荧光稳态光谱仪

[align=center][font=黑体]稳态[/font][font='Times New Roman',serif]/[/font][font=黑体]瞬态荧光光谱仪的维护与管理[/font][/align][font=宋体]摘要：稳态[/font][font='Times New Roman',serif]/[/font][font=宋体]瞬态荧光光谱仪（型号：[/font][font='Times New Roman',serif]FLS1000[/font][font=宋体]）是一款功能模块化的测试光致发光的光谱仪，专注于稳态及时间分辨光谱测试，主要应用于光物理、化学、材料科学和生命科学等方面，已成为各学科领域不可或缺的重要技术表征手段。本文系统介绍稳态[/font][font='Times New Roman',serif]/[/font][font=宋体]瞬态荧光光谱仪相关附件的维护以及光谱仪的管理，为光谱仪的开发、应用及使用管理提供借鉴。[/font][font=宋体]关键词：光谱仪[/font][font=宋体]维护[/font][font=宋体]管理[/font][font='Times New Roman',serif] [/font][font='Times New Roman',serif]一、 [/font][font=宋体]稳态[/font][font='Times New Roman',serif]/[/font][font=宋体]瞬态荧光光谱仪相关附件的维护[/font][font=宋体]光源简介及维护：稳态[/font][font='Times New Roman',serif]/[/font][font=宋体]瞬态荧光光谱仪主要由激发源（光源）、样品仓和检测器组成。其中，光源分为稳态光源和瞬态光源。稳态光源一般是光谱及能量连续输出的氙灯，主要用于稳态谱、量子产率的测试。瞬态光源为频率可调、具有特定脉宽的脉冲输出光源，主要有微秒灯、纳秒灯和皮秒脉冲激光器等，主要用于荧光寿命的测试。以本院购买的[/font][font='Times New Roman',serif]FLS1000[/font][font=宋体]光谱仪系列为例，配备三种标准光源：连续氙灯（稳态光源）、[/font][font='Times New Roman',serif]μF2[/font][font=宋体]微秒脉冲氙灯、[/font][font='Times New Roman',serif]nF920[/font][font=宋体]纳秒灯以及皮秒级脉冲激光器[/font][font='Times New Roman',serif](EPLs)[/font][font=宋体]。[/font][font=宋体]稳态光源氙灯在启亮以后会发热，长时间使用后，一定要关灯进行散热，散热结束方可关闭氙灯电源。氙灯使用寿命一般在[/font][font='Times New Roman',serif]1000[/font][font=宋体]小时，在使用寿命达到以后，要及时更换氙灯。相对而言，瞬态光源中的微秒灯和脉冲激光器维护较简单，禁止频繁开、关灯源。同时，在频率由最大切换至最小（或由最小切换至最大）过程中，建议缓慢切换。纳秒灯俗称氢灯，在使用过程中，首先观察氢压是否在[/font][font='Times New Roman',serif]0.39-0.43bar[/font][font=宋体]范围内，如果氢压过高，需要进行泄压操作。如果氢压过低，需要重新灌注氢气进行升压。方法如下：将阀门缓慢打开与大[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相[/color][/url]通，即可进行泄压。灌注氢气加压过程需阀门一端接通油泵进行抽真空操作，一端与氢气源接通进行灌注，反复两端拧动阀门，进行抽气、充气，待氢气灌注以后，调节压力至[/font][font='Times New Roman',serif]0.39-0.43bar[/font][font=宋体]。纳秒灯长久使用以后，纳秒灯电极很容易氧化，体现出来的是，及时氢压符合要求，纳秒灯也无法启亮。此时，设备管理员需取出电极打磨，然后重新安装。方法如下：先泻氢压，拔下光纤，打开纳秒灯仓门，分别取下尖头电极和平头电极，用砂布打磨电极至光亮，然后依次安装电极（两电极相隔[/font][font='Times New Roman',serif]1 mm[/font][font=宋体]），通过观察仓可以观察到四个像（两个实像、两个虚像），安装成功的成像效果如图所示（可以通过手机拍照显示）：[/font][align=center][font='Times New Roman',serif][img=,169,]file:///C:/Users/Lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image002.png[/img][/font][/align][font=宋体]检测器简介及维护：[/font][font='Times New Roman',serif]FLS1000[/font][font=宋体]内含高增益光电倍增管[/font][font='Times New Roman',serif](PMT)[/font][font=宋体]检测器，适用于稳态谱和时间分辨过程中的光子计数收集。最常用到的是紫外[/font][font='Times New Roman',serif]-[/font][font=宋体]可见检测器，其对应光谱检测范围[/font][font='Times New Roman',serif]200-980nm[/font][font=宋体]。检测器使用前通常都需要降温，以减少黑暗计数率，提升信噪比，紫外[/font][font='Times New Roman',serif]-[/font][font=宋体]可见检测器有自带半导体制冷片，可提供[/font][font='Times New Roman',serif]-20 ℃[/font][font=宋体]的工作温度。需要注意的是检测过程中，样品实际信号不能超过检测器的最大阈值。另外，[/font][font='Times New Roman',serif]FLS1000[/font][font=宋体]还配备有近红外检测器，因近红外检测器的噪音较高，需要外加液氮制冷达到[/font][font='Times New Roman',serif]77 k[/font][font=宋体]的工作温度降低噪音信号，对应光谱检测范围[/font][font='Times New Roman',serif]300-1700nm[/font][font=宋体]。近红外检测器使用前，需要使用液氮降温[/font][font='Times New Roman',serif]2-3[/font][font=宋体]小时。[/font][font=宋体]样品仓内配备有固体支架、液体支架，根据实际实验需要，更换不同的支架来进行测试。定期清理样品仓，保证样品仓的干净、整洁。