合肥科学岛大气氮磷沉降及对巢湖影响的分析

为了探讨大气氮磷沉降与天气和空气质量的关系及对巢湖的影响,2014年9月至2016年1月在合肥西北郊科学岛设采集点,对日大气氮磷沉降量进行了连续检测,并获取每日天气与降水量数据以及大气污染物质量浓度数据。分析显示,科学岛检测点2015年全年的大气总氮和总磷沉降通量分别为3 779.40、66.80kg/km2,其中总氮沉降峰值出现在雨量充沛的4—8月,总磷沉降峰值则出现在春季的3—5月;降水日沉降的总氮和总磷分别占全年总沉降量的72.00%和47.72%;非降水日总磷沉降值与空气质量指数(air quality index,AQI)、大气主要颗粒物PM2.5和PM10质量浓度相关程度高。推算巢湖受纳的大气总氮、总磷年沉降量分别为3 118.00、55.11t,分别相当于巢湖主要入湖河流年输入氮、磷总量的39.61%、7.69%;结合巢湖的地质特征和区域环境,提出了可有效抵消和削减经大气沉降输入巢湖的氮磷污染量的工程策略。

多通池内光程实时校正技术用于甲烷浓度测量的方法研究

甲烷(CH4)是目前重要的清洁能源之一——天然气的主要成分,然而其具有易燃易爆的特性,因此监测大气和重要场所的CH4浓度有重要意义。激光吸收光谱技术由于其灵敏度高、检测速度快、选择性好和免接触等优势,在气体测量等领域获得广泛应用。为了获得更高的测量精度,通常使用光学多通池(MPCs)增加吸收光程(OPL)。对吸收光程的实时准确标定具有重要意义,得到光程的准确值结合其他参数等可通过朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律直接反演出待测气体浓度而避免传统方法中标准气体定标这一复杂步骤。由于前人采用调频连续波(FMCW)和光学频域反射计(OFDR)法等具有结构较为复杂和运算量大等缺陷,提出了一种基于调幅连续波(AMCW)技术的多通池内光程测量方法,具有结构简单和测量速度快等优势,并将其与激光吸收光谱技术结合实现光程和CH4吸收谱的同时测量。主要通过光纤合束器将测光程的中心波长为650 nm的激光和测吸收谱的中心波长为1654 nm的分布式反馈(DFB)激光器发出的激光同时耦合进物理基长为12 cm的多通池内,在出射端分别测量测光程激光振幅调制的相位和测吸收谱激光的光强以同时获得光程和吸收谱信息。测量使用体积分数为297×10-6的CH4标准气体和CH4在6057.1 cm-1附近的吸收谱线。首先对实验所使用的DFB激光器进行工作电流与输出波数的标定,可将吸收谱的横坐标从点数变换为波数。然后调节光线耦合进多通池的入射角度,测量了4组不同光程与吸收谱数据,多通池内光程和吸收峰值分别为1.606 m和0.0212、3.326 m和0.0445、5.050 m和0.0678与6.762 m和0.0899。将所测光程与通过反射次数估算的光程进行线性拟合,相关系数r≈1;将所测光程与吸收峰值进行线性拟合,两者具有良好的线性关系,r≈0.99987。以上数据验证了AMCW技术用于多通池内光程实时测量的可行性与准确性,为激光吸收光谱技术中光程的确定和浓度的测量提供了一种新方法和思路。

基于OMI的中国区域2005–2020年间臭氧柱总量随经纬度变化特性研究

利用OMI每日L3级O_(3)柱总量数据对中国区域2005–2020年间臭氧柱总量变化趋势开展研究,构建了相关数据库,并基于数据筛选和数据挖掘分析了该期间中国区域臭氧柱总量与纬度和经度的相关性。结果表明,在2005–2020年间,中国区域上空的臭氧柱总量随纬度增大而增大,而其与经度的关系受纬度值影响。当纬度大于特定阈值时,臭氧柱总量随经度增大而增大;而当纬度小于该值时,臭氧柱总量由西向东基本保持稳定。研究结果对于揭示中国区域臭氧柱总量变化规律、进一步分析全球臭氧变化趋势具有重要意义。

