机载成像光谱仪CCD制冷系统设计与实现

为减小紫外成像光谱仪中CCD暗电流噪声,提高系统信噪比,需要对CCD进行制冷.为此采用模拟比例-积分-微分电路设计了CCD制冷电路,利用Zregler-Nicholas经验整定方法确定比例-积分-微分参量,以实现降温速率不大于5℃/min、温度稳定度为±0.05℃,满足最大制冷温差.将该制冷系统应用于机载成像光谱仪进行了测试,结果表明:环境温度变化不会影响制冷效果,在达到制冷目标温度-20℃后,CCD探测器暗背景下光谱维噪声平均灰度响应值为1 072,暗背景信号非均匀性下降到0.5%,满足光谱数据反演要求.     

香港大学在束伽玛谱学研究与新一代伽玛探测器阵列(英文)

探索原子核的壳层演化,验证奇特核的幻数结构是香港大学核物理研究的重要方向。目前,科研团队利用在束伽玛谱学技术已经研究了30Ne的N=20幻数消失和78Ni（Z=28,N=50）附近原子核的双幻数结构,而即将开展的53,56Ca在束伽玛谱学实验会对新幻数N=34的定量研究,以及到N=40核的壳层演化提供重要的数据。下一步的研究目标是探索100Sn（N=Z=50）的奇特结构,特别是研究它的第一个2+激发态与其邻近原子核的低激发态性质。100Sn处于质子滴线以及核天体快质子俘获路径上,因此,它的幻数结构及其临近原子核单粒子性能研究将会极大增强对核力和核合成机制的认识。为了进一步提高物理实验统计,香港大学在数量上增加了30% NaI（Tl）晶体从而全面升级了DALI2伽玛探测阵列。此外,为了探索远离稳定线核区的新物理,开展更高精度在束伽玛谱学实验,香港大学与中国科学院近代物理研究所、中国原子能科学研究院计划合作研制基于溴化镧晶体的新一代伽玛探测器阵列。这套阵列主要在兰州重离子加速器（HIRFL）和将来建成的强流重离子加速器（HIAF）等大科学装置上开展实验,从而在奇特核研究方面取得大量重要的成果,促进科研人员全面认识、理解核力以及天体核合成过程。Exploring the evolution of shell closures and examining the magicity of extremely exotic nuclei are the main research interests of HKU (University of Hong Kong) experimental nuclear physics group. The group has employed in-beam gamma-ray spectroscopy technique to investigate the vanishing of N=20 magicity in 30Ne (N=20) and the strong magicity in nuclei around 78Ni (Z=28, N=50). The approved future's experiment on spectroscopy of 53,56Ca, proposed by HKU, will give quantitative information for the "magic index" of N=34 and shell evolution toward N=40. The next goal is to investigate the structure of 100Sn (N=Z=50), particularly the energy of the first 2+ state, and the low-lying states in the neighboring nuclei. 100Sn lies on the proton drip-line and on the astrophysical rp-process path. Characterizing the magicity of 100Sn and the nature of single-particle states in its neighboring nuclei is therefore essential to the fundamental understanding of nuclear forces and nucleo-synthesis. To significantly increase the data statistics for our physics goals, HKU group has prepared the upgrade of gamma-ray spectrometer DALI2 with 30% more NaI(Tl) detectors integrated into a new array configuration. On the other hand, next significant insights into the structure of nuclei would require new gamma-ray detection array capable for higher precision gamma-ray spectroscopy. HKU group in collaboration with IMP and CIAE therefore proposes to construct a new-generation gamma-ray detection array based on the novel scintillator LaBr₃(Ce) to explore the new physics in nuclei far from the valley of stability. Utilizing the radioactive beams at the Chinese large-scale facilities such as the Heavy Ion Research Facility in Lanzhou (HIRFL) in IMP and the future's High Intensity heavy-ion Accelerator Facility (HIAF), this novel LaBr₃(Ce) array would lead to a significant boost to the frontiers of exotic-nuclei research, which will guide scientists towards the comprehensive and even beyond-traditional understanding of nuclear forces and nucleosynthesis.     

两种薁磺酰胺席夫碱衍生物分子的光谱和热力学性质计算研究

使用密度泛函理论B3LYP方法,对两种薁磺酰胺席夫碱衍生物的分子结构、红外光谱、电子吸收光谱及热力学性质进行计算研究,并基于Tomasi的极化统一场模型(PCM)讨论电子吸收光谱的溶剂效应. 结果表明,红外光谱计算值与实验值吻合,电子吸收光谱都是π-π*跃迁,溶剂及溶剂极性大小对最低能量吸收波长无影响. 酚羟基的引入增大席夫碱的共轭体系,有利于提高分子的生物活性. 298 K时,两种衍生物的 分别为5544.3, 5304.6 kJ•mol-1, 分别为20548.7, 20331.2 kJ•mol-1, 分别为857.5, 881.1 J•mol-1•K-1.     

