适用于OH自由基FAGE技术的波长实时修正方法及控制系统研究

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OH自由基是大气中最重要的氧化剂之一,在大气化学过程中扮演着重要角色。它能够与SO2、NO2、C2H6、H2、CO、CH4、CH3Cl、CH3Br、H2S等多种大气微量成分发生化学反应,并将它们从大气中清除,OH自由基决定了这些痕量气体在大气中的浓度和寿命,其浓度影响到区域甚至全球的氧化水平、气候变化以及酸沉降等重大环境问题。所以准确测量OH自由基的浓度对认识大气光化学过程有着重要作用。  由于气体扩张激光诱导荧光技术(Fluorescence Assay by Gas Expansion,FAGE)与化学离子化质谱和差分吸收光谱相比,具有较低的探测线、较高的灵敏度以及较强的选择性等优势,而使其成为目前OH自由基测量的主要技术,得到广泛的应用。但OH自由基的激发存在特别强的选择性,在355Pa条件下,激发线展宽约1.5pm;而通常采用的激发光源染料激光器普遍存在波长漂移的问题,为了定量准确测量OH自由基,必须保证OH自由基的稳定激发,因此在LIF系统中添加波长修正系统就显得非常必要。  本文基于LIF技术,利用OH自由基本身的荧光信号给染料激光器波长做修正。主要研究并获得了以下结果:  (1)根据荧光激发探测的需要,自行设计搭建了染料激光器波长修正系统。然后基于该系统,采用镍铝丝热解水汽的方式获得OH自由基,研究了OH自由基激发光谱,根据激发光谱的强度选择Q12线作为波长修正的激发线。  (2)在Q12激发线位置探究了OH自由基荧光强度的影响因素。主要研究了气体相对湿度、氧气含量、进气量以及抽速对荧光强度的影响,从而获得高浓度且稳定的OH自由基。考虑到激光器输出功率的不稳定对荧光强度的影响,利用激光强度对荧光强度进行修正。在优化了系统参数的情况下,获得了良好的系统稳定性,从而使得激光波长成为荧光强度的唯一影响因素。  (3)利用LABVIEW软件编写了波长修正控制软件,选取合适时间段的荧光强度做积分用于波长的修正,从而减小了系统噪声的干扰。连续两次扫描激光波长,当第二次扫描的荧光积分强度达到第一次最大值的0.95倍时,停止波长扫描,此时的激光器波长位置即为激发线位置。多次进行波长修正获得了高达0.1pm的波长修正精度。  本文基于LIF技术自行设计搭建的染料激光器波长修正系统,在优化了系统参数的基础上,实现了高精度的激光器波长修正,本波长修正装置可应用于气体扩张激光诱导荧光(Fluorescence Assay by Gas Expansion,FAGE)技术定量精确测量大气OH自由基系统。
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