科学
快脉冲直线变压器型驱动源(FLTD)是近年来快速发展的新型脉冲功率源技术,多采用多间隙气体开关作为开关器件。电晕均压措施有利于提升开关击穿性能,但不同气体中电晕放电有显著区别。本文首先研究了空气中针电极对单间隙电晕放电特性的影响,确定了电晕针电极的尺寸,之后研究了N2,CO2,SF6/N2混合气体、C4F7N/N2混合气体中的电晕放电特性,研究了电晕均压6间隙气体开关击穿电压及其稳定性随气体种类和气压的变化规律。实验结果表明,N2中电晕电流较大且不稳定,空气中电晕电流比N2中低,且电晕放电较为稳定,微量强电负性气体加入会极大降低电晕放电电流。当采用空气和N2作绝缘介质时,气体开关击穿电压随气压升高线性增加,但存在低值击穿,微量强电负性气体混合N2可显著提升击穿电压的稳定性。1%SF6/99%N2混合气体在0.18 MPa时,击穿电压约为197.33 kV,标准偏差占击穿电压比例为1.50%,1% C4F7N /99%N2混合气体在0.15 MPa时,击穿电压约为190.42 kV,标准偏差为0.55%。这表明,微量环保替代气体C4F7N与N2的混合气体对于提升多间隙气体开关击穿电压稳定性有显著作用。 关键词: 电晕均压; 多间隙开关; 电晕特性; 自击穿特性 中图分类号: TM85 文献标志码: A doi: 10.11884/HPLPB202032.0358Effect of gas medium on corona discharge for voltage balance andself-breakdown characteristics in multi-gaps gas switchLiu Xianfei, Tang Zhao, Liu Xuandong(SchoolofElectricalEngineering,Xi`anJiaotongUniversity,Xi`an710049,China)Abstract: The fast linear transformer drive (FLTD) is a new type of pulse power source developing rapidly inrecent years. It usually adopts multi-gap gas switch (MGS) as its primary switch. The corona discharge for voltagebalance was proposed to improve the switch breakdown performance. However, great difference of corona dischargein different gases may exist and affect the performance of MGSs. In this paper, the effects of needle electrode in air onsingle-gap corona discharge characteristics are studied. The size of corona needle electrode is determined. Then, thecorona discharge characteristics in N2, CO2, SF6/N2 and C4F7N/N2 are studied. The breakdown voltage of the 6-gapgas switch and its stability with the gas type and pressure are studied. The experimental results show that the coronacurrent is high in N2. The corona current in air is lower and the corona discharge is stable in air. The addition ofelectric negative gas will greatly reduce the corona current. When air and N2 are used as the switch gas, the breakdownvoltage of the switch increases linearly with the increase of gas pressure, but there is a low breakdown voltagesometimes. When electric negative gas is mixed with N2, the breakdown voltage is significantly higher. When thepressure of 1%SF6/99%N2 mixed gas is 0.18 MPa, the breakdown voltage is about 197.33 kV and the ratio of thestandard deviation to the breakdown voltage is 1.50%.When 1% C4F7N/99%N2 mixed gas is 0.15 MPa. Thebreakdown voltage is about 190.42 kV, and the standard deviation is 0.55%. This indicates that the mixed gas ofC4F7N and N2 has a significant effect on improving the breakdown voltage stability of multi-gap gas switch.Key words: corona discharge for voltage balance; multi-gap gas switch; corona characteristics; self-breakdown characteristics * 收稿日期:2019-09-16; 修订日期:2019-12-20基金项目:国家自然科学基金青年基金项目(51207127)作者简介:刘现飞(1997-),男,硕士研究生,从事脉冲功率技术的研究;liuxianfei2015@stu.xjtu.edu.cn。025012-1强 激 光 与 粒 子 束脉冲功率技术经过几十年的发展,如今在医学、环保、工业、材料等众多领域都有着十分广泛的应用[1]。