as ammonium (NH4 +) and nitrite

(NO2-). pH and DO concentration reached in standard type B, BOD5 and COD in standard typeB1, TSS in standard type A2. Most influential of the discharge untreated wastewater to the lakemaking the content of ammonium exceeded 1.53 times in the standard type B2 and nitriteexceeded 12.75 times in the standard type B1 .Key words: water environment, surface water pollution, Thanh Cong Lake







78





Nguyễn Vũ Thanh Thanh và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 78(02): 79 - 86

79

CHARACTERISTICS OF THE CYSTATIN GENE IN SOME VIETNAMESEMUNGBEAN CULTIVARS (Vigna radiata (L.) Willzek)

Nguyen Vu Thanh Thanh1, Chu Hoang Mau2*1 Department of Genetics, Faculty of Life Science, College of Science-TNU

2Department of Genetics and Modern Biology, Faculty of Bilogy and Agro-Technic, College of Education-TNU

SUMMARYCystatins are inhibitors of cystein proteases belonging to papain family. In plants, cystatins arefound to be involved in drought stress. This paper our finding about the genes encodingcystatins isolated from Vietnam mungbean cultivars ( Vigna radiata L. Wilczek) with differentlevel of drought tolerance. Genomic DNA of four mungbean cultivars, including two with highdrought tolerance (KP11 and KPS1) and two with low drought tolerance (MN93, 263) are

isolation for gene cloning using cystatin specific primers. Sequencing data of the four clonedcystatin gene fragments proved to be that of cystatin gene with a length of 1115 nucleotides,deviding into 2 exons and 1 intron. The PRF of coding regions of cystatin gene comprises of 267 nucleotides with encoding a polypeptide of 88 amino acids. The nucleotide sequences of thefour cultivars show variations in different sites although the amino acid sequences do not differeach to other and even to that announced under the code AF454396. Possible regulatorydifferences are discussed in relation to the variation found in intron region. Nucleotide sequenceof cystatin gene in the four mungbean cultivars (KP11, KPS1, MN93 and 263) have a high levelof similarity (99.6% - 99.8%), without a change in the 2 exons, but there are 6 the singlenucleotide polymorphism located in the introns. Comparision of the amino acid sequences of genes encoding cystatin in mungbean cultivars (KP11, KPS1, MN93, 263) with one mungbeancultivar on NCBI (AF454396), results shows that amino acid sequences was 100% homologous.The result obtained suggests that need further research on the role of control active of intron

regions When the mungbean cultivars live In drought conditions.Keywords: cystatin gene, drought stress, inhibitors, mungbean, Vigra radiata

INTRODUCTION*

Mungbean [Vigna radiata (L.) Wilczek] is agrain legume widely grown in the tropics andsubtropics and is an excellent source of dietary protein. The yields of mungbean areaffected by various biotic and abiotic stressessuch as diseases, insect pests and waterstresess.

In Viet Nam drought is one of the mostimportant barriers limiting mungbean acreageand yield. Breeding works have been focusedon improvement of drought tolerance andresulted in various cultivars with a range of drought toelrance level. The mechanisms of drought tolerance is yet not sufficientlyunderstood. One of the postulated mechanismfor increasing the drought tolerance is the


increasing of cysteine activities. Cysteineproteases are involved in signalling pathwaysand in the response to biotic and abioticstresses. Most plant cysteine proteases belongto the papain (C1) and legumain (C13)families. Cystatins are inhibitors of cysteineproteases, widely distributed in plant kingdom(Filho et al., 1992; Oliveira et al., 2003; Turket al., 1991). Cystatin genes of Vigna

unguiculata L., Glycine max L., Daucus

carota L., Malus domestica (Diop et al.,2004; Misaka et al., 1996; Ọima et al., 1997;Ryan et al., 2003) have been isolated and wellcharacterized. In this report, we presentresults in characterization of cystatin geneisolated from four mungbean cultivars whichare different in tolerance ability to drought:KP11and KPS1 are drought tolerant and

MN93 and 263 are drought sensitive.






80

MATERIALS AND METHODS

Materials: Four mungbean cultivars (KP11,KPS1, MN93, 263) provided by the LegumeR/D Center of VAAS. According to our testresults KP11 and KPS1 are drought toleranceand MN93 and 263 are drought sensitive.One specific primer pair, including:

CysF: 5’gtcgcaggaactagaaagcgttg 3’

CysR: 5’ctatgcaggtgcctctccaac 3’

Cloning pTZ57R/T vectors. Both primers andvector are supplied by Fermentas company.

Methods: Total DNA is separated from leaf of four mungbean cultivars following the

method of Gawel and Jarnet (1991) withmodifications (Gawel et al., 1991). PCR isperformed in a total volume of 50 l. PCRconditions are: an initial denaturation step of 940C for 3 min, followed by 30 cycles of 940C for 30 sec, 560C for 1 min and 720C for1 min. The final extension step is 720C for 10min. The PCR products are checked by 1%agarose gel electrophoresis. PCR products arecloned into pTZ57R/T. Sequencing wascompleted using ABI3100. Data analysiswas performed by using molecular biologysoftwares.

RESULTS AND DISCUSSIONS

Cloning of cystatin genes from mungbeancultivars

To isolate gene encoding cystatin in genomeof mungbean cultivars, we segregated theDNA total. DNA samples are diluted at TheDNA concentration of 50 ng of all samplewas suitable to amplify the cystatin genefragments. There are no visual difference in

the size of PCR products of all DNA sourcesfrom four cultivars, the size of the PCRproduct expected to be around 1.1 kb (fig1).

Kang et al (2001) submitted a sequence of cystatin gene isolated from mRNA with thesize of only 304 nucleotides because of lacking the intron region, which appears in

our PCR product using genomic DNAs. Todetermine gene sequence, the PCR productswere iserted into the cloning vectorpTZ57R/T and transformed into E.coli strain DH5α and selected by blue/whitetechnique. Plasmids were purified byQIAprep Spin Miniprep for sequencing byABI 3100 using forward and reverseprimers.

Fig 1. PCR products amplified using cystatingenes specific primers and genomic DNA

samples of KP11, MN93, 263 and KPS1mungbean cultivars.M: Marker 1kb; lane 1. KP11; 2. MN93; 3.

263; 4. KPS1

Nucletide sequences of cloned cystatingenes

Totally, there 1115 nucleotides have beenread. The nucleotide sequences are almostsimilar each to other. Only six singlenucleotide polymorphisms could be registedat the positions of 287, 497, 561, 706, 870

and 907(fig. 2). Interesting to note that allnucleotide variations occure in the intronregion, not in the coding exons. Thenucleotide similarity comparison revealed thetwo drought tolerant cultivars is clustering inone group (with 99.7% similarity) and the twodrought sensitive cultivars in another group(with 99.7% similarity) (fig 2).

