Design and implementation of the monochromator shielding for the cold neutron spectrometers XINGZHI and BOYA

An innovative monochromator shielding is designed and implemented for the cold neutron spectrometers XINGZHI and BOYA operated by Renmin University of China at China Advanced Research Reactor.Via Monte Carlo simulations and careful mechanical designs,a shielding configuration has been successfully developed to satisfy safety requirements of below 3μSv/h dose rate at its exterior,meanwhile fulfilling space,floor load and nonmagnetic requirements.Composite materials are utilized to form the sandwich-type shielding walls:the inner layer of boron carbide rubber,the middle layer of steel-encased lead and the outer layer of borated polyethylene.Special-shaped liftable shielding blocks are incorporated to facilitate a continuous adjustment of the neutron energy while preventing radiation leakage.Our work has demonstrated that by utilizing composite shielding materials,along with the sandwich structure and liftable shielding blocks,a compact and lightweight shielding solution can be achieved.This enables the realization of advanced neutron scattering instruments that provide expanded space of measurement,larger energy and momentum coverage,and higher flux on the sample.This shielding represents the first of its kind in neutron scattering instruments in China.Following its successful operation,it has been subsequently employed by other neutron instruments across the country.

科学仪器自搭建实验的课程思政设计——以教学质谱仪的搭建、调试及应用为例

培养能够开展科学仪器原理创新、设计制造、应用开发的高端人才已成为建设人才强国、科技强国的必然要求。本案例在本科实验中引入我国科学家自主研制的教学质谱仪,采用学生亲自动手拆装、调试及应用的方式,深化学生对质谱仪工作原理、构造和相关分析方法的认识,破除对“高端仪器”的神秘感和畏难情绪,激发学生研制科学仪器的兴趣,培养敢于挑战自我、勇于自主创新的意志品质,坚定科技报国、服务国家的家国情怀。

紫外小F数高变倍高光谱成像仪设计

常规成像光谱仪一般变倍比较低,不利于大视场长狭缝多通道光学系统的扩展应用,此外,空间遥感中紫外波段的辐射能量较低,需要成像光谱仪具有更小的F数。针对高光谱分辨率成像光谱仪小F数的探测需求,本文设计了一种具有高变倍的高光谱分辨率Offner紫外成像光谱仪。该成像光谱仪的后置分光系统采用了具有轻小型特点的改进型Offner结构。结合成像光谱仪对变倍比和小F数的需求,通过理论推导得到Offner初始结构参数。在像面前插入一块弯月透镜,增加系统的优化自由度,进而提升系统的成像质量。最终得到的成像光谱仪工作在270~300 nm波段时,具有40 mm的长狭缝,光谱分辨率优于0.6 nm,系统变倍比小于0.22,F数小于2,在截止频率为14 lp/mm时,系统调制传递函数(MTF)均优于0.9,系统各波段各视场均方根半径(RMS)均小于12μm。本文的研究对紫外波段高光谱探测成像光谱仪实现小F数、高变倍设计提供了一种设计方案。

行星紫外光谱探测载荷技术发展综述

行星大气是深空探测、空间天文等领域的重要研究方向,其中紫外谱段是行星大气活动研究中重要的环节。为了获得不同地外行星的紫外光谱信息,国际研究团队近几十年来开展了相关技术研究,并研制了大量科学探测载荷。本文主要综述了行星紫外光谱探测载荷的发展,并分析了紫外核心器件技术发展推进下的紫外光谱载荷技术的发展与迭代,最后给出了我国在行星紫外光谱探测领域可能的发展方向和重点研究方向。

X射线光电子能谱技术及其应用

X射线光电子能谱法(XPS)是最重要且使用最广泛的表面分析技术。较为全面地介绍了X射线能谱法,内容涵盖原理、分析方法、应用及技术进展。原理介绍基于理工科大学本科层级的知识,阐述了XPS的科学原理以及仪器原理;分析方法部分概述了分析的关键步骤及要点;应用部分以热门研究的材料类型分类(催化剂、生物材料、碳材料、高分子材料等)进行介绍,介绍的同时兼顾介绍了X射线光电子能谱法的一些常用技术以及在各种材料中的应用特点。本文旨在帮助该领域的初学者,包括尚未完全熟悉该技术的研究人员、研究生和X射线光电子能谱从业人员,使他们能够全面了解X射线光电子能谱技术。

