大氣oh自由基測量系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，尤其是大氣測量領(lǐng)域，具體為一種大氣羥基(0H)自由基測量系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]大氣測量對環(huán)境保護具有重要的意義。0H自由基是大氣中最重要的氧化劑，對流層大氣中幾乎所有的可被氧化的痕量氣體主要是通過與0H自由基反應(yīng)而被轉(zhuǎn)化和去除的，0H自由基反應(yīng)是對流層中對自然和人為排放的微量成分提供轉(zhuǎn)化和清除的重要機制。因此，0H自由基的測量工作對于環(huán)境保護具有重要意義，然而大氣中0H自由基的濃度極低(105?10 6molecule/cm3)，而且會隨著時空而產(chǎn)生劇烈的變化，因此準確地測量大氣中的0H自由基一直是一個重大的挑戰(zhàn)。
[0003]目前檢測大氣中0H自由基的方法有多種，例如激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)(LIF)、放射性14C0技術(shù)、氣體擴張激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)(FAGE)、差分吸收光譜技術(shù)(D0AS)、化學(xué)離子質(zhì)譜(CIMS)。
[0004]其中激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)(LIF)、氣體擴張激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)(FAGE)、差分吸收光譜技術(shù)(D0AS)都是直接測量技術(shù)，無需其他輔助的氣體或者液體，但是差分吸收光譜技術(shù)(D0AS)相比于其中激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)(LIF)、氣體擴張激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)(FAGE)其探測靈敏度要低，而激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)(LIF)、氣體擴張激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)(FAGE)又會由于激光和臭氧發(fā)生光解反應(yīng)生成0H，因此會影響其檢測的準確度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于，解決傳統(tǒng)技術(shù)直接測量大氣0H自由基靈敏度、準確度低的問題。
[0006]本發(fā)明的目的是采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的。
[0007]一種大氣0H自由基測量系統(tǒng)，包括第一激光器、檢測腔、熒光光譜檢測器、數(shù)據(jù)處理裝置，所述第一激光器發(fā)出的第一激光束入射所述檢測腔，所述檢測腔內(nèi)充有氣體樣品，所述檢測腔內(nèi)0H自由基被激發(fā)出熒光，所述熒光由所述熒光光譜檢測器和所述數(shù)據(jù)處理裝置進行分析處理以獲取所述檢測腔內(nèi)的0H自由基濃度，所述測量系統(tǒng)還包括一個臭氧測量裝置用于測量所述檢測腔內(nèi)的臭氧濃度、一個第一光路調(diào)整件以及一個第二光路調(diào)整件；其中，所述臭氧檢測裝置包括:
[0008]一個第二激光器，其發(fā)出的第二激光束進入所述檢測腔，所述第二激光束的波長處于臭氧的吸收峰；
[0009]—個探測器，位于所述檢測腔的出光側(cè)，用于接收所述第二激光束，所述探測器依次與一個前置放大器、一個鎖相放大器以及一個數(shù)據(jù)采集卡電連接；以及
[0010]—個斬波器，位于所述第二激光器的出光光路，并與所述鎖相放大器相連，用于調(diào)制所述第二激光束；
[0011]所述第一光路調(diào)整件位于所述檢測腔的入光側(cè)，用于將所述第一、第二激光束引向所述檢測腔內(nèi)；
[0012]所述第二光路調(diào)整件，位于所述檢測腔的出光側(cè)，用于將所述第二激光束引向所述探測器。
[0013]本發(fā)明另一實施例中，進一步包括一個光反射件，所述光反射件和所述熒光光譜檢測器分別在所述檢測腔內(nèi)的激光束兩側(cè)，所述光反射件用于將所述熒光反射到所述熒光光譜檢測器。
[0014]本發(fā)明另一實施例中，進一步包括一個噴嘴，與所述光反射件在所述檢測腔內(nèi)同一側(cè)，用于將所述氣體樣品噴入所述檢測腔。
[0015]本發(fā)明另一實施例中，所述第一、第二光路調(diào)整件均為三棱鏡，所述第一、第二激光束照射到的所述三棱鏡的表面均設(shè)有反射膜。
[0016]本發(fā)明另一實施例中，所述第一、第二光路調(diào)整件均為二向色鏡，其對所述第一激光束具有高透射率，對所述第二激光束具有高反射率。
[0017]本發(fā)明另一實施例中，所述檢測腔的入光側(cè)和出光側(cè)設(shè)有布儒斯特角窗，使所述第一、第二激光束以布儒斯特角入射所述檢測腔。
[0018]本發(fā)明另一實施例中，所述檢測腔為一個長光程腔，出光側(cè)和入光側(cè)均設(shè)有反射鏡使得所述第一、第二激光束在所述檢測腔內(nèi)來回多次反射。
[0019]本發(fā)明另一實施例中，所述熒光光譜檢測器包括單色儀、光電倍增管和Boxcar計數(shù)器。
[0020]本發(fā)明另一實施例中，所述第一激光器的波長為282nm或308nm，所述第二激光器的波長為310nm?440nm或440nm?740nm。