1.1kb






81

....| ....|....|....|....|....| ....|....|....|....|

10 20 30 40 50

KPS1 ATGTCGCAGG AACTAGAAAG CGTTGAGATC GATAGTTTAG CTCGATTTGC

MN93 ATGTCGCAGG AACTAGAAAG CGTTGAGATC GATAGTTTAG CTCGATTTGC

263ATGTCGCAGG AACTAGAAAG CGTTGAGATC GATAGTTTAG CTCGATTTGC

KP11 ATGTCGCAGG AACTAGAAAG CGTTGAGATC GATAGTTTAG CTCGATTTGC

....|....| ....|....| ....|....| ....|....| ....|....|

60 70 80 90 100

KPS1 TGTTGAAGAA CACAACAAAA AACAGGTTTT TCTTTTTCCT TTCACACACC

MN93 TGTTGAAGAA CACAACAAAA AACAGGTTTT TCTTTTTCCT TTCACACACC

263 TGTTGAAGAA CACAACAAAA AACAGGTTTT TCTTTTTCCT TTCACACACC

KP11 TGTTGAAGAA CACAACAAAA AACAGGTTTT TCTTTTTCCT TTCACACACC

....|....| ....|....| ....|....| ....|....| ....|....|

110 120 130 140 150

KPS1 CTTTATTTTT TTTTCCCTTC AAAAAGATTA AAGAAATTTG TACCACTCAT

MN93 CTTTATTTTT TTTTCCCTTC AAAAAGATTA AAGAAATTTG TACCACTCAT

263 CTTTATTTTT TTTTCCCTTC AAAAAGATTA AAGAAATTTG TACCACTCAT

KP11 CTTTATTTTT TTTTCCCTTC AAAAAGATTA AAGAAATTTG TACCACTCAT

....|....| ....|....| ....|....| ....|....| ....|....|

160 170 180 190 200

KPS1 TATGTTTTGC TCTGTATCTT ATGCTTCTCG AGAAATTCCC AAGCTTTCTG

MN93 TATGTTTTGC TCTGTATCTT ATGCTTCTCG AGAAATTCCC AAGCTTTCTG

263 TATGTTTTGC TCTGTATCTT ATGCTTCTCG AGAAATTCCC AAGCTTTCTG

KP11 TATGTTTTGC TCTGTATCTT ATGCTTCTCG AGAAATTCCC AAGCTTTCTG

....|....| ....|....| ....|....| ....|....| ....|....|

210 220 230 240 250

KPS1 TTGGTTTCCT ATTGGGTCTG ATCGTTGATC GGTTTCGGCC ACGCCAAGAT

MN93 TTGGTTTCCT ATTGGGTCTG ATCGTTGATC GGTTTCGGCC ACGCCAAGAT

263 TTGGTTTCCT ATTGGGTCTG ATCGTTGATC GGTTTCGGCC ACGCCAAGAT

KP11 TTGGTTTCCT ATTGGGTCTG ATCGTTGATC GGTTTCGGCC ACGCCAAGAT

....|....| ....|....| ....|....| ....|....| ....|....|

260 270 280 290 300

KPS1 TTCTTCAGAG ATTCACATGT TTGATTATAT TATCTCTTTT GTTTGATTAA MN93 TTCTTCAGAG ATTCACATGT TTGATTATAT TATCTCCTTT GTTTGATTAA

263 TTCTTCAGAG ATTCACATGT TTGATTATAT TATCTCTTTT GTTTGATTAA

KP11 TTCTTCAGAG ATTCACATGT TTGATTATAT TATCTCTTTT GTTTGATTAA

....|....| ....|....| ....|....| ....|....| ....|....|

310 320 330 340 350

KPS1 CAATAATTGT TAACTTTTAG ATTTTTCTTC TGGGGATAAT GGGGTTCTTC

MN93 CAATAATTGT TAACTTTTAG ATTTTTCTTC TGGGGATAAT GGGGTTCTTC

263 CAATAATTGT TAACTTTTAG ATTTTTCTTC TGGGGATAAT GGGGTTCTTC

KP11 CAATAATTGT TAACTTTTAG ATTTTTCTTC TGGGGATAAT GGGGTTCTTC

....|....| ....|....| ....|....| ....|....| ....|....|

360 370 380 390 400

KPS1 TGTTGTTGGA TTGATTTTGT TCTGAGGTAG AGTTTTCTAA GAAGAGAATG

MN93 TGTTGTTGGA TTGATTTTGT TCTGAGGTAG AGTTTTCTAA GAAGAGAATG

263 TGTTGTTGGA TTGATTTTGT TCTGAGGTAG AGTTTTCTAA GAAGAGAATG

KP11 TGTTGTTGGA TTGATTTTGT TCTGAGGTAG AGTTTTCTAA GAAGAGAATG

....|....| ....|....| ....|....| ....|....| ....|....|

410 420 430 440 450

KPS1 TTAAAGATAA TTTTGTGAAT ATACTGTGTT ATTAGCTTAA ATTTATTGTA

MN93 TTAAAGATAA TTTTGTGAAT ATACTGTGTT ATTAGCTTAA ATTTATTGTA

263 TTAAAGATAA TTTTGTGAAT ATACTGTGTT ATTAGCTTAA ATTTATTGTA

KP11 TTAAAGATAA TTTTGTGAAT ATACTGTGTT ATTAGCTTAA ATTTATTGTA

....|....| ....|....| ....|....| ....|....| ....|....|

460 470 480 490 500

KPS1 AATTGCTAAA TTTTCTAAGT TTTGTTTCTT ATATATAGTA TCAGACGTGA

MN93 AATTGCTAAA TTTTCTAAGT TTTGTTTCTT ATATATAGTA TCAGAC A TGA

263 AATTGCTAAA TTTTCTAAGT TTTGTTTCTT ATATATAGTA TCAGAC A TGA

KP11 AATTGCTAAA TTTTCTAAGT TTTGTTTCTT ATATATAGTA TCAGAC A TGA






82

....|....| ....|....| ....|....| ....|....| ....|....|

510 520 530 540 550

KPS1 TTTTAATAAC TTCCAAAATA GTTCAATCAT TAATGGAGAG TAACTTAGAA

MN93 TTTTAATAAC TTCCAAAATA GTTCAATCAT TAATGGAGAG TAACTTAGAA

263TTTTAATAAC TTCCAAAATA GTTCAATCAT TAATGGAGAG TAACTTAGAA

KP11 TTTTAATAAC TTCCAAAATA GTTCAATCAT TAATGGAGAG TAACTTAGAA

....|....| ....|....| ....|....| ....|....| ....|....|

560 570 580 590 600

KPS1 GGAAAATATT TCAGAGTGTG TAGGCAGATC TATTTGGAAA AATAAGCCAA

MN93 GGAAAATATT TCAGAGTGTG TAGGCAGATC TATTTGGAAA AATAAGCCAA

263 GGAAAATATT TCAGAGTGTG TAGGCAGATC TATTTGGAAA AATAAGCCAA

KP11 GGAAAATATT CCAGAGTGTG TAGGCAGATC TATTTGGAAA AATAAGCCAA

....|....| ....|....| ....|....| ....|....| ....|....|

610 620 630 640 650

KPS1 TATTTGCCTA ACAAAGTATC TTCTACCGAA CATGCACTTT GCCTCAGTGT

MN93 TATTTGCCTA ACAAAGTATC TTCTACCGAA CATGCACTTT GCCTCAGTGT

263 TATTTGCCTA ACAAAGTATC TTCTACCGAA CATGCACTTT GCCTCAGTGT

KP11 TATTTGCCTA ACAAAGTATC TTCTACCGAA CATGCACTTT GCCTCAGTGT

....|....| ....|....| ....|....| ....|....| ....|....|

660 670 680 690 700

KPS1 GGTATGGTGC AAAGCGGGTG AGAGAGAGCA AAAAGTTATG ATGCAAATAT

MN93 GGTATGGTGC AAAGCGGGTG AGAGAGAGCA AAAAGTTATG ATGCAAATAT

263 GGTATGGTGC AAAGCGGGTG AGAGAGAGCA AAAAGTTATG ATGCAAATAT

KP11 GGTATGGTGC AAAGCGGGTG AGAGAGAGCA AAAAGTTATG ATGCAAATAT

....|....| ....|....| ....|....| ....|....| ....|....|

710 720 730 740 750

KPS1 TTGTC A TTTG AAGCTTGTGG AAGCCCATAA TCCATTATCA GAAGCCAGAA

MN93 TTGTCGTTTG AAGCTTGTGG AAGCCCATAA TCCATTATCA GAAGCCAGAA

263 TTGTC A TTTG AAGCTTGTGG AAGCCCATAA TCCATTATCA GAAGCCAGAA

KP11 TTGTC A TTTG AAGCTTGTGG AAGCCCATAA TCCATTATCA GAAGCCAGAA

....|....| ....|....| ....|....| ....|....| ....|....|

760 770 780 790 800

KPS1 TTGATTATTG ATTGTTAGGA TAAATTCTGC ATTTATCGTA TGTCAATGAA MN93 TTGATTATTG ATTGTTAGGA TAAATTCTGC ATTTATCGTA TGTCAATGAA

263 TTGATTATTG ATTGTTAGGA TAAATTCTGC ATTTATCGTA TGTCAATGAA

KP11 TTGATTATTG ATTGTTAGGA TAAATTCTGC ATTTATCGTA TGTCAATGAA

....|....| ....|....| ....|....| ....|....| ....|....|

810 820 830 840 850

KPS1 TAAATGGTTT TGTGGCGTGA ATTTTAACAA CAAAGTTTGT CGTTTTTTTC

MN93 TAAATGGTTT TGTGGCGTGA ATTTTAACAA CAAAGTTTGT CGTTTTTTTC

263 TAAATGGTTT TGTGGCGTGA ATTTTAACAA CAAAGTTTGT CGTTTTTTTC

KP11 TAAATGGTTT TGTGGCGTGA ATTTTAACAA CAAAGTTTGT CGTTTTTTTC

....|....| ....|....| ....|....| ....|....| ....|....|

860 870 880 890 900

KPS1 TTTGTAGTAA TAGAAATGCT AACTGGTGTC TATTTTTATT TTGTTTTTAT

MN93 TTTGTAGTAA TAGAAATGC A AACTGGTGTC TATTTTTATT TTGTTTTTAT

263 TTTGTAGTAA TAGAAATGC A AACTGGTGTC TATTTTTATT TTGTTTTTAT

KP11 TTTGTAGTAA TAGAAATGC A AACTGGTGTC TATTTTTATT TTGTTTTTAT

....|....| ....|....| ....|....| ....|....| ....|....|

910 920 930 940 950

KPS1 TGATTGGTGA TGGCTATATA CAGAACGCCC TTCTGGAGTT TGGAAGGGTG

MN93 TGATTGGTGA TGGCTATATA CAGAACGCCC TTCTGGAGTT TGGAAGGGTG

263 TGATTGTTGA TGGCTATATA CAGAACGCCC TTCTGGAGTT TGGAAGGGTG

KP11 TGATTGGTGA TGGCTATATA CAGAACGCCC TTCTGGAGTT TGGAAGGGTG

....|....| ....|....| ....|....| ....|....| ....|....|

960 970 980 990 1000

KPS1 GTAAGTGCAC AACAGCAAGT GGTTTCTGGT ACCTTGTACA CCATCACTTT

MN93 GTAAGTGCAC AACAGCAAGT GGTTTCTGGT ACCTTGTACA CCATCACTTT

263 GTAAGTGCAC AACAGCAAGT GGTTTCTGGT ACCTTGTACA CCATCACTTT

KP11 GTAAGTGCAC AACAGCAAGT GGTTTCTGGT ACCTTGTACA CCATCACTTT






83

....|....| ....|....| ....|....| ....|....| ....|....|

1010 1020 1030 1040 1050

KPS1 GGAGGCAAAA GATGGTGGGC AAAAGAAGGT TTATGAAGCC AAAGTCTGGG

MN93 GGAGGCAAAA GATGGTGGGC AAAAGAAGGT TTATGAAGCC AAAGTCTGGG

263GGAGGCAAAA GATGGTGGGC AAAAGAAGGT TTATGAAGCC AAAGTCTGGG

KP11 GGAGGCAAAA GATGGTGGGC AAAAGAAGGT TTATGAAGCC AAAGTCTGGG

....|....| ....|....| ....|....| ....|....| ....|....|

1060 1070 1080 1090 1100

KPS1 AGAAGCCATG GTTGAACTTC AAGGAGCTGC AAGAGTTCAA ACTTGTTGGA

MN93 AGAAGCCATG GTTGAACTTC AAGGAGCTGC AAGAGTTCAA ACTTGTTGGA

263 AGAAGCCATG GTTGAACTTC AAGGAGCTGC AAGAGTTCAA ACTTGTTGGA

KP11 AGAAGCCATG GTTGAACTTC AAGGAGCTGC AAGAGTTCAA ACTTGTTGGA

....|....| ....|

1110

KPS1 GAGGCACCTG CATAG

MN93 GAGGCACCTG CATAG

263 GAGGCACCTG CATAG

KP11 GAGGCACCTG CATAG

Fig 2. Nucleotide sequences of cystatin gene in four mungbean cultivars. The nulceotide sequencecomposes of two exon region (exon 1: 1-75 and exon 2: 923 – 1115, green colored)

Table 1. Information of cystatin gene in four mungbean cultivars

Cultivars Length (bp) Exon Intron Amino acid Code in EMBL1 KP11 1115 2 1 88 AM7124742 KPS1 1115 2 1 88 AM7124753 MN93 1115 2 1 88 AM7124764 263 1115 2 1 88 AM707027

Comparing the nucleotide sequence of thesegment encoding of amino acid of cystatingene of four mungbean cultivars with 9

nucleotide sequence of other crops inGenBank, of which have three cultivars of legumes, results be displayed at the Table 2.Table 2 shows that, compared with fourmungbean varieties Arachis hypogaea havesimilar levels about nucleotide sequences of segment encoding is the highest (77.5%) and

Malus domestica has the lowest similarity(30%). Nucleotide sequences of encodingsegment of the four mungbean varieties and

Vigna radiata variety in GenBank identical(100%). From results of the comparisonsimilar level of the encoding segment of cystatin gene, dendrogram has been settings(Fig 3). Figure 3 shows, four mungbeancultivars and mungbean cultivar (codenumber: AF454396) have focused in a group.

Table 2. Comparison of similar levels of the encoding segment of amino acid of cystatin gene of fourmungbean cultivars with 9 nucleotide sequence of other crops in GenBank






84

The mungbean varieties have a high similaritycoefficient with Vigna unguiculata and Arachis hypogaea so these two legume plants

stand close to the best green beans in the treegraph, but Malus domestica and Daucuscarota has the longest distance. difference of Malus domestica and Daucus carotacompared to other crops is 55.2% coefficientof genetic similarity of cystatin genes of many different plants is hight have proved highly conservative of this gene.

Comparison of deduced amino acidsequences of cloned cystatin geneTotally, the two coding regions of four clonedcystatin genes compose only of 267

nucleotides, that encoding a protein sequenceof 88 amino acid residures. There is no singlevariation in amino acid sequence could defound between the four cultivars. The

comparision with data submitted by Kang(2001) revealed even no difference betweenour four clones to that registed under

AF454396 of NCBI (Fig 4).We also conducted to compare thesimilarities in amino acid sequences of four mungbean varieties with nine othercrops (Table 3). Results showed, Arachishypogaea has the same amino acid sequenceswith mungbean (69,3%), difference about theamino acid many sequence is most for Malusdomestica (33%). Output showed, Arachishypogaea and Vigna unguiculata have closerrelations than Vigna radiata, Arachis

hypogaea and Vigna unguiculata beans group,has close ties with Vigna radiata, so aminoacids in proteins of the cystatin gene moreconservative.

Fig 3. Diagram tree to compare the degree of similarity of the gene encoding cystatin of some mungbeancultivars and other crops

....|....| ....|....| ....|....| ....|....| ....|....|

10 20 30 40 50

263 MSQELESVEI DSLARFAVEE HNKKQNALLE FGRVVSAQQQ VVSGTLYTIT

KP11 MSQELESVEI DSLARFAVEE HNKKQNALLE FGRVVSAQQQ VVSGTLYTIT

KPS1 MSQELESVEI DSLARFAVEE HNKKQNALLE FGRVVSAQQQ VVSGTLYTIT

MN93 MSQELESVEI DSLARFAVEE HNKKQNALLE FGRVVSAQQQ VVSGTLYTIT

AF454396 MSQELESVEI DSLARFAVEE HNKKQNALLE FGRVVSAQQQ VVSGTLYTIT

....|....| ....|....| ....|....| ....|...

60 70 80

263 LEAKDGGQKK VYEAKVWEKP WLNFKELQEF KLVGEAPA

KP11 LEAKDGGQKK VYEAKVWEKP WLNFKELQEF KLVGEAPA

KPS1 LEAKDGGQKK VYEAKVWEKP WLNFKELQEF KLVGEAPA

MN93 LEAKDGGQKK VYEAKVWEKP WLNFKELQEF KLVGEAPA

AF454396 LEAKDGGQKK VYEAKVWEKP WLNFKELQEF KLVGEAPA

Fig 4. Comparison of the amino acids sequences of cystatin genes from KP11, KPS1, MN93, 263 withcystatin genes AF454396 (Vigna radiata L.).






85

Table 3. Comparison of homologous on amino acid in protein encoded by the cystatin gene of somemungbean and other crops

CONCLUSIONS

We were isolated cystatin genes frommungbean cultivars (Vigna radiata L.Wilczek) which PCR analysis using oneprimer pair (CysF, CysR). PCR products

containing the cystatin fragment was clonedin pTZ57R/T and sepuenced. The clonedcystatin gene of four mungbean cultivars(KP11, KPS1, MN93 và 263) had 1115nucleotides in length, including 2 exons (1-75 and 923-1115) and 1 intron. The codingregion of cystatin genes comprises of 267nucleotides which encode a polypeptide of 88 amino acid residues. Nucleotide sequenceof cystatin gene in the four mungbeancultivars (KP11, KPS1, MN93 and 263) havea high level of similarity (99.6% - 99.8%),

without a change in the 2 exons, but there are6 the single nucleotide polymorphism locatedin the introns.Comparision of the amino acid sequences of genes encoding cystatin in mungbeancultivars (KP11, KPS1, MN93, 263) withone mungbean cultivar on NCBI(AF454396), results shows that amino acidsequences was 100% homologous. The resultobtained suggests that need further researchon the role of control active of intron regionswhen the mungbean cultivars live In drought

conditions.

REFERENCES[1] Diop N.N., Kidric M., Repellin A., Gareil M.,d'Arcy-Lameta A., Pham Thi A.T., Zuily-Fodil Y. (2004) A multicystatin is induced by drought-stress incowpea (Vigna unguiculata (L.) Walp.) leaves, FEBS

Lett. 577 (3): 545-50.[2] Filho J.X., (1992) The biological roles of serine andcysteine proteinase inhibitors in plants, R Bras. Fisiol.

Veg. 4 (1): 1-6.[3] Gawel N.J., Jarret R.L. (1991) Genomic DNAisolation. http://www.igd.cornell.edu/pretoria % 20 lab% 20 manual. doc.[4] Kang,S.J., Kim,M.C., Yoo,D.W. and Park,K.S.Submitted (30-NOV-2001): Identification of cystatin inmungbean (Vigna radiata). http: //www.ncbi.nlm.nih.gov : AF454396[5] Misaka T., Kuroda M., Iwabuchi K., Abe K., Arai S.(1996) Soyacystatin, a Novel Cysteine ProteinaseInhibitor in Soybean, is Distinct in Protein Structure andGene Organization from Other Cystatins of Animal andPlant Origin, European Journal of Biochemistry. 240

(3): 609.[6] Oliveira A.S., Xavier-Filho J., Sales M.P. (2003),Cysteine proteinase and cystatins, Brazilian Archivesof Biology and Technology, 46 (1): 91-104. [7] Ojima A., Shiota H., Higashi K., Kamada H., ShimmaY., Wada M., Satoh S., (1997), An extracellular insolubleinhibitor of cysteine proteinases in cell cultures and seedsof carrot, Plant Molecular Biology, 34 (1): 99-109.[8] Ryan S.N., McManus M.T., Laing W.A (2003),Identification and Characterisation of ProteinaseInhibitors and Their Genes from Seeds of Apple ( Malus

domestica). Biochem. 134 (1): 31-42.[9] Turk V, Bode W. (1991), The cystatins: proteininhibitors of cysteine proteinases, FEBS Lett. 285 (2): 213-

219.



http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=pubmed&cmd=Search&itool=pubmed_AbstractPlus&term=%22Diop+NN%22%5BAuthor%5D

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=pubmed&cmd=Search&itool=pubmed_AbstractPlus&term=%22Kidric+M%22%5BAuthor%5D

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=pubmed&cmd=Search&itool=pubmed_AbstractPlus&term=%22Repellin+A%22%5BAuthor%5D

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=pubmed&cmd=Search&itool=pubmed_AbstractPlus&term=%22Gareil+M%22%5BAuthor%5D

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=pubmed&cmd=Search&itool=pubmed_AbstractPlus&term=%22d%27Arcy%2DLameta+A%22%5BAuthor%5D

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=pubmed&cmd=Search&itool=pubmed_AbstractPlus&term=%22Pham+Thi+AT%22%5BAuthor%5D

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=pubmed&cmd=Search&itool=pubmed_AbstractPlus&term=%22Zuily%2DFodil+Y%22%5BAuthor%5D

http://69.42.87.214/cgi-bin/ezlclk.fcgi?id=10084

http://www.springerlink.com/content/1573-5028/



http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=pubmed&cmd=Search&itool=pubmed_AbstractPlus&term=%22Turk+V%22%5BAuthor%5D



http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=pubmed&cmd=Search&itool=pubmed_AbstractPlus&term=%22Turk+V%22%5BAuthor%5D



http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=pubmed&cmd=Search&itool=pubmed_AbstractPlus&term=%22Zuily%2DFodil+Y%22%5BAuthor%5D

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=pubmed&cmd=Search&itool=pubmed_AbstractPlus&term=%22Pham+Thi+AT%22%5BAuthor%5D

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=pubmed&cmd=Search&itool=pubmed_AbstractPlus&term=%22d%27Arcy%2DLameta+A%22%5BAuthor%5D

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=pubmed&cmd=Search&itool=pubmed_AbstractPlus&term=%22Gareil+M%22%5BAuthor%5D

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=pubmed&cmd=Search&itool=pubmed_AbstractPlus&term=%22Repellin+A%22%5BAuthor%5D

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=pubmed&cmd=Search&itool=pubmed_AbstractPlus&term=%22Kidric+M%22%5BAuthor%5D

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=pubmed&cmd=Search&itool=pubmed_AbstractPlus&term=%22Diop+NN%22%5BAuthor%5D




86

TÓM TẮT

ĐẶC ĐIỂM CỦA GEN CYSTATIN Ở MỘT SỐ GIỐNGĐẬU XANH VIỆT NAM [Vigna radiata (L.) Wilczek]

Nguyễn Vũ Thanh Thanh1*, Chu Hoàng Mậu2 1 Bộ môn Di truyền học, Khoa Khoa học Sự sống, Trường Đại học Khoa học, TNU

2 Bộ môn Di truyền học&Sinh học hiện đại, Khoa Sinh –KTNN, Trường Đại học Sư phạm, TNU

Cystatin là chất ức chế cystein proteinase thuộc họ papain. Ở thực vật, cystatins đƣợc tìm thấy khicây bị stres hạn. Bài báo này kết quả của chnghiên cứu của chúng tôi về gen mã hóa cystatin phânlập từ các giống đậu xanh Việt Nam [Vigna radiata (L.) Wilczek] có mức độ chịu hạn khác nhau.DNA hệ gen của bốn giống đậu xanh, bao gồm hai với khả năng chịu hạn cao (KP11 và KPS1) vàhai giống chịu hạn kém (MN93, 263) đƣợc tách chiết để nhân bản gen cystatin với cặp mồi đặc

hiệu. Trình tự gen cystatin đƣợc nhân bản có kích thƣớc là 1115 nucleotide, có 2 exon và 1intron.Vùng mã hóa của gen cystatin bao gồm 267 nucleotide, mã hóa chuỗi polypeptide có 88 axit amin.Trình tự nucleotide của gen cystatin của bốn giống đậu xanh thể hiện sự khác nhau mặc dù trình tựacid amin không khác biệt nhau và khống khác với trình tự có mã số AF454396 ở GenBank. Sựkhác biệt về chức năng có thể có quan hệ với những thay đổi đƣợc tìm thấy trong vùng intron.Trình tự nucleotide của gen cystatin của bốn giống đậu xanh (KP11, KPS1, MN93 và 263) có mứcđộ tƣơng đồng cao (99,6% - 99,8%), nhƣng không có một khác nhau nào trong 2 exon, nhƣng có 6đa hình nucleotide đơn nằm trong vùng intron. So sánh trình tự axit amin của cystatin ở giống đậuxanh (KP11, KPS1, MN93, 263) với trình tự của giống đậu xanh trên Ngân hàng gen NCBI (mãsố: AF454396) cho thấy trình tự axit amin có độ tƣơng đồng là 100%. Kết quả thu đƣợc cho thấyrằng cần nghiên cứu thêm về vai trò kiểm soát hoạt động của các vùng intron khi các giống đậuxanh sống trong điều kiện hạn hán. Keywords: Chất ức chế, đậu xanh, gen cystatin, stress hạn ,Vigra radiata.






