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使用云核速度弥散(CVD)探测金牛座分子云
qianlivan 2018-8-22 16:34
使用云核速度弥散( CVD )探测金牛座分子云 (2018年8月21日在云南天文台报告的讲稿) 国家天文台 钱磊 分子云是恒星形成的场所,理解分子云的形态和其中的物理过程是理解恒星形成的基础。通常我们观测到的是分子云在天球上的投影,而分子云在视线方向的尺度是难以测量的,而这是确定分子云三维形态的关键。另一方面,湍流耗散率是分子云中湍流的一个基本参数,是理解分子云能量平衡的关键。今天我就主要讲一下这两方面的内容。 金牛座分子云是距离我们最近的分子云之一,是典型的小质量恒星形成区。距离 140 秒差距,线尺度大约 10-20 秒差距,覆盖大约 100 平方度天区。从 12 CO ( 1-0 )积分强度图看,似乎能看到一种立体感,但这块分子云是薄是厚,很难看出来,这是天文中的普遍问题。 分子云中有各种物理过程,湍流是其中重要的一种。湍流可以产生密度涨落,成为云核的种子。在云核塌缩的过程中,湍流是对抗引力的重要力量。 是否存在湍流以及湍流的形态可以用雷诺数估计。在雷诺数较小时,没有湍流。随着雷诺数增大,涡旋开始出现,层流转变为湍流。在雷诺数很大时,在一定尺度内,湍流可以看作各项同性的。 在分子云中,使用典型参数可以估计雷诺数为 10 9 ,所以可以预计分子云中有湍流,而且在一定尺度范围可以认为是各向同性的。 在实验室中,研究流体中的湍流可以进行三维测量。在流体中放入塑料颗粒或铝粉,使用单色的激光作为光源,通过在三个方向测量散射光的频率测量每个颗粒的速度,或者拍摄颗粒运动的视频测量颗粒的运动速度。使用颗粒的三维坐标和速度分量计算各种统计量。 例如可以计算湍流能谱。 分子云中很难找到类似的试探粒子,但分子云中有一些特征结构,比如云核。不同之处在于,云核质量较大,不能像前面实验里的小颗粒那样被看作试探粒子。但如果云核与周围气体的运动速度差别不大,也可以用云核作为分子云速度场的采样点,采用云核中心的位置以及云核中心的速度。 FCRAO 望远镜对金牛座分子云进行了 12 CO 和 13 CO 成图,其中 13 CO 成图示踪了密度相对高的区域。金牛座分子云中的云核是在 13 CO 数据块中拟合得到的。 数据块是一种三维数组,其中两维是空间维,另一维是频率或者速度。这和分子云的三维分布有一定区别。在这里,云核用三维高斯函数描述,一个云核就是一个高斯成分。 13 CO 的噪声水平大约是 0.1 K 。 通过数值实验发现,峰值大于 0.7 K 的云核是比较可信的。峰值高于 0.7 K 阈值的高斯成分认为是云核。 比较 13 CO 云核中心的速度和云核所在位置的 12 CO 气体的平均速度。颜色表示二者的速度差,可以发现二者差别不大,所以 13 CO 云核可以示踪气体的运动。 相比平均速度,拟合云核可以解决同一个位置有多个速度成分的问题,可以更好地示踪气体运动。 云核速度弥散的计算用到云核的位置和视向速度。计算每对云核的距离和视向速度差。 计算对不同距离区间内速度差的均方根就得到了云核速度弥散。需要注意,这里的距离是天球上的投影距离。比较湍流研究中常用的结构函数和云核速度弥散发现二者形式相似, 在分子云厚度较小时,二者有明确的联系。而在分子云厚度较大时,同样的三维距离对应的投影距离是随机的,云核速度弥散和投影距离应该没有关系。 具体看一下。在分子云厚度较小的时候,云核速度弥散可以反映湍流谱的各种结构。 在分子云厚度较大的时候,云核速度弥散不能反映湍流谱。由此,有两个推论,云核速度弥散可以用来估计分子云厚度,在分子云厚度不大的情况下可以用来研究分子云中的湍流。下面就分别讲一下。 估计分子云视线方向厚度的方法主要有以下几种。其中测量分子云中年轻恒星、脉泽点的距离是容易想到的方法。此外分子云的厚度还可以通过测量柱密度和体密度估计。分子云中的气泡形态也可以用于限制分子云的厚度。通过类似地震波探测地球内部结构的方法,也可以用磁振荡探测分子云的 “ 隐藏维度 ” 。使用线宽 - 投影尺度关系也可以测量分子云在视线方向的厚度。此外还可以通过形态区别丝状结构和侧视的片状结构。 根据定义,柱密度是体密度在视线方向的积分。所以视线方向的平均厚度等于柱密度除以体密度。 以金牛座分子云中的 B213 为例。柱密度可以通过 HC 3 N ( 2-1 )谱线的强度计算,体密度可以 HC 3 N ( 10-9 )和 HC 3 N ( 2-1 )的线强比得到。由此得到 B213 视线方向的尺度大约是 0.12 pc 。这表明 B213 确实是丝状的。从另外一方面,这也暗示金牛座可能是一块比较薄的云。 气泡的形态也可以用来估计厚度。 想象一块分子云中有一个气泡,如果气泡比较大,尺度超过了分子云的厚度,气泡就会破裂,只留下一个圆环。中心部分几乎没有分子气体,所以没有谱线辐射。 从金牛座分子云中气泡的形态来看,金牛座分子云的厚度不大。 我们进行了数值实验。在不同厚度的分子云中放入云核,然后分别计算云核速度弥散。这是两个极端的情况。 我们发现在分子云厚度超过横向尺度的 1/8 以后,云核速度弥散对投影尺度的依赖越来越弱。 我们实际计算金牛座分子云的云核速度弥散发现,云核速度弥散依赖于投影尺度。这说明金牛座分子云的厚度不太大,不超过横向尺度的 1/8 。也就是说金牛座分子云厚度不超过 2 pc 。 前面提到过,在分子云厚度不大的时候,云核速度弥散和结构函数满足一定关系。数值实验表明理论上的近似关系是成立的。 结构函数和湍流能量级联速率有一定关系,假定能量级联速率和能量耗散率相等,就用云核速度弥散计算湍流能量耗散率。 从云核速度弥散和投影尺度的关系看,在 5-10 pc 符合 1/3 幂律。由此可以计算湍流能量级联的速率。 结果如实线所示。 金牛座分子云质量是 1.5 × 10 4 太阳质量,由此可以计算金牛座分子云总的湍流耗散率 0.45 × 10 33 erg/s 。这个耗散率与通过数值模拟得到的半解析公式计算的值量级相同。
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一种新的可压缩混合层厚度及增长率量化研究方法
hxiuzhou 2014-4-21 17:39
