尖端放电紫外光谱特性仿真分析及验证

尖端放电是物体尖锐处产生的一种放电现象,它属于一种电晕放电,在避雷针、静电除尘等技术中有着广泛应用。目前对尖端放电的研究主要集中在放电强度方面,而对其光谱方面的研究并不多,研究发现尖端放电在紫外波段具有强烈的辐射。利用Comsol软件对尖端放电的电离特性进行仿真,结合数学物理模型分析了放电辐射光谱及辐射强度,发现其辐射强度随时间的变化先增加后减小,并可根据N2+的分布强度估算紫外波段的辐射强度。通过研制一套紫外面阵多光谱成像系统,对尖端放电进行了三个紫外光谱通道的成像,实验结果表明,尖端放电的辐射光谱在240～340 nm波段之间都有分布,且在315～340 nm之间分布最强。同时得到尖端放电的紫外辐射强度随着尖端距离的增加而减小,并与成像积分时间成一定的线性关系。发现在同一通道,线性斜率随尖端距离的增加而减小。通过对尖端放电三个紫外光谱通道的成像码值反演成辐射能量,得到辐射能量与尖端距离,尖端电压以及积分时间之间的关系,验证了尖端放电的数学物理模型,为深入研究尖端放电的紫外特性提供了有力的支撑依据。     

室内高压电弧/电晕的紫外特性分析和测量研究

随着我国电力技术的迅猛发展,因电弧/电晕放电造成高压设备损坏、高压线传输损耗的问题愈加引起重视。完成了电弧/电晕目标在200～1 000 nm的光谱特性测量,发现电弧电晕光谱强度分布主要集中在200～400 nm紫外波段。提出了使用紫外面阵成像技术用于探测研究电弧/电晕的方法,通过一套自制的紫外面阵成像系统,成功实现了对高压电弧/电晕目标进行的实验室内紫外成像,以及氙灯积分球辐射定标与目标反演。实验结果表明,该套紫外面阵成像系统可用于对电弧电晕放电进行实时检测。该研究验证了电弧/电晕的紫外辐射特性,在距离2 m处得到反演后的6 kV电弧的紫外240～280 nm波段的辐照度为3.39×10-5 W·cm-2,为深入开展电弧/电晕的紫外特性研究提供强有力的依据。     

远紫外像增强器光谱响应特性研究

利用星载光学仪器对极光在远紫外波段进行形态探测是研究沉降粒子能量等空间环境参数的重要手段,而远紫外像增强器是进行空间极光远紫外形态探测仪器中所必不可少的光电成像器件,其性能的优劣将直接影响整个仪器的工作情况,其中光谱响应特性是像增强器的重要的特性之一。采用同步辐射真空紫外波段光作为光源,利用光电倍增管和硅光二极管分别测量同步辐射和像增强器光强,我们对研制的远紫外像增强器在135～250 nm波段范围进行了光谱响应测试,测试结果表明该器件在140～190 nm范围内有较好的响应,响应峰值在160 nm左右,符合远紫外极光成像探测的应用要求。     

好氧处理后城市污水荧光指纹的变化

传统有机物参数如COD和BOD等只能表示总量,无法展示有机物成分。荧光光谱可以展现有机物组成,如同指纹与水样一一对应,被称为水质荧光指纹。该文研究了以生活污水为主的城市污水三维荧光光谱在典型活性污泥法处理前后的变化,识别出该类污水荧光指纹中可生物降解和难降解有机物的分布区域:城市污水的激发波长/发射波长=280/340nm与225/340nm附近的荧光主要由可生物降解的物质产生,而激发波长大于300nm和激发波长小于300nm且发射波长大于400nm的两个区域的荧光主要由难降解物质产生。结果表明荧光指纹可以检测污水处理工程的运行效果并指导反应器设计和运行。     