Đỗ Khắc Uẩn và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 78(02): 87 - 92

87

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KỸ THUẬT VI SÓNG CHO QUÁ TRÌNH GIẢI PHÓNG PHOTPHO TỪ BÙN THẢI

Đỗ Khắc Uẩn (1,2), Mai Anh Khoa (3,*) 1 Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

2 Đại học CN Nanyang, Singapore

3 Đại học Thái Nguyên

TÓM TẮT Nghiên cứu giải phóng photpho (TP) từ bùn thải đóng vai trò quan trọng để thu hồi nguồn photphocho ngành công nghiệp phân bón. Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu áp dụng kỹ thuật visóng nhằm giải phóng P từ bùn thải. Nghiên cứu đƣợc tiến hành ở các dải nhiệt độ 40, 60, 80 và100oC và thời gian xử lý 5, 10, 15 và 20 phút. Kết quả thu đƣợc cho thấy điều kiện thích hợp đểgiải phóng TP từ bùn thải bằng phƣơng pháp xử lý vi sóng là 8 0oC và thời gian xử lý 10 phút. Ở

điều kiện đó, trên 80% TP trong bùn có thể đƣợc giải phóng ra khỏi bùn. Ngoài ra, thành phần nitơ (TN) cũng đƣợc giải phóng trong quá trình xử lý. Tốc độ giải phóng TN cũng tăng rất nhanh trongkhoảng 10 phút xử lý ban đầu, sau đó đã giảm dần. Sự giải phóng của các chất hữu cơ (tính theoCOD) cũng tăng lên đáng kể khi tăng nhiệt độ và thời gian xử lý. Ở nhiệt độ càng cao, COD giảiphóng càng nhiều. Đặc biệt, khối lƣợng bùn và kích thƣớc các hạt bùn giảm đáng kể sau khi xử lý, phù hợp với sự biến thiên giải phóng của TP, TN và COD.Từ khóa: bùn thải, giải phóng photpho, giảm khối lượng bùn, vi sóng

ĐẶT VẤN ĐỀ*

Trữ lƣợ ng quặng photphat nói chung vànguồn photpho (TP) nói riêng ngày càng cạnkiệt do tốc độ khai thác ngày càng tăng để đápứng nhu cầu sản xuất phân bón dùng trongnông nghiệp và các ngành công nghiệp bộtgiặt, chất tẩy rửa, phụ gia thức ăn gia súc, vàcác ứng dụng đặc biệt nhƣ chế tạo vật liệuchống cháy [1-2]. Do tình trạng khan hiếm P,chỉ trong 14 tháng (từ tháng 1/2007 đến tháng3/2008) giá thành của quặng photphat đã tănglên 7 lần, từ 50 USD/tấn lên đến 350 USD/tấn[3]. Trƣớ c sức ép về sự cạn kiệt nguồn P,hƣớ ng nghiên cứu thu hồi và tái sử dụng cácnguồn thải chứa P (ví dụ trong nƣớ c thải sinhhoạt, bùn thải, phân-nƣớ c tiểu ngƣờ i, hoặcphân gia cầm) đã đƣợ c quan tâm và chú trọngphát triển [4,5,6,7].

Bùn thải ra từ quá trình xử lý nƣớc thải bằng phƣơng pháp sinh học có nồng độ TP daođộng khá lớn, thƣờng từ 6 đến 12% [8]. Chonên nghiên cứu đã chú ý đến khả năng thu hồiTP từ bùn thải. Để có thể thu hồi đƣợc TP từ bùn thải, thì trƣớc tiên cần phải giải phóng


đƣợc thành phần TP trong bùn thải (dạng rắn)sang TP hòa tan (dạng photphat), sau đó mớitiến hành kết tủa ở dạng muối photphat (ví dụ canxi photphat). Các phƣơng pháp giải phóng

TP từ bùn thải bao gồm phƣơng pháp hóahọc, phƣơng pháp hóa học kết hợp gia nhiệt,hoặc phƣơng pháp sinh học yếm khí[9,10,11]. Tuy nhiên, các phƣơng pháp nàycần phải bổ sung hóa chất để thúc đẩy phảnứng hòa tan, hoặc cần thời gian dài để hoàntất phản ứng phân giải bùn.

Trong những năm gần đây, kỹ thuật vi sóngđã đƣợc sử dụng cho nhiều mục đích khácnhau, ví dụ dùng cho quá trình tiệt trùng vàkhử trùng trong công nghiệp thực phẩm,

dùng để phá mẫu trong phòng thí nghiệm,hoặc dùng để nấu chín thức ăn [12,13,14].Kỹ thuật vi sóng có nhiều ƣu điểm so với phƣơng pháp gia nhiệt thông thƣờng, đó làthời gian gia nhiệt nhanh, tính đồng nhấtcủa quá trình truyền nhiệt (cho cả bên trongvà tại bề mặt của vật liệu cần xử lý) và dễdàng kiểm soát nhiệt độ của quá tr ình chínhxác [12]. Do đó, nghiên cứu thử nghiệm ápdụng kỹ thuật vi sóng cho xử lý bùn thải vàđánh giá khả năng giải phóng TP từ bùn

thải rất cần thiết và có ý nghĩa.






88

Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu ápdụng kỹ thuật vi sóng nhằm giải phóng TP từ bùn thải. Ngoài ra, nghiên cứu cũng đánh giá

sự giải phóng nitơ, các hợp chất hữu cơ và mức độ giảm hàm lƣợng bùn sau quá trình xửlý bùn bằng kỹ thuật vi sóng.

PHƢƠNG PHÁP THỰC HIỆN

1. Mô tả thí nghiệm

Thí nghiệm xử lý bùn thải trong nghiên cứunày đƣợc tiến hành gián đoạn theo từng mẻ.Các mẫu bùn cần xử lý (70 mL hỗn hợp bùncó hàm lƣợng chất rắn (TSS) là 10000 mg/L)đƣợc đƣa vào các bình đựng mẫu. Các bìnhmẫu đƣợc đƣa vào lò vi sóng (MARS, CEMCo., USA) có tần số 2450 MHz và công suấtđầu ra cực đại là 1600 W (Hình 1). Mỗi chutrình hoạt động, hệ thống có thể tiến hành thínghiệm đồng thời với 12 bình đựng mẫu (thểtích mỗi bình 100 mL), với áp suất làm việclên đến 30 atm. Hệ thống có bộ phận kiểmsoát nhiệt tự động để điều chỉnh nhiệt độ choquá trình xử lý. Các thí nghiệm đƣợc tiếnhành ở các dải nhiệt độ 40, 60, 80 và 100oC bằng việc thiết lập chƣơng trình kiểm soát vàđiều chỉnh nhiệt tự động. Các thí nghiệmđƣợc tiến hành trong các khoảng thời gian 5,10, 15 và 20 phút. Sau mỗi loạt thí nghiệm,các mẫu bùn đƣợc lấy ra và tiến hành phântích các thông số theo mục đích nghiên cứu.Các thí nghiệm đều đƣợc tiến hành lặp lạinhiều lần nhằm đảm bảo số liệu thu đƣợc cóđộ tin cậy cao.

2. Phƣơng pháp lẫy mẫu và phân tích

Các mẫu thu đƣợc sau mỗi thời gian và nhiệtđộ phản ứng đƣợc tiến hành ly tâm ở 5000vòng/phút trong 5 phút. Phần nƣớc thu đƣợcdùng để phân tích các thông số nhu cầu oxihóa học (COD), tổng photpho (TP), tổng nitơ (TN). Tất cả các mẫu phân tích đƣợc tiếnhành theo các phƣơng pháp chuẩn đƣợc trình bày chi tiết trong tài liệu APHA [15]. Cụ thểnhƣ sau:

Mẫu phân tích COD đƣợc đƣa vào ống phântích COD và phân giải mẫu bằng thiết bị phảnứng COD (Model DRB200, Hach Corp.,USA) ở nhiệt độ 150oC trong 2 h. Mẫu sau

khi phân giải đƣợc làm nguội đến nhiệt độ phòng và đo bằng thiết bị Hach (ModelDR/2500, Hach Corp., USA) ở bƣớc sóng 620nm. Mẫu phân tích TP đƣợc đƣa vào ống phân tích TP và phân giải mẫu ở nhiệt độ150oC trong 30 h. Sau khi đo bằng thiết bịHach ở bƣớc sóng 430 nm. Mẫu phân tích TNđƣợc phân giải mẫu ở nhiệt độ 105oC trong 30h. Mẫu sau khi phân giải đƣợc đo bằng thiết bị Hach ở bƣớc sóng 410 nm. Hàm lƣợngtổng chất rắn (TSS) đƣợc xác định bằng cách

đƣa mẫu bùn vào đĩa nhôm chuyên dụng vàsấy khô trong lò sấy (Memmert UFP600,GmbH, Germany) ở 105oC trong 2 h. Ngoàira, sự phân bố kích thƣớ c hạt bùn trƣớ c và sauxử lý đƣợ c xác định bằng phƣơng pháp nhiễuxạ tia lade (sử dụng thiết bị Mastersizer,Malvern Instruments Ltd., UK).

Hình 1. Hình ảnh và sơ đồ nguyên lý của lò vi sóng dùng trong nghiên cứu

Nguồn vi sóng Gƣơng phản xạ Khí ra

Bình đựng m u

Đĩa quay

Khí vào






89


1. Sự giải phóng photpho từ bùn thải

Hình 2 biểu diễn sự biến thiên nồng độ TPgiải phóng ra khỏi bùn trong quá trình xử lýbùn bằng kỹ thuật vi sóng tại các khoảngnhiệt độ (40 - 100oC) và thời gian xử lý khácnhau (5-20 phút). Từ kết quả thu đƣợc chothấy ở 40oC tốc độ giải phóng TP tƣơng đốithấp. Sau 20 phút xử lý, nồng độ TP giải phóng thu đƣợc lớn nhất chỉ là 50 mg/L. Tuynhiên, khi nhiệt độ xử lý tăng lên 60, 80 và100oC, tốc độ giải phóng TP tăng lên rất nhanh trong khoảng 10 phút đầu tiên, vớinồng độ TP giải phóng thu đƣợc tƣơng ứng

lần lƣợt là 98,3; 145,5; 168,4 mg/L, chiếmđến 80-83% nồng độ TP cực đại giải phóngđƣợc sau 20 phút. Tuy nhiên, khi tiếp tục tăngthời gian xử lý, tốc độ giải phóng TP có xuthế giảm. Từ các kết quả thu đƣợc cho thấyđiều kiện thích hợp cho quá trình giải phóngTP từ bùn thải bằng phƣơng pháp xử lý visóng là 80oC, với thời gian xử lý là 10 phút.TP giải phóng đƣợc có thể thu hồi bằng cáchtạo kết tủa với các muối canxi để tạo thànhcanxi photphat (Ca3(PO4)2). Ca3(PO4)2 là hợp

chất tƣơng tự nhƣ quặng photphat khai thác từmỏ, và có thể sử dụng làm nguyên liệu chongành công nghiệp phân bón. Ngoài ra, TPcòn có thể đƣợc thu hồi bằng cách tạo kết tủa magie amoni photphat hydrat (còn gọi là tinhthể struvite) theo phƣơng trình phản ứng [8]:

NH4+ + Mg2+ + PO4

3- + 6H2O MgNH4PO4.6H2OStruvite có đặc điểm phân giải chậm và cóthể sử dụng trực tiếp để làm phân bón chocây trồng.

Hình 2. Sự giải phóng TP từ bùn thải tại các

khoảng nhiệt độ và thời gian khác nhau

2. Sự giải phóng nitơ từ bùn thải

Sự thay đổi về nồng độ TN giải phóng từ bùntrong quá trình xử lý vi sóng đƣợc biểu diễntrên hình 3.

Hình 3. Sự giải phóng TN từ bùn thải tại cáckhoảng nhiệt độ và thời gian khác nhau

Từ hình vẽ cho thấy, tƣơng tự nhƣ sự biếnthiên của TP, TN cũng đƣợc giải phóng nhanhtrong quá trình xử lý. Ở 40oC tốc độ giảiphóng TN không đáng kể. Nồng độ TN giải phóng thu đƣợc sau 20 phút xử lý khoảng82,4 mg/L. Tuy nhiên, khi nhiệt độ xử lý tănglên 60, 80 và 100oC, tốc độ giải phóng TNtăng nhanh. Sau 20 phút, nồng độ TN giảiphóng đƣợc tƣơng ứng là 220,6 , 312,5 và372,2 mg/L. Một điều thú vị là, tốc độ giải phóng TN cũng tăng rất nhanh trong khoảng10 phút xử lý ban đầu, sau đó đã giảm dần.Trong 10 phút, nồng độ TN giải phóng đƣợcchiếm đến 75-82% so với nồng độ TN giải phóng đƣợc sau 20 phút xử lý. Cần lƣu ýrằng, trong quá trình xử lý nhiệt TN giải phóng đƣợc chủ yếu ở dạng nitơ hữu cơ [16].Cho nên, nghiên cứu đó đã khuyến cáo rằngnếu bùn sau xử lý nhiệt đƣợc tuần hoàn trở lạihệ thống xử lý nƣớc thải sẽ làm tăng tải lƣợngnitơ đầu vào và có thể dẫn đến vƣợt quá khảnăng xử lý nitơ của hệ thống. Do vậy, cần phải phải tính đến vấn đề hạn chế sự giảiphóng của nitơ khi xử lý bùn bằng phƣơng pháp nhiệt. Hay nói cách khác, cần hạn chếquá trình xử lý bùn ở dải nhiệt độ cao.

3. Sự giải phóng các chất hữu cơ từ bùn thải

Khi đƣợc gia nhiệt ở nhiệt độ cao trên 60oC, bùn có khả năng bị phá hủy và giải phóng các

hợp chất hữu cơ hòa tan [8]. Thông thƣờng,






90

thành phần các chất hữu cơ giải phóng trongquá trình xử lý bùn rất phức tạp, bao gồmnhiều hợp chất hữu cơ khác nhau [9]. Trongnghiên cứu này sự giải phóng của các chấthữu cơ đƣợc đánh giá thông qua phân tíchnồng độ COD của dung dịch thu đƣợc sau quátrình xử lý. Hình 4 biểu diễn sự biến thiên vềnồng độ COD giải phóng ở các khoảng nhiệtđộ và thời gian xử lý khác nhau. Kết quảthu đƣợc cho thấy COD tăng lên đáng kểkhi tăng nhiệt độ và thời gian xử lý. Ở nhiệtđộ càng cao, COD giải phóng càng nhiều.

Kết quả thu đƣợc từ nghiên cứu này cho

thấy một ƣu điểm nữa của việc xử lý bùn bằng phƣơng pháp vi sóng là có khả năngtạo ra một lƣợng đáng kể các chất hữu cơ hòa tan. Đây là nguồn cacbon hữu cơ có giátrị nếu đƣợc bổ sung cho quá trình khửnitrat trong hệ thống xử lý nƣớc thải.

