CN105699342A - 一种利用滴定技术测量氧原子浓度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用滴定技术测量氧原子浓度的方法。本发明利用一氧化氮作为荧光指示剂(一氧化氮与氧原子发生三体复合反应产生二氧化氮激发态分子，该激发态分子自发辐射时发出宽谱带荧光)，利用碘分子或汞原子等作为滴定剂，滴定剂与氧原子发生快速反应，当氧原子恰好被滴定剂消耗完时二氧化氮分子荧光就会熄灭，滴定时将二氧化氮分子荧光的熄灭作为滴定终点。本发明只需要测量滴定剂的浓度，用肉眼观测指示剂荧光即可确定滴定终点，具有简单直接、快速方便的特点。

Description

一种利用滴定技术测量氧原子浓度的方法

技术领域

本发明属于氧原子的检测领域，具体涉及一种测量氧原子浓度的方法，适用于电激励氧碘激光器。

背景技术

第一个运转在电子态之间的化学激光器是氧碘化学激光器，其基本原理为：

亚稳态粒子O₂(¹Δ)的产生：

Cl₂+2KOH+H₂O₂→O₂(¹Δ)+2KCl+2H₂O

碘分子的解离(大约消耗4-6个单重态氧分子)：

I₂+nO₂(¹Δ)→2I+nO₂(³Σ)n＝4-6

亚稳态粒子O₂(¹Δ)与碘原子近共振传能：

激射出光：I(²P_1/2)+hν→I(²P_3/2)+2hν(λ＝1.315μm)

在传统的化学氧碘激光器中，产生亚稳态储能粒子O₂(¹Δ)时使用的是有毒易爆的Cl₂、H₂O₂等化学物质，这制约了它的应用范围。另外注意到，在传统的化学氧碘激光器中，解离一个碘分子大约需要消耗4-6个O₂(¹Δ)分子，这降低了储能粒子O₂(¹Δ)能量利用效率。

电激励氧碘激光器采用氧气放电来产生单重态氧，它在继承了传统化学氧碘激光器优点的同时，还具有原料安全无毒，全气相操作，适应能力更强等优势。这种通过放电方法产生单重态氧的装置称为放电单重态氧发生器(DischargeSingletOxygenGenerator)，缩写为DSOG。

电激励氧碘激光器与传统化学氧碘激光器不同的一个显著特点是，氧气放电产生单重态氧的产物中也同时含有氧原子O。

从好的一方面来讲，氧原子本身就可以通过化学反应快速地离解碘分子I₂，从而避免了传统化学氧碘激光器中离解碘分子I₂时所必需的单重态氧消耗：

O+I₂→OI+I

O+OI→O₂+I

从坏的一方面来讲，氧原子又会猝灭单重态氧，降低DSOG的性能。研究发现，氧原子对单重态氧的猝灭作用主要是通过三体碰撞猝灭过程进行的，

O₂(a¹Δ)+O+M→O₂+O+Mk＝1x10^-32cm⁶/s

其中M是第三体碰撞伴侣(一般是O₂)。

因此在高气压条件下氧原子的浓度[O]对单重态氧产率Y_O2(1Δ)的影响很大，是电激励氧碘激光器在功率规模放大过程中必须要解决的重要问题。

因此，必须控制氧原子的浓度[O]在合适的水平，既能够充分解离碘分子I₂，又不会降低单重态氧产率Y_O2(1Δ)，这就必须在放电过程中能够精确地测量和控制氧原子的浓度[O]。

目前测量氧气放电等离子体中的氧原子浓度[O]主要有两种方法。

一种氧原子浓度[O]测量方法是光化线强度法(Actinometry)。将氧原子和氩原子同时置于放电场中，则氧原子O和氩原子Ar的发光强度之比满足如下关系：

$\frac{I_{777\mathrm{nm}}}{I_{750\mathrm{nm}}}=C_{\mathrm{Ar}}^O\frac{\left[O\right]}{\left[\mathrm{Ar}\right]}$

