基于中红外吸收光谱的痕量水汽在线测量

痕量水汽检测在半导体芯片制造、大气模型研究、高纯气体制备等方面发挥重要作用。针对痕量水汽浓度的精确、快速测量的需求,提出基于5020 nm中红外激光器的可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术对高纯氮气中的痕量水汽进行实时在线测量的方案。气体在中红外波段具有高选择性和吸收能力的特点,在此波段进行痕量水汽检测具有选择性好、灵敏度高、响应时间短等优点。根据HITRAN数据库中光谱参数对水汽吸收谱线进行仿真,仿真结果表明H2O在5020.36 nm处有强吸收,且无其他气体干扰,选取该谱线对高纯氮气中的水汽吸收进行研究。选用5020 nm中心波长的带间级联激光器(ICL)作为光源搭建TDLAS实验系统。激光器输出激光分为两路,一路作为参考光路,用于获得吸收池外的背景水汽吸收,另一路为测量光路,通过Herriott吸收池获得待测气体中的水汽吸收,吸收池内光程L=10 m。探测器将接收到的光信号转换为电信号,经放大电路放大后被采集并传输到计算机,采样频率为25 MHz。分别对参考、测量光路信号进行基线拟合和Voigt线型拟合,得到水汽的吸光度曲线和积分吸光度,通过计算扣除测量光路中的背景水汽吸收,得到高纯氮气中的痕量水汽浓度。将上述反演过程的算法嵌入软件平台,对采集的透射光强数据直接进行反演处理,实时得到吸收池内高纯氮气中的水汽浓度值,响应时间为12 s。待水汽浓度值稳定后,取30次测量结果的平均值作为各批次高纯氮气水汽浓度的实验结果。实验结果表明,测量得到的各批次高纯氮气的痕量水汽浓度与国家标准要求的高纯氮气中水汽浓度之间的偏差小于±5%,最大偏差为-3.04%,对实验结果进行误差分析,计算得到水汽体积分数的不确定度最大为0.159×10^(-6)。该实验装置可以在中红外波段对高纯气体中痕量水汽浓度进行准确、可靠的在线测量,为中红外波段进行痕量气体在线监测提供一种切实可行的方案。

基于调制激光光谱吸收的高稳定性气体检测

为了精确测定待测气体的体积分数,提高可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)的稳定性,优化了TDLAS气体检测系统的扫描信号。基于HITRAN数据库,选定了甲烷气体在1654 nm附近吸收峰,计算出含甲烷、水蒸气和二氧化碳混合气体的吸收系数;使用可视化仿真工具对气体检测系统进行理论仿真,同时通过搭建的气体检测系统验证仿真结果。结果表明,通过优化扫描信号,提高了检测系统的稳定性,偏差值从0.3%降至0.07%;建立了2次谐波信号均值与气体体积分数的反演模型,线性拟合的相关系数R^(2)=99.99%。此研究为提升TDLAS系统的稳定性和准确性,及实现高稳定气体检测具有一定的参考价值。

火星进入流场特性中红外吸收光谱诊断研究

火星探索项目是我国深空探测工程的重要组成部分,“天问一号”2021年成功着陆火星,是中国航天在火星探索研究迈出的一大步。火星大气的气氛主要以二氧化碳为主,表面气压远低于地球大气,由于大气成分和进入轨道的差异,火星进入器面临的热环境同地球返回器有很大不同,其进入过程为非空气介质的高速流动,将产生严重的气动防热问题。利用电弧风洞模拟火星进入器气动加热环境,是开展火星探测防热系统设计的关键。电弧风洞模拟火星进入高温过程,其主要过程是CO_(2)主导的离解反应,并且CO等高温离解组分与火星进入器防热材料相互作用,产生的催化效应会显著影响气动热环境。利用中红外量子级联激光吸收光谱测量技术,开展电弧加热火星进入流场特性的在线定量研究。电弧加热在线诊断研究利用CO在4.5μm附近中心波长为2212.625 cm^(-1)(v″=0,R(19))的谱线,实现了对火星地面流场的高信噪比测量,采用单线-直接吸收光谱诊断技术获得了自由流静温和关键组分CO摩尔浓度的实时测量结果。典型状态下,火星进入流场自由流静温和CO摩尔组分浓度在整个运行时间内保持稳定,显示出电弧加热流场良好的稳定性。六组重复试验显示自由流静温和CO摩尔组分浓度分别在(1757±69)K和(0.189±0.027)范围内,自由流温度波动≤3.9%,CO组分浓度波动≤14.3%,证明电弧风洞建立的火星地面流场具有非常好的重复性。基于该研究发展的电弧风洞中红外激光吸收光谱诊断技术,可以为研究火星进入器气动热环境和防热材料烧蚀-催化特性提供精细化测量能力。