Hình 4. Sự giải phóng COD từ bùn thải tạicác khoảng nhiệt độ và thời gian khác nhau

4. Mức độ giảm khối lƣợng bùn thải sau quátrình xử lý bùn bằng vi sóng

Sự suy giảm về TSS thu đƣợc trong quátrình xử lý bằng kỹ thuật vi sóng đƣợc thểhiện trên hình 5. Từ hình vẽ cho thấy, ở 40oC, tốc độ suy giảm TSS rất chậm. Khinhiệt độ đạt 60oC, tốc độ giảm TSS tăngnhanh chóng, và khối lƣợng bùn giảm càngnhiều ở nhiệt độ càng cao. Nhƣ vậy, kết quảthu đƣợc phù hợp với sự biến thiên giải

phóng của TP, TN và COD.

Để kiểm chứng sự phá vỡ hạt bùn ở các điềukiện xử lý khác nhau, chúng tôi tiến hành đosự phân bố kích thƣớc của các hạt bùn trƣớc

và sau khi xử lý vi sóng. Kết quả thu đƣợc (tính theo phần trăm thể tích hạt bùn trongmẫu kiểm tra) đƣợc biểu diễn trên hình 6.

Từ hình 6 chúng ta dễ dàng thấy rằng, kíchthƣớc các hạt bùn giảm đáng kể sau khi xử lývi sóng. Trƣớc khi xử lý, khoảng 12% số hạt bùn có kích thƣớc khoảng 550 m. Sau khixử lý ở 40, 60, 80 và 100oC, kích thƣớc củahạt bùn giảm xuống lần lƣợt là 465, 342, 158,và 122 m. Hình 7 biểu diễn hình ảnh bùntrƣớc và sau khi xử lý vi sóng bằng kính hiển

vi điện tử (sử dụng máy Olympus SZX9,Olympus Co. Ltd., Japan). Kết quả quan sátcho thấy sau quá trình xử lý hầu hết bông bùnđã bị phá vỡ. Nhờ quá trình này, các chất dinhdƣỡng và các chất hữu cơ đã đƣợc giải phóngra khỏi bùn và đi vào dung dịch.

Hình 5. Mức độ giảm khối lƣợng bùn thải sauquá trình xử lý bằng vi sóng.

Hình 6. Phân bố kích thƣớc hạt bùn sau quá

trình xử lý bằng vi sóng.






91

Hình 7. Hình ảnh bùn trƣớc và sau khi xử lý vi sóng (mẫu xử lý ở 80oC, 10 phút, độ phóng đại 100 lần)

KẾT LUẬNCác kết quả thu đƣợc từ nghiên cứu cho thấyrằng kỹ thuật vi sóng có thể sử dụng để giảiphóng TP từ bùn thải. Điều kiện thích hợpcho quá trình giải phóng TP từ bùn thải bằng phƣơng pháp xử lý vi sóng là 80oC, với thờigian xử lý là 10 phút. Ở điều kiện đó, trên80% lƣợng TP có thể đƣợc giải phóng ra khỏi bùn thải. Bên cạnh sự giải phóng TP, TNcũng đƣợc giải phóng nhanh trong quá trìnhxử lý. Ở các điều kiện thí nghiệm, tốc độ giải phóng TN cũng tăng rất nhanh trong khoảng10 phút xử lý ban đầu (chiếm đến 75-82% sovới nồng độ TN giải phóng cực đại), sau đóđã giảm dần. Sự giải phóng của các chất hữucơ trong quá trình xử lý vi sóng đƣợc đánhgiá thông qua nồng độ COD. COD giải phóngtăng lên đáng kể khi tăng nhiệt độ và thờigian xử lý. Ở nhiệt độ càng cao, COD giảiphóng càng nhiều. Đặc biệt, khối lƣợng bùnvà kích thƣớc các hạt bùn giảm đáng kể saukhi xử lý vi sóng. Kết quả thu đƣợc phù hợp

với sự biến thiên giải phóng của TP, TN vàCOD. Nhận xét chung, phƣơng pháp vi sóngcó tính ƣu điểm lớn là thời gian xử lý nhanhvà không cần bổ sung bất cứ hóa chất nào. TPgiải phóng hoàn toàn có khả năng thu hồiđƣợc bằng các quá trình kết tủa tiếp theo. Tuynhiên, cần phải lƣu ý rằng quá trình vi sóngchịu ảnh hƣởng của nhiều yếu tố khác nhaunhƣ hệ số tổn thất điện năng, tổn thất nhiệtđộ,… Cho nên cần phải nghiên cứu thêm về

các yếu tố này để nâng cao hiệu quả quá trìnhgiải phóng TP từ bùn thải.


[1].IFA (2007), International fertilizer supply and

demand , in Australian Fertilizer Industry

Conference. 2007, International Fertilizer IndustryAssociation, August 2007.

[2].EFMA (2000), Phosphorus: Essential element

for food Production, European FertilizerManufacturers Association.

[3].Đỗ Khắc Uẩn, Đặng Kim Chi (2008). Tìnhtrạng khan hiếm photpho và sự cần thiết của việctái sử dụng nguồn thải chứa photpho, Tạp chí

Khoa học và Phát triển, 6: 570-577.

[4].Steen, I. (1998). Phosphorus availability in the21st Century: Mananagement of a non-renewableresource, Phosphorus and Potassium, 217: 25-31.

[5].WHO (2006). Guidelines for the safe use of

wastewater, excreta and greywater. Volume 4:

Excreta and greywater use in agriculture. WorldHealth Organisation.

[6]. Banu, R., D.-K. Uan, and I.-T. Yeom(2008), Enhanced phosphorous recovery from

EBPR sludge in the presence of condensed

phosphate, The 1st IWA Asia-Pacific young waterprofessional conference, GIST Gwangju, Korea.8-10 Dec 2008.

[7].Đỗ Khắc Uẩn, Mai Anh Khoa (2010). Đánhgiá khả năng thu hồi photpho từ phân gà côngnghiệp bằng một số phƣơng pháp lý, hóa và sinhhọc, Tạp chí Khoa học và Công nghệ Đại họcThái Nguyên (Tập70, số 08, trang 127-132).






92

[8]. Tchobanoglous, G., Burton, F.L. andStensel, H.D. (2003). Wastewater engineering:

Treatment, disposal and reuse. 4th edn.

McGraw-Hill, New York.[9].Borowski, S. and J.S. Szopa (2007).Experiences with the dual digestion of municipalsewage sludge, Biores. Tech., 98: 1199-1207.[10]. Campos, J.L., L. Otero, A. Franco, A.Mosquera-Corral, and E. Roca (2009). Ozonationstrategies to reduce sludge production of a seafoodindustry WWTP, Biores. Tech., 100: 1069-1073.[11]. Kim, T.-H., S.-R. Lee, Y.-K. Nam, J. Yang,C. Park, and M. Lee (2009). Disintegration of excess activated sludge by hydrogen peroxideoxidation, Desalination, 246: 275-284.[12]. Zhang, H., A.K. Datta, I.A. Taub, and C.Doona (2001). Electromagnetics, heat transfer,and thermokinetics in microwave sterilization,

AIChE Journal, 47: 1957-1968.

[13]. Nüchter, M., B. Ondruschka, D. Wei, R.Beckert, W. Bonrath, and A. Gum (2005).Contribution to the qualification of technical

microwave systems and to the validation of microwave-assisted reactions and processes,Chem. Eng. Tech., 28: 871-881.[14]. Bierbaum, R., M. Nüchter, and B.Ondruschka (2005). Microwave-assisted reactionengineering: Microwave apparatus at mini-plantScale with online analysis, Chem. Eng. Tech., 28:427-431.[15]. APHA (2005). Standard methods for the

examination of water and wastewater . 21stedition, American Water Works Association,Water Pollution and Control Federation,Washington, DC. USA.

[16]. Shanableh, A. (2000). Production of usefulorganic matter from sludge using hydrothermaltreatment, Water Res., 34: 945-951.

ABSTRACTA STUDY ON APPLICATION OF MICROWAVE ENGINEERINGFOR PHOSPHORUS RELEASE FROM WASTED SLUDGE

Do Khac Uan (1,2), Mai Anh Khoa (3,*) 1

Hanoi University of Science and Technology2

Nanyang Technological University, Singapore3

Thai Nguyen University

Releasing phosphorus (TP) from wasted sludge plays an important role in phosphorus recovery forthe fertilizer industry. This paper presents a study on TP released from wasted sludge usingmicrowave engineering. The experiments were carried out at various temperatures (40, 60, 80, and100oC) and treatment times (5, 10, 15, and 20 min). The obtained results showed that the properconditions for TP release were 80oC and 10 min. At that condition, over 80% of TP was releasedfrom sludge. In addition, total nitrogen (TN) was also released during the microwave sludgetreatment. The TN release rate was also increased rapidly within the first 10 min, and reducedgradually after that. The release of organic carbon (as Chemical Oxygen Demand, COD) wasincreased significantly when the treatment temperature and time were increased. The highertemperature resulted in more COD released. Especially, sludge mass and its size were also reducedsignificantly after the microwave treatment. The observations were agreed with the TP, TN andCOD releasing profiles.Key words: microwave, phosphous release, sludge reduction, wasted sludge







93

ĐÁNH GIÁ SỰ Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG TRONG MÔI TRƢỜNG ĐẤTSAU KHAI THÁC KHOÁNG SẢN TẠI KHU VỰC MỎ SẮT TRẠI CAU -

HUYỆN ĐỒNG HỶ - TỈNH THÁI NGUYÊN

Trần Thị Phả*, Hoàng Thị Mai Anh, Hà Thị Lan Trường Đại học Nông lâm Thái Nguyên

TÓM TẮT Nghiên cứu sự tích lũy kim loại nặng trong đất tại khu vực mỏ sắt Trại Cau cho thấy hầu hết cáckim loại nặng nghiên cứu trong đất đều vƣợt tiêu chuẩn cho phép. Trong 3 mẫu đất phân tích tathấy hàm lƣợng As, Pb, Zn vƣợt tiêu chuẩn cho phép từ 1,17 đến 2,75 lần, từ 2,76 đến 10,43 lần,Zn và từ 1,47 đến 22,41 lần, chỉ một mẫu đất có hàm lƣợng Cd vƣợt tiêu chuẩn cho phép 2,79 lần.Vì vậy, ảnh hƣởng của việc khai thác khoáng sản đến sự tích lũy ô nhiễm kim loại nặng trong môitrƣờng đất tại khu vực này là rất lớn.

Từ khóa: kim loại nặng, mỏ sắt, sự tích lũy

ĐẶT VẤN ĐỀ*

Ô nhiễm môi trƣờng do sự độc hại của kimloại nặng (KLN) đang là vấn đề toàn cầu. Nguyên nhân chủ yếu là mối nguy cơ tích luỹsinh học các chất ô nhiễm kim loại ngày càngtăng trong động vật, thực vật và con ngƣời. Những nghiên cứu gần đây nhất đã chỉ ra ảnhhƣởng của các nguyên tố vi lƣợng đến sứckhoẻ của con ngƣời gây ra bởi độc tố củachúng, nếu vƣợt quá giới hạn này chúng sẽtrở thành nguyên tố gây độc. Mỗi một KLNcó một tiêu chuẩn giới hạn riêng tuỳ thuộcvào môi trƣờng mà chúng tồn tại nhƣ: môitrƣờng đất, nƣớc, không khí, cơ thể động thựcvật và ngƣời.Ở các mỏ khai thác khoáng sản ở huyện Đồng Hỷ, Thái Nguyên hiện nay dùngcác phƣơng pháp khai mỏ nhƣ nổ mìn hoặckhoan thô sơ cho nên tác động nhiều đến môitrƣờng đất nƣớc ở khu vực xung quanh, đặc biệt là ô nhiễm kim loại nặng. Ô nhiễm kim

loại nặng xuất hiện khi một số kim loại từ cácquặng đƣợc khai thác hoặc từ các hầm mỏthoát ra và hòa tan trong nƣớc và ngấm dầnvào đất. Quá trình ô nhiễm xuất hiện khi cácchất hóa học, nhƣ xyanua đƣợc sử dụng đểtách các khoáng chất cần thiết ra khỏi quặng, bị rò rỉ hoặc ngấm từ các khu mỏ ra cácnguồn nƣớc gần đó. Nhiều khi, để tiết kiệmchi phí, các công ty khai thác khoáng sản cóthể còn chủ tâm đổ thải vào các thủy vực.


NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1. Nội dung nghiên cứu

- Điều tra lấy mẫu, phân tích đất để đánh giásự ô nhiễm kim loại nặng trong đất ở khu vựcsau khai thác tại mỏ sắt Trại Cau - huyệnĐồng Hỷ- tỉnh Thái Nguyên.

a.Phương pháp nghiên cứu

* Phương pháp thu thập số liệu, tài liệu thứ cấp

- Thu thập các tài liệu số liệu liên quan vềđiều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội khu vựcnghiên cứu.

* Phương pháp điều tra lấy mẫu đất

- Mẫu đất: Các mẫu đất đƣợc lấy ở tầng mặttừ 0 - 20cm, trên diện tích đất sau khai thácquặng.

Bảng 1. Vị trí lấy mẫu đất

Kí hiệu Ngày lấy Vị trí lấy mẫu

MĐ1 17/5/2010Bãi khai thác tƣ nhân -

Mỏ Chỏm Vung

MĐ2 17/5/2010Mỏ tầng 49 - tổ 12 thị

trấn Trại Cau

* Phương pháp phân tích trong phòng thí nghiệm

- pH sử dụng máy đo pH meter.

- Phân tích hàm lƣợng di động của một sốkim loại nặng (As, Pb, Cd, Zn) bằng máy

ASS M6 - Thermo.






94

* Phương pháp xử lý số liệu

Số liệu đƣợc tổng hợp, phân tích và xử lý bằng phần mềm Microsoft Excel.

* Phương pháp đánh giá các chỉ tiêu nghiên cứu

Đánh giá chỉ tiêu nghiên cứu theo tiêu chuẩngiới hạn tối đa cho phép của kim loại nặngtrong đất (TCVN 7209 : 2002).

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ

THẢO LUẬN

1. Hoạt động khai thác của mỏ

Mỏ sắt Trại Cau đƣợc khai thác bằng phƣơng pháp khai thác lộ thiên và tuyển rửa với côngsuất 350000 tấn/năm. Hệ thống khai thácquặng sắt ở tất cả các khai trƣờng đều là hệthống khai thác lớp bằng. Mỏ lộ thiên đƣợckhai thác theo từng lớp nằm ngang từ trênxuống. Diện tích mặt bằng sản xuất của mỏkhoảng 1737952,9 m2. Sản lƣợng quặngnguyên khai khoảng 423000 tấn/năm.

Quy trình công nghệ khai thác bao gồm khoan,nổ mìn, làm tơi đất đá. Máy ủi gạt đất mở tầnggom quặng, máy xúc quặng lên ô tô trở về nhàmáy tuyển quặng. Ô tô trở quặng về mángquặng nguyên để rửa và phân loại quặng.

Có thể thấy, các hoạt động trong quy trìnhkhai thác nhƣ: Khoan, nổ mìn, bốc xúc, vậnchuyển… chính là nguyên nhân gây ô nhiễm

môi trƣờng xung quanh khu vực khai thác. Ngoài ra, sự thất thoát dầu mỡ trong côngtrƣờng sửa chữa các trang thiết bị cũng là một

trong những nguyên nhân gây ra ô nhiễm môitrƣờng đất, nƣớc và không khí ở khu vực.

