1 南华大学 电气工程学院衡阳 421001
2 中国科学院合肥物质科学研究院 等离子体物理研究所合肥 230031
3 中国科学技术大学研究生院 科学岛分院合肥 230031
4 合肥师范学院 物理与材料工程学院合肥 230601
开展托卡马克等离子体中杂质输运与杂质控制研究对于提升等离子体约束性能与保障装置安全有重要意义。为了在EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak）托卡马克装置上开展杂质输运研究，需要发展一套用于注入示踪杂质粒子的激光吹气（Laser Blow-off，LBO）微量杂质注入系统。本文描述了一种用于EAST托卡马克装置上LBO系统的控制系统设计过程与测试结果。该系统采用了全新的自动控制流程，使得系统可以重复、定量地向EAST等离子体注入不同元素的示踪杂质粒子。该设计通过STM32单片机系统实现对聚焦透镜位移、激光器被触发时刻的准确控制，且激光光斑直径可调，以改变杂质注入量。测试结果显示，系统能快速检测到外触发信号并实现精确定时，激光光斑聚焦位置误差小于0.40 mm，达到激光吹气杂质注入实验要求。本研究对在EAST装置上开展等离子体杂质输运研究具有重要意义。
激光吹气杂质注入系统 杂质输运 STM32 控制系统 Laser blow-off impurity injection system Impurity transport STM32 Control system
1 南华大学电气工程学院, 湖南 衡阳 421001 中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所, 安徽 合肥 23003
2 南华大学电气工程学院, 湖南 衡阳 421001
3 中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所, 安徽 合肥 23003
4 中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所, 安徽 合肥 23003中国科学技术大学研究生院科学岛分院, 安徽 合肥 230031
5 合肥师范学院物理与材料工程学院, 安徽 合肥 230601合肥综合性国家科学中心能源研究院, 安徽 合肥 230031
6 中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所, 安徽 合肥 23003南华大学核科学技术学院, 湖南 衡阳 421001
近红外波段(NIR, 波长范围: 780～2 500 nm)在线光谱分析技术具有小型化、 快速检测、 结果稳定可靠等优点, 在工业现场检测领域有着广泛的应用。 由于近红外光谱分析系统受温度影响较大, 传统的光栅分光在线光谱分析系统所采用的光谱仪通常仅对探测器制冷, 光路部分仍然会受到温度影响产生波长漂移等测量误差。 此外, 系统也多采用PC计算机来进行数据采集和控制, 并通过配备独立的工业通讯模块实现光谱分析系统与产线总控系统的通讯, 不仅增加了设备成本与体积, 也显著降低了系统的稳定性。 针对这些问题, 基于STM32单片机开展了在线恒温光谱分析系统研制与测试。 系统采用STM32单片机来控制近红外光谱仪, 通过设定和修改采集间隔时间并采集光谱数据, 对光谱数据进行预处理, 来计算得到目标样品的理化指标。 对于温度控制, 开发了在STM32单片机上运行的基于比例-积分-微分(PID)控制算法的恒温控制系统, 对光谱仪整体(包含光路和电路部分)实现了闭环恒温控制。 同时, 开发了基于STM32单片机的工业通讯接口(包含Modbus协议通讯和4～20 mA电流信号通讯)。 系统实验测试结果表明, 该设计能够长时间稳定运行, 并有效降低了环境温度变化对光谱数据带来的干扰。 在长达48小时的系统运行过程中, 光谱仪温度稳定控制在5 ℃左右, 温控精度优于0.25 ℃。 相对于未恒温控制的运行模式, 恒温控制条件下的平均吸收光谱强度相对标准差显著减小, 并实现了数据采集、 预处理、 样品理化指标计算、 工业信号通讯及温度控制的一体化设计, 以满足工业现场在线检测需求。
在线光谱分析系 STM32单片机 比例-积分-微分控制 数据采集控制 On-line spectroscopic system STM32 single-chip microcomputer Proportional-integral-differential (PID) control Pctra data acquisition 光谱学与光谱分析
2023, 43(9): 2734
Author Affiliations
Abstract
1 MOE Key Laboratory of Laser Life Science & Institute of Laser Life Science, College of Biophotonics, South China Normal University, Guangzhou 510631, P. R. China
2 Guangdong Provincial Key Laboratory of Laser Life Science, College of Biophotonics, South China Normal University, Guangzhou 510631, P. R. China
3 Guangzhou Key Lab of Spectral Analysis and Functional Probes, College of Biophotonics, South China Normal University, Guangzhou 510631, P. R. China
