基于微区LIBS菊石化石中钙元素分布的研究

化石的研究可帮助科学家了解生物的演化进程，并帮助地质学家确定地层年代等地质信息，其中不同年代地层地质元素的变化是地质研究的热门课题。为研究不同年代地层地质元素的变化，搭建了一套微区LIBS实验系统，研究菊石化石中Ca元素的分布情况。采用非对称最小二乘法去除光谱数据的基线，并确定了最优的拟合参数。采用平均值归一化算法以减小光谱强度的相对标准偏差，多元线性回归算法计算模型的回归方程。首先，通过前期实验确定微区LIBS实验系统的最佳测试参数：激光波长为1 064 nm，激光脉冲频率为30 Hz，光谱仪采集延时为700 ns。其次，选取12块经过定量标定的天然岩石样品，从中随机抽取9块样品（闪长岩、闪长玢岩、辉长辉绿岩、粗玄岩、碱长粗面岩、角闪闪长岩、黑色浮岩、斑状角闪石花岗岩、玄武玻璃）作为测试集，其余3块样品（辉石闪长岩、辉石岩、斜长花岗岩）作为预测集。选取Ca Ⅱ 393.186 nm，Ca Ⅰ 422.856 nm，Ca Ⅰ 445.572 nm，Ca Ⅱ 559.031 nm，Ca Ⅰ 616.61 nm五个特征峰的谱线强度作为自变量，测试样品的实际Ca元素含量为因变量，利用多元线性回归算法建立Ca元素的定量分析模型，经预测集检验后得平均预测精度为92.9%。对表面经打磨的菊石化石进行5×5点阵扫描，得到一系列原子光谱数据。根据Ca元素的定量分析模型，计算后得到菊石化石Ca元素的横向分布图，其横向分辨率优于100 μm。作为纵向对比，选取每个测试点的第6，11和16组光谱数据进行处理，分别得到Ca元素的横向分布图。对比可以得到菊石化石Ca元素的纵向分布情况，结果表明菊石化石在平面和空间内均呈现不均匀分布的状态, 推测实验所选取的菊石化石在形成的过程中所处周围地层地质的元素及其含量是动态变化的。菊石化石不仅可以作为判定地层年代的证据，还可以通过对菊石化石的元素分布及含量的研究推测该化石所处地层的元素信息。研究工作对于浅海地层地质的演变、环境的变化具有一定指导意义。     

表面粗糙度对激光诱导击穿光谱信号的影响

硅橡胶复合绝缘子是高压输电线路的关键设备，长期在复杂外界环境条件下带电运行后会发生表面老化，表现为粉化、褪色、粗糙度和硬度上升等现象。粗糙度作为复合绝缘子的老化特征量之一，其测量是复合绝缘子在线带电检测的难题。激光诱导击穿光谱技术(laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS)适用于开展输电线路复合材料的远程在线检测，但粗糙度对LIBS信号的影响还没有得到系统的研究，利用这种基体效应进行绝缘子表面粗糙度的测量尚无报道。制备了不同粗糙度的硅橡胶新样品，与500 kV线路退运的复合绝缘子样品进行对比分析，研究了硅橡胶材料的粗糙度对LIBS信号的影响，结果表明，对于新制备硅橡胶材料随着粗糙度的增加，各主体元素特征谱线强度会随之增强，不同主体元素之间的原子谱线强度比（Si 288.2 nm/C 247.9 nm和Al 394.4 nm/Si 288.2 nm）随之下降，说明样品粗糙度对LIBS测量结果影响显著。但特征谱线强度及不同主体元素原子谱线强度比与粗糙度之间的函数关系不明显，难以用于粗糙度测量。硅橡胶的主体元素为Si，Al，C和O等，考虑元素含量及特征谱线的选取方便选择Si为主要分析元素。对于Si原子谱线强度比，选取了两条上能级相近（E_ki＝40 991.88, 39 955.05 cm-1）的原子谱线（SiⅠ288.2 nm，SiⅠ250.7 nm）作为分析线，在满足局部热力学平衡与光学薄的条件下两条谱线的强度比应为定值，但样品粗糙度的改变会影响脉冲激光烧蚀材料表面的过程，从而改变等离子体的状态，使得谱线强度比值也随之变化。上述两条硅原子谱线强度比和粗糙度建立的定标关系，线性相关系数为0.88。对于500 kV输电线路退运的老化硅橡胶材料，其表面由于老化有部分氢氧化铝填料析出，使得基体成分不均匀性更为显著，其表面也变得更为粗糙，这导致一对谱线强度比值作为定标函数，实用性降低。因此针对老化硅橡胶材料，除了选择Si元素谱线(SiⅠ250.7 nm，SiⅠ251.4 nm，SiⅠ251.9 nm)以外，还引入了Al元素谱线(AlⅠ305.7 nm, AlⅠ305.9 nm)，利用三组谱线强度比进行多元回归分析，对于两个实测粗糙度为2.659和2.523 μm老化硅橡胶样品，LIBS测量的相对误差分别为0.218和0.189。结果表明对同样成分的复合材料，表面粗糙度对LIBS信号的影响是必须考虑的，而利用这种基体效应，开展远程在线测试复合绝缘子表面粗糙度，对于高压输电线路检测运维具有重要的应用价值。     

Bi-2223/Ag异质结的光生电压效应研究

在50 ～ 340 K不同温度下,利用紫色激光(λ=405 nm)对银/铋锶钙铜氧2223异质结界面进行辐照,观测到明显的光生电压效应,发现光生电压的极性分别在超导转变温度TC与320 K附近发生了反转,排除了激光产生的热电势是产生光生电压的原因,分析表明银/铋锶钙铜氧2223异质结界面处存在内建电场:光生电压由异质结界面处的内建电场分离光生电子-空穴对产生的.超导转变温度TC之下以及320 K以上,内建电场方向从超导体指向金属电极;超导转变温度TC与反向温度320 K之间,内建电场从金属指向超导体.     