[/font][font=宋体]二、稳态[/font][font='Times New Roman',serif]/[/font][font=宋体]瞬态荧光光谱仪的管理[/font][font=宋体]由于[/font][font='Times New Roman',serif]FLS1000[/font][font=宋体]的功能较多，并且，随着科研的发展，科研需求呈现多样化，因此，如何在满足多样化需求的前提下提高仪器的使用效率，并减少设备故障，是需要思考的重要问题。[/font][font='Times New Roman',serif]FLS1000[/font][font=宋体]主要采取以下培训管理模式：[/font][font=宋体]（[/font][font='Times New Roman',serif]1[/font][font=宋体]）集中培训，自行测试[/font][font=宋体]集中组织学生实地参观，进行实物观摩培训学习，面对实物，分模块详细介绍光谱仪的基本构造（激发源、样品仓、检测器）、工作原理、功能、附件的操作特点等，详细讲解样品制备并进行操作流程演示，根据样品的形状（粉末、液体、薄膜）介绍三种制样和上样方法，两种样品支架的安装方法和注意事项。重点介绍如何根据测试不同项目选择不同的激发源和检测器。[/font][font=宋体]根据不同的测试项目，首先讲解荧光光谱（激发和发射光谱）的测试采集，实物演示激发源的选择和开启、上样，详细讲解参数设置、信号调节以及条件优化等。然后，讲述荧光寿命的测试，从荧光寿命的定义出发，引导学生思考寿命衰减测试与光谱测试的不同，从而更深入的理解如何设置和调节参数，如何优化测试条件。此两项测试属于基础测试，操作简单，参数优化较容易。在此基础上，针对有测试需求的学生，进一步讲解磷光光谱和长寿命测试方法，着重讲解门控法测试磷光光谱的原理。有关磷光的测试，测试效果很大程度上依赖于磷光的强弱和寿命长短，信号调节、参数设置和优化相对而言较为困难。[/font][font=宋体]关于低温、变温光谱与寿命测试，着重讲解演示如何将常温系统进行升级拓展，变装成低温、变温系统，并引导学生进行对比，透彻理解低、变温测试与常温测试的异同点。[/font][font=宋体]（[/font][font='Times New Roman',serif]2[/font][font=宋体]）重点培训，专人专时测样[/font][font=宋体]量子产率测试是一项极为精确的测试，所用到的附件[/font][font='Times New Roman',serif]-[/font][font=宋体]积分球是影响测试结果的关键性因素，而在测试过程中，由于静电作用或经验不足，粉尘或者样品粉末极容易附着于积分球内，造成积分球污染，一方面影响测试结果，另一方面，给仪器维护带来不便。通过前期的试运行一年，发现量子产率测试的总时长短，测试时间分散，测试人员较多。基于此，对于使用积分球测试量子产率，提出了重点培训，专人、专时测样的培训管理制度。每课题组或单位指派两名学生，重点培训量子产率测试方法，从原理、测试方法、注意事项、数据分析等方面全面培训并考核。例如：每月月初和月中分别固定两天，不做任何其他测试，专门用于测试量子产率。该课题组内所有需要测试量子产率的样品，由重点培训人带领送样人在固定的时间共同完成。重点培训，专人、专时测样的管理模式，按需求重点培训一批专业度高、熟练度高的专业人员，并将测试时间集中，减少积分球短时间多频次暴露，很大程度上减少了积分球污染的可能。同时，重点培训人带领送样人共同测试有效解决了因沟通不及时导致测试效率低等问题。[/font][font=宋体]（[/font][font='Times New Roman',serif]3[/font][font=宋体]）上机考核[/font][font=宋体]根据科研实际情况，模块化选择考核项目，从开机、原理、参数调节、注意事项等方面考察用户知识掌握情况和实践水平，针对关键性步骤反复强调和指导，并根据实际测试过程学生碰到的疑难问题，将实践中总结的经验传授给学生。最后经专业技术教师考核，认定学生已掌握理论知识和实践操作流程，实践操作符合规范，能规范完成各项测试并完成数据分析的学生可以获得独立上机操作的权限。作为专业技术教师，[/font][font='Times New Roman',serif]“[/font][font=宋体]授之鱼不如授之以渔[/font][font='Times New Roman',serif]”[/font][font=宋体]，在培训和考核过程中，教师的作用，一方面让学生成功获得规范测试的能力，更重要的是，要让学生学会分析问题和解决问题的能力。每位学生的科研方向和需求不同，碰到的问题各异，实验测试是解决问题的一种手段，要让学生知其然更知其所以然，从根源上分析问题并解决问题。通过考核获得独立上机权限的同学帮带新同学，帮助新同学完成培训。这种[/font][font='Times New Roman',serif]“[/font][font=宋体]老带新[/font][font='Times New Roman',serif]”[/font][font=宋体]的培训模式发挥了学生的主观能动性，增强了学生的责任意识和团结合作的意识，同时，也减轻了专业技术教师的压力，更有利于仪器新功能开发和拓展工作的开展。培训完成以后，经过教师考核合格的学生可以获得独立上机操作的权限。通过这种[/font][font='Times New Roman',serif]“[/font][font=宋体]传[/font][font='Times New Roman',serif]-[/font][font=宋体]帮[/font][font='Times New Roman',serif]-[/font][font=宋体]带[/font][font='Times New Roman',serif]”[/font][font=宋体]的培训考核模式，不断培训更多的学生，让更多学生成为测试小能手。[/font][font='Times New Roman',serif]三、 [/font][font=宋体]结语[/font][font=宋体]本文介绍了稳态[/font][font='Times New Roman',serif]/[/font][font=宋体]瞬态荧光光谱仪的附件结构及维护方法，并结合研究院实际介绍了管理模式，提高仪器使用效率的同时，降低了仪器故障率，为光谱仪的开发、应用及使用管理提供借鉴。[/font]

