CN103115894A - 一种稳定同位素丰度实时在线监测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种稳定同位素丰度实时在线监测装置和方法，利用波长扫描离轴积分腔光谱技术对目标元素同位素丰度进行精确测量，包括激光器、激光控制器、信号发生器、角度可调棱镜、波长计、离轴积分腔、温度压力控制器、压电陶瓷控制器、离轴抛物镜、光电探测器、锁相放大器、采集A/D及终端的信号处理系统。本发明基于离轴积分腔激光吸收光谱技术进行的，结合波长扫描、腔体调节、温度、压力及波长精确控制技术，能够实现稳定同位素丰度实时在线监测，同时进行痕量气体浓度和同位素丰度测量，而且无需制备样品，大大提高测量频率，该装置操作简单，无需标定，长时间基本无漂移，稳定性好，功率小，便于携带、安装和野外实验，同时动态量程大。

Description

一种稳定同位素丰度实时在线监测装置和方法

技术领域

本发明涉及稳定同位素丰度的光学分析装置领域，具体为一种稳定同位素丰度实时在线监测装置和方法。

背景技术

近年来稳定同位素分析在环境科学和环保领域的应用日益受到重视，尤其在大气、土壤、水质及生态环境研究中均发挥了重要作用。如应用稳定性同位素丰度变化，研究和指示环境污染源和污染程度；利用测定铅同位素比的方法，判定汽油生产厂家及其对大气的污染程度；使用同位素稀释方法测定各种水资源中有害的微量元素含量，用以监测水质质量；利用稳定同位素的示踪作用，可辨别温室气体的排放来源，分析人类活动如化石燃料燃烧、水泥生产、养殖畜牧以及农业生产对温室气体排放的贡献，不仅可以准确估算各排放源的排放总量，对工厂、城市实施“节能减排”工作也具有一定的指导意义；通过测定甲烷同位素有助于了解大气中甲烷源汇的物理和化学变化机制，用于稻田、湿地等甲烷排放机理和氧化率的定量研究。此外稳定同位素分析在地质学（如矿产和石油天然气资源勘探、水资源开发等）、核工业、考古学、生态环境科学研究、生物学和化学研究、水资源开发、农业生产科学、食品安全、临床医学等多个学科也已得到了广泛的应用。

目前，国际上稳定同位素分析仪主要利用的是质谱技术、傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术和激光光谱技术。三者相比，基于质谱的同位素比例质谱仪（IRMS）研究历史最长，其技术成熟度和分析精度最高，是目前进行稳定同位素分析的最主要工具。而基于FTIR技术的光谱仪虽然也可以在某些场合进行同位素分析，但是因其光谱分辨率受限需较高气体浓度且耗时长，需要液氮制冷，体积庞大、复杂，很少作为专门仪器用于同位素分析；激光光谱技术的同位素分析仪进入市场较晚，但是因其高选择性、高灵敏度、体积小响应快，近年来发展迅速，成为目前稳定同位素分析仪的主力军，但普通的光谱方法仍然存在灵敏度低，稳定性能差等缺点，难以对含量较低的检测对象进行检测，如通常所用的TDLAS技术和NDIR技术等。

基于激光吸收光谱技术同位素分析将气体分子在基频带的吸收光谱和长光程离轴积分腔技术相结合进行痕量气体检测和同位素分析，可广泛应用于CO、CO₂、CH₄、N₂O等痕量气体浓度测量以及¹³C/¹²C、¹⁸O/¹⁶O、D/H的丰度测量，和传统质谱分析仪相比，本装置可以同时进行痕量气体浓度和同位素丰度测量，而且无需制备样品，大大提高测量频率，实现在线测量。另外，该装置操作简单，无需标定，长时间基本无漂移，稳定性好，功率小，便于携带、安装和野外实验，同时动态量程大，线性度高，浓度体积比可以达到10^-12～10^-2量级之间，有利于自然丰度下大差异的同位素测量。

