基于石英增强光声光谱的HCl痕量气体高灵敏度探测研究

HCl是一种有毒有害气体,对其高灵敏度探测具有非常重要的意义,然而到目前为止,采用激光光谱的手段对其探测的研究报道很少。石英增强光声光谱(QEPAS)是近年来发展起来的一种痕量气体探测技术,具有系统体积小、价格低廉、探测灵敏度高等优点。以5 000 ppm HCl∶N₂混合气作为待测目标,采用输出波长为1 742.38 nm的分布反馈连续波单纵模半导体激光器,开展对基于QEPAS技术的HCl高灵敏度探测研究。为了提高信噪比和简化数据处理过程,QEPAS传感器系统采用波长调制和2次谐波探测技术。研究中,首先对声波探测系统中微共振腔强声波增强特性进行了讨论,选择了“共轴”形式的声波微共振腔,并对其尺寸进行了优化,选择的微共振管长度为4 mm、内径为0.5 mm。实验中研究了激光波长调制深度对QEPAS系统产生的信号幅度的影响,当QEPAS系统积分时间为1 s、激光波长调制深度为0.23 cm-1时,获得了815 ppb的优异检测极限,归一化噪声等效吸收系数为7.41×10-9 cm-1·W·Hz-1/2。在后续的实验中,可在待测HCl气体中加入水汽分子,提高HCl分子的热弛豫速率,进一步提高HCl-QEPAS传感器系统的信号强度。     

基于功率增强型QEPAS技术的二氧化碳气体高灵敏检测研究

二氧化碳(CO₂)是环境大气以及燃烧废气的主要成分,同时也是重要的化工原料,对其浓度进行高灵敏度检测在物理、生物、化学等众多学科中均有重要的应用。传统检测方法已经无法满足国防科研、能源化工、医疗诊断等科技前沿领域中对CO₂浓度检测的需求。石英增强光声光谱(QEPAS)技术是近年来发展迅速的一种激光检测技术,具有高分辨率、小体积、对环境噪声免疫等优点。基于QEPAS技术探测灵敏度与激励光功率成正比的特性,以中心波长为1 572 nm的窄线宽分布反馈式半导体激光器为激励光源,将掺饵光纤放大器(EDFA)与QEPAS技术联用,提出了功率增强型QEPAS技术,实现了光声信号的大幅度提高。此外,通过波长调制技术、谐波解调技术以及电调制相消技术的使用,成功将装置的整体噪声压制在音叉式石英晶振的理论热噪声水平。激光波长调制深度对装置信号幅度的影响也通过实验在一个标准大气压下进行了研究。结果显示,对6 361.25 cm-1处CO₂气体吸收线,当激光功率为1 495 mW,调制深度为0.33 cm-1,系统探测带宽为0.833 Hz时,功率增强型QEPAS装置对CO₂的探测灵敏度为3.5 ppm,归一化等效吸收系数为1.01×10-8 W·cm-1·Hz-1/2。     

基于圆柱定程干涉法测量气体黏度的探索

黏度是流体的重要输运性质, 实验测量是获取黏度数据的基本手段. 圆柱定程干涉法是目前测量气相声速最精确的方法之一, 其测量参数为工质的声学共振频率和共振峰半宽. 共鸣腔中气相工质的黏性会导致共振频率的偏移和共振峰半宽的增加, 是声速测量中的重要非理想影响因素. 但通过对共振频率和共振峰半宽的精确测定, 并结合热边界层、进气导管、声学传感器及壳体振动等其他非理想因素的修正, 可以精确反推获得黏度. 本文从理论上探讨了应用圆柱定程干涉法测量共振频率或者共振峰半宽来得到黏度的新方法, 以氩 (Ar) 为例进行了实验验证, 测量结果与文献值具有较好一致性, 证实了方法的可行性. 关键词： 黏度 圆柱共鸣腔 共振频率 共振峰半宽     

