CN113640250B - 一种大气hono同位素测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大气HONO同位素测量系统,包括:由中红外激光器、中红外激光器控制器、氦氖激光器、氦氖激光器控制器组成的激光器及其控制单元;由分束片,第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜;标准具;第一透镜和第二透镜组成的光路调整单元;由多次反射吸收池、吸收池温度控制器、气体进气口、气体出气口组成的气体采样控制单元;由皮拉尼真空计、压力显示器、真空泵组成的气体压力控制单元;由第一中红外探测器、第二中红外探测器、高速数据采集卡、数据传输设备及数据处理设备组成的数据处理单元。本发明能在短时间内实现对大气HONO同位素的高灵敏连续检测,避免其他气体的干扰。
Description
技术领域
本发明属于环境检测技术与方法领域,具体的说是针对大气短寿命污染气体HONO来源示踪提出的一种大气HONO同位素测量系统。
背景技术
HONO是大气中OH自由基的主要来源之一,日间高值对OH的贡献率高达80%,直接影响到大气氧化能力和空气质量。HONO的浓度反映了大气污染程度,可以作为城市大气污染的典型代表物。HONO还可以在人体内通过呼吸道迅速地与仲胺反应形成致癌物质亚硝胺。所以HONO研究一直是大气化学和大气环境关注的热点和难点。但是目前,大气HONO的来源尚不清楚。
同位素示踪是全球环境变化研究中的一个非常重要的方法和工具。HONO的同位素成分可视作HONO的“指纹”或“DNA”。不同来源HONO的同位素组成包含着形成条件的重要信息,是研究大气HONO来源的理想示踪剂。
目前尚没有国产化激光大气HONO同位素分析仪器。进口仪器普遍采用的是质谱仪(IRMS)来测定大气HONO同位素。这种技术虽然探测灵敏度很高,但IRMS方法价格昂贵,响应时间很长,维护成本高,设备庞大笨重,需要经过培训的人员来操作。这就限制了只能在实验室使用IRMS设备,而不能应用于外场研究。从而严重限制了研究者在大气HONO同位素来源示踪领域数据的积累及研究工作的推进。
发明内容
本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处,提出一种大气HONO同位素测量系统,以期能在超短时间内实现对大气HONO同位素的连续高灵敏检测,避免其他气体的干扰,从而解决现有的大气HONO同位素测量技术无法满足外场测量需求的问题。
本发明为达到上述发明目的,采用如下技术方案:
本发明一种大气HONO同位素测量系统的特点包括:激光器及其控制器、光路调整单元、气体采样控制单元、气体压力控制单元、数据处理单元;
所述激光器及其控制单元由中红外激光器、中红外激光器控制器、氦氖激光器、氦氖激光器控制器组成;
所述光路调整单元由分束片,第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜,标准具,第一透镜和第二透镜组成;
所述气体采样控制单元由多次反射吸收池、吸收池温度控制器、气体进气口、气体出气口组成;
所述气体压力控制单元由皮拉尼真空计、压力显示器、真空泵组成;
所述数据处理单元由第一中红外探测器和第二中红外探测器、高速数据采集卡、数据传输设备及数据处理设备组成;
由所述中红外激光器控制器控制所述中红外激光器的温度和电流,使得所述中红外激光器在目标吸收谱线附近输出所测波长的空间光,并经过所述分束片的透射后形成透射光;同时控制所述中红外激光器的扫描频率,使得所述中红外激光器能快速扫描所测的波长;
所述氦氖激光器控制器控制所述氦氖激光器发射的红光通过反射镜与经过所述分束片的透射光重合成一束合成光,并依次经过第二反射镜和第三反射镜的反射,到达多次反射吸收池;所述多次反射吸收池的外部包裹有吸收池温度控制器,用于对吸收池温度控制;所述多次反射吸收池的气体进气口与所述皮拉尼真空计相连,用于对吸收池内的气体压力进行测量和控制,并将吸收池内的气体压力在压力显示器上进行显示;所述多次反射吸收池的气体出气口与所述真空泵相连,用于将环境空气循环采样到所述多次反射吸收池中;
