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激光光聲光譜技術(shù) PAS

光聲光譜法PhotoAcoustic Spectroscopy(PAS),被測氣體的特定波長(cháng)(顏色)在紅外范圍內有吸收波譜,紅外激光二極管通常用作光源,被測氣體用特定紅外波長(cháng)的調制光照射。照射紅外激光通過(guò)電子或機械方式進(jìn)行調制,例如使用斬波器。當紅外激光的頻率與采樣池中氣體的吸收帶相對應時(shí),氣體分子吸收一部分照射光。被測氣體濃度越高,被吸收的光就越多。被吸收的光會(huì )產(chǎn)生熱量,因此壓力會(huì )升高。由于紅外激光的調制,因此壓力將交替增加和減少。這就產(chǎn)生了一個(gè)聲音信號,可以被麥克風(fēng)探測器檢測到,然后轉換成電信號。
當氣體樣品受到頻率為νmn的入射光照射,滿(mǎn)足入射光光子能量為氣體分子中兩能級能量之差的條件時(shí),氣體分子將吸收光子能量,從初始能級En躍遷至能量更高的能級Em,即有:

(1):σ=νmnclight=Em-Enhc

式中:σ為入射光的波數;clight為真空中光速(約為3×108 m/s);h為普朗克系數(6.62×10-34 J?s)。只有滿(mǎn)足如式(1)頻率關(guān)系的入射光子才能被氣體吸收,因此不同成分的氣體擁有不同的氣體吸收線(xiàn)。

當入射光調制頻率小于無(wú)輻射弛豫頻率時(shí),氣體的溫度就會(huì )以相同的頻率被調制。根據氣體運動(dòng)定律,在氣體體積一定的情況下,氣體溫度的調制會(huì )導致氣體壓強周期性的變化,在光聲池中激發(fā)出相應的聲波。用微音器檢測此聲波信號,即可測得氣體濃度。

不同波數處氣體吸收線(xiàn)的集合稱(chēng)為氣體的吸收譜[29]。氣體在不同波數的吸收系數α(ν)由單位體積內氣體分子的密度Ng和氣體分子的吸收截面ξ(ν)共同決定,即有:

(2):αν=ξνNg

氣體環(huán)境受到影響時(shí),氣體吸收譜線(xiàn)有可能會(huì )加寬。氣體分子吸收線(xiàn)型加寬的物理機制可分為自然加寬、碰撞加寬和多普勒加寬3種形式。
當能量為I0、調制角頻率為ω的入射光照射至長(cháng)度為L(cháng)的氣體腔(即光對氣體的有效吸收長(cháng)度為L(cháng))時(shí),氣體吸收光而產(chǎn)生的總熱量Htot為:

(3):Htot=I0(1-e-ανL)ei(ωt-φ)

式中φ代表激發(fā)態(tài)粒子數密度與光子流密度之間的相位延遲。當調制的入射光照射至氣體光聲共振腔時(shí),氣體中將會(huì )產(chǎn)生周期性調制的局部熱源,周期性地向周?chē)渌麣怏w分子擴散,因而激勵出同頻的聲波信號。產(chǎn)生的聲波信號S與氣體吸收光產(chǎn)生的熱源信號Htot、氣體對入射光的吸收長(cháng)度L、光聲池常數C和光聲池所使用的信號探測器的靈敏度Rmic相關(guān),即有:

(4): S=HtotCLRmic=I0(1-e-αkνL)CLRmicei(ωt-φ)

光聲池常數表征系統中所應用的光聲池能夠將所吸收的入射光經(jīng)過(guò)熱、聲和電等形式最終轉換為系統輸出電信號的能力,表示為: 

(5):C=(γ-1)GLVQ1ω1p1(rmic)

式中:γ=Cp/Cv為比熱容比,Cp和Cv分別為等壓和等容熱容量;V表示光聲池體積;G為光聲池幾何系數,表征光聲池與入射光形狀大小等參數的耦合效率;Q1表示當光聲池工作于共振頻率時(shí)的光聲池品質(zhì)因數;p1表示位于聲學(xué)探測器處rmic的聲壓信號幅值。

激光光聲光譜技術(shù).jpg  激光光聲光譜技術(shù)-2.jpg


1. 光聲效應的主要優(yōu)點(diǎn)是靈敏度基本上不依賴(lài)于光路長(cháng)度。這使得痕量氣體分析儀,在極低樣品的體積和短吸收路徑長(cháng)度下有很高靈敏度

和很寬動(dòng)態(tài)測量范圍內的高線(xiàn)性濃度響應成為可能。

2. 無(wú)干擾信號,結果極為準確:吸收是直接測量的,與背景無(wú)關(guān)。因此,PAS是檢測氣體*靈敏的方法之一,常用于微量氣體分析。

3. 樣品體積小,取樣池體積小:小尺寸的PAS電池可以測量非常小的氣體體積。與傳統方法相比,樣品體積可以大幅度減少。

4. 巨大的價(jià)格優(yōu)勢:另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是,PAS通常比其他氣體分析方法便宜。原因是麥克風(fēng)探測器比(紅外線(xiàn))探測器便宜。

5. 低漂移量:麥克風(fēng)探測器的響應非常穩定。因此,漂移量很小,很少需要校準。

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