CN114729877A - 用于分析气态样品的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于对气态样品(GAS1)的光谱(SPEC1)进行测量的测量装置(500)，包括：‑可调谐激光光源(LS1)，用于提供照明光束(LB0)，‑用于容纳气态样品(GAS1)的样品单元(200)，该单元(200)包括内表面(SRF1)以通过对该照明光束(LB0)的光进行反射来提供加扰光(LB1)，使得加扰光被透射通过气态样品(GAS1)，‑检测器(DET1)，用于检测被引导通过样品单元(200)的透射加扰光(LB2)的强度(ILB2)，以及‑压力控制系统(VAC1)，以使在样品单元(200)内的气态样品(GAS1)的绝对压力(PGAS1)保持小于50kPa，从而减小气态样品(GAS1)的光谱特征的光谱宽度，其中测量装置(500)被布置成通过对照明光(LB0)的光谱位置(λLB0)进行调制和通过对透射光(LB2)在照明光(LB0)的两个或更多个不同的光谱位置(λ0，λP1)处的强度(ILB2)进行检测，测量样品(GAS1)的一个或更多个光谱透射率值(ILB2(λ)/I0(λ))，其中，内表面(SRF1)的纵向尺寸(LSRF1)在内表面(SRF1)的最小直径(dSRF1)的10倍至100倍的范围内，并且其中，照明光束(LB0)在横向方向上的发散(θLB0)大于30°，从而引起加扰光(LB1)的根据内表面(SRF1)的多次连续反射。
Description
技术领域
一些实施方式涉及对气态样品的组成(composition，成分)进行分析。
背景技术
气态样品的组成可以通过使用直接吸收光谱法来进行分析。例如，可以通过使用直接吸收光谱法来分析从对象获得的呼吸空气样品。
图1示出了用于执行直接吸收光谱法的已知的测量系统。已知的测量系统可以包括用于容纳样品气体GAS1的样品单元、用于提供照明光LB0的光源LS1，以及用于检测透射穿过该单元的光LB2的检测器DET1。该系统可以包括用于对照明光LB0进行准直的准直光学器件LNS1，以及包括用于将透射光LB2聚集到检测器DET1的聚光光学器件LNS2。光源LS1可以是可调谐的，即，照明光LB0的波长可以是可调节的。照明光LB0可以具有窄带宽。测量系统可以通过改变照明光LB0的波长λLB0，并通过测量作为波长的函数的透射光LB2的强度ILB2，来测量样品GAS1的光谱透射率函数ILB2(λ)/I0(λ)。样品GAS1的吸收光谱SPEC1可以由测量到的光谱透射率ILB2(λ)/I0(λ)确定。单元中所包含的样品可能会使与样品的吸收峰对应的特定波长的透射光衰减。执行该直接吸收光谱法可以包括测量在一个或更多个光谱位置(波长)处的透射光的光谱强度，并通过将测量到的光谱强度值与参考值进行比较来确定样品的一种或更多种特性。执行直接吸收光谱法可以包括测量在一个或更多个光谱位置(波长)处的透射光的光谱强度，并通过将测量到的光谱强度值与参考光谱进行比较来确定样品的一种或更多种特性。可以例如通过用参考气体填充样品单元200，并通过使用用于测量参考气体的光谱透射率的测量设备来获得参考气体的参考光谱。例如，在预定波长处，透射光LB2的光谱强度ILB2与参考值I0的比率(ILB2/I0)可能取决于样品的气态成分的浓度。因此，可以通过测量在一个或更多个光谱位置处的透射光的光谱强度ILB2，并通过根据测量到的光谱强度ILB2和根据参考值I0计算气态成分的浓度，来确定气态成分的浓度。参考值I0可以是例如透射光LB2的光谱强度的最大值。
样品单元通常包括光学窗口WIN1、WIN2，以将样品气体限制在单元的内部空间，并限定吸收路径的长度。一部分透射光可以在窗口WIN1、WIN2的表面之间来回反射。样品单元的窗口可能一起作为干涉仪进行操作，这可能会造成干扰干涉效应。原则上，任何一对光学表面都可以作为光学干涉仪或弱光学干涉仪进行操作。
图1b以示例的方式示出了在单元为空且照明光束是准直的相干激光束的情况下，透射通过常规样品单元的光LB2的测量到的光谱强度ILB2。图1a的测量到的强度ILB2已通过除以参考值I0进行归一化。
测量到的信号ILB2的一大部分波动可能是由干涉条纹引起的。常规单元的一对光学接口可能会造成干扰干涉效应。特别地，常规单元的窗口的干涉效应可能使对样品气体的微弱吸收进行检测变得困难或不可能。此外，检测到的光谱透射率和从检测到的光谱透射率得出的结果可能由于干涉响应的变化而易于漂移。
单元的干涉效应可能对单元的光谱透射率ILB2(λ)/I0造成多个光谱特征。曲线CRV0以示例的方式示出了常规单元的光谱透射率ILB2(λ)/I0(λ)。在单元的内部的气体不吸收光的情况下，单元的干涉效应也可能对单元的光谱透射率ILB2(λ)/I0造成多个光谱特征。例如，单元的干涉效应可能会对单元的光谱透射率ILB2(λ)/I0造成多个光谱干涉峰……、PFk-1、PFk、PFk+1、PFk+2、……。光谱特征PFk-1、PFk、PFk+1、PFk+2、……的光谱位置可能由于例如单元的工作温度的变化而漂移。符号Δλdrift可以表示单元的光谱透射率ILB2(λ)/I0的光谱特征的光谱漂移。
当使用常规样品单元时，光学干涉特征PFk-1、PFk、PFk+1、PFk+2通常由于激光辐射的相干性质而存在。在具有相干照明的常规单元的情况下，检测到的光谱强度ILB2的周期性波动可能过于稳定而无法平均化，而检测到的光谱强度ILB2的周期性波动通常不足以稳定到防止测量结果在较长的时间周期内漂移，例如在几分钟的时间周期内漂移。
发明内容
所述一些变化可能涉及用于分析气态样品的组成的方法。一些变化可能涉及用于分析气态样品的组成的装置。一些变化可能涉及用于分析从处理系统获得的气态样品的组成的装置。一些变化可能涉及用于检测处理系统的操作的方法。一些变化可能涉及用于分析呼吸空气样品的组成的方法。一些变化可能涉及用于分析呼吸空气样品的组成的装置。
根据一方面，提供了一种用于对气态样品(GAS1)的光谱(SPEC1)进行测量的测量装置(500)，该装置(500)包括：
-可调谐激光光源(LS1)，用于提供照明光束(LB0)，
-用于容纳气态样品(GAS1)的样品单元(200)，该单元(200)包括内表面(SRF1)以通过对照明光束(LB0)的光进行反射来提供加扰光(LB1)，使得加扰光被透射通过气态样品(GAS1)，
-检测器(DET1)，用于检测被引导通过样品单元(200)的透射加扰光(LB2)的强度(ILB2)，和