基于成像差分吸收光谱技术和压缩感知理论的烟囱烟羽断层重建研究

烟羽断层重建质量受两方面条件限制:其中一个限制条件是遥感设备的时间分辨率。以往的研究多使用多轴差分吸收光谱仪(MAX-DOAS)进行CT重建,受采集数据速度的限制,重建图像的时间分辨率较低。另一个限制条件是,采集到的数据量有限,是典型的不完全角度重建。过去多使用代数迭代重建算法或统计迭代重建算法,重建图像受测量误差的影响比较大,分辨率较低且伪影较多。构造了基于成像差分吸收光谱技术(IDOAS)的光谱数据采集系统,与多轴差分吸收光谱仪构造的系统相比,数据采集的时间分辨率提高了160多倍,基本解决了时间分辨率的问题。提出了一种基于压缩感知理论和低三阶导数模型的烟羽断层重建算法——投影凸函数集低三阶导数法,简称为POCS-LTD。在投影的过程中,使用代数重建算法使重建图像符合投影方程;在全变分迭代的过程中使用了优化算法,将低三阶导数模型的全变分归一化值作为优化算法的迭代方向,前次迭代运算结果与本次投影运算的差值的模作为迭代步长。对重建算法进行了数值模拟,并以重建图像的接近度和一致性相关因子为指标,对重建结果进行了分析。数值模拟表明,算法具有良好的抗误差能力,与传统的低三阶导数法相比,本文提出的算法将重建接近度减小了80%以上。使用烟羽数据采集系统进行了外场实验,用POCS-LTD算法对外场实验的数据进行了烟羽重建,重建图像显示烟羽图像清晰,伪影得到了较好的抑制。介绍的烟羽断层数据采集系统和烟羽断层重建算法,提高了烟羽断层重建图像的时间分辨率,减少了重建图像的伪影,扩大了光谱测量技术的应用范围。

激光外差技术高分辨整层大气透过率测量及水汽浓度反演研究

整层大气透过率是反映大气光学特性的一个重要参数,在激光大气传输、红外辐射传输的研究以及光电系统的工程应用中都具有非常重要的研究意义。介绍了激光外差技术的测量原理,并着重介绍了利用激光外差光谱技术高分辨测量整层大气透过率的原理和方法,以及同步反演水汽廓线分布、柱浓度的方法。进而介绍了课题组研制的4.5μm、3.53μm波段高分辨率激光外差光谱仪,光谱分辨率分别达到了0.006 cm-1、0.002 cm-1,以及利用这些测量装置在合肥开展的整层大气透过率测量与水汽浓度反演的典型结果。最后对激光外差技术在光电系统工程应用中的后续发展进行了展望。

机动车排放超细颗粒物在线监测技术研究进展

机动车排放的超细颗粒物是大气污染的主要来源之一,具有高的数浓度和表面积,对其进行准确在线监测是机动车排放评估与控制措施制定的重要前提。随着欧盟和中国相继在机动车排放标准中增加颗粒物粒子数量(PN)控制指标,对在线监测技术的要求也日益提高。目前,对机动车排放的超细颗粒物数量的测量主要采用扩散荷电法和凝结核粒子计数法,对其粒径谱分布的测量主要采用空气动力学和电迁移率分级方法。综述了国内外在机动车排放超细颗粒物在线监测技术方面的研究现状,重点介绍了主要发展的几种测量技术及仪器的原理、特点和应用状况,并对其未来发展进行了展望。

室内烟雾场景下基于激光雷达的三维建图方法研究

室内火灾发生时,可利用激光雷达传感器构建事故现场地图,辅助消防救援。由于室内的封闭性,环境中积累大量烟雾颗粒,使激光雷达传感器产生噪点,导致地图失真。为解决此问题,改进了传统点云滤波算法,使用动态阈值和强度信息辅助的半径滤波器去除激光雷达点云中的烟雾噪点。之后对点云进行特征提取和近邻点匹配,用于位姿计算和地图构建。通过搭建室内烟雾场景用于数据采集和算法测试实验,结果表明,所提方法能够有效消除烟雾对激光雷达三维建图的影响,且对非噪点有较好的保留作用。

二酮吡咯并吡咯基半导体/碳量子点平面异质结光电晶体管的制备及性能研究

采用二酮吡咯并吡咯基半导体聚合物PDVT-10与新型碳纳米材料碳量子点(CQDs)复合,通过溶液法制备了平面异质结薄膜有机光电晶体管(OPT)。PDVT-10/CQDs薄膜叠加了PDVT-10和CQDs的光学特性,在紫外至近红外的宽频范围显示了很高的光吸收能力。相较于纯PDVT-10光电晶体管,PDVT-10/CQDs平面异质结OPT展现出更优异的宽谱光电探测性能,在450 nm激光照射下,器件的光响应度达2.6×10^(4)A/W,比探测率达2.4×10^(13)Jones,最大光灵敏度超104;在808 nm光照下,光响应度甚至高达4.4×10^(4)A/W,比探测率达1.2×10^(13)Jones。根据OPT光响应过程的探究,PDVT-10/CQDs异质结器件的性能提升源于界面处合适的能级排布增强了激子的解离效率、促进电荷分离,并有效减少了空穴-电子复合几率,同时PDVT-10高空穴迁移率有助于形成高效的电荷传输通路。研究为发展高性能有机光探测器件中提供了一条重要途径。