最近实验室装了一台稳态/瞬态荧光光谱仪FLS920，跟大家交流一下心得。 由于实验室原有的一台普通荧光仪已经不能满足实验测量的需要，因此导师决定购买一台新的荧光仪，根据课题组有关老师的使用经验和相关同行的使用情况，同时由于经费比较充足，决定购买稳态/瞬态荧光光谱仪。仪器类型确定后开始进行招标，下面列出一些招标的具体做法。 1．编制招标文件。招标文件由设备管理部门和用户共同编制完成，是投标和评标的主要依据。一份科学、合理、可行的招标文件是关系到招标工作成败的关键，其内容要求准确、完整、规范，主要包括：(1)招标公告；(2)投标人须知；(3)设备性能及配置一览表；(4)开标和评标；(5)合同的签订与执行；(6)其他。 2．发布招标信息。招标单位在招标内容确定以后通过媒体发布招标公告或投标邀请书。公布招标项目名称、招标编号、采购的数量、开标时间及地点和招标方式等。 3．开标和评标。开标在招标文件规定的时间和地点进行，设备、纪检监察、审计部门的代表、用户和专家组成员出席。评标是招标工作的重要环节，在整个招标过程中的作用至关重要，只有经过公正的评标，才能确定最优秀的中标单位。为此，学校成立招标领导组和评标专家组，专家组成员一般由5名相关专家组成。同时，我们将评标分为初评和详评两个阶段。初评：由专家组审阅投标文件是否完整、规范并符合招标文件要求；投标人所具有的主体合格性；证明文件是否齐全；投标书对招标文件作出的响应程度；确定投标人是否进入详评阶段。详评：专家组根据投标人提供的设备报价、设备性能指标、服务承诺、商家信誉、相关业绩等因素，坚持公平、公正的原则，比较性价比，进行综合打分，根据投标人得分的高低，确定中标单位。 4．签订供货合同。 我没有参加仪器的招标和谈判，对这些程序也不太了解。下面谈一些仪器的验收过程。 由于仪器比较大，到货后装在两个大木箱里，木箱上的标识很齐全，另外在木箱上有防震检验标记，如果在运输过程中发生一定程度的震动标记会发生颜色变化，要注意查看。一般仪器厂商都会派技术人员负责仪器的开箱、安装、验收与培训。在验收过程中首先将装箱单与每一个部件核对，再与合同对照有无出入。验收过程中要针对每一个部件进行样品测试，检查部件能否正常工作。如果与合同规定的部件有出入或有器件损坏，可立即要求赔偿或更换。验收完后要签订一个技术检验报告。一般仪器的安装调试过程也是一个培训过程，在这个过程要认真咨询仪器的使用，维护和售后等相关情况。另外可以举行专门的技术讲座，对这个仪器的使用人员进行一次培训。 小结：这次实验室所采购的是爱丁堡的稳态/瞬态荧光光谱仪FLS920，可以去厂商的主页查看一些相关信息(www.edinst.com).仪器的采购要量力而为，根据使用需求，经费情况选择合适的仪器。一般大型仪器的维护费用都很高，所以要考虑是否真正需要。再介绍一下稳态/瞬态荧光光谱仪FLS920仪器的特点：FLSP920 采用TCSPC（Time Correlated Single Photon Counting）技术进行荧光寿命测量，可以测量PS级的荧光寿光，测量波长范围185 -1700nm，结合附带软件可以进行如下功能测试：Measurement Modes：Signal Rates，Excitation Spectra，Emission Spectra，Anisotropy Spectra，Kinetic Measurements，Synchronous Spectra，Corrected Spectra，Temperature Resolved Spectra Map，Synchronous Spectra Map，Excitation-Emission Map，Sample Temperature Monitoring。Control Features：Wavelength selection，Grating selection，Spectral scan limits，Integration time per data point，Sample selection (3 position)，Programmed excitation shutter，Programmed attenuator，Source and detector selection，On-line spectral data correction，Post acquisition spectral correction，Polariser selection and orientation，Cryostat control，Plate reader control。Data Manipulation & Display：Arithmetic ( + , - , × , / , append )，Scaling / multiplication factor，Normalise，Baseline subtraction，Crop range，Smooth，2D, 3D, Contour and text，Grid ON / OFF，Differentiation / Integration，Peak search，CorrectionAnisotropy (G factor corrected)，Logarithmic / linear scales，Cursor locations，Join, split and extract frames。附件是合同样本和FLS920说明书（PDF格式）[IMG]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/01/201701191651_624106_1642290_3.jpg[/IMG][img]http://www.instrument.com.cn/bbs/images/affix.gif[/img][url=http://www.instrument.com.cn/bbs/download.asp?ID=124959]合同样本和FLS920说明书[/url]

[b]只要发光，您就可以用FLuoroLog检测稳态方面[/b]：为您提供激发谱、发射谱、同步谱、EEM三维谱及动态扫描；[b]测量对象[/b]：无论块体、粉体、液体或气体，无论微量还是常量，无论是在线（远程测量）还是温度控制，无论是常规还是微区空间分辨、时间分辨，无论是化学发光、生物发光或光纤导入的射线发光，简单透射荧光及角度依赖性等等，可以为您提供解决方案。瞬态方面：可以选配频域技术，提供快速的荧光寿命测量，在比较的常规配置下，满足20ps-10s范围寿命的获取。选取TCSPC的单光子计数测量技术，最新的迷你NanoLED光源，密集覆盖从250nm-1310nm的范围加之1MHz的闪烁频率和竞争力的价格，为TCSPC带来全新的形象。技术特点：[b]全反射光学系统[/b]无论灯室还是单色仪，全部采用反射式光学结构，以避免透镜带来的色差及光损失。透镜聚焦的焦距是波长的函数，在全色光经过透镜后会在轴向分布聚焦点，这种色差带来的光学强度的相关响应，是无法采用校正来消除的。对于全波段的定量，特别是光致发光绝对量子产率的测定特别重要。[b]光栅在轴扫描[/b]所有光栅采用在轴扫描，光栅扫描转动时光栅表面和旋转轴在一个平面，保证全波段的波长准确性。[b]模块化功能，模块化结构[/b]结构模块化、功能模块化，为您的需要定制打造，细节的满足您的科研要求，预留可能的升级空间，为将来的科研预留扩展。[b]多功能的样品仓[/b]样品仓提供几乎所有您需要的附件的安装。采用挡板隔离光学部件，避免粉尘和样品污染，延长仪器使用寿命。预留激光器、电缆及气氛接口，全面适合您的需求。可选的T型光学系统，用于双波长测试及更宽的波长升级需要。[b]软件部分[/b]稳态软件耦合在最为著名的数据图谱处理软件Origin中，最新版本的Fluoressence软件及升级包，彻底克服耦合中不稳定现象，让您充分享受数据轻松处理的快乐。全球公认的Datastation 和DAS6瞬态数据采集及数据拟合软件，满足您荧光寿命测试的需求[b]优异的光学元件及降噪的设计理念[/b]所有光学元件来自Horiba Jobin Yvon旗下Spex工厂，它是世界上最为著名的光学元件供应商，也是哈勃望远镜的元件供应商。采用高质量光学元件降低光学噪声，而不依赖单纯的电子增益，特别有利于采集来自固体及散光材料的真实发光信号。[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2009/10/200910101520_175149_1609847_3.jpg[/img]

