本發(fā)明是關(guān)于一種用于長期監(jiān)測大氣中氣態(tài)總汞濃度(TGM)的具有光陷阱組件的大氣在線汞分析儀器，涉及大氣監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

汞及其化合物是一種具有生物毒性的單質(zhì)氣態(tài)，在大氣中以氣態(tài)元素汞(TGM)為主要組成形態(tài)。大氣中的汞污染物質(zhì)具有惰性、難溶，沉降后再次揮發(fā)等物理性質(zhì)，在大氣中能夠長達(dá)一年以上的停留，易發(fā)生長距離傳輸與跨界污染，同時具有較大的生物毒性，值得強(qiáng)烈關(guān)注。對大氣中的氣態(tài)汞元素進(jìn)行定量分析主要分為富集和分析。富集方法主要采用化學(xué)法和金汞齊富集法，其中，金汞齊富集法主要利用例如金、銀等貴金屬與汞形成汞齊的化學(xué)過程而被富集下來，并在一定的溫度下加熱解吸并進(jìn)行測量。該方法對于大氣汞有非常高的捕集效率，而且體積小結(jié)構(gòu)簡單，吸附劑可以重復(fù)利用，被廣泛運(yùn)用于各種氣態(tài)汞的富集方法中。

現(xiàn)有大氣氣態(tài)汞的分析方法中，比較常用的方法有冷原子-原子吸收法(CVAAS)，利用氣態(tài)汞在波長253.7nm處的紫外吸收進(jìn)行定量；塞曼效應(yīng)原子吸收法：基于冷原子-原子吸收法，利用光源在253.7nm處產(chǎn)生的塞曼效應(yīng)對光源背景值進(jìn)行校正，相比原子吸收法能夠獲得更高的檢出靈敏度；冷原子-原子熒光法(CVAFS)，利用氣態(tài)汞在波長253.7nm處的共振熒光進(jìn)行定量，相比原子吸收法能夠極大地提高選擇性與檢出限，是目前對于大氣汞監(jiān)測的最主要的方法。大氣氣態(tài)汞的測定標(biāo)準(zhǔn)方法為金汞齊富集-熱解析-原子熒光法，這種方法雖然能夠?qū)Υ髿庵械墓M(jìn)行比較準(zhǔn)確的測定，但是其測定時間周期長，消耗大，需要大量人力操作，并不適用于現(xiàn)代的環(huán)境自動監(jiān)測的要求，因此大氣氣態(tài)汞的自動監(jiān)測技術(shù)得到了發(fā)展迅速，基于冷原子吸收與冷原子熒光法的自動監(jiān)測的儀器已經(jīng)開發(fā)出來。目前商品化的大氣自動測汞儀有Tekran 2537，Gardis-5，Thermo 80i等。目前這些儀器雖然能夠取得與離線觀測同樣的精度，但是由于其主要的關(guān)注點(diǎn)在環(huán)境定點(diǎn)觀測上，因此儀器大多在體積重量上較大較重，不便于移動觀測，目前也沒有能夠運(yùn)用于移動觀測大氣汞的商品化儀器。

目前對于大氣氣態(tài)汞監(jiān)測的研究主要集中在定點(diǎn)監(jiān)測與排放源監(jiān)測，濃度觀測很大程度上依托于采樣地點(diǎn)選址，只能做定點(diǎn)的時間序列變化的研究，而對于空間分布的變化研究，由于目前的觀測儀器體積、重量、使用條件上的限制，還很難開展類似的工作。因此有必要開發(fā)一種新儀器，改善儀器的體積重量，以便于將其用于各種移動觀測的環(huán)境監(jiān)測中。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種重量小、體積輕，可以用于各種移動觀測環(huán)境的具有光陷阱組件的大氣在線汞分析儀器。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：一種具有光陷阱組件的大氣在線汞分析儀器，其特征在于，該分析儀器包括光源、光源腔體、入射透鏡、入射狹縫、光腔體、光電探測器座和光陷阱；所述光源縱向固定設(shè)置在所述光源腔體內(nèi)，所述光源發(fā)出光在所述光源腔體內(nèi)傳播并發(fā)射到固定連接在所述光源腔體一側(cè)的入射透鏡，經(jīng)所述入射透鏡出射的光經(jīng)所述入射狹縫發(fā)射到所述光腔體，所述光腔體頂部和底部分別對應(yīng)設(shè)置有進(jìn)氣口和出氣口，所述光腔體一側(cè)開設(shè)有熒光窗，所述熒光窗上固定設(shè)置有濾光片，對應(yīng)所述熒光窗的出光位置設(shè)置有用于放置光電探測器的所述光電探測器座，所述光電探測器用于檢測經(jīng)所述光源激發(fā)氣態(tài)汞樣品產(chǎn)生的原子熒光，經(jīng)所述光腔體出射的入射光進(jìn)入所述光陷阱內(nèi)被吸收。