基于光声光谱气溶胶吸收测量的标定方法研究

大气气溶胶吸收太阳辐射,直接影响地气系统辐射平衡,降低能见度,改变局地气候效应。光声光谱技术具有灵敏度高、原位测量、结构简单等优势,是研究气溶胶吸收特性最为直接、有效的方法。光声光谱近红外气溶胶吸收系数测量系统的精度与标定方法密切相关,为了探究不同标定方案的差异,选择NO_(2)气体(532 nm)和单分散苯胺黑气溶胶(532、 1 064 nm)分别开展气溶胶吸收系数标定实验。其中,单分散苯胺黑气溶胶的标定方法主要基于Mie理论,结合苯胺黑气溶胶粒子数浓度、苯胺黑气溶胶粒子的复折射率、苯胺黑粒子粒径分别计算532和1 064 nm单分散苯胺黑气溶胶吸收系数。实验结果表明:NO_(2)气体获取的标定系数介于苯胺黑气溶胶在532和1 064 nm波长处获取的标定系数之间,与532 nm波长处粒径225 nm的苯胺黑单分散气溶胶、 1 064 nm波长处粒径125 nm的单分散苯胺黑气溶胶标定系数相近,在其他粒径处存在一定差异。尽管NO_(2)气体与苯胺黑气溶胶在特定波长处具有相似的连续吸收特征,对于同一标定系统,标定气体和气溶胶性质、状态不同导致标定过程仍然存在光声效应之外的光与物质的相互作用、标定介质损耗、测量环境等不确定因素,这些都会导致这两种标定介质的标定结果差异;苯胺黑气溶胶采用不同波长光源得到的标定系数明显不同,同一粒径的单分散苯胺黑气溶胶在532 nm波长处获取的标定系数约为1 064 nm波长处标定系数的1.5~2倍。导致该结果的可能原因有两个,一是未准确获取1 064 nm波长处苯胺黑的复折射率,二是标定过程中532 nm光束、 1 064 nm光束与谐振腔的匹配模式不一致导致;标定系数与单分散气溶胶的粒径存在反比关系,随着苯胺黑气溶胶粒径每增大50 nm, 532 nm波长光源的标定系数减小19%, 1 064 nm波长光源的标定系数减小12%。标定系数与粒径的反比关系可能由不同粒径的苯胺黑气溶胶粒子经过管道和光声池的损耗不同导致。由此可见,气体标定方法与气溶胶标定方法各有其优势与不足,但两种标定方式都可以获取相应的标定系数,在实际标定方法的选择上,需要综合考虑多种因素,选择合适的标定方法。

Al_(2)O_(3)对Ti膜离子注入表面损伤及D滞留量的影响研究

为提高中子管Ti膜的储氢及抗溅射损伤性能,该研究通过在Ti膜表面沉积一层Al_(2)O_(3)保护层,研究了该保护层对Ti膜在D离子注入过程中表面损伤及D滞留量的影响。采用射频磁控溅射技术完成了Ti膜和表面有Al_(2)O_(3)保护层的Ti膜(Al_(2)O_(3)/Ti膜)样品的制备,开展了D离子注入实验,利用扫描电子显微镜(SEM)对D离子注入前后的表面形貌进行分析,并通过热脱附谱(TDS)实验研究保护层对Ti膜中D滞留量的影响。SEM结果表明,注入5×10^(17)个D离子后,Ti膜表面出现开裂和剥离现象,而Al_(2)O_(3)/Ti膜表面无开裂和剥离现象,Al_(2)O_(3)保护层抑制了Ti膜的开裂和剥离,可提高Ti膜使用寿命。TDS实验结果表明,增加Al_(2)O_(3)保护层后,D脱附峰值温度提升4.9%,膜内D滞留量提升10.3%,在D离子注入过程中Al_(2)O_(3)保护层可阻止膜内D原子的释放进而提升Ti膜内D滞留量。该文初步验证了Al_(2)O_(3)有作为中子管Ti膜保护层材料的潜力。

