微型光纤光谱仪在测量大气痕量气体中的应用

如海光电

2023.5.17

作者如海光电

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研究背景

气态亚硝酸（Nitrous Acid, HONO），HONO光解是城市大气中OH自由基的主要来源之一，OH自由基会提供大气氧化性，进而促进大气中形成各种污染物，如气溶胶、PM_2.5等。研究大气中的气态亚硝酸浓度对促进理解大气化学有着重要的意义。

测量原理

非相干宽带腔增强吸收光谱技术（IBBCEAS），其原理是基于Lambert-Beer定律，光对气体物质的吸收与气体物质的浓度成正比。由宽带光源发出的非相干光在谐振腔内来回多次反射，从而提高了有效光程，在减少装置所占空间的同时大大提高了装置的检测下限。一束宽带光源发出的光进入由两面反射率为R的高反镜组成的光学谐振腔，光在每次反射以后都会从高反镜透射出一部分光，投射出的光经透镜汇聚后被光谱仪（XS11639）接收，由于光每次反射的时间远小于光谱仪的信号采集时间，所以光谱仪接受到的是光强的叠加信号其根据物质在不同波段的吸收特性不同来对待测物质浓度进行直接测量。该装置使用非相干宽带（LED）光源，在紫外波段选取了368nm处的HONO的显著吸收峰作为特征峰，该波段只有HONO和NO₂有明显的吸收截面，在测量HONO的同时也可以得到NO₂的浓度。

图1 IBBCEAS测量HONO的原理图

图2 HONO和NO₂的吸收截面

图3 IBBCEAS腔的实物图

测量结果

HONO-IBBCEAS装置与NO_X分析仪进行了比对实验， Ecophysics nCLD的NOx分析仪采用了化学荧光法原理测量NO，NO₂则由内置的钼转化炉还原成NO进行测量。该仪器量程为0-1000ppb，检测限为100ppt，最低时间分辨率为1s。两台装置测量的NO₂浓度范围为10-120ppb，NO_X分析仪在测量峰值时略高于HONO-IBBCEAS装置。两组测量数据呈现较好的一致性，斜率为0.98，R²为0.99。

图4 IBBCEAS装置测量NO₂的比对图

参考文献

[1]刘文洋,王孟,黄聪艳,马东翔,吴宇航,周文鑫,朱雯斐,杨荟楠,黄成,楼晟荣,陈军.腔增强吸收光谱测量大气亚硝酸的车载走航观测应用[J/OL].环境科学学报:1-11[2023-05-14].DOI:10.13671/j.hjkxxb.2023.0084.

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产品简介

XS11639是一款基础款光纤光谱仪，采用交叉CT结构设计，NA 0.11数值孔径，入射焦距42mm，体积小巧，结构紧凑。采用紫外增强CMOS检测器，优化了紫外段响应。配置带key的可更换狭缝机构件，优化的狭缝高度设计，满足高灵敏度采样需求。配置24PIN控制交互接口，满足颜色测量、辐射测量、吸收测量、荧光光谱、拉曼光谱等多种测量场景。采用特殊的镜片固定工艺和光电分离结构，具备良好的温度稳定性和可靠性。