基于自发瑞利-布里渊散射的相关参数误差对气体温度准确测量的影响

仿真了氮气在温度为298 K,压强为20265.0～810600.0 Pa下的自发瑞利-布里渊散射光谱,利用仿真光谱研究了法布里-珀罗干涉仪的仪器函数线宽、散射角、气体体黏滞系数、压强参数误差,以及存在气溶胶时米散射干扰对气体温度反演结果的影响。仿真结果显示:在仪器函数线宽偏差≤5 MHz,散射角偏差≤0.2°,体黏滞系数偏差≤0.2×10~(-5) kg·m~(-1)·s~(-1),以及压强相对误差≤3%的条件下,单个参数偏差导致的温度反演的最大绝对误差为1.7 K。米散射的相对强度为0.3～2.5时,温度反演的误差通常低于2 K。此外,还开展了在温度为298 K,压强在70927.5～709275.0 Pa范围内的侧向90°的氮气自发瑞利-布里渊散射实验,经参数优化后,根据测量光谱对温度进行反演,结果表明:实验结果与仿真分析结论具有较好的一致性,在与仿真相同的参数误差条件下,实验获得的温度绝对误差小于1.2 K。该研究对实现不同压强条件下温度的高精度绝对探测及气体状态的准确分析具有一定的参考意义。     

基于自发瑞利-布里渊散射测量空气的温度

瑞利-布里渊散射的散射截面比拉曼散射大,因而其在大气散射中实现对大气对流层温度廓线的准确测量方面具有一定的优势,同时利用瑞利-布里渊散射实现高压环境下温度的准确测量对于航天飞机主引擎状态的监测和超燃发动机燃烧室参数测量方面具有重要意义。基于自发瑞利-布里渊散射分别采用反卷积方法和卷积方法来实现空气在不同压力条件下的温度反演,研究引起温度反演误差的原因,并对利用两种方法获得的温度测量结果进行了比较。在利用基于维纳滤波器的反卷积方法对测量光谱直接处理实现温度反演之前,首先利用反卷积方法对由自发瑞利-布里渊散射模型与仪器函数卷积得到的卷积光谱进行处理获得反卷积光谱,将反卷积光谱与未经卷积的理论计算光谱进行比较实现温度反演, 并基于温度反演误差小于1.0 K,光谱拟合误差相对较小,光谱处理时间短的参数优化原则对反卷积方法中的关键参数奇异值叠加数进行了优化处理,得到优化后的奇异值叠加数为150。随后实验测量了由532 nm波长的连续激光激发的纯净空气在温度为294.0 K,压强为1～7 bar条件下的自发瑞利-布里渊散射光谱,并结合理论计算光谱和最小χ2值原理对光谱信号散射角进行优化,优化值为90.7°,同时利用反卷积和卷积方法分别对实验测量光谱进行处理实现空气在不同压强下的温度反演。实验结果表明反卷积方法在一定程度上可以提高信号光谱分辨率,而且利用反卷积和卷积方法均可以实现空气在不同压力（1～7 bar）条件下温度的准确测量,温度测量的最大误差均小于2.0 K;利用反卷积方法的温度反演结果随着气体压强的增大随之得到改善,实现温度反演测量所需要的光谱处理时间减少;在空气压强较低（≤2 bar）时,由卷积方法获得的温度反演结果要优于反卷积方法,压强较高（>2 bar）时,两种方法的温度反演结果相近, 其绝对误差均小于1.0 K。通过分析得到引起两种方法温度反演误差的原因主要包括环境温度的波动（±0.2 K）,散射角存在一定的不确定度以及气体的各已知参数的微量偏差对温度测量结果的影响以及反卷积对光谱噪声的非线性放大引起的光谱扰动对温度测量结果的影响。在实验中可以通过提高测量光谱的信噪比、提高散射角的优化精度及改善反卷积方法来获得更加准确的参数测量结果。     

基于激光布里渊散射的高速气流测试技术

激光布里渊散射是由介质密度涨落引起的一种非弹性散射现象,其散射谱特征参数（频移、线宽）取决于散射角和散射介质压强、温度等参数,通过探测高速气流激光布里渊散射谱,可反演获得高速气流压强、温度等参数。介绍了基于激光布里渊散射原理的高速气流参数测试原理,设计了一种基于法布里 珀罗干涉仪的高速气流参数测试装置,搭建实验平台获取了高速氮气气流的激光布里渊散射谱。实验结果表明,通过激光布里渊散射谱获得的高速气流压强、温度值与理论值相对误差在15%以内。     