最近有朋友对导热系数测试方法如何选择想进行一些讨论，这里就我们在导热系数测试中的经验，以及导热系数测试设备研制和测试方法研究中的体会谈一些感受，欢迎大家批评指正。 材料的导热系数一般采用两类测试方法，一类是稳态法，主要包括护热板法、护热板热流计法和护热式圆筒法等；另一是非稳态法，主要包括激光脉冲法、热线法、热探针法和平面热源法等。这些方法国内外都有相应的测试标准，是比较成熟和经典测试方法。 对于稳态护热板法和激光脉冲法来说，这两种测试方法基本上属于互补性关系，即分别覆盖不同导热系数范围的测量。通常，稳态法的导热系数测试范围为0.005~1 W/mK；非稳态激光脉冲法的导热系数测试范围为1～400 W/mK。在满足测试条件的前提下，稳态法的测量精度可以达到±3％以内，激光脉冲法的测量精度可以达到±5％以内。 材料的导热系数一般采用两类测试方法，一类是稳态法，主要包括护热板法、护热板热流计法和护热式圆筒法等；另一是非稳态法，主要包括激光脉冲法、热线法、热探针法和平面热源法等。这些方法国内外都有相应的测试标准，是比较成熟和经典测试方法。 低导热材料一般泛指导热系数在0.1～1W/mK 范围的隔热材料。这类材料由于导热系数低常被用作工程隔热材料，如各种玻璃钢类材料、树脂基类复合材料和陶瓷材料等。在这类低导热材料的导热系数测量中，测试方法的选择常常容易出现偏差，很多测量机构由于只有激光脉冲法测试设备，而就用激光脉冲法测量这类低导热材料，测量结果往往出现比稳态法准确测量值低15％～20％的现象。采用氟塑料（导热系数0.2 W/mK 左右）和纯聚酰亚氨树脂材料Vespel SP1（导热系数0.4W/mK 左右），用稳态法和瞬态激光脉冲法进行的比对试验也证明激光脉冲法的测试结果确实偏低。有些材料研制机构也利用这种现象来证明研制的材料达到了验收标准，这样很容易误导材料设计和使用部门的正常使用。 对于低导热材料的测试，造成激光脉冲法测量结果总是要低于稳态法测量结果的主要原因是由测量装置的固有因素造成，主要体现在以下两个方面：一、激光脉冲法测量装置的影响 激光脉冲法测试设备的试样支架，一般都是采用导热系数较低的陶瓷材料做成，其目的是在固定试样的同时尽可能减少传导热损失，以保证激光脉冲加热试样后，试样内的热流沿着试样厚度方向以一维形式传递。如果被测试样的导热系数小于1W/mK，基本上与陶瓷支架相近，这样必然会引起较大的侧面热失，破坏一维传热模型。如图 1 所示，侧面热损会使得试样背面的最大温升Tm 降低，从而造成较大的测量误差。而这些热损情况在稳态测量方法中不会出现。 如图 1 所示，采用激光脉冲法测量材料热扩散时，导热系数越大，背面温升达到一半最高点的时间t0.5 越短，背面温升采集时间10t0.5 也越短。一般金属材料背面温升达到一般最大值的时间t0.5 大约在50 毫秒以内，而对低热导率材料，背面温升达到一半最大值时间t0.5 就需要上百毫秒以上，同时总的采集时间10t0.5 也将相应的增大很多，如此长的传热时间，必然会引起强烈的侧面热损。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2015/03/201503202143_539038_3384_3.png图1 激光脉冲法典型背面温升曲线 激光脉冲法一般都是采用间接测量方式获得被测材料的导热系数，即激光脉冲法测量材料的热扩散率，然后与其它方法测得的密度和比热容数据相乘后得到被测材料的导热系数。这样得到的导热系数数据势必会叠加上其它方法测量误差，特别是比热容的测试误差一般较大。这样获得的导热系数测量精度就势必要比稳态法直接测量的热导率误差偏大。二、激光脉冲法试验参数的影响 如图 1 所示，激光脉冲法在测试过程中，试样在激光脉冲加热后，试样背面温升快速升高，最大温升也仅1 ~ 5℃之间。但对于低导热材料，由于材料导热系数比较低，要使背面温度达到可探测的幅度很困难。为了解决背面温升的可探测性，必须通过两种途径：一是采用很薄的试样，约为1mm 厚，否则很难探测到有效信号；二是在采用薄试样的同时增大激光脉冲的能量，也就是提高脉冲加热试样的功率，使得试样前表面达到更高的温度。这两种途径都会对低导热材料的测量结果带来影响： （1）低导热材料多为复合材料，密度一般都很小。激光脉冲法的试样直径（10mm ～ 12mm）本来就很小，如果试样厚度再很薄，对于复合材料来说很难具有代表性。并且密度分布的不均匀，会使得测量结果的离散性比较大。而稳态法测量所用的试样一般较大，代表性强。 （2）激光脉冲法认为激光脉冲加热试样前表面时，前表面热量的吸收层相比试样总体厚度越小越好。而一般低导热材料的热分解温度和熔点较低，高功率脉冲激光很容易使得试样表面产生高温加热而带来化学反应，反应层厚度相比试样总体厚度较大，破坏了激光脉冲法测试模型的要求，带来测量结果的不真实性。而在稳态法测量过程中，测试过程中的温度变化都严格控制在被测材料热分解温度点以下，就是为了避免热分解现象的产生带来测量结果的不真实性。 （3）一般导热系数测量过程都带有温度变化和一定的温度梯度。激光脉冲法测量如果在静止气氛中进行，背面温升的变化会受到辐射和对流的影响。所以，激光脉冲法在测量过程中，一般需要抽真空测试，以消除对流影响。而对一般复合材料来说，密度越低，在真空下发生真空质量损失的现象也越强烈。如果被测材料密度较低，真空质量损失会使得试样厚度和质量发生变化，如果再加上激光脉冲加热更会加剧质量损失过程，对测量结果带来影响。 （4）由于低密度材料内部容易存在着空隙和气孔，如果在真空中测量这类材料，真空环境将严重的改变试样内部的传热方式，基本上不再有对流传热。因此真空下测量的热导率会比在常压大气环境的测量值明显偏低。而稳态法测试设备绝大多数是在常压大气下进行，通过特别的护热装置使得在试样外部不存在温度梯度以消除对流，传热现象只发生在试样内部，因此稳态法测量结果代表的是常压大气环境下材料的热导率。个别变真空稳态法测量装置，也是专门用来测量评价材料在不同真空度下的热导率，以用于准确表征材料在不同真空度下的隔热性能。 因此，对于低导热材料热导率的测量，如果条件允许，尽量采用稳态测量方法，并明确试验条件，建议不采用激光脉冲法测量低导热材料热导率。 目前在国内的军工系统中都普遍采用稳态的保护热流计法导热系数测定仪来进行树脂基复合材料的导热系数测试，并已经做为工艺考核标准。多数采用的是美国TA公司的MODEL 2022导热仪，圆片状试样直径有1英寸（25.4mm）和2英寸（50.8mm）两种规格，最高测试温度为300℃。同时，美国TA公司的MODEL 2022导热仪也是该公司的主流产品，由此也可以看出这种稳态测试方法的应用十分广泛。

