專(zhuān)利名稱(chēng)：一種測(cè)量單重態(tài)氧絕對(duì)濃度的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種測(cè)量單重態(tài)氧(OJa1A))絕對(duì)濃度的方法以及使用此方法的測(cè)試裝置。特別涉及ー種利用紅外輻射衰減法來(lái)測(cè)量單重態(tài)氧絕對(duì)濃度的方法和測(cè)試裝置。
背景技術(shù)：
單重態(tài)氧O2 (B1A)是氧分子的最 低電子激發(fā)態(tài)，是ー種長(zhǎng)壽命的亞穩(wěn)態(tài)分子，在自然界的光化學(xué)、光物理和生命過(guò)程中起著非常重要的作用，長(zhǎng)期受到人們極大的關(guān)注。而且，它還是當(dāng)代最大功率短波長(zhǎng)化學(xué)激光-氧碘化學(xué)激光(COIL)的直接能源，其絕對(duì)濃度和產(chǎn)率(即OJa1A)與總O2之比)是評(píng)價(jià)整個(gè)COIL系統(tǒng)性能的兩個(gè)重要參數(shù)。在過(guò)去的30多年來(lái)，許多COIL研究人員一直在努力尋找ー種簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確、快速的方法來(lái)測(cè)量O2 (a1 A )的絕對(duì)濃度和產(chǎn)率。目前，在COIL領(lǐng)域獲得成功應(yīng)用的OJa1A)檢測(cè)方法主要有三類(lèi)。I)自發(fā)拉曼光譜法，通過(guò)比較其拉曼光譜中OJa1A)和基態(tài)氧O2(X)的譜線(xiàn)強(qiáng)度來(lái)確定O2(B1A)產(chǎn)率(即OJa1A)與總氧的濃度之比)；它不受窗ロ污染和探測(cè)系統(tǒng)幾何位形變化的影響，是目前OJa1A)產(chǎn)率測(cè)量最為準(zhǔn)確的ー種方法；但要想獲得O2 (B1A)絕對(duì)濃度就需要加入已知流量的N2作為基準(zhǔn)，這對(duì)COIL性能會(huì)產(chǎn)生不利的影響。2)吸收光譜法，包括ニ極管激光吸收光譜法、內(nèi)腔激光光譜法和光腔衰蕩光譜法，利用O2 (X3 E g_ — b1 E g+)在762nm附近的吸收躍遷直接測(cè)量O2 (X)濃度，再根據(jù)325nm紫外吸收法測(cè)量的Cl2利用率間接算出O2 (a1 A )濃度，從中引入的誤差較大。而且O2 (X3 E g_ —b1 E ；)躍遷為磁偶極躍遷，吸收很微弱，需要精心設(shè)計(jì)和布置光路才能獲得較好的吸收曲線(xiàn)，在COIL較為惡劣的測(cè)量環(huán)境，如振動(dòng)和窗ロ污染等影響下很難進(jìn)行測(cè)量。此外，以上I)和2)兩種方法都需利用激光器作為額外探測(cè)光源，實(shí)驗(yàn)裝置比較復(fù)雜、昂貴。3)紅外輻射法，通過(guò)探測(cè)O2 (a1 A —X3E g)在1.27 pm的紅外輻射直接獲得O2 (a1 A )濃度，不需要額外探測(cè)光源，歷史上是O2 (a1 A )測(cè)量的ー種普遍方法，具有簡(jiǎn)單直接的優(yōu)點(diǎn)。然而，這種方法過(guò)去一直需要采用ー些其他方法(如等溫量熱法等)來(lái)預(yù)先校準(zhǔn)紅外探測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)系數(shù)，因而它也很容易受到窗ロ污染和探測(cè)系統(tǒng)幾何位形變化等因素的影響。上述這些現(xiàn)有的測(cè)量方法和裝置都不同程度地存在著一些這樣或那樣的缺點(diǎn)和不足，有的方法要求實(shí)驗(yàn)裝置比較復(fù)雜、昂貴，有的誤差較大；而有的又需要額外標(biāo)定探測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)系數(shù)，且容易受到窗ロ污染和探測(cè)系統(tǒng)幾何位形變化等因素的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種實(shí)時(shí)測(cè)量OJa1 A)絕對(duì)濃度的方法和裝置。這種方法不需要額外標(biāo)定紅外探測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)系數(shù)，不受窗ロ污染和探測(cè)系統(tǒng)幾何位形變化等因素的影響；且實(shí)驗(yàn)裝置和操作方法非常簡(jiǎn)單。