CN109883991A - 碱金属原子蒸气同位素丰度的在线测量方法及装置 - Google Patents

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本发明提供了一种碱金属原子蒸气同位素丰度的在线测量方法及装置，方法包括以下步骤：金属原子蒸气的生产；装置的设置；碱金属原子蒸气吸收激光；同位素比率计算。装置包括分别与激光控制器连接的函数发生器和数字锁相放大器，激光控制器驱动激光器产生激光，激光由衰减片衰减后进入吸收池，吸收池吸收的信号由光电探测器接受转化成电信号后，传输至数字锁相放大器解调放大，解调出的二次谐波引号由示波器显示记录。本发明利用TDLAS方法实现碱金属原子蒸气同位素丰度的在线测量。TDLAS方法只需要进行一次测量，测量时间短，测量得到的同位素丰度不受环境条件及调制参数变化影响；测量装置结构简单、使用方便，适用性强。

Description

碱金属原子蒸气同位素丰度的在线测量方法及装置
技术领域
本发明属于一种同位素丰度的在线测量方法及装置，具体涉及一种碱金属原子蒸气同位素丰度的在线测量方法及装置。
背景技术
目前对于碱金属原子的同位素丰度测量主要采用质谱法，该方法存在操作复杂、设备庞大的缺点，不能满足经常性大批量的分析工作，无法实现非接触式的在线测量。
可调谐二极管激光吸收光谱法(简称TDLAS)可以对目标气体实现非接触式的实时在线监测，在实际应用中表现出响应时间短、灵敏度高、抗干扰能力强等优点，是一种适用于极端环境条件的检测方法。目前TDLAS方法主要应用于分子气体的测量，还没有应用于碱金属原子蒸气同位素丰度的算法研究。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中存在的缺点而提出的，其目的是提供一种碱金属原子蒸气同位素丰度的在线测量方法及装置。
本发明的技术方案是：
一种碱金属原子蒸气同位素丰度的在线测量方法，包括以下步骤：
(ⅰ)金属原子蒸气的生产
将待测碱金属放入吸收池中，蒸发系统对吸收池进行加热获得一定密度的碱金属原子蒸气；
(ⅱ)装置的设置
打开激光器控制器，设置激光器参数，打开数字锁相放大器，并产生振幅为δv，频率为ω的高频正弦调制信号对激光器输出的瞬时激光频率进行调制，转动衰减片调整激光功率到合适的范围；
(ⅲ)碱金属原子蒸气吸收激光
调制激光经过吸收池中碱金属原子蒸气吸收，打开函数发生器生成扫描函数，根据吸收峰位置调整扫描函数偏置参数，使需要测量的两个吸收峰完整出现在扫描范围内，由光电探测器调制吸收信号，再经锁相放大器解调得到二次谐波信号，示波器进行采样；
(ⅳ)同位素比率计算
碱金属原子蒸气中存在两种同位素原子，两种同位素原子密度Na、Nb与锁相放大器(10)测量得到的二次谐波信号A2有如下关系：
A2(v)＝Ka(v)Na+Kb(v)Nb
其中K(v)为二次谐波系数；
选择吸收截面较大的两条吸收谱线的中心频率作为测量点v1、v2，测量获得在v1、v2两个频率处的二次谐波信号峰值A2(v1)、A2(v2)，代入下面公式即可得到碱金属原子蒸气的同位素比率：
所述步骤(ⅰ)蒸发系统对吸收池进行加热时，充入一定压强的缓冲气体。
所述步骤(ⅰ)中函数发生器的波形选择三角波，70％占比。
所述示波器采用平均16次采样方式。
所述光电探测器得到的调制吸收信号由示波器进行监测，数字锁相放大器进行解调，根据解调出的二次谐波调整数字锁相放大器中低通滤波器参数来得到更好的二次谐波信号。
所述二次谐波系数K(v)为与同位素原子的摩尔质量、能级简并态数目相关的常数项。
一种碱金属原子蒸气同位素丰度的在线测量装置，包括分别与激光控制器通过BNC信号线连接的函数发生器和数字锁相放大器，激光控制器驱动激光器产生激光，激光由衰减片衰减后进入吸收池，吸收池吸收的信号由光电探测器接受转化成电信号后，传输至数字锁相放大器解调放大，解调出的二次谐波引号由示波器显示记录；吸收池外部设置对其进行加热的蒸发系统，缓冲气体充入吸收池内。
所述激光器为外腔式可调谐半导体激光器。
所述吸收池外部设置与其连接的真空泵。