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。

EAST托卡马克钨杂质上下不对称性分布的实验研究

基于EAST托卡马克装置高性能极紫外空间分辨杂质光谱仪,本文首次开展了磁约束聚变装置高Z杂质上下不对称分布的实验研究.实验结果显示,在同向中性束注入期间,等离子体芯部环向旋转速度V_(t0)大,钨杂质上下不对称性较强,且辐射(密度)较强的一侧背离离子B×▽B漂移方向;当从上外偏滤器充气口注入氘化甲烷气体后,V_(t0)迅速下降,原有上下不对称性发生反转.因此我们针对近似条件下W^(32+)杂质离子特征线辐射不对称因子I_(u)/I_(d)与V_(t0)依赖关系开展了进一步的统计分析.结果表明,I_(u)/I_(d)正相关于V_(t0),当V_(t0)<20 km/s以下时,不对称性发生反转.上述现象从实验角度验证了漂移动理学的理论预测,说明环向旋转带来的离心力影响了杂质离子平行于磁场方向的动量守恒,作为直接诱因,造成了高Z杂质密度的上下不对称分布,进而影响辐射的分布.本文对钨杂质上下不对称性分布的实验观测为进一步开展高Z杂质极向输运的机理研究打下了坚实的基础,并为今后聚变堆高Z杂质控制提供重要的参考.

光交联聚乙烯醇/银纳米线复合透明导电薄膜的稳定性研究

通过简单的溶液工艺将水溶性光交联聚乙烯醇-苯乙烯基吡啶盐(SbQ-PVA)溶液涂敷至银纳米线(AgNWs)薄膜上形成SbQ-PVA/AgNWs复合薄膜,分析了不同面密度的AgNWs薄膜在涂敷SbQ-PVA前后的光电性能和形貌,对比了AgNWs裸膜和SbQ-PVA/AgNWs复合薄膜的机械和环境稳定性。结果表明,SbQ-PVA涂层不影响银纳米线网络的导电性,还能起到减小光散射和减反增透的作用,复合薄膜方阻低至约20Ω/sq时,也具有约90%的高透过率。同时,相比于AgNWs薄膜,SbQ-PVA/AgNWs复合薄膜具有更优异的稳定性,其对外部刺激(5000次弯曲、3B铅笔刮擦、空气老化、酸碱盐溶液腐蚀)的抵抗力显著提升。此外,SbQ-PVA/AgNWs复合薄膜能够在去离子水超声处理中保持稳定,利用此特点配合光掩模进一步实现了银纳米线薄膜的图案化。

2-甲基甘油酸-水团簇的大气物化特性研究

新粒子生成是大气气溶胶的主要来源,而临界核的形成是新粒子生成的起点。2-甲基甘油酸(MGA)和水(H2O)作为潜在的成核前体物,可能对大气新粒子生成有贡献。因此,基于密度泛函理论(DFT)探究了MGA-H2O团簇的几何结构、热力学性质和异构体相对占比。结果表明:(MGA)(H2O)n(n=1~4)团簇都具有稳定的结构,但只有(MGA)(H2O)2和(MGA)(H2O)3团簇的形成可以自发进行。预测了大气中(MGA)(H2O)2和(MGA)(H2O)3团簇异构体相对占比的温度依赖性;低温时(MGA)(H2O)2和(MGA)(H2O)3团簇的最稳定结构(全局最小值)占据主导地位;随着温度升高,其他低能量异构体的占比迅速增加。此外,H2O更倾向于以团簇(H2O)n的形式与MGA结合。总的来说,MGA-H2O体系能够以二水合物(MGA)(H2O)2和三水合物(MGA)(H2O)3的形式为大气新粒子生成作出贡献。

ITER脉冲功率变电站一次系统研究与实现

介绍了国际热核聚变堆(ITER)装置的脉冲功率变电站(PPEN)一次系统的设计,包括主变压器、400kV/66kV/22kV这3个电压等级的断路器、隔离开关、互感器、避雷器、母线等的技术要求和选型设计。然后对PPEN系统进行了仿真分析,结果证明PPEN一次系统满足ITER运行的要求。最后对PPEN中方采购包的进展和后续工作进行了简要介绍。

