【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及吸收光谱技术的痕量气体检测，尤其是一种谐振腔的ppb级水汽检测系统和方法。
技术介绍
1、集成电路和半导体工业生产过程中需要使用高纯气体(n2、ar或he)用作运载气和保护气，高纯气体中痕量水汽浓度是工业生产中一个重要技术参数，水汽的存在会影响半导体工业生产，其气体中残余水汽含量即使是ppb量级也会影响产品的光学和电化学特性。国际半导体工业生产中要求高纯气体里的水汽含量体积分数必须控制在100×10-9以下，因此必须对水汽浓度进行实时监测和控制，从而避免水分对半导体器件的产量和产品性能产生不利影响。crds技术(光腔衰荡光谱技术)是一种高灵敏、快速响应的技术，可以实时测量ppb量级的痕量气体，被广泛应用于工业加工、环境监测等领域。
2、另外，在cw-crds(连续波腔衰荡光谱)系统中，系统的稳定性是提高信噪比的先决条件。光路耦合和低压环境下的压力变化是影响系统稳定性的两个关键因素。传统的谐振腔通过用高反射率镜片夹住o型密封圈，以实现光轴的调整和腔体的密封。然而，在低压环境下，这种方法可能导致o型密封圈发生形变，进而对光路的耦合和系统的稳定性产生不利影响。谐振腔的设计在稳定性以及可靠性方面起着至关重要的作用，需要进一步改进和优化系统。
技术实现思路
1、为了克服上述现有技术中的缺陷，本专利技术提供一种谐振腔的ppb级水汽检测系统，操作简单，测量准确性高，能够得到广泛应用。
2、为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案，包括：
3、一
4、所述光源发生模块包括光源模块、声光调制器、准直器、光隔离器、聚焦透镜；所述信号处理模块包括探测器、电压比较器、数据采集卡和计算机；所述光源模块产生的激光依次穿过声光调制器、准直器、光隔离器、谐振腔后经聚焦透镜聚焦至探测器；探测器将探测信号分别发送给电压比较器和数据采集卡；电压比较器根据探测信号输出控制信号给计算机，计算机根据控制信号控制声光调制器从而关断信号；数据采集卡将采集的数据发送给计算机进行处理。
5、优选的，所述谐振腔由高反镜、窗口镜片、高反镜调整架、腔体固定支架、不锈钢腔体构成；
6、所述不锈钢腔体上分别设有进气口与出气口；所述不锈钢腔体两端分别装有高反镜调整架；
7、所述高反镜调整架的内部通过o圈固定有高反镜，且位于不锈钢腔体两端的两个高反镜调整架内的两个高反镜大小形态一致；
8、所述高反镜调整架的外侧分别通过o圈固定有窗口镜片。
9、优选的，所述高反镜镀有相应波段的高反膜及增透膜，所述窗口镜片镀有相应波段的增透膜。
10、优选的，所述高反镜调整架为安装有弹簧柱的内嵌六角式高反镜调整架，高反镜调整架包括六个固定孔，其中三个固定孔中装有弹簧柱，另外三个固定孔中装有螺丝，两种不同类型的固定孔相互交替，通过挤压弹簧柱使两个高反镜的光轴达到共轴重合的状态。
11、优选的，进气口连接管上依次设有过滤器及质量流量计，出气口连接管上依次设有压力计和真空泵。
12、优选的，系统还包括系统控制模块；所述系统控制模块包括温控模块和压控模块；所述温控模块包括温度控制器、温度传感器以及反馈控制回路；所述压控模块包括压力控制装置、位置传感器以及反馈控制回路；
13、所述温度控制器和压力控制器用于分别控制谐振腔内的温度和压力，所述温度传感器和压力传感器均布置在谐振腔内，用于分别采集谐振腔内的温度和压力，并通过反馈控制回路将所采集的温度和压力数据分别反馈给温度控制器和压力控制器，从而控制谐振腔内的温度和压力保持在要求范围内。
14、优选的，所述电压比较器为tlv3501超高速电压比较器。
15、优选的，所述信号光的束腰位置与谐振腔体的束腰位置相匹配，根据遗传优化算法得出准直器的出射光到谐振腔前腔镜的最佳距离。
16、一种谐振腔的ppb级水汽检测方法，采用上述一种谐振腔的ppb级水汽检测系统，包括以下步骤：
17、s1，根据光腔衰荡原理，激光入射到谐振腔中，通过电压比较器触发声光调制器联合关断入射光后，谐振腔出射的光强度会随时间呈指数衰减，通过测量谐振腔内有无待测气体吸收时的衰荡时间，获得气体的吸收系数α(v)，用τ(v)表示谐振腔内有待测气体时的衰荡时间，用τ0表示谐振腔内无待测气体时的衰荡时间，吸收系数c为光的传播速度；
18、s2，根据hitran数据库中提供的水汽在待测吸收线下的空气展宽系数、自展宽系数、温度系数，即可通过voigt线型理论计算得到吸收峰频率v0处的线型函数值，将线型函数值和测量得到的峰值吸收系数、气体压强及吸收线强度的值带入lambert-beer定律，可根据公式反推出待测水汽的浓度x，其中，s(t)表示温度t下对应谱线的吸收线强度，φ(v0)为面积归一化的线型函数值，α(v0)为吸收系数在吸收峰频率v0处的峰值，p为气体压强。
