CN108169218A - 一种羟自由基原位测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种羟自由基原位测量系统，所述测量系统包括光源、准直偏振光组件、光化学反应舱、偏振光转换组件以及检测装置，其中，所述光化学反应舱具有腔体、位于所述腔体内光学多通池以及位于所述腔体外侧的磁体，在所述光学多通池与所述外磁体之间环设有多个紫外灯；所述光化学反应舱上设有进样管以及排气管；光源的光线经过准直偏振光组件形成准直偏振光，入射准直偏振光通过所述光学多通池的多次反射后，出射光再经所述偏振光转换组件处理后，经所述检测装置转化为检测信号。本发明的羟自由基原位测量系统使用2.8um中红外光谱技术，避免HO2自由基以及紫外光源带来的次生OH自由基干扰，避免了化学方法中化学反应竞争干扰。

Description

一种羟自由基原位测量系统
技术领域
本发明涉及气体检测装置技术领域，具体涉及一种羟自由基原位测量系统。
背景技术
羟自由基(OH)是大气中一种最重要的氧化剂，其在大气中浓度水平可作为大气氧化能力的指标，也是局地大气对痕量污染气体自清洁能力的一个量度，是当今大气化学领域非常重要的研究热点。
目前，通过光化学反应舱模拟真实大气环境，研究大气化学反应机制。由于羟自由基反应活性高、浓度低、寿命短，准确测量羟自由基浓度非常困难。因此，准确测量光化学反应舱内的羟自由基变化对于促进大气学机理研究有着重大意义。测量光化学反应舱内的羟自由基常用测量方法有三种：基于低压扩散的激光诱导荧光装置(FAGE)、长程差分吸收光谱装置(DOAS)以及化学电离质谱仪(CIMS)。前两种使用光谱学方法，后一种使用化学方法。FAGE主要优点在于直接激发羟自由基，原位测量，是目前OH测量应用最广泛的方法，其缺点是FAGE由于使用282nm或308nm紫外光源进行激发，是一种间接测量法，还存在HO2自由基以及紫外次生羟自由基的干扰。长程差分吸收光谱装置(DOAS)的主要优点是通过直接测量308nm波长处的光强变化，获得羟自由基的直接吸收信号，无需校准，其缺点在于DOAS使用直接吸收光谱方法，易受到其他分子干扰，且装置的光学基长需要通常需要10到40m，体积庞大，运行维护困难。化学电离质谱仪(CIMS)是一种基于质谱的方法，存在较多的化学干扰因素，如反应竞争、H2O的影响等。
由此可见，传统的对羟自由基的测量装置存在着测量过程存在干扰，设备体积大、设备制造成本高、操作使用过程比较繁琐的缺陷，亟待进一步改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种羟自由基原位测量系统，用以解决现有羟自由测量装置存在干扰，设备体积大，制造成本高，操作比较繁琐的缺陷。
为实现上述目的，本发明提供一种羟自由基原位测量系统，所述测量系统包括光源、准直偏振光组件、光化学反应舱、偏振光转换组件以及检测装置，其中，所述光化学反应舱具有腔体、位于所述腔体内光学多通池以及位于所述腔体外侧的磁体，在所述光学多通池与所述外磁体之间环设有多个紫外灯；
所述光化学反应舱上设有进样管以及排气管；
光源的光线经过准直偏振光组件形成准直偏振光，入射准直偏振光通过所述光学多通池的多次反射后，出射光再经所述偏振光转换组件处理后，经所述检测装置转化为检测信号。
本发明的一个实施例中，所述准直偏振光组件包括准直透镜和起偏器，所述光源的光线经过所述准直透镜和起偏器后进入所述光学多通池。
本发明的一个实施例中，所述偏振光转换组件包括检偏器、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第一会聚透镜以及第二会聚透镜，经所述光学多通池的出射光线经所述检偏器分成两束正交偏振光，其中一束偏振光经所述第一反射镜、第二反射镜偏转后，经所述第一会聚透镜后进入所述检测装置；另一束光线经所述第一反射镜、第三反射镜偏转后，经第二会聚透镜进入所述检测装置；
所述起偏器与所述检偏器的透振方向夹角为45°。
本发明的一个实施例中，所述检测装置包括第一探测器、第二探测器、锁相放大器以及计算机，所述第一探测器、第二探测器分别通过所述锁相放大器与所述计算机连接；
经所述偏振光转换组件的光线分别经所述第一探测器和第二探测器处理后，再经过锁相放大器与计算机处理得到检测信号。
本发明的一个实施例中，所述光化学反应舱内还安装有压力计和温湿计。