光栅色散型成像光谱仪的在轨光谱定标方法研究

精确的光谱定标是定量化反演地物信息的前提与基础。光栅色散型可见近红外成像光谱仪(VNS)主要用于海洋水色遥感和海岸带监测,采用推扫式成像方式,工作波段范围覆盖400～1 040 nm,空间维视场像元总数为1 024,共设置256个光谱通道,光谱采样步长为2.5 nm。针对仪器入轨后可能发生的光谱通道中心波长漂移或通道宽度展宽问题,基于光谱特征曲线匹配思想,提出了利用太阳大气廓线和星上定标器镨钕特征光谱进行在轨光谱定标的新方法。开展了在轨光谱真实性检验与定标的地面模拟实验,采用最小差值与相关系数联合算法对数据进行了处理。以大气氧气吸收763 nm波段为例,介绍了在轨光谱定标的步骤。给出了太阳夫郎和费517 nm、Pr-Nd玻璃685 nm和氧气吸收763 nm三个典型波段对应VNS的光谱通道的定标结果：三个通道穿轨视场Smile效应幅度相近,约为0.6 nm;中心波长漂移方向和大小各异,分别为0.707,-0.369和0.293 nm;对穿轨方向各像元的测量值进了二次曲线拟合,763 nm通道标准偏差小于另外两个通道,三个通道的光谱定位精度较高优于0.176 nm。为成像光谱仪开发出一种适用的在轨光谱定标算法。     

聚丙烯酰胺溶液的光谱特性及其浓度光学检测

提出了光学检测聚丙烯酰胺溶液的方法,利用TU-1901/1900双光束紫外可见分光光度计、IRPrestige-21傅立叶变换红外光谱仪测量5~600 mg·L-1浓度范围内聚丙烯酰胺溶液的透射光谱,研究了其在波段190~900 nm和400~4 000 cm-1的光谱特性,进行了其浓度的反演分析。研究表明：聚丙烯酰胺溶液在200~300 nm和400~920 cm-1,2 986~3 684 cm-1范围存在较强吸收特性,其透光度在220 nm,2 623 cm-1处有一定的线性关系;在紫外波段基于2,3和4个透光度测量值反演其未知浓度的计算误差最大值分别为6.98%,2.34%和0.79%。     

黄海北部CDOM近紫外区吸收光谱特性研究

有色溶解性有机物(CDOM)近紫外区吸收光谱包含CDOM分子结构、组成等重要理化信息。利用2009年3月黄海北部海域CDOM吸收系数的实测数据,分析了该海域CDOM近紫外区的吸收光谱特性,结果表明:由于近岸陆源输入的影响,黄海北部海域CDOM构成差异较大,属于典型的二类水体;特定拟合波段范围的光谱斜率及特定波段处的吸收系数对CDOM分子量相对大小均具有一定的指示作用,250~275,350~400,300~350,275~300 nm波段的光谱斜率Sg,250~275,Sg,350~400,Sg,300~350,Sg,275~300与CDOM分子量相对大小指示参数M值的相关性依次递增,最高可达0.95,吸收系数ag(λ)与M值的相关性随波长增大逐渐变大,400 nm波段处相关性可达0.92;光谱斜率与吸收系数存在相关性与否由光谱斜率拟合波段范围及吸收系数获取波长共同决定,Sg,275~300与ag(400)的相关性最大,可达0.87。     

漂浮透明油品的紫外反射光谱特性研究

石油产品的庞大运输量增加了重大污染事故的风险,给生态安全带来了巨大威胁。其泄漏事故往往具有突发性、偶然性以及污染范围大等特点,传统的化学采样检测并不适用于现场的应急监测和定量预警。卫星遥感以及机载成像的发展为事故的检测提供了有效手段,但因为水面漂浮油品颜色特征不明显,多呈透明色,RGB相机下水和水面漂浮油品难以区分,严重影响成像监测效果。尝试从水与油品的光谱反射率特性的差异出发,寻找油品的特征波段,提高图像中水与油的对比度,以实现溢油监测。针对漂浮油品的光谱测量,已有研究选用的实验容器与环境条件与自然水体中的综合光学特征存在明显差异,难以为现场泄漏事故的监测提供相应的数据支持。为模拟实际的泄漏情景,在人工开阔湖面上使用地物光谱仪对汽油和二甲苯两类透明油品及类油化学品进行紫外可见反射光谱特性的测量探究。光谱测量结果显示,样品与水在各波段区间的光谱角余弦值均接近1,但光谱反射率差值在紫外波段明显大于其他波段,说明漂浮汽油与二甲苯这类透明油品与湖水的光谱反射率曲线形状差异基本一致,而幅值差异在紫外波段处最大。为进一步论证光谱特征分析结果,选择365,436,546以及700 nm四个紫外-可见波段的滤光片,对样品进行成像分析。成像分析结果显示,汽油与二甲苯两种漂浮透明油品与湖水在紫外波段处的图像总体灰度对比值与纹理特征差距明显高于其他可见光波段。因此,选用紫外波段进行水面漂浮油品的成像监测能有效提高油品与自然水面的成像对比度。该实验在自然光与湖面自然水体的条件下进行,极大程度地模拟了实际的透明油品泄漏污染情景,为透明油品及类油化学品机载遥感监测的波段优选提供了理论与数据支持。     

