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关键词： 渐变折射率多模光纤   几何参数不稳定性   超连续谱产生   全光纤结构   广义多模非线性薛定谔方程  

摘要： 全光纤结构的超连续谱(Supercontinuum,SC)激光光源具有光谱宽、亮度高、方向性好、环境适应性强等优点,在激光雷达、光学检测、医学成像和光电对抗等领域具有较高的应用价值。渐变折射率多模光纤(Graded-Index Multimode Fiber,GRIN MMF)由于纤芯折射率的渐变分布,可以实现光束的周期性自成像,加速在其内传输的脉冲激光模式间的非线性相互作用和能量耦合,产生丰富的时空非线性过程,为实现SC提供了一种新的途径。此外,GRIN MMF和光子晶体光纤及单模光纤相比具有更高的损伤阈值,已成为高功率激光脉冲传输的重要载体,在产生更高功率的SC方面具有更大潜力。目前,在GRIN MMF中产生高功率SC还存在短波拓展困难、光束质量差和集成度不足等问题。基于以上背景,本论文开展了在GRIN MMF中SC的产生机理与实验研究。论文对SC产生的影响因素包括GRIN MMF的特征参数(如长度、模式数、纤芯直径、弯曲半径等)、泵浦脉冲的参数(如脉冲宽度、重复频率、中心波长等)以及脉冲在GRIN MMF的不同色散区域非线性作用进行了深入的研究,为后续实现更高功率、更稳定的全光纤可见光SC光源提供理论与技术参考。本论文的主要研究内容与成果包括: 1、通过对广义多模非线性薛定谔方程进行数值求解,理论仿真了激光脉冲在GRIN MMF的反常色散区和正常色散区传输时,光谱、时域和脉冲空间模式分布等特性的变化。在此基础上,提出了在GRIN MMF的正常色散区泵浦,产生高功率可见光SC的全光纤方案。利用中心波长为1.05μm的全光纤皮秒激光器,搭建了GRIN MMF产生SC的实验系统,分析了不同光纤长度、模式和重复频率的百皮秒激光脉冲对产生SC光谱的影响。实验上首次采用GRIN MMF实现了瓦级、全光纤结构的SC激光光源,输出功率大于2 W,光谱范围覆盖从450 nm至2400 nm的可见光及近红外波段,10 dB光谱带宽超过1000 nm。 2、将脉冲宽度5 ps、中心波长1.05μm的脉冲激光分别注入到纤芯直径为23μm和50μm的GRIN MMF中,分别分析了产生SC的光谱演化过程,对比了SC的光谱特性、功率和转换效率。结果表明,5 m四模GRIN MMF中的SC的输出功率、转换效率、光谱平坦度以及光谱宽度均优于其他GRIN MMF产生的SC。最后,分析阐释了在GRIN MMF中产生SC时短波方向出现的孤立光谱特点,指出其分别由几何参数不稳定性和模间的二次谐波过程所产生(如50/125GRIN MMF中产生SC光谱中565.7 nm、601.2 nm、649.5 nm和733.0 nm的孤立波长对应几何参数不稳定性产生频率边带,而477.7 nm、517.4 nm和614.0 nm由模间的二次谐波产生)。实验研究结果为基于GRIN MMF的可见光SC光源在短波方向进一步拓展上提供了理论依据。 3、实验搭建和优化了皮秒脉冲种子源、全光纤脉冲展宽模块、降频模块和功率放大模块,获得中心波长1.05μm、平均功率大于200 W、脉冲宽度320 ps、重复频率3.1 MHz的全光纤高功率皮秒脉冲激光系统。在此基础上,通过采用过渡光纤并优化熔接参数,将皮秒脉冲激光系统的输出光纤与GRIN MMF直接进行熔接,获得了全光纤化的高功率SC光源。该光源输出功率高达115.2 W,光谱范围覆盖450 nm到2400 nm,10 dB光谱宽度达1300 nm(滤除泵浦光后)。同时,在输出功率95.4 W的情况下,半小时的功率稳定性(RMS)达0.26%。实验搭建的全光纤化SC光源兼具高集成度和强环境适应性的特点,在工程领域具有广阔的应用前景。