发明内容

本发明目的是提供一种稳定同位素丰度实时在线监测装置和方法，以解决现有的稳定同位素丰度监测装置和方法分析时间过长、灵敏度低、稳定性差等问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种稳定同位素丰度实时在线监测装置，包括激光器、离轴积分腔、波长计、光电探测器、信号发生器、锁相放大器、采集A/D以及信号处理系统，其中，

所述激光器为可调谐半导体激光器，用于输出激光到离轴积分腔和波长计；

所述离轴积分腔用于容纳气体，腔体侧面连接进出气口，同时使入射到腔内的激光光束来回多次反射，极大地增加测量气体的吸收光程长度，从而提高检测气体的灵敏度；

所述波长计用于监测激光器的输出波长，并反馈给信号处理系统；

所述光电探测器用于接收由所述离轴积分腔出射的激光，将包含目标元素气体吸收的光信号转换为电信号，同时为保证探测器的响应度和稳定性，探测器含有前置放大电路和制冷装置；

所述信号发生器用来产生低频扫描信号和高频调制信号，对所述激光器进行波长扫描和调制，使其产生同时测量含目标元素气体同位素的两条相邻吸收谱线，同时高频调制信号引入所述锁相放大器，进行信号的解调；

所述锁相放大器用于将调制后的吸收信号解调放大，得到反应气体吸收强度的二次谐波信号，利用相邻同位素二次谐波信号的比值，可以计算出目标元素的同位素丰度；

所述采集A/D用于接收所述光电探测器输出的电信号，经过模数转换后进入所述信号处理系统；

所述信号处理系统的主要功能包括以下几个方面：（1）通过激光控制器调节激光器温度和注入电流，控制激光器的输出波长和功率；（2）接收波长计的反馈信号，判断激光器扫描波长范围和气体吸收线中心波长位置，根据此改变激光器的注入电流和温度，锁定波长，使其输出波长位于气体吸收线上，并由此精确判断同位素分子吸收信号的波长位置，根据不同波长处同位素分子的吸收浓度，计算出该气体分子的同位素丰度；（3）控制信号发生器产生的信号幅度和频率，其中锯齿波是低频信号，一般为几十赫兹，用来扫描激光波长；正弦信号为高频信号，一般为几十千赫兹，其中一路加载在所述激光器上，用来调制信号，一路引入所述锁相放大器，用来解调由所述光电探测器接收的调制吸收信号；（4）将通过采集A/D接收到的二次谐波信号做适当的算法处理，计算同位素分子的浓度比值，比较相其与标准同位素气体浓度比值的偏差，得到目标元素的同位素丰度。

其中，该装置还包括角度可调棱镜、准直装置和准直透镜，

所述角度可调棱镜将由所述激光器产生的激光束分成两部分，一部分进入波长计，另一部分进入所述离轴积分腔，同时调节光束入射角度，使进入积分腔内的光束离轴入射，在积分腔镜面上形成圆或椭圆的反射光斑；

所述准直装置是位于所述激光器与所述角度可调棱镜之间的透镜组，该透镜组用于准直从所述激光器发出的激光光束；位于角度可调棱镜与所述离轴积分腔之间的准直透镜用来将光束耦合进积分腔。

其中，该装置还包括激光控制器，用于控制所述激光器的输出波长和功率。

其中，该装置还包括压电陶瓷控制器和温度压力控制器，

所述压电陶瓷控制器用于调节所述离轴积分腔的腔体长度，同时消除腔内镜面间可能产生的干涉效应；

所述温度压力控制器用于控制所述离轴积分腔内的温度和压力，因为气体吸收强度与温度和压力密切相关，所以精确控制腔内的温度和压力是实现气体高灵敏探测的关键技术之一，温度控制稳定精度为±0.01K，压力控制稳定精度为0.01%大气压以上。