As an emerging hybrid imaging modality, microwave-induced thermoacoustic imaging (MTAI), using microwaves as the excitation source and ultrasonic signals as the information carrier for combining the characteristics of high contrast of electromagnetic imaging and high resolution of ultrasound imaging, has shown broad prospects in biomedical and clinical applications. The imaging contrast depends on the microwave-absorption coefficient of the endogenous imaged tissue and the injected MTAI contrast agents. With systemically introduced functional nanoparticles, MTAI contrast and sensitivity can be further improved, and enables visualization of biological processes in vivo. In recent years, functional nanoparticles for MTAI have been developed to improve the performance and application range of MTAI in biomedical applications. This paper reviews the recent progress of functional nanoparticles for MTAI and their biomedical applications. The challenges and future directions of microwave thermoacoustic imaging with functional nanoparticles in the field of translational medicine are discussed.As an emerging hybrid imaging modality, microwave-induced thermoacoustic imaging (MTAI), using microwaves as the excitation source and ultrasonic signals as the information carrier for combining the characteristics of high contrast of electromagnetic imaging and high resolution of ultrasound imaging, has shown broad prospects in biomedical and clinical applications. The imaging contrast depends on the microwave-absorption coefficient of the endogenous imaged tissue and the injected MTAI contrast agents. With systemically introduced functional nanoparticles, MTAI contrast and sensitivity can be further improved, and enables visualization of biological processes in vivo. In recent years, functional nanoparticles for MTAI have been developed to improve the performance and application range of MTAI in biomedical applications. This paper reviews the recent progress of functional nanoparticles for MTAI and their biomedical applications. The challenges and future directions of microwave thermoacoustic imaging with functional nanoparticles in the field of translational medicine are discussed.
Microwave thermoacoustic imaging nanomaterials nanoprobe Journal of Innovative Optical Health Sciences
2023, 16(2): 2230014
1 中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 合肥工业大学仪器科学与光电工程学院, 安徽 合肥 230009
4 合肥工业大学电气与自动化工程学院, 安徽 合肥 230009
电流密度分布是等离子体物理研究的关键分布参数, 在托卡马克先进运行模式发展, 电流驱动, 约束与输运等方面发挥着重要的作用。 中性束与等离子体相互作用产生的分裂光谱, 包括σ分量与π分量, 水平观测时, σ分量的偏振方向垂直于等效电场的方向, π分量的偏振方向平行于等效电场的方向, 通过测量分裂光谱的偏振方向可以反演出等离子体电流密度分布。 基于光弹调制器的偏振检测系统具有检测精度高、 时间响应迅速的独特优点, 非常适用于等离子体电流快速变化下的电流密度分布测量。 光弹调制器的双折射晶体在周期性外部驱动源的作用下发生弹性形变, 其折射率会产生周期性的变化, 当偏振光通过时, 出射光的偏振特性将相应产生周期性变化, 再经过偏振片, 形成调制的光强变化。 运动斯塔克效应(MSE)诊断的偏振检测系统由两个光弹调制器(PEM)和一个偏振片组成, 通过检测不同调制频率的调制强度的比值, 从而快速、 精确地获得分裂光谱的偏振方向的实时变化, 进而得到等离子体电流密度分布。 详细介绍了东方超环托卡马克(EAST)装置上的MSE诊断, 初步完成了离线测试与标定, 参与中性束电流本文驱动物理实验, 初步获得了等离子体电流密度分布的信息。