[b][b][font=宋体]概述[/font][/b][/b][font=宋体]稳态太阳光模拟器是一种可以模拟太阳光谱、光强、光照时间等参数的设备，常用于室内环境下对材料、器件、产品等的测试和评估。通常由光源、光学系统、控制系统等组成。[/font][font=宋体]模拟光源可以采用氙灯、汞灯、金属卤化物灯等，这些光源能够发出相近于太阳光谱的光线，以模拟太阳光照射下的环境。光学系统可以对光线进行聚焦、分散、滤波等处理，以达到所需的光强和光谱分布。控制系统可以控制光源的开关、光强、光照时间等参数，以便进行不同条件下的测试和评估。稳态太阳光模拟器[/font][font=宋体][font=宋体]提供一个接近自然日光的环境，不受环境、气候和时间等因素影响实现[/font][font=Calibri]24[/font][font=宋体]小时不间断光照。[/font][/font][img=光降解之太阳光模拟器,690,387]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/11/202311261121287227_2939_5724447_3.jpg!w690x387.jpg[/img][b][b][font=宋体]设备详情[/font][/b][/b][font=宋体]稳态太阳光模拟器[/font][font=宋体]设备采用氙气灯[/font][font=宋体]作为核心光源[/font][font=宋体][font=宋体]，辐照强度在[/font][font=Calibri]600[/font][font=宋体]～ [/font][font=Calibri]1200W/m[/font][font=宋体]2可调。为了确保有效辐照面积的均匀性，每套灯采用独立的 [/font][font=Calibri]EPS [/font][font=宋体]实时反馈控制，确保灯的恒功率输出能量，单个光源系统可以实时模拟量信号输出至采集器。为达到辐照面积[/font][font=Calibri]1m[/font][font=宋体]×[/font][font=Calibri]1m [/font][font=宋体]设备总共采用 [/font][font=Calibri]4 [/font][font=宋体]组光源。[/font][/font][font=宋体]其他辐照面积可根据用户需求定制生产。[/font][font=Calibri]1) [/font][font=宋体][font=宋体]光源特性：[/font][font=Calibri]1000 [/font][font=宋体]小时光强衰减小于 [/font][font=Calibri]10[/font][font=宋体]％ （采用 [/font][font=Calibri]EPS[/font][font=宋体]）[/font][/font][font=Calibri]2) [/font][font=宋体]排布方式：线性阵列排布，计算机模拟空间分布[/font][font=Calibri]3) [/font][font=宋体][font=宋体]光源寿命：[/font][font=Calibri]1000h+[/font][font=宋体]（更换光源以满足[/font][font=Calibri]3000H[/font][font=宋体]）[/font][/font][font=Calibri]4) [/font][font=宋体][font=宋体]光源质保：[/font][font=Calibri]1000h[/font][/font][font=Calibri]5) [/font][font=宋体][font=宋体]辐照强度：[/font][font=Calibri]600[/font][font=宋体]～[/font][font=Calibri]1200W/m[/font][font=宋体]2（此范围内可调）[/font][/font][font=Calibri]6) [/font][font=宋体][font=宋体]波段：[/font][font=Calibri]350[/font][font=宋体]～[/font][font=Calibri]1100nm[/font][/font][font=Calibri]7) [/font][font=宋体][font=宋体]辐照面积：[/font][font=Calibri]1m[/font][font=宋体]×[/font][font=Calibri]1m[/font][/font][font=Calibri]8) [/font][font=宋体][font=宋体]光谱匹配度：[/font][font=Calibri]A [/font][font=宋体]级[/font][/font][font=Calibri]9) [/font][font=宋体][font=宋体]辐照度不均匀性：[/font][font=宋体]≤± [/font][font=Calibri]2% A [/font][font=宋体]级[/font][/font][font=Calibri]10) [/font][font=宋体][font=宋体]不稳定性：[/font][font=Calibri]LTI[/font][font=宋体]≤± [/font][font=Calibri]2% A [/font][font=宋体]级[/font][/font][font=Calibri]11) [/font][font=宋体][font=宋体]单组灯的功率为：[/font][font=Calibri]1-3kw[/font][/font][img=光降解之太阳光模拟器,690,690]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/11/202311261122009141_2160_5724447_3.jpg!w690x690.jpg[/img][b][b][font=宋体]应用领域[/font][/b][/b][font=宋体][font=宋体]广泛应用于太阳能电池特性测试、染料敏化电池（[/font][font=Calibri]DSSC[/font][font=宋体]）、钙钛矿电池（[/font][font=Calibri]PSC[/font][font=宋体]）、光电材料特性测试、生物化学相关测试、光学催化降[/font][/font][font=宋体]解加速研究、皮肤化妆用品检测和环境研究等。[/font][b][b][font=宋体]专业术语定义[/font][font=黑体][font=Arial]1[/font][font=黑体]、光谱匹配[/font][/font][/b][/b][font=宋体]光谱匹配度太阳光模拟器的光谱匹配度是指太阳光模拟器的光谱辐照度分布与太阳光的标准光谱分布的匹配程度，一般用太阳光模拟器在每个波长范围内辐射的能量百分比与标准太阳光在同样波长范围内辐射的能量的百分比的比率表示。