强激光与粒子束
2024, 36(4): 043031
1 山西大学 激光光谱研究所 量子光学与光量子器件国家重点实验室, 山西 太原 030006
2 山西大学 极端光学协同创新中心, 山西 太原 030006
3 中石油化工股份有限公司石油化工科学研究院, 北京 100083
4 中国兵器科学研究院, 北京 100089
5 山西新华防化装备研究院有限公司, 山西 太原 030041
6 西安工业大学 光电工程学院, 陕西 西安 710021
7 山西格盟中美清洁能源研发中心有限公司, 山西 太原 030032
为了消除激光诱导击穿光谱技术（laser-induced breakdown spectroscopy，LIBS）中的自吸收效应，提高元素定量分析的精确度，同时满足工业中便捷分析元素的要求，需将自吸收免疫激光诱导击穿光谱技术（self-absorption free laser-induced breakdown spectroscopy，SAF-LIBS）的装置小型化。本文提出了一项新型的高重频声光门控SAF-LIBS定量分析技术，使用高重频激光器产生准连续的等离子体以增强光谱强度，并将声光调制器（acousto-optic modulator，AOM）作为门控开关，从而使微型CCD光谱仪和AOM能够代替传统大型SAF-LIBS装置中的像增强探测器（intensified charge coupled device，ICCD）和中阶梯型光栅光谱仪，实现自吸收免疫的同时缩小了装置的体积，降低了装置的成本。将该系统参数进行优化选择后，对样品中的Al元素进行了定量分析和预测。实验结果表明，等离子体的特性受激光重复频率的影响进而会影响光谱信号的强度。在1 ~ 50 kHz激光重复频率范围内，Al I 394.4 nm和Al I 396.15 nm的双线强度先增强后减弱，确定最佳的激光重复频率为10 kHz。在不同的光纤采集角度下，Al的双线强度比随延迟时间的增加而减小，在45°处信噪比最高，且在一定的积分时间下，最佳光学薄时间tot为426 ns。在激光重复频率为10 kHz、光纤采集角为45°、延迟时间为400 ns的条件下，对Al元素进行定量分析和预测结果表明，Al元素定标曲线的线性度R2为0.982，平均绝对测量误差相对于单一LIBS的0.8%可以降低至0.18%。定量分析结果与传统大型SAF-LIBS装置的测量精度相持平。因此本高重频声光门控SAF-LIBS装置不仅有效地屏蔽了光学厚等离子体中的连续背景辐射和谱线加宽，同时具备小型化、低成本、高可靠性的优点，有助于推动SAF-LIBS技术由实验室走向工业应用。
激光诱导击穿光谱 自吸收免疫 光学薄 高重频激光器 声光门控 laser-induced breakdown and spectroscopy self-absorption free optically thin high repetition rate laser acousto-optic gating
1 西安交通大学电气工程学院，电气绝缘与电力设备国家重点实验室，陕西 西安 710049
2 西安交通大学电子科学与工程学院，电子物理与器件教育部重点实验室，陕西 西安 710049
面向天然页岩与砂岩矿物元素组分快速定量分析的检测需求，笔者搭建了具有自动化分析功能的显微分析激光诱导击穿光谱系统，并采用该系统对油气页岩与砂岩天然岩石样本进行了快速检测。分析了砂岩与页岩光谱的不确定度差异，形成了流程化的包括光谱数据提取、筛选、校正、归一化的预处理方法，有效降低了单一样本与样本间光谱不确定度。基于偏最小二乘回归，形成了模型输入参数优化流程，避免了模型过拟合与欠拟合，提高了定量预测准确度。对岩石中的Si、Ca、Fe、Al、Mg等元素进行了定量分析，多数样本的平均预测均方根误差小于1%。本研究为天然岩石的矿物组分分析与岩性识别提供了技术支持。
光谱学 激光诱导击穿光谱 页岩 砂岩 光谱预处理 元素定量分析
1 西安交通大学电气绝缘与电力设备国家重点实验室，陕西 西安 710049
2 中国原子能科学研究院，北京 102413
3 西安交通大学电子物理与器件教育部重点实验室，陕西 西安 710049
针对核工业辐照环境下铀等元素组分远程测量的需求，基于光纤式激光诱导击穿光谱系统，研究了铀矿石样品中铀元素谱线强度的影响因素及其定量测量方法。在实验中，采用光纤传输30 mJ脉冲激光并将其聚焦在铀矿石粉末压片上产生激光诱导等离子体，然后通过同轴光纤回传等离子体自发光。首先，研究了气氛环境对铀元素谱线的影响。结果显示：氦气气氛下铀质量分数为0.425%的样本的U II 409.013 nm谱线的信噪比相比空气气氛下提高了1.37倍，同时，氦气气氛下铀质量分数为0.0726%的样本的U II 409.013 nm谱线的信噪比达到了8.9。其次，根据谱线信噪比、信背比和净强度将系统的探测延时优化至1000 ns。最后，提出了一种基于内标法原理的多元线性定标方法，通过引入基质元素与铀的谱线比值进行回归，使得铀的检测限达到142 mg/kg，定量限达到426 mg/kg。与基于谱线峰值的单变量回归方法相比，所提多元线性定标方法将铀元素的定标决定系数R2从0.9711提升到0.9984，均方根误差从0.200%减小到0.0404 %。本文方法和研究结果可为铀元素含量的测量提供技术支撑。
光谱学 激光诱导击穿光谱 铀矿 元素检测 多元定标法
Author Affiliations
Abstract
1 School of Electronic and Information Engineering, Foshan University, Foshan 528000, P. R. China
2 School of Mechatronic Engineering and Automation, Foshan University, Foshan 528000, P. R. China
3 China-Australia Institute for Advanced Materials and Manufacturing, Jiaxing University, Jiaxing 314001, P. R. China
4 School of Materials Science and Hydrogen Energy, Foshan University, Foshan 528000, P. R. China
5 School of Physics and Optoelectronic Engineering, Foshan University, Foshan 528000, P. R. China
Ferroelectric ceramics have the potential to be widely applied in the modern industry and military power systems due to their ultrafast charging/discharging speed and high energy density. Considering the structural design and electrical properties of ferroelectric capacitor, it is still a challenge to find out the optimal energy storage of ferroelectric ceramics during the phase-transition process of amorphous/nanocrystalline and polycrystalline. In this work, a finite element model suitable for the multiphase ceramic system is constructed based on the phase field breakdown theory. The nonlinear coupling relationship of multiple physical fields between multiphase ceramics was taken into account in this model. The basic structures of multiphase ceramics are generated by using the Voronoi diagram construction method. The specified structure of multiphase ceramics in the phase-transition process of amorphous/nanocrystalline and polycrystalline was further obtained through the grain boundary diffusion equation. The simulation results show that the multiphase ceramics have an optimal energy storage in the process of amorphous polycrystalline transformation, and the energy storage density reaches the maximum when the crystallinity is 13.96% and the volume fraction of grain is 2.08%. It provides a research plan and idea for revealing the correlation between microstructure and breakdown characteristics of multiphase ceramics. This simulation model realizes the nonlinear coupling of the multiphase ceramic mesoscopic structure and the phase field breakdown. It provides a reference scheme for the structural design and performance optimization of ferroelectric ceramics.
