工作压强对射频辉光放电H2/C4H8等离子状态的影响

利用辉光放电技术采用等离子体质谱诊断的方法研究了不同工作 压强下H₂/C₄H₈混合气体等离子体中 主要正离子成分及其能量的变化规律, 并分析了压强对H₂/C₄H₈混合气体的离解机理以及主要正离子形成过程的影响. 结果表明: 随着工作压强的增加, 碳氢碎片离子的浓度和能量均逐渐减小. 当工作压强为5 Pa时, H₂/C₄H₈混合气体等离子体中C₃H₅⁺相对浓度最大; 压强为10 Pa时, C₃H₃⁺相对浓度最大; 压强为15, 20 Pa时, C₂H₅⁺相对浓度最大; 压强为25 Pa时, C₄H₉⁺相对浓度最大. 对H₂/C₄H₈等离子体中的主要组分及其能量分布所进行的定性分析, 将为H₂/C₄H₈混合气体辉光放电聚合物涂层的工艺参数优化提供参考技术基础. 关键词： 辉光放电技术 等离子体质谱诊断 工作压强     

射频功率对辉光放电H2/C4H8等离子状态的影响

采用辉光放电技术和等离子体质谱诊断技术,研究了H₂/C₄H₈混合气体等离子体中正离子成分及主要正离子能量随射频功率的变化规律,并分析了H₂/C₄H₈混合气体主要的离解机理和形成过程.研究表明:随着射频功率的增加,碳氢碎片离子的浓度增加,在20 W时达到最大值,25 W后有所减小.当射频功率小于10 W时,H₂/C₄H₈混合气体等离子体中C₄H₉⁺相对浓度最大,当功率大于或等于10 W时,C₃H₃⁺相对浓度最大.随着射频功率的增大,碳氢碎片离子的能量逐渐增加.对H₂/C₄H₈混合气体等离子体的组成与能量进行的定性分析,将为H₂/C₄H₈混合气体辉光放电聚合物涂层工艺参数优化提供参考.     

光声光谱多组分气体分析仪的交叉干扰特性研究

设计了一套基于红外热辐射光源的光声光谱多组分气体分析仪。通过分析多组分气体间交叉干扰的主要因素以及特征气体的红外吸收谱线,确定了中红外带通滤光片的参数。利用标准气体对设计的光声光谱仪进行标定,研究了待测气体之间交叉干扰的定量关系,并利用湿度发生器对装置受到水气干扰情况进行分析。实验结果表明,C₂H₂对CH₄、CH₄对C₂H_6的干扰水平分别达到10.49μV/(μL/L)、18.66μV/(μL/L),其他烃类气体间的干扰可以忽略。CO₂对CO、CH₄、C₂H₂和C₂H₄干扰响应度分别为1.615μV/(μL/L)、0.055μV/(μL/L)、0.130μV/(μL/L)以及0.016μV/(μL/L)。此外,水气对C₂H₂、CH₄、C₂H_6、C₂H₄、CO和CO₂都会产生一定的干扰,干扰的响应度分别为0.591μV/(μL/L)、0.421μV/(μL/L)、0.071μV/(μL/L)、0.007μV/(μL/L)、0.051μV/(μL/L)和0.055μV/(μL/L)。实验结果表明C₂H₂对CH₄、CH₄对C₂H_6、CO₂对CO以及高浓度水气对其他气体的检测会产生较高水平的干扰,在测量过程中应当考虑扣除。     

