專利名稱：折疊式倍光程多通氣體池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于紅外光譜定量分析技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種折疊式倍光程多通氣體池。
背景技術(shù)：
氣體池是一種廣泛應(yīng)用于分析化學(xué)，氣體光譜定量分析領(lǐng)域的重要部件，使用有 效光程足夠大的氣體池，可將氣體定量分析的檢出限由ppm提升到ppb級，這對氣體定量 分析的重要作用顯而易見。氣體池也因此成為配合紅外光譜儀進行氣體定量分析的必要 組件。但是常規(guī)的氣體池為懷特池結(jié)構(gòu)，如圖6示，不含角反射鏡，出射光束經(jīng)過出射平面 鏡后不再返回氣體池，如需加大有效吸收光程，則要求安裝在氣體池內(nèi)的球面反射鏡曲率 半徑增加，這使得起密封作用的氣體池外殼的長度或直徑增大，從而增大了氣體池的容積。 在相同的有效吸收光程下，容積較大的氣體池，外形尺寸較大，不利于與光譜儀作便攜式集 成，不便于氣體的快速填充與排放，進入氣體池內(nèi)的氣體分布均勻化的時間較長，這增加了 光譜定量分析的時間。此外，大容積的氣體池一定程度上造成了標氣的浪費。折疊式倍光程多通氣體池，在光學(xué)結(jié)構(gòu)上，使用了角反射鏡取代常規(guī)氣體池的出 射平面鏡，使原本出射的光束經(jīng)角反射鏡反射后，如圖7示，折回氣體池，并從入射平面鏡 處與入射光線呈一定角度出射。這種折疊式光學(xué)結(jié)構(gòu)，可在保持氣體池小容積的前提下，提 高氣體池的有效吸收光程，從而提高氣體定量分析的檢出限，且便于現(xiàn)場氣體的快速檢測 分析，尤其適合與紅外光譜儀的便攜式集成，預(yù)計在便攜式快速氣體分析儀器中有廣泛的 應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種氣體池，其特征在于包括一個密封殼體；設(shè)置在所述密封殼體的一個第一端處的一個T型球面反射鏡；設(shè)置在所述密封殼體的一個第二端處的一個第一 D型球面反射鏡和一個第二 D型 球面反射鏡，所述τ型球面反射鏡和第一和第二 D型球面反射鏡用于共同完成光線的多次 折返反射；設(shè)置在所述T型球面反射鏡的后方的一側(cè)的一個平面鏡；設(shè)置在所述T型球面反射鏡的后方的另一側(cè)的一個角反射鏡。


圖1A-1D顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的折疊式倍光程多通氣體池結(jié)構(gòu)圖。圖2顯示了圖1A-1D所示實施例的折疊式倍光程多通氣體池的校準方式。圖3顯示了圖1A-1D所示實施例在無角反射鏡時的T型球面反射鏡光斑點分布。圖4顯示了圖1A-1D所示實施例在有角反射鏡時的T型球面反射鏡光斑點分布。圖5用于說明圖1A-1D所示實施例的折疊式倍光程多通氣體池的測量方式。
圖6顯示了常規(guī)的氣體池光學(xué)結(jié)構(gòu)。圖7描述了角反射鏡對入射光線的折疊功能。