-压力控制系统(VAC1)，用于使在样品单元(200)内的气态样品(GAS1)的绝对压力(pGAS1)保持小于50kPa，从而减小气态样品(GAS1)的光谱特征的光谱宽度，其中测量装置(500)被布置成：通过对照明光(LB0)的光谱位置(λLB0)进行调制，和通过对透射光(LB2)在照明光(LB0)的两个或更多个不同的光谱位置(λ0，λP1)处的强度(ILB2)进行检测，测量样品(GAS1)的一个或更多个光谱透射率值(ILB2(λ)/I0(λ))，其中，内表面(SRF1)的纵向尺寸(LSRF1)在内表面(SRF1)的最小直径(dSRF1)的10倍至100倍的范围内，并且其中，照明光束(LB0)在横向方向上的发散(θLB0)大于30°，从而引起加扰光(LB1)的根据内表面(SRF1)的多次连续反射。
根据一方面，提供了一种用于对气态样品(GAS1)的光谱(SPEC1)进行测量的方法，包括：
-提供照明激光束(LB0)，
-提供用于容纳气态样品(GAS1)的样品单元(200)，该单元(200)包括内表面(SRF1)，
-通过使用内表面(SRF1)反射照明光束(LB0)的光来提供加扰光(LB1)，从而使加扰光(LB1)透射通过气态样品(GAS1)，
-改变照明光(LB0)的光谱位置(λLB0)，
-对被引导通过样品单元(200)的透射加扰光(LB2)在照明光(LB0)的两个或更多个光谱位置(λ0，λP1)处的强度(ILB2)进行检测，以及
-使在样品单元(200)内的气态样品(GAS1)的绝对压力(pGAS1)保持小于50kPa，从而减小气态样品(GAS1)的光谱特征的光谱宽度，
其中，内表面(SRF1)的纵向尺寸(LSRF1)是内表面(SRF1)的最小直径(dSRF1)的10倍至100倍的范围内，并且其中照明光束(LB0)在横向方向上的发散(θLB0)大于30°，从而引起加扰光(LB1)的根据内表面(SRF1)的多次连续反射。
其他方面在权利要求中被限定。
当使用样品单元时，激光辐射的相位在被严格限制的扩散测量隧道内被有效加扰，从而显著降低或消除光学干涉特征的干扰效应。
样品单元的内部压力可以被保持在降低的值，以便于光谱的测量。使用降低的气体压力可能会造成干扰特征的漂移。加扰样品单元可以显著地降低或消除所述漂移的干扰效应。
在使用相位加扰样品单元时，不需要将加扰样品单元与照明激光束的光学轴线精确地对准。
沉积在窗户上的灰尘可能会增加窗户的反射系数。在常规单元的情况下，增加的窗口反射系数可能对由单元的窗口所造成的干扰特征具有显著的影响。在一定程度上，加扰样品单元可以耐受灰尘，灰尘可能会沉积在窗口上。加扰样品单元可以减少或消除由沉积在单元窗口上的灰尘造成的干涉效应。
发散的激光束可以被直接透射到单元的加扰隧道中。隧道可以具有扩散不均匀的内表面。激光在隧道内的多次反射可以加扰相干光的相位，从而有效地抑制光学干涉。
当使用加扰样品单元时，不需要使用长的平均或积分时间周期来降低由干涉效应引起的信号噪声。因此，与使用常规单元测量光谱数据的情况相比，可以以更高的速率测量光谱数据。相位加扰单元可以显著降低或消除干涉特征的幅度。相位加扰单元可以显著降低或消除干涉条纹的幅度。相位加扰单元中减小的条纹幅度可以允许增加在连续校准之间的时间周期的长度。相位加扰单元甚至可以完全消除对周期性校准的需要。加扰样品单元可以用作单程吸收单元。加扰样品单元可以用于例如通过直接吸收光谱法来测量一氧化碳CO和/或二氧化碳。
测量装置可以包括加扰单元以便于抑制干涉条纹效应。测量装置可以被布置成通过直接吸收光谱法分析气态样品的组成。测量装置可以被布置成分析例如从对象获得的呼吸空气样品的组成。
在实施方式中，测量装置可以被布置成分析从工业处理系统获得的样品的组成。处理系统可以包括例如用于通过生物材料的发酵产生可燃气体的装置。可以基于分析来控制、分析和/或优化处理系统的操作。
在实施方式中，测量装置可以被布置成分析样品的组成，例如以便确定对象身体的一个或更多个物理和/或代谢参数。测量到的信息可以用于例如监测对象身体的状态。测量到的信息可以包括例如关于呼吸空气样品中麻醉剂浓度的信息。测量到的信息可以用于例如控制麻醉系统。
附图说明
在以下实施例中，将参考附图更详细地描述若干变体，其中
图1a以示例的方式示出了一种测量装置，该测量装置包括根据现有技术的样品单元，
图1b以示例的方式示出了测量到的通过图1a的样品单元透射的激光的光谱强度，
图2以示例的方式在截面侧视图中示出了一种测量装置，该测量装置包括加扰样品单元，
图3以示例的方式在截面侧视图中示出了光在加扰样品单元中的传播，
图4以示例的方式示出了测量到的通过加扰样品单元透射的激光的光谱强度，以及测量到的通过图1a的常规样品单元透射的激光的光谱强度，
图5以示例的方式示出了在加扰样品单元包含吸收样品的情况下，作为光谱位置的函数的透射光的光谱强度，
图6a以示例的方式示出了一种测量装置，该测量装置被布置成测量从处理系统获得的气态样品的一种或更多种分子物质的浓度，
图6b以示例的方式示出了一种测量装置，该测量装置被布置成测量气态样品的一种或更多种分子物质的浓度，
图6c以示例的方式示出了一种测量装置，该测量装置被布置成测量气态样品的一种或更多种分子物质的浓度，
图7以示例的方式示出了样品气体的吸收光谱，
图8a以示例的方式示出了用于降低和控制样品单元的内部压力的压力控制系统，
图8b以示例的方式示出了用于使样品单元的温度稳定的温度控制系统，
图9a以示例的方式在截面侧视图中示出了非线性的样品单元，
图9b在端视图中示出了图9a的样品单元，以及
图10以示例的方式示出了测量该吸收物质的浓度的时间演变。
具体实施方式
参考图2，测量装置500可以包括用于容纳样品气体GAS1的样品单元200、用于提供照明光LB0的光源LS1、以及用于检测透射光LB2的强度的检测器DET1，该透射光LB2已经透射通过样品单元200。照明光LB0被耦合到样品单元200中。照明光LB0也可以称为例如输入光LB0。
样品单元200可以包括壳体250、第一窗口WIN1和第二窗口WIN2，用于将样品气体GAS1限制在单元200的内部空间中。照明光LB0可以通过第一窗口WIN1被耦合到单元200中。透射光LB2可以通过第二窗口WIN2耦合出单元200。单元200可以包括用于将光耦合到单元200中的第一窗口WIN1，和用于将光耦合出单元200的第二窗口WIN2。窗口WIN1、WIN2之间的距离可以限定单元200的内部纵向尺寸L0。
单元200可以包括用于将样品气体GAS1引导到单元200中的输入端201和用于将样品气体GAS1引导出单元200的输出端202。单元200可以包括一个或更多个开口201、202，用于改变单元200的内容物。通过使用一个或更多个开口201、202，可以用第二样品替换第一样品。样品气体GAS1可以例如通过使用样品泵被移动到单元中和从单元移出。单元内的样品气体GAS1也可以在测量时间周期内基本上连续地变化，以便于测量样品GAS1的组成和/或状态的时间变化。