植物乳杆菌的吸收和荧光光谱研究

采用光谱分析技术对益生菌中植物乳杆菌的吸收和荧光光谱特性进行分析,并应用于益生菌的研究以及菌种鉴别。研究发现,植物乳杆菌对紫外波段的光有明显的吸收,峰值位于215nm,在280nm附近有一个对吸收光谱产生扰动的肩峰。对植物乳杆菌的荧光光谱检测发现,该菌种吸收紫外光后发射荧光。对荧光强度和菌液浓度关系的进一步研究,揭示了峰值强度随浓度变化的规律,并根据其变化规律,进行数据拟合,给出了相应的函数表达式。     

宽波段高分辨率小型紫外成像光谱仪光学系统研究

结合小型紫外光谱仪器设计原理对紫外成像光谱仪进行了研究。以离轴抛物镜为望远镜,超环面光栅为成像光谱系统设计了系统方案;该光学系统的优化设计就是对超环面光栅的参数设计。分析了光栅的光程函数和像差方程,总结了单超环面光栅结构的完善聚焦条件和完善成像条件;这两种条件无法在代数计算下得到完善代数解,限制了光谱仪的工作波段和视场,引入遗传算法解决了这个问题。以一工作波段为200~280 nm的日盲紫外成像光谱仪为例对设计理论进行验证,根据优化理论计算了初始结构最优解并进行光线追迹模拟,成功得到了F数为5.7,焦距为102 mm,全视场全波段调制传递函数值在奈奎斯特频率(20 lp·mm-1)下大于0.65的高分辨率成像光谱仪光学系统。设计结果表明这种光学系统设计理论适用于小型宽波段高分辨率紫外成像光谱仪。     

某印染废水的水质指纹特征

水质指纹携带了水样的发光有机物组成的信息,可以作为一种新方法来弥补COD和TOC等传统理化参数只能给出有机物总量信息的不足。印染废水是我国水量最大的工业废水之一,其特点是水量大、污染重,含有大量发光有机物质,且难降解,其对自然水体的危害尤为明显。对我国某印染废水处理厂废水进行了连续采样,对水样的水质指纹特征进行了研究。结果表明,该厂印染废水水质指纹特征比较明显,水质指纹上主要有激发波长/发射波长分别为230/340和280/310 nm左右的两个峰,其中230/340 nm处的强度最强,280/310 nm处的强度次之,各峰波长和强度比较稳定。该印染废水的两个水纹峰的峰强呈正相关关系,线性相关系数为0.910 8,斜率为1.506。激发波长/发射波长为280/310 nm的强度与230/340 nm强度比值的平均值为0.777,范围为0.712～0.829。对该印染污水水质指纹的可能荧光物质进行分析,结果表明生活污水和苯胺类物质的水质指纹与该印染污水的水质指纹不同,而几种大量使用的染料的水质指纹与该印染污水的水质指纹大致相同,所以染料的大量使用可能是导致印染废水产生上述典型水质指纹特征的主要原因。水质指纹可以用于水体水质预警。     

北京城市水体的三维荧光特征

基于三维荧光光谱的水质荧光指纹法已经逐渐显示出作为水体有机物的新型表征方法的价值.本文研究了北京的城市水体的三维荧光指纹.结果表明,北京城市水体的荧光指纹可以分为3种类型:Ⅰ型有2个荧光峰,其中心分别位于λex/λem=275～280/340 nm与225～230/340 nm附近,此类水体数量最多;Ⅱ型的两个荧光中心...     