Ferroelectric ceramics phase transition phase-field model dielectric breakdown energy storage Journal of Advanced Dielectrics
2024, 14(1): 2245001
强激光与粒子束
2024, 36(1): 013004
1 国网天津市电力公司高压分公司，天津 300232
2 中国电子信息产业集团有限公司，北京 100080
超导电缆相比于传统电缆具有导体无电阻损耗、传输容量大、可靠性高等优势，但作为其主绝缘的聚丙烯层压纸因具有较高的损耗因数导致超导电缆运行中的介质损耗大，增大冷却系统的负荷。采用具有低损耗因数的聚四氟乙烯滤纸取代聚丙烯层压纸中的牛皮纸层，通过热压法与聚丙烯膜形成具有两侧多孔可浸润液氮的三明治结构复合绝缘，测试结果表明超导电缆中以聚四氟乙烯/聚丙烯复合材料取代聚丙烯层压纸作为主绝缘，将使介质损耗降低一半以上。同时，由于聚四氟乙烯/聚丙烯复合材料与高温超导电缆中作为冷却剂的液氮间更小的介电常数差异以及液氮击穿的体积效应，采用具有更小孔径的聚四氟乙烯滤纸制成的低介损复合绝缘具有更强的抗局部放电的能力和更高的交流绝缘击穿强度，可极大提升高温超导电缆的绝缘可靠性。
超导电缆 介质损耗 复合绝缘 局部放电 绝缘击穿 superconducting cable dielectric loss composite insulation partial discharge insulation breakdown 强激光与粒子束
2024, 36(3): 033013
Author Affiliations
Abstract
National Key Laboratory of Solid-State Microwave Devices and Circuits, Hebei Semiconductor Research Institute, Shijiazhuang 050051, China
In this letter, high power density AlGaN/GaN high electron-mobility transistors (HEMTs) on a freestanding GaN substrate are reported. An asymmetric Γ-shaped 500-nm gate with a field plate of 650 nm is introduced to improve microwave power performance. The breakdown voltage (BV) is increased to more than 200 V for the fabricated device with gate-to-source and gate-to-drain distances of 1.08 and 2.92 μm. A record continuous-wave power density of 11.2 W/mm@10 GHz is realized with a drain bias of 70 V. The maximum oscillation frequency (fmax) and unity current gain cut-off frequency (ft) of the AlGaN/GaN HEMTs exceed 30 and 20 GHz, respectively. The results demonstrate the potential of AlGaN/GaN HEMTs on free-standing GaN substrates for microwave power applications.
freestanding GaN substrates AlGaN/GaN HEMTs continuous-wave power density breakdown voltage Γ-shaped gate Journal of Semiconductors
2024, 45(1): 012501
1 吉林大学白求恩第一医院核医学科，吉林 长春 130021
2 空军航空大学航空基础学院，吉林 长春 130022
3 空军航空大学作战勤务学院，吉林 长春 130022
4 吉林大学原子与分子物理研究所，吉林 长春 130012
针对飞秒脉冲激光诱导击穿光谱（fs-LIBS）中Al靶温度对AlO分子光谱的影响进行了实验研究。通过测量AlO分子的光谱强度和振动温度，发现Al靶温度对fs-LIBS技术中AlO分子的光谱特性有显著的影响。研究结果表明，提高靶材温度能有效增强fs-LIBS中AlO分子的光谱信号强度，并提高分子的振动温度和寿命。此外，时间分辨光谱分析结果还揭示出在高Al靶温度条件下，AlO分子的辐射寿命较长，光谱信号强度较强。这意味着在高温下，分子能够停留更长的时间，增加了光谱信号的持续时间。通过调控飞秒激光能量和靶材温度，可以获得更强的分子发射和光谱信号，从而实现更高的灵敏度和准确性。研究结果为fs-LIBS技术中样品温度对分子光谱的调控机制研究提供了实验数据。
光谱学 激光诱导击穿光谱 飞秒激光 分子光谱 样品温度 AlO
