關(guān)于開(kāi)展光聲光譜學(xué)相關(guān)實(shí)驗(yàn)的可行性報(bào)告

主要內(nèi)容一、光聲光譜簡(jiǎn)介二、理論簡(jiǎn)介三、實(shí)驗(yàn)方法及儀器四、可行性分析及總結(jié)五、參考文獻(xiàn)當(dāng)前1頁(yè)，總共32頁(yè)。歷史及現(xiàn)狀1880年，美國(guó)科學(xué)家，貝爾電話公司的創(chuàng)始人Bell首先在固體中發(fā)現(xiàn)了光聲現(xiàn)象，不久后，Bell和科學(xué)家Tyndall和Ronetgen在1881年各自獨(dú)立進(jìn)行了氣體和液體的光聲實(shí)驗(yàn)。然而限于光源和信號(hào)檢測(cè)技術(shù)方面的缺陷，此后幾十年光聲技術(shù)的研究幾乎沒(méi)有什么實(shí)質(zhì)性的發(fā)展。

20世紀(jì)70年代聲隨著弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的不斷積累和發(fā)展，高靈敏度微音器和壓電陶瓷的出現(xiàn)，以及各種激光器的相繼問(wèn)世，光聲技術(shù)得到廣泛的重視，尤其在微量氣體檢測(cè)方面，光聲技術(shù)獲得了廣泛的研究和發(fā)展。當(dāng)前2頁(yè)，總共32頁(yè)。歷史及現(xiàn)狀

1968年，Kerr和Atwood首次公布了利用激光光聲光譜的方法檢測(cè)微量氣體，Kreuzer等人在1971年應(yīng)用氦氖激光器，測(cè)量極限達(dá)到0.01ppm(10的負(fù)6)并從理論上論證了用激光作光源的光聲光譜測(cè)量可以使微量氣體檢測(cè)的靈敏度達(dá)到0.1ppt(10的負(fù)13)，1990年，F(xiàn).J.M.Harren等人設(shè)計(jì)氣體光聲檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)靈敏度達(dá)到20ppt。1996年，F(xiàn).G.e.Bjnen進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)了基于二氧化碳激光器的內(nèi)腔式光聲光譜檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)靈敏度達(dá)到了6ppt。[1] 另外Petel和Tam[2]、West[3]、Edward[4]等人各自對(duì)不同時(shí)期擇重不同地對(duì)光聲光譜學(xué)的研究狀況及應(yīng)用成果作過(guò)綜述。[5]當(dāng)前3頁(yè)，總共32頁(yè)?；驹沓叵?，物質(zhì)吸收了光能后，許多分子從出去電子及臺(tái)的最低震動(dòng)能級(jí)躍遷到激發(fā)態(tài)，由于不穩(wěn)定，分子已非常快的速度，通過(guò)各種途徑回到基態(tài)。其中光聲光譜法是指物質(zhì)吸收光后，經(jīng)過(guò)無(wú)輻射躍遷(放熱)回到初始狀態(tài)，即由光能轉(zhuǎn)變成熱能的過(guò)程而進(jìn)行測(cè)定的光譜法。當(dāng)前4頁(yè)，總共32頁(yè)?；驹?光聲效應(yīng)可以分為三步,如左圖所示。 ①樣品吸收特定波長(zhǎng)的調(diào)制光(調(diào)制頻率在聲波范圍內(nèi))光子,處于激發(fā)態(tài); ②樣品通過(guò)分子間碰撞以熱的方式釋放吸收的能量,使得氣體受熱(具有周期性); ③受熱氣體膨脹產(chǎn)生熱聲波(頻率與調(diào)制光源頻率相同)。[6]當(dāng)前5頁(yè)，總共32頁(yè)?；驹?/p>

