本發(fā)明涉及大氣穩(wěn)定同位素豐度光學(xué)檢測領(lǐng)域，尤其涉及一種多組分氣體穩(wěn)定同位素實時在線監(jiān)測光學(xué)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

穩(wěn)定同位素探測技術(shù)在揭示大氣污染氣體的產(chǎn)生、傳輸及釋放的微環(huán)境機理和確定相對貢獻率方面具有明顯的優(yōu)越性。大氣分子同位素組成特征可反映出大氣分子組成源區(qū)的初始狀態(tài)和變化特點、大尺度的天氣系統(tǒng)變化。穩(wěn)定同位素的應(yīng)用對氣候變化、環(huán)境污染物的治理具有推動作用和實踐指導(dǎo)意義，能夠更好了解區(qū)域氣候特征和規(guī)律研究。高精度的大氣穩(wěn)定同位素測量方法對準確解析源匯變化特點和變化趨勢、減小測量誤差具有非常重要的意義，在大氣環(huán)境科學(xué)研究領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用。

確定同位素豐度的標準技術(shù)是同位素比值質(zhì)譜（IRMS）技術(shù)。該技術(shù)測量精度高，但運行要求也較高，很難進行現(xiàn)場實時測量。特別是對水汽同位素的測量，通常需要在幾十分鐘到幾個小時內(nèi)從大氣中采集水汽，然后把水汽進行處理和分析，IRMS技術(shù)也不能區(qū)分同分異構(gòu)體分子同位素，這些特點限制了IRMS技術(shù)對樣品的實時在線分析能力。

近年來發(fā)展的光譜技術(shù)克服了傳統(tǒng)的IRMS技術(shù)的限制。激光吸收光譜法用于大氣分子穩(wěn)定同位素探測，逐漸發(fā)展成光譜應(yīng)用和同位素分析研究領(lǐng)域的一個前沿課題。主要有可調(diào)諧二極管激光器技術(shù)（TDLAS）、量子級聯(lián)激光吸收光譜技術(shù)（QCLAS），腔衰蕩光譜技術(shù)（CRDS）和傅里葉變換紅外（FTIR）光譜技術(shù)等。激光技術(shù)通常分析同位素的轉(zhuǎn)動-振動躍遷形成的一個或多個短波段，其測量精度較高。然而，QCLAS、CRDS和FTIR通常結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本昂貴，只能測量一種氣體同位素豐度，不太適合發(fā)展成實時監(jiān)測的高靈敏度同位素探測儀器。TDLAS技術(shù)是利用二極管激光器波長掃描特性，獲得被測氣體的特征吸收光譜范圍內(nèi)的吸收光譜，從而對污染氣體同位素進行定性或者定量分析的一種技術(shù)。該技術(shù)具有靈敏度高、選擇性好、無需采樣和樣品處理、能實時、動態(tài)、快速、多組分同時測量等優(yōu)點，可發(fā)展成多組分、便攜式同位素檢測裝置。

國外從上世紀90年代即開展了TDLAS穩(wěn)定同位素檢測方法研究，但都是單一氣體穩(wěn)定同位素測量，現(xiàn)在已經(jīng)成功用于土星大氣甲烷同位素豐度探測。國內(nèi)TDLAS穩(wěn)定同位素檢測屬于起步階段，主要是圍繞單一氣體同位素進行測量。利用TDLAS進行多波長多組分穩(wěn)定同位素豐度測量系統(tǒng)實現(xiàn)簡單，光纖耦合方式使系統(tǒng)容易適應(yīng)測量環(huán)境和小型化。在激光器波長掃描范圍內(nèi)，選定兩條不受其他氣體成分及其變化干擾的吸收線的情況下，僅要求測量氣體壓強不要太高并且不與其他氣體進行反應(yīng)，就能夠?qū)崿F(xiàn)非侵入的實時在線穩(wěn)定同位素監(jiān)測。另外，多波長多組分穩(wěn)定同位素豐度測量裝置易于集成，操作程序化，無需定標，能保持長時間的穩(wěn)定性，便于攜帶，能夠進行野外實驗，對大氣污染氣體源、匯變化及我國環(huán)境模式的研究具有重要的意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了提供一種多組分氣體穩(wěn)定同位素豐度測量系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，具有較好的壓強和溫度穩(wěn)定性，能同時進行四種氣體穩(wěn)定同位素豐度的測量，解決了當前儀器只能對單一氣體同位素豐度測量的缺點，能進行長期實時在線觀測，相對于單一氣體同位素測量裝置，本發(fā)明縮短了分析同位素豐度的周期，能夠系統(tǒng)全面地研究大氣主要污染氣體的源和匯的動態(tài)變化，掌握其濃度時空變化特征。

本發(fā)明采用可調(diào)諧二極管吸收光譜技術(shù)，根據(jù)朗伯-比爾定律有選擇地對大氣溫室氣體穩(wěn)定同位素豐度進行測量。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案：一種多波長離軸穩(wěn)定同位素豐度監(jiān)測系統(tǒng)，包括激光器模塊，吸收池模塊，溫控箱和信號采集與處理模塊。