原子吸收光谱法间接测定钼精矿中钼的研究

对于钼精矿中钼的测定,标准方法采用钼酸铅重量法,该方法需要将钼酸铅沉淀反复多次洗涤、过滤,以保证沉淀物中夹带的铅离子洗涤完全,再对沉淀物进行灰化、灼烧等多步操作,步骤较繁琐,分析费时,不能快速配合选矿、冶金的科学研究。应用原子吸收光谱法间接测定钼,建立了钼精矿中钼的快速分析方法。钼精矿样品经硝酸、氯酸钾、硫酸加热溶解后,用酚酞和盐酸调节pH值,加入乙酸-乙酸铵缓冲溶液调节pH值至5～7,再加入一定量且过量的铅标准溶液。基于在室温下,钼酸铅为难溶电解质,难溶电解质在一定温度下能否沉淀完全,通常比较离子积Q_c与溶度积常数K_sp的相对大小,当Q_c>K_sp,溶液过饱和,沉淀物完全析出,钼精矿中钼的含量为40～60%,铅的加入量为0.125 0～0.150 0 g,取最小值计算出溶液中钼酸铅的离子积,Q_c＝[Pb2+][MoO2-₄]=2.51×10-5,K_sp＝1.0×10-13,Q_cK_sp,因此钼酸铅沉淀可以完全析出,待钼酸铅沉淀完全后干过滤,用原子吸收光谱法测定滤液中过量的铅离子,用差减法计算得出钼精矿中钼的含量。文中分别考察了乙酸-乙酸铵缓冲溶液的加入量及其浓度、铅标准溶液的加入量、钼酸铅沉淀完全的时间、加热时间以及常见共存离子如W6+,Sn4+和Cu2+等的最大允许量诸多因素对原子吸收光谱法间接测定钼的影响。与钼酸铅重量法相比,该方法省去了对钼酸铅沉淀反复多次的洗涤、灰化以及灼烧等步骤,操作简便易掌握,分析时间缩短一半,并用钼酸铅重量法与本方法进行对照实验,分析结果进行数理统计,得出结论：本方法具有很好的准确度和精密度,可用于选矿、冶金钼精矿样品中钼的快速分析检测。     

基于光谱密度的差分吸收光谱法气体测量系统的校准研究

差分吸收光谱法(DOAS)是基于朗伯比尔定律的光谱法测量气体的重要方法,按此原理建立的测量系统是测量痕量气体的主要方法。用于测量痕量气体的DOAS系统的关键是其检出限的校准,传统的方法是使用标准气体进行校准。但是由于标准气体自身的量值确定问题,在ppb甚至ppt级的不确定度大于10%,而一般的ppt级的DOAS测量系统本身的不确定度也会高于标准气体,导致传统方法失效。提出一种基于光谱密度的DOAS系统校准方法,利用朗伯比尔定律将DOAS系统的检出限和光谱密度建立关系。由于光谱密度作为光学量值可以测量到10-6甚至更高,所以通过该方法可以实现DOAS系统在ppb乃至ppt级的校准。本方法需要根据待校准的测量系统光学结构的基本参数计算其总的标准光学密度值,然后把标准光学密度片放入测量系统光程中,测得其光学密度值,根据前后两次光学密度计算测量系统的测量偏差,进而分析计算测量系统的标准不确定度和标定的扩展不确定度,所得到的标定的扩展不确定度即为测量系统的检出限。该方法完全基于光学测量,不需引入标准气体评估,基于光学密度的精密测量和测量系统光学结构的装调误差,实现测量系统在较小不确定度水平上的标定,提高检出限标定的精度。本方法在开放光程式的DOAS系统上进行了实验验证。     

结合吸收光谱与互相关法的燃气速度测量方法研究

针对可调谐半导体激光器吸收光谱(TDLAS)基于多普勒效应测速方法在燃气流速测量中频移量小、误差较大的问题,提出了结合固定波长吸收光谱法与互相关法的燃气速度测量方法。考虑碳氢燃料燃烧产物特点,选取H₂O分子7 185.597 cm-1吸收谱线,通过布置上下游两束固定波长吸收光谱测点,分析两信号的互相关特性来计算得到燃气速度。利用平面火焰炉实验系统对该方法测量燃气速度开展实验研究,获得了变工况下燃气速度随时间的变化情况。在相同工况下开展数值计算,将测量结果与数值模拟计算结果进行对比,相对偏差不超过8%。同时将该方法初步应用于煤油燃料火箭基组合循环发动机(RBCC)的高速羽流速度测量,获得了上下游探测器脉动信号,通过互相关分析计算得到了羽流速度,验证了该方法的可行性。实验结果表明,该燃气速度测量方法具有测量范围宽、测量精度高,环境干扰小等优点。提出的方法为发动机燃气速度测量提供一种简单可靠的测量方法。     

