基于腔增强吸收光谱的污染气体检测研究

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1、摘要人类在建立现代物质文明的进程中，给自己的生活带来了前所未有的变化，同时也造成了对自然环境的破坏，当前出现的许多疾病就是环境恶化所致。我国20世纪60年代中期以后，随着工业的发展和民用煤量的加大，大气卫生质量逐渐下降，引起了政府和社会的高度重视。我国的能源消费中煤炭占70*／,，城市冬季总混悬微粒(TSP)、N02、CO日均浓度普遍超标，呈典型燃煤型污染。近年来，随着城市机动车辆的迅速增加，我国一些城市的大气污染正向燃煤和汽车废气并存的混合型转化。汽车尾气排出的细颗粒物极易吸附有毒物质，进入人的呼吸道深部而引起极大的危害。推广使用无铅汽油以后，虽然使大气中铅含量下降，但是汽车尾

2、气含有挥发性有机物使得大气污染变得更加复杂。二氧化碳和甲烷等气体引起全球变暖的温室效应及工业废气排放等等都进一步加速恶化了人类赖以生存的环境。面对严峻的污染情况，对大气及其它污染物的监视和加强治理迫在眉睫。我国在“十一五”规划中，根据科学发展观要求，采取了许多有力的措施，投入大量的资金，通过节能降耗和环境治理进行环境污染控制，已经显现出明显的效果。在环境治理的关键技术中，开发各种环境污染监测仪，是非常重要和十分必要的。尤其是发展高灵敏的气体检测技术，研制小型化、便携式、误差小的污染、有毒、危险气体浓度检测仪器，已被列入我国“十一五”863计划。传统的检测方法一般是借助化学传感的原

3、理，先进行现场取样，然后在实验室分析，这样有时会导致样品的条件变化而使测量出现人为误差，更严重的是时效性差，耽误对突发性事件的快速处理。由于光谱技术具有高分辨、实时、可在线测量的优点，耳前被广泛的应用于气体成份浓度的检测领域。最常见的基于光谱测量原理的气体传感器常常使用直接吸收技术或二次谐波探测技术。直接吸收技术方法简单但灵敏度较低；而在二次谐波探测技术中，随着调制频率的增长，噪声减小，灵敏度增高，但相关外围电路变得昂贵和复杂。例如，Uchara的二次谐波探测甲烷传感器最小探测吸收为io-5，但它使用了高达5MHz的调制频率。近十几年发展起来的腔增强吸收光谱技术，方法和设备简单，

4、具有更高的灵敏性，但由于一些因素的限制，还主要被使用在实验室里，用于对分子或原子弱吸收谱线的研究，未能广泛地被使用在现场测量中。本文主要就用腔增强吸收光谱技术高灵敏探测气体进行理论分析和实验研究，为腔增强吸收光谱的实用化提供理论基IX基于腔增强吸收光谱的污染气目q蚤测研究础和技术准备。用腔增强吸收光谱技术发展高灵敏、便携式气体传感器，首先需要对腔增强吸收光谱的理论展开研究，使之适用于现场测量的环境：其次由于基于光谱的探测方法是利用被测气体某一段波段的吸收线特性来检测其含量的，所以需要对其相关吸收线的线强度、压力展宽系数等基本参数进行测量；在部分腔增强吸收光谱技术中例如激光锁频光谱

5、和固定频率的气体探测技术中，需要使用锁频技术，因此我们还对锁频技术展开了相关研究；最后在理论研究和光谱数据测量的基础上，对基于腔增强吸收光谱技术的气体传感器进行了系统的实验研究。论文就以上内容分六章进行阐述。第一章为引言部分，首先介绍当今实验室光谱测量中常规的光谱技术以及近十几年中发展起来的腔增强吸收光谱技术；接着对污染气体的来源与危害进行介绍；最后提出本论文的主要研究内容。第二章从Beer-Lambert定律出发，对气体定量吸收的光谱理论进行详细的归纳总结：阐述吸收线强度随温度变化的关系，以及吸收线强度常用的几种单位和它们之间的转换关系；讨论线性吸收的各种展宽机制，给出自然展宽

6、、多普勒展宽、碰撞展宽、福依特线型等产生的原因，以及如何计算福依特函数和对实验、坝Ⅱ量的光谱进行拟合；导出被测气体浓度的公式；从理论上分析最小探测浓度随温度压强的变化关系，得出最优的情况。第三章主要对腔增强吸收光谱进行理论研究。讨论法布里一泊罗腔(F．P)的模式；简单介绍常用的平面腔中激光锁频光谱和腔模峰值光谱理论；接着对在共焦腔配置下的激光锁频光谱和腔模峰值光谱进行详细的理论研究，给出浓度换算公式，并与平面腔的有效吸收路径和灵敏度进行比较；最后介绍非相干腔增强吸收光谱理论，分析腔内存在大的其它损耗(不包括吸收)时腔镜的最优强度反射率和最大增强因孑。第四章先对腔增强实验对象二氧化

7、氮分子，从结构、特性上进行描述，并介绍它在可见光区的电子光谱；接着描述甲烷分子的基本结构、振动模式、配分函数以及近红外吸收光谱等；并用钨灯和单色仪测量甲烷2v3和v2+2v3带粗糙的谱线；使用外腔半导体激光器测量甲烷在2岬以下，最强的吸收带——2v3带中R6、R7、R8、R9支高分辨光谱；结合第二章理论，仔细研究R9支八条吸收单线的线强度参数和其中两条线的压力展宽系数：最后，利用谐波探测技术对甲烷2V3带中的一条弱吸收线进行实验研究。X摘要第五章联合上一章测到的甲烷光谱，在1．6