中红外层析吸收光谱技术应用于甲烷掺氨层流预混火焰温度测量

氨(NH3)是一种代表性的零碳燃料,其完全燃烧产物为水(H_(2)O(g))和氮气。由于其独特的零碳排放优势,近年来,NH3已在热力锅炉、内燃机和工业窑炉中实现高比例掺烧的减排应用。由于火焰温度与燃烧效率和污染物生成密切相关,因此亟须精准的实验数据以实现对燃烧过程的主动控制。本文开发了基于中红外层析吸收光谱技术的测量系统,通过跃迁谱线分析,优选了H_(2)O在基频谱带(v3)内2482 nm附近的吸收谱线开展吸收光谱测量。采用多个Voigt线型函数实现H_(2)O光谱重叠吸收特征的精确拟合,并结合阿贝尔逆变换和正则化技术实现了不同掺氨比燃烧工况下火焰温度的免标定、定量测量。实验结果表明纯氨燃料和甲烷/氨气混合燃料的火焰面位置位于燃烧器上方高度的0.5~2 mm之间,当体积掺氨比从20%向100%增大时,火焰面逐渐远离燃烧器,同时火焰最高温度大约从1600 K上升至2000 K。本文开发的测量方法与系统,不仅能捕捉到层流预混火焰沿着轴向和径向的非均匀温度分布,还能分辨出不同燃烧工况下的火焰温度差异,特别适合零碳氨燃料火焰温度测量。

基于BP神经网络模型的呼出气δ^(13)C、δ^(18)O同位素丰度测量方法研究

碳13(^(13)C)尿素呼气试验在国内外作为检测幽门螺旋杆菌的“金标准”已被广泛采用,精准测量CO_(2)中碳(C)和氧(O)同位素特征对疾病诊断具有重大意义。可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)具有结构简单、响应速度快、灵敏度高等众多优点,在多个领域得到广泛应用,同时完全适用于气体同位素的测量研究。该研究面向人体呼出气体中的CO_(2)气体检测需求,基于直接吸收光谱技术,采用中心波长为4.32μm的量子级联激光器(QCL)结合光程为14 cm/44 mL的小容积气体吸收腔体,完成了同时测量^(16)O^(12)C^(16)O、^(18)O^(12)C^(16)O和^(16)O^(13)C^(16)O的多组分同位素气体浓度的实验系统。基于反向传播(BP)神经网络模型,降低直接吸收光谱系统中光源稳定性和测量样品气体波动带来的噪声干扰。结果表明:基于BP神经网络模型的同位素丰度测量精度与稳定性均优于吸光度峰值比法,^(16)O^(13)C^(16)O与^(18)O^(12)C^(16)O的浓度测量精度分别提高约1.27与1.58倍。Allan方差分析表明,当积分时间为106 s时,采用BP神经网络模型的^(13)C与^(18)O同位素丰度测量精度分别为0.97‰和1.47‰,相比吸光度峰值比法测量精度提高了约2.1倍与1.2倍。充分证明了基于BP神经网络模型的同位素丰度测量方法的可行性,为研制高精度同位素丰度传感器奠定基础。