高光谱偏振技术的研究进展及展望

高光谱偏振技术是一种融合了高光谱和偏振成像的新兴技术,其在多个科学领域成为研究热点。本文旨在全面综述高光谱偏振技术的研究进展,并展望其未来发展方向。首先介绍了高光谱偏振技术的基本原理,解释了高光谱和偏振成像相结合的优势。然后,根据不同的设计原理介绍了偏振光谱仪器的分类。接下来详细讨论了该技术在遥感、医学、环境监测、地球科学和材料科学等领域的广泛应用。通过对不同领域的案例研究进行梳理,展示了高光谱偏振技术在提供更为丰富、精确信息方面的独特优势。最后对高光谱偏振技术目前面临的挑战进行了分析,包括仪器设备的精密性、数据处理的复杂性以及与其他传感设备的有效融合的问题。针对这些挑战,探讨了未来技术发展方向。未来的研究应着重于提升该技术的高光谱和时间分辨率,提高数据处理和分析准确性,扩展不同应用场景的适用性,以更好地满足不同领域的需求。综合而言,高光谱偏振技术作为一种全面、高效的信息获取手段,在多个领域取得了显著的研究进展。通过优化高光谱偏振技术满足更宽广的应用领域,高光谱偏振技术有望成为未来科学研究和实际应用中的重要工具。

亚角秒空间分辨的太阳极紫外宽波段成像光谱仪光学设计

狭缝式成像光谱仪是太阳极紫外光谱成像探测的重要工具之一,然而目前国内尚无该类载荷,导致太阳物理学和空间天气学等学科在极紫外光谱诊断研究方面主要依赖国外仪器数据,严重制约了相关学科的发展.国外已发射的成像光谱仪仅具有2"量级的空间分辨率,很难观测到日冕加热模型预测的等离子体核心特征.为了更好地理解太阳不同层次大气之间的耦合过程,需要更宽光谱覆盖的太阳观测数据.鉴于此,本文提出并设计了一款亚角秒空间分辨的太阳极紫外宽波段成像光谱仪,相比现有仪器,系统能够实现更高空间和光谱分辨率、更宽光谱范围覆盖的观测.性能评价结果表明,系统在62—80 nm,92—110 nm波段内的像元空间分辨率均优于0.4",光谱分辨率均优于0.007 nm,光谱成像质量接近衍射极限,对我国未来首台空间太阳极紫外成像光谱仪的研制具有重要参考价值.

能量选择中子成像谱仪Timepix3相机数据获取系统的研制

中子数据获取系统作为中子散射实验的核心组成部分,通过收集与物体相互作用的中子信息数据,为科学研究和工程应用提供重要的数据支持,帮助了解物质内部的微观结构。本文针对Timepix3相机在中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source,CSNS)能量分辨中子成像谱仪(EnergyResolution Neutron Imaging Spectrometer,ERNI)上的工程应用,设计并研制了一套数据获取系统(Data Acquisition System,DAQ),该系统能够实现相机的自动控制,并依据40 ms的时间周期对数据进行高效的预处理。在系统硬件方面,采用多服务器集群来应对探测器的高数据带宽需求;在控制层面,采用了实验物理和工业控制系统(Experimental Physics and Industrial Control System,EPICS)的软件框架提高了相机的自动化程度和谱仪接口的联动;在数据流处理上,采用了Kafka分布式流处理平台来使读出和分析解耦合,提高灵活性,并通过对数据流按照T_(0)(40 ms为中子打靶的脉冲周期)打包来对中子数据进行预处理。通过在ERNI谱仪上进行的样品透射成像实验,验证了整套数据获取系统在束流条件下运行正常,能够成功获取到中子数据并进行了分析,测试结果符合预期,满足了ERNI谱仪的工程需求。