【按:超声速流动混合是航天航空中一项很重要的研究,在超燃冲压/冲压喷气发动机中,如何精确及有效的测量可压缩混合层的厚度及增长率,至今没有解决, 佘振苏团队 基于结构系综理论(structure ensemble theory)和测量的PIV 流动显示实验结果 , 发展了一种直接测量可压缩混合层厚度及增长率的方法, 灰度 系综平均 法 (gray-level ensemble average method), 请大家讨论,批评!】 可压缩混合层是航空航天推进装置内部的典型流动之一 . 半个世纪以来 , 人类对航空航天技术发展的广泛需求极大推动了可压缩混合层的相关研究 . 在超声速/高超声速流动中 , 混合气体呈现出可压缩性 , 会造成密度、温度、压力的脉动并伴随压缩波和激波等流动现象的发生 . 由压缩性导致的速度和密度变化会直接影响混合效率 , 往往造成可压缩混合层混合效率的显著下降 . 混合层的混合效率通常由厚度增长率来定量描述 . 由于人们对厚度的多种定义方式缺乏深刻理解 , 而测量分析手段又不尽相同 , 导致目前诸多实验结果难以吻合 . 北京大学湍流与复杂系统国家重点实验室佘振苏团队在可压缩混合层研究中引进了结构系综理论 (SED), 用于定量分析流动显示实验结果 , 对混合层厚度非线性增长特征提供了有力的实验证据 , 为以往研究结果的差异提供了物理解释 . 该项研究成果发表于《中国科学:物理 , 力学和天文学 ( 英文版 ) 》 2014 年第 57 卷第 5 期上 , 由佘振苏、陈军、王铁进等共同合作完成 . 高马赫数情况下流体混合研究成果被广泛应用于为航天器提供动力的超声速 / 亚声速冲压发动机设计 . 缺乏对可压缩湍流的认识是阻碍完美工程设计的瓶颈 . 研究发现 , 压缩性趋向于将湍流流动稳定化并降低混合层增长率 . 其负面作用十分显著 — 相关的化学反应被推迟、混合长度被动延长 . 这对降低发动机重量和尺寸等工程设计需求提出了严峻挑战 . 以往研究表明 , 可压缩混合层流动通常经历三个阶段: (1) 由平行流动转化为 Brown-Roshko 涡 ; (2) 形成二次涡结构和拟序结构的级串 ; (3) 充分发展的剪切湍流 . 如改变流动条件 , 还会出现更为复杂的流动现象 . 虽然大量研究成果丰富了人们对于可压缩剪切流动的认识 , 但如何分析海量实验和计算数据以及如何客观、可靠地提取物理参量仍是当前空气动力学领域研究的重要课题 . 佘振苏团队提出了称为“结构系综理论” (SED) 的新的理论框架 , 采用一系列相关统计参量 ( 序函数 ) 来定量描述复杂系统的系综物理意义 . 在本项研究中 , 对两种对流马赫数 — M c =0.11 ( M 1 =2.0, M 2 =1.5) 和 0.47 ( M 1 =2.0, M 2 =0.6)— 开展实验研究 , 获得了流场的激光片光米氏散射 (PLMS) 图像 . PLMS 技术将雾化乙醇液滴注入高速流中形成 30 微米以下的示踪粒子 , 通过激光片光照射获取表示粒子浓度分布的灰度场 , 从而显示出流场内部流动结构 . 实验结果清晰显示了 Kelvin-Helmholtz 不稳定性造成的流动转捩结构和 Brown-Roshko (BR) 涡 . 在 M c =0.11 的情况下 , 观测到了爆发 (eruption) 和平移 (shifting) 现象 . 在 M c =0.47 情况下 , 流动三维化更为突出 . 实验成功再现了超声速剪切流动的重要特征 . 本项研究基于 SED 框架重点对 PLMS 跨流向灰度分布系综进行分析 . PLMS 灰度图像显示跨流向灰度分布具有良好的自相似性 , 研究据此提出了灰度系综平均方法 (GLEAM). 该方法通过相似结构系综统计 , 准确提取沿流向变化的混合层厚度和增长率 , 具体结果如图 1 所示 . 据此分析发现 , 厚度尺度的非线性增长普遍存在于湍流混合层的各发展阶段 . 图 1 可压缩混合层厚度和增长率 . 实线表示用于计算各发展阶段厚度的线性拟合结果 . 阶段 I 和 II 分别表示混合层的发展初期和发展后期两个阶段 . 采用由同样密度和速度条件下的不可压混合层增长率对可压缩条件的增长率进行归一化计算便获得归一化增长率 . 该参数可对不同条件下的混合效率进行客观比较 . 归一化增长率分析发现了如下四种情况:对于 M c =0.11, 阶段 I 为 Kelvin-Helmholtz 不稳定性导致的拟序结构产生阶段 ; 阶段 II 为充分发展阶段 , 涡结构拉伸和变形逐渐显著 ; 对于 M c =0.47, 阶段 I 充满小结构 , 无明显拟序结构出现 ; 但在阶段 II, 大尺度结构运动明显增强 , 该阶段增长率反而对比上游有所下降 . 由此可见 , 在两种对流马赫数情况下 , 低增长率往往出现在大尺度涡结构发展充分的区域 . 通过对上游喷管边壁边界层厚度与混合层增长率的比较分析 , 发现来流条件对下游混合层的发展也有影响 , 因此压缩性效应和来流条件均是影响混合层增长的关键因素 . 该研究证实了 GLEAM 方法可准确测量可压缩混合层厚度和厚度增长率 , 同时该方法可推广应用于其他可压缩剪切流动的结构系综研究 . 本研究获得了国家自然科学基金资助项目 ( 批准号 : 11172006, 10572004, 90716008) 和国家重大基础研究计划 (973 项目 )( 批准号 : 2009CB724100) 的资助 . On quantification of the growth of compressible mixing layer CML has been a research topic for more than five decades, due to its wide applications in propulsion design. Mixing in CML is controlled by the compressibility effects ofvelocity and density variations over the mixing layer, and quantified by the growth rate of CML. However, the lack of understanding of various definitions ofmixing thicknesses has yielded