利用太赫茲時(shí)域光譜的汞氣體感測法
【專利摘要】本發(fā)明公開了用于檢測各種氣體流中的汞物種的方法和設(shè)備，例如檢測由化石燃料燃燒所產(chǎn)生的那些氣體流中的汞物種的方法和設(shè)備。
【專利說明】利用太赫茲時(shí)域光譜的汞氣體感測法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明的技術(shù)總體上涉及光譜裝置和汞的檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]以下所述的【背景技術(shù)】僅供輔助讀者理解本發(fā)明的技術(shù)，而并非承認(rèn)其描述或構(gòu)成本申請的現(xiàn)有技術(shù)。
[0003]汞是所有化石燃料的痕量成分?；療N類作為燃料的應(yīng)用對大氣環(huán)境造成汞排放。來自化石燃料燃燒的汞通常以Hg°(g)或以有機(jī)汞化合物(如甲基汞)進(jìn)入環(huán)境。
[0004]由于有機(jī)汞化合物的毒性和相關(guān)的健康副作用，大氣中汞的檢測受到越來越多的重視。然而，低濃度的氣態(tài)汞難以通過如紫外、可見、紅外或X射線光譜等光譜方法直接檢測，尤其是汞存在于烴類氣體中時(shí)。上述困難源于烴類在各種光譜檢測區(qū)中的干擾。因此，最常用的汞檢測技術(shù)需要在金阱(gold trap)上預(yù)濃縮，且雖然此類技術(shù)的靈敏度很足以進(jìn)行濃度測定，但響應(yīng)時(shí)間可能要數(shù)分鐘。由于汞可能會(huì)經(jīng)歷快速大氣循環(huán)，因而這種滯后的響應(yīng)時(shí)間可能不適宜。因此，對汞的直接檢測和定量的方法存在需求，特別是當(dāng)汞可能存在于烴類氣體中時(shí)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]根據(jù)一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種方法，所述方法包括:使用來自太赫茲(terahertz)發(fā)射源的太赫茲福射照射氣體流；獲取該氣體流的太赫茲旋轉(zhuǎn)光譜；和確定所述氣體流中是否存在萊或含萊物種(mercury-containing species)。在某些實(shí)施方式中，所述方法還包括對氣體流中的汞進(jìn)行定量。在某些實(shí)施方式中，所述氣體流是煙道氣體流，諸如來自化石燃料燃燒過程的煙道氣體流。在某些此類實(shí)施方式中，煙道氣體流來自煤燃燒。
[0006]在某些實(shí)施方式中，當(dāng)存在于氣體流中時(shí)，汞以Hg°物種或有機(jī)汞化合物存在。在某些實(shí)施方式中，汞以作為甲基汞的有機(jī)汞化合物存在。在某些實(shí)施方式中，氣體流中的汞濃度為約Ippm?約10重量％。
[0007]在某些實(shí)施方式中，太赫茲輻射處于約0.1THz?約IOTHz的頻率。在其它實(shí)施方式中，旋轉(zhuǎn)光譜顯示出在約0.1THz?約IOTHz的吸收。
[0008]在另一方面中，本發(fā)明提供了一種設(shè)備，所述設(shè)備包括:超快脈沖式激光發(fā)生器；第一導(dǎo)管，該第一導(dǎo)管被配置為將激光脈沖從所述超快脈沖式激光發(fā)生器傳送至分束器；所述分束器被配置為將所述激光脈沖拆分為基準(zhǔn)光束和激發(fā)光束；第二導(dǎo)管，該第二導(dǎo)管被配置為將所述基準(zhǔn)光束傳送至延時(shí)發(fā)生器；第三導(dǎo)管，該第三導(dǎo)管將所述激發(fā)光束傳送至THz發(fā)射器，該Thz發(fā)射器被配置為在受所述激發(fā)光束的激發(fā)時(shí)發(fā)射THz輻射；采樣區(qū)，所述采樣區(qū)處于煙道氣體流中，所述THz輻射發(fā)射穿過該采樣區(qū)；檢測器；和放大器。在某些其它實(shí)施方式中，第一導(dǎo)管、第二導(dǎo)管和第三導(dǎo)管是光纖導(dǎo)管。
