气体细胞 Gas cells

2022-11-22 10:36:32 浏览:492

定义

充满一些气体的细胞,通常用于激光吸收光谱。

在激光光谱学中,通常需要测量气体中光的吸收系数,或气体与光相互作用产生的其他效应,例如频率相关的相变。 通常,由气体通过引起的光束的微小变化被测量为激光束光频率的函数,结果以光谱的形式呈现 - 例如,吸收光谱。 在这种光谱中获得的峰可用于鉴定某些化学物质并测量其浓度。 对于此类测量,通常使用波长可调的单频激光器或其他窄线宽激光器。 另一种方法是光声光谱法,其中测量由与吸收相关的气体加热引起的声学信号,在这种情况下使用激光脉冲。

例如,获得的光谱数据可用于环境监测或医学诊断。

开放式和密封的气体和蒸汽池

应用光谱方法的气体通常被填充到某种气室中。 它通常呈圆柱形,由一些透明材料制成,例如硼硅酸盐、耐热玻璃或熔融石英。

虽然用于气体分析的光谱池需要有用于交换气体的开口,但参比气体池可以密封。

对于分析应用,需要在操作过程中向电池填充感兴趣的气体。 显然,气室需要有一个或两个适当的开口。 在某些情况下,在运行过程中使用连续的气体流通过电池 - 例如,在空气污染监测的背景下 - 使用气体入口和出口。

光谱气体池的另一个应用是获得光学频率标准。 在这里,单频激光被锁定在气体的某种吸收特征上,使用一些自动反馈系统。 在其他情况下,气体池仅暂时用于光学频率校准程序。 这种参比气池可以在生产过程中填充所需的气体类型和数量,然后密封。 它们需要具有适当的光学窗口(在整个相关光谱区域具有高透射率),以便光进入和离开细胞。

参比气体池可与许多不同的气体一起使用,包括原子和(通常是全构)分子气体。 典型的例子是碘(I2)、氢(H2)、氦气、一氧化碳 (CO) 和乙炔 (C2H2)。因此可以使用广泛的标准谱线。 在某些情况下,使用碱金属,例如钠(Na),钾(K),铷(Rb)或铯(Cs),至少在电加热到适当的温度时会产生足够高的蒸气压。 这种细胞可以称为蒸气电池。

显然,密封的气室应该是可靠的无泄漏的。 因此,经常应用氦气泄漏测试。 在一段时间内暴露于某种氦气气氛后,细胞中的任何氦气都可以用光谱学轻松检测到。 由于氦气具有特别高的扩散系数,因此在氦气测试中没有泄漏是没有任何重要法律的好兆头。

敏感度问题

在许多情况下,需要非常高的激光光谱灵敏度。 这取决于不同的因素:

  • 在处理具有高吸收截面的气体的光谱特征时,更容易实现高灵敏度。 这种跃迁通常存在于中红外光谱区域。 有各种类型的合适的中红外激光源,例如基于光学参量振荡器的激光源,但不幸的是,这些激光源比近红外激光器更难制造(具有良好的性能)。
  • 高气体压力,对应于相应增加的粒子密度,在灵敏度方面可能有所帮助,但通常不切实际,并且还可能导致谱线的压力展宽。
  • 另一种方法是实现气体中光的很长的路径长度。 在这种情况下,即使是微弱的泛音过渡也足以获得所需的灵敏度。
  • 使用更高的光功率也有帮助,但可能会大大增加所需激光系统的成本和电力消耗,这与便携式光谱仪尤其相关。
  • 不同的激光光谱技术在对噪声源的敏感性方面也有很大不同,特别是对激光噪声的敏感性。

由于激光源可以解决的性能方面通常与高成本相关,因此需要优化气体单元方面的性能,其中通常可以以中等成本实现实质性进步。

气体压力

在某些情况下,人们使用相当低的气体压力,例如为了尽量减少谱线的压力展宽。 在其他情况下,需要高气体压力,例如为了达到更高的灵敏度。 显然,玻璃外壳必须足够稳定,以承受与周围大气的压差。

在某些情况下,缓冲气体用于携带实际感兴趣的物质。 然后,总压力可能等于环境压力,而目标物质的分压只是其中的一小部分。

气体纯度

使用的气体通常应表现出高纯度。 它不应被玻璃中的化学物质污染,这些化学物质可能会扩散到气体中。 因此,参考光谱池可以在真空下烘烤一段时间,然后再用过的气体填充它们。

通常,填充气体含有天然的同位素混合物,其转变频率可能有所不同,但在某些情况下,也可以使用纯化的同位素。

对于具有连续交换气体的光谱气体池,应避免沉积不需要的物质,例如灰尘。 因此,在将气体送入电池之前,可能必须对其进行过滤。

加热气室

一些气体池在运行过程中需要加热 - 在大多数情况下,要么是为了达到足够的蒸气压,例如当使用碱性金属时,要么是为了避免某些物质的冷凝。 允许的最高电池温度在很大程度上取决于使用的材料;对于某些电池,它只有200°C,而另一些则可以耐受800°C或更高。

实现长路径长度

多通道气室

原则上,可以使用相应长的单程气池;为了避免光束发散过多,需要使用光束半径相对较大的激光束。 然而,这种方法通常不切实际,主要是因为气体电池会变得太笨重而无法集成到紧凑型设备中。 因此,人们经常使用各种类型的多通道气体单元,其中长路径长度是通过通过中等长度单元的多次通道(即折叠路径,通常使用镜子)来实现的。

具有中空芯光纤的气室

另一种可能的方法是使用中空芯光纤,该光纤可以填充待分析的气体。 即使光纤有几米长,也可以通过将光纤缠绕在线圈上来实现紧凑的设置。 (极限由弯曲损失设定,弯曲损失在超过某个临界弯曲半径时急剧上升。 一个重要的优点是这种气体池本身不需要任何对齐。 然而,输入光束需要仔细对齐,以便有效地将光发射到光纤中——这通常是单模的。

在实践中,可用纤维长度可能不是受纤维可以缠绕多少的限制,而是由更换气体所需的时间限制,因为微小的芯径不允许高速的气流。

光学器件

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