本发明的一个实施例中，所述光源为2.8um中红外分布反馈式二极管激光器。
本发明的一个实施例中，所述光化学反应舱采用石英材质制成。
本发明的一个实施例中，所述磁铁为螺线管直流磁体，所述螺线管直流磁体与所述光化学反应舱同轴设置，且所述螺线管直流磁体的内侧面与所述光化学反应舱的外侧面之间具有间隙。
本发明的一个实施例中，所述光学多通池为White池、Chernin池、Herriott池或柱面镜池。
本发明具有如下优点：
本发明的羟自由基原位测量系统使用2.8um中红外光谱技术，避免HO2自由基以及紫外光源带来的次生OH自由基干扰，避免了化学方法中化学反应竞争干扰；本发明结合双光路差分探测，有效消除非磁性分子背景干扰；本发明的光化学反应舱内具有光学多通池，在有效增加吸收光程提高探测灵敏度的同时，可实时与反应产生的OH自由基相互作用，实现原位测量。
附图说明
图1本发明的羟自由基原位测量系统结构示意图。
图2本发明的Chernin型光学多通池结构示意图。
图3本发明的羟自由基原位测量系统监测光化学反应舱中羟自由基浓度对应的光谱信号图。
其中，1-光源，2-准直透镜，3-起偏器，4-光化学反应舱，401-腔体，4011-紫外灯，4012-进样管，4013-排气管，4014-压力计，4015温湿计，402-光学多通池，4021-圆口径高反镜物镜，4022-矩口径高反镜场镜，403-磁体403，5-检偏器，6-第一反射镜，7-第二反射镜，8-第三反射镜，9-第一会聚透镜，10-第一探测器，11-第二会聚透镜，12-第二探测器。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，本发明的羟自由基原位测量系统，其包括光源1、准直偏振光组件、光化学反应舱4、偏振光转换组件以及检测装置，其中，光源1采用2.8um中红外分布反馈式二极管激光器。光化学反应舱4具有腔体401、位于腔体401内的光学多通池402以及位于腔体401外侧的磁体，在光学多通池402与磁体403之间环设有多个紫外灯4011，紫外灯4011设置在腔体401的内侧壁的圆周上，光学多通池402封装在光化学反应舱4内，光化学反应舱4上设有进样管4012和排气管4013，进样管4012及排气管4013材质采用聚四氟乙烯制成。光源1的光线经过准直偏振光组件形成准直偏振光，入射的准直偏振光通过光学多通池402的多次反射后，出射光再经偏振光转换组件处理后，经检测装置转化为检测信号。本发明的羟自由基原位测量系采用2.8um中红外光谱技术，避免HO2自由基以及紫外光源带来的次生羟自由基干扰，避免了化学方法中化学反应竞争干扰。本发明通过将光学多通池与光化学烟雾箱结合，在有效增加吸收光程，提高探测灵敏度的同时，可实时与反应产生的羟自由基(OH)相互作用，实现了实验室中小型光化学反应舱研究大气化学关键氧化过程中羟自由基的浓度实时原位监测，为大气化学机理研究提供关键的科学参数，促进大气化学的发展。
其中，准直偏振光组件包括准直透镜2和起偏器3，光源1的光线经过准直透镜2和起偏器3后进入光学多通池402。偏振光转换组件包括检偏器5、第一反射镜6、第二反射镜7、第三反射镜8、第一会聚透镜9以及第二会聚透镜11，经光学多通池402的出射光线经检偏器5分成两束正交偏振光，其中一束偏振光经第一反射镜6、第二反射镜7偏转后，经第一会聚透镜9后进入检测装置；另一束光线经第一反射镜6、第三反射镜8偏转后，经第二会聚透镜11进入检测装置；起偏器3与检偏器5的透振方向夹角为45°。本发明羟自由基原位测量系统结合双光路差分探测，有效消除非磁性分子背景干扰。
具体的，检测装置包括第一探测器10、第二探测器12、锁相放大器以及计算机，第一探测器10、第二探测器12分别通过锁相放大器与计算机连接；经偏振光转换组件的光线分别经第一探测器10和第二探测器12处理后，再经过锁相放大器与计算机处理得到检测信号。
其中，光化学反应舱内还安装有压力计和温湿计，通过压力计测量光化学反应舱内的压力，通过温湿计测量舱内的温度和湿度。
本发明的光化学反应舱的腔体401采用石英材质制成，腔体401的外径为300mm，光化学反应舱4的体积约为80L。光学多通池402可以为任意类型多通池，如常用的White池、Chernin池、Herriott池及柱面镜池等。如图2所示，本发明的光学多通池402选用Chernin型光学多通池，其包含三块尺寸相同的圆口径高反镜物镜组4021及两块尺寸不同的矩口径高反镜场镜4022组构成，物镜组和场镜组高反面相对且分别密封安装于光化学反应舱的两端，基长为1500mm，可实现3m到192m的有效吸收光程。
