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[博士论文] 张江梅
控制科学与工程 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:在军备控制检查、反核材料走私和核应急探测等非接触式放射性材料的探测应用中,核辐射信号的灵敏检测及核素识别是放射性材料探测的关键。由于环境本底辐射和屏蔽体的影响,探测器检测到的放射性脉冲时间序列信号极其微弱,典型的时域波形和频谱分析方法很难实现微弱核脉冲幅度和发生时刻信息的提取;同时,受到探测器能量分辨率的影响以及环境本底噪声和康普顿散射事件干扰,采集得到的信号信噪比低,不能用于准确计算放射性材料的脉冲幅度谱(Pulse Height Spectrum,PHS),进而使得放射性材料的检测及识别率极低。因此,研究如何实现复杂背景噪声中微弱核信号的提取与核素识别具有重要的理论价值和现实意义。本文针对微弱核脉冲信号难以检测以及复杂检测情境下γ能谱畸变问题,以提高强噪声背景下信号检测能力为切入点,研究核辐射信号的稀疏重构和核素识别方法,使之满足放射性材料微弱信号提取与核素识别的需求。本文的主要工作包括如下几个方面:
  (1)研究核辐射探测过程中,由检测环境以及康普顿散射事件干扰产生噪声的统计模型:冲击噪声、散粒噪声、瑞利噪声或高斯噪声等,通过对噪声发生机理的研究以及噪声对核辐射信号的影响关系的分析,为核脉冲信号的检测模型的建立提供基础。
  (2)针对强噪声背景下微弱核辐射信号难以提取的问题,开展基于稀疏表示的微弱核脉冲时间序列信号检测方法研究。利用信噪混合类型、噪声统计模型先验信息和Gabor变换,构建用于表征隐藏在含噪信号下本真信号的过完备字典,结合稀疏重构优化算法抑制典型环境噪声,进而设计出适用于微弱核脉冲信号的检测算法;并且,为提高算法的计算效率提出了基于滑动窗预检测的并行检测方法,可实现核脉冲时间序列信号的在线检测。
  (3)针对不同测量环境和测量时间下,由γ能谱差异而造成的核素识别困难问题,研究了能谱变化规律及核素识别模型的迁移方法,一方面,根据标准核素能谱数据建立标准能谱矩阵,构建并学习从标准能谱矩阵到当前环境下能谱的迁移矩阵,以此修正由环境因素导致的能谱差异,进而实现基于标准能谱构建的核素识别模型的核素识别;另一方面,研究了基于稀疏表示和奇异值分解(Singular Value Decomposition,SVD)的γ能谱特征提取方法,以及基于支持向量机(Support Vector Machine,SVM)的核素识别方法,通过仿真和实验测试,验证了所提出方法的可行性和有效性。
  (4)为测试所提出微弱核信号检测方法和核素识别算法在实际探测环境中的应用效果,设计并实现了基于闪烁体探测器的微弱核信号前置放大、滤波和数据采集软硬件平台系统,并综合应用本文提出的信号检测方法和核素识别算法,在典型检测环境,如车站、机场、关卡、海洋放射性检测等场景下,采用低活度放射源设计相关模拟实验,实验结果表明本文所提出方法能够识别多种常用核素。
[博士论文] 孙文昊
电子科学与技术;电路与系统 东南大学 2017(学位年度)
摘要:阿尔法磁谱仪(Alpha Magnetic Spectrometer,AMS)是一项搭载在国际空间站上的大型粒子物理实验,其主要目标是测量宇宙线中的反物质,进而寻找暗物质存在的证据。由于AMS-02探测器的在轨运行环境无法支持现场调试,而在地面上并没有与飞行系统相同的完整探测器系统,因此在该实验超过10年的连续运行过程中,在地面建立反物质研究系统(Antimatter Investigation System,AIS)可以对太空中的探测系统进行仿真,在此基础上可以开展粒子探测技术和方法的研究,以及支持飞行软件的测试和飞行系统故障的诊断等。
  在对各类系统仿真技术进行研究和对比之后,本文结合硬件在环(Hardware-in-the-Loop,HIL)方法和数据驱动(Data-Driven)技术,提出了数据驱动的HIL(Data-Driven Hardware-in-the-Loop,DDHIL)模拟方法,为AIS提供了一种易于实现的系统架构。常规的HIL方法需要为待模拟的系统建立数学模型,然而AMS-02探测器结构复杂,子系统繁多,且运行环境多变,故难以为其建立精确的数学模型。DDHIL方法省去了常规HIL方法中的数学建模过程,改为依靠大量的真实运行数据对受控系统进行模拟,可以快捷高效地建立起模拟环境,因此比常规的HIL方法更适用于AMS-02以及类似的复杂系统。
  AMS-02的各子系统使用了多种通信协议,AIS的虚拟环境也应支持多协议通信,故本文提出了一种分层模块化的多协议接口通信方式,使虚拟环境可以通过不同通信协议与真实硬件设备通信。该方式在多协议通信接口设备的基础上,将硬件操作、通信协议、数据封装、软件应用等功能分为相对独立的模块进行设计、配置、调用,不仅满足了同时处理不同通信协议的需求,同时为接口功能的管理和维护提供了良好的灵活性、可定制性和可移植性。
  DDHIL模拟环境中的核心功能模块是由数据驱动的虚拟设备,由于需要模拟的虚拟设备种类繁多,故本文提出了一种通用的虚拟设备模板,该模板支持多个自定义选项,有效简化了虚拟设备的定义过程。利用虚拟设备模板,可以为虚拟设备指定模拟数据源,从而模拟不同类型设备的运行状态。在此基础上所设计的状态变量机制可以利用自定义的状态变量记录设备运行状态的变化情况,支持虚拟设备在更新状态后自动切换模拟数据源,从而对控制指令作出响应,实现了真实控制器对虚拟受控设备的控制操作。
  为了建立完整的DDHIL模拟环境,需要在虚拟设备模板的基础上具体定义各虚拟设备,为其准备模拟数据,并使其与真实硬件设备交互,因此本文确立了DDHIL模拟环境的建立流程,其中包括设计虚拟设备的实例化脚本语言,制作可将真实数据转换为模拟数据的数据提取工具,编写维护模拟过程的主程序等。专用的设备实例化脚本语言采用简洁的语法为虚拟设备的所有参数赋值,简化了虚拟设备的实例化过程;数据提取工具将原始的运行数据整理成模拟系统所需的组织形式,以便模拟软件的调用,提高了数据预处理的效率;模拟软件的主程序管理着每次模拟任务的初始化和模拟工作。
  利用DDHIL模拟方法构建的AIS系统已在AMS-02实验中得到了实际应用,并在AMS-02的子系统故障研究过程中提供了测试和验证平台。该系统在AMS-02新版飞行软件的测试中发现了警报信息不完整、参数设置无效、自动保护操作错误等问题,修正后的软件在实际使用过程中长期稳定地运行。基于DDHIL方法建立的AIS系统不仅可用于软件测试,还在AMS-02的长期运行维护中提供了其他方面的支持,如日常监控的培训、远程操作的实践、运行故障的分析与处理等。在实践中得到验证的DDHIL方法不仅适用于AMS-02实验,也将适用于其他长期运行的大型复杂系统。
[硕士论文] 谭淼
化学工程 广东工业大学 2017(学位年度)
摘要:无机半导体在科技日新月异的当今社会成功推动了包括光子学、计算机科学等领域的科技革命。无论是医疗能源交通,还是娱乐、通讯甚至思维,都深刻地受其影响。但是,传统的无机半导体材料在制备和应用过程中有着能耗过高,工艺复杂成本高等缺点,严重影响了其在更多潜在领域应用的可能性。本文采用简单、低能耗的电化学法制备了三种不同形貌的金属氧化物半导体材料,并将其设计应用于紫外光电探测器。主要工作如下:
  (1)采用两次电化学法,组装了TiO2/PANI纳米复合结构器件。第一次先采用阳极氧化法,在室温下制备TiO2nanotubes(二氧化钛纳米管)阵列,第二次采用电化学法将TiO2 nanotubes阵列与PANI进行复合。利用控制变量法通过一系列平行实验优化其反应条件。通过SEM图、XRD谱和拉曼谱对其形貌及结构进行表征,结果表明,所制备的TiO2 nanotubes阵列与钛片基底垂直,生长情况良好,平均管径约为100nm,管壁光滑,厚度均匀,且与PANI复合情况良好。进一步对所得样品进行紫外可见光谱测试,以获得材料的光电性能。通过一系列对比的电流时间曲线的紫外响应测试来优化器件结构。
  (2)通过一种操作简单,能耗低,可重复性高的电化学法在ITO导电玻璃表面制备ZnO纳米片。采用一种低温下的化学氧化法制备PANI纳米线,将其洗涤干净后利用旋涂法与ZnO纳米片复合。采用SEM、XRD谱及EDS能谱表征其形貌结构,结果发现ZnO纳米片生长情况良好,尺寸均一,呈薄片状垂直于ITO基底表面,其平均直径约为4μm。PANI密布于ZnO纳米片顶部,其直径约为90nm,呈疏松结构。进一步对所得样品进行紫外吸收光谱的测试,以获得其在不同纳米波长光区的响应程度。对所得样品进行外加偏压的伏安特性曲线测试,以获得其特殊的光电性能。对所设计器件进行0偏压下的电流时间曲线紫外光响应测试来判断材料的光敏性。
  (3)分别采用水热法和电化学法两种方法在ITO导电玻璃表面制备氧化锌纳米棒阵列,通过一系列平行实验优化出最佳的实验方案。将所得ZnO纳米棒阵列与低温下化学氧化法制备的聚苯胺纳米线复合。采用SEM及XRD谱对复合材料的形貌及结构表征,结果发现,采用电化学法制备的ZnO纳米棒阵列,尺寸均一,形貌整齐,顶端呈正六边形,直径大约为180nm,PANI呈疏松态分布于ZnO纳米棒顶端,两者复合状态良好。进一步对其进行外置偏压的伏安特性曲线测试,以获得两种复合材料间的关系。对其进行电流时间曲线测试以研究其光敏性,并筛选出最优化的器件结构。
[硕士论文] Khalid Moharam
核能科学与工程 华北电力大学;华北电力大学(北京) 2017(学位年度)
摘要:使用硅漂移探测器测量低能端X射线能谱时,首先要对探测器进行效率刻度。
  本文分别采用相对效率刻度法和理论模型计算法对SDD探测器低能区进行效率刻度。相对效率刻度法为,通过测量19keV电子束轰击纯厚碳靶得到实验韧致辐射谱,以及MonteCarlo程序PENELOPE模拟同样实验条件下得到理论韧致辐射谱,二者的比值即获得相对效率曲线,最后由241Am和57Co标准源将相对效率曲线绝对化,在此方法中,考虑了标准源的自吸收校正,理论韧致辐射谱的卷积以及实验韧致辐射谱的光滑。理论模型计算法是基于硅漂移探测器的几何尺寸,利用理论模型计算公式得到硅漂移探测器低能区的探测效率曲线。本文中两种方法确定的绝对探测效率曲线较为一致。
[博士论文] 谢宏明
核科学与技术 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:束流剖面测量作为加速器束流诊断系统的一个重要组成部分,对加速器物理的空间电荷效应、束流横向冷却等研究具有重要意义。同时在加速器正常运行中,束流剖面的准确测量对加速器不同位置的束流横向匹配、束流尺寸控制、机器参数优化等也至关重要。束流剖面测量按对束流的阻挡程度又可以分为拦截式与非拦截式两种测量手段,相对于传统拦截式的剖面诊断工具,非拦截式测量方式可以从容应对强流剖面测量,还可以实现剖面实时监测。其中,剩余气体电离(Ionization Profile Monitor)与气体诱导荧光(Beam InducedFluorescence)探测器作为国际上常用的非拦截式剖面诊断设备,非常适合于质子及重离子类型同步加速器和强流传输线的剖面测量应用。国内关于IPM与BIF探测器的研究起步较晚,两种探测器在国内加速器设施的剖面诊断中均未实现应用。为了配合兰州重离子加速器(HIRFL)束流诊断系统的改造升级,应对即将到来的中国加速器驱动嬗变研究装置(CIADS)与强流重离子加速器设施(HIAF)的强流剖面测量需求,本课题关于两种非拦截式IPM与BIF束流剖面探测器的研制是极其迫切与必要的。
  非拦截式IPM与BIF束流剖面探测器都是基于束流带电粒子与剩余气体的电离与激发理论。IPM探测器利用束流粒子与真空管道内剩余气体分子的电离作用,以电离产物的离子-电子对作为测量信号,在探测器内置静电场框架产生的均匀静电场引导与加速下,信号粒子到达微通道板进行倍增放大,放大后的电子由静电场继续引导至磷光屏-相机构成的光学系统,或者阳极-电子学系统进行获取。气体诱导荧光BIF探测器是利用束流粒子使稀有气体分子电离或激发,气体分子在随后的退激发回到基态过程中辐射的可见光波段光子作为测量信号,微弱荧光信号通过图像增强组件进行一系列光子转换及增强过程,最后透过观察窗被外置相机进行光学获取。两种非拦截式剖面探测器基于共同的束流粒子与剩余气体相互作用机制,测量信号载体又略有不同各具特色,两者共同在强流剖面测量应用中发挥着重要价值。
  论文介绍了国际上IPM与BIF探测器的研究背景、发展历程和应用现状,分析了两种探测器的基本原理、工作流程以及影响因素,如静电场非均匀性,空间电荷效应,杂散电子干扰等。论文的重点是对IPM与BIF探测器的设计制造、束流实验和改良优化等内容进行详细介绍。经过大量理论调研与工程实践,IPM与BIF探测器均成功完成了模拟设计和离线测试,并在HIRFL不同区域进行了束流实验。BIF探测器是应加速器驱动次临界嬗变系统(ADS)直线注入器II的强流剖面测量需求而研制,探测器研制完成后在TR2超重实验终端进行了剖面测量实验,实验研究了不同工作气压下探测器的剖面测量结果,并加装滤光片进行了氦气退激光谱研究。实验中通过与单丝剖面扫描结果对比验证了BIF探测器具有较好的准确性与可靠性,且空间分辨率达到115μm,可以满足ADS以及未来CIADS强流剖面测量的应用需求。
  IPM探测器是应HIRFL-CSR的实时非拦截式剖面测量需求而研制,探测器建成之后在SSC-Linac进行了束流实验,其测量结果与单丝扫描剖面测量吻合极好,实验中还通过更改不同的电压设置,研究了静电场均匀性对IPM探测器的测量影响。目前IPM探测器经过静电场分压方式改良后已经安装应用于CSRm,并成功实现对束流剖面的实时监测,其空间分辨率高达55μm,可以满足CSRm电子冷却后极冷、极小发射度束流的剖面测量需求。论文的最后还提出了一种全新紧凑型结构的IPM探测器设计,该设计利用一套IPM探测器能够实现束流横向水平与垂直两个方向的剖面测量功能,从而很大节省剖面测量的空间与经费,对于未来CIADS超导直线这类空间紧缺型加速器的剖面诊断具有重大实用价值。
[硕士论文] 谢翼骏
