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量子真空计量标准中的非极性稀薄气体折射率测量研究

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物理学报 2021年第4期70卷 144-152页

作者：范栋习振华贾文杰成永军李得天兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室兰州730000

为进一步提高真空量值的复现性和准确性,最新研究采用量子技术实现对真空量值的测量与表征.该方法利用Fabry-Perot谐振腔实现腔内气体折射率的精密测量,并反演出气体密度,进而获得对应的真空量值,其中气体折射率的测量是影响真空量值准... 详细信息

为进一步提高真空量值的复现性和准确性,最新研究采用量子技术实现对真空量值的测量与表征.该方法利用Fabry-Perot谐振腔实现腔内气体折射率的精密测量,并反演出气体密度,进而获得对应的真空量值,其中气体折射率的测量是影响真空量值准确性的关键.本文基于第一性原理,利用从头计算理论计算了在已知压力和温度条件下的氦气折射率,给出腔内气体压力与折射率关系的表达式,并利用基于Fabry-Perot激光谐振腔的真空测量装置,通过双腔谐振激光拍频精确测量了充气前后谐振激光频率的变化,测出了氦气折射率,并分析了测量不确定度.将理论计算值与实验测量值进行了对比分析,得出了制约准确度提高的主要因素,并提出了修正方法.

关键词：真空计量 Fabry-Perot谐振腔气体折射率氦气渗透率

基于相位测量的角漂移自适应结构表面等离子体共振气体折射率测量系统

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光学学报 2012年第12期32卷 165-171页

作者：陈强华罗会甫王素梅王锋陈新华北京理工大学机械与车辆学院先进加工技术国防重点学科实验室北京100081

提出了一种可抑制角漂移的表面等离子体传感器结构,并结合相位测量设计了相应的气体折射率测量系统。分析表明激光入射角、金膜厚度以及反射光p、s分量的相位差与气体折射率之间的固有非线性是影响相位响应度与折射率测量精度的主要因... 详细信息

提出了一种可抑制角漂移的表面等离子体传感器结构,并结合相位测量设计了相应的气体折射率测量系统。分析表明激光入射角、金膜厚度以及反射光p、s分量的相位差与气体折射率之间的固有非线性是影响相位响应度与折射率测量精度的主要因素。计算表明所提出的自适应结构将角漂移引起的误差降低了一个数量级并很大程度提高了测量灵敏度。同时分析设计了金膜厚度参数,并评估了反射光p、s分量的相位差与气体折射率之间固有非线性带来的误差。应用于空气折射率的测量比对实验显示其测量精度达到了10-6量级。

关键词：测量气体折射率表面等离子体共振角漂移自适应结构相位测量

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量子真空计量中的气体折射率测量方法研究

中国激光 2021年第23期48卷 43-50页

作者：范栋李得天习振华贾文杰成永军兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室甘肃兰州730010

为提高真空度测量的准确性和测量系统的稳定性,使用气体密度对真空量值进行表征。依托法布里-珀罗激光谐振腔,利用电磁波与气体分子的相互作用,通过量子动力学建立宏观介电常数与微观极化参数的联系,可实现气体密度的精密测量,从而建立... 详细信息

为提高真空度测量的准确性和测量系统的稳定性,使用气体密度对真空量值进行表征。依托法布里-珀罗激光谐振腔,利用电磁波与气体分子的相互作用,通过量子动力学建立宏观介电常数与微观极化参数的联系,可实现气体密度的精密测量,从而建立量子真空计量标准。为减小谐振腔腔长变化对测量结果的影响,选用10^(3)Pa恒压参考点的谐振频率作为参考,进行氦气折射率的测量。利用从头计算理论,得出了各压力点下氦气折射率理论值。推导出了低真空恒压参考点下的折射率测量表达式,利用基于法布里-珀罗激光谐振腔的量子真空测量装置,在10^(3)Pa恒定压力参考点下,通过Pound-Drever-Hall锁频技术和拍频技术精确测量腔内激光频率变化,测出了氦气折射率,并得出折射率参数的测量不确定度。与10^(-5)Pa高真空参考点下的折射率测量值进行对比分析,结果表明基于恒压参考点的折射率测量方法可有效提高折射率测量准确度。

关键词：测量真空计量量子化法布里-珀罗谐振腔气体折射率不确定度

飞行器周边气体折射率变化对激光测量影响的模拟研究

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光电工程 2010年第4期37卷 30-33,38页

作者：赵玉华袁峰丁振良李晶哈尔滨工业大学自动化测试与控制系哈尔滨150001 哈尔滨理工大学应用科学学院哈尔滨150080

在利用激光测量飞行器姿态参数的实验中,当测量光线穿过飞行器所产生的射流场时,场内气体光折射率不同而使光路发生弯曲,从而对测量结果造成影响。本文根据空气射流动力学原理,对飞行器周围射流场内气体的光折射率分布规律进行分析,建... 详细信息

