在已知的国外各种防中子辐射纤维中,本文是使用频域方法分析电源噪声的一个案例

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在已知的国外各种防中子辐射纤维中,本文是使用频域方法分析电源噪声的一个案例

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发布时间:15-05-12 16:31分类:技术文章 标签:防辐射,防辐射材料
中子射线的材料
中子是一种不带电荷的中性粒子,中子通过物质时与原子核外电子几乎不发生作用,主要与核作用。慢中子与物质作用的主要过程是俘获反应。在这一过程中原子核俘获中子后形成复合核,成为放射性核素,释放γ射线。快中子与物质作用主要是弹性和非弹性散射。在弹性散射中同中子碰撞的靶核,其质量与中子接近时,中子能量损失*大,因此人们为了得到慢中子或为了屏蔽中子,常用含氢的物质如水、石蜡、聚乙烯等材料做慢化剂或防护材料。中子与氢、氧、碳、氮等原子核作用能产生反冲核,这种反冲核在组织中能引起高密度的电离。对人体产生的危害比相同剂量的X射线更为严重。研究表明,中子致肿瘤的生物效应(RBE)约为2~3倍于X射线,由中子引起的染色体畸变大大高于X射线和γ射线。
中子和物质的相互作用有两种形式。一是快中子的散射和减速;二是慢中子被吸收后放出共化粒子或γ射线。中子的屏蔽实际上是要将快中子减速和将慢(热)中子吸收。氢元素含量较高的石蜡、聚乙烯和聚丙烯等是优良的快中子慢化材料,而含锂元素的氟化锂、溴化锂、氢氧化锂,含硼元素的氧化硼、硼酸和碳化硼等是优良的慢中子吸收物质。快中子慢化材料和慢中子吸收物质微粉混合后使用可以得到优良的中、低能中子屏蔽性能的新材料。
国外从上世纪70年代中期开始研究纤维状防中子辐射材料方面的技术,日本在此方面所做工作*多。日本研制成的离子交换型防中子辐射纤维是将硼、锂或其它屏蔽物质的离子吸附在纤维上,从而使纤维具有中子辐射屏蔽功能。由于吸附量有限、且洗涤时极易脱落,故屏蔽效果较差。后来日本又对原来的技术进行改进,使离子交换纤维吸附锂或硼的化合物,从而提高了织物中子屏蔽率。在已知的国外各种防中子辐射纤维中,以日本东丽公司的研制水平为*佳。它采用复合纺丝方法制取防中子辐射复合纤维。具体做法为中子吸收物质与高聚物在捏合机上熔融混合后作为芯层组份,以纯高聚物为皮层进行熔融复合纺丝,所得纤维为皮芯结构,经干热或湿热拉伸制得具有一定强度的纤维,但该纤维纺织设备较复杂,投资比较大。
日本*还报道了另一种纤维状中子防护物的制取方法。含有中子吸收物质的高聚物溶液在高压下喷射纺制纤维,提高了防中子辐射纤维的热中子屏蔽率。但该种纤维强度低,断裂伸长较大,不易加工。这种方法制得的纤维由于中子吸收物质暴露在纤维表面,因而在洗涤、受摩擦时极易损失,使中子吸收性能降低。日本还将锂和硼的化合物粉末与聚乙烯树脂共聚后,采用熔融皮芯复合纺丝工艺研制了防中子辐射纤维材料。纤维的强度可达20~30CN/tex,断裂伸长率为21~32%。由于纤维中锂或硼化合物的含量高达纤维重量的30%,因而具有较好的防护中子辐射的效果,可加工成机织物和非织造布,定重为430g/m2的机织物的热中子屏蔽率可达40%,常用于医院放疗室内医生和病人的防护。
