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专利名称：一种测量单重态氧绝对浓度的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及ー种测量单重态氧(OJa1A))绝对浓度的方法以及使用此方法的测试装置。特别涉及ー种利用红外辐射衰减法来测量单重态氧绝对浓度的方法和测试装置。
背景技术：
单重态氧O2 (B1A)是氧分子的最 低电子激发态，是ー种长寿命的亚稳态分子，在自然界的光化学、光物理和生命过程中起着非常重要的作用，长期受到人们极大的关注。而且，它还是当代最大功率短波长化学激光-氧碘化学激光(COIL)的直接能源，其绝对浓度和产率(即OJa1A)与总O2之比)是评价整个COIL系统性能的两个重要參数。在过去的30多年来，许多COIL研究人员一直在努力寻找ー种简单、准确、快速的方法来測量O2 (a1 A )的绝对浓度和产率。目前，在COIL领域获得成功应用的OJa1A)检测方法主要有三类。I)自发拉曼光谱法，通过比较其拉曼光谱中OJa1A)和基态氧O2(X)的谱线强度来确定O2(B1A)产率(即OJa1A)与总氧的浓度之比)；它不受窗ロ污染和探测系统几何位形变化的影响，是目前OJa1A)产率测量最为准确的ー种方法；但要想获得O2 (B1A)绝对浓度就需要加入已知流量的N2作为基准，这对COIL性能会产生不利的影响。2)吸收光谱法，包括ニ极管激光吸收光谱法、内腔激光光谱法和光腔衰荡光谱法，利用O2 (X3 E g_ — b1 E g+)在762nm附近的吸收跃迁直接測量O2 (X)浓度，再根据325nm紫外吸收法测量的Cl2利用率间接算出O2 (a1 A )浓度，从中引入的误差较大。而且O2 (X3 E g_ —b1 E ；)跃迁为磁偶极跃迁，吸收很微弱，需要精心设计和布置光路才能获得较好的吸收曲线，在COIL较为恶劣的测量环境，如振动和窗ロ污染等影响下很难进行測量。此外，以上I)和2)两种方法都需利用激光器作为额外探测光源，实验装置比较复杂、昂贵。3)红外辐射法，通过探测O2 (a1 A —X3E g)在1.27 pm的红外辐射直接获得O2 (a1 A )浓度，不需要额外探測光源，历史上是O2 (a1 A )測量的ー种普遍方法，具有简单直接的优点。然而，这种方法过去一直需要采用ー些其他方法(如等温量热法等)来预先校准红外探测系统的响应系数，因而它也很容易受到窗ロ污染和探测系统几何位形变化等因素的影响。上述这些现有的測量方法和装置都不同程度地存在着一些这样或那样的缺点和不足，有的方法要求实验装置比较复杂、昂贵，有的误差较大；而有的又需要额外标定探测系统的响应系数，且容易受到窗ロ污染和探测系统几何位形变化等因素的影响。

发明内容
本发明的目的是提供一种实时測量OJa1 A)绝对浓度的方法和装置。这种方法不需要额外标定红外探测系统的响应系数，不受窗ロ污染和探测系统几何位形变化等因素的影响；且实验装置和操作方法非常简单。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为—种测量O2 (S1A)绝对浓度的方法,通过让O2 (a1 A )气流稳定地流过ー个进出ロ两端都带有球阀的光度池，然后同时关闭这两个球阀即可形成ー个含有O2 (a1 △)的静态池；再通过红外探測系统来监测静态池中OJa1A)在I. 27 处的辐射強度随时间的衰减曲线，即可自身标定出该探测系统的绝对响应系数，进而可以实时測量O2 (B1A)的绝对浓度。关闭光度池两端的两个球阀以形成静态池时要求进ロ球阀比出口球阀稍微关晚一点，其时间延迟不超过I s，而不可让进ロ球阀比出口球阀关闭得还早。可实现上述方法的测试装置，包括一个静态池、红外探测系统和数据采集系统；