基于共振型高灵敏度光声光谱技术探测痕量乙炔气体浓度

乙炔气体作为判断变压器运行状态的一种故障气体,其浓度的高低反映了变压器的运行状况,因此对其浓度的探测在变压器的维护中具有重要意义。为了准确探测变压器运行过程中产生的乙炔气体浓度,为变压器的维护提供技术参数,针对基于DFB激光器的共振型光声光谱技术痕量乙炔气体检测技术开展研究,对传统的光声光谱探测系统进行改进。根据光声光谱技术的理论可知,光声信号的强度与入射激光的功率成正比,所以在光声池的出射窗口采用一个平面反射镜将红外光再次反射到光声池中以增加入射光功率,增强光声信号强度,进一步提高了光声系统的探测灵敏度。通过一定浓度的乙炔气体在不同调制频率和不同调制深度下光声信号强度的变化,确定光声探测系统的最佳调制频率和最佳调制深度为767 Hz和0.3 mV。利用不同浓度乙炔气体对系统进行标定,然后采用最小二乘法对光声信号与气体浓度进行拟合,二者具有很好的线性度。通过Allan方差计算可知,系统在平均时间达到200 s时,能够达到最低探测极限浓度。实验表明,在一个大气压下,积分时间为10 ms时,改进后的共振型光声光谱探测系统对乙炔气体的最低探测极限浓度达到了0.3 μL·L-1。还将小波去噪技术引入到低浓度下乙炔气体的光声信号处理中,有效消除了低浓度气体光声信号中的噪声,提高了信噪比。设计的共振型光声光谱探测系统操作简单,最低探测浓度符合国标中对变压器维护过程中对乙炔气体的探测需求,在变压器维护领域具有广阔的应用前景。     

基于石英音叉增强型光谱技术(QEPAS)的实时探测系统研究

利用石英音叉增强型光谱技术(QEPAS)结合基于Lab-VIEW设计的数字 频率锁定技术建立了一套气体实时探测系统, 该方案使用3f信号作为误差反馈信号, 将激光器锁定在待测气体吸收峰的中心位置, 保证了长时间测量的准确度并且提高了探测效率. 实验中采用中心波长位于1.396 μm的DFB半导体激光器作为光源, 选择常压下空气中的水汽作为研究对象, 对系统性能进行了测试, 并对影响影响系统探测灵敏度的主要因素进行了分析. 实验结果表明, 该系统可以将激光器稳定在± 0.001 cm^-1范围内, 对激光器长时间工作时的波长漂移起到了很好的抑制作用, 系统的检测限约为1 ppm, 该方案可以直接应用于工业气监测、痕量污染物实时测量等领域.     

基于激光吸收光谱乙炔在线监测技术的研究

乙炔作为有机化工产品原料,广泛应用于化学工业中,但易燃易爆,在储存和工业生产中有必要对其进行实时在线监测.可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术具有高选择性、高灵敏、快速响应等特点,在痕量气体检测中得到了广泛的应用.文章研究了乙炔气体在近红外波段的吸收线分布特征,详细地讨论了基于近红外可调谐二极管激光吸收光谱技术的乙炔在线监测系统设计方案;建立了实验测量系统,研究了信号检测方法和浓度反演算法,对长度10 cm的样品池和已知标准浓度乙炔气体配制的不同浓度乙炔气体进行检测,检测限可以达到1.46 cm3·m-3;进行了动态检测实验,测量结果具有较好的稳定性和可靠性.分析表明系统设计方案可行,由此发展的乙炔在线监测系统可用于乙炔储存、运输和使用过程中泄漏报警.     

基于石英增强光声光谱的痕量气体实时检测研究

石英增强光声光谱技术(QEPAS)出现时间较晚,是一种较为新颖的痕量气体探测手段,本文以大气中的水汽作为测量目标,开展对基于QEPAS技术的痕量气体探测系统的研究。理论上,首先对激光器波长调制及信号谐波探测的原理进行了分析,得到了可用于气体浓度信号反演及激光器波长锁定的实现方案,并讨论了可用于高灵敏度气体探测的吸收谱线的选择原则。实验中,以输出波长为1.39 μm的连续波分布反馈单纵模二极管激光器作为激发光源,采用激光器波长调制和2次谐波探测技术,首先研究了激光波长调制深度对QEPAS系统产生的信号幅度的影响,接下来对声波探测系统中微共振腔强声波增强特性进行了研究。QEPAS系统经过优化后,获得了5.9 ppm的探测极限,同时对不同浓度的水汽进行了测量,实验数据线性拟合后,得到R-Square为0.98,证明了此QEPAS系统具有良好的线性响应度。最后,运用基于3次谐波探测的激光器波长锁定技术,对大气中的水汽变化进行了长达12 h的连续测量,实验结果表明,该系统性能稳定,具有良好的连续测量能力,可广泛应用于其他痕量气体的高灵敏度连续在线测量的研究上。     

