CN105675531A - 一种气体太赫兹吸收光谱的检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气体太赫兹吸收光谱的检测装置，包括连续可调太赫兹发生器、斩波器、离轴抛物面镜、气体腔和GolayCell检测器；太赫兹发生器产生的太赫兹波束经过斩波器调制，被调制信号经离轴抛物面镜汇聚反射，汇聚波束穿过气体腔，再经另外一个离轴抛物面镜汇聚到太赫兹检测上。本发明频率分辨率高，成本低，系统简单，易携带，大大的简化现有系统的复杂度，更易于推广。节约成本，太赫兹损耗低，可简单方便的检测气体的太赫兹吸收光谱，有着广阔的应用前景和研究价值。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹发生器与应用技术领域，具体涉及一种气体太赫兹吸收光谱的检测装置。
背景技术
太赫兹（terahertz，通常简称THz）波，通常是指频率在0.1THz至30THz之间的电磁波（M.Tonouchi,NaturePhotonics,1(2007)97）。相比于其他频段的电磁波，太赫兹波具有光子能量低、时空相干性高等特点，使其在无线电天文、生物、遥感、通信等领域有着很广泛的应用前景。
早期由于缺乏有效的太赫兹辐射的产生和检测手段，使得这一波段的电磁波未能得到充分的研究和应用。近些年来，对于太赫兹波段的研究越来越深入，也形成了多种激发太赫兹波的方法。其中BSCCO-THz（Bi2Sr2CaCu2O8）源是一种基于约瑟夫森效应的高温超导固态太赫兹源，根据交流约瑟夫森效应，1mV的直流电压可以产生频率高达484GHz的振荡，通过调节结两端的直流电压就可以连续调节超流振荡的频率，它具有易用、连续波、可调谐、单色性好、功率高等优点。（Wangetal.,Phys.Rev.Lett.105,057002(2010)）。
在气体的光谱研究方面，通常有微波光谱、远红外激光器、非线性混频技术、远红外光栅光谱和傅里叶变换红外光谱等技术。任何一种气体都有其固定的转动频率，气体的转动吸收光谱的研究是区分气体成分和含量的一种有效的方法。而很多气体的转动吸收频率集中在太赫兹频段，包括一些极性气体分子比如硫化氢（H2S）、甲醛（H2CO）、氨气（NH3）等一些有害气体。对于这些在太赫兹波段具有明显特征吸收光谱的气体，搭建一套行之有效的测试系统是检测气体的关键。但传统的太赫兹气体检测装置系统比较复杂，不仅需要昂贵的太赫兹激光器，还需要复杂的光路，不利于促进太赫兹技术在气体分子检测中的应用和推广。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种气体太赫兹吸收光谱的检测装置，克服传统太赫兹气体检测系统复杂、成本高、分辨率不高等缺点，简便实用。
技术方案：为了实现上述发明，本发明的技术方案为：
一种气体太赫兹吸收光谱的检测装置，包括连续可调太赫兹发生器、斩波器、离轴抛物面镜、气体腔和GolayCell检测器；在所述的气体腔两侧各设有一个离轴抛物面镜，在其中的一个离轴抛物面镜的侧边设GolayCell检测器，在另一个离轴抛物面镜的侧边设连续可调太赫兹发生器，在离轴抛物面镜与连续可调太赫兹发生器之间设斩波器；太赫兹发生器产生的太赫兹波束经过斩波器调制，被调制信号经离轴抛物面镜汇聚反射，汇聚波束穿过气体腔，再经另外一个离轴抛物面镜汇聚到太赫兹检测上。
在所述的气体腔上设有气体腔进气口和气体腔出气口。
所述的连续可调太赫兹发生器，由高温超导BSCCO太赫兹辐射源和用于提供低温环境的Stirling制冷机构成。
所述的气体腔，用于保存定量气体，气体腔窗口选用特氟龙材料，接口部分用O圈密封。
连续可调太赫兹发生器，太赫兹辐射源有功率大、频率连续可调、单一性好等优点，非常适合用于太赫兹气体检测。该BSCCO太赫兹辐射源放置在Stirling制冷机里，太赫兹辐射波通过Stirling窗口辐射出来，经过一个抛物面镜汇聚，再通过气体腔室，经过另一个抛物面镜汇聚到GolayCell检测器上，这样通过对比高温超导BSCCO太赫兹辐射源在通入气体前后的辐射谱线，可以清楚的看到气体的太赫兹吸收光谱。