具體實施例方式本發(fā)明提出了一種新的折疊式倍光程多通氣體池，其在保證氣體池小容積的前提 下，提高其有效吸收光程，同時便于與光譜儀的便攜式集成和對現(xiàn)場氣體的快速分析。圖1A-1D顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的折疊式倍光程多通氣體池，其包括角 反射部和多通氣體池，其中角反射部包括萬向球連接柱(2)和角反射鏡(3)，如圖IC示，其中萬向球連接柱( 一端固定于氣體池基座(1)上，另一端帶有萬向球，角反射鏡 (3)固定在萬向球上。角反射鏡(3)通過萬向球安置于萬向球連接柱O)上，通過撥動角反射鏡(3)，即 可調(diào)整出射光束的回射方向。如圖IA至ID所示，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的多通氣體池包括基座(1) ,ZnSe出 射窗片G)、密封底蓋(5)、第一聚四氟乙烯0型密封圈(6)、T型球面反射鏡(7)、支撐骨架 ⑶、D型球面反射鏡(9)、載盤(10)、固定螺釘(11)、硼硅酸鹽玻璃殼(12)、第二聚四氟乙烯 0型密封圈(13)、密封頂蓋(14)、帶螺紋進氣管(15)、帶螺紋排氣管(16)、進氣螺孔(17)、 固定螺釘(18)、排氣螺孔(19)、D型球面反射鏡(20),ZnSe入射窗片(21)、連接桿(22)、入 射平面鏡(23)，其中基座(1)用于支撐整個氣體池的重量，其上表面裝有出射窗片，支撐骨架(8)，密封底蓋(5)、&ι%入射窗片(21)，其底面通過螺絲固定萬向連接柱O)，其靠T型球 面反射鏡(7)長邊一側(cè)裝有連接桿02)。如圖IA示。ZnSe出射窗片(4)安裝于基座(1)上表面，保證紅外光束的透射，同時密封氣體 池。如圖IA示。密封底蓋(5)安裝于基座(1)上表面，內(nèi)含有第一聚四氟乙烯0型密封圈(6)，用 于保證硼硅酸鹽玻璃殼(12)與基座(1)上表面的密封。如圖IA示。第一聚四氟乙烯0型密封圈(6)含在密封底蓋(5)內(nèi)，保證硼硅酸鹽玻璃殼(12) 與基座(1)上表面間的密封。如圖IA示。T型球面反射鏡(7)表面鍍有金膜，安裝在支撐骨架⑶上，并與D型球面反射鏡(9)和D型球面反射鏡00)具相同曲率半徑。這三面反射鏡(7，9，20)共同完成光線在池 內(nèi)的多次反射。如圖IA和圖ID示。支撐骨架(8)安裝于基座(1)上表面，其上固定有T型球面反射鏡(7)和載盤(10)。如圖IA示。D型球面反射鏡(9)表面鍍有金膜，通過固定螺釘(11)系在載盤(10)上。如圖 IA和圖IB示。載盤(10)安裝在支撐骨架(8)上方，其上有固定螺釘(11)、進氣螺孔(17)、固定 螺釘(18)、排氣螺孔(19)。如圖IA和圖IB示。固定螺釘(11)用于固定D型球面反射鏡(9)在載盤(10)上。硼硅酸鹽玻璃殼(1 套在支撐骨架(8)上，用于與密封底蓋(5)、第一聚四氟乙烯0型密封圈(6)、第二聚四氟乙烯0型密封圈(13)、密封頂蓋(14) 一起保證氣體池的密 封性。如圖IA示。第二聚四氟乙烯0型密封圈(1 保證硼硅酸鹽玻璃殼(1 與密封頂蓋(14)之 間的氣密性。如圖IA示。帶螺紋進氣管(1 安裝在密封頂蓋(14)上，可以與進氣螺孔(17)對接，旋緊，保 證壓緊硼硅酸鹽玻璃殼(1 與密封頂蓋(14)之間的聚四氟乙烯0型密封圈(13)，同時保 證氣體通過帶螺紋進氣管(15)進入池內(nèi)。如圖IA和圖IB示。帶螺紋排氣管(16)功能與帶螺紋進氣管(1 類同，只是負責(zé)排出氣體。進氣螺孔(17)位于載盤(10)上，與帶螺紋進氣管(1 對接。固定螺釘(18)用于固定D型球面反射鏡00)在載盤(10)上。排氣螺孔(19)位于載盤(10)上，與帶螺紋排氣管(16)對接。D型球面反射鏡00)表面鍍有金膜，通過固定螺釘(11)系在載盤(10)上。如圖 IA和圖IB示。ZnSe入射窗片Ql)安裝于基座(1)上表面，保證紅外光束的透射，同時密封氣體 池。連接桿02)連有平面反射鏡(23)，并安裝在基座(1)側(cè)面上。入射平面鏡固定于連接桿0 上，并可以繞連接桿0 旋轉(zhuǎn)，保證光束的 正確反射。如圖IA示。如圖1A-1D所示的本發(fā)明的折疊式倍光程多通氣體池的工作方式包括校準方式 和測量方式。