[發明專利]一種穩定同位素豐度實時在線監測裝置和方法

有效

• 申請號: 201310038791.2
• 申請日: 2013-01-31
• 公開（公告）號: CN103115894A
• 公開（公告）日: 2013-05-22
• 發明（設計）人: 夏滑;龐濤;張志榮;吳邊;王高旋;董鳳忠
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;成金玉

1.一種穩定同位素豐度實時在線監測裝置，其特征在于：包括激光器、離軸積分腔、波長計、光電探測器、信號發生器、鎖相放大器、采集A/D以及信號處理系統，其中，

所述激光器為可調諧半導體激光器，用于輸出激光到離軸積分腔和波長計；

所述離軸積分腔用于容納氣體，腔體側面連接進出氣口，同時使入射到腔內的激光光束來回多次反射，極大地增加測量氣體的吸收光程長度，從而提高檢測氣體的靈敏度；

所述波長計用于監測激光器的輸出波長，并反饋給信號處理系統；

所述光電探測器用于接收由所述離軸積分腔出射的激光，將包含目標元素氣體吸收的光信號轉換為電信號，同時為保證探測器的響應度和穩定性，探測器含有前置放大電路和制冷裝置；

所述信號發生器用來產生低頻掃描信號和高頻調制信號，對所述激光器進行波長掃描和調制，使其產生同時測量含目標元素氣體同位素的兩條相鄰吸收譜線，同時高頻調制信號引入所述鎖相放大器，進行信號的解調；

所述鎖相放大器用于將調制后的吸收信號解調放大，得到反應氣體吸收強度的二次諧波信號，利用相鄰同位素二次諧波信號的比值，可以計算出目標元素的同位素豐度；

所述采集A/D用于接收所述光電探測器輸出的電信號，經過模數轉換后進入所述信號處理系統；

所述信號處理系統的主要功能包括以下幾個方面：（1）通過激光控制器調節激光器溫度和注入電流，控制激光器的輸出波長和功率；（2）接收波長計的反饋信號，判斷激光器掃描波長范圍和氣體吸收線中心波長位置，根據此改變激光器的注入電流和溫度，鎖定波長，使其輸出波長位于氣體吸收線上，并由此精確判斷同位素分子吸收信號的波長位置，根據不同波長處同位素分子的吸收濃度，計算出該氣體分子的同位素豐度；（3）控制信號發生器產生的信號幅度和頻率，其中鋸齒波是低頻信號，一般為幾十赫茲，用來掃描激光波長；正弦信號為高頻信號，一般為幾十千赫茲，其中一路加載在所述激光器上，用來調制信號，一路引入所述鎖相放大器，用來解調由所述光電探測器接收的調制吸收信號；（4）將通過采集A/D接收到的二次諧波信號做適當的算法處理，計算同位素分子的濃度比值，比較相其與標準同位素氣體濃度比值的偏差，得到目標元素的同位素豐度。

2.如權利要求1所述的穩定同位素豐度實時在線監測裝置，其特征在于，該裝置還包括角度可調棱鏡、準直裝置和準直透鏡，

所述角度可調棱鏡將由所述激光器產生的激光束分成兩部分，一部分進入波長計，另一部分進入所述離軸積分腔，同時調節光束入射角度，使進入積分腔內的光束離軸入射，在積分腔鏡面上形成圓或橢圓的反射光斑；

所述準直裝置是位于所述激光器與所述角度可調棱鏡之間的透鏡組，該透鏡組用于準直從所述激光器發出的激光光束；位于角度可調棱鏡與所述離軸積分腔之間的準直透鏡用來將光束耦合進積分腔。

3.如權利要求1所述的穩定同位素豐度實時在線監測裝置，其特征在于，該裝置還包括激光控制器，用于控制所述激光器的輸出波長和功率。

4.如權利要求1所述的穩定同位素豐度實時在線監測裝置，其特征在于，該裝置還包括壓電陶瓷控制器和溫度壓力控制器，

所述壓電陶瓷控制器用于調節所述離軸積分腔的腔體長度，同時消除腔內鏡面間可能產生的干涉效應；

所述溫度壓力控制器用于控制所述離軸積分腔內的溫度和壓力，因為氣體吸收強度與溫度和壓力密切相關，所以精確控制腔內的溫度和壓力是實現氣體高靈敏探測的關鍵技術之一，溫度控制穩定精度為±0.01K，壓力控制穩定精度為0.01%大氣壓以上。

5.如權利要求1所述的穩定同位素豐度實時在線監測裝置，其特征在于，該裝置還包括離軸拋物鏡，用于收集所述離軸積分腔的出射光，經過其準直后的光束到達所述光電探測器。