2. Sự tích lũy kim loại nặng trong đất sau khaithác khoáng sản tại mỏ sắt Trại Cau

Kết quả phân tích các mẫu đất lấy ở khu vựcsau khai thác khoáng sản tại mỏ sắt Trại Cauđƣợc thể hiện ở bảng 2.

a. Độ pH của đất

Độ pH trong các mẫu đất nghiên cứu biến đổikhông giống nhau tùy thuộc từng loại đất.

Trong đó độ pH thấp nhất là ở mẫu MĐ2 (pH=4,70), cao nhất là ở mẫu MĐ3

(pH=7,09). Theo thang đánh giá ta thấy đấtđai khu vực mẫu đất MĐ1 và MĐ2 mang tínhaxit. Xét theo đặc điểm về tính chất đất tạikhu vực thì đất tại khu vực thị trấn Trại Caucó đặc điểm nghèo nàn về thành phần và có pH thấp. Điều này cho thấy hoạt động khaithác quặng sắt tại khu vực đã ảnh hƣởng đếnnồng độ pH tại đây và làm pH giảm đi đángkể gây bất lợi cho sự sinh trƣởng và phát triểncủa sinh vật, gây ảnh hƣởng xấu tới tính chất

đất. Tuy nhiên, ở mẫu đất MĐ3 mang tínhkiềm yếu, phù hợp cho mục đích sử dụngnông nghiệp.

ĐẤT QUẶNG ĐẤT BÓC

Hình 1. Sơ đồ quy trình công nghệ khai thác quặng sắt

Bảng 2. Hàm lƣợng kim loại nặng trong đất sau khai thác khoáng sản

Mẫu đất pHHàm lƣợng KLN (mg/kg)

As Pb Cd ZnMĐ1 4,89 33,03 193,79 0,81 293,91 MĐ2 4,70 17,21 730,43 1,69 712,79 MĐ3 7,09 14,11 649,05 5,59 4482,16

TCVN 7209-2002 - 12 70 2 200

Khoan, nổ mìn

Xƣởn tu ển

Vận tải (tàu điện)

Xúc bốc (máy xúc)

Khoan, nổ mìn

Vận tải (ô tô)

Xúc bốc (máy xúc)

Bãi thải đất đá






95

b. Sự tích lũy kim loại nặng trong đất saukhai thác khoáng sản tại mỏ sắt Trại Cau

* Hàm lượng Asen trong đất:

Hình 2. Hàm lƣợng As trong đất nghiên cứu

Qua bảng 2 và hình 2 ta thấy hàm lƣợng Astrong đất nghiên cứu biến đổi khác nhau tùythuộc từng loại đất và đều cao hơn so vớiTCCP (TCVN 7209- 2002). Trong đó, hàmlƣợng As trong mẫu MĐ1 là cao nhất tƣơngứng với mức 33,03 mg/kg, vƣợt 2,75 lầnTCCP; mẫu MĐ2 có hàm lƣợng As là 17,21mg/kg, vƣợt 1,43 lần TCCP. Hàm lƣợng Astrong mẫu MĐ3 thấp nhất với mức tƣơng ứnglà 14,11 mg/kg, vƣợt 1,17 lần TCCP. Nhƣvậy, cả 3 mẫu đất nghiên cứu đều cho thấy,

đất đai tại khu vực đã bị ô nhiễm As khá nặnggây khó khăn cho sự sinh trƣởng, phát triểncủa sinh vật và ảnh hƣởng đến sức khỏe củangƣời dân xung quanh. Mẫu MĐ2 có hàmlƣợng As rất lớn vƣợt TCCP là do môi trƣờngđất tại đây gần khu vực chân bãi thải, khu vựckhai thác nên các loại chất thải và nƣớc thảichảy từ khu bãi thải xuống, cuốn theo lƣợnglớn As vào môi trƣờng đất là nguyên nhângây ô nhiễm môi trƣờng đất tại đây. Sự kếthợp của As với các nguyên tố Fe, Al có trongđất này cũng là một nguyên nhân làm cho đấtchua hơn (pH = 4,70). * Hàm lượng Pb trong đất:

Hình 3. Hàm lƣợng Pb trong đất nghiên cứu

Qua bảng 2 và hình 3 ta thấy hàm lƣợng Pbtrong các mẫu nghiên cứu đều cao hơnTCVN7209 - 2002 đối với đất sử dụng cho

mục đích nông nghiệp. Trong đó, mẫu có hàmlƣợng Pb cao nhất là mẫu MĐ2 tƣơng ứng vớimức 730,43 mg/kg, vƣợt TCCP 10,43 lần;mẫu MĐ3 có hàm lƣợng Pb là 649,05 mg/kg,vƣợt 9,27 lần TCCP; mẫu MĐ1 có hàm lƣợngPb thấp nhất (193,79mg/kg) vƣợt 2,76 lầnTCCP. Nhƣ vậy, môi trƣờng đất tại khu vựcnghiên cứu bị ô nhiễm Pb nghiêm trọng.

* Hàm lượng Cd trong đất:

Hình 4. Hàm lƣợng Cd trong đất nghiên cứu

Qua bảng 2 và hình 4 ta thấy hàm lƣợng Cdtrong đất nghiên cứu có sự chênh lệch khá lớndao động trong khoảng từ 0,81 mg/kg đến5,59 mg/kg, Trong đó, mẫu MĐ3 có hàmlƣợng Cd cao nhất (5,59 mg/kg), vƣợt TCCP2,79 lần; mẫu MĐ1 có hàm lƣợng Cd thấpnhất (0,81 mg/kg) và thấp hơn so với TCCPđối với đất sử dụng cho mục đích nôngnghiệp. Mẫu MĐ2 có hàm lƣợng Cd là 1,69mg/kg và thấp hơn TCCP. Kết quả này có thểgiải thích nhƣ sau: Mẫu MĐ3 bị ô nhiễm Cdkhá lớn là do đất đai tại khu vực bị ảnh hƣởng bởi hoạt động khai thác quặng. Mặc dù hàmlƣợng Cd ở các vị trí lẫy mẫu MĐ1 và MĐ2 ở dƣới mức cho phép tuy nhiên với hàm lƣợng

này cũng có thể gây độc cho cây trồng. * Hàm lượng Zn trong đất:

Hình 5. Hàm lƣợng Zn trong đất nghiên cứu

14.1117.21

33.03

0

5

10

15

20

25

30

35

MĐ1 MĐ2 MĐ3

Ký hiệu mẫu

Mg/kg

As

TCVN

649.05730.43

193.79

0

200

400

600

800

MĐ1 MĐ2 MĐ3

Ký hiệu mẫu

Mg/kg

Pb

TCVN

5.59

1.69

0.81

0

1

2

3

4

5

6

MĐ1 MĐ2 MĐ3

Ký hiệu mẫu

Mg/kg

Cd

TCVN

4482.16

712.79293.91

0

1000

2000

3000

4000

5000

MĐ1 MĐ2 MĐ3

Ký hiệu mẫu

Mg/kg

Zn

TCVN






96

Qua bảng 2 và hình 5 thấy rằng hàm lƣợng Zntrong đất nghiên cứu dao động rất lớn từ293,91 mg/kg đến 4482,16 mg/kg. Cả 3 mẫu

đất nghiên cứu đều có hàm lƣợng Zn vƣợtTCCP. Trong đó, mẫu MĐ3 là mẫu bị ônhiễm Zn lớn nhất tƣơng ứng với mức4482,16 mg/kg, vƣợt TCCP 22,41 lần; mẫuMĐ2 cũng bị nhiễm Zn ở mức khá cao(712,79 mg/kg), vƣợt TCCP 3,56 lần; mẫuMĐ1 chứa hàm lƣợng Zn thấp nhất trong 3mẫu (293,91 mg/kg), vƣợt TCCP 1,47 lần.Kết quả phân tích có thể giải thích nhƣ sau:Đất đai tại các khu vực nghiên cứu đều bị ônhễm Zn là do nó bị ảnh hƣởng của hoạt động

khai thác quặng sắt. Mẫu MĐ3 có hàm lƣợngZn lớn nhất là vì trong các dạng kẽm thì Zntồn tại ở dạng liên kết với Sắt và Mangan làlớn nhất, do đó hàm lƣợng Zn tập trung ở khuvực bãi thải. Kẽm tồn tại ở dạng linh động làZn tác động trực tiếp đến sinh trƣởng và pháttriển của cây trồng.

* Đánh giá chung về sự ô nhiễm kim loạinặng trong đất của khu vực nghiên cứu:

Qua những kết quả phân tích trên ta thấy: Sovới TCVN 7209-2002 áp dụng đối với đất sử

dụng cho mục đích nông nghiệp, đất đai tạicác khu vực nghiên cứu đã bị ô nhiễm kimloại nặng nghiêm trọng. Hàm lƣợng As vƣợtTCCP từ 1,17 đến 2,75 lần; hàm lƣợng Pbvƣợt 2,76 đến 10,43 lần TCCP; Zn vƣợt từ1,47 đến 22,41 lần; hàm lƣợng Cd vƣợt 2,79

lần so với TCCP. Nhƣ vậy, các chỉ tiêu kimloại nặng trong các mẫu đất phân tích đềuvƣợt TCCP ở mức rất cao. Sự ô nhiễm này sẽ

ảnh hƣởng lớn đến chất lƣợng nông sản vàảnh hƣởng trực tiếp đến sức khỏe con ngƣời.Để sử dụng đất vào hoạt động sản xuất nôngnghiệp, chúng ta cần có những biện pháp xửlý ô nhiễm hợp lý.

KẾT LUẬN

Kết quả nghiên cứu cho thấy có sự tích lũyhàm lƣợng kim loại nặng ở mức cao trong đấttại khu vực mỏ sắt Trại Cau. Trong 3 mẫu đất phân tích ta thấy hàm lƣợng As, Pb,Zn đềuvƣợt tiêu chuẩn cho phép trong đó As vƣợt

tiêu chuẩn cho phép từ 1,17 - 2,75 lần, Pbvƣợt 2,76 - 10,43 lần, Zn vƣợt 1,47 - 22,41lần, chỉ riêng có một mẫu đất MĐ3 có hàmlƣợng Cd vƣợt tiêu chuẩn cho phép 2,79 lần,2 mẫu còn lại không ô nhiễm.


[1] Đặng Văn Minh, Nguyễn Thế Đặng, Trần ThịPhả (2009), Giáo trình hóa học đất , Nxb Nôngnghiệp, Hà Nội 2009 [2] Trần Thị Phả, Đàm Xuân Vận, Lê Văn Khoa(2009) , Đánh giá sự tích lũy kim loại nặng trong

môi trường nước, đất sản xuất nông nghiệp KCN Sông Công, Tạp chí Khoa học đất số 32 – 2009. [3] Lê Văn Khoa (2007), Chỉ thị sinh học môitrường , Nxb Giáo dục, Hà Nội. [4] Tiêu chuẩn Việt Nam - TCVN 7209-2002(2002), Chất lượng đất - Giới hạn tối đa cho phépcủa kim loại nặng trong đất.

SUMMARYSTUDYING THE POLLUTION OF HEAVY METALS IN SOIL ENVIRONMENTIN THE TRAI CAU IRON MINING AREA - DONG HY DISTRICT -THAI NGUYEN PROVINCE

Tran Thi Pha*, Hoang Thi Mai Anh, Hà Thị Lan Thai Nguyen University of Agriculture and Forestry

Research on the polltion of heavy metals in soil environment in Trai Cau iron mining areaindicated that most heavy metals in soil are over the standard regulation. Heavy metals solution areover the standard regulation from 1.17 to 2.75 times, 2.76 to 10.43 times and from 1.47 to 22.41times in As, Pb and Zn, respectively. One sample of Cd is out of standard regulation with 2.79time. So, the effects of mining to the pollution of heavy metals in soil is the proplem in this area.Keywords: heavy metal, iron mining, pollution






Nguyễn Mạnh Đức Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 78(02): 97 - 104

97

MỘT SỐ TÍNH TOÁN VÀ LÀM MỊN VỚI CÁC THÀNH PHẦN

Nguyễn Mạnh Đức Khoa Toán, Trường Đại học Sư phạm – Đại học Thái Nguyên

TÓM TẮT Trong bài báo chúng tôi sẽ trình bày một cách hình thức một số khái niệm cơ bản quan trọng chomô hình phát triển phần mềm thành phần, bao gồm giao diện, các hợp đồng, các giao thức tƣơngtác, các thành phần và những quan hệ giữa các khái niệm đó, các tính toán làm mịn giữa chúng vớinhau. Các đặc tả và các tính toán làm mịn đƣợc thực hiện dựa theo mô hình tính toán rCOS, để bảođảm tính đúng đắn và nhất quán của hệ thống. Những công việc này có thể đƣợc thực hiện trongcác giai đoạn khác nhau của tiến trình phát triển phần mềm. Từ đó cho thấy ý nghĩa và sự cần thiếtkhi phát triển phƣơng pháp hình thức trong kỹ nghệ phần mềm hƣớng thành phần. Từ khóa: Làm mịn hệ thống đối tượng và thành phần , thiết kế , giao diện, hợp đồng, thành phần,

ngôn ngữ mô hình hóa thống nhất UML

GIỚI THIỆU*

Sử dụng các thành phần để xây dựng và bảotrì các hệ thống phần mềm không phải là ýtƣởng mới. Tuy nhiên, do độ phức tạp của cáchệ thống trong ngày nay đang tăng lên nhanh,điều đó đã buộc chúng ta phải trở lại với ýtƣởng này trong thực tế [3]. Các kỹ thuật dựatrên công nghệ hƣớng đối tƣợng và thành phần đã trở nên phổ biến và đƣợc sử dụng

rộng rãi để mô hình hóa và thiết kế các hệthống phần mềm lớn và phức tạp. Chúng cungcấp sự hỗ trợ hiệu quả để phân tách một ứngdụng thành các đối tƣợng và thành phần, phụcvụ hữu hiệu cho việc sử dụng lại, mở rộngnhững thiết kế đã có và cài đặt mới… Cáccông việc phân tích và kiểm tra hệ thống phứchợp có thể sẽ dễ dàng hơn do kiến trúc của hệthống thành phần [5].

Thiết kế và phát triển hệ thống phần mềm vớingôn ngữ hƣớng đối tƣợng đã đƣợc thừa nhận

là rất phức tạp [2]. Phát triển phần mềm theohƣớng thành phần là bƣớc phát triển logic tiếptheo của phƣơng pháp hƣớng đối tƣợng. Nhiều nhà nghiên cứu đã chỉ ra sự cần thiết phát triển công cụ hình thức hoá làm nền tảngcho việc phát triển phần mềm hƣớng đốitƣợng và hƣớng thành phần. Trong bài báonày chúng ta xem xét kỹ thuật mô hình hóamà nó hỗ trợ sự đặc tả các hệ thống đối tƣợngvà thành phần ở mức trừu tƣợng cao, dựa trên

*

Tel: 0915 564 249; Email: [email protected]

lý thuyết lập trình thống nhất của Hoare vàHe [1, 5]. Đề xuất một số vấn đề phục vụ choviệc thiết kế và phát triển các hệ thống thành phần, dùng cho việc xây dựng một cách đúngđắn các chƣơng trình hƣớng thành phần.

Sau phần giới thiệu, phần 2 trình bày kháiniệm giao diện (interface), phần 3 trình bàykhái niệm hợp đồng (contract), phần 4 trình bày khái niệm về thành phần (component).

Trong mỗi phần chúng tôi sẽ đƣa ra các thảoluận, một số tính chất và các ngữ nghĩa, mốiquan hệ giữa chúng và các tính toán làm mịnliên quan. Trong phần 5 sẽ đƣa ra một sốnhận xét và kết luận về các công việc mà màchúng tôi đã tiến hành.

