氚气标准源的研制

高性能芯片级原子气室的制备是现阶段芯片级量子传感仪器研制急需解决的关键技术之一。为解决目前芯片级原子气室研制领域存在的碱金属定量填充难、气密性差等问题，开展了高气密性芯片级原子气室制备方法研究，利用微电子机械系统（MEMS）技术实现了芯片级原子气室的批量制备。采用深硅刻蚀技术制备硅气室腔，利用RbN₃的光分解实现碱金属单质的制备及定量填充，采用阳极键合技术对原子气室进行两次硅片/玻璃键合封装，成功获得了以N₂为缓冲气体的Rb碱金属原子气室。对所制备的原子气室进行键合强度、气密性、吸收光谱测试，结果表明原子气室的玻璃/硅片/玻璃键合强度均较高，其中B组原子气室的漏气率平均值为2.2×10^-9 Pa?m³?s^-1，其气密性为目前行业内领先水平。最后从制备工艺上分析了两组原子气室的性能差异原因，为推动量子传感仪器的芯片级集成技术发展奠定重要基础。     

基于HITEMP数据库的分子吸收光谱高精度快速建模方法

为解决高温环境下分子吸收光谱精确计算的时间复杂性，满足宽光谱测量领域对理论吸收光谱计算的需求，本研究利用Python语言以逐线计算为基础，结合线型函数的简化、线翼截止准则和谱线数据库的优化，建立了基于高温分子吸收参数数据库（High?Temperature molecular spectroscopic absorption parameters database，HITEMP）的分子吸收光谱精确快速计算模型。以Hartmann?Tran线型函数作为吸收光谱标准线型编写部分相关二次速度依赖硬碰撞函数（partially?Correlated quadratic?Speed?Dependent Hard?Collision Profile，pCqSDHC），结合复概率函数（Complex Probability Function，CPF）简化模型实现了线型函数的精确快速计算，相较于理论计算模型计算速度提高了20倍。按照光谱计算残差在10-5量级确定了固定波数截断结合谱线半宽等倍数截断的线翼截止准则。以阈值线强度10-25?cm-1/(mol?cm-2)为标准筛选了每100 K温度梯度时的光谱数据，整合得到优化数据库。在6 500 ~ 8 000 cm-1范围内对水分子的吸收光谱进行计算，并与“SpectraPlot.com”分子气体集成光谱建模网站仿真结果对比，逐线模型的计算误差在10-7量级，优化模型的计算误差在10-5量级，计算速度平均提升25倍。该模型满足吸收光谱测量中对于理论吸收光谱的高效准确计算，为复杂环境中基于宽调谐、超连续激光吸收光谱的测量研究提供了理论模型基础。     

多档位扭摆推力测量装置的设计与标定实验

针对卫星用中高功率电推进器产生的推力范围跨度大，现有的推力测量装置存在测量范围不全、抗干扰能力差导致测不准等问题，开展了多档位三丝扭摆推力测量装置研究。首先，建立了推力测量装置物理模型，研究了推力与偏转位移之间的数学关系，并实现了多档位三丝扭摆推力测量装置的设计。接着，采用标准砝码与定制砝码对测量装置进行标定，并通过标定实验确定各档位下的测量误差。然后，综合考虑了装置的不确定度影响因素，设计相关试验开展不确定评估。实验结果表明：在实验环境不变的情况下，多档位三丝扭摆推力测量装置设计的小档位推力为98 mN的不确定度为0.030 mN（k=2）；中档位推力为490 mN的不确定度为0.068 mN（k=2），大档位推力为980 mN的不确定度为0.092 mN（k=2）。多档位扭摆推力测量装置采用换档位的测量方法实现了9.8~1029 mN范围的推力测量，测量精度高、抗干扰能力强，解决了宽范围推力测量过程中全量程精度难以保证的问题，为中高功率电推进器推力测量提供技术支撑。     

基于移动光晶格布洛赫振荡的原子干涉重力仪

针对目前传统的原子干涉重力仪—马赫-曾德尔型原子重力仪存在体积较大，影响设备便携性的问题，北京大学实现了国内首个基于移动光晶格的布洛赫振荡原理的小型化原子干涉重力仪。本实验系统的采样率达到0.9 Hz，能够满足长期实时测量的需求，且实验系统中原子的竖直位移约为3 cm，灵敏度达到4.6 × 10² μGal·Hz^-1/2，在2 800 s积分时间内，分辨率可以达到6.50.7?μGal。实验成果为原子干涉重力仪的小型化与实用化指明了未来的发展方向。     

