[发明专利]恒定氢氧稳定同位素比值的水汽发生器及用途

说明书

技术领域：

本发明涉及大气学、水文学和稳定同位素生态学，尤其是涉及大气水汽稳定同位素仪器的标定技术。

背景技术：

由于同位素效应的存在，H₂¹⁸O，HD¹⁶O和H₂¹⁶O已经成为土壤、植被、大气和海洋间不同形式水分运动的最佳示踪剂，已经成为涉及大气、水文和生态等多种学科的重要研究工具。由于在自然界中轻同位素的相对丰度很高，而重同位素的相对丰度很低，因此同位素比值通常采用δ值来表示，

   δ＝(R/R_Std-1)×1000‰                   (1)

其中R是¹⁸O/¹⁶O或D/H摩尔比，R_Std是标准物质的¹⁸O/¹⁶O或D/H摩尔比，目前通常采用维也纳(Vienna)标准平均海水(V-SMOW)，其中¹⁸O/¹⁶O为0.0020052，D/H为0.00015576。以δ形式表示的同位素比值的单位是千分之一(‰)。

对气态、液态和固态水δ¹⁸O和δD的同时测量能够提供揭示大气水源区域和相变过程的重要信息。与液态和固态水δ¹⁸O和δD的观测相比，对水汽δ¹⁸O和δD的观测可以在不同季节和天气条件下进行，而不局限于有降水或降雪发生的天气条件，因而可提供比单纯利用液态和固态水δ¹⁸O和δD数据更多的关于大气学、水文学和稳定同位素生态学等方面的信息。

以往的大气水汽δ¹⁸O和δD研究几乎都依靠大气水汽冷阱/同位素质谱仪技术(cold-trap/mass spectrometer method)，通常都包括两个步骤：样品收集和样品分析，而这两个步骤都是非常耗时费力的。特别是样品收集的工作周期与大气本身的水汽浓度有关，在比较干燥的大气条件下，样品的采集时间往往需要更长的时间，从而导致在这一期间原本变化的信号被失真的采集，样品之间的可比性可能由于采集时间的不同而产生次生误差。近年来，调制式半导体激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)技术的发展使得对大气水汽δ¹⁸O和δD的原位连续观测成为可能。在TDLAS技术之后，离轴积分腔输出光谱(Ofi-Axis Integrated Cavity Output Spectroscopy，OA-ICOS)和波长扫描光腔衰荡光谱(Wavelength-Scanned Cavity Ring Down Spectroscopy，WS-CRDS)技术的发展也使得对大气水汽δ¹⁸O和δD的连续观测成为可能。但是，大气水汽δ¹⁸O和δD稳定同位素观测仪器的观测精度受外界环境条件以及激光光源自身变化的影响，通常具有明显的非线性响应问题。仪器的非线性响应指仪器观测的具有恒定氢氧稳定同位素比值(δ¹⁸O和δD)的不同浓度的水汽结果应该具有相同的δ¹⁸O和δD，但是表现为不同的数值即非线性的响应特征。因此，需要采用适当的标定设备和方法进行标定，观测结果才能应用。

因此，可快速、准确的产生可跟随自然大气变化的上下区间两个浓度，且具有恒定氢氧稳定同位素比值的水汽发生器及方法是实现大气水汽δ¹⁸O和δD稳定同位素观测仪器连续或定期的标定并获取高质量数据的前提。传统的大气水汽冷阱/质谱仪技术并不适于野外原位观测条件下系统的性能评价或标定。主要有以下三个原因：第一，大气水汽冷阱/质谱仪技术耗时费力；第二，易受冷阱冷凝效率所引起误差的影响；第三，也是最重要的，所采集到的水汽样品的结果只能等到质谱仪分析后才能得到，而这对于野外原位连续观测试验来说是非常不现实的。这将使原位连续观测系统的性能无法在技术上予以保证。

发明内容：