所述多次反射吸收池里的合成光经多次反射后射出至第一透镜,由第一透镜将合成光汇聚到第二中红外探测器的探头上,由所述高速数据采集卡采集第二中红外探测器上的吸收谱线信号并经过数据传输设备传输至数据处理设备,由数据处理设备对所述吸收谱线信号进行处理,得到大气HONO同位素的比值;
所述中红外激光器发出的空间光在所述分束片处部分反射到第一反射镜上,并传输到标准具,由第一透镜将标准具输出的干涉条纹汇聚到第一中红外探测器的探头上,用于对吸收谱线的频率校准。
本发明所述的大气HONO同位素测量系统的检测方法的特点是按如下步骤进行:
步骤1、设置中红外激光器的参数,将其输出波长锁定在目标气体分子频率ν附近,扫描频率设置在kHz量级;
步骤2、通过所述中红外激光器控制器发出的锯齿扫描信号改变所述中红外激光器的注入电流,从而对中红外激光器发出的空间光的波长进行扫描;
步骤3、经过分束片的透射光在经过吸收路径长度为L,体积为V的多次反射吸收池后,由多次反射吸收池中的气体分子吸收一部分光能,所述多次反射吸收池输出的合成光,由第二中红外探测器进行检测;
步骤4、改变中红外激光器的波长,并不断扫描大气HONO同位素的吸收谱线信号,通过数据处理设备对多次扫描结果进行累加平均,从而得到吸收谱线均值;
步骤5,利用标准具将第二中红外探测器探测到的吸收谱线信号的吸光度转换到频域,从而得到频域上的吸收谱线;
步骤6,采用非线性最小二乘拟合方法对HONO同位素吸收谱线进行拟合,从而获得相对的HONO同位素吸收线强Srel;
步骤7,利用式(1)推导大气中绝对的HONO同位素吸收线强度Sabs;
式(1)中,ν是吸收线的频率,EL是较低状态L的能量,R(T)是温度T下的旋转振动配分函数,B是变换跃迁偶极矩的矩阵元的平方;ε0是真空介电常数;h是普朗克常数;c是真空光速;k是玻尔兹曼常数;T是热力学温度;
步骤8,利用式(2)计算HONO同位素的单位分子数N;
式(2)中,L是吸收池长度;V是吸收池体积;
步骤9,利用式(3)获得大气中HONO同位素的气体浓度C;
式(3)中,NT是温度T时的HONO分子数。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:
1、本发明中气体通过真空泵及压力吸收池的进出气口形成一个环路,保证了大气实时连续循环的进入采样气体吸收池,从而连续获得测量地点的大气HONO同位素实时比值,提高了测量的连续性和准确性。
2、本发明中的中红外激光器具有宽的频率调谐范围,能够在一次扫描范围内实现对HONO的不同同位素吸收线的同时测量,保证了测量的时效性。
3、本发明中的吸收池外部有温度控制器,保证整个吸收池处于恒温状态,以减少气态HONO在吸收池壁上的沉积,保证了测量准确性。
附图说明
图1为本发明的大气HONO同位素检测系统的示意图;
图2为本发明的大气HONO同位素检测方法的流程图;
图中标号:1中红外激光器;2中红外激光器控制器;3分束片;4第一反射镜;5标准具;6第一透镜;7第一探测器;8第二反射镜;9第三反射镜;10第二探测器;11第二透镜;12吸收池;13吸收池温度控制器;14气体进气口;15气体出气口;16皮拉尼真空计;17压力显示器;18真空泵;19高速数据采集卡;20数据传输设备;21数据处理设备;22第四反射镜;23氦氖激光器;24氦氖激光器控制器。
具体实施方式
本实施例中,一种大气HONO同位素测量系统,如图1所示,包括:激光器及其控制器、光路调整单元、气体采样控制单元、气体压力控制单元、数据处理单元;
激光器及其控制单元由中红外激光器1、中红外激光器控制器2、氦氖激光器23、氦氖激光器控制器24组成;
光路调整单元由分束片3,第一反射镜4、第二反射镜8、第三反射镜9和第四反射镜22,标准具5,第一透镜6和第二透镜11组成;
气体采样控制单元由多次反射吸收池12、吸收池温度控制器13、气体进气口14、气体出气口15组成;
气体压力控制单元由皮拉尼真空计16、压力显示器17、真空泵18组成;
数据处理单元由第一中红外探测器7和第二中红外探测器10、高速数据采集卡19、数据传输设备20及数据处理设备21组成;
