电子俘获

电子俘获（通用3篇）

电子俘获 篇1

0 引言

线性化电子俘获响应电路主要应用于利用放射源或非放射源产生大量低能热电子,造成对具有电负性官能团的有机物俘获电子,检测亲电子有机物浓度的功能。系统电路采用恒电流频率调制电压方式,根据亲电子有机物浓度高低(即俘获电子的多少),通过闭环反馈电路控制改变脉冲频率,改变吸收电子的电场强度,保持恒定收集电流,从而达到改善和提高检测的灵敏度、线性度及线性范围目的。长期以来,该系统采用的是模拟电路,本文利用Cortex-M3系统实现了微电流的采集、PWM变频输出、基线漂移的自动调整等。整个系统调节采用PID技术,因此系统非常稳定,并且该系统留有多种通信接口。

1 相关技术与原理

亲电子有机物浓度检测是一种放射性或非放射性离子化的激发方式。其原理是利用放射性同位素,在衰变过程中放射具有一定能量的β粒子作为电离源,聚集于离子腔体中。因为电子移动的速度比正离子快得多,所以正离子和电子的复合机率很小,只要条件一定就形成了一定的离子流(即基流)。当载气中带有微量的电负性组分时,亲电子组分将大量俘获电子,形成负离子或带电负分子。因为负离子(分子)的移动速度和正离子差不多,正负离子的复合机率比正离子和电子的复合机率高105~108倍,基流明显下降,这就形成输出为负极性的电信号。对应于此组分的色谱峰,其信号的峰高或峰面积正比与电负性样品浓度。因此该系统主要可用于色谱仪以及相关的检测器的核心部件,其灵敏度的高低和稳定性都将决定该仪器的整体性能。电子俘获检测器ECD结构如图1所示[1,2]。

加载于收集极接收电子的电源为三种方式:直流电压方式、恒频率脉冲电压方式和本文采用的恒电流频率调制方式。

恒电流频率调制方式工作原理是在收集电子期间,将恒定频率的矩形脉冲电压加之阳极,在脉冲电场的作用下,在脉冲的正电压期间收集所有的自由电子。当亲电子有机物进入离子腔体后,俘获一定电子形成负离子,负离子与正离子复合成中性分子,避免空间电荷聚积带来的不利影响。

恒电流频率调制方式的优越性如图2所示[3]。

图2给出电子俘获电流与脉冲频率的关系,其每条曲线对应一个样品浓度高低。由图可知,在固定脉冲供电情况下,对应直线CD与各浓度曲线的截距小而不均匀,这表明线性范围窄;而采用恒电流频率调制方式,恒定基流情况下,对应直线AB与各浓度曲线的截距大而间隔相等,表明其线性范围宽、线性好的优点。

恒电流频率调制方式的工作原理如图3所示。

在载气通过放射源时,只有一定的基频(F0)加载ECD阳极,使有一定的平均电流Ic和参比电流Is比较,这时Is-Ic=0,再经微电流放大器,表示无信号的模拟量信号;当电负性组分进入ECD检测器时,俘获电子使Ic下降,这时Is-Ic≠0,差值经微电流放大器积分,以信号电压输出,再经V-F转换器转换成反馈脉冲,成为一种具有反馈控制自动调制的脉冲,从而保持检测器恒定电流。

在变频脉冲电场作用下,仅在Tw时间内,所有自由电子均被阳极收集,离子腔体中的电子浓度降至0。这时,因无电场加速,这些电子动能较低,易被电负性组分俘获;而在脉冲间隔时间(Tp-Tw),因无电场作用,电子浓度又逐渐增加,恢复至一定浓度,如图4所示。

当只有载气通过离子腔体后,产生一定基电流Ic,并与设定的参考电流Is进行比较(Is-Ic),Is-Ic≠0通过差值积分放大和电压-频率转换(V-F),提高了系统中的F频率,增加收集极接收电子的机率。至此提高Ic电流,反馈控制到达Is-Ic=0为止,此时通过基频信号输出一固定基流频率F0。

当存在亲负电子有机物成分时,系统俘获电子减少,Ic降低,这时Is-Ic≠0。为保持恒定Ic的基电流,通过具有闭环反馈控制系统,提高系统中的F频率(即FA),FA=F0+Fa,Fa频率增量为因亲负电子有机物成分俘获的电子。至此,其频率的变化量与被检测成分的浓度成正比关系。