[0009]在某些實(shí)施方式中，THz發(fā)射器包括直接帶隙半導(dǎo)體，其包括在基板表面上經(jīng)光刻限定的高阻抗偶極發(fā)射器的天線結(jié)構(gòu)體。在某些此類實(shí)施方式中，THz發(fā)射器還包含Ga、As、Al、In、Zn、Se、Te、L1、Nb或其任意兩者以上的混合物或者它們的合金。在其它實(shí)施方式中，THz 發(fā)射器包含 GaAs、AlGaAs、InN、InAs、InGaAs、ZnSe、LiNb03、GaBiAs 或 ZnTe。
[0010]在某些實(shí)施方式中，所述設(shè)備被配置為實(shí)時(shí)監(jiān)測煙道氣體流。在某些實(shí)施方式中，所述設(shè)備被配置為存儲(chǔ)或顯示煙道氣體汞濃度數(shù)據(jù)。在某些此類實(shí)施方式中，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)或顯示為時(shí)間的函數(shù)。在其它實(shí)施方式中，所述設(shè)備被配置為發(fā)出警告或通知。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是一個(gè)實(shí)施方式的樣品分析用太赫茲光譜儀的一般性示意圖。
[0012]圖2是一個(gè)實(shí)施方式的煙道氣體樣品分析用太赫茲光譜儀的一般性示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]在以下【具體實(shí)施方式】中參考了附圖，附圖構(gòu)成其一部分。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記通常認(rèn)定為相似的組件，除非上下文另外指出?！揪唧w實(shí)施方式】、附圖和權(quán)利要求中描述的說明性實(shí)施方式并非意在進(jìn)行限制。在不背離本文呈現(xiàn)的主題的主旨或范圍的情況下，可以利用其它的實(shí)施方式，也可以做出其它變化。本發(fā)明還通過本文的實(shí)施例來進(jìn)行說明，而所述實(shí)施例不應(yīng)在任何意義上具有限制性。
[0014]除非上下文另外指出，如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解的那樣，本文所用術(shù)語“汞”和“含汞物種”是指任何種類的汞或汞化合物(離子型或共價(jià)型)，并且還包括包含任意氧化態(tài)汞的物質(zhì)。就此而言，汞可以以零氧化態(tài)存在(即，Hgci，如金屬汞或與中性配體共價(jià)結(jié)合的Hg°)，或者汞可以以氧化形式存在，例如以Hg (I)或Hg(II)存在。汞化合物的實(shí)例包括但不限于:氯化汞(I)、氯化汞(II)、溴化汞(I)、溴化汞(II)、碘化汞(I)、碘化汞(II)、硫酸汞(I)、硫酸汞(II)、硝酸汞(I)、乙酸汞(II)、苯甲酸汞(II)、碘酸汞(II)、氰化汞(II)、氧化汞(II)(包括紅色氧化汞(II)和黃色氧化汞(II))、硫化汞(II)以及有機(jī)汞化合物，所述有機(jī)汞化合物包括但不限于二苯基汞(II)、乙酸苯汞、氫氧化苯汞、二甲基汞(II)、甲基溴化汞和甲基氯化汞等。術(shù)語“含汞物種”還包括在典型實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中可見的溫度和壓力下可短暫地形成的、不可分離的或者以其他方式不穩(wěn)定的那些物種。
[0015]在一個(gè)方面中，本發(fā)明提供了用于檢測樣品中的汞的設(shè)備。雖然所述設(shè)備可用于檢測多種樣品中的汞，排放至環(huán)境中的氣體流是一種需要監(jiān)測其中的汞的存在和量的這類樣品。氣體流的一個(gè)實(shí)例是煙道氣體流。例如，所述設(shè)備可用于檢測與化石燃料燃燒、化石燃料重整或化石燃料氣化相關(guān)的煙道氣體流中的汞。在一個(gè)說明性實(shí)例中，其為與燃煤發(fā)電廠相關(guān)的煙道氣體流。煙道氣體流還可能與廢物焚化爐相關(guān)。本文所用術(shù)語“煙道氣體”或“煙道氣體流”泛指來自任何種類的燃燒過程(包括但不限于煤、油、天然氣等的燃燒)的廢氣。煙道氣體流通常包括如CO、CO2, SO2, SO3> HC1、N0X(例如，NO和NO2)、水等氣體。
