可激发气体分子声弛豫过程振动模式能量转移速率计算

研究可激发气体中振动模式能量转移速率和声弛豫过程形成的关系,将单一气体Tanczos弛豫方程理论[J.Chem.Phys.25,439(1956)]扩展应用于混合气体中振动模式的振动-振动(V-V)和振动-平动(V-T)能量转移速率的计算。在室温下CO₂,CH₄,CL₂,N₂和O₂组成的多种混合气体中,振动模式能量转移速率的计算结果表明:对于多个振动模式所形成的声复合弛豫过程,各振动模式的声激发能可由V-V能量转移相互耦合后传递给具有最快V-T转移速率的最低振动频率振动模式,再通过该振动模式的V-T转移退激发形成主弛豫过程。这种选择最快转移路径的声激发量弛豫方式,造成了大多数可激发气体中声弛豫吸收谱的实测数据只存在一个吸收峰的现象。从而提供了一个可通过计算微观振动能量转移速率分析混合气体声弛豫过程形成机理的理论模型。      

常温下氢气声转动弛豫模型研究

氢气声弛豫过程主要由氢气分子的转动弛豫决定.然而,当前大部分声弛豫模型是基于气体分子的振动弛豫,并不适用于氢气.本文利用理想气体焓变与定压热容的关系,提出了一种基于氢气分子转动的弛豫模型,并讨论了转动弛豫和振动弛豫的相似与不同.该模型不仅适用于氢气,还能够和其他气体的振动弛豫模型相结合求解混合气体的声弛豫吸收谱和声速频谱.仿真结果表明,对于H_2,N_2/H_2,CO_2/H_2等气体,该模型生成的声速、声弛豫谱曲线与实验数据符合.本模型为包含氢气的混合气体声学探测提供了一个有效的理论模型.     

关於流体的容变粘滞弹性理论及其在声吸收现象中的应用

在这篇论文里我们证明,与某些作者所了解的不同,我们的流体的容变粘滞弹性理论不仅仅是在结构弛豫的情况中有效,而是对所有三种弛豫——热弛豫、结构弛豫与化学弛豫——都是同样有效的。从我们的容变不可逆性方程可以推到Herzfeld与Rice原为热弛豫所假定的热不可逆性方程。又可以证明的是在化学弛豫的情况中我们的容变不可逆性方程也包含着Liebermann由分子运动理论考究所得到的化学不可逆性方程。关于这理论在声吸收及速变现象中的应用,我们证明利用适当的热力学考究便可以从我们的压缩性理论所给的结果直接推到在热弛豫情况下有效的Bourgin-Kneser方程及在化学弛豫情况下可以有效的Liebermann方程。这个推导并揭发出来Liebermann的声吸收方程仅对液体说可以是一个良好的近似。我们附带地指出,在气体的情况中,某些已发表的声吸收及速变的实量结果的准确度已可以使我们从这些结果来算定气体的静态与立刻两压缩系数β₀及β_∞,从而确定热容量的两比值γ₀及γ_∞与外态内态两热容量C^(e)及C⁽ⁱ⁾。这样我们又能从这些结果取得一些有关分子构造及分子碰撞过程中能量转移的结论。最后,我们讨论了我们的容变粘滞系数的定义的适当性。     

气体声弛豫过程中有效比热容与弛豫时间的分解对应关系

声在多原子分子气体中传播所引起的弛豫过程是探索气体特性的重要方面. 本文通过研究气体声弛豫过程中振动自由度与平动自由度(V-T)以及振动自由度之间(V-V)的分子能量转移模型, 给出了有效比热容与弛豫时间的分解对应关系及其通用获得方法. 该分解模型与现有的声弛豫模型相比, 反映了分解后的V-T 和V-V弛豫过程中振动比热容与弛豫时间的对应关系, 并发现了较高能级是引起对应声弛豫过程的决定因素. 将基于该分解模型获得的气体声弛豫衰减谱经碰撞直径微调改进后, 比现有理论更接近实验数据, 其结果证明了该分解对应关系的正确性和合理性.     

