[發明專利]基于雙腔式腔衰蕩技術的大氣NO3自由基濃度測量系統

有效

• 申請號: 201310637745.4
• 申請日: 2013-12-02
• 公開（公告）號: CN103674891B
• 公開（公告）日: 2017-02-01
• 發明（設計）人: 胡仁志;王丹;謝品華;方武;李傳新;陳浩;劉建國;劉文清
• 申請（專利權）人: 中國科學院安徽光學精密機械研究所
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39
• 代理公司: 安徽合肥華信知識產權代理有限公司34112
• 代理人: 余成俊

技術領域

本發明涉及大氣中NO₃自由基的檢測系統領域，具體為一種基于調制二極管激光器的雙腔式腔衰蕩技術的大氣NO3自由基濃度測量系統。

背景技術

NO₃自由基是夜間大氣中最重要的氧化劑，測量夜間大氣中NO₃自由基的濃度是開展夜間大氣化學研究的前提。目前，主要的測量方法有基質隔離電子順磁共振光譜（MI-ESR）技術，激光誘導熒光（LIF）技術，差分吸收光譜（DOAS）技術等三種，其中，MI-ESR技術是將基質隔離技術與電子順磁共振技術相結合用于測量高化學活性自由基的技術，需要低溫捕獲空氣樣品然后進行實驗室分析，不適合在線的濃度測量。LIF技術需要復雜的定標才能定量測量，且維護費用較高。DOAS技術利用NO₃自由基的窄帶吸收特性，根據窄帶吸收強度來反演其濃度，但需要在大氣中有較長的吸收光程（如3km），受環境影響較大。

腔衰蕩光譜技術是一種基于衰蕩腔的高靈敏測量技術，主要通過測量光在衰蕩腔中的衰蕩時間，衰蕩時間與衰蕩腔的腔鏡，基長以及腔內介質的散射和吸收有關，與光源光強的變化無關，具有靈敏度高，信噪比高，抗干擾強的特點。脈沖激光進入由高反鏡組成的衰蕩腔后，會有一部分光透過高反鏡射出，隨著光在高反腔中來回反射，透過的光會隨時間按單指數的方式衰減，對這樣一個過程稱之為一個衰蕩過程，對這個衰蕩過程單指數擬合可以獲得該過程的衰蕩時間。測量不含有待測氣體時的衰蕩時間為本底衰蕩時間τ₀，含有待測氣體時的衰蕩時間為τ，在已知待測氣體吸收截面σ的情況下，通過下面的公式可以獲得待測氣體的濃度：

[A]=RLcσ(1τ-1τ0)]]>

其中R_L為腔長和待測氣體吸收長度的比值，c為光速。

由于NO₃自由基在660nm處有一強的寬帶吸收，而且吸收截面已知，可以通過腔衰蕩技術準確測量其濃度。由于NO₃自由基活性強，壽命短，采用兩個衰蕩腔在測量NO₃自由基的衰蕩時間時，同步測量除NO₃自由基外其他氣體的本底衰蕩時間，避免本底衰蕩時間不同步引起測量誤差，準確獲得NO₃自由基的濃度。然而，由于一般采用YAG激光器泵浦染料激光器為脈沖光源，體積大，費用高，維護困難，不利于小型化，難以發展為儀器。隨著連續二極管激光器的發展，使用外部調制的紅光二極管激光器為光源代替傳統的YAG和染料激光器組合成為可能。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于雙腔式腔衰蕩技術的大氣NO3自由基濃度測量系統，以解決現有技術現有技術存在的不足。

為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案為：

基于雙腔式腔衰蕩技術的大氣NO3自由基濃度測量系統，其特征在于：包括函數發生器、二極管激光器、光隔離器、第一反射鏡、分束鏡、第二反射鏡、第一衰蕩腔、第二衰蕩腔、兩組窄帶濾色片、兩組光電探測器、采集卡，所述函數發生器與二極管激光器連接，第一、第二衰蕩腔各自兩端分別設置有入光口、出光口，第一、第二衰蕩腔內后部分別設置有高反鏡，第一衰蕩腔上設置有進氣口，第二衰蕩腔上設置有出氣口，且第一、第二衰蕩腔通過衰蕩腔連接口連通，由第一衰蕩腔的進氣口與衰蕩腔連接口之間、第二衰蕩腔的出氣口與衰蕩腔連接口之間構成氣體吸收區域，兩組窄帶濾色片一一對應設置在第一、第二衰蕩腔出光口處，兩組光電探測器與兩組窄帶濾色片一一對應光學配合，且兩組光電探測器分別接入采集卡；