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為—種測(cè)量O2 (S1A)絕對(duì)濃度的方法,通過(guò)讓O2 (a1 A )氣流穩(wěn)定地流過(guò)ー個(gè)進(jìn)出ロ兩端都帶有球閥的光度池，然后同時(shí)關(guān)閉這兩個(gè)球閥即可形成ー個(gè)含有O2 (a1 △)的靜態(tài)池；再通過(guò)紅外探測(cè)系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)靜態(tài)池中OJa1A)在I. 27 處的輻射強(qiáng)度隨時(shí)間的衰減曲線(xiàn)，即可自身標(biāo)定出該探測(cè)系統(tǒng)的絕對(duì)響應(yīng)系數(shù)，進(jìn)而可以實(shí)時(shí)測(cè)量O2 (B1A)的絕對(duì)濃度。關(guān)閉光度池兩端的兩個(gè)球閥以形成靜態(tài)池時(shí)要求進(jìn)ロ球閥比出口球閥稍微關(guān)晚一點(diǎn)，其時(shí)間延遲不超過(guò)I s，而不可讓進(jìn)ロ球閥比出口球閥關(guān)閉得還早?？蓪?shí)現(xiàn)上述方法的測(cè)試裝置，包括一個(gè)靜態(tài)池、紅外探測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；
所述靜態(tài)池由光度池和兩個(gè)球閥構(gòu)成，且兩球閥分別處于該光度池的入口和出ロ位置，當(dāng)兩球閥關(guān)閉時(shí)即可形成一個(gè)靜態(tài)池；所述光度池的中部為圓管狀結(jié)構(gòu)，圓管兩端各設(shè)有ー個(gè)底端和頂端開(kāi)ロ的、中空的圓錐體，以匹配中間圓管和兩端球閥的連接，圓錐體的底端與圓管一端相連，頂端通過(guò)球閥與外部氣源經(jīng)管路相連接；在光度池中部圓管的側(cè)壁上挖有ー小孔，在該小孔處放置一K9玻璃片，形成窗ロ。所述紅外探測(cè)系統(tǒng)由依次順序設(shè)置的窗ロ、斬波器、透鏡、窄帶干渉濾光片、紅外探測(cè)器，以及鎖相放大器構(gòu)成，紅外探測(cè)器與鎖相放大器線(xiàn)路連接；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與鎖相放大器信號(hào)連接。所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括ー個(gè)AD轉(zhuǎn)換卡和一臺(tái)計(jì)算機(jī);AD轉(zhuǎn)換卡分別與鎖相放大器和計(jì)算機(jī)線(xiàn)路連接。紅外探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)到的O2 (B1A)紅外信號(hào)先經(jīng)鎖相放大器進(jìn)行放大后，再由AD卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最后輸入到計(jì)算機(jī)進(jìn)行記錄和保存。所述光度池和兩個(gè)球閥均由對(duì)O2 (a1 A )猝滅很小的PVC材料制成。所述紅外探測(cè)系統(tǒng)除鎖相放大器外，組件窗ロ、斬波器、透鏡、窄帶干渉濾光片和紅外探測(cè)器全部都包裹在ー個(gè)內(nèi)部涂黑的密封罩中，以降低背景噪聲。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1、與目前使用較多的自發(fā)拉曼光譜法相比，本方法不需要用激光器作為探測(cè)光源，也不需要光譜儀。本實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，只需要ー套普通的紅外探測(cè)系統(tǒng)即可，成本比較低。2、與自發(fā)拉曼光譜法相比，本方法還更適合于測(cè)量低產(chǎn)率的O2 (a1 A )濃度，例如微波放電或射頻放電等產(chǎn)生的O2 (B1A),其產(chǎn)率一般低于10 %，這種條件下自發(fā)拉曼光譜法的測(cè)量誤差相對(duì)較大。3、與傳統(tǒng)的紅外輻射法相比，本方法不需要額外標(biāo)定紅外探測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)系數(shù)，不受窗ロ污染和探測(cè)系統(tǒng)幾何位形變化等因素的影響。4、實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，快速。本方法只需通過(guò)監(jiān)測(cè)一次靜態(tài)池中OJa1A)的紅外輻射衰減曲線(xiàn)，即可標(biāo)定出紅外探測(cè)系統(tǒng)的絕對(duì)響應(yīng)系數(shù)，進(jìn)而可以實(shí)時(shí)測(cè)量O2 (B1A)的絕對(duì)濃度。而且，這種方法通過(guò)采用ー種“流動(dòng)-停止”技術(shù)，可以運(yùn)用到任何含有OJa1A)的流動(dòng)體系中進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步的說(shuō)明。