新型环保绝缘气体C5-PFK的红外光谱特性及混合比检测方法研究

1, 1, 1, 3, 4, 4, 4-7氟-3-(3氟甲基)-2-丁酮(C5-PFK)气体因其优良的电气绝缘性能和良好的环保特性受到国内外广泛关注。制备高精度的C5-PFK混气并实现对其混合比的精准检测，有利于对C5-PFK混气的科学论证，最大限度的减少电力隐患。采用FTIR实验，结合B3LYP方法进行光谱理论计算，对C5-PFK气体的红外光谱吸收特性进行了研究；针对测试环境中可能存在的CO₂及微水气体，在相同的温压及光程条件下进行了谱线交叉干扰分析；基于非分散性红外线(NDIR)技术对C5-PFK混气混合比传感器进行了仿真测试，开展了传感器硬件系统的整体设计。根据传感器的输出特性，建立了BP神经网络温度补偿模型，并对传感器的重复性及示值误差进行了测试。结果表明：C5-PFK气体的强吸收峰位置分别为1 200、 1 262及1 796 cm^-1,分子理论计算与气体实测的红外光谱吻合较好；合成空气背景下1 262 cm^-1位置CO₂气体的吸光度为6.04×10^-7, 150 n...     

基于光腔衰荡光谱技术的压力计校准方法

压强是工业生产过程中的一个重要参数,其准确测量是过程控制的关键。气体分子光谱线型和线宽取决于分子间相互作用和温度、气压等因素,利用窄线宽气体吸收光谱的压力展宽效应,可通过高分辨地测量气体吸收谱线得到压强信息,实现压力计校准。提出了一种基于光腔衰荡光谱技术和气体吸收谱线压力展宽效应的压力计校准方法。采用5.2 μm可调谐量子级联激光器,基于连续光腔衰荡光谱技术建立了压力计校准实验装置。室温下,测量水汽在1 877 cm-1附近的一吸收谱线,线宽为0.084 21 cm-1,重复性测量误差小于1.53×10-4 cm-1,对应的压强大小为98.12 kPa,检测灵敏度优于0.18 kPa,与高精度压力计读数98.14 kPa一致。利用测试谱线线宽与压强的关系得到压力展宽系数(0.087 12±0.000 965) cm-1·atm-1,与HITARN数据库参考值0.087 1 cm-1·atm-1一致。实验校准了一小量程压力计。结果表明基于光腔衰荡光谱的高分辨吸收谱线测量在压强检测和压力计校准领域具有很好的应用前景。     

基于TDLAS-WMS的中红外痕量CH_4检测仪

为了对痕量甲烷(CH4)进行非接触式检测,采用可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)与波长调制光谱(WMS)的检测技术,利用CH4位于中红外波段1 332.8cm-1吸收谱线,设计并研制出痕量CH4检测仪。该仪器使用中心波长为7.5μm的中红外量子级联激光器(QCL),通过调谐系数-0.2cm-1·A-1,采用固定工作温度调节其注入电流(0.6~1.6 A)的方式使其发光光谱扫描CH4气体吸收谱线(1 332.8cm-1)。在光学结构方面,该仪器采用光程为76m的herriott长光程密闭气体吸收气室,配合差分检测光路,降低了由激光光源波动引起的噪声,确保对痕量CH4进行检测。实验中,实现了40×10-9最低检测下限,检测结果的相对误差为0.09%,稳定度优于2.8%,验证了该仪器的可行性。     

逐线积分气体吸收模型及其在NDIR气体检测中的应用

介绍了一种精确的逐线积分痕量气体吸收模型,模型适用于中红外波段大气环境中痕量气体、污染气体检测的理论研究和工程应用。首先介绍了气体辐射特性的理论计算方法和现有逐线积分大气模 型,比较了各自的优劣性,其次详述了逐线积分计算的理论: 吸收系数是温度、波长、气体浓度和相关吸收线参数的函数,单条谱线的平均吸收系数是积分线强与谱线线型的卷积,在不同的大气条件下选 择不同的线型。最后,详细描述了模型的算法细节,并给出了模型计算的结果与傅里叶变换光谱仪实测数据的对比,举例介绍了吸收模型在NDIR气体探测技术中的实际应用,并使用该模型模拟了NDIR探 测器两个通道的信号强度随尾气中CO₂,CO浓度变化的关系,通过计算确定了NDIR探测器合适的工作范围。所述模型利用HITRAN光谱数据库,考虑了展宽、线翼截断、温度修正、光谱分辨 率变化等情况,可以有效的模拟大气环境中多种气体的红外吸收特征。     