所述静态池由光度池和两个球阀构成，且两球阀分别处于该光度池的入口和出ロ位置，当两球阀关闭时即可形成一个静态池；所述光度池的中部为圆管状结构，圆管两端各设有ー个底端和顶端开ロ的、中空的圆锥体，以匹配中间圆管和两端球阀的连接，圆锥体的底端与圆管一端相连，顶端通过球阀与外部气源经管路相连接；在光度池中部圆管的侧壁上挖有ー小孔，在该小孔处放置一K9玻璃片，形成窗ロ。所述红外探测系统由依次顺序设置的窗ロ、斩波器、透镜、窄带干渉滤光片、红外探測器，以及锁相放大器构成，红外探測器与锁相放大器线路连接；数据采集系统与锁相放大器信号连接。所述数据采集系统包括ー个AD转换卡和一台计算机;AD转换卡分别与锁相放大器和计算机线路连接。红外探測系统探测到的O2 (B1A)红外信号先经锁相放大器进行放大后，再由AD卡转换为数字信号，最后输入到计算机进行记录和保存。所述光度池和两个球阀均由对O2 (a1 A )猝灭很小的PVC材料制成。所述红外探測系统除锁相放大器外，组件窗ロ、斩波器、透镜、窄带干渉滤光片和红外探測器全部都包裹在ー个内部涂黑的密封罩中，以降低背景噪声。本发明具有如下优点1、与目前使用较多的自发拉曼光谱法相比，本方法不需要用激光器作为探测光源，也不需要光谱仪。本实验装置结构非常简单，只需要ー套普通的红外探測系统即可，成本比较低。2、与自发拉曼光谱法相比，本方法还更适合于测量低产率的O2 (a1 A )浓度，例如微波放电或射频放电等产生的O2 (B1A),其产率一般低于10 %，这种条件下自发拉曼光谱法的测量误差相对较大。3、与传统的红外辐射法相比，本方法不需要额外标定红外探测系统的响应系数，不受窗ロ污染和探测系统几何位形变化等因素的影响。4、实验操作简单，快速。本方法只需通过监测一次静态池中OJa1A)的红外辐射衰减曲线，即可标定出红外探測系统的绝对响应系数，进而可以实时測量O2 (B1A)的绝对浓度。而且，这种方法通过采用ー种“流动-停止”技术，可以运用到任何含有OJa1A)的流动体系中进行实时测量。


下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进ー步的说明。图I是本发明的结构示意图；图2是实施本发明的实验装置示意图3是本发明实施例的典型实验曲线；图4是本发明实施例的数据处理結果。图中标号名称为光度池1，窗ロ 2，斩波器3，透镜4，窄带干渉滤光片5，红外探測器6,锁相放大器7,进ロ球阀8,出ロ球阀9,压カ传感器10,密封罩11,波导管12,微波发生器13，质量流量控制器14，氧气瓶15。
具体实施例方式本发明的测量原理对于ー个包含气相O2 (a1 A )、O2⑴和其他气体M的静态池，O2 (a1 A )浓度随时间
的变化可表示为
[lA] -k^ -[lA] [M] .[lA] - 2^A [1A]2 +k^ ⑴式中，E1A]，[3 E ]，E1 E ]和[M]分别代表气相 O2 (B1A), O2 (X3 E )，O2 (b1 E )和M的分子数密度，k s，kM和kw分别是O2 (X3 E )，M和静态池表面对O2 (a1 A )的猝灭速率常数，kA是O2 (B1A)能量汇聚反应生成OJb1 E )的速率常数，kba是OJb1 E )通过碰撞驰豫回O2 (WA)的准一级反应速率常数。方程(I)右边的前三项分别代表O2 (WA)与静态池表面，O2 (X3 E )和M等碰撞造成的猝灭损失，第四项是指在能量汇聚反应中的OJa1A)损失，而最后ー项则表示在OJb1 E )碰撞猝灭过程中的O2 (B1A)产生。由于OJb1 E )的猝灭速率常数要远大于它的生成速率常数；故对于O2 (WA)的猝灭过程而言，O2 (b1 E )可认为始终处于稳态，且其浓度与O2 (B1A)满足如下关系[1E] =IcJ1A]2/ (kba+kbx) (2)其中，kbx是OJb1 E )通过碰撞驰豫回02(X3 E )的准一级反应速率常数。若令和a分别表示总氧分子的数密度和OJb1 E )在猝灭过程中驰豫回O2 (B1A)的几率，即有