一种空间微型质谱仪的芯片级离子源研究

设计了一种空间微型质谱仪用三电极场芯片级离子源结构,该离子源由5层电极板构成气体电离区和离子引出区。采用MEMS技术制备了芯片级离子源原理样机,测试了其电子流、离子流和稳定性。结果表明:该芯片级离子源能够产生0.357 mA以上的电子流,接收到的离子流可以达到527 pA,满足空间探测任务中微小型质谱仪离子源的功能要求。

一款紧凑型磁谱仪的特性参数分析与实验刻度研究

超短脉冲激光与靶相互作用可产生高能电子以及质子、离子、X/γ射线等次级粒子和射线,这些粒子和射线在惯性约束聚变、激光核物理、实验室天体物理、生物、医学以及材料科学等领域具有广泛的应用前景。高能电子的特征参数测量对理清激光等离子体相互作用过程、优化粒子参数和拓展其应用具有重要意义。本文研究设计了一款紧凑型矩形结构磁谱仪,在永磁铁均匀场中采用前、侧、后三面IP板布局,满足了几十keV到10 MeV的电子能谱测量需求,并对磁谱仪的特征参数如能量色散、能量色散梯度、能量分辨率、斜入射效应等进行详细分析。基于北京大学DC-SRF-Ⅱ射频超导光阴极电子枪开展了磁谱仪能量刻度实验,在真空条件下实验测量了0.7~1.8 MeV区间内多个能量的电子能谱,结果显示,磁谱仪的能量测量与监测系统结果基本符合。电子能谱的能量分辨率主要决定于磁谱仪自身分辨能力,为提高能量分辨率,需通过准直系统进一步减小入射孔径和电子发散角。

高温环境下花岗岩损伤演变及量化研究

为揭示高温环境下岩石的损伤演变,将花岗岩加热至600℃、800℃、1 000℃并分析其断口形貌特征,采用数字图像处理技术、损伤力学和“损伤微元”理论,结合各温度下花岗岩细观裂纹特性,建立了岩石损伤评价方法,并开展岩石损伤量化研究。结果表明:花岗岩的断口特征与裂纹的萌生和扩展相关,且裂纹数量、分布密度随温度上升而增加;各温度区间下,花岗岩细观裂纹长度服从对数正态分布,内部损伤表现形式以短裂纹为主,长裂纹为辅;不同温度下花岗岩细观裂纹由单方向延伸发育成多方向贯穿,最高损伤度和温度呈正相关。该研究揭示了高温下花岗岩内部裂纹损伤演化规律,该损伤评价方法对高温地层岩石稳定性评估和地下工程的维护具有重要的参考价值。

基于光谱成像仪的量子化能级测试与分析

以反射式光栅和CCD为核心器件,搭建了反射式光谱成像仪,开发程序对CCD输出的光敏像元与待测光谱波长之间的关系进行快速定标和可视化处理,进而对特定气体原子或分子的量子化能级进行测试和光谱分析,并对该量子化能级测量试验仪的性能进行了评估与不确定评定.实验系统的搭建与测试,增加了学生的动手能力,加深了学生对能级的量子化、原子内部结构和运动特征等知识的深入理解.

质谱仪质量分析器的专利技术分析

【目的】重点分析质谱仪质量分析器的技术,对其技术发展脉络和研发路线进行剖析,以期为专利审查提供参考。【方法】通过专利分析,对质谱仪的质量分析器技术进行梳理,并对不同类型的质量分析器技术进行分析。【结果】从2012年起,我国针对质谱仪质量分析器的研究较多,主要包括飞行时间质量分析器、四极杆质量分析器、磁性质量分析器、离子阱质量分析器、傅里叶变换离子回旋共振质量分析器等方面,并在专利方面取得了一定成绩。【结论】我国在质谱仪质量分析器领域研究逐渐成熟,有助于我国物质分析和检测领域的发展。