[0016]所述設(shè)備包括太赫茲(THz)光譜儀，該太赫茲光譜儀被配置為利用時(shí)域光譜(TDS)監(jiān)測樣品。電磁譜的THz區(qū)在本文中被定義為0.1THz?IOTHz的頻率范圍，該范圍處于電磁譜的微波區(qū)與紅外(IR)區(qū)之間。與IR區(qū)相比，在THz區(qū)內(nèi)，透射/吸收的線形趨向于大幅簡化。其原因在于以下事實(shí)=THz區(qū)中的光譜吸收完全來源于旋轉(zhuǎn)。在許多情形中，這些光譜可以由少量的旋轉(zhuǎn)能參數(shù)來表征。因此，與振動(dòng)能級(jí)也受激發(fā)的情況相比，利用純旋轉(zhuǎn)光譜往往更為容易對較為復(fù)雜的分子進(jìn)行表征。如本文所用，吸收度通常是來自此類光譜測定的報(bào)告值，不過儀器通常監(jiān)測透射度。但是，吸收度和透射度以A=2-log T相關(guān)，其中A為吸收度而T為透射度。因此，吸收度與濃度的曲線將是線性的，而透射度與濃度的曲線是對數(shù)型的。
[0017]所述設(shè)備可以用作陽性對照(positive control)以檢測樣品中的汞，并且能夠提供關(guān)于汞濃度的信息。在THz區(qū)，通過依賴于汞和汞化合物相對簡單的旋轉(zhuǎn)或平移光譜而不是更復(fù)雜的振動(dòng)信號(hào)特征(signature)，可以更為有效且精確地檢測汞。其它的優(yōu)點(diǎn)包括通過利用太赫茲時(shí)域光譜(TTDS)可獲取的極寬的帶寬所提供的較大靈活性，以及檢測一致性，這允許對等離子體、焰火和其它難處理的樣品進(jìn)行遠(yuǎn)紅外光譜測定。此外，與常規(guī)的基于紅外的光譜技術(shù)(其可能需要對含顆粒物的樣品(例如，燃燒廢氣)進(jìn)行預(yù)過濾以避免掩蔽光路)相比，TTDS具有提供對受氣溶膠和其它顆粒物(如見于燃燒廢氣中的那些)污染的氣態(tài)樣品進(jìn)行直接且近乎同步測定的可能性。參見Uno，T.等，Jpn.J.Appl.Phys.49，04DL17(2010)。
[0018]因此，在一些實(shí)施方式中，太赫茲光譜儀監(jiān)測電磁譜的0.1THz (太赫茲)?IOTHz的太赫茲區(qū)域。該區(qū)域也可以表達(dá)為IOcnT1?333.1cnT1的波數(shù)。在該區(qū)域的監(jiān)測可指出氣體流中是否存在汞，并且還能基于定量曲線來提供關(guān)于氣體流中的汞量的信息。汞可以以Hg°(非離子型汞)或以Hg有機(jī)化合物存在，Hg有機(jī)化合物的一個(gè)說明性實(shí)例是甲基汞([Hg(CH3)]X)。甲基汞是其中甲基與Hg(II)原子共價(jià)結(jié)合的離子型物種。以X表示的陰離子可以是煙道氣體中的任何陰離子物種。在煙道氣體中經(jīng)歷過渡態(tài)變化時(shí)，甲基汞還可以作為不與任何特定的陰離子連接的帶電物種而在任何給定時(shí)刻存在于煙道氣體中。當(dāng)汞以Hg°存在時(shí)，檢測經(jīng)汞的平移變化進(jìn)行。在一個(gè)實(shí)施方式中，與Hg°相關(guān)的吸收發(fā)生在0.1THz?5THz。Hg有機(jī)化合物預(yù)期會(huì)吸收約0.1THz?約IOTHz的THz輻射。
[0019]THz光譜測定的靈敏度依賴于源功率和檢測器功率，而這些都是儀器限制。因此，可以檢測的汞的靈敏度和量將因儀器的不同而不同。不過，在某些實(shí)施方式中，可以檢測的汞的量為ppm級(jí)(下限)至數(shù)個(gè)重量％。因此，在一個(gè)實(shí)施方式中，可以檢測的汞的量為約Ippm?約10重量％。在其它實(shí)施方式中，可以檢測的汞的量為約150ppm?約I重量％。
