基于中红外差频光源的高精度二氧化碳同位素探测

Carbon Dioxide(CO2) is one of the primary greenhouse gases in the Earth's atmosphere, its sink and source is the frontier problem in the global carbon cycle, this problem can be figured out using its isotopologue measurements. There are several approaches that could be used to measure isotopologue, such as chromatography, mass spectrometry and flame ionization detector, however, they are not suitable for the in-situ and/or on line measurements. The proposal proposed here is going to take the advantage of the strong CO2 absorption lines in the mid -infrared wavelength region (via difference frequency generation technique), to measure the CO2 isotopologue in the ambient air. Several strategies which are very helpful to improve the system performance will be implemented into the project: 1) use line lock and modulation techniques to stabilize the system, 2)analyze the system performance versus different CO2 and water vapor concentration in the ambient air, and 3)add principal component analysis and kalman filter alogrithms to improve the system accuracy. The project is supposed to supply an efficient measurement alternative to the biology, geology, atmospheric trace gases measurement and global carbon cycle.

二氧化碳的来源及其输运过程是全球碳循环研究的前沿课题，它可以通过测量大气中二氧化碳稳定同位素丰度确定。目前色谱、质谱、火焰电离等技术均可用于探测同位素丰度，然而难以做到实时在线测量和分析。本项目拟利用二氧化碳分子在中红外波段具有强吸收的特点（带有C=O化学键的分子在中红外波段有很强的基频吸收），把基于差频技术的中红外激光光源和调制技术结合起来，开展实际大气中二氧化碳稳定同位素测量研究。通过系统稳频以及精确控制进样气体压力和温度，提高探测系统稳定性；分析不同二氧化碳浓度下系统的非线性响应以及实际大气中水汽对测量结果的影响，提高测量的准确度；结合主成分分析法和卡尔曼滤波器，提高测量的精确度。为生物学、地质学、大气探测和全球碳循环等领域提供一种有效的测量手段。

在生物医学、水文学、古气候学、大气科学、及环境科学等自然科学的诸多研究领域，大气分子稳定同位素的精确测量都是极其重要的，甚至是必不可少的研究工具。激光吸收光谱法用于大气分子稳定同位素探测，是目前光谱应用和同位素分析研究的前沿课题，此方法很容易发展成可实时在线测量的仪器。 本项目围绕吸收光谱法用于大气分子稳定同位素探测课题，开展了CO2谱线参数、同位素丰度探测和用于同位素探测的差频光源稳频研究。在项目实施过程中，主要完成了：1）精确的测量了红外波段CO2分子的谱线参数；2）建立了一套基于吸收光谱技术的气体分子稳定同位素探测装置。将实验室自行研制的新型便携式多通池用于系统；设计了预热与直热的两级温控系统，结合对吸收池的压强和气体流速的良好控制，确保了系统的长期稳定性和长期测量的高精度；3）将小波去噪技术、Kalman滤波技术、极值—相关选窗法和平衡探测技术运用于系统，确保了探测系统测量的高精度。小波去噪和Kalman滤波的运用，不仅提高了光谱的信噪比，还缩短了系统的响应时间；极值法和移窗相关法的联用，很好的消除了激光频率漂移的影响，同时也消除了单纯极值法引起的极值位置与吸收峰中心位置差异对结果的影响；平衡探测技术的运用在消除光功率变化影响的同时，进一步提高了光谱的信噪比；4）将搭建系统用于呼吸气体和大气中CO2分子同位素比率的测量；5）设计并建立了基于碘分子吸收的中红外差频光源稳频装置。结果表明，利用上述技术方法，对于CO2气体，呼吸气体中的测量精度为0.067‰；二次谐波技术用于测量模拟大气中CO2同位素丰度时，测量精度为0.849‰。本项目所获结果有助于进一步提高同位素测量的精确的和准确度，并为同位素测量装置的外场实测奠定基础。