優(yōu)選地，所述光源與光陷阱之間的連線與所述熒光窗與光電探測器之間的連線相互垂直，且所述光源與光陷阱之間的連線與所述光腔體的進(jìn)氣口與出氣口之間的連線正交垂直。

優(yōu)選地，所述光源采用1500V筆形汞燈，最大輻射波長為253.7nm，所述筆形汞燈發(fā)光區(qū)域長度為20～40mm。

優(yōu)選地，所述入射透鏡采用熔融石英透鏡，焦距小于所述光腔體長度。

優(yōu)選地，所述入射透鏡和入射狹縫通過形狀為矩形或圓角矩形的結(jié)構(gòu)件進(jìn)行支撐，所述結(jié)構(gòu)件上設(shè)置有一用于固定所述入射透鏡的圓形凹槽，且位于所述圓形凹槽后端的結(jié)構(gòu)件上開設(shè)有入射狹縫，所述入射狹縫為線狀狹縫，寬度為所述光源內(nèi)部電弧亮線寬度。

優(yōu)選地，所述光源腔體采用橫截面為T型的空心結(jié)構(gòu)件，所述光源腔體的內(nèi)部截面為矩形或圓角矩形結(jié)構(gòu)，所述光源腔體的T型開口處固定連接所述結(jié)構(gòu)件。

優(yōu)選地，所述光陷阱包括光陷阱座和光陷阱芯體，所述光陷阱芯體固定插設(shè)在所述光陷阱座內(nèi)；所述光陷阱座采用矩形或圓角矩形的錐形設(shè)計，即內(nèi)部垂直截面為矩形或圓角矩形，并沿光路傳播方向呈一定的收縮角，收縮角小于等于15°，所述光陷阱座頂部設(shè)置一吹掃氣口；所述光陷阱芯體截面為矩形或圓角矩形，與所述光陷阱座結(jié)構(gòu)相對應(yīng)，沿光路方向呈一定的放大角，放大角小于等于15°。

優(yōu)選地，所述光陷阱座、光陷阱芯體、光源腔體和光腔體內(nèi)部均采用陽極氧化發(fā)黑噴砂處理。

優(yōu)選地，所述光電探測器采用光電倍增管。

優(yōu)選地，所有器件的接口處均設(shè)置有用于密封的O型圈槽，使得所述光腔體內(nèi)部達(dá)到真空，所述光腔體采用空心長方體結(jié)構(gòu)件，所述光腔體的形狀與所述光源腔體的光通道形狀保持一致，且所述光腔體寬度為所述光源腔體的寬度的三倍。

本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、本發(fā)明的光源光線不再匯聚為點(diǎn)狀而呈現(xiàn)線狀，與氣態(tài)汞樣品流動氣路保持一致，氣態(tài)汞在流動路線上與線狀光源光交匯，能夠有更大的受光面積而產(chǎn)生更多的原子熒光，從而提高儀器的信號檢出靈敏度。2、本發(fā)明在光腔體內(nèi)部沿光路行進(jìn)方向?qū)⑿螤罴s束為矩形，保證儀器正常工作的同時相對削減了傳統(tǒng)設(shè)計中無效的光腔體積，以達(dá)到光腔體積利用率的最大化，同時能夠達(dá)到削減儀器整體重量與體積的目的。3、針對儀器原有設(shè)計中背景噪音問題，本發(fā)明加入了矩形光陷阱設(shè)計，將入射光約束在光陷阱之中，在光線氧化發(fā)黑處理的表面上來回反射而被吸收，抑制其漫反射作用而從而降低入射光進(jìn)入檢測器的數(shù)量，有效地降低了背景信號。4、本發(fā)明的光陷阱采用了矩形或圓角矩形的錐形設(shè)計，能最大程度地契合線狀光源的形狀，使得入射光能夠高效地被吸收，同時保證光陷阱的體積合理。5、本發(fā)明整體采用真空設(shè)計，在儀器運(yùn)行過程中光腔體內(nèi)部能夠保證一定的真空度，使得氣態(tài)汞的原子熒光猝滅作用得到削弱，能夠增強(qiáng)原子熒光的產(chǎn)量，提高檢出精度。綜上，本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于大氣中氣態(tài)總汞濃度的監(jiān)測。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的大氣在線汞分析儀器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的大氣在線汞分析儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖面示意圖；