scatter in analyzing experimental data. Prof. SHE ZhenSu and his colleagues at the State Key Laboratory for Turbulence and Complex Systems, Peking University investigated the growth of compressible mixing layer by introducing an SED theory. Applying the method to experimental data, they provided a solid evidence for the nonlinear growth in CML. Their work, entitled “Experimental evidence for non-linear growth in compressible mixing layer,” was published in SCIENCE CHINA Physics, Mechanics Astronomy. 2014, Vol 57(5). The study of fluid mixing enhancement at high Mach numbers is of critical value to engineering applications such as the design of scramjet/ramjet engines of high-speed vehicles. The impediment to a perfect design is the lack of understanding of compressible turbulence. One found that an increase of compressibility tends to stabilize turbulent flows and reduce the growth rate of CML. Passive effects of compressibility are obvious – chemical reactions are delayed, and the mixing length has to be extended. Reducing extra weight and size of the engine is always a challenge for engine design. In order to understand the underlying physics of CML and find effective control strategies to enhance the mixing in supersonic flow, researchers take the planar compressible mixing layer as a simplified and conceptualized model in their experimental or numerical studies. It produces the mixing layer by introducing two parallel super-/supersonic or super-/subsonic streams. This experimental configuration allows for a clear visualization and detailed measurement. Previous studies of CML have shown that the flow undergoes at least three stages while convecting downstream — (a) formation of Brown-Roshko vortices (a type of coherent structures) being transitioned from the parallel flow, (b) formation of secondary vortices and the cascade of the coherent vortices, and (c) the well-developed turbulent shear flow, though other structures have been observed when applying different conditions. A wealth of results have enriched our knowledge of the compressible shear flows, but how to analyze the massive experimental and numerical data, and to objectively and reliably deduce physical measures remains an open question. She’s team has presented a new framework called SED, which aims at using a set of relevant statistical quantities (called order functions) for a quantitative description of the ensemble means. In this work, the SED approach yields a set of gray-level ensemble quantities for a turbulent compressible mixing layer, when analyzing experimentalimages of the planar laser Mie scattering (PLMS) technique, at two convective Mach numbers, M c =0.11 ( M 1 =2.0, M 2 =1.5) and 0.47 ( M 1 =2.0, M 2 =0.6), which were obtained by seeding ethanol into the low- or the high-speed stream by an atomizing spray nozzle, with ethanol droplets less than 30μm in diameter. The images show clearly a set of transitional coherent structures (CS) ofa Brown-Roshko(BR) type or by a Kelvin-Helmholtz instability. The eruption and shifting of the mixing layer were observed at M c = 0.11.Three-dimensionality of the flow is visible at M c = 0.47. Hence, a CML exhibits typical features of supersonic shear flow. The ensemble of the transverse PLMS gray-level was analyzed in the SED framework. The gray-level images are shown to exhibit a similarity, which is the base for developing theGLEAM method. The GLEAM is able to determine the thickness and growth rate of CML as a function of the streamwise location, as illustrated in Figure 1. Nonlinear growth of the mixing layer is shown to exist in the development of this CML. Figure 1. Thickness and growth rate of the CML. Lines indicate the linear fit of the thickness to obtain the growth rate for each stage of mixing. The growth rate normalized by the incompressible mixing layer at the same density and velocity ratiowas used to compare the results at different flow conditions. Four situations are identified: for M c = 0.11, Stage I corresponds to the situation with coherent structures generated with the Kelvin-Helmholtz instability with a uniform scale, while vortex stretching and distortion are significantly more severe in Stage II. For M c = 0.47, Stage I contains no discernible coherent structures, due to the generation of relatively small-scale structures at this high convective Mach number; but at stage II, large-scale motions become dominant, hence one observes a smaller growth rate in this stage. Thus, it is interesting that a lower growth rate is associated with large-scale vortices at both M c . In addition, the effects of incoming boundary layersare observed by studying the relation between the scale of the boundary layers and the growth rate. The study presents that, besides compressibility effects, the inflow condition also accounts for the magnitude of the growth rate. The results show that the GLEAM is effective in quantifying the thickness of CML,and may be applied tothe investigation of the ensemble property of other compressible shear flows. See the article: Wang T J, Chen J, Shi X T, et al. Experimental evidence for non-linear growth in compressible mixing layer. Sci China-Phys Mech Astron, 2014, 57: 963–970, doi:10.1007 / s11433-014-5432-2 http://phys.scichina.com:8083/sciGe/EN/abstract/abstract508794.shtml 订阅《中国科学: 物理学 力学 天文学》微信公众号,手机同步关注最新热点文章、新闻、科技资讯, 请添加微信号 SCPMA2014 或扫描下方图片关注.