对称点模式-深度卷积神经网络的红外光谱识别方法

红外光谱分析在自然科学、工程技术等诸多领域发挥着重要作用。随着计算机和人工智能技术的不断发展,对红外/近红外光谱分析提出了更高的要求。深度学习以人工神经网络为架构,通过对数据进行分层特征提取完成特征/表征学习,在解析数据细节特征方面具有独特的优势,在计算机视觉、语音识别、疾病诊断等多领域得到成功应用。尽管深度学习在图像、音频、文字分析方面获得了较好的效果,但是在红外/近红外光谱数据分析中的应用还十分有限。针对深度学习的卷积运算,首先将一维傅里叶变换（Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR）红外光谱数据通过对称点模式（symmetrized dot patterns,SDP）变换为二维RGB彩色图像,然后将SDP变换得到的彩色图像数据作为VGG（oxford visual geometry group）深度卷积神经网络的输入进行深度学习,建立基于红外光谱数据的分类识别模型。对不同浓度甲烷（CH₄）、乙烷（C₂H₆）、丙烷（C₃H₈）、正丁烷（C₄H₁₀）、异丁烷（iso-C₄H₁₀）、正戊烷（C₅H₁₂）、异戊烷（iso-C₅H₁₂）七种单组分烷烃及其混合气体SDP转化获得的224×224彩色（RGB）图像,呈现出显著差别,且更符合VGG卷积运算的数据格式。将SDP-VGG方法应用于气测录井中甲烷浓度范围的识别：气测录井气体为上述七组分烷烃气体的混合气体,其中主要成分甲烷的浓度范围按照<20%,20%～40%,40%～60%,60%～80%,80%～100%分为5类,不同七组分烷烃混合气体样本的红外光谱由红外光谱仪在波数范围为4 000～400 cm-1、间隔12 nm的条件下扫描获得。在未经过特殊预处理和特征提取的情况下,采用随机选择的4 500个样本,由SDP-VGG法建立的七组分混合气体甲烷浓度范围识别模型,对5种甲烷浓度范围的识别准确率达到91.2%,优于相同红外光谱数据所建立支持向量机（support vector machine,SVM）和随机森林（random forest,RF）模型的识别准确率88.7%和86.2%。研究表明,SDP结合深度学习可以准确提取红外光谱数据的关键特征,提高了红外光谱识别的准确率,是一种更为有效的红外光谱分析方法,具有广阔的应用前景。     

CH4裂解制备C2H2过程气体空芯光纤增强拉曼光谱检测研究

基于空芯反谐振光纤设计搭建了光纤增强拉曼光谱检测平台,实现了95%的激光耦合效率;提出CCD和小孔协同降噪方法,使信噪比提高约6倍;相比于未使用光纤时,信噪比提高约270倍。基于单一标准浓度气体分析,确定了用于气体定性的特征拉曼谱峰及标定模型并建立了过程气体定量分析模型,实现了CH₄裂解制备C₂H₂过程气体现场样本的同时检测分析,主要成分包含H₂、CO、CO₂、CH₄、C₂H₂、C₂H₆和C₂H₄。各气体同时最小检出限分别达到6.3、26.6、1.2、2.2、4.2、3.9、9.1μL/L·bar,各气体含量分别为560 588.51μL/L、230 678.21μL/L、33 107.65μL/L、56 086.77μL/L、77 945.56μL/L、1 307.19μL/L、1 823.55μL/L,各气体浓度与色谱仪标...     

基于LASSO方法的傅里叶变换红外光谱快速定性识别方法

采用红外光谱技术对未知气体组分进行监测,需要对气体组分进行定性识别分析。基于多元线性回归模型的LASSO变量选择技术广泛应用于数据分析领域。将LASSO方法引入到红外光谱分析领域,提出一种LASSO变量选择技术结合循环线性最小二乘(LCLS)分析的定性识别方法,并开展了相关的实验对其进行验证。实验采集CO,C₂H₄,NH₃,C₃H₈,C₄H₁₀和C₆H₁₄六种单组分傅里叶变换红外(FTIR)光谱吸光度谱以及一组C₂H₄和NH₃混合组分的吸光度谱,结合实验室自建光谱数据库,先采用LASSO方法对采集的光谱进行初步定性分析,然后使用LCLS方法剔除干扰组分。实验结果表明,LASSO结合LCLS的方法能有效识别出光谱中的目标组分,即使是在干扰严重的光谱波段也可以剔除掉大部分的干扰组分。     

射频辉光放电CH4等离子体一维流体动力学模拟

完整建立一个关于射频辉光放电CH₄等离子体的流体动力学模型.模型包括基于迁移-扩散近似的粒子平衡方程、电子能量平衡方程,共包含了20种粒子(环境气体粒子,激发态粒子,离子和电子)和49类化学反应(电子-中性环境粒子、离子-中性环境粒子、激发态粒子-激发态粒子(中性环境粒子)).结果表明,在强电场区域有较高的电子反应率系数;等离子体中除源气体CH₄外,H₂,C₂H₆,C₃H₈,C₂H₄和C₂H₂也有较高的密度含量;激发态粒子中,CH₃含量最高,密度约为10¹⁹m^-3;在较低放电压力时(如18 Pa),CH₅⁺在离子成分中密度含量最高,当放电压力较高时(如67Pa),C₂H₅⁺在离子成分中占主导地位;除C₂H₅⁺外,其它各离子和激发态粒子在极板上的粒子流量随功率的增大逐渐升高.     