2 系统设计

2.1 总体设计

根据第1节的设计原理,本文提出了一套基于Cortex-M3具有闭环反馈控制的恒定电流频率调制的系统。主要由微电流积分放大并由MCU A/D口采集(PB12),经过PID计算相应的PWM输出,实现闭环控制和信号采样,同时以数字方式同步输出采样信号。数据接口有RS-232、USB接口、CAN总线等方式,其中保留了传统采样频率的输出。基本原理如图5所示。

色谱工作站采样的实时操作模块流程如图6所示,工作站实时采样模块采用双通道模式,包括斜率测试、信号测试、基线采样和样品采样等部分。

2.2 信号处理

微电流积分放大电路如图7所示[4]。

图7中的微积分放大电路,前级是一款带电流代数和的积分电路,后一级是带阻抗匹配电压输出电路。

具体计算公式如下:

式中,(Vs-Vin)就是前面提到的参考电流Is与收集的电子电流之差值,V2为基频信号值。

当Vs-Vin=0时,输出,即输出为无亲电子有机物成分基频为F0。当Vs-Vin≠0时,通过增量式反馈控制算法,不断提高Vin信号,即Ic电流,把增量信号反馈输出频率,控制收集电子流的时间密度,达到恒定的基电流的功能。Vout是一个过程累计和,是在基频电压的基点上的增量信号值,其脉冲调制示意图如图8所示。

该系统利用Cortex-M3控制器经过PID增量式反馈控制,调整吸收电子的电场强度,保持恒定的收集电流,很好地改善和提高了检测的灵敏度、线性度及线性范围。目前该系统设计线性输出频率调整范围为10~5000 KHz,具有分辨率高、调节范围宽等特点,可控制稳定的脉冲宽度Tw和恒定脉冲峰高V的功能,脉冲宽度Tw达到小于1 us、峰高为40~60 V的电压。

电子俘获对组分浓度检测,通过专业化学色谱分析软件系统进行峰判断处理和定量分析。系统对化学信号进行拾取,根据组分信号定时离散信号的峰高或峰面积计算,其中峰高和峰面积是色谱谱图最基本的数据,其计算精度将直接影响定量分析的精度;并建立一组面积或峰高和浓度的最小二乘法校正曲线,求出未知组分的浓度。其基本计算公式为:

其中,Wi为组分i的质量,Ci为组分i的浓度,Fi为组分i的校正因子,与检测器的性质和被测组分的性质有关,Ai为组分i的峰面积,Hi为组分i的峰高。

3 系统实现

3.1 基线漂移处理

前置电子放大器件随着时间改变和工作温度的变化会产生一定的信号漂移,从而对结果产生一定的误差,造成设备整体测量精度的下降。在本设计中采用了软件修正基线飘移的方法,大大改进了整机的测量精度。主要原理是当机器未进行进样品时不断地检测和修正基线值,使之归零,很好地解决了整机的零漂移问题。

具体计算公式如下:

其中,i为定时取样数,Vmax为i取样中的最大值,Vmin为i取样中的最小值。式(3)是基线的数值滤波,式(4)考虑到Δ偏离不能太大,如突然偏离太大,应做干扰处理或不作为基线调整处理的范畴。Δ应该在&内,&可根据实际情况设置。

基线漂移处理流程如图9所示。

3.2 PID反馈控制

比例、积分、微分的线性组合,构成控制量,称为PID控制。在控制系统中,由于扰动作用使被控参数偏离给定值,会产生偏差。自动控制系统将来自变送器的测量值与给定值相比较后产生的偏差进行比例、积分、微分运算,输出信号,控制执行器,实现对温度、压力、流量及其他工艺参数的自动控制。

采用比例控制(P)能较快地克服扰动的影响,迅速反映误差,给出稳态误差。然而不能稳定在一个理想的数值,虽能有效地克服扰动的影响,但有余差出现。

比例积分控制(PI)对误差取决于时间的积分,积分项随着时间的增加而增大。积分能在比例的基础上消除余差,适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许有余差的场合。

比例微分控制(PD)中,其输出与误差的变化率成正比关系,对具有容量滞后的控制通道,引入微分参与控制。设置得当的微分项后,能有效帮助提升系统的动态性能指标。因此,为了增加系统的稳定性、减小动态偏差等可选用此控制规律。

比例积分微分控制(PID)是比较理想的控制规律,在比例的基础上加入积分,它可以消除余差,通过微分作用的引入,又能提高系统的稳定性。实际应用时,需要适当地调整比例放大系数、积分时间和微分时间。

PID算法主要程序如下:

相关的计算公式有:

其中,e(k)=Is-Ic,P(K)为PWM输出量。首先通入载气,然后检测e(k)=Is-Ic,通过PID计算不断调节PWM值,使IsIc=0,当稳定后,为检测有机物做好准备。

4 实验及分析应用

实验实施条件如下:

色谱柱:OV-17 2%1 m

色谱进样口:250℃

色谱柱温度:200℃

检测器温度:300℃

载气流量:N2 60 ml/min

ECD电流:1 n A

ECD量程:101

ECD衰减:1

检测内容:丙体六六六—异辛烷溶液

实验实施过程如下:

丙体六六六在异辛烷溶液浓度检测,通过色谱进样口液体进样,高温汽化,在载气N2的推动下,经色谱柱有效样品组分分离;并使用具有对亲电子的有机物即丙体六六六组分浓度响应的电子俘获检测器ECD检测,生成色谱谱图,进行定量面积计算,得出其组分浓度。具体实验结果检测色谱谱图如图10所示。

图10中,样品丙体六六六在异辛烷溶液连续进样三次,其丙体六六六组分,分别在保留时间为5.575、34.708和60.267min成功检测到,浓度相对面积为9475 uv·s、9604 uv·s和9595.5 uv·s。

ECD检测器检测限如下式:

式中,Decd为ECD检测限(g/ml),N为基线噪声(m V),W为丙体六六六的进样量(g),A为丙体六六六峰面积算术平均值(m V·min),Fc为校正后的载气流速(ml/min)。

其检测限:

重复性:

相对偏差是用来评价定量分析结果精密度的量度,是对同一样品多次测定结果的重复性和再现性的评价。

式中,S为有限次分析测定时的标准偏差,Xi为第i次测定值,X-为n次测定值的算术平均值;

其检测重复性的相对标准偏差(RSD)为:

实验结果证实了关于电子俘获检测器的定量分析方法。对通过色谱分离后,化学信号的拾取、产生的色谱正态谱图以及组分浓度响应采用峰高或峰面积的外标法或校正曲线法进行定量计算。但在相对测量中,由于不同组分电子俘获系数相差甚大,故必须加校正因子。通常都用现代校正因子(fw)即与某标准组份电子吸收系数比,求出相对因子:

式中,Ks、As、Ws代表标准物的电子吸收系数、峰面积和重量,Ki、Ai、Wi代表被测物的电子吸收系数、峰面积和重量。

由于线性化电子俘获响应技术应用,使电子俘获检测器成为一款高灵敏度、高选择性、线性化的检测器。该技术可被用于恒量的具有特殊功能的组分分析,如食品、农残恒量分析,大气、水中恒量污染物的分析等,并能检测ppb级组分。

5 结语

电子俘获检测器ECD在恒电流频率调制方式对亲电子的有机物的浓度检测。通过实验证明,该系统具有设计简单、稳定可靠、灵敏度高、线性范围宽等优点,符合气相色谱仪检定规程JJG700-1999中对ECD检测的最低检测限和重复性技术指标的要求。

参考文献

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二氧化碳的俘获与存储技术研究 篇2

随着全球气候变化, 控制污染和减少温室气体的排放越来越受到各国政府和科技工作者的重视。二氧化碳的俘获与存储 (CCS:Carbon Dioxide Capture and Storage) 作为一种可以工业化并能有效减少C O2排放的实用技术, 已在欧美等各国开始研究和实践工作。

2 二氧化碳的俘获与存储

减少化石燃料使用过程中CO2的排放是二氧化碳俘获与存储的主要目的。现在有两种基本的CCS方法。一种是直接从工业源头俘获CO2, 提纯后打入地下深层做永久存储, 如图1所示。除了这种存储到地下地质结构的方法, 还有一种将CO2存储在海洋里。在中等深度 (1-3km) 的海洋CO2可溶解在水里, 在大于3km深的海洋里CO2的浓度会大于海水的浓度, 因此会形成CO2的湖。另外一种CCS方法是从大气中俘获CO2并通过自然的生物过程将它隔离到植物、土壤和海底沉积物中。

一旦CO2被俘获可通过竖井打入如:油气层、盐水层和开采完的煤层等深层地下结构中, 如图2 (a) 所示。这种地质结构一般出现在充满沉积岩的盆地, 累积厚度可达数千米, 这些沉积岩的孔状空间里会充满盐水或油气。沉积盆地的岩层由沙土、淤泥、粘土、碳酸盐和蒸发物交替组成, 砂土层将提供存储空间。在CO2水下存储技术中, 压缩的气体通过管道或船运送并打入深海, 如图2 (b) 所示。注入的C O2通过扩散加速在水中的溶解, 或打入海洋底部变成“湖”。在水下350m, CO2会形成比海水密度大的固态包合物, 但很快会溶解到周围的水中。海洋底部的存储要求至少在大于3km的水下才能保证CO2的密度大于海水, 否则CO2会在水中上升并迅速返回到大气中。

