2024年, 第45卷, 第11期　
刊出日期：2024-11-28

  

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电磁学计量
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  溯源至脉冲驱动型交流量子电压的功率测量系统

  卢奇亮,周琨荔,韩琪娜,施杨,赵建亭,杨雁,徐磊,鲁云峰,黄璐,翟昌伟,屈继峰

  计量学报. 2024, 45(11): 1585-1592. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.11.01

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  搭建了基于脉冲驱动型约瑟夫森电压标准的交流功率测量系统。通过精密感应分压器和双级电流互感器、采样电阻将交流功率的电压和电流信号转换为两路1V以内的交流电压,采用切换开关的方式实现两路交流电压至两套交流量子电压标准的溯源。通过计算复数比值得到两路被校准交流电压之间的相位差,经角差修正后得到交流功率源中电压和电流的相位差。系统只需要一套电压比较模块,省去了专用相位测量模块,其相比于现有技术方案具有结构简单的优点。在电压220V、电流1A、频率60Hz、功率因数1.0的测试条件下,测量不确定度为5.6μW/VA (k=2)。所研制系统的测量结果与基于标准功率表的测量结果具有较好的一致性。相关研究可为溯源至脉冲驱动交流约瑟夫森电压标准,建立新一代宽频交流功率标准提供参考。相关研究工作可以为建立新一代溯源至宽频量子电压的交流功率基准提供参考。
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  基于改进电压加法的直流高压分压器测量方法研究

  刘方明,刘浩,李登云,肖凯,杜百稳

  计量学报. 2024, 45(11): 1593-1600. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.11.02

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  目前直流高压分压器分压比参数通常是通过电阻阻值评估法或泄漏电流测量法进行量值溯源。对于100kV及以下电压等级分压器,其泄漏电流一般作为高阶小量可以忽略不计,常采用电阻评估法确定其分压比不确定度,而泄漏电流法多应用于只有测量层结构的分压器。电压加法在直流高压分压器中已有应用,通过建立基于低压臂电阻外置技术的改进型电压加法数学模型,开展100kV直流高压分压器电压加法的试验验证,并应用归一化偏差法对试验结果进行评价。试验表明,改进电压加法试验引入的不确定度分量可达到10^-5~10^-6量级,基于改进电压加法的100kV直流高压分压器扩展不确定度达到1.3×10^-5(k=2)。
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  基于改进型数字比较法的15～30Hz低频互感器误差校验技术研究

  熊博,刘浩,周峰,李鹤,黄天超

  计量学报. 2024, 45(11): 1601-1606. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.11.03

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  对低频校验仪的误差测量技术进行了全面研究,旨在实现高精度的测量。首先,对数据采集卡中A/D通道的低频误差线性进行了分析和测试。针对采样数据点的低频误差,提出了一种动态补偿方法。此外,使用采样序列重建方法消除了通道增益误差。设计了采样频率和信号频率之间的最佳自适应比,以及低频信号数据处理的优化算法,显著提高了低频校验仪的测量精度。测试结果表明,测量不确定度显著改善,对于不同的输入比和频率,比率差和相位差降低到10×10^-6(10μrad)。
几何量计量
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  基于深度学习的水域实例分割尾矿库干滩长度测量

  孙叶青,陈洪飞,童仁园

  计量学报. 2024, 45(11): 1607-1614. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.11.04

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  提出了基于YOLOv8的水域实例分割方法,实现了在实时视频流下快速、高效、准确的尾矿库干滩长度测量。首先,完成一份高质量水域实例分割的COCO数据集;其次,分析主流深度学习实例分割算法,选用YOLOv8模型训练出高效识别水线并输出图像坐标;最后,标定相机内外参数,应用相机成像原理,在尾矿库尾部安装监控摄像头,预测出干滩长度。实验证明:此模型不仅能够准确预测出干滩长度,并且对不同尾矿库水域边界分割有较好的稳定性;对实时视频流模式下的野外非接触式测量具有较好的效果,误差控制在2%以内。
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  基于LSTM-GRU神经网络的机床主轴回转误差分离降噪研究

  迟玉伦,李希铭,朱文博,余建华

  计量学报. 2024, 45(11): 1615-1625. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.11.05