1.65μm附近CH_4分子高分辨率吸收光谱研究

采用连续可调谐二极管半导体激光器为探测光源,以可调怀特型长光程多通池(46.36～1158.90m)作为吸收池,采用直接吸收的方法,探测了室温下1.65μm附近CH4分子的高分辨率吸收光谱。在6043.00～6053.72cm-1范围内探测了5组不同压力和光程下的吸收光谱,观测到了259条线新的CH4分子吸收谱线,实验数据用Gaussian线型进行拟合,得到了这些吸收谱线的线强、线位置以及线强的标准偏差值,并对光谱中难以分辨的吸收谱线进行了分析。探测得到的最小谱线线强是4.3×10-27cm-1·(molcule·cm-2)-1,吸收谱线线强大于3.0×10-24cm-1·(mol·cm-2)-1由于吸收饱和而未被处理,同时所测得的光谱也显示出CH4分子在1.65μm附近有非常丰富的弱吸收谱线和复杂的结构。文中所报道的吸收谱线都是HITRAN2004数据库中所未报道的,而且也未见有其他文献报道过。     

KH_2PO_4晶体的太赫兹-紫外光谱

实验测量了室温下磷酸二氢钾KH2PO4(KDP)晶体0.2～1.6THz的时域光谱,以及50～4000cm-1范围内的远红外光谱,200～2000nm的紫外-可见-红外光谱。KDP晶体的禁带宽度是5.91eV。在测量范围内有一个很宽的声子吸收带。从0.2～205.5THz吸收系数在35～80cm-1,声子吸收的低频端小于0.2THz。最高的纵光学模声子的频率νLO大约是205.5THz,由此求出这支声子的H—O键的力常数为13.13N·cm-1。     

银(Ⅰ)、镉(Ⅱ)4-巯基吡啶配合物的光谱研究

采用常规溶液反应蒸发法以4-巯基吡啶(简写为4-MPy)为有机配体与银、镉的硝酸盐合成了两种金属有机配合物。并利用红外、拉曼、紫外-可见光谱技术对4-MPy及合成的配位化合物进行了研究,对主要红外和拉曼谱带进行了经验归属,并进一步讨论了配体和配合物的特征吸收谱带与配合物结构间的关系。在红外光谱中,配体在1 459cm-1处的吸收峰归属为CC和CN复合振动峰,形成配合物后在两种配合物中,此吸收峰分别向高波数位移至1 464和1 464cm-1。在拉曼光谱中,两种有机配位化合物在1 004和1 008cm-1处归属为环呼吸振动峰、在1 617和1 615cm-1处归属为环伸缩振动峰、在720和720cm-1处归属为β(C—C)和ν(C—S)的复合振动峰,各自十分相似。     

2-三苯基锗基乙基苯基酮、4-三氯锗基-4-甲基-2-戊酮及其类似物Raman及IR光谱

我们合成有机锗化合物的重要中间体 4-三氯锗基 - 4-甲基 - 2 -戊酮 ( A)、3-三氯锗基 -3,5,5-三甲基环己酮 ( B)、2 -三氯锗基 - 2 -苯基乙基苯基酮 ( C)、2 -三苯基锗基乙基苯基酮 ( D) ,测量了他们的 Raman和 IR光谱并进行了讨论。在化合物 A- D的 Raman和 IR光谱 ,苯环中的 C- H伸缩振动 ,饱和 C- H伸缩振动 ,饱和 Ge- C伸缩振动等特征数据基本一致。C=O伸缩振动在 Raman和 IR光谱中位置基本一致 ,但在红外光谱中均为强吸收带 ,而在 Raman光谱中的峰强度差别则非常大 ,化合物 A、D的峰非常弱 ,而 C的峰则很强 ,化合物 A- C的 Ge- Cl振动均在 390 cm- 1附近出现强峰。     