单元200可以包括加扰隧道CAV1，以通过对照明光束LB0进行反射来形成加扰光LB1。隧道CAV1可以包括不均匀表面SRF1，以通过对照明光束LB0进行反射来形成加扰光LB1。隧道CAV1的内部空间可以由表面SRF1限定。隧道CAV1可以由表面SRF1和内部空间组成。加扰光LB1可以经由隧道CAV1被引导通过单元200。被透射的加扰光LB2可以通过第二窗口WIN2耦合出单元200。来自不均匀表面SRF1的光的多次反射可以有效地消除窗口WIN1、WIN2的光谱干涉效应。
在不均匀表面SRF1的情况下，单元200的光学吸收路径的有效长度可以大于窗口WIN1、WIN2之间的距离L0。如有需要，单元200的光学吸收路径的有效长度可以例如通过实验测试和/或通过模拟来确定。单元200的光学吸收路径的有效长度可以通过实验确定，例如：通过用具有已知浓度的吸收气态成分的参考气体填充该单元200、通过测量一个或更多个相关波长处的光谱透射率、通过根据已知数据计算透射率值、以及通过将计算的透射率值与测量到的透射率值进行拟合来确定光学吸收路径的长度。
在实施方式中，第一气态成分的浓度与第二气态成分的浓度的比率也可以根据测量到的光谱透射率值确定，而不需要知道光学吸收路径的实际有效长度。可以假设光学吸收路径的有效长度对于两种气态成分基本上是相同的。
被包含在加扰单元200中的样品GAS1可以根据所述样品GAS1的吸收光谱，通过吸收该加扰光束LB1的光，来提供透射光束LB2。特别地，样品GAS1可以使与样品GAS1的吸收光谱的光谱峰相对应的波长处的光谱强度进行衰减。
装置500可以包括光学组件300，该光学组件包括照明单元300A和检测器单元300B。照明单元300A可以包括光源LS1。检测器单元300B可以包括检测器DET1。
照明光LB0可以具有窄的光谱带宽，以便允许通过使用光谱选择性照明来测量光谱吸收率。光LB0的带宽可以例如小于0.02nm。光源LS1可以是例如激光光源。照明光LB0可以是例如相干激光。可以改变照明光LB0的波长λLB0，以便在若干个光谱位置处测量被填充的单元200的光谱透射率值。随后可以根据透射率值确定吸收率值。可以改变照明光LB0的波长λLB0，以便在若干个光谱位置处测量被填充的单元200的光谱吸收率值。由光源LS1发射的光的波长可以是可调谐的。光源(LS1)可以是可调谐激光，使得照明光束(LB0)的波长(λLB0)是可调节的。例如，光源LS1可以是激光二极管，其中光LB0的波长可以例如通过改变激光二极管LS1的电流来改变。光源LS1可以是激光二极管，其中光LB0的波长可以例如通过改变激光二极管LS1的电流和/或通过改变激光二极管LS1的工作温度来改变。
光源LS1可以被布置成提供照明光LB0作为发散光束。照明光LB0的发散光束可以与样品单元200的内表面SRF1有效地相互作用，以便确保足够程度的相位加扰。光源LS1可以是例如激光发射器。在实施方式中，不必使用准直光学器件或聚焦光学器件来减少从激光发射器发射的照明光的发散。在实施方式中，装置500不需要在激光发射器与样品单元200之间包括准直光学器件或聚焦光学器件。在实施方式中，装置500可以在光发射器与样品单元200之间没有准直光学器件和/或聚焦光学器件的情况下被实施。
照明光束LB0可以从激光发射器LS1耦合到加扰隧道CAV1中，而无需在激光发射器LS1与隧道CAV1之间使用准直光学器件和/或聚焦光学器件。
激光发射器LS1与隧道CAV1之间的光学器件的焦距可以例如大于0.02m，以保持照明光束LB0的较大发散。光学器件的屈光力等于焦距的倒数。照明光束LB0可以从激光发射器LS1耦合到加扰隧道CAV1中，使得激光发射器LS1与隧道CAV1之间的光学器件的屈光力例如小于50屈光度。
光源LS1可以包括例如带间级联激光器(ICL)或量子级联激光器(QCL)。
光源LS1可以是可调谐激光光源，使得照明光束LB0的至少一种光谱成分的波长λLB0是可调节的。
装置500可以包括控制单元400，用于改变照明光LB0的光谱位置λ，并记录作为光谱位置λ的函数的测量到的透射光LB2的强度ILB2。装置500可以被配置成通过将测量到的光谱强度值ILB2与对应的光谱位置(λ)相关联来提供光谱数据DATA1、SPEC1。
控制单元400可以提供用于改变照明光LB0的波长的控制信号SIG0。控制信号SIG0可以被传递到光源LS1。光源LS1可以被布置成调制照明光LB0的波长。装置500可以被布置成提供指示照明光LB0的波长的信号SIG0。
检测器DET1可以被布置成提供指示检测到的透射光LB2的光谱强度的信号SIG1。信号SIG1可以是例如电信号或数字光学信号。检测器DET1可以包括例如一个或更多个光电二极管或者一个或更多个光电倍增管，以将光LB2的强度转换为信号SIG1的信号值。
检测器可以被布置成检测例如在中红外范围内的光LB2。
检测器DET1可以包括例如汞-镉-碲化物(MCT)、砷化锑化铟(InAsSb)或锗(Ge)。
装置500可以被配置成通过将透射光LB2的每个测量到的强度值与照明光LB0的对应光谱位置相关联来提供光谱数据DATA1。装置500可以被配置成提供测量到的光谱数据DATA1，该测量到的光谱数据包括气体样品的光谱强度值。装置500可以包括用于存储测量到的光谱数据DATA1的存储器MEM2。装置500可以包括用于存储计算机程序代码PROC1的存储器MEM1。计算机程序代码PROC1可以被配置成，当由控制单元400执行时，通过将测量到的强度值与对应的光谱位置相关联来调制照明光LB0的波长和/或来形成光谱数据DATA1。
装置500可以包括被存储在计算机可读存储器MEM1中的计算机程序代码PROC1。当由控制单元400执行程序代码PROC1时，该程序代码可以使装置500测量光谱数据DATA1。控制单元400可以包括一个或更多个数据处理器。测量数据DATA1可以被存储在例如存储器MEM2中。装置500可以包括用于从用户接收用户输入和/或用于将测量到的数据DATA1提供给用户的用户接口UIF1。装置500可以包括用户接口UIF1以向用户提供一个或更多个测量结果。用户接口UIF1可以包括例如用于以图形和/或数字方式显示测量到的值和/或确定值的显示器。装置500可以被布置成显示曲线，该曲线示出了测量到的值的时间演变。用户接口UIF1可以包括例如显示器和/或键盘。用户接口UIF1可以包括例如触摸屏。用户接口可以显示例如测量到的样品GAS1的光谱SPEC1。用户输入和/或数据DATA1可以例如经由电缆、经由无线通信网络和/或经由因特网来传输。
参考图3，发散照明光束LB0可以从激光光源LS1通过第一窗口WIN1耦合到加扰隧道CAV1中。隧道CAV1可以由不均匀的反射表面SRF1限定。