由中红外激光器控制器2控制中红外激光器1的温度和电流,使得中红外激光器1在目标吸收谱线附近输出所测波长的空间光,并经过分束片3的透射后形成透射光;
同时控制中红外激光器1的扫描频率,使得中红外激光器1快速扫描所测的波长;
氦氖激光器控制器24控制氦氖激光器23发射的红光通过反射镜22与经过分束片3的透射光重合成一束合成光,并依次经过第二反射镜8和第三反射镜9的反射,到达多次反射吸收池12;多次反射吸收池12的外部包裹有吸收池温度控制器13,用于对吸收池温度控制;多次反射吸收池12的气体进气口14与皮拉尼真空计16相连,用于对吸收池内的气体压力进行测量和控制,并将吸收池内的气体压力在压力显示器17上进行显示;多次反射吸收池12的气体出气口15与真空泵18相连,用于将环境空气循环采样到多次反射吸收池12中;
多次反射吸收池12里的合成光经多次反射后射出至第一透镜11,由第一透镜11将合成光汇聚到第二中红外探测器10的探头上,由高速数据采集卡19采集第二中红外探测器10上的吸收谱线信号并经过数据传输设备20传输至数据处理设备21,由数据处理设备21对吸收谱线信号进行处理,得到大气HONO同位素的比值;
中红外激光器1发出的空间光在分束片3处部分反射到第一反射镜4上,并传输到标准具5,由第一透镜6将标准具5输出的干涉条纹汇聚到第一中红外探测器7的探头上,用于对吸收谱线的频率校准。
本实施例中,一种大气HONO同位素测量系统的检测方法,如图2所示,是按如下步骤进行:
步骤1、设置中红外激光器1的参数,将其输出波长锁定在目标气体分子频率ν附近,扫描频率设置在Hz量级;
步骤2、通过中红外激光器控制器2发出的锯齿扫描信号改变中红外激光器1的注入电流,从而对中红外激光器1发出的空间光的波长进行扫描;
步骤3、经过分束片3的透射光在经过吸收路径长度为L,体积为V的多次反射吸收池12后,由多次反射吸收池12中的气体分子吸收一部分光能,所述多次反射吸收池12输出的合成光,由第二中红外探测器10进行检测;
步骤4、改变中红外激光器1的波长,并不断扫描大气HONO同位素的吸收谱线信号,通过数据处理设备21对多次扫描结果进行累加平均,从而得到吸收谱线均值;
步骤5,利用标准具5将第二中红外探测器10探测到的吸收谱线信号的吸光度转换到频域,从而得到频域上的吸收谱线;
步骤6,采用非线性最小二乘拟合方法对HONO同位素吸收谱线进行拟合,从而获得相对的HONO同位素吸收线强Srel;
步骤7,利用式(1)推导大气中绝对的HONO同位素吸收线强度Sabs;
式(1)中,ν是吸收线的频率,EL是较低状态L的能量,R(T)是温度T下的旋转振动配分函数,B是变换跃迁偶极矩的矩阵元的平方;ε0是真空介电常数;h是普朗克常数;c是真空光速;k是玻尔兹曼常数;T是热力学温度;
步骤8,利用式(2)计算HONO同位素的单位分子数N;
式(2)中,L是吸收池长度;V是吸收池体积;
步骤9,利用式(3)获得大气中HONO同位素的气体浓度C;
式(3)中,NT是温度T时的HONO分子数。
Claims (2)
1.一种大气HONO同位素测量系统,其特征包括:激光器及其控制器、光路调整单元、气体采样控制单元、气体压力控制单元、数据处理单元;
所述激光器及其控制单元由中红外激光器(1)、中红外激光器控制器(2)、氦氖激光器(23)、氦氖激光器控制器(24)组成;
所述光路调整单元由分束片(3),第一反射镜(4)、第二反射镜(8)、第三反射镜(9)和第四反射镜(22),标准具(5),第一透镜(6)和第二透镜(11)组成;
所述气体采样控制单元由多次反射吸收池(12)、吸收池温度控制器(13)、气体进气口(14)、气体出气口(15)组成;
所述气体压力控制单元由皮拉尼真空计(16)、压力显示器(17)、真空泵(18)组成;
所述数据处理单元由第一中红外探测器(7)和第二中红外探测器(10)、高速数据采集卡(19)、数据传输设备(20)及数据处理设备(21)组成;
由所述中红外激光器控制器(2)控制所述中红外激光器(1)的温度和电流,使得所述中红外激光器(1)在目标吸收谱线附近输出所测波长的空间光,并经过所述分束片(3)的透射后形成透射光;同时控制所述中红外激光器(1)的扫描频率,使得所述中红外激光器(1)能快速扫描所测的波长;
