一种稳定同位素丰度实时在线监测装置和方法

摘要

本发明公开了一种稳定同位素丰度实时在线监测装置和方法，利用波长扫描离轴积分腔光谱技术对目标元素同位素丰度进行精确测量，包括激光器、激光控制器、信号发生器、角度可调棱镜、波长计、离轴积分腔、温度压力控制器、压电陶瓷控制器、离轴抛物镜、光电探测器、锁相放大器、采集A/D及终端的信号处理系统。本发明基于离轴积分腔激光吸收光谱技术进行的，结合波长扫描、腔体调节、温度、压力及波长精确控制技术，能够实现稳定同位素丰度实时在线监测，同时进行痕量气体浓度和同位素丰度测量，而且无需制备样品，大大提高测量频率，该装置操作简单，无需标定，长时间基本无漂移，稳定性好，功率小，便于携带、安装和野外实验，同时动态量程大。

主权项

一种稳定同位素丰度实时在线监测装置，其特征在于：包括激光器、离轴积分腔、波长计、光电探测器、信号发生器、锁相放大器、采集A/D以及信号处理系统，其中，所述激光器为可调谐半导体激光器，用于输出激光到离轴积分腔和波长计；所述离轴积分腔用于容纳气体，腔体侧面连接进出气口，同时使入射到腔内的激光光束来回多次反射，极大地增加测量气体的吸收光程长度，从而提高检测气体的灵敏度；所述波长计用于监测激光器的输出波长，并反馈给信号处理系统；所述光电探测器用于接收由所述离轴积分腔出射的激光，将包含目标元素气体吸收的光信号转换为电信号，同时为保证探测器的响应度和稳定性，探测器含有前置放大电路和制冷装置；所述信号发生器用来产生低频扫描信号和高频调制信号，对所述激光器进行波长扫描和调制，使其产生同时测量含目标元素气体同位素的两条相邻吸收谱线，同时高频调制信号引入所述锁相放大器，进行信号的解调；所述锁相放大器用于将调制后的吸收信号解调放大，得到反应气体吸收强度的二次谐波信号，利用相邻同位素二次谐波信号的比值，可以计算出目标元素的同位素丰度；所述采集A/D用于接收所述光电探测器输出的电信号，经过模数转换后进入所述信号处理系统；所述信号处理系统的主要功能包括以下几个方面：(1)通过激光控制器调节激光器温度和注入电流，控制激光器的输出波长和功率；(2)接收波长计的反馈信号，判断激光器扫描波长范围和气体吸收线中心波长位置，根据此改变激光器的注入电流和温度，锁定波长，使其输出波长位于气体吸收线上，并由此精确判断同位素分子吸收信号的波长位置，根据不同波长处同位素分子的吸收浓度，计算出该气体分子的同位素丰度；(3)控制信号发生器产生的信号幅度和频率，其中锯齿波是低频信号，一般为几十赫兹，用来扫描激光波长；正弦信号为高频信号，一般为几十千赫兹，其中一路加载在所述激光器上，用来调制信号，一路引入所述锁相放大器，用来解调由所述光电探测器接收的调制吸收信号；(4)将通过采集A/D接收到的二次谐波信号做适当的算法处理，计算同位素分子的浓度比值，比较其与标准同位素气体浓度比值的偏差，得到目标元素的同位素丰度；该装置还包括角度可调棱镜、准直装置和准直透镜，所述角度可调棱镜将由所述激光器产生的激光束分成两部分，一部分进入波长计，另一部分进入所述离轴积分腔，同时调节光束入射角度，使进入积分腔内的光束离轴入射，在积分腔镜面上形成圆或椭圆的反射光斑；所述准直装置是位于所述激光器与所述角度可调棱镜之间的透镜组，该透镜组用于准直从所述激光器发出的激光光束；位于角度可调棱镜与所述离轴积分腔之间的准直透镜用来将光束耦合进积分腔；该装置还包括激光控制器，用于控制所述激光器的输出波长和功率；该装置还包括压电陶瓷控制器和温度压力控制器，所述压电陶瓷控制器用于调节所述离轴积分腔的腔体长度，同时消除腔内镜面间可能产生的干涉效应；所述温度压力控制器用于控制所述离轴积分腔内的温度和压力，因为气体吸收强度与温度和压力密切相关，所以精确控制腔内的温度和压力是实现气体高灵敏探测的关键技术之一，温度控制稳定精度为±0.01K，压力控制稳定精度为0.01％大气压以上；该装置还包括离轴抛物镜，用于收集所述离轴积分腔的出射光，经过其准直后的光束到达所述光电探测器。