CN102053063B - 折叠式倍光程多通气体池 - Google Patents

Abstract

折叠式倍光程多通气体池是配合红外光谱仪进行气体定量分析的重要部件。其特征在于在气体池出射光束处使用了角反射镜，将原本出射的红外光束作适当平移后反射回气体池，在池内多次反射，最终经入射光束处的平面镜出射，可将常规气体池原有的吸收光程放大两倍。这种折叠式倍光程结构便于实现小容积大光程气体池，且能对已有气体池进行倍光程的升级。本发明的一种气体池包括：密封壳体(12)；设在密封壳体(12)的第一端处的T型球面反射镜(7)；设在密封壳体(12)的第二端处的第一和第二D型球面反射镜(9，20)，这些反射镜(7，9，20)共同完成光线的多次反射；设在T型球面反射镜(7)后方一侧的平面镜(23)和设在T型球面反射镜(7)后方另一侧的角反射镜(3)。

Description

折叠式倍光程多通气体池

技术领域

本发明属于红外光谱定量分析技术领域，涉及一种折叠式倍光程多通气体池。

技术背景

气体池是一种广泛应用于分析化学，气体光谱定量分析领域的重要部件，使用有效光程足够大的气体池，可将气体定量分析的检出限由ppm提升到ppb级，这对气体定量分析的重要作用显而易见。气体池也因此成为配合红外光谱仪进行气体定量分析的必要组件。但是常规的气体池为怀特池结构，如图6示，不含角反射镜，出射光束经过出射平面镜后不再返回气体池，如需加大有效吸收光程，则要求安装在气体池内的球面反射镜曲率半径增加，这使得起密封作用的气体池外壳的长度或直径增大，从而增大了气体池的容积。在相同的有效吸收光程下，容积较大的气体池，外形尺寸较大，不利于与光谱仪作便携式集成，不便于气体的快速填充与排放，进入气体池内的气体分布均匀化的时间较长，这增加了光谱定量分析的时间。此外，大容积的气体池一定程度上造成了标气的浪费。

折叠式倍光程多通气体池，在光学结构上，使用了角反射镜取代常规气体池的出射平面镜，使原本出射的光束经角反射镜反射后，如图7示，折回气体池，并从入射平面镜处与入射光线呈一定角度出射。这种折叠式光学结构，可在保持气体池小容积的前提下，提高气体池的有效吸收光程，从而提高气体定量分析的检出限，且便于现场气体的快速检测分析，尤其适合与红外光谱仪的便携式集成，预计在便携式快速气体分析仪器中有广泛的应用前景。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种气体池，其特征在于包括：

一个密封壳体；

设置在所述密封壳体的一个第一端处的一个T型球面反射镜；

设置在所述密封壳体的一个第二端处的一个第一D型球面反射镜和一个第二D型球面反射镜，所述T型球面反射镜和第一和第二D型球面反射镜用于共同完成光线的多次折返反射；

设置在所述T型球面反射镜的后方的一侧的一个平面镜；

设置在所述T型球面反射镜的后方的另一侧的一个角反射镜。

附图说明

图1A-1D显示了根据本发明的一个实施例的折叠式倍光程多通气体池结构图。

图2显示了图1A-1D所示实施例的折叠式倍光程多通气体池的校准方式。

图3显示了图1A-1D所示实施例在无角反射镜时的T型球面反射镜光斑点分布。

图4显示了图1A-1D所示实施例在有角反射镜时的T型球面反射镜光斑点分布。

图5用于说明图1A-1D所示实施例的折叠式倍光程多通气体池的测量方式。

图6显示了常规的气体池光学结构。

图7描述了角反射镜对入射光线的折叠功能。

具体实施方式

本发明提出了一种新的折叠式倍光程多通气体池，其在保证气体池小容积的前提下，提高其有效吸收光程，同时便于与光谱仪的便携式集成和对现场气体的快速分析。

图1A-1D显示了根据本发明的一个实施例的折叠式倍光程多通气体池，其包括角反射部和多通气体池，其中：

角反射部包括万向球连接柱(2)和角反射镜(3)，如图1C示，其中：

万向球连接柱(2)一端固定于气体池基座(1)上，另一端带有万向球，角反射镜(3)固定在万向球上。

角反射镜(3)通过万向球安置于万向球连接柱(2)上，通过拨动角反射镜(3)，即可调整出射光束的回射方向。

如图1A至1D所示，根据本发明的一个实施例的多通气体池包括基座(1)、ZnSe出射窗片(4)、密封底盖(5)、第一聚四氟乙烯O型密封圈(6)、T型球面反射镜(7)、支撑骨架(8)、D型球面反射镜(9)、载盘(10)、固定螺钉(11)、硼硅酸盐玻璃壳(12)、第二聚四氟乙烯O型密封圈(13)、密封顶盖(14)、带螺纹进气管(15)、带螺纹排气管(16)、进气螺孔(17)、固定螺钉(18)、排气螺孔(19)、D型球面反射镜(20)、ZnSe入射窗片(21)、连接杆(22)、入射平面镜(23)，其中：