蔬菜粉末荧光光谱测定及其在手印显现中的应用

对遗留在客体表面的手印进行提取和鉴定是侦破案件的重要依据。对在犯罪现场发现的手印进行固定提取时,首先应该使用没有破坏性的光学无损检验技术。实践表明光学无损检验技术对于绝大部分光滑客体上的手印都能取得很大的反差和较好的纹线细节,而对于光滑度较差的客体上的手印则需要使用有损的物理法和化学法对指印进行固定提取。其中粉末法和熏显法在手印显现中得到了广泛的应用,但是常用的绝大部分粉末和熏显物质对长期从事手印显现的工作人员身体有较大的毒副作用。而且绝大部分常用的荧光粉末需要在紫外线的激发下产生荧光,紫外线激发手印产生荧光的同时也常会激发承痕客体产生很强的背景荧光,进而降低了手印与背景的反差。因此寻找一种成本低廉、无毒无害、操作简单和应用性广泛的手印显现方法是当务之急。研究了三种无毒无害、成本低廉的蔬菜粉末的荧光性能,并且将其应用于手印显现中。首先通过荧光分光光度计测定西蓝花粉末、菠菜粉末和紫菜粉末的荧光激发光谱和荧光发射光谱。通过荧光测定发现,西蓝花粉末的荧光比菠菜粉末和紫菜粉末的荧光强很多,所以选择西蓝花粉末显现犯罪现场常见的疑难客体表面汗潜手印。实验结果表明：（1）西蓝花粉末、菠菜粉末和紫菜粉末都能发出荧光,荧光激发光谱峰值都在417 nm,荧光发射光谱峰值都在678 nm,其中西蓝花粉末发出的荧光最强。（2）将西蓝花粉末用于多色图案干扰的非渗透性和渗透性客体上的汗潜手印的显现中,在415 nm的紫光的照射下能够发出明亮的红色荧光。拍照荧光指印时在镜头前加上透过中心波长为680 nm左右的窄带通干涉滤光镜,结果显示手印纹线与背景反差强烈,纹线清晰连贯,消除背景的干扰。（3）与传统的荧光粉末显现法相比,该显现方法具有较高的显现灵敏度。（4）有些客体背景图案在415 nm的紫光的照射下也有发光,但与西蓝花粉末的非常强的荧光相比,背景的荧光弱得多,所以使得手印与背景之间形成了较大的反差并且纹线的细节特征清晰。（5）粗糙客体上手印的显现也获得了很大的反差,粗糙的背景没有对纹线形成干扰而形成了清晰连贯的纹线。（6）实验中使用的市售的西蓝花粉末具有颗粒细小、吸附能力强等特点,能够促进手印物质与西蓝花粉末之间的选择性吸附,进而进一步提高手印显现的灵敏度。     

LaPO_4∶Ce,Tb纳米荧光粉末的合成及其在指纹无损显现中的应用

采用溶剂热法在水和乙二醇的混合溶剂中合成出了高质量的LaPO_4∶Ce,Tb纳米荧光粉末。然后通过透射电子显微镜(TEM)、粉末X射线衍射(XRD)、荧光光谱(FS)等表征手段分别对稀土纳米荧光粉末的微观形貌、晶体类型、荧光性能进行了表征,合成纳米荧光粉末的形貌为单分散的纳米棒,平均长度为700nm、平均直径为20nm,其晶体结构为单斜LaPO_4晶型,并且在254nm紫外光照射下能够产生较强的绿色荧光。最后将合成的纳米荧光粉末应用于光滑客体表面汗潜指纹的无损显现中,并详细考察了指纹显现的对比度、灵敏度、选择性、背景干扰等指标。实验结果表明,使用LaPO_4∶Ce,Tb纳米荧光粉末显现的指纹在254nm紫外光的激发下能够产生明亮的绿色荧光,指纹乳突纹线部位连贯清晰、细微特征反映明显,指纹与客体之间的对比反差强烈、客体产生的背景干扰较小,因此该显现方法具有较高的对比度、灵敏度和选择性。本显现方法具有操作方法简单、显现效果优良、适用范围广泛等优点。本研究的重要创新之处在于,经LaPO_4∶Ce,Tb纳米荧光粉末显现后的指纹还可以进行后续的DNA提取及检测,这是传统的指纹显现粉末所不能及的。本研究为指纹物证和生物物证这两大物证的同时利用提供了有益参考。     