石墨炉原子吸收信号的动力学因素与校正曲线的关系

通常在原子吸收中使校正曲线弯曲的主要因素是: (1) 光谱通带中存在非特征辐射;例如:杂散光、空心阴极灯的非特征谱线等。(2) 绕过火焰的特征辐射; (3) 光源辐射线自吸变宽; (4) 高浓度时,吸收线产生罗仑兹位移;即吸收线和发射线轮廓的中心位置不在同一波长。(5) 光谱通带内存在两条或两条以上待测元素特征谱线,其辐射能量和吸收系数不相同; (6) 使用一个宽光束系统,光束以不同的方向,即以不同的光程长度通过火焰;     

香豆素型荧光聚合物的合成及光学性能

以对甲苯磺酸为催化剂,通过Pechmann法使间苯二酚和乙酰乙酸乙酯发生脱水缩合反应,合成了7-羟基-4-甲基香豆素,再以三聚氯氰为交联单体,将7-羟基-4-甲基香豆素和紫外线吸收剂2,4-二羟基-二苯甲酮引入同一分子中,并使其与丙烯酰胺按一定比例聚合,得到一种能溶于水的荧光聚合物。通过红外光谱和核磁氢谱对产物进行结构表征,运用紫外光谱、荧光光谱测试其光学特性,并考察其在纸张上的应用效果。结果表明:荧光聚合物的Stokes位移(3 121.2 cm-1)比单体(5 221.5 cm-1)小,空间位置变化小,损失能量低,说明其结构更稳定,光稳定性更好,应用于纸张的抗紫外光老化效果也更优。     

TBAB‐CO2水合物形成过程的微观实验

四丁基溴化铵（TBAB）半笼型水合物在二氧化碳（CO₂）捕集和封存技术中具有巨大的发展与应用潜力。由于晶体结构的复杂性,TBAB半笼型水合物的动力学过程尚未得到充分的研究。为了解TBAB半笼型水合物在储气方面的动力学特性,实验采用原位激光拉曼技术和多晶粉末X射线衍射仪（PXRD）对nCO₂·TBAB·26H₂O和nCO₂·TBAB·38H₂O水合物的光谱特征进行了鉴别与分析,利用原位激光拉曼技术考察了CO₂分子分别进入2种晶体结构的动力学过程。研究结果表明,2种晶体结构的拉曼光谱具有较高的相似性,值得注意的是nCO₂·TBAB·26H₂O中位于1 309.5和1 326.9 cm-1的拉曼峰为TBA+阳离子中C-C键的变形振动峰,在nCO₂·TBAB·38H₂O水合物中峰基本不发生改变,但半峰宽降低,峰形也变得相对清晰;同时,nCO₂·TBAB·26H₂O中位于1 446.6和1 458 cm-1的拉曼峰为TBA+阳离子中C-H键的剪切振动峰,在nCO₂·TBAB·38H₂O水合物中分别向左、右两边发生了位移,峰形的重叠度也随之下降。依据上述2处拉曼光谱特征可以对2种晶体结构进行辨别。通过PXRD图谱可以发现2种晶体结构的衍射图谱存在着比较明显的差距。nCO₂·TBAB·26H₂O晶体属于四方晶系,空间群(P4/m),而nCO₂·TBAB·38H₂O属于正交晶系,空间群(Pmma)。图谱中2θ=8.406°和10.941°分别为nCO₂·TBAB·38H₂O的(200)和(220)晶面的特征峰,而2θ=5.976°和6.969°分别为nCO₂·TBAB·26H₂O的(012)和(003)晶面特征峰,可以用来判别样品中水合物的晶体结构。在原位拉曼测量过程中,nCO₂·TBAB·26H₂O和nCO₂·TBAB·38H₂O分别在已经合成好的TBAB·26H₂O和TBAB·38H₂O水合物表面形成。在276 K,2 MPa条件下,气相中的CO₂分子分别进入2种晶体结构中用于储气的512笼形结构,在1 275.4和1 379.3 cm-1处形成特征峰并逐渐增长。实验以2种TBAB水合物位于1 110.3 cm-1的拉曼峰作为参考,比较了CO₂在水合物中的增长速率。研究发现在反应初期的75 min内CO₂在2种水合物中的含量基本保持线性增长且上升速率的差别不大。由于测量点位于水合物表面,受气体在水合物中扩散的阻力较小同时2种TBAB水合物均采用512笼形结构储气导致了储气速率相近。以上的微观晶体结构研究结果对TBAB水合物法捕集和封存CO₂技术应用具有重要的意义。     