基于冷原子重力仪的轨道移动绝对重力测量

绝对重力测量在铁路路基探测等领域发挥着重要作用，但大多数室外移动重力仪结构复杂或精度一般，可使用的范围有限。研制了一套轨道移动绝对重力测量系统，实现了高集成的系统结构设计、自动化的测试流程，开展了实验室及轨道环境下的绝对重力测量，测量结果可靠。首先，在实验室环境下重力测量灵敏度达到了440 μGal?Hz-1/2，测量300 s的误差小于30 μGal。其次，在炎热、嘈杂的室外轨道移动条件下，绝对重力测量不确定度优于15 μGal，与相对重力仪（LG-1）的测量偏差优于40 μGal。最后，轨道环境下的重力测量灵敏度达到707.9 μGal?Hz-1/2。所提出的轨道移动绝对重力测量系统可以在室外条件下进行快速重力测量，为铁路路基探测提供了新的仪器与解决方案。     

拉曼抑制光频梳微腔的设计与仿真

为了解决回音壁模式下的微腔在产生光频梳时受拉曼效应的影响，尤其在重频GHz时难以产生平滑的光梳谱的问题。首先，设计并调节波导和微环的耦合长度；然后，优化耦合角度，调整微环与波导之间的匹配模式，降低在长波段的耦合Q值，增加拉曼产生的阈值，抑制拉曼效应。通过仿真分析得出，相较于一般的直波导微环耦合结构，设计的弯曲波导微环在短波长处拉曼阈值增加了3倍，且在短波长处产生的光频梳功率提高了20 dB。为回音壁模式微腔结构的设计提供了一定的参考价值。     

滑块摇杆机构对小腿三头肌康复的作用研究

以小腿三头肌的康复训练为应用背景,研究了滑块摇杆机构对小腿三头肌的康复作用。推导了滑块摇杆康复机构的矢量方程,建立了其数学模型,并利用MATLAB软件进行了滑块摇杆康复机构的运动仿真。结果显示：通过控制机构滑块的位移、速度和加速度可以间接地控制末端执行器的运动,从而形成能满足患者不同需求的康复模式;为保证滑块摇杆康复机构在使用过程中的安全性,滑块位移的变化区间应为200~700 mm。开展了滑块摇杆康复机构对小腿三头肌的按摩实验。结果显示,使用滑块摇杆康复机构后,小腿三头肌的表面肌电信号明显改变,使用前后小腿三头肌的肌电值有显著性差异（p1=0.037<0.05）,使用过程中肌电值的峰值有显著性差异（p2=0.018<0.05）,说明该机构对小腿三头肌有显著、有效的康复性刺激。研究结果可为滑块摇杆机构在康复医疗中的应用提供理论参考。     

自适应消声系统的设计与性能研究

为了有效控制低频宽带噪声,结构简单的声衬被广泛应用。传统声衬只能消除固定频率的噪声,即当环境噪声频率发生改变时,传统声衬消声性能明显下降。为此,提出了一种自适应消声系统,利用压电声衬工作原理,通过LabVIEW串口通信技术传输与控制数据程序,驱动压电声衬使它能根据噪声频率的变化自适应控制信号;通过调节电源输出电压,改变压电声衬共振腔体积,从而及时有效地调节压电声衬消声频率,拓宽压电声衬的消声频带。分析结果表明,压电声衬共振腔体积减小时,消声频带向低频方向偏移,反之向高频方向偏移;当输出电压为-100~200 V时,自适应消声系统可在噪声频率为1 364~1 420 Hz的环境中一直保持最佳的消声效果,实现了自适应消噪。研究结果表明,对声衬施加直流电源可以对其消声频率进行调节,使其消声频带随着噪声频率的变化而偏移,拓宽其消声频带。设计的消声系统可以实现噪声的自适应控制,可为声衬的主动控制及优化提供参考。     

