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      激光光聲光譜技術 PAS

      光聲光譜法PhotoAcoustic Spectroscopy(PAS),被測氣體的特定波長(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的調制光照射。照射紅外激光通過電子或機械方式進行調制,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,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。被吸收的光會產生熱量,因此壓力會升高。由于紅外激光的調制,因此壓力將交替增加和減少。這就產生了一個聲音信號,可以被麥克風探測器檢測到,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,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)。只有滿足如式(1)頻率關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。

      當入射光調制頻率小于無輻射弛豫頻率時,氣體的溫度就會以相同的頻率被調制。根據氣體運動定律,在氣體體積一定的情況下,氣體溫度的調制會導致氣體壓強周期性的變化,在光聲池中激發出相應的聲波。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的集合稱為氣體的吸收譜[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

      氣體環境受到影響時,氣體吸收譜線有可能會加寬。氣體分子吸收線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的入射光照射至長度為L的氣體腔(即光對氣體的有效吸收長度為L)時,氣體吸收光而產生的總熱量Htot為:

      (3):Htot=I0(1-e-ανL)ei(ωt-φ)

      式中φ代表激發態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,氣體中將會產生周期性調制的局部熱源,周期性地向周圍其他氣體分子擴散,因而激勵出同頻的聲波信號。產生的聲波信號S與氣體吸收光產生的熱源信號Htot、氣體對入射光的吸收長度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,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過熱、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的光聲池品質因數;p1表示位于聲學探測器處rmic的聲壓信號幅值。

      激光光聲光譜技術.jpg  激光光聲光譜技術-2.jpg


      1. 光聲效應的主要優點是靈敏度基本上不依賴于光路長度。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度下有很高靈敏度

      和很寬動態測量范圍內的高線性濃度響應成為可能。

      2. 無干擾信號,結果極為準確:吸收是直接測量的,與背景無關。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. 巨大的價格優勢:另一個優點是,PAS通常比其他氣體分析方法便宜。原因是麥克風探測器比(紅外線)探測器便宜。

      5. 低漂移量:麥克風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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