基于激光吸收光谱的烷烃泄漏遥测技术

本文旨在满足石化厂区对多种烷烃泄漏气体的远程遥测需求,并考虑到这些石化储罐多位于海边,因此需要考虑水汽谱线对烷烃谱线的影响。为排除空气中水汽和二氧化碳的影响,选择了丙烷中红外波段3364 nm的吸收峰。通过使用ICL激光器,在此波段实现了对丙烷和正丁烷两种气体的同时测量。提出了一种开放光程的方法,将反射膜放置在距离100 m外,通过镜头将返回的光聚集到探测器上,从而实现对100 m距离内烷烃气体的远程遥测分析。本文提供了两种气体在100 m处的吸收信号和谐波信号的数据,并根据谐波信号和噪声的分析,计算出待测气体的检测限低于100 ppm·m。

傅里叶变换衰减全反射红外光谱法的应用与进展

随着傅里叶变换红外光谱仪的应用及化学计量学的发展 ,傅里叶变换衰减全反射红外光谱法(ATR FTIR)成为用传统透过法制样效果不理想 (或制样复杂 )的样品及表层结构分析的有利工具和手段。ATR FTIR技术已应用到纺织、质检、公安等各个领域。目前 ,人们正在针对ATR FTIR的特性 ,开展应用研究。为此 ,文章主要介绍了国内外应用ATR FTIR技术进行深度剖析的研究 ,对材料表面的定性分析 ,组分的定量分析 ,光学纤维与ATR附件的联用技术 ,以及在其他领域 (如运用ATR FTIR技术考察中空纤维的结构及取向变化 ,研究皮肤促进剂的作用机理 )

污染气体SO_2和NO_2紫外和可见光谱吸收截面测量

本文用我们自己研制的光谱测量系统测量了常温下的ＳＯ２在２５０～３３０ｎｍ波段和ＮＯ２在 ２８０～６００ｎｍ波段的吸收截面，波长分辨率优于０．１ｎｍ．该测量结果可适用于传统低光谱分辨率仪器遥感大 气污染气体含量，也可为激光差分吸收测量或激光雷达测量污染气体含量提供参考．

东海典型水体的黄色物质光谱吸收及分布特征

水体中的有色可溶性有机物(又称"黄色物质")是遥感监测水质分类的主要参数之一,研究其光谱吸收性质具有重要的实际意义。东海海区受长江冲淡水等陆源输入的影响,水体浑浊,光学性质复杂,以往对该区域CDOM吸收特征的研究相对较少。利用"九○八"我国近海海洋光学调查航次数据,获得了2006—2007年四个季节东海水体样品CDOM的光谱吸收数据,建立了包括杭州湾高浑浊水体、长江冲淡水、外海水体等东海不同水体类型的CDOM光谱模型及其典型波段的吸收系数分布情况。发现近岸受陆源输入影响大的海区其光谱性质与外海有明显区别,主要体现为近岸尤其在杭州湾附近站点短波段吸收系数值非常高,而且随波长增加吸收系数曲线衰减迅速,同时还有一定的季节变化,外海站点短波段吸收值则明显要低。这反映了CDOM的陆源输入特性,愈向外受到海水的混合稀释作用愈显著,验证了CDOM可以作为近岸海水水质监测的重要参数。对该海区内CDOM的实测荧光性质进行了相关分析,结果表明CDOM荧光与吸收系数之间有很好的线性相关关系,可以作为荧光方法遥感监测该海区CDOM的有价值的参考。