加扰样品单元的纵向尺寸L0可以例如小于0.5m。单元200的内表面SRF1的纵向尺寸LSRF1可以相应地小于0.5m。
当在输入光束LB0的传播方向上观察时，隧道CAV1的截面可以是例如基本上为圆形或基本上为椭圆形。当在隧道CAV1的纵向方向上观察时，隧道CAV1的截面可以是例如基本为圆形或基本为椭圆形。
隧道的直径dSRF1可以在例如0.5mm至6mm的范围内。隧道的直径dSRF1可以例如基本上等于3mm。隧道CAV1可以有效地加扰照明光LB0的相位。
可以选择隧道CAV1的尺寸以提供来自表面SRF1的多次连续反射，以便有效地加扰光LB1和LB2的相位。加扰隧道可以具有纵向尺寸LSRF1。隧道的长度LSRF1与直径dSRF1的比率可以例如大于或等于10。隧道的纵向尺寸LSRF1与直径dSRF1的比率可以在例如10至100的范围内，例如以便在紧凑的容积中提供足够的加扰。
可以选择隧道CAV1的内表面SRF1的粗糙度，例如使得内表面SRF1的镜面反射率小于50％，有利地小于10％。
可以选择隧道CAV1的内表面SRF1的粗糙度，例如使得内表面SRF1在照明光LB0的波长λLB0处的镜面反射率小于50％，有利地小于10％。
符号Δh可以表示表面SRF1的突出部的平均高度。
内表面SRF1的算术平均粗糙度Ra可以例如在照明光LB0的波长λLB0的0.25倍至2倍的范围内。
光源LS1的波长λLB0可以例如在4.3μm至4.4μm的范围内。
内表面SRF1的算术平均粗糙度Ra可以例如在0.5μm至8μm的范围内。
内表面SRF1的(微观)粗糙度特征之间的距离可以呈现随机或伪随机变化，以便于最小化或消除干涉效应。粗糙度特征可以包括例如高度或深度在例如0.1μm至40μm的范围内的突出部和凹陷部。可以例如通过喷砂、蚀刻和/或通过沉积涂覆材料来处理表面SRF1，以便提供随机定位的粗糙度特征，该粗糙度特征的高度或深度在0.1μm至40μm的范围内。表面SRF1可以包括随机定位的突出部和/或凹陷部，使得内表面SRF1的算术平均粗糙度Ra例如在0.5μm至8μm的范围内。
内表面SRF1可以被生产成使得内表面SRF1的镜面反射率例如小于50％，以确保单元中的足够加扰。内表面SRF1的镜面反射率例如可以小于10％，以确保单元中的高度加扰。
内表面SRF1可以被生产成使得内表面SRF1的总反射率在照明光束LB0的波长λLB0处大于例如80％，以确保透射光LB2的足够充分的强度。总反射率可以例如在80％的入射角处进行测量。
dLB0表示在隧道CAV1的输入端处的照明光束LB0的横向尺寸。横向尺寸dLB0可以在例如隧道CAV1的直径dSRF1的30％至95％的范围内。横向尺寸dLB0可以小于直径dSRF1，例如以便减少或消除对光源LS1的光学反馈。
光源LS1可以提供照明光LB0作为照明光束。照明光束LB0可以具有发散θLB0。照明光束LB0在横向方向上的发散θLB0可以例如大于30°。
光源LS1可以是例如激光发射器。从激光发射器发射的激光束LB0可以具有快轴线方向和慢轴线方向。快轴线方向横向于激光束LB0的传播的纵向方向。慢轴线方向可以垂直于快轴线方向并且垂直于激光束LB0的纵向方向。照明光束LB0在横向快轴线方向上的发散θLB0可以例如大于30°。
照明光束LB0可以作为发散光束被耦合到单元200中。将照明光束LB0作为发散光束耦合到单元200中可以通过增加来自不均匀的相位加扰表面SRF1的反射次数来另外抑制干涉效应。
内表面SRF1的纵向尺寸LSRF1可以是例如在内表面SRF1的最小直径dSRF1的10倍至100倍的范围内，并且照明光束LB0在横向方向上的发散θLB0可以例如大于30°，以便在加扰光LB1作为透射光LB2耦合出单元200之前引起加扰光LB1的根据内表面SRF1的多次连续反射。
来自内表面SRF1的加扰光LB1的多次连续反射的次数可以在合适的范围内，例如为了确保足够程度的加扰，其中还确保透射光LB2的足够强度。
当使用发散光束LB0时，第一光学器件LNS1(图1a)可以被简化或去除。可以在不使用第一光学器件LNS1的情况下提供发散光束。去除第一光学器件LNS1可以减少由第一光学器件LNS1引起的干涉效应。
光学组件300可以可选地包括聚光光学器件LNS2以将光LB2收集到检测器DET1。聚光光学器件LNS2可以包括例如一个或更多个透镜以将光LB2聚焦到检测器DET1。光学器件LNS2的透镜可以可选地被布置成还作为单元200的光学窗口WIN2进行操作，以减少光学表面的数量。
在实施方式中，光学组件300也可以在没有聚光光学器件LNS2的情况下实施。
在实施方式中，光源LS1的透明输出元件可以被布置成作为第一窗口WIN1进行操作。
在实施方式中，检测器DET1的透明输入元件可以被布置成作为第二窗口WIN2进行操作。
作为窗口WIN1进行操作的光源LS1的透明输出元件和/或作为窗口WIN2进行操作的检测器DET1的透明输入元件可以限定单元200的纵向尺寸L0。
在实施方式中，第一窗口WIN1和/或第二窗口WIN2可以具有倾斜的定向以进一步减少干扰反射。
在实施方式中，第一窗口WIN1和/或第二窗口WIN2可以具有楔形形状以进一步减少干扰反射。
参考图4，加扰隧道CAV1可以有效地抑制由窗口WIN1、WIN2引起的干涉条纹效应。实曲线CRV1以示例的方式示出了加扰样品单元200的光谱透射率ILB2(λ)/I0(λ)。光谱透射率ILB2(λ)/I0(λ)可以由透射穿过加扰样品单元200的光LB2的测量到的光谱强度确定。虚曲线CRV0以示例的方式示出了常规样品单元的光谱透射率ILB2(λ)/I0(λ)(见图1a和图1b)。
在常规单元的情况下，由干涉效应引起的(干扰)光谱特征PFk、PFk+1、...的相对高度可能例如大约为1％。在加扰单元的情况下，(干扰)光谱特征的相对高度可以显著更小，例如大约为0.1％。因此，加扰单元可以允许检测由气态样品GAS1在光谱位置λP1处的吸收光谱线引起的较小相对偏差(I0(λP1)-ILB2(λP1))/(I0(λP1)。偏差(I0(λP1)-ILB2(λP1))可以表示“信号”，而参考强度(I0(λP1)可以表示“背景”。
加扰单元可以允许以较低的信号背景比率进行测量。加扰样品单元200的最小可检测信号背景比率(例如，大约为0.1％)可以显著小于常规单元的最小可检测信号背景比率(例如，大约为1％)。加扰样品单元200可以允许检测较小的吸收气体浓度。使用加扰样品单元200可以允许以更高的准确性测量吸收气体的浓度。当与常规单元相比时，使用加扰样品单元200可以允许以更高的速度测量光谱数据。
图5以示例的方式示出了气态样品GAS1的吸收光谱，该气态样品除了正常的二氧化碳同位素化合物12C16O16O之外，还包含被结合在二氧化碳CO2中的碳同位素13C和氧同位素18O。同位素化合物分子也可以称为例如同位素体。同位素体是仅在其同位素组成上不同的分子。