校準方式正式使用氣體池測量之前，先要對其光程進行校準。校準時可將帶螺紋 進氣管(1 和帶螺紋排氣管(16)旋出，取下第二聚四氟乙烯0型密封圈(1 和密封頂蓋 (14)，露出固定螺釘(11)和固定螺釘(18)，如圖2示，同時先將角反射鏡(3)用黑色紙片遮 蓋。然后將He-Ne激光器04)和觀察紙屏05)放于入射平面鏡03) —測，并開啟He-Ne 激光器(M)，調(diào)整固定螺釘(11)，使得T型球面反射鏡(7)上出現(xiàn)兩排間隔均勻的平行光 斑，一排位于T型球面反射鏡(7)長邊，另一排位于T型球面反射鏡(7)短邊，如圖3示。 記T型球面反射鏡(7)短邊一側(cè)的光斑點數(shù)為N，則長邊一測的光斑點數(shù)為N+1，則光線在 氣體池內(nèi)的總的反射次數(shù)為4(N+1)。由于T型球面反射鏡(7)與D型球面反射鏡(9)和 D型球面反射鏡OO)具有相同曲率半徑R，則光線在氣體池內(nèi)經(jīng)過的全部光程為4(N+1)R。 在調(diào)整好光斑點數(shù)N后，將黑色紙片從角反射鏡(3)上移去，并輕微的調(diào)整角反射鏡(3)的 方位角，同時注意觀察紙屏05)，當(dāng)觀察紙屏上出現(xiàn)激光光斑時，可同時看到T型球面反射 鏡(7)上出現(xiàn)圖4所示的四排光點，新增加的兩排光點(以空心圓表示)可能位于原始兩 排光點(以實心圓表示)的內(nèi)側(cè)或外側(cè)附近，具體分布位置與角反射鏡(3)的調(diào)節(jié)方向有 關(guān)，此時即實現(xiàn)了倍光程功能。實際情況可能是，光排整體與T型球面反射鏡(7)的長邊不 嚴格平行，這可以通過微調(diào)固定螺釘(11)和固定螺釘(18)來修正。輕微的調(diào)整角反射鏡 (3)的方位角還可以調(diào)節(jié)出射光束與入射光束之間的夾角，便于后續(xù)光路的接收。測量方式在經(jīng)過校正方式后，氣體池的有效吸收光程成為8 (N+1)R，被測氣體經(jīng) 帶螺紋進氣管(1 進入池內(nèi)，經(jīng)帶螺紋排氣管(16)排出氣體池；實際測量時，考慮大部分 的紅外光譜儀出射的干涉光束為會聚型，此時可通過光纖耦合的方式，將干涉光束導(dǎo)入和導(dǎo)出氣體池。如圖5示。 應(yīng)當(dāng)理解的是，在以上敘述和說明中對本發(fā)明所進行的描述只是說明而非限定性 的，且在不脫離如所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的前提下，可以對上述實施例進行各種 改變、變形、和/或修正。
權(quán)利要求
1.一種氣體池，其特征在于包括 一個密封殼體(12)；設(shè)置在所述密封殼體(12)的一個第一端處的一個T型球面反射鏡(7)； 設(shè)置在所述密封殼體(12)的一個第二端處的一個第一 D型球面反射鏡(9)和一個第 二 D型球面反射鏡(20)，所述T型球面反射鏡(7)和第一和第二 D型球面反射鏡(9，20)用 于共同完成光線的多次折返反射；設(shè)置在所述T型球面反射鏡(7)的后方的一側(cè)的一個平面鏡(23)； 設(shè)置在所述T型球面反射鏡(7)的后方的另一側(cè)的一個角反射鏡(3)。
2.如權(quán)利要求1所述的氣體池，其特征在于所述角反射鏡(3)通過一個萬向球安置于 一個萬向球連接柱(2)上，從而可以通過撥動角反射鏡(3)來調(diào)整光線的回射方向。
3.如權(quán)利要求1所述的氣體池，其特征在于所述平面鏡(23)被固定于一個連接桿 (22)上并可以繞所述連接桿(22)旋轉(zhuǎn)，從而可以通過調(diào)節(jié)連接桿(22)來保證光束的正確 反射。