油气的开采技术很多可以应用到CO2在深层地下岩层的存储中。例如, 钻井和监测技术可以用于将CO2安全的注入存储地层中。更多的技术难题在于可靠的评估岩层的密封和存储能力。例如在CO2注入地下后, 如何预测其移动, 这需要通过监测地表和地下的CO2浓度变化, 建立相应的模型得到。这涉及到这种地质结构存储技术将带来的健康、安全和环境的威胁。目前, 已有很多工业化的CCS项目正在全世界运行。如最早开始此类项目的挪威, 该项目始于天然气开采, 有该地区的天然气中含CO2, 如将CO2提取后直接排放到空气中将被挪威政府收取50美元/吨的费用。于是他们想办法将提取的C O2存储在海洋下面的沙石结构中, 目前每年的量达到1百万吨。

3 研究方向

全球CCS的研究和开发工作已全面铺开, 特别是欧洲、美国、加拿大、澳大利亚、日本和挪威, 主要的研究方向如图3所示。欧盟第5、第6框架计划以后8千多万美元资助CCS研究, 这还不包括工业界和研究机构的配套资金。在2005年, 美国能源部“碳缓解计划”的年度预算达到4.6千万美元。国际能源署1991年建立温室气体计划, 为CCS研究和创意提供了早期的市场。近期发布的二氧化碳俘获和存储特别报告 (IPCC) 集合了近15年国际上关于CCS的各种研究成果。另外, 还有许多试点在挪威、日本等国, 在加拿大的萨斯喀彻温省, 分界线大坝电站拥有每天4-8吨CO2的处理能力。迄今为止设计能力最大的CO2试点厂每天可处理24吨, 已经于2006年在丹麦的埃斯比约开始运行。所有在研的CCS项目预期目标就是能将新技术用于试点和半商业规模中。

图4显示了3个主要的CO2俘获和存储的途径。CO2从其它的成分中分离出来, 优化压缩到稠密相便于运输和存储地的注入, 并且得满足注入点的纯度要求。所有的俘获和存储方法都需要能源, 这也就意味着处理C O2俘获将产生更多的CO2/k W h或者C O2/单位能源产品。

4 小结

由于该技术的巨大社会和经济效益, 已有美国、加拿大、德国和英国等发达国家, 投入到该项技术的研发和实践中。我国作为仅次于美国的CO2排放大国, 也开始致力于开展这方面的研究工作。世界CO2排放量的60%来自某些固定的源头, 如:发电厂、石化厂、水泥/钢铁/提炼厂等, 而深层地质结构的存储容量最小有2000Gt, 应用CCS技术将对减少CO2的排放产生巨大的作用。技术和经济的评估显示, 未来的100年中, CCS将占CO2减排的20%。

摘要：本文介绍了一种可以工业化并能有效减少CO2排放的实用技术, 二氧化碳的俘获与存储技术。从工业过程中俘获CO2, 集中运输后注入地下或水下存储, 每个环节都有主要的研究方向。

关键词：二氧化碳,俘获,存储

参考文献

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电子俘获 篇3

爱是教育的动力。著名教育家夏丐尊先生说:“没有爱就没有教育”;著名教育艺术家李燕杰教授曾深有感触地说:“一切好的教育方法, 教育艺术都产生于教师对学生无比的挚爱之中”。

我的班级是全住读生。十二三岁的孩子第一次离开父母, 独自留宿、面对陌生的环境、陌生的老师同学, 还有繁重的学习压力。你可知道他们的难处?我反正知道。开学第一天, 陪伴孩子到深夜11:00, 安抚他们安心入睡;开学第二天, 领着孩子吃饭找筷子、勺子, 急得像热锅上的蚂蚁;开学第三天, 抱着哭鼻子的孩子坚定的告诉他“这里, 我们是相亲相爱的一家人。我就是你们的亲妈。”开学第四天, 鼓励孩子登上南中大舞台——戏剧社招新、合唱团招新、Mars啦啦操、排球队、礼仪社招新……学校里活跃着他们瘦小的奔腾的身影。

