单圆柱微波谐振法测量热力学温度的研究

利用氩气的量子力学"从头算"理论和相关实验测量结果,基于圆柱微波谐振法建立了气体折射率热力学温度计实验系统,测量了253~303 K范围内的热力学温度。通过测量圆柱微波谐振腔内4个横磁模式的微波谐振频率,获得了氩气在700 kPa附近的气体折射率,不同微波模式得到的氩气折射率一致性优于1×10^(-8),进一步结合氩气的维里状态方程得到热力学温度。热力学温度T和ITS-90国际温标T_(90)差异不确定度为11.6 mK,与国际温度咨询委员会的评估值具有良好的一致性。未来随着氩气理论计算和实验系统压力测量不确定度的深入研究,该方法测定热力学温度的不确定度会进一步改善。

小型化气体声学温度计的研究

为促进气体声学原级测温技术的实用化发展,基于圆柱气体声学共鸣法测量热力学温度的原理,研制了内径10 mm、外径12 mm、内长40 mm的小型化气体声学温度计,采用优化的声学传感器提高了待测声压强度,开展了常压下常温至782 K的实验测试。对采用声波导管的小型化圆柱腔内常压空气进行测量,结果显示,在782 K时的声学共鸣频率相对标准偏差小于0.2%;修正了边界层及导管扰动后,基于空气声速的热力学关系,以常温为相对法的参考,获得了407~782 K的热力学温度,测量不确定度为0.76~2.93 K(k=1)。该研究为原级气体声学温度计在恶劣或特殊环境下的应用提供了可能。

微波谐振法应用于高温气体声学温度计的研究

高于335 K的热力学温度T与国际温标ITS-90温度(T_(90))之间的差异T-T_(90),是当前国际温度计量前沿研究的重点与难点。基于气体声速获得热力学温度的方法是该温区具有测量不确定度优势的方法,气体声速可通过声学共鸣法测得的声学共振频率和腔体尺寸获得。微波谐振法是高温区实时、原位获得腔体尺寸和热膨胀性的技术路线。通过优化高温气体声学热力学温度测量装置,提升温度和压力稳定性;采用自研的耐高温微波传感器,测量了335 K至493 K圆柱腔内的微波谐振频率,相对标准偏差为(2~13)×10^(-8);通过微波谐振频率获得了腔体尺寸随温度的变化关系,验证了几何尺寸的稳定性;同时实时获得圆柱腔内气体的折射率和压力,用于分析流动气路产生的压差。研究结果可为精密测定335 K以上T-T_(90)提供重要基础。

低温恒温器绝热性能对平衡氢三相点复现的影响研究

平衡氢三相点(13.803 3 K)是ITS-90规定的最低温度固定点,常用于标准套管铂电阻温度计的检定或校准。改进后的国家温度基准使用基于闭循环制冷机的低温恒温器提供准绝热环境,采用量热法进行密封式平衡氢三相点的复现实验。由平衡氢转化催化剂引起的三相点容器的预熔化现象以及实验组装的差异均会导致组件热容或系统热阻的变化,从而影响复现水平。建立了系统的传热模型,通过2次绝热条件不同的复现实验,测量了低温恒温器三相点组件的热容、绝热屏与三相点组件的热阻等参数,分析了低温恒温器绝热性能对平衡氢三相点复现的影响规律。结果显示,在复现开始前通过测量热阻并确认系统绝热性能良好,复现4个平衡氢三相点温坪的标准偏差优于0.1 mK。

护热板法测量高温下材料导热系数的研究

中国计量科学研究院(NIM)新研制了单样品高温防护热板法装置,设计工作温度范围从室温至500℃、导热系数测量范围0.02~0.5 W/(m·K)。通过新的温度控制技术,有效抑制了系统热惯性引起的热振荡,在长达2 h的热平衡期内,各部件的温度波动可控制在0.005℃以内;采取上防护板温度补偿,抑制了上防护板的漏热。新装置测量导热系数的不确定度为1.2%(k=2)。在平均温度30~70℃范围,与美国国家标准技术研究院的导热系数标准参考物质NIST SRM 1450d标准值相对偏差为0.2%~1.9%。测量了有机玻璃的导热系数,与PTB测量值的相对偏差为-0.8%~-1.5%。在40~400℃温度范围,测量了高温岩棉的导热系数,测量不确定度为4.7%(k=2)。