其中，该装置还包括离轴抛物镜，用于收集所述离轴积分腔的出射光，经过其准直后的光束到达所述光电探测器。

本发明另外提供一种稳定同位素丰度实时在线监测装置的监测方法，该方法计算目标元素同位素含量的方法为：

同位素比率R为某一元素的重同位素丰度与轻同位素丰度之比，如C¹³/C¹²、O¹⁷/O¹⁶等，自然界中轻同位素的相对丰度较高，而重同位素的相对丰度都很低，如C¹²、C¹³的相对丰度分别为98.89%和1.11%，所以同位素比率R很小，不便于比较，一般用同位素丰度来表示同位素含量。同位素丰度表示为样品中两种含量同位素比率与国际标准中对应比率之间的比值，所以稳定同位素丰度表示为样品与标准之间偏差的千分数δ，同位素X的丰度计算为：

其中，

为样品同位素比率，

为标准同位素比率。在相同的温度压力条件下，若调制信号的幅度和频率一定，对同位素比率而言，以下公式除浓度C、C^X外皆为常量，根据Berr-Lambert定律

I(ω)=I₀(ω)exp(-α(ω))

其中，

波长调制光谱二次谐波信号的表示形式为：

$H_2(\stackrel{\‾}{\mathrm{\υ}},a)=\frac{-P\·S\·C\·L}{\mathrm{\π}}\underset{-\mathrm{\π}}{\overset{\mathrm{\π}}{\∫}}\mathrm{\τ}(\stackrel{\‾}{\mathrm{\υ}}+a\cos \mathrm{\θ})\cos \left(2\mathrm{\θ}\right)\mathrm{d\θ}$

所以同位素比率 $R=\frac{C^X}{C}=\frac{H_2^X(\stackrel{\‾}{\mathrm{\υ}},a)\×S}{H_2(\stackrel{\‾}{\mathrm{\υ}},a)\×S^X}$

C、C^X分别表示某一分子的重同位素含量和轻同位素含量。

所以同位素丰度的计算实质上转化为求取同位素分子吸收位置的二次谐波强度的比值。比值的计算可以忽略激光器功率波动带来的影响，但由于计算过程包含吸收线强S，这与温度和压力关系密切，所以要严格控制温度和压力的变化。

其中，该方法具体包括以下步骤：

使一束调制激光通过充满待测气体的所述离轴积分腔，产生待测气体的调制吸收光谱，经过锁相放大器解调出该信号的二次谐波；

通过所述角度可调棱镜的光束进入所述波长计，实时监测激光器输出波长，保证激光波长锁定于含目标元素气体吸收线位置；

所述温度压力控制器以及压电陶瓷控制器保证所述离轴积分腔处于合适的工作条件，为同位素丰度的精确测量提供保障。

对所述二次谐波信号进行模数转换并记录转换结果，计算同位素分子吸收信号的二次谐波信号的比值，进而由公式

计算同位素丰度。

本发明的原理在于：

本发明为一种测量大气痕量气体同位素的装置和方法，该装置利用波长扫描离轴积分腔光谱技术对目标元素同位素（含量）丰度进行精确测量。该装置包括激光器、激光控制器、信号发生器、角度可调棱镜、波长计、离轴积分腔、温度压力控制器、压电陶瓷控制器、离轴抛物镜、光电探测器、锁相放大器、采集A/D及终端的信号处理系统。其中所述激光器用于输出激光，所述激光控制器用于驱动激光器产生相应的功率和波长，所述信号发生器用来产生低频扫描信号和高频调制信号，对所述激光器进行波长扫描和调制，使其产生同时测量目标元素同位素的两条相邻吸收谱线，计算在两吸收线处气体吸收浓度，进而由同位素丰度确定同位素含量；所述角度可调棱镜用于将所述激光器出射激光以合适角度耦合进入离轴积分腔，同时将一部分光分离进入波长计，所述波长计用来监测激光器波长；所述离轴积分腔是一个光学谐振腔，用于容纳气体，并使入射到其中的激光来回多次反射，光程可达数千米以上，极大地增加气体的吸收光程；所述温度压力控制器用于控制离轴积分腔内的温度和压力，为高灵敏气体检测提供必要条件，所述压电陶瓷控制器用于调节离轴积分腔腔体长度，保证腔体内激光多次反射的光程长度，同时消除干涉条纹影响；所述离轴抛物镜用于将离轴积分腔的出射光耦合进入所述光电探测器，完成光电信号转换；转换后的电信号进入所述锁相放大器，完成信号的解调，将二次谐波信号输入所述采集A/D，完成模数转换后的信号进入所述信号处理系统，其主要功能包括控制激光控制器、信号发生器及压电陶瓷控制器，同时接收波长计的反馈波长，将采集到的二次谐波信号做信号处理和同位素丰度计算。本发明基于离轴积分腔激光吸收光谱技术进行的，结合波长扫描、腔体调节、温度、压力、及波长精确控制技术，能够实现稳定同位素丰度实时在线监测。