我国从上世纪70年代开始防中子高分子材料的研究,到1984年天津纺院研制出4种具有实用价值的防中子辐射板材。我国的防中子辐射纤维早在1987年5月在天津纺院研制成功。该项研究立足国内现有技术水平,尽管采用的方法与国外不同,但对中子射线的屏蔽效果达到和超过了已知的国外同类研制水平,同时该纤维还具有较好的γ射线屏蔽功能,现已研制成无纺布、机织布并已制成防护服装开始使用。
国内采用硼化合物、重金属化合物与聚丙烯等共混后熔纺制成了皮芯型防中子、防X射线纤维。纤维中碳化硼含量高达35%,纤维强度可达23~27CN/tex,断裂伸长率达20~40%,可加工成针织物、机织物和非织造布,用在原子能反应堆周围,可使中子辐射防护屏蔽率达到44%以上。采用聚丙烯与不同重量的碳化硼微粉为原料,探讨了通过熔融共混纺丝工艺研制防中子辐射纤维及织物的可行性,并对共混体系的流变性能及影响流变性能的因素进行了讨论。他们讨论了聚丙烯/碳化硼共混体系中碳化硼粒度、助剂种类和用量、温度等因素对该体系流变性能及可纺性的影响,并对纤维和织物的性能进行了测试,得出如下结果:①在聚丙烯/碳化硼共混体系中,随碳化硼含量的增加,体系的粘度增大,可纺性下降,材料的辐射防护性能提高,随碳化硼粒度的增大,纤维强度下降。综合考虑,碳化硼的添加量为40%;②钛酸酯类助剂可有效改善聚丙烯与碳化硼的相容性,提高碳化硼在聚丙烯中的分散均匀性。碳化硼中的助剂用量*好为115~215%;③温度过高或过低,都对纺丝不利。当剪切速率不变,温度升到250℃以上时,共混体系的扭矩即粘度值则趋于恒定,选此温度为纺丝温度;④通过选用适宜的助纺剂和粒度合适的碳化硼,所得到的芯料共混物可顺利进行复合纺丝。成品复合纤维断裂强度为2106CN/dtex,断裂伸长为37%,热熔温度为163℃,在130℃以下可满足一般使用要求;⑤经测试,复合纤维制成的无纺布对热中子具有较强的屏蔽作用,对中能中子也有一定的屏蔽作用。这类材料适合用于防护衣具、门窗帘和遮盖包装等。
透明防中子辐射材料是近年来研究开发起来的防中子辐射材料又一新品种。它是含硼、锂元素的有机玻璃。这类材料不同于上述的一般由两种或两种以上的化合物混合而成的防辐射材料。它是一种均一的交联(或非交联)非晶化合物,可加工成各种透明视镜和观察窗,使人眼部免受中子辐射损伤。这类材料的研制成功是防中子辐射材料研究史上的一大突破。研究了含铅有机玻璃、含钡有机玻璃、含硼有机玻璃和普通有机玻璃的X、γ射线和中子射线防护性能及其耐60Coγ射线辐照稳定性。结果表明,含铅有机玻璃板材具有良好的X射线、反应堆热柱γ射线屏蔽性能;含硼有机玻璃板材具有良好的热中子屏蔽性能;含钡有机玻璃板材的褪化裂变谱中子辐射屏蔽性能良好;含钡有机玻璃和普通有机玻璃可耐105~106Gy的60Coγ射线辐照;含铅有机玻璃板材耐60Coγ射线照射能力小于105Gy。
防辐射纤维及材料广泛应用于国防和民用等诸多领域。它的研制对于我国的现代化建设具有重要的意义。目前,防辐射纤维及材料正朝着“专门化”(对某一种射线具有特别好的防护能力)和“多功能化”(适用于存在多种射线的场所)方向发展。相信随着各种射线及射线源广泛的应用,防辐射纤维及材料研究和应用的前景将日益广阔。

发布时间:15-05-07 16:15分类:技术文章 标签:示波器
电源噪声是电磁干扰的一种,其传导噪声的频谱大致为10kHz~30MHz,*高可达150MHz。电源噪声,特别是瞬态噪声干扰,其上升速度快、持续时间短、电压振幅高、随机性强,对微机和数字电路易产生严重干扰。
