本文關(guān)鍵詞：痕量氣體的高靈敏紅外光譜檢測(cè)技術(shù)　出處：《中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：光腔衰蕩光譜(CRDS)是一種靈敏度顯著高于傳統(tǒng)吸收光譜的檢測(cè)技術(shù),被廣泛應(yīng)用于氣體吸收光譜的測(cè)量。吸收光譜由分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定,每一種氣體都有其獨(dú)特的吸收光譜,通過(guò)對(duì)分子光譜的研究可了解原子內(nèi)部的結(jié)構(gòu),或?qū)悠匪煞诌M(jìn)行定性和定量分析。大部分氣體在紅外波段都有豐富的吸收譜線。本文分別以脈沖和連續(xù)量子級(jí)聯(lián)激光器為光源,在中紅外波段,開展了基于光腔衰蕩光譜技術(shù)的高靈敏痕量氣體檢測(cè)技術(shù)的研究。本文介紹了傳統(tǒng)光譜檢測(cè)技術(shù)以及光腔衰蕩技術(shù),推導(dǎo)了幾種常見的分子光譜線型函數(shù),搭建了以脈沖量子級(jí)聯(lián)激光器為光源的光腔衰蕩光譜技術(shù)痕量氣體檢測(cè)平臺(tái)。對(duì)實(shí)驗(yàn)室空氣和高純氮?dú)庵械募淄槲兆V線進(jìn)行了測(cè)量。利用HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)中的吸收譜線對(duì)激光器波長(zhǎng)做了絕對(duì)波長(zhǎng)的校準(zhǔn)。利用光腔衰蕩光譜技術(shù)結(jié)合水汽的吸收譜線測(cè)量了量子級(jí)聯(lián)激光器的光譜線寬。分析了激光器譜線線寬對(duì)小分子氣體吸收譜線測(cè)量的影響,并通過(guò)修正曲線修正了甲烷和水汽吸收譜線。針對(duì)傳統(tǒng)吸收光譜技術(shù)聚焦于小分子氣體檢測(cè)的問(wèn)題。本文探索了利用寬調(diào)諧的激光光源結(jié)合脈沖光腔衰蕩光譜技術(shù),獲得內(nèi)容更豐富的氣體吸收譜,開展了具有寬譜吸收的大分子揮發(fā)性有機(jī)氣體濃度檢測(cè)的研究。并利用實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)量了實(shí)驗(yàn)室常用揮發(fā)氣體(酒精,乙醚,丙酮),與PNNL數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行了比較,編寫多組分分析算法實(shí)現(xiàn)了多種不同濃度揮發(fā)氣體的同時(shí)測(cè)量,對(duì)乙醇、乙醚和丙酮的檢測(cè)限分別為157 ppb、60 ppb和280 ppb。以5.2um可調(diào)諧量子級(jí)聯(lián)激光器為光源,搭建了基于連續(xù)光腔衰蕩光譜技術(shù)的痕量氣體檢測(cè)系統(tǒng),對(duì)系統(tǒng)做阿倫(Allan)方差分析,優(yōu)化了信號(hào)平均次數(shù)。在水汽吸收譜線更為豐富的中紅外區(qū)域,實(shí)現(xiàn)了高純氮?dú)庵泻哿克臋z測(cè),對(duì)水汽的檢測(cè)限達(dá)到24.8ppb。通過(guò)理論分析NO及口腔氣體中干擾氣體組分紅外光譜分布特征,確定1900cm-1為NO最佳測(cè)量波長(zhǎng)。搭建基于連續(xù)光腔衰蕩光譜技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置,測(cè)量了高純氮?dú)庵泻哿繚舛鹊腘O,檢測(cè)限為0.45ppb。在此基礎(chǔ)上,對(duì)測(cè)試壓強(qiáng)做優(yōu)化,并實(shí)現(xiàn)了實(shí)際口腔氣中痕量濃度NO的檢測(cè),檢測(cè)限為0.41ppb,同時(shí)開展了人體呼出口腔氣體中NO成分的準(zhǔn)實(shí)時(shí)測(cè)量和監(jiān)測(cè)。本文還提出了一種基于光腔衰蕩光譜技術(shù)測(cè)量氣體池氣密性的方法,利用水汽的吸收光譜,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)漏率的檢測(cè);提出了一種基于光腔衰蕩光譜技術(shù)和氣體吸收譜線壓力展寬效應(yīng)的壓力計(jì)校準(zhǔn)方法。通過(guò)高分辨的測(cè)量窄線寬氣體吸收光譜得到壓強(qiáng)信息,實(shí)現(xiàn)壓強(qiáng)檢測(cè)和高精度小量程的壓力計(jì)校準(zhǔn)。系統(tǒng)對(duì)壓強(qiáng)的檢測(cè)限優(yōu)于0.18KPa。利用測(cè)試譜線線寬與壓強(qiáng)的關(guān)系得到水汽的壓力展寬系數(shù)與HITARN數(shù)據(jù)庫(kù)參考值一致。
[Abstract]:CRDS is a technique with higher sensitivity than the traditional absorption spectrum, which is widely used in the measurement of gas absorption spectrum. The absorption spectrum is determined by the internal structure of the molecule. Each gas has its unique absorption spectrum, and the structure of the atom can be understood by studying the molecular spectrum. Or qualitative and quantitative analysis of the composition of the sample. Most of the gases in the infrared band have rich absorption lines. In this paper, pulse and continuous quantum cascade lasers as the light source, in the mid-infrared band. The research of high sensitive trace gas detection technology based on optical cavity ring-down spectroscopy is carried out. In this paper, the traditional spectral detection technology and the optical cavity ring-down technique are introduced, and several common molecular spectral lineal functions are derived. A platform for detecting trace gases by cavity ring-down spectroscopy