本发明有如下优点：

本装置和方法可以同时进行痕量气体浓度和同位素丰度测量，而且无需制备样品，大大提高测量频率，实现在线测量。另外，该装置操作简单，无需标定，长时间基本无漂移，稳定性好，功率小，便于携带、安装和野外实验，同时动态量程大，线性度高，浓度体积比可以达到10^-12～10^-2量级之间，有利于自然丰度下大差异的同位素测量。

附图说明

图1为本发明整体装置结构示意图。

图2为本发明光学离轴积分腔结构示意图。

图3为含C¹³元素的CO₂分子吸收光谱示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的整体装置结构示意图，包括激光器1，激光控制器2，准直装置3，角度可调棱镜4，准直透镜5，波长计6，离轴积分腔7，温度压力控制器8，压电陶瓷控制器9，离轴抛物镜10，光探测器11，锁相放大器12，信号发生器13，数据采集A/D14，信号处理系统15。其中：

激光器1为可调谐半导体激光器，用于输出激光，具有可调谐、窄线宽等特性。

激光控制器2用于控制激光器1的输出功率和波长，通过注入电流改变功率，同时小范围改变波长，通过精确温度控制锁定波长。

准直装置3由两透镜组成，分别用于扩束和准直激光器1的出射光束。

角度可调棱镜4将准直后的激光光束分为两部分，一部分进入波长计6，另一部分经过准直透镜5进入离轴积分腔7，同时可用来调节入射光束方向。

准直透镜5用于准直离轴积分腔7的入射光，保证入射光斑质量和大小。

波长计6用来监测记录激光波长，同时反馈给信号处理系统15，判断被测气体吸收线位置。

离轴积分腔7用于是激光通过被测气体，腔内光束经过多次来回反射极大地增强了吸收光程长度，出射端面的透射光束包含被测气体吸收信号，经过离轴抛物镜10到达光电探测器11。

温度压力控制器8用于控制所述离轴积分腔7内的温度和压力，因为气体吸收强度与温度和压力密切相关，所以精确控制腔内的温度和压力是实现气体高灵敏探测的关键技术之一。

压电陶瓷控制器9用于调节所述离轴积分腔7的腔体长度，同时消除腔内镜面间可能产生的干涉效应。

锁相放大器12具有多通道功能，通过解调放大，可以同时输出二次谐波信号和一次谐波信号，二次谐波信号用于计算反演稳定同位素丰度，一次谐波可以监测离轴积分腔7的出射光强，判断激光器1的出射功率和离轴积分腔的光路稳定性。

信号发生器13用来产生低频扫描信号和高频调制信号，对所述激光器1进行波长扫描和调制，使其产生同时测量目标元素同位素的两条相邻吸收谱线，同时高频调制信号引入所述锁相放大器12，进行信号的解调。

