一种基于法拉第磁光旋转光谱的气体池及气体传感装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及气体检测技术领域，具体涉及一种基于法拉第磁光旋转光谱的气体池及气体传感装置。包括气体吸收池和与气体吸收池同轴并套设在气体吸收池上的永磁环，永磁环自气体吸收池的进气端至出气端依次设置10～20个，每个永磁环的大小和形状一致，任意两个相邻永磁环的间距在0～10mm，永磁环排布长度与气体吸收池长度相适配，并且，自气体吸收池的中心分别向进气端和出气端方向呈对称排布。本发明专利技术利用非等间距排布的永磁环阵列产生静磁场，从而在静态塞曼分裂下通过调制激光波长来有效改变磁圆双折射，最终产生法拉第旋转光谱信号，提高了磁旋转光谱技术在气体检测领域的可应用性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于法拉第磁光旋转光谱的气体池及气体传感装置


[0001]本专利技术涉及气体检测
，具体涉及一种基于稀土环形永磁体阵列的法拉第磁光旋转光谱的气体池及气体传感装置。

技术介绍

[0002]法拉第旋转光谱又被称为法拉第调制光谱，它利用顺磁性样品(NO，NO2，O2，OH,HO2)吸收线在外部磁场下塞曼分裂引起的磁圆双折射来检测分子浓度。其基本原理如下：激光首先通过起偏器对线偏振光的偏振轴进行定义，在外部轴向磁场的作用下，由于分子能级简并度的提升，顺磁性分子的旋转
‑
振动过渡态被分裂为几个亚态，线偏振光在包含有该顺磁性样品的吸收池中传输时，由于左旋圆偏振光和右旋圆偏振光具有不同的折射率，导致线偏振光的偏振面发生了旋转，通过将与起偏器接近正交的检偏器置于吸收池之后可将偏振面的旋转转化为激光强度的变化，最终通过对其进行探测可完成顺磁性样品浓度的检测。其中线偏振光旋转角度正比于顺磁性样品的浓度。
[0003]由于采用了一对相互接近正交的偏振器有效抑制了激光噪声，因此法拉第旋转光谱相对于传统的直接吸收光谱或波长调制光谱技术可以在较短的光程内实现更高的探测灵敏度。纵向磁场是产生法拉第旋转光谱信号的必要条件，目前，该信号主要由交流螺线管线圈感应的交变磁场来调制吸收线的塞曼分裂而产生，但这种方式面临着功耗高难以外场化应用、产生过多的焦耳热以及过量的电磁干扰等缺陷。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种基于稀土环形永磁体阵列的法拉第磁光旋转光谱的气体池。
[0005]本专利技术采用了以下技术方案：
[0006]一种基于法拉第磁光旋转光谱的气体池，包括气体吸收池，还包括与所述气体吸收池同轴并套设在所述气体吸收池上的永磁环，所述气体吸收池具有容纳待测气体的内腔，和连通所述内腔与外部环境的通口，所述通口包括设置在气体吸收池进气端的进气口，和设置在气体吸收池出气端的出气口，所述永磁环自气体吸收池的进气端至出气端依次设置10～20个，每个所述永磁环的大小和形状一致，任意两个相邻永磁环的间距在0～10mm，所述永磁环排布长度与所述气体吸收池长度相适配，并且，自所述气体吸收池的中心分别向进气端和出气端方向呈对称排布。
[0007]优选的，所述永磁环材质为钕铁硼，永磁环的横截面和环臂的断面均为旋转对称形状，多个永磁环构成的纵向静磁场磁场强度为200～400高斯。
[0008]优选的，所述永磁环的横截面为圆形，永磁环的外直径100mm，内直径60mm，环臂的断面为矩形，环臂的厚度25mm。
[0009]优选的，所述永磁环共设置14个，永磁环自气体吸收池的中心向进气端或出气端方向设置的间距依次为0，0，1，3，4，10mm，靠近气体吸收池的中心的两个所述永磁环间距离
为0mm，14个永磁环构成的纵向静磁场磁场长度为386mm，磁场强度为300高斯。
[0010]优选的，所述气体吸收池主体材料为硬塑料等非铁磁性材料，避免对磁场造成破坏。
[0011]本专利技术还提供一种使用上述法拉第磁光旋转光谱气体池的传感装置，包括信号源、激光光源和设置在激光光路上的法拉第磁光旋转光谱气体池，所述激光光源由激光发生器及其电连接的激光控制器组成，所述激光控制器与信号源电连接，所述光谱气体池的出气端还依次设置有检测和采集经过所述光谱气体池的旋光信号的光电探测器、锁相放大器和采集卡，所述锁相放大器还与所述信号源电连接，获得参考信号。
[0012]优选的，沿激光光路方向，所述激光光源与吸收池之间还依次设置有起偏器和光阑，吸收池与光电探测器之间还依次设置有检偏器和光阑，所述起偏器与检偏器的相对偏转角度θ满足80
°
＜θ＜100
°
，且θ≠90
°
。