有益效果：与现有技术相比，本发明的主要的优点有：1）利用高温超导BSCCO太赫兹辐射源，相比TDS系统，频率分辨率高，成本低，系统简单。2）利用斯特灵制冷机给高温超导BSCCO太赫兹辐射源提供低温环境，具有小型化的特性，易携带，方便系统的搭建。3）只需要两个小型的抛物面镜，抛开了传统的复杂的光路，大大的简化了系统的复杂度，更易于推广。4）利用Golaycell太赫兹常温检测器，可以很好的满足检测要求，相比低温检测系统，节约成本。5）气体腔室，采用特氟龙材质窗口，密封性好，太赫兹损耗低。6）实验证明成功检测到了NH3的太赫兹吸收光谱，本发明确实可以简单方便的而检测气体的太赫兹吸收光谱，有着广阔的应用前景和研究价值。
附图说明
图1是气体太赫兹吸收光谱的检测装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
如图1所示，气体太赫兹吸收光谱的检测装置，主要结构包括连续可调太赫兹发生器1、斩波器2、一对离轴抛物面镜3、真空计4、气体腔5、气体腔进气口6、气体腔出气口7和GolayCell检测器8。
连续可调太赫兹发生器1，主要由高温超导BSCCO太赫兹辐射源和用于提供低温环境的Stirling制冷机构成，用于产生连续可调的太赫兹信号；斩波器2，用于对从Stirling窗口中辐射出的太赫兹信号进行调制；离轴抛物面镜3，用于汇聚已调制的太赫兹波束；真空计4，用于检测气体腔室内部气体压强；气体腔5，用于保存定量气体，气体腔窗口选用特氟龙材料，接口部分用O圈密封，密封性能良好；气体腔进气口6，用于通气体进入气体腔；出气口7，用于放气，与气体泵结合，起到控制气体腔内氨气压强的作用；GolayCell检测器8，用于检测太赫兹波信号。
工作时，太赫兹发生器1产生的太赫兹波束经过斩波器2调制，被调制信号经离轴抛物面镜3汇聚反射，汇聚波束穿过气体腔5，再经另外一个离轴抛物面镜3汇聚到太赫兹检测8上。首先把气体腔抽到真空的状态，通过改变高温超导BSCCO太赫兹源的偏置电压来调节其辐射频率，通过GolayCell检测器读取其辐射功率频谱作为数据背景；其次打开进气口阀门6，使待测气体充满气体腔，并达到饱和蒸汽压，再打开出气口阀门7，通过气体泵的抽气来控制压强，等达到一定气体压强时，再次测量通过含有气体时的太赫兹功率谱。通过比较两次测量的曲线就可得到气体太赫兹转动吸收光谱。
通过实验验证，在低于100Pa可以观测到氨气的太赫兹吸收光谱，本装置所测到氨气的转动吸收频率为572.5GHz，与现有文章报道中的太赫兹吸收光谱相吻合。
该装置也适合测量转动吸收频率集中在太赫兹频段的气体，以及一些极性气体分子比如硫化氢（H2S）、甲醛（H2CO）等。
Claims (5)
1.一种气体太赫兹吸收光谱的检测装置，其特征在于：包括连续可调太赫兹发生器（1）、斩波器（2）、离轴抛物面镜（3）、气体腔（5）和GolayCell检测器（8）；在所述的气体腔（5）两侧各设有一个离轴抛物面镜（3），在其中的一个离轴抛物面镜（3）的侧边设GolayCell检测器（8），在另一个离轴抛物面镜（3）的侧边设连续可调太赫兹发生器（1），在离轴抛物面镜（3）与连续可调太赫兹发生器（1）之间设斩波器（2）；太赫兹发生器（1）产生的太赫兹波束经过斩波器（2）调制，被调制信号经离轴抛物面镜（3）汇聚反射，汇聚波束穿过气体腔（5），再经另外一个离轴抛物面镜（3）汇聚到太赫兹检测（8）上。
2.根据权利要求1所述的气体太赫兹吸收光谱的检测装置，其特征在于：在所述的气体腔（5）上设有气体腔进气口（6）和气体腔出气口（7）。
3.根据权利要求1所述的气体太赫兹吸收光谱的检测装置，其特征在于：在所述的气体腔（5）上设有电阻规真空计（4）。
4.根据权利要求1所述的气体太赫兹吸收光谱的检测装置，其特征在于：所述的连续可调太赫兹发生器（1），由高温超导BSCCO太赫兹辐射源和用于提供低温环境的Stirling制冷机构成。
5.根据权利要求1所述的气体太赫兹吸收光谱的检测装置，其特征在于：所述的气体腔（5），用于保存定量气体，气体腔窗口选用特氟龙材料，接口部分用O圈密封。
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