基座(1)用于支撑整个气体池的重量，其上表面装有ZnSe出射窗片(4)，支撑骨架(8)，密封底盖(5)、ZnSe入射窗片(21)，其底面通过螺丝固定万向连接柱(2)，其靠T型球面反射镜(7)长边一侧装有连接杆(22)。如图1A示。

ZnSe出射窗片(4)安装于基座(1)上表面，保证红外光束的透射，同时密封气体池。如图1A示。

密封底盖(5)安装于基座(1)上表面，内含有第一聚四氟乙烯O型密封圈(6)，用于保证硼硅酸盐玻璃壳(12)与基座(1)上表面的密封。如图1A示。

第一聚四氟乙烯O型密封圈(6)含在密封底盖(5)内，保证硼硅酸盐玻璃壳(12)与基座(1)上表面间的密封。如图1A示。

T型球面反射镜(7)表面镀有金膜，安装在支撑骨架(8)上，并与D型球面反射镜(9)和D型球面反射镜(20)具相同曲率半径。这三面反射镜(7，9，20)共同完成光线在池内的多次反射。如图1A和图1D示。

支撑骨架(8)安装于基座(1)上表面，其上固定有T型球面反射镜(7)和载盘(10)。如图1A示。

D型球面反射镜(9)表面镀有金膜，通过固定螺钉(11)系在载盘(10)上。如图1A和图1B示。

载盘(10)安装在支撑骨架(8)上方，其上有固定螺钉(11)、进气螺孔(17)、固定螺钉(18)、排气螺孔(19)。如图1A和图1B示。

固定螺钉(11)用于固定D型球面反射镜(9)在载盘(10)上。

硼硅酸盐玻璃壳(12)套在支撑骨架(8)上，用于与密封底盖(5)、第一聚四氟乙烯O型密封圈(6)、第二聚四氟乙烯O型密封圈(13)、密封顶盖(14)一起保证气体池的密封性。如图1A示。

第二聚四氟乙烯O型密封圈(13)保证硼硅酸盐玻璃壳(12)与密封顶盖(14)之间的气密性。如图1A示。

带螺纹进气管(15)安装在密封顶盖(14)上，可以与进气螺孔(17)对接，旋紧，保证压紧硼硅酸盐玻璃壳(12)与密封顶盖(14)之间的聚四氟乙烯O型密封圈(13)，同时保证气体通过带螺纹进气管(15)进入池内。如图1A和图1B示。