紧凑型激光诱导击穿光谱仪的研制

基于煤质分析、冶金、水质检测等众多领域对激光诱导击穿光谱技术(LIBS)的需求,本研究设计了一台基于激光诱导击穿光谱原理的紧凑型快速检测装置,其具有良好的稳定性和较高的激光能量(0~100 mJ),可进行全自动化谱线对比与筛选,从而实现多样品、多元素的LIBS快速检测。在参数优化的基础上,利用该装置对7个钢样所含的硅元素与碳元素进行了检测分析。实验结果表明,当延迟时间为1μs、离焦量为0 mm、激光能量为60 mJ时,可以获得最佳的硅、碳特征光谱数据。在最优实验条件下,对7个样品进行定量分析,利用内标法建立硅、碳元素的定标拟合曲线,其相关系数分别为0.986和0.999,相对强度比的相对标准误差不超过5%,预测值与实际值偏差较小。研究结果验证了该仪器具有良好的分析性能,对多元素检测、可移动式LIBS仪器的发展具有参考意义。

手性分子构象分析装置圆二色光谱仪的加强与改造

圆二色光谱仪是对手性分子进行构象分析和理化性质表征的重要仪器.然而长期高强度的使用会产生光谱仪光学元件劣化、检测器灵敏度降低等问题.通过优化分光系统的光学元件提升光传输效率,升级具有更高量子效率的大面积雪崩硅光电二极管检测器,进而大幅提高仪器信噪比,同时将测量波长范围从175~900 nm扩展到175~1150 nm.在氙灯被点燃之前用氮气彻底净化仪器,把氧气排除在光谱仪之外是非常重要的操作步骤.安装具有监视、计划、流量设置、报警和辅助控制等功能的活性氮监测系统,可以实时监测控制仪器内部氮气吹扫情况.通过升级改造,既加强了仪器的性能,又节省了氮气消耗成本,同时仪器使用寿命将进一步延长.

一种反衍拟合的复小波改进方法在XRF图谱本底扣除中的应用

X射线荧光光谱(XRF)分析是煤中金属元素定量分析的重要方法,本底扣除准确度直接影响矿物金属分选的精细度。针对传统本底扣除方法本底契合度低、衍射峰面积误差大的问题,本文提出了一种基于复小波变换的反衍拟合XRF本底扣除优化方法。利用逆置寻谷的方法获得模拟本底谱线,通过拉格朗日插值法剥离谱线中的重叠峰谷,使模拟谱线进一步逼近实际本底,利用复小波变换方法对模拟本底谱线进行分解与重构,最终获得XRF图谱本底。利用反衍拟合的复小波改进方法对仿真图谱和真实图谱进行本底扣除实验,并与实数小波和双树复小波进行对比分析。实验结果表明,本文提出的方法衍射峰净峰面积误差低于1%,本底面积误差低于0.1%,本底准确性明显优于传统方法。

液液萃取-气相色谱质谱法测定水质中的环氧氯丙烷

比较了不同前处理方法进行水质中环氧氯丙烷的测试,其中液液萃取的前处理方法简单可靠,方便易行,适合复杂基质水样的测定。同时比较了气相色谱仪不同检测器对环氧氯丙烷(ECH)的响应值,其中质谱检测器对ECH的响应值最高。液液萃取-气相色谱质谱法测定水质中的环氧氯丙烷,该方法的检出限为0.6μg/L,测定下限为2.4μg/L。对海水、地表水、工业污水样品加标浓度为0.001 mg/L、0.02 mg/L、0.2 mg/L进行平行6次测定,结果的相对标准偏差分别为6.9%、2.7%和6.3%,加标回收率分别为93.5%、99.0%和99.6%,非常适合各类水质ECH的监测。

γ射线探测综合实验教学平台开发

针对传统γ射线探测实验装置定位精度不高、搭建麻烦、可开展的实验项目少,不利于实验重复与教学等缺点,该文设计开发了一款γ射线探测与测量综合实验教学平台,完成了平台的机械设计加工以及γ射线探测专用数字化多道分析器研制。基于该平台,可完成多个关于γ射线探测与应用的认知、基础、综合型、探究型实验项目。实践教学效果证明,该平台稳定性好,操作性强,实验结果准确,方便教师教学,能使学生更好地理解与掌握γ射线的性质、γ射线与物质相互作用的机制以及γ射线的应用。