太阳光标准光谱辐照度分布情况见表。[/font][table][tr][td=3,1][align=center][b][font=宋体]表[/font][/b][font=宋体] [/font][b][font=宋体]1[/font][/b][font=宋体] [/font][b][font=宋体]标准光谱辐照度分布[/font][/b][/align][/td][/tr][tr][td=1,2][align=center][font=宋体][font=宋体]波长范围[/font][font=宋体]/nm[/font][/font][/align][/td][td=2,1][align=center][font=宋体][font=宋体]占有效波段内积分辐照度的百分比[/font][font=宋体]/%[/font][/font][/align][/td][/tr][tr][td][align=center][font=宋体]AMO条件[/font][font=宋体][/font][font=宋体](有效波段300 nm~ 1100 nm)[/font][/align][/td][td][align=center][font=宋体]AM1.5G条件[/font][font=宋体][/font][font=宋体](有效波段400 nm~ 1100 nm)[/font][/align][/td][/tr][tr][td][align=center][font=宋体]300～400[/font][/align][/td][td][align=center][font=宋体]9.4[/font][/align][/td][td][font=宋体] [/font][/td][/tr][tr][td][align=center][font=宋体]400～500[/font][/align][/td][td][align=center][font=宋体]18.5[/font][/align][/td][td][align=center][font=宋体]18.4[/font][/align][/td][/tr][tr][td][align=center][font=宋体]500～600[/font][/align][/td][td][align=center][font=宋体]18.6[/font][/align][/td][td][align=center][font=宋体]19.9[/font][/align][/td][/tr][tr][td][align=center][font=宋体]600～700[/font][/align][/td][td][align=center][font=宋体]15.8[/font][/align][/td][td][align=center][font=宋体]18.4[/font][/align][/td][/tr][tr][td][align=center][font=宋体]700～800[/font][/align][/td][td][align=center][font=宋体]12.8[/font][/align][/td][td][align=center][font=宋体]14.9[/font][/align][/td][/tr][tr][td][align=center][font=宋体]800～900[/font][/align][/td][td][align=center][font=宋体]10.2[/font][/align][/td][td][align=center][font=宋体]12.5[/font][/align][/td][/tr][tr][td][align=center][font=宋体]900～1100[/font][/align][/td][td][align=center][font=宋体]14.7[/font][/align][/td][td][align=center][font=宋体]15.9[/font][/align][/td][/tr][/table][align=center][font=宋体]标准光谱辐照度分布[/font][/align][b][font=黑体]2、[/font][b][font=黑体]辐照不均匀性[/font][/b][/b][font=宋体]表示太阳模拟器参数的光束在空间上的均匀程度。均匀性不好的模拟器会影响测试的结果，一般情况下导致测试值比实际值偏小。[/font][font=宋体][font=宋体]真实的太阳光在空间分布中是非常均匀的，但人造的光源并并不是。根据[/font][font=Calibri]ASTM[/font][font=宋体]的规定，太阳模拟器辐照不均匀度的计算公式如下：[/font][/font][font=宋体]太阳模拟器辐照不均匀度等级评定标准如下表：[/font][align=center][font=宋体]太阳光模拟器[/font][font=宋体]辐照不均匀[/font][/align][table][tr][td=1,2][align=center][font=宋体]等级[/font][/align][/td][td=1,2][align=center][font=宋体]光谱匹配到所有中指定的间隔[/font][/align][/td][td=1,2][align=center][font=宋体]空间非均匀性辐照度[/font][/align][/td][td=2,1][align=center][font=宋体]时间不稳定性[/font][/align][/td][/tr][tr][td][align=center][font=宋体]短期不稳定性辐照度[/font][/align][align=center][font=宋体]STI[/font][/align][/td][td][align=center][font=宋体]长期不稳定性辐照度[/font][font=宋体]LTI[/font][/align][/td][/tr][tr][td][align=center][font=宋体]A+[/font][/align][/td][td][align=center][font=宋体]0.875----1.125[/font][/align][/td][td][align=center][font=宋体]1%[/font][/align][/td][td][align=center][font=宋体]0.25%[/font][/align][/td][td][align=center][font=宋体]1%[/font][/align][/td][/tr][tr][td][align=center][font=宋体]A[/font][/align][/td][td][align=center][font=宋体]0.75---1.25[/font][/align][/td][td][align=center