关键词： 江门中微子实验   台山中微子实验   探测器控制系统   顶点重建   能量重建  

摘要： 中微子振荡是目前唯一在实验中得到证实的超出粒子物理标准模型的新物理效应,是研究新物理理论的突破口之一。中微子探测作为中微子物理研究的关键,对完善中微子理论模型至关重要,也将为质量起源、暗物质起源、早期宇宙的演化等新物理理论的形成提供实验依据。 本课题聚焦于江门中微子实验（Jiangmen Underground Neutrino Observatory,JUNO）以及它的近点实验——台山中微子实验（Taishan Antineutrino Observatory,TAO）。JUNO拥有目前世界上最大的液体闪烁体探测器,其首要目标是确定中微子的质量顺序。为了实现这一物理目标,要求探测器的能量分辨率达到前所未有的3%/(E（MeV）)1/2。实验所面临的最大挑战是高分辨率探测器的实现,以及精确能谱的获取。为此,本课题基于EPICS（Experimental Physics and Industrial Control System）平台,开展了探测器控制技术的研究,设计并实现了一套具有良好扩展性的JUNO探测器控制系统（Detector Control System,DCS）,完成了JUNO-DCS的设计开发和现场部署,为JUNO物理目标的实现提供了硬件基础。在保障探测器工作在最佳状态的同时,根据TAO探测器的响应特点,本课题展开了TAO事例顶点、能量重建算法的研究,以获得精确的反应堆中微子能谱。 本工作第一部分从探测器控制技术进行了研究,创新性地提出采用EPICS+PLC（Programmable Logic Controller）+IPbus协议的读出方案,解决了由于JUNO实验规模大、设备类型多、监测点分散、通信接口复杂所带来的硬件接入问题,实现了上层应用与底层硬件的解耦,这是首次在EPICS中使用IPbus协议,完成了相应IOC的驱动开发,实现了JUNO电子学的数据采集。采集到的数据存储到MySQL数据库中,便于客户端和网页端的数据调用。系统的报警功能基于Kafka发布-订阅消息系统实现,可以对探测器设备的异常状态进行及时报警与记录,将信息通过微信和邮件的形式推送到用户端。JUNO-DCS为JUNO探测器工作状态的调整提供了操作方法,极大降低了安全事故发生的几率,并为可能发生的异常状态提供了分析数据。本DCS已经完成JUNO实验现场的安装部署和功能调试,进入到联调阶段。 本工作第二部分展开了TAO的事例重建算法的研究。首先深入分析中微子在探测器中的物理过程,然后从事例的可见能量、探测器的非线性与非均匀性等几个角度分析了探测器的响应特点,研究了两种根据探测器响应进行顶点和能量重建的方法——电荷重心法和电荷模板法。利用可见能量、非线性、非均匀性等探测器的响应参数,构建了基于电荷重心法的顶点快速重建算法,实现了探测器响应到中微子事例能量的转换,为进一步开发更为精细的重建算法提供了重要的初始值。为了进一步提升重建结果的精度,利用事例在特定位置上的探测器响应,运用极大似然估计法构建了电荷模板算法,解决了探测器中光学过程难以解析计算的问题。相比电荷重心法,电荷模板法取得了更精确的重建结果。有效体积内重建半径的偏差为-10 mm@1 MeV,分辨率为26 mm@1 MeV;重建能量的偏差为-0.045 MeV@1 MeV,分辨率为2.6%@1 MeV。本论文中重建算法的顶点重建性能已经达到TAO概念设计报告的指标。