圖3是本發(fā)明的光陷阱座的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4(a)是本發(fā)明的光陷阱芯體的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4(b)是本發(fā)明的光陷阱芯體的側(cè)視示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖來對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描繪。然而應(yīng)當(dāng)理解，附圖的提供僅為了更好地理解本發(fā)明，它們不應(yīng)該理解成對本發(fā)明的限制。

如圖1、圖2所示，本發(fā)明提供的具有光陷阱組件的大氣在線汞分析儀器，包括光源1、光源腔體2、入射透鏡3、入射狹縫4、光腔體5、熒光窗6、濾光片、光電倍增管7和光陷阱8。

光源1縱向固定設(shè)置在光源腔體2內(nèi)，光源1發(fā)出光在光源腔體2內(nèi)傳播并發(fā)射到固定連接在光源腔體2一側(cè)的入射透鏡3，光源1發(fā)出的光經(jīng)入射透鏡3匯聚為收束的線狀，并經(jīng)入射狹縫4發(fā)射到光腔體5內(nèi)。光腔體5的頂部和底部分別對應(yīng)設(shè)置有進(jìn)氣口51和出氣口52，光腔體5的一側(cè)設(shè)置有熒光窗6，熒光窗6上固定設(shè)置有濾光片，對應(yīng)熒光窗6的出光位置設(shè)置有用于放置光電倍增管7的光電倍增管座71，光電倍增管7用于檢測經(jīng)光源1激發(fā)氣態(tài)汞樣品產(chǎn)生的原子熒光，經(jīng)光腔體5出射的入射光進(jìn)入光陷阱8內(nèi)被吸收。

在一個優(yōu)選的實(shí)施例中，光源1與光陷阱8之間的連線與熒光窗6與光電倍增管7之間的連線相互垂直，且光源1與光陷阱8之間的連線與光腔體5的進(jìn)氣口51與出氣口52之間的連線正交垂直。

在一個優(yōu)選的實(shí)施例中，光源1可以采用1500V筆形汞燈，最大輻射波長為253.7nm，筆形汞燈發(fā)光區(qū)域長度為20～40mm。

在一個優(yōu)選的實(shí)施例中，入射透鏡3可以采用熔融石英透鏡，焦距小于光腔體5長度。實(shí)驗(yàn)表明入射透鏡3的焦距為光腔體3長度的一半，從入射狹縫4到熒光窗6的距離的一倍時能夠達(dá)到最好的效果。

在一個優(yōu)選的實(shí)施例中，濾光片中心波長的選擇可以根據(jù)氣態(tài)汞樣品被激發(fā)產(chǎn)生的熒光波長進(jìn)行確定，本發(fā)明實(shí)施例可以采用中心波長為253nm的帶通紫外濾光片。

在一個優(yōu)選的實(shí)施例中，光電倍增管7可以采用與光源1波長匹配的日盲光電倍增管，或者光電倍增管7可以采用其他能夠檢測到熒光的光電探測器，在此不做限定，可以根據(jù)需要進(jìn)行選擇。

在一個優(yōu)選的實(shí)施例中，入射透鏡3和入射狹縫4可以通過形狀為矩形或圓角矩形的結(jié)構(gòu)件31進(jìn)行支撐，結(jié)構(gòu)件31上設(shè)置有一用于固定入射透鏡3的圓形凹槽，且位于圓形凹槽后端的結(jié)構(gòu)件上開設(shè)有入射狹縫4，入射狹縫4可以為線狀狹縫，寬度限制為汞燈光源內(nèi)部電弧亮線寬度，因此能夠很好抑制光源通過入射透鏡3后產(chǎn)生的次級折射。

在一個優(yōu)選的實(shí)施例中，如圖1所示，光源腔體2可以采用橫截面為T型的空心結(jié)構(gòu)件，光源腔體2的內(nèi)部截面可以為矩形或圓角矩形結(jié)構(gòu)，光源腔體2的一側(cè)T型開口處固定連接用于放置入射透鏡3的結(jié)構(gòu)件31。