采集A/D14用于接收所述光电探测器11输出的电信号，分辨率为14bits，经过模数转换后进入所述信号处理系统15。

信号处理系统15用于以下几个方面的操作：（1）通过激光控制器2调节激光器1温度和注入电流，控制激光器1的输出波长和功率；（2）接收波长计6的反馈信号，判断激光器1扫描波长范围和气体吸收线中心波长位置，根据此改变激光器1的注入电流和温度，锁定波长，使其输出波长位于气体吸收线上，并由此精确判断同位素分子吸收信号的波长位置，根据不同波长处同位素分子的吸收强度，计算出该气体分子的同位素丰度；（3）控制信号发生器13产生的信号幅度和频率，其中锯齿波是低频信号，一般为几十赫兹，用来扫描激光波长；正弦信号为高频信号，一般为几十千赫兹，其中一路加载在所述激光器1上，用来调制信号，一路引入所述锁相放大器12，用来解调由所述光电探测器11接收的调制吸收信号；（4）将通过采集A/D14接收到的二次谐波信号做适当的算法处理，计算同位素分子的浓度比值，比较相其与标准同位素气体浓度比值的偏差，得到目标元素的同位素丰度。

所述激光器1产生波长位于气体吸收的基频带，调谐范围为1nm，线宽可以达到10^-5-10^-8cm^-1数量级，用这样的窄线宽光源就可获得分子的一些谱线中的精细结构，提高测量分辨率，避免其他干扰气体的影响。

所述激光控制器2包括对所述激光器1的电流控制和温度控制，通过注入电流驱动激光器1，其输出波长和光功率随注入电流的大小而改变，变化迅速且呈近似线性关系，可以快速的控制到预定波长位置；通过温度控制能够大幅度改变波长，高精度温控能够控制波长漂移。

所述角度可调棱镜4可以精细调节达到镜面上的光束角度，调节精度为1度，转动螺纹副，能够将入射光以精确角度入射到离轴积分腔7内，保证腔内光束传输次数和出射光斑质量。

所述离轴积分腔7由膜层反射率>99.99%的镜片组成，镜面间距须满足稳定谐振腔条件，腔体基长在保证光程长度最大的同时保证传输光斑大小大质量，极大地增加测量气体的吸收光程长度，提高检测气体的灵敏度；腔体侧面连接进出气口，用于容纳气体。

所述波长计6的分辨率为0.00075nm，能够准确分辨气体分子吸收精细谱线，用于监测激光器1的输出波长，并反馈给信号处理系统15，确定被测气体吸收谱线位置；

所述温度压力控制器8的控制精度分别稳定在±0.01K和0.01%大气压以上，用于控制所述离轴积分腔7内的温度和压力，因为气体吸收强度与温度和压力密切相关，所以精确控制腔内的温度和压力是实现气体高灵敏探测的关键技术之一。

所述压电陶瓷控制器9用于调节所述离轴积分腔7的腔体长度，同时消除腔内镜面间可能产生的干涉效应；

所述离轴抛物镜10为反射式，不产生色差且具有较大的有效孔径。根据其准直特性，由离轴量、有效孔径、焦面出射点位置确定其距所述离轴积分腔7出射光端口及所述光电探测器11的位置。

所述光电探测器11具有良好探测灵敏度和响应幅值，用于完成光电信号转换。

所述信号发生器13用来产生低频扫描信号和高频调制信号，对所述激光器进行波长扫描和调制，使其产生同时测量目标元素同位素的两条相邻吸收谱线，同时高频调制信号引入所述锁相放大器12，进行信号的解调。

所述锁相放大器12具有多通道功能，通过解调放大，可以同时输出二次谐波信号和一次谐波信号，二次谐波信号用于计算反演稳定同位素丰度，一次谐波可以监测离轴积分腔7的出射光强，判断激光器1功率和离轴积分腔7的光路稳定性。

