CN203324174U - 用于太赫兹系统中的多光程气室 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种用于太赫兹系统中的多光程气室，该多光程气室包括有一储气筒，储气筒两端密封设有石英窗；储气筒上设有进气口、出气口以及相应阀门；储气筒设置在一底座上；储气筒上设有真空泵连接口和压力传感器连接口；进气口上连接有流量计；在储气筒两端的石英窗外侧且位于底座上分别设有一主反射镜和一副反射镜，主反射镜和副反射镜呈平行设置；主反射镜在朝向副反射镜的一侧表面上设有多条平行设置且横截面呈直角三角形的凸棱；副反射镜在朝向主反射镜的一侧表面上设有多条平行设置且横截面呈直角三角形的凹槽；主反射镜上的凸棱与副反射镜上的凹槽呈对应设置。该气室通过主、副反射镜使太赫兹波能够进行多次反射，以实现长光程测量。

Description

用于太赫兹系统中的多光程气室

技术领域

本实用新型是关于一种利用太赫兹光谱对样品检测的装置，尤其涉及一种用于太赫兹系统中的多光程气室。

背景技术

当前，环境污染已经成为世界范围内人们普遍关注的话题，人类活动产生的大量化学物质对大气环境造成了严重的不利影响和危害。环境污染和生态破坏已经在一定程度上严重制约了经济的发展，并日益威胁到人类的健康安全。对生态环境和人类健康威胁大且排放量大的废气主要有：二氧化碳、甲烷等温室气体，以及氮氧化物、二氧化硫、磷、一氧化碳卤代烃、挥发性有机物等有毒气体，它们的浓度主要在ppt-ppm量级范围内。因此，精确测量这些污染气体成分，即进行痕量气体检测及识别混合气体中各成分的比例，具有非常重要的意义和迫切性。

实验室痕量气体检测中常用到的是多光程气室，其主要有White池和Herriott池及它们的改进型。

White池主要有一大两小三片共焦的凹球镜构成，可实现光束的多次折返传输；如图3所示，凹球镜A、B和C具有相同的曲率半径，凹球镜A的曲率中心落在凹球镜B和凹球镜C的中间，凹球镜B和凹球镜C的曲率中心分别落在凹球镜A镜面上固定两点处。入射光Q从凹球镜A的一侧入射到光学系统中，先经过凹球镜B的反射照射在凹球镜A上形成光点A1，从A1反射到凹球镜C上后再次反射照射在凹球镜A上形成光点A2，由此可逐步在凹球镜A上形成光点A3、A4……、An(n为奇数)，最后光束从凹球镜A的另一侧出射；形成的光点数越多，则光束在系统中往返次数越多，光程越长。人们在实验中发现，要使光束在怀特池(White池)系统中往返传播次数足够多，简单的调节方法是使光束入射点紧靠在凹球镜A的一侧，改变入射光束Q第一次落在凹球镜B上的位置，同时配合调节凹球镜B和凹球镜C的偏转角度，使在凹球镜A上形成的光点A1和A2尽量往边缘靠近，但要保证不会有光点落在边界上，造成能量的损失。凹球镜A的尺寸和凹球镜B、凹球镜C的曲率中心与凹球镜A中心的距离决定了系统可达到的最大光程长度。White池的特点是孔径角较大，适用于普通光源和激光光源，反射次数较多，光路相对易于调节，可以通过改变反射次数来调节光程长度，但所用的反射镜较多。

Herriott池的光学系统较简单，如图4所示，其是由两个凹面镜M1和M2组成，其要求两个等焦距凹面镜平行且同轴，入射光自透镜的一侧进入，经多次反射后射出；然而在实际应用中两个凹面镜安装在仪器上，没有光学平台和可调节光具座，不易使两凹面镜的主光轴重合，难以使反射光斑的分布对称于镜中心以充分利用镜子的尺寸得到最多的光反射次数；其特点是结构简单，但其孔径角较小，只适用于激光光源，另外其反射光斑位于镜面的边缘，镜面没能得到充分利用，且反射次数与镜面间的距离及曲率半径密切相关，一旦光路固定下来，光程无法改变，不具有光程调节的灵活性。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种用于太赫兹系统中的多光程气室，以克服现有技术的缺陷。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种用于太赫兹系统中的多光程气室，在储气筒两端的石英窗外侧分别设有一主反射镜和一副反射镜，通过主、副反射镜使太赫兹波能够进行多次反射，以实现长光程测量；该多光程气室结构轻巧，操作简单。

本实用新型的另一目的在于提供一种用于太赫兹系统中的多光程气室，气体样品不与反射镜直接接触，可对各种腐蚀性气体进行检测；既可用于痕量气体检测，也可用于混合气体成分分析检测。