][font=宋体]2%[/font][/align][/td][td][align=center][font=宋体]0.5%[/font][/align][/td][td][align=center][font=宋体]2%[/font][/align][/td][/tr][tr][td][align=center][font=宋体]B[/font][/align][/td][td][align=center][font=宋体]0.6---1.4[/font][/align][/td][td][align=center][font=宋体]5%[/font][/align][/td][td][align=center][font=宋体]2%[/font][/align][/td][td][align=center][font=宋体]5%[/font][/align][/td][/tr][tr][td][align=center][font=宋体]C[/font][/align][/td][td][align=center][font=宋体]0.4---2.0[/font][/align][/td][td][align=center][font=宋体]10%[/font][/align][/td][td][align=center][font=宋体]10%[/font][/align][/td][td][align=center][font=宋体]10%[/font][/align][/td][/tr][/table][b][font=黑体]3、[/font][b][font=黑体]辐照时间不稳定性[/font][/b][/b][font=宋体]表示太阳模拟器光束辐照度在时间上的稳定性。真实的阳光辐照度在一段（短）时间内是非常稳定的，因此太阳模拟器的辐照度也应具有一定的稳定性。辐照稳定度对测试结果的可参考性提供了前提。[/font][font=宋体][font=宋体]等级[/font][font=Calibri] [/font][font=宋体]辐照时间不稳定性[/font][/font][font=宋体][font=Calibri]A 2%[/font][/font][font=宋体][font=Calibri]B 5%[/font][/font][font=宋体][font=Calibri]C 10%[/font][/font]

[size=14px][color=#ff0000]摘要：针对气凝胶和超级绝热材料（VIP）等超低导热系数材料的测试，常用的稳态法热导仪往往会在测量精度和灵敏度方面表现出不足。为考核稳态法导热仪的超低导热系数测试能力，本文提出了一种简便可行的考核方法，通过对一系列不同厚度的样品进行导热系数测试，最终根据导热系数随厚度的变化来判断和考核稳态法热导仪的导热系数测试下限，以准确掌握稳态法导热仪的测试能力，为正确使用和改进导热仪提供参考和指导。[/color][/size][size=14px][/size][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=18px][color=#ff0000]一、问题的提出[/color][/size][size=16px]在隔热材料的研发和生产过程中，隔热材料的导热系数测试结果经常会受到质疑，特别是隔热材料导热系数小于空气（0.026W/mK）的气凝胶和超级绝热材料（VIP），这些超低导热系数的测试结果往往存在较大误差。隔热材料低导热系数的测试普遍采用稳态法（防护热板法和热流计法），对应于低导热系数测试不准确现象，相应的稳态法导热仪往往会存在以下问题：（1）稳态法导热仪的测量精度和灵敏度不够，无法准确测量低导热和超低导热系数，无法准确测量超低导热系数以及导热系数的微小变化，无法满足材料研发和生产中工艺和配方调整和评价需要。（2）由于缺乏导热系数在0.02W/mK左右（或更低）的标准参考材料，对于已有的稳态法导热仪，如何判断仪器的低导热系数测试能力，由此来大致判断测量结果的准确性。为解决上述问题，本文将提出一种简便可行的考核方法，通过对一系列不同厚度的隔热材料样品进行导热系数测试，根据导热系数随厚度的变化情况来判断和考核稳态法热导仪的导热系数测试下限，以准确掌握稳态法导热仪的测试能力，为正确使用和改进导热仪提供参考和指导。[/size][size=18px][color=#ff0000]二、评估方法和考核试验[/color][/size][size=16px]考核试验的依据是稳态法的导热系数测试结果不应随样品的厚度发生而改变，如果发生改变，则说明导热系数测试产生误差。由此可用来判断导热仪的误差范围和测试极限。气凝胶软毡考作为考核试验样品，单层软毡厚度略大于10mm，通过多层叠加来实现不同厚度。测试采用了热流计法导热仪，样品为300mm边长的正方形，样品厚度分别为10、20、30、40和50mm，样品的平均温度为30℃，冷热面温差为20℃，结果如图1所示。[/size][align=center][size=14px][img=气凝胶超低热导率测试,600,380]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/05/202205251654466502_5355_3384_3.png!w690x437.jpg[/img][/size][/align][size=14px][/size][align=center]图1 不同厚度气凝胶软毡导热系数测试结果[/align][size=16px]从图1测试结果可以看出，在厚度20~40mm范围内，测试结果不会随厚度变化而改变，导热系数平均值为0.02045W/mK。随着厚度降低到10mm，导热系数测试结果有变小的趋势，此时说明样品太薄使得厚度测量和厚度均匀性给样品内部热流场均匀性所带来的误差影响变大。从图1测试结果还可以看出，当厚度增大到50mm时，导热系数测试结果有变大的趋势，这种现象说明随着样品厚度的增大，样品热阻也随之增大，稳态时流经样品厚度方向上的热流量变小，热流传感器对小热流的测量出现误差变大的现象。同时样品厚度增大使得样品内部热流场均匀性所带来的误差影响变大。在图1所示的测试结果中，尽管对薄样品和厚样品的测试结果偏离了平均值，但偏差还是没有超出导热仪的±5%的误差范围，这证明了此热流计法导热仪完全具备准确测试0.02W/mK导热系数的能力。[/size][size=18px][color=#ff0000]三、导热系数测试下限分析[/color][/size][size=16px]根据上述考核试验测试得到相同材料不同厚度下的导热系数，可以依据傅里叶稳态传热定律推算出流经样品的热流密度，如表1所示。如果假设热流计法导热仪中热流计的灵敏度为10uV/(W/m2)，那么就可以得到相应的热流计电压输出值。这里选择10uV/(W/m2)作为热流计的灵敏度，是因为目前普遍的热流计灵敏度都在这个数值以下。另外，选择此灵敏度主要仅是为了更方便的描述如何进行导热系数测试下限判定，其他灵敏度也能说明问题。