根據(jù)氣體光聲光譜學(xué),不同氣體對(duì)光有不同的吸收光譜特性，每一種氣體都有自己的吸收光譜,也就是在不同的波長(zhǎng)處產(chǎn)生較大吸收,采用某種單一波長(zhǎng)的光照射氣體,只有某種特定氣體產(chǎn)生較大吸收,從而可以通過(guò)控制濾波器的波長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器的高選擇性以及多組分探測(cè)。[6]當(dāng)前6頁(yè)，總共32頁(yè)。理論簡(jiǎn)介 首先光聲技術(shù)在測(cè)量氣體和凝聚態(tài)物質(zhì)時(shí)所用的理論是不一樣的。具體來(lái)說(shuō)光聲技術(shù)就是利用光吸收和聲激發(fā)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)對(duì)聲信號(hào)的探測(cè)從而了解光吸收過(guò)程。 對(duì)于氣體來(lái)說(shuō)，由于光吸收激發(fā)的聲波頻率由調(diào)制頻率確定;而其強(qiáng)度則只與可吸收該窄帶光譜的特征氣體的體積分?jǐn)?shù)有關(guān)，因此，建立氣體體積分?jǐn)?shù)與聲波強(qiáng)度的定量對(duì)應(yīng)關(guān)系，就可以準(zhǔn)確計(jì)量樣品池中各氣體的體積分?jǐn)?shù)。 許多學(xué)者對(duì)光聲光譜作了大量的理論分析研究。光聲信號(hào)的產(chǎn)生涉及兩個(gè)方面:熱的產(chǎn)生和聲波的形成。而理論推導(dǎo)和計(jì)算也是從這兩方面展開(kāi)的。光聲光譜的經(jīng)典理論在文獻(xiàn)[10]中有詳細(xì)的介紹。當(dāng)前7頁(yè)，總共32頁(yè)。理論簡(jiǎn)介 至于凝聚態(tài)物體(固體、液體)，Rosencwaig和Gersho在1975年對(duì)固體光聲效應(yīng)所作的理論推導(dǎo),它系統(tǒng)地論述了凝聚態(tài)物質(zhì)中光聲效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理，清晰地說(shuō)明了與試樣接觸的氣體中光聲信號(hào)產(chǎn)生的物理過(guò)程。他們這種后來(lái)稱為R-G理論的唯象模型,是凝聚態(tài)光聲效應(yīng)的經(jīng)典理論。 R-G理論給出了試樣和空氣中一維溫度場(chǎng)的嚴(yán)格表達(dá)式，并用近似方法處理氣體中產(chǎn)生的光聲信號(hào)，得到了對(duì)大部分實(shí)驗(yàn)情況有效的理論結(jié)果。 下面是其給出的光聲信號(hào)表達(dá)式：當(dāng)前8頁(yè)，總共32頁(yè)。實(shí)驗(yàn)方法當(dāng)前9頁(yè)，總共32頁(yè)。實(shí)驗(yàn)方法當(dāng)前10頁(yè)，總共32頁(yè)。實(shí)驗(yàn)方法當(dāng)前11頁(yè)，總共32頁(yè)。實(shí)驗(yàn)儀器一、光源：[8]

光源隨樣品的種類(lèi)而異，對(duì)于固體樣品多采用紫外、可見(jiàn)光源，分析氣體多采用紅外光源。1、連續(xù)譜光源(氙燈等)當(dāng)前12頁(yè)，總共32頁(yè)。實(shí)驗(yàn)儀器