可以通过将窄带照明光LB0的波长设置到第一光谱位置λ1来测量与13C16O16O相关联的光谱强度值I1(λ1)。可以通过将光LB0的波长设置到第二光谱位置λ2来测量与12C18O16O相关联的光谱强度值I2(λ2)。可以通过将光LB0的波长设置到第三光谱位置λ3来测量与12C16O16O相关联的光谱强度值I3(λ3)。可以通过将窄带照明光LB0的波长设置到第四光谱位置λ0来测量参考强度值I0(λ0)。在实施方式中，参考强度I0(λ)也可以是波长λ的(非常数)函数。
第一光谱位置λ1可以与同位素化合物13C16O16O的第一光谱峰P1基本重合。第二光谱位置λ2可以与同位素化合物12C18O16O的第二光谱峰P2基本重合。第三光谱位置λ3可以与同位素化合物12C16O16O的第三光谱峰P3基本重合。CO2的全光谱包括与不同同位素的旋转振动能量状态相关联的大量的峰。位置λ1、λ2、λ3可以从CO2光谱的峰的光谱位置中选择，使得在位置λ1、λ2、λ3处的峰彼此没有明显重叠。第四光谱位置λ0可以被选择使得其不与样品GAS1的任何光谱峰重叠。位置λ0、λ1、λ2、λ3也可能与图3中所示的不同的光谱峰重合。
该方法可以包括将气态样品GAS1引导到加扰单元200中，并且通过测量透射光LB2的光谱强度来测量例如样品GAS1的13C16O16O的浓度。
参考图6a，测量装置500可以被布置成分析气态样品GAS1的组成。样品气体GAS1可以例如从处理系统1000获得。处理系统100可以是例如工业处理系统。系统1000可以被布置成执行例如燃烧过程、化学过程和/或生化过程。
测量装置500可以被布置成测量从处理系统1000获得的样品GAS1的光谱SPEC1。测量装置500可以被布置成分析从处理系统1000获得的样品GAS1。测量装置500可以被布置成例如通过将测量到的光谱SPEC1与参考数据进行比较来分析样品GAS1。测量装置500可以被布置成例如通过将测量到的光谱SPEC1与参考光谱进行比较来分析样品GAS1。可以基于分析来控制和/或优化系统1000的操作。系统1000可以被布置成基于测量到的光谱数据SPEC1、DATA1来控制所述系统1000的操作。
系统1000可以被布置成执行例如生物发酵过程。系统1000可以是例如布置成从生物材料产生可燃气体的发酵系统。测量装置500可以被布置成测量例如以下物质中的一种或更多种的相对浓度：二氧化碳CO2、水蒸气H2O、甲烷CH4、乙烯C2H4、被结合在CO2中的同位素18O、被结合在CO2中的同位素13C、被结合在CO2中的同位素17O、被结合在水蒸气H2O中的同位素18O、甲烷CH4、乙烯C2H4、被结合在乙烯C2H4中的同位素13C。
样品气体GAS1可以例如经由采样线100被引导到单元200中。装置500可以可选地包括一个或更多个阀VAL1，用于控制样品气体GAS1进入到单元200中的流速。阀VAL1也可以被布置成调控样品单元200的内部压力。装置500可以可选地包括例如泵PUMP1，用于使样品气体GAS1流入到单元200中。光学测量组件300可以被布置成测量被包含在单元200中的样品GAS1的吸收光谱。光学测量组件300可以布置成通过测量被包含在单元200中的样品GAS1的吸收光谱(SPEC1)来提供光谱数据DATA1。
参考图6b，装置500可以被布置成分析气态样品GAS1的组成。样品气体GAS1可以例如从容器BAG1被引导到单元200。样品气体GAS1可以被存储和/或被运输在容器BAG1中。容器BAG1可以是可运输的和/或便携式的。容器BAG1可以是例如袋、瓶、试管或气体瓶。容器BAG1可以包括例如涂覆有金属箔的柔性塑料箔。样品气体GAS1可以经由采样线100从容器BAG1被引导到单元200。容器BAG1可以包括用于关闭和打开容器的一个或更多个阀。装置500可以可选地包括例如泵PUMP1，用于使样品气体GAS1流入到单元200中。容器BAG1内的气体压力也可能如此之高，使得可以仅仅通过打开阀VAL1来引起从容器到单元200的气体流动。
光学测量组件300可以被布置成测量被包含在单元200中的样品GAS1的吸收光谱。光学测量组件300可以布置成通过测量被包含在单元200中的样品GAS1的吸收光谱(SPEC1)来提供光谱数据DATA1。
参考图6c，装置500可以被布置成分析例如从对象SUB1获得的呼吸空气样品GAS1的组成。
装置500可以包括用于将呼出的空气样品GAS1引导至单元200的采样线100。采样线100可以包括例如面罩部分102以将采样线100临时密封到对象SUB1的嘴部和/或鼻部。
光学测量组件300可以被布置成测量被包含在单元200中的样品GAS1的吸收光谱。光学测量组件300可以被布置成通过测量被包含在单元200中的样品GAS1的吸收光谱来提供光谱数据DATA1。
装置500可以被布置成监测例如从对象获得的呼吸空气样品GAS1中的麻醉剂的浓度。
装置500可以被布置成监测例如第一气态成分的浓度与第二气态成分的浓度的比率。
装置500可以布置成测量例如从对象SUB1获得的呼吸空气样品GAS1的二氧化碳中所结合的13C的浓度。装置500可以被布置成测量例如在样品GAS1中同位素化合物13C16O16O的浓度到同位素化合物12C16O16O的浓度。
呼吸空气样品GAS1可以在例如施用物质S0后获得，该物质包括13C。13C的测量到的浓度可以用于例如测量对象的代谢率。第一对象SUB1的代谢率可以通过方法测量，该方法包括在一定量的物质S0已经被施用于第一对象SUB1后，测量第一对象SUB1的呼吸空气中的碳同位素13C的浓度。
在施用测试物质后，一部分同位素13C可以经由对象体内的一种或更多种代谢途径转化为二氧化碳CO2。该方法可以包括对已经由对象呼出的呼吸空气进行采样和分析。对象SUB1具有代谢系统SYS1，该代谢系统可以为对象SUB1体内的物质S0提供一种或更多种代谢途径。对象SUB1可以是例如人或动物。代谢系统SYS1可以包括例如对象SUB1的一个或更多个内部器官。
若干种气体可能在中红外范围(MID-IR)中，即在2.5μm至10μm的光谱范围内的波长处，具有吸收跃迁。光源LS1可以被布置成发射一个或更多个波长的光，波长处于2.5μm至10μm的范围，检测器DET1可以被布置成检测透射通过样品单元200的光LB2。
参考图7，装置500可以被布置成通过测量透射光LB2在一个或更多个波长处(λ0、λP1、λP2、λP3)的强度ILB2来测量样品气体GAS1的一种或更多种气态成分的浓度，该一个或更多个波长在从第一波长限制λMIN到第二个波长限制λMAX的光谱范围内。该方法可以包括调制照明光的波长λLB0，例如在λMIN到λMAX的光谱调制范围内。