便携式FTIR的机动车尾气检测方法

随着汽车排放标准的提高,相关VOC标准从总烃检测变为非甲烷碳氢化合物(NMHC)检测;随着含氧燃料的增加,增加了非甲烷有机气体(NMOG)测量。针对国内汽车尾气分析仪分析组分单一、精度有限、VOCs检测过程复杂等问题,提出了基于便携式FTIR的机动车尾气检测方法,基于立体角镜优化FTIR光学系统结构,提高动镜扫描速度,设计便携式且满足抗振动需求的快速FTIR光谱仪。FTIR红外光源输出波段范围为2～20 μm,分辨率为0.5 cm-1,扫描速度1 Hz,气体池光程为10 m,采用斯特林探测器,其光谱响应范围为600～6 000 cm-1。选择CH₄,C₂H₂,C₂H₄,C₂H₆,C₃H₆,n-C₅H₁₂,i-C₅H₁₂,C₇H₈,HCHO,C₂H₅OH,CH₃CHO这些典型HC化合物作为VOC气体检测的替代物。通过标准谱确定尾气成分的波段为900～1 100和2 700～3 100 cm-1,涵盖所有待测气体吸收波段。基于AVL台架测试,开展NEDC和WLTC工况实验测试,测试车辆为丰田威驰,测试油品为92号国五。便携式FTIR采用抽取方式进行尾气测量,原始的废气样本来自安装在排气管延长部分的多孔探头,前端安装样气取样装置,主要包括颗粒物过滤和除水汽装置,以防止污染FTIR光学系统。实验表明FTIR可以有效快速测量汽车尾气中CO,CH₄,NO和主要HC化合物,在FTIR检测限0.5 μmol·mol-1下会引入噪声信号,浓度可信度降低。通过分析可以看出输出气体平均浓度降级排列依次是：CO,C₂H₄,CH₄,NO,i-C₅H₁₂,C₂H₆,C₇H₈,n-C₅H₁₂,C₂H₅OH,CH₃CHO。从3个循环的NEDC工况可以看出,每种气体排放呈现一致的规律性变化。针对CO进行了SEMTECH-DS与FTIR测量数据的时间序列比较,结果呈现了较好的规律一致性,但是由于FTIR和SEMTECH-DS测量技术和取样稀释系统不同导致二者浓度差异较大。与传统尾气检测技术相比,便携式FTIR测量系统对瞬态事件有良好的响应,可以在线进行多组分浓度实时测量获取机动车的瞬时排放数据,在满足新规测试要求下,也可以为后期的机动车在实际道路上的排放特征分析和模拟提供可靠的数据支持。     

高气压直流辉光CH4/H2等离子体的气相过程诊断

对高气压(约100 Torr) 直流辉光碳氢等离子体的气相过程进行了光谱和质谱原位诊断. 在高气压下, 等离子体不同区域光发射特性存在明显差异. 正柱区存在着以C₂和CH为主的多个带状谱和分立谱线, 阳极区粒子发射谱线明显减少, 而在阴极区则出现大量复杂的光谱成分, 表明高气压情形下等离子体与阴极间强烈的相互作用将导致复杂的原子分子过程. 从低气压到高气压演变过程中, 电子激发温度降低而气体分子转动温度升高. 在高气压下, 高甲烷浓度导致C₂, C₂H₂及C₂H₄增多而C₂H₆减少. 表明在高气压条件下, 气体温度对气相过程的影响作用显著增强. 关键词： 高气压直流等离子体 光发射谱 质谱     

锐钛矿相TiO2(101)表面对有机分子不同官能团微观吸附的机制

挥发性有机化合物(VOCs)严重危害了生态环境和人体健康,因此对具有典型官能团的VOCs气体进行灵敏检测具有重要意义.文章研究了具有典型官能团的VOCs气体C₂H₂、C₂H₄、HCOOH、CH₃OH、HCHO和CH₃COCH₃分子在锐钛矿相TiO₂(101)表面吸附的传感特性.结果表明：具有氧空位缺陷的表面对极性分子吸附时,偶极矩越大,吸附体系越稳定;对非极性分子吸附时,C原子成键饱和程度越低,吸附体系越稳定.分析发现,差分电荷密度和电荷布局体现出偶极矩大小和C原子成键饱和程度对气体分子得失电子能力的影响.对于极性分子,气体分子官能团中O原子得到电子的能力为OCH₃COCH₃>OHCHO>OCH₃OH>OHCOOH;对于非极性分子,官能团中C原子得到电子的能力为CC₂H₂>CC     

