[发明专利]多气体监测系统

说明书

技术领域

本发明一般涉及吸收光谱仪，尤其涉及检测痕量的化学战制剂、毒性工业 化学品和其它能在环境空气中发现的痕量化合物。

背景技术

光谱学研究电磁辐射与样品(例如含气体、固体和液体中的一种或多种) 之间的互作用。辐射与特定样品的互作用方式取决于样品的特性(例如分子组 成)。通常，辐射通过样品时，辐射的特定波长被样品内的分子吸收。被吸收 的特定辐射波长对特定样品内的分子吸收。被吸收的特定辐射波长对特定样品 内的每种分子是独特的。因此，识别哪些辐射波长被吸收，就能识别出现在样 品中的特定分子。

红外光谱学是特定的光谱学领域，例如在该领域中，通过使样品(如气体、 固体、液体或它们的组合)经受红外电磁能来测定样品内的分子种类和各别分 子浓度。通常，红外能被表征为能量波长为约0.7μm(频率为14000cm^-1)～ 约1000μm(频率为10cm^-1)的电磁能。红外能被引导通过样品，能量与样 品内的分子互作用。通过样品的能量被检测器(如电磁检测器)检测，然后被 栓信号用来例如测定样品的分子组成和样品内特定分子浓度。

一种特定的红钱光谱仪是傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪，它们被应用于 许多行业，例如空气质量监视、爆炸与生物制剂检测、半导体处理和化学生产。 FTIR光谱仪的不同应用要求不同的检测灵敏度，使得用户能区分样品中出现哪 些分子，且能测定不同分子的浓度。在一些应用中，必须把样品内各别分子浓 度标识到十亿分之一(ppb)以内。随着工业应用要求越来越高的灵敏度，优 化现有光谱学系统和应用新的光谱学元件，能使系统反复可靠地分辨样品中越 来越小的分子浓度。

发明内容

在各种实施例中，本发明的特征是一种分光检测系统，用于监视和/或检 测诸如环境空气的气体样品中的有毒化学物质。该系统可以是一台小巧的便携 多气体分析仪，能以十亿分之几(ppb)的级别检测与鉴别范围广泛的化学成 分，包括各种化学战制剂(CWA)、毒性有机化合物(TOC)和毒性工业化学 品(TIC)。该系统使误报警(如错误肯定或错误否定)减至最少，具有高度 专一性特点，且能根据应用场合以几秒或几分钟量级的响应时间工作。

在一实施例中，系统封装成不引人注目的自动操作单元，能部署在建筑物 的空气处理系统内，提供足以保护楼内人员的迅速灵敏的危险报警，还使自适 应基础系统对出现的污染作出反应。在一实施例中，该单元是一台全配套的分 析仪，具有FTIR光谱仪、气体样品池、检测器、埋置式处理器、显示器、气 泵、电源、加热元件和其它装在该单元上的元件，配有收集样品的进气管和与 其它设备接口的电子通信端口。

在一个方面，本发明以能够测量痕量气体的装置为特征。该装置包括第一 辐射束源和干涉计，后者接收来自前方的第一辐射束并形成含干涉信号的第二 辐射束。样品池与干涉计作光通信，而且该样品池包括样品池第一端处的凹反 射场表面和样品池第二端处基本上为球形的凹反射目标表面。目标表面与场表 面成相对关系，目标表面包括一个至少在一个平面内提高焦点至合度的圆柱形 元件，使第二辐射束经在每个场表面与目标表面上多次反射而通过样品池传播 的总量最大。该装置还包括使气体样品通过样品池流动的流动机构、与样品池 通信的冷却型检测器及与冷却型检测器电通信的处理器。冷却型检测器接收通 过样品池内样品传播的干涉信号，处理器根据干涉信号确定样品内痕量气体的 吸收分布。源、干涉计、样品池、冷却型检测器与处理器可置于一个机壳内。

在另一个方面，本发明以光学测量痕量气体的方法为特征。该方法包括提 供一台便携型吸收光谱仪并使环境空气样品通过样品池流动。吸收光谱仪包括 一个样品池，样品池第一端的环表面与第二端的目标表面成相对关系，形成一 条折叠的路径。可以优化样品池的容量和辐射束在折叠路径中的通过次数，使 在样品池中传播的辐射束通过量最大，以检测环境空气样品中浓度小于约 500ppb的痕量气体。