带螺纹排气管(16)功能与带螺纹进气管(15)类同，只是负责排出气体。

进气螺孔(17)位于载盘(10)上，与带螺纹进气管(15)对接。

固定螺钉(18)用于固定D型球面反射镜(20)在载盘(10)上。

排气螺孔(19)位于载盘(10)上，与带螺纹排气管(16)对接。

D型球面反射镜(20)表面镀有金膜，通过固定螺钉(11)系在载盘(10)上。如图1A和图1B示。

ZnSe入射窗片(21)安装于基座(1)上表面，保证红外光束的透射，同时密封气体池。

连接杆(22)连有平面反射镜(23)，并安装在基座(1)侧面上。

入射平面镜(23)固定于连接杆(22)上，并可以绕连接杆(22)旋转，保证光束的正确反射。如图1A示。

如图1A-1D所示的本发明的折叠式倍光程多通气体池的工作方式包括校准方式和测量方式。

校准方式：正式使用气体池测量之前，先要对其光程进行校准。校准时可将带螺纹进气管(15)和带螺纹排气管(16)旋出，取下第二聚四氟乙烯O型密封圈(13)和密封顶盖(14)，露出固定螺钉(11)和固定螺钉(18)，如图2示，同时先将角反射镜(3)用黑色纸片遮盖。然后将He-Ne激光器(24)和观察纸屏(25)放于入射平面镜(23)一测，并开启He-Ne激光器(24)，调整固定螺钉(11)，使得T型球面反射镜(7)上出现两排间隔均匀的平行光斑，一排位于T型球面反射镜(7)长边，另一排位于T型球面反射镜(7)短边，如图3示。记T型球面反射镜(7)短边一侧的光斑点数为N，则长边一测的光斑点数为N+1，则光线在气体池内的总的反射次数为4(N+1)。由于T型球面反射镜(7)与D型球面反射镜(9)和D型球面反射镜(20)具有相同曲率半径R，则光线在气体池内经过的全部光程为4(N+1)R。在调整好光斑点数N后，将黑色纸片从角反射镜(3)上移去，并轻微的调整角反射镜(3)的方位角，同时注意观察纸屏(25)，当观察纸屏上出现激光光斑时，可同时看到T型球面反射镜(7)上出现图4所示的四排光点，新增加的两排光点(以空心圆表示)可能位于原始两排光点(以实心圆表示)的内侧或外侧附近，具体分布位置与角反射镜(3)的调节方向有关，此时即实现了倍光程功能。实际情况可能是，光排整体与T型球面反射镜(7)的长边不严格平行，这可以通过微调固定螺钉(11)和固定螺钉(18)来修正。轻微的调整角反射镜(3)的方位角还可以调节出射光束与入射光束之间的夹角，便于后续光路的接收。

测量方式：在经过校正方式后，气体池的有效吸收光程成为8(N+1)R，被测气体经带螺纹进气管(15)进入池内，经带螺纹排气管(16)排出气体池；实际测量时，考虑大部分的红外光谱仪出射的干涉光束为会聚型，此时可通过光纤耦合的方式，将干涉光束导入和导出气体池。如图5示。

应当理解的是，在以上叙述和说明中对本发明所进行的描述只是说明而非限定性的，且在不脱离如所附权利要求书所限定的本发明的前提下，可以对上述实施例进行各种改变、变形、和/或修正。

Claims (9)

1.一种气体池，其特征在于包括：

一个密封壳体(12)；

设置在所述密封壳体(12)的一个第一端处的一个T型球面反射镜(7)；

设置在所述密封壳体(12)的一个第二端处的一个第一D型球面反射镜(9)和一个第二D型球面反射镜(20)，所述T型球面反射镜(7)和第一和第二D型球面反射镜(9，20)用于共同完成光线的多次折返反射；

设置在所述T型球面反射镜(7)的后方的一侧的一个平面镜(23)；

设置在所述T型球面反射镜(7)的后方的另一侧的一个角反射镜(3)。

2.如权利要求1所述的气体池，其特征在于所述角反射镜(3)通过一个万向球安置于一个万向球连接柱(2)上，从而可以通过拨动角反射镜(3)来调整光线的回射方向。

3.如权利要求1所述的气体池，其特征在于所述平面镜(23)被固定于一个连接杆(22)上并可以绕所述连接杆(22)旋转，从而可以通过调节连接杆(22)来保证光束的正确反射。

4.如权利要求1所述的气体池，其特征在于所述第一D型球面反射镜(9)通过一个第一固定螺钉(11)系在一个载盘(10)上，且所述载盘(10)安装在一个支撑骨架(8)上，所述支撑骨架(8)安装于基座(1)的上表面上。

5.如权利要求4所述的气体池，其特征在于进一步包括一个密封底盖(5)和一个密封顶盖(14)，所述载盘(10)上安装有：

所述第一固定螺钉(11)，用于固定和/或调节所述第一D型球面反射镜(9)；

一个进气螺孔(17)，用于向所述密封壳体(12)、所述密封底盖(5)和所述密封顶盖(14)所限定的密封空间里注入待测气体；

一个第二固定螺钉(18)，用于固定和/或调节所述第二D型球面反射镜(20)；

一个排气螺孔(19)，用于从所述密封壳体(12)、所述密封底盖(5)和所述密封顶盖(14)所限定的密封空间里排出待测气体。

6.如权利要求1-5中任何一项所述的气体池，其特征在于所述T型球面反射镜(7)、所述第一D型球面反射镜(9)和所述第二D型球面反射镜(20)具有相同的曲率半径。

7.根据权利要求1所述的气体池，其特征在于：角反射镜(3)固定在万向球上，万向球被安置于万向球连接柱(2)上，通过拨动角反射镜(3)，可调整出射光束的回射方向，从而调整入射平面镜(23)上的出射光束与入射光束间的相对位置和相对角度。

8.根据权利要求1或2所述的气体池，其特征在于：角反射镜(3)与T型球面反射镜(7)、第一D型球面反射镜(9)、第二D型球面反射镜(20)、入射平面镜(23)一起实现了光束在气体池内的倍光程折叠和多通功能。

9.根据权利要求1所述的气体池，其特征在于：入射平面镜(23)处的入射光束与出射光束由光纤导入和导出。

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