所述采集A/D14分辨率为14bits，用于接收所述光电探测器11输出的电信号，经过模数转换后进入所述信号处理系统15。

所述信号处理系统15的主要功能包括以下几个方面：（1）通过激光控制器2调节激光器1温度和注入电流，控制激光器1的输出波长和功率；（2）接收波长计6的反馈信号，判断激光器1扫描波长范围和气体吸收线中心波长位置，根据此改变激光器1的注入电流和温度，锁定波长，使其输出波长位于气体吸收线上，并由此精确判断同位素分子吸收信号的波长位置，根据不同波长处同位素分子的吸收强度，计算出该气体分子的同位素丰度；（3）控制信号发生器13产生的信号幅度和频率，其中锯齿波是低频信号，一般为几十赫兹，用来扫描激光波长；正弦信号为高频信号，一般为几十千赫兹，其中一路加载在所述激光器1上，用来调制信号，一路引入所述锁相放大器12，用来解调由所述光电探测器11接收的调制吸收信号；（4）将通过采集A/D14接收到的二次谐波信号做适当的算法处理，计算同位素分子的浓度比值，比较相其与标准同位素气体浓度比值的偏差，得到目标元素的同位素丰度。

本发明对稳定同位素丰度实时在线监测原理建立在基于离轴积分腔的激光吸收光谱原理上，计算目标元素同位素含量的方法为：

同位素比率R为某一元素的重同位素丰度与轻同位素丰度之比，如C¹³/C¹²、O¹⁷/O¹⁶等，自然界中轻同位素的相对丰度较高，而重同位素的相对丰度都很低，如C¹²、C¹³的相对丰度分别为98.89%和1.11%，所以同位素比率R很小，不便于比较，一般用同位素丰度来表示同位素含量。同位素丰度表示为样品中两种含量同位素比率与国际标准中对应比率之间的比值，所以稳定同位素丰度表示为样品与标准之间偏差的千分数δ，同位素X的丰度计算为：

其中

为样品同位素比率，

为标准同位素比率。在相同的温度压力条件下，若调制信号的幅度和频率一定，对同位素比率而言，以下公式除浓度C、C^X外皆为常量，根据Berr-Lambert定律

I(ω)=I₀(ω)exp(-α(ω))

其中，

波长调制光谱二次谐波信号的表示形式为：

$H_2(\stackrel{\‾}{\mathrm{\υ}},a)=\frac{-P\·S\·C\·L}{\mathrm{\π}}\underset{-\mathrm{\π}}{\overset{\mathrm{\π}}{\∫}}\mathrm{\τ}(\stackrel{\‾}{\mathrm{\υ}}+a\cos \mathrm{\θ})\cos \left(2\mathrm{\θ}\right)\mathrm{d\θ}$

所以同位素比率 $R=\frac{C^X}{C}=\frac{H_2^X(\stackrel{\‾}{\mathrm{\υ}},a)\×S}{H_2(\stackrel{\‾}{\mathrm{\υ}},a)\×S^X}$

C、C^X分别表示某一分子的重同位素含量和轻同位素含量。

所以同位素丰度的计算实质上转化为求取同位素分子吸收位置的二次谐波强度的比值。比值的计算可以忽略激光器功率波动带来的影响，但由于计算过程包含吸收线强S，这与温度和压力关系密切，所以要严格控制温度和压力的变化，由HITRAN数据库得到确定温度和压力条件下的同位素分子的吸收线强S。

本发明工作过程为：由所述激光器1产生的激光束，经过调制后的激光通过充满待测气体的所述离轴积分腔7，产生待测气体的调制吸收光谱，经过锁相放大器12解调出该信号的二次谐波；通过所述角度可调棱镜4的光束进入所述波长计6，实时监测激光器1输出波长，保证激光波长锁定于含目标元素吸收线位置；所述温度压力控制器8以及压电陶瓷控制器9保证所述离轴积分腔7处于合适的工作条件，为同位素丰度的精确测量提供保障；所述采集A/D14对所述二次谐波信号进行模数转换并记录转换结果，信号处理系统15计算同位素分子吸收信号的二次谐波信号的比值，进而由公式

计算同位素丰度。

图2为本发明中所用离轴积分腔7结构示意图，其中腔体基长为L，镜片21和镜片22皆为平凹球面镜，曲率半径皆为R，与腔体长度L的关系满足稳定光学谐振腔条件，即0<(1-L/R)²<1；镜片21和镜片22双面高度抛光，反射面镀有反射率>99.99%的介质膜，膜层反射波长带宽与待测气体的吸收波长一致。