快直线变压器型驱动源技术(FLTD)是近年来得到快速发展的一种新型脉冲功率结构,多种FLTD模块结构或者概念模型也被陆续提出[2-4],相关技术发展也越来越成熟[5-6]。而制约FLTD发展的一个很重要的因素就是其内部所需的数量庞大的开关。开关的性能直接决定了FLTD的性能。而FLTD为了要实现电压的叠加输出,需要其内部的所有开关相互独立工作,严格按照固定时序导通,因此要求各个开关必须非常可靠,在其工作电压下要有很低的自击穿概率。多间隙开关凭借其结构简单、传导脉冲电流大、工作电压高、击穿电压相对比较稳定等特点,在FLTD中有着非常广泛的应用[7-8],但是传统的多间隙串联开关各个间隙之间主要是靠绝缘子的表面电阻进行电压的分配,容易造成电压不均。俄罗斯托木斯克强流电子学研究所(HCEI)提出了在多间隙开关中利用针电极电晕放电产生的电晕电流来进行强制均压的方式[9],使串联间隙的电压均匀分布,降低击穿电压的分散性[10],改善开关性能。国内外的一些学者对电晕均压气体开关技术进行了研究,A. Kim等学者[10]研究发现电晕针的加入并未使单间隙击穿电压发生明显降低,西北核技术研究所姜晓峰等学者[11]实验发现在干燥空气工作介质0.1 MPa到0.25 MPa间的各个工作点下,开关击穿电压分散性较之无均压措施的开关明显降低,开关在0.4 MPa,±100 kV的工作条件下,自击穿的概率在1×10-4以下。这表明电晕均压是一种有效的均压方式,但是仍需通过进一步研究确定电晕针尺寸最优配置,同时能否通过气体介质的合理选择,进一步提升电晕均压特性和自击穿特性,还有待进一步研究。因此本文针对上述问题,通过空气中针电极对电晕放电特性和单间隙击穿电压的影响,确定电晕针电极的尺寸,进而研究不同气体介质对电晕放电特性,以及6间隙气体开关击穿电压及其稳定性的影响规律。1 电晕均压多间隙开关结构及实验电路多间隙开关结构如图1所示,由2个高压电极、5个中间电极、电晕针、绝缘外壳及气嘴组成,高压电极端盖用于连接外部电路,中间电极通过平头螺钉固定在绝缘筒壁的V型槽内,电极厚度为2 cm。开关共有6个间隙,长度均为5 mm。除正高压电极外,其余每个电极均安装有电晕针,针尖指向正高压电极,针安装处到电极下表面的距离为9 mm。开关中间电极为触发电极。开关的气嘴安装在绝缘外壳的侧面。开关绝缘子由有机玻璃制成,电极端盖和中间电极由不锈钢制成。 单间隙电晕特性实验电路如图2所示,100 kV直流电源通过1.5 MΩ的充电电阻连接到40 nF电容器C,再通过100 MΩ的保护电阻连接到开关间隙。开关两端电压由电阻分压器测量,分压比为30 312∶1,线性度良好。电晕电流由微安表测量,在其两端并联气体放电管(GDT)以保护微安表。多间隙开关自击穿特性实验电路如图3所示,多间隙开关的正负高压电极分别连接到正负充电的40 nF电容C,由±120 kV直流高压电源经20 MΩ电阻充电,负载电阻RL为水溶液电阻。开关两端电压由电阻分压器测量,分压器分压比为8 330:1。Fig. 1 Structure of multi-gap gas switch with coronaneedles for voltage balance图 1 电晕均压多间隙开关结构图 Fig. 2 Test circuit of single gap coronadischarge characteristics图 2 单间隙电晕特性实验电路Fig. 3 Test circuit of multi-gap gas switchself-breakdown characteristics图 3 多间隙开关自击穿特性实验电路025012-2middleelectrodetriggerelectrodecoronaneedleDC40nF+−μAgasgapGDTR1R2MGS40nF40nFresistancedividerRL20MΩ刘现飞等: 气体介质对多间隙气体开关电晕均压与自击穿特性的影响2 电晕均压单间隙电晕特性2.1 针尺寸对电晕特性的影响选取电晕针长度为4,6,8,10,12 mm,电晕针长度为4~8 mm时,电晕针未突出上电极表面,长度增加至10,12 mm时,电晕针将突出上电极表面。选取电晕针的直径为0.7,0.9,1.3 mm,三种直径针对应针尖曲率半径为29,74,217 μm。一个大气压自然空气中不同针尺寸单间隙电晕特性如图4所示,在同一直径下,随针长度增加,电场不均匀程度增加,电晕起始电压降低,电晕电流增大,曲线陡度变大,说明随针长度增加,电晕电流对电压变化更加敏感,在高电压下将会使得电晕均压电流过大。针长度过小时,电晕起始电压高,电晕电流小,也会影响均压效果,所以电晕针长度为6~8 mm较合适。 Fig. 4 Corona discharge characteristics of single gap under different needle size图 4 不同针尺寸下单间隙电晕特性在同一针长度下,随着针直径即针尖曲率半径的增大,其电晕起始电压有略微升高,但差别较小。在针直径为0.7 mm时,间隙电压确定不变情况下,电晕电流存在小幅波动,存在不稳定的情况。同时考虑到随着放电进行,针尖会出现因烧蚀而产生的钝化[11],所以最终针直径选取0.9 mm,即使针尖发生钝化,曲率半径变大,由于0.9 mm直径与1.3 mm直径电晕针单间隙电晕特性差别较小,此时开关仍可具有均压效果。综上,针电极长度6~8 mm,直径0.9 mm时,具有较为稳定的电晕放电特性,可应用于电晕开关。本文采用长度为6 mm,直径为0.9 mm的电晕针。2.2 气体介质对电晕特性的影响N2作为一种常见的绝缘工作介质气体,也常应用于气体开关中[12]。SF6电气强度高,常被作为绝缘气体应用于各种电力设备中[13],但SF6 全球变暖潜能值(GWP)很高,有显著的重温室效应[14],因此常与N2混合使用,同样具有很好的绝缘效果。C4F7N作为一种可能的环保替代气体,其GWP值约为SF6的十分之一,而绝缘强度大约为SF6的两倍,最近几年获得了广泛的关注和研究[15]。干燥空气和CO2两种介质下不同气压单间隙电晕特性如图5所示,电晕电流较低,随气压升高,电晕起始电压升高,电晕电流上升趋势减缓,曲线整体右移。