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應用案例 | 基于量子級聯激光光譜技術的HONO和N2O4氣體檢測

來源:寧波海爾欣光電科技有限公司   2023年10月24日 09:06  

近日,來自安徽大學的研究團隊發表了基于量子級聯激光光譜技術的HONO和N2O4氣體檢測的研究成果。

 

項目背景

HONO作為一種短壽命氣體,受到各種物理、化學、生物和地球過程的作用并參與大氣循環,對全球大氣環境和生態造成重大影響。近期研究發現,HONO在全天都會產生OH自由基,貢獻最高的時候可占O自由基來源的一半以上。因此,HONO的測量對OH自由基來源與質量分數的研究有重要意義。為了更好地了解大氣中HONO的光化學循環及其來源,需要對其質量分數進行準確測量,而其質量分數準確測量的前提是HONO吸收線參數的準確度量。

N2O4作為液體推進劑在火箭、和航天運載工具上得到了普遍應用。另外,N2O4也是一種有毒氣體,不僅會引起肺水腫和化學性肺炎,還會腐蝕皮膚、黏膜、牙釉質和眼睛,造成人體局部化學性燒傷。為了更好地了解N2O4反應機理和進行實時監測,同樣需要對其質量分數進行準確測量,故N2O4吸收線參數的確定也具有重要意義。

常用的光譜數據庫(如HITRAN數據庫)和公開發表的論文中這兩種氣體的譜線參不存在,質量分數的準確反演有一定困難,故非常需要對它們的譜線參數進行研究。激光光源選擇中紅外波段中可以在室溫下工作的量子級聯激光器(QCL)以實現短時間內的高分辨率和高靈敏檢測,該激光器具有穩定性好、激光輸出功率高和體積小等優點,有利于長期現場測量。

 

實驗系統

實驗利用高分辨量子級聯激光吸收光譜技術對7.8μm波段trans-HONO和N2O4的吸收光譜進行了同時測量,對兩種氣體的吸收線頻率進行了確定?;诹孔蛹壜摷す馄骱?0m長光程吸收池的實驗裝置如圖所示。

實驗裝置 

實驗裝置示意圖

 

寧波海爾欣光電科技有限公司為實驗提供了量子級聯激光發射頭(HPQCL-Q™標準量子級聯激光發射頭),QCL采用溫度和電流控制,溫控范圍為20~50℃,電流范圍為250~420mA,頻率調諧范圍為1279.5~1282.5cm-1。在實驗中設置工作溫度為35℃,電流為320mA,輸出中心頻率為1280.4cm-1,溫度與頻率的變化關系為0.12cm-1/℃。

HPQCL-Q™ 標準量子級聯激光發射頭 

HPQCL-Q™ 標準量子級聯激光發射頭

 

結論

采用基于7.8μm室溫連續量子級聯激光器和長光程吸收池可以同時對trans-HONO和N2O4氣體進行連續測量,得到兩種氣體在1279.5~1282.5cm-1波段內的具體吸收線頻率。對HONO的衰減曲線進行擬合分析,得到了其在一個由石英制成的封閉吸收池內的衰減時間。根據已知的1280.4cm-1處trans-HONO的吸收譜線強度,計算得到待測樣品中trans-HONO的質量分數為(0.72±0.04)×10-6,相應測量系統的檢測限為(11.15±0.50)×10-9。實驗得到的HONO和N2O4的吸收頻率為實時連續氣體質量分數監測、大氣HONO源匯分析和N2O4化學反應過程分析等提供了參考依據。



參考文獻:

李亞繁,江超超,崔瀟漢,俞本立,崔小娟 《基于4.5μm量子級聯激光器的開放光路N2O氣體檢測系統研究

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