ATR-IR分析氢氧化钠对水及离子液体/水体系氢键作用的影响

利用衰减全反射红外光谱（ATR-IR）分析NaOH对水及1-乙基-3-甲基咪唑醋酸酯离子液体水溶液（EmimAc/水）氢键网络的影响,研究结果表明,NaOH的加入会影响水分子的氢键对称性和类型,对称性氢键谱带Ⅰ（3 218 cm-1）和Ⅱ（3 375 cm-1）随着NaOH浓度的提高而降低。NaOH使水溶液氢键发生极化,产生连续吸收带,连续吸收带随着NaOH浓度的提高而增强。水对EmimAc的阳离子和阴离子均有影响。水分子的OH和EmimAc的COO-产生强的相互作用,在3 400~3 200 cm-1产生宽的吸收谱带;而水分子的质子和COO-作用使得C═O吸收谱带红移。水的加入使得EmimAc指纹区的谱带蓝移或吸收强度下降,表明水可以破坏EmimAc原有的氢键网络,形成“阴离子…HOH…阴离子”团簇,减弱了离子液体阴、阳离子之间的相互作用。NaOH替代水与EmimAc混合,ATR-IR谱图的变化并不显著,主要表现在谱带的吸收强度上。与EmimAc/水相比,EmimAc/NaOH水溶液的ATR-IR谱的吸收强度更高,表明NaOH水溶液对EmimAc氢键网络的破坏不如水显著。由此可见,可利用EmimAc/NaOH体系降低离子液体体系黏度,并且降低离子液体使用成本,对木质纤维原料预处理有一定的指导意义。     

基于可调谐半导体激光吸收光谱的H2O分子光谱参数测量研究

气体分子吸收谱线的光谱参数是影响吸收光谱测量精度的重要因素,分子光谱数据库中收录的光谱参数大都具有较大的不确定度,用以测量气体温度等参数时会产生较大的测量误差。为了获得可用于燃烧场诊断的H₂O谱线的光谱参数,采用时分复用技术,在温度、压强和H₂O组分浓度可控的环境中对1.4 μm附近的吸收光谱开展了研究。对7 185.60和7 454.45 cm-1两条H₂O谱线的线强度、展宽系数及其温度指数等光谱参数进行测量,实验结果表明,两条谱线的线强度测量值与数据库中的值偏差分别小于2.61%和4.65%,不确定度都小于4%。     