= [1A] + ^ E ])和a = kb ノ (kba+kbx)，则通过把方程⑵代入方程⑴中并进行简化，可得学=-{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)应该指出，OJb1 E )通过碰撞驰豫回OJa1A)的几率a在不同的实验条件下是不同的，但在同一个条件下是ー个不变的常数。此时，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)在初始时刻的粒子数密度。对于本发明方法，我们通过一套红外探測系统监视OJa1Ag^X3 E ；)跃迁在1.27 pm处的辐射来探測OJa1A)的浓度变化，因此来自该探测系统的电信号S应该与O2(B1A)的粒子数密度成正比。故我们可以推断对于监测静态池中OJa1A)红外辐射衰减的探测系统，其电信号S随时间的变化也应该满足一个类似方程(5)的关系，即有
权利要求
1.一种测量单重态氧绝对浓度的方法，其特征在干通过让O2 (B1A)气流稳定地流过ー个进出口两端都带有球阀的光度池，然后同时关闭这两个球阀以形成ー个含有O2 (a1 A )的静态池；再采用红外探測系统来监测静态池中OJa1A)在I. 27 处的红外辐射强度随时间的衰减曲线，即可标定出该红外探测系统的响应系数，进而可以实时測量O2 (B1A)的绝对浓度。
2.按照权利要求I所述方法，其特征在于关闭光度池两端的两个球阀以形成静态池时要求进ロ球阀(8)比出口球阀(9)稍微关晚一点，其时间延迟不超过ls，而不可让进ロ球阀(8)比出口球阀(9)关闭得还早。
3.一种可实现权利要求I所述方法的测试装置，其特征在于包括一个静态池、红外探测系统和数据采集系统； 所述静态池由光度池(I)和两个球阀构成，且两球阀分别处于该光度池的入口和出口位置，当两球阀关闭时即可形成一个静态池； 所述光度池(I)的中部为圆管状结构，圆管两端各设有ー个底端和顶端开ロ的、中空的圆锥体，以匹配中间圆管和两端球阀的连接，圆锥体的底端与圆管一端相连，顶端通过球阀与外部气源经管路相连接；在光度池(I)中部圆管的侧壁上挖有ー小孔，在该小孔处放置ー个K9玻璃片，形成窗ロ⑵； 所述红外探测系统由依次顺序设置的窗ロ(2)、斩波器(3)、透镜(4)、窄带干渉滤光片(5)、红外探測器(6)，以及锁相放大器(7)构成，红外探測器(6)与锁相放大器(7)线路连接； 数据采集系统与锁相放大器(7)信号连接。
4.按照权利要求3所述的测试装置，其特征在干所述光度池(I)和两个球阀均由对O2 (a1 A )猝灭很小的PVC材料制成。
5.按照权利要求3所述的测试装置，其特征在于所述红外探測系统除锁相放大器(7)夕卜，组件窗ロ⑵、斩波器⑶、透镜⑷、窄带干渉滤光片(5)和红外探測器(6)全部都包裹在ー个内部涂黑的密封罩(11)中，以降低背景噪声。
6.按照权利要求3所述的测试装置，其特征在于所述数据采集系统包括ー个AD转换卡和一台计算机;AD转换卡分别与锁相放大器(7)和计算机线路连接。
全文摘要
本发明提供了一种测量单重态氧(O2(a1Δ))绝对浓度的方法和装置。该测试装置包括一个静态池、红外探测系统和数据采集系统；红外探测系统由一个斩波器、透镜、窄带干涉滤光片、红外探测器和锁相放大器构成。本发明通过监测静态池中O2(a1Δ)在1.27μm处的红外辐射衰减变化，再结合其在静态池中的动力学模型分析，即可自身标定出红外探测系统的绝对响应系数，进而可以实时测量O2(a1Δ)的绝对浓度。而且，这种静态池红外衰减法通过采用一种“流动-停止”技术，可以运用到任何含有O2(a1Δ)的流动体系中进行实时测量。
文档编号G01N21/17GK102759506SQ201110107608
公开日2012年10月31日 申请日期2011年4月27日 优先权日2011年4月27日
发明者冷静, 杜姝彦, 杨何平, 沙国河 申请人:中国科学院大连化学物理研究所