样品气体GAS1的吸收线可以被检测为例如光谱透射率ILB2(λ)/I0(λ)的局部最小值P1、P2、P3。吸收线可以被检测为例如透射光谱的(反)吸收峰P1、P2、P3。光谱透射率ILB2(λ)/I0(λ)可以例如在光谱位置λP1、λP2、λP3处达到局部最小值。每个峰P可以具有光谱宽度ΔλP。例如，由反峰P1表示的吸收线可以具有光谱宽度ΔλP1。光谱宽度ΔλP1可以是例如全宽度一半的最大宽度。光谱宽度ΔλP1可以表示例如透射强度ILB2等于(I0(λP1)-(I0(λP1)-ILB2(λP1))/2)的光谱位置处的光谱宽度。
气态物质的光谱宽度ΔλP1可能取决于样品气体GAS1的压力。可以通过降低样品气体GAS1的压力来减小光谱宽度ΔλP1。降低压力可以提高测量装置的有效光谱分辨率和/或检测限制，用于测量气态样品中的一种或更多种物质。降低压力可以促进测量气态物质的浓度。降低压力可以促进测量气态物质的浓度比率。
例如，装置500可以被布置成通过测量在一种或更多种波长(λ0、λP1、λP2、λP3)处，例如在4328.2nm至4329.2nm的光谱范围内的透射光LB2的强度ILB2，来测量呼吸空气样品GAS1的二氧化碳中所结合的13C的浓度。光源LS1的波长λLB0可以例如在4.3μm至4.4μm的范围内。
该方法可以包括将气态样品GAS1引导到加扰单元200中，并通过测量透射光LB2的光谱强度来测量样品GAS1的13C16O16O的浓度。
该方法可以包括将气态样品GAS1引导到加扰单元200中，并且通过测量透射光LB2的光谱强度来测量样品GAS1的12C18O16O的浓度。
该方法可以包括将气态样品GAS1引导到加扰单元200中，并通过测量透射光LB2的光谱强度来测量样品GAS1的12C16O16O的浓度。
该方法可以包括将气态样品GAS1引导到加扰单元200中，并且通过对在三个或更多个光谱位置(λ0、λ1、λ2)处的二氧化碳的光谱透射率进行检测，对结合在二氧化碳中的碳同位素13C的浓度与结合在二氧化碳中的碳同位素12C的浓度的比率进行测量。
参考图8a，测量装置500还可以包括压力控制系统VAC1以控制样品单元200的内部压力。系统VAC1可以被布置成将样品单元200的内部压力pGAS1保持在预定值处。压力控制系统VAC1可以降低内部压力pGAS1。
系统VAC1可以被布置成使样品单元200内的样品气体GAS1的绝对压力pGAS1保持例如低于50kPa(即低于500mbar)。系统VAC1可以被布置成将绝对压力pGAS1保持在例如1kPa至50kPa(10mbar至500mbar)的范围内。系统VAC1可以布置成将绝对压力pGAS1保持为例如基本上等于7.5kPa(75mbar)。通过将压力pGAS1保持在较低的值可以通过减少光谱压力加宽的影响来减小光谱SPEC1的光谱特征的光谱宽度(例如，ΔλP1)。降低光谱压力加宽的影响可以提供例如较低的信号噪声和/或可以提供较低的检测限制。
压力控制系统VAC1可以包括例如第一孔口VAL1、第二孔口VAL2、泵PUMP1、压力传感器PSEN1，以及压力控制单元CNT1。第一孔口VAL1可以是例如固定孔口或可调节阀。第二孔口VAL2可以是例如固定孔口或可调节阀。泵PUMP1可以被布置成将气体抽出单元200，从而降低单元200的内部压力。泵PUMP1可以通过第一孔口VAL1将样品气体GAS1抽入单元200中。第一孔口VAL1上的压力差p0-pGAS1可以取决于样品气体GAS1通过所述第一孔口VAL1的流速。p0可以表示环境压力。环境压力可以例如基本上等于100kPa。泵PUMP1和第一孔口VAL1可以被布置成提供压力差p0-pGAS1。部分真空系统VAC1可以包括压力传感器PSEN1以监测内部压力pGAS1。压力控制单元CNT1可以被布置成例如通过控制阀VAL1、VAL2中的一者或更多者的操作和/或通过控制泵PUMP1的操作来将内部压力pGAS1保持在预定值。泵PUMP1可以是例如活塞泵、隔膜泵或喷射器。
在降低的压力pGAS1下使用加扰单元200可以减少干扰干涉效应。干涉效应可以包括例如单元200的机械变形。压力差(p0-pGAS1)可能会使窗口WIN1、WIN2变形和/或移置，从而导致干涉峰的光谱位置的漂移(参见图1b中的峰PFk的漂移Δλdrift)。压力差可能引起力F0，该力可能使单元200变形。压力F0可以例如引起单元200的纵向尺寸L0的变化ΔL。
压力差(p0-pGAS1)也可能导致样品气体GAS1在单元200内的折射率发生变化。折射率的变化还可以通过引起单元200内的光学路径的有效长度的对应变化，引起干涉峰的光谱位置的漂移。使用加扰单元200可以减少由单元内部的低气压引起的干扰干涉效应。
可选的压力降低系统VAC1可以提供装置500的提高的光谱分辨率、检测限制和/或准确性。
然而，装置500也可以在没有压力降低系统VAC1的情况下被实施，例如为了降低制造成本。
测量装置500可以包括：
-可调谐激光光源LS1，用于提供照明光束LB0，
-用于容纳气态样品GAS1的样品单元200，该单元200包括内表面SRF1以通过对照明光束LB0的光进行反射来提供加扰光LB1，使得加扰光被透射通过气态样品GAS1，和
-检测器DET1，用于检测被引导通过样品单元200的透射加扰光LB2的强度ILB2，
其中，测量装置500被布置成：通过对照明光LB0的光谱位置λLB0进行调制，和通过对照明光LB0在两个或更多个不同光谱位置(λ0，λP1)处的透射光LB2的强度ILB2进行检测，测量样品GAS1的一个或更多个光谱透射率值(ILB2(λ)/I0(λ))，
其中内表面SRF1的纵向尺寸LSRF1在内表面SRF1的最小直径dSRF1的10倍至100倍的范围内，并且其中照明光束LB0在横向方向上的发散θLB0大于30°，以便引起使加扰光LB1的根据内表面SRF1的连续多次反射。
参考图8b，装置500还可以包括温度控制系统TSYS1，以使样品单元200的工作温度稳定。温度控制系统TSYS1可以包括例如用于加热样品单元200的加热器单元TUNI1、用于测量样品单元200的工作温度的温度传感器TSEN1、和用于基于测量到的工作温度来控制加热的温度控制单元CNT2。温度控制系统TSYS1可以包括用于增加单元200的工作温度的加热单元TUNI1。加热单元TUNI1可以是例如电阻电加热器。
也可以代替加热而对单元200进行冷却，或者可以除了加热之外还对单元进行冷却。温度控制系统TSYS1可以被布置成对该单元200进行加热和/或冷却。温度控制系统TSYS1可以包括用于降低单元200的工作温度的冷却单元TUNI1。冷却单元TUNI1可以包括例如珀尔帖(Peltier)冷却器。
