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关键词： 单模光纤   光纤倏逝波   近红外吸收光谱   原位检测   水中溶解气体测量  

摘要： 海洋作为地球气候的主要控制因素,在吸收温室气体和减少全球变暖的影响方面持续发挥着重要作用。此外,海洋作为地球最大的生态系统,其内部溶解气体的变化严重影响着生物的生存。对海洋中溶解气体含量及变化进行检测和分析是研究深海冷泉、热液生态系统环境特性,海洋-陆地有机物生物地球循环系统、海底天然可燃冰资源勘探或海洋酸化等环境变化机制的最有效手段。但由于海洋科学起步晚,目前针对海洋溶解气体的测量依然以“采样-实验室分析”为主,这不仅不能很好的还原海洋环境动态变化的全貌,且成本高误差大,继而迫切需求能进行原位、快速、持续的溶解气体探测技术。近年来,得益于疏水透气膜这些高分子材料的出现,基于膜分离技术的海洋溶解气体原位测量技术,从上世纪末得到了快速发展,其本质是陆基仪器实现水下化,如基于膜技术的可调谐半导体激光吸收光谱技术、腔增强吸收光谱技术、光声光谱技术或光热光谱技术等,但是这些技术在检测时往往受到前端疏水致密膜的影响,气-液分离时间较长,导致气体浓度信息获取延迟较大,无法实现实时快速的测量需求。因此针对溶解气体实时、快速检测的需求,本文提出了在近红外波段利用倏逝波直接测量吸收光谱方案,结合微流道设计并搭建了一种装置紧凑、操作简单、成本低的光纤倏逝波红外吸收光谱溶解气体传感系统,在无膜修饰的情况下,以氨水为例进行了实验验证。该系统实现了μL量级的耗液量并对水中溶解气体的直接检测,避免了疏水致密膜气-液分离长时间等待的问题,一定程度上缩短了响应时间。 首先,本文详细阐述了光纤波导中倏逝波的产生机理、传播模式以及场分布,并介绍了红外吸收光谱技术的相关基本理论。在此基础上对光纤倏逝波红外吸收光谱技术进行了理论推导,分析了微纳光纤锥腰直径、过渡区长度、工作波长、待测介质折射率对传感系统的影响机制。其次,简要叙述了基于“火焰刷”制备微纳光纤的几种常用方法和他们的优缺点。同时采用不同于传统掩模版的制作方法设计微流道,并成功利用3D打印技术制备出透明光敏树脂材质的Z型微通道模具,实现50μL的耗液量。最后,使用SANTEC TSL-550系列可调谐外腔半导体激光器作为宽波长调谐范围的光源,并通过LabVIEW程序对输出信号进行采集与处理。 基于光纤倏逝波直接吸收光谱传感系统,对不同浓度的氨水进行测试,测得氨水浓度与积分吸光度信号幅值之间线性度能够达到0.9985,对应系统灵敏度为3.391 cm-1/%,系统响应时间约11 min。对传感系统进行噪声分析,获得标准偏差1σ约0.050 cm-1,经计算最小检测限约0.015%。验证了本文的设计在原位检测的可行性。

关键词： BESⅢ   赝标介子混合   分波分析   ψ(2S)  

摘要： 1961年,盖尔曼和尼埃曼用SU(3)对称性成功将介子和重子进行了分类,提出了八重法理论取得巨大成功。该理论提出了介子八重态和重子十重态的概念。但由于SU(3)群并不严格对称,导致相同量子数的粒子之间会发生混合。对于赝标介子(Jp=0-)的混合模型主要有两类,一是η、η＇和ηc混合模型,该模型认为η＇的波函数中含有少量ηc的胶球成份。二是η、η＇和η(1440)混合模型,该模型通过假定η(1440)含有胶球,认为η、η＇和胶球混合。但是目前实验上仍无法检验两种模型的正确性。测量粲偶素ψ(2S)衰变到VP介子(矢量介子和赝标介子)的约化分支比,可进行混合角的计算,为赝标介子的混合提供更多实验数据的支撑。 除了 ψ(2S)→pη,ψ(2S)衰变到其它VP介子的测量已相对准确。根据粒子数据组(Particle Data Group)2023(年)的结果,ψ(2S)→ρη 分支比的平均值为(2.2±0.6)× 10-5,BES合作组在2004年的测量结果为(1.78+0.62-0.67±0.17)× 10-5,均存在较大误差。由于ρ是一个很宽的共振态,精确测量需要考虑ρ与其它共振态之间的干涉效应。本论文利用BESⅢ合作组在2009、2012和2021年收集的高统计量ψ(2S)数据样本(约27亿)开展π+π-η的三体分波分析,精确测量了ψ(2S)→ ρη的分支比为(1.032±0.077±0.038)×10-5,其中第一项和第二项分别代表统计误差和系统误差。考虑η和η＇混合的情况下,计算出了η和η＇的混合角θ=42.79°(或者-42.79°)。除此之外,本分析首次测量了ψ(2S)→a±2π(?)衰变过程的分支比为(2.670±0.416±0.103)×10-5以及ψ(2S)→ωη的分支比为(1.182± 0.473(stat)± 0.044(Syst))×10-7。