关键词： 石墨双炔   掺杂石墨双炔   X射线光电子能谱   近边X射线吸收精细结构谱  

摘要： 石墨炔（GY）是二维周期性材料,是碳家族的同素异形体,但是其在结构和性质上与传统的石墨和富勒烯等材料有所不同。GY的结构被称为“碳纳米蜂窝”结构,是碳原子以类似蜂窝状排列的结构形式。这种独特的结构使其具有硬度高、导电率高、良好的热稳定性以及特殊的光学性质等优点。碳原子具有多种杂化态,其杂化态的数量和位置不同,导致了不同形态的GY出现。目前,基于实验的成功制备,各种构型的GY得到了深入的研究。在2010年,大面积石墨双炔（GDY）薄膜首次被成功合成,随之引起了大量的科研工作者对GDY这一重要领域的研究。在GY家族中,GDY由苯环和丁炔（-C≡C-C≡C-）构成,包含两种形态（sp和sp）的碳原子。GDY作为一种新型碳材料,结合了石墨和GY的特性。GDY这种特殊的杂化网络结构使其在材料科学、能量储存和转化、光学器件、传感器和纳米技术等领域显现出巨大的应用潜能。GDY本身就具有很多优异的性能,为了进一步提高其优异的性能,则需要对其进行修饰。通过掺杂对其进行修饰是提高GDY性能的一种有效方法。掺杂杂原子后的GDY可以提高其化学反应活性、改变其表面的特点、其内部会产生缺陷和活性位点。在实验中,不同类型的掺杂往往很难在原位下被直接检测到。然而,通过密度泛函理论（DFT）、分子动力学等方法可以对掺杂材料的结构进行有效地识别和表征。 X射线谱技术常用于研究物质的结构、组成和化学环境。本文采用X射线光电子能谱（XPS）和近边X射线吸收精细结构谱（NEXAFS）展开了对氧、氟掺杂GDY结构的理论研究。其中,XPS是将1s轨道的电子电离到真空状态,可以提供元素的化学状态、化学键信息和表面组成等信息;NEXAFS通过将1s轨道的电子激发至未占据轨道,可以提供材料中特定元素的价态、局部结构和化学环境的详细信息。通过分析NEXAFS谱,可以了解材料中不同化学键的存在和相对比例,从而为材料科学、化学和生物学研究提供重要的表面和电子结构信息。 本论文,在DFT的基础上,通过结合多种近似方法对氧、氟掺杂GDY的XPS和NEXAFS进行了理论模拟。通过分析和讨论不等价碳原子对光谱的贡献以及光谱的特征,对氧、氟掺杂GDY构型进行了理论表征。研究的内容和结论如下: 1.氧掺杂石墨双炔局域结构的X射线谱 纯GDY放在空气中会氧化,即有氧原子掺入其中。我们提出了四种氧掺杂GDY的构型,并对这四种掺杂构型以及纯GDY的C 1s XPS和NEXAFS光谱进行了理论计算。我们发现纯的GDY中sp杂化碳原子和氧掺杂构型中sp杂化碳原子的C 1s→π激发对应于实验上的NEXAFS光谱中约285.8 e V处的最低峰。同时,我们发现氧化导致C 1s电离能增加了0.3～2.7 e V,这与XPS实验结果一致。我们的计算清楚地解释了GDY和氧掺杂GDY的结构-光谱关系,并且这些特征对于估计氧化程度具有重要意义。 2.氟掺杂石墨双炔局域结构的X射线谱 根据氟掺杂GDY的实验研究,我们提出了六种典型的氟掺杂GDY构型。在DFT下对这六种氟掺杂GDY构型的C 1s XPS和NEXAFS光谱进行了模拟。计算结果显示碳原子（与氟原子连接）电离能与实验上XPS特征峰的标定符合的很好,C-F键中碳原子的电离值的范围在285.9～286.8 e V。同时,通过分析六种构型的NEXAFS光谱特征峰,进一步验证了对局域结构具有更强的依赖性。根据NEXAFS比XPS光谱的特点可以有效地将六种氟掺杂GDY结构区分出来。 本论文共包括六个章节:第一章是绪论部分,简述了有关氧、氟掺杂GDY的研究背景及进展;第二章和第三章简述了研究氧、氟掺杂GDY构型X射线谱用到的理论基础及理论方法;第四章和第五章分别介绍了有关氧掺杂GDY和氟掺杂GDY局域结构的理论研究;第六章是关于氧、氟掺杂GDY工作的总结与将来工作的展望。