基于混合气体分子复合弛豫模型的一氧化碳浓度检测算法

研究了声波通过混合气体时,复合弛豫声吸收和声速与气体各成分浓度和声频率之间的依赖关系.以一氧化碳气体、水蒸气、氮气和氧气的混合气体为例,分别建立了弛豫声吸收和声速与气体浓度的三维模型,以及弛豫声吸收与声频率的二维模型.完成了通过测量弛豫声吸收和声速计算一氧化碳气体浓度的算法推导,提出了一种依据弛豫声吸收和声速检测气体浓度的简化算法.仿真实验结果不仅证明了算法的理论可行性,还给出了算法的最佳适用声频率范围,并估计了将算法应用于实验的误差原因,证明了算法具有实际可行性. 关键词： 气体浓度声学检测 一氧化碳浓度检测 复合弛豫声吸收 声速     

可激发气体振动弛豫时间的两频点声测量重建算法

振动弛豫时间是可激发气体分子内外自由度能量转移速率的宏观体现,它决定了声吸收谱峰值点对应的弛豫频率.本文给出了等温、绝热定压和绝热定容三种不同热力学过程下振动弛豫时间的相互关系;基于Petculescu和Lueptow[2005 Phys.Rev.Lett.94 238301]的弛豫过程合成算法,推导了单一压强下两频点声测量值的弛豫时间重建算法.该算法可应用于等温、绝热定压、绝热定容弛豫时间和弛豫频率的重建测量,并避免了弛豫时间传统声测量方法需要不断改变气体腔体压强的问题.仿真结果表明,对于室温下CO_2,CH_4,Cl_2,N_2和O_2组成的多种气体,重建的弛豫时间和弛豫频率与实验数据相符.     

多原子分子气体中声波弛豫衰减谱的重建算法

提出了一种宽频率范围的弛豫衰减谱重建算法,并采用基于SSH理论的方法和基于实验数据的方法估计气体的有效弛豫时间.通过该算法得到了包括氮气、甲烷、氧气、二氧化碳和水蒸气在内的多种多原子分子混合气体的声衰减谱,研究的声波频率范围从1Hz到10GHz.与预测弛豫衰减的DL模型的结果比较表明,该算法获得的弛豫衰减谱结果与之相符,其预测精度取决于对分子弛豫过程的正确认识.另外该算法还被用于几种混合气体中水蒸气和二氧化碳含量的分析,其结果表明弛豫衰减谱可被用于定量分析多原子分子气体的成分组成,这使得实现高灵敏度地检测气体成分的智能声气体传感技术成为可能. 关键词： 声弛豫衰减 有效弛豫时间 重建算法 声气体传感器     

基于声吸收谱峰值点的天然气燃烧特性检测理论

天然气的成分构成会随产地来源变化而不同, 使其具有不同的燃烧特性和经济价值.本文利用声吸收谱峰值点随气体成分变化而改变的声分子弛豫现象, 提出一种天然气燃烧特性检测理论.它基于两频点上声测量值可合成声吸收谱峰值点, 且依赖于频率的声吸收谱可由峰值点重建的物理原理; 可利用峰值点对应的特征量——弛豫频率和弛豫吸收最大值与气体成分的关系, 从两个维度同时定量检测天然气成分.该理论避免了传统上测量声吸收谱峰值点方法需要不断改变气体腔体压强的问题, 还具有无需测量气体密度的优点.     

退火对He注入及随后208Pb27+辐照的Al2O3单晶PL谱的影响

利用高能离子研究了110 keV 的He⁺注入Al₂O₃单晶及随后230 MeV的²⁰⁸Pb²⁷⁺辐照并在不同温度条件下退火样品的光致发光的特性. 从测试结果可以清楚地看到在375 nm，390 nm，413 nm 和450 nm 出现了强烈的发光峰. 经过600 K退火2 h后测试结果显示，390 nm发光峰增强剧烈，而别的发光峰显示不明显. 在900 K退火条件下，390 nm的发光峰开始减弱相反在510 nm出现了较强的发光峰，到1100 K退火完毕后390 nm的发光峰完全消失，而510 nm的发光峰相对增强. 从辐照样品的FTIR谱中看到，波数在460—510 cm^-1间的吸收是振动模式，经过离子辐照后，吸收带展宽，随着辐照量的增大，Al₂O₃振动吸收峰消失，说明Al₂O₃振动模式被完全破坏. 1000—1300 cm^-1之间为Al-O-Al桥氧的伸缩振动模式，辐照后吸收带向高波数方向移动. 退火后的FTIR谱变化不大.     