所述函数发生器产生三角波扫描信号，控制扫描频率和扫描范围；所述数字锁相放大器产生正弦波调制信号，控制调制频率和调制深度。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种碱金属原子蒸气同位素丰度的在线测量方法及装置，利用TDLAS方法实现碱金属原子蒸气同位素丰度的在线测量。TDLAS方法只需要进行一次测量，就可以同时得到A2(v1)、A2(v2)，进而计算得到碱金属同位素比率。TDLAS方法单次测量时间短，因此在测量过程中实验条件和调制参数在两次测量间隔时发生变化时，在一次测量中得到的A2(v1)、A2(v2)值的测量条件相同，测量得到的同位素丰度不受环境条件及调制参数变化影响。
附图说明
图1是本发明碱金属原子蒸气同位素丰度的在线测量装置的结构示意图。
其中：
1激光器 2激光控制器
3函数发生器 4衰减片
5吸收池 6蒸发系统
7缓冲气体 8真空泵
9光电探测器 10数字锁相放大器
11示波器。
具体实施方式
下面结合说明书附图及实施例对本发明一种适用TDLAS方法测量原子同位素丰度的反演算法进行详细说明：
如图1所示，一种碱金属原子蒸气同位素丰度的在线测量装置，包括分别与激光控制器2通过BNC信号线连接的函数发生器3和数字锁相放大器10，激光控制器2驱动激光器1产生激光，激光由衰减片4衰减到合适的功率大小后进入吸收池5，吸收池5吸收的信号由光电探测器9接受转化成电信号后，传输至数字锁相放大器10解调放大，解调出的二次谐波引号由示波器11显示记录。
蒸发系统6对吸收池5进行加热获得一定密度的碱金属原子蒸气，并充入一定压强的缓冲气体7防止吸收池两端的窗口镜片污染。
所述激光器1为外腔式可调谐半导体激光器。
所述函数发生器3产生三角波扫描信号，控制扫描频率和扫描范围；所述数字锁相放大器10产生正弦波调制信号，控制调制频率和调制深度；函数发生器3产生的扫描信号和数字锁相放大器10产生的调制信号通过BNC信号线输入激光控制器2进行调制。
考虑碱金属本身的辐射性以及材料的可加工性和经济性，所述吸收池5采用06Cr19Ni10不锈钢。通过蒸发系统6对吸收池5进行加热获得一定密度的碱金属原子蒸气，并充入一定压强的缓冲气体7防止吸收池5两端的窗口镜片污染。
本发明方法的测量方法：
在激光器的低频扫描信号上叠加一个振幅为δv，频率为ω的高频正弦调制信号，对激光器输出的瞬时激光频率进行调制，调制激光经过碱金属原子蒸气吸收，由光电探头探测调制吸收信号，经锁相放大器解调得到二次谐波信号。
考虑碱金属原子蒸气中存在两种同位素原子，两种同位素原子密度Na、Nb与锁相放大器测量得到的二次谐波信号A2有如下关系：
A2(v)＝Ka(v)Na+Kb(v)Nb
其中K(v)为二次谐波系数。
在实验环境中碱金属原子蒸气的谱线展宽以多普勒展宽为主，由为了提高测量信号的信噪比，因此选择吸收截面较大的两条吸收谱线的中心频率作为测量点v1、v2。因此可以确定碱金属原子蒸气在v1、v2处的二次谐波系数。在针对具体某一种碱金属的计算中，二次谐波系数可通过化简在公式计算中仅和同位素原子的摩尔质量、能级简并态数目相关。
测量获得在v1、v2两个频率处的二次谐波信号峰值A2(v1)、A2(v2)，代入下面公式即可得到碱金属原子蒸气的同位素比率：
以其中一种碱金属为例，该公式可以化简为：
可知，二次谐波系数化简为与同位素摩尔质量有关的常数项，TDLAS测量同位素比率只和两个吸收峰的二次谐波信号幅值相关。该公式需满足光强吸收比例远小于1的条件，因此适用于对弱吸收条件下的碱金属原子蒸气测量。
在实际的测量实验中，以天然丰度的碱金属作为实验样品，对不同密度的碱金属原子蒸气进行了同位素丰度的测量，在相同实验条件下，TDLAS方法的探测下限比直接吸收法低一个数量级，在吸收比例为10-3～10-2范围内测量结果的相对误差小于3％，适用于低吸收条件下碱金属原子蒸气的同位素丰度测量。
本发明用于采用可调谐二极管激光吸收光谱法(简称TDLAS)测量高斯线型条件下的碱金属原子蒸气，本发明通过对测量得到的二次谐波信号来计算获得碱金属原子蒸气同位素丰度，利用TDLAS方法实现碱金属原子蒸气同位素丰度的在线测量。