随间隙间电压升高,针尖作为负极首先发生电子崩,产生正负带电粒子,负带电粒子即电子以很快速度移向正电极,正离子则缓慢移向针尖,聚集在针尖附近的正离子增强了尖端附近电场,使得电晕开始发展,而气体介质中二氧化碳及氧气等分子电子亲和能较大,易吸附电子,形成负空间离 Fig. 5 Corona discharge characteristics of single gap under different pressure in air and CO2图 5 空气和CO2中不同气压下单间隙电晕特性025012-34681012140204060801000204060801004mm6mm8mm10mm12mm4mm6mm8mm10mm12mm4mm6mm8mm10mm12mmU/kVU/kVI/μAI/μA020406080100I/μA468101214U/kV468101214101520253035051015202530350.10MPa0.15MPa0.20MPa0.25MPa0.30MPa0.35MPaU/kVU/kVI/μA05101520253035I/μA812162024280.10MPa0.15MPa0.20MPa0.25MPa0.30MPa0.35MPa强 激 光 与 粒 子 束子,同样聚集在针尖附近,削弱电晕层电场,使得空气和CO2介质中电晕发展稳定,电晕电流较小。随气压升高,间隙中电负性分子浓度增大,更易吸附电子形成负空间离子,电晕更加稳定。CO2作为纯电负性气体,用于工作介质时电晕电流低于空气介质。N2介质下单间隙电晕特性如图6所示,电晕起始电压低于空气介质下,电晕电流较大。高气压下氮气中电晕同样存在不稳定现象,即固定间隙电压下,电晕电流存在波动,这不利于电晕均压。N2分子中含有氮氮三键,化学性质十分稳定,电子亲和能几乎为0,很难吸引电子,电晕发展较快。 Fig. 6 Corona discharge characteristics of single gap under different pressure in N2图 6 N2中不同气压下单间隙电晕特性SF6/N2,C4F7N/N2混合气体介质下实验结果如图7所示,混合气体中SF6及C4F7N的体积分数为5%。SF6/N2和C4F7N/N2介质下电晕电流低于N2介质下,电晕电流随电压上升趋势减缓。说明N2中混入少量强电负性气体SF6或C4F7N同样可以使电晕特性变稳定。 Fig. 7 Corona discharge characteristics of single gap under different pressure in SF6/N2 and C4F7N/N2图 7 SF6/N2与C4F7N/N2中不同气压下单间隙电晕特性3 电晕均压多间隙开关自击穿特性对比研究了空气、N2,CO2,SF6/N2,C4F7N/N2下多间隙开关的自击穿电压,混合气体中SF6或C4F7N的体积分数分别为1%,3%,5%。开关最高工作电压约为200 kV。对于每一种气体介质,首先调整气压使开关击穿电压达到200 kV左右,重复放电100次,以研究同一工作条件下自击穿电压的分散性,然后再逐渐降低气压选取工作点,研究不同气压下的自击穿电压。除最高气压外,其余每一个工作条件下重复放电30次。不同气体介质下自击穿电压随气压的变化规律如图8所示。可见,多间隙气体开关的自击穿电压随气压升高,基本呈线性升高趋势。空气下击穿电压略高于CO2,N2下击穿电压高于空气,而SF6,C4F7N的绝缘强度较高,分别为空气的3倍和7倍左右[16],N2中混入少量SF6或C4F7N之后击穿电压有明显的提升。图9为两种混合气体在混合浓度分别为1%,3%,5%下的击穿电压情况,击穿电压随SF6或C4F7N的体积分数的增大而增大,所以在N2中加入少量SF6或C4F7N可以明显的提高多间隙开关的击穿电压,使其应用于耐压更高的场合。025012-44681012141618200204060800.10MPa0.15MPa0.20MPa0.25MPa0.30MPa0.35MPaU/kVU/kVI/μA020406080I/μA810121416182022242628N2,0.15MPaN2,0.20MPaN2,0.25MPaair,0.15MPaair,0.20MPaair,0.25MPa8121620242801020304050607080U/kVU/kVSF6/N2,0.15MPaN2,0.15MPaN2,0.20MPaN2,0.25MPaSF6/N2,0.20MPaSF6/N2,0.25MPaI/μAI/μA8121620242801020304050607080C4F7N/N2,0.15MPaC4F7N/N2,0.20MPaC4F7N/N2,0.25MPaN2,0.15MPaN2,0.20MPaN2,0.25MPa刘现飞等: 气体介质对多间隙气体开关电晕均压与自击穿特性的影响 对于100次放电的工作点情况,空气介质下,0.27 MPa工作点处击穿点压均值为197.62 kV,击穿电压标准差占均值为1.61%,分散性很小,N2和CO2介质下,0.2,0.3 MPa工作点处击穿电压均值为200.10,191.36 kV,标准差占均值为3.30%,2.59%,分散性相对较大。三种气体介质下均存在低电压击穿点,但是出现概率较低,空气介质与CO2介质中为3%,N2介质中为4%。 含SF6体积分数为1%,3%,5%的SF6/N2介质下0.18,0.16,0.14 MPa工作点处击穿电压均值为197.33,188.09,186.60 kV,标准差占均值为1.50%,1.25%,1.11%,分散性小于空气中的情况。含C4F7N体积分数为1%,3%,5%的C4F7N/N2介质下0.15,0.14,0.12 MPa工作点处击穿电压均值为190.42,193.74,198.40 kV,标准差占均值为0.55%,0.85%,0.67%,分散性最小。两种混合气体介质无低电压击穿点。以SF6为例进行分析,SF6作为强电负性气体,电子亲和能很高,针尖附近电晕放电产生初始电子后,初始电子在电场加速过程中易与SF6分子发生吸附反应;并且SF6气体分子体积较大,即碰撞横截面较大,碰撞反应发生几率也较高。所以开关采用SF6/N2气体介质时,初始电子在向阳极移动过程中会易发生吸附和碰撞,平均自由程较短,很难发展成为高能电子;再加上吸附反应产生的负离子SF6和SF5等会进一步削弱针尖附近电晕层电场,使得放电不易在低电压下转入电子崩阶段,电子电流不存在激增,开关稳定工作。Fig. 8 Distribution of breakdown voltage of differentpressures in different gas media图 8 不同气体介质下不同气压击穿电压的分布 Fig. 9 Distribution of breakdown voltage of different pressures in mixtures of different mixed concentration图 9 混合气体不同混合浓度下不同气压的击穿电压分布4 结论本文针对不同气体介质下单间隙电晕特性和多间隙开关击穿特性进行了研究,实验结果表明:(1)随着电晕针长度的增加,单间隙电晕起始电压降低,电晕电流增大。