所述激光器模塊由四臺光纖輸出激光器，激光控制器、函數(shù)發(fā)生器和波長計組成；還包括與激光器相連的分束比為99:1的光纖分束器，光纖耦合法蘭、裝有光纖準直鏡頭的三維調(diào)整架；激光器光纖輸出端通過光纖轉(zhuǎn)接法蘭與光纖分束器相連；光纖分束器分束比大的一支連接到裝有光纖準直鏡頭的三維調(diào)整架上，分束比小的一支與波長計連接。

所述吸收池模塊主要有波紋管、透明聚四氟乙烯管、凹球面鏡、氟化鈣鏡片、轉(zhuǎn)接法蘭、密封法蘭、多維調(diào)整架、進出氣閥門、探測器、固定底座和溫控裝置組成；

所述波紋管的一端和透明聚四氟乙烯管的一端通過轉(zhuǎn)接法蘭連接在一起，波紋管和透明聚四氟乙烯管的另一端分別與固定有入射凹球面鏡和出射凹球面鏡的轉(zhuǎn)接法蘭相連，密封法蘭與氟化鈣鏡片固定在一起安裝在裝有凹球面鏡的轉(zhuǎn)接法蘭外，這樣就組成了多通吸收池；所述多通池安裝有波紋管的一側(cè)為光的入射端；所述多維調(diào)整架與入射端密封法蘭相連固定在底座上；所述多通池安裝有透明聚四氟乙烯管的一端為光的出射端；所述探測器安裝在多通池的出射端；所述進氣閥門和出氣閥門分別安裝在多通池入射端和出射端的密封法蘭上；所述進氣口閥門和出氣口閥門分別與外面氣路連接。

所述多通池的凹球面鏡鍍有金膜，其反射光的帶寬為800 nm～20 μm，平均反射率為96%。其通光孔徑為20cm，光在池中來回反射極大地增加了測量氣體的吸收光程長度，從而提高了監(jiān)測同位素豐度的精度。

所述多通池內(nèi)溫度由三個原裝進口1/3B級裸露鉑熱電阻溫度傳感器進行測量，三個溫度傳感器緊貼于吸收池外壁的進氣口端、中間和出氣口端，傳感器對空氣中溫度變化的響應(yīng)時間在2s以內(nèi)，溫度由OMRON溫控器進行控制，控制精度可達±10mK，加熱帶緊密包裹住多通池和溫度傳感器，加熱帶外用導(dǎo)熱系數(shù)（＜0.018 W/mK）很小的納米氣凝膠氈包裹封住。

所述多通池內(nèi)壓強采用MKS壓力控制器進行后級控制，其控制精度可達±5Pa。

所述溫控箱由導(dǎo)熱系數(shù)（＜0.018 W/mK）很小的納米氣凝膠氈包裹封住，包裹層的最外層用自粘高亮鋁箔紙封嚴，以盡量減少氣體與外界的熱交換和靜電干擾。

所述信號采集與處理模塊由裝有前置放大器的探測器，采集卡和裝有數(shù)據(jù)處理程序的計算機組成。其中探測器探測到的信號經(jīng)放大后由采集卡采集輸送給計算機內(nèi)的數(shù)據(jù)處理程序，數(shù)據(jù)處理程序是基于Labview軟件進行編寫的，能對激光器進行穩(wěn)頻和同位素豐度采集。同位素豐度采集界面由參數(shù)選擇和光譜顯示兩部分構(gòu)成。參數(shù)選擇面板中，每一個參數(shù)的選擇均采用下拉框的形式，使用方便快捷。光譜顯示面板中，數(shù)據(jù)處理所編程序能夠自動尋峰，線性回歸窗口寬度可以手動調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了實時測量δ值的顯示與記錄，不需要后期對數(shù)據(jù)進行處理。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的整個光學(xué)系統(tǒng)圖

圖2多通池示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明為一種多波長離軸穩(wěn)定同位素豐度監(jiān)測系統(tǒng)，用于同時測量大氣中四種氣體穩(wěn)定同位素豐度，這不僅減小了利用平衡探測法測量多種氣體穩(wěn)定同位素時測量儀器的質(zhì)量和體積以及攜帶不便的問題，而且避免了利用兩池測量時壓強和溫度控制不同造成的測量結(jié)果和精度不高的問題。