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你说这雾霾有多厚?
热度 7 zhangxw 2014-2-27 18:49
你说这雾霾有多厚 ? 张学文 ,2014/2/27 某些网页文章说霾的厚度 1-2 公里 . 我认为这个数据是严重偏大了。 2 公里厚的霾白天应当需要依靠灯光车辆才可能通行 . 我估计霾的厚度的典型数值的数十米到百米的数量级 . 而雾的厚度估计更薄 青岛大雾 照片取自 http://p8.qhimg.com/t018a12e1a664f37d10.jpg
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霾的厚度,一个新的科学名词?
热度 3 zhangxw 2014-2-12 17:46
霾的厚度,一个新的科学名词? 张学文, 2014/2/12 提出霾的厚度一事,确实使人们对大家热议的霾有了一个具体的学术 讨论点:霾的一般厚度大约是多少。我在 http://blog.sciencenet.cn/blog-2024-766801.html 给出的估计值是 100 米水平。现在把我的分析再补充以下。 1. 对于云,气象学固然理论上难确定其厚度,但是气象学是承认云有云底高度,云的厚度、云顶高度这些变量的。对于霾我认为其下界应当理解为就是当地的地面,而不是下界悬于地面以上或者深入土壤中。再就是它应当是有个不大准确的上边界的。上边界到地面的距离就是霾的厚度。 2. 如下面的照片( 2008.12.24 张学文拍于乌鲁木齐郊区)可以看到站在城市郊区有时可以看到城市上空的霾上边界。因为拍照点已经在霾区之外,有近处的清楚的日光。而远处城市的霾的上边界也比较清楚。从对比看这霾也就是数十米厚。 3. 我此前强调过一个认识 : 雾、霾出现(发育、存在)于逆温层以下的中性大气层结(或者不稳定)中, http://blog.sciencenet.cn/blog-2024-760699.html 而我过去分析的这种大气层结的厚度一般都在 1 公里以下。照此推论,霾的厚度应当小于 2 公里。 4. 想一想,不太厚的霾已经阻挡了阳光,此时,我们看不清太阳,物体也没有日光形成的影子。所以,如果霾有 2 公里厚,白天可能就变成黑夜了(能见度为 0 )。而霾里的能见度应当在 40 米以上。 霾的厚度,是一个新的科学名词? 霾的厚度,对于拍胸脯说他要治理霾的官员来说,就不需要知道、考虑、分析一下吗? 治理200米厚的霾与治理2千米厚的霾是一回事?
