專(zhuān)利名稱(chēng)：自發(fā)喇曼散射技術(shù)測(cè)量氣體組分濃度的測(cè)試裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種氣體組分濃度的測(cè)量裝置，特別是涉及一種利用自發(fā)喇曼散射技術(shù)來(lái)測(cè)量氣體組分濃度的測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
氧碘化學(xué)激光器發(fā)展二十年，其最關(guān)鍵的部件---單重態(tài)氧發(fā)生器的性能參數(shù)測(cè)量一直是人們關(guān)注的問(wèn)題，對(duì)氧碘化學(xué)激光器性能參數(shù)的測(cè)試而言，尋求一種準(zhǔn)確方便、切實(shí)可行的方法非常必要。O2(1Δ)是氧碘化學(xué)激光器(COIL)的能源。氧碘化學(xué)激光器輸出的功率直接與O2(1Δ)的產(chǎn)率有關(guān)，O2(1Δ)是在單重態(tài)氧發(fā)生器(SOG)中由氯氣和化學(xué)溶液反應(yīng)而產(chǎn)生的，因此O2(1Δ)的產(chǎn)率和氯氣的利用率是SOG和COIL的重要參數(shù)之一，測(cè)量SOG的氯氣利用率和O2(1Δ)的產(chǎn)率具有重要意義。
人們研究不同SOG的性能時(shí)，也探索了各種測(cè)量O2(1Δ)產(chǎn)率的方法，如文獻(xiàn)中(宋雪琴，張榮耀，陳方，國(guó)寶川，分析儀器，4，1(1987))曾部分概括的那樣，PRS法比較昂貴；光電離光譜法，位于真空紫外，靈敏度低易受干擾；質(zhì)譜法準(zhǔn)確度不高；量熱法主要適用于小型SOG，而規(guī)模一大，漏檢等誤差因素增大；發(fā)射光譜法(O.Spalek，J.Kodymova，V.Balek，P.Stopka，and I.Micek，SPIEVol.3574，550-559，Xll International Symposium on Gas Flow andChemical Lasers and High-Power Laser Conference，31 Aug.-5 Sep.1998，St.Petersburg，Russia)，其譜線(xiàn)強(qiáng)度難以準(zhǔn)確標(biāo)定；吸收光譜法(M.G.Allen，K.L.Carleton，S.J.Davis etal，25th AIAA Plasmadynamicsand Lasers Conference AIAA paper 94-2433，Colorado Spring，CO，1994；Yong Xu，Xinzhi Sheng，Julong Sun，etal，SPIE Vol.3612，32(1999))提出了利用可調(diào)諧二極管激光器和利用光腔衰蕩光譜(Cavity Ring-DownSpectroscopy)技術(shù)測(cè)基態(tài)氧的方法等，是借助于Cl2利用率的參數(shù)，間接得到O2(1Δ)濃度從而得到產(chǎn)率的方法，不是直接測(cè)量，而且信噪比仍須進(jìn)一步提高。至于氯氣利用率，目前主要是通過(guò)氯對(duì)波長(zhǎng)325nm的紫外光的吸收(劉萬(wàn)發(fā)，王科，徐增和，桑鳳亭，量子電子學(xué)報(bào)，18，5(2001))，由比爾定律根據(jù)透射光強(qiáng)的變化得到殘余氯量，并由此得到氯氣的利用率。因此測(cè)定這兩個(gè)參數(shù)需要分別借助兩套不同的裝置和設(shè)備來(lái)進(jìn)行，過(guò)程繁瑣，而且都需要另外進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，由于標(biāo)定與實(shí)驗(yàn)環(huán)境間存在差異，所以會(huì)引入較大誤差，一般都在20％-30％，甚至更高。