光学工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:闪烁体X射线探测器在医用检测和安检等方面都有很重要的应用。而其中掺铊碘化铯由于它的光学性能很好、成本低和易于生长等优点成为了热门的闪烁体材料。就材料本身而言,虽然掺铊碘化铯性能出众,但是由于它易潮解的特性,当它暴露在潮湿空气中时会使得其光转换性能下降,因此对抗潮解掺铊碘化铯的研究就显得非常重要;就闪烁体X射线探测器件而言,X射线经过闪烁体后转化为发散的可见光并且由于闪烁体存在转换效率,部分X射线会直接进入CCD并对CCD造成辐射损伤。因此需要设计光转换组件来收集可见光信号及分离X射线与可见光。因此,本文从理论与实验上研究了潮解对掺铊碘化铯薄膜结构与性质的影响并且设计出针对掺铊碘化铯薄膜的抗潮解方案,并对X射线探测器光转换组件进行了设计及优化。
  首先,本文从通过对掺铊碘化铯薄膜傅里叶红外光谱的测试,证实了其暴露于潮湿空气中的潮解现象。然后研究了掺铊碘化铯薄膜暴露于不同湿度的潮湿空气对其结构以及荧光光谱的影响并分析了原因,结果表明掺铊碘化铯薄膜暴露在相对湿度更高的潮湿空气中更长时间,其光转换性能下降越多。
  其次,针对掺铊碘化铯薄膜易潮解的特性设计了多种抗潮解方案。最终选择了铝保护膜层、二氧化硅保护膜层以及氮化硅保护膜层作为掺铊碘化铯薄膜的保护膜层。为了确保保护膜层能尽量地使得可见光信号透过,对三种保护膜层对可见光的透射图谱做了仿真并设计了达到对目标波长光的高透过率需要的膜层具体厚度。最后运用磁控溅射法与PECVD技术制备了三种保护膜层,并测试分析了它们对掺铊碘化铯薄膜的抗潮解效果,结果表明铝抗潮解保护膜的综合性能最好。
  之后,根据对X射线探测器光转换组件设计的要求并通过成像计算公式计算得到了基础光转换组件的设计参数。根据设计参数在 ZEMAX上搭建了基础光转换组件的光路图并对基础光转换组件的成像质量进行了全面的评价。
  最后,由于设计的基础光转换组件的成像质量并不理想,利用ZEMAX建立合适的优化函数对基础光转换组件的成像质量进行了优化。虽然优化后光转换组件的综合像差、波前光程差、像散等均有了较大的改善,但是弥散斑和衍射能力上仍存在较大不足。在受到三片式物镜的启发下对光转换组件进一步优化,设计出了三透镜光转换组件。在对优化后的三透镜光转换组件的成像质量的评价中,发现其在各个方面均有了很大的改善,成像质量已经基本达到了要求。因此将使用这一优化后的三透镜光转换组件设计作为实际光转换组件设计的重要参考模型来完成后续的整体X射线探测器的设计。
[硕士论文] 任俊松
信息与通信工程 西南科技大学 2017(学位年度)
摘要:随着核技术在工农业、医疗、国防等领域的广泛应用,核材料扩散、核恐怖事件以及核事故的威胁日益严重,对核安全与核检测技术提出了新的要求。本文针对核技术应用中遇到的一些实际问题,通过对γ能谱分析与核素识别方法的研究,重点解决强噪声、低探测率情况下的γ能谱分析与多核素识别问题。主要研究内容包括以下几个方面:
  对能谱信号进行预处理。在分析γ能谱成形原理基础之上,采用基于能谱全能峰信息的传统分析方法,对实测及仿真γ能谱进行分析。利用最小二乘平滑与马尔科夫平滑,在保留原始γ谱峰大部分重要特征下,完成含噪能谱的平滑降噪;通过导数寻峰与量子球寻峰方法对γ能谱进行寻峰,有效地提高了谱峰的分辨能力,实现能谱的特征提取。
  针对传统分析方法对高本底、低探测率的γ能谱解析效果不明显的问题,提出了一种基于奇异值分解的全谱分析方法,对低分辨率能谱具有较好的区分度,并且避免了人为设定参数对识别结果带来的影响。针对传统分析方法很难完成对重叠峰的解析问题,将能谱以向量空间模型表示,采用非负矩阵分解方法,实现对重峰的解析。
  研究了支持向量机在γ能谱分类识别中的应用,针对核素识别中的具体要求提出了相应的改进方案。通过实测能谱分析,讨论了单一核素及混合核素的识别情况,并对比了不同特征提取方法的优缺点。方法能够完成对低分辨率能谱的识别,并能有效识别混合核素样本的组成成分。
[硕士论文] Kamil Abbas
核能科学与工程 华北电力大学;华北电力大学(北京) 2017(学位年度)
摘要:本研究的主要关注点是两相流,其包括浸入反应堆芯中的水中的气泡。对这些流动性质的理解对于了解两相流测量过程的效率和安全性至关重要。这种知识对于现场或在线控制和监测流量也很重要。所采用的方法基于电导率和介电常数原理,并且由于与其它成像技术相比实现所涉及的电路的廉价性而被选择。与其他成相技术相比,更重要的是,它为测量提供了良好的时间和空间分辨率。为了满足这一要求,设计和开发了一个小型测试设施。制作电路,然后通过制造PCB进行测试。为了防止环境噪声和电磁干扰,根据可用资源,该设备被最好地屏蔽。制备分别具有十六个输入和输出的线网传感器,并将其放入内部填充有水和空气的垂直玻璃部分中。通过外部装置产生气泡,并且在收集部分中观察到信号干扰。信号由数据采集卡收集并在软件程序中进一步操作。数据首先在LabVIEW软件中获取,然后转移到MATLAB进行分析和图像重建。基本上,主系统包括线网,激励电路,数据采集电路和数据采集卡连接到计算机。将结果与与软件同步链接的高速摄像机进行比较。在这些电路设计中,在保持成本低的同时确保最大效率。结果是令人满意的,但是如果通过增加传感器中的横截面的数量来提高分辨率,则可以提高结果。传感器被玻璃包围,因此高速摄像机也可用于比较结果。使用高速数据采集卡还使得能够处理实时采集而没有任何问题。不幸的是,由于资源有限,该设施不能在严格的条件如高温和压力下进行测试。从这些实验得出的结论是,丝网传感器确实提供约1000帧/秒的时间分辨率和良好的空间分辨率,并且与其他技术相比也更便宜。
[硕士论文] 郑占龙
材料科学与工程 西南科技大学 2017(学位年度)
摘要:近年来,中子和中微子探测已经成为国际研究热点。通过中微子探测获得准确可靠的中微子混合角θ13对于佐证电荷宇称破坏定律和反物质的存在具有重要的意义。目前对中子和中微子进行探测的主要手段是采取闪烁探测器的方法。作为闪烁探测器的核心部件,同塑料闪烁体和晶体闪烁体相比,液体闪烁体由于其具有光产额高、光透过性好、易于制备大体积材料且形状不受限制等优点,受到越来越多的关注和应用。
  理想的液体闪烁体材料,应该具备高的光产额、大的衰减长度、快的荧光衰减时间、低的化学活性以及安全性好等特点。其中,溶剂作为液体闪烁体的主要组成部分,对液体闪烁体的各个性能都有很大的影响。目前,世界各地的许多国家都投入了巨大的财力致力于研究液体闪烁体溶剂的配方以提高液体闪烁体整体的性能。但是,对于单一的溶剂来说,总存在一定的缺陷和不足,比如光产额不高、光透过性不好、与盛装液体闪烁体的有机玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯)材料兼容性不好等。当为解决这些问题加入第二溶剂时,又会有新的问题出现。因此,如何制备出一种综合性能良好的液体闪烁体成为了难点。另外,与液体闪烁体溶剂中的氢核相比,稀土金属钆对于中子具有非常大的捕获截面,因此常常把钆掺杂到液体闪烁体中去提高中微子的探测效率。
