[发明专利]一种稳定同位素丰度实时在线监测装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及稳定同位素丰度的光学分析装置领域，具体为一种稳定同位素丰度实时在线监测装置和方法。

背景技术

近年来稳定同位素分析在环境科学和环保领域的应用日益受到重视，尤其在大气、土壤、水质及生态环境研究中均发挥了重要作用。如应用稳定性同位素丰度变化，研究和指示环境污染源和污染程度；利用测定铅同位素比的方法，判定汽油生产厂家及其对大气的污染程度；使用同位素稀释方法测定各种水资源中有害的微量元素含量，用以监测水质质量；利用稳定同位素的示踪作用，可辨别温室气体的排放来源，分析人类活动如化石燃料燃烧、水泥生产、养殖畜牧以及农业生产对温室气体排放的贡献，不仅可以准确估算各排放源的排放总量，对工厂、城市实施“节能减排”工作也具有一定的指导意义；通过测定甲烷同位素有助于了解大气中甲烷源汇的物理和化学变化机制，用于稻田、湿地等甲烷排放机理和氧化率的定量研究。此外稳定同位素分析在地质学（如矿产和石油天然气资源勘探、水资源开发等）、核工业、考古学、生态环境科学研究、生物学和化学研究、水资源开发、农业生产科学、食品安全、临床医学等多个学科也已得到了广泛的应用。

目前，国际上稳定同位素分析仪主要利用的是质谱技术、傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术和激光光谱技术。三者相比，基于质谱的同位素比例质谱仪（IRMS）研究历史最长，其技术成熟度和分析精度最高，是目前进行稳定同位素分析的最主要工具。而基于FTIR技术的光谱仪虽然也可以在某些场合进行同位素分析，但是因其光谱分辨率受限需较高气体浓度且耗时长，需要液氮制冷，体积庞大、复杂，很少作为专门仪器用于同位素分析；激光光谱技术的同位素分析仪进入市场较晚，但是因其高选择性、高灵敏度、体积小响应快，近年来发展迅速，成为目前稳定同位素分析仪的主力军，但普通的光谱方法仍然存在灵敏度低，稳定性能差等缺点，难以对含量较低的检测对象进行检测，如通常所用的TDLAS技术和NDIR技术等。

基于激光吸收光谱技术同位素分析将气体分子在基频带的吸收光谱和长光程离轴积分腔技术相结合进行痕量气体检测和同位素分析，可广泛应用于CO、CO₂、CH₄、N₂O等痕量气体浓度测量以及¹³C/¹²C、¹⁸O/¹⁶O、D/H的丰度测量，和传统质谱分析仪相比，本装置可以同时进行痕量气体浓度和同位素丰度测量，而且无需制备样品，大大提高测量频率，实现在线测量。另外，该装置操作简单，无需标定，长时间基本无漂移，稳定性好，功率小，便于携带、安装和野外实验，同时动态量程大，线性度高，浓度体积比可以达到10^-12～10^-2量级之间，有利于自然丰度下大差异的同位素测量。

发明内容

本发明目的是提供一种稳定同位素丰度实时在线监测装置和方法，以解决现有的稳定同位素丰度监测装置和方法分析时间过长、灵敏度低、稳定性差等问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种稳定同位素丰度实时在线监测装置，包括激光器、离轴积分腔、波长计、光电探测器、信号发生器、锁相放大器、采集A/D以及信号处理系统，其中，

所述激光器为可调谐半导体激光器，用于输出激光到离轴积分腔和波长计；

所述离轴积分腔用于容纳气体，腔体侧面连接进出气口，同时使入射到腔内的激光光束来回多次反射，极大地增加测量气体的吸收光程长度，从而提高检测气体的灵敏度；

所述波长计用于监测激光器的输出波长，并反馈给信号处理系统；

所述光电探测器用于接收由所述离轴积分腔出射的激光，将包含目标元素气体吸收的光信号转换为电信号，同时为保证探测器的响应度和稳定性，探测器含有前置放大电路和制冷装置；

所述信号发生器用来产生低频扫描信号和高频调制信号，对所述激光器进行波长扫描和调制，使其产生同时测量含目标元素气体同位素的两条相邻吸收谱线，同时高频调制信号引入所述锁相放大器，进行信号的解调；

所述锁相放大器用于将调制后的吸收信号解调放大，得到反应气体吸收强度的二次谐波信号，利用相邻同位素二次谐波信号的比值，可以计算出目标元素的同位素丰度；

所述采集A/D用于接收所述光电探测器输出的电信号，经过模数转换后进入所述信号处理系统；