气体自发瑞利-布里渊散射的理论分析及压强反演

气体压力是描述体系状态的重要参数,许多物理、化学性质都与压力有关.传统侵入式的压力测量方法会对气体状态产生干扰,影响测量精度,因此需要一种无扰式的测量方法.本实验测量了压强为2,4和6 atm(1 atm=1.01325×10~5 Pa)下加入气溶胶的N2在90?散射方向的自发瑞利-布里渊散射光谱,利用卷积后的Tenti S6模型对测量光谱进行直接拟合,拟合得到的压强值总体误差小于6.0%,求和归一化的均方根误差总体小于6.5%;利用理想的Tenti S6模型对经维纳滤波器反卷积处理后的测量光谱进行拟合,拟合得到的压强值误差总体小于5.0%,求和归一化的均方根误差总体小于6.0%.通过对两种方法的详细对比,发现压强低于2 atm时,对测量光谱进行反卷积处理在一定程度上可以消除仪器函数的影响,提高测量光谱的准确性,其光谱拟合效果和压强反演精度要优于卷积光谱.而在压强高于2 atm的情况下,卷积光谱的拟合效果和压强反演精度要优于反卷积光谱.     

水体参数对受激布里渊散射阈值及增益的影响

受激布里渊散射在激光雷达海洋遥感领域具有广泛应用,而水体参数变化对其阈值及增益等关键特征参数影响的研究还很缺乏.本文利用分布式噪声模型及耦合波方程,理论分析了水的温度、压强和衰减系数对受激布里渊散射阈值和增益系数的影响.在理论分析基础上,设计了一种温度压强可控实验系统,采用平均衰减系数法实验测量了不同温度、压强及衰减系数下的阈值和增益系数.结果表明,受激布里渊散射阈值随压力和衰减系数的增大而增大,随温度的升高而减小,而增益系数则呈现与阈值相反的变化趋势.温度和衰减系数对阈值和增益系数的影响大于压力.研究结果对受激布里渊散射激光雷达海洋遥感探测具有重要意义.     

用布里渊散射测量水的体粘滞系数

提出了一种直接测量水的体粘滞系数的实验方法－布里渊散射方法,通过分析剪切粘滞系数和体粘滞系数与布里渊散射线宽的关系,得到了布里渊散射线宽和频移与水的体粘滞系数关系的公式,建立了实验测量水的体粘滞系数的基础,给出了不同温度下水的体粘滞系数的实验测量结果,估算了这种方法的测量误差,实验和理论分析都表明这是一种直接测量水的体粘滞系数的快速而精确的方法。     

一个新型的基于全光纤Mach-Zehnder干涉仪BOTDR系统

报道了新型的分布式传感测量布里渊光时域反射(BOTDR)系统.布里渊散射频移和强度均依赖于温度和应变,因此,BOTDR利用光纤中的自发布里渊散射作为测量信号可以实现分布式温度和应变测量.在BOTDR中,光源采用窄谱半导体激光器,并由声光调制器调制成脉冲光,经掺铒光纤放大器放大后,注入测试光纤以产生自发布里渊散射.利用双通Mach-Zehnder干涉仪分离光纤背向散射中的自发布里渊散射与瑞利散射信号,实现了自发布里渊散射的直接检测.实验结果表明基于全光纤Mach-Zehnder干涉仪BOTDR方案是可行的.     

一种多模FP激光器BOTDR系统的建模分析

根据相干检测理论提出了一种基于多模法布里-珀罗激光器的光纤瑞利与布里渊散射自外差检测的布里渊光时域反射计传感系统,分析了该系统提高光纤受激布里渊散射阈值和瑞利与布里渊散射自外差检测的原理,推导出系统信噪比表达式,分析了纵模数与布里渊谱峰值功率、谱宽和系统信噪比、温度及应变测量准确度之间的关系,并进行了计算.结果表明,选用纵模间隔为0.141nm的多模法布里-珀罗激光器时,随着纵模数的增加,在25km光纤末端系统信噪比、温度和应变测量准确度均得到了较大提升,当纵模数为19时,温度和应变测量准确度分别达到最佳值3.81℃和86.69με.     

