基于声速频散谱弛豫特征的油中溶解气体检测方法

针对传统气体检测方法难以满足电力运营部门大范围低成本实时监控油浸式电力设备问题,提出一种利用3个频率点声速测量值获取声速频散谱弛豫特征进行气体监测方法。首先,通过推导有效压缩系数与声弛豫过程理论公式,简化声速频散谱表达式。其次,根据不同频率点声速测量值重建声速频散谱,抽取油浸式电力设备故障气体声速频散谱弛豫声速和弛豫频率。最终,利用弛豫特征定性定量检测气体成分。仿真结果显示重建声速频散谱与实验数据相符,完成了CH_(4)、CO_(2)等多种气体检测,为实时在线监测电力设备油中溶解气体成分提供一种低成本、测量简单的声学方法。

可激发气体振动弛豫时间的两频点声测量重建算法

振动弛豫时间是可激发气体分子内外自由度能量转移速率的宏观体现,它决定了声吸收谱峰值点对应的弛豫频率.本文给出了等温、绝热定压和绝热定容三种不同热力学过程下振动弛豫时间的相互关系;基于Petculescu和Lueptow[2005 Phys.Rev.Lett.94 238301]的弛豫过程合成算法,推导了单一压强下两频点声测量值的弛豫时间重建算法.该算法可应用于等温、绝热定压、绝热定容弛豫时间和弛豫频率的重建测量,并避免了弛豫时间传统声测量方法需要不断改变气体腔体压强的问题.仿真结果表明,对于室温下CO_2,CH_4,Cl_2,N_2和O_2组成的多种气体,重建的弛豫时间和弛豫频率与实验数据相符.

多元可激发气体声弛豫频率的环境影响分析

推导多元可激发气体中声弛豫频率和环境温度、压强的解析关系.理论分析和仿真计算表明:声弛豫频率线性反比于主弛豫过程的弛豫时间,正比于主弛豫过程的振动耦合热容,反比于外自由度热容;温度升高导致振动耦合热容增加、内外自由度能量转移速率增大引起弛豫时间减少,进而造成声弛豫频率正比于环境温度;压强增加使得分子碰撞速率增加引起弛豫时间减少,进而使得声弛豫频率线性正比于环境压强.

气体声弛豫过程中有效比热容与弛豫时间的分解对应关系

声在多原子分子气体中传播所引起的弛豫过程是探索气体特性的重要方面.本文通过研究气体声弛豫过程中振动自由度与平动自由度(V-T)以及振动自由度之间(V-V)的分子能量转移模型,给出了有效比热容与弛豫时间的分解对应关系及其通用获得方法.该分解模型与现有的声弛豫模型相比,反映了分解后的V-T和V-V弛豫过程中振动比热容与弛豫时间的对应关系,并发现了较高能级是引起对应声弛豫过程的决定因素.将基于该分解模型获得的气体声弛豫衰减谱经碰撞直径微调改进后,比现有理论更接近实验数据,其结果证明了该分解对应关系的正确性和合理性.

常温下氢气声转动弛豫模型研究

氢气声弛豫过程主要由氢气分子的转动弛豫决定.然而,当前大部分声弛豫模型是基于气体分子的振动弛豫,并不适用于氢气.本文利用理想气体焓变与定压热容的关系,提出了一种基于氢气分子转动的弛豫模型,并讨论了转动弛豫和振动弛豫的相似与不同.该模型不仅适用于氢气,还能够和其他气体的振动弛豫模型相结合求解混合气体的声弛豫吸收谱和声速频谱.仿真结果表明,对于H_2,N_2/H_2,CO_2/H_2等气体,该模型生成的声速、声弛豫谱曲线与实验数据符合.本模型为包含氢气的混合气体声学探测提供了一个有效的理论模型.