在一個優(yōu)選的實(shí)施例中，如圖3、圖4所示，光陷阱8用于將不需要的入射光進(jìn)行吸收，其結(jié)構(gòu)包括光陷阱座81和光陷阱芯體82，光陷阱座81采用了矩形或圓角矩形的錐形設(shè)計，即內(nèi)部垂直截面為矩形或圓角矩形，并沿光路傳播方向呈一定的收縮角，收縮角小于等于15°，光陷阱座81頂部設(shè)置一吹掃氣口83。光陷阱芯體82截面為矩形或圓角矩形，與光陷阱座81結(jié)構(gòu)相對應(yīng)，沿光路方向呈一定的放大角，放大角小于等于15°，光陷阱芯體82固定插設(shè)在光陷阱座81內(nèi)。光陷阱座81和光陷阱芯體82的側(cè)面均為圓角矩形，目的是與光源入射光的形狀保持一致，能夠讓光源入射光得到最大比例的吸收，同時保證光陷阱的體積較小。將光陷阱座81與光陷阱芯體82插設(shè)固定成一體后，光陷阱8在XY面呈現(xiàn)W形結(jié)構(gòu)(如圖2所示)，因此可以將光源光分散限制在光陷阱8中。為了保證光陷阱8的效率，本發(fā)明的光陷阱8內(nèi)部成一定程度的傾斜，能夠保證入射光進(jìn)入光陷阱后至少反射6次以上才能夠離開光陷阱，另外，本發(fā)明的光陷阱座81和光陷阱芯體82內(nèi)部均采用陽極氧化發(fā)黑噴砂處理，能夠加強(qiáng)入射光反射時被吸收的比例。

在一個優(yōu)選的實(shí)施例中，光源腔體2和光腔體5內(nèi)部也可以采用陽極氧化噴砂發(fā)黑處理。

在一個優(yōu)選的實(shí)施例中，熒光窗6可以為圓角矩形，熒光窗6的大小與光電倍增管7的監(jiān)測區(qū)域保持一致。

在一個優(yōu)選的實(shí)施例中，本發(fā)明的所有器件的接口處均可以設(shè)置有用于密封的O型圈槽，這樣可以使得光腔體5內(nèi)部達(dá)到真空，增強(qiáng)原子熒光的產(chǎn)量。

在一個優(yōu)選的實(shí)施例中，光腔體5可以采用空心長方體結(jié)構(gòu)件，光腔體5的形狀與光源腔體2的光通道形狀保持一致，但是光腔體5寬度為光源腔體2的寬度的3倍，保證了光源光在行進(jìn)過程中盡量少地接觸光腔體5的側(cè)壁，有效減少光源背景。光腔體5的長度為從入射狹縫4到熒光窗6距離的三倍，這樣可以在儀器的大小與背景信號之間取得較好的平衡。

本發(fā)明的具有光陷阱組件的大氣在線汞分析儀器采用原子熒光法原理，樣品中的氣態(tài)汞原子在波長為253.7nm的紫外光源1激發(fā)下發(fā)出與入射光源相同波長的熒光，并將熒光通過熒光窗6的濾光片發(fā)射到光電倍增管7進(jìn)行檢測，利用熒光發(fā)射的無向性對熒光完成測量。

如圖2所示，本發(fā)明的具有光陷阱組件的大氣在線汞分析儀器工作時，氣態(tài)汞樣品從光腔體5的進(jìn)氣口51吹入光腔體內(nèi)，并在光源腔體5的出氣口52被氣泵抽走，當(dāng)氣態(tài)汞樣品在進(jìn)出口的區(qū)間之間流動時，在熒光窗6區(qū)域前與經(jīng)入射狹縫4入射的光源1發(fā)出的光相遇，氣態(tài)汞樣品經(jīng)激發(fā)產(chǎn)生原子熒光，原子熒光通過設(shè)置在熒光窗6的濾光片進(jìn)入光電倍增管7，從而讓熒光信號得以檢出，由于光源1發(fā)出的光通過入射狹縫4后呈現(xiàn)線形，因此在氣態(tài)汞樣品與光源相遇的線形區(qū)域均會有熒光產(chǎn)生。另外，本發(fā)明通過搭配原有分析儀的氣路對標(biāo)準(zhǔn)汞蒸汽的實(shí)驗(yàn)表明，本發(fā)明的儀器能夠使得原有儀器的檢出限減少為一半，用于正常分析過程中，本發(fā)明能夠提高一倍的時間分辨率，與原有儀器相比，本發(fā)明儀器體積與重量只有原儀器器的三分之一的體積與二分之一的重量，可以用于各種移動觀測環(huán)境。

上述各實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，其中各部件的結(jié)構(gòu)、連接方式和制作工藝等都是可以有所變化的，凡是在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的等同變換和改進(jìn)，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。