19、本专利技术的优点在于：
20、(1)本专利技术提供的ppb级水汽检测系统操作简单，测量准确性高，能够得到广泛应用。
21、(2)本专利技术提供一种谐振腔的ppb级水汽检测系统，用于在保证系统便携性的前提下，使其能够探测ppb量级的痕量水汽，以实现痕量水汽精准、实时、长期测量的有效性，从而适应不同工业生产下的痕量水汽检测应用。
22、(3)本专利技术设计了tlv3501超高速电压比较器，传播延迟时间为4.5ns，使其有效快速触发声光调制器aom，可以实现痕量水汽精准、实时、长期测量的有效性，且无需经常对仪器进行校准。
23、(4)本专利技术设计了内嵌六角式高反镜调整架且采用安装弹簧柱的方式，消除了低压环境下外界与谐振腔内部压差对于光轴重合造成的影响。
24、(5)本专利技术设计了在光学谐振腔两端安装镀有近红外波段的增透膜窗口镜片，且在窗口镜片外围加入o型圈进行密封的方式，使其低压状态下的气密性更好，保证了光学谐振腔的稳定性。
25、(6)本专利技术提供的测量光路装置及方法同样适用于近红外波段其他诸如ch4、co2等气体的测量，只需更换波段合适的光源、隔离器、输入镜、输出镜、调节镜、光电探测器以及优化光路模式匹配参数即可。
26、(7)本专利技术提出了基于遗传优化算法的腔衰荡耦合方法，能够高效地全局搜索参数空间，实现复杂系统的全局最优解，并且具有自适应性，能够在多处理单元上并行运行，降低手动调整参数的需求，能够更好地将信号光的束腰位置与谐振腔的束腰位置相匹配。
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1.一种谐振腔的ppb级水汽检测系统，其特征在于，系统包括用于产生信号光的光源发生模块、供所述信号光射入并进行往复反射的谐振腔、用于监测谐振腔出射端光信号的信号处理模块；
2.根据权利要求1所述的一种谐振腔的ppb级水汽检测系统，其特征在于，所述谐振腔由高反镜、窗口镜片、高反镜调整架、腔体固定支架、不锈钢腔体构成；
3.根据权利要求2所述的一种谐振腔的ppb级水汽检测系统，其特征在于，所述高反镜镀有相应波段的高反膜及增透膜，所述窗口镜片镀有相应波段的增透膜。
4.根据权利要求2所述的一种谐振腔的ppb级水汽检测系统，其特征在于，所述高反镜调整架为安装有弹簧柱的内嵌六角式高反镜调整架，高反镜调整架包括六个固定孔，其中三个固定孔中装有弹簧柱，另外三个固定孔中装有螺丝，两种不同类型的固定孔相互交替，通过挤压弹簧柱使两个高反镜的光轴达到共轴重合的状态。
5.根据权利要求2所述的一种谐振腔的ppb级水汽检测系统，其特征在于，进气口连接管上依次设有过滤器及质量流量计，出气口连接管上依次设有压力计和真空泵。
6.根据权利要求1所述的一
7.根据权利要求1所述的一种谐振腔的ppb级水汽检测系统，其特征在于，所述电压比较器为TLV3501超高速电压比较器。
8.根据权利要求1所述的一种谐振腔的ppb级水汽检测系统，其特征在于，所述信号光的束腰位置与谐振腔体的束腰位置相匹配，根据遗传优化算法得出准直器的出射光到谐振腔前腔镜的最佳距离。
9.一种谐振腔的ppb级水汽检测方法，其特征在于：采用了如权利1所述的一种谐振腔的ppb级水汽检测系统，包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种谐振腔的ppb级水汽检测系统，其特征在于，系统包括用于产生信号光的光源发生模块、供所述信号光射入并进行往复反射的谐振腔、用于监测谐振腔出射端光信号的信号处理模块；
2.根据权利要求1所述的一种谐振腔的ppb级水汽检测系统，其特征在于，所述谐振腔由高反镜、窗口镜片、高反镜调整架、腔体固定支架、不锈钢腔体构成；
3.根据权利要求2所述的一种谐振腔的ppb级水汽检测系统，其特征在于，所述高反镜镀有相应波段的高反膜及增透膜，所述窗口镜片镀有相应波段的增透膜。
4.根据权利要求2所述的一种谐振腔的ppb级水汽检测系统，其特征在于，所述高反镜调整架为安装有弹簧柱的内嵌六角式高反镜调整架，高反镜调整架包括六个固定孔，其中三个固定孔中装有弹簧柱，另外三个固定孔中装有螺丝，两种不同类型的固定孔相互交替，通过挤压弹簧柱使两个高反镜的光轴达到共轴重合的状态。
5.根据权利要求2所述的一种谐振...
【专利技术属性】
技术研发人员：谢品华，王家伟，胡仁志，吴涛，童金钊，蔡浩天，
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：
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