基于声弛豫频率的可激发气体压强合成算法

声弛豫频率是声吸收谱峰值点的频率,包含可激发气体成分、环境温度和压强信息.利用声弛豫频率线性正比气体压强的特性,提出一种通过两频点声吸收系数和声速测量值计算声弛豫频率,并通过查表方式合成气体压强的算法.算法的声弛豫频率测量误差具有随声测量值误差线性变换的特性,且当两频点的声吸收测量误差相等时,压强的合成误差为零.对于一定温度下的甲烷及其混合气体,仿真计算证明算法的有效性和声测量误差的稳健性.提供一种简单、稳健性好、可实时连续在线检测可激发气体腔体压强的声学方法.

Tm^(3+)掺杂Ge-Ga-Se玻璃中红外发光特性与多声子弛豫分析

用熔融急冷法制备了系列不同Tm3+掺杂浓度的Ge30Ga5Se65玻璃样品,测试了样品折射率、拉曼光谱、吸收光谱以及800nm激光泵浦下的近红外及中红外波段荧光光谱和荧光寿命。用Judd-Ofelt理论计算了Tm3+在Ge30Ga5Se65玻璃中的强度参数Ωi(i=2,4,6)、自发辐射跃迁概率A、荧光分支比β和辐射寿命τrad等光谱参数。讨论了800nm激光泵浦下掺杂1Wt%Tm3+样品在近红外1.23,1.48和1.8μm处的发光特性及各量子效率,研究了800nm激光泵浦下的样品中红外荧光特性与掺杂浓度之间的关系,计算了常温下该基质玻璃中Tm3+:3H5→3F4跃迁对于3.8μm处的多声子弛豫速率Wmp和Ge30Ga5Se65玻璃基质中多声子弛豫常数W(0)和电子-声子结合常数α值。结果表明Ge30Ga5Se65硒基玻璃较低的声子能量可以大大降低稀土离子能级间跃迁的多声子弛豫概率,从而提高中红外荧光发光效率,因此硒基玻璃作为稀土离子的掺杂基质材料对实现中红外荧光输出是非常有利的。

在β-NaGdF_4∶Tb^(3+)纳米晶中~5D_3→~5D_4的多声子弛豫与局域态密度

实验研究了从体材料到纳米晶(NCs)系统中涉及大能隙(5 800 cm-1)的多声子弛豫(MR)。在MR非线性理论框架下,用单频近似声子谱分析了β-Na Gd F4∶Tb3+NCs中Tb3+:5D3→5D4的MR速率与温度的关系。在12~312 K范围内,实验数据与理论曲线符合得很好。结果表明,MR的产生主要是能量较大的光学声子起作用。在Rayleigh极限下,假设Tb3+发射体位于一个纳米球的中心,使用Green张量方法计算了自发衰减速率Гrad。在纳米球内没有发现局域态密度(LDOS)的明显改变。然而,当R<35 nm时,在Chew理论的基础上获得在球外LDOS的一个新的高斯分布。

有效热容三要素在智能声学气体传感中的应用分析

针对基于单频点声速值的传统声学气体传感技术只能获得气体浓度信息的问题,对声扰动下形成的气体有效热容的三要素——转动热容、振动耦合热容和振动弛豫时间,与气体分子各特征信息的关系进行分析,指出了其各自在智能声学气体传感应用中的前景,并进行优劣对比。分析和计算结果表明,通过声吸收和声速测量值合成的气体有效热容三要素除能获取气体浓度信息外,转动热容可检测气体分子的几何结构,振动耦合热容可检测气体分子的微观振动频率,而弛豫时间可检测气体腔体压强。

基于声波衰减的空间气体浓度分布重建

快速、准确地获取混合气体各组分浓度分布对于实现过程监测、确保系统的安全性、改善系统的效率等方面具有重要意义。基于声波在传播过程中的衰减,包括经典衰减和弛豫衰减,提出了一种二维空间中多元混合气体浓度分布的重建方法,建立了气体浓度分别与声波传播时间及声强衰减之间的耦合模型。在此基础上,提出了一种基于分裂Bregman迭代算法求解该问题。通过声波在几种常用混合气体传播衰减的实测数据,利用该方法实现了单路径混合体浓度的测量;在声波多路径测量方面,通过仿真实验对空间混合气体浓度分布进行了重建。实验测量及数值仿真结果表明,该方法能够较好地重建出气体浓度分布,进而为空间混合气体浓度检测提供了一种新的测量方法。