童第周说过:“我并不比别人笨, 别人能做到的事情, 我一定能做到”!我也相信每一个学生都有闪光点, 都可以在适合他的那个平台取得成功。

用爱陪伴, 用爱浇灌, 用爱洗涤, 我坚信, 初2018级2班的全体同学终将在爱的春风化雨中茁壮成长。

二、微笑给予孩子鼓励、肯定和自信

古人云:“亲其师, 信其道”。意为只有学生在情感上比较亲近老师时, 对老师传授的知识才会乐意接受。只有把学生当做朋友, 与其谈心交心, 才能让他们接受你的教育, 才能获得教育的成功。

我爱笑, 我就以微笑传递我对学生的关爱与深情。以下是孩子们对我的印象:

“我有些害羞。她抬起头来对我微笑, 她的笑容, 就如荷花般绽放。很美。”这是开学报到时, 我留给孩子们的第一印象。

那是我给孩子们分享小时候艰苦的生活时, “我们便为她着急, 她看着我们的样子, 脸上露出一丝浅浅的微笑, 是如此美丽动人。”

这是每天满心期待我到教室的语文课代表, “她每天带着微笑上课, 播下知识和快乐, 她对学生的尊重和理解, 赢得了我们的喜爱和尊敬。”

我爱笑, 因为可以笑得率真, 笑得温馨, 感染身边的人, 孩子们喜欢我的笑容, 喜欢我的温柔。其实, 面对单调琐碎的教学生活, 不妨微笑是对自己的鼓励, 更是对孩子们的鼓励、支持、友好和信任的体现。

微笑中, 孩子们都会亲切的唤我“孙妈妈”“孙姐姐”;每天的班级日志记录中会与我交流心得;每周的随笔本上会分享自己或他人的秘密;每次的班干部会议上会有孩子们激烈争论的建议声;每次考试后会有一群孩子争先恐后地帮我阅卷纠错;每次开心生日party上会有专属于我的节目;每次班会课结束后, 会有春笋般的小手预约下一次的主题……在一次次的交流与体验中, 孩子们获得了不少的成就感, 同时又暴露了缺点。

在微笑中, 孩子们获得了提升, 我也收获了家长般的温馨。

微笑中, 我的孩子们走上三尺讲台做头头是道、侃侃而谈的小老师了;微笑中, 孩子们跃跃欲试主持了一次又一次主题班会了;微笑中, 孩子们尝试了一次又一次的三分钟演讲了;微笑中, 孩子们召开了一个又一个快乐的宿舍会议了;微笑中, 孩子们创作了一首又一首的打油诗了;微笑中, 孩子们的戏剧社创作了一个又一个戏剧了;微笑中, 孩子们体验了一次又一次辩论会上的群雄争辩了;微笑中, 孩子们学会了一次次的坚强和勇敢了, 找到了学习的浓厚兴趣和完满的自信了……

微笑中, 孩子们成长了。

不知何时起, 我也收获了肯定和信任。“老师, 我都不知道亭亭最近怎么了, 她每天晚上都会给我打电话, 嘘寒问暖, 还说想妈妈。要知道刚来你们学校时, 我每周从垫江上来看她, 她都特别泼烦见到我, 而且每次都是和她吵架后不欢而散。现在, 懂事了。太谢谢你了孙老师。”

不知何时起, 我获得了无限的动力和干劲。“老师, 我家普明现在好懂事。我家现在盖房子, 孩子回家每天干两个工人的活。”孩子回校后跟我说“老师, 我以后放假再也不想回家了。回家看到爸妈那么辛苦不帮忙心里难受, 可干农活真的好累哦。”多么真诚质朴的话语, 我泪花在转, 坚定地告诉他“孩子, 你可以通过自己的努力改变爸妈乃至你们整个家族的命运。”只见孩子郑重地直点头呢。

微笑意味着阳光, 我将用热情的光芒照亮每一位学子;微笑意味着自信, 我将用微笑传递给每个孩子一份从容与淡定;微笑意味着肯定, 我将用每一次肯定, 鼓励孩子在成长的路上不断尝试, 在挫折中继续前行;微笑意味着幸福, 我将传递给孩子们幸福的味道, 让他们在幸福中学会感恩。微笑传递着正能量, 我要用我的微笑传递到每一个正在茁壮成长的孩子身上, 让他们健康、向上。

“我不是高人, 但是我可以让你们站在我的肩上, 走得更高更远。”说完这句话时, 只见孩子们眼中泪花闪烁, 默默而又坚定地点着头。