本发明中光学多通池402外侧的磁体为长直螺线管直流磁体，长直螺线管直流磁体与光化学反应舱4同轴设置，长直螺线管直流磁体大于光化学反应舱4外径，且长直螺线管直流磁体的稳恒磁场覆盖区不小于光学多通池光路分布区，长直螺线管直流磁体的内侧面与光化学反应舱的外侧面之间具有间隙。本发明利用羟自由基顺磁特性，通过磁体使其纵向磁场下的光谱探测信号显著增强。
本发明羟自由基原位测量系统测量光化学反应舱内羟自由基的具体步骤如下：
打开磁体403励磁至约200高斯后，将待测体系经进样管4012通入光化学反应舱腔体401内，打开紫外灯管4011催发体系内的光化学反应，以反应过程中产生的羟自由基为监测对象。光源2.8um DFB激光器1的出射光经准直透镜2及起偏器3建立起准直偏振光入射到腔体401中，Chernin型光学多通池402使光束在光化学反应舱的腔体401内来回多次反射后出射，出射光经检偏器5分成两束正交偏振光，其中一束光由第一反射镜6和第二反射镜7偏转后经会第一会聚透镜9被第一探测器接收10，另一束光由第一反射镜6和第三反射镜8偏转后经第二会聚透镜11被第二探测器12接收。第一探测器10和第二探测器12接收的光电信号分别通过锁相放大器与计算机处理后，可得到待测体系中的羟自由基的实时浓度。
如图3所示，为本发明的羟自由基原位测量系统测量光化学反应舱内羟自由基浓度对应的光谱信号图。图中信号为羟自由基在纵向磁场作用下的波长调制-二次谐波信号图，其中A到F分别为不同反应时间下的信号，信号强度正比于羟自由基浓度。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种羟自由基原位测量系统，其特征在于，所述测量系统包括光源、准直偏振光组件、光化学反应舱、偏振光转换组件以及检测装置，其中，所述光化学反应舱具有腔体、位于所述腔体内光学多通池以及位于所述腔体外侧的磁体，在所述光学多通池与所述外磁体之间环设有多个紫外灯；
所述光化学反应舱上设有进样管以及排气管；
光源的光线经过准直偏振光组件形成准直偏振光，入射准直偏振光通过所述光学多通池的多次反射后，出射光再经所述偏振光转换组件处理后，经所述检测装置转化为检测信号。
2.根据权利要求1所述的羟自由基原位测量系统，其特征在于，
所述准直偏振光组件包括准直透镜和起偏器，所述光源的光线经过所述准直透镜和起偏器后进入所述光学多通池。
3.根据权利要求2所述的羟自由基原位测量系统，其特征在于，
所述偏振光转换组件包括检偏器、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第一会聚透镜以及第二会聚透镜，经所述光学多通池的出射光线经所述检偏器分成两束正交偏振光，其中一束偏振光经所述第一反射镜、第二反射镜偏转后，经所述第一会聚透镜后进入所述检测装置；另一束光线经所述第一反射镜、第三反射镜偏转后，经第二会聚透镜进入所述检测装置；
所述起偏器与所述检偏器的透振方向夹角为45°。
4.根据权利要求1所述的羟自由基原位测量系统，其特征在于，
所述检测装置包括第一探测器、第二探测器、锁相放大器以及计算机，所述第一探测器、第二探测器分别通过所述锁相放大器与所述计算机连接；
经所述偏振光转换组件的光线分别经所述第一探测器和第二探测器处理后，再经过锁相放大器与计算机处理得到检测信号。
5.根据权利要求1所述的羟自由基原位测量系统，其特征在于，
所述光化学反应舱内还安装有压力计和温湿计。
6.根据权利要求1所述的羟自由基原位测量系统，其特征在于，
所述光源为2.8um中红外分布反馈式二极管激光器。
7.根据权利要求1所述的羟自由基原位测量系统，其特征在于，
所述光化学反应舱采用石英材质制成。
8.根据权利要求1所述的羟自由基原位测量系统，其特征在于，
所述磁体为螺线管直流磁体，所述螺线管直流磁体与所述光化学反应舱同轴设置，且所述螺线管直流磁体的内侧面与所述光化学反应舱的外侧面之间具有间隙。
9.根据权利要求1所述的羟自由基原位测量系统，其特征在于，
所述光学多通池为White池、Chernin池、Herriott池或柱面镜池。
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