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关于开展光声光谱学相关实验的可行性分析 主要内容 一、光声光谱简介 二、理论简介 三、实验方法及仪器 四、可行性分析及总结 五、参考文献 历史及现状 1880年,美国科学家,贝尔电话公司的创始人Bell首先在固体中发现了光声现象,不久后,Bell和科学家Tyndall 和Ronetgen在1881年各自独立进行了气体和液体的光声实验。然而限于光源和信号检测技术方面的缺陷,此后几十年光声技术的研究几乎没有什么实质性的发展。 历史及现状 1968年,Kerr和Atwood首次公布了利用激光光声光谱的方法检测微量气体,Kreuzer等人在1971年应用氦氖激光器,测量极限达到 0.01ppm(10的负6)并从理论上论证了用激光作光源的光声光谱测量可以使微量气体检测的灵敏度达到0.1ppt(10的负13),1990年,F.J.M.Harren等人设计气体光声检测系统,检测灵敏度达到20ppt。1996年,F.G.e.Bjnen进一步优化设计了基于二氧化碳激光器的内腔式光声光谱检测系统,检测灵敏度达到了6ppt。[1] 另外Petel 和Tam[2]、West[3]、Edward[4]等人各自对不同时期择重不同地对光声光谱学的研究状况及应用成果作过综述。[5] 基本原理 基本原理 光声效应可以分为三步,如左图所示。 ①样品吸收特定波长的调制光(调制频率在声波范围内) 光子,处于激发态; ②样品通过分子间碰撞以热的方式释放吸收的能量,使得气体受热(具有周期性) ; ③受热气体膨胀产生热声波(频率与调制光源频率相同) 。[6] 基本原理 理论简介 首先光声技术在测量气体和凝聚态物质时所用的理论是不一样的。具体来说光声技术就是利用光吸收和声激发之间的对应关系,通过对声信号的探测从而了解光吸收过程。 对于气体来说,由于光吸收激发的声波频率由调制频率确定;而其强度则只与可吸收该窄带光谱的特征气体的体积分数有关,因此,建立气体体积分数与声波强度的定量对应关系,就可以准确计量样品池中各气体的体积分数。 许多学者对光声光谱作了大量的理论分析研究。光声信号的产生涉及两个方面:热的产生和声波的形成。而理论推导和计算也是从这两方面展开的。光声光谱的经典理论在文献[10]中有详细的介绍。 理论简介 至于凝聚态物体(固体、液体) ,Rosencwaig 和Gersho在1975 年对固体光声效应所作的理论推导,它系统地论述了凝聚态物质中光声效应的产生机理,清晰地说明了与试样接触的气体中光声信号产生的物理过程。他们这种后来称为R-G理论的唯象模型,是凝聚态光声效应的经典理论。 R-G理论给出了试样和空气中一维温度场的严格表达式,并用近似方法处理气体中产生的光声信号,得到了对大部分实验情况有效的理论结果。 下面是其给出的光声信号表达式: 实验方法 实验方法 实验方法 实验仪器 实验仪器 (1)氙灯(1000W) 光声光谱中最普遍的非相干光源是高压氙灯。其工作压力为50~70个大气压,是230~2000nm区域中很有效的强光发射体,发射光谱主要呈连续状,在800~1000nm之间有几条强谱线。灯泡材料有石英和陶瓷两种。 实验仪器 (2)白炽碳棒 白炽碳棒是一种红外光源。碳棒是在氩气中通电的,可得到2500K左右的热辐射温度,碳棒的寿命是400小时左右,所需功率为4千瓦(9.8伏,400安)。电极部分用水冷却,腔罩用溴化钾窗,这样更容易输出热辐射 实验仪器 2、激光光源[8] 激光光源具有单色性强,脉冲峰值功率大,相干性好且连续可调等优点,是光声光谱最理想的光源。 不同的样品和不同的分析目的,可采用不同的激光器。对于气体和大气污染物的分析,可采用可调谐的红外激光器,如光参量激光器等。若测定某些特定的气体可用固定波长的激光器作光源。如测定甲烷可用氦氖激光器(3.39微米),测定一氧化氮可用二氧化碳激光器(10.6微米)。对于固体或液体物质可采用可调谐染料激光器。 实验仪器 3、同步辐射光源 另外同步辐射光源用于光声光谱,具有高灵敏度和高稳定性的优点,可大大扩展光声光谱的研究范围,苏庆德等首次在同步辐射紫外一可见光区建立起光声光谱装置,在185一650nm波段得到了稳定且达毫伏量级光声信号同步辐射光源在光声中的应用,将光声谱拓展到高能辐射区,为光声光谱带来了突破性的进展。 [8] 实验仪器 二、光斩波器[8] 光斩波器的目的是产生气体周期性的压力起伏——声波。光在调制中强度发生100%变化时,称为断续光,其他情况称为调制光。光斩波器只要分为以下三类: 1、机械式 能进行10Hz~1kHz范围内的调制,它的优点是简单廉价,但是产生机械振动可
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