Claims (10)

1.一种碱金属原子蒸气同位素丰度的在线测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
(i)金属原子蒸气的生产
将待测碱金属放入吸收池(5)中，蒸发系统(6)对吸收池(5)进行加热获得一定密度的碱金属原子蒸气；
(ii)装置的设置
打开激光器控制器(2)，设置激光器(1)参数，打开数字锁相放大器(10)，并产生振幅为δv，频率为ω的高频正弦调制信号对激光器(1)输出的瞬时激光频率进行调制，转动衰减片(4)调整激光功率到合适的范围；
(iii)碱金属原子蒸气吸收激光
调制激光经过吸收池(5)中碱金属原子蒸气吸收，打开函数发生器(3)生成扫描函数，根据吸收峰位置调整扫描函数偏置参数，使需要测量的两个吸收峰完整出现在扫描范围内，由光电探测器(9)调制吸收信号，再经锁相放大器(10)解调得到二次谐波信号，示波器(11)进行采样；
(iV)同位素比率计算
碱金属原子蒸气中存在两种同位素原子，两种同位素原子密度Na、Nb与锁相放大器(10)测量得到的二次谐波信号A2有如下关系：
A2(v)＝Ka(v)Na+Kb(v)Nb
其中K(v)为二次谐波系数；
选择吸收截面较大的两条吸收谱线的中心频率作为测量点v1、v2，测量获得在v1、v2两个频率处的二次谐波信号峰值A2(v1)、A2(v2)，代入下面公式即可得到碱金属原子蒸气的同位素比率：
2.根据权利要求1所述的一种碱金属原子蒸气同位素丰度的在线测量方法，其特征在于：所述步骤(i)蒸发系统(6)对吸收池(5)进行加热时，充入一定压强的缓冲气体(7)。
3.根据权利要求1所述的一种碱金属原子蒸气同位素丰度的在线测量方法，其特征在于：所述步骤(i)中函数发生器(3)的波形选择三角波，70％占比。
4.根据权利要求1所述的一种碱金属原子蒸气同位素丰度的在线测量方法，其特征在于：所述示波器(11)采用平均16次采样方式。
5.根据权利要求1所述的一种碱金属原子蒸气同位素丰度的在线测量方法，其特征在于：所述光电探测器(9)得到的调制吸收信号由示波器(11)进行监测，数字锁相放大器(10)进行解调，根据解调出的二次谐波调整数字锁相放大器(10)中低通滤波器参数来得到更好的二次谐波信号。
6.根据权利要求1所述的一种碱金属原子蒸气同位素丰度的在线测量方法，其特征在于：所述二次谐波系数K(v)为与同位素原子的摩尔质量、能级简并态数目相关的常数项。
7.一种碱金属原子蒸气同位素丰度的在线测量装置，其特征在于：包括分别与激光控制器(2)通过BNC信号线连接的函数发生器(3)和数字锁相放大器(10)，激光控制器(2)驱动激光器(1)产生激光，激光由衰减片(4)衰减后进入吸收池(5)，吸收池(5)吸收的信号由光电探测器(9)接受转化成电信号后，传输至数字锁相放大器(10)解调放大，解调出的二次谐波引号由示波器(11)显示记录；吸收池(5)外部设置对其进行加热的蒸发系统(6)，缓冲气体(7)充入吸收池(5)内。
8.根据权利要求7所述的一种碱金属原子蒸气同位素丰度的在线测量装置，其特征在于：所述激光器(1)为外腔式可调谐半导体激光器。
9.根据权利要求7所述的一种碱金属原子蒸气同位素丰度的在线测量装置，其特征在于：所述吸收池(5)外部设置与其连接的真空泵(8)。
10.根据权利要求7所述的一种碱金属原子蒸气同位素丰度的在线测量装置，其特征在于：所述函数发生器(3)产生三角波扫描信号，控制扫描频率和扫描范围；所述数字锁相放大器(10)产生正弦波调制信号，控制调制频率和调制深度。
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