[0020]參考附圖，圖1中提供了汞檢測用設(shè)備的示意圖。設(shè)備100依賴于超快激光系統(tǒng)110，其產(chǎn)生約100fs(飛秒，S卩I(T13S)時(shí)長的光脈沖列120。脈沖處于電磁譜的近紅外區(qū)。在某些實(shí)施方式中，所述脈沖處于約IOcnT1?約SOOcnr1的波長。隨后脈沖列120經(jīng)分束器130拆分為激發(fā)光束140和基準(zhǔn)光束150。將激發(fā)光束140導(dǎo)引至THz發(fā)射器160，而將基準(zhǔn)光束150導(dǎo)引至延時(shí)發(fā)生器190。THz發(fā)射器160包括直接帶隙半導(dǎo)體，其具有在基板表面上經(jīng)光刻限定的高阻抗偶極發(fā)射器的天線結(jié)構(gòu)體。所述高阻抗偶極發(fā)射器經(jīng)直流偏壓至數(shù)十伏。當(dāng)飛秒(fs)脈沖(例如，激發(fā)光束140)以上述帶隙激發(fā)來激發(fā)天線中的半導(dǎo)體材料時(shí)，將產(chǎn)生THz頻率電磁波145。該光生波(photo-generated wave) 145其后經(jīng)施加的偏壓場而加速穿過樣品池170。在樣品池170中與樣品接觸后，波145所賦予的能量可能出現(xiàn)或不出現(xiàn)吸收，并且接觸過樣品的THz頻率電磁波146從樣品池170離開到達(dá)THz檢測器180，在那里電流放大器200將信號(hào)放大，并將其從模擬信號(hào)經(jīng)處理器210轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)以進(jìn)行顯示。這些波形的速度可以根據(jù)幾個(gè)因素進(jìn)行測定，所述因素包括模數(shù)轉(zhuǎn)換速度、測定所需的信噪比以及機(jī)械光學(xué)延遲線190的速度。利用掃描光學(xué)延遲線190(安裝于檢流器電機(jī)上的逆反射器)，可以以超過IO3的信噪比在僅數(shù)十毫秒內(nèi)對THz波形進(jìn)行測定。這種快速數(shù)據(jù)獲取能夠?qū)Hz脈沖的全譜帶寬跨度進(jìn)行快速分析，因此能夠利用所測定帶寬內(nèi)的吸收信號(hào)特征對氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)感測和鑒定。
[0021]本文所用術(shù)語“實(shí)時(shí)”是指進(jìn)行一組操作(例如，對氣體流中的汞進(jìn)行感測、鑒定和/或定量)以便基于特定的時(shí)序限制產(chǎn)生該組操作的輸出或結(jié)果。雖然在本文中有時(shí)稱操作為實(shí)時(shí)進(jìn)行，但應(yīng)該認(rèn)為該操作的輸出可以經(jīng)一段可檢測的延遲或等待后產(chǎn)生。例如，如果操作的輸出產(chǎn)生的速度與獲得操作的輸入的速度相同或基本相同，則該操作可以實(shí)時(shí)進(jìn)行。作為另一實(shí)例，如果操作的輸出可以在特定的響應(yīng)時(shí)間上限內(nèi)產(chǎn)生，例如，在約I分鐘內(nèi)、約45秒內(nèi)、約30秒內(nèi)、約20秒內(nèi)、約10秒內(nèi)、約5秒內(nèi)、約I秒內(nèi)、約0.1秒內(nèi)、約
0.01秒內(nèi)或約0.001秒內(nèi)，則該操作可實(shí)時(shí)進(jìn)行。作為再一實(shí)例，如果操作的輸出能及時(shí)產(chǎn)生從而能夠影響或者控制操作進(jìn)行時(shí)的過程，則該操作能實(shí)時(shí)進(jìn)行。
[0022]超快激光器取決于所需脈沖的波長而包括各式激光器。例如，根據(jù)某些說明性實(shí)施方式，可以使用Er摻雜或Yb摻雜的激光器。其它激光器包括但不限于:T1:藍(lán)寶石(增益譜:650nm?IlOOnm)、羅丹明6G(染料；增益譜:600nm?650nm)、Cr:LiSAF(增益譜:800nm?IOOOnm)和Nd:玻璃(增益譜:1040nm?1070nm)。超快激光器(也稱作超短脈沖激光器)以飛秒、皮秒或納秒的時(shí)長發(fā)射超短脈沖的激光輻射。術(shù)語“超快激光器”通常用于鎖模激光器，但增益開關(guān)也可以提供超短脈沖。
[0023]關(guān)于波145是否被吸收，其與樣品內(nèi)所含的內(nèi)容物以及樣品中是否存在將在受監(jiān)測的THz區(qū)產(chǎn)生吸收的成分有關(guān)。