图3为本发明所用的气体吸收谱线光谱，以CO₂分子测量稳定碳同位素为例，测量同位素的谱线选择原则是：避免其他气体分子吸收谱线的干扰；同位素吸收谱线相邻，以便波长扫描；同位素丰度与吸收线强的乘积接近，因重同位素丰度很小，其吸收线强要大于轻同位素分子的吸收线强，如C¹³O₂吸收线强最好是C¹²O₂的100倍。

本发明实施的具体过程为：首先确定待测气体同位素的吸收谱线，由激光器1产生的激光束，经信号发生器13调制后的激光通过充满待测气体的所述离轴积分腔7，产生待测气体的调制吸收光谱，经过锁相放大器12解调出该信号的二次谐波；通过角度可调棱镜4的光束进入波长计6，实时监测激光器1输出波长，保证激光波长锁定于含目标元素气体吸收线位置；所述温度压力控制器8以及压电陶瓷控制器9保证所述离轴积分腔7处于合适的工作条件，为同位素丰度的精确测量提供保障；所述采集A/D14对所述二次谐波信号进行模数转换并记录转换结果，信号处理系统15计算同位素分子吸收信号的二次谐波信号的比值，进而由公式

计算同位素丰度。

Claims (7)

1.一种稳定同位素丰度实时在线监测装置，其特征在于：包括激光器、离轴积分腔、波长计、光电探测器、信号发生器、锁相放大器、采集A/D以及信号处理系统，其中，

所述激光器为可调谐半导体激光器，用于输出激光到离轴积分腔和波长计；

所述离轴积分腔用于容纳气体，腔体侧面连接进出气口，同时使入射到腔内的激光光束来回多次反射，极大地增加测量气体的吸收光程长度，从而提高检测气体的灵敏度；

所述波长计用于监测激光器的输出波长，并反馈给信号处理系统；

所述光电探测器用于接收由所述离轴积分腔出射的激光，将包含目标元素气体吸收的光信号转换为电信号，同时为保证探测器的响应度和稳定性，探测器含有前置放大电路和制冷装置；

所述信号发生器用来产生低频扫描信号和高频调制信号，对所述激光器进行波长扫描和调制，使其产生同时测量含目标元素气体同位素的两条相邻吸收谱线，同时高频调制信号引入所述锁相放大器，进行信号的解调；

所述锁相放大器用于将调制后的吸收信号解调放大，得到反应气体吸收强度的二次谐波信号，利用相邻同位素二次谐波信号的比值，可以计算出目标元素的同位素丰度；

所述采集A/D用于接收所述光电探测器输出的电信号，经过模数转换后进入所述信号处理系统；

所述信号处理系统的主要功能包括以下几个方面：（1）通过激光控制器调节激光器温度和注入电流，控制激光器的输出波长和功率；（2）接收波长计的反馈信号，判断激光器扫描波长范围和气体吸收线中心波长位置，根据此改变激光器的注入电流和温度，锁定波长，使其输出波长位于气体吸收线上，并由此精确判断同位素分子吸收信号的波长位置，根据不同波长处同位素分子的吸收浓度，计算出该气体分子的同位素丰度；（3）控制信号发生器产生的信号幅度和频率，其中锯齿波是低频信号，一般为几十赫兹，用来扫描激光波长；正弦信号为高频信号，一般为几十千赫兹，其中一路加载在所述激光器上，用来调制信号，一路引入所述锁相放大器，用来解调由所述光电探测器接收的调制吸收信号；（4）将通过采集A/D接收到的二次谐波信号做适当的算法处理，计算同位素分子的浓度比值，比较相其与标准同位素气体浓度比值的偏差，得到目标元素的同位素丰度。