针电极长度6~8 mm,直径0.9 mm时,具有较为稳定的电晕放电特性,可应用于电晕开关。(2)空气介质下电晕发展较稳定;N2介质下,电晕电流变大;CO2介质下,电晕电流低于空气介质下;SF6/N2,C4F7N/N2介质下,相比N2,电晕电流大幅降低,说明在N2中混入少量的SF6或C4F7N可以使电晕特性变稳定。(3)空气、N2,SF6/N2,C4F7N/N2介质下开关击穿电压随气压升高而线性升高,CO2介质下在较高气压略有饱和趋势。空气介质下,分散性很小,但存在低电压击穿点;N2和CO2介质下,分散性相对大一些,同样存在低电压击穿点;而在SF6/N2,C4F7N/N2介质下分散性最小,并且无低电压击穿点,这表明,SF6/N2,C4F7N/N2为开关的良好气体介质,特别是环保替代气体C4F7N与N2的混合气体对于提升电晕均压多间隙气体开关击穿电压稳定性有显著的作用。参考文献:[1] 江伟华. 高重复频率脉冲功率技术及其应用: (6)代表性的应用[J]. 强激光与粒子束, 2014, 26:030201. 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常温下利用TiO2陶瓷靶采用射频磁控溅射法在玻璃衬底上制备了N掺杂TiO2薄膜。利用光学轮廓仪、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪分析(XPS)和分光光度计等对薄膜的沉积速率、化学组成、晶体结构和禁带宽度进行了系统研究。结果表明:磁控溅射N2流量和退火处理对薄膜的微观结构和性能有重要的影响。退火前,薄膜由非晶态TiO2构成;退火后,薄膜呈现锐钛矿相和金红石相的混合相。随着磁控溅射系统中N2流量的增加,退火前禁带宽度从3.19eV减少到2.15eV;退火后,薄膜由非晶相TiO2组织转化为锐钛矿TiO2和金红石TiO2构成的浑河相组织,禁带宽度相比退火前的非晶相TiO2薄膜略有增加。
未知化学武器弹药的定性识别在犀护社会安全方面是十分重要的,可指导化学武器的分类处理。瞬发伽马射线中子活化分析(PGNAA)技术利用分析活化产生的伽马射线能谱可以实现对物质中元素的无损,快速检测,在化学武器识别中具有独特的优势。因此,本研究基于PGNAA技术进行了化学武器弹药类型识别装置的设计,同时使用逻辑树判别方法对化学武器样品进行定性分析。首先,基于高纯锗(HPGe)探测器与Cf-252中子源,使用蒙特卡罗MCNP程序对装置结构进行设计优化,主要包括中子源容器尺寸、伽马屏蔽体厚度以及探测器相对位置等。为了最大化样品活化产生的特征伽马射线,需要提高样品位置处的热中子通量,采用聚乙烯作为慢化体,模拟结果显示聚乙烯厚度达到6cm,宽度达到12cm时,样品中热中子通量达到较高水平。为了降低周围材料活化噪声的干扰,选择铅作为屏蔽结构,模拟显示铅屏蔽厚度达到5cm时,可满足屏蔽要求。同时,探测器与样品之间的距离也会影响对伽马射线的探测,最终模拟确定探测器与样品之间的距离为28cm时,特征信号计数最高。根据优化结果搭建测量装置,使用分析纯试剂根据真实化学武器元素含量配制化学武器模拟样品,通过对5种化学武器模拟样品的测量获得伽马能谱。对能谱中的特征峰处理过程中,基于特征峰对元素进行分析,针对计数统计性较好的元素(如H,Cl,S)的特征峰,使用高斯及多项式拟合的方式对特征峰处的高能量康普顿平台进行扣除,获得特征伽马射线的全能峰信息。而对统计性较差的元素特征峰(如N元素的10.829MeV),采用能量区间加和法,对该能量下的全能峰至单逃逸峰之间的计数求和,进而可确定该元素在样品中的存在情况,最后利用建立的逻辑树判别方法根据元素存在信息对样品类型进行判别。实验结果表明,利用该优化的装置可以获得5种模拟样品的能谱,结合能谱分析方法可以得到化学武器模拟样品中的H,Cl,S和N等元素的存在信息,最后使用逻辑树判别方法可以对化学武器样品种类进行判别。关键词化学武器;PGNAA;核素识别;装置优化设计;特征峰拟合分析中图分类号:O582文献标识码:ADOI:10.3964/j.issn.1000-0593(2019)12-3653-06收稿日期:2018-10-13,修订日期:2019-02-06基金项目:国家重点研究发展计划项目(2017YFF0104200),国家自然科学基金项目(11775113),南京航空航天大学研究生创新基地(实验室)开放基金项目(kfjj20180607)和江苏高校优势学科建设工程项目平台资助作者简介:汤亚军,1993年生,南京航空航天大学核科学与技术系硕士研究生e-mail:tangyajun@nuaa.edu.cn*通讯联系人e-mail:heidq@nuaa.edu.cn引言在处置遗弃武器弹药的过程中,常常会因为标识不清而无法分辨弹药的类型,尤其是内部含有危险化学试剂的时候,处理不当会对人员、环境带来严重的后果,所以有必要在处理之前对化学武器类型做出准确判别。常规检测化学武器未知弹药的方法有表面增强拉曼散射技术、声表面波传感技术、离子迁移谱技术[1-5],这些技术都是通过检测弹药挥发到空气中的微量物质来获取弹药类型信息,对密封性较好的罐体检测效果不理想。利用中子技术检测武器弹药中比较成熟的产品有美国爱达荷实验室开发的PINS(portableiso-topicneutronspectroscopy)系统[6],自1991年应用以来,已成功检测出数百枚埋藏地下的未知弹药。何铁[7]等设计了一套基于快中子的化学战剂识别装置,采用伴随α粒子技术对能谱本底扣除,大幅度降低噪声的干扰,但探测系统及后端处理系统较为复杂,对探测系统的时间分辨能力要求较高。本研究采用的瞬发伽马射线中子活化分析(promptgam-ma-rayneutronactivationanalysis,PGNAA)技术可以对多元素实时在线检测分析,并且具有非破坏性、高灵敏度等特点,在未知弹药检测方面具有独特的优势[8]。文章设计了一套利用中子作为探针,通过分析中子活化产生的瞬发伽马光谱来对样品核素进行判别的装置,为废置弹药的分类和处理提供依据。1系统设计PGNAA技术是通过检测中子与物质相互作用放出的特征伽马射线来区分元素种类及含量的一种分析方法,为了获得更多的具有元素特征的伽马射线信息,需要对慢化体、样品及探测器位置、必要的屏蔽材料等参数进行优化设计,以便有效降低散射中子、散射光子对测量系统的影响。本研究采用蒙特卡罗MCNP程序,通过中子、伽马射线输运的模拟研究,给出了PGNAA系统的优化设计方案,见图1中所示。下面对模拟设计的相关问题进行简单描述。