在电源噪声的分析过程中,比较经典的方法是使用示波器观察电源噪声波形并测量其幅值,据此判断电源噪声的来源。但是随着数字器件的电压逐步降低、电流逐步升高,电源设计难度增大,需要使用更加有效的测试手段来评估电源噪声。本文是使用频域方法分析电源噪声的一个案例,在观察时域波形无法定位故障时,通过FFT(快速傅立叶变换)方法进行时频转换,将时域电源噪声波形转换到频域进行分析。电路调试时,从时域和频域两个角度分别来查看信号特征,可以有效地加速调试进程。
在单板调试过程中发现一个网络的电源噪声达到80mv,已经超过器件要求,为了保证器件能够稳定工作必须降低该电源噪声。
在调试该故障前*回顾下电源噪声抑制的原a理。如下图所示,电源分配网络中不同的频段由不同的元件来抑制噪声,去耦元件包含电源调整模块(VRM)、去耦电容、PCB电源地平面对、器件封装和芯片。VRM包含电源芯片及外围的输出电容,大约作用于DC到低频段(100K左右),其等效模型是一个电阻和一个电感组成的二元件模型。去耦电容*好使用多个数量级容值的电容配合使用,充分覆盖中频段(数10K到100M左右)。由于布线电感和封装电感的存在,即时大量堆砌去耦电容也难以在更高频起到作用。PCB电源地平面对形成了一个平板电容,也具有去耦作用,大约作用在数十兆。芯片封装和芯片负责高频段(100M以上),目前的高端器件一般会在封装上增加去耦电容,此时PCB上的去耦范围可以降低到数十兆甚至几兆。因此,在电流负载不变的情况下,我们只要判断出电压噪声出现在哪个频段,那么针对这个频段所对应的去耦元件进行优化即可。在两个去耦元件的相邻频段时两个去耦元件会配合作用,所以在分析去耦元件临界点时相邻频段的去耦元件也要同时纳入考虑。
根据传统电源调试经验,首*在该网络上增加了一些去耦电容,增加电源网络的阻抗余量,保证在中频段的电源网络阻抗都能满足该应用场景的需求。结果纹波仅降低几mV,改善微乎其微。产生这个结果有几个可能:1、噪声处在低频,并不在这些去耦电容起作用的范围内;2、增加电容影响了电源调节器VRM的环路特征,电容带来的阻抗降低与VRM的恶化抵消了。带着这个疑问,我们考虑使用示波器的频域分析功能来查看电源噪声的频谱特性,定位问题根源。
示波器的频域分析功能是通过傅立叶变换实现的,傅立叶变换的实质是任何时域的序列都可以表示为不同频率的正弦波信号的无限叠加。我们分析这些正弦波的频率、幅值和相位信息,*是将时域信号切换到频域的分析方法。数字示波器采样到的序列是离散序列,所以我们在分析中*常用的是快速傅立叶变换(FFT)。FFT算法是对离散傅立叶变换(DFT)算法优化而来,运算量减少了几个数量级,并且需要运算的点数越多,运算量节约越大。
示波器捕获的噪声波形进行FFT变换,有几个关键点需要注意:
1、根据耐奎斯特抽样定律,变换之后的频谱展宽(Span)对应与原始信号的采样率的1/2,如果原始信号的采样率为1GS/s,则FFT之后的频谱展宽*多是500MHz;
2、变换之后的频率分辨率(RBW Resolution
Bandwidth)对应于采样时间的倒数,如果采样时间为10mS,则对应的频率分辨率为100Hz;
3、频谱泄漏,即信号频谱中各谱线之间相互干扰,能量较低的谱线容易被临近的高能量谱线的泄漏所淹没。避免频谱泄漏可以尽量采集速率与信号频率同步,延长采集信号时间及使用适当的窗函数。