拉曼技术应用于雌激素检测的研究

应用RM-200型便携式拉曼光谱仪,对17β-雌二醇(C18 H24 O2)、雌三醇(C18 H24O3)和乙烯雌酚(C18 H20 O2)三种激素类药品进行拉曼光谱检测.并对三种雌激素进行了分析比对和模拟计算,对其中较难检测的乙烯雌酚,应用表面增强拉曼光谱技术获得了其拉曼光谱.结果表明,拉曼技术可以快速准确的定性检测...     

基于复合结构的气体电子倍增器增益模拟和实验研究

气体电子倍增器(GEM)作为高性能的微结构气体探测器在高能物理相关领域内得到了广泛的研究和应用.其中增益是GEM探测器基本性能研究中的一个重要参数,该值的精确测量至关重要.增益的测量一般采用电流测量或者能谱测量方法,但均存在精度较低或者过程繁琐的问题,且无法精确测量低增益值.针对GEM探测器增益的精确测量,本文提出了一种由GEM探测器与微网结构气体探测器(MM)级联构成的复合结构探测器(GEM-MM).利用GEM-MM结构以相对方法实现GEM增益的精确测量.该方法既可以省去传统方法中复杂的电子学标定过程,同时不需要进行原初电离电子数的估算,保证了增益的精确测量,并且可以实现GEM低增益的测量.基于GEM-MM测量GEM增益的原理,本文首先对GEM-MM电荷输运过程进行了模拟研究,优化了合适的工作电压.比较了三种不同类型和配比工作气体下GEM增益模拟结果,并在Ar/iC_4H_(10)(95/5)气体中测量了单层GEM在3—24范围内的有效增益.不同Penning系数下GEM增益的模拟结果表明,Penning系数为0.32时GEM增益的模拟结果与实验测量结果符合得很好.由此可以确定一个大气压下的Ar/iC_4H_(10)(95/5)气体中,Penning系数为0.32±0.01.     

基于超窄带激光器扫描技术的气体检测研究

基于气体的差分吸收检测原理和超窄带半导体激光器的光谱扫描技术,设计了一种高精度分布式二氧化碳气体检测网络.系统采用超窄带可调谐半导体激光器作为光源,设计了新型气室结构,通过方波信号对光源光谱进行调制,消除了其他气体成分和灰尘颗粒的干扰,并结合空分复用技术,实现了二氧化碳的实时分布式检测.利用超窄带光谱扫描技术测得了不同...     

High Sensitive Detection of Trace Gases Using Optical Heterodyne Method with a High Finesse Intra-Cavity Resonator

A novel highly sensitive method to detect the concentration of trace gas for environmental purposes is proposed. This method includes the application of frequency modulation for stabilization of laser frequency, together with optical heterodyne measurement. The shift of resonance frequency of the Fabry-Perot cavity resonator is due to the change of refractive index, accompanied by the dispersion effect due to the presence of a target gas (e.g., methane, carbon dioxide or nitrogen dioxide) inside the Fabry-Perot cavity.     

基于差频中红外激光的痕量气体高分辨光谱检测研究

研究了基于差频光源的高分辨中红外激光光谱检测系统,差频中红外光源使用两台近红外半导体激光器作为种子光源,采用PPLN晶体作为非线性混频器件,结合准相位匹配技术实现了3.2～3.7μm中红外相干光源输出,最大差频输出功率约为1μW.以CH4为例检验了系统的高分辨红外光谱检测特性,选择CH4分子3028.751cm-1 v3基频吸收线作为分析谱线,10cm光程的检测限为0.8ppm.光谱数据分析表明,系统检测限主要受到标准具光学噪音的限制.     