  本文首次采用偏三甲苯(Pseudocumene,PC)和线性烷基苯(Linear alkyl benzene,LAB)的混合溶剂作为液体闪烁体的基质,巧妙结合了两种溶剂的优缺点去实现液体闪烁体综合性能的优化。对混合溶剂的最佳配比进行了探究,以光产额、衰减长度和化学活性为参考依据,发现20%PC-80%LAB的混合溶剂综合性能较好。分别采用2,5-二苯基恶唑(2,5-Diphenyloxazole,PPO)和1,4-双(2-甲基苯乙烯基)苯(1,4-bis(2-Methylstyryl)benzene,bis-MSB)作为第一闪烁体和移波剂。对最佳的液体闪烁体配方进行了探究,并以之为研究对象进行了光产额、衰减长度、衰减时间以及和有机玻璃材料的兼容性测试。在这个工作的基础上,本文采用直接溶解法和溶剂萃取法两种方法对制备出的新型液体闪烁体进行了钆的掺杂,并对两种方法制备出的掺钆液体闪烁体进行了性能的比较。
  光产额是液体闪烁体非常重要的一项性能,光产额越高,液体闪烁体探测的能量分辨率就越高。因此,为了进一步地提高液体闪烁体的光产额,本文还设计合成了一种新型的移波剂,并与传统的移波剂bis-MSB进行了光学性能的比较,发现新型移波剂具有更高的光产额。为了深入研究移波剂发光过程中电荷的激发特性,本文还采用密度泛函理论对其进行了理论计算,以紫外吸收和荧光发射为依据,对适合的计算方法进行了筛选,对前线分子轨道能量带隙进行了计算,利用Multiwfn3.3.5的自然原子轨道法对新型移波剂和bis-MSB中甲氧基和甲基前线轨道的组分进行了分析。
[硕士论文] 李培培
控制工程 西南科技大学 2017(学位年度)
摘要:核能谱测量技术作为一种重要的信息获取手段,具有精度高、灵敏度高等优点。数字核谱仪作为核能谱测量的重要工具,性能一直备受本领域研究人员所关注。由于数字核谱仪本身及核脉冲信号自身的特性,数字核谱仪的能量分辨率一直是关于数字核谱仪研究的重点。
  本文列举了影响数字核谱仪能量分辨率的主要因素,根据这些因素提出了改善数字化引入核脉冲信号时带来的误差的思路。在对比了经典卡尔曼滤波与鲁棒H∞滤波之后,选取鲁棒H∞滤波算法实现了数字化核脉冲信号的滤波及基线恢复处理。在明显提高脉冲基线恢复精度的前提下,规避了经典卡尔曼滤波算法过分依赖前一时刻估计值、在噪声不稳定时处理结果不理想的缺点。
  在核脉冲信号成形过程中,本文使用Z变换法,并在研究现有算法的基础上提出了改进算法,改善了现有梯形成形算法在误差累计过程中对成形结果造成的影响,使数字核谱仪的能量分辨率得到改善。
  本文在最后设计并实现了一套数字核谱仪系统,该系统由基本的探测器系统、数字化信号采集系统以及数字化核脉冲信号处理系统组成,能够实现脉冲信号的数据采集及成形、基线处理等功能,对理论得出的最优化数字核信号处理方案的可行性与合理性进行了验证。为核事故发生时,能够使用数字核谱仪测量核事故现场核辐射类型以及能量、时间等信息奠定坚实的基础。
[硕士论文] 张亚军
仪器科学与技术 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:随着宽带无线通信技术的飞速发展,各种电子信号的信号频率范围越来越髙,载波传输频率也越来越髙,突发性和复杂性也在增加。基于传统频谱分析技术的测试设备已经难以应对高带宽、髙精度、实时性、多突发等检测挑战。本文基于全数字中频处理技术,设计并实现了一种具有髙带宽信号采样,实时数据处理的数字中频处理模块。
  论文首先论述了全数字中频处理技术,分析并探讨了宽带信号采样定理、数字下变频技术、重载系数匹配滤波器设计,重叠帧技术、快速傅里叶变换理论等。在此基础上,结合设计指标要求,设计了应用于实时频谱分析与调制域处理的中频处理模块。
  1.关于模拟信号高速采样模块,包括采样时钟逻辑设计、抗混叠滤波器设计和ADC采样数据接收逻辑设计。首先基于带通采样定理设计一种带通滤波器,然后在FPGA内部对ADC采样时钟进行配置,并对数字化的中频信号进行接收、处理与传递。
  2.针对不同信号测试需求,基于数字下变频技术,实现把信号从中频搬到零频;基于滤波降采样技术,在保证数据不失真的前提下,设计了具有可变抽取率的抽取滤波结构,获得满足不同分析带宽的多速率信号。
  3.双FIFO帧重叠方法。重叠帧技术是实时频谱分析中的关键技术之一,论文设计了基于双FIFO的固定重叠率重叠方法。基带信号经过加窗,即与时域窗函数系数相乘,以数据帧的格式送到实时FFT中进行频谱分析处理。
  4.幅相计算逻辑设计。实时FFT处理技术是实时频谱分析的核心技术,论文首先介绍了快速傅里叶变换理论,设计并采用FFT流水线结构,实现对数据实时处理,利用CORDIC算法得到信号的幅相信息。
  5.根据项目设计要求,本文设计了可重载系数的匹配滤波器,对调制信号进行抽取、匹配滤波,使信道信噪比最大化,实现对信号的调制域预处理。
  在MODELSIM逻辑功能仿真基础上,论文对上述设计的各个部分进行了硬件平台功能测试,对理论值和实际值进行对比分析,验证了所设计的宽带频谱分析中频处理模块以及匹配滤波器模块的各个功能基本满足指标需求。
[博士论文] Muhammad Abdul Wasaye
核科学与技术 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:Monte Carlo simulation has been widely used in particle transport theory.Theaccuracy of Monte Carlo simulation of particle transport depends on the accuracy ofphysical processes used in the simulation.Previously some efforts have been done touse accurate and efficient methods to describe the Monte Carlo simulation of electrontransport in general purpose electron transport codes but still there is need to improvethe efficiency and accuracy of physical models used in Monte Carlo electron transportcodes.In Monte Carlo simulation of electron transport, electron bremsstrahlung andmultiple elastic scattering are the most time consuming and complicated phenomena.Therefore, in this work, accurate and efficient methods for electron bremsstrahlung andmultiple scattering have been developed and implemented in a general purpose MonteCarlo Program for Nuclear and Radiation Simulation called SuperMC.Focusing onthese aspects the main research and innovative work of this dissertation are followings.