单光束多组分温室气体的腔衰荡光谱同步检测

腔衰荡光谱技术(CRDS)作为一种具有高灵敏度高光谱分辨率的检测方法已被广泛用于痕量气体检测。而目前基于CRDS痕量气体检测多针对单一气体进行测量或通过多个激光器产生的多光束进行多种组分气体浓度测量。利用DFB激光器波长可调谐特性,通过强弱吸收峰结合,使用单光束实现了多种温室气体的腔衰荡光谱技术同步检测。由于大气中水汽和二氧化碳浓度较高,为实现同一衰荡系统对三种温室气体的同步测量,在平衡吸收损耗的基础上,选取1 653~1 654 nm内甲烷的强吸收峰与水汽、二氧化碳的弱吸收峰进行测量。通过光谱叠加反演矩阵,分别得到甲烷、水汽、二氧化碳的浓度。在计算测量灵敏度过程中发现,通过去除衰荡过程初期的部分数据点(过滤区间),会对噪声等效吸收系数产生影响。多数情况下,在测量灵敏度计算方面,列文伯格-马夸尔特算法(L-M)会优于离散傅里叶变换法(DFT);但当衰荡曲线的单指数性下降时,上述结论不一定成立。搭建了一个低精细度(F≈6×103)衰荡腔对上述结论进行了实验验证。相较于用于测量温室气体浓度的高精细度衰荡腔(F≈1×105),低精细度衰荡腔的衰荡速率较快,衰荡曲线的单指数性明显低于高精细度衰荡腔。实验表明,在过滤区间长度较短时,采用DFT算法计算得到的噪声等效吸收系数会小于L-M算法得到的结果。当过滤区间长度增加时,L-M算法得到的结果优于DFT算法。在受过滤区间长度影响方面,DFT算法的波动性要明显小于L-M算法。根据Allan方差分析,在512次采样平均(约8 s)下的最小噪声等效吸收系数进行计算,该CRDS装置测量灵敏度为2.4×10-10 cm-1。在25 ℃标准大气压下,对应甲烷、水汽、二氧化碳的测量灵敏度分别为0.64 ppbv,3.5 ppmv和4.0 ppmv。基于该CRDS装置,通过单光束多波长测量方法,利用光谱叠加反演矩阵,测得大气中甲烷、水汽、二氧化碳浓度分别为2.018,3 654和526 ppmv;而采用经典CRDS单波长测量得到的甲烷、水汽、二氧化碳浓度分别为2.037,3 898和630 ppmv。通过与温控调节波长,逐点扫描得到的光谱吸收曲线进行对比,采用多波长测量得到气体浓度进行复合拟合的光谱曲线残差小于单波长测量得到气体浓度进行简单拟合的光谱曲线残差。     

The stability of SiC coating and SiO2/SiC multilayer on the surface of graphite for HTGRs at normal service condition

The stability of SiC coating in helium with a low concentration of O₂, CO₂, and H₂O is a key factor for their application in improvement of oxidation resistance of graphite for high temperature gas-cooled reactors (HTGRs). Through thermodynamic analysis, it is found that the influence factor controlling the critical temperature of passive oxidation for SiC is partial pressure of active gas in helium; the critical temperature of passive oxidation for SiC increases with the partial pressure of O₂, CO₂, and H₂O, SiC is prone to undergo active oxidation in He–CO₂ and He–H₂O system. SiO₂/SiC multilayer coating can improve the oxidation resistance of graphite at higher temperature than SiC coating does under normal operation condition for HTGRs.     

基于光强与吸收率非线性同步拟合的吸收光谱测量方法

针对高压环境吸收谱线加宽以及波分复用技术合波透射信号分析测试难题,提出利用非线性拟合方法对激光吸收光谱测量中激光强度与吸收光谱进行耦合求解.建立激光强度非线性变化与多谱线吸收拟合函数关系,解决了特殊环境下无法获取光谱基线的难题,实现了波分复用过程合波后光谱信号的分离与诊断.通过仿真验证该方法的可行性,分析计算了激光器特性和特征谱线位置等因素对拟合结果的影响.搭建实验台实现了1—10 atm变压力环境下6330—6337 cm~(-1)波段CO_2吸收光谱叠加信号的诊断分析,对气液两相脉冲爆轰过程中7185.6 cm~(-1)与7444.35 cm~(-1)波段波分复用光谱信号进行测试与拟合,无需分光设备实现了耦合光路分离和温度计算,研究结果对激光吸收光谱技术在高压环境以及燃烧环境下波分复用技术的发展具有重要意义.     

Evidence for bicarbonate formation on vacuum annealed TiO2(110) resulting from a precursor-mediated interaction between CO2 and H2O