[0024]THz發(fā)射器是其表面上具有經(jīng)光刻限定的天線的直接帶隙半導(dǎo)體。所述天線通過在半導(dǎo)體基板表面上光刻圖案化兩個(gè)金屬電極而產(chǎn)生。在這兩個(gè)電極之間施加偏壓，并在材料中產(chǎn)生強(qiáng)場區(qū)。當(dāng)將飛秒激光器聚焦在兩個(gè)電極的間隙中時(shí)，產(chǎn)生電子-空穴對。這些空穴對基本上是最終注入強(qiáng)場區(qū)的光生載流子，并且根據(jù)其是電子電荷或空穴電荷而加速并向相反方向漂移。這種輸送的結(jié)果是，產(chǎn)生了屏蔽偏壓場的空間電荷場。由于光源是飛秒激光器，定期突發(fā)地在兩個(gè)電極之間建立起瞬時(shí)電流，從而使得電極作為偶極天線產(chǎn)生福射。這種現(xiàn)象在Bergmann, N.W.等，Proceedings of SPIE第4591卷(2001)中有更詳細(xì)的解釋。
[0025]合適的THz發(fā)射器包括這樣的半導(dǎo)體:當(dāng)受激發(fā)源的激活時(shí)，該半導(dǎo)體發(fā)射處于電磁譜的THz區(qū)的福射。示例性材料包括但不限于GaAs、AlGaAs、InN、InAs、InGaAs、ZnSe、LiNb03、GaBiAs 和 ZnTe 等等。
[0026]在一個(gè)實(shí)施方式中，設(shè)備(例如圖1所示的設(shè)備)被配置為檢測煙道氣體樣品中的汞。如圖1所示，可以對煙道氣體取樣并使樣品容納在位于THz發(fā)射器160和THz檢測器180之間的樣品池170中。此類設(shè)備能夠在不同采樣時(shí)間或以不同的采樣間隔來進(jìn)行檢測。對于此類設(shè)備而言，對煙道氣體進(jìn)行采樣并將樣品置于光譜儀中。
[0027]在另一實(shí)施方式中，所述設(shè)備被配置為實(shí)時(shí)檢測煙道氣體流中的汞。在此類實(shí)施方式中，所述設(shè)備與圖1中所示設(shè)備相似，不同之處在于樣品池由置于煙道氣體流內(nèi)的光纖連接體替代。因此，在受脈沖式激光源激發(fā)后，THz發(fā)射器發(fā)射電磁波，該電磁波導(dǎo)向光纖并由光纖傳送至煙道氣體流。在煙道氣體流中，電磁波途經(jīng)選定的氣體區(qū)段，其后再傳送至接收光纖，后者然后將該電磁波傳送至THz檢測器。[0028]圖2中顯示了用于實(shí)時(shí)檢測煙道氣體的設(shè)備。圖2是設(shè)備300的一般性圖示，其中超快激光系統(tǒng)310產(chǎn)生約IOOfs (飛秒，即10_13s)時(shí)長的光脈沖列320。對設(shè)備300描述的脈沖和波至少部分地由導(dǎo)管承載，所述導(dǎo)管可以是將脈沖從激光系統(tǒng)310導(dǎo)引至承載煙道氣體流的煙道450的光纜。脈沖處在電磁譜的近紅外區(qū)。然后，脈沖列320經(jīng)分束器330拆分為激發(fā)光束340和基準(zhǔn)光束350。將激發(fā)光束340導(dǎo)引至THz發(fā)射器360，而將基準(zhǔn)光束350導(dǎo)引至延時(shí)發(fā)生器390。THz發(fā)射器360包括如上所述的直接帶隙半導(dǎo)體。當(dāng)飛秒(fs)脈沖(例如，激發(fā)光束340)以上述帶隙激發(fā)來激發(fā)天線中的半導(dǎo)體材料時(shí)，產(chǎn)生THz頻率電磁波345。該光生波345其后經(jīng)所施加的偏壓場加速，并進(jìn)入設(shè)置了樣品區(qū)370的煙道450中。樣品區(qū)370是具有預(yù)定距離的間隙，其在煙道氣體移動(dòng)通過煙道時(shí)提供適當(dāng)?shù)臒煹罋怏w實(shí)時(shí)采樣。所述距離處于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模THz儀器中所用的距離量級(jí)，不過，可以增加該距離以使激光或THz信號(hào)必須行經(jīng)的距離更長并引起此類設(shè)備中的伴隨信號(hào)損失?？梢允够鶞?zhǔn)光束350傳送穿過煙道450從而使兩種光束的光束條件相同，不同之處在于是否途徑樣品區(qū)370。在樣品區(qū)370中與樣品接觸后，波345所賦予的能量可能出現(xiàn)或不出現(xiàn)吸收，并且接觸過樣品的THz頻率電磁波346從樣品區(qū)370離開到達(dá)THz檢測器380，在那里電流放大器400將信號(hào)放大，并將其從模擬信號(hào)經(jīng)處理器410轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)以進(jìn)行顯