介质材料二次电子发射特性对微波击穿的影响

以介质填充的平行板放电结构为例,本文主要研究了介质填充后微波低气压放电和微放电的物理过程.为了探究介质材料特性对微波低气压放电和微放电阈值的影响,本文采用自主研发的二次电子发射特性测量装置,测量了7种常见介质材料的二次电子发射系数和二次电子能谱.依据二次电子发射过程中介质表面正带电的稳定条件,计算了介质材料稳态表面电位与二次电子发射系数以及能谱参数的关系.在放电结构中引入与表面电位相应的等效直流电场后,依据电子扩散模型和微放电中电子谐振条件,分别探讨了介质表面稳态表面电位的大小对微波低气压放电和微放电阈值的影响.结果表明,介质材料的二次电子发射系数以及能谱参数越大,介质材料的稳态表面电位也越大,对应的微波低气压放电和微放电阈值也越大.所得结论对于填充介质的选择有一定的理论指导价值.     

双脉冲激光诱导土壤中Pb和Ba光谱增强研究

为获得共线双脉冲激发方式对土壤中Pb和Ba元素的谱线增强效果，研究了1064 nm单脉冲和(355 nm+ 1064 nm)，(1064 nm+355 nm)共线双脉冲三种激发方式下，谱线强度随采集延迟时间的变化规律和谱线增强倍数随双脉冲时间间隔的变化规律。研究发现，与单脉冲激发方式相比，在双脉冲激发方式下，谱线Pb I 405.78 nm和Ba I 553.55 nm强度的最大增强倍数分别为5和8。该研究结果为检测土壤中重金属元素提供了参考。     

基于LIBS技术的水泥粉末在线成分分析

在工业现场生产水泥的过程中，各种成分的含量直接影响着水泥的质量，因此如何快速准确地监测水泥中各个成分的含量意义重大。采用的实验方式为，将不经过任何预处理的水泥粉末直接放入位于二维移动平台上的物料盒中，通过激光诱导击穿光谱(LIBS)直接对水泥粉末表面的不同位置进行激发检测，对得到的光谱数据首先进行归一化和主成分分析等预处理操作，然后针对水泥中Ca, Si, Al, Fe, Mg五种元素，分别建立偏最小二乘(PLS)和支持向量回归(SVR)两种定量分析模型进行方法比较。此外，对比了粉末状水泥与压片式水泥两种测量方式的结果。实验结果表明，采用粉末状水泥直接测量的方式下，针对水泥样品元素浓度与所得到的光谱中特征线强度的关系，SVR方法比PLS方法更具优势，粉末状水泥直接测量的精度接近压片式测量的精度，说明LIBS技术对水泥粉末状样品直接在线测量具有可行性。     

深冷温区环氧树脂和聚四氟乙烯电阻率与击穿特性研究

电阻型超导直流限流器的主要部件是限流单元和电气终端,其采用的低温绝缘材料主要是玻璃纤维加强环氧树脂和聚四氟乙烯。针对环氧树脂和聚四氟乙烯样品在深冷温区的绝缘特性进行研究。利用三电极法对两种材料的电阻率随温度和场强的变化规律进行了测量,对两种材料的击穿耐压进行测试并观察其击穿痕迹,进一步利用Weibull分布对试验结果进行分析,试验结果表明:电阻率随温度和场强变化,击穿耐压符合Weibull分布。     

火星车载激光诱导击穿光谱仪(MarsCoDe)在轨定标样品选取研究

我国首次火星全球遥感与区域巡视探测任务已获批立项，首个火星探测器也即将前往火星。为满足火星物质成分分析的需求，我国研制了不同类型的火星物质成分分析仪器，其中包括火星表面成分探测仪（MarsCoDe），应用了激光诱导击穿光谱技术（laser-induced breakdown spectroscopy，LIBS）。火星表面覆盖尘埃，探测仪器想要准确获取火星尘埃之下的物质成分，必须剥去尘埃或者进行破坏从而深入岩层取样。LIBS可以用激光烧蚀待测物体表面，获得深部物质光谱信息，在火星表面探测中具有其他仪器无法取代的优势。LIBS在火星探测中几乎适用于探测每一个元素，包括轻元素H，Li，Be，B，C，N，O等，帮助寻找有机物和含水地质过程的证据。由于LIBS在火星环境工作，等离子体的物理性质与地球上完全不同。为了确保火星车载LIBS返回数据的光谱质量，需要对LIBS在着陆后开展在轨定标。借助火星车的携带在轨定标样品，对探测数据进行在轨定标，确保返回数据的可靠性。定标样品的选择是一项十分重要的工作，存在仪器工程条件限制、定标样品类型的代表性、元素成分分布范围、样品稳定性等多种考虑因素，需满足科学任务的同时达到加工工艺要求。总结了国外已有的火星车载LIBS在轨定标的研究进展，重点分析了LIBS在轨定标样品选择依据、国外选择样品的优缺点，并总结经验提出了几点建议，为我国在轨定标工作提供参考。对火星探测数据的正确解译，对未来研究火星的起源、火星的长期地质演变过程等具有重要的科学意义。     

利用速度图像巧解方波电场问题

对有关带电粒子以初速度垂直于电场方向进入方波电场的曲线运动问题进行分析和拓展,探究这类疑难问题巧妙的解答方法.