电源噪声测量时不要求较高的采样率,所以可以设置很长的时基,这也意味着采集的信号时间可以足够长,可以认为覆盖到了整个有效信号的时间跨度,此时不需要添加窗函数。调整以上设置可以得到比较准确的FFT变换曲线了,再通过zoom功能查看感兴趣的频点。如下图中电源噪声的主要能量集中在11.3KHz左右,并以该频率为基波频率谐振。据此可以推断本PDN网络在11.3KHz处的阻抗不能满足要求,电容在该频点的阻抗也比较高,起不到降低阻抗的作用,所以前面增加电容并不能减小电源噪声。
一般来说,11.3KHz应该是VRM的管辖范围,此处出现较大噪声说明VRM电路设计不能满足要求。这里对VRM的性能进行分析,VRM分析的方法众多,此处主要采用仿真其反馈环路波特图的手段。波特图主要观察几个关键信息:1、穿越频率,增益曲线穿越0dB线的频率点;2、相位裕度,相位曲线在穿越频率处所对应的相位值;3、增益裕度,相位在-360°时所对应的增益值。这里我们主要关注穿越频率和相位裕度这两个指标。从VRM的环路波特图(如下图a)可以看到,VRM的穿越频率在8KHz左右,相位裕度37度。这里存在两个问题:首*VRM的相位裕度一般需要大于45度才能保证环路的稳定工作,这里相位裕度稍小一些,需要增加相位裕度;其次穿越频率太低,穿越频率附近VRM的调整作用逐渐降低,而此频点bulk电容还起不到作用,所以在8KHz附近会存在较高的阻抗,这个频点的噪声抑制作用较差。下图(b)是优化VRM环路之后的波特图,调整相位裕度到50度,穿越频率推到46KHz左右。
对优化后的VRM验证纹波,可以看到纹波明显降低到33mv,能够满足器件要求。
上述案例是使用示波器FFT功能快速定位电源问题的过程,从这个例子可以看到示波器的频域分析功能在电路调试时可以发挥很大作用。示波器的FFT功能配合长存储深度可以很方便地分析低频率长周期信号,这个优势在数字电路调试中比较突出。

发布时间:15-05-14 17:34分类:技术文章 标签:PM2.5 PM2.5是什么?
如果是初次接触,“PM2.5”这一串字符也许会让你看得云里雾里,不知所云。其实它有一个容易理解的中文名——细颗粒物,是对空气中直径小于或等于2.5微米的固体颗粒或液滴的总称。这些颗粒如此细小,肉眼是看不到的,它们可以在空气中漂浮数天。人类纤细的头发直径大约是70微米,这*比*大的PM2.5还大了近三十倍。
PM是英文particulate
matter(颗粒物)的首字母缩写。准确的PM2.5定义要在“直径”之前加一个修饰语“空气动力学”,这可不是故作高深。空气中的颗粒物并非是规则的球形,那怎么定义又怎么测量其直径呢?在实际操作中,如果颗粒物在通过检测仪器时所表现出的空气动力学特征与直径小于或等于2.5微米且密度为1克/立方厘米的球形颗粒一致,那*称其为PM2.5。这样的定义也*决定了在测定PM2.5时,需要利用空气动力学原理把PM2.5与更大的颗粒物分开,而不是用孔径为2.5微米的滤膜来分离。
知道了PM2.5的定义,*很容易得出PM10的定义了—将定义中的2.5换成10即可,PM10也被称为可吸入颗粒物。在PM10中,直径在2.5至10微米之间的颗粒物被称为粗颗粒物,与细颗粒物相对。
PM2.5来自哪里,又有什么构成?
