一种同步光解H2O和O2的装置及相关方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种同步光解H2O和O2的装置，包括流动管、光路与光强探测单元、光解原料气体供给单元以及吸收气体供给单元；所述光解原料气体供给单元与所述流动管连通；所述光路与光强探测单元包括光源、光电转换元件以及光强吸收池，所述光源与所述光电转换元件分别位于所述流动管的径向方向相对两侧，所述光强吸收池位于所述光源与所述流动管之间，所述光源发出的光线穿过所述光强吸收池和所述流动管照射在所述光电转换元件上，所述吸收气体供给单元与所述光强吸收池连通。本发明专利技术通过吸收气体供给单元向光强吸收池中通入不同浓度的吸收气体来调节入射光线的强度大小，可以实现对光源发射的光线性吸收而不会对氧气吸收截面带来较大的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种同步光解H2O和O2的装置及相关方法
本专利技术涉及大气监测领域，具体地说涉及一种同步光解H2O和O2的装置及相关方法。
技术介绍
在对流层光化学中，OH和HO2自由基扮演着关键的角色，是衡量大气的氧化能力的一项指标，与大气灰霾问题存在紧密的联系。OH自由基具有较高的活性，可以与其他大气中的痕量气体反应例如CO、VOCs、SO2、NOx等。由于OH自由基寿命短浓度低(大气中OH自由基浓度106cm-3)，准确测量OH自由基的浓度一直是大气化学领域一项具有挑战性的工作。目前，主要使用测探测技术有气体扩张激光诱导荧光技术(FAGE)、CIMS、差分吸收光谱技术(DOAS)等。FAGE技术凭借着探测限低、背景干扰小、可建立移动操作装置等优点，成为应用广泛的OH自由基外场测量技术。目前，FAGE探测系统需要通过定标实验提高探测的精确性，定标方法有以下三种:1)直接测量法，直接测量光解H2O的光通量和光解时间计算OH自由基的浓度，标定的不确定度在±32％左右；2)烯烃和臭氧反应产生OH自由基，通过稳态模型计算OH自由基的浓度，OH自由基的浓度不确定性大约在±43％；3)持续搅拌箱式反应法(continuouslystirredtankreactor,CSTR)，在一个经过紫外辐射的由特氟龙FEP材料制作而成的持续搅拌箱式反应器中，OH自由基的浓度通过同步测量烃类(Hydrocarbon，简称HC)与OH自由基反应的消耗速率来计算(Hardetal.1986；Chanetal.1990)，这种方法的定标不确定度在±36％左右。其中，水汽的同步光解法因其不确定度低，标定的不确定度在±23％左右，易于外场标定等特点成为目前FAGE探测系统的主要标定方法。同时，随着大气HOx自由基化学研究的深入，观测条件已从清洁大气地区转向高污染大气或城镇地区(ReportoftheInternationalHOxWorkshop2015)，为保证复杂的大气条件下HOx自由基测量数据的准确性，需要更高的标定准确度和更频繁的标定次数。从同步光解法标定的结果来看，臭氧浓度测量、氧气吸收截面、水汽吸收截面、以及水汽依赖因子构成系统不确定度的主要来源。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种可用于FAGE探测系统定标，准确性更高的同步光解H2O和O2的装置及其相关方法。为了解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：一种同步光解H2O和O2的装置，包括流动管、光路与光强探测单元、光解原料气体供给单元以及吸收气体供给单元；所述光解原料气体供给单元与所述流动管连通；所述光路与光强探测单元包括光源、光电转换元件以及光强吸收池，所述光源与所述光电转换元件分别位于所述流动管的径向方向相对两侧，所述光强吸收池位于所述光源与所述流动管之间，所述吸收气体供给单元与所述光强吸收池连通，所述光源发出的光线穿过所述光强吸收池和所述流动管照射在所述光电转换元件上。进一步地，装置还包括罩在所述流动管和所述光路与光强探测单元外的遮光壳体。进一步地，装置还包括吹扫气供给单元，所述吹扫气供给单元与所述遮光壳体连通。进一步地，所述光强吸收池上沿垂直于光路方向的两侧分别设有进气口和出气口，所述吸收气体供给单元经所述进气口与所述光强吸收池连通。进一步地，所述光路与光强探测单元还包括设置在所述光强吸收池与所述光源之间的第一聚焦透镜、设置在所述光强吸收池与所述第一聚焦透镜之间的滤光片以及设置在所述灯源和所述第一聚焦透镜之间的光阑。进一步地，所述光路与光强探测单元还包括设置在所述光电转换元件与所述流动管之间的第二聚焦透镜。进一步地，所述光解原料气体供给单元包括零空气储罐以及水汽发生机构，所述零空气储罐通过管路与所述流动管连通，所述管路上有一段岔分成两条相互并联的支管路，所述水汽发生机构安装在其中一条所述支管路上。本专利技术提供的相关方法之一是采用上述同步光解H2O和O2的装置进行臭氧浓度测量的方法，包括以下步骤：(1)打开灯源并通过光解原料气体供给单元向流动管内通入光解原料气体，然后通过吸收气体供给单元向光强吸收池中通入不同浓度的吸收气体来调节入射光线的强度大小，获取多组在不同入射光线强度下流动管中产生的臭氧的浓度数据，建立入射光线强度与臭氧浓度的函数关系；(2)经由所建立的函数关系通过测量入射光线强度反演出臭氧浓度。