GIAO DIỆN (INTERFACES)

Giao diện của một thành phần có thể đƣợcđịnh nghĩa nhƣ là sự đặc tả điểm truy nhậpcủa thành phần đó [4]. Các khách hàng truynhập tới các dịch vụ đƣợc cung cấp bởi một

thành phần bằng cách sử dụng các điểm truynhập này. Nếu một thành phần có nhiều điểmtruy nhập, mỗi điểm truy nhập đó biểu diễncho các dịch vụ khác đƣợc đƣa ra bởi thành phần, thì thành phần đƣợc mở rộng phải cónhiều giao diện.

Interface là một tập hợp các đặc trƣng, ở đâyđặc trƣng có thể là trƣờng hoặc phƣơng thức.Một cách hình thức, ta có thể định nghĩaInterface nhƣ sau.

Định nghĩa (Interface): Interface là cặp khai

báo đặc các trưng I = <FDec, MDec>. Trong








98

đó FDec là tập các khai báo trường, được kýhiệu là I.FDec; MDec là tập các khai báo phương thức, được ký hiệu là I.MDec.

Mỗi thành viên của FDec có dạng x: T , ở đây x là tên và T là kiểu của trƣờng đƣợc khai báo. Không đƣợc khai báo các trƣờng trùngtên trong cùng một FDec.

Một phƣơng thức (phép toán) trong MDec códạng m(in inx, out outx), trong đó m là tên của phƣơng thức , inx là danh sách các tham sốvào, outx là danh sách các tham số ra; Mỗimột khai báo tham số vào hoặc ra có dạng u:

U là tên và kiểu của tham số.

Tên của phƣơng thức cùng với các tham sốcùng với các kiểu của các tham số vào và ratạo thành ký danh của phƣơng thức. Nóichung cả inx và outx có thể trống. Để đơngiản hóa và không làm mất tính tổng quát,chúng ta có thể biểu diễn lại phƣơng thức ở dạng m(in: U, out: V) bằng cách bỏ đi các từkhóa inx và outx, do đó có thể coi m(in1: U,

out 1: V) và m(in2: U, out 2: V) là các phƣơngthức cùng một ký danh. Đơn giản hơn có thể biểu diễn một phƣơng thức của Interface làm(u, v), với u và v là các tham số vào và ra

của m.Trong một Interface không thực thi bất kỳmột phƣơng thức nào của nó, thay vì đó chỉ làcác tên của các phƣơng thức cùng với cáctham số để cung cấp các ký danh cho những phép toán của chúng.

Ví dụ 1: Một bộ đệm của các số nguyên, giaodiện của nó có khả năng cho ngƣời sử dụngđặt vào và lấy ra dữ liệu từ nó. Ta có thể biểudiễn giao diện này nhƣ sau:

IBuff = <buff: seq(int), put(in x: int), get(out y: int)>

ở đây seq(int) là kiểu dãy hữu hạn có thứ tựcủa các số nguyên và chúng ta qui ƣớc có thểdùng các ký pháp chuẩn để chỉ độ dài, phầntử đầu tiên hay cuối cùng… của dãy.

Định nghĩa (tính gộp lại): Hai Interface là

có khả năng gộp lại (composable) nếu chúng không sử dụng cùng một tên trường với cáckiểu khác nhau.

Giả sử I và J là các Interface có khả năng

gộp lại, kí pháp I ⊕ J biểu diễn một interface

với các thành phần trường và phương thứcnhư sau:

(I ⊕ J).FDec def I. FDec ∪

J.FDec

(I ⊕ J).MDec def I.MDec1 ∪

J.MDec

Theo định nghĩa trên ta có các tính chất sauvới các Interface có tính gộp lại:

(1) I ⊕ I = I

(2) I ⊕ J = J ⊕ I

(3) I 1⊕ (I 2⊕ I 3 ) = (I 1⊕ I 2)⊕ I 3

Ta có thể dễ dàng chứng minh các tính chấtnày nhƣ sau:

(1) Theo tính chất lũy đẳng củacác phép toán tập hợp.

(2) Theo tính chất giao hoán củacác phép toán tập hợp.

(3) Theo tính chất kết hợp củacác phép toán tập hợp.

Sự kế thừa interface: Kế thừa (inheritance)là các phƣơng tiện có ích cho sử dụng lại vàlập trình gia tăng. Khi thành phần cung cấpchỉ một nhiệm vụ của các dịch vụ cần thiết

hoặc một số phép toán đƣợc cung cấp làkhông đủ phù hợp cho sự cần thiết, chúng tacó thể sử dụng thành phần này bằng cách viếtlại một số phép toán hoặc mở rộng nó với mộtsố phép toán xử lý và các thuộc tính.

Định nghĩa (kế thừa Interface): Cho I và J

là các Interface, giả thiết rằng không cótrường nào của J được định nghĩa lại trong I.Ký pháp I extends J biểu diễn một Interfacecó các miền trường và phương thức như sau:

(I extends J).FDec def I.FDec ∪

J.FDec

(I extends J).MDec def I.MDec ∪

m(in: U, out: V)|m ∈ J.MDec∧ op ∉

I.MDec

Theo định nghĩa này, ta có các tính chất sau:

(1) I extends (J 1⊕ J 2 ) = (I

extends J 1)⊕ (I extends J 2)

(2) (I 1⊕ I 2 ) extends J = (I 1

extends J)⊕ (I 2 extends J)

Ta có thể chứng minh các tính chất này

nhƣ sau:






99

(1) Theo tính chất kết hợp của các phép toántập hợp và do

(U \ V 1 ) ∪ (U \ V 2) = U \ (V 1∪ V 2)

(2) Theo tính chất kết hợp của các phép toántập hợp và do

(U 1 \ V ) ∪ (U 2 \ V) = (U 1 ∪ U 2) \ V

Sự làm ẩn (hiding): Để có thể đƣa ra cácdịch vụ khác nhau cho các khách hàng khácnhau của một thành phần, chúng ta cho phéplàm ẩn các phép toán trong một interface đểkhông nhìn thấy chúng khi một thành phầnđƣợc bao bởi các thành phần nào đó. Việclàm ẩn các toán tử cung cấp hiệu ứng ngƣợc

với kế thừa giao diện và đƣợc sử dụng để giớihạn giao diện. Trong ký pháp đồ họa nhƣUML, vấn đề này có thể thực hiện đƣợc bằngký pháp tổng quát hóa [3, 9].

Định nghĩa (sự làm ẩn|sự che dấu): Giả sử I là interface và S là tập các tên phương thức.Ký pháp I\ S chỉ interface I sau khi loại bỏ các phương thức của S từ phần khai báo phương thức của nó:

(I\S).FDec def I.FDec

(I\S).MDec def I.MDec \ S

Việc làm ẩn các phép toán có các tính chấtsau:

(1) (I \ S1) \ S2 = I \ (S1 ∪ S2)

(2) I \ ∅ = I

(3) (I 1 ⊕ I 2) \ S = (I 1 \ S)⊕ (I 2 \ S)

(4) (I extends J) \ S = (I \ S) extends (J \ S)

Chứng minh: giả sử U, U 1 , U 2 , V, V 1 , V 2 là cáctập hợp, ta có:

(1) đƣợc thỏa mãn do (U \ V 1 ) \ V 2 = U \

(V 1∪ V 2)

(2) đƣợc thỏa mãn do U \ ∅ = U

(3) đƣợc thỏa mãn do (U 1 ∪ U 2) \ V = (U 1

\ V) ∪ (U 2 \ V)

(4) đƣợc thỏa mãn do (U 1 ∪ (U 2 \ U 1)) \ V

= ((U 1 \ V) ∪ (U 2 \ V)) \ (U 1 \ V).

Từ (1) cho thấy rằng thứ tự của các phéptoán trong 2 tập không quan trọng. Từ (3)ta thấy sự làm ẩn có tính phân phối với cáctoán hạng trong interface. Dựa vào các tínhchất trên, một số các tính toán làm mịn củacontract và thành phần đã đƣợc xây dựng

và thực hiện [7, 8, 9].

HỢP ĐỒNG (CONTRACT)

Hợp đồng (Contract) là ngữ nghĩa đặc tả cácchức năng cho Interface. Đó là sự giao ƣớcquan hệ của một giao diện tới một ứng dụng bằng mô hình dữ liệu (trừu tƣợng) có tính rõràng, cụ thể, mô tả các chức năng của cáctoán tử dịch vụ, các giao thức đặc trƣng, và bảo đảm các chất lƣợng yêu cầu khác của cácdịch vụ tùy thuộc vào ứng dụng. Mô hìnhcũng cung cấp định nghĩa nhất quán giữa cáckhung nhìn và phƣơng thức kiểm tra tính nhấtquán này. Sự liên quan có thể mở rộng theochiều ngang bằng cách bổ sung nhiều hơn cácdịch vụ, các tính chất để bảo đảm chất lƣợng

dịch vụ [3]. Sự đặc tả một phƣơng thức của một Interfacelà thiết kế D = ( , P) [1], ở đây :

- là tập của các biến (cùng với kiểu củachúng) đƣợc sử dụng bởi phƣơng thức chứatrong các tham biến vào và ra.

- P là tân từ có dạng (p ⊢ R) def (ok ∧

p) (ok’ ∧ R) đƣợc sử dụng để mô tả cáchành vi của phƣơng thức. p là tiền điều kiện,trạng thái khởi tạo đƣợc chấp nhận là đúng đểnhờ đó mà phƣơng thức đƣợc kích hoạt và

đƣợc biểu diễn bởi tập x | x ∈ ( \ out) của các biến. Tân từ R đƣợc gọi là hậu điềukiện, xác định quan hệ các trạng thái khởi đầutới các trạng thái cuối cùng và đƣợc mô tả bởitập x’ | x∈ ( \ in).

Thiết kế D1 đƣợc làm mịn bởi thiết kế D2 (kýhiệu là D1 ⊑ D2 ) nếu:

ok, ok’, v, v’ •(D2 D1)

Một cách hình thức, contract đƣợc định nghĩa

nhƣ dƣới đây. Định nghĩa (contract): Contract là cặp Ctr = (I, Init, MSpec, Prot), trong đó:

1. I là một Interface.

2. Init là hàm xác định các giá trị khởi đầucho các trường đã khai báo trong I.FDec.

3. MSpec là ánh xạ mỗi phương thức m(in:U, out: V) của I tới sự đặc tả của nó là thiết kế với tập alphabet α, ở đây:

inα def in ∪ I.FDec, outα def out’ ∪

I.FDec’, α = inα∪ outα.






100

4. Prot được gọi là giao thức của Interface,đó là tập các dãy hữu hạn có thứ tự của các sự kiện gọi phương thức. Dãy hữu hạn này có

dạng m1 , m2 , …, mk .

Ý nghĩa của contract là:

1. Nếu ngƣời sử dụng các thành phần tuântheo giao thức khi tƣơng tác với thành phần,thì sẽ không xuất hiện các trạng thái đình trệcũng nhƣ sai lệch, và

2. Tại mọi thời điểm khi ngƣời sử dụng gọi phép toán trong giao thức, trạng thái thay đổivà trả lại giá trị sẽ phù hợp trạng thái đặc tảchức năng của phép toán.

Với nhiều ứng dụng, các giao thức có thểđƣợc chỉ rõ bởi các biểu thức chuẩn mực vàtrong trƣờng hợp thuận tiện có thể đƣợc kiểmtra tự động [3].

Ví dụ 2: Với giao diện của bộ đệm các sốnguyên trong ví dụ 1, Một contract CtrBuff với giao diện của bộ đệm này có thể xác địnhnhƣ sau:

CtrBuff.IBuff = IBuff // xác địnhnhư trong ví dụ 1

CtrBuff.Init = |buff| = 0

CtrBuff.MSpec(put(in x: int)) def (true ⊢

buff’ = <x>)

CtrBuff.MSpec(get(out y: int)) def (true ⊢

buff = <> out’ = head(buff))

CtrBuff.Prot = (put; get)* + (put; (get;

put)*)

Định nghĩa (reactive contract): Một contract tác động trở lại (reactive contract)là bộ ba Ctr = (I, Init , MSpec), ở đây MSpec

gắn mỗi phép toán m(x, y) trong interface I với một thiết kế bị chặn.

Ví dụ 3: Con tract trong ví dụ 2 có thể coi nhƣcontract tác động lại nhƣ sau:

CtrBuff.I = IBuff // xác địnhnhư trong ví dụ 2

CtrBuff.Init = |buff| = 0

CtrBuff.MSpec(put(in x: int)) def (|buff|

= 0) & (true ⊢ buff’ = <x>)

CtrBuff.MSpec(get(out y: int)) def (|buff|

> 0) & (true ⊢ buff’ = <> y’ = head(buff))

Cho contract tác động lại Ctr = (I, Init,

MSpec), hành vi động của nó đƣợc xác định bởi các tập các trạng thái không phù hợp và

sai lệch F(Ctr) và D(Ctr). Mỗi phƣơng thứcgọi m(u, v) bao gồm hai sự kiện ?m(u) để tiếpnhận yêu cầu và m(v)! để gửi trả lại cho lờigọi, cho nên mỗi vết của các trạng thái không phù hợp và sai lệch có dạng:

?m1(u1), m1(v1 )!, …, ?mn(un),

mn(vn)! và ?m1(u1), m1(v1 )!, …,?mn(un)

Các trạng thái không phù hợp và sai lệchđƣợc xác định nhƣ sau [6]:

D(Ctr) bao gồm các dãy có thứ tự của cáctƣơng tác giữa Ctr và môi trƣờng của nó dẫncontract tới trạng thái sai lệch.

F(Ctr) là tập của các cặp (s, X), ở đây s làdãy thứ tự của các tƣơng tác giữa Ctr và môitrƣờng của nó, X là tập các phƣơng thức đểcontract có thể từ chối trả lời sau khi thựchiện s. Một trạng thái không phù hợp (s, X) sẽlà một trong các trƣờng hợp sau đây:

1. s = <?m1(x1), m1(y1 )!, …, ?mk (xk ), mk (yk )!>

và ∀ m ∈ X . gm , k ≥ 0, nếuך k=0 thì s = <>.

Điều này tƣơng ứng với trƣờng hợp khi hệthống tới trạng thái ở đó không bị chặn bởicủa các sự kiện trong X là phù hợp, sau khigọi thực hiện dãy có thứ tự này.

2. s = <?m1(x1), m1(y1 )!, …, ?mk (xk )> và mk !

∉ X . Điều này tƣơng ứng với trƣờng hợp khiphép toán mk đang đợi tới đầu ra kết quả củanó, biểu diễn bất kỳ của các phép toán khác sẽcó kết quả trong trạng thái không phù hợp. Vìnó cho rằng sự thi hành của phƣơng thức lànguyên tử.

3. s = <?m1(x1), m1(y1 )!, …, ?mk (xk )> và X cóthể là tập bất kỳ của các phƣơng thức, ở đâysự thực hiện mk đƣa tới trạng thái đợi.

4. s ∈ D(Ctr) và X có thể là tập bất kỳ củacác phƣơng thức. Đó là vết sai lệch với tập bất kỳ của các phƣơng thức luôn luôn là trạngthái không phù hợp.

Ví dụ 4: Tiếp theo ví dụ trên, hành vi độngcủa bộ đệm có thể đƣợc mô tả theo mô hình D/F ở trên nhƣ sau:

D(CtrBuff) = 0






101

F(CtrBuff) = (s, X) ?put, put!, ?get,

get!* ℙ ?put, put!, ?get, get!|

( k ℕ • s = <S(k)> X ?get, get!,

put!) ( k ℕ • s = <S(k), ?put(xk+1)>

X ?get, get!, put!) ( k ℕ • s = <S(k),?put(xk+1), put()!> X get!, ?put, put!)

( k ℕ • s = <S(k), ?put(xk+1), put()!, ?get>

X ?put, put, ?get!)

Ở đây:

- ℙ S là một tập con của tập S.