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  频域三点法是分离主轴回转误差的常用方法,其误差分离精度受被测信号中噪声的影响较大,不适当的降噪方法会使测试结果失真。为此,提出了基于LSTM-GRU神经网络的机床主轴回转误差分离降噪方法。首先,使用经遗传算法优化的传感器夹角搭建测试系统并对主轴回转误差进行数据信号采集。然后,配置卡尔曼滤波器对3个传感器信号进行降噪,通过三点法分离出同步误差和异步误差。最后,使用LSTM-GRU模型分别对同步误差和异步误差降噪,并将该模型降噪结果与LSTM-LSTM双层神经网络降噪、卡尔曼滤波和小波阈值降噪和结果对比,分别计算其Allan方差来评价不同方法的降噪效果。实验结果显示,使用该LSTM-GRU模型降噪后的同步误差Allan方差为2.014×10^-8mm²,异步误差Allan方差为3.967×10^-8mm²,均小于卡尔曼滤波、小波阈值降噪和LSTM-LSTM双层神经网络降噪结果。LSTM-GRU模型的降噪效果最优,被测主轴在转速为6000r/min时的同步误差为2.42μm,异步误差为3.21μm,符合实际情况。
光学计量
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  基于偏振成像和YOLOv8的雾天道路目标检测

  谈爱玲,李晓航,赵勇,高美静,苏海杰,刘闯,郭天安

  计量学报. 2024, 45(11): 1626-1633. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.11.06

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  雾天天气下,车辆和行人目标的准确检测对汽车自动驾驶非常重要。首先通过偏振成像装置采集了0°、45°、90°和135°角度的偏振图像,并通过3种不同的融合方式构建了I04590、stokes和pauli图像数据集。提出一种改进YOLOv8的目标检测算法以提高雾天偏振图像中汽车和行人两类目标的检测准确率。提出一种基于混合池化的MixSPPF结构,改善了原有SPPF结构对全局信息的提取能力;然后基于不同大小的卷积设计了Multi-scale Module模块并结合Coordinate Attention注意力机制增强了对空间信息和通道信息的提取。实验结果表明,提出的改进YOLOv8算法获得的全类平均准确率PA@0.5和PA@0.5：0.95分别达到了83.4%和39.3%,比初始YOLOv8算法分别提升了1.6%和0.9%。
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  基于倒残差多尺度卷积注意力的红外热成像人脸对齐算法

  刘旭龙,李枭,许爽,贾紫巍

  计量学报. 2024, 45(11): 1634-1641. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.11.07

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  红外热成像人脸对齐在提取人脸面部温度方面起着至关重要的作用,其定位精度直接关系到对人脸各区域温度数据的准确采集与分析。当前,主要的人脸对齐方法多数应用于可见光人脸图像,但将其直接应用于红外热人脸图像存在精度不足等问题。为解决这一问题,提出了一种基于多尺度卷积注意力的热红外人脸对齐算法。利用多尺度信息的优势,将多尺度卷积注意力机制与倒置残差卷积网络相结合,并引入wing loss作为损失函数,增强了网络模型的特征提取能力。实验结果显示,所提出的算法在公开热红外人脸数据集和自采的面瘫人脸数据集上的归一化平均误差分别达到了3.23%和3.94%。相较于传统方法,该算法针对各器官的定位精度均有一定程度的提高,应用范围可扩大至面瘫人群,意义较大。
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  基于均值抽样原理的砂土颗粒级配图像分析方法

  尚福磊,连继峰,李晓宁,刘宇,雷智捷,胡耀中

  计量学报. 2024, 45(11): 1642-1653. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.11.08

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  颗粒级配是影响路基填料力学性质的关键参数之一,传统筛分法因筛孔直径间隔大难以精细、快速地确定砂土粒组,为此,提出一种基于图像扫描与均值抽样技术的砂土颗粒级配估算新方法。通过基于扫描电镜SEM与图像处理软件ImageJ联合测试技术确定了颗粒形态几何参数,讨论了不规则颗粒在投影图像轮廓上任意两个平行切线之间的距离即费雷特直径(Feret diameter)作为理想球体等效直径的差异性,建立了单个砂土颗粒等效面积及体积方程;基于砂土颗粒相对密度随粒径减小而逐渐增大的一般规律,拟合得到了砂土颗粒粒径与相对密度之间的负幂函数模型,建立单个砂土颗粒的质量与粒径的函数表达式。最后通过筛分法考察了砂土颗粒级配算术平均值法、均值抽样法的准确性,结果表明:ImageJ图像处理技术识别毫米级及以下砂土颗粒的相对误差依赖于颗粒粒径与标尺长度之间的差距,即当颗粒粒径小于标尺长度时,二者差距越大测量精度越低;当颗粒粒径接近或超过标尺长度时,测量精度较高且较稳定;算术平均值法表现出较强的随机性,不宜作为砂土颗粒级配参数的确定依据;均值抽样法以短径获得的砂土颗粒级配曲线与筛分法结果最为吻合,可用于估算砂土颗粒级配参数,其次是平均径、长径。新方法能够对砂土粒组进行任意划分,获得相对准确的级配参数,结果可靠、操作便捷。
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  三轴摄影测量中折射误差修正模型的精度分析