锥形束CT结合六维床HexaPOD验证及纠正放疗中摆位偏差的研究

目的探索用锥形束扫描CT(Cone Beam Computed Tomography,CBCT)验证放疗技师摆位偏差大小及六维床HexaPOD纠正摆位偏差的能力和稳定性,为临床提供数据参考。方法回顾性分析本院2018年6月至2019年6月经影像学和病理学证实的340例不同治疗部位的肿瘤患者,收集每位患者首次扫描CBCT后的摆位误差数据,验证不同部位摆位偏差的大小。另选取18例对摆位要求较高的特殊病例,收集每个病例首次摆位、首次六维床纠正偏差后及治疗分次间摆位偏差结果,分析CBCT和六维床HexaPOD纠正偏差的能力和治疗分次间验证的必要性。结果头颈部摆位偏差明显小于其他部位(P<0.05)。18例特殊病例,经首次摆位偏差纠正后,x、y、z平移方向和Rx、Rz旋转方向数值均减小(P<0.05)。分次间摆位偏差因人为摆位因素仍然存在且数值变大(P<0.05)。分次间纠正偏差后的残余偏差数值稳定,且无统计学差异(P>0.05),经纠正后的数值可达到亚毫米和亚度。结论CBCT和六维床HexaPOD联合验证、纠正摆位偏差,可使各方向摆位偏差减小;分次间建议合理安排CBCT扫描次数。

运动对小体积肿瘤影像学差异的研究

目的运用呼吸运动平台及CT影像学探索运动对小体积肿瘤体积的影响。方法用立体光刻(Stereo Lithography Appearance,SLA)光敏树脂3D打印为9个直径10~50 mm、直径间隔5 mm的实心球体模拟肿瘤。将9个球体固定在QUASAR呼吸运动平台上,呼吸运动平台带动球体做正弦运动模拟人体头脚方向呼吸运动。设置CT扫描层厚为2、3和5 mm,分别扫描0~15 mm共15个不同呼吸幅度的球体图像,并传输至计划系统,逐个勾画球体。结果仅扫描床移动可使9个球体体积偏差大小为8.43%~120%;而扫描床和呼吸运动两者共同运动对肿瘤靶区体积大小的影响对肿瘤大小、运动幅度有依赖性,直径10 mm肿瘤体积偏差为38.5%~505%,对幅度、层厚依赖性最大;直径15~50 mm肿瘤在呼吸幅度为<1.5、2~3.5和4~15 mm时,对应的肿瘤靶区体积偏差分别为1.05%~45.6%、-6.41%~72.4%、-23.5%~139%。呼吸运动对肿瘤靶区体积大小的影响与其体积大小、呼吸幅度有关,直径小于20 mm的肿瘤靶区体积偏差为-26.9%~175%;直径20~50 mm的肿瘤靶区在呼吸幅度为<2、2~5和>5 mm时,对应的肿瘤靶区体积偏差分别为-10%~10%、-20%~20%和-29.9%~113%。结论肿瘤体积越小,越容易受运动幅度、扫描层厚影响。扫描床移动和呼吸运动对小体积肿瘤的影响不可忽视。对于直径小于50 mm的小体积肿瘤,建议做呼吸运动管理并选择薄层扫描。

表面增强拉曼散射方法检测公共安全类毒物的研究进展

公共安全类毒物直接威胁人们的生命健康安全。表面增强拉曼散射(SERS)技术的超灵敏特点为复杂基质中痕量毒物的快速检测提供了分析策略,极大地拓展了其应用范围,有着广阔的应用前景。该文综述了SERS技术在公共安全类物质检测方面的研究进展,包括对节球藻毒素、芥子气、琥珀胆碱、甲基对硫磷、氰化物、汞离子、亚硝酸盐等毒物的检测。从基底种类的选择和评估、检测限、重复性和实际应用的角度介绍了检测体系的建立过程。分析了这些方法及其在应用中面临的技术挑战与机遇,展望了SERS技术解决现场实际检测难题的发展方向。

0.4～14μm中国海域海表反照率时空分布特性

复杂海洋环境是空间光电探测的典型应用场景,可见至长波红外波段海表反照率参数是海洋大气传输与背景辐射特性研究的重要内容。鉴于目前中国海域海表反照率数据缺乏的现状,在多源卫星长时间观测海洋环境特性参数数据的统计分析基础上,通过考虑海水叶绿素含量、气溶胶光学厚度、海表面风速和太阳入射角度等参数的复合影响,建立了海表反照率的快速参数化应用模式,获得了中国南海、东海、黄海和渤海等典型海域0.4～14μm海表反照率谱线,掌握了海表反照率的时空分布特征,为海空光电工程应用提供基础数据支撑。

三电极气体开关在LHCD高压电源中的应用研究

为在低杂波电流驱动(LHCD)系统打火等严重故障时及时保护高压电源,提出了设置三电极气体开关作为第一级快保护方案,并研制了一套能通流60 k A、5μs快速导通的三电极气体开关。通过联合LHCD高压电源与开关进行短路故障保护实验,证明了开关工作性能稳定,大大提高了LHCD高压电源运行的安全性与可靠性,在脉冲功率装置中具有较好的应用前景。