基于变角光学密度的多光程气体吸收腔检出限标定研究

The multi-path absorb cavity is a kind of precise measurement equipment for the gas. And it is also a key component of many different gas analysis system. The detection limit calibration of the cavity is difficult because the ‘standard gas’is not precise and stable enough.. A new calibration method is established based on the multi-angle optic density(OD) for the cavity is a measurement equipment according lambert-beer law. And the relation between gas concentration and OD can be established using the lambert-beer law and the matrix optic deriving from the cube. The geometric condition of OD is depends on the optic structure of cube, and the dynamic range of OD is depends on the ppb gas concentration. These relations can be established using matrix optic including the geometric and spectrum conditions of different optic cavitys.. The multi-angle OD can be measured at 10-4 level and the corresponding calibration method will be test and verified on a MMS which has 4 objective mirrors. This result can provide a minimum calibration uncertainty to the trace gas concentration measurement.

多光程气体吸收腔是高精度气体浓度测量装置，是多种气体含量综合分析系统的核心部件。由于标准气体的不稳定性，其标定（尤其是检出限的确定）一直是精确测量的难点。. 本项目利用吸收腔基于比尔朗伯定律的原理，将气体浓度测量转化为光学密度的测量，提出利用光学密度的多角度精密测量与矩阵光学实现多光程气体吸收腔的标定。具体的，吸收腔多光程的光路结构决定了光学密度的测量几何条件，吸收腔测量的ppb级气体浓度决定了光学密度测量所应达到的量级。通过多光程折返光路的建模，按照矩阵光学原理给出考虑密度片均匀性、光谱特性条件、光斑大小不同、几何条件变化时不同光程光学密度值，以对应不同类型的多光程气体吸收腔。. 项目将在多角度条件下实现光学密度片在10-4量级的单光程高精度的测量，并在4物镜的MMS系统上进行实验验证，为痕量气体浓度测量贡献较小的光学吸收腔标定不确定度。

本项目针对多光程气体吸收腔的高精度标定问题进行研究。多光程气体吸收腔是高精度气体浓度测量装置，是多种气体含量综合分析系统的核心部件。由于标准气体的不稳定性，其标定（尤其是明确定义的检出限的确定）一直是精确测量的难点。. 本项目利用吸收腔基于比尔朗伯定律的原理，将气体浓度测量转化为光学密度的测量，提出利用光学密度的多角度精密测量与矩阵光学实现多光程气体吸收腔的标定。建立光学密度标准测量装置和多光程气体吸收腔之间的测量量值关系模型，通过标准密度片将由光学密度标准测量装置测量得到的标准量值传递到多光程气体吸收腔的测量中，实现对多光程气体吸收腔的光学标定，给出多光程气体吸收腔的测量不确定度，在此基础上引入被测气体在温度压力流量等影响下带来的不确定度，给出吸收腔总不确定度。. 具体的，吸收腔多光程的光路结构决定了光学密度的测量几何条件，吸收腔测量的ppb级气体浓度决定了光学密度测量所应达到的量级。通过多光程折返光路的建模，按照矩阵光学原理给出考虑密度片均匀性、光谱特性条件、光斑大小不同、几何条件变化时不同光程光学密度值，以对应不同类型的多光程气体吸收腔。. 项目在多角度条件下实现光学密度片在1*10E-05量级的单光程高精度的测量，测量的角度范围：入射子午角 （0°-90°）、入射弧矢角 （0°-360°）相应被标定的气体吸收腔的气体浓度可测量等级：100ppb；并在4物镜的MMS系统上进行实验验证，被标定气体吸收腔采用MMS形式进行设计，其折返光程次数达96次。腔体长0.6m，物镜为球面镜，其曲率半径R=600mm，直径d=10mm。该MMS系统对应的实测 的检出限浓度结果为：c=(1.25±0.06)ppb 。. 项目建立的检出限标定方法可以使不同的多光程气体吸收腔能够用一个统一的指标即光学密度进行评价和比较，建立了可溯源至光学密度的多光程气体吸收腔检出限评定方法，为痕量气体浓度测量贡献较小的光学吸收腔标定不确定度。