装置500可选地包括温度控制系统，用于稳定和/或调制光源LS1的工作温度。例如，装置500可以被布置成调节激光源LS1的工作温度，以便调制照明光LB0的波长。
装置500可选地包括温度控制系统，用于使检测器DET1的工作温度稳定。
参考图9a和图9b，隧道CAV1也可以是弯曲的。非线性隧道CAV1可以包括一个或更多个弯曲的部分。例如，隧道CAV1从输入端到输出端的中心线曲线的形状可能为(拉丁文字母)字符“U”。可以沿着隧道CAV1的非线性中心线曲线从输入窗口WIN1的内表面到输出窗口WIN2的内表面测量单元200的纵向尺寸L0。
照明光束(LB0)的传播的初始方向可以例如与耦合出样品单元200的透射光LB2的传播方向基本相反。这种布置可以使得例如能够将光源LS1和检测器DET1安装在同一支撑元件上，以便提供稳定且紧凑的结构。隧道CAV1可以具有一个或更多个弯曲部分，例如以便允许将光源LS1和检测器DET1安装在同一支撑元件上。
可以例如通过机械加工和通过处理内表面来生产非线性隧道CAV1。可以例如通过弯曲金属管的一部分并通过处理内表面来生产非线性隧道CAV1。可以例如通过对一块金属钻孔并通过对内表面进行处理来生产如图3所示的线性隧道CAV1。可以通过例如磨削、通过喷砂、通过蚀刻和/或通过沉积涂层来处理内表面。样品单元200的内表面SRF1可以包括例如铝、银、金、铂或铑。内表面可以可选地涂覆有保护涂层。
参考图10，装置500可以被布置成测量物质的浓度的时间演变。装置500可以被布置成测量作为时间(t)的函数的浓度。装置500可以被布置成测量第一物质的浓度与第二物质的浓度的比率R的时间演变。装置500可以被布置成测量作为时间(t)的函数的比率。第一物质可以是例如13C16O16O。第二物质可以是例如12C16O16O。
该比率R可以在时间t0处具有初始值R(t0)。比率R可以在时间t1处具有第一值R(t1)。比率R可以在时间t2处具有第二值R(t2)。可以例如在将一定量的物质S0施用于对象SUB1之后立即测量初始值R(t0)。可以在施用物质S0的量之后在时间t1和t2处测量第一值R(t1)和第二值R(t2)。
初始值R(t0)可以表示系统1000的参考状态或对象SUB1的参考状态。初始值R(t0)也可以称为例如测量到的浓度比率的参考值、测量到的浓度比率的基线值或测量到的浓度比率的背景值。也可以例如在将一定量的物质S0施用于对象SUB1之前测量初始值R(t0)。
系统可以通过改变照明光LB0的波长，和通过测量作为波长函数的透射光LB2的强度，来测量样品GAS1的光谱透射率函数ILB2(λ)/I0(λ)。样品GAS1的吸收光谱SPEC1可以随后由测量到的光谱透射率函数ILB2(λ)/I0(λ)确定。
在预定波长λ处，透射光LB2的光谱强度ILB2与参考值I0的比率可能取决于样品中的气态成分的浓度、相互作用长度(L0)、样品气体GAS1的温度TGAS1和/或样品气体GAS1的压力pGAS1。因此，可以通过测量在一个或更多个光谱位置处的透射光的光谱强度ILB2，并通过从测量到的光谱强度ILB2和从参考值I0计算气态成分的浓度，来确定气态成分的浓度。
气态成分的浓度也可以通过在气态成分的吸收峰附近将线轮廓拟合到测量到的函数ILB2(λ)/I0(λ)来确定。
气态成分的浓度可以由函数ILB2(λ)/I0(λ)的吸收线面积确定。
第一气态成分可以通过吸收第一波长的光来形成第一吸收线。第二气态成分可以通过吸收第二不同波长的光来形成第二吸收线。该方法可以包括将第一吸收线的面积与第二吸收线的面积进行比较。该方法可以包括测量第一气态成分的浓度与第二气态成分的浓度的比率。该方法可以包括基于第一吸收线的面积与第二吸收线的面积的比率来确定第一成分的浓度与第二成分的浓度的比率。
为了测量同位素的浓度的比率，第二成分可以是例如分子中最丰富的同位素体，而第一成分可以是例如同一分子的不太丰富的同位素体。
参考值I0可以是例如透射光LB2的光谱强度的最大值。参考值I0和/或参考函数I0(λ)可以例如通过测量(非吸收)参考气体样品的吸收光谱来确定，该参考气体样品不包括测量的光谱范围内的吸收分子。参考气体样品可以是例如不包括二氧化碳的合成空气。可以例如通过形成纯气体的混合物或通过从环境空气样品中去除二氧化碳来形成参考气体样品。
吸收线的“面积”是指在光谱范围内与波长相关的吸收信号(ILB2(λ)/I0(λ))的积分，该光谱范围包括光谱线(例如P1)的中心波长(例如λP1)。
吸收线轮廓的光谱宽度可能主要取决于例如温度相关的多普勒加宽和压力诱导的碰撞加宽。
该方法可以包括将理论线轮廓拟合到测量到的数据。该方法可以包括例如通过将数学模型例如Voigt曲线拟合到测量到的吸收数据来确定峰吸收率、温度加宽和/或压力加宽。
该方法还可以包括基于一条或更多条光谱线的测量到的光谱位置确定测量到的数据的光谱尺度。光谱线的理论光谱位置可以例如通过使用高分辨率透射分子吸收数据库(HITRAN)来确定。HITRAN数据库由哈佛-史密森天体物理中心原子和分子物理部开发和维护。
执行直接吸收光谱法可以包括测量在一个或更多个光谱位置(波长)处的透射光的光谱强度，并通过将测量到的光谱强度值与参考值进行比较来确定样品的一种或更多种特性。执行直接吸收光谱法可以包括测量在一个或更多个光谱位置(波长)处的透射光的光谱强度，并通过将测量到的光谱强度值与参考光谱进行比较来确定样品的一种或更多种特性。也可以例如通过用(非吸收)参考气体填充样品单元200，和通过使用测量装置500用于测量参考气体的光谱透射率，来获得参考气体的参考光谱。
参考强度I0(λ)也可以是波长λ的(非常量)函数。例如，可以通过改变半导体激光器LS1的工作电流来调制照明光LB0的波长λLB0，其中照明光LB0的强度ILB0可以作为波长λ的函数而变化。可以通过改变半导体激光器LS1的工作电流来调制照明光LB0的波长λLB0，其中照明光LB0的强度ILB0可能会作为工作电流的函数而改变。该方法可以包括，例如通过改变照明光LB0的波长λLB0，和通过在单元200被填充参考气体时测量参考强度函数I0(λ)或参考透射率函数I0(λ)/ILB0，用(非吸收)参考气体填充单元200。
可以例如在测量吸收样品GAS1的光谱之前和/或之后测量参考强度函数I0(λ)。可以可选地例如通过使用一个或更多个辅助参考强度值I0,AUX(λ0)来校正参考强度函数I0(λ)。一个或更多个辅助参考强度值I0,AUX(λ0)可以在样品单元包含吸收样品GAS1时进行测量，例如在吸收样品GAS1具有可忽略不计的低光谱吸收率的光谱位置(λ0)处。参考强度函数I0(λ)可以被可选地校正，例如通过将参考强度函数I0(λ)与比率I0,AUX(λ0)/I0(λ0)相乘。该校正可以补偿例如检测器的响应漂移。可以可选地例如通过使用测量到的强度值ILB2(λ)、通过使用参考强度函数I0(λ)、和通过使用一个或更多个辅助参考强度值I0,AUX(λ0)，来确定测量到的光谱透射率值ILB2(λ)/I0(λ)。可以例如通过将测量到的光谱透射率值ILB2(λ)/I0(λ)与比率I0(λ0)/I0,AUX(λ0)相乘来确定校正的光谱透射率值。