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[0029]在另一個(gè)實(shí)施方式中，所述設(shè)備被配置為將與氣體(例如，煙道氣體)中汞濃度相關(guān)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)或顯示為另一變量(例如，時(shí)間)的函數(shù)。所述設(shè)備可以被配置為用計(jì)算機(jī)(或處理器，如圖1和2中所指示的處理器)來存儲(chǔ)或顯示所述數(shù)據(jù)，可選地被配置為用戶界面。例如，前文所述的實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備還可以包括計(jì)算機(jī)工作站，該工作站被配置為存儲(chǔ)利用所述設(shè)備實(shí)時(shí)獲取的汞濃度數(shù)據(jù)。這些實(shí)時(shí)濃度數(shù)據(jù)可以以曲線圖的形式呈現(xiàn)給用戶(例如，通過計(jì)算機(jī)工作站上的用戶界面顯示)，從而使用戶能夠監(jiān)測某時(shí)間段的汞排放變化。所述設(shè)備還可以進(jìn)一步被改造為在汞濃度偏離或達(dá)到預(yù)定濃度時(shí)或者偏離或達(dá)到預(yù)定的濃度變化速率時(shí)發(fā)出通知或警告。所述通知或警告可以為多種形式，例如有聲或可見的警報(bào)、電子郵件信息或文字信息等。例如，在燃煤工廠的情況下，如果煙道氣體中的汞濃度超過可接受水平，由此描述的實(shí)施方式的設(shè)備可以向工程師或環(huán)境衛(wèi)生安全官員發(fā)出自動(dòng)通知。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所能理解，設(shè)備的處理器或?yàn)槠渑渲玫挠?jì)算機(jī)工作站可以被配置為與氣體流中產(chǎn)生和/或釋放汞相關(guān)的其它系統(tǒng)有效聯(lián)通，從而可以實(shí)時(shí)影響或控制汞的產(chǎn)生和/或釋放。例如，煤燃燒速度可能響應(yīng)于由所述設(shè)備確定的汞濃度的增加而自動(dòng)降低。
[0030]在另一方面，本發(fā)明提供了基于太赫茲時(shí)域光譜(TTDS)來檢測和鑒定汞氣體和氣體混合物的方法。所述方法可以用來實(shí)時(shí)確定氣體流中的汞總含量，以獲取與從特定過程排放至環(huán)境的氣體相關(guān)的重要信息。所述方法包括利用TTDS監(jiān)測樣品在0.1THz?IOTHz區(qū)中的吸收，并將吸收值與預(yù)期值進(jìn)行比較。THz區(qū)的光譜吸收度與旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象有關(guān)。如果被檢測的物種具有偶極矩，且如果在雙原子分子旋轉(zhuǎn)期間極化率改變，則可利用旋轉(zhuǎn)光譜。因此，可以使用以下方程來預(yù)測給定物種在THz區(qū)的吸收度最大值:[0031]
【權(quán)利要求】
1.一種方法，所述方法包括: 使用來自太赫茲發(fā)射源的太赫茲輻射照射氣體流； 獲取所述氣體流的太赫茲旋轉(zhuǎn)光譜；和 確定所述氣體流中是否存在汞或含汞物種。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述太赫茲輻射處于約0.1THz?約IOTHz的頻率。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述旋轉(zhuǎn)光譜顯示出在約0.1THz?約IOTHz的吸收。