由于已知氩原子浓度[Ar]，只需要标定出比例系数就可以根据O和Ar的发光强度之比I_777nm/I_750nm得到氧原子浓度[O]。这种方法在工业等离子体刻蚀中使用得比较多，其缺点是需要事先给出比例系数并且该比例系数与放电电场强度、温度等因素有关，最麻烦的是除了主放电系统外还需要另外添加一套辅助放电系统，成本又高又不方便。

另一种氧原子浓度[O]测量方法是Piper发明的空气余辉发光强度法，O原子和NO的混合物会产生激发态粒子NO₂ ^*，发出连续光谱，被称为“空气余辉”。空气余辉的发光强度直接正比于[O]和[NO]的浓度乘积，并且与稀释气体的压力无关(至少在0.2torr以上是成立的)，可表示为I_NO2*＝κ[O][NO]，其中κ是校准系数，与视角结构、探测系统效率、被观测体积大小、以及绝对空气余辉速率系数等因素有关。通过测量发光强度I_NO2*，已知一氧化氮浓度[NO]，就可以得出氧原子浓度[O]＝I_NO2*/(κ[NO])。这种方法目前使用得比较多，其缺点是需要事先标定给出校准系数κ，而且校准系数κ不但与波长有关，也随腔内温度T而变化，应用起来比较复杂。

有鉴于此，我们试图找到一种更简单方便的氧原子浓度测量方法。

本发明就是为了解决此问题而产生的，我们在空气余辉发光强度法的基础上，通过添加能够快速捕获氧原子的滴定剂，将NO₂*发光的熄灭作为滴定终点，给出了一种利用滴定技术测量氧原子浓度的方法。

本发明用肉眼观测指示剂荧光即可确定滴定终点，只需要测量滴定剂浓度就可以获得氧原子浓度[O]，具有简单直接、快速方便的特点。

发明内容

一种利用滴定技术测量氧原子浓度的方法。利用一氧化氮作为荧光指示剂(一氧化氮与氧原子发生三体复合反应产生二氧化氮激发态分子，该激发态分子自发辐射时发出宽谱带荧光)，利用碘分子或汞原子等作为滴定剂，滴定剂与氧原子发生快速反应，当氧原子恰好被滴定剂消耗完时二氧化氮分子荧光就会熄灭，滴定时将二氧化氮分子荧光的熄灭作为滴定终点。

所述的一种利用滴定技术测量氧原子浓度的方法，包含如下步骤：

(1)将包含氧原子的气体引入一个透明玻璃管或带有透明窗口的管路中，形成包含氧原子的气体气流，记录气体总流量F_tot；记录此时的温度T(单位为K)和压力P(单位为Torr)；

(2)向包含氧原子的气体气流中添加固定流量的荧光指示剂一氧化氮，产生黄色荧光，荧光强度I_O/NO＝k[O][NO]；由于一氧化氮的浓度[NO]恒定，所以黄色荧光的强度I_O/NO与氧原子浓度[O]成正比；

(3)在管路的气流入口处，使用气体质量流量控制器添加滴定剂碘分子I₂或汞原子H_g，滴定剂的添加量由零开始由小到大逐步增加；

(4)在玻璃管流动系统出口处监测黄色荧光的强度I_O/NO，可以使用肉眼进行定性观察，也可以用光谱仪或光电探头进行定量测量；

(5)随着滴定剂的添加量由小到大逐步增加，氧原子浓度[O]逐步减小，黄色荧光强度逐渐减弱，当观察到黄色荧光熄灭时，即为滴定终点，记录滴定终点时的滴定剂流量、温度和压力；

(6)根据氧原子与滴定剂的化学反应计量系数(O:I₂＝2:1,O:Hg＝1:1)，以及滴定终点时的滴定剂流量F_I2或F_Hg，可以计算出氧原子流量(F_O＝2F_I2或F_O＝F_Hg)，即可换算出氧原子浓度[O]， $\left[O\right]=9.656\×{10}^{18}\frac{P}{T}\frac{F_O}{F_{\mathrm{toy}}}.$