本专利技术提供的相关方法之二是采用上述同步光解H2O和O2的装置进行FAGE探测系统定标的方法，包括以下步骤：(1)打开灯源，通过光解原料气体供给单元向流动管中通入不同水汽浓度的光解原料气体，获取多组在不同水汽浓度的光解原料气体下流动管中产生的OH自由基的浓度数据，建立OH自由基的浓度与水汽浓度的函数关系，获得FAGE探测系统定标曲线一；(2)打开灯源，通过光解原料气体供给单元向流动管内通入光解原料气体，然后通过吸收气体供给单元向光强吸收池中通入不同浓度的吸收气体来调节入射光线的强度大小，获取多组在不同入射光线强度下流动管中产生的OH自由基的浓度数据，建立OH自由基的浓度与入射光线强度的函数关系，获得FAGE探测系统定标曲线二；上述过程中，OH自由基的浓度计算公式如下式1所示：其中，为H2O的吸收截面，为O2的吸收截面，为入射光线强度，[H2O]为H2O的浓度，[O2]为O2的浓度。进一步地，的获取手段如下：打开灯源，向流动管中通入含有氧气、不含水汽的气体混合物，其中，氧气浓度与大气中氧气浓度相同，根据式2所示的公式计算得到的获取手段如下：打开灯源，向流动管中通入含有水汽、不含氧气的气体混合物，根据式2所示的公式计算得到其中，[m]代表H2O或O2的浓度，m＝H2O或O2；I0表示入射光强，I表示透过气体混合物之后的光强，l代表光学厚度。本专利技术的有益效果体现在：本专利技术装置中，流动管用于提供光解原料气体的流动和光解反应场所，在用于FAGE探测系统定标时，可与FAGE探测系统接通，光解原料气体供给单元用于将包含H2O和O2的光解原料气体通入流动管中，本专利技术不是通过直接改变光源的发射强度来改变入射光线强度，而是通过光强吸收池与吸收气体供给单元的配合来改变入射光线强度，具体是通过吸收气体供给单元向光强吸收池中通入不同浓度的吸收气体来调节入射光线的强度大小，这种调节方式，可以实现对光源发射的光线性吸收而不会对氧气吸收截面带来较大的影响，从而更加精确。本专利技术臭氧浓度测量的方法通过测量光强的方法反演出臭氧的浓度，对于外场实验标定具有极大的便利性，可以满足nA级的光电流测量需要，能准确测量弱光光强，并通过臭氧与光强的函数关系式准确反演出低的臭氧浓度值，解决了现有臭氧分析仪由于探测限在0.5ppb，在较弱光强的条件下臭氧无法准确测量的缺陷。本专利技术FAGE探测系统定标的方法由于提供了两条定标曲线，因此通过将两条定标曲线相互验证可，提升定标准确性。对于定标曲线一，定标过程中通过改变水汽浓度调节OH自由基浓度，但是高水汽浓度会增加OH自由基的荧光淬灭影响FAGE系统的灵敏度，而曲线二是在低水汽浓度条件下保持水汽浓度不变通过调节光强获得不同浓度的OH自由基，将定标曲线一与曲线二相互比较就可以校正高水汽浓度对FAGE系统标定和OH自由基观测的影响。附图说明图1是本专利技术一实施例的结构示意图。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种同步光解H2O和O2的装置，其特征在于：包括流动管、光路与光强探测单元、光解原料气体供给单元以及吸收气体供给单元；所述光解原料气体供给单元与所述流动管连通；所述光路与光强探测单元包括光源、光电转换元件以及光强吸收池，所述光源与所述光电转换元件分别位于所述流动管的径向方向相对两侧，所述光强吸收池位于所述光源与所述流动管之间，所述吸收气体供给单元与所述光强吸收池连通，所述光源发出的光线穿过所述光强吸收池和所述流动管照射在所述光电转换元件上。

【技术特征摘要】
1.一种同步光解H2O和O2的装置，其特征在于：包括流动管、光路与光强探测单元、光解原料气体供给单元以及吸收气体供给单元；所述光解原料气体供给单元与所述流动管连通；所述光路与光强探测单元包括光源、光电转换元件以及光强吸收池，所述光源与所述光电转换元件分别位于所述流动管的径向方向相对两侧，所述光强吸收池位于所述光源与所述流动管之间，所述吸收气体供给单元与所述光强吸收池连通，所述光源发出的光线穿过所述光强吸收池和所述流动管照射在所述光电转换元件上。2.如权利要求1所述的同步光解H2O和O2的装置，其特征在于：装置还包括罩在所述流动管和所述光路与光强探测单元外的遮光壳体。3.如权利要求2所述的同步光解H2O和O2的装置，其特征在于：装置还包括吹扫气供给单元，所述吹扫气供给单元与所述遮光壳体连通。4.如权利要求1或2或3所述的同步光解H2O和O2的装置，其特征在于：所述光强吸收池上沿垂直于光路方向的两侧分别设有进气口和出气口，所述吸收气体供给单元经所述进气口与所述光强吸收池连通。5.如权利要求1或2或3所述的同步光解H2O和O2的装置，其特征在于：所述光路与光强探测单元还包括设置在所述光强吸收池与所述光源之间的第一聚焦透镜、设置在所述光强吸收池与所述第一聚焦透镜之间的滤光片以及设置在所述灯源和所述第一聚焦透镜之间的光阑。6.如权利要求1或2或3所述的同步光解H2O和O2的装置，其特征在于：所述光路与光强探测单元还包括设置在所述光电转换元件与所述流动管之间的第二聚焦透镜。7.如权利要求1或2或3所述的同步光解H2O和O2的装置，其特征在于：所述光解原料气体供给单元包括零空气储罐以及水汽发生机构，所述零空气储罐通过管路与所述流动管连通，所述管路上有一段岔分成两条相互并联的支管路，所述水汽发生机构安装在其中一条所述支管路上。8.采用如权利要求1至8中任一项所述的同步光解H2O和O2的装置进行臭...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡仁志，王凤阳，谢品华，陈浩，王怡慧，李治艳，靳华伟，
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