基于長光程激光吸收光譜痕量氣體及同位素探測技術(shù)研究.pdf

1、隨著可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器、探測器等電子元器件性能的不斷完善，激光吸收光譜技術(shù)在光譜分辨率和檢測靈敏度方面有了很大的提高。近些年，氣體檢測新方法的不斷出現(xiàn)，加快了基于激光吸收光譜技術(shù)測量儀器的工程化和實(shí)用化，在大氣環(huán)境監(jiān)測、工廠過程控制和廢氣排放、氣體穩(wěn)定同位素探測等方面得到了廣泛的應(yīng)用。本論文針對(duì)痕量氣體測量儀器的小型化和高精度要求，開展了長光程激光吸收光譜技術(shù)的研究與應(yīng)用:首先發(fā)展了免標(biāo)定波長調(diào)制吸收光譜算法，建立了一套TDALS氣體測

2、量系統(tǒng)，對(duì)C2H2氣體進(jìn)行了免標(biāo)定探測;其次，設(shè)計(jì)了可防止鏡片污染的平凸鏡光學(xué)多通池，建立了一套高溫NH3氣體測量系統(tǒng)，對(duì)具有腐蝕性的NH3氣體進(jìn)行了痕量探測;最后，利用自主設(shè)計(jì)的離軸腔增強(qiáng)裝置和實(shí)驗(yàn)室自制的激光控制器電路，搭建了一套同位素探測樣機(jī)，對(duì)CO2和CH4同位素進(jìn)行了探測。論文的研究成果和創(chuàng)新主要包括:
　　1.發(fā)展了免標(biāo)定波長調(diào)制吸收光譜算法，建立了一套TDLAS氣體探測系統(tǒng)，使用中心波長為1.53μm的DFB二極管激

3、光器和有效光程為10.5m的柱面鏡光學(xué)多通池，采用免標(biāo)定波長調(diào)制吸收光譜方法對(duì)C2H2氣體進(jìn)行了痕量探測，其濃度測量誤差在5％以內(nèi)，并將該方法與傳統(tǒng)的波長調(diào)制吸收光譜方法進(jìn)行對(duì)比，其濃度測量精度提高了3.5倍，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行Allan方差分析，得到在1s的平均時(shí)間下，系統(tǒng)的最小可探測濃度達(dá)到了0.127ppm，當(dāng)系統(tǒng)的平均時(shí)間達(dá)到118s時(shí)，探測極限可達(dá)到0.031ppm。免標(biāo)定的波長調(diào)制吸收光譜測量系統(tǒng)，具有高靈敏度、高分辨率、快速響應(yīng)和

4、免標(biāo)定的優(yōu)點(diǎn)，在氣痕量體探測領(lǐng)域，特別是在吸收譜線重疊和相對(duì)惡劣的環(huán)境下，具有廣泛的應(yīng)用前景。
　　2.研制了一套可防止鏡片污染的平凸鏡多通池，建立了基于平凸鏡多通池的TDLAS高溫NH3氣體實(shí)時(shí)在線測量系統(tǒng)。使用中心波長為1.531μm的DFB二極管激光器，在高溫180℃的情況下，對(duì)NH3氣體進(jìn)行了痕量探測。得到二次諧波探測方法的測量精度是直接吸收測量方法的2倍，通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行Allan方差分析，得到在1s的平均時(shí)間下，系統(tǒng)的最

5、小可探測濃度達(dá)到了0.33ppm，當(dāng)系統(tǒng)的平均時(shí)間達(dá)到200s時(shí)，探測極限可達(dá)到0.11ppm。新型平凸球面鏡多通池，具有結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，既可以防止污染氣體對(duì)鏡片膜層的腐蝕，又能增加氣體吸收光程，提高系統(tǒng)的探測靈敏度，在痕量氣體探測，特別是具有腐蝕性和吸附性痕量氣體的探測領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。
　　3.自主設(shè)計(jì)了一套離軸腔增強(qiáng)吸收光譜測量裝置，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)驗(yàn)室自制的DFB激光控制器和光電探測器電路，建立了一套同位素實(shí)時(shí)測量樣機(jī)，

6、分別使用中心波長為1.605μm和1.658μm的DFB二極管激光器，采用直接吸收光譜方法對(duì)CO2和CH4同位素進(jìn)行了探測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:對(duì)于CO2同位素豐度δ值的測量，采樣時(shí)間為1s時(shí)δ值的測量精度為5.37‰，平均時(shí)間為343s時(shí)δ值的測量精度可達(dá)到0.21‰，1s采樣周期原始數(shù)據(jù)Kalman濾波后δ值的測量精度為1.05‰;對(duì)于CH4同位素豐度δ值的測量，采樣時(shí)間為1s時(shí)δ值的測量精度為8.62‰，平均時(shí)間為166s時(shí)δ值的測量精