在利用激光测量飞行器姿态参数的实验中,当测量光线穿过飞行器所产生的射流场时,场内气体光折射率不同而使光路发生弯曲,从而对测量结果造成影响。本文根据空气射流动力学原理,对飞行器周围射流场内气体的光折射率分布规律进行分析,建立简化模型,并以此得出影响测量误差的相应因素,估算出测量光束弯曲的角度偏差,从而对测量结果进行修正;同时可以提高系统的测量精确性,对测量系统的设计有所帮助。模拟试验结果表明,该计算方法可以有效的计算出测量结果的误差。

关键词：气体折射率气体射流场激光测量

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气体折射率基准温度计测量热力学温度的研究

气体折射率基准温度计测量热力学温度的研究

作者：蔡杰中国计量科学研究院

学位级别：硕士

热力学温度是国际单位制七个基本物理量之一,单位为开尔文(符号为K)其描述的是客观世界真实的温度,同时也是制定国际协议温标的基础。2006年,国际计量局温度咨询委员会(CCT)采纳了用玻尔兹曼常数定义热力学温度单位开尔文的建议,并提出... 详细信息

热力学温度是国际单位制七个基本物理量之一,单位为开尔文(符号为K)其描述的是客观世界真实的温度,同时也是制定国际协议温标的基础。2006年,国际计量局温度咨询委员会(CCT)采纳了用玻尔兹曼常数定义热力学温度单位开尔文的建议,并提出采用(T-T90)表示热力学温度与ITS-90的偏差。本论文的指导教师,基于微波谐振技术和量子物理“从头算”理论提出了气体折射率基准温度计的基本方法。本文论述了建立的双圆柱微波腔测量氦气折射率的热力学温度实验系统,以及所开展的热力学温度测量的前期研究工作。研究内容主要包括以下几个部分：(1)设计了微波谐振腔体,建立了双圆柱微波谐振腔热力学温度测量实验系统。(2)首次对双圆柱微波谐振腔气体折射率基准温度计的理论进行了详细的分析。(3)采用电磁场一阶微扰理论,对造成谐振频率扰动的非理想因素(趋肤效应、端盖开孔)进行了分析。(4)优化谐振腔设计,发现将探针天线布置在端盖中心可提高信噪比,确定将不锈钢腔镀铜处理为最优方案。(5)设计和研制恒温槽控温系统,使得谐振腔温度波动稳定在±0.3mK/h的水平,设计了真空配气系统和频率测量系统。(6)采用LabVIEW软件编写了实验中各仪器的自动控制程序,实现了仪器自动化的数据采集与传输。(7)在水三相点温度下,测量了不同压力下氦气的折射率,得到了热力学温度合适的压力测量范围。选取TM010和TM011模式测量了306.2603K下的热力学温度,得到T-T90=(3.0±4.9)mK,并对气体折射率基准温度计的不确定度进行了初步的评估。(8)采用ABAQUS有限元软件对圆柱声学共鸣腔进行建模,模拟了其在不同螺栓预紧力下的变形,并对固有频率进行仿真,与实验测量的实际结果进行比较,二者显示具有良好的一致性,为下一步壳体振动修正理论模型的建立以及共鸣腔共振模式的选取打下了基础。

关键词：热力学温度气体折射率微波谐振圆柱腔

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测量气体折射率的微波谐振腔频率标定方法

仪表技术与传感器 2021年第7期 117-121页

作者：张瑜秦元基韩明硕李爽河南师范大学电子与电气工程学院河南新乡453007 中国人民解放军91709部队吉林珲春133300 洛阳师范学院物理与电子信息学院河南洛阳471000

利用微波谐振腔实现对气体折射率的测量,需在真空环境中精确确定测量系统的零点频率,即微波谐振腔零点频率。针对微波谐振腔定标中真空度难以保证的现状,提出了一种常规大气环境下腔体零点频率的标定方法。通过精确测量大气环境的温度... 详细信息

利用微波谐振腔实现对气体折射率的测量,需在真空环境中精确确定测量系统的零点频率,即微波谐振腔零点频率。针对微波谐振腔定标中真空度难以保证的现状,提出了一种常规大气环境下腔体零点频率的标定方法。通过精确测量大气环境的温度、湿度、压强参数得到高精度实时折射率,最后根据得到的高精度实时折射率对腔体谐振零点频率进行调节,以实现谐振腔的零点频率标定。实验结果表明,该方法具有误差小、调节方便的特点,且能够保证整个微波测量系统的测量精度。

关键词：微波测量气体折射率谐振腔谐振频率

微波谐振法精密测量圆柱腔体尺寸及气体折射率的研究

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微波谐振法精密测量圆柱腔体尺寸及气体折射率的研究

作者：张凯河北大学

学位级别：硕士

温度是表示物体冷热程度的物理量，是确定物质状态最重要的参数之一。热力学温度是客观世界真实温度。热力学温标是热力学温度的标尺，所得的温度量值也是客观物质世界的真实温度。温度单位开尔文(K)是国际单位制(SI)中的7个基本物理单... 详细信息