本实用新型的目的是这样实现的，一种用于太赫兹系统中的多光程气室，所述多光程气室包括有一储气筒，所述储气筒两端密封设有石英窗；所述储气筒上设有进气口、出气口以及相应阀门；所述储气筒设置在一底座上；所述储气筒上设有真空泵连接口和压力传感器连接口；进气口上设有流量计；在储气筒两端的石英窗外侧且位于所述底座上，分别设有一主反射镜和一副反射镜，所述主反射镜和副反射镜呈平行设置；所述主反射镜在朝向副反射镜的一侧表面上设有多条平行设置且横截面呈直角三角形的凸棱，所述凸棱的两侧面夹角为直角；所述副反射镜在朝向主反射镜的一侧表面上设有多条平行设置且横截面呈直角三角形的凹槽，所述凹槽的两侧面夹角为直角；所述主反射镜上的凸棱与副反射镜上的凹槽数量相同且呈对应设置。

在本实用新型的一较佳实施方式中，所述储气筒是由耐腐蚀不锈钢材料制成。

在本实用新型的一较佳实施方式中，所述真空泵连接口连接有真空泵。

在本实用新型的一较佳实施方式中，所述压力传感器连接口连接有压力传感器。

在本实用新型的一较佳实施方式中，入射太赫兹波与所述主反射镜的第一条凸棱的外侧面呈45°夹角射入；出射太赫兹波与所述主反射镜的最后一条凸棱的外侧面呈45°夹角射出。

在本实用新型的一较佳实施方式中，所述主反射镜和副反射镜与底座之间分别设有沿储气筒轴向方向移动的平移装置。

由上所述，本实用新型用于太赫兹系统中的多光程气室，通过主、副反射镜使太赫兹波能够进行多次反射，以实现长光程测量；该多光程气室结构轻巧，操作简单；气体样品不与反射镜直接接触，可对各种腐蚀性气体进行检测；既可用于痕量气体检测，也能够方便快速地对不同压强的混合气体成分分析检测。

附图说明

以下附图仅旨在于对本实用新型做示意性说明和解释，并不限定本实用新型的范围。其中：

图1：为本实用新型用于太赫兹系统中的多光程气室的主视结构示意图。

图2：为本实用新型用于太赫兹系统中的多光程气室的俯视结构示意图。

图3：为现有White池的结构示意图。

图4：为现有Herriott池的结构示意图。

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本实用新型的具体实施方式。

如图1、图2所示，本实用新型提出一种用于太赫兹系统中的多光程气室100，所述多光程气室100包括有一储气筒1，所述储气筒是由耐腐蚀不锈钢材料制成；所述储气筒1两端密封设有石英窗2；所述储气筒1上设有进气口11、出气口12以及相应阀门，用于控制气体的进出；所述储气筒1设置在一底座3上；所述储气筒1上设有真空泵连接口13和压力传感器连接口14，所述真空泵连接口连接有真空泵，可对储气筒1进行抽真空操作，所述压力传感器连接口连接有压力传感器，用于显示储气筒1内的压强；进气口11上设有流量计；在储气筒1两端的石英窗2外侧且位于所述底座3上，分别设有一主反射镜41和一副反射镜42，所述主反射镜41和副反射镜42呈平行设置；所述主反射镜41在朝向副反射镜的一侧表面上设有多条平行设置且横截面呈直角三角形的凸棱411，所述各凸棱411的两侧面夹角为直角；所述副反射镜42在朝向主反射镜的一侧表面上设有多条平行设置且横截面呈直角三角形的凹槽421，所述各凹槽421的两侧面夹角为直角；所述主反射镜41上的凸棱411与副反射镜42上的凹槽421数量相同且呈对应设置。

由上所述，本实用新型用于太赫兹系统中的多光程气室，通过主、副反射镜使太赫兹波能够进行多次反射，以实现长光程测量；该多光程气室结构轻巧，操作简单；气体样品不与反射镜直接接触，可对各种腐蚀性气体进行检测；既可用于痕量气体检测，也能够方便快速地对不同压强的混合气体成分分析检测。

本实用新型的用于太赫兹系统中的多光程气室，配备有流量计和压力传感器，可检测进入气室内的气体样品的体积和压强，且气室与真空泵连接，可降低气室内压强。对于痕量气体检测，可使一定量的气体样品通过流量计进入气室，使太赫兹波自石英窗口的一侧进入气室，经多次反射并被气室内气体吸收后，从石英窗口的另一侧射出气室，进入探测器。对于混合气体成分分析，可通过流量计控制不同体积的气体进入气室，通过压力传感器读出气室内压强，从而可以测量不同压强对应的气体样品的太赫兹波吸收谱。对于检测后的废气，可以利用氮气洗腔，将气体充入特定的废气池，再统一进行处理，这样既不会对实验室仪器、实验环境及实验室工作人员造成伤害，也不会对大气造成污染。