风云卫星的红外遥感亮度温度国家计量标准装置

综述了国际上美国、德国、俄罗斯的典型红外遥感亮度温度标准装置的研究现状,着重介绍了由中国计量科学研究院研制的用于风云卫星红外载荷黑体定标的红外遥感亮度温度国家计量标准装置(VRTSF)。给出了VRTSF的设计方案,描述了它的结构和光路。设计了满足风云卫星红外载荷定标黑体工作环境的真空低背景实验舱,建立了满足量值溯源需求的标准黑体辐射源作为量值标准器。标准变温黑体辐射源的温度覆盖190K^340K,口径为30mm,空腔发射率为0.999 9,温度不确定度优于50mK@300K/10μm(k=2)。该装置的光谱为(1-1 000)μm,光谱分辨率为0.2cm-1,可满足多种红外载荷的定标需求。该装置具有高温度不确定度水平、高光谱分辨率和扩展性强等特点,如未来该装置温度覆盖至(100-500)K,将会满足大部分红外载荷量值的溯源需求。

非连续边界层对圆柱声学共鸣频率的影响研究

基于声学一阶微扰理论，建立了低压下由于气．固界面的温度阶跃和速度滑移带来的边界层不连续性对圆柱声学共鸣频率的扰动规律，进一步发展了圆柱声学共振频率的非连续边界层修正模型，计算了非连续边界层对4种惰性气体、不同声学模式和不同压力及温度的影响。分析研究显示，气体处于低压状态时，温度阶跃和速度滑移会使声学共振频率发生偏移，不引入声能损耗。在50kPa时，非连续边界层对声学共鸣频率的影响可达10×10-6，表明非连续边界层修正项对于10-6不确定度水平的尖端声学共鸣测量，是一个重要的不确定性来源。

基于傅里叶红外光谱仪的高温含水烟气中低浓度一氧化氮精确测量研究

随着国家超低排放政策的深入,对烟气中污染物浓度精确测量提出了更高的要求。基于傅里叶红外光谱仪建立了高温含水条件下一氧化氮(NO)气体精确测量系统,在191℃条件下测量了含5%~20%水蒸气与摩尔分数为5~40μmol/mol NO混合前后的吸收光谱,通过修正混合物中H 2O的吸光度来精确确定NO浓度,并评价了系统测量不确定度。结果表明:NO在高温含水条件下测量结果与标准气体量值相对偏差小于1.8%,测量的扩展相对标准不确定度最大为2.8%(k=2),此系统具有良好的测量准确性和稳定性,对国家超低排放政策的执行和环保税的征收具有重要意义。

温室气体浓度监测的光腔衰荡光谱研究进展

全球气候变化给人类生活带来的影响受到世界各国的普遍关注,温室气体是影响和改变全球气候的关键因素之一,限制和降低温室气体排放量成为人类发展的重要议题。温室气体大多都在10^(-6)(每百万个气体分子中所含该种气体分子的个数)级别,且气体分子结构差异大,因此传统方法很难获得较高的精度,而光腔衰荡光谱法是能解决该难题的关键技术之一。对光腔衰荡光谱法测量温室气体痕量成分的研究进展进行了综述,分析了目前信噪比和灵敏度最高的方法——基于稳频的光腔衰荡光谱法的测量原理以及研究进展,并对其未来发展进行了展望。

定程圆柱基准声学温度计初步研究

热力学温度的准确测量是制定和修订国际温标的基础。在中低温区范围,声学温度计具有最小测量不确定度,对热力学温标定值和国际温标修订具有重要影响。本文介绍了国际上首次以定程圆柱声学共鸣腔为基础,建立的定程圆柱声学温度计实验系统,包括共鸣腔和压力舱组成的实验本体、声学和微波频率测量系统、压力测量系统、温度测量系统以及数据采集分析系统。在这个实验系统上,测量了323.150 K温度零压力下的纯氩气声速,实验结果显示纯径向模式外推值的相对标准偏差为4.68×10-6,在国际温度计量界球形和准球形共鸣腔基准声学温度计(1～5)×10-6的不确定度范围内,初步研究验证了采用边界层扰动修正对于定程圆柱声学温度计准确测量热力学温度的有效性,并由此了解了更精细修正的方向,验证了微波谐振法测定圆柱共鸣腔体直径的可用性和准确性。该研究为进一步扩展温度范围和改善测量不确定度奠定了基础。