具體實施方式如圖1所示，波紋管13和透明聚四氟乙烯管36通過轉(zhuǎn)接法蘭12連接密封，安裝有凹球面鏡的轉(zhuǎn)接法蘭10、11分別與波紋管13和透明聚四氟乙烯管36連接密封。裝有氟化鈣鏡片的法蘭34、35與裝有凹球面鏡的轉(zhuǎn)接法蘭10、11連接、固定密封。進氣口閥門14與出氣口閥門15分別安裝在裝有氟化鈣鏡片的法蘭35、34上。多維調(diào)整架9安裝在法蘭34上對整個多通池的長度和角度進行調(diào)節(jié)?？紤]到不同波長的光在吸收池內(nèi)的入射角不同，把裝有氟化鈣鏡片的法蘭35先固定在固定架37上，利用多維調(diào)整架9調(diào)節(jié)入射端凹球面鏡的角度和兩鏡間的距離，調(diào)節(jié)好一條光路后（如（1）→（2）），固定裝有氟化鈣鏡片的法蘭35，利用三維調(diào)整架1、3、5、7對剩余的光路進行調(diào)節(jié)，光路調(diào)好后調(diào)整架9固定在固定架37上。這樣就組成了多通吸收池。

待測氣體從閥門14進入吸收池，從閥門15流出。

多通吸收池內(nèi)氣的體溫度由德國賀利氏（Hreaeus）原裝進口1/3B級Pt100鉑熱電阻39、40、41測量，鉑熱電阻39、40、41依次緊貼在多通吸收池的出氣口端、中間位置和進氣口端。多通吸收池和鉑熱電阻39、40、41由加熱帶38緊密包裹，加熱帶外用導(dǎo)熱系數(shù)（＜0.018 W/mK）很小的納米氣凝膠氈包裹封住。加熱帶38和鉑熱電阻39、40、41與OMRON溫控器連接，根據(jù)測量需要設(shè)定OMRON溫控器的參數(shù)對吸收池內(nèi)氣體的溫度進行監(jiān)測和控制。池內(nèi)壓強由MKS壓力控制器42控制，壓力控制器42與閥門15連接，這樣就組成了溫度和壓力控制系統(tǒng)

多通吸收池與溫度和壓力控制系統(tǒng)組成吸收模塊。

除了溫控器和壓力控制器42之外，吸收模塊的剩余部分放在溫控箱33內(nèi)，溫控箱33由納米氣凝膠氈包裹封死，包裹層的最外層用自粘高亮鋁箔紙封嚴，以盡量減少多通池與外界的熱交換和靜電干擾。

激光器控制器24、25、26、27通過注入電流分別對激光器16，17，18，19的波長和輸出功率進行控制。

函數(shù)發(fā)生器28，29，30，31與激光器控制器24、25、26、27相連，通過設(shè)定鋸齒波信號對激光器16、17、18、19進行波長掃描，使待測氣體的兩條譜線要處于激光器一次調(diào)諧掃描范圍內(nèi)。

激光器16、17、18、19為不同波長的窄線寬可調(diào)諧二極管激光器。激光器16、17、18、19輸出的激光經(jīng)光纖分束器分束后功率大的部分通過裝有準直透鏡的三維調(diào)整架1、3、5、7分別耦合到多通池內(nèi)，光在池內(nèi)經(jīng)過多次反射后經(jīng)相應(yīng)的出光孔分別照射到探測器2、4、6、8上；激光器16、17、18、19輸出的激光經(jīng)光纖分束器后功率小的部分分別耦合到波長計20、21、22、23上。波長計20、21、22、23對激光器16、17、18、19輸出光的波長進行實時監(jiān)測并反饋到電腦32，電腦32中的穩(wěn)頻程序?qū)す馄鞯牟ㄩL進鎖定穩(wěn)頻，使激光器波長穩(wěn)定在待測氣體分子吸收線中心。

經(jīng)過吸收池的信號被探測器2、4、6、8接收后輸入到裝有采集卡的電腦32進行處理，電腦32內(nèi)裝有采集卡、數(shù)據(jù)處理程序和穩(wěn)頻程序。其中采集卡、數(shù)據(jù)處理程序分別對數(shù)據(jù)進行采集處理。

電腦32通過自編的Labview數(shù)據(jù)處理程序?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)作后續(xù)處理，實現(xiàn)了激光器波長的穩(wěn)頻與吸收信號采集的同步進行。其中激光器穩(wěn)頻一路將波長計自帶的Labview數(shù)據(jù)讀取程序鏈接入自行編寫的Labview數(shù)據(jù)采集程序中，通過波長計20、21、22、23反饋的信號對激光器16、17、18、19進行波長穩(wěn)定處理，使波長穩(wěn)定在同位素分子的吸收峰處。探測器探測吸收信號的一路，界面由參數(shù)選擇和光譜顯示兩部分構(gòu)成，參數(shù)選擇面板中，每一個參數(shù)的選擇均采用下拉框的形式，使用方便快捷。光譜顯示面板中，程序采用選項卡的模式，將不同待測氣體的參數(shù)設(shè)置、噪聲扣除、參考譜采集和線性回歸等分別處于不同界面，不僅將去噪后的光譜顯示出來，還將去噪前后的光譜進行同框顯示，有利于對去噪效果進行實時的評估，實現(xiàn)了這些模塊的實時、連續(xù)和協(xié)同運行，程序?qū)崟r運行的結(jié)果即是所需同位素豐度δ值，不需要后期對數(shù)據(jù)進行處理。