关键词： X射线荧光光谱法(XRF)   熔融制样   矾土   Spectra plus软件   烧失量校正   变化理论α系数  

摘要： 准确测定矾土中的主次成分对确定钒土等级及选择冶炼生产工艺参数具有重要意义。矾土中10余种主次成分含量范围较宽，常需采用两种及以上分析方法分别进行测定。实验用矾土标准样品及成分与矾土相似的3个粘土标准物质绘制校准曲线，以变化理论α系数校正法对基体效应进行校正，以Spectra plus软件进行烧失量校正，建立了熔融制样-X射线荧光光谱法（XRF）对矾土中主次成分（Al2O3、CaO、MgO、P2O5、Fe2O3、TiO2、MnO、SiO2、K2O、Na2O）的测定。实验表明，以四硼酸锂-偏硼酸锂混合熔剂（质量比为67∶33）为熔剂，控制样品稀释比为1∶23,将样品和熔剂搅拌均匀后加入1.0 g硝酸锂于600℃预氧化5 min,升至1 075℃熔融制样10 min,期间分3次加入共50 mg碘化铵为脱模剂，可制成均匀、透明的玻璃片。考察了Spectra plus软件和对样品灼烧两种烧失量（LOI）校正方式对矾土中主次成分测定结果的影响，结果表明，两种方式基本一致。选择同一个矾土样品由同一人员在相同环境下于1 d内平行测定11次，测定结果的相对标准偏差（RSD）为0.20%～4.1%;选择不同的试验人员在相同的环境下于15 d内平行测定11次，测定结果的相对标准偏差（RSD）为0.25%～4.7%。采用实验方法对两个矾土样品中主次成分进行测定，结果分别与滴定法或电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）基本一致。

关键词： 工程机械   旋挖钻机   X射线检测   神经网络   焊缝缺陷识别  

摘要： 旋挖钻机是一种兼具挖掘和钻孔功能的大型工程机械设备,具有施工效率高,钻孔质量好,清孔操作简单的优点。桅杆作为旋挖钻机的核心部件,往往需要在各种各样的极端工况下作业。在钻桅的所有结构中,焊缝是最容易出现应力集中和疲劳破坏的地方。因此,保证焊缝处的质量对于提升旋挖钻机的结构强度和可靠性至关重要。本文依托于校企合作项目,聚焦于旋挖钻机的桅杆部件缺陷问题,通过X射线检测得到旋挖钻机关键位置焊缝图像,利用滤波,增强和特征提取等手段,对射线图像进行处理,并运用卷积神经网络对焊缝图像的缺陷进行检测,取得了良好的效果。本文具体内容为: (1)详细介绍了旋挖钻机桅杆焊缝样件的制备过程和X射线试验。对钻桅结构模型进行了简化和约束设置,分析了桅杆在钻进及提钻两种工况下的应力分布与变形趋势;确定了大圆盘焊缝处为应力最大,最易发生疲劳破坏的位置,并选择此处进行样件制备;介绍了X射线的特性与识别原理,设计了具体的X射线检测实验方案,完成了X射线检测试验并获得了缺陷检测图像。 (2)深入研究了焊缝图像的滤波和增强等图像预处理技术。介绍了传统滤波方法与一种基于SUNet的滤波算法,并分别对X射线图像进行了滤波处理;通过线性增强、对数变换增强和直方图均值化等图像增强方法,分别对X射线图像进行增强;介绍了MAE,MSE,RMSE等图像质量评定指标,并对滤波和增强方法进行对比,确定了基于SUNet和线性增强的预处理方法;完成了X射线图像的预处理,提高了X射线图像质量。 (3)深入研究了焊缝图像的阈值分割和边缘检测等图像特征识别技术。介绍了Otsu's阈值法和分水岭分割法两种阈值分割技术,完成了X射线图像的阈值分割并比较了两种方法的优劣;阐述了各类边缘检测算子的工作原理,利用上述算子对X射线图像进行边缘检测并通过边缘定位精度进行对比;确定了基于Otsu's阈值分割和Canny边缘检测技术的策略,顺利提取射线图像特征,得到了可直接用于后续缺陷识别的X射线图像。 (4)深入探讨了基于卷积神经网络的焊缝缺陷识别技术。分析了裂纹、气孔和未焊透等常见焊缝缺陷的成因、宏观特征以及各类缺陷X射线检测图像的特点;利用收集到的各类缺陷图像构建了旋挖钻机焊缝缺陷数据集;设计了一个针对焊缝缺陷的残差识别网络,识别精度较高;为适应实际工程中不同尺寸的图像,将焊缝识别网络与滑窗技术相结合,提出了一种适用于多种图像尺寸的焊缝缺陷识别算法;将该算法应用于大圆盘焊缝的缺陷检测工作,取得了良好的效果。