声学温度计中声波导管声学传感器的研究

国际温标是热力学温标的逼近,准确地测量热力学温度是制定或修订国际温标的物理基础.600～1 358 K温度范围,位于接触法热力学温度测量的上沿和辐射法测量热力学温度的下沿不重合区,在此温度区间,缺乏准确的热力学温度测量值.声学温度计是目前已知的具有最小测量不确定度的热力学温度测量方法.由于声学传感器无法在高温环境下工作,故需采用耐高温金属声波导管将声学信号引入声学传感器工作温度环境,以便于声学共鸣频率测量,这是解决声学温度计测量高温热力学温度的技术关键.为了将定程圆柱声学温度计工作温度拓展到600～1 358 K范围,研究了声波导管声学传感器对定程圆柱共鸣腔共振频率响应特性的影响,通过理论分析和实验测量,得到了可适应于声学温度计的声波导管尺寸和传感器设计形式,为后续高温区热力学温度的测量奠定基础.

CO的第二泛频(3←0)跃迁谱线线形强度测量研究

CO分子是监测大气污染气体的优异示踪气体,要实现对CO分子实时监控就需要做到对气体浓度的精确快速测量。气体分子浓度测量可以利用测量吸收光谱和谱线线形强度得到,CO的(3←0)泛频谱带是吸收较弱的跃迁波段,利用以干空气为缓冲气体的200μmol/mol的CO混合物,基于稳频的光腔衰荡装置测量了在温度293 K、压力13~93 kPa下的CO分子R支3条跃迁谱线的吸收光谱。HTP(Hartmann-Tran profile)线形被用来获得这些谱线的线形强度,测量结果的相对标准不确定度优于1%,与国际HITRAN、HITEMP和GEISA光谱数据库比较,相对偏差小于4%。

差分飞行时间法精密测量高压液体声速的研究

基于差分飞行时间法建立了一套可直接测量高压液体声速的实验装置，自主设计和研制了双超声腔体，建立了精密声速测量系统、高压液体充注系统、精密压力和温度测量系统以及数据采集和分析系统。在此系统上，开展了303—353K，压力高至10NPa的纯水声速测量研究，声速测量相对标准不确定度为0．018％（k=1），纯水声速测量结果与国际标准状态方程及已有实验数据具有良好的一致性。研究成果为后续开展其他液体如海水、新型燃料等工质的精密声速测量奠定了基础。

可变温的固体材料弹性参数测量系统研究

基于超声共振频谱法原理，研制了可在变温条件下工作的超声共振频谱法测量系统，包括超声传感器、声学发射和接收系统、恒温系统以及数据采集和分析系统。在常温下分别测量了3种不同能量品质因数（Q值）的固体材料的弹性参数，分析了影响测量准确性的因素，测量的共振峰匹配误差（RMS）可小于0．04％，与国外先进商业仪的测量结果有良好的一致性。在此基础上，测量了轴承钢（9Crl8）从293K至353K的弹性参数，获得了轴承钢材料的等温压缩系数随温度变化的关系。该系统具备扩展测量温度范围的能力，所采用的超声共振测量元件，使得系统不做任何改动，在防氧化的保护气氛下，可将测量温度上限扩展至500K；对超声信号激励和接收方式做相应改变，可扩展至更高测量温度。

实用氦气声学温度计初步研究

对高温气冷堆堆芯温度的可靠测量是目前的技术难题之一。传统温度计依靠实验室标定的材料特性与温度的关系进行测温,然而,长期暴露在高温、高辐照环境中,其测温材料的性质会发生改变且得不到及时校准,温度传感器易发生漂移甚至失效。气体声学温度计通过测量单原子气体的声速可以直接获得热力学温度;由于气冷堆内氦气介质相对稳定,利用氦气声速获得温度具有较高的可靠性。针对实用氦气声学温度计开展了初步研究,基于圆柱声学共鸣法设计了实用声学温度计测试系统,采用声波导管声学传感器测量了488 K至806 K圆柱共鸣腔内氦气的声学共振频率,修正了热边界层和粘性边界层的影响;基于量子力学从头算得到的氦气声学维里状态方程,获得了热力学温度。对氦气共振频率的测量相对标准偏差小于0.07%,温度测量的信噪比可满足需求,声学温度计与热电偶测温结果差异小于1%。研究结果为未来持续开展极端环境下气体声学温度计的应用研究提供了支持。