基于囚禁离子的微波频标研究进展

微波频标在卫星导航、精密计量、电力、通信等众多领域得到广泛应用,发挥了不可或缺的重要作用。近些年,国际上多家科研单位都在开展新型微波频标的研究,其中基于囚禁离子的微波频标具有高性能和小型化等优势,成为倍受关注的新一代微波频标。本文综述了离子阱微波频标的国内外研究现状,介绍了Penning阱和Paul阱两种常见离子阱的工作原理,以及¹⁹⁹Hg⁺,¹¹³Cd⁺,¹⁷¹Yb⁺等离子微波频标的研究动机、应用领域、技术方案和实现的技术指标。最后,本文对离子阱微波钟在守时钟、星载钟等方面的应用前景进行了展望。     

基于滚筒载荷的采煤机滑靴振动分析及实验验证

为了研究采煤机滑靴的振动特性,对采煤机整机进行动力学建模分析。首先,根据采煤机部件的功能,将采煤机划分成前、后滚筒,前、后摇臂,机身,前、后导向滑靴和前、后平滑靴等9个部分;然后,基于拉格朗日法构建了采煤机三向耦合动力学模型;接着,对所构建的动力学模型的坐标耦合问题进行分析,并采用Wilson-θ算法对动力学模型进行仿真求解;最后,通过采煤机振动实验获取了滑靴的三向振动加速度,并与仿真结果进行对比。结果表明：通过仿真与实验获得的滑靴振动加速度的中位数均集中在平衡位置“0 m/s²”处,但仿真结果的四分位数全距大于实验结果,即仿真结果相对发散,而实验结果更为聚集;仿真结果与实验结果的相关系数均大于0.3,呈实相关,其中部分数据的相关系数大于0.5,呈显著相关;在仿真结果与实验结果的P值直方图中,各组数据的P值均大于0.05,说明在95%置信区间内,仿真结果与实验结果无显著差异,表明仿真结果可以近似代替实验结果,具有一定的准确性和实用性。研究结果可为采煤机滑靴的故障诊断、结构优化以及疲劳寿命分析提供理论依据。     

汞离子微波频标光学设计

汞离子微波频标利用汞灯进行抽运,可实现小型化,同时具备体积小、指标高的优势,未来可在卫星导航、深空探测和守时中得到广泛应用。为了提高抽运效率及降低噪底,需要进行汞灯光学设计,使抽运光通过四极阱中心与囚禁离子充分作用的同时减少与真空腔及四极杆的反射。首先提出遮挡光源法和非等比例放大法两种光学设计方法。然后介绍了两种设计方法的具体设计过程和设计结果,并比较了两种光学设计方法汞灯的能量利用率。最后利用非等比例放大法进行光路优化设计,并完成了物理系统信号探测实验。实验结果表明：采用该光学设计方案,汞离子光微波双共振跃迁信号幅度提高了20%以上。     

A novel starch-based adsorbent for removing toxic Hg(II) and Pb(II) ions from aqueous solution

A novel effective starch-based adsorbent was prepared through two common reactions, which included the esterification of starch with excess maleic anhydride in the presence of pyridine and the cross-linking reaction of the obtained macromonomer with acrylic acid by using potassium persulphate as initiator. The percentage of carboxylic groups of the macromonomer ranged from 14% to 33.4%. The cross-linking degree of the adsorbent was tailored with the amount of acrylic acid which varied from 10 wt% to 80 wt%. Both Fourier transform infrared spectra and thermogravimetric analysis results verified the structure of the adsorbent. The maximum gel fraction and swelling ratio of the adsorbent were about 72% and 6.25, respectively, and they were able to be adjusted with the amount of monomers. The weight loss percentage of the adsorbent could reach 96.9% after immersing in the buffer solution that contained α-amylase for 14 h. It was found that the adsorption capacities of the adsorbent for lead and mercury ions could be 123.2 and 131.2 mg/g, respectively. In addition, the adsorbent was able to remove ca. 51-90% Pb(II) and Hg(II) ions that existed in the decoctions of four medicinal herbals.     

A label-free G-quadruplex-based mercury detection assay employing the exonuclease III-mediated cleavage of T–Hg2+–T mismatched DNA

Abstract

We report herein the use of an exonuclease III and G-quadruplex probe to construct a G-quadruplex-based luminescence detection platform for Hg²⁺. Unlike common DNA-based Hg²⁺ detection methods, when using the dsDNA probe to monitor the hairpin formation, the intercalation of the dsDNA probe may be influenced by the distortion of dsDNA. This ‘mix-and-detect’ methodology utilized the G-quadruplex probe as the signal transducer and is simple, rapid, convenient to use and can detect down to 20 nM of Hg²⁺.     