圖I是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是實(shí)施本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖3是本發(fā)明實(shí)施例的典型實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)；圖4是本發(fā)明實(shí)施例的數(shù)據(jù)處理結(jié)果。圖中標(biāo)號(hào)名稱(chēng)為光度池1，窗ロ 2，斬波器3，透鏡4，窄帶干渉濾光片5，紅外探測(cè)器6,鎖相放大器7,進(jìn)ロ球閥8,出ロ球閥9,壓カ傳感器10,密封罩11,波導(dǎo)管12,微波發(fā)生器13，質(zhì)量流量控制器14，氧氣瓶15。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的測(cè)量原理對(duì)于ー個(gè)包含氣相O2 (a1 A )、O2⑴和其他氣體M的靜態(tài)池，O2 (a1 A )濃度隨時(shí)間
的變化可表示為
[lA] -k^ -[lA] [M] .[lA] - 2^A [1A]2 +k^ ⑴式中，E1A]，[3 E ]，E1 E ]和[M]分別代表氣相 O2 (B1A), O2 (X3 E )，O2 (b1 E )和M的分子數(shù)密度，k s，kM和kw分別是O2 (X3 E )，M和靜態(tài)池表面對(duì)O2 (a1 A )的猝滅速率常數(shù)，kA是O2 (B1A)能量匯聚反應(yīng)生成OJb1 E )的速率常數(shù)，kba是OJb1 E )通過(guò)碰撞馳豫回O2 (WA)的準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)。方程(I)右邊的前三項(xiàng)分別代表O2 (WA)與靜態(tài)池表面，O2 (X3 E )和M等碰撞造成的猝滅損失，第四項(xiàng)是指在能量匯聚反應(yīng)中的OJa1A)損失，而最后ー項(xiàng)則表示在OJb1 E )碰撞猝滅過(guò)程中的O2 (B1A)產(chǎn)生。由于OJb1 E )的猝滅速率常數(shù)要遠(yuǎn)大于它的生成速率常數(shù)；故對(duì)于O2 (WA)的猝滅過(guò)程而言，O2 (b1 E )可認(rèn)為始終處于穩(wěn)態(tài)，且其濃度與O2 (B1A)滿(mǎn)足如下關(guān)系[1E] =IcJ1A]2/ (kba+kbx) (2)其中，kbx是OJb1 E )通過(guò)碰撞馳豫回02(X3 E )的準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)。若令和a分別表示總氧分子的數(shù)密度和OJb1 E )在猝滅過(guò)程中馳豫回O2 (B1A)的幾率，即有
= [1A] + ^ E ])和a = kb ノ (kba+kbx)，則通過(guò)把方程⑵代入方程⑴中并進(jìn)行簡(jiǎn)化，可得學(xué)=-{K+ k,
+ kM [M]) .[1A] - ((2 - a)kA - <) .[1A]2
dt(3)= -kx .[1A] - k2 .[1A]2式中k: = kw+k E
+kM [M]k2 = (2-a )kA-kE (4)應(yīng)該指出，OJb1 E )通過(guò)碰撞馳豫回OJa1A)的幾率a在不同的實(shí)驗(yàn)條件下是不同的，但在同一個(gè)條件下是ー個(gè)不變的常數(shù)。此時(shí)，方程(3)可以得到如下一解析解[1Ajf = (Aeklt -Ji1IkxY'(5)式中A = —— + k2lkl(6)
L AJo
其中，[1AL表示O2 (a1 A)在初始時(shí)刻的粒子數(shù)密度。對(duì)于本發(fā)明方法，我們通過(guò)一套紅外探測(cè)系統(tǒng)監(jiān)視OJa1Ag^X3 E ；)躍遷在1.27 pm處的輻射來(lái)探測(cè)OJa1A)的濃度變化，因此來(lái)自該探測(cè)系統(tǒng)的電信號(hào)S應(yīng)該與O2(B1A)的粒子數(shù)密度成正比。故我們可以推斷對(duì)于監(jiān)測(cè)靜態(tài)池中OJa1A)紅外輻射衰減的探測(cè)系統(tǒng)，其電信號(hào)S隨時(shí)間的變化也應(yīng)該滿(mǎn)足一個(gè)類(lèi)似方程(5)的關(guān)系，即有