(1)氙燈(1000W)光聲光譜中最普遍的非相干光源是高壓氙燈。其工作壓力為50~70個(gè)大氣壓，是230~2000nm區(qū)域中很有效的強(qiáng)光發(fā)射體，發(fā)射光譜主要呈連續(xù)狀，在800~1000nm之間有幾條強(qiáng)譜線。燈泡材料有石英和陶瓷兩種。作為波長(zhǎng)可變光源一般與單色儀組合使用。當(dāng)狹縫變窄光強(qiáng)度就會(huì)顯著減弱，因此要得到1納米一下的高分辨率相當(dāng)困難。所以，氙燈光源常用于光聲譜寬的固體和液體試樣的測(cè)定。當(dāng)前13頁(yè)，總共32頁(yè)。實(shí)驗(yàn)儀器 (2)白熾碳棒 白熾碳棒是一種紅外光源。碳棒是在氬氣中通電的，可得到2500K左右的熱輻射溫度，碳棒的壽命是400小時(shí)左右，所需功率為4千瓦(9.8伏，400安)。電極部分用水冷卻，腔罩用溴化鉀窗，這樣更容易輸出熱輻射當(dāng)前14頁(yè)，總共32頁(yè)。實(shí)驗(yàn)儀器 2、激光光源[8] 激光光源具有單色性強(qiáng)，脈沖峰值功率大，相干性好且連續(xù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，是光聲光譜最理想的光源。 不同的樣品和不同的分析目的，可采用不同的激光器。對(duì)于氣體和大氣污染物的分析，可采用可調(diào)諧的紅外激光器，如光參量激光器等。若測(cè)定某些特定的氣體可用固定波長(zhǎng)的激光器作光源。如測(cè)定甲烷可用氦氖激光器(3.39微米)，測(cè)定一氧化氮可用二氧化碳激光器(10.6微米)。對(duì)于固體或液體物質(zhì)可采用可調(diào)諧染料激光器。當(dāng)前15頁(yè)，總共32頁(yè)。實(shí)驗(yàn)儀器

3、同步輻射光源 另外同步輻射光源用于光聲光譜，具有高靈敏度和高穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)，可大大擴(kuò)展光聲光譜的研究范圍，蘇慶德等首次在同步輻射紫外一可見(jiàn)光區(qū)建立起光聲光譜裝置，在185一650nm波段得到了穩(wěn)定且達(dá)毫伏量級(jí)光聲信號(hào)同步輻射光源在光聲中的應(yīng)用，將光聲譜拓展到高能輻射區(qū)，為光聲光譜帶來(lái)了突破性的進(jìn)展。[8]當(dāng)前16頁(yè)，總共32頁(yè)。實(shí)驗(yàn)儀器 二、光斬波器[8] 光斬波器的目的是產(chǎn)生氣體周期性的壓力起伏——聲波。光在調(diào)制中強(qiáng)度發(fā)生100%變化時(shí)，稱為斷續(xù)光，其他情況稱為調(diào)制光。光斬波器只要分為以下三類(lèi)： 1、機(jī)械式 能進(jìn)行10Hz~1kHz范圍內(nèi)的調(diào)制，它的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單廉價(jià)，但是產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)可能會(huì)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生干擾。 2、電源調(diào)制式 能進(jìn)行10Hz~10kHz范圍內(nèi)的調(diào)制，它的優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有機(jī)械振動(dòng)，是目前主要的斬波器種類(lèi)。 3、光調(diào)制器 主要進(jìn)行更高頻率的調(diào)制，能很容易產(chǎn)生10MHz的高頻調(diào)制光，缺點(diǎn)是價(jià)格比較昂貴。當(dāng)前17頁(yè)，總共32頁(yè)。實(shí)驗(yàn)儀器當(dāng)前18頁(yè)，總共32頁(yè)。實(shí)驗(yàn)儀器

三、光聲池 光聲池是整個(gè)實(shí)驗(yàn)中最重要的裝置，它的好壞直接影響實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。 光聲池從用途來(lái)分可以分成兩類(lèi)，測(cè)量氣體的和測(cè)量固體與液體的，以及某些特殊場(chǎng)合使用的開(kāi)放型光聲池。而氣體的光聲池又分為兩類(lèi)：非諧振式光聲池和諧振式光聲池。 非諧振式光聲池是將氣體密封在腔室中,氣體受熱膨脹,從而檢測(cè)到光聲信號(hào),此類(lèi)光聲池需要密封且靈敏度較低。諧振式光聲池是指入射光的調(diào)制頻率與光聲池的聲學(xué)共振頻率一致，它的原理是聲波在腔體中傳輸,若聲波能在腔室中諧振形成駐波,則無(wú)需密封腔室,且起到共振放大的作用。當(dāng)前19頁(yè)，總共32頁(yè)。實(shí)驗(yàn)儀器以上兩種光聲池都是固體用的光聲池，右面這種是使用較多的一種，它有一個(gè)好處就是避免散射光照到未引起的震動(dòng)片上影響測(cè)量結(jié)果。此外現(xiàn)在還有一種開(kāi)放式光聲池，用壓電陶瓷制成微音器。這種光聲池正在逐步興起。當(dāng)前20頁(yè)，總共32頁(yè)。實(shí)驗(yàn)儀器常見(jiàn)的三種聲學(xué)共振腔:(1)赫姆霍茲諧振腔:共振腔由一空穴和其連接的頸部構(gòu)成?；灸Ｐ褪菑椈少|(zhì)量塊模型,空穴中氣體充當(dāng)彈簧作用,頸部氣體相當(dāng)于質(zhì)量塊。當(dāng)前21頁(yè)，總共32頁(yè)。實(shí)驗(yàn)儀器 (2)一維共振腔:如果共振腔的截面尺寸遠(yuǎn)小于聲波波長(zhǎng),則被激發(fā)的聲波信號(hào)只沿共振腔長(zhǎng)度方向變化,這種腔體可以被認(rèn)為是一維共振腔,