从环境样品中分离氩气和氪气用于放射性惰性气体探测

放射性惰性气体同位素⁸⁵Kr(半衰期为10.8年)、³⁹Ar(半衰期为269年)和⁸¹Kr(半衰期为22.9万年)是理想的环境示踪剂,基于激光技术的原子阱痕量分析方法(Atom trap trace analysis, ATTA)可以实现对空气、地下水等环境样品中这几种同位素的有效探测. 在进行ATTA测量之前,需要将样品中的氪气和氩气有效分离出来. 利用低温蒸馏、海绵钛化学吸附和气相色谱分离等技术,可以从1~10 L气体样品中分别提取出90%以上的氪气和98%以上的氩气,从而满足ATTA测量的样品要求. 通过对包括两个野外地下水样品等一系列样品进行分离实验,验证了气体分离装置的可靠性能.     

痕量样品高灵敏度快速测量方法与便携式系统研究

为了实现高灵敏度、快速、准确鉴定痕量病原菌核酸样品,介绍了一种痕量核酸样品高灵敏度快速测量方法,并发展了一种微流控芯片核酸等温扩增实时分子诊断技术,研制了新型微纳体系生化反应载体芯片。通过表面惰性处理降低芯片表面对生物分子的吸附影响,构建一种大数值孔径、长工作距离的便携式共焦光学检测系统,有效消除背景荧光的影响,提高了检测灵敏度。在微纳升(7μL～40nL)试剂消耗反应体系水平,实现检测灵敏度5个DNA分子拷贝数,并以呼吸道感染疾病的大肠埃希氏菌检测为例,开展临床应用研究,满足低成本临床医疗应用需要。     

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪狭缝函数研究

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪是一种新型光学遥感仪器,具有分辨率高(0.3～0.5 nm)、宽光谱范围(240～710 nm)、大视场角(114°视场对应地面2 600 km)的特点,载荷采用推扫方式,可实现1日全球覆盖监测。载荷通过探测地球大气或地表反射、散射的紫外/可见光,利用差分吸收光谱技术来获取全球大气痕量气体(NO₂, SO₂, O₃等)分布和变化。定标是遥感数据定量应用的前提,同时为获取载荷光谱特性,需要在地面完成载荷的光谱定标。根据大气痕量气体差分吸收光谱仪视场角度大、谱段范围宽、空间和光谱分辨率高等特点,搭建了一套基于二维转台的光谱定标系统,此系统能够完成全视场光谱定标。光谱定标采用标准谱线法,光谱定标光源使用汞灯。光谱响应函数是描述光谱仪光谱响应特性的重要参数,根据光谱响应函数可以获取载荷的光谱分辨率,同时也是基于DOAS反演的关键输入参数,光谱响应函数的精度直接影响大气痕量气体的反演结果。根据载荷实际测试的光谱响应数据,选取了Gauss,Lorentz和Voigt三种函数作为待选的光谱响应函数。为对三种函数模型进行筛选,进行了两种筛选对比测试,首先分别用Gauss函数、Lorentz函数、Voigt函数对载荷的单色光响应数据进行拟合,以三种函数的拟合残差平方和作为评判标准,拟合结果表明Gauss函数作为狭缝函数拟合的残差平方和最小为0.01,Lorentz和Voigt函数作为狭缝函数拟合的残差平方和分别为0.033和0.021。从载荷单色光响应数据函数拟合的结果分析,Gauss函数可以作为载荷的光谱响应函数模型。为了进一步验证这一结论,进行了DOAS反演NO₂样气的实验,考察三种函数模型对反演的影响。在实验室开展了NO₂样气测试,大气散射光通过30*40cm的石英窗口入射到载荷狭缝,将NO₂样品池放置在载荷狭缝和石英窗口中间,获取的数据为NO₂样气吸收谱,随后充入N₂气体获取反演的参考谱,实验在晴朗天气下进行,并能够在较短时间内完成,可以减少外界天气条件对反演结果的影响。实验中NO₂样气浓度为8.481 2×1016 molec·cm-2,在利用DOAS进行反演时,设置仪器狭缝函数分别为Gauss,Lorentz和Voigt函数,分析三组不同的函数模型对应的NO₂浓度结果,根据反演结果的相对偏差对函数模型进行评价。实验结果表明Gauss函数作为狭缝函数反演结果的相对偏差最小为5.6%,Lorentz和Voigt函数作为狭缝函数的反演相对偏差分别为28%和15.1%。由光谱响应数据的拟合结果及样气反演结果表明,Gauss函数可以作为载荷的光谱响应函数模型。