光谱诊断 偏振检测 光弹调制器 Spectroscopic diagnostics Polarization detection Photoelastic modulators
1 MOE Key Laboratory of Hydraulic Machinery Transients, School of Power and Mechanical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China
2 Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China
Frontiers of Optoelectronics
2022, 15(3): s12200
1 中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所, 安徽 合肥 230031
3 南华大学核科学与技术学院, 湖南 衡阳 421001
便携式近红外光谱仪现场快速检测是近红外光谱分析领域的一个重要的发展趋势。 为了实现快速检测, 便携式近红外光谱仪一般不配备温控装置, 因此环境温度的变化会带来较大的测量误差。 如何降低环境温度对检测结果带来的误差, 是便携式近红外光谱仪在现场快速检测领域大规模推广所需要解决的一个重要问题。 柴油的凝点值是评价柴油品质和适用范围的一个重要指标, 对柴油凝点进行快速检测有重要的经济意义。 通过便携式光谱仪采集了50种具有不同凝点的柴油样品在近红外波段(950~1 650 nm)的吸收光谱, 研究了环境温度变化下的基于近红外光谱分析的柴油凝点快速检测方法。 此光谱仪为基于数字微镜设计的便携式光谱仪, 针对现场快检而研发, 未配备温控样品池。 在环境温度T0=25 ℃时基于偏最小二乘法建立了柴油凝点的预测模型, 并分别将不同环境温度(TE=-10, 0, 10, 20, 30, 40和50 ℃)条件下测量的近红外光谱带入上述凝点预测模型, 分析预测偏差随环境温度相对参考值变化(TE-T0)的依赖关系。 通过一次函数对预测误差随环境温度的变化关系进行拟合, 发现凝点预测偏差的平均值随环境温度的变化关系为Δc=-0.019 8(TE-T0)。 将环境温度的修正因子带入25 ℃条件下预测模型, 建立了针对环境温度变化的温度修正模型。 在温度修正以后, 10 ℃条件下预测凝点的均方根误差由原来的14.6降为8.8, 相关系数由原来的0.4提升为0.7。 研究表明, 本温度修正模型可以有效降低环境温度对预测结果带来的误差。 基于此温度修正模型, 可以显著降低近红外光谱分析建模过程的工作量, 在某一特定温度条件下建立预测模型后将此温度修正项带入模型即可用于在其他环境温度条件下进行柴油凝点值的预测, 而不需要在其他多个温度条件下分别建立预测模型, 可显著提高建模效率和便携式近红外光谱快速检测的温度适应性。
便携式近红外光谱仪 温度修正 偏最小二乘法 柴油凝点 Portable near infrared spectrometer Temperature compensation model Partial least square method Condensation point of diesel 光谱学与光谱分析
2021, 41(10): 3111
Author Affiliations
Abstract
1 School of Information & Electrical Engineering, Hebei University of Engineering, Handan 056038, China
2 School of Mathematics & Physics, Hebei University of Engineering, Handan 056038, China
3 State Key Laboratory of Information Photonics and Optical Communications, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China
We present a perfect graphene absorber with a compound waveguide grating at the near-infrared. The analytical approach is mainly based on the coupled leaky mode theory, which turns the design of the absorber to finding out the required leaky modes supported by the grating structure. Perfect absorption occurs only when the radiative loss of the leaky mode matches the intrinsic absorption loss, which is also named the critical coupling condition. Furthermore, we also demonstrate that the critical coupling of the system can be robustly controlled, and the perfect absorption wavelength can be easily tuned by adjusting the parameters of the compound waveguide grating.