关键词： 锂空气电池   放电产物   单线态氧   电子顺磁共振   荧光光谱  

摘要： 面对以化石燃料为基础的能源枯竭危机,我们亟需构建一种环境友好、CO2排放少、清洁可持续的能源系统。因此,开发具有高能量密度和能效的可充电电池,以应对气候变化、提高能源安全性和可持续性至关重要。在各种可充电电池技术中,锂空气电池具有超高的能量密度,远高于锂离子电池。由于其在电动汽车、笔记本电脑等领域有着潜在的应用前景而受到广泛关注。然而,由于氧还原反应/析氧反应过程的缓慢动力学导致锂空气电池循环效率差、循环寿命有限。而且在电池循环过程中会产生高活性的超氧自由基(O2·-)和单线态氧（1O2）,易攻击电解液和电极材料导致严重的副反应。此外,空气中的CO2和H2O、电解液中的H2O等都会对锂空气电池充放电过程产生影响,导致复杂的充放电产物组成和充放电机制。以上这些关键的问题仍然不能妥善处理和解决,导致锂空气电池发展遇到瓶颈。本文利用多种表征手段全面分析锂空气电池中充放电产物的形貌、类型、组成和空间分布,揭示产物的形成/分解机制,并探究其对电池电化学性能的影响。利用原位顺磁共振（EPR）和原位荧光技术,探究锂空气电池充电过程中1O2的形成,并提出1O2的抑制机理。为开发和设计高性能锂空气电池和高效的锂空气电池催化剂提供宝贵的信息。相关研究工作如下: （1）我们成功合成了5,10,15,20-四（4-氨基苯基）-卟啉（TAPP）和5,10,15,20-四（4-氨基苯基）-卟啉钴（Ⅱ）(Co-TAP),并将其作为Li-O2电池的氧化还原介质（RM）来改善电池电化学性能。添加TAPP和Co-TAP后,显著降低了电池的充电过电位,明显提升了循环性能。利用多种表征手段确定不同电池充放电产物的组成和形成机制,证明原始不含RM和含TAPP的电池的放电产物为Li2O2,添加TAPP后影响了Li2O2的形成机制,而Co-TAP在不额外添加水的情况下将主要放电产物转化为LiOH。还利用原位、非原位EPR和原位荧光技术证实通过LiOH化学循环的Li-O2电池可以完全抑制充电过程中1O2的产生。由于1O2的消除,抑制了含Co-TAP的电池循环过程中副反应的发生,明显减少副产物Li2CO3的生成。此外,改变Co-TAP的配体和金属中心的种类,通过配体和金属中心的协同作用可以生成特定类型和形貌的放电产物,从而改变Li-O2电池的电化学性能。通过密度泛函理论（DFT）计算揭示了Co-TAP在Li-O2电池中的作用机理,只有当金属中心Co与卟啉环配位时,两者的协同作用才能有效促进LiOH的形成与分解。 （2）在前一项工作中,我们通过对Li-O2电池产物组成的鉴定揭示了不同氧化还原介质的作用机制。基于以上研究基础,我们通过重新认识Li-CO2/O2电池的放电产物以探究CO2的作用机制。将CO2引入Li-O2电池体系中以改善电池电化学性能,并调控CO2/O2的比例研究CO2含量对于Li-CO2/O2电池电化学性能的影响。CO2的引入明显提高了Li-O2电池的放电容量和循环稳定性,尤其是引入30%的CO2。对Li-CO2/O2电池放电产物的形态、结构和组成进行全面的分析,证明Li2O2和Li2CO3为Li-CO2/O2电池的主要放电产物,该组成证实CO2通过Li2O2和CO2之间的“化学路径”参与放电反应。而且,随着CO2/O2体积比的增加,Li2CO3的尺寸增大、结晶度增高,不利于Li-CO2/O2电池性能的提高。此外,探究了不同电压范围下1O2的形成,并提出Li-CO2/O2电池中CO2抑制1O2形成的机理。充电过程中,CO2通过捕获Li2O2分解过程中产生的O2·-从而抑制1O2的形成。引入CO2使循环后的锂阳极表面被Li2CO3覆盖,避免H2O的腐蚀,保护了锂阳极。含有30%CO2的Li-CO2/O2电池因其拥有最合适的放电产物形态和结晶度,且最大程度地抑制1O2的形成,适当地保护锂阳极,所以拥有最优异的电化学性能。 （3）在上一个工作中,我们发现Li2CO3的结晶度、形貌会影响Li-CO2/O2电池的电化学性能。基于以上研究基础,我们通过高能球磨法制备了不同结晶度的Li2CO3,并探究结晶度对Li2CO3电化学行为的影响。降低Li2CO3的结晶度,可以降低Li2CO3的分解电压,增大电子电导率,促进分解动力学,并有效抑制充电过程中1O2的形成。在Li2O2电池体系中可获得相同的结论。此外,降低Li2CO3的结晶度,Li2CO3的分解机制也发生改变。随着Li2CO3结晶度的降低,碳参与Li2CO3的分解反应,该分解机制没有1O2的产生。为了进一步论证第二个工作中1O2相关的结果,我们将Li2CO3引入Li2O2中,调控Li2O2/Li2CO3的比例。同样发现引入Li2CO3可以有效抑制Li2O2分解过程中产生的1O2,且随着Li2CO3含量的增大,抑制作用先