图1PGNAA系统优化设计方案示意图Fig.1TheschematicdiagramofPGNAAoptimizeddesign1.1慢化体及屏蔽体优化装置使用的是Cf-252裂变中子源,中子源平均能量是2.158MeV,大部分中子能量处于快中子区,为了获得更多的辐射俘获所需要的热中子,需要对慢化体的几何结构进行优化设计。为了增加样品处的热中子通量,采用氢含量较高,结构性能较好的聚乙烯作为慢化体,改变慢化体厚度与宽度,MCNP程序计算结果如图2所示,随着慢化体厚度与宽度的增加,样品中的热中子通量逐渐增大,达到一定厚度与宽度后,样品中热中子通量增加速率变小,考虑慢化效果及装置成本,选择中子慢化体厚度为6cm,宽为12cm。中子与探测器相互作用产生的伽马射线会直接沉积在探测器中,对噪声产生较大的贡献。因此,为降低探测器活化噪声的贡献以及中子损伤,在中子源与探测器之间添加对中子吸收能力较强的含硼聚乙烯作为中子吸收体。然而,添加的中子防护体在与中子反应的过程中,其产生的伽马射线同样为干扰噪声的主要来源之一,为减少此部分对于噪声的贡献,在探测器周围设置伽马屏蔽体。一般而言,在PGNAA装置中,通常使用高原子序数、密度较高的材料对伽马射线进行吸收屏蔽,基于此,选择铅作为伽马屏蔽层材料。同时,根据伽马射线衰减规律,伽马射线衰减强度只与屏蔽层厚度和伽马能量有关,在同样屏蔽层条件下,衰减强度与伽马射线强度呈反比。含硼聚乙烯材料与中子发生反应主要产生H(2.22MeV)以及B(0.478MeV)伽马射线,因此,为有效屏蔽含硼聚乙烯材料中产生的伽马射线,需要以H(2.22MeV)特征伽马射线能量为基准进行屏蔽体厚度的优化选择。随着铅屏蔽厚度变化,H特征伽马射线衰减强度结果如图3所示。图2样品热中子计数与慢化体尺寸关系(a):随厚度变化;(b):随宽度变化Fig.2Therelationshipbetweenthenormalizedcountandthesizeofmoderator(a):Thickness;(b):Width图3H特征信号与屏蔽体厚度关系Fig.3TherelationshipbetweenthecharacteristicpeakofHandthethicknessofshielding根据图中的模拟数据,拟合伽马射线衰减曲线式(1)y=9.28887×10-7+1.84757×10-5e-0.71389x(R2=0.99992)(1)4563光谱学与光谱分析第39卷探测器中的氢特征峰计数随屏蔽体厚度的增加而减少,当铅屏蔽体厚度达到5cm时,计数减小率达到92.73%,可以对周围材料产生的大多数干扰信号进行屏蔽,最终选择5cm的铅作为屏蔽体。1.2样品位置优化装置设计过程中使用的模拟样品为芥子气,其中含有C,H和Cl等元素,样品初始放置在与中子源平齐的位置处,与慢化体呈45°角放置,如图4(a)所示。沿y轴方向移动待测样品,改变样品与探测器之间的距离,探测器中Cl元素特征伽马计数变化如图4(b)所示。图4样品位置优化(a):样品移动位置示意图;(b):Cl特征峰与样品位置关系Fig.4Theoptimizationofsampleposition(a):Movingthesample;(b):Therelationshipbetweenthecharac-teristicpeakofClandthesampleposition样品位置发生改变时,样品活化产生的特征伽马射线被探测器探测到的强度也会发生改变。计算结果如图4(b)所示,在距探测器28cm处计数最高,此时探测器可获得更多的特征信号计数,所以样品的最终位置为与探测器表面距离28cm处。2实验部分按照优化设计方案搭建了测量装置,装置由Cf-252中子源、钨屏蔽体、慢化体、中子防护体及铅屏蔽体组成。测量装置平台如图5所示。模拟的样品放置在不锈钢容器内,容器高30cm,半径4.5cm,不锈钢外壳厚度为0.3cm,样品重3kg。使用AR级化学药品(包括氯化钠、聚乙烯、升华硫、三聚氰胺、二氧化硅等)按照特定元素配比制作了化学武器仿真样品,各组样品元素含量如表1所示。图5实验测量装置图Fig.5Experimentalsetup表1化学武器仿真样品元素配比Table1Elementalcompositionofsimulantchemicalweapon编号名称模拟样品元素配比/%CHONSClSiNa样品1HD4.420.74//2045.16/29.68样品2L13.052.18///51.15/33.62样品3CK10.771.8/25.13037.59/24.71样品4VX15.632.6/36.4745.3///样品5沙子//53.33///46.67/实际测量过程中,仅以样品编号代表各化学武器模拟样品,测量样品之前,使用钴-60和铯-137标准源对探测器进行能量响应的标定[9]。探测系统使用的是ORTEC公司生产的效率为30%的N型高纯锗(highpuritygermanium,HPGe)探测器,配合电制冷系统,以及DSPEC-50型号的数字化多道谱仪,中子源使用活度为6×106n·s-1的Cf-252中子源,每个样品测量活时间为36000s。3结果与讨论3.1元素分析对样品的种类识别作要依靠对测量能谱中特征峰计数的分析,中子与样品相互作用产生特征伽马射线能量及截面如表2所示。表2主要元素特征峰及截面Table2Peaksandcrosssectionsofkeyelements元素特征峰能量/keV截面/barnsCl19516.3319594.161116.59H22230.3326S8410.34717200.17522300.56N108290.0113测量结果的部分能谱图如图6所示。5563第12期光谱学与光谱分析图6样品测量能谱图(a):5种样品能谱图;(b):部分元素特征峰;(c):N元素特征峰Fig.6Gamma-rayenergyspectra(a):Spectraof5samples;(b):Characteristicpeaksofpartialelements;(c):CharacteristicpeaksofN图6中可以比较清晰地看到氯元素的辐射俘获峰(1951和1959keV)和硫的特征峰(2230keV),由此可以判断在样品中含有Cl和S元素。在图6(c)中可以看到,N元素的辐射俘获峰(10.83MeV)和它的单逃逸峰(10.31MeV),与Cl和H元素相比,N元素的特征峰较弱,主要原因是作用截面较小,并且探测器在较高能量区域内的探测效率较低,但该特征峰仍然可见,由此可以判断该样品中含有N元素。能谱中的特征峰范围可以认为由两部分组成:全能峰与康普顿平台,当平台计数较高时,会影响对全能峰峰面积的计算,这里采用多项式和高斯拟合的方法对特征峰进行处理,如式(2)f(x)=g(x)+G1(x)+G2(x)+…+Gn(x)(2)式中f(x)是谱函数,为能谱中特征峰范围区间;g(x)是平台函数,可以使用一次多项式、二次多项式或三次多项式拟合,通常采用二次多项式;G(x)是峰形函数,在满足统计涨落的情况下呈正态分布。