痕量气体探测的散射增强吸收光谱技术研究

A novel Scatter Enhanced Absorption Spectroscopy (SEAS) technique for trace gas monitoring was developed using scattering material and high reflection cavity in place of traditional gas cell. This technique is based on the study of influence rules of scattering material in high reflection gas cavity to the absorption spectrum of the target trace gas. In this project, the theoretical relations of the scattering material and high reflection cavity parameters to gas absorption spectrum will be established by sdutying the influence rules of gas absorption spectrum on sacttering materials with different reflectivity and size and that on the combination of high reflection cavities with the scattering material. The theoretical results will be tested by time resolved spectrocopy. A novel trace oxygen monitoring technique will be studied based on the SEAS technique. The quantitative evaluation of this SEAS technique will be estimated by the comparing with traditional direct absorption technique for oxygen detection. By analyzing the affect rules of various concentrations and absorption wavelenths of the sample gas to SEAS technique, a theoretical fomula will be established which will be the theoretical foundation for further application. This novel technique is aimed at continuous monitoring of trace oxygen in anaerobic welding and trace gas monitoring in other industrial equipments. The developments SEAS technique possess great significance in trace enviromental gas estimation at present.

基于高反射腔内的散射介质对痕量气体吸收光谱影响的研究，一种新的以散射介质为媒介并以高反射腔代替传统气体池的痕量气体探测散射增强吸收光谱（SEAS）技术被提出。本项目将通过研究不同反射率和粒径的散射介质与气体吸收光谱之间的关系，以及散射介质与高反射腔结合对气体吸收光谱规律的影响，建立散射介质和高反射腔参量与气体吸收光谱之间关系的理论描述，并通过时间分辨光谱验证理论关系；开展基于SEAS技术的痕量氧气测量研究，通过与直接氧气测量结果比较，实现对SEAS技术指标定量评价；探索气体浓度对SEAS技术的影响规律，建立包含关键影响因素的理论公式，为该技术的应用奠定充分的理论基础。该技术的开发目标是实现对工业无氧焊接中痕量氧气和其他工业设备中痕量气体的监测，该技术的发展对当前痕量气体环境的评估具有重要意义。

在各种气体检测方法中，光谱学方法以其对气体的高选择性、抗干扰、高灵敏，非接触性以及可实时在线监控等优点而成为主流的检测手段。在吸收光谱方法中，可以通过在有限的体积内增加气体吸收光程，同时达到检测装置小型化和提高气体探测的灵敏度的目的。因此发展了一种新的以散射介质为媒介并以吸收腔代替传统气体池的痕量气体探测技术，即散射增强吸收光谱技术（Scatter Enhanced Absorption Spectroscopy, SEAS）。本项目基于可调谐二极管激光吸收光谱技术（TDLAS），以氧气为待测气体，研究了高漫反射立方腔和串联方腔的光程延长规律，并开展了利用立方腔测量材料绝对漫反射率方法的研究。. 首先，开展了高漫反射立方腔作为气体吸收池的基础研究。设计并制作了多种尺寸的高漫反射立方腔，内表面涂层采用防水的高漫反射涂料。实验基于TDLAS技术，通过测量空气中浓度为21%的氧气在763nm处不同光程下的吸收信号，给出了高漫反射立方腔有效光程的定标方法。. 其次，开展了高漫反射立方腔光程延长规律的研究。通过不同探测位置和入射光位置的连续测量实验，证明了立方腔内的光场是均匀稳定的。通过研究立方腔有效光程随开孔比的变化，以理论公式为基础，给出了确定立方腔三个参量 、f和 的实验方法。.然后，开展了一种新的测量材料漫反射率的方法研究。实验数据表明，漫反射率越高材料其相对测量误差越小，当材料漫反射率从0.867增加到0.9887时，测量的相对误差从0.5%降低为0.03%。. 最后，开展了串联方腔光程延长规律的理论和实验研究。理论研究证明在串联腔连接孔径很小时，串联方腔的有效光程可以近似地看成是两个单腔的有效光程之和。