所述的耐腐蚀不锈钢材料包括有Cr-Mo合金钢、22Cr-25Cr双相钢、Ni-Cr合金钢以及Ni基合金等。

在本实施方式中，入射太赫兹波与所述主反射镜41的第一条凸棱的外侧面呈45°夹角射入；出射太赫兹波与所述主反射镜的最后一条凸棱的外侧面呈45°夹角射出。

所述底座3是用于固定储气筒1和两个反射镜41、42的，其可以保证储气筒1在光学平台上平稳放置，并且保证两个反射镜41、42与储气筒1之间相对固定。

进一步，在本实施方式中，所述主反射镜和副反射镜与底座之间分别设有沿储气筒轴向方向移动的平移装置(图中未示出)，以便于调整光程。

下面通过具体的实施例来说明本实用新型用于太赫兹系统中的多光程气室的使用过程。

实施例1

利用本实用新型的多光程气室进行痕量气体检测。

首先将流量计接在进气口处，将压力传感器接在一数据接口上，以便与压强显示装置连接；将一放置样品的储气罐与进气口连接，打开进气口处的阀门，打开储气罐的减压阀，释放少量气体后迅速旋紧阀门，以排除储气口与进气口连接处的空气，然后旋紧进气口与出气口处的阀门，打开真空泵下的阀门，运行真空泵，将储气筒抽真空，旋紧阀门；使太赫兹波垂直透过石英窗口，扫描真空状态对应的太赫兹时域波谱，并以此曲线作为参考。

缓缓打开储气罐的减压阀，使少量气体样品经流量计进入储气筒，进入储气筒的气体样品的体积可由流量计读出，充入气体完成后，关闭储气罐的减压阀，并旋紧进气口的阀门。扫描此气体样品对应的太赫兹时域波谱，并记录此样品对应的体积。

为了检测不同浓度的痕量气体对应的太赫兹波谱，可继续向气室内充入气体样品，操作与上述充入气体的操作相同，每次扫描后记录气体样品对应的体积。

将气体样品对应的体积与储气筒的体积做比值，可求出气体样品的浓度。将样品的时域谱数据与参考的数据做对比，经数据处理后，也可得到对应的样品浓度。将实验得到的样品浓度与实际的样品浓度做对比，可得出太赫兹系统用于气体检测的精度。

实施例2

利用本实用新型的多光程气室对不同压强下混合气体成分分析，此混合气体可以是汽车尾气、大气污染物等混合气体，也可以是不同同位素的混合气体。

抽真空的操作与实施例1中相同，同样以真空状态对应的太赫兹波谱作为参考。在向储气筒内充入气体样品时，要同时观察流量计和压力传感器，待储气筒内气体样品满足特定压强后停止充气，并对此压强下的气体样品进行太赫兹波谱检测。然后继续向气室内充入气体样品，待满足特定压强后对气体样品进行检测，如此重复，直到达到所需的压强。

在上述实施例1和实施例2中，气体样品检测完成后，断开与进气口连接的气体样品的储气罐，将充有氮气的储气罐与进气口相连，将出气口与特定的废气桶连接，同时打开进气口与出气口处的密封阀门，并打开氮气罐的减压阀，使氮气进入气室中，从而使废弃的气体样品与氮气进入废气桶(即：氮气洗腔)。洗腔完成后无需旋紧密封阀门，从而使得储气筒内压强与大气压相同，以免储气筒内长时间高压或负压，对储气筒壁造成破坏。

在上述实施例1和实施例2中，为减少空气中水蒸汽对太赫兹波的吸收，储气筒外从产生太赫兹信号到探测太赫兹信号的这一段光路需处在氮气环境中，湿度要尽量小。

以上所述仅为本实用新型示意性的具体实施方式，并非用以限定本实用新型的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本实用新型保护的范围。

Claims (6)

1.一种用于太赫兹系统中的多光程气室，所述多光程气室包括有一储气筒，所述储气筒两端密封设有石英窗；所述储气筒上设有进气口、出气口以及相应阀门；其特征在于：所述储气筒设置在一底座上；所述储气筒上设有真空泵连接口和压力传感器连接口；进气口上设有流量计；在储气筒两端的石英窗外侧且位于所述底座上，分别设有一主反射镜和一副反射镜，所述主反射镜和副反射镜呈平行设置；所述主反射镜在朝向副反射镜的一侧表面上设有多条平行设置且横截面呈直角三角形的凸棱，所述凸棱的两侧面夹角为直角；所述副反射镜在朝向主反射镜的一侧表面上设有多条平行设置且横截面呈直角三角形的凹槽，所述凹槽的两侧面夹角为直角；所述主反射镜上的凸棱与副反射镜上的凹槽数量相同且呈对应设置。

2.如权利要求1所述的用于太赫兹系统中的多光程气室，其特征在于：所述储气筒是由耐腐蚀不锈钢材料制成。

3.如权利要求1所述的用于太赫兹系统中的多光程气室，其特征在于：所述真空泵连接口连接有真空泵。

4.如权利要求1所述的用于太赫兹系统中的多光程气室，其特征在于：所述压力传感器连接口连接有压力传感器。

5.如权利要求1所述的用于太赫兹系统中的多光程气室，其特征在于：入射太赫兹波与所述主反射镜的第一条凸棱的外侧面呈45°夹角射入；出射太赫兹波与所述主反射镜的最后一条凸棱的外侧面呈45°夹角射出。

6.如权利要求1所述的用于太赫兹系统中的多光程气室，其特征在于：所述主反射镜和副反射镜与底座之间分别设有沿储气筒轴向方向移动的平移装置。

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