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量單重態(tài)氧絕對(duì)濃度的方法，其特征在干通過(guò)讓O2 (B1A)氣流穩(wěn)定地流過(guò)ー個(gè)進(jìn)出口兩端都帶有球閥的光度池，然后同時(shí)關(guān)閉這兩個(gè)球閥以形成ー個(gè)含有O2 (a1 A )的靜態(tài)池；再采用紅外探測(cè)系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)靜態(tài)池中OJa1A)在I. 27 處的紅外輻射強(qiáng)度隨時(shí)間的衰減曲線(xiàn)，即可標(biāo)定出該紅外探測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)系數(shù)，進(jìn)而可以實(shí)時(shí)測(cè)量O2 (B1A)的絕對(duì)濃度。
2.按照權(quán)利要求I所述方法，其特征在于關(guān)閉光度池兩端的兩個(gè)球閥以形成靜態(tài)池時(shí)要求進(jìn)ロ球閥(8)比出口球閥(9)稍微關(guān)晚一點(diǎn)，其時(shí)間延遲不超過(guò)ls，而不可讓進(jìn)ロ球閥(8)比出口球閥(9)關(guān)閉得還早。
3.一種可實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求I所述方法的測(cè)試裝置，其特征在于包括一個(gè)靜態(tài)池、紅外探測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)； 所述靜態(tài)池由光度池(I)和兩個(gè)球閥構(gòu)成，且兩球閥分別處于該光度池的入口和出口位置，當(dāng)兩球閥關(guān)閉時(shí)即可形成一個(gè)靜態(tài)池； 所述光度池(I)的中部為圓管狀結(jié)構(gòu)，圓管兩端各設(shè)有ー個(gè)底端和頂端開(kāi)ロ的、中空的圓錐體，以匹配中間圓管和兩端球閥的連接，圓錐體的底端與圓管一端相連，頂端通過(guò)球閥與外部氣源經(jīng)管路相連接；在光度池(I)中部圓管的側(cè)壁上挖有ー小孔，在該小孔處放置ー個(gè)K9玻璃片，形成窗ロ⑵； 所述紅外探測(cè)系統(tǒng)由依次順序設(shè)置的窗ロ(2)、斬波器(3)、透鏡(4)、窄帶干渉濾光片(5)、紅外探測(cè)器(6)，以及鎖相放大器(7)構(gòu)成，紅外探測(cè)器(6)與鎖相放大器(7)線(xiàn)路連接； 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與鎖相放大器(7)信號(hào)連接。
4.按照權(quán)利要求3所述的測(cè)試裝置，其特征在干所述光度池(I)和兩個(gè)球閥均由對(duì)O2 (a1 A )猝滅很小的PVC材料制成。
5.按照權(quán)利要求3所述的測(cè)試裝置，其特征在于所述紅外探測(cè)系統(tǒng)除鎖相放大器(7)夕卜，組件窗ロ⑵、斬波器⑶、透鏡⑷、窄帶干渉濾光片(5)和紅外探測(cè)器(6)全部都包裹在ー個(gè)內(nèi)部涂黑的密封罩(11)中，以降低背景噪聲。
6.按照權(quán)利要求3所述的測(cè)試裝置，其特征在于所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括ー個(gè)AD轉(zhuǎn)換卡和一臺(tái)計(jì)算機(jī);AD轉(zhuǎn)換卡分別與鎖相放大器(7)和計(jì)算機(jī)線(xiàn)路連接。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種測(cè)量單重態(tài)氧(O2(a1Δ))絕對(duì)濃度的方法和裝置。該測(cè)試裝置包括一個(gè)靜態(tài)池、紅外探測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；紅外探測(cè)系統(tǒng)由一個(gè)斬波器、透鏡、窄帶干涉濾光片、紅外探測(cè)器和鎖相放大器構(gòu)成。本發(fā)明通過(guò)監(jiān)測(cè)靜態(tài)池中O2(a1Δ)在1.27μm處的紅外輻射衰減變化，再結(jié)合其在靜態(tài)池中的動(dòng)力學(xué)模型分析，即可自身標(biāo)定出紅外探測(cè)系統(tǒng)的絕對(duì)響應(yīng)系數(shù)，進(jìn)而可以實(shí)時(shí)測(cè)量O2(a1Δ)的絕對(duì)濃度。而且，這種靜態(tài)池紅外衰減法通過(guò)采用一種“流動(dòng)-停止”技術(shù)，可以運(yùn)用到任何含有O2(a1Δ)的流動(dòng)體系中進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。
文檔編號(hào)G01N21/17GK102759506SQ201110107608
公開(kāi)日2012年10月31日 申請(qǐng)日期2011年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月27日
發(fā)明者冷靜, 杜姝彥, 楊何平, 沙國(guó)河 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所