应变式水平仪工作原理

p style=" line-height: 1.5em " & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 高等学校仪器设备对人才培养、科学研究、社会服务、文化传承创新及国际交流合作等核心工作具有支撑服务作用。仪器设备支撑体系的建设水平，关系到立德树人根本任务的落实效率。需要从落实根本任务的角度认识仪器设备平台建设，将根本任务观点内化于仪器设备支撑服务体系规划、建设、完善、服务等方面。 /p p style=" line-height: 1.5em margin-top: 10px " & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 围绕“双一流”建设构建高水平仪器设备群落。仪器设备是科学研究、技术开发等工作的物质基础。应从服务突破关键科学问题和解决国家重大需求角度，规划统筹仪器设备的购置和管理。从简单的单一学科出发转变到服务前沿交叉学科与技术，聚焦新科学、新技术等原始创新需求，围绕关键核心尖端设备，搭建仪器群落，实现跨学科、多用途、全功能平台，提高仪器设备解决科学、技术问题能力效率。跳出学科、方向的藩篱，仪器设备群落才能够为大成果、大团队、大突破提供物质基础。 /p p style=" line-height: 1.5em margin-top: 10px " & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 构建两支人才队伍。一是领军队伍的建设。利用领军人物所具有的战略眼光、学术视野、创新经验，为对仪器设备群落建设指明方向，构建先进仪器设备群落服务未来发展，优化现有群落充分发挥作用和潜力，淘汰落后群落，推动科技创新和发展。二是专业化技术支撑团队的建设。利用技术人员充分发掘并完善群落功能细节，提供科技问题技术解决方案，并由此提升技术支撑队伍的专业化水平。促进技术队伍融入创新团队，共享科研创新发展成果和荣誉，促进大国工匠精神与情怀传承。 /p p style=" line-height: 1.5em margin-top: 10px " & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 创新仪器设备群落产学研新机制。仪器设备群落是多种技术、设备的聚合，不是一个学科、一个企业能够构建的。高校应改变仪器设备用户的传统定位，利用高校学科、人才等优势和丰富使用经验，对群落的技术、方案进行凝练，提出创新性思路，推动新方法、新方案的研发，成为仪器设备开发的主要动力之一。企业则应加大与高校之间联系，与高校共同开发高校尖端设备，形成仪器设备群落建设新思想。 /p p style=" line-height: 1.5em margin-top: 10px " & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 发挥仪器设备群落在“三全育人”中的应用。仪器群落不仅仅为顶尖科学研究服务，也是“三全育人”鲜活的载体。高精尖设备的展示，可以使学生了解我国科技发展、社会进步的成果，增强自豪感、爱国情怀，也可以使学生正视我们与发达国家的差距。仪器设备的背后是一代代高校教职工的奋斗历程，发掘仪器设备背后的人文兼职，为“四史”教育的创新提供了方案。 /p p style=" line-height: 1.5em margin-top: 10px " & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 高水平仪器设备群落是设备、人员、管理、情怀融合的支撑服务平台。四者的有机结合，有利于整合优化科技资源配置，必将为科技创新活力激发、创新人才培养、基础科学及核心技术原始创新、国际竞争和合作等提供高水平支撑服务。 /p

p style=" text-align: justify text-indent: 2em " & nbsp 由中兴通讯股份有限公司牵头的国家重点研发计划“重大科学仪器设备开发”重点专项“分布式光纤应变监测仪”项目经过近两年的努力，突破了高空间分辨率技术、超长距离测量技术和高精度布里渊信号处理等关键技术，开发出分布式光纤应变监测仪样机。近日，项目顺利通过了科技部高技术中心组织的中期检查。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 分布式光纤传感以光纤作为传感器，其测量参数包括应变和温度等，可以实现空间上的连续测量，监测点位可达百万个，测量距离可达百公里，具有传统点式传感器不可比拟的优势，是大尺度基础设施结构健康监测和大范围地质灾害监测最有效的技术手段。目前国内高性能分布式光纤传感监测仪主要依赖国外进口，国内还不能实现厘米级超高空间分辨率和百公里超长距离产品供货。该项目通过采用差分脉冲对技术和双频激光扫描技术，所开发的可工程化应用的分布式光纤应变监测仪，具有厘米级空间分辨率和百公里测量距离，已成功应用于油气管道、高速铁路、高压输电线、大型桥梁和山体滑坡监测等领域，中国公路学会组织的科技成果鉴定认为该项目整体技术达到了国际领先水平。开展分布式光纤应变监测仪的自主化研究，对于提高我国大型基础设施、大型结构装备和地质灾害的安全监测能力，提升公共安全水平，以及减小经济损失和社会影响具有重要意义。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 该项目下一步将加强仪器小型化设计，提高产品的工程使用灵活性；进一步加快工程应用示范及产业化推广等工作。& nbsp /p