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就霾的厚度等等与杨学祥、杜乐天讨论
热度 3 zhangxw 2014-2-12 11:53
就霾的厚度等等与杨学祥、杜乐天讨论 张学文 ,2014/2/12 1. 昨天看到杨教授支持杜乐天教授的地球排气的观点 http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-658087.html 。我出于我提出的大气也有呼吸过程的论点,同意下垫面存在排气的过程的论点。这算是大家的共同点。但是我侧重认为这是空气与下垫面中的气体交换过程有关,而杨、杜二位可能侧重地质尺度的过程。无论怎么说把眼界转向大气与下垫面的气体或者细颗粒物的交换,可能都使我们对霾的问题找对了重要目标。霾可能是大气呼吸过程的副产品。 2. 我不想为汽车、工业污染开脱罪责,但是我认为应当看到土壤中的细颗粒物(含多年积累的农药残余)所起到的作用不能忽视。我的一些观点现在逐步积累到 http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=2024do=blogclassid=164711view=mefrom=space 处,欢迎关注。 3. 杜教授在文章中计算了霾的质量,给出了我国上百万平方公里面积上的霾的质量是百万吨的数量级的假设。对此我固然没有更多的依据否定,但是依我看,杜先生估算的霾的厚度是大了 1-2 个数量级。他说霾的厚度是 2 公里。我觉得霾的厚度没有那么厚。 100 米可能是霾的典型厚度 ,而不是 2 公里。两公里厚的云,已经是很厚的云了,而霾没有那么厚。我认为霾存在于大气近地面的逆温层以下的不稳定层中,而这个层的厚度应当是数十米到数百米。我们站到山顶上有时可以看到霾的顶部,我们去了郊区也可以看到城市雾霾的顶,而这都是百米数量级的厚度。 附带说一句:霾是来自下垫面的细颗粒物,其厚度的尺度是100米,如此薄的贴地气层是不可能被从中国原封不动地被吹到北美洲的。它们在大气运动中很容易被吹散。
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说说“污染气象学”(4)---- 混合层厚度
热度 10 Talky 2014-1-20 11:23
说说“污染气象学”( 4 ) ---- 混合层厚度 冬季“混合层厚度”较薄,是气象部门解释秋冬季容易形成严重雾霾的重要因素之一。 “混合层(MixingLayer)”是气象专业名词,顾名思义:( 1 )大气层内分有子层;( 2 )因为描述空气污染物,混合层必定紧靠地面;( 3 )混合层顶那里有个“盖”,因此地面附近污染物才被限制在混合层内经历输送过程。( 4 )冬季混合层厚度较薄,夏季较厚。 空气污染物被约束在“混合层”内输送扩散和历经各个大气过程。但在“ 说说污染气象学( 2 ) ”中,已经介绍,混合层顶不是刚性的,会随时间和地域变化, 有部分烟气会“逃逸”离开混合层,进入“自由大气”。 混合层厚度变化可以导致污染物浓度发生明显变化:冬季常只有几百米的厚度,夏季可能达到 2~3 公里。也就是说不考虑别的条件时,类似数量的空气污染物,在垂直方向冬季有可能被约束在只有夏季几分之一的空间内,浓度自然要升高,何况冬季要采暖的地区会增加排放污染物呢。 大气层很厚,超过 100 公里。和我们生活工作直接相关的底层称为对流层( Troposphere )。对流层是因为地面的存在,太阳辐射造成地面气温通常高于上层空气,导致在垂直方向有对流运动而得名。对流层厚度在赤道附近最厚,两极最簿。我们在中纬度地区,约 10 公里厚。对流层的另一个特色是包含了大气中绝大部分的水物质。水的气、液、固三相在自然条件下的转换,大量吸收和释放热量,是对流层内有气候和气象变化的根本原因之一。对流层的上方是“平流层( Stratosphere )”,含义就是 从那里向上 空气流动基本上只是水平的了,因此我们坐飞机旅行,主要时间花在在万米左右高空,遥望脚下满目白色云朵。。。 因为动力学和热力学状态有所不同, 对流层内还可以再分子层 。 按照流体力学,空气运动受到地面粘性阻力的影响,形成“行星边界层( PBL-PlanetaryBoundaryLayer )”。该层以上则称为“自由大气(FreeAtmosphere) ”。这里地面的影响主要指粘性,或摩擦阻力。形成的是“动力学”型的边界层,比较簿。上下风速差别大时,有湍流发生,垂直混合也会较强。 更重要的是“热力学”型的边界层。那是因为太阳辐射到地面,地面温度升得很高,导致垂直方向发生对流和湍流。热力边界层较厚,直至垂直方向混合可以忽略时,到达其顶部。常见其上层有“逆温层( Inversion )”,即气温度下面低上面高的空气层。逆温层内空气处于强稳定状态,湍流微弱,几乎没有垂直混合。空气污染物到达那里后就犹如被“上盖”了,因此形成混合层。如前所述,混合层在冬季常只有几百米的厚度,夏季则可能达到 2~3 公里。 在污染气象学中,不细分因为动力或热力学原因形成混合层的差别,只看重哪个对污染物的输送更为重要。多数情况下热力学混合层更为重要,例如常见“低空逆温”和“接地逆温”。 低空逆温指底面靠近地面的逆温,可以形成一个上盖,压住下面的混合层。这种情况在冷暖气流对峙时常有发生。在“ 说说污染气象学( 3 ) ”中说到“ 静是静了,稳吗? ”,就指这种情况:“对峙”所以静风或微风,但此时混合层内稳定度常是“中性”,上面有低空逆温(强稳定气层)盖住,厚度只有几百米,因此造成严重污染。“热力学”混合层厚度由气温随高度的分布(温度廓线)确定。 接地逆温是指地面以上即为逆温。冬日冷高压下,凌晨寒冷,冰霜遍地,地面附近气温最低。如果还静风,就会有“大漠孤烟”(烟气很少扩散或混合)。但如果有寒风,就要考虑“动力学”混合层了, 厚度由风速风向随高度的变化(风廓线)确定。 混合层厚度是决定空气污染物浓度高低的重要因素之一,但需要气温和风速风向随高度的变化数据来确定(探空数据),相当麻烦。常用估算方法包括 Holzworth 最大混合层厚度法、爱克曼螺线法(我国环保部推荐)、英国图形法和含湿度影响的 Nozaki 法等。 ----------------------------------------------------------------------------------- 请留意我2017年1月1日博文: 增补有关混合层厚度变化的想法 请查阅我2017年12月2日博文 :评论今天科学网新闻“‘谜雾’追踪”( http://blog.sciencenet.cn/blog-609047-1087905.html )里面引用了一本英文书上的两张图,实测混合层和逆温层一目了然。
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XPS方法测量自生氧化层厚度
JiangPQ 2013-11-5 16:52