温度是表示物体冷热程度的物理量，是确定物质状态最重要的参数之一。热力学温度是客观世界真实温度。热力学温标是热力学温度的标尺，所得的温度量值也是客观物质世界的真实温度。温度单位开尔文(K)是国际单位制(SI)中的7个基本物理单位之一。准确测量热力学温度和玻尔兹曼常数是定义热力学温标和改变温度单位开尔文对实物物理性质依赖的重要方法。准确测量共鸣腔腔体尺寸是声学共鸣法测量玻尔兹曼常数的基础;而气体折射率的准确测量又是采用微波谐振法测量热力学温度和建立气体折射率热力学温度计的关键因素。微波谐振技术是一种测量迅速且灵敏很高的探测技术。文章以微波技术和电磁场理论为基础，分析了电磁波在圆柱形微波谐振腔中的传播和分布特点，并结合微波微扰原理对趋肤深度和进气导管开孔非理想因素的对微波谐振频率的扰动进行了修正。设计了无氧铜圆柱形微波谐振腔，同时选择针形微波天线作为腔体的激励和耦合天线;设计合理的压力仓转接器，频率测量fN拟合相对标准不确定度在10ppb以下;测量半宽gN在0.2MHz以下具有较高的耦合效率。搭建了温度、压力、频率测量与控制系统，以LabVIEW为开发平台设计了温度、压力、频率测量和实验控制软件系统，实现了实验的自动控制和数据自动采集处理。通过测量TM001M004模式微波谐振频率，结合微扰原理修正得到腔体30℃45℃时的腔体半径a。在同一温度下，不同模式测量值与平均值的相对偏差在2×10-5以内，不同模式之间具有很好的一致性，测量精度在1μm以内，半径测量相对不确定度为3.987ppm。实验测量了氮气温度40℃45℃，压力50kPa00kPa和氩气温度30℃，压力50kPa70kPa的气体折射率，不同模式之间的不一致性相对偏差小于1.8×10-4。相同压力下，温度越高气体的折射率越小;相同温度下的气体折射率随压力的增加而增加;通过测量得到的折射率计算的介电常数与已发表的氮气和氩气维里系数拟合得到的介电常数比对误差在20ppm以内。

关键词：热力学温度微波谐振腔气体折射率尺寸测量玻尔兹曼常数

基于微波谐振法的气体折射率热力学温度计研究

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基于微波谐振法的气体折射率热力学温度计研究

作者：崔劲长春理工大学

学位级别：硕士

热力学温度单位开尔文(K)是国际单位制的七个基本单位之一,其量值被精确、稳定地复现,是保证在全球范围内温度测量一致和准确的前提。热力学温度是客观世界的真实温度,但是由于其测量难度大,国际温度组织依据热力学温度测量结果制订了... 详细信息

热力学温度单位开尔文(K)是国际单位制的七个基本单位之一,其量值被精确、稳定地复现,是保证在全球范围内温度测量一致和准确的前提。热力学温度是客观世界的真实温度,但是由于其测量难度大,国际温度组织依据热力学温度测量结果制订了实用性的协议温标,也称国际温标。目前我们使用的是ITS90国际温标,国际温标是对热力学温度的逼近。然而,国际计量委员会(CIPM)开展的水三相点比对中显示水中氢氧同位素丰度随着水源、蒸馏工艺过程不同会有明显差异,这导致复现水三相点有可能偏移开尔文的定义值。因此在2005年,CIPM提议将热力学温度等基本单位定义在基本物理常数上,从而改变依赖实物基准的历史。微波谐振法是当前测量热力学温度最精确的方法之一。本文在中国计量科学研究院热工计量实验室基准声学温度计的实验平台基础上,利用氩气的量子力学“从头算”理论和相关实验测量结果,建立了基于微波谐振法测量不同温度下的气体折射率,通过温度与气体折射率的关系得到准确的热力学温度。建立了谐振腔主动控温方法,在实验测量的9小时内,谐振腔的温度稳定性达到±0.1 mK;建立了高纯气路系统,解决了测量过程中氩气污染的问题;改进了谐振腔压力测量方法,通过对氩气流量的控制实现了13小时内谐振腔内压力波动小于10 Pa。获得了汞三相点到镓融化点温区内5个温度点的热力学温度T。通过测量圆柱微波谐振腔内4个横磁模式的微波谐振频率,获得了氩气在700 kPa附近的气体折射率,在不同微波模式得到的氩气折射率一致性优于1×10,进一步结合氩气的维里状态方程得到热力学温度。热力学温度T和ITS-90国际温标差异T差异不确定度为11.6 mK,与国际温度咨询委员会的评估值具有良好的一致性。未来随着氩气理论计算结果不确定度的持续降低和实验系统压力测量不确定度的深入研究,该方法测定热力学温度的不确定度会进一步改善。

关键词：热力学温度气体折射率微波谐振法氩气

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气体折射率测定

物理实验 1984年第2期 68-69页

作者：王祝和大连海运学院

电磁波在气体中的传播状况取决于介质的折射率n。气体介质的分子在电磁波电场强度矢量E的作用下极化,产生电偶极矩,用电极化强度矢量P描述。对均匀介质,设单位体积中的气体分子数为n_n。每个分子的极化电偶极矩为P_i,则有

关键词：气体折射率气体介质绝缘材料气体压强分子数密度迈克尔逊干涉仪光学干涉仪气室贮气间呼吸器(动物)