太赫兹谱定量测试中朗伯比尔定律表征形式分析

探讨了朗伯比尔定律在太赫兹谱段的应用,研究了单一氨基酸压片样品(谷氨酰胺)和两种氨基酸混合压片(苏氨酸和胱氨酸)在不同浓度情况下对朗伯比尔定律的适用程度。分析了吸光度和吸收系数在描述物质的太赫兹光学特性的区别。通过对比单一组分在1.72 THz附近的吸收系数值和吸光度值,验证物质对太赫兹波在两种吸收表征量下吸收随浓度变化的情况,利用拟合优度的R^2指标研究了各表征量下物质太赫兹吸收与浓度的线性关系的好坏;分析两组分混合物在0.3~2.6 THz有效谱段的两种吸收表征量的太赫兹吸收情况,利用相似性系数和估计浓度误差作为评价指标,明确了在太赫兹谱定量测试中应采用吸光度的加和性而非吸收系数的加和性,进一步明确朗伯比尔定律在太赫兹波段的应用。

Tm:YVO_4晶体的光谱参数计算

由测量的Tm :YVO4晶体的吸收光谱 ,考虑到单轴晶体在各个方向上的吸收不同和折射率随波长的变化 ,根据Judd Ofelt理论计算了Tm3 +在YVO4中的强度参数、各个能级的振子强度、自发辐射几率、荧光分支比、积分发射截面等参数。强度参数为Ω2 =1 9416× 10 - 2 0 (cm2 ) ,Ω4=0 15 6 8× 10 - 2 0 (cm2 ) ,Ω6=0 396 3× 10 - 2 0 (cm2 )。计算结果表明 ,1 D2 → 3 F4的跃迁几率远大于1 D2

牡丹花红色素类型判定及提取工艺试验

测试了牡丹花红色素的光谱和理化性质。结果显示,牡丹花红色素在酸性和中性条件下最大吸收波长为526.5nm,不同溶剂的酸性色素溶液的最大吸收波长有微小的波动,但在花青素特征峰变动范围之内。色素易溶于水和酒精,难溶于石油醚和乙醚,可以确定牡丹花色素为花青素类色素。提取牡丹花红色素适宜的浸取剂为盐酸体积分数为1%的酸性无水乙醇,浸取温度50℃,浸取时间3h。

腔增强/衰荡光谱应用于气溶胶消光检测研究进展

腔增强/衰荡吸收光谱技术,是目前应用最广泛的气溶胶光学特性原位测量方法之一,由于其原位、实时特性,测量过程中气溶胶状态不会发生改变,测量具有代表性,近些年来已经开始作为各种仪器综合比对实验中使用的参考标准。在经过近30年的发展后,相关技术发展日益成熟。对腔增强/衰荡吸收光谱技术的发展及其在气溶胶光学特性测量方面的应用研究做了简要的回顾。

差分光学吸收光谱系统中标准吸收截面数据处理方法研究

本文介绍了差分光学吸收光谱法（DOAS）测量大气污染气体浓度的基本原理,描述了在测量光谱分析中所做的一些必要处理。介绍了卷积在DOAS方法中对污染物浓度反演的应用,通过与其它处理方法的光谱数据对比,证明了卷积处理光谱数据可以提高污染物浓度反演的精度。

软X射线磁性圆二色光束线的调试和实验

合肥国家同步辐射实验室二期工程建立了基于软X射线吸收的光束线和实验站。光束线采用了平面变线距光栅单色器,可以提供100—1000eV的单色光,在1000eV处当分辨本领为1000时,光子通量可以超过108s-1。光束线的焦点尺寸是3mm×1mm。在该设备上已经获得软X射线磁性圆二色吸收谱和C、N、O的K吸收边的近边吸收谱。