Determination of native Al oxide thickness by XPS The thickness of native oxide on aluminum can be estimated by a simple XPS (sometimes also referred to as ESCA) method. 1-6 This method can also be applied to the measurement of thin (i.e. -100 A) oxide films on other metals (i.e. MgO/Mg, SiO 2 /Si, TiO 2 /Ti, etc.). 4 When the oxide layer on aluminum is relatively thin (i.e. 75~85 A), peaks of aluminum oxide and the underlying metal can be distinctively observed in the A1 2p XPS spectrum, an example of which is shown in Figure 1 . The relative intensities of the oxidic and metallic A1 2p peaks are related to the oxide thicknesses according to a relationship developed by Carlson 3 as: (1) w here I is the intensity of the photoelectron peak (i.e. peak areas); N is the volume density of metal atoms; λ is the inelastic mean free path (IMFP) of photoelectrons; d is the oxide thickness; and θ is the electron take-off angle with respect to the sample surface. The subscripts m and o stand for metal and oxide, respectively. This expression can be further simplified to give the oxide thickness ( d ) as: (2) The IMFPs and the volume densities of metal atoms for the metal and oxide must be known to determine the oxide film thickness from Eqn. 2. Fortunately we can find such data from literature. The most recent IMFPs for Al for electron energies from 50 eV to 30 keV has been calculated by Tanuma et al. 7 from experimental optical data using the full Penn algorithm. The IMFPs for Al 2 O 3 have also been calculated by the same authors. 8 When using Al Ka x-ray radiation, the kinetic energy of Al 2p photoelectrons is 1415~1418 eV.The results of Tanuma et al. 7 , 8 indicate that, for electrons of this energy, the IMFPs in aluminum oxide and aluminum metal are both ~28 A. The volume density of metal atoms in the oxide layer will vary, depending on the presence of other elements and the amount of hydration. Strohmeier has reported an N m /N o ratio of 1.3~1.5 from estimated densities for γ-Al 2 O 3 . 4 In this study, we take an N m /N o ratio of 1.4. We obtain our XPS spectra with a Kratos AXIS Ultra photoelectron spectrometer, which uses a mono Al Ka x-ray source. All binding energies were referenced to the main C 1s line at 284.5 eV. XPS peak areas were determined by curve fitting using standard Kratos software. In all of the computations, the spectral background was assumed to be linear over the peak widths. Peak areas were measured with a precision of +/- 5%. The measurement was taken at an electron take-off angle of 90° (i.e. sin θ=1). The measured sample is a thermally evaporated Al film that has been exposed to the typical laboratory environment of Singapore for two weeks. The measured Al 2p XPS spectrum is shown in Figure 1 . Figure 1 Al 2p peak envelop, showing respective oxide and metal components This measurement suggests that for this specific sample, the ratio of intensities of oxide and metal I o / I m is ~2.0, which corresponds to an oxide film thickness of ~37.4 A. Considering the extremely large humidity in Singapore, this oxide film thickness is reasonable. The accuracy of this measurement directly depends on the approximate values chosen for λ o , λ m , N o and N m . The values chosen for λ o and λ m are among the most recently reported values, and the uncertainty for λ o is estimated to be +/-5%, while for λ m is to be +/-15%. 