- S(k) def ?put(x1), put()!, ?get(), get(x1)!,

…, ?put(xk ), put()!, ?get(), get(xk )!

Chú ý rằng, khái niệm của các contract trong

giới hạn chức năng tĩnh và các giao thứctƣơng tác đƣợc sử dụng để hỗ trợ cho việc lắpghép các thành phần, khái niệm contract tácđộng trở lại đƣợc sử dụng để thiết kế, thẩm travà cấp sự chứng nhận (chứng thực) [3].

Contract gộp lại: Hai contract có thể đƣợcgộp lại để mở rộng chúng chỉ khi cácInterface của chúng có khả năng gộp lại, vànhững sự đặc tả của các phƣơng thức chung lànhƣ nhau (nhất quán). Thành phần kết cấunày sẽ đƣợc sử dụng để tính toán các dịch vụcung cấp và yêu cầu khi các thành phần đƣợc bao gộp lại.

Định nghĩ a (composable Contract): Các

Contract i = (I i , Init i , MSpeci , Prot i ),với i =1,2 có khả năng gộp lại nếu:

1. I 1 và I 2 có khả năng gộp lại và

2. Với bất kỳ phương thức m nào đang xuất hiện trong cả I 1 và I 2

MSpec1(m(in1: U, out 1: V)) = MSpec2(m(u: U,

v: V))[in1 , out 1’/u, v’]

Trong trường hợp này contract gộp lại đượcký pháp là Ctr1||Ctr2 và thành phần cấu trúccủa nó được xác định bởi:

I def (I 1 ⊕ I 2) và MSpec def MSpec1 ⊕

MSpec2

ở đây MSpec1 ⊕ MSpec2 chỉ sự ghi đè MSpec1(m) bằng MSpec2(m) nếu m xuất hiệntrong cả I 1 và I 2.

Chú ý mục đích của lập luận thành phần cấutrúc trên, điều kiện 2 tạo nên sự mở rộng bảo

toàn thành phần cấu trúc này và các dịch vụ

đƣợc giới hạn nhƣ dạng tổng quát hóa củangôn ngữ mô hình hóa thống nhất UML [3].

Làm mịn Contract: Khái niệm làm mịn sausẽ cho phép chúng ta so sánh và thay thế cácthành phần tùy theo các contract của chúng.

Định nghĩa (làm mịn contract): Cho Ctr 1 và

Ctr 2 là các contract. Ctr 1 được goi là làm mịnbởi Ctr 2 , ký hiệu là Ctr 1 ⊑ Ctr 2 nếu:

1. Ctr 1.MDec ⊆ Ctr 2.MDec

2. D(Ctr 1) ⊇ D(Ctr 2)

3. F(Ctr 1) ⊇ F(Ctr 2).

Trong đó F(Ctr) là D(Ctr) là các tập đặc trƣng

cho các hành vi động của các contract Ctr.Điều kiện 1 chỉ ra rằng Ctr 2 cung cấp các dịchvụ không ít hơn của Ctr 1, điều kiện 2 chỉ ra làCtr2 không có khả năng sai lệch hơn Ctr 1 vàđiều kiện 3 cho thấy rằng Ctr 2 không có khảnăng đình trệ hơn Ctr 1 [3].

Contract tổng quát (General Contract): Contact tổng quát GCtr là mở rộng của kháiniệm contract Ctr với việc khai báo một tập phương thức riêng PriMDec và sự đặc tả

PriMSpect của chúng, GCtr = (Ctr, PriMdec, PriMSpec). Hành vi của GCtr được xác địnhtrong Ctr.

Một contract Ctr có thể xem nhƣ là contracttổng quát GCtr với PriMDec = .

Làm ẩn dịch vụ (server hiding) của contract:Có thể làm ẩn phép toán chung trong MDeccủa contract tổng quát. Cho GCtr = (Ctr,

PriMDec, PriMSpec) là một contract tổng quát, S là tập con của tập các phương thức

chung MDec, thì GCtr\ S là một contract được xác định như sau: (Ctr \S, PriMDec S,

PriMSpec MSpec\S).

Sự hợp thành của các contract: Cho GCtri, i= 1, 2 là 2 contract tổng quát thỏa mãn:

1. Tất cả các trƣờng chia sẻ chung có kiểugiống nhau;

2. Tất cả các phƣơng thức chia sẻ chungđƣợc đặc tả nhƣ nhau;

3. Điều kiện khởi tạo của hai contract là

nhƣ nhau;






102

Sự hợp thành của các contract GCtr 1 và GCtr2 là một contract tổng quát đƣợc ký hiệu làGCtr1||GCtr2 = ((I, Init, MSPec), PriMDec,PriMSpec), với:

(GCtr1||GCtr2).I.FDec def GCtr1.I.FDec ∪ GCtr2.I.FDec

(GCtr1||GCtr2).Init def GCtr1.Init GCtr2.Init

(GCtr1||GCtr2).I.MDec def GCtr1.I.MDEc ∪ GCtr2.I.MDec

(GCtr1||GCtr2).MSpec def GCtr1.MSpec ⊕ GCtr2.MSpec

(GCtr1||GCtr2).PriMDec def GCtr1.PriMDec∪ GCtr2.PriMDec

(GCtr1||GCtr2).PriMSpec def GCtr1.PriMSDec ⊕ GCtr2.PriMSDec

THÀNH PHẦN (COMPONENT)

Một thành phần là một sự thực thi củaContract với Interface đƣợc cung cấp của nó.Để thi hành một Contact, thành phần này cóthể sử dụng các dịch vụ đƣợc cung cấp bởicác thành phần khác. Các dịch vụ đó đƣợc gọi

là dịch vụ yêu cầu và đƣợc mô hình hóa nhƣlà một Contract của một Interface, Interfaceđó đƣợc gọi là Interface yêu cầu.

Định nghĩa thành phần (component): Component C là bộ

C = (I, Init, MCode, PriMDec, PriMCode,

InMDec)

ở đây:

1. I là một Interface, Init là điều kiện khởiđầu của nó.

2. PriMDec là tập các phương thức đượckhai báo ở miềm private trong component.

3. MCode (hoặc PriMCode) là ánh xạ mỗi phương thức m trong I.MDec (hoặc PriMDec) tới lệnh g&c bị chặn trong một ngôn ngữ lập trình.

4. InMDec chỉ ra Interface yêu cầu mà các phép toán của nó được gọi thực hiện từ các phép toán trong PriMCode và I.MDec,

nhưng không được định nghĩa trong I.MDec

∪ PriMDec.

Ta sử dụng C.I, C.Init, C.MCode, C.PriMDec,C.PriMCode, C.InMDec để chỉ các phần củamột thành phần C.

Chú ý:

1. Nhƣ đã trình bầy ở trên, mô hình củacontract đƣợc sử dụng nhƣ là ngữ nghĩachung cho các ngôn ngữ lập trình khác nhaudùng làm phƣơng tiện cho các thành phần.Điều đó tại sao nói rằng mô hình thành phầnhỗ trợ khả năng cùng hoạt động. Đối tƣợngrCOS trong [2] cung cấp các tính toán thốngnhất cho việc định nghĩa và suy luận cho cảngôn ngữ lệnh và hƣớng đối tƣợng, và do đócó thể sử dụng để xây dựng hình thức cácthành phần [6].

2. Mô hình thành phần cũng hỗ trợ sự đónggói của cả dữ liệu và sự thực hiện của cácthành phần. Một thành phần có thể chỉ đƣợcsử dụng tùy theo contract của nó, đó là ngữnghĩa trừu tƣợng của thành phần. Những sựhỗ trợ mạnh mẽ tính sử dụng lại này khôngchỉ với các thành phần, mà còn kiểm chứngcác tính chất của các contract. Đó là điều cốtyếu của phƣơng pháp này [6].

Ngữ nghĩa của thành phần ở chức năng mà nóđƣa ra contract cho giao diện yêu cầu, trả vềcontract chung đƣợc tính toán từ mã của cácphép toán.

Các ngữ nghĩa của thành phần có thể xác địnhmột cách hình thức nhƣ sau: Giả sử InCtr làmột contract mà các phƣơng thức giao diệncủa nó giống nhƣ các phƣơng thức yêu cầucủa thành phần C, nghĩa là InCtr.MDec =C.InMDec. Hành vi C(InCtr) của thành phần

C đối với InCtr là một contract tổng quát ((I,MSpec), Init, PriMDec, PriMSpec), trong đó:

I.FDec def C.FDec InCtr.FDec

I.MDec def C.MDec InCtr.MDec

Init def C.Init InCtr.Init

MSpec def \ MDec

PriMSpec def \ PriMDec

Ở đây gán mỗi phép toán trong MDEc PriMDec đƣơc tính toán thiết kế bị chặn từmã (op) def guard(op)&[body(op)], nếu m

InMDec đƣợc gọi trong body(op), một sự






103

đặc tả của op gán bởi InCtr và đƣợc sử dụngtrong tính toán [3].

Định nghĩa (làm mịn component): Một component C 1 được làm mịn bởi component C 2 ký hiệu là C 1 ⊑ C 2 , nếu C 1.MDec ⊆

C 2.MDec, C 1.InMDec⊇ C 2.InMDec và sự làmmịn contract C 1(InCtr) ⊑ C 2(InCtr) thỏa tất cả các contract vào InCtr.

Công nghê thành phần còn hỗ trợ trên môitrƣơng nhiêu lơp , cho phep môt ƣng dungđƣơc chia nho thanh nhiêu dich vu khac nhauchạy trên những hệ thống máy tính khácnhau. Môt sô dich vu nhƣ : lôgic ƣng dung ,

thu thâp thông tin , điêu khiên giao dich , hiênthị dữ liệu , và quản trị có thể chạy trên cácmáy tinh khac nhau va giao tiêp đê cung câpcho ngƣơi sƣ dung cuôi môt giao diên ƣngdụng thống nhất.

Sự hợp thành của các thành phần vớinhau: Cho C 1 và C 2 là các thành phần màchúng có miền các trƣờng và miền các phƣơng thức khác nhau, sự lắp ghép C 1 với C 2 sẽ hợp thành một contract mới (ký hiệu là C 1

>> C 2), với: (C 1 >> C 2).FDec def C 1.FDec ∪ C 2.FDec

(C 1 >> C 2).MDec def C 1.MDec ∪ C 2.MDec

(C 1 >> C 2).Init def C 1.Init ∧ C 2.Init

(C 1 >> C 2).MCode def C 1.MCode ∪

C 2.MCode

(C 1 >> C 2).PriMDec def C 1.PriMDec ∪

C 2.PriMDec

(C 1 >> C 2).PriMCode def C 1.PriMCode ∪

C 2.PriMCode

(C 1 >> C 2).InMDec def (C 2.InMDec \

C 1.MDec) ∪ C 1.InMDec)

Dễ thấy rằng toán tử lắp ghép là đơn điệu đốivới sự làm mịn có thứ tự của các thành phần[3], Trong trƣờng hợp đặc biệt khi mà:

(C 1.InMDec ∪ C 2.InMDec) (C 1.MDec ∪

C 2.MDec) =∅ ,

thì phép lắp ghép C 1 và C 2 đƣợc gọi là phéphợp tách rời (disjoint union) và kí hiệu là

C1||C2.

Thành phần phản hồi (feedback component): Cho C là một thành phần, giả sửrằng phƣơng thức chung m của nó có cùng

một số lƣợng và các kiểu của các tham số với phƣơng thức n đã đƣợc nhập vào. Ta sử dụngký pháp C[m n] để biểu diễn một thành phần mà các việc phản hồi do dịch vụ đƣợccung cấp m cho dịch vụ nhập vào n, với các phần nhƣ sau:

C[m n].I def C.I \ m

C[m n].Init def C.Init

C[m n].MCode def (C.MDec) \ m ⊳

C.MCode

C[m n].PriMDec def C.PriMDec ∪ mC[m n].PriMCode def C.PriMCode ∪ m

→ C.MCode(m)

C[m n].InMDec def C.InMDec \ n

Ví dụ 5: Ta định nghĩa 2 thành phần bộ đệmcủa các số nguyên C1 và C2 nhƣ sau:

C 1.FDec = x1: seq(int)

C 1.MDec = put(in: int;), get 1(; out: int)

C 1.MCode(put) = (x1 := < in >)⊳ (x1 = <

>)⊲(put 1(head(x1);); x1 := < in >)

C 1.MCode(get 1 ) = (x ≠ < >) → (out :=head(x1); x1 = < >)

C 1.InMDec = put1(in: int;)

C 2.FDec = x2: seq(int)

C 2.MDec = put 1(in: int;), get(; out: int)

C 2.MCode(put 1) = (x2 = < >) → (x2 = < in >)

C 2.MCode(get) = (out := head(x2); x2 := <

>)⊳ (x2 ≠ < >)⊲(get 1(; out))

C 2.InMDec = get 1(in: int;)

Do đó, C1 >> C2 đƣợc minh họa trên hình 1,(C1 >> C2) \ get1) đƣợc minh họa trên hình 2và C1>>C2)[C2.put1 C1.put1] đƣợc minhhọa trên hình 3.

KẾT LUẬN

Chúng tôi đã trình bày một cách hình thứcmột số khái niệm cơ bản quan trọng cho môhình phát triển phần mềm thành phần, đó là:giao diện, các hợp đồng, các giao thức tƣơngtác, các thành phần; những quan hệ và sự biếnđổi của chúng; các tính toán làm mịn. Từ đó

cho thấy ý nghĩa và sự cần thiết khi phát triển






104

phƣơng pháp hình thức trong kỹ nghệ phầnmềm hƣớng thành phần. Đó là những cơ sở cho các tính toán làm mịn để xây dựng và phát triển các hệ thống thành phần và đốitƣợng trong các giai đoạn khác nhau của tiếntrình phát triển hệ thống. Các tính toán làm mịn ở đây đƣợc phát triểndựa trên mô hình tính toán rCOS, bảo đảm sựđúng đắn và nhất quán trong quá trình biếnđổi và phát triển. Trên cở sở của các tính toánnày chúng tôi sẽ xây dựng các hệ thống ứng dụng theo phƣơng pháp hƣớng thành phần, bảo đảm hiệu quả cho việc quản lý độ phứctạp và sự biến đổi của hệ thống và tận dụng

tối đa khả năng sử dụng lại các thành phần. Lời cảm ơn: Nghiên cứu này có sử dụng một số kết quả trong đề tài nghiên cứu B2010-TN03-23. Chúng tôi xin chân thành cảm ơn sự hỗ trợ quý báu với đề tài B2010-TN03-23.


[1]. C.A.R. Hoare and He Jifeng (1998), Unifying

Theories of Programming, Prentice Hall.[2]. He Jifeng, Li Xiaoshan and Zhiming Liu(2005), rCOS: Refinement Calculus for Object

Systems, Technical report UNU/IIST No.322,UNU/IIST: International Institute for softwaretechnology, the United Nations University,Macau.[3]. J. Hefeng, Li Xiaohan and Li and Zhiming Liu(2005), Component-Based software engineering-

the need to link method and their theories ,No.330, UNU/IIST: International Institute for

software technology, the United NationsUniversity, Macau.[4].He Jifeng, Zhiming Liu, Li Xiaohan (2005),

Reactive Components, Technical report UNU/IISTNo.327, UNU/IIST: International Institute forsoftware technology, the United NationsUniversity.[5].Zhiming Liu, He Jifeng, Li Xiaohan (2005),“rCOS: Refinement of Component and ObjectSystems”. Invited talk at 3rd InternationalSymposium on Formal Methods for Componentand Object Systems.[6].Xin Chen, He Jifeng, Zhiming Liu and NaijunZhan (2007), “A Model Component-BasedProgramming”, In International Symposium onFundamentals of Software Engineering, to appear

in LNCS, Springer.[7].Zhenbang Chen, Zhiming Liu, Anders P.Ravn, Volker Stolz and Naijun Zhan (2007),

Refneinement and verification in component based

model driven design, Technical report UNU/IISTNo.388, UNU/IIST: International Institute forsoftware technology, the United NationsUniversity, Macau.