不同驱动力下瓦斯水合物生长过程Raman光谱特征

基于煤矿瓦斯(CH₄∶C₂H₆∶N₂=67.5∶22.5∶10)水合物相平衡曲线开展四种驱动力ΔP水合动力学实验,利用可见显微Raman光谱仪获取水合物生长过程光谱图,根据水合物相中C₂H₆ C-C键伸缩振动特征峰Raman位移确定了4组实验中水合物为sⅡ结构。基于van der Waals与Platteeuw模型获取瓦斯水合物生成过程中水合物相气体组分及水合指数变化规律。研究表明： 驱动力的大小影响水合物的稳定性,随着驱动力的增加,CH₄相比C₂H₆逐渐占据更多的孔穴结构,CH₄在水合物相内比例增加,水合物稳定性越强;瓦斯中N₂,CH₄和C₂H₆进入水合物孔穴优先级可以通过分子与水合物孔穴的直径比进行确定,分析认为在sⅡ水合物结构中小孔穴CH₄优先级最高,大孔穴C₂H₆最高;基于瓦斯水合物稳定性,对水合物生长过程客体分子的物质传递规律进行描述,为瓦斯水合物的微观生长提供理论基础。     

瓦斯浓度影响下水合物晶体结构Raman光谱特征

在初始温压2 ℃,5 MPa条件下开展了三种瓦斯混合气(CH₄—C₂H₆—N₂,G1=54∶36∶10,G2=67.5∶22.5∶10,G3=81∶9∶10)水合实验,利用可见显微拉曼光谱仪获取水合产物拉曼光谱,通过水合物相中C₂H₆ C—C键伸缩振动特征峰拉曼位移判断水合物晶体结构,利用谱图特征峰分峰拟合方法计算出瓦斯水合物孔穴占有率、水合指数等。研究发现：气样G1和G2水合产物为I型水合物、G3为Ⅱ型,气样中C₂H₆浓度改变导致水合物晶体结构转变;Ⅰ型结构水合物相中CH₄和C₂H₆含量受气样浓度影响较小,G1和G2体系中CH₄含量分别为34.4%和35.7%、C₂H₆含量分别为64.6%和63.9%,而G3体系中CH₄和C₂H₆含量分别为73.5%和22.8%,晶体结构对水合物相客体分子含量控制作用明显;G1~G3体系水合物相大孔穴的CH₄—C₂H₆占有率分别为98%,98%和92%,小孔穴的CH₄占有率分别为80%,60%和84%,N₂由于分压较低且吸附能力较弱其小孔穴占有率不高于5%。     

多种糖混合物的太赫兹时域光谱定性及定量分析研究

利用太赫兹时域光谱(terahertz time-domain spectroscopy, THz-TDS)技术研究了D-(-)-核糖、D-葡萄糖、α-乳糖一水合物及β-乳糖在0.3～1.6 THz波段的光谱特性。结果显示THz波对几种糖结构的变化有灵敏响应,在测量波段内有各自特征的THz指纹吸收光谱。利用线性回归技术对含两至四组分混合体系的THz光谱进行定性及定量解析,获得了混合物中各组分含量,相对误差小于7.2%,并就误差产生的原因做了简要分析。实验结果表明THz-TDS技术能够用于材料的定性及定量分析研究,在生物医药的无损检测和质量控制等方面有重要的应用前景。     

和田玉的太赫兹光谱研究

用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术研究材料的光学性质是太赫兹应用领域的一个研究热点,国内已经在毒品,爆炸物的无损检测,有机物大分子的识别方面取得了大量成果。文章结合THz-TDS技术的特点及其在物质成分识别方面的应用,测得三种和田玉(羊脂白玉,青花玉,青玉)在0.2~2.6 THz的吸收系数和折射率曲线,不同种类的和田玉吸收系数差别很大,折射率在0.2~2.6 THz波段为2.4~2.7。实验结果初步说明,通过太赫兹波段的吸收谱和折射率的特征差异与种类之间的关系判断和田玉的种类是可行的,为无损和田玉种类鉴别提供一种新型的方法。     

电子助进化学气相沉积金刚石中衬底温度对发射光谱的影响

采用蒙特卡罗方法,对以CH4/H2为源料气体的电子助进化学气相沉积(EACVD)金刚石中的氢原子(H_α,H_β和H_γ)、碳原子C(2p3s→2p2: λ=165.7 nm)以及CH(A2Δ→X2Π: λ=420～440 nm)的发射过程进行了模拟,研究了衬底温度对各发射谱线以及金刚石膜合成的影响。结果得知,各谱线强度随衬底温度的变化幅度很小,且在衬底表面附近的谱线强度随衬底温度的变化幅度相对于远离衬底的反应区域较大,这表明衬底温度的变化基本上不改变远离衬底的反应区域中反应基团成分,而只对衬底表面附近的反应过程有影响。由此得知,衬底温度对薄膜质量的决定性主要是由于衬底温度改变了衬底表面化学反应动力学过程和表面附近的反应基团的缘故,而不是衬底温度对反应空间中气相成分的影响。     