基于三频点声速测量的气体压强合成算法

利用声速测量精度高, 测量方法简单的特点, 提出一种基于三个频率点测量声速合成气体压强的算法。首先在三个频率点测量声速, 然后计算得到声速频散谱拐点的弛豫频率, 最后根据弛豫频率与压强成线性正比的关系得到气体压强, 仿真结果验证了该算法的可行性。为在线实时检测气体腔体压强提供了一种技术简单、精度高的超声方法。     

用激光布里渊散射法测量单晶LiNbO_3的声速及其各向异性

近几年迅速发展起来的激光布里渊散射(Brillouin scattering)是研究固体、液体、气体中低频元激发的有力工具。在它的众多应用中,声速及其各向异性的测量是最基本的和最重要的。 我们应用最近组建起来的布里渊散射谱仪测量了单晶LiNbO_3在几个方向上纵声波、横声波的声速,并与文献值进行了对比。初步实验表明,目前声速测量的精度为±1%,结果可靠,方法简便快速。也表明该布里渊散射谱仪是可靠的,可用的。     

二维圆盘颗粒体系声学行为的数值研究

数值测量了卸载过程中二维单分散圆盘颗粒系统的横波、纵波声速、声衰减系数、非线性系数随压强的变化以及声衰减系数随频率的变化.结果表明,二维(2D)圆盘颗粒体系的横波、纵波声速均随压强呈分段幂律标度:当压强P10~(-4)时,横波、纵波声速随压强的增大而减小;当P10~(-4)时,有v_t~P~(0.202),v_l~P~(0.338).进一步得到其剪切模量和体积模量的比值G/B也随压强呈幂律标度,G/B~P~(-0.502),暗示在低压强下,与三维(3D)球形颗粒体系类似,2D圆盘颗粒体系也处于L玻璃态.水平激励和垂直激励下2D圆盘颗粒系统的衰减系数随频率变化也呈现分段行为:当频率f0.05时,衰减系数不随f变化;当f0.05时,横波纵波的衰减系数α~f;当f0.35时,横波衰减系数α_T~f~2,纵波衰减系数α_L~f~(1.5).此外,竖直水平激励下的2D圆盘颗粒系统的非线性系数和衰减系数随压强也呈现与声速类似的分段规律:当P10~(-4)时,横波非线性系数β_T~P~(-0.230),其余都不随压强变化.当P10~(-4)时,两者均随压强增大呈幂律减小:β_T~P~(-0.703),β_L~P~(-0.684),α_T~P~(-0.099),α_L~P~(-0.105).进而得到2D圆盘颗粒系统中散射相关的特征长度?~*随压强呈幂律标度,当P10~(-4)时,?~*~P~(-0.595);当P10~(-4)时,?~*~P~(0.236).     

A measurement of the photon structure function F2 at Q = 6.8 GeV

The photon structure function F₂^γ has been measured at an average Q² value of 6.8 GeV² using data collected by the AMY detector at the TRISTAN e⁺e⁻ collider. The measured F₂^γ is compared with several QCD-based parton density models.     

CoFe2O4纳米颗粒的结构、磁性以及离子迁移

聚乙烯醇(PVA)溶胶凝胶法制备出CoFe₂O₄纳米微粉，用X射线衍射研究了铁氧体纳米颗粒的结构.测量了CoFe₂O₄纳米颗粒80—873 K的变温穆斯堡尔谱，发现纳米颗粒的磁转变温度范围为793—813 K，比块体材料的磁性转变温度要低.CoFe₂O₄纳米颗粒的德拜温度θ_A=674 K，θ_B=243 K，比块体材料要小.CoFe₂O₄纳米颗粒超精细场H_f随温度的变化符合T^3/2+T^5/2定理.当温度较高时，平均同质异能移IS随温度的升高而减小，并呈线性关系. 关键词： 纳米颗粒 磁性 穆斯堡尔谱     

Pressure dependence of plasma parameters in medium-vacuum nitrogenarc discharge with the titanium cathode

The plasma properties of a medium-vacuum nitrogen arc discharge from a titanium cathode were studied. The arc chamber use was 400 mm in diameter and 600 mm in length. The cathode diameter and thickness were 64 and 25 mm, respectively. The experimental conditions are given as follows: pressure range=1×10^-3~2×10^-1 torr; N₂ gas flow rate=6 ml/min; arc current=50 A. Electric probe characteristics are measured as a function of pressure and distance from the cathode surface. The analytical results obtained show that the electron energy distribution takes 1-Mx at pressures above 1×10^-2 torr but 2-Mx at pressures under 4×10^-2 torr and that the electron density has a maximum value at a certain pressure. The Ti⁺, Ti⁺⁺, and N ⁺₂ ion spectral intensities are measured as a function of pressure and distance from the cathode surface. On comparison of these results and the electron density, the Ti⁺ spectral intensity turns out to be proportional to that of the electron density. This suggests that the major ion in the plasma volume is of the Ti⁺ species     