  Firstly, a fast and accurate algorithm for the Monte Carlo simulation of electronbremsstrahlung based on SuperMC has been developed.Efficient and accurate methodshave been used by which the angular distribution and energy of emitted bremsstrahlungphotons are sampled.A discussion of the sampling efficiency and accuracy of this newly developed algorithm is given.Photon energy is sampled according to scaled energyloss differential cross sections (DCSs) tabulated by Seltzer and Berger (1983).A novelhybrid model for photon angular distribution by low as well as high energy incidentelectrons has been developed.The model uses Tsai full form of angular distributionfunction with atomic form factors for high energy incident electrons, while for electrons with kinetic energy less than 500 keV, a simple, efficient and accurate analyticaldistribution function has been proposed.The later uses adjustable parameters determined from the fitting of numerical values of the shape functions tabulated by Kisselet al.(1983).The efficiency of sampling photon energy is at least 80%.Our angularsampling algorithm for high energy electron bremsstrahlung based on Tsai distributionfunction is more efficient (sampling efficiency at least 70%) in the useful photon energyrange than the sampling technique proposed by Alex F.Bielajew et al.(1989)
  Secondly, an efficient and accurate model has been developed based onGoudsmit-Saunderson theory of multiple elastic scattering for angular distribution of electrons andpositrons.Differential cross sections of electrons and positrons by neutral atoms havebeen calculated by using Dirac partial wave program ELSEPA.The Legendre coefficients are accurately computed by using Gauss-Legendre integration method.Finally, a novel hybrid method which combines rejection sampling and fitting function forsampling angular distribution has been developed.The model uses efficient rejection
  sampling method for low energy electrons (< 500 keV) and larger path lengths (103mean free paths).For small path lengths, a simple, efficient and accurate analytical distribution function has been proposed.The later uses adjustable parameters determinedfrom the fitting of Goudsmith-Saunderson angular distribution.The efficiency of rejection sampling algorithm is at least 50% for electron kinetic energies less than 500 keVand longer path lengths (> 500 mean free paths).Monte Carlo Simulation results are
  then compared with measured angular distributions of Ross et.al (2008).Comparisonshows that our results are in good agreement with experimental measurements.
  The results showed that the proposed algorithm provides accurate and efficient methods for sampling energy and direction of bremsstrahlung photons and angulardistribution of multiple scattering.Hybrid model provides very accurate treatment ofbremsstrahlung photon angular distribution by low as well as high energy incident electrons.It is worth mentioning that the approaches used for sampling energy and directionof bremsstrahlung photons and angular distribution of multiple scattering can be usedfor a wide range of incident electron energies and materials and hence suitable for general purpose Monte Carlo simulations.