所述的一种利用滴定技术测量氧原子浓度的方法，添加荧光指示剂和滴定剂前，管路中所流流动的压力范围为0.5～6Torr。

所述的一种利用滴定技术测量氧原子浓度的方法，包含氧原子的气体，除氧原子之外的其他气体为氧气、氮气、氦气、氩气中的一种或二种以上，其中氧原子体积百分比为0.1％-5％。

所述的一种利用滴定技术测量氧原子浓度的方法，气流中添加荧光指示剂一氧化氮的固定流量为添加荧光指示剂和滴定剂前包含氧原子气体总流量的5％～30％。

所述的一种利用滴定技术测量氧原子浓度的方法，滴定剂的注入方式是由惰性气体通过携带碘或汞的蒸气形成滴定剂混合气体然后注入主气流，滴定剂混合气体中滴定剂所占的体积百分比范围为1％～5％。

所述的一种利用滴定技术测量氧原子浓度的方法，滴定剂混合气体的添加量由零开始由小到大逐步增加，在10秒到10分钟的单位时间内，每次增加的梯度为添加荧光指示剂和滴定剂前包含氧原子气体总流量的0.5％～2％。

本发明的有益效果是：

本发明在空气余辉发光强度法的基础上，通过添加能够快速捕获氧原子的滴定剂，将NO₂ ^*发光的熄灭作为滴定终点，用肉眼观测指示剂荧光即可确定滴定终点，只需要测量滴定剂浓度就可以获得氧原子浓度[O]，既不需要事先进行系数标定，也不需要考虑腔内温度、发光波长等因素的影响，具有简单直接、快速方便的特点。

附图说明

图1为本发明的一个实施例的实验结果。

具体实施方式

实施例1

一种利用滴定技术测量氧原子浓度的方法。

本实施例利用一氧化氮作为荧光指示剂(一氧化氮与氧原子发生三体复合反应产生二氧化氮激发态分子，该激发态分子自发辐射时发出宽谱带荧光)，利用碘分子作为滴定剂，碘分子与氧原子发生快速反应，当氧原子恰好被碘分子消耗完时二氧化氮分子荧光就会熄灭，滴定时将二氧化氮分子荧光的熄灭作为滴定终点。

具体操作步骤如下：

(1)将氧气通过一个玻璃放电管，其初始流量为310SCCM(SCCM的意思是标准毫升每分钟)，采用介质阻挡射频放电方法对该氧气气流进行放电，产生的放电气流产物中包括激发态氧分子O₂(a)、臭氧分子O₃、以及氧原子O等等。

将放电产物气流引入一个玻璃管流动系统，其总流量约等于放电前的初始氧气流量，即F_tot＝310SCCM。

通过调节真空球阀，使得玻璃管流动系统内的气体压力为P＝1.5Torr，记录气体温度为T＝294K。

射频放电的入射功率为40瓦，出射功率为0瓦。

(2)向主气流中注入50SCCM的NO气体，这时立刻出现了明亮的淡黄色化学发光(NO₂*)。

(3)利用He通过碘固体池，携带碘蒸汽，形成I₂/He混合气流。He气的流量利用气体质量流量控制器进行控制。

记录室温为21摄氏度，该温度下碘的饱和蒸汽压约为0.15Torr，而碘池内的气压为3Torr，因此I₂/He混合气流中碘分子(I₂)百分比为5％，也即I₂流量为I₂/He混合气流总流量的5％，I₂与He的流量比值为5％:(1-5％)＝1:19。

将I₂/He混合气流注入主气流中，并利用气体质量流量控制器由小到大逐步增加I₂/He混合气流流量。

每60秒更改更改一次I2/He流量，I2/He流量的增加梯度是每次增加5SCCM。

(4)在玻璃管流动系统出口处，利用可见光谱仪测量580nm处的NO₂*发光强度。

(5)随着滴定剂I₂/He的添加量由小到大逐步增加，氧原子浓度[O]逐步减小，黄色荧光强度逐渐减弱。

每一次更改I2/He流量时，分别记录He气流量和580nm处的NO₂*发光强度，根据最终实验结果作出一条直线如图1所示，直线与横坐标的交点即为滴定终点。据图1可以得出滴定终点处的He气体流量为46SCCM。这时的I₂流量约为46*5％/(1-5％)＝2.42SCCM，即F_I2＝2.42SCCM。