兩端都開(kāi)口或封閉的腔體要求長(zhǎng)度是半波長(zhǎng)的整數(shù)倍，一端開(kāi)口一端閉口的腔體,要求長(zhǎng)度是1/4波長(zhǎng)的奇數(shù)倍。共振頻率都是有公式可以計(jì)算的。當(dāng)前22頁(yè)，總共32頁(yè)。實(shí)驗(yàn)儀器 (3)空穴式共振腔:當(dāng)共振腔的截面尺寸于聲波波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí),將產(chǎn)生于一維諧振腔截然不同的共振,駐波形式和共振頻率依靠腔體的形狀和尺寸。當(dāng)前23頁(yè)，總共32頁(yè)。實(shí)驗(yàn)儀器

激光光束在光聲池處的直徑約為3.2mm，聲共振管的直徑取為10mm，共振管長(zhǎng)100mm。共振管兩端是兩個(gè)緩沖室，直徑70mm，長(zhǎng)50mm(1/4聲波波長(zhǎng))，緩沖室兩端用Znse材料的Brewster窗密封。整個(gè)光聲池用黃銅制成，內(nèi)外表面鍍鎳防止腐蝕性氣體的氧化和腐蝕。大連理工現(xiàn)在在用的光聲池結(jié)構(gòu)及參數(shù)：當(dāng)前24頁(yè)，總共32頁(yè)。實(shí)驗(yàn)儀器 左圖為美國(guó)麻省理工學(xué)院制作的光聲池的實(shí)物及結(jié)構(gòu)圖。 它采用半導(dǎo)體激光器作為光源,通過(guò)微機(jī)械技術(shù)MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem)加工制作微型光聲腔體,采用光學(xué)麥克風(fēng)檢測(cè)聲信號(hào),構(gòu)成光聲傳感器,實(shí)現(xiàn)了對(duì)微量氣體的檢測(cè),檢測(cè)靈敏度達(dá)到10的負(fù)6次方當(dāng)前25頁(yè)，總共32頁(yè)。實(shí)驗(yàn)儀器 四、微音器微音器主要是測(cè)量由光調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生的調(diào)制聲信號(hào)。根據(jù)測(cè)量原理的不同可以分為三類(lèi)，電容式微音器、駐極體式微音器和壓電式微音器，它們分別應(yīng)用于不同的地方，前兩種主要是用來(lái)測(cè)氣體試樣，最后一種是測(cè)固、液體試樣。 (1)電容式微音器 顧名思義，就是利用電容的原理作測(cè)量的微音器，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頻率響應(yīng)平坦，性能比較穩(wěn)定的特點(diǎn)。 (2)駐極體式微音器 所謂駐極體(electret)是具有半永久性極化作用的電介質(zhì)。實(shí)際上的原理也是利用電容的原理進(jìn)行測(cè)量的。它具有體積小，價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)，但是作為光聲光譜的微音器其靈敏度稍低。當(dāng)前26頁(yè)，總共32頁(yè)。實(shí)驗(yàn)儀器 (3)壓電式微音器 這種微音器是利用壓電效應(yīng)(piezoelectriceffect)進(jìn)行測(cè)量的微音器。主要是測(cè)量凝聚態(tài)材料用的。具有居里點(diǎn)高(約350度)在高溫下也可使用；溫度系數(shù)?。活l率響應(yīng)范圍寬(可達(dá)10MHz以上)；對(duì)于濕度及時(shí)間的變化都較穩(wěn)定；價(jià)格便宜，加工方便等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前27頁(yè)，總共32頁(yè)。實(shí)驗(yàn)儀器 五、鎖相放大器及數(shù)據(jù)處理： 鎖相放大器主要是用來(lái)預(yù)處理從微音器傳過(guò)來(lái)的電壓信號(hào)，并進(jìn)行去噪和放大(需要使用前置放大器)還有整波等功能，最后將信號(hào)傳到計(jì)算機(jī)中。當(dāng)前28頁(yè)，總共32頁(yè)。實(shí)驗(yàn)儀器 數(shù)據(jù)處理： 激光功率的監(jiān)測(cè)、光聲信號(hào)的振幅和位相測(cè)量還有高壓電源模塊的壓控值都由鎖相放大器(ND202或ND203)和它高精度16位A/D轉(zhuǎn)換器完成，鎖相放大器通過(guò)GPIB(通用總線接口技術(shù))接口將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)，而實(shí)驗(yàn)控制程序是利用美國(guó)國(guó)家儀器公司Nl(NationalInstruments)的產(chǎn)品Labview來(lái)設(shè)計(jì)完成的。另外光譜數(shù)據(jù)的后期處理則是通過(guò)HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)輔助光譜選擇軟件JavaHAWAKS來(lái)處理。當(dāng)前29頁(yè)，總共32頁(yè)。HITRAN簡(jiǎn)介