[/size][align=center]表1 根据不同厚度样品的热导率测试结果推算出的热流密度和热流计电压输出值[/align][align=center][size=14px][img=气凝胶超低热导率测试,690,202]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/05/202205251655508891_6096_3384_3.png!w690x202.jpg[/img][/size][/align][size=16px]按照傅里叶传热定律，如果假设样品的导热系数保持不变并与样品厚度无关，那么随着样品厚度增加，样品热阻会线性增大，流经样品的热流密度会线性减小，对应的热流计输出信号（电压值）也会线性减小。从表1的推算结果也显示了这种变化过程，但不同的是由于热流计电压输出测试仪表的测量精度有限，在大厚度、高热组和小热流密度时，电压信号测量会带有明显误差。由此可见，在低导热系数测试中，主要测量误差来源是热流计的灵敏度。根据表1，如果假设103uV是电压测量仪表的准确测量下限，对应10uV/(W/m2)灵敏度的热流计，热流计准确测量热流密度的下限为10W/m2，可准确测量的最大热阻为1.95m2K/W。由此，可以根据这个可测热阻值1.95m2K/W，推算出20mm最佳厚度样品的可准确测量的最低导热系数为0.02/1.95=0.0102W/mK。如果设定可接受的误差范围为±5%，那么10uV/(W/m2)灵敏度的热流计法导热仪，其测试下限为0.0102×0.95=0.0097W/mK，约为。由此可见，上述的热流计法导热仪的导热系数测试下限基本为0.01W/mK，且误差在5%的误差范围内。那么对于真空绝热材料（VIP），这类材料的导热系数一般在3~8W/mK之间，那么用此灵敏度的导热仪测试将会带来巨大误差。由此可见，为了保证测量超低导热系数的绝热材料，必须进一步提高热流计的灵敏度。由此也可以得出同样的结论，采用稳态保护热板法导热仪测量超低导热系数，关键之一是必须进一步降低护热板的漏热。[/size][size=18px][color=#ff0000]四、总结[/color][/size][size=16px]对于稳态法热导率测试，通过对一些列不同厚度但材质相同的样品进行测试，可以大致判断出稳态法热导率测试仪器的测试能力，特别是判断导热仪是否具备超低导热系数测试的能力，并用此方法对稳态法导热仪进行考核。[/size][size=14px][/size][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=14px][/size][size=14px][/size][size=14px][/size][size=14px][/size][size=14px][/size][size=14px][/size]

目前国内外常用的稳态法导热仪，普遍都是非真空密封形式，也就是被测样品完成处于实验室的温湿度环境条件下。在稳态法导热仪使用过程中，往往会出现导热仪的冷板温度低于室温的情况。 我们曾经遇到过多次这种情况并专门进行过验证试验，即采用真空型稳态法导热仪，仅关闭真空腔而不抽真空，在上海这种常年湿度较大的地区，如果冷板温度低于室温，稳态法的较长测试时间会导致导热仪冷板上冷凝很多水珠，甚至会出现大面积积水，如图1和图2所示，从而对被测样品、测试结果和仪器产生严重影响，如图3所示。[align=center][color=#990000][img=,690,307]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/04/201904280025172089_727_3384_3.jpg!w690x307.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#cc0000]图1 样品和冷板积水现象[/color][/align][align=center][color=#cc0000][img=,690,376]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/04/201904280025327354_6419_3384_3.jpg!w690x376.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#cc0000]图2 模拟试验中的冷板积水现象[/color][/align][align=center][color=#cc0000][img=,690,457]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/04/201904280025446891_7590_3384_3.jpg!w690x457.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#cc0000]图3 受潮后的被测样品[/color][/align] 对于这类问题，常用以下三种方式解决： （1）设法降低室内湿度，如开空调； （2）将导热仪整体放置在一个密闭罩内，将导热仪与外界湿气尽量隔离，如图4所示。[align=center][color=#cc0000][img=,483,300]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/04/201904280026004471_4897_3384_3.jpg!w483x300.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#cc0000]图4 日本某实验室带气密罩的热流计法导热仪[/color][/align] （3）真空型（或气密型）稳态法导热仪，如图5所示。[align=center][color=#cc0000][img=,500,388]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/04/201904280026530374_1132_3384_3.jpg!w500x388.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#cc0000]图5 上海依阳真空型高温热流计法导热系数测试系统[/color][/align][align=center][color=#cc0000][/color][/align][align=center][color=#cc0000][/color][/align][align=center][color=#cc0000][/color][/align][align=center][color=#cc0000][/color][/align][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][align=center][color=#cc0000][/color][/align][align=center][color=#cc0000][/color][/align]