The reaction of CO₂ and H₂O to form bicarbonate (HCO⁻₃) was examined on the nearly perfect and vacuum annealed surfaces of TiO₂(110) with temperature programmed desorption (TPD), static secondary ion mass spectrometry (SSIMS) and high resolution electron energy loss spectrometry (HREELS). The vacuum annealed TiO₂(110) surface possesses oxygen vacancy sites that are manifested in electronic EELS by a loss feature at 0.75 V. These oxygen vacancy sites bind CO₂ only slightly more strongly (TPD peak at 166 K) than do the five-coordinated Ti⁴⁺ sites (TPD peak at 137 K) typical of the nearly perfect TiO₂(110) surface. Vibrational HREELS indicates that CO₂ is linearly bound at the latter sites with a ν_a(OCO) frequency similar to the gas phase value. In contrast, oxygen vacancies dissociate H₂O to bridging OH groups which recombine to liberate H₂O in TPD at 490 K. No evidence for a reaction between CO₂ and H₂O is detected on the nearly perfect surface. In sequentially dosed experiments on the vacuum annealed surface at 110 K, CO₂ adsorption is blocked by the presence of preadsorbed H₂O, adsorbed CO₂ is displaced by postdosed H₂O, and there is little or no evidence for bicarbonate formation in either case. However, when CO₂ and H₂O are simultaneously dosed, a new CO₂ TPD state is observed at 213 K, and the 166 K state associated with CO₂ at the vacancies is absent. SSIMS was used to tentatively assign the 213 K CO₂ TPD state to a bicarbonate species. The 213 K CO₂ TPD state is not formed if the vacancy sites are filled with OH groups prior to simultaneous CO₂+H₂O exposure. Sticking coefficient measurements suggest that CO₂ adsorption at 110 K is precursor-mediated, as is known to be the case for H₂O adsorption on TiO₂(110). A model explaining the circumstances under which the proposed bicarbonate species is formed involves the surface catalyzed conversion of a precursor-bound H₂O–CO₂ van der Waals complex to carbonic acid, which then reacts at unoccupied oxygen vacancies to generate bicarbonate, but falls apart to CO₂ and H₂O in the absence of these sites. This model is consistent with the conditions under which bicarbonate is formed on powdered TiO₂, and is similar to the mechanism by which water catalyzes carbonic acid formation in aqueous solution.     

The far infrared continuum absorption of water vapour

The far infrared transmittance of H₂O has been measured in the laboratory. A gas correlation radiometric technique was adopted for comparison with atmospheric H₂O measurements made by the Stratospheric and Mesospheric Sounder on Nimbus 7. Atmospheric paths were simulated in a multipass cell containing pure H₂O and H₂O + N₂ mixtures at various pressures and temperatures. A spectral transmittance model was developed using the simple Lorentz line shape and the HITRAN molecular line database and was compared with the transmittance measurements. The self-broadened continuum absorption, spectrally averaged over a passband centred at 7.85 THz (262 cm^-1), was determined and confirmed the continuum model of Clough et al. The foreign-broadened continuum was smaller by a factor of at least 19.     

1.39 μm附近H2O谱线参数测量及其在燃烧动力学中的应用

将可调谐半导体激光吸收光谱技术应用于高温气体浓度在线检测,谱线参数的准确性非常重要。为利用红外波段进行燃烧生成H₂O的浓度在线测量,需要实验校准H₂O的谱线参数,尤其是Ar加宽系数,该系数对燃烧反应速率测量和机理验证至关重要。采用半导体激光器作为光源,结合实验室搭建的谱线参数测量系统,采集了1.39 μm波段附近H₂O的4条吸收谱线信号,获得了谱线线强、自加宽系数和N₂加宽系数,与HITRAN数据库和文献结果进行了对比,均吻合较好。首次系统地获得了该波段谱线的Ar加宽系数。在谱线参数确定基础上,获得了在反射激波高温条件下H₂/O₂/Ar燃烧生成H₂O的浓度随时间的演变曲线,验证了相应燃烧动力学机理。结果为利用该波段进行含氢燃料燃烧过程H₂O浓度测量及相关高温燃烧动力学研究提供了可靠的实验依据。     

Electrical conductivity and defect structure of Mg-doped Cr2O3

The electrical conductivity of Cr₂O₃ nominally doped with 2 mol% MgO has been studied by the four point a.c. technique as a function of the oxygen activity (O₂ + Ar, CO + CO₂ and H₂ + H₂O) in the temperature range 400–1200 °C. It is concluded that Cr₂O₃ doped with MgO is an extrinsic conductor and that the dissolved Mg-dopant is compensated by the formation of electron holes at near atmospheric oxygen pressures and by oxygen vacancies (or possibly interstitial chromium ions) at highly reduced oxygen activities (in CO + CO₂ and H₂ + H₂O gas mixtures). In H₂ + H₂O mixtures Mg-doped chromia also dissolves hydrogen as protons and significantly affects the defect structure and electrical conductivity. The defect structure of the oxide under various conditions is discussed.