声学温度计中声学传感器的对比研究

声学传感器的研究对提高声学共鸣法测量Boltzmann常数kB的精度以及高温区热力学温度的测量都十分重要。借助声学共鸣法,文中研究了压电陶瓷与电容式麦克风的响应特性。结果表明,在相同条件下,麦克风测量信噪比和频率随机偏差δfN/fN都明显优于压电陶瓷,验证了麦克风的高灵敏性;另外,两种传感器测量的半宽值的Δg/f均远小于1×10-6,为后续高温区热力学温度测量和减小kB不确定度奠定了基础。

测量理想气体状态下气体输运性质的双毛细管黏度计研究

热力学温度是客观世界真实的温度，是制定国际温标的基础，声学基准测温法是测量中低温区热力学温度不确定度最小的方法，其中热和黏性边界层扰动是其测量不确定度最主要的来源之一，而决定这些边界层的参数就是工质在理想气体状态下的输运性质（黏度和导热系数）。该报告了作者以氦气的“从头算”理论值为基础，建立的双毛细管黏度计，包括实验装置工作原理，温度控制和测量系统、压力控制和测量系统、流量控制系统以及数据采集系统等。在该装置上开展了313～353K范围，氩气理想气体状态下的黏度和导热系数初步测量，相对标准不确定度为0．822‰，对装置的性能做了初步验证。

基于荧光法的生物气溶胶实时检测系统的研究进展

生物气溶胶是指含有细菌、真菌、花粉等生物性粒子的气溶胶。生物气溶胶的传播会造成严重的危害,对人体健康、大气环境等有着潜在的影响。此外,在军事活动中,生物气溶胶还可作为生物战剂的释放方式。因此,对空气中生物气溶胶进行实时检测,快速识别气溶胶种类,判断生物气溶胶浓度、危险程度等,是降低致病性生物气溶胶暴露,保护人员及环境安全,以及防范生物恐怖袭击的重要手段。基于荧光法的生物气溶胶实时检测系统利用生物粒子含有色氨酸、酪氨酸、核黄素等典型荧光基团,通过激光诱导生物荧光基团产生特定的荧光光谱,从而完成对生物气溶胶的检测和识别,具有甄别气溶胶颗粒生物特性的同时,获取其粒径尺寸及形态等物理特征的技术优势。简要介绍了生物气溶胶及其实时检测的基本原理,概述了生物气溶胶实时检测系统在三个方面的研究,包括荧光激发光源的触发方式、荧光激发光源类型以及信号采集系统。最后,对生物气溶胶实时检测系统的发展方向进行了探讨,为后续生物气溶胶实时检测系统的研究开发提供了参考。

直接泵浦中红外Dy∶PbGa_(2)S_(4)激光器研究进展

3~5μm中红外激光在光电对抗、激光医疗、有害气体探测等领域具有重要的应用。以稀土离子掺杂的晶体作为增益介质可实现中红外激光输出,其中镝掺杂硫镓铅(Dy∶PbGa_(2)S_(4),Dy∶PGS)晶体具有相对较低的声子能量和较大的电子能隙,是一种性能优良、具有潜在应用价值的中红外激光介质材料。本文综述了中红外Dy∶PGS固体激光器的研究进展,重点介绍了在不同波长泵浦下的连续或脉冲激光输出特性,并对其未来发展方向进行了探讨。

Nd:YAG 1319nm激光器的研究进展与应用

1319 nm激光器在钠信标、光通讯、图像显示以及激光医疗等方面都发挥了重要作用,应用前景十分广泛。文章从1319nm的单波长连续激光输出、脉冲激光输出以及准连续激光输出这三个方面简要叙述了近些年来国内外Nd∶YAG 1319nm激光器的部分研究工作,介绍了1319nm激光器在众多领域的重要应用并简要分析总结了其研究价值以及研究难点,最后对Nd∶YAG 1319nm激光器未来的发展方向进行了探讨。