所述氦氖激光器控制器(24)控制所述氦氖激光器(23)发射的红光通过反射镜(22)与经过所述分束片(3)的透射光重合成一束合成光,并依次经过第二反射镜(8)和第三反射镜(9)的反射,到达多次反射吸收池(12);所述多次反射吸收池(12)的外部包裹有吸收池温度控制器(13),用于对吸收池温度控制;所述多次反射吸收池(12)的气体进气口(14)与所述皮拉尼真空计(16)相连,用于对吸收池内的气体压力进行测量和控制,并将吸收池内的气体压力在压力显示器(17)上进行显示;所述多次反射吸收池(12)的气体出气口(15)与所述真空泵(18)相连,用于将环境空气循环采样到所述多次反射吸收池(12)中;
所述多次反射吸收池(12)里的合成光经多次反射后射出至第一透镜(11),由第一透镜(11)将合成光汇聚到第二中红外探测器(10)的探头上,由所述高速数据采集卡(19)采集第二中红外探测器(10)上的吸收谱线信号并经过数据传输设备(20)传输至数据处理设备(21),由数据处理设备(21)对所述吸收谱线信号进行处理,得到大气HONO同位素的比值;
所述中红外激光器(1)发出的空间光在所述分束片(3)处部分反射到第一反射镜(4)上,并传输到标准具(5),由第一透镜(6)将标准具(5)输出的干涉条纹汇聚到第一中红外探测器(7)的探头上,用于对吸收谱线的频率校准。
2.基于权利要求1所述的大气HONO同位素测量系统的检测方法,其特征是按如下步骤进行:
步骤1、设置中红外激光器(1)的参数,将其输出波长锁定在目标气体分子频率ν附近,扫描频率设置在kHz量级;
步骤2、通过所述中红外激光器控制器(2)发出的锯齿扫描信号改变所述中红外激光器(1)的注入电流,从而对中红外激光器(1)发出的空间光的波长进行扫描;
步骤3、经过分束片(3)的透射光在经过吸收路径长度为L,体积为V的多次反射吸收池(12)后,由多次反射吸收池(12)中的气体分子吸收一部分光能,所述多次反射吸收池(12)输出的合成光,由第二中红外探测器(10)进行检测;
步骤4、改变中红外激光器(1)的波长,并不断扫描大气HONO同位素的吸收谱线信号,通过数据处理设备(21)对多次扫描结果进行累加平均,从而得到吸收谱线均值;
步骤5,利用标准具(5)将第二中红外探测器(10)探测到的吸收谱线信号的吸光度转换到频域,从而得到频域上的吸收谱线;
步骤6,采用非线性最小二乘拟合方法对HONO同位素吸收谱线进行拟合,从而获得相对的HONO同位素吸收线强Srel;
步骤7,利用式(1)推导大气中绝对的HONO同位素吸收线强度Sabs;
式(1)中,ν是吸收线的频率,EL是较低状态L的能量,R(T)是温度T下的旋转振动配分函数,B是变换跃迁偶极矩的矩阵元的平方;ε0是真空介电常数;h是普朗克常数;c是真空光速;k是玻尔兹曼常数;T是热力学温度;
步骤8,利用式(2)计算HONO同位素的单位分子数N;
式(2)中,L是吸收池长度;V是吸收池体积;
步骤9,利用式(3)获得大气中HONO同位素的气体浓度C;
式(3)中,NT是温度T时的HONO分子数。
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CN105277503A (zh) * | 2015-08-20 | 2016-01-27 | 安徽大学 | 基于两种量子级联激光光谱的多组分气体同时检测装置及方法 |
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Title |
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基于室温连续量子级联激光器的HONO气体检测;崔小娟;董凤忠;陈卫东;刘文清;Eric Fertein;;光学学报(第04期);全文 * |
崔小娟 ; 董凤忠 ; 陈卫东 ; 刘文清 ; Eric Fertein ; .基于室温连续量子级联激光器的HONO气体检测.光学学报.2013,(04),全文. * |
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