The S-wave pion–nucleon scattering lengths from pionic atoms using effective field theory

The pion–deuteron scattering length is computed to next-to-next-to-leading order in baryon chiral perturbation theory. A modified power-counting is then formulated which properly accounts for infrared enhancements engendered by the large size of the deuteron, as compared to the pion Compton wavelength. We use the precise experimental value of the real part of the pion–deuteron scattering length determined from the decay of pionic deuterium, together with constraints on pion–nucleon scattering lengths from the decay of pionic hydrogen, to extract the isovector and isoscalar S-wave pion–nucleon scattering lengths, a⁻ and a⁺, respectively. We find a⁻=[0.0936(±0.0011)]M_π⁻¹ and a⁺=[−0.0029(±0.0009)]M_π⁻¹.     

High temperature transport processes in lithium niobate

The electrical conductivity of single crystal lithium niobate (LiNbO₃) was determined as a function of temperature for various oxygen partial pressures. The electrical conductivity is proportional to P_o2^−1/4 which can be explained by a defect equilibrium involving singly ionized oxygen vacancies and electrons.

Measurements of electrical transport numbers at 1000°K show the electrical conductivity of LiNbO₃ to be ionic at one atmosphere of oxygen and electronic at low oxygen partial pressures.

Thermoelectric measurements indicate that LiNbO₃ at low oxygen partial pressures is n-type and that the concentration of electrons at 1000°K and in an atmosphere of 50% C0/50% CO₂a is 4 × 10¹⁷cm³ with a mobility of 1.7 cm²V sec.

The diffusion of oxygen in LiNbO₃ was determined as a function of temperature at an oxygen partial pressure of 70 Torr. by measuring O¹⁸/O¹⁶ isotope exchange with the gas phase as a function of time. The diffusion data may be represented by D = 3.03 × 10⁻⁶ exp (−29.4 kcal mole⁻¹/RT)cm²sec. Consideration of the Nernst-Einstein relation for oxygen and the variation in conductivity with Li₂O activity indicate that the ionic conduction is caused by transport of lithium ions.     

Effect of pressure on electronic and thermoelectric properties of magnesium silicide: A density functional theory study

We study the effect of pressure on electronic and thermoelectric properties of Mg_2Si using the density functional theory and Boltzmann transport equations. The variation of lattice constant, band gap, bulk modulus with pressure is also analyzed. Further, the thermoelectric properties(Seebeck coefficient, electrical conductivity, electronic thermal conductivity) have been studied as a function of temperature and pressure up to 1200 K. The results show that Mg_2Si is an n-type semiconductor with a band gap of 0.21 eV. The negative value of the Seebeck coefficient at all pressures indicates that the conduction is due to electrons. With the increase in pressure, the Seebeck coefficient decreases and electrical conductivity increases. It is also seen that, there is practically no effect of pressure on the electronic contribution of thermal conductivity.The paper describes the calculation of the lattice thermal conductivity and figure of merit of Mg_2Si at zero pressure. The maximum value of figure of merit is attained 1.83 × 10~(-3) at 1000 K. The obtained results are in good agreement with the available experimental and theoretical results.     

微波低温制备Mg2Si0.4Sn0.6-yBiy热电材料的传输机理

德拜弛豫理论表明, 在频率为2.45 GHz的外加交变电磁场的作用下, 微波对极性分子的极化过程约为10^-10 s, 因此利用微波固相反应可以在短时低温条件下制备出纳米粉体材料. 本文以MgH₂代替Mg粉, 利用微波固相反应在低温下制备了Mg₂Si_0.4Sn_0.6-yBi_y (0 ≤y ≤q 0.03)固溶体, 并结合单带抛物线计算模型对其热电传输机理进行了分析. 研究结果表明: 利用该工艺可以有效抑制Mg的挥发和MgO 的生成, 在400 ℃保温15 min内即可完成MgH₂与Si粉和Sn粉的固相反应, 获得片层间距为100 nm的超细化学计量比产物; 杂质Bi的引入可以有效增加载流子浓度, 并引起晶格畸变, 在晶格畸变和样品特有的纳米片层结构的协同作用下, 声子得到有效散射, 样品具有最低的热导率1.36 W·m^-1·K^-1. 较低的有效掺杂率和复杂的能带结构具有降低能带态密度有效质量和减小载流子弛豫时间的双刃效应, 使得本征激发提前, 在600 K样品取得最大ZT值为0.66.