A label-free G-quadruplex-based mercury detection assay employing the exonuclease III-mediated cleavage of T–Hg2+–T mismatched DNA

We report herein the use of an exonuclease III and G-quadruplex probe to construct a G-quadruplex-based luminescence detection platform for Hg²⁺. Unlike common DNA-based Hg²⁺ detection methods, when using the dsDNA probe to monitor the hairpin formation, the intercalation of the dsDNA probe may be influenced by the distortion of dsDNA. This ‘mix-and-detect’ methodology utilized the G-quadruplex probe as the signal transducer and is simple, rapid, convenient to use and can detect down to 20 nM of Hg²⁺.     

硝酸表面氧化改性木质活性碳纤维

采用2~14mol/L的硝酸,在23~83℃下,对木质活性碳纤维(WACF)浸渍氧化改性1~8h后,通过Raman、XPS、水吸附和汞吸附等表征表面官能团的结构性能。结果表明,硝酸氧化能力强,可以增加氧原子浓度。酚基、醇基、羟基、羧基官能团随着硝酸浓度增大而增多,酚基和醇基随着浸渍时间的延长而减少,羟基随着浸渍时间的延长而显著增多。WACF表面的石墨化程度随硝酸浓度增大而提高,芯部石墨化程度整体提高但不随浓度梯度的变化而变化。硝酸改性后WACF的水吸附孔容降低,水吸附比表面积显著增加。WACF对HgCl2的吸附量随着硝酸浓度的增大、温度的升高和浸渍时间的延长而增大。以WACF的吸附能力为研究目标,通过对其形貌、晶体结构、表面官能团等进行表征,揭示影响水吸附、汞吸附性能的表面结构特性和化学特性的内在规律,研究结果对WACF功能化利用有指导意义。     

External-Field Shifts of the 199Hg+ Optical Frequency Standard

Frequency shifts of the ¹⁹⁹Hg⁺ 5d¹⁰6s ²S_1/2 (F = 0, M_F = 0) to 5d⁹6s^{2 2}D_5/2 (F = 2, M_F = 0) electric-quadrupole transition at 282 nm due to external fields are calculated, based on a combination of measured atomic parameters and ab initio calculations. This transition is under investigation as an optical frequency standard. The perturbations calculated are the quadratic Zeeman shift, the scalar and tensor quadratic Stark shifts, and the interaction between an external electric field gradient and the atomic quadrupole moment. The quadrupole shift is likely to be the most difficult to evaluate in a frequency standard and may have a magnitude of about 1 Hz for a single ion in a Paul trap.     

燃煤电站利用飞灰脱汞的研究现状

汞的累积性及高毒性使其成为了未来主要的污染物控制对象之一,目前较为成熟的活性炭喷射技术平均汞脱除率能够达到80%-98%,但极高的运行成本仍然难于达到大范围商业推广的要求。飞灰作为燃煤电站的废弃物,成本极低,且同样具备汞捕集能力,某些飞灰的汞脱除能力甚至能够达到商业活性炭级别。本文对目前影响飞灰汞脱除率的研究进行了综述。综合讨论了烟气气氛、煤炭类型、飞灰含碳量、飞灰岩相结构等多种因素对飞灰汞脱除率的影响。明确了飞灰脱汞技术的可行性,以及未来亟待解决的问题。     

Hg1-xCdxSe红外薄膜材料研究进展

硒镉汞(Hg_(1-x)Cd_xSe)作为碲镉汞(Hg_(1-x)Cd_xTe)的红外替代材料受到广泛关注,它具有位错密度低、热膨胀系数小、晶格失配小等优势,可望获得高质量、大面积、廉价长波红外(Long-wavelength infrared,LWIR)焦平面阵列(Focal plane arrays,FPAs)。综述了Hg_(1-x)Cd_xSe材料的最新研究进展,讨论了Hg_(1-x)Cd_xSe薄膜材料在不同衬底和不同生长条件下对薄膜质量的影响及最新研究结果;同时,对Hg_(1-x)Cd_xSe材料的研究进行了展望。