对能谱中Cl特征峰拟合如图7所示,原始能谱扣除康普顿平台之后呈高斯正态分布,对所有能谱中的Cl和S元素特征峰作拟合扣除康普顿平台后全能峰计数如表3所示。图7Cl特征峰原始能谱与拟合全能峰对比Fig.7ThecomparisonbetweenoriginalspectrumandfittedspectrumofCl表3Cl和S元素拟合扣除本底后全能峰计数Table3ThefullpeakcountsforClandSelementsafterdeductingthebackground样品编号ClS1.951MeV1.959MeV2.230MeV样品165124349569样品2728148480样品3733645720样品400541样品5000对于N元素来说,10.829MeV特征峰能量附近中子相互作用截面小、伽马射线探测效率低导致该能量范围内的计数较较低,统计性较差,无法使用拟合方法扣除康普顿平台。在伽马能谱的高能段部分,只存在少量的电子学噪声,自然本底以及结构噪声的干扰较小,因此可以在全能峰(10.829MeV)至其单逃逸峰(10.31MeV)之间的计数进行加和,利用该能量范围内的计数波动对N元素定性分析(如表4所示),计算结果如表4所示。可以明显看出,样品3和样品4在该能量区域具有较高的计数变化,通过该结果判断样品3和样品4中含有一定量的N元素,与实际相符。表410.31~10.829MeV净计数加和Table4Netcountadditionfrom10.31to10.829MeV样品编号样品1样品2样品3样品4样品5加和计数-23-145122-23.2逻辑树建立及样品判别根据样品中元素的实际存在情况建立样品判别逻辑树,结合实验分析得到的元素存在信息如图8所示(其中0代表无该元素,1代表有该元素),样品1,2和3中存在Cl元素,6563光谱学与光谱分析第39卷样品1和4中存在S元素,样品3和4中含有N元素。已知样品中的元素存在信息,可以利用图8所示的逻辑树判别样品种类,实现判别功能。图8逻辑树判别流程图Fig.8Thelogicaltreeforidentifyingsamples4结论设计了一种基于PGNAA技术对核素进行判别的装置,使用该装置可以对部分化学武器样品种类进行判别。设计过程中主要使用MCNP程序对装置各部分进行了模拟优化,使装置中的样品获得更高的热中子通量,对探测器进行屏蔽防护,尽可能降低周围材料的噪声信号。根据优化结果最终确定慢化体厚度为6cm,宽度为12cm,铅屏蔽体厚度5cm,样品与探测器表面距离为28cm。利用该装置对5种不同的样品进行测量,通过高斯拟合扣除康普顿平台的方法,使用逻辑树及特征峰信号有无对样品种类进行判断,结果表明可以使用该方法识别样品。研究中初步选择的测量时间为36000s,而在实际需求中,对测量时间的要求较高,往往需要在几分钟内判断测量结果,在满足计数统计性的前提下减少测量时间,这将是后续的研究。此外,为了扩大样品的测量范围,可以配置更多种类的样品建立样品库,同时优化谱分析方法,对待测样品元素的检测阈值做研究分析。References[1]LIUPeng,WANGXiao-li,JIANGJin-jun(刘鹏,王小力,姜进军).ChineseJournalofSpectroscopyLaboratory(光谱实验室),2011,28(2):955.[2]XuJY,WangJ,KongLT,etal.JournalofRamanSpectroscopy,2011,42(9):1728.[3]ZHANGPing,MAJin-yi,CHENChuan-zhi,etal(张萍,马晋毅,陈传治,等).Piezoelectrics&Acoustooptics(压电与声光),2015,37(5):734.[4]ZHAOJian-jun,LIUWei-wei,PANYong,etal(赵建军,刘卫卫,潘勇,等).ChemicalSensors(化学传感器),2011,31(1):47.[5]TrnesJA.InternationalJournalforIonMobilitySpectrometry,2016,19(2-3):1.[6]CaffreyAJ,ColeJD,GehrkeRI,etal.IEEETransactionsonNuclearScience,1992,39(5):1422.[7]HETie,ZHENGPu,ANLi(何铁,郑普,安力).HighPowerLaserandParticleBeams(强激光与粒子束),2016,28(5):90.[8]JIAWen-bao,ZHANGYan,HEIDa-qian(贾文宝,张焱,黑大千).SpectroscopyandSpectralAnalysis(光谱学与光谱分析).2014,34(11):3123.[9]CanCheng.AppliedRadiationandIsotopes,2018,145:1.ResearchontheIdentificationofChemicalWeaponBasedonPGNAATechnologyTANGYa-jun1,JIAWen-bao1,2,HEIDa-qian1,2*,LIJia-tong1,CHENGCan1,CAIPing-kun1,SUNAi-yun1,ZHAODong1,HUQiang11.InstituteofNuclearAnalyticalTechnology,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing211106,China2.CollaborativeInnovationCenterofRadiationMedicineofJiangsuHigherEducationInstitutions,Suzhou215000,ChinaAbstractIdentifyingtheunknownchemicalweaponsisanimportantworkformaintainingsocialsecurity,anditcanguidethechemicalweaponsdestruction.Promptgamma-rayneutronactivationanalysis(PGNAA)technologyhastheadvantagesofbeingnon-destructiveandrapid.Inthisresearch,thedevicewasdesignedforidentifyingthechemicalweaponsbasedonPGNAAtechnology,andlogic-tree-baseddiscriminationmethodwasemployedtoconductqualitativeanalysisonsamples.Firstly,withthehighpuritygermanium(HPGe)detectorandCf-252neutronsourceasthecoreinstruments,thestructuresofdevicewereoptimizedusingtheMonteCarloMCNPcode,includingneutronsourcemoderator,thethicknessoftheshieldingbody,andthe7563第12期光谱学与光谱分析relativepositionofthedetector.Tomaximizethecharacteristicgammaraygeneratedbysampleactivation,itisnecessarytoin-creasethethermalneutronfluxinthesample.Inthisresearch,polyethyleneisusedasmoderatortoincreasethescatteringofneutronsbeforethesample,sothatmoreneutronsarethermalized.Thesimulationresultsshowedthatthethermalneutronfluxinthesamplereachesahighlevelwhenthepolyethylenehasathicknessof6cmandawidthof12cm.Inordertoreducethein-terferenceofthesurroundingmaterialactivationnoise,leadisselectedastheshieldingstructure.Andthesimulationshowedthatitcanmeettheshieldingrequirementwhentheleadshieldingthicknessreaches5cm.Atthesametime,thedistancebe-tweenthedetectorandthesamplealsoaffectsthedetectionofgammarays.Thefinalsimulationdeterminesthatthedistancebe-tweenthedetectorandthesampleis28cm,andthecharacteristicsignalcountisthehighest.Accordingtotheoptimizationre-sults,theexperimentaldevicewassetup.Andthesimulatedsamplesofchemicalweaponwerepreparedaccordingtotheactualelementsbyusingtheanalyticalpurereagent,andthegammaspectrumwasobtainedbymeasuringthefivesamples.Intheprocessofanalyzingthecharacteristicpeaksinthespectrum,theelementswereanalyzedbasedonthecharacteristicpeaksoftheelements.Theelementswithwellstatisticwereanalyzedbyusinggaussandpolynomialfitting(suchasH,Cl,S).Thehigh-energyComptonplatformatthecharacteristicpeakwasdeductedtoobtainthefullpeakinformation.Fortheelementcharacteris-ticpeakwithpoorstatistic(suchas10.829MeVoftheNelement),theenergyintervalsummationmethodwasusedtosumthecountsbetweenthefullpeaksandthesingleescapeenergypeaks,sowecangettheinformationoftheelementsinthesample.Finally,thelogic-tree-baseddiscriminationmethodwasusedforsampleidentification.Theanalysisresultsshowedthatthein-formationofH,Cl,S,Nandotherelementsinthesimulatedsamplesofchemicalweaponscanbeobtainedbyusingthespec-trumfittingmethod.Andthetypeofsimulatedsamplesofchemicalweaponcanbeidentifiedbycombininglogic-tree-baseddis-criminationmethod.KeywordsChemicalweapon;PGNAA;Nuclideidentification;Deviceoptimization;Characteristicpeakfittinganalysis(ReceivedOct.13,2018;acceptedFeb.6,2019)*Correspondingauthor8563光谱学与光谱分析第39卷
稿件运行过程收稿日期:2018-08-05修回日期:2018-11-09发表日期:2019-05-10
炸药颗粒的点火燃烧过程一直是人们关注的热点问题.近年来,三维离散元技术在中尺度观测颗粒材料的动力学过程中拥有显著优势.炸药燃烧属于颗粒材料的反应动力学,运用三维离散元技术(DM3)可以有效地观测炸药燃烧传播的过程.以奥克托今(HMX)颗粒为例,本文成功模拟并观测到了HMX颗粒的燃烧反应程度,确定了颗粒开始燃烧反应的时间,以及燃烧反应传播的时间.同时,结合落锤冲击颗粒的三维图像以及其表观压强和放热功率,得到了HMX颗粒燃烧反应、燃烧传播的整个反应动力学过程,包括颗粒在冲击加载下碎化塑性变形的过程,颗粒燃烧反应放热的过程,落锤回弹颗粒喷射的过程等.同时,进一步说明了尖顶颗粒更利于颗粒点火,平顶颗粒有抑制颗粒点火的能力.