微弱气体浓度检测的弛豫平滑处理算法

研究了气体分子碰撞能量转移模型和弛豫声衰减理论.分析了混合气体中某些成分的浓度低于0.01%时,分子复合弛豫声衰减系数与气体浓度的模型变为崎岖不平的原因.利用信号处理中的滤波方法,使用平滑窗处理弛豫声衰减结果,改善了弛豫声衰减理论.得到了检测三元混合气体中微弱气体浓度的算法,检测浓度达到0.001%.设计了3种不同权重的平滑窗,均可降低由微弱浓度引起的检测误差扩大,其仿真结果一致证明弛豫平滑处理算法的合理性.

基于分子弛豫模型的混合气体多物理场二维重建算法

基于气体分子弛豫模型,研究声波传播的弛豫吸收与混合气体浓度及温度的关系,以CO-N2-O2混合气体为例,分别建立声速和声弛豫吸收同混合气体温度、浓度关系的三维模型.提出一种在二维空间中同时重建混合气体的温度场、浓度场和流场的算法,并对混合气体多物理场进行仿真重建.数值实验证明了算法的可靠性及实际应用的可行性,并可以将此算法应用到其它混合气体的测量,为混合气体的复杂多物理场测量提供了一种新的有效测量方法.

多原子分子气体中声波弛豫衰减谱的重建算法

提出了一种宽频率范围的弛豫衰减谱重建算法,并采用基于SSH理论的方法和基于实验数据的方法估计气体的有效弛豫时间.通过该算法得到了包括氮气、甲烷、氧气、二氧化碳和水蒸气在内的多种多原子分子混合气体的声衰减谱,研究的声波频率范围从1Hz到10GHz.与预测弛豫衰减的DL模型的结果比较表明,该算法获得的弛豫衰减谱结果与之相符,其预测精度取决于对分子弛豫过程的正确认识.另外该算法还被用于几种混合气体中水蒸气和二氧化碳含量的分析,其结果表明弛豫衰减谱可被用于定量分析多原子分子气体的成分组成,这使得实现高灵敏度地检测气体成分的智能声气体传感技术成为可能.

Yb^(3+)/Tm^(3+)双掺硫卤玻璃1.8μm中红外发光特性研究

用熔融淬冷法制备了系列不同组分和Tm3+/Yb3+掺杂浓度的Ge-Ga-Se-CsI硫卤玻璃样品,测试了样品的拉曼光谱、折射率、吸收光谱、红外荧光光谱。研究了975nm激光泵浦下样品的1.23μm和1.8μm荧光特性。分析了Tm3+/Yb3+之间声子辅助的共振能量转移,结果表明两个离子间有效的能量转移途径为Yb3+∶2F5/2→Tm3+∶3 H5。计算得到常温下Tm3+∶3 H5→3F4和Tm3+∶3F4→3 H6跃迁的多声子弛豫速率分别为303s-1和0.30s-1。

基于多量子能量交换的有效比热容分解研究

有效比热容是考虑了振动能量弛豫过程的气体热容,它是一个与声频率有关的复数。本文分析了声波在多原子气体中的传播过程,指出正是振动自由度与外自由度较慢的能量交换导致了气体声弛豫过程。应用热力学等相关理论计算了外自由度热容和振动热容等参量,得出了混合气体有效比热容的表达式。在考虑了两个量子与一个量子的能量交换情况下,对有效比热容进行了分解,得出了单一气体成分对总有效比热容的贡献。最后对混合气体O 2-CO 2的有效比热容和声弛豫衰减系数进行了计算。声衰减系数与实验结果符合得较好,表明本文提出的方法是正确的。

