全视场外差长腔干涉测量技术

提出了一种适用于长焦光学镜片面形测量的新型激光干涉仪。利用全视场外差移相技术能有效抑制振动和大气等环境因素对长腔干涉测量的影响,采用Twyman-Green干涉仪结构,实现测量波面和参考波面的外差相干测量。搭建了实验验证系统,实验证明该方案能较好地抑制外界振动和大气湍流对测量精度的影响,实现了较高精度的长腔干涉测量,仪器的RMS(Root Mean Square)重复测量精度达到0.45‰λ。该技术可以作为长腔干涉测量的可选方案之一。     

结合Sage-Husa滤波的合成孔径声呐多传感器组合运动补偿算法

在运动测量设备噪声统计特性不确定的情况下,提出结合Sage-Husa滤波的合成孔径声呐多传感器组合运动补偿方法。使用Sage-Husa卡尔曼滤波处理多种异类运动传感器的数据,自适应估计声呐速度的最优值,计算实际航迹与理想航迹之间的横荡误差和升沉误差,最后通过时延校正原始回波数据。仿真结果表明,Sage-Husa滤波对运动误差估计精度至少提高37%,运动补偿后,目标峰值旁瓣比和积分旁瓣比有所降低,峰值旁瓣比接近理论值.湖试数据处理结果表明,目标能量分散的情况有所改善,能量集中在主瓣,散焦得到抑制。Sage-Husa滤波在多传感器系统噪声先验知识缺失的条件下,能减小运动数据估计误差,提高运动补偿的准确性。      

光谱辐射测量仪器温度修正方法的研究及验证

光谱辐射定标是光学遥感仪器研制中的关键环节。深入分析实验室定标的光谱辐射测量仪器至户外应用的不确定度来源,环境温度是限制仪器户外高精度测量的最主要因素之一。传统的光谱辐射度实验室定标通常在室温（~25 ℃）下进行,而户外光谱辐射测量处于不同温度环境,严重影响仪器测量的准确度。设计搭建实验测量系统,采用遥感辐射领域常用的光谱辐射测量仪器,研究环境温度对光谱辐射测量的影响。实验结果显示：常用光谱辐射计（CR-280）的测量结果受温度影响明显,在10～40 ℃之间变化时,仪器光谱辐射亮度测量值在400～700nm波段内的偏差为±5%左右,而700～1 050 nm内的偏差高达±15%左右。这主要由于仪器采用硅探测器,红外波段恰好与硅的带边接近,硅探测器易受温度影响,温度增加硅的带边会向长波方向移动,光谱辐射计的响应度也随之增加。基于实验数据统计分析,提出一种适用于不同类型光谱辐射计的温度修正方法,相对于传统的斜率/截距（S/B）算法适用性更广,还可由公式计算出任意温度下的修正结果。修正后CR-280红外波段的偏差（950 nm左右）由±10%降低为±1%,明显减小了因户外使用与实验室定标温度不同造成的测量结果偏差。此外,利用不同类型光谱辐射测量仪器（Avantes及SVC HR-1024）对温度修正方法进行验证。环境温度变化时光谱仪Avantes（VIS/NIR）的测量结果存在较大偏差（1 060 nm高达±17%）。通过温度修正方法运算,仪器修正值与定标值的偏差在±1%以内。光谱辐射计（SVC HR-1024）不同波段的测量值,与定标值的偏差受温度影响不同。这主要由于：仪器由Si、制冷型InGaAs及扩展InGaAs探测器组成,Si探测器受温度影响大,950～1 000 nm波段测量值与定标值的偏差高达±10%。而制冷型InGaAs可有效控制探测器温度,受温度的直接影响相对小。但随温度增加,InGaAs探测器制冷效果受限（制冷最佳工作温度为20 ℃）,测量结果产生偏差（1%~3%）。同样,利用温度修正公式对不同温度下SVC HR-1024的测量结果进行修正运算,仪器因温度变化引起的偏差可降低至±1%以内。     