基于量子化学计算的谷氨酰胺太赫兹吸收谱模拟

利用量子化学计算方法模拟物质的太赫兹吸收谱,可以为目标物质的太赫兹吸收特征匹配分子振动模式,对深刻理解谱的形成机理十分必要。模拟结果的可靠性,主要取决于目标物质初始构型的搭建和振动模式计算方法的选择。首先利用太赫兹时域光谱技术获取了谷氨酰胺固态样品的太赫兹吸收谱,为了在理论模拟过程中体现考虑分子间作用的程度,构建了三种常用于有机物太赫兹吸收谱模拟的谷氨酰胺初始构型,单分子、二聚体、晶胞。使用量子化学计算程序基于密度泛函理论对三种初始构型进行了结构优化和振动模式计算。将计算结果通过洛伦兹线型函数拟合为吸收谱与实验吸收谱进行对比发现,二聚体构型的模拟吸收谱从吸收峰个数上优于单分子构型,在此基础上,晶胞构型模拟结果从吸收峰峰位上又较二聚体构型有了明显的改进,随着初始构型考虑分子间作用的程度提高模拟结果逐步逼近实验吸收谱。在得到了可靠的理论模拟吸收谱的基础上,成功对谷氨酰胺固态样品在0.3～2.6THz范围内的三个吸收峰匹配了晶胞内各分子的集体振动模式。研究表明,在固体样品的太赫兹吸收谱理论模拟中,在计算能力允许的情况下,应尽可能选择全面反映分子间作用力的晶胞构型作为计算的初始构型。

猪肉中1-氨基乙内酰脲的胶体金免疫层析法快速检测

基于免疫竞争胶体金免疫层析原理,研制了检测食用肉中呋喃妥因代谢物1-氨基乙内酰脲(AHD)的免疫试纸条。用柠檬酸钠还原法制备胶体金颗粒,标记抗1-氨基乙内酰脲的衍生物(CPAHD)的单克隆抗体并喷于玻璃纤维上,CPAHD-BSA(Bovine serum albumin)抗原和羊抗鼠IgG分别结合于硝酸纤维膜上,依次将样品垫、胶体金垫、硝酸纤维素膜和吸水纸组装切割成AHD胶体金免疫层析快速检测试纸条。在5 min内肉眼观察结果,该试纸条对AHD的最低检测限为2.33μg/L,除与呋喃妥因有弱交叉反应外,与其他同类物均无交叉反应,用该试纸条和ELISA(Enzyme linked immunosorbent assay)检测猪肉中添加的AHD,结果呈现很好的相关性。该方法灵敏度高,简便快速,无需特殊仪器设备,可作为呋喃妥因残留批量检测的筛选方法。

Nd:GdVO_4的晶体生长和光谱特性

本文用提拉法生长出尺寸达 φ30 min×40mm的优质 Nd:GdVO4晶体,研究了其光谱特性。该晶体的吸收边为 342 nm,在 809nm的吸收系数为 4.61/cm。在 342～2500 nm,Nd:GdVO4晶体的吸收主要为Nd3+的特征吸收。

氧化锌纳米晶体的生长及生长机理分析

采用沉淀法生长了不同粒径且性能良好的氧化锌纳米晶体,探讨了晶粒尺寸与煅烧温度的变化关系,研究了ZnO纳米晶体的生长机理。通过实验验证了在中间产物Zn(OH)2中加入NH4HCO3后,ZnO纳米晶体实现了局域生长,很好地阻碍了晶核的过度生长,从而使生成的ZnO纳米晶体保持很小的粒径。煅烧温度较低时,ZnO纳米晶体的生长模式为正常扩散生长,煅烧温度在800℃时,发生了竞争生长现象。

差分光学吸收光谱(DOAS)技术在烟气监测中的应用研究

本文将差分光学吸收光谱（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｙ；ＤＯＡＳ）技术中的浓度反演方法运用到烟气中 ＮＯ、ＮＯ２、ＮＨ３和 ＳＯ２的监测．利用它们在 ２００～２５０ ｎｍ 附近具有不同强度吸收的特性，测量烟气的吸收光谱，用ＤＯＡＳ方法反演出ＮＯ、ＮＯ２、ＮＨ３和ＳＯ２分子的浓度，这种方法消除了烟气中烟尘、水汽和其它成分的影响，使在线实时测量成为可能，在实验室内对不同气体分子浓度样气进行了测量和浓度反演，经过现场对比测量证明这种方法是正确的．