羟自由基反应活性测量装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种羟自由基反应活性测量装置。它包括DFB激光器(1)及其光路上的光转接部件、偏振光转换部件、光化学反应部件、紫外光解部件、相位检测部件和探测部件，它还包含由位于红外光路上的参考池(4)、第一检偏器(16)和参考探测器(17)，以及与参考探测器(17)依次电连接的第一锁相放大器(18)、比例积分微分控制器(19)、加法器(20)和激光控制器(21)组成的锁频部件，它的紫外光解部件为紫外激光器(12)和其紫外光路上依次置有的第五反射镜(14)、扩束镜(15)、第二氟化钙窗片(614)、第二池内反射镜(612)、第一池内反射镜(611)和第一氟化钙窗片(613)。它极易于广泛地商业化应用于对羟自由基反应活性的实时精确测量。

【技术实现步骤摘要】
羟自由基反应活性测量装置
本专利技术涉及一种反应活性测量装置，尤其是一种羟自由基反应活性测量装置。
技术介绍
羟自由基(OH)是大气中最重要的氧化剂，它决定了大气中主要污染物的生成和去除，其浓度水平是局地大气氧化能力的一个重要量度，是决定大气污染形成的核心。目前，人们为了测量羟自由基，作了一些有益的尝试和努力，如中国专利技术专利申请CN108169218A于2018年6月15日公布的本申请人的一种羟自由基原位测量系统。该测量系统包括2.8um的DFB激光器(分布式反馈激光器)和其光路上的准直偏振光组件、光化学反应舱、偏振光转换组件以及检测装置，其中，光化学反应舱为光学多通池外依次套装有多根紫外灯和螺线状磁体、池内的两端置有带进光孔和出光孔的反射镜，光学多通池上连通有进样管和排气管；测量时，激光经准直偏振光组件后，形成的准直偏振光通过光学多通池内反射镜的多次反射，出射后再经偏振光转换组件处理后，由检测装置转化为检测信号。这种测量系统只能测定OH的浓度，而不能测得OH的反应活性；大气中OH的转化过程非常复杂，其反应活性与寿命成反比，描述OH总的氧化去除能力，反映OH的生成和消耗速率，是OH转化机制的核心参数，因此对OH反应活性的直接测量对深入研究其反应机制、提高大气模型准确度及对大气污染的应对与防治具有重要的意义。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题为克服现有技术中的欠缺之处，提供一种能测量羟自由基反应活性的羟自由基反应活性测量装置。为解决本专利技术的技术问题，所采用的技术方案为，羟自由基反应活性测量装置包括波长2.8μm的DFB激光器及其红外光路上的光转接部件、偏振光转换部件、光化学反应部件、紫外光解部件、相位检测部件和探测部件，特别是：所述测量装置还包含锁频部件，所述锁频部件由位于DFB激光器红外光路上的参考池、第一检偏器和参考探测器，以及与参考探测器依次电连接的第一锁相放大器、比例积分微分控制器、加法器和激光控制器组成，其中的第一锁相放大器的自参考正弦信号输出端与加法器的输入端电连接，激光控制器的输出端与DFB激光器电连接，用于将2.8μm的DFB激光器输出的波长锁定在羟自由基吸收峰3568.5238cm-1处；所述光化学反应部件为测量池，所述测量池为圆柱状多次反射池外套装有直流螺线管磁体、池内两端分别置有同光轴的第一池内反射镜和第二池内反射镜，多次反射池的两端面分别置有第一氟化钙窗片和第二氟化钙窗片、两端部分别置有向多次反射池内提供层流状态气体样品的进气口和出气口，其中，第一池内反射镜和第二池内反射镜均为环状凹球面反射镜，且其上分别置有进光孔和出光孔；所述紫外光解部件为紫外激光器和其紫外光路上依次置有的第五反射镜、扩束镜、第二氟化钙窗片、第二池内反射镜、第一池内反射镜和第一氟化钙窗片，用于光解臭氧产生激发态氧原子以生成羟自由基；所述光转接部件为置于DFB激光器与进光孔、参考池间的红外光路上的半透半反镜，以及置于出光孔与红外探测器间的红外光路上的第二反射镜和聚焦透镜；所述偏振光转换部件为置于DFB激光器与半透半反镜间的起偏器，置于参考池与参考探测器间的第一检偏器，以及置于第二反射镜与聚焦透镜间的第二检偏器；所述相位检测部件由输入端分别电连接第一锁相放大器和红外探测器、输出端电连接计算机的第二锁相放大器，以及输出端分别电连接紫外激光器和计算机的数字延时发生器组成，用于将红外探测器的信号和参考探测器的信号同相位解调后送入计算机，以及控制紫外激光器的脉冲延迟，并同时将触发信号送至计算机，以保证测量时间的零点统一及记录羟自由基活性衰荡信号的基线；所述探测部件为置于聚焦透镜焦点处的红外探测器，以及置于第一检偏器光路上的参考探测器。作为羟自由基反应活性测量装置的进一步改进：优选地，环状凹球面反射镜的表面镀有金膜，或银膜，或介质膜。优选地，两只环状凹球面反射镜的直径均为50mm，其中心的第一内环孔和第二内环孔的直径均为30mm。优选地，进光孔和出光孔的孔直径均为5mm，其均位于环状凹球面反射镜的内环边，且呈非同光轴设置。优选地，紫外激光器为输出波长266nm的Nd：YAG脉冲激光器，其闪光频率≤5/tHz，其中的t为气体样品的置换时间。优选地，扩束镜扩束后的紫外光斑直径≤环状凹球面反射镜的内环孔直径。优选地，DFB激光器与起偏器间置有第一反射镜。优选地，第二反射镜与第二检偏器间置有第三反射镜。优选地，紫外激光器与第五反射镜间置有第四反射镜。优选地，第四反射镜和第五反射镜的表面镀有532nm增透及266nm高反双点介质膜。相对于现有技术的有益效果是：采用这样的结构后，既可稳定地将红外DFB激光器输出的波长锁定在羟自由基吸收峰3568.5238cm-1处，免受激光频率漂移的影响；又在增加红外探测光程的同时将扩束后的紫外光解脉冲光引入，并将其与红外探测光尽可能的重叠，使得紫外光光解臭氧产生激发态氧原子与气相水反应生成的羟自由基能瞬态地被红外光探测到，有效地避免和抑制了测量过程中羟自由基的扩散影响、大气背景的干扰及化学转化干扰；还设定了紫外激光的脉冲延迟，记录了羟自由基完整的基线、生成上升沿与衰荡过程，从而实现了对羟自由基的生成与消耗过程的亚毫秒时间量级的测量；更有着成本低、测量的精确度高的特点，进而使本专利技术极易于广泛地商业化应用于对羟自由基反应活性的实时精确测量。本专利技术的实现机理为：大气样品在多次反射池中受波长266nm的紫外光束照射后，其背景中的臭氧(O3)便被光解产生氧原子(O(1D))，氧原子(O(1D))与背景中的水汽(H2O)反应产生羟自由基，具体的反应过程如下：光解产生的羟自由基会立刻与其它反应物反应，测量羟自由基浓度随时间的衰减，便可实现对羟自由基反应活性的测量：[OH]＝[OH]×exp(-k'OHt)，上式中[OH]表示羟自由基浓度，k'OH表示所要测量的羟自由基反应活性。附图说明图1为本专利技术的一种基本结构示意图。图2为利用本专利技术获得的羟自由基与不同浓度的甲烷(CH4)气体反应后得到的羟自由基反应活性测量图。图中的横坐标为时间、纵坐标为信号强度——代表羟自由基的浓度。由图可看出，在30ms时紫外脉冲光启动，闪光频率设定为1Hz，羟自由基信号曲线出现急速增长，到达峰值耗时仅为4.5ms，本实例的装置响应时间为300us，保证了足够的数据点来反映此急速生成的过程；当羟自由基生成后便开始与CH4气体发生反应，浓度信号值出现指数衰减变化，CH4气体浓度越高，OH衰减越快。CH4气体为0时的衰减代表着装置的OH的自损耗。通过指数拟合衰减曲线便得出OH与不同浓度CH4气体反应的活性k'OH，而且还能进一步得到反应速率常数。该实例充分证明了本专利技术的真实可行。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的优选方式作进一步详细的描述。