不同干燥方式八角果实挥发性化合物代谢组分析

【目的】探明不同干燥方式对八角果实挥发性成分的影响,筛选出适宜八角果实干燥的处理方式,为八角后期深加工、保存及应用提供参考。【方法】以新鲜八角果实为材料,采用自然晾晒、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃和90℃烘干7种处理方式进行干燥,通过液相色谱-质谱(LC-MS)技术检测分析八角果实代谢产物,阐明八角果实不同温度干燥与自然晾晒处理的代谢物差异。【结果】与自然晾晒相比,八角果实40℃干燥差异代谢产物有11类17种,其中,萜类、醇类和醛类3类代谢物上调;50℃干燥差异代谢物有10类25种,其中,上调代谢物6类(萜类、醇类、酯类、酮类、卤代烃类、酚类);60℃干燥差异代谢物有8类13种,其中,醇类和烃类代谢物上调;70℃干燥差异代谢物为13类40种,其中,醇类、萜类和酯类3类代谢物上调;80℃干燥差异代谢物有13类38种,仅醇类代谢物上调;90℃干燥差异代谢物有13类52种,其中,上调代谢物4类(萜类、醇类、酮类、卤代烃类)。40℃、50℃和60℃干燥的八角果实与自然晾晒差异代谢物较少,上调代谢物主要是苯甲醛、醋酸植物醇、茴香脑、6-异羟基樟脑、乙酸异丁香酚酯和甲基丁香酚等挥发性化合物,提升了八角浓厚的香味。70℃、80℃和90℃干燥的八角果实与自然晾晒差异代谢物较多,且与八角香味相关的许多代谢物下调表达,主要有香芹酮、茴香脑、E-氧化玫瑰、4-蒈烯、对薄荷脑1,5,8-三烯、苯甲醛、芳樟醇、3-甲基苯并噻吩、2-甲基-2-四氢呋喃和2-乙酰基-5-甲基呋喃等挥发性化合物,减弱了八角香味。【结论】不同干燥处理八角果实的挥发性化合物种类均存在一定差异。40℃、50℃和60℃干燥八角果实,苯甲醛、醋酸植物醇和茴香脑等上调表达的挥发性化合物提升了八角香味。八角果实经50℃干燥后,上调表达的代谢物有萜类、醇类、酯类、酮类、卤代烃类和酚类6类,果实独特香气保持最好,宜在生产上推广应用。

固相萃取-超高效液相色谱-三重四极杆/线性离子阱质谱法检测水中大环内酯类抗生素

采用固相萃取-超高效液相色谱-三重四极杆线性离子阱质谱技术(SPE-UPLC-QTRAP MS)建立了环境水样中阿奇霉素、林可霉素、克林霉素、红霉素及替米考星5种大环内酯类抗生素的检测方法。调节水样pH为10后经HLB固相萃取柱净化、富集,然后用Kinetex F5色谱柱进行分离,用0.1%甲酸水溶液和0.1%甲酸乙腈溶液进行洗脱,采用电喷雾正离子源(ESI+),多反应监测(MRM)-信息依赖采集(IDA)-增强子离子(EPI)扫描模式对样品进行检测,用多反应监测(MRM)进行定量,增强子离子(EPI)谱图库辅助定性。结果表明:5种大环内酯类抗生素线性关系良好,相关系数均大于0.9992;检出限为0.01~0.30μg·L^(-1),定量限为0.10~0.50μg·L^(-1);3种不同浓度的水样加标回收率为71.60%~111.05%,相对标准偏差均在10%以内,EPI谱库比对纯度值均大于90%。该方法将传统的MRM扫描模式结合EPI谱图库检索,实现了同时定性和定量分析,对未知物准确定性定量检测提供了重要参考。