虽然自然过程也会产生PM2.5,但其主要来源还是人为排放。人类既直接排放PM2.5,也排放某些气体污染物,在空气中转变成PM2.5。直接排放主要来自燃烧过程,比如化石燃料(煤、汽油、柴油)的燃烧、生物质(秸秆、木柴)的燃烧、垃圾焚烧。在空气中转化成PM2.5的气体污染物主要有二氧化硫、氮氧化物、氨气、挥发性有机物。其它的人为来源包括:道路扬尘、建筑施工扬尘、工业粉尘、厨房烟气。自然来源则包括:风扬尘土、火山灰、森林火灾、漂浮的海盐、花粉、真菌孢子、细菌。
PM2.5的来源复杂,成分自然也很复杂。主要成分是元素碳、有机碳化合物、硫酸盐、硝酸盐、铵盐。其它的常见的成分包括各种金属元素,既有钠、镁、钙、铝、铁等地壳中含量丰富的元素,也有铅、锌、砷、镉、铜等主要源自人类污染的重金属元素。
2000年有研究人员测定了北京的PM2.5来源:尘土占20%;由气态污染物转化而来的硫酸盐、硝酸盐、氨盐各占17%、10%、6%;烧煤产生7%;使用柴油、汽油而排放的废气贡献7%;农作物等生物质贡献6%;植物碎屑贡献1%。有趣的是,吸烟也贡献了1%,不过这只是个粗略的科学估算,并不一定准确。该研究中也测定了北京PM2.5的成分:含碳的颗粒物,硫酸根,硝酸根,铵根加在一起占了重量了69%。类似地,1999年测定的上海PM2.5中有41.6%是硫酸铵、硝酸铵,41.4%是含碳的物质。
PM2.5对健康有什么危害?
PM2.5主要对呼吸系统和心血管系统造成伤害,包括呼吸道受刺激、咳嗽、呼吸困难、降低肺功能、加重哮喘、导致慢性支气管炎、心律失常、非致命性的心脏病、心肺病患者的过早死。老人、小孩以及心肺疾病患者是PM2.5污染的敏感人群。如果空气中PM2.5的浓度长期高于10微克/立方米,死亡风险*开始上升。浓度每增加10微克/立方米,总的死亡风险*上升4%,得心肺疾病的死亡风险上升6%,得肺癌的死亡风险上升8%。
PM2.5的危害固然不可忽视,但仍不可与吸烟相比。对于烟民而言,千万不要有“反正空气污染,抽不抽烟一个样”的心理。吸烟可使男性得肺癌死亡的风险上升22倍(也*是上升2200%),女性的风险上升12倍(1200%);使中年人得心脏病死亡的风险上升2倍(200%)。上述关于PM2.5死亡风险的数据源自2002年发表于《美国医学会杂志》的一篇论文。这篇论文分析了一项长期研究中参与者的死亡率和空气污染之间的关系,发现死亡率升高与PM2.5和二氧化硫的污染有关联,而与粗颗粒物污染没有可靠的关联。该项在美国进行的前瞻性研究始于1982年,当时招募了120万的参与者。论文的结论是基于长达16年的随访数据,是目前关于PM2.5污染增加死亡风险*可靠的证据。
各个*的PM2.5标准都是多少
自从美国于1997年率*制定PM2.5的空气质量标准以来,许多*都陆续跟进将PM2.5纳入监测指标。如果单纯从保护人类健康的目的出发,各国的标准理应一样,因为制定标准所依据的是相同的科学研究结果。然而,标准的制定还需考虑各国的污染现状和经济发展水平,在一个空气污染严重的发展中*制定极为严格的空气质量标准只能成为一个华丽的摆设,没有实际意义。根据美国癌症协会和哈佛大学的研究结果,卫生组织(WHO)于2005年制定了PM2.5的准则值。高于这个值,死亡风险*会显著上升。WHO同时还设立了三个过渡期目标值,为目前还无法一步到位的地区提供了阶段性目标,其中目标-1的标准*为宽松,目标-3*严格。
下表列举了WHO以及几个有代表性的*的标准。中国拟实施的标准与WHO过渡期目标-1相同。美国和日本的标准一样,与目标-3基本一致。欧盟的标准略微宽松,与目标-2一致,澳大利亚的标准*为严格,年均标准比WHO的准则值还低。标准的宽严程度基本反映了各国的空气质量情况,空气质量越好的**越有能力制定和实施更为严格的标准。

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