参见图1，羟自由基反应活性测量装置的构成如下：本专利技术包括波长2.8μm的DFB激光器1及其红外光路上的光转接部件、偏振光转换部件、光化学反应部件、紫外光解部件、相位检测部件和探测部件，以及锁频部件；其中：锁频部件由位于DFB激光器1红外光路上的参考池4、第一检偏器16和参考探测器17，以及与参考探测器17依次电连接的第一锁相放大器18、比例积分微分控制器19、加法器20和激光控制器21组成，其中的第一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种羟自由基反应活性测量装置，包括波长2.8μm的DFB激光器(1)及其红外光路上的光转接部件、偏振光转换部件、光化学反应部件、紫外光解部件、相位检测部件和探测部件，其特征在于：所述测量装置还包含锁频部件，所述锁频部件由位于DFB激光器(1)红外光路上的参考池(4)、第一检偏器(16)和参考探测器(17)，以及与参考探测器(17)依次电连接的第一锁相放大器(18)、比例积分微分控制器(19)、加法器(20)和激光控制器(21)组成，其中的第一锁相放大器(18)的自参考正弦信号(25)输出端与加法器(20)的输入端电连接，激光控制器(21)的输出端与DFB激光器(1)电连接，用于将2.8μm的DFB激光器(1)输出的波长锁定在羟自由基吸收峰3568.5238cm‑

【技术特征摘要】
1.一种羟自由基反应活性测量装置，包括波长2.8μm的DFB激光器(1)及其红外光路上的光转接部件、偏振光转换部件、光化学反应部件、紫外光解部件、相位检测部件和探测部件，其特征在于：所述测量装置还包含锁频部件，所述锁频部件由位于DFB激光器(1)红外光路上的参考池(4)、第一检偏器(16)和参考探测器(17)，以及与参考探测器(17)依次电连接的第一锁相放大器(18)、比例积分微分控制器(19)、加法器(20)和激光控制器(21)组成，其中的第一锁相放大器(18)的自参考正弦信号(25)输出端与加法器(20)的输入端电连接，激光控制器(21)的输出端与DFB激光器(1)电连接，用于将2.8μm的DFB激光器(1)输出的波长锁定在羟自由基吸收峰3568.5238cm-1处；所述光化学反应部件为测量池(6)，所述测量池(6)为圆柱状多次反射池(61)外套装有直流螺线管磁体(62)、池内两端分别置有同光轴的第一池内反射镜(611)和第二池内反射镜(612)，多次反射池(61)的两端面分别置有第一氟化钙窗片(613)和第二氟化钙窗片(614)、两端部分别置有向多次反射池(61)内提供层流状态气体样品的进气口(615)和出气口(616)，其中，第一池内反射镜(611)和第二池内反射镜(612)均为环状凹球面反射镜，且其上分别置有进光孔(6112)和出光孔(6122)；所述紫外光解部件为紫外激光器(12)和其紫外光路上依次置有的第五反射镜(14)、扩束镜(15)、第二氟化钙窗片(614)、第二池内反射镜(612)、第一池内反射镜(611)和第一氟化钙窗片(613)，用于光解臭氧产生激发态氧原子以生成羟自由基；所述光转接部件为置于DFB激光器(1)与进光孔(6112)、参考池(4)间的红外光路上的半透半反镜(3)，以及置于出光孔(6122)与红外探测器(11)间的红外光路上的第二反射镜(7)和聚焦透镜(10)；所述偏振光转换部件为置于DFB激光器(1)与半透半反镜(3)间的起偏器(5)，置于参考池(4)与参考探测器(17)间的第一检偏器(16)，以及置于第二反射镜(7)与聚焦透镜(10)...

【专利技术属性】
技术研发人员：方波，赵卫雄，张为俊，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽,34