HITRAN是high-resolutiontransmissionmolecularabsorptiondatabase的縮寫(xiě)。它是一個(gè)長(zhǎng)期運(yùn)行的項(xiàng)目，由AirForceCambridgeResearchLaboratories(AFCRL)在20世紀(jì)60年代建立，到現(xiàn)在包括大氣中37種不同分子的1,734,469條光譜線(包括氧原子和一價(jià)一氧化氮離子)并且數(shù)據(jù)庫(kù)可以從以下FTP中更新： (http://cfa-www.H/HITRAN/hitrandata04/)當(dāng)前30頁(yè)，總共32頁(yè)?？尚行苑治黾翱偨Y(jié) 綜上所述，光聲光譜學(xué)是一門(mén)新興學(xué)科，并且具有很大的潛力和廣泛的應(yīng)用前景，而且對(duì)設(shè)備要求并不是很高，基于我們實(shí)驗(yàn)室的條件，我們已經(jīng)具備絕大部分的實(shí)驗(yàn)儀器，而對(duì)于沒(méi)有的儀器，如光聲池，無(wú)論對(duì)哪個(gè)想開(kāi)展這方面工作的單位來(lái)說(shuō)都是需要自己制作的，制作花費(fèi)并不是很高。另外微音器由于質(zhì)量和精度原因價(jià)格存在很大的差異，從十幾美金到1500歐元左右不等，我們可以在確定實(shí)驗(yàn)的最后參數(shù)時(shí)再進(jìn)行選擇。 最后數(shù)據(jù)處理方面，首先需要用Labview軟件進(jìn)行儀器控制程序的編寫(xiě)，然后可能還需要帶有A/D轉(zhuǎn)換和與計(jì)算機(jī)通信功能電路的焊接和相關(guān)數(shù)據(jù)采集底層軟件的編寫(xiě)。這些前期準(zhǔn)備工作需要較長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)完成。當(dāng)前31頁(yè)，總共32頁(yè)。參考文獻(xiàn)： [1] 楊曉龍,光聲光譜技術(shù)中的多氣體成份分析方法研究，大連理工大學(xué)碩士畢業(yè)論文，2003 [2] Petal.C,K.N.,andTam,A.C.,Rev.Mod.Phys.198153:3 [3] West,G.A.,Rew.Sci.Imstrment,1983,54:7 [4] E