針對(duì)上述存在的問(wèn)題，又有人提出了一種用自發(fā)喇曼探測(cè)法測(cè)得O2(a1Δ)和O2(X3∑)的喇曼散射光譜的方法，由各自的散射截面求得其相對(duì)濃度，然后由O2(a1Δ)的濃度除以總氧的濃度即可求出O2(a1Δ)的產(chǎn)率。該裝置包括發(fā)生器輸送段(樣品池)、收集系統(tǒng)和探測(cè)系統(tǒng)，收集系統(tǒng)由準(zhǔn)直透鏡和聚焦透鏡組成為一個(gè)整體。探測(cè)系統(tǒng)由探測(cè)單色儀、帶通濾光片和ICCD組成(V.Tom Gylys and Larry F.Rubin，“Direct measurement of O2(a1Δ)and O2(X3∑)in chemical oxygen-iodinelasers with use of spontaneous Raman imaging”，Applied Optics，Vol.37，No.6，P1026，1998)。該裝置用YLF激光作泵浦光，用組合透鏡系統(tǒng)收集喇曼散射信號(hào)，再由探測(cè)單色儀和ICCD獲得發(fā)生器輸送段中O2(a1Δ)和O2(X3∑)的喇曼光譜，由此得到單態(tài)氧的產(chǎn)率。該裝置的不足之處是采用組合透鏡收集信號(hào)，不易調(diào)節(jié)光路；該裝置只能得單態(tài)氧的產(chǎn)率，不能測(cè)量其它的組分濃度，具有很大的局限性。
以上現(xiàn)有的測(cè)量裝置都不同程度地存在著這樣或那樣的缺點(diǎn)和不足，有的標(biāo)定不易，有的測(cè)試低壓可以，測(cè)量稍高壓時(shí)則會(huì)引入較大誤差。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種利用自發(fā)喇曼散射技術(shù)測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量的測(cè)試裝置，該裝置操作方便、精確度高、無(wú)需另外進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。
為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案是一種自發(fā)喇曼散射技術(shù)測(cè)量氣體組分濃度的測(cè)試裝置，配合氣體樣品池而實(shí)施，包括激光器、收集系統(tǒng)、探測(cè)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；激光器為線(xiàn)偏振激光；收集系統(tǒng)為一透鏡，并垂直于激光束設(shè)置；探測(cè)系統(tǒng)為一帶有ICCD陣列探測(cè)器的光柵光譜儀；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是一臺(tái)帶有樣品物質(zhì)的濃度的數(shù)學(xué)計(jì)算例程的計(jì)算機(jī)；上述的激光器設(shè)置在氣體樣品池的一端，其發(fā)出的激光束聚焦在氣體樣品池中，收集系統(tǒng)垂直激光束設(shè)置在樣品池的另一側(cè)，收集系統(tǒng)的輸出端與探測(cè)系統(tǒng)連接，探測(cè)系統(tǒng)的輸出端與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)連接。
上述的透鏡可以是雙凸透鏡、平凸透鏡或彎月透鏡；上述的透鏡還外設(shè)有一消光筒；上述的ICCD還通過(guò)示波器連接有一可接收光信號(hào)的光探頭；上述的光柵光譜儀狹縫前設(shè)有濾光裝置。
本實(shí)用所提供的測(cè)試裝置是通過(guò)一輻射源，發(fā)出線(xiàn)偏振光，到達(dá)樣品氣體組分的表面；然后通過(guò)單透鏡收集喇曼散射信號(hào)，并經(jīng)過(guò)可同時(shí)觀測(cè)多組分喇曼光譜的探測(cè)裝置進(jìn)行分辯處理，最后經(jīng)過(guò)一臺(tái)帶有多個(gè)被測(cè)樣品物質(zhì)的濃度的數(shù)學(xué)計(jì)算例程的計(jì)算機(jī)，同時(shí)得到多個(gè)被測(cè)樣品組分的濃度。