7 , 8 The atomic density ratio No/Nm is estimated to be 1.4 +/-0.1. The error of the measured intensity ratio I o / I m is around +/-5%. Hence, the error for the oxide thickness obtained using Eqn. 2 is estimated to be 3.7 A. The approximate total sampling depth of XPS is on the order of 3λ, which represents the depth from which ~95% of the total photoelectron signal arises. Therefore, the maximum sampling depth of A1 2p electrons through an aluminum oxide film when using an Al x-ray source is ~84 A. The precise measurement of native Al oxide thickness is meaningful for our TDTR (Time Domain Thermoreflectance) measurement, which is very sensitive to the Al transducer film thickness. Native Al oxide is transparent and does not absorb energy from the heating source. However, Al oxide film contributes heat capacitance and affects the measurement. After we have measured the native Al oxide thickness precisely and accurately, we know how much we should add to the Al film thickness to take into account the effect of the native Al oxide film. References: 1. T.A. Carlson and G. E. McGuire, Journal of Electron Spectroscopy and RelatedPhenomena 1 (2), 161-168 (1972). 2. W. J. Carter, G. K. Schweitzer and T.A. Carlson, Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena 5 (1), 827-835 (1974). 3. T. A. Carlson, Surf Interface Anal 4 (4), 125-134 (1982). 4. B. R. Strohmeier, Surf Interface Anal 15 (1), 51-56 (1990). 5. I. Olefjord and A. Nylund, SurfInterface Anal 21 (5), 290-297(1994). 6. M. R. Alexander, G. E. Thompson, X.Zhou, G. Beamson and N. Fairley, Surf Interface Anal 34 (1), 485-489 (2002). 7. S. Tanuma, C. J. Powell and D. R. Penn,Surf Interface Anal 43 (3), 689-713(2011). 8. S. Tanuma, C. J. Powell and D. R. Penn,Surf Interface Anal 20 (1), 77-89(1993).
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怎样从透射谱中分析薄膜的折射率厚度及光学带隙
热度 6 yhliu971225 2011-6-26 22:02
用透射谱分析薄膜的折射率厚度及光学带隙 用透射谱分析薄膜的折射率厚度及光学带隙_Tauc法.ppt 1.ppt 一直在做电子薄膜的沉积,最苦恼的事是分析,薄薄的一层,要从中提取出结构信息、电子学特性的信息、光学特性的信息,关于厚度等的物理属性信息等等,得做大量的工作。做工作不怕,怕的是分析结果的不确定性。在半导体测量中就没有精度这一说。 一直用透射谱分析薄膜的折射率厚度及光学带隙等信息,把相关分析方法告诉学生,结果学生分析出来的数据五花八门,问为什么得到这样的结果,也说不出个所以然来。 今天大雨封门,一天没出去。找来相关文献,从头把分析理论看了一遍,再拿来一组数据,亲自动手分析。发现薄膜厚度的误差可以小于1%。太激动了。我自己早前并没有发现这一妙处。干脆把分析方法整理出来,以ppt文件的形式写好。明天交给学生,以后的学生都可以参照此版本来分析数据了。 把ppt文件附再后面,希望听到更多人的意见。其中包络线是通过origin人工做的,不知有没有软件可以直接给出来。岛津的分光光度谱仪带了薄膜厚度测试的软件,但其中的折射率需要用户给出,这个对用户来说是困难的。其实用我们这里介绍的方法是可以直接从透射谱中得出来折射率的。 ppt中只介绍分析步骤。理论部分在参考文献中。
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GMT+8, 2024-5-1 19:11

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