[8].Đặng Văn Đức, Nguyễn Văn Vỵ, NguyễnMạnh Đức (2008) , “Một qui trình phát triển hệthống phần mềm trên cơ sở mô hình rCOS”, Kỷ

yếu Hội thảo khoa học Quốc gia lần thứ 3 -

Nghiên cứu cơ bản và ứng dụng công nghệ thông tin (FAIR07), nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật,tr. 184-201.

[9]. Nguyễn Mạnh Đức, Đặng Văn Đức (2006) ,“Về một cách tinh chế mô hình lớp UML”, Tạpchí Tin học và điều khiển học, Viện Khoa học vàCông nghệ Việt nam, 22 (1) tr. 63-74.

SUMMARYSOME THE CALCULATES AND REFINEMENTS WITH COMPONENTS

Nguyen Manh Duc* Faculty of Math., Thainguyen University of Education

In this article we are formal of the basic and important concepts for model of developmentcomponent software, including interfaces, contracts, interaction protocols, components, componentcompositions and the relations among these notions, the calculates and refinements among theses.The specification and calculates and refinements implemented based on rCOS model, ensurecorrects and consistent of systems. The works can implements in different stages of processsoftware development. From that place shows meaning and need when formal developmentmethod for component-oriented software engineering.Key words: rCOS, design, Interface, Contract, Component, UML

* Tel: 0915 564 249; Email: [email protected]







Hoàng Quang Trung và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 78(02): 105 - 108

105

PHẨM CHẤT CỦA HỆ THỐNG ALAMOUTI STBC-OFDM

TRONG MÔI TRƢỜNG FADING ĐA ĐƢỜNG

Hoàng Quang Trung1*, Vũ Đức Hiệp2

1 Khoa Công nghệ thông tin – ĐH Thái Nguyên, 2 Học viện Kỹ thuật Quân sự

TÓM TẮT

Gần đây, đã có rất nhiều các nghiên cứu tập trung vào việc đề xuất các sơ đồ truyền dẫn nhằmnâng cao phẩm chất hệ thống thông tin vô tuyến. Trong bài viết này, chúng tôi giới thiệu sơ đồthực thi của hệ thống sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) kết hợpvới mã khối không gian-thời gian (STBC) Alamouti 2x1, hay còn gọi là sơ đồ Alamouti 2x1STBC-OFDM. Trên cơ sở đó, chúng tôi tiến hành tách tín hiệu tại máy thu bằng phƣơng pháp

MLD. Với mô hình hệ thống đƣợc đƣa ra ở trên, nhiễu ISI gây ra bởi hiệu ứng đa đƣờng sẽ bị loại bỏ. Kết quả mô phỏng bằng Matlab cho thấy tham số phẩm chất hệ thống về tỷ số lỗi bit (BER)dựa trên sơ đồ này là tốt hơn hẳn so với sơ đồ Alamouti 2x1 đơn giản khi ta xét trong môi trƣờn gtruyền dẫn có fading đa đƣờng.

Từ khóa: stbc, ofdm, Sơ đồ Alamouti, Hệ thống Stbc-Ofdm, ISI.

*GIỚI THIỆU

Ghép kênh theo tần số trực giao (OFDM-Orthogonal Frequency Division Multiplexing)và mã khối không gian – thời gian (STBC-

Space-Time Block Code) là kỹ thuật sử dụngtrong truyền dẫn đang đƣợc nhiều ngƣời quantâm do những lợi ích có đƣợc trong các ứngdụng truyền thông vô tuyến. OFDM hỗ trợ khả năng đạt đƣợc tốc độ dữ liệu cao bằngcách phân bổ luồng dữ liệu nối tiếp vào Nluồng dữ liệu tốc độ thấp song song tƣơngứng đƣợc phát trên N sóng mang phụ trựcgiao. Trong trƣờng hợp N đủ lớn và khoảngthời gian bảo vệ là an toàn, các kênh ứng vớimỗi sóng mang phụ khi đó gần nhƣ là phẳng

theo tần số và cho phép thực hiện điều chế bậccao [3]. Do khả năng này và một số lợi ích hấpdẫn khác, OFDM đã đƣợc ứng dụng trong rấtnhiều hệ thống truyền thông thƣơng mại.

Mã khối không gian – thời gian (STBC) làmột trong những kỹ thuật truyền thông dànhcho các hệ thống vô tuyến, thực hiện phân tậptheo không gian (và tăng độ lợi mã hóa) bằngcách tạo ra sự tƣơng quan về thời gian và

*Tel: 0904055956; Email: [email protected]

không gian vào các tín hiệu đƣợc phát từ cácanten phát khác nhau. Sơ đồ thực hiện mãkhối không gian – thời gian điển hình là sơ đồAlamouti, cho phép thực hiện phân tập đầy đủvới hai anten phát. Tuy nhiên với sơ đồAlamouti, nhiễu giữa các ký hiệu ISI(Intersymbol Interference) tại máy thu chƣađƣợc loại bỏ, làm ảnh hƣởng tới phẩm chấtBER của hệ thống. Chính vì vậy ý tƣởng kếthợp OFDM với mã STBC sẽ tạo ra hệ thốngtruyền dẫn thực sự tối ƣu. Dƣới đây ta sẽnghiên cứu hệ thống nhƣ thế.

MÔ HÌNH HỆ THỐNG

Trong hệ thống Alamouti STBC-OFDM (dựatrên [3] đƣợc thể hiện ở hình a), sơ đồ

Alamouti đƣợc thực hiện thông qua hai kýhiệu OFDM liên tiếp trong mỗi sóng mang phụ. Trƣớc tiên, mỗi khối gồm N ký hiệuthông tin lối vào đƣợc chuyển đổi từ dạng nốitiếp sang song song để tạo thành chuỗi các

véc-tơ 0 , 1 , , 1s s s s

D D D N D , ở

đó, N đƣợc giả thiết là bằng với độ dài biếnđổi IFFT của bộ điều chế OFDM và bằng bộicủa 2, s là chỉ số ký hiệu OFDM. Đặt

, , 1, 2, , 1,l m X k l m s s

0,1,..., 1k N biểu diễn cho ký hiệu mã









106

không gian – thời gian đƣợc phát trên sóngmang phụ thứ k bởi anten phát thứ l trongkhoảng thời gian ký hiệu OFDM thứ m. Bộ

mã hóa A-STBC-OFDM tạo ra các kýhiệu ,l m X k nhƣ sau:

*

1, 1, 1 1

*

2, 2, 1 1

s s s s

s s s s

X k X k D k D k

X k X k D k D k

(1)

ở đó * x biểu diễn liên hợp phức của x.

a. Sơ đồ thực thi bộ phát Alamouti STBC-OFDM

b. Sơ đồ thực thi bộ thu Alamouti STBC-OFDM

Bây giờ chúng ta biểu diễn các véc-tơ đầu racủa bộ mã hóa Alamouti-STBC-OFDM

, , , ,0 , 1 , , 1l m l m l m l m X X X N X cho

các chu kỳ ký hiệu , 1m s s , để đƣa tớihai khối chuyển đổi IFFT tƣơng ứng với cácanten phát 1 à 2l v l có thể đƣợc viết nhƣsau:

1 1 1

1,

2, 1 1 1

* * *

1, 1

* * *

2, 1

0 , 1 , , 1

0 , 1 , , 1

0 , 1 , , 1

0 , 1 , , 1

s s s

s s s

s s s s

s s s s

s

s

D D D N

D D D N

D D D N

D D D N

X

X

X

X

(2)

Tiếp theo, ta đặt

, , , ,0 , 1 , , 1 ,l m l m l m l m x x x N x

, 1, 1, 2m s s l biểu diễn các véc-tơ đầura của các khối IFFT, để đƣa tới bộ chuyểnđổi song song sang nối tiếp, đƣợc xác định bởi [1]:

,

1

,

0

1,

l m

N nk

l m N

k

x n X k W

N

(3)

0,1, , 1n N

Trong đó, 2 j m N m

N W e , toán tử

biểu

diễn phép lấy liên hợp phức. Cần chú ý rằng bốn toán tử IFFT đƣợc thực hiện để tạo cáctín hiệu điều chế OFDM cho các chu kỳ s và s+1 đối với hai anten. Sau đó, ,l mx đƣợc chènthêm vào mã bảo vệ CP (Cyclic Prefix) có độdài C để để phát trên anten thứ l trongkhoảng thời gian ký hiệu OFDM thứ m.

Quá trình tách tín hiệu tại máy thu đƣợc thựchiện ngƣợc lại so với các quá trình đã thựchiện tại máy phát, theo sơ đồ hình b). Giả sửkênh fading đa đƣờng giữa anten phát và

anten thu gồm p thành phần đa đƣờng 0,1, , 1 p P , có biên độ là ,l m p

và độ trễ . s p T . Để đơn giản, ta giả thiết

1sT khi đó có kênh đƣợc biểu diễn thành

1

, ,

0

P

l m l m

p

h n p n p

(4)

ở đó, là hàm xung Dirac. Do đó, tại

phía thu, tín hiệu thu đƣợc có thêm trễ kênh






107

2

, ,

1

2 1

, ,

1 0

m l m l m m

l

P

l m l m m

l p

y n h n x n z n

p x n p z n

(5)

Trong đó, m z n là tạp âm Gauss ngẫu nhiên.

TÁCH TÍN HIỆU CHO HỆ THỐNGALAMOUTI STBC-OFDM Nếu độ dài C của mã bảo vệ CP đƣợc chọndài hơn so với trải trễ lớn nhất ax ( 1)m P

thì sau khi loại bỏ CP, tín hiệu m y n thu

đƣợc trên sóng mang thứ k qua bộ chuyển đổi

nối tiếp-song song sau đó đƣợc cho qua bộ biến đổi FFT sẽ có dạng:

2

, ,

1

m l m l m m

l

Y k X k H k Z k

(6)

Trong đó

21

, ,

0

kn N j N

l m l m

n

H k h n e

(7)

là đáp ứng tần số kênh truyền giữa anten phátthứ l và anten thu trong các chu kỳ ký hiệu

thứ m. Và m Z k là tạp âm Gauss trên miềntần số

21

0

kn N j N

m m

n

Z k z n e

(8)

Biểu thức (6) có thể đƣợc viết lại dƣới dạngma trận nhƣ sau:

k k k k Y H X Z (9)

Trong đó

1, 2,

* *

2, 1 1, 1

s s

s s

H k H k

k H k H k

H (10)

1 2

T

k X k X k X(11)

2

*

1

T

k Y k Y k Y(12)

2

*

1

T

k Z k Z k Z(13)

Giả sử kênh fading chậm, khi đó ta có:

1, 1, 1 1s s H k H k k

và 2, 2, 1 2s s H k H k k .

Do đó:

1 2

* *

2 1

k k k

k k

H (14)

Tín hiệu lối ra bộ chuyển đổi FFT đƣợc đƣavào bộ giải mã không gian-thời gian AlamoutiSTBC-OFDM. Sử dụng phƣơng pháp MLD(Maximum Likelihook Decoding) [2], ta nhậnđƣợc:

2 2

1 2

H

H H

H

k k k

k k k k k

k k k k k

X H Y

H H X H Z

X H Z

(15)

Trong đó 1 2

T

k X k X k X .

Tín hiệu đƣợc tách thông qua luật quyết định:

arg min , 1, 2 M

l l l X C

k X k X k l

X (16)

ở đó 2 2

1 2k k và M C là các

chòm sao tín hiệu.

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB Kết quả mô phỏng dƣới đây chủ yếu tập trungvào đánh giá phẩm chất BER của hệ thốngAlamouti 2x1 STBC-OFDM trong môitrƣờng có fading đa đƣờng để thấy đƣợc ƣuđiểm nổi bật của nó so với hệ thống dựa trênsơ đồ Almouti 2x1 khi không sử dụng kỹthuật OFDM.

Hình 2. So sánh phẩm chất BER giữa hai hệ thống

Alamouti-ofdm và Almouti

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 2010

-7

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

Eb/No

A v e r a g e B E R

BER Comparison of Almouti and Alamouti-Ofdm Schemes in Multipath Fading Environment

Alamouti-Ofdm Scheme

Alamouti Scheme






108

Kết quả mô phỏng ở trên đƣợc thực hiện vớitham số:

Độ dài dữ liệu: 2048. Số kênh con: 128.

Số kênh đa đƣờng: 2.

Dựa trên kết quả mô phỏng ta nhận thấy phẩm chất BER của hai sơ đồ giống nhau khiyêu cầu về tỷ số công suất tín hiệu trên tạp âm(SNR) thấp. Tuy nhiên với mức yêu cầu(SNR) cao hơn thì sơ đồ Alamouti STBC-OFDM cho kết quả tốt hơn so với sơ đồAlamouti đơn giản khi xét trong môi trƣờngfading đa đƣờng. Nhƣ vậy có nghĩa là hiệu

ứng fading đa đƣờng đã gây ra nhiễu ISI(Intersymbol Interference) và làm ảnh hƣởngđến quá trình tách tín hiệu tại máy thu trongtrƣờng hợp sử dụng sơ đồ Alamouti 2x1. Dođó, nếu nhƣ sử dụng cả mã khối STBC và kỹthuật OFDM thì hệ thống sẽ có đƣợc cả ƣuđiểm về độ lợi phân tập và khắc phục đƣợcISI dẫn tới phẩm chất hệ thống tốt hơn.

KẾT LUẬN

Trong bài báo này, chúng tôi đã giới thiệu môhình hệ thống Alamouti 2x1 STBC-OFDM.Trên cơ sở đó, đã đƣa ra đƣợc mô hình toánhọc để thực thi hệ thống khi xét trong môitrƣờng có fading đa đƣờng và thực hiện táchtín hiệu bằng cách sử dụng phƣơng phápMLD. Ngoài ra, chúng tôi cũng đã mô phỏng bằng matlab để đánh giá tham số phẩm chấthệ thống BER của sơ đồ dựa trên mô hình hệthống này khi so sánh với hệ thống STBC đơngiản Alamouti 2x1 trong môi trƣờng truyềndẫn có fading đa đƣờng.


[1].Quách Tuấn Ngọc (1999), Xử lý tín hiệu số, Nxb Giáo dục. [2].Branka Vucetic (2003), Space-Time Coding, University of Sydney, Australia[3].Jooyeol Yang and Kyungwhoon Cheun (2004),“Complexity Implementation of Alamouti Space-Time Coded OFDM Transmitters”, IEEE

communications letters, Vol. 8, No. 4, 2.

SUMMARYTHE PERFORMANCE OF ALAMOUTI STBC-OFDM SYSTEMIN A MULTIPATH FADING ENVIRONMENT

Hoang Quang Trung* Faculty of Information Technology, Thai Nguyen University

Vu Duc Hiep Academy of Military Engineering

Recently, there have been many researchs for proposing transmission schemes for improving theperformance of wireless communication systems. In this paper, we present the implementingscheme of a system using orthogonal frequency division multiplexing technique combined withspace-time block code, it is also called Alamouti 2x1 STBC-OFDM system. Then we give MLD

method for detecting signal at receiver. By implementing this system, we can cancel ISI.Simulation result by matlab program showed that this scheme provides better BER performance inthe multipath fading environment than the Alamouti 2x1 STBC scheme.

Key words: space-time block code, orthogonal frequency division multiplexing, Alamouti scheme,

Alamouti stbc-ofdm system, Intersymbol Interference.







tap 78 - so 2 nam2011

Documents