  张博,牟春梅,潘强,李燕霞,阳瑾

  计量学报. 2024, 45(11): 1654-1664. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.11.09

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  摄影测量技术应用于三轴试验可以实现土样变形的非接触式测量,然而该方法的测量精度易受到不同介质的折射影响。为了解决此问题,首先在空气中通过测量平面人工编码点的距离和刚性圆柱体的轴向及径向长度,验证摄影测量法在无折射影响下具有较高的测量精度;但在压力室中光线会受到空气、有机玻璃罩和水等不同介质的折射影响,造成较大的测量误差。为消除折射的影响,将三维折射误差修正模型应用于饱和混合土三轴试验,从轴向和径向对试验结果进行精度分析。试验结果表明:1)折射放大效应对三轴土样轴向测量精度的影响较小,可忽略不计,但对径向测量的影响较大,需进行折射误差修正;2)经误差修正后,三轴土样径向测量值的绝对误差和相对误差分别为0.120mm和0.59%,表明折射误差修正模型可以提高三轴摄影测量的精度
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  基于优化RetinaNet的自适应特征融合的轻量化目标检测方法

  张立国, 季鑫烨, 章玉鹏, 耿星硕, 张升

  计量学报. 2024, 45(11): 1665-1670. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.11.10

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  针对目标检测算法中计算量大、模型复杂等问题,造成在嵌入式平台计算资源有限的应用场景下难以部署的现象,提出一种基于优化RetinaNet的自适应特征融合的轻量化目标检测方法。提出的算法参考了GhostNet中的Ghost Module模块以减少模型参数量。通过一种空间特征融合机制,提高特征的尺度不变性。融合了结构重参化的思想,增加训练深度,实现多分支训练,单分支推理,更好地提升模型的推理性能。提出的方法在PASCAL VOC2007和COCO两种常用的目标检测数据集上进行评估,平均精度为54.1%,优于RetinaNet的平均精度,实验结果表明,提出的方法推理时所占的内存为170.71MByte,是RetinaNet所占内存的44.27%,表明提出的算法在保证精度的前提下极大提高网络的推理速度。
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  基于改进YOLOv5的带钢表面缺陷检测

  杨威,杨俊,许聪源

  计量学报. 2024, 45(11): 1671-1680. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.11.11

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  针对带钢表面缺陷检测方法存在检测精度低和检测速度慢的问题,提出一种基于改进YOLOv5的带钢表面缺陷检测方法。首先,采用内容感知特征重组CARAFE作为多尺度特征融合的上采样算子,构建具有通道缩放的自适应空间特征融合CS-ASFF结构,以增强多尺度特征融合并控制模型复杂度。其次,在模型的卷积层和跨层级结构引入GSConv和VoVGSCSP模块,以减小计算量并提高检测精度。最后,采用Focal-GIOU Loss作为损失函数来解决带钢缺陷图像中难易样本不平衡的问题,并提升模型对复杂数据的适应能力。实验结果表明,在NEU-DET数据集上该方法达到了80.6%的均值平均精度(PmAP),计算量为14.8 GFLOPs。与YOLOv5相比,PmAP提高了4.3%且计算量减少了6.33%。与当前主流目标检测网络相比,在更低的计算量下该方法具有最高的检测精度,能够满足真实工业场景下的带钢表面缺陷实时检测。
流量计量
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  基于多元多尺度离散熵的气液两相流流动特性分析

  武传宝,张立峰

  计量学报. 2024, 45(11): 1681-1687. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.11.12