[0021]—種大氣0H自由基測量方法，其包括以下步驟:
[0022]第一激光器發(fā)出的第一激光束入射一個檢測腔，所述檢測腔內(nèi)充有氣體樣品，所述第一激光束誘導(dǎo)0H自由基激發(fā)出熒光；
[0023]所述熒光由熒光光譜檢測器和數(shù)據(jù)處理裝置進行分析處理，從而獲得所述檢測腔內(nèi)0H自由基濃度；
[0024]第二激光器發(fā)出的第二激光束經(jīng)一個斬波器調(diào)制后入射所述檢測腔，所述第二激光束的波長處于臭氧的吸收峰；
[0025]自所述檢測腔出射的第二激光束經(jīng)一個探測器接收轉(zhuǎn)換為電信號，所述電信號依次經(jīng)一個前置放大器、一個鎖相放大器至一個數(shù)據(jù)采集卡中，提取出所述電信號的二次諧波，根據(jù)二次諧波峰值與臭氧濃度的關(guān)系，得到所述檢測腔內(nèi)臭氧濃度；
[0026]根據(jù)所述第一激光束所處波長下不同濃度的臭氧光解為0H自由基的轉(zhuǎn)化率、已測得的所述檢測腔內(nèi)的臭氧濃度和0H自由基濃度，計算得到所述氣體樣品原本的0H自由基濃度。
[0027]相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明結(jié)合激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)和可調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)，通過激光測量檢測腔內(nèi)的臭氧濃度和總0H自由基濃度，間接測量了氣體樣品原本的0H自由基濃度，排除了臭氧在激光束下光解為0H自由基的干擾，因此整個測量系統(tǒng)和方法具有較高的靈敏度和準確度。
[0028]上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，而可依照說明書的內(nèi)容予以實施，并且為了讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點能夠更明顯易懂，以下特舉較佳實施例，并配合附圖，詳細說明如下。
【附圖說明】
[0029]圖1是本發(fā)明第一實施例提供的大氣0H自由基測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖2是本發(fā)明第二實施例提供的大氣0H自由基測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0031]為了便于理解本發(fā)明，下面將參照相關(guān)附圖對本發(fā)明進行更全面的描述。附圖中給出了本發(fā)明的較佳實施方式。但是，本發(fā)明可以以許多不同的形式來實現(xiàn)，并不限于本文所描述的實施方式。相反地，提供這些實施方式的目的是使對本發(fā)明的公開內(nèi)容理解的更加透徹全面。
[0032]除非另有定義，本文所使用的所有的技術(shù)和科學(xué)術(shù)語與屬于本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員通常理解的含義相同。本文中在本發(fā)明的說明書中所使用的術(shù)語只是為了描述具體的實施方式的目的，不是旨在于限制本發(fā)明。本文所使用的術(shù)語“及/或”包括一個或多個相關(guān)的所列項目的任意的和所有的組合。
[0033]請參考圖1，圖1是本發(fā)明第一實施例提供的大氣0H自由基測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，所述測量系統(tǒng)包括一個第一激光器10、檢測腔12、熒光光譜檢測器14、數(shù)據(jù)處理裝置16和一個臭氧測量裝置100，一個三棱鏡31以及一個三棱鏡32。
[0034]第一激光器10發(fā)出的第一激光束入射檢測腔12，檢測腔12內(nèi)充有氣體樣品，檢測腔12內(nèi)0H自由基被激發(fā)出熒光，熒光由熒光光譜檢測器14和數(shù)據(jù)處理裝置16進行分析處理后得到檢測腔12內(nèi)的0H自由基濃度。
[0035]具體地，第一激光器10可以為中心波長為282nm左右的脈沖激光器，重復(fù)頻率可以為10Hz，脈寬可以為5ns (也可以是其他參數(shù))或中心波長為308nm的激光器，其作用是激發(fā)0H自由基使其發(fā)生熒光。
[0036]第一激光器10發(fā)射的光線被三棱鏡31反射后入射到檢測腔12內(nèi)。這個檢測腔12的一側(cè)設(shè)有噴嘴40，其作用是把外界空氣或者氣體樣品噴射到檢測腔12內(nèi)。
[0037]熒光光譜檢測器14主要包括單色儀141、光電倍增管142和Boxcar計數(shù)器143。優(yōu)選地，本實施例提供的測量系統(tǒng)還包括一個光反射件50。光反射件50位于檢測腔12內(nèi)，和單色儀141相對設(shè)置，而和噴嘴40在同一側(cè)，即光反射件50和單色儀141分別在檢測腔12內(nèi)的激光束的光路兩側(cè)。
[0038]當(dāng)?shù)谝患す馐┻^噴嘴40所噴射的空氣時將檢測腔12內(nèi)的0H自由基激發(fā)出熒光，熒光被單色儀141接收。光反射件50把朝著它發(fā)散的熒光反射到單色儀141中，能夠提高采集效率。光反射件50具體地可以是一個反射鏡。
[0039]0H自由基在313nm左右有發(fā)射的熒光光譜，單色儀141的作用主要是濾去其他波段的光而只讓0H自由基的發(fā)射熒光通過，然后通過光電倍增管142，再由Boxcar計數(shù)器143所采集。數(shù)據(jù)處理裝置16可以是計算機。最后由計算機分析熒光光譜獲取檢測腔12內(nèi)0H自由基濃度。
[0040]第一激光束射出檢測腔12之后會由一個遮擋板60遮擋住。[0041