050.6624 Subwavelength structures 140.4780 Optical resonators Chinese Optics Letters
2019, 17(1): 010501
1 西华大学理学院, 先进计算研究中心, 四川 成都 610039
2 四川大学原子与分子物理研究所, 四川 成都 610065
基于描述双核分子体系包含转动光谱常数Lv所在高阶项在内的跃迁能谱的经典表达式, 采用差分收敛法(DCM)的物理思想, 推导获得了求解双核分子体系P支跃迁谱线的另一解析表达形式。 对于某一双核分子体系的P支跃迁带, 新的谱线表达式仅需要11条精确的实验跃迁谱线就可以正确预言高激发振转态的谱线结构, 同时, 利用谱线展开系数C还可以进一步给出计算谱线的不确定度以更可靠地预言高激发振转态的跃迁谱线。 推导获得了相应的计算公式以正确获得对应跃迁带的转动光谱常数(Bv′, Bv″, Dv′, Dv″, Hv′, Hv″, Lv′, Lv″)。 应用新的谱线表达式, 对35Cl+2和35Cl37Cl+离子电子态A2Πu－X2Πg(Ω=1/2)跃迁体系(3, 7)跃迁带的P支跃迁谱线进行了详细研究, 获得的计算结果不但能完全重复已知的实验数据, 还获得了实验上未能获得的包含高激发振转态在内的跃迁谱线。 另外, 通过计算同时也得到了各跃迁带的高阶转动光谱常数。 该研究方法和计算结果为人们进一步正确认识Cl+2离子电子态的内部能级结构及物理化学的相关性质提供了更完整的参考数据。
Cl+2离子 差分收敛法 跃迁谱线 Cl+2 ion Difference converging method Transitional spectral lines 光谱学与光谱分析
2017, 37(9): 2703
国防科学技术大学 航天科学与工程学院, 湖南 长沙 410073
受到风洞实验能力的限制, 高速飞行器气动光学效应实验很难与其实际飞行情况完全一致。雷诺数作为重要的相似准则数, 在经典流体力学风洞实验中应用广泛, 研究其对于气动光学效应的影响, 对于建立气动光学相似准则具有重要意义。基于∏定理对可能影响气动光学效应的变量进行分析, 证明了雷诺数是影响气动光学效应的一个相似准则数; 通过创新性设计变雷诺数实验装置, 可以实现喷流单位雷诺数在106~108 m-1范围内变化。通过选取八个典型的雷诺数, 并利用BOS-WS(BOS-based Wavefront Sensor)技术测量了对应状态的光程差, 通过函数拟合的方法得到了光程差的均方根值与雷诺数之间的幂函数关系式。通过对不同孔径下的测量结果进行对比和归一化处理可以发现, 对于二维超声速气膜而言, 观察孔径尺寸并不会对获取的规律产生影响。
气动光学 雷诺数 超声速气膜 相似准则 光程差 aero-optics Reynolds number supersonic film similarity standard optical path difference 红外与激光工程
2017, 46(2): 0211002
国防科学技术大学 航天科学与工程学院, 湖南 长沙 410073
当光线穿过超声速湍流边界层时受到湍流密度脉动的影响, 其传播方向和相位会发生变化, 使得目标图像出现模糊、偏移和抖动等现象, 给目标识别带来困难。利用基于背景导向纹影(Background Oriented Schlieren, BOS)原理开发的基于BOS的波前传感(BOS-based Wavefront Sensor, BOS-WS)技术获得了光波通过马赫数Ma=3.0的超声速湍流边界层后的波前。基于波动光学原理计算出相应的点扩散函数(Point Spread Function, PSF)分布以及退化图像, 研究结果表明: 测量得到的波前结果对应的PSF与理想平面波前对应的PSF相比, 在峰值的大小、所在位置及形态上变化较大, PSF峰值出现衰减, PSF峰值位置出现较为明显的偏移, PSF形态出现多峰现象, 湍流边界层内密度分布较强的空间随机性得到体现, 经此PSF处理后的图像出现一定程度的退化。
气动光学 背景纹影 点扩散函数 湍流边界层 aero-optical BOS PSF turbulent boundary layer 红外与激光工程
2016, 45(10): 1018007
