[發明專利]一種基于飛秒激光誘導熒光測量氣態氨的裝置及方法

在審

• 申請號: 202010434269.6
• 申請日: 2020-05-21
• 公開（公告）號: CN111693498A
• 公開（公告）日: 2020-09-22
• 發明（設計）人: 李博;劉吉緒;張大源;高強
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01N21/64
• 分類號: G01N21/64;G01J3/44;G01J3/10;G01J3/12
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉子文

本發明公開一種基于飛秒激光誘導熒光測量氣態氨的裝置及方法，裝置包括含有氨氣(NH₃)的待測流場、飛秒激光器、光學參量放大器、聚焦透鏡、光束截止器、成像透鏡、光譜儀、ICCD相機和計算機，所述光譜儀設置于待測流場的一側，所述光譜儀與所述ICCD相機相連，光譜儀和ICCD相機均與計算機相連，所述飛秒激光器出射的激光經所述Topas調整得到波長為305nm的激光，波長為305nm的激光依次經過聚焦透鏡、待測流場和光束截止器，所述待測流場和所述光譜儀之間設有所述成像透鏡。

技術領域

本發明涉及飛秒激光光譜技術領域，等離子體領域和氣體診斷領域，具體是基于飛秒激光誘導熒光技術實現流場中氣態氨(NH₃)的測量。

背景技術

實現對大氣或流場中氣態氨(NH₃)的測量在諸多領域具有重要意義。首先，作為化工行業常用的化學品，NH₃廣泛應用在化肥、制冷等產業，它具有刺激性氣味、有毒，若長期暴露在NH₃的環境中，會對身體造成一定的傷害，在大氣環境中進行NH₃的檢測一定程度上可以降低由于NH₃泄露帶來的危害^[1]。其次，柴油機等燃燒設備的脫硝過程也離不開NH₃。柴油機后處理裝置中的尿素分解出NH₃，能夠有效降低尾氣中的氮氧化物，但是尿素若分解過量，則會使過量的NH₃排放到大氣中造成二次污染，因此在這一過程中需要對NH₃進行精確測量與控制^[2]。第三，在燃燒領域，NH₃可作為一種不含碳元素的清潔燃料，對其燃燒特性的研究與分析有助于促進相關燃燒機理的研究與燃燒模型的建立，因此實現對燃燒場中NH₃的測量極為關鍵^[3]。

目前已知的關于氣態氨(NH₃)的測量方法主要分為取樣測量和實時測量。取樣測量主要有電流檢測法、熒光比率法和比色法等^[4-6]。取樣測量需從待測環境中提取部分氣體或溶液，利用氨傳感器對樣品進行檢測，或者是將氨傳感器直接置于待測環境中進行檢測。雖然取樣法測量操作簡便，系統簡單，檢測極限也可低至幾ppm，但取樣測量破壞了待測流場的初始條件，具有干擾性，通常對NH₃的存在形式(溶液)也有要求，且測量系統的響應時間比較長(約20s)，因此不能實現氣態氨(NH₃)的實時在線測量，很難將其應用到燃燒流場或封閉流場^[7,8]。

基于激光的光學測量在這一方面具有較大的優勢，可實現氨的實時在線測量，且對待測流場具有非干擾性，近年來在流場組分測量方面逐漸受到重視。關于氣態氨(NH₃)的激光診斷技術主要是基于納秒激光(1ns＝10^-9s)開發的^[9,10]，利用納秒激光共振激發流場中的NH₃，使其發生電子能級躍遷，向外釋放出熒光，通過探測熒光信號可實現NH₃的測量。目前該方法已獲得較高的時間空間分辨率，但僅能實現高濃度NH₃的測量(800ppm)，而且在燃燒場中NH₃的成像質量較差。

隨著激光技術的發展，飛秒激光在流場組分測量方面應用越來越廣泛，相比于納秒激光，飛秒激光的脈沖寬度低于納秒激光5個數量級，激光峰值能量極高，可大幅提高誘導產生的熒光信號強度；而且脈沖積分能量低，解決了測量過程中的干擾問題。目前尚無相關工作基于飛秒激光誘導熒光實現流場中氣態氨(NH₃)的測量，本發明擬提出一種基于飛秒激光誘導熒光測量氣態氨(NH₃)的方法。

參考文獻：

[1]胡逸.工業氨氣泄漏報警系統[D].哈爾濱理工大學,2016.

[2]張濤,賀蕾,張彥.燃煤鍋爐煙氣氨法脫硝實時監測系統[J].輕工學報,2014(3):97-99.