被反射回激光光源LS1的光可能会干扰激光光源LS1的操作。加扰样品单元200可以减少或消除由来自检测器DET1的透射光LB2的反射引起的干扰效应。
使用加扰样品单元200可以通过减少或消除干扰干涉效应，来减少或消除单元的温度变化对测量到的光谱数据ILB2(λ)/I0(λ)的干扰效应。
测量装置500可以被布置成测量选自以下组的一种或更多种物质中的一种或更多种光谱特征：二氧化碳CO2、一氧化碳CO、水蒸气H2O、甲烷CH4、乙烯C2H4、被结合在CO2中同位素18O、被结合在CO2中的同位素13C、被结合在CO2中的同位素17O、被结合在水蒸气H2O中的同位素18O、氧化氘D2O、甲烷CH4、乙烯C2H4、被结合在乙烯C2H4中的氘(D)、被结合在乙烯C2H4中的同位素13C。
对于本领域的技术人员来说，将会清楚的是，根据本发明的设备、装置和方法的修改和变化是可以理解的。这些图是示意性的。以上参考附图描述的特定实施方式仅是说明性的，并不意味着限制由所附权利要求限定的本发明的范围。
Claims (10)
1.一种用于对气态样品(GAS1)的光谱(SPEC1)进行测量的测量装置(500)，所述装置(500)包括：
-可调谐激光光源(LS1)，所述可调谐激光光源(LS1)用于提供照明光束(LB0)，
-用于容纳所述气态样品(GAS1)的样品单元(200)，所述单元(200)包括内表面(SRF1)以通过对所述照明光束(LB0)的光进行反射来提供加扰光(LB1)，使得所述加扰光透射通过所述气态样品(GAS1)，
-检测器(DET1)，所述检测器(DET1)用于检测被引导通过所述样品单元(200)的透射加扰光(LB2)的强度(ILB2)，和
-压力控制系统(VAC1)，所述压力控制系统(VAC1)用于使在所述样品单元(200)内的所述气态样品(GAS1)的绝对压力(pGAS1)保持小于50kPa，以便减小所述气态样品(GAS1)的光谱特征(P1)的光谱宽度(ΔλP1)，
其中，所述测量装置(500)被布置成：通过对所述照明光(LB0)的光谱位置(λLB0)进行调制以及通过对所述透射光(LB2)在所述照明光(LB0)的两个或更多个不同光谱位置(λ0，λP1)处的强度(ILB2)进行检测，测量所述样品(GAS1)的一个或更多个光谱透射率值(ILB2(λ)/I0(λ))，
其中，所述内表面(SRF1)的纵向尺寸(LSRF1)在所述内表面(SRF1)的最小直径(dSRF1)的10倍至100倍的范围内，并且其中，所述照明光束(LB0)的在横向方向上的发散(θLB0)大于30°，以便引起所述加扰光(LB1)的根据所述内表面(SRF1)的多次连续反射。
2.根据权利要求1所述的装置(500)，其中，所述照明光束(LB0)从激光发射器(LS1)耦合到所述样品单元(200)中，而无需在所述激光发射器(LS1)与所述样品单元(200)之间使用聚焦和/或准直光学器件(LNS1)。
3.根据权利要求1或2所述的装置(500)，其中，所述照明光束(LB0)从所述激光发射器(LS1)耦合到所述样品单元(200)中，使得在所述激光发射器(LS1)与所述样品单元(200)之间的光学器件的屈光力小于50屈光度。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置(500)，其中，所述光源(LS1)是带间级联激光器或量子级联激光器。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置(500)，其中，所述装置(500)被布置成：对所述照明束(LB0)的波长(λLB0)进行调制；以及，通过对在三个或更多个光谱位置(λ0，λ1，λ2)处的二氧化碳的光谱透射率进行检测，对结合在二氧化碳中的碳同位素13C的浓度与结合在二氧化碳中的碳同位素12C的浓度的比率进行测量。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置(500)，其中，所述内表面(SRF1)的总反射率在所述照明光束(LB0)的波长(λLB0)处大于80％，并且其中，所述内表面(SRF1)的镜面反射率小于50％。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置(500)，其中，所述样品单元(200)的所述内表面(SRF1)的算术平均粗糙度Ra在所述照明光束(LB0)的光谱调制范围的最大波长(λMAX，λLB0)的0.25倍至2倍的范围内。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的装置(500)，其中，所述照明光束(LB0)的波长(λLB0)在4.3μm至4.4μm的范围内。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的装置(500)，其中，所述样品单元(200)的所述内表面(SRF1)的算术平均粗糙度Ra在0.5μm至8μm的范围内。
10.一种用于对气态样品(GAS1)的光谱(SPEC1)进行测量的方法，包括：
-提供照明激光光束(LB0)，
-提供用于容纳所述气态样品(GAS1)的样品单元(200)，所述单元(200)包括内表面(SRF1)，
-通过使用所述内表面(SRF1)反射所述照明光束(LB0)的光来提供加扰光(LB1)，从而使所述加扰光(LB1)透射通过所述气态样品(GAS1)，
-改变所述照明光(LB0)的光谱位置(λLB0)，
-对被引导通过所述样品单元(200)的透射加扰光(LB2)在所述照明光(LB0)的两个或更多个光谱位置(λ0，λP1)处的强度(ILB2)进行检测，以及
-使在所述样品单元(200)内的所述气态样品(GAS1)的绝对压力(pGAS1)保持小于50kPa，从而减小所述气态样品(GAS1)的光谱特征的光谱宽度，
其中，所述内表面(SRF1)的纵向尺寸(LSRF1)在所述内表面(SRF1)的最小直径(dSRF1)的10倍至100倍的范围内，并且其中，所述照明光束(LB0)的在横向方向上的发散(θLB0)大于30°，从而引起所述加扰光(LB1)的根据所述内表面(SRF1)的多次连续反射。
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