1988年夏,在历史罕见的热浪中,NASA气候科学家詹姆斯·汉森在美国参议院听证会上关于全球变暖的证词引起了全世界的高度关注,此后,随着IPCC的建立以及数年一次的IPCC报告的发布,全球变暖逐渐成为国际社会关注的焦点问题。全球变暖看似一个不争的事实,但背后隐藏着经济、政治、文化等多方因素的角逐。在美国,针对气候变暖是否发生、是否应该采取措施应对以及采取什么样的措施应对一直存在争议。这个争议的背后隐藏着多方面因素,本文从环保组织与能源利益集团之间的博弈、两党政治、三权分立与政府治理以及科学评估与国内国际政策制订等视角对美国的气候政策争论进行了分析,阐明了美国气候政策莫衷一是的深层原因。
理论提出并研究了一种基于矩形腔的窄带金属-介质-金属波导滤波器.建立滤波器内电场的传递矩阵模型,研究了矩形微腔与直通波导间耦合特性对器件滤波特性的影响.同时,研究了耦合长度、矩形微腔腔长、传输损耗等因素对滤波带宽的影响.研究结果表明,对于不同的矩形微腔腔长,存在一个可使器件滤波带宽达到最窄的耦合系数.此外,当微腔腔长越长且传输损耗越小时,滤波带宽也将越窄.该研究为表面等离子体波导的研究与设计提供了一定的参考.
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为提高水稻冠层光谱反演水稻田土壤重金属含量的精度,针对实测土壤重金属含量进行信息提取研究,对其分别进行了对数变换、最大值变换和Box-cox变换。在实验分析中,为得到土壤重金属(Cu、Pb、Cd)反演模型,将土壤重金属及其变换数据与冠层光谱及其变换后的数据进行偏最小二乘回归分析,并分析所得模型精度和稳定性。分析结果表明,对测定重金属数据进行变换能够普遍提高模型的精度与稳定性;对属重度污染重金属Pb和中度污染重金属Cd有较好的预测结果,而对未形成污染的Cu则难以形成有效的预测分析。其成果对耕地土壤重金属含量监测评价具有重要的参考价值。
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萌发和幼苗生长的作用规律和作用强度披碱草和冰草的化感作用、以期为退化草原的恢复提供理论依据,。分析狼毒浸提液对,结果表明:1)5种牧草种子3种浓度梯度狼毒浸提液处理对紫花苜蓿种子发芽率均具有抑制作用草和冰草种子具有低促高抑“现象”,25g·L-1处理下披碱草种子发芽率较对照增加,125g·L-1处理下种子发芽率较对照相比减少19.76%,狼毒浸提液对紫花苜蓿幼苗苗高呈现低浓度(≤50g·L-1)促进生长2)草幼苗苗高呈现低浓度(≤25g·L-1)促进生长高浓度,(≥50g·L-1)高浓度,抑制生长(≥75g·L-1)狼毒浸提液对冰草幼苗根长具。33.56%;对披碱冰草增加抑制生长45.91%。对披碱,有抑制作用较对照相比减少,78.21%。狼毒浸提液处理下3种牧草种子萌发和幼苗生长均受到抑制作用且随着,狼毒浸提液浓度的增加抑制作用逐
研究了由一个Jacobi矩阵,两个不同的实数以及两个不同的列向量确定一类非奇异伪Ja-cobi矩阵,使得给定Jacobi矩阵为所确定的伪Jacobi矩阵的顺序主子阵,给定两个不同的实数为此非奇异伪Jacobi矩阵的特征值,且给定两个列向量为这两个实数所对应的特征向量中的一部分。得到了这类矩阵广义逆特征问题有唯一解的充要条件,并且利用此充要条件找到了一个具体的矩阵,验证了所给条件的正确性。
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光作为重要的环境因子,通过植物的光受体系统而对植物生长发育、形态建成、物质代谢、光合作用、基因时空表达模式施加关键的调控作用。立体智慧生态植物工厂是21世纪可持续农业的有机组成部分,在人工生态农业系统中采用精准LED照光技术可以有效促进植物生长、提高品质。文中在简要介绍中国台湾太极光光生物科技股份有限公司的LED智慧农业模式基础上,探讨大陆发展LED植物工厂的发展现状和趋势,借鉴台湾地区模式,强化核心技术研发,定制特异植物的LED光食谱,开发智慧城市家庭植物工厂,推动智慧生态植物工厂产业发展。