亮氨酸与异亮氨酸的低频集体振动的太赫兹光谱研究

太赫兹(THz)波是指频率在0.1～10 THz频段的电磁波。太赫兹光谱技术不同于以往的检测手段,可以用于检测氨基酸同分异构体,反映物质的分子结构和构型,对食品安全和药品药性控制有着重要的意义。亮氨酸与异亮氨酸属于同系的同分异构体,它们具有近似的分子结构,但物理化学性质有很大的差别。生物大分子的太赫兹吸收与其分子间氢键和分子内氢键的振动和转动能级相关的偶极跃迁有关,可以利用分子偶极跃迁进行生物分子的指纹识别。采用太赫兹时域光谱(THz-TDS)和傅里叶红外光谱(FTIR),对亮氨酸和异亮氨酸进行了测量。在中红外波段亮氨酸与异亮氨酸的吸收光谱几乎完全重叠,而在太赫兹频波段可以观察到它们的光谱存在明显差异,因此太赫兹光谱能够作为快速准确鉴别这两种物质的方法。采用密度泛函理论(DFT)对亮氨酸和异亮氨酸的低频集体振动模式进行理论模拟,并对其太赫兹光谱进行研究和讨论。通过比较实验和理论结果,计算得到的峰位与实验结果可以互相印证。     

中红外波段大气碳同位素激光吸收光谱研究

大气碳同位素在环境污染源汇示踪和地球化学发展等方面的应用越来越广泛,在其探测技术方面,激光吸收光谱技术具有体积小、可在线、灵敏度高等优点,在气体同位素探测中越来越受到重视。工作中研究了2.7 μm波段的分布式反馈激光器(distributed feedback laser, DFB)可调谐半导体激光器的性能,在遵循12CO₂和13CO₂同位素分子吸收谱线特征和同位素分子谱线选择原则的基础上,确定了合适的激光器输出波长。结合光程390.3 m的新型多次反射池,实现了大气中CO₂分子的δ13C同位素丰度探测。     

时频域分形维数分析的光谱信号重叠峰解析算法

由于光谱谱线存在自然展宽、多普勒展宽、碰撞展宽等,使混合气体中多种成分的吸收光谱信号出现相邻谱峰重叠现象,给混合气体组成成分的定性或定量检测带来较大的困难。现有的方法在获取先验知识、处理精度、运算效率等方面存在不足。提出基于时频域分形维数分析的光谱信号重叠峰解析算法,结合小波的多尺度观测能力和分形的自相似度的度量能力,识别、定位和解析光谱信号中的重叠峰。首先利用小波对具有重叠谱峰的光谱信号进行光谱频率域和尺度域的分析,然后对该时频域的光谱信号在同一光谱频率下的多尺度数据进行自相似性度量和分形计算。逐频率计算后得到光谱信号在频率域的分形维数曲线。该曲线体现了光谱信号在不同尺度的自相似性,其极值位置与光谱信号的各独立峰的位置具有相关性。依据此特性,结合分形曲线的特征参数,最后利用神经网络解析出对应混合气体成分的混叠在一起的各个独立谱峰。该方法利用小波的多分辨率特性,对信号进行不同尺度的精细度量。分形模型则提高了系统解析复杂信号的能力,对重叠程度高的多谱峰重叠信号也有很强的处理能力。借助人工神经网络,实现了整个算法的自动测量。通过实验结果分析,验证了算法的有效性,并讨论影响算法效果的主要因素。     

机载腔增强吸收光谱系统应用于大气NO_2空间高时间分辨率测量

介绍了一套用于机载平台测量的非相干宽带腔增强吸收光谱(IBBCEAS)系统,并应用于实际大气NO_2空间分布的高时间分辨率观测.为满足机载测量中对时间分辨率的需求,系统采用离轴抛物面镜代替消色差透镜提高光学耦合效率;并运用Allan方差,对系统性能进行了分析.通过腔增强吸收光谱系统与长光程吸收光谱系统对实际大气NO_2的对比测试,两者线性相关系数R~2达到0.86.将IBBCEAS系统应用于机载平台,在时间分辨率为2 s的情况下,探测限达到95 ppt(1σ).通过机载观测,获得了华北地区石家庄等地上空对流层大气NO_2的廓线信息.