[0013]优选的，所述采集卡还电连接嵌入式工控机，用于记录采集到的信息。
[0014]优选的，所述第二光阑和光电探测器之间，还设置有聚焦透镜。
[0015]优选的，所述激光发生器为量子级联激光器，或半导体激光器，或垂直腔面发射激光器。
[0016]优选的，所述光电探测器为热电冷却的碲镉汞光电探测器或砷化镓光电探测器。
[0017]本专利技术的有益效果在于：
[0018]本专利技术利用非等间距排布的永磁环阵列产生静磁场，从而在静态塞曼分裂下通过调制激光波长来有效改变磁圆双折射，最终产生法拉第旋转光谱信号。环形永磁体阵列的应用极大降低了现有技术中普遍采用的交流螺线管线圈感应电磁所带来的高功耗、发热多的缺陷，有利于该技术进一步发展成为可现场应用的、无人值守的光学测量平台。
[0019]将含非等间距排布永磁环的磁致旋光气体吸收池应用于气体检测，得到法拉第磁光旋转光谱气体传感装置，通过利用一对相互接近正交的偏振器抑制激光强度噪声，从而将获得比相同光程的直接吸收光谱或波长调制光谱更高的检测灵敏度。
[0020]法拉第磁光旋转光谱信号由于仅与在基态或上电子态具有磁偶极矩的顺磁性分子或自由基(如NO2、OH、NO、O2、HO2等)有关，不受抗磁性分子(CO2、H2O等)的干扰，因此可显著提高测量结果的准确性。
附图说明
[0021]图1为本专利技术法拉第磁光旋转光谱气体池的结构示意图；
[0022]图2为图1的侧视图；
[0023]图3为本专利技术使用法拉第磁光旋转光谱气体池的传感装置的结构示意图；
[0024]图4为本专利技术传感装置获得的100ppb NO2的法拉第旋转光谱信号。
[0025]图中标注符号的含义如下：
[0026]10
‑
光谱气体池11
‑
气体吸收池111
‑
进气口112
‑
出气口12
‑
永磁环
[0027]20
‑
信号源
[0028]31
‑
激光发生器32
‑
激光控制器
[0029]40
‑
光电探测器50
‑
锁相放大器60
‑
采集卡61
‑
嵌入式工控机
[0030]71
‑
起偏器72
‑
检偏器81
‑
第一光阑82
‑
第二光阑
[0031]90
‑
聚焦透镜
具体实施方式
[0032]下面结合附图来对本专利技术的技术方案做出更为具体的说明：
[0033]如图1
‑
2所示，一种法拉第磁光旋转光谱气体池，包括气体吸收池11，还包括与气体吸收池11同轴并套设在气体吸收池11上的永磁环12。气体吸收池11具有容纳待测气体的内腔，和连通内腔与外部环境的通口，通口包括设置在气体吸收池11进气端的进气口111，和设置在气体吸收池11出气端的出气口112，进气口111和出气口112用于实现顺磁性分子本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于法拉第磁光旋转光谱的气体池，其特征在于，包括气体吸收池(11)，还包括与所述气体吸收池(11)同轴并套设在所述气体吸收池(11)上的永磁环(12)；所述气体吸收池(11)具有容纳待测气体的内腔，和连通所述内腔与外部环境的通口，所述通口包括设置在气体吸收池(11)进气端的进气口(111)和设置在气体吸收池(11)出气端的出气口(112)，所述永磁环(12)自气体吸收池(11)的进气端至出气端依次设置10～20个，每个所述永磁环(12)的大小和形状一致，任意两个相邻永磁环(12)的间距在0～10mm，所述永磁环(12)排布长度与所述气体吸收池(11)长度相等，并自所述气体吸收池(11)的中心分别向进气端和出气端方向呈对称排布。2.如权利要求1所述的一种基于法拉第磁光旋转光谱的气体池，其特征在于，所述永磁环(12)材质为钕铁硼，永磁环(12)的横截面和环臂的断面均为旋转对称形状，多个永磁环(12)构成的纵向静磁场的磁场强度为200～400高斯。3.如权利要求2所述的一种基于法拉第磁光旋转光谱的气体池，其特征在于，所述永磁环(12)的外直径100mm，内直径60mm，环臂的断面为矩形，环臂的厚度25mm。4.如权利要求3所述的一种基于法拉第磁光旋转光谱的气体池，其特征在于，所述永磁环(12)共设置14个，永磁环(12)自气体吸收池(11)的中心向进气端或出气端方向设置的间距依次为0，0，1，3，4，10mm，靠近气体吸收池(11)的中心的两个所述永磁环间距离为0mm，14个永磁环(12)构成的纵向静磁场磁场...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹渊，刘锟，王贵师，梅教旭，高晓明，
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：