  Keywords: Monte Carlo; Electron transport; SuperMC; Bremsstrahlung; Differentialcross section; Multiple scattering
[博士论文] Mohamed Selemani Mazunga
核科学与技术 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:长中子计数器具有较好的平坦中子注量能量响应,它作为一个中子计量传递仪表被广泛应用到各个中子辐射场的中子注量率监测。长中子计数器的探头是由慢化体和热中了灵敏的3He或BF3计数器组成,它具有探测效率高,抗Υ射线能力强和测量长期稳定的特点。现行的长中子计数器在入射中子能量高于5MeV时,探测器的注量能量响应快速下降,主要是由于3He的(n,p)核反应截面或BF3的(n,α)核反应截面随着能量的增加而下降引起的。这样导致长中子计数器不适用于能量大于几个MeV的辐射场的监测。另外一个问题是如果采用的慢化体太大,当重量超过50kg时就不便于携带。
  本论文针对以上的问题,研究的目的是改善高能中子的能量响应函数,并且考虑长中子计数器具有可携带性。为了改善探测器的响应函数,基于原始的设计,做了几种研究变化,即采用了中子能量补偿技术,解决高能响应不理想的问题,设计了三种类型的长中子计数器。
  其一是设计了一种拓宽高能中子应用范围的长中子计数器,即拓宽型长中子计数器。该技术是在慢化体衬有Pb和Cr金属材料,基于金属(n,xn)的增值核反应,提高高能中子的响应,对低能中子在热中子计数器前衬有小块圆柱形聚乙烯材料,使中子能量在几个keV到150MeV范围内具有平坦的响应函数,拓宽型长中子计数器可以应用到高能中子源的中子注量测量。
  其二是设计了一个小型长中子计数器,即在慢化体内插入1.5cm厚的Cr层,探头的慢化体可以缩小到Φ15×35cm,但中子能量范围缩减在几个keV到20MeV内具有平坦的响应函数,这样探测头设计具有可携带性。
  其三是设计了一个改善型长中子计数器,即在慢化体内插入W材料,中子能量在几个keV到20MeV范围内具有平坦的响应函数。为了掌握探头的角响应,分别计算了入射能量为1keV、1MeV和14MeV角响应影响,结果表明,散射对长中子计数器影响不大。
  为了验证设计的可行性,基于以上的三种研究成果,以拓宽型长中子计数器为基础,研制了一款称之为FDS-LC的长中子计数器。该计数器采用的是BF3正比计数管,通过实验的测试,结果表明,计算结果与实验结果一致性小于7.8%。FDS-LC将作为标准的计量传递仪表,用于HINEG的注量率或源强监测。本论文的创新性归纳起来如下:
  (1)在理解长中子计数器的测量原理基础上,对中子注量能量补偿性原理进行了系统性研究,根据高原子序数材料的(n,xn)反应阈值不同,提出了采用多种高原子序数材料组合式探头设计,以适用于不同中子参考辐射场的测量需求。
  (2)重点研究了以W、Pb和Cr等金属补偿优化方法,实现了高能中子响应的增加,改进了现行长中子计数器的设计,为中子计量传递提供了保证,具有重要的应用推广价值。
  (3)论文提出的能量补偿技术,根据不同中子辐射场的需求,模拟计算了三种类型的长中子计数器及部分实验测试。结果表明,设计的长中子计数器可以为中子计量传递及溯源提供科学依据。
[硕士论文] 李亚歌
电子与通信工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:辐射计是对温度很敏感的测量系统,其工作温度的稳定度直接影响着它工作的稳定度和测量的准确度。为了有效改善辐射计的温漂问题,保证辐射计工作温度的稳定性,需要小型化高稳定度的恒温控制系统。因此,本文对辐射计恒温控制系统进行深入研究,已实现高稳定度的温度控制系统。研究内容主要包括测温电路、反馈控制环路、半导体制冷片(thermoelectric cooler,TEC)驱动电路以及箱体结构等。与传统的恒温控制系统相比,本文研制的恒温控制系统具有体积更小、成本更低的优势。本文的主要研究工作包括以下几个方面:
  测温电路是辐射计恒温控制系统的基础,精度高、线性度好的测温电路对保持系统的恒温控制来说至关重要。测温电路的关键之处就在于温度传感器和测温方式的选择。基于测温精度方面的考虑,本文选用铂电阻作为温度传感器。为了减小误差,采用恒流源式四线制的方式进行温度测量。最终,利用MATLAB进行测试数据拟合,得到恒流源的精度为1.5%。
  控制电路采用闭环控制的方式。测温电路的输出作为反馈信号,通过控制电路与给定的参考电压作对比,最后将该差值作为半导体制冷片驱动电路的控制量,实现对半导体制冷片的定量控制。本文采用H桥作为半导体制冷片的驱动电路,通过H桥来改变半导体制冷片的电流方向以及大小,从而相应地改变加热/制冷模式以及加热/制冷量。此外,本文还设计了脉宽调制(Pulse Width Modulation,PWM)波发生电路来控制H桥。设计的PWM波发生电路可以产生频率可调、占空比从0-100%可调的PWM波,能很好地满足H桥驱动芯片的需求。最终在PWM波占空比小于50%时,半导体制冷片加热;占空比大于50%时,半导体制冷片制冷。
  本文选用绝热性能良好的聚氨酯泡沫作为箱体材料。此外,为了保证半导体制冷片热端的散热效果,本文采用空气强迫对流的方式散热。实际测试结果:放大倍数设置为15的时候,升温过程的温控精度为0.4℃,温度稳定度为0.2℃;降温过程的温控精度为0.6℃,温度稳定度为0.3℃。将辐射计和恒温控制系统进行联合测试,最后结果表明:本文设计的恒温控制系统将辐射计开机的亮温变化56.9K减小到了12.9K;当辐射计工作稳定时,其输出电压的波动范围仅为10mV,换算成等效亮温变化为1.7K。大大改善了辐射计的温漂问题,提高了辐射计工作的稳定性。
  最后,为了验证以及改进模拟控制电路,本文基于半导体制冷片的驱动电路,还设计了数字式的PID控制器。最终,升温过程的温度稳定度为0.25℃,温度稳定的精度为0.2℃;降温过程的温度稳定度为0.24℃,温度稳定的精度为0.44℃,提高了模拟方式恒温控制系统的精度。
[硕士论文] 王杨
电子信息材料与元器件 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:近年来,关于β-Ga2O3日盲紫外探测技术的研究发展迅猛。β-Ga2O3的禁带宽度为4.9eV,具有高的透光率、化学稳定性好、机械强度高等特点,是一种很好的日盲紫外敏感材料。由于金-半-金(Metal-Semiconductor-Metal,简写为MSM)型器件具有制备简单、响应度高以及与CMOS良好的工艺兼容性等优点,故本论文以MSM为器件基本结构,采用分子束外延技术生长了β-Ga2O3薄膜,并制备了日盲紫外探测器。论文具体内容如下:
  论文首先研究了金-半接触特性对器件性能的影响,对比研究了Ti/Au电极与Au电极对器件性能的影响,在未对电极进行退火处理的情况下,与采用Au电极的器件相比,采用Ti/Au电极的器件性能更优,为此,论文选用Ti/Au作为金属电极材料制备氧化镓 MSM日盲紫外探测器。在此基础上,为了探索金-半界面特性对器件性能的影响,论文进一步研究了电极的快速退火处理对氧化镓MSM器件性能的影响,并探讨了其影响机制。论文分别在400℃、500℃、600℃、700℃下对Ti/Au电极进行快速退火处理,测试了退火后器件的I-V特性、时间响应特性,并利用二次离子质谱(SIMS)和X射线光电子能谱(XPS)技术分析了界面微观特性。研究结果表明:经快速退火后,Ti原子扩散进入氧化镓表层与O结合生成TiO2,一方面,降低了界面的金-半接触势垒高度,另一方面,也导致界面附近氧化镓薄膜中产生了更高浓度的氧空位,提高界面势垒处的载流子浓度,使器件的光电流和暗电流都随着电极退火温度的升高而增大,从而提高了器件的光响应度。然而,也正是因为界面氧空位浓度的增加,由于氧空位对电子的陷阱效应,导致了器件更加严重的持续光电导效应(persistent photo-conductivity,简写为PPC),器件响应速度变差。
  在金-半接触特性研究基础上,为了提高器件的光响应度,论文研究了掺In氧化镓薄膜(InxGa1-x)2O3的光电性能。为此,论文首先探索了薄膜的掺铟量与In源温度的关系,并利用EDS、AFM、XPS、紫外可见光谱等来表征薄膜的性质。EDS测试结果显示:当基片温度固定为760℃时,In源温度为700℃时,In源含量为11.5%,这说明:可以通过控制In源温度对(InxGa1-x)2O3薄膜中的In含量进行有效调控。为了研究不同In源温度所制备(InxGa1-x)2O3薄膜的性质,论文研究了其MSM光电导器件的I-V特性、时间响应特性以及紫外光谱响应,测试结果显示:当In源温度低于600℃时,器件性能未发生显著变化,当In源温度为650℃时,器件的性能明显改善,但当In源温度为700℃时,器件综合性能反而变差,暗电流为9.8mA,光电流为10.3mA,虽然响应度达到7.1×104A/W,但光暗电流比仅为1。AFM分析结果显示:当In源温度为700℃时,薄膜表面出现凸起的类似球状物形貌;经XPS分析得知薄膜表面In析出形成In2O3相,这表明:(InxGa1-x)2O3薄膜存在严重的晶相分离,从而导致器件性能变差。
  由于In的高挥发性,薄膜中的In含量不仅与In源温度有关,而且受基片温度影响,为了减弱薄膜的晶相分离程度,论文通过大量实验对基片温度和In源温度进行优化,优化的基片温度和In源温度分别为560℃和600℃,利用此条件下生长的(InxGa1-x)2O3薄膜所研制MSM探测器综合性能较好,暗电流为424pA,光电流为1.06μA,光暗电流比为2.5×103,响应度为73.6A/W,展现出了较好的日盲紫外光电探测的器件性能。
[硕士论文] 梁益珩
仪器科学与技术 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:作为电子测量基本仪器的一种,频谱分析仪在国防电子、无线监测、RFID以及民用通信测量领域有着广泛的应用。近年来,随着射频技术的高速发展,传统的频谱分析仪的局限性愈加明显,实时频谱分析仪应运而生。得益于强大的数据处理能力和多样化的图形显示功能,实时频谱分析仪可以应对诸多随时间变化的射频信号测量的挑战。
  论文在实时频谱分析系统的架构基础上,面向现代宽带通信信号的测试提出了软件实现多种调制信号的高精度解调流程。同时论文对实时频谱分析仪多种图形显示技术进行研究,扩展了原先仪器单幅图、二维的信号显示方法,使仪器能够在多域上对被测信号特征变化过程进行检测和分析。论文主要成果如下:
  1、针对实时频谱分析系统高速化的特点,采用PLX公司提供的软件开发包对基于PCI Express DMA的上位机传输驱动软件进行了设计,解决了传统仪器数据传输接口速度慢的问题,实现了数据的稳定和高速的传输,为软件的实时显示和连续数据处理提供了保障。
  2、为实现对16QAM、M-PSK、M-APSK通信信号的多域分析,论文通过幅值平方算法、CMA自适应均衡算法和改进的双模载波恢复算法对被测信号进行连续处理,消除了定时误差、信道失真以及频率、相位偏差,实现对被测信号的高精度解调分析,并经过了仿真验证和实际测试。
  3、面对信号的强突发性和瞬变性,论文紧密结合国内外仪器显示技术的发展研究了包括数字余辉、三维频谱密度、光谱图和三维瀑布图的几种波形显示技术。通过Windows底层图形显示驱动技术,将数据进行压缩并设置颜色等级,生动直观地区分信号一段时间内的变化细节,提高了实时频谱分析仪的实用性。
  4、结合实时频谱分析仪的多窗口联合测试特性,论文对底层绘图库的窗口子类化和多窗口动态布局技术进行了探讨,并通过该技术实现了对实时频谱分析软件的底层窗口子控件的封装和多测试窗口的布局。同时,论文对调制域分析中的眼图显示技术和大数据量符号表显示技术进行了研究,为实时频谱分析仪的数字调制分析提供了工具和手段。
  本论文最终完成了整个数据处理和图形显示模块的设计,并在实时频谱分析仪硬件平台上进行了实际测试验证,实现了主要功能和测试指标。
[博士论文] 郑文静
粒子物理与原子核物理 山东大学 2017(学位年度)
摘要:本文采用北京谱仪在共振峰ψ(3770)下获取的数据样本约为2.93 fb-1的e+e-对撞数据,进行了四个单重Cabibbo压制衰变道D+→K0SK+,D+→K0K+π0,D+→K0LK+和D+→K0LK+π0的分支比测量及其CP破坏的寻找。
  结果如下:B(D+→K0SK+)=(3.06±0.09±0.08)×10-3,B(D+→K0LK+)=(3.23±0.11±0.11)×10-3,B(D+→K0SK+π0)=(5.16±0.21±0.23)×10-3,B(D+→ K0LK+π0)=(5.22±0.22±0.21)×10-3.和AD→K0SKCP=(-1.5±2.8±1.6)%,AD→K0LKCP=(-3.0±3.2±1.2)%,AD→K0SKπ0CP=(1.4±4.0±2.4)%,AD→K0LKπ0CP=(-0.9±4.1±1.6)%.其中,衰变道D+→K0SK+的分支比结果与PDG值一致,衰变道D+→K0SK+π0,D+→K0LK+和D+→K0LK+π0的分支比属于首次测量。除了采用分支比测量方法寻找CP破坏以外,我们还通过Dalitz图分区的方法在三体衰变过程D+→K0S,LK+π0中进行寻找,均没有发现存在CP不对称的证据。
  采用相同的数据样本,对三体衰变过程D+→K0SK+π0进行了Dalitz图分析。通过测试不同中间共振态组合模式,我们发现该过程的Dalitz图主要由七个准两体衰变(K*(892)+K0S,(K)*(892)0K+,K*(1410)+K0S,(K)*(1410)0K+,K*0(1430)+K0S,K*2(1430)+K0S,(K)2*(1430)0K+)和一个直接衰变成分组成。经过Dalitz图拟合,本文测量出各个中间共振态的相对分支比大小。
  本文采取双标记技术,对六个带电和三个中性D介子衰变道的△E系统不确定性进行了研究,该项系统误差在0.1%量级。
[硕士论文] 裴常进
粒子物理与原子核物理 郑州大学 2017(学位年度)