JH荧光粉与502胶熏显加染法对铝合金客体上汗潜手印的研究

为提高铝合金客体上汗潜手印的显出率,通过实验对铝合金客体上的汗潜手印,分别采用JH荧光粉末显现和502胶熏显荧光试剂染色两种方法进行研究,两种方法均能收到良好的效果。     

紫外像增强器辐射灵敏度测量系统

紫外像增强器是紫外探测系统的核心器件,是一种电真空成像器件,可将微弱的紫外光图像转换并增强为肉眼可见、亮度可见的光图像,其研制与应用是微光夜视技术的重要发展方向。辐射灵敏度是评价紫外像增强器的重要参数,直接决定了紫外探测系统的性能。介绍了紫外像增强器辐射灵敏度的测量原理,采用紫外辐射光源、光栅单色仪系统、测试暗箱、微电流计、计算机及测量软件组建了辐射灵敏度测量系统。对3只紫外像增强器在260 nm、280 nm及320 nm波长下的辐射灵敏度进行了测量,并分析了其测量不确定度。该测量系统的建立,将辐射灵敏度测量系统的光谱范围拓展至200 nm～400 nm,弥补了现有系统的不足,具有广泛的应用前景。     

纳米La2(MoO4)3∶Eu/Fe3O4磁性荧光粉末的制备及用于指纹显现的研究

采用水热法和共沉淀法分别合成了纳米La₂(MoO₄)₃∶Eu荧光材料和纳米Fe₃O₄磁性材料,并利用透射电子显微镜、X射线衍射仪、荧光光谱仪表征纳米材料的形貌尺寸、晶体结构、荧光性能。经表征,纳米La₂(MoO₄)₃∶Eu荧光材料的微观形貌为片状结构,晶体结构为四方晶型,其发射光谱中出现了Eu3+的特征发射峰;纳米Fe₃O₄磁性材料的微观形貌为球形颗粒,晶体结构为立方晶型,并具有超顺磁性。然后,将以上两种纳米材料以一定比例混合均匀,制备了具有超顺磁性的La₂(MoO₄)₃∶Eu/Fe₃O₄纳米荧光粉末。经表征,该磁性纳米荧光粉末的微观形貌为片状结构与球形颗粒的混合,其发射峰位置未发生变化,而发光强度有所降低,但仍能够满足指纹显现的需要。最后,将制备的纳米磁性荧光粉末用于显现不同类型客体表面的潜在指纹。显现效果表明,对于光滑客体表面的指纹,使用磁性纳米荧光粉末与纳米荧光粉末的显现效果无明显差异;对于粗糙客体表面的指纹,使用磁性纳米荧光粉末能够清晰显现出指纹的细节特征,其显现效果明显优于普通纳米荧光粉末,并能够有效避免粉末扬尘现象。本研究制备的纳米磁性荧光粉末是一种理想的指纹显现材料,其指纹显现具有背景干扰低、显现效果好、适用范围广、无粉末扬尘等优点,在刑事案件现场具有广阔的应用前景。     

径流污染对城市污水处理过程的DOM荧光特性影响研究

结合污水处理流程,分别采集重庆市某污水厂晴天和雨天的污水,用三维荧光光谱分析了污水中的溶解性有机物(dissolved organic matter,DOM)的荧光特性。结合DOM的DOC ( dissolved organic carbon, DOC)、COD(chemical oxygen demand, COD)、荧光指数(f_450/500)和紫外区富里酸和可见区富里酸的荧光强度比值r(A, C)的变化特征,分析了雨天径流污染对污水DOM 的影响。实验表明：该污水厂DOM的荧光指纹与典型城市生活污水有较大差异,主要成分为低激发波长类色氨酸(Peak S), 长激发波长类色氨酸(Peak T)次之;A2/O工艺对雨天和晴天的类蛋白物质的去除效果相当,但是雨天的类富里酸以及DOC和COD的去除率较晴天高, 经过生化处理后的荧光峰均发生细微的红移;晴天和雨天污水的DOM 荧光指纹差异明显,雨天紫外富里酸(Peak A)荧光中心由晴天的240～248/390～440 nm蓝移到240～250/370～400 nm。虽然晴天和雨天的DOM种类相同,但是雨水径流使富里酸的来源复杂,组分比例发生了较大变化,雨天色氨酸(Peak S)的比例下降了10%,紫外富里酸(Peak A)的比例上升7%。