本實(shí)用新型利用自發(fā)喇曼散射技術(shù)測(cè)定氣體組分濃度的測(cè)量原理按照分子光譜學(xué)知識(shí)，自由分子由始態(tài)m躍遷到終態(tài)n所對(duì)應(yīng)的喇曼散射總強(qiáng)度為Imn=27π532c4I0(v0-vmn)4Σi,j|(αij)mn|2---(1)]]>其中(αij)mn=1hΣr[(Mj)mr(Mi)rnvmr-v0+(Mi)mr(Mj)rnvrn+v0]---(2)]]>式中I0-頻率為v0的入射光強(qiáng)vmn-喇曼頻移r-與某一電子激發(fā)態(tài)相聯(lián)系的中間態(tài)(Mi)rn-從r到n態(tài)i方向的電偶極躍遷矩(Mj)mr-從m到r態(tài)j方向的電偶極躍遷矩喇曼譜線(xiàn)的強(qiáng)度主要決定于散射分子的結(jié)構(gòu)，激發(fā)條件對(duì)于譜線(xiàn)的影響較小，當(dāng)分子之間不存在顯著的分子相互作用時(shí)，喇曼譜線(xiàn)的強(qiáng)度與單位體積中所含散射物質(zhì)分子數(shù)以及分子的喇曼散射截面成正比。如果在測(cè)度點(diǎn)處加入某種已知絕對(duì)濃度的物質(zhì)時(shí)，根據(jù)各物種散射強(qiáng)度的比較以及各自的散射截面就可確定出各物種的絕對(duì)濃度。
設(shè)待測(cè)組分的絕對(duì)濃度為[M]，則有[M]=I/σI0/σ0·[M0]---(3)]]>式中I-待測(cè)組分喇曼散射譜線(xiàn)強(qiáng)度σ-待測(cè)組分喇曼散射截面I0-已知絕對(duì)濃度物質(zhì)的喇曼散射譜線(xiàn)強(qiáng)度σ0-已知絕對(duì)濃度物質(zhì)的喇曼散射截面[M0]-已知物質(zhì)的絕對(duì)濃度由理想氣體狀態(tài)方程，可知待測(cè)組分M的分壓PΔ為PΔ＝[M]·R·T=I/σI0/σ0·[M0]·R·T]]>式中R-普適氣體常數(shù)T-測(cè)試點(diǎn)氣體的絕對(duì)溫度K本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)及效果1.一般散射強(qiáng)度較大的情況下，對(duì)泵浦光以及收集探測(cè)系統(tǒng)的要求不是很高，但是對(duì)于低壓氣體組分濃度的測(cè)定，由于其喇曼散射信號(hào)異常微弱，故對(duì)上述各項(xiàng)均有不同程度的要求，以盡量提高信噪比。由于喇曼散射具有偏振效應(yīng)，故本實(shí)用新型將泵浦光改為線(xiàn)偏振激光，在相同功率下使喇曼信號(hào)強(qiáng)度提高，改善了信噪比。
2.收集和探測(cè)系統(tǒng)也做了改進(jìn)，采用單透鏡使得光路簡(jiǎn)單、易于調(diào)節(jié)，增加了消光筒，一定程度上避免了雜散光的影響，大大地提高了信噪比；探測(cè)系統(tǒng)采用光柵光譜儀和ICCD，用光譜儀分光，使得光柵和中心波長(zhǎng)可以根據(jù)測(cè)試的需要隨時(shí)可調(diào)，操作簡(jiǎn)便，測(cè)試速度快、利于不同組分喇曼光譜的獲得。
3.本實(shí)用新型的裝置容易操作，不但可以利用同一裝置同時(shí)測(cè)定單重態(tài)氧發(fā)生器(SOG)中O2(1Δ)產(chǎn)率和氯氣利用率兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，而且可以實(shí)時(shí)標(biāo)定，不需要另外進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，避免了由于激光器能量波動(dòng)等因素造成的相對(duì)誤差，因此測(cè)量精度較高，是測(cè)量氣體組分濃度簡(jiǎn)便易行的方法。
4.本實(shí)用新型不僅對(duì)局限于上述單重態(tài)氧發(fā)生器的性能測(cè)量，還適于其它的氣體組分濃度的測(cè)量，尤其適合于低壓氣體組分的測(cè)定。


圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新型的實(shí)施例；圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例所測(cè)的發(fā)生器出口氣流的喇曼散射光譜。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1請(qǐng)參閱圖1，一種自發(fā)喇曼散射技術(shù)測(cè)量氣體組分濃度的測(cè)試裝置由激光器、收集系統(tǒng)、探測(cè)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成，激光器1為線(xiàn)偏振激光，在到達(dá)樣品池A前，通過(guò)一透鏡11，以匯集激光束，加強(qiáng)其光密度；樣品池A的下方設(shè)有一用于吸收激光的裝置12，以防止激光散射。