高光谱吸收微纳结构表面提高太阳能温差发电性能的研究

采用飞秒激光等离子体丝（飞秒光丝）在金属铝箔表面以不同飞秒光丝扫描速度（5,15,25,35和45 mm·s-1）制备了微纳结构表面,并在太阳光能量主要覆盖的光谱范围（330～890 nm）内对其进行了反射率测量,发现飞秒光丝制备的微纳结构表面具有显著的高光谱吸收特性,并且飞秒光丝扫描速度越慢,光谱吸收率越强,5 mm·s-1条件下微纳结构表面光谱吸收率达97%以上。将制备的高光谱吸收微纳结构表面作为温差发电片（TEG）光吸收体,以此为基础构建了考虑太阳光辐照及温差发电模块（即TEG模块：结合微纳结构表面的TEG）散热情况的仿真实验环境并进行发电功率测量。研究结果表明,具有微纳结构的铝表面（5 mm·s-1制备条件下）与抛光铝箔或裸发电片相比,光电转化效率（发电效率）可分别提高43.3和10.7倍。进一步研究了TEG模块的温差发电的过程与机理,将TEG模块的温差发电过程分为光热（光能转化为热能）与热电（热能转化为电能）两个转化过程分析：首先在光热转化过程中,微纳结构表面增强了太阳光吸收效率,为光热转化提供更多的光子能量,实现了其在表面更多的热量沉积,进而在之后的热电转化过程中,更多的热能沉积使得TEG模块的载流子迁移率得到了很大提升,这样在同样的温差（发电片冷热端的温度差值）条件下,微纳结构表面与普通表面相比可以获得更高的热电转化效率。因此,微纳结构表面的高光谱吸收性能使得TEG模块经光热转化后得到的高热能沉积使载流子迁移率得到了提高,进而显著提升了TEG模块发电性能,这是微纳结构表面增强TEG温差发电效率的主要原因。这一机理的揭示,为TEG模块发电性能的进一步优化和提升提供了理论依据,对TEG模块的实际应用具有重要的意义。     

硬X射线微束掠入射实验的控制和数据采集系统及其应用

在国内发展了硬X射线微束掠入射实验方法,并将此具有微米级高空间分辨率的方法应用于纳米厚度薄膜的微区分析。该实验方法对分析样品表面或薄膜在微小区域的不均匀组分、结构、厚度、粗糙度和表面元素化学价态等信息具有重要意义。基于X射线全反射原理,以微聚焦实验站的高通量、能量可调的单色微束X射线为基础,通过集成运动控制、光强探测、衍射和荧光探测,设计了掠入射实验方法的控制和数据采集系统。此系统采用分布式控制结构,并基于Experimental Physics and Industrial Control System （EPICS）环境设计SPEC控制软件。通过建立SPEC和EPICS的访问通道,实现SPEC软件对EPICS平台上设备的控制和数据获取。在所设计的控制和数据采集系统中,运动控制系统控制多维样品台电机的运动,实现定位样品位置和调节掠入射角;光强探测系统则监测样品出射光强度,通过样品台运动控制和光强探测的联控,实现样品台的扫描定位控制;通过衍射和荧光探测系统获取不同入射深度下样品的衍射峰强度和荧光计数。此外,为准确控制掠入射角角度,必须确定样品平面与X射线平行的零角度位置,对此给出一种自动定位零角度的方法,编写了该方法的控制算法,设计了相应的控制软件。零角度自动化定位的扫描结果表明,实验系统微区分析的空间分辨率达到2.8 μm,零角度定位精度小于±0.01°。利用该系统在上海光源微聚焦实验站首次实现了具有自动化准确控制零角度的微束掠入射X射线衍射和荧光同步表征的实验方法,实验中被测样品为10 nm Au/Cr/Si薄膜材料,Si基底最上层为10 nm厚的Au薄膜,其间为一层很薄的Cr粘附层。在不同掠入射角下测量样品的衍射信号,获取不同入射深度下样品的衍射峰强度,并实现在同一掠入射角下,同步采集样品的荧光计数信号,从而确定了样品表层的相结构信息以及荧光信号强度与入射角关系,实现了对纳米厚度薄膜在微小区域的相结构和组分分析。此外,通过该技术能够选取荧光计数最大值对应的入射角度,有助于提高后续发展的低浓度样品掠入射X射线吸收近边结构实验方法的信噪比。     