纳米材料具备优异的力学特性，能够承受远超块体材料的应变，从而调节其物理/化学性能（如电子、光学、磁性、声子和催化活性）。基于力学应变工程，过去的研究优化设计了一系列前所未有的先进功能材料和器件，包括高迁移率芯片、高灵敏度光电探测器、高温超导体、和高性能太阳能电池以及电催化剂等等。尽管对基于应变调控电子输运性能和能带结构等方面进行了广泛研究，但由于单一施加应变梯度而不引入其他混淆因素（例如界面和缺陷）的困难，以及将纳米尺度热输运测量与原子尺度局域声子谱表征相结合的挑战，非均匀应变下的导热机制仍未被系统研究。这尤其令人沮丧，因为精确热管理被视为制约先进芯片和高端设备效率和寿命的关键瓶颈。针对这些挑战，北京大学工学院杨林研究员与北京大学物理学院高鹏教授、杜进隆高级工程师及西安交通大学岳圣瀛教授等人提出了实验探究非均匀应力对导热调控的新策略，他们揭示了均匀应力下不存在的，由应变梯度导致的独特声子谱扩展效应及其对导热的反常抑制现象。通过在自制的悬空微器件上弯曲单个硅纳米带（SiNRs）来诱发非均匀应变场，并利用具有亚纳米分辨率的基于扫描透射电子显微镜的电子能量损失谱（STEM-EELS）技术表征局域晶格振动谱，他们的研究结果显示，0.112％/nm应变梯度将导致热导率（κ）显著降低34±5％，这是先前文献中均匀应变下热导率调制结果的3倍以上（图1）。相关工作以“Suppressed thermal transport in silicon nanoribbons by inhomogeneous strain”为题发表于Nature。图1. 非均匀应力对硅纳米带导热的显著抑制现象。（a）实验测得的（实心符号）和理论模拟的（空心符号）结果表明，在均匀应变下，块体硅和硅纳米线的热导率基本保持不变，而弯曲硅纳米带的测量结果随着应变的增加急剧上升（半填充）。（b）基于悬空热桥微器件的热导率测试原理示意图。（c）高分辨透射电子显微镜显示弯曲硅纳米带的单晶特性。（d）实验测得的弯曲硅纳米带相较于无应力样品的热导率降低百分比为了揭示应变对声子传输的影响，直接测量弯曲硅纳米带的局域声子谱，并表征沿应变梯度声子模式的演变现象是非常必要的。与先前文献中观察到的在异质界面或缺陷周围的EELS峰移不同，运用同时具备亚纳米级空间分辨率和毫电子伏特（meV）能量分辨率的STEM-EELS技术，该工作首次表征了完全受非均匀应变调控的声子模式，揭示了应变梯度下奇特的声子谱扩展效应（图2）。图2. 表征受应变调控的局域声子谱。（a）基于STEM-EELS的局域声子谱表征技术示意图。带有弯折的弯曲硅纳米带HAADF图像（b）和EELS测量区域的放大视图（c）。（d）在不同位置（P1至P5）沿应变梯度测得的TA和TO声子模式的EELS谱。（e）弯曲硅纳米带的HAADF图像。（f）沿电子束移方向TA和TO声子模式的振动谱图。（g）在e中标记的区域沿应变梯度测得的EELS谱线与均匀应变下每个声子支具有的特定单一线条色散关系不同，不均匀应变的存在导致了在给定波矢处的声子频率分布区间（图3）。这种奇特的声子谱扩展效应增加了声子频率的多样性，以满足声子-声子散射的能量守恒约束，因此加速了声子-声子散射率并缩短了声子寿命，引发了一种均匀应变不存在的全新声子散射机制。图3. 声子谱扩展增强声子散射率。（a）受应变梯度调制的声子色散示意图。（b）左侧，硅在不同弹性应变下的声子色散。右侧，应变梯度为0.118% /nm下声子谱扩展引发的声子散射率，τsg−1通过开发跨微米-原子尺度的实验表征技术，并结合第一性原理的理论模拟，该工作为长期以来有关非均匀应变对声子传输影响的难题提供了关键线索。因此，这项研究不仅清楚地揭示了非均匀应变对固体导热的调制机理，而且为基于应变工程的功能性器件的创新设计提供了重要思路。例如，基于应变梯度引起的晶格热导率降低，与此前已证明的载流子迁移率增强之间的协同作用，为开发高性能的热电转换器件提供一种新颖策略。此外，基于非均匀应变调制热导率可实现功能性热开关器件，用于动态控制热通量。杨林和岳圣瀛是该论文的共同第一作者，杨林、高鹏、杜进隆是共同通讯作者。合作者包括东南大学陈云飞课题组、北京大学戴兆贺课题组、北京大学宋柏课题组和美国范德堡大学Deyu Li课题组。北京大学杨林课题组主要研究方向为功能性热材料和器件，包括先进微纳结构设计制造，极端尺度导热微观机理表征与调控，超高温储热技术研发，高性能热功能器件制备。研究成果以第一作者或通讯作者发表于Nature、Nature Nanotechnology、 Science Advances、Nature Communications、Nano Letters等国际顶级期刊。杨林曾入选2021年国家高层次海外青年人才计划，获得2019Nanoscale 年度精选热门文章、2020PCCP年度 精选热门文章等奖项。