根据肉眼观察黄色化学荧光，当He流量大约为45SCCM时，观察到NO₂*黄色发光熄灭了，即达到了滴定终点。

(6)氧原子O与碘分子I₂会发生如下的快速反应：

O+I₂→OI+I

O+OI→O₂+I

一个碘分子大约消耗两个氧原子。由于滴定终点时滴定剂I₂的流量为F_I2＝2.42SCCM，所以根据公式F_O＝2F_I2可以计算出未被滴定时的初始氧原子流量为F_O＝4.84SCCM。

根据腔内气体压力P和温度T，利用公式可以计算出氧原子浓度为7.69×10¹⁴cm^-3。

(7)结束实验。

Claims (7)

1.一种利用滴定技术测量氧原子浓度的方法，其特征在于：将含氧原子的气体引入透明管路或带有透明窗口的管路中，于管路中形成含氧原子气体的气流，于管路入口端的气流中添加一氧化氮作为荧光指示剂一氧化氮与氧原子发生三体复合反应产生二氧化氮激发态分子，该激发态分子自发辐射时发出宽谱带荧光，添加碘分子或汞原子作为滴定剂，气流中滴定剂的添加量由零开始逐步增加，滴定剂与氧原子发生快速反应，当氧原子恰好被滴定剂消耗完时二氧化氮分子荧光就会熄灭，滴定时将二氧化氮分子荧光的熄灭作为滴定终点，根据滴定终点时，气流中滴定剂的添加量即可获知含氧原子的气体中氧原子浓度。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：包含如下步骤，

(1)将包含氧原子的气体引入一个透明玻璃管或带有透明窗口的管路中，形成包含氧原子的气体气流，记录气体总流量F_tot；记录此时的温度T(单位为K)和压力P(单位为Torr)；

(2)向包含氧原子的气体气流中添加固定流量的荧光指示剂一氧化氮，产生黄色荧光，荧光强度I_O/NO＝k[O][NO]；由于一氧化氮的浓度[NO]恒定，所以黄色荧光的强度I_O/NO与氧原子浓度[O]成正比；

(3)在管路的气流入口处，使用气体质量流量控制器添加滴定剂碘分子I₂或汞原子Hg，滴定剂的添加量由零开始由小到大逐步增加；

(4)在玻璃管流动系统出口处监测黄色荧光的强度I_O/NO，可以使用肉眼进行定性观察，也可以用光谱仪或光电探头进行定量测量；

(5)随着滴定剂的添加量由小到大逐步增加，氧原子浓度[O]逐步减小，黄色荧光强度逐渐减弱，当观察到黄色荧光熄灭时，即为滴定终点，记录滴定终点时的滴定剂流量、温度和压力；

(6)根据氧原子与滴定剂的化学反应计量系数(O:I₂＝2:1,O:Hg＝1:1)，以及滴定终点时的滴定剂流量F_I2或F_Hg，可以计算出氧原子流量(F_O＝2F_I2或F_O＝F_Hg)，即可换算出氧原子浓度[O]， $\left[O\right]=9.656\×{10}^{18}\frac{P}{T}\frac{F_O}{F_{\mathrm{tot}}}.$

3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：添加荧光指示剂和滴定剂前，管路中所流流动的压力范围为0.5～6Torr。

4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：包含氧原子的气体，除氧原子之外的其他气体为氧气、氮气、氦气、氩气中的一种或二种以上，其中氧原子体积百分比为0.1％-5％。

5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：气流中添加荧光指示剂一氧化氮的固定流量为添加荧光指示剂和滴定剂前包含氧原子气体总流量的5％～30％。

6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：滴定剂的注入方式是由惰性气体通过携带碘或汞的蒸气形成滴定剂混合气体然后注入主气流，滴定剂混合气体中滴定剂所占的体积百分比范围为1％～5％。

7.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：滴定剂混合气体的添加量由零开始由小到大逐步增加，在10秒到10分钟的单位时间内，每次增加的梯度为添加荧光指示剂和滴定剂前包含氧原子气体总流量的0.5％～2％。