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  提出了一种基于多元多尺度离散熵的垂直管道气液两相流流动特性分析方法。使用阵列电导传感器获取垂直上升管道气液两相流流型信息,将采集到的高维时间序列使用主成分分析方法进行降维。然后采用多元多尺度离散熵(multivariate multiscale dispersion entropy, mvMDE)来度量不同流型多元时间序列的复杂度,并与用于一元时间序列的多尺度离散熵(MDE)进行对比,计算mvMDE前10个尺度的平均值和前5个尺度的增长速率。结果表明,相同流型所对应的mvMDE差异性更大,且mvMDE对于流型转变更敏感。因此mvMDE可以更有效揭示两相流由泡状到段塞的演变过程,从气泡的聚合发展到气塞的逐渐破碎,从伪周期的出现到衰退都可以被熵值的变化所反映,且平均值与增长速率的联合分布可有效实现流型辨识。
力学计量
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  互易磁电振动传感器校准技术研究

  练翔坤,蔡晨光,孔明,刘志华,吕思耀

  计量学报. 2024, 45(11): 1688-1694. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.11.13

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  提出一种无源伺服振动传感器的新的互易校准方法,该方法基于互易法校准的基本原理,根据无源伺服振动传感器的双线圈特性划分成被校传感器和互易传感器,通过建立振动微分方程,分析2个传感器的灵敏度比值、灵敏度乘积和互易校准系数的频率响应特性,最终提出对应的校准方法。基于该方法,进行2次实验测量,得到灵敏度比值和灵敏度乘积,结合互易校准系数,实现了无源伺服振动传感器的校准。并与激光干涉法进行了实验对比,实验结果表明:在频率1～100Hz,2个传感器的校准结果相对误差均不超过1%。
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  液体活塞式压力计校准自动化研究

  王博文,杨远超,庞桂兵,马坤,悦进,黄谦

  计量学报. 2024, 45(11): 1695-1701. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.11.14

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  利用高精度压力传感器,通过理论分析、管路设计、程序编写,研制了1~120MPa范围液体活塞式压力计校准的自动化装置。对该传感器的线性系数及长期稳定性进行了测试,结果表明:该传感器线性系数与1的偏差小于±4×10^-4;通过与传统校准方法的比较,验证了该装置应用于中国计量科学研究院(NIM)压力基准量值传递工作的可靠性;应用该装置对起始平衡法和直接平衡法两种校准方法的结果进行了比较,验证了两种方法的一致性。应用该自动化装置校准液体活塞式压力计有效面积的相对扩展不确定度为32×10-6(k=2),其形变系数的扩展不确定度为1.8×10^-7 /MPa(k=2),校准所需时间比传统方法大幅度减少。
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  力传感器动态灵敏系数的辨识方法研究

  刘晶晶,江文松,罗哉,王岩庆,尹肖

  计量学报. 2024, 45(11): 1702-1708. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.11.15

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  采用“静标动用”的原则获取静态灵敏度是力传感器动态校准的传统方法,但敏感材料微弱的非线性时变特性往往会引起灵敏度漂移,从而产生较大的动态测量误差。因此,提出一种力传感器动态灵敏系数辨识方法。该方法在不同激振频率下获得被校准力传感器的核函数矩阵,采用正则化方法修正核函数矩阵的奇异值,建立动态灵敏系数矩阵辨识模型。为了验证该方法的准确性,采用正弦力校准装置对力传感器进行动态校准,辨识其动态灵敏系数。实验结果表明,该方法辨识的平均相对误差为7.05%,算术平均值的标准差为1.18,分别比传统方法降低了65.86%和88.00%,有效改善了被校准力传感器的动态测量性能。
声学计量
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  基于运动轨迹约束的静水压激励法水听器校准

  王毅昕,王珂,王敏,邢广振,杨平,郑慧峰

  计量学报. 2024, 45(11): 1709-1717. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.11.16

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  针对传统静水压激励法水听器校准系统中,由于连通软管欠约束导致连通软管内水体振动时惯性力对等效声压的影响不一致,从而引起由测量重复性引入的不确定度偏大,影响水听器灵敏度校准不确定度的问题,提出了基于运动轨迹约束的静水压激励法水听器校准方法。该方法设计了运动约束装置控制连通软管在振动时产生相同的运动轨迹,基于此建立数学模型确定了连通软管部分振动对等效声压的影响,推导出不受限于水听器开路电压测量数据的等效高度计算公式。搭建了基于运动轨迹约束的静水压激励法水听器校准装置,并与传统方法进行了比对。实验结果表明:相较于传统静水压激励法,该方法将水听器灵敏度校准的不确定度由0.34dB(k=2)减小到0.25dB(k=2),其中由测量重复性引入的不确定度从0.12dB减小到0.02dB。
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  高强度聚焦超声换能器焦点峰值声压联合定征方法