收集系統(tǒng)為一透鏡2，該透鏡2為可匯集光束的雙凸透鏡、平凸透鏡或彎月透鏡；其外部套設(shè)有一消光筒7；探測(cè)系統(tǒng)為一帶有陣列探測(cè)器ICCD 9的光柵光譜儀3，光柵光譜儀3的前方設(shè)有濾光片8，光柵光譜儀3光柵可調(diào)節(jié)，可同時(shí)觀測(cè)多個(gè)組分的喇曼光譜，并隨樣品物質(zhì)不同組分調(diào)整光譜范圍；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是一臺(tái)帶有樣品物質(zhì)的濃度的數(shù)學(xué)計(jì)算例程的計(jì)算機(jī)4。其中，ICCD的一端口還通過(guò)示波器6連接有一可接收光信號(hào)的光探頭5，用以接受光信號(hào)，對(duì)ICCD起到一個(gè)參考光的作用，另兩個(gè)端口分別與脈沖發(fā)生器10和計(jì)算機(jī)4相連，該脈沖發(fā)生器10的輸入端則與激光器1相連，并由該脈沖發(fā)生器10控制ICCD的快門(mén)。
上述測(cè)量裝置可對(duì)大氣、高壓及低壓下的各種氣體組分的濃度進(jìn)行測(cè)定。
實(shí)施例2下面以單重態(tài)氧發(fā)生器的性能參數(shù)測(cè)量為例以說(shuō)明本實(shí)用新型的裝置的使用方法。
我們利用自發(fā)喇曼散射光譜測(cè)得N2、O2(a1Δ)and O2(X3∑)的濃度，首次利用同一裝置同時(shí)測(cè)得了O2(1Δ)的產(chǎn)率和氯氣的利用率。
請(qǐng)參閱圖2，由于氣體壓力較低，所以要求泵浦光功率較高，因此一般采用高功率的脈沖激光器，本實(shí)施例采用YAG激光器。樣品池A為單重態(tài)氧發(fā)生器14(SOG)的氣流輸送段，從SOG14出來(lái)的O2(1Δ)混合氣流，由真空泵13以一定的速率抽走，使氣體保持在負(fù)壓狀態(tài)下。在SOG14出口處的氣流輸送管道上開(kāi)窗口，YAG激光器1的激光由透鏡11經(jīng)窗口聚焦于測(cè)試點(diǎn)處，在與激光光束垂直方向用一f/1.6的透鏡2經(jīng)消光筒7收集散射的喇曼散射信號(hào)，并使散射光聚焦于帶有帶阻濾光片8(notch-filter)的f/6.5的Acton Spectrpro 500光柵光譜儀3的狹縫上，經(jīng)光柵分光，成像在1024×256的ICCD9上，ICCD制冷-25口，以減小暗電流的影響，由計(jì)算機(jī)4數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)得到結(jié)果。計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有以下(5)、(6)公式，用以計(jì)算所需的數(shù)值。
發(fā)生器的氯氣利用率和出口處O2(1Δ)的產(chǎn)率可由(5)、(6)式分別求得η=[O2][Cl2]=[O2][N2]·[N2][Cl2]=[O2][N2]·b=(a1+a2)·b---(5)]]>Y=[O2(a1Δ)][O2(a1Δ)]+[O2(X3Σ)]]]>=IO2(a1Δ)/σO2(a)IO2(a1Δ)/σO2(a)+IO2(X3Σ)/σO2(X)]]>=IO2(a1Δ)IO2(a1Δ)+IO2(X3Σ)(σO2(a)/σO2(X))---(6)]]>其中η-氯氣利用率Y-O2(1Δ)產(chǎn)率a1-O2(1Δ)濃度與N2濃度之比a2-O2(3∑)濃度與N2濃度之比b-氮氯比采用自發(fā)喇曼光譜技術(shù)利用圖1所示裝置對(duì)0.1mol射流式單態(tài)氧發(fā)生器出口處O2(1Δ)的產(chǎn)率和氯氣利用率進(jìn)行了不同條件的測(cè)試，測(cè)得的典型喇曼散射光譜見(jiàn)圖3，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。
表1 O2(1Δ)的產(chǎn)率和氯氣利用率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