4.如權(quán)利要求1所述的氣體池，其特征在于所述D型球面反射鏡(9)通過一個第一固 定螺釘(11)系在一個載盤(10)上。
5.如權(quán)利要求4所述的氣體池，其特征在于進一步包括一個密封底蓋(5)和一個密封 頂蓋(14)，且所述載盤(10)安裝在一個支撐骨架(8)上，所述載盤(10)上安裝有所述第一固定螺釘(11)，用于固定和/或調(diào)節(jié)所述D型球面反射鏡(9)； 一個進氣螺孔(17)，用于向所述所述密封殼體(12)、所述密封底蓋(5)和所述密封頂 蓋(14)所限定的密封空間里注入待測氣體；一個第二固定螺釘(18)，用于固定和/或調(diào)節(jié)所述第二 D型球面反射鏡(20)； 一個排氣螺孔(19)，用于從所述所述密封殼體(12)、所述密封底蓋(5)和所述密封頂 蓋(14)所限定的密封空間里排除待測氣體。
6.如權(quán)利要求1-5中任何一項所述的氣體池，其特征在于所述T型球面反射鏡(7)、所 述第一 D型球面反射鏡(9)和所述第二 D型球面反射鏡(20)具有相同的曲率半徑。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體池，其特征在于角反射鏡(3)固定在萬向球上，萬象球 含于萬向球連接柱(2)上。通過撥動角反射鏡(3)，可調(diào)整出射光束的回射方向，從而調(diào)整 入射平面鏡(23)上的出射光束與入射光束間的相對位置和相對角度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氣體池，其特征在于角反射鏡(3)與T型球面反射鏡 (7)、D型球面反射鏡(9)、D型球面反射鏡(20)、入射平面鏡(23) —起實現(xiàn)了光束在氣體池 內(nèi)的倍光程折疊和多通功能。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氣體池，其特征在于角反射鏡(3)—般位于ZnSe出射 窗片(4)的下方；也可以是直接替換并安裝在ZnSe出射窗片(4)的位置，實現(xiàn)光路折返和 密封氣體池的雙重功能。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體池，其特征在于入射平面鏡(23)處的入射光束與出 射光束可由光纖導(dǎo)入和導(dǎo)出。
全文摘要
折疊式倍光程多通氣體池是配合紅外光譜儀進行氣體定量分析的重要部件。其特征在于在氣體池出射光束處使用了角反射鏡，將原本出射的紅外光束作適當(dāng)平移后反射回氣體池，在池內(nèi)多次反射，最終經(jīng)入射光束處的平面鏡出射，可將常規(guī)氣體池原有的吸收光程放大兩倍。這種折疊式倍光程結(jié)構(gòu)便于實現(xiàn)小容積大光程氣體池，且能對已有氣體池進行倍光程的升級。本發(fā)明的一種氣體池包括密封殼體(12)；設(shè)在密封殼體(12)的第一端處的T型球面反射鏡(7)；設(shè)在密封殼體(12)的第二端處的第一和第二D型球面反射鏡(9，20)，這些反射鏡(7，9，20)共同完成光線的多次折返反射；設(shè)在T型球面反射鏡(7)后方一側(cè)的平面鏡(23)和設(shè)在反射鏡(7)的后方另一側(cè)的角反射鏡(3)。
文檔編號G01N21/03GK102053063SQ201010208259
公開日2011年5月11日 申請日期2010年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月24日
發(fā)明者任利兵, 尉昊赟, 李巖 申請人:清華大學(xué)