  吴德林,张亨达,朱怀球,吴键,高申平,王宏远,俞醒言,郑音飞,姚磊

  计量学报. 2024, 45(11): 1718-1723. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.11.17

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  采用实验测量与理论计算相结合的方式,提出一种高强度聚焦超声换能器焦点峰值声压联合定征方法。对于孔径60mm、焦距75mm的聚焦超声换能器,在水中测量并仿真模拟线性压力波形,修正得到聚焦超声换能器的有效孔径和焦距。在高强度激励下对调整后的换能器模型进行数值计算,用零相位滤波器不失真地得到各谐波的初始相位信息,发现二次谐波、三次谐波相对基波的相对相位量随激励强度基本不变。利用光纤水听器对高强度聚焦超声换能器的各次谐波声压幅值的测量,结合仿真分析得到相位关系,各次谐波叠加得到焦点峰值声压。聚焦超声换能器在峰峰值电压V_p-p为250V激励下,焦点正峰值声压为7.56MPa,负峰值声压为－4.98MPa。
无线电、时间频率计量
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  天线方向图精密测量方法定量化对比研究

  李华军,魏平,孟东林,王维龙

  计量学报. 2024, 45(11): 1724-1732. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.11.18

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  在微波遥感和深空探测等领域,人们期待能够获得精准的天线方向图以便通过反演可见度函数得到待观测目标的真实结果。因此,急需获得不同方向图测量方法的测量误差数值大小。从计量学角度,分别通过精密测量技术和仿真技术进行了定量化对比研究。标准增益喇叭天线的精密实测数据表明,在远场法、平面近场法和球面近场法中:1)球面近场法所得零深效果最好,远场法最差,平面近场法介于二者之间;2)平面近场法的有效角度范围位于±60°,超过该范围,截断误差急剧增大至无效;3)远场法在角度范围±80°以外出现明显波纹。另一项试验结果表明,球面近场法与紧缩场法的吻合效果更好,但前者所得曲线更光滑。对于线性阵列天线,通过仿真技术进行了量化对比分析。该定量化研究结果可供挑选天线测量系统种类和提升方向图测量水平。
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  THz波段便携冷噪声标准源研究

  栾鹏,刘晨,杜静,王一帮,霍晔,吴爱华

  计量学报. 2024, 45(11): 1733-1737. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.11.19

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  介绍了中国电科第十三研究所新研究的170～260GHz便携式冷噪声标准源的工作原理、结构特点、性能验证和不确定度评定。该装置采用浸于液氮制冷的矩形波导体内的匹配尖劈负载,将噪声功率通过波导传输线直接传输到室温输出波导端口的方案。通过尖劈负载的仿真设计及可靠安装实现噪声源的低反射输出,采用抽真空方案实现噪声源的便携化,基于精确控温实现噪声源的准确定标。通过分析和试验表明:该标准源的输出驻波比小于1.2,输出噪声温度小于140K,输出噪声温度不确定度小于7K(k=2)。
电离辐射、化学计量与生物计量
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  二异丙基萘基质³H和¹⁴C液闪标准源的稳定性与淬灭校正准确性研究

  肖扬,张辉,马彦,刘玫玲,刘皓然,梁珺成,张津肇,赵清,范梓浩,张晗,刘鹏,范富有,戴雄新

  计量学报. 2024, 45(11): 1738-1744. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.11.20

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  为了建立商用液闪液分析水溶液样品中3H、14C的淬灭校正方法,基于二异丙基萘(Diisopropylnaphthalene,DIN)液闪液制备了3H无淬灭液闪标准源、3H淬灭系列液闪标准源、14C无淬灭液闪标准源和14C淬灭系列液闪标准源。考察了室温、避光条件下标准源的稳定性,16个月后淬灭系列标准源的校正效率的变化小于0.5%,无淬灭3H、14C标准源的活度值和tSIE值在30个月的监测中斜率统计值均小于临界值,未观察到不稳定性。比较了DIN体系淬灭系列标准源与甲苯体系淬灭系列标准源对商用液闪液测量核素的校正准确性,结果表明DIN基质的淬灭系列标准源更适用于目前广泛使用的商用闪烁液(Ultima GoldTM AB、Ultima GoldTM LLT、Optiphase HiSafe 3)测试样品的淬灭校正。