其中P-發(fā)生器出口處壓力利用自發(fā)喇曼散射光譜法測(cè)量O2(1Δ)產(chǎn)率和氯氣利用率時(shí)我們對(duì)其進(jìn)行了誤差分析1.O2(1Δ)產(chǎn)率的相對(duì)誤差O2(1Δ)產(chǎn)率的相對(duì)誤差可通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算|dYY|=IO2(X3Σ)β(IO2(a1Δ)+IO2(X3Σ)β)[|dββ|+|dIO2(X3Σ)IO2(X3Σ)|+|dIO2(a1Δ)IO2(a1Δ)|---(7)]]>其中β-O2(1Δ)與O2(3∑)喇曼散射截面的比值從我們的測(cè)試結(jié)果，當(dāng)信噪比大于10時(shí)，O2(1Δ)產(chǎn)率測(cè)量總的相對(duì)誤差小于8％。
2.氯氣利用率測(cè)量的相對(duì)誤差氯氣利用率測(cè)量的相對(duì)誤差可由下面誤差公式計(jì)算|dηη|=|d[IO2(a1Δ)+IO2(X3Σ)β][IO2(a1Δ)+IO2(X3Σ)β]|+|dIN2IN2|---(8)]]>當(dāng)信噪比大于10時(shí)，氯氣利用率測(cè)量總的相對(duì)誤差小于12％。
權(quán)利要求1.一種自發(fā)喇曼散射技術(shù)測(cè)量氣體組分濃度的測(cè)試裝置，配合氣體樣品池而實(shí)施，包括激光器、收集系統(tǒng)、探測(cè)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其特征在于激光器為線(xiàn)偏振激光；收集系統(tǒng)為一單透鏡，并垂直于激光束設(shè)置；探測(cè)系統(tǒng)為一帶有ICCD陣列探測(cè)器的光柵光譜儀，可用于調(diào)整樣品物質(zhì)的光譜范圍；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是一臺(tái)帶有樣品物質(zhì)的濃度的數(shù)學(xué)計(jì)算例程的計(jì)算機(jī)；上述的激光器設(shè)置在氣體樣品池的一端，其發(fā)出的激光束聚焦在氣體樣品池中，收集系統(tǒng)垂直激光束設(shè)置在樣品池的另一側(cè)，收集系統(tǒng)的輸出端與探測(cè)系統(tǒng)連接，探測(cè)系統(tǒng)的輸出端與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)連接。
2.按照權(quán)利要求1所述的測(cè)試裝置，其特征在于所述的透鏡是雙凸透鏡、平凸透鏡或彎月透鏡。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的測(cè)試裝置，其特征在于所述的透鏡還外設(shè)有一消光筒。
4.按照權(quán)利要求1所述的測(cè)試裝置，其特征在于所述的ICCD還通過(guò)示濾器連接有一可接收光信號(hào)的光探頭。
5.按照權(quán)利要求1所述的測(cè)試裝置，其特征在于所述的光柵光譜儀前方設(shè)有濾光裝置。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種自發(fā)喇曼散射技術(shù)測(cè)量氣體組分濃度的測(cè)試裝置，該裝置包括激光器、收集系統(tǒng)、探測(cè)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，激光器發(fā)出線(xiàn)偏振激光；收集系統(tǒng)為一透鏡，探測(cè)系統(tǒng)為一帶有ICCD陣列探測(cè)器的光柵光譜儀，可用于調(diào)整樣品物質(zhì)的光譜。本實(shí)用新型采用單透鏡使得光路簡(jiǎn)單、易于調(diào)節(jié)，增加了消光筒，一定程度上避免了雜散光的影響，大大地提高了信噪比；探測(cè)系統(tǒng)采用光柵光譜儀和ICCD，用光譜儀分光，使得光柵和中心波長(zhǎng)可以根據(jù)測(cè)試的需要隨時(shí)可調(diào)，操作簡(jiǎn)便，利于不同組分喇曼光譜的獲得。
文檔編號(hào)G01N21/65GK2558989SQ0227486
公開(kāi)日2003年7月2日 申請(qǐng)日期2002年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月21日
發(fā)明者趙偉力, 多麗萍, 桑鳳亭, 陳方, 王增強(qiáng) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所