2.如权利要求1所述的稳定同位素丰度实时在线监测装置，其特征在于，该装置还包括角度可调棱镜、准直装置和准直透镜，

所述角度可调棱镜将由所述激光器产生的激光束分成两部分，一部分进入波长计，另一部分进入所述离轴积分腔，同时调节光束入射角度，使进入积分腔内的光束离轴入射，在积分腔镜面上形成圆或椭圆的反射光斑；

所述准直装置是位于所述激光器与所述角度可调棱镜之间的透镜组，该透镜组用于准直从所述激光器发出的激光光束；位于角度可调棱镜与所述离轴积分腔之间的准直透镜用来将光束耦合进积分腔。

3.如权利要求1所述的稳定同位素丰度实时在线监测装置，其特征在于，该装置还包括激光控制器，用于控制所述激光器的输出波长和功率。

4.如权利要求1所述的稳定同位素丰度实时在线监测装置，其特征在于，该装置还包括压电陶瓷控制器和温度压力控制器，

所述压电陶瓷控制器用于调节所述离轴积分腔的腔体长度，同时消除腔内镜面间可能产生的干涉效应；

所述温度压力控制器用于控制所述离轴积分腔内的温度和压力，因为气体吸收强度与温度和压力密切相关，所以精确控制腔内的温度和压力是实现气体高灵敏探测的关键技术之一，温度控制稳定精度为±0.01K，压力控制稳定精度为0.01%大气压以上。

5.如权利要求1所述的稳定同位素丰度实时在线监测装置，其特征在于，该装置还包括离轴抛物镜，用于收集所述离轴积分腔的出射光，经过其准直后的光束到达所述光电探测器。

6.如权利要求1-5所述的稳定同位素丰度实时在线监测装置的监测方法，其特征在于，该方法计算目标元素同位素含量的方法为：

同位素比率R为某一元素的重同位素丰度与轻同位素丰度之比，同位素丰度表示为样品中两种含量同位素比率与国际标准中对应比率之间的比值，所以稳定同位素丰度表示为样品与标准之间偏差的千分数δ，同位素X的丰度计算为：

其中

为样品同位素比率，

为标准同位素比率，在相同的温度压力条件下，若调制信号的幅度和频率一定，对同位素比率而言，以下公式除浓度C、C^X外皆为常量，根据Berr-Lambert定律：

I(ω)=I₀(ω)exp(-α(ω))

其中，

波长调制光谱二次谐波信号的表示形式为：

$H_2(\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&upsi;}},a)=\frac{-P\&CenterDot;S\&CenterDot;C\&CenterDot;L}{\mathrm{\&pi;}}\underset{-\mathrm{\&pi;}}{\overset{\mathrm{\&pi;}}{\&Integral;}}\mathrm{\&tau;}(\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&upsi;}}+a\cos \mathrm{\&theta;})\cos \left(2\mathrm{\&theta;}\right)\mathrm{d\&theta;}$

所以同位素比率， $R=\frac{C^X}{C}=\frac{H_2^X(\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&upsi;}},a)\&times;S}{H_2(\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&upsi;}},a)\&times;S^X}$

其中，C、C^X分别表示某一分子的重同位素含量和轻同位素含量；

所以同位素丰度的计算实质上转化为求取同位素分子吸收位置的二次谐波强度的比值；比值的计算忽略激光器功率波动带来的影响，但由于计算过程包含吸收线强S，这与温度和压力关系密切，所以要严格控制温度和压力的变化。

7.如权利要求6所述的监测方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

使一束调制激光通过充满待测气体的所述离轴积分腔，产生待测气体的调制吸收光谱，经过锁相放大器解调出该信号的二次谐波；

通过所述角度可调棱镜的光束进入所述波长计，实时监测激光器输出波长，保证激光波长锁定于含目标元素气体吸收线位置；

所述温度压力控制器以及压电陶瓷控制器保证所述离轴积分腔处于合适的工作条件，为同位素丰度的精确测量提供保障；

对所述二次谐波信号进行模数转换并记录转换结果，计算同位素分子吸收信号的二次谐波信号的比值，进而由公式

计算同位素丰度。

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