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，當(dāng)存在于所述氣體流中時(shí)，所述汞以Hgtl物種或以有機(jī)汞化合物存在。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述汞以有機(jī)汞化合物存在，所述有機(jī)汞化合物為甲基汞。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述氣體流是來自化石燃料燃燒過程的煙道氣體流。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述氣體流是來自煤燃燒的煙道氣體流。
8.如權(quán)利要求1所述的方法,其中，所述汞的濃度為約150ppm?約I重量％。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，所述方法還包括對所述氣體流中的所述汞進(jìn)行定量。
10.一種設(shè)備，所述設(shè)備包括: 超快脈沖式激光發(fā)生器； 第一導(dǎo)管，所述第一導(dǎo)管被配置為將來自所述超快脈沖式激光發(fā)生器的激光脈沖傳送至分束器； 所述分束器被配置為將所述激光脈沖拆分為基準(zhǔn)光束和激發(fā)光束； 第二導(dǎo)管，所述第二導(dǎo)管將所述基準(zhǔn)光束傳送至延時(shí)發(fā)生器； 第三導(dǎo)管，所述第三導(dǎo)管將所述激發(fā)光束傳送至THz發(fā)射器，所述THz發(fā)射器被配置為在受所述激發(fā)光束的激發(fā)時(shí)發(fā)射THz輻射； 采樣區(qū)，所述采樣區(qū)處于煙道氣體流中，所述THz輻射發(fā)射穿過所述采樣區(qū)； 檢測器；和 放大器。
11.如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中，所述第一導(dǎo)管、所述第二導(dǎo)管和所述第三導(dǎo)管是光纖導(dǎo)管。
12.如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中，所述THz發(fā)射器包括直接帶隙半導(dǎo)體，所述直接帶隙半導(dǎo)體包括在基板表面上經(jīng)光刻限定的高阻抗偶極發(fā)射器的天線結(jié)構(gòu)體。
13.如權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其中，所述THz發(fā)射器包含Ga、As、Al、In、Zn、Se、Te、Li或Nb或其任意兩種以上的混合物或者它們的合金。
14.如權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其中，所述THz發(fā)射器包含GaAs、AlGaAs,InN, InAs,InGaAs> ZnSe> LiNb03、GaBiAs 或 ZnTe0
15.如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，所述設(shè)備被配置為實(shí)時(shí)監(jiān)測所述煙道氣體流。
16.如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，所述設(shè)備被配置為存儲(chǔ)或顯示煙道氣體汞濃度數(shù)據(jù)。
17.如權(quán)利要求16所述的設(shè)備，其中，將所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)或顯示為時(shí)間的函數(shù)。
18.如權(quán)利要求16所述的設(shè)備，所述設(shè)備被配置為發(fā)出警告。
【文檔編號(hào)】G01N21/3504GK103814287SQ201180073477
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2011年10月7日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月7日
【發(fā)明者】H·H·比斯瓦爾·門多薩 申請人:英派爾科技開發(fā)有限公司