Pr^(3+)离子激活的可见光激光晶体研究进展

可见波段激光因其在激光显示、光通讯、生物医疗、工业加工等领域的特殊应用而备受关注。近年来,Pr^(3+)掺杂晶体作为一类重要的可见波段激光增益介质,已经在蓝光、绿光、橙光、红光波段实现了良好的激光输出,并已在氟化物中实现瓦级连续(CW)激光输出。本文系统总结了掺Pr^(3+)氟化物和氧化物激光晶体在可见波段的光谱特性和激光输出现状,深入分析了激发态吸收、多声子弛豫、交叉弛豫过程对Pr^(3+)可见激光输出的影响及其机制,旨在为新型可见光激光增益介质材料的筛选提供建议和指导。最后,总结了目前掺Pr^(3+)可见激光晶体材料中仍存在的问题,并对后续的研究方向进行了展望。

Er^(3+)掺杂Ge_(25)Ga_(10)S_(65)玻璃的中红外发光及多声子弛豫

用熔融急冷法制备系列掺杂不同KBr含量且一定量Er3+浓度的Ge25Ga10S65硫卤玻璃,测试样品折射率、吸收光谱及近中红外荧光光谱。通过吸收光谱计算Er3+吸收谱线的振子强度,应用Judd-Ofelt理论计算分析Er3+在不同系列Ge25Ga10S65玻璃的强度参数(Ωi,i=2,4,6)和4I11/2能级的计算能级寿命(τc),并与测量能级寿命(τm)进行比较,研究其能级寿命的变化规律。结果表明:随着KBr浓度的增加,4I11/2的τc和τm均有所增加,τm=(6.61±0.19)ms,τc=10.82ms。研究样品玻璃中Er3+:4I11/2→4I13/2能级间跃迁过程中的多声子弛豫率(Wmp)跟KBr浓度之间的关系,结果表明:随着KBr浓度的增加,4I11/2→4I13/2能级间跃迁过程中的Wmp有所减小,为133～58/s。

K_(3)La(PO_(4))_(2)基质中Tb^(3+)的发光和能量传递

采用高温固相方法合成了不同浓度Tb^(3+)掺杂的单斜结构K_(3)La(PO_(4))_(2)荧光粉,利用XRD表征了其相纯度,并对基质化合物进行了结构精修。研究了Tb^(3+)掺杂样品在不同温度下的发光性质及不同掺杂浓度样品在室温下的发光性质。发现在室温、373 nm激发下,Tb^(3+)离子表现为^(5)D_(3)⁃7F_(J)(J=5,4,3,2)和^(5)D_(4)⁃^(7)F_(J)'(J'=6,5,4,3)等两组发射。不同温度下低掺样品的光谱测试表明,多声子弛豫对5D_(3)能级发射的猝灭贡献有限。随着掺杂浓度增加,Tb^(3+)离子5D_(3)发射减弱而5D_(4)发射增强,样品表现出从青光到绿光的光色调控性质,这主要是由Tb^(3+)能级间的交叉弛豫过程导致的;进一步通过Inokuti⁃Hirayama模型和扩展的Yokota⁃Tanimoto模型对5D_(3)发光衰减曲线进行拟合,结果表明能量传递的主要作用方式为电偶极⁃四极作用,临界传递距离约为1.03 nm。

基于三频点声速测量的气体压强合成算法

利用声速测量精度高,测量方法简单的特点,提出一种基于三个频率点测量声速合成气体压强的算法。首先在三个频率点测量声速,然后计算得到声速频散谱拐点的弛豫频率,最后根据弛豫频率与压强成线性正比的关系得到气体压强,仿真结果验证了该算法的可行性。为在线实时检测气体腔体压强提供了一种技术简单、精度高的超声方法。

基于混合气体分子复合弛豫模型的一氧化碳浓度检测算法

研究了声波通过混合气体时,复合弛豫声吸收和声速与气体各成分浓度和声频率之间的依赖关系.以一氧化碳气体、水蒸气、氮气和氧气的混合气体为例,分别建立了弛豫声吸收和声速与气体浓度的三维模型,以及弛豫声吸收与声频率的二维模型.完成了通过测量弛豫声吸收和声速计算一氧化碳气体浓度的算法推导,提出了一种依据弛豫声吸收和声速检测气体浓度的简化算法.仿真实验结果不仅证明了算法的理论可行性,还给出了算法的最佳适用声频率范围,并估计了将算法应用于实验的误差原因,证明了算法具有实际可行性.