FTIR与XRD的均匀粒度分布Ce-Cu/TiO2空心微球制备机理研究

随着社会经济的发展,环境空气品质已经成为研究热点。TiO₂是一种化学稳定性高,耐腐蚀性强,对人体无毒无害的N型半导体材料。利用TiO₂的光催化性能提高室内环境空气品质已经成为研究焦点,但是由于TiO₂只能在紫外光源下才具有较高的光催化效率,而在可见光源下的光催化效率较低,从而极大的限制了TiO₂在室内环境领域的发展。因此,研发在可见光源下具有良好光催化性能的TiO₂复合材料势在必行。利用元素掺杂改性技术与提高比表面积方法可以改善光催化反应过程中量子效率和对光能的利用率,以加快电子和空穴向表面迁移的速率同时降低光生载流子的复合机率。以二氧化硅SiO₂为模板、聚乙烯吡咯烷酮为成膜剂、硝酸铈Ce(NO₃)₃·6H₂O和硝酸铜Cu(NO₃)₂·3H₂O为改性剂采用溶胶-凝胶法制备均匀粒度分布的Ce-Cu/TiO₂空心微球,并将制备过程分为四个阶段,即纳米SiO₂球模板的制备、Ce-Cu/TiO₂-SiO₂复合微球凝胶的制备、Ce-Cu/TiO₂-SiO₂复合微球的制备和Ce-Cu/TiO₂空心微球的制备。利用傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）与X射线衍射仪（XRD）对Ce-Cu/TiO₂空心微球的制备过程各阶段生成物进行测试与分析,即在纳米SiO₂球模板的制备阶段从微观角度研究纳米SiO₂球模板的搭建过程,在Ce-Cu/TiO₂-SiO₂复合微球凝胶的制备阶段研究TiO₂附着于纳米SiO₂球模板的过程,在Ce-Cu/TiO₂-SiO₂复合微球的制备阶段研究煅烧工艺对Ce-Cu/TiO₂-SiO₂复合微球中晶相与结构的影响,在Ce-Cu/TiO₂空心微球的制备阶段研究氢氧化钠溶液对Ce-Cu/TiO₂-SiO₂复合微球中纳米SiO₂球模板洗涤效果的影响。利用紫外-可见分光光度计（UV-Vis）对Ce-Cu/TiO₂空心微球的光响应性能进行测试与分析,以研究Ce-Cu/TiO₂空心微球对可见光源的利用效率。利用激光粒度分析仪（LPSA）与扫描电子显微镜（SEM）对Ce-Cu/TiO₂空心微球的粒度分布与微观形貌进行测试与分析,以研究Ce-Cu/TiO₂空心微球的均匀粒度分布效果。结果表明：以Si-O-Si基团构建非晶体结构的无定形态纳米SiO₂球模板,有利于聚乙烯吡咯烷酮在纳米SiO₂球模板表面附着,从而控制Ce-Cu/TiO₂空心微球的空腔结构。Ce-Cu掺杂基本进入TiO₂晶体,极少进入纳米SiO₂球模板晶体,从而抑制了Ce-Cu/TiO₂-SiO₂复合微球中TiO₂由锐钛矿相向金红石相的转变。Ce-Cu掺杂TiO₂可以促使TiO₂内部形成新的能级,实现能量较小的光子捕获e-和h+,从而提高Ce-Cu/TiO₂空心微球对可见光源的利用效率。Ce-Cu/TiO₂空心微球的表面光滑且不存在明显的缺陷,其形貌呈现良好的球体且粒径分布均匀,即d₉₀为219.54 nm,d₅₀为151.60 nm、d₁₀为103.84 nm,以及d₉₀-d₁₀为115.70 nm。研究结果为进一步获得可见光源下具有良好光催化性能的均匀粒度分布Ce-Cu/TiO₂空心微球提供理论依据和研究基础。     

二级轻气炮发射过程中前冲气体的初步研究

 在二级轻气炮发射过程中,靶室内的残存气体和绕行到弹丸前方的推进气体都有可能对实验结果造成影响。利用石英传感器测量并得到了二级轻气炮高速弹丸发射时前冲气体的压力信号,并计算得到了相应的压力。实验结果表明：二级轻气炮发射时确实存在前冲气体现象,但其压力幅值较小,约为10^-2 GPa量级,不会对高压物理实验的结果造成明显的影响。