关键词： 多种离子谱仪   X射线成像   阶梯滤片   蒙特卡洛模拟   质子束表征  

摘要： 近年来随着激光技术的发展，激光与等离子体相互作用领域的研究也在不断深入,人们利用短脉冲高强度高重频激光与等离子体相互作用产生各种高能粒子，如离子、电子和X射线等，基于高能粒子的应用随之诞生，如质子束成像、质子束探测、重离子治疗、电子束光刻、X射线成像技术等。正因如此，研究用于激光离子加速实验的诊断设备至关重要，对激光与等离子体相互作用产生的高能质子、电子和X射线进行诊断并获得高能粒子的完整信息成为了广泛的需求，如诊断高能粒子的能谱分布、角度分布等。　　针对上述需求，本论文根据带点粒子束(离子和电子)受磁场和电场偏转的原理，研发了一种实时电子离子汤姆逊谱仪(ei-TPS)，详细介绍了ei-TPS的设计原理和设备参数，利用Geant4模拟得出ei-TPS的理论探测性能并讨论了可能的优化设计，得出ei-TPS可用于不同能量范围内的离子和电子实时诊断的结论。还针对质子束能谱实时诊断的需求，提出了一种阶梯滤片实时质子能谱仪和一种角度分布的角度分辨质子束能谱仪，利用SRIM和FLUKA模拟得出两种质子能谱仪的理论探测性能，得出两种质子能谱仪均可用于质子束表征的结论。上述三种诊断设备具备诊断激光离子加速实验中产生的高能离子和电子束的意义。　　最后针对利用X射线进行成像的需求，依据X射线经过物质时会损失能量的原理，利用Geant4模拟了X射线吸收成像的过程，实现了模拟不同尺寸的X射线源对小球进行吸收成像的目标，该模拟表明Geant4可用于模拟X射线成像系统的验证。同时还利用基于Geant4开发的蒙特卡洛模拟程序对X射线折射效应进行了模拟，对模拟结果进行了对比分析并验证了程序的可行性。

摘要： 征稿背景可控核聚变作为面向国家重大需求的前沿颠覆性技术,具有资源丰富、环境友好、固有安全等突出优势,是目前认识到的能够最终解决人类能源问题的重要途径之一,对我国经济社会发展、国防工业建设具有重要战略意义。可控核聚变是我国核能发展“热堆—快堆—聚变堆”三步走战略体系的重要组成部分,是解决国家能源需求、助推“双碳”目标实现、促进能源新体系构建和保障国家能源安全的关键科技变量。近年来,随着可控核聚变实验不断取得新突破,以及以高温超导为代表的硬件技术不断发展,全球范围内致力于可控核聚变商业化探索的公司及投资不断涌现,可控核聚变实现商业化发电的未来已经越来越近!

关键词： 荧光光谱   多波长紫外发光二极管   地表水   多环芳烃   快速检测  

摘要： 针对地表水中有机污染物现场、快速和准确检测的需求，采用紫外发光二极管(UV-LED)研制了一种多波长便携式光谱检测装置，并开发了相应的光谱检测方法。通过测量荧光光谱和吸收光强度，结合多波长光谱相关性计算方法对目标物进行分析，可对在260～370 nm紫外区有响应的有机污染物进行定性和定量检测。应用本装置和建立的方法对多环芳烃(PAHs)和罗丹明B进行检测，在吸收模式下，蒽和罗丹明B的线性范围分别为10～100 mg/L和8.5～100 mg/L；在荧光模式下，蒽和罗丹明B的线性范围分别为0.006～50 mg/L和0.02～0.78 mg/L；在吸收/荧光双模式下，蒽和罗丹明B的检测范围可分别扩大到0.006～100 mg/L和0.02～100 mg/L。在吸收和荧光模式下，本方法检测地表水中PAHs的加标回收率分别为97.4%～105.1%(蒽)和84.5%～91.2%(蒽、萘和芘)，两种模式下均具有良好的检测准确性。采用优化的多波长光谱相关性计算方法对PAHs混合物进行识别验证，结果表明，在目标物的线性浓度范围内，本方法用于识别含有单一或混合目标物的两种不同浓度溶液时，其相似度可达到75%以上；在识别两种不同物质的溶液时，相似度低于25%，表明本方法对目标物具有较好的识别性。本研究将荧光和吸收光谱双检测模式结合，拓展了光谱法在水质污染物快速识别和检测中的应用范围，为地表水中PAHs的现场快速检测提供了有效手段。