关键词： 半导体应变片   光电效应   载流子   电桥平衡  

摘要： 在使用半导体应变片式高灵敏度力传感器过程中发现，光照条件下传感器输出结果存在明显的漂移现象，且在光强发生改变时，传感器的输出电压会发生大幅度的跳动，需要一段时间才能平衡。输出电压与导电性能有关，取决于半导体应变片内载流子的变化，针对此问题，采用不同强度激光照射传感器半导体应变片的试验方法，研究光电效应对半导体应变片内载流子的影响，并探究最终输出电压平衡问题。研究结果发现，在一定光照下，输出电压平衡时间最快为2.2 s。试验结果有望推动光电调零的应用。

关键词： X射线闪烁屏   宏孔硅   CsI(Tl)   蒙特卡洛模拟  

摘要： 随着X射线成像技术的不断发展,X射线成像系统核心器件——闪烁屏,提出了更高的性能要求,包括高发光效率、高空间分辨率和高探测效率。传统的薄膜晶柱状闪烁屏虽然在一定程度上满足了这些要求,但由于晶柱粘连可能引发光串扰现象,从而降低X射线成像系统的空间分辨率。因此,本文对性能优越的基于宏孔硅的X射线闪烁屏进行研究。 使用Geant4软件,研究了孔形对基于宏孔硅的X射线CsI(Tl)闪烁屏性能的影响,模拟的闪烁屏性能参数包括:闪烁光子数、底光输出数、传输效率、n次全反射占比、调制传递函数与空间分辨率关系等。模拟结果显示,方形与圆形微孔具有不同方面的优势,200μm厚度的方形微孔闪烁屏空间分辨率为25lp/mm。对八边形微孔闪烁屏的开口面积进行了模拟。模拟结果表明正八边形微孔闪烁屏的传输效率高于开口面积更大的八边形微孔闪烁屏。 通过闪烁屏制备工艺,制备出宏孔硅阵列基体。研究了整形时TMAH腐蚀液浓度对宏孔硅阵列基体形貌的影响;分别研究了宏孔硅基体倒置填充工艺与宏孔硅基体正置填充工艺,结果表明正置填充工艺成功增加了填充实验的成片率,改善了宏孔硅基体的填充效果。 搭建了X射线闪烁屏成像测试平台,通过X射线闪烁屏空间分辨率测试过程,研究了方形与八边形微孔、微孔深度对闪烁屏性能的影响。结果表明:方形微孔相比八边形微孔具有更好的成像亮度与空间分辨率;方形与八边形微孔的成像亮度都很均匀;随着X射线管电压的增加,空间分辨率下降;随着微孔深度的增加,闪烁屏的空间分辨率也增加。