太赫兹时域光谱技术用于老化炸药检测

库存炸药老化情况的检测对炸药的性能、安全性和稳定性研究意义重大.现有的老化炸药检测手段,如扫描显微技术,傅里叶变换红外光谱技术,气相色谱-质谱技术等,或者不能分辨炸药老化与否,或者只能从表观上进行分析,不能反映炸药分子结构的变化.首先应用密度泛函理论(DFT),计算了炸药老化前后分子吸收频谱变化,从计算结果可以看出炸药分子老化前后的吸收光谱在老化前后变化明显;然后分析了太赫兹时域光谱(THz-TDS)系统及其分辨率和测量频谱范围,结合已有实验结果以及太赫兹波本身的特点,从可行性、准确性和实用性三方面对太赫兹时域光谱技术应用于炸药老化检测进行了论证,从而提出了应用太赫兹时域光谱技术进行炸药老化检测的新方法.     

室温下基于微等离子体放电发射光谱法检测甲烷

建立了一套针板电极交流放电微等离子发生装置,以氮气作为载气,甲烷为分析气体,放电电压为1.32 kV, 放电距离为3 mm, Pt丝和Pt/MWNT复合纳米粒子修饰FTO电极为放电电极,放电频率为30 kHz,功率消耗为13 W,利用发射光谱法检测放电过程中产生的微等离子体发射光谱,用于在室温下检测甲烷气体。在交流电压下,检测到甲烷的谱线有CH,C₂和H_α,以C₂谱线作为甲烷分析线,发现C₂谱线强度与甲烷浓度在0.5%～4.0%(φ)的范围内呈线性,检出限(S/N=3)为0.19%。以H_α谱线为分析线,H_α谱线强度与甲烷浓度在0.1%～3.0 %(φ)范围内呈线性, 检测限(S /N=3)为0.03%(φ)。对于3.2%的甲烷气体,平行测定11次,在Pt/MWNT/FTO电极上以C₂谱线为分析线和以H_α谱线为分析线的相对标准偏差分别为 1.3%和1.9%。说明Pt/MWNT 纳米复合材料修饰电极提高了分析方法的重现性和精密度。以空气混合气体为稀释气体,甲烷气体放电行为与纯氮气中放电行为有较大差异,C₂峰消失,只有H_α峰存在。H_α峰强度与甲烷浓度在0.5%～4%范围内有线性相关性。与其他的光发射光谱检测系统相比,该系统装置尺寸小,制备简单且在室温下操作。     

太赫兹技术对头孢菌素类抗生素的研究

太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术对物质进行识别和定量分析是太赫兹应用领域的一个研究热点。文章报道了14种头孢类抗生素纯品在0.2～2.6 THz波段的共振吸收谱和折射率谱,其中8种特征吸收峰明显。没有明显特征吸收峰的抗生素样品在该波段的折射率谱也有较为明显差异。这些结果是利用太赫兹时域光谱技术鉴别抗生素品种的依据。利用纯品太赫兹吸收谱,对两个不同厂家生产的头孢克肟药品进行了主成分定量评估,分别得到了头孢克肟在药品中的含量,它们与药品包装上标定含量的相对误差分别为9.38%和0.92%。证明了太赫兹技术在药品检测中的可靠性和良好的应用前景。     

Investigation of optical emission spectroscopy in diamond chemical vapor deposition by Monte Carlo simulation

The optical emission spectra(atomic hydrogen(Hα,Hβ,Hγ),atomic carbon C(2p3s→2p2:λ=165.7 nm) and radical CH(A2△→X2П:λ=420-440 nm))in the gas phase process of the diamond film growth from a gas mixture of CH4 and H2 by the technology of electron-assisted chemical vapor deposition (EACVD)have been investigated by using Monte Carlo simulation.The results show that the growth rate may be enhanced by the substrate bias due to the increase of atomic hydrogen concentration and the mean temperature of electrons.And a method of determining the mean temperature of electrons in the plasma in-situ iS given.The strong dependence on substrate temperature of the quality of diamond film mainly attributes to the change of gas phase process near the substrate surface.