using pulsed quantum cascade lasers as light source has been set up. The absorption spectra of methane in laboratory air and high purity nitrogen have been measured. The HITRAN database has been used to measure the absorption spectra of methane. The spectral linewidth of a quantum cascade laser is measured by cavity ring-down spectroscopy combined with the absorption line of water vapor. The spectrum linewidth of a quantum cascade laser is analyzed. The influence of subgas absorption line measurement. The absorption lines of methane and water vapor were corrected by modifying the curve. Aiming at the problem of traditional absorption spectrum focusing on the detection of small molecular gases, the wide tuning laser source combined with pulse cavity ring-down spectroscopy was explored in this paper. Art. More abundant gas absorption spectra were obtained, and the determination of volatile organic gas concentration of macromolecules with wide spectrum absorption was carried out, and the commonly used volatile gases (alcohol, ether) were measured by experimental apparatus. Compared with PNNL database, acetone can be used to measure volatile gases with different concentrations. The detection limits of ethanol, ether and acetone are 157 ppb. Using 5.2um tunable quantum cascade laser as the light source, a trace gas detection system based on continuous cavity ring-down spectroscopy has been set up with 60 ppb and 280 ppb. The analysis of variance of Allan in the system optimizes the average number of signals and realizes the detection of trace water vapor in high purity nitrogen in the mid-infrared region where the absorption lines of water vapor are more abundant. The detection limit of water vapor is 24.8 ppb. the spectral distribution characteristics of no and the component of interference gas in oral gas are analyzed theoretically. The optimum measurement wavelength of no was determined at 1900 cm ~ (-1). Based on the continuous cavity ring-down spectroscopy, the trace concentration of no in high purity nitrogen was measured. The detection limit is 0.45 ppb. on this basis, the test pressure is optimized, and the detection limit of trace concentration of no in oral gas is 0.41 ppb. At the same time, the quasi-real-time measurement and monitoring of no in human exhaled oral gas were carried out. A method based on optical cavity ring-down spectroscopy was proposed to measure the air tightness of gas pool, and the absorption spectrum of water vapor was used. The leakage rate of the system is detected; A pressure gauge calibration method based on cavity ring-down spectroscopy and pressure broadening effect of gas absorption spectrum is proposed. The pressure information is obtained by high resolution measurement of narrow linewidth gas absorption spectrum. The pressure detection limit of the system is better than 0.18 KPA. The pressure broadening coefficient of water vapor and HITAR can be obtained by using the relationship between line width and pressure. The reference value of N database is consistent.
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TN248;O433

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本文編號(hào)：1390508