多元可激发气体声弛豫频率的环境影响分析

推导多元可激发气体中声弛豫频率和环境温度、压强的解析关系.理论分析和仿真计算表明：声弛豫频率线性反比于主弛豫过程的弛豫时间,正比于主弛豫过程的振动耦合热容,反比于外自由度热容;温度升高导致振动耦合热容增加、内外自由度能量转移速率增大引起弛豫时间减少,进而造成声弛豫频率正比于环境温度;压强增加使得分子碰撞速率增加引起弛豫时间减少,进而使得声弛豫频率线性正比于环境压强.     

Calculating vibrational mode contributions to sound absorption in excitable gas mixtures by decomposing multi-relaxation absorption spectroscopy

Sound relaxational absorption spectroscopy of excitable gas mixtures is potentially applied for gas composition detection. The relaxation of vibrational modes of gas molecules determines the sound relaxational absorption. However, to our knowledge, the contribution of each vibrational mode available in gas mixtures to sound multi-relaxation absorption has not been calculated in existing literature. In this paper, based on the decoupled expression of the effective isochoric molar heat for a gas mixture, a sound multi-relaxation absorption spectrum is decomposed into the sum of single-relaxation spectra. From this decomposable characteristic, the contribution of each vibrational mode available in the gaseous medium to the multi-relaxation absorption is obtained at room temperature. For various gas compositions including carbon dioxide, methane, nitrogen etc., the calculated contributions of vibrational modes are verified by the comparison with experiment data. We prove the following views with quantifiable outcomes that the primary molecular relaxation process associated with the lowest mode plays the major role in acoustic relaxational absorption of gas mixtures; the mode with lower vibrational frequency provides higher contribution to the primary relaxation process. This work could provide a deeper insight into the relationship between the sound relaxational absorption spectroscopy and gas molecules.     

Calculation of vibrational energy transition rates in acoustic relaxation processes for excitable gas molecules

To research the correlation between vibrational energy transition rates and acoustic relaxation processes in excitable gases, the vibrational relaxation theory provided by Tanczos [J.Chem. Phys. 25, 439(1956)] is applied to calculate the energy transition rates of VibrationalVibrational(V-V) and Vibrational-Translational(V-T) energy transfer in gas mixtures. The results of calculation for the multi-relaxation processes in various gas mixtures, consisting of carbon dioxide, methane, chlorine, nitrogen, and oxygen at room temperature, demonstrate that the acoustic energy stagnated in every vibrational mode is coupled with each other through V-V energy exchanges. The vibrational excitation energy will relax through the V-T de-excitation path of the lowest mode because of its fastest V-T transition rate, resulting in that only one absorption peak can be measured for most of excitable gas mixtures. Thus, an effective model is provided to analyze how the vibrational energy transition rates affect the characteristics of acoustic relaxation processes and acoustic propagation in excitable gas mixtures.     

Decoupling multimode vibrational relaxations in multi-component gas mixtures: Analysis of sound relaxational absorption spectra

Decoupling the complicated vibrational-vibrational (V-V) coupling of a multimode vibrational relaxation remains a challenge for analyzing the sound relaxational absorption in multi-component gas mixtures. In our previous work [Acta Phys. Sin. 61 174301 (2012)], an analytical model to predict the sound absorption from vibrational relaxation in a gas medium is proposed. In this paper, we develop the model to decouple the V-V coupled energy to each vibrational- translational deexcitation path, and analyze how the multimode relaxations form the peaks of sound absorption spectra in gas mixtures. We prove that a multimode relaxation is the sum of its decoupled single-relaxation processes, and only the decoupled process with a significant isochoric-molar-heat can be observed as an absorption peak. The decoupling model clarifies the essential processes behind the peaks in spectra arising from the multimode relaxations in multi-component gas mixtures. The simulation validates the proposed decoupling model.     

基于声弛豫频率的可激发气体压强合成算法

声弛豫频率是声吸收谱峰值点的频率,包含可激发气体成分、环境温度和压强信息.利用声弛豫频率线性正比气体压强的特性,提出一种通过两频点声吸收系数和声速测量值计算声弛豫频率,并通过查表方式合成气体压强的算法.算法的声弛豫频率测量误差具有随声测量值误差线性变换的特性,且当两频点的声吸收测量误差相等时,压强的合成误差为零.对于一定温度下的甲烷及其混合气体,仿真计算证明算法的有效性和声测量误差的稳健性.提供一种简单、稳健性好、可实时连续在线检测可激发气体腔体压强的声学方法.