摘要:锦屏深地核天体物理实验(Jinping Underground NuclearAstrophysics lab,简称JUNA)项目将在中国锦屏深地实验室开展恒星平稳氦燃烧阶段关键的(α,γ)和(α,n)反应,以及恒星平稳氢燃烧阶段关键的(p,γ)和(p,α)反应的直接测量。该项目需要一个高探测效率的4π阵列γ探测器和本底极低的实验环境。考虑到锗酸铋(Bi4Ge3O12,简称BGO)的探测效率高,阻止本领强,放射性本底低和不易潮解等优良性能,JUNA项目计划研制一套BGO探测器阵列,用于(α,γ)和(p,γ)反应的γ射线探测。
  我们为BGO探测器阵列设计了两种方案,然后通过对两种方案的12C(a,γ)16O实验能谱模拟,确定采用由八块梯形组成的阵列方案。然后通过对相对效率的计算,确定将探测器阵列的长度设计为250 mm。
  为了测试上海硅酸盐研究所生产的BGO晶体是否满足我们的实验要求,我们先组装了一台BGO原型机,并用其进行了能量分辨率测试。测试结果表明硅酸盐研究所生产的BGO晶体能量分辨率和稳定性等性能达到世界先进水平,满足我们要求。由于JUNA项目对实验环境本底的要求极高,我们又用原型机进行了本底测试,并根据测试结果,对实验使用的屏蔽体进行了改善。最终,我们设计出了基本达到实验要求的屏蔽方案。
  由于BGO晶体的光产额对温度敏感,用BGO探测器探测γ射线时,温度的变化会导致γ能谱峰位的漂移和能量分辨率的变化。国内外针对这一问题的研究所使用的BGO的尺寸都比较小,为了探究温度对大尺寸BGO探测器测量的影响,我们用自己设计并制作了简易制冷系统,先后对尺寸为4cm×4 cm×3 cm和6 cm×8 cm×25 cm的BGO晶体进行了降温,用137Cs源测量了其γ能谱峰位和能量分辨率,对BGO探测器性能随温度的变化关系进行了研究。结果表明:在我们测试的温度区间内,BGO探测器的γ能谱峰位与温度呈良好的线性关系,能量分辨率随温度的降低而提高。通过这次测试,我们对BGO的温度特性有了一定认识,也为将来研制BGO探测器阵列和地下实验测量积累了数据。
[硕士论文] 张倪侦
凝聚态物理 重庆师范大学 2017(学位年度)
摘要:石墨烯是一种由碳原子呈二维蜂窝状排列的薄膜,具有良好的力学、热学、光学及电学特性。近年来,针对石墨烯的基础及应用研究受到各国科学家广泛关注,在光电探测、生物医学、储能显示等领域得到了深入的研究。尤其是机械剥离法制备的石墨烯薄膜,具有超高的载流子迁移率,使其在超快探测器上具有比硅、锗等传统半导体材料更好的应用潜力。
  然而,单层石墨烯光电耦合作用较弱,光子吸收效率低,限制了光电探测器响应度的提高。有机-无机杂化钙钛矿是一种新型的光电材料,在300-800nm波段具有较高的光子吸收率。因此,本论文分别制备了石墨烯薄膜及其有机-无机杂化钙钛矿CH3NH3PbIxCl3-x复合结构的探测器,并研究其光电探测性能,主要研究内容如下:
  (1)分别通过机械剥离法及常压CVD法制备石墨烯薄膜及其光电器件,并研究其光电探测性能;
  (2)旋涂CH3NH3PbIxCl3-x钙钛矿材料,制备CH3NH3PbIxCl3-x/石墨烯复合结构光电探测器,并进行光电探测研究;
  (3)通过改变浓度获得不同厚度的CH3NH3PbIxCl3-x薄膜,并研究ZnO电子传输层、ODTS薄膜对CH3NH3PbIxCl3-x/石墨烯光电探测器件的性能影响。
  石墨烯应用在光电探测器的缺陷在于对光的吸收率少透过率高,光照产生光激子少,所以石墨烯光电探测器的光响应率低。但是石墨烯具有超高的电子迁移率,所以石墨烯光电探测器的响应时间迅速。CH3NH3PbIxCl3-X材料又恰恰具有高光吸收率。CH3NH3PbIxCl3-X和石墨烯光电探测器中CH3NH3PbIxCl3-X增加了对光的吸收,石墨烯的高电子迁移率迅速填补CH3NH3PbIxCl3-X光激子产生的空穴,所以CH3NH3PbIxCl3-X和石墨烯光电探测器的光响应率高。但是由于CH3NH3PbIxCl3-X的扩散距离长,所以CH3NH3PbIxCl3-X和石墨烯光电探测器的响应时间变长。基于以上两种探测器的对比,加入ZnO电子传输层,可以弥补CH3NH3PbIxCl3-X材料加入导致响应时间增强的缺陷,使光电探测器具有高的光响应率和较快的响应时间。
  本文通过对石墨烯及其与无机有机杂化钙钛矿复合机构光电探测器的研究,讨论了不同材料光电探测器的性能,进一步优化了石墨烯及钙钛矿薄膜的工艺参数,对石墨烯光电探测器的发展及有机-无机杂化钙钛矿材料在光电探测领域的应用具有重要的学术意义。
[硕士论文] 龚芮
化学工程与技术 西南科技大学 2017(学位年度)
摘要:铽铝石榴石基(Tb3Al5O12,TAG)陶瓷闪烁体具有密度较高,抗辐射性能良好,光输出高,衰退时间短等优点,有望应用于高能物理、核医学、地质勘探以及安检等领域。TAG闪烁单晶存在生长条件苛刻、制备周期长、生产设备要求高、成本高、尺寸受限以及离子掺杂不均匀等问题,使得其应用受到限制。因此,研究和制备TAG多晶陶瓷闪烁体具有重大意义。作为制备TAG多晶陶瓷闪烁体的第一步,TAG粉体必须具有高纯度、良好的分散性、均匀性以及良好的烧结活性。当前TAG粉体的制备普遍存在粉体分散性差、粒径不均一、活化能垒高等不足,导致了其烧结活性低、烧结温度高、荧光强度低等缺陷,对于后续的制备带来了限制。此外,对于TAG粉体制备的具体反应历程也缺乏探究。
  因此,为了降低TAG粉体的烧结温度,本论文首先选取了两种反应条件最为温和的TAG粉体制备方法:共沉淀法与溶胶-凝胶法,成功制备出TAG粉体并对其微观结构及相关性能进行了表征。发现溶胶-凝胶法制备的前驱体,TAG相的结晶温度可降低到920℃远低于共沉淀法(>1000℃),最终荧光强度也高出共沉淀法约30%。由此可见,溶胶-凝胶法在TAG粉体制备方面更具有优势。
  进一步从原子扩散速率角度出发,通过优化溶胶-凝胶法制备TAG粉体的工艺参数,调节络合剂柠檬酸的量改善粉体的微观结构,为原子的短程扩散提供通道,提高了其原子扩散速率,有利于各相的晶化,从而降低其烧结温度。在柠檬酸的摩尔量与金属离子总的摩尔量的比例为1:1的情况下,制得的TAG粉体分散性、均匀性最为优异,带来了良好的烧结活性,与第一章制备参数相比,TAG晶相的结晶温度降低到了877.5℃,荧光强度提高了约32%;同时,对溶胶-凝胶法制备TAG粉体的具体反应历程进行了探究。
  在此基础上,又从各相成核的活化能垒角度出发,通过引入金属离子降低各相成核的活化能垒,从而进一步降低了TAG粉体的烧结温度。本研究工作首次将Fe3+离子引入TAG体系,发现其能够成为优先成核位点从而降低各相成核的活化能垒,进一步提高TAG粉体的烧结活性。在其最优组成Tb3(Al0.95,Fe0.05)5O12条件下,TAG相的结晶温度可降低到780℃,但是Fe3+离子的引入一定程度上降低了TAG体系的荧光强度。因此,为弥补Fe3+离子掺杂带来的不足,利用Ce3+振动强度大等优点,采用Fe3+、Ce3+两种离子的共掺杂的方法制备了一种新型陶瓷闪烁粉体,与第一章制备参